Геофизические методы решения инженерно-геологических задач

Геофизические методы предназначены для исследования верхних слоев литосферы с целью поиска и разведки месторождений нефти, газа, руд, а также для решения других инженерно-геологических задач. Методики основаны на измерении естественных и искусственных физических полей нашей планеты. 

Что такое геофизические методы

Геофизические методы- это способы и средства изучения строения, состава и состояния геологической среды путем измерения информативных параметров физических полей искусственного или естественного происхождения с последующей обработкой и интерпретацией получаемой при этом информации.

4 направления применения геофизических исследований

1. Исследования для обоснования проектных решений в строительстве.
2. Изыскания на стадии возведения зданий и сооружений.
3. Мониторинг действующих объектов.
4. Изучение воздействия антропогенных факторов на характеристики местности.

Как исследование физических полей помогает решать инженерные задачи

В качестве примера рассмотрим территорию с высоким риском образования карстовых провалов. Такая ситуация характеризуется опасностью образования воронок и оседания почв и требует особых подходов и приемов оценки.  

Если карстующиеся породы расположены под некарстующимися грунтами (суглинками), предположить наличие провалов по визуальному осмотру территории невозможно. Воронки, поноры и другие элементы, типичные для карстового рельефа, отсутствуют. Полости формируются скрыто, в глубоких слоях литосферы. Со временем произойдет обрушение грунта. Явление развивается стремительно и уничтожает жилые здания, автодороги, скважины, промышленные объекты. Карст можно обнаружить до наступления необратимых последствий. В этом помогут геофизические исследования пластов.  

Если карстовая полость расположена в зоне аэрации, она заполняется воздухом. При сканировании такая область будет определяться как участок с низкой электрической проводимостью. Инженер во время расшифровки отметит полость по высокому сопротивлению среды и укажет ее точное расположение на местности.  

Возможность проведения геологоразведки по методике измерения физических величин основана на том, что распределение полей на поверхности земли и в глубоких слоях, в водоемах и на суше зависит от источника и способа их формирования. Слои литосферы нормального строения формируют нормальные поля, а участки с геологической неоднородностью среды характеризуются аномальными явлениями. Разведка позволяет не только обнаружить, но и измерить аномалии.  

Виды методов геофизического исследования

С помощью геофизических методов исследуют распространение физических полей в грунтовых средах. Инженеры проводят полевые измерения, а затем выполняют камеральную обработку полученных данных. Полученные показатели интерпретируются в геологические явления и процессы.

Физические поля бывают естественные и искусственные. К естественным относится гравитационное (отвечает за притяжение) или магнитное поле. Искусственные среды создаются антропогенными источниками: электромагнитными генераторами и др. Вибрации, взрывы, которые используются для воздействия на грунты, формируют поля упругих колебаний. 

Геофизические способы исследования физических полей бывают двух типов:

• Активные. Направлены на изучение искусственных полей. Современные технологии позволяют решать большой спектр задач, имеют высокую разрешающую способность.
• Пассивные. Исследования направлены на изучение естественных полей. Оборудование для измерений мобильное, простое в использовании. Пассивные исследования стоят дешевле, чем активные.

Общее число видов геофизических исследований превышает 100. Различают магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку и другие способы. Рассмотрим основные методы геофизических исследований и их особенности.

Схема - Соотношение геофизических методов и физических полей, с помощью которых изучается геологическая среда

Электромагнитные методы

Метод сопротивлений — один из подвидов малоглубинной электроразведки, основанный на связи электрической проводимости пород с их плотностью, при котором оценивается удельное сопротивление среды. В рамках изысканий чаще всего проводится вертикальное электрозондирование геологических разрезов на постоянном токе.

Глубина исследования зависит от мощности прибора, расстояния между генератором и измерителем тока. Меняя это расстояние, инженер может увеличить или уменьшить силу проникновения токовых линий, получая отклик с разных глубинных слоев.

С помощью метода сопротивлений решают следующие изыскательские задачи:

• обнаружение карстовых полостей;
• изучение изменений в грунтах, формирующих дамбы, плотины, дорожные насыпи;
• исследование заполненных карстовых пустот;
• обнаружение остатков фундаментов зданий, различных строений, сооружений, археологических памятников.

Электропрофилирование местности проводится с фиксированным положением генератора и приемника. Глубинность исследования при этом остается одинаковой на всей площади.

 

Обнаружение карстовой полости с помощью электропрофилирования

К электромагнитным методам относится георадиолокация. С помощью радиолокатора исследуется поведение электромагнитных волн в исследуемой среде и их отражение от границ между слоями грунта с разными электрофизическими свойствами.

Методы позволяют обнаружить переходы:

• между талым и мерзлым грунтом;
• породами с разным составом;
• рыхлыми и коренными грунтами;
• материалом рукотворного сооружения и природным слоем;
• сухим и водонасыщенным грунтом.

Задачи, которые можно решить с помощью георадиолокации:

• картирование геологии местности: определение уровня подземных вод, границ между слоями с разной степенью водонасыщенности прослеживание коренных пород, скрытых под рыхлыми грунтами;
• восстановление схемы подземных коммуникаций;
• исследование техногенного грунта.

Глубинность электромагнитных исследований – до 10 м.

Сейсмоакустические методы

Метод основан на изучении распространения сейсмических волн в геологических средах. Источник возмущения – специальная машина, которая ударяет по металлической плашке, лежащей на земле. Волны также создаются взрывом или вибрациями.

В сейсмическом поле наблюдаются явления двух типов:

• Отражение волн на границах слоев. Метод, основанный на измерении отраженных сигналов, называется методом отраженных волн (МОВ).
• Преломление волн на границах слоев. Метод называется методом преломленных волн (МПВ).

Сейморазведка основана на исследовании времени и характера прохождений волн от пункта возбуждения до приемника, который фиксирует скорость смещения грунта. В специальных сейсмостанциях отраженные сигналы усиливаются и регистрируются, преобразуются в магнитограммы и сейсмограммы. Инженер интерпретирует результаты и определяет глубину залегания, простирание сейсмологических границ. Геологические данные позволяют с высокой точностью определить природу обнаруженных грунтовых слоев.  

Задачи, которые можно решить с помощью малоглубинной сейсморазведки:

• изучение границ между грунтами с резким изменением сейсмоакустических свойств;
• определение скорости распространения упругих колебаний в массивах с целью исследования литологического разреза;
• оценка прочности и деформационных свойств пород;
• исследование анизотропии и неоднородности участка при поиске полезных ископаемых.

По решаемым задачам различают структурную, рудную, нефтегазовую сейсморазведку.

Другие геофизические методы

Гравиразведочные методы. Исследование основано на изучении гравитационного поля. Сила тяжести зависит от плотности горных пород, поэтому метод позволяет отследить крутые контакты, зоны разломов в области развития скальных пород, обнаружить крупные карстовые провалы. 

Гравиразведка рыхлых отложений направлена на выявление геометрии участков формирования конгломератов, галечников среди песчано-глинистых образований меньшей плотности. Метод также используется для поиска древних погребенных долин.

Магниторазведочные методы. Магнитометрический способ основан на измерении магнитного поля планеты. Геологические тела выделяются по разнице в их магнитной восприимчивости.

Для решения инженерных задач используется метод микромагнитной съемки, который позволяет расчленять грунтовый массив наиболее точно по сравнению с другими методами. С помощью магнитометрии в литологии определяют разности осадочных пород и четвертичных отложений, исследуют трещиноватость скальных пород.

Ядерно-физические методы. Для наземных исследований широко используются методики эманационной и гамма-съемки. Эманационный способ основан на измерении содержания эманации радиоактивных веществ в почвенном воздухе. Гамма-съемка исследует радиоактивное излучение горных пород.

Оба метода используются для проведения картирования местности, выделения геодинамических зон и тектонических нарушений. Интерпретация результатов позволяет составить наглядную визуальную картинку.

Особенности и преимущества геофизических исследований

Геофизические методики обладают следующими преимуществами:

• Получаемая информация носит интегральный характер. Исследуется не точка, а определенный объем пород.  

• Границы пород прослеживаются непрерывно. Это повышает точность и достоверность изысканий.

• Ряд характеристик массива грунта можно получить только в результате геофизических исследований. В частности, методики позволяют определить динамический модуль упругости грунта или оценить его неоднородность, что невозможно сделать с применением других методов.

• Природная среда изучается без механического вмешательства (без бурения скважин). Исследования можно выполнять многократно с любой периодичностью. Условия измерений при этом остаются постоянными, что позволяет проверять ранее полученную информацию, проводить геодезический мониторинг с минимальными затратами.

• Исследования позволяют оценить состояние пород и локализовать участки прогнозируемых изменений. Например, с помощью геофизических наблюдений исследуют влажность, сплошность, напряжение и другие параметры грунта.

• Сроки и стоимость исследований делают их предпочтительнее полевых опытных, горнопроходческих и других изысканий. Выгода от использования геофизических методик особенно заметна на стадии обоснования инвестиций.  

Как выбрать геофизический метод для решения конкретной инженерной задачи

Выбор метода зависит от вида и геологии исследуемого объекта. Нужно определить, будет ли изучаемая среда контрастно выделяться в конкретном физическом поле, например, в электрическом или в среде упругих колебаний. Эту задачу решает инженер-геофизик. Специалист должен разобраться в проекте и выбрать оптимальный способ геофизического исследования участка.

Инженер компании «Гектар Групп Инжиниринг» предоставит подробную консультацию по решению вашей инженерной задачи. Мы также проводим все виды инженерных изысканий. Гарантируем высокое качество и полное соответствие работ нормативным требованиям. Позвоните нам или оставьте заявку на сайте, и мы предложим оптимальный геофизический комплекс.