9.4.1. Геофизические методы исследования геологической среды
9.4.2. Гидрогеологическая и почвенно-мелиоративная геофизика
9.4.3. Инженерно-геологическая и горная геофизика
9.4.1. Геофизические методы исследования геологической среды
Инженерная геофизика — это раздел прикладной (разведочной) геофизики, предназначенный для изучения геологической среды малоглубинными геофизическими методами с целью решения широкого круга задач гидрогеологии, почвоведения, инженерной и горной геологии, мерзлотоведения, гляциологии, технической геологии, археологии и др. Объектом ее исследования является геологическая, точнее, геолого-геофизическая среда мощностью в сотни метров, и особенно верхняя часть разреза (ВЧР) мощностью в десятки метров.
Эту часть верхней оболочки земной коры, где в наибольшей степени проявляются природные, экзогенные геологические, биологические и антропогенно-техногенные процессы, можно назвать биотехносферой, или экзотехносферой, так как здесь на почвы, грунты, горные породы воздействуют внешние, экзогенные (воздушные и водные) процессы, влияют естественные и искусственные физические поля, проявляется биологическая активность и антропогенная (инженерно-хозяйственная) деятельность человека.
Геолого-геофизическая среда характеризуется неоднородностью в пространстве по литологии и физическим свойствам горных пород, грунтов и почв: нелинейностью, которая проявляется как взаимозависимость параметров физических полей; тензочувствительностью, т. е. зависимостью упругих параметров горных пород от давления; флюидочувствительностью, т. е. изменением упругих, электромагнитных и других параметров в зависимости не только от геохимического состава твердой фазы горных пород, но и от состава флюидов (вода, нефть, газ), их движения; неадекватной реакцией среды на внешние воздействия. На геолого-геофизическую среду влияют временнЫе вариации космических полей, которые бывают ритмическими (упорядоченными) или хаотическими (случайными), а также возрастающие по интенсивности техногенные физические поля.
К геофизическим методам, используемым для изучения геологической среды, предъявляются специфические требования:
• обеспечение высокой детальности при сравнительно небольших глубинах изучения среды;
• использование мобильных малоглубинных методов и облегченных измерительных установок для ускорения, удешевления геофизических работ и возможности проведения повторных наблюдений (мониторинга полей);
• применение нескольких (до 3–4) геофизических методов различной физической природы для повышения точности получаемой информации;
• широкое использование буровых скважин и горных выработок, проходка которых несложна при небольших глубинах разведки.
Геологическая среда является объектом прямых исследований различных научно-прикладных геологических дисциплин. Геофизика может дать им дополнительную косвенную информацию, а отдельные задачи решает самостоятельно. Однако наибольшей информативности и экономической эффективности можно достигнуть при сочетании геологических и геофизических методов.
Инженерная (инженерно-гидрогеологическая) геофизика подразделяется: на гидрогеологическую, почвенно-мелиоративную, инженерно-геологическую, горную, мерзлотную, гляциологическую, техническую, археологическую. Возрастающее значение для человечества экологических проблем приводит к целесообразности выделения из инженерной геофизики нового научно-прикладного раздела — экологической геофизики (см. 9.5).
9.4.2. Гидрогеологическая и почвенно-мелиоративная геофизика
Геофизические методы используются для решения следующих гидрогеологических задач: гидрогеологических съемок разных масштабов; поисков и разведки подземных вод: грунтовых, пластовых, трещинно-карстовых, артезианских, термальных; изучения динамики подземных вод; выяснения условий обводнения месторождений полезных ископаемых и объектов во время подземного строительства и эксплуатации; определения минерализации грунтовых и подземных вод; проведения гидромелиоративных и почвенно-мелиоративных исследований.
Гидрогеологические съемки начинаются с обзорных и мелкомасштабных (мельче 1 : 500 000) съемок крупных территорий, проводимых в ходе геологических съемок. Специальные исследования геофизическими методами при гидрогеологических съемках мелких масштабов не проводятся, а используются данные структурно-картировочных геофизических методов (см. 9.2.2). Результаты геофизических исследований целесообразно подвергать целенаправленной переинтерпретации с точки зрения выделения водоносных и водоупорных толщ пород, наличия пластовых и трещинно-карстовых подземных вод.
Среднемасштабные (1 : 200 000–1 : 100 000) гидрогеологические, как и геологические съемки предназначены для сплошного попланшетного (полистного) изучения территории. При этом решаются следующие гидрогеологические задачи: гидрогеологическая стратификация разрезов с выделением водоносных и водоупорных пород в плане и по глубине с целью проектирования работ по водоснабжению и сельскохозяйственной мелиорации. Для решения этих задач могут привлекаться данные дистанционных аэрокосмических (инфракрасных и радиотепловых) съемок, наземных электромагнитных зондирований и профилирований, сейсморазведки и шпуровой терморазведки. Выбор двух-трех методов определяется природными условиями (аридные, гумидные области или территории распространения многолетнемерзлых пород) и геолого-геофизическим строением. Полевые работы редко проводятся в виде сплошных площадных съемок, а чаще путем изучения по более густой сети отдельных ключевых участков с интерполяцией результатов между ними на всю площадь.
Крупномасштабные (1 : 50 000 и крупнее) гидрогеологические съемки предназначены для решения задач питьевого, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения пастбищ и мелиорации земель подземными водами. В них применяются комплексы полевых площадных геофизических методов: электрические (ВЭЗ); электромагнитные частотные (ЧЗ) или становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) зондирования (в условиях распространения пресных вод); вызванных потенциалов (ВЭЗ-ВП) или сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) (в условиях распространения подземных вод повышенной минерализации); электромагнитные профилирования, терморазведка и др.
Интерпретация данных геолого-геофизических съемок должна быть направлена прежде всего на получение геометрических параметров разреза (мощностей и глубин залегания грунтовых и пластовых вод, положения и мощности зон трещинно-карстовых вод). По физическим и особенно электрическим свойствам пластов выявляются пресные, минеральные, термальные воды, выясняются гидродинамические, гидротермические и криогенные условия, а также определяются фильтрационные свойства пород (коэффициенты фильтрации, водопроводимости). Для этого устанавливаются вероятностно-статистические связи между геолого-геофизическими свойствами и данными параметрического бурения, опорных геофизических наблюдений у скважин и выполнения геолого-геофизических работ в скважинах (откачки, определения скоростей движения и фильтрации подземных вод наземно-скважинной электрометрией).
Возможность поисков и разведки пресных подземных вод геофизическими методами обусловлена тем, что с увеличением водонасыщенности горных пород увеличиваются их электропроводность и скорости распространения упругих волн, меняются электрохимическая активность и поляризуемость. Поэтому применяются следующие методы, направленные на поиски разных типов подземных вод: грунтовых (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, георадар, МПВ), пластовых (МПВ, ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, ЗСБ, ЧЗ, МТЗ) и трещинно-карстовых (ЕП, ЭП, ВП, МПВ).
С помощью этих методов решаются следующие задачи:
• на стадии поисков — литологическое картирование в плане и по глубине с выделением водовмещающих (песчано-гравийных, рыхлых или трещиноватых и закарстованных скальных) пород и водоупоров (глин, массивных скальных);
• на стадии предварительной разведки — уточнение литологического строения, выделение зон повышенной обводненности по значениям коэффициентов фильтрации и водопроводимости, определение глубин залегания и мощностей водоносных и водоупорных горизонтов, выявление «гидрогеологических окон» в локальных водоупорах, обеспечивающих связь разных водоносных горизонтов, гидрогеохимическое картирование зон с разной минерализацией подземных вод;
• на стадии детальной разведки — детализация и проверка данных предварительной разведки бурением скважин, определение эксплуатационных запасов подземных вод разной минерализации путем анализа всех полевых материалов и данных скважинных, в том числе режимных, геофизических наблюдений.
Поиски и разведка термальных вод, приуроченых к парогидротермальным системам и резервуарам с термальной водой («тепловым котлам») с помощью геофизических методов возможны потому, что они отличаются:
• повышенными значениями теплопроводности, температуры, геотермических градиентов и тепловых потоков, что вызывает появление аномалий при геотермических исследованиях;
• пониженными удельными электрическими сопротивлениями (УЭС), что проявляется минимумами на кривых электромагнитных зондирований;
• возрастанием термоэлектрических, электрокинетических потенциалов, сопровождающимся максимумами потенциалов естественных электрических полей;
• обогащением разреза сульфидными минералами, что создает аномалии вызванной поляризации;
• пониженными скоростями распространения упругих волн и их затуханий, что благоприятствует применению сейсморазведки;
• понижениями плотности и магнитной восприимчивости, что приводит к появлению слабых отрицательных гравимагнитных аномалий.
В зависимости от природных физико-геологических условий основными методами поисков термальных вод являются: аэрогеофизические (в том числе инфракрасные и радиотепловые съемки); шпуровая и скважинная терморазведка; электромагнитные зондирования (ЗСБ, ВЭЗ-ВП или МТЗ) и профилирования (ЕП, ВП); сейсморазведка МПВ и МОВ; гравимагнитные съемки. Среди скважинных ведущими методами являются термические, вспомогательными — электрические.
Поиск и разведка минеральных вод, пригодных для лечебных целей или являющихся источником химического сырья, проводятся теми же методами, что и для пресных вод. Разведку их проводят бурением скважин и проведением в них геофизических исследований (резистивиметрия, электрические и ядерные методы).
Важным этапом разведки грунтовых, пластовых и трещинно-карстовых вод является оценка их запасов, расходов, динамики, фильтрационных и емкостных свойств пластов горных пород. Для этого весьма перспективны наземно-скважинные электрические методы заряженного тела и резистивиметрия с засолкой скважин и слежением за опреснением минерализованных зон в подземных водах. С их помощью определяются такие динамические характеристики потока, как действительная скорость и коэффициент фильтрации.
При изучении обводненности горных выработок в ходе разработки месторождений твердых полезных ископаемых или проходки тоннелей важной практической задачей является выявление трещиноватых обводненных зон для бурения водопонизительных скважин и проектирования других осушительных мероприятий. Основными полевыми методами изучения обводненности горных выработок являются электромагнитные зондирования (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, МПВ) и профилирования (ЭП, ЕП), а также сейсморазведка МПВ. Подземные варианты этих и других методов служат для опережающей разведки скоплений подземных вод перед забоем выработок.
Гидромелиоративные работы, гарантирующие устойчивость сельскохозяйственного производства, требуют постановки научно обоснованных гидромелиоративных изысканий как на стадии проектирования и строительства различных водохозяйственных сооружений, так и, особенно в процессе их эксплуатации, для контроля качества осушения или обводнения земель. Повысить ценность точечных гидрогеологических обследований с использованием данных шурфов и скважин можно, если параметрические гидрогеофизические данные на ключевом участке увязать с площадными сплошными электрическими съемками (ЕП, ЭП, ВП, ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, РВЗ и др.), экстраполировав их на всю изучаемую площадь.
Почвенно-мелиоративное картирование с оценкой типов почв, их глинистости, засоленности, обводненности может выполняться по данным аэрокосмических (ИКС и РТС), микромагнитных, каппаметрических и гамма-съемок, электрометрических (ЕП, ЭП, ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, РЛС) методов.
9.4.3. Инженерно-геологическая и горная геофизика
Инженерно-геологическая геофизика — это раздел прикладной геофизики, предназначенный для решения разнообразных инженерно-геологических задач. Геофизические исследования выполняются при проведении средне- и крупномасштабных инженерно-геологических съемок, а также при детальных работах, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией различных сооружений. Объектом этих исследований является верхняя часть разреза (ВЧР) геолого-геофизической среды, характеризующаяся значительной неоднородностью, изменчивостью литологического состава, структурного строения и физических свойств горных пород. Эффективность геофизических исследований при изучении ВЧР достигается применением методов различной физической природы, с разной детальностью наблюдений, получением интегральных характеристик, отражающих особенности строения и свойств массива пород в их естественном залегании, возможностью многократных повторных наблюдений без нарушения строения и состояния геологической среды. Последнее обстоятельство позволяет осуществлять режимные геофизические наблюдения (мониторинг) за интенсивностью геологических и геодинамических процессов, происходящих под воздействием естественных и техногенных факторов. Применение геофизики позволяет сократить время и средства на проведение полевых и лабораторных инженерно-геологических работ.
При инженерно-геологических геофизических исследованиях, выполняемых на земной поверхности, в прибрежных зонах, на акваториях, в скважинах и горных выработках, используются различные малоглубинные методы. Ведущими из них являются сейсмические (метод преломленных (МПВ) и отраженных (МОВ) волн). Кроме того, в зависимости от природных условий можно применять два-три из следующих электроразведочных методов: электромагнитное профилирование методами естественного поля (ЕП), кажущихся сопротивлений (КС); радиоволновые (РВП), электромагнитные зондирования (вертикальные электрические методом сопротивлений или вызванной поляризации (ВЭЗ или ВЭЗ-ВП), частотные (ЧЗ), становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), радиоволновые (РВЗ), радиолокационные). Проводятся гравимагнитные; ядерные (радиометрические) исследования; используются данные аэрокосмических съемок.
Инженерно-геологические геофизические съемки бывают средне-, крупномасштабными и детальными. При среднемасштабных съемках (1 : 200 000–1 : 100 000) можно использовать данные космических и воздушных радиотепловых (РТС) или инфракрасных (ИКС) и магнитных съемок. По ним намечаются детализационные или ключевые участки для дальнейших исследований. Крупномасштабное картирование (1 : 25 000–1 : 10 000) проводится либо на ключевых участках, либо в виде сплошной съемки комплексом геофизических методов, включающим два-три из следующих полевых методов: МПВ, ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, ЗСБ, РВЗ. При наличии скважин выполняют сейсмоакустические и электрические исследования в них.
Расчленение поверхностных и коренных отложений по глубине и латерали — основная цель детальных (масштабы 1 : 10 000 и крупнее) геофизических исследований при проектировании, строительстве, а иногда и в процессе эксплуатации различных наземных, подземных, прибрежных сооружений (промышленных, гражданских, гидротехнических, транспортных). В результате выдается информация о составе, обводненности, устойчивости, мощности покровных рыхлых образований, несущей способности, плотности, трещиноватости коренных пород, наличии тектонических нарушений и геодинамически опасных участков (обвальных, закарстованных, оползневых, сейсмически неустойчивых).
Для расчленения горизонтально- и пологослоистых сред используются методы: МПВ, реже МОВ, ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, а также ЧЗ, георадар и др. (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Пример определения условий залегания скальных пород
под рыхлыми образованиями по данным методов ВЭЗ, ВЭЗ-ВП и МПВ:
1 — уровень капиллярного поднятия по данным ВЭЗ-ВП;
2 — поверхность грунтовых вод по данным ВЭЗ, ВЭЗ-ВП и МПВ;
3 и 4 — кровля скальных пород по данным ВЭЗ и сохранных пород по данным МПВ
(vг — граничная скорость) (по кн.: Геофизические методы…, 1988)
При изучении тектонических нарушений, выделении трещиноватых и ослабленных зон, крутослоистых толщ целесообразно использовать данные аэрокосмических фото- и инфракрасных съемок и не менее двух-трех методов из следующих: электромагнитные профилирования, микромагнитная и эманационная съемки.
Изучение таких геодинамических (физико-геологических) явлений и процессов, как карст, суффозия, просадки, т. е. определение наличия пустот и трещин в растворимых осадочных породах (карбонаты, соли, песок), проводится методами с круговыми установками ВЭЗ и ЭП. По вытянутости диаграмм можно определить направление трещиноватости, а по величине отношений больших осей диаграмм к малым — оценить ее интенсивность. Кроме того, применяются обычные методы электроразведки (ЕП, ЭП, ВП, НЧМ), тепловая, высокоточная гравитационная и радоновая съемки. В задачи геофизических методов при изучении оползней входят: расчленение их по литологии, определение глубины залегания уровня грунтовых вод, зеркала скольжения и поверхности коренных пород, определение динамики (движения) и изменений состояния во времени. Оползни изучаются методами электромагнитных профилирований (ЭП, ЕП, ВП) и зондирований (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП), сейсморазведкой МПВ и радоновой съемкой. Движение оползней можно выявить с помощью магнитных или электрических реперов. Периодическая микромагнитная или электрическая съемки оползней, в которых погружены железные трубы, штанги или электроды, питаемые постоянным током, позволяют оценить движение оползневого тела по смещению создаваемых реперами геофизических аномалий.
Исследование динамики упругих напряжений в теле оползня вследствие внутренних процессов и внешних нагрузок, сопровождающих смещение оползневых масс, осуществляется с помощью методов акустической (АЭ) или электромагнитной (ЭМЭ) эмиссии, т. е. регулярной регистрации акустических или электромагнитных шумов, что и может служить признаком движения оползня и даже его скорости.
Инженерно-геологические условия строительства разнообразных сооружений на акваториях морей, озер, рек изучаются в ходе проектирования их для расчленения прибрежных и донных осадков, определения глубины залегания коренных пород, картирования тектонических нарушений, изучения сейсмостойкости, физико-механических, прочностных и водно-физических свойств горных пород в массиве. Работы проводятся комплексом из 2–3 следующих акваториальных (аквальных) геофизических методов: сейсморазведкой методом непрерывного сейсмического профилирования (НСП), многоразносными электрическими (ВЭЗ-ДОЗ) и электромагнитными (ЭМЗ) зондированиями, съемкой естественных электрического (ЕП) и температурного (ТП) полей.
Определение физико-механических (плотность, пористость и др.) и деформационно-прочностных (модуля деформации (Едеф), предела прочности на сжатие (σсж) и др.) свойств в массиве проводится по данным сейсморазведки.
При инженерно-геологических изысканиях под различное строительство перечисленные свойства, характеризующие устойчивость массивов горных пород, определяются путем испытаний образцов или монолитов горных пород, взятых из скважин или шурфов. Они называются статическими модулями упругости (Есдеф, σссж). Аналогичные параметры (их называют динамическими) получаются при полевых, акваториальных или скважинных сейсмоакустических работах, при которых получаются скорости продольных (vр) и поперечных (vs) волн пород в естественном их залегании, в массиве. В теории и практике инженерно-геологической сейсморазведки установлены теоретические и эмпирические связи между vр, vs, vр/vs и Есдеф, σссж. Это позволяет сократить объемы трудоемких испытаний образцов, дополнив их более объективными, быстрыми и дешевыми сейсмическими данными.
Горная геофизика — научно-прикладной раздел горных наук, предназначенный для оперативной диагностики напряженно-деформированного геомеханического состояния массивов горных пород на угольных шахтах, рудниках подземной добычи твердых полезных ископаемых, при проектировании и строительстве тоннелей разного назначения, освоении подземных пространств городских агломераций под строительство гражданских предприятий, складов, дорог, гаражей и др. Для этого используются как наземные, так и подземные шахтно-рудничные методы геофизики. Как отмечалось выше, эти методы применяются для доразведки месторождений в ходе эксплуатации рудных, нерудных, угольных полезных ископаемых, изучении гидрогеологических и горнотехнических условий проходки подземных горных выработок, транспортных, гидроэнергетических и гидротехнических тоннелей.
Для оперативного решения геомеханических и геотектонических задач в подземных условиях шахт и рудников (чем занимается горная геология) давно и успешно применяются различные сейсмоакустические, электрометрические, радиометрические, гравиметрические и другие методы. Массив горных пород вокруг горной выработки испытывает упруго-пластично-разрушающие деформации как вследствие естественного литостатического горного давления массива, так и его изменений за счет формы, размера, способов проходки выработок, а также физико-механического состояния массива вследствие разной его дефектоскопии (трещиноватости, литологической неоднородности, разной насыщенности водой или газом). Эти факторы меняют скорости затухания упругих волн, электропроводность, естественную и искусственно вызванную поляризуемость, диэлектрическую проницаемость, радиоактивность (за счет радононасыщенности, наличия глинистых пород повышенной радиоактивности), температуру, плотность, пористость и другие физические свойства. Поэтому в дополнение к основным горно-геологическим и физико-химическим технологиям по диагностике напряженно-деформационного состояния, обеспечивающим безопасность проходки выработок и подземной отработки твердых полезных ископаемых, мониторинга изменений прочности пород и горного давления, можно применять какие-нибудь из следующих методов шахтно-рудничной геофизики:
• акустикоэмиссионный метод прослушивания естественных упругих шумов, сейсмические профилирования, зондирования и просвечивания, сейсмотомография массивов, ультразвуковой каротаж скважин подземного бурения;
• электромагнитные съемки естественных постоянных (физико-химических) и переменных (электрическая эмиссия), искусственных подземных электрических зондирований (ПЭЗ), профилирований и просвечиваний на постоянном и переменном токе, радиоволновые и георадарные работы вдоль выработок и просвечивания;
• радиометрические (гамма- и эманационные (радоновые) съемки) в выработках, плотностной гамма-гамма-метод в шпурах и скважинах внутри выработок;
• термические изменения в выработках и шпурах для прогноза тепловых режимов выработок на разных глубинах;
• гравиметрические съемки по выработкам.
Техника и методика подземных геофизических работ отличаются от наземных большей сложностью, например, следует предусмотреть газовзрывобезопасное исполнение приборов, высокий уровень их помехозащищенности. Перспективны автоматизированные системы оперативного контроля горного давления, внезапных выбросов газа, воды, угля.
Поскольку прогнозы горно-геологической и геофизической служб очень ответственны ввиду возможных аварий, то комплексирование методов становится обязательным, хотя роль геофизических методов имеет подчиненное значение по сравнению с горно-геологическими.
9.4.4. Мерзлотно-гляциологическая геофизика
Геофизические методы давно применяют при мерзлотно-гляциологических исследованиях, т. е. при изучении таких сложных объектов и явлений природной геологической среды, какими являются многолетнемерзлые породы и ледники мощностью от единиц до тысяч метров. Они отличаются отрицательными температурами при положительных температурах подстилающих пород. Перекрывающий многолетнемерзлые породы деятельный слой мощностью 0,3–3 м характеризуется положительными температурами в течение меньшей части года (летом) и отрицательными температурами на протяжении остальной части года.
Физические свойства многолетнемерзлых горных пород определяются прежде всего их температурой, а также другими природными факторами (литологией, структурой, текстурой, пористостью, водонасыщенностью, минерализацией подземных вод), а у льдов зависят от температуры и состава включений. Например, плотность горных пород с увеличением льдистости уменьшается, так как лед имеет меньшую плотность (0,9–0,95 г/см3), чем вода (1 г/см3). Магнитная восприимчивость при промерзании пород не изменяется. Вместе с тем магнитная восприимчивость льдов в десятки и сотни раз меньше, чем вмещающих пород. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) льдов из пресных вод очень высокое (105–108 Ом ⋅ м), а льдов из минерализованных вод ниже (102–104 Ом ⋅ м) и зависит от содержания в них солей и их состава. Поэтому при промерзании горных пород (при изменении температуры от –0,5 до +5 °С) их УЭС возрастает скачком: для скальных пород — не более чем в 10 раз, тонкодисперсных рыхлых пород (глины, суглинки) — в 10–100 раз, грубодисперсных пород (пески, гравийно-галечниковые отложения) — в 100–1000 раз. Электрохимическая активность мерзлых и талых пород может значительно различаться вследствие наличия и движения надмерзлотных и межмерзлотных вод. Вызванная поляризация мерзлых пород выше, чем талых, и достигает 2–3 % для мелкодисперсных пород, 10 % — для льда и 15 % — для грубодисперсных пород. Относительная диэлектрическая проницаемость воды равна 80, т. е. на порядок выше, чем для большинства породообразующих минералов, а для льда ее значение равно 3. Таким образом, при замерзании пород значение относительной диэлектрической проницаемости убывает с уменьшением содержания незамерзшей воды.
Скорость распространения упругих волн (v) при переходе пород в мерзлое состояние возрастает, потому что скорость продольных волн (vр ≈ 3500–4000 м/с) во льдах больше, чем у воды (vp ≈ 1450 м/с). При промерзании грубодисперсных пород значения vp возрастают в 3–5 раз, тонкодисперсных — в 1,5–3 раза. При промерзании скальных пород значения vp возрастают обычно не более чем в два раза, если они трещиноваты, а массивные талые и мерзлые породы по скорости практически не отличаются. Аналогичные закономерности отмечаются для скоростей поперечных волн (vs). Характерно, что в любых мерзлых породах отношение vs/vp мало меняется (0,4–0,6).
Мерзлотно-геофизические разрезы характеризуются следующими основными особенностями:
• непостоянством физических свойств в плане и по глубине даже для одних и тех же литологических комплексов горных пород, если в них изменяются температура, льдистость, криогенное строение;
• резким изменением физических свойств горных пород в слое годовых колебаний температур, что приводит к появлению «зимних» и «летних» геофизических разрезов, например, геоэлектрических;
• скачкообразным, а иногда плавным (градиентным) увеличением ρ и v в зоне годовых теплообменов мощностью 10–30 м;
• наличием в средней части многолетнемерзлых отложений зоны с высокими электрическими сопротивлениями и скоростями упругих волн;
• скачкообразным или плавным изменением физических свойств в нижней части многолетнемерзлых пород, т. е. на границе мерзлых и талых пород.
Геофизические методы в условиях многолетнемерзлых пород можно применять для решения следующих трех групп задач:
• картирования мерзлых и талых отложений в плане (выявление литологических контактов, тектонических нарушений, зон трещиноватости, подземных льдов, обводненных зон);
• расчленения мерзлых и талых горных пород по глубине (определение кровли и подошвы многолетнемерзлых пород, изучение распространения на глубине мерзлых и талых пород, сквозных и несквозных таликов, поиски и разведка межмерзлотных и подмерзлотных подземных вод);
• изучения мерзлотных процессов и явлений, в том числе динамики сезонного промерзания и оттаивания, процессов наледеобразования, пучения, термокарста, морозобойного растрескивания и др.
Для картирования мерзлых и талых пород в плане можно применять не менее двух-трех геофизических методов (обязательно термических) из следующих:
• аэрогеофизические инфракрасные (ИКС), радиотепловые (РТС) и аэромагнитные съемки;
• полевые гравимагнитные съемки;
• электромагнитные профилирования методами: естественного поля (ЕП), кажущихся сопротивлений (ЭП), вызванной поляризации (ВП), бесконтактного измерения электрического поля (БИЭП), дипольного электромагнитного (ДЭМП), высокочастотного непрерывного (ВЧЭП или НЭП), сверхдлинноволнового радиокомпарационного (СДВ-РК);
• терморазведка (измерения температуры в шпурах и скважинах);
• электромагнитные зондирования (МТС, ЗС, ЧЗ);
• геофизические исследования сухих скважин.
Для расчленения мерзлых и талых горных пород по глубине используются различные виды электромагнитных зондирований: вертикальные (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП), магнитотеллурические (МТЗ), частотные (ЧЗ), радиолокационные (РЛЗ)), сейсморазведка (МПВ, МОВ), термические исследования в скважинах.
Выбор одного-двух из названных методов зондирования определяется геоморфологическими и мерзлотно-геофизическими условиями, а также задачами, стоящими перед геофизическими методами.
Изучение ледников, покровных (например, в Арктике или Антарктике) и горных (на больших высотах), давно проводится с участием геофизиков. Льды, как отмечалось выше, по сравнению с водой и горными породами отличаются по плотности, скоростям распространения упругих волн и электромагнитным свойствам. Поэтому для определения их мощностей, оценки внутреннего строения ледников и характера подстилающей среды (вода или порода) используются методы гравиразведки, сейсморазведки (МОВ), электромагнитные зондирования (МТЗ, ЧЗ, ЗС). Очень эффективными, особенно при изучении покровных льдов, оказались воздушный и поверхностный варианты радиолокационного зондирования (георадара). Например, в Антарктиде этим методом получены разные мощности льда в интервале от нескольких сот метров до 4 км. Особенно четкие отражения радиоимпульсов получились тогда, когда лед подстилался водой, что объясняется резким различием у них диэлектрических проницаемостей. Данные георадара, как и других геофизических методов, свидетельствуют о том, что Антарктида состоит из ряда островов или же содержит внутриледниковые озера.
9.4.5. Техническая и археологическая геофизика
Техническая и археологическая геофизика предназначены для выявления и изучения современных и древних погребенных объектов человеческой деятельности. Общее у них — малая глубинность разведки (до 5–10 м), нередко неизвестность местоположения, формы и состояния объекта, малые размеры и контрастности физических свойств объектов поиска по сравнению с окружающими грунтами и горными породами, возможность сравнительно быстрой проверки геофизических аномалий бурением скважин или раскопами, четкая практическая направленность геофизических работ и необходимость их выполнения совместно со специалистами соответствующих профилей деятельности.
Техническая геофизика — раздел инженерной геофизики, предназначенный для изучения подземных коммуникаций и сооружений: трубопроводов, с помощью которых транспортируются нефть, нефтепродукты, питьевая, бытовая и техническая вода, кабелей, фундаментов и других объектов, их взаимодействия с окружающей средой, проявляющегося коррозией металла, механическими деформациями, нарушениями гидроизоляции и авариями. При изучении трубопроводов с помощью геофизических методов решаются следующие задачи: разведка трасс под строительство трубопроводов; поиск труб, определение их пространственного положения; оценка состояния гидроизоляции труб, степени их разрушенности и коррозируемости, что крайне важно для диагностирования возможных утечек нефти, газа, воды и проведения выборочной замены труб или их ремонта.
Изучение трассы под строительство трубопровода, особенно на пересечениях рек, проводится комплексом полевых и аквальных геофизических методов: вертикальные (ВЭЗ) и сплошные (СЭЗ) электрические зондирования, электропрофилирования, георадарные исследования (рис. 9.8), речная сейсмоакустика, бурение опорных скважин на суше, акваториях и геофизические исследования в них. Реальное местоположение и глубина залегания труб в ходе их эксплуатации могут отличаться от запланированных, и их изучают магниторазведкой. Благодаря индуктивной намагниченности современным магнитным полем железные трубы создают максимальные аномалии на профилях, перпендикулярных простиранию, по которым нетрудно их трассировать и определить глубину залегания. Конструкция трубопроводов такова, что они состоят их множества сваренных плетей длиной порядка 20 м. Каждая из них после изготовления на заводе и остывания сохраняет остаточную намагниченность геомагнитным полем в районе завода. В ходе строительства зоны сварки стыков могут иметь разные или одноименные полярности. Остаточная намагниченность плетей труб разных знаков, накладываясь на индуктивную намагниченность всей трубы одного знака, создает вдоль нее знакопеременное магнитное поле. По нему можно выявить положения стыковых зон, обычно подверженных большему разрушению и коррозии. Грунты, окружающие трубу, обладают разной степенью коррозионной активности, повышающейся с ростом их электропроводности. Проводя вдоль трубы электропрофилирования естественными и искусственными полями, можно классифицировать грунты по степени их коррозионности. Контроль физической изношенности трубы (например, толщины стенок), обнаружение микротрещин, утечек из труб, зон повышенной коррозионности могут быть осуществлены путем изучения полей катодной защиты. Для защиты магистральных трубопроводов от коррозии применяют катодную защиту постоянным током низкого напряжения (около –1,5 В). При катодной защите на трубу подается отрицательный потенциал (катод), в то время как положительный полюс (анод) относится в сторону от трубы и заземляется в скважины. В местах нарушения слоя гидроизоляции с трубы стекает электрический ток, который предохраняет трубу от коррозии. Чем ниже УЭС вмещающего грунта, тем больше тока будет перетекать из трубы. Поэтому, изучая электрическое поле катодной защиты, можно выделить зоны разной коррозионной опасности.
Рис. 9.8. Результаты георадарного профилирования вкрест трубы
магистрального нефтепровода, расположенного в траншее,
по аномалии типа гиперболы (по И. Н. Модину).
Горизонтальный пунктир — литологические границы, выделяющиеся по отраженным волнам, в вершине пунктирной гиперболы залегает труба, которая создает дифрагированную волну; 1 — отраженные волны от слоев; 2 — дифрагированная волна от трубы
Археологическая геофизика служит для выявления древних объектов и памятников историко-культурного наследия, погребенных в различных культурных напластованиях (фундаменты несохранившихся сооружений, могильники, спрятанные склады, затонувшие суда и др.).
Геофизические методы исследований, в отличие от более дорогих и длительных археологических раскопов, являются неразрушающими, что позволяет привлекать геофизику для создания кадастров археологических памятников и карт охранных историко-археологических зон. Сочетание результатов геофизических исследований всего археологического памятника с раскопами небольшой его части позволяет законсервировать культурный слой для будущих более совершенных методов археологических исследований. Актуальность проведения геофизической разведки особенно возрастает при экстренных исследованиях территорий, когда объекты поисков находятся под угрозой застройки или исчезновения в силу природных и техногенных процессов.
Предпосылками успешного применения геофизических методов являются контрастность свойств объектов и среды: соотношение радиуса объекта и глубины его залегания должно быть не меньше, чем 1 : 5, величины сигналов от объектов должны превышать уровень помех. Для изучения археологических объектов могут применяться разные геофизические и близкие к ним методы дистанционных исследований: аэрофотосъемка, тепловая инфракрасная съемка, магниторазведка, каппаметрия (изучение магнитных свойств верхнего слоя грунта), электроразведка, в том числе радарная съемка, гравиразведка, сейсморазведка, ядерно-физические методы и металлоискатели — приборы, аналогичные армейским миноискателям. Наиболее универсальными и эффективными для археологических целей являются электроразведка и магниторазведка. Отдельной интересной проблемой геофизики в археологии является археомагнитная датировка. Многие археологические объекты с высокой термоостаточной намагниченностью (очаги, печи, горны) «запоминают» положение магнитного поля, существовавшего во время их нагрева. Это позволяет путем проведения палеомагнитных исследований сопоставлять памятник с соответствующим данному положению поля историческим временем.