Journal "Peremennye Zvezdy"

Геофизические методы исследования земной коры

5.2.8. Изучение минерализации подземных вод, литологии и флюидонасыщенности горных пород электроразведкой методом сопротивлений.

Особо ценное значение гидрогеологической и почвенно-мелиоративной геофизики заключается в возможности получения количественных характеристик водных свойств горных пород при совместных гидрогеологических и почвенно-мелиоративных работах, с одной стороны, и электроразведки - с другой. Подобное совмещение обеспечивает повышение информативной и экономической эффективности работ, так как позволяет интерполировать и экстраполировать данные трудоемких геолого-гидрогеологических и почвенно-мелиоративных исследований на отдельных опорных точках на всю площадь, изученную высокопроизводительными электроразведочными методами.

Среди методов электроразведки методы сопротивлений, основанные на измерении кажущихся сопротивлений (КС или $\rho _{к}$ ) в постоянных и низкочастотных переменных искусственных полях, находят наибольшее применение при решении гидрогеологических задач. В результате интерпретации электроразведки методом сопротивлений получаются пластовые или осредненные по пачке слоев значения удельного электрического сопротивления (УЭС или $\rho _{ к}$ ).

1. Определение минерализации подземных вод. УЭС горных пород, особенно трещиноватых и обводненных, определяется в значительной мере минерализацией подземных вод, так как электропроводность у пород в основном ионная. Поэтому для геологического истолкования данных метода сопротивлений надо знать общую минерализацию ( $М$ ) подземных вод. Ее определяют путем резистивиметрических измерений, т.е. определением УЭС воды ( $\rho _{ в}$ ) с помощью установок метода сопротивлений малых размеров, помещенных в трубу (сосуд), изготовленную из изолирующего материала. Перемещая резистивиметр по скважине с водой или залив воду в сосуд, можно определить величину $\rho _{ в}$ (в Ом*м), а по ней можно рассчитать $М$ в г/л по формуле $М = 0,12 \rho _{ в}$ . Если известен химический состав подземных вод по данным гидрохимических анализов, легко можно определить концентрацию солей $С$ в г/л (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Зависимости удельного электрического сопротивления подземных вод ( $\rho _{ в}$ ) от концентрации ( $С$ ) и химического состава растворенных солей [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]

По общей минерализации подземные воды подразделяются на пресные ( $М \lt$ 1 г/л), слабо минерализованные ( $М \lt$ 3-5 г/л) и сильно минерализованные ( $М \gt$ 5-10 г/л). Для сильно минерализованных подземных вод параметры $М$ и $С$ оказывают основное влияние на УЭС горных пород, особенно трещиноватых скальных и всех осадочных (см. рис. 5.4).
Рис. 5.4. Зависимость удельного электрического сопротивления ( $\rho _{ вп}$ ) водонасыщенных пород от минерализации ( $М$ ): 1 - природные воды; 2 - гравийно-галечниковые отложения; пески: 3 - крупнозернистые, 4 - среднезернистые, 5 - мелкозернистые; суглинки: 6 - легкие, 7 - средние, 8 - тяжелые глины, 9 - глины [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]

2. Определение литологии и водных свойств горных пород, насыщенных пресными водами. При $М \lt$ 10 г/л литология и прежде всего гранулометрический состав горных пород (средний диаметр твердых частиц $d _{ ср}$ ), а также их пористость, глинистость, флюидонасыщенность начинают влиять на УЭС горных пород, становясь определяющими факторами при заполнении пород пресными подземными водами. С помощью диаграммы, представленной на рис. 5.4 по УЭС разных водонасыщенных пород и известной минерализации $М$ можно оценить литологию пород.

Важной характеристикой коллекторских свойств песчано-глинистых пород является их глинистость, которая оценивается по формуле $Г = \rho _{ г } / \rho _{ пг}$ , где $\rho _{ г}$ и $\rho _{ пг}$ - УЭС чистых глин и песчано-глинистых пород изучаемого района. Коэффициент пористости горных пород $K _{ п}$ можно определить c помощью их относительного сопротивления, называемого параметром пористости ( $Р = \rho / \rho _{ в}$ , где $\rho$ и $\rho _{ в}$ - УЭС породы и насыщающей ее воды). На рис. 5.5 приведены кривые зависимости относительных сопротивлений некоторых горных пород от коэффициента пористости ( $K _{ п}$ ).
Рис. 5.5. Кривые зависимости относительного сопротивления ( $\rho / \rho _{ в}$ ) от коэффициента пористости ( $K _{ п}$ ): 1 - пески; 2 - слабосцементированные песчаники и рыхлые известняки; 3 - сильносцементированные песчаники, известняки и доломиты [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]

Среди водно-физических свойств горных пород основным является их водонасыщенность, выражаемая через коэффициент $K _{ в}$ . Для рыхлых осадочных пород коэффициент $K _{ в}$ может быть определен через параметр пористости с помощью табл. 5.1. Возможность отбора (откачки) подземных вод характеризуется водоотдачей, которая для песчано-глинистых пород определяется формулой $K _{ m} = В/ \rho$ , где $В$ - эмпирический коэффициент, который как здесь, так и в последующих формулах рассчитывается при совместных гидрогеологических и геофизических исследованиях на опорных точках.

Т а б л и ц а 5.1

$Р = \rho / \rho _{ в}$ , отн. ед. 110 50 30 15 13 6,5 4 3,2 2,2 1

$K _{ в}$ , % 10 15 20 25 30 40 50 60 70 100

О количестве (запасах) подземных вод можно судить по коэффициенту фильтрации ( $K _{ ф}$ ), измеряемому в м/сут, который через величину УЭС песчано-глинистых пород \rho (в Ом*м) оценивается по формуле $K _{ ф} = 0,01 \rho$ . Водопроводимость ( $Т _{ в} = K _{ ф} h$ ) толщи водоносных пород мощностью h корреляционно связана с поперечным удельным сопротивлением этой толщи $Т = \rho h$ , которое при интерпретации данных электроразведки может быть получено самостоятельно. Формула связи имеет вид Т^в = ДТ, где Д - эмпирический коэффициент, близкий для песчано-глинистых пород к 0,01.

3. Зависимость удельного электрического сопротивления от насыщенности нефтепродуктами. Одной из проблем гидрогеологических и гидроэкологических исследований является изучение загрязненности горных пород нефтепродуктами вследствие их непрерывных или залповых утечек из трубопроводов, емкостей нефтеперерабатывающих заводов, хранилищ и т.п. Проникая в горные породы, они скапливаются в коллекторах над грунтовыми водами (верхний водоносный горизонт) или в подземных водах. Поэтому решение гидроэкологических задач, связанных с загрязнением почв, грунтов и верхней части геологической среды нефтепродуктами, начинается с выявления коллекторов (песков, пористых известняков, полускальных пород) и водоупоров (глин, скальных пород).

Хотя нефтепродукты по УЭС близки к изоляторам, в горных породах, насыщенных ими, УЭС может быть как выше, так и ниже, чем у тех же пород, но водоносных. Объясняется это вымыванием нефти водой, химическим и биологическим (под воздействием микроорганизмов) окислением. Окисление, идущее на контакте вода - нефть, происходит тем быстрее, чем больше воды в породе и скорость ее движения, а значит, выше в ней концентрация кислорода. В результате нефтезагрязнение замещается продуктами окисления (сульфиды, в частности, пирит и др.), которые образуют в подземной воде электролит с низким УЭС. Поэтому в обводненных породах при разных соотношениях высокоомного слоя нефти или нефтепродуктов и окружающего их низкоомного слоя за счет переработки нефтепродуктов могут создаваться зоны как повышенного, так чаще и пониженного УЭС. В районах, где расположены необводненные породы, нефтепродукты могут сохраняться сколь угодно долго, а загрязненные ими породы выделяются как высокоомные объекты.

5.3. Инженерно-геологическая геофизика

5.3.1. Общая характеристика инженерно-геологической геофизики.

Инженерно-геологическая геофизика - это раздел прикладной геофизики, предназначенный для решения разнообразных инженерно-геологических задач. Геофизические исследования выполняются при проведении средне- и крупномасштабной инженерно-геологических съемок, а также при детальных работах, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией различных сооружений. Они позволяют повышать детальность и точность изысканий, уменьшать затраты времени и средств на проведение инженерно-геологических работ [Ляховицкий Ф.М. и др., 1989; Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985; Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, мерзлотных и инженерно-геофизических исследований, 1982].

Объектом этих исследований обычно является верхняя часть разреза (ВЧР), характеризующаяся значительной неоднородностью, изменчивостью литологического состава, строения и физических свойств горных пород. Эффективность геофизических исследований при изучении этого сложного объекта достигается применением методов различной физической природы, с повышенной детальностью наблюдений, получением интегральных характеристик, отражающих особенности строения и свойств массива пород в его естественном залегании, возможностью многократных повторных наблюдений без нарушения строения и состояния геологической среды. Последнее обстоятельство позволяет осуществлять режимные геофизические наблюдения за интенсивностью геологических процессов, происходящих под воздействием естественных и техногенных факторов.

Инженерно-геологические геофизические исследования выполняют на земной поверхности, в скважинах и горных выработках. Используют также аэрокосмические и аэрогеофизические материалы. Ведущими методами являются сейсмические: метод преломленных волн (МПВ), реже - отраженных волн (МОВ), а также один-два из следующих: электропрофилирование методами естественного поля (ЕП), кажущихся сопротивлений, радиоволновым (РВП), вертикальные электрические зондирования методом сопротивлений или вызванной поляризации (ВЭЗ или ВЭЗ-ВП), частотные зондирования (ЧЗ), зондирования становлением поля (ЗС) и радиоволновые (РВЗ), гравимагнитные, ядерные и скважинные методы.

Назад| Вперед

$Р = \rho / \rho _{ в}$ , отн. ед.	110	50	30	15	13	6,5	4	3,2	2,2	1
$K _{ в}$ , %	10	15	20	25	30	40	50	60	70	100