Когда применение геофизических методов бесполезно

Можно ли с помощью геофизических методов отличить тугопластичные суглинки от мягкопластичных? Выделить в разрезе крупнозернистые песчаники на фоне мелкозернистых? Скорее всего нет. И вот почему.

Мы можем увидеть в физических полях только те геологические тела, которые контрастно отличаются от вмещающих пород. Например, сопротивление песчаника контрастно отличается от сопротивления глины или скорость прохождения упругих волн в скальных отложениях в несколько раз выше, чем в рыхлых грунтах.

Как понять, будут ли грунты выделяться в физических полях

Уверенно выделить в физических полях грунты с контрастными свойствами поможет петрофизика. Эта наука изучает физические свойства горных пород, особенно те, которые нужны для геофизических исследований.

Например, в электроразведке изучают электрические свойства горных пород, в магниторазведке – магнитную восприимчивость, в гравиразведке – плотность, а в сейсморазведке – скорости упругих волн.

Предмет изучения петрофизики – геологическая среда, которая состоит из следующих компонентов:

• горные породы;

• подземные воды;

• лед;

• воздух.

Как с помощью физических свойств грунтов определить пространственное положение карстовых полостей или глубину скальных отложений

Давайте рассмотрим два понятия в геофизике: решение прямой и обратной задач.

Прямая и обратная задача в геофизике

Прямая задача

Берем геологическое тело с известными параметрами, такими как размеры, глубина залегания и физические свойства, и моделируем его отклик в магнитном или электрическом полях. Решение прямой задачи единственное.

Обратная задача

Геофизик интерпретирует полевые данные и предполагает, какой геологический объект скрывается за аномалией в физических полях. Решением обратной задач - множество вариантов.

Небольшое тело на маленькой глубине и мощное на большой создадут одинаковую по форме и интенсивности аномалию. 

рис. 1 - схематическое изображение откликов геологических тел разной мощности и с разных глубин

Как сократить множество решений обратной задачи? Ввести граничные условия, например, значения физических свойств грунтов. Подставив численные значения сопротивления или скоростей, получим достоверные результаты размеров изучаемого объекта и глубину его залегания.

Как обнаружить карстовый провал с помощью геофизических методов: случай из практики

Что за объект

Инженерно-геологические изыскания проходили вдоль линии электропередач (ЛЭП) во Владимирской области, в районе с высокой вероятностью карстовых провалов.

Карбонатные породы здесь перекрыты песчано-глинистыми грунтами, поэтому растворение известняков и вынос материала подземными водами происходило незаметно, и, когда давление вышележащих пород становилось слишком большим, происходило обрушение грунта.

Что случилось

На рисунке ниже сфотографирован свежий карстовый провал в 5 метрах от опоры линии электропередач. Этот провал обнаружили при проведении геофизических исследований. За месяц до обрушения здесь геологи бурили скважины и карстового провала еще не было.

рис.1.1 и 1.2 - карстовый провал рядом с опорой линии электропередач

Что сделали

Геологи сразу поставили задачу картировать места новых возможных обрушений. Исследования местности выполнили с помощью электрозондирований.

Карст отлично виден в электрических полях. Карстовые полости, которые заполнены водой или глинистым материалом, выделяются пониженными значениями сопротивления. В зоне аэрации в пустотах присутствует воздух или необводненные крупные обломки, что, наоборот, дает повышенные значения сопротивления.

Какой результат получили

После проведения площадных электрозондирований получили аномалии низких значений сопротивления, что дало возможность предположить места следующих провалов и картировать подземные водотоки.

Какие физические характеристики грунтов существуют

Электрические и сейсмические свойства грунтов – основные параметры в инженерной геофизике. Меньшую роль играют плотностные, магнитные и ядерно-физические свойства. В статье рассмотрим подробно основные свойства и кратко опишем менее значимые свойства в инженерных изысканиях.

Электромагнитные свойства грунтов

Инженерная электроразведка изучает электромагнитные свойства грунтов,  такие как  удельное электрическое сопротивление (УЭС) и диэлектрическую проницаемость Е.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС)

Электропроводность горных пород зависит от двух факторов:

• минералогического состава;

• характера заполнителя пустот (водные растворы солей, лед или воздух).

Большинство породообразующих минералов являются диэлектриками со значениями сопротивлений выше 10 000 кОм. Это значит, что практически все горные породы проводят электрический ток только благодаря присутствию в их порах и трещинах водных растворов солей.

рис. 2 - значения удельного электрического сопротивления (УЭС) некоторых типов горных пород при минерализации подземных вод 0,5-0,8 г/л и температуре 0-25 (С), 1 - породы в условиях естественной влажности, 2 - породы в условиях полного водонасыщения, 3 - сыпучие пески

Электропроводность природных вод

Природные воды являются электролитами и за счет присутствия ионов в растворе проводят электрический ток. В таблице – значения сопротивления для поверхностных и подземных вод.

рис. 3 - наиболее вероятные значения электрических сопротивлений природных вод

Сопротивление пород в зоне аэрации

Сопротивление горных пород увеличивается там, где часть пустот заполнена воздухом (зона аэрации). Здесь количество поровой воды сокращается, а вместе с этим уменьшается и способность горной породы проводить электрический ток.

Диэлектрическая проницаемость

Вторым электромагнитным параметром, характеризующим горные породы, является диэлектрическая проницаемость (Е). Природа диэлектрической проницаемости связана со способностью вещества поляризоваться в электромагнитном поле. Под воздействием внешнего поля происходит упорядочивание распределенных в среде зарядов.

Относительная диэлектрическая проницаемость большинства породообразующих минералов не превышает 10. Высоким значением Еотн=81 обладает вода, поэтому диэлектрическая проницаемость породы определяется ее пористостью и водонасыщенностью.

рис. 4 - относительная диэлектрическая проницаемость (Е) некоторых типов горных пород: 1 -  породы в условиях естественной влажности, 2 - породы в условиях полного водонасыщения, 3 - сыпучие пески, 4 - вода

Упругие свойства грунтов

Наибольшее значение для геофизики среди параметров упругости имеет скорость упругих волн.

Деформации, возникающие в телах под действием механических напряжений, вызывают различные по своей природе волны:

• продольные (P);

• поперечные (S).

Главное отличие поперечных волн (S) от продольных (P) в том, что они могут существовать только в твердых телах и не способны распространяться в газах и жидкостях.

Скорости определяют с поверхности земли путем регистрации прямых, отраженных или преломленных волн (сейсморазведка) или в скважинах при помощи акустического каротажа.

Значения скоростей сейсмических волн минимальные для рыхлых отложений, возрастают в пластичных и максимальны для скальных грунтов. В таблице приведены скоростные данные основных разновидностях пород, с которыми приходится иметь дело в малоглубинной сейсморазведке.

рис. 5 - скорости упругих волн в горных породах: 1 - в сыпучих песках, 2 - в условиях естественной влажности, 3 - в условиях полного водонасыщения

Другие физические свойства грунтов

Плотность

Плотность горных пород изучается при проведении гравиметрической съемки и выполнении ядерно-физических методов.

Плотность главнейших породообразующих минералов изменяется от 2.0 до 3.5 г/см3 и зависит от массы ядер атомов, атомного радиуса, строения электронных орбит и кристаллохимии минералов.

Плотность магматических и метаморфических пород из-за их минимальной пористости зависит от состава породообразующих минералов. Осадочные породы, наоборот, характеризуются большой изменчивостью пористости при относительном постоянстве удельных весов породообразующих минералов. Исходя из этого плотность осадочных пород зависит больше  от пористости, чем от минералогического состава.

Магнитные свойства

Магнитные свойства пород зависят от присутствия в их составе ферромагнитных минералов, таких как:

• магнетит;

• титаномагнетит;

• гематит;

• пирротин.

При большом содержании таких минералов вся горная порода приобретает ферромагнитные свойства. Остальные породообразующие минералы немагнитны или слабомагнитны.

Ядерно-физические свойства

Радиоактивность горных пород определяется присутствием урана, тория и продуктов их распада, а также радиоактивным калием K-40. Наиболее высокой радиоактивностью выделяются магматические породы, низкой - осадочные и промежуточной - метаморфические. Большинство радиоактивных элементов концентрируется в кислых разностях магматических пород, поэтому интенсивность гамма-излучения убывает от кислых к основным породам.

Основным носителем радиоактивности в осадочных породах являются глины. Глинистые частицы обладают способностью в процессе литогенеза абсорбировать радиоактивные элементы. Кроме того, в них содержатся богатые калием минералы, что также способствует повышению их радиоактивности.

Распад радиоактивных элементов в геологической среде приводит к образованию радиоактивных газов, так называемых эманаций, из которых практическое значение для целей инженерно-геофизических исследований имеет радон.

Как определить, будет ли применение геофизических исследований эффективно

Ответьте на два вопроса:

1. Имеет ли изучаемый объект характерные размеры и границы? Например, изометричная полость среди известняков или граница между рыхлыми и скальными грунтами.

2. Имеет ли изучаемый объект контрастные физические свойства относительно вмещающих пород? Например, пески имеют сопротивление выше, чем глин или скорость сейсмических волн в скальных породах выше, чем в рыхлых.

Карстовая полость, заполненная водой, контрастно отобразится в электрическом и сейсмическом полях.

Знание петрофизических свойств грунтов, таких как электропроводность и скорость упругих волн, дает основания для определения размера и глубины залегания карстовой пустоты.

Свяжитесь с нами и наш ведущий геофизик проведет бесплатную консультацию по возможности применения геофизических методов на вашем объекте.