«ВВЕДЕНИЕ Вертикальное электрическое зондирование геологической среды (ВЭЗ) постоянным током (глубины исследований до нескольких сот метров) относится к широко применяемым методам электроразведки. За последние 50 лет ...»

ВВЕДЕНИЕ

Вертикальное электрическое зондирование геологической среды (ВЭЗ) постоянным током (глубины исследований до нескольких сот метров) относится к широко

применяемым методам электроразведки. За последние 50 лет развитие этого метода

прошло через три этапа, каждый из которых характеризуется своим представлением о

строении изучаемых объектов, уровнем теоретических разработок, техническими возможностями интерпретации.

На начальном этапе (40-е - начало 70-х годов) использовались модели горизонтально-слоистой среды с ограниченным (обычно не более 4-5 ) числом слоев. Отечественные теоретические представления базировались на работах В.Р.Бурсиана [7], А.И.Заборовского [20], А.М.Пылаева [59]. В это время используются графоаналитические, палеточные методы интерпретации. Широко распространяются различные модификации метода характерных (особых) точек, основанные на подробном анализе свойств теоретических (палеточных) кривых над горизонтально-слоистым разрезом [26].

Второй этап (начало 70-х - середина 80-х годов) характеризуется тем, что основной моделью среды остается горизонтально-слоистый разрез, но с неограниченным числом мощных и тонких слоев. В практику обработки и интерпретации геофизических полей широко внедряются ЕС ЭВМ, которые позволяют в течение долей секунды проводить расчет прямой задачи поля точечного источника. Получают широкое распространение гибкие автоматические алгоритмы решения обратной задачи, с помощью которых определяются параметры геоэлектрического разреза с учетом априорной информации. Наиболее ярко этот этап развития электроразведки отражен в монографиях О.Куфуда [33] и В.П.Колесникова [27].

Третий современный этап развития электроразведки характеризуется внедрением мощных ЭВМ типа ЕС-1035, 1045 и 1065 с производительностью около миллиона операций в 1с. Кроме того в 1985-1986гг. появляются первые сравнительно мощные персональные компьютеры западного образца. Начиная с 1988 г., персональные компьютеры типа IBM PC XT/AT приобретают все ведущие научные и производственные организации нашей страны. Разработчики стараются создавать программные продукты, работающие в интерактивном режиме, предусматривающем активный диалог "человекмашина". Огромные возможности в представлении полевых данных и результатов расчетов предоставляют средства графической визуализации.

В то же время резко увеличивается объем инженерно-геологических и экологических задач. Центр исследований перемещается в города, что определяет новую специфику проведения геофизических работ. В первую очередь, для городских агломераций характерно очень сложное строение верхней части геологического разреза, которая часто искусственно создана и состоит из хаотических фрагментов насыпных отложений. Во-вторых, на территории городов наблюдается сложный гидрогеологический режим, связанный с действием водозаборов. В-третьих, существуют техногенные помехи в виде траншей, заглубленных трубопроводов, кабелей, фундаментов и подземных сооружений. В-четвертых, характерен высокий уровень промышленных электрических помех. Сам характер инженерно-геологических исследований заставляет переходить на детальное и сверхдетальное изучение территорий. Базовой электроразведочной аппаратурой для большинства геофизических организаций становится высокоточная аппаратура низкой частоты АНЧ-3 (4.88 Гц). Появляются цифровые аппаратурные комплексы, которые позволяют резко повысить производительность и детальность исследований.

Резко сгущается шаг наблюдений. И как результат этого - появление значительного объема электрических зондирований, которые невозможно объяснить в рамках модели горизонтально-слоистой среды.

В начале 80-х годов создаются теоретические разработки, позволяющие рассматривать более сложные модели геоэлектрического разреза. Наибольший вклад в разработку математического аппарата и машинных алгоритмов в области численного двумерного и трехмерного моделирования электрического поля внесли В.И.Дмитриев, Г.М. Морозова, Е.Б.Изотова, В.В.Кусков, К.М.Ермохин, Н.Н.Серебренникова, Л.А.Таборовский. В Московском университете последовательно развивают методы интерпретации ВЭЗ в условиях сложных сред И.Н.Модин, А.Г.Яковлев, В.А.Шевнин, К.Л.Одинцов. Благодаря объединенным усилиям научных коллективов Москвы, Ленинграда, Новосибирска и ряда других городов был создан практический аппарат моделирования электрического поля для сложных сред. Проведено большое число расчетов и осмысление полученных результатов. Наконец, несколько лет назад были созданы универсальные алгоритмы, позволяющие рассчитывать поля для произвольных сред. Это сделало возможным с помощью метода подбора решать обратную задачу электроразведки для реальных объектов.

Настоящая работа является второй частью учебного пособия того же названия, первая часть которого издана в 1988 г. Если в первой части рассмотрены методы решения прямых задач электроразведки постоянным током для горизонтально-слоистых сред (одномерные задачи) и горизонтально-неоднородных сред (двумерные и трехмерные задачи), то вторая часть посвящена обратным задачам, применительно к изучению этих сред. Как известно, решение обратных задач служит основным (физикоматематическим) содержанием геолого-геофизической интерпретации ВЭЗ.

Основное внимание в книге уделено использованию ЭВМ для интерпретации ВЭЗ. В главе 1 рассмотрены общие вопросы решения обратных задач ВЭЗ на ЭВМ и приемы геологической интерпретации результатов электроразведки. Глава 2 посвящена интерпретации ВЭЗ в рамках одномерных моделей. Рассмотрены различные алгоритмы и программы решения подобных обратных задач на ЭВМ. В главе 3 приведены технологические и методические принципы решения обратных задач для горизонтальнонеоднородных сред. Глава 4 содержит примеры практического применения ВЭЗ для изучения геологической среды.

Учебное пособие составлено преподавателями и научными сотрудниками кафедры геофизики геологического факультета Московского университета и рядом специалистов геофизических организаций Санкт-Петербурга под редакцией профессора В.К.Хмелевского и доцента В.А.Шевнина. Подготовку рукописи к изданию осуществила З.Л.Сафонова.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ

ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ

1.1. Постановка обратной задачи электрических зондирований 1.1.1. Вопросы единственности, устойчивости, корректности обратных задач Расчет геофизических полей для заданного распределения физических свойств, т.е. решение прямой задачи геофизики, следует направлению причинно-следственных связей природных явлений (распределение поля возникает под влиянием распределения свойств). Восстановление распределения в пространстве физических параметров по наблюдаемым физическим полям в некоторой части среды (обратная задача геофизики (ОЗ или ОЗГ)) соответствует восстановлению причины по наблюдаемому следствию.

Обратные задачи геофизики представляют наибольший интерес для практики.

Но для их грамотного практического решения необходимо знание теории таких задач, и прежде всего основных сложностей их решения. Вопросы теории ОЗГ были разработаны в работах А.Н.Тихонова, В.И.Дмитриева, В.Б.Гласко, В.Н.Страхова, Ф.М.Гольцмана, Т.Б.Яновской и Л.Н.Пороховой и др. [10,18,68,72,91].

Прямые задачи геофизики (и электроразведки методом вертикальных электрических зондирований - ВЭЗ) обладают единственностью решения. Это означает, что каждому набору параметров, описывающих мощности (hi) и удельные электрические сопротивления (i) слоев разреза, соответствует одно и только одно распределение электрического поля (E), потенциала (U) или кажущегося сопротивления (К).

Обратная же задача электроразведки единственностью часто не обладает, хотя разными учеными неоднократно доказывались теоремы единственности тех или других ОЗ [72].

Например, теорема единственности, доказанная А.Н.Тихоновым в 1949 г., для обратной задачи ВЭЗ звучит примерно так. Если на поверхности земли, состоящей из ряда плоскопараллельных границ, разделяющих слои с разными, но постоянными в пределах слоя свойствами, вдоль некоторой прямой линии известно распределение потенциала, то распределение (z) может быть восстановлено однозначно.

Практические же измерения в поле не соответствуют в полном объеме условиям этой теоремы, что и приводит к нарушению единственности решения обратной задачи.

Распределение потенциала (или электрического поля) вдоль линии наблюдений известно в конечном ее интервале, а не в бесконечных пределах, дискретно, а z не непрерывно, и не точно, а получено с некоторыми погрешностями. Неточность в знании электрического Рис.1.1.1.

поля принципиально меняет условия обратной задачи в силу присущего электроразведке интегрального эффекта. Представим себе, что в среде с одномерным распределением электрических свойств (когда =f(z)) в некотором интервале глубин (z) меняется так, как показано на рис.1.1.1. Интуитивно ясно, что влияние отдельных прослоев с повышенными будет частично скомпенсировано влиянием более проводящих слоев, в результате чего вся группа слоев будет действовать как один слой с эффективными параметрами эф, hэф.

В силу единственности решения прямой задачи каждому распределению (z) будет соответствовать единственное поле U(r), но при изменении (z) изменения U(r) могут оказаться невелики и не превышать погрешности измерений U(r). Решая в подобных условиях обратную задачу электроразведки, можно представить себе три теоретически возможных ситуации.

1. Если экспериментальное поле U(r) известно абсолютно точно (не содержит ошибок) и задана такая модель (z), что рассчитанное для нее теоретическое поле полностью совпадает с экспериментальным, то (z), в силу выполнения условий теоремы единственности, окажется точным решением ОЗ.

2. Если экспериментальное поле U(r) содержит некоторые погрешности, но рассчитанное для модели (z) теоретическое поле полностью совпадает с экспериментальным, то (z) будет приближенным решением ОЗ.

3. Если экспериментальное поле U(r) известно с некоторыми погрешностями и теоретическое поле для (z) совпадает с экспериментальным с некоторой погрешностью, тогда (z) называется квазирешением. Особенностью квазирешения является то, что в силу присущего электроразведке интегрального эффекта, можно представить себе и другие распределения '(z), поле от которых будет совпадать с экспериментальным в пределах той же погрешности, т.е. решение обратной задачи уже не будет единственно.

Пусть модель (z), состоящая, например, из трех слоев, дает поле Uт, совпадающее с Uэ в пределах погрешности. При дальнейшем увеличении числа слоев и при условии, что свойства новых слоев будут отличаться от исходных, как показано на рис.1.1.2, все новые поля Uт также будут отличаться от Uэ с погрешностью, не Рис.1.1.2. Совпадение 3-х и 5-ти слойной обратных задач математической физики сформулированы французским математиком Ж.Адамаром в 1923 г. следующим образом:

1. Задача имеет решение. 2. Решение единственно. 3.Решение устойчиво, т.е. малым изменениям поля соответствуют малые изменения параметров модели ((z) в нашем случае).

В практических ситуациях эти условия могут нарушаться и тогда задача оказывается некорректной. Чаще всего обратная задача ВЭЗ решается с помощью подбора, когда путем вариации параметров модели разреза достигается совпадение с заданной точностью теоретически рассчитанной кривой ВЭЗ с экспериментальной. При этом экспериментальная кривая ВЭЗ может иметь форму, какая не бывает у теоретических кривых, рассчитанных для горизонтально-слоистого разреза (например, имеет восходящую ветвь, идущую круче 45°). В этом случае, строго говоря, задача решения не имеет (в классе горизонтально-слоистых моделей), но с некоторой погрешностью все же удается совместить теоретическую кривую с экспериментальной.

Так как совмещение кривых осуществляется до получения некоторой приемлемой погрешности, то одной экспериментальной кривой может соответствовать множество теоретических кривых и тогда нарушается единственность решения.

Во многих случаях параметры отдельных слоев, особенно тонких, могут оказывать незначительное влияние на кривую k тогда значительные изменения (z), будут вызывать лишь слабые изменения k, что и свидетельствует о неустойчивости обратной задачи.

Ж.Адамар, называя такие задачи математической физики некорректными, считал, что их решать не имеет смысла. Но практическая важность подобных задач заставляла искать пути их решения. А.Н.Тихоновым было введено понятие условнокорректных задач (некорректных по Адамару, но преобразуемых в корректные по Тихонову) [72].

Прямая и обратная задача геофизики могут быть описаны операторным уравнением A x = f (1.1), где А - оператор прямой задачи, х - параметры модели, f поле. Если требуется найти поле f для модели х, - это прямая задача. Определение х по f - обратная задача. При ее решении чаще всего нарушается третье условие Адамара, условие устойчивости решения.

Обозначив экспериментальное поле через, а рассчитанное по формуле (1.1) через f, можно найти различия между ними или метрику п (, f) (индекс "п" означает поле, а используемый далее индекс "м" - модель). Пусть погрешность определения поля, а погрешность оценки параметров разреза модели.

Если найдено такое f, что п(,f) <, то можно сказать, что модель х = {1,2,...,N, h1, h2,..., hN-1}, соответствующая f, есть решение задачи. Насколько найденное таким образом х отличается от истинного х?

Если задача устойчива, то м(xи, xн) <, причем 0 при 0. Если же задача неустойчива, то решение х при 0 может сколь угодно сильно отличаться от истинного. Это положение легко проиллюстрировать следующим примером.

Экспериментальная кривая ВЭЗ совмещается с теоретической для трехслойной модели с погрешностью 1. Взяв вместо трех слоев пять, можно добиться дальнейшего уменьшения. Но в силу интегрального характера метода ВЭЗ, вводимые тонкие слои будут все меньше влиять на поле f и при уменьшении погрешность м (xи, xн) может неограниченно возрастать.

Для того, чтобы сделать обратную задачу условно-корректной, А.Н.Тихонов потребовал ограничить пространство возможных решений X таким подпространством МX, в котором выполнялось бы условие устойчивости решения (при 0 и 0).

Применительно к приведенному выше примеру это может быть сделано введением ограничений на число слоев модели. Например, нельзя использовать модели с числом слоев больше 5. При выборе подпространства М внутри X могут быть учтены и ограничения на интервал допустимых значений конкретных i и hi. Для каждого из них этот интервал может быть не от 0 до, а от p min до p max, выбираемых на основе знания конкретного геологического разреза и физических свойств слоев пород исследуемой территории.

Но, сделав обратную задачу условно-корректной, нельзя быть уверенным, что ее решение стало единственным. До тех пор пока в k присутствуют ошибки измерений, будут существовать и отличия модели х от истинного распределения (z).

Признание этого условия влечет за собой интерес к оценке возможных ошибок в х. Наиболее полное исследование этого вопроса проведено Ф.М.Гольцманом и Л.Н.Пороховой в рамках статистического подхода к решению обратной задачи [68].

При решении обратной задачи электроразведки кроме перечисленных выше понятий корректноcти и устойчивости используются и другие.

1.1.2. Эквивалентность решений обратных задач Понятие эквивалентности решения ОЗ применяется в широком и узком смысле.

В широком смысле все решения х, для которых теоретическое поле f отличается от экспериментального поля p не более, чем, являются эквивалентными. В узком смысле говорят о действии принципа эквивалентности, проявляющемся в том, что параметры и h одного слоя не могут быть однозначно определены раздельно, т.к. оказываются взаимозависимыми.

Эта зависимость может быть выражена, например, связью Si = hi/i = const или Ti = hi i = const, причем тип связи определяется соотношением сопротивлений данного слоя с нижележащим слоем разреза.

Исследование принципа эквивалентности, проведенное А.М.Пылаевым в 1939г., стало классическим и до сих пор входит в большинство учебников разных стран мира по электроразведке [20,52,59,75,90]. Номограммы А.М.Пылаева для оценки пределов действия принципа эквивалентности позволяют определить пределы возможных изменений и h одного промежуточного слоя при условии, что максимальные изменения кривой k при этом не превысят 5%. При переходе к различным способам интерпретации ВЭЗ на ЭВМ оценки пределов эквивалентности тоже могут быть доверены ЭВМ. Такие оценки проводились Б.К.Матвеевым [35-37], включены в программу решения обратной задачи ВЭЗ В.П.Колесниковым [27], Б.П.Петрухиным [84], Л.Н.Пороховой [67] и др.

Для оценки размеров области эквивалентных решений существуют три основных подхода. В каждом из них задаются критерием эквивалентности, обычно средней или максимальной невязкой аппроксимируемой и полевой кривых ВЭЗ.

а) Линейная оценка пределов действия принципа эквивалентности заключается в обращении ковариационной матрицы (см. гл. 2). Метод требует минимальных затрат машинного времени, однако дает приближенные результаты. Кроме того, область эквивалентности оказывается симметричной в линейном или логарифмическом масштабе относительно точки решения.

б) Нелинейная оценка. Известно несколько реализаций этого метода на основе шагового поиска границ области эквивалентности по различным осям, или поочередно по осям и h или по осям S или T, в зависимости от вида эквивалентности каждого слоя. Метод сопряжен с многократными решениями прямой задачи ВЭЗ. При его использовании очертания области эквивалентности определяются точнее, чем в предыдущем случае. Следует отметить, что при поисках области эквивалентности этим методом соответствующие пределы можно находить не только для параметров pi, но и для произвольных функций от этих параметров. Такими функциями могут быть мощность надопорной толщи, продольные проводимости и поперечные сопротивления отдельных слоев и т.д. В некоторых случаях эти характеристики наиболее тесно связаны с изучаемыми геологическими параметрами. Общим недостатком этих обоих методов является оценка области эквивалентности относительно решения, случайно выбранного из множества решений, что вносит элемент неопределенности в оценку всей области эквивалентности.

в) Наиболее универсальным и объективным методом определения области эквивалентности представляется способ, основанный на подходе Монте-Карло. Его можно реализовать, проводя многократные решения обратной задачи при различном выборе точки начального приближения, при внесении новых помех в полевую кривую ВЭЗ и т.д. При каждом испытании определяется точка Ci принадлежащая области эквивалентности B. Совокупность (облако значений) точек Ci при их достаточном числе дает представление о форме и размерах всей области B. Опробование программы подобного типа, созданной в МГУ Б.П.Петрухиным, показало, что даже при ограниченном числе испытаний она дает более точные результаты, чем оценки эквивалентности предыдущих типов. При этом область эквивалентности сравнительно однозначно определяется для заданной априорной модели.

Выбор способа оценки области эквивалентности зависит от вычислительных возможностей используемой ЭВМ и от ответа на вопрос, что же важнее, определить точные границы области эквивалентности или же установить степень устойчивости задачи.

1.1.3. Параметризация решений обратных задач Важным понятием теории решения ОЗГ является модельность решения.

Решение обратной задачи в методе ВЭЗ можно искать как непрерывную функцию глубины (z) или кусочно-постоянную (горизонтально-слоистую), двумерную (x,z) или даже трехмерную (x,y,z). Первая модель, если (z) произвольно, имеет слишком много степеней свободы и остается некорректно поставленной. Вторую модель в силу ограниченного числа переменных легче сделать условно-корректной (по Тихонову).

Теория ОЗГ применительно к ВЭЗ в основном рассматривает проблемы интерпретации, возникающие в рамках одной модели, чаще всего горизонтально-слоистой среды.

Ошибки интерпретации, связанные с другими моделями, составляют отдельную проблему.

Таким образом, в большинстве случаев, решение ОЗ ВЭЗ представляется в виде кусочно-постоянной функции, когда модель разреза описывается конечным набором параметров. Увеличение числа параметров модели снижает устойчивость решения. Как же обстоит дело в случае непрерывного изменения (z)? Здесь все зависит от того, предполагается ли заранее определенный закон изменения или нет. Если решение ищется в виде линейной, степенной или другой функциональной зависимости (z), определяемой небольшим числом параметров, подлежащих уточнению в процессе решения ОЗ, то такое решение может быть устойчивым. Если же предполагается, что (z) произвольная функция, без конкретных предложений о законе изменения, то решение должно иметь вид таблицы "глубина - сопротивление". Объем этой таблицы определяет общее число искомых параметров. Если это число велико, то решение как и для горизонтально-слоистой многослойной среды окажется неустойчивым. Повышение устойчивости возможно и за счет ограничений на возможные пределы изменений параметров и за счет уменьшения их общего количества до оптимального уровня, например, путем аппроксимации (z) кусочно-линейной функцией. Из сказанного ясно, что параметризация ОЗ является важным средством повышения устойчивости ее решения.

Так как обратные задачи геофизики оказываются некорректными, то для их практического решения необходимо ввести их в класс корректности (по А.Н.Тихонову). Прежде всего следует ограничить область возможных решений Х такой подобластью М, в которой выполнялись бы условия корректности. Важнейшим приемом выделения такой подобласти М является учет априорной информации. Он может быть проведен несколькими путями. В первом случае вводится ограничение на число слоев (и число параметров). Неограниченное увеличение числа параметров делает задачу неустойчивой. Какое число слоев выбрать, зависит от наличия дополнительной априорной информации. Если ее мало, то число слоев должно быть наименьшим из возможных, тогда есть надежда, что и без каких-либо других ограничений решение с небольшим числом слоев будет устойчивым. Однако нередко запросы практики ставят задачу интерпретации кривой ВЭЗ с большим числом слоев, чем их визуально видно на кривой. Основанием для выбора многослойной модели интерпретации являются априорные данные.

Подобные задачи следует решать с привлечением такой априорной информации, как доверительные пределы на параметры, и с использованием оценок пределов действия принципа эквивалентности, чтобы они не оказались слишком широкими, т.е. с контролем устойчивости задачи.

Иногда вместо априорных пределов могут быть заданы наиболее вероятные значения i и hi, входящие в функционал, подлежащий минимизации. Например, [10,18,19,37]:

Первая сумма в функционале - это невязка (относительная погрешность несовпадения экспериментальной k и теоретической f кривых ВЭЗ) на всех N разносах r (j - номер разноса). Функция (p) может иметь, например, такой вид:

где i - индекс параметра модели, а pi - его текущее значение и pio -наиболее вероятное значение, задаваемое по априорным данным, Ki - весовая функция относительного влияния различных параметров, Np - общее число параметров.

В функции (p) могут быть заданы верхние и нижние пределы допустимых значений параметров, например, так:

где индексы "в" и "н" обозначают верхние и нижние пределы, qi - весовая функция.

Кроме ограничений на параметры могут быть использованы для стабилизации решения и ограничения на функции этих параметров [48]: ai i +1 ), где i-1, i, i+1 - последовательность слоев сверху вниз.

Иногда строятся карты типов кривых или интегральных трансформаций, анализ которых помогает выявить плановую изменчивость разреза. Выявленные на кривых ВЭЗ аномалии могут быть связаны с горизонтальными неоднородностями, которые подразделяются на неоднородности-помехи и неоднородности, представляющие интерес для изучения. Поэтому проводится анализ различных искажений кривых и, если они вызваны неоднородностями, то ведется их нормализация, т.е. приведение к горизонтально-слоистой модели. Распознавание неоднородностей в покровных образованиях получило название теории искажений. Кривые ВЭЗ могут быть осложнены также неровностями рельефа. Поскольку для зондирования на постоянном токе и на низких частотах (ВЭЗ) природа образований аномалий кондуктивная, то простейшим приемом оценки влияний горизонтальных неоднородностей и рельефа является использование известного в теории электроразведки правила: напряженность электрического поля и кажущееся сопротивление пропорциональны плотности тока вблизи приемных электродов [20,36,75,85].

Таким образом, в результате качественной интерпретации на профилях наблюдений выделяются горизонтально-слоистые или заведомо неоднородные блоки, характеризующиеся соответственно квази-горизонтальными или наклонными изолиниями на разрезах k, Sk, Tk, ТS, совпадающими или различающимися кривыми КС, полученными несимметричными (встречными) установками. Пониженными значениями k, ТS, Тk и повышенными Sk выделяются слои и толщи, с лучше проводящими ток породами. Cгущениями изолиний Тk, T и Sk, ТS более четко, чем на разрезах k, выделяются соответственно плохо и хорошо проводящие слои. Анализ различных разрезов, как и карт типов кривых ВЭЗ, КС, ТS служит для построения априорной физико-геолого-гидрогеологической модели (ФГГМ) среды, оценки возможностей и разрешающей способности метода ВЭЗ для решения тех или иных геолого-гидрогеологических задач изучаемого района.

2. Вторым этапом можно рекомендовать ускоренную количественную интерпретацию. Она выполняется в рамках одномерной модели, когда изучаемый разрез принимается за горизонтально-слоистый с постоянными УЭС по простиранию.

Основными ускоренными методами интерпретации ВЭЗ являются графоаналитические и с помощью номограмм-палеток В.К.Хмелевского [4,5,34,36,75,84,85]. В результате по данным hi и i можно построить предварительный геоэлектрический разрез (z).

Полученные hi, i и разрез (z) являются первым приближением и основой последующей более точной интерпретации.

3. Третий этап - это полная количественная интерпретация данных зондирований в рамках горизонтально-слоистой модели. Он имеет два альтернативных варианта - интерпретация по палеткам или на ЭВМ. Поскольку реальные разрезы чаще горизонтально - неоднородны, то при традиционной интерпретации они разбиваются на кусочно-однородные части в интервалах между соседними точками ВЭЗ или разносов, сравнимых с глубиной разведки. Для каждой такой части профиля, интерпретация ведется в рамках одномерных горизонтально-слоистых моделей. В результате получаются всевозможные послойные и обобщенные параметры разреза: мощности, удельные электрические сопротивления, проводимости и поперечные сопротивления.

Окончательные геоэлектрические разрезы, т.е. распределение электрических параметров по профилям и глубине, получаются путем "сшивания" одномерно однородных частей профиля. Для тех участков, где справедлива горизонтальнослоистая модель, этот этап завершает процесс обработки данных зондирований, для остальных - дает стартовую модель для следующего четвертого этапа.

4. Четвертый этап - это интерпретация зондирований с помощью ЭВМ в рамках двумерных и трехмерных моделей, активно развивающаяся и совершенствующаяся в настоящее время. Он выполняется на тех участках профилей, где на разрезах КС и ТS крутые изолинии (свыше 20° в реальном масштабе построений, когда вертикальный и горизонтальный масштабы одинаковы), а встречные трехэлектродные кривые ВЭЗ резко (свыше 20%) отличаются. Этот этап делится на две следующие друг за другом части. Задача первой части - создание модели начального приближения (МНП) на основе одномерной количественной интерпретации. Это творческий процесс в центре которого находится геофизик - интерпретатор, который, собрав всю имеющуюся по данному участку информацию, должен создать такую МНП, которая ни в чем ей не противоречит. От того, насколько успешно будет реализована эта задача, зависит скорость выполнения следующей части, представляющей собой процесс двумерного, а если это необходимо, то и трехмерного подбора на отдельных кривых ВЭЗ и разрезах КС каждого неодномерного блока или участка профиля.

Для ускоренного решения прямых задач (машинное время в несколько (до 10) раз меньше) при расчете разрезов КС целесообразно использовать моделирование в поле линейных источников. Добившись наилучшего совпадения реального разреза КС с теоретическим, параметры последнего берутся для моделирования в поле точечных источников. Путем итераций и изменения параметров модели вновь добиваются наилучшего совпадения разрезов КС. Если длина выявленных неоднородностей отличается от ширины не более, чем в 3-5 раз, необходимо использовать трехмерное моделирование, что связано с большими затратами машинного времени.

5. Заключительным ответственным этапом является геолого-гидрогеологическое истолкование полученных результатов с использованием корреляционных связей между электрическими параметрами и конкретными физико-механическими и воднофизическими свойствами разреза. Эти связи бывают как одномерными (парными), так и многомерными. Они выбираются на основе теоретических, логических и эмпирических представлений. Эмпирически их получают по параметрическим наблюдениям с получением парных и множественных уравнений регрессии. В процессе выполнения этого этапа также привлекается ПЭВМ, на экране которой интерпретатором проводится объединение результатов интерпретации третьего (в рамках горизонтально слоистой модели) и четвертого (неоднородная модель) этапов. В результате получается окончательная физико -геолого-гидрогеологическая модель (ФГГМ), включающая как геометрическое строение (положение границ слоев и блоков с разными свойствами, литологией и состоянием), так и количественную характеристику физикомеханических и водно-физических среды (литология, пористость, коэффициенты фильтрации, водопроводимости), а по возможности, и их динамики (по режимным наблюдениям).

1.2.2. Дифференциальные трансформации ВЭЗ Одним из полезных, но недостаточно широко применяемых приемов качественной интерпретации являются дифференциальные и интегральные трансформации кривых ВЭЗ.

Применительно к кривым ВЭЗ дифференциальные трансформации сводятся к получению, например, следующих параметров (см. 1.6, 1.7, 1.10):

Они не только характеризуют вертикальную изменчивость кажущихся параметров ( Тk = k r и Sk = r/ k), но и являются соответственно некоторыми эффективными значениями поперечных и продольных сопротивлений на соответствующих глубинах hэфT =T r и hэфS = S r, где T и S - неизвестные коэффициенты глубинности. Расчеты с помощью ЭВМ, проведенные Нгуен Ван Туем [50], показывают, что для кривых ВЭЗ с высоко- или низкоомным опорным горизонтами, для которых действует, соответственно, принцип эквивалентности по S или Т, вертикальные разрезы дифференциально - трансформированных эффективных сопротивлений S(S r) и T(T r) при S = 0.9 и T = 0.6 значительно ближе к истинному изменению сопротивлений с глубиной (z), чем k(r), Sk(r), Тk(r) [34,50]. Для восходящих и нисходящих ветвей на многослойных кривых ВЭЗ нами предлагается применить трансформацию такого вида:

AMN MNB

где rN - значение последнего разноса.

На заключительном этапе осуществляется построение "суммарного" псевдогеоэлектрического разреза по (рис.3.5.7).

В заключение хотелось бы отметить, что предлагаемая методика, позволяющая извлечь информации из данных ВЭЗ и Рис.3.5.7. Разрез k и псевдогеоэлектрический достаточно быстро получить первое после трансформации.

представление о геоэлектрическом разрезе, несомненно существенно расширяет возможности применения зондирований при решении тектонических задач.

Уровень современных программ двумерного моделирования кажущегося сопротивления позволяет использовать их при решении обратной задачи методом подбора. При этом процесс подбора из-за сравнительно большой длительностью решения прямой задачи осуществляет сам интерпретатор геофизических материалов. В таких условиях, опираясь на опыт и интуицию геофизика, можно за 10-15 итераций достаточно точно подобрать геоэлектрический разрез. Можно отметить следующие особенности метода подбора при решении сложных структурных задач в рамках двумерных или трехмерных моделей.

1. Использование априорной информации и согласованность на профиле всех результатов интерпретации друг с другом осуществляется наиболее оптимальным образом. Во-первых, все геологические данные объединяются в разрез. Меняющиеся параметры геоэлектрического разреза также могут быть использованы при интерпретации. Во-вторых, результаты расчетов обратной задачи на профиле наблюдений должны быть автоматически согласованы друг с другом при подборе теоретического поля к наблюденному.

2. Подбор двумерной модели осуществляется в две стадии. На первой стадии поле достаточно грубо подбирается с помощью программы IE2RL. Напомним, что кривые k от линейных электродов сдвинуты влево в 1.3-1.4 раза относительно кривых k для точечных электродов. Однако, асимптотические значения k от точечных и линейных электродов одинаковые. Кроме того, если разнос питающих электродов достаточно велик, чтобы сформировать однородное поле, то в этом случае какой бы установкой мы не пользовались кажущиеся сопротивления также будут одинаковыми.

На второй стадии для подбора используется программа IE2RP1, с помощью которой можно добиться решения обратной задачи с точностью до действия принципа эквивалентности.

3. В результате интерпретации кривых ВЭЗ в двумерном и трехмерном приближении строятся достаточно сложные геоэлектрические разрезы. В связи с этим возникает вопрос об устойчивости полученного решения обратной задачи. Существует мнение, что такого рода подбор обладает полной неопределенностью, и рамки действия принципа эквивалентности сильно расширяются по сравнению с одномерной интерпретацией. На наш взгляд, такая позиция ничем не обоснована. Наоборот, можно привести по крайней мере два довода, в поддержку противоположной точки зрения.

Во-первых, при двумерном подборе учитываются сразу все кривые ВЭЗ, расположенные на данном профиле наблюдений. Если плотность точек зондирований достаточно велика, удается устойчиво определить параметры геоэлектрического разреза. При этом нюансы геометрии каждого отдельного блока разреза диктуются априорной информацией. При одномерной интерпретации кривые ВЭЗ для всех модификаций установок Шлюмберже должны быть одинаковы (имеются ввиду трех- и четырехэлектродные установки различной ориентации). С точки зрения двумерной и трехмерной интерпретации различные установки будут давать существенно разные кривые ВЭЗ. Таким образом, расширяется возможность использования всего объема информации для двухсторонних и крестовых ВЭЗ.

Во-вторых, можно более активно использовать априорную геологическую информацию. При одномерной интерпретации резкие изменения в разрезе геометрии слоев и их электрических свойств никак не могут быть учтены и являются осложняющим фактором, ухудшающим решение обратной задачи. При двумерной и трехмерной интерпретации размерность геоэлектрической модели среды стремится к размерности изучаемого массива горных пород.

Рассмотрим несколько типов эквивалентности для 2D- и 3D-разрезов на примере простейших геоэлектрических моделей.

Эквивалентность по горизонтального проводника (структура типа рис.3.6.1. Аномалия над проводником определяется тем, какую часть тока он поглощает из вмещающей проводника зависит от его Рис.3.6.1 Эквивалентность по S для горизонтального продольной проводимости проводника.

S=H/. Соответствующее увеличение сопротивления тела и его мощности практически не меняет структуру электрического поля на поверхности земли.

На рис.3.6.2 показана эквивалентность по Т для узкого вертикального (структура типа дайки).

вытесняется определяется поперечным сопротивлением дайки T=L. Одновременное увеличение L и уменьшение Рис.3.6.2 Эквивалентность по T для вертикального практически не меняет высокоомного тела.

кривые ВЭЗ.

Эквивалентность расположенного внутри проводника показана на рис.3.6.3. Во вмещающем разрезе типа H имеется высокоомная вставка, наличие которой вызывает обтекание тока сверху и аномалии зависит от Рис. 3.6.3 Эквивалентность по T для высокоомной проводимости второго вставки в слоистом разрезе.

сопротивлении этого слоя и высоком сопротивлении геоэлектрического фундамента основная часть тока идет по второму слою, поэтому даже небольшая неоднородность в этом слое может вызвать значительную аномалию кажущегося сопротивления.

Эквивалентность по S для проводящей вставки во втором слое разреза типа К показана на рис.3.6.4. В этом случае основная часть тока перетекает из верхнего слоя в нижний через проводящий канал.

Если ширина канала с глубиной не меняется, то Рис. 3.6.4 Эквивалентность по S для проводника в электрическое поле слоистом разрезе.

зависит от S=L/. В случае, когда ширина аномального тела и его сопротивление меняются с глубиной, наблюдается эквивалентность по интегральному сопротивлению проводника для вертикального направления тока.

Эквивалентность по для тел, имеющих очень высокое или очень низкое сопротивление, показана на рис.3.6.5. Аномалия электрического поля в присутствии контрастных по сопротивлению неоднородностей определяется коэффициентом электрического отражения К на поверхности тела.

Когда К по модулю близко к единице, аномалия кажущегося сопротивления при изменении сопротивления вставки не меняется. Рис.3.6.5. Эквивалентность по.

сопротивлений между вмещающей средой и неоднородностью достигает соотношения 1:30, аномалия к практически достигает своего насыщения. Если такая вставка является поляризующимся объектом, поляризуемости над ней может совсем пропасть. Такой парадокс объясняется одинаковостью аномалий электрического поля для поляризующегося объектов, если их сопротивление сильно отличается от сопротивления вмещающей среды.

При редкой сети наблюдений применение симметричной установки Шлюмберже может привести к эквивалентности, названной нами "зеркальной" (рис.3.6.6). Поскольку неизвестно, какой из электродов, А или В проходит над неоднородностью, эта неоднородность может быть изображена как слева, так и справа относительно центра зондирования. Единственный способ преодолеть "зеркальную" эквивалентность - сгустить шаг наблюдений и отказаться от использования симметричной четырехэлектродной установки.

По-видимому, существуют и более сложные виды эквивалентности, обусловленные взаимодействием нескольких тел. Однако необходимо оговориться, что пределы действия принципа эквивалентности вовсе не безграничны для сложных двумерных и трехмерных разрезов, так как при интерпретации резко возрастает объем используемой информации. Зачастую особенности картины электрического поля диктуют достаточно жесткие правила построения геоэлектрического разреза.

4. Тактика подбора разреза кажущегося сопротивления заключается в том, чтобы сначала подобрать область малых разносов и соответственно малых глубин, а затем в модель включать все более глубокие слои и объекты. Такой подход позволяет двигаться вперед на каждом шаге интерпретации.

5. Если в геоэлектрическом разрезе несколько неоднородностей или групп неоднородностей, которые разнесены на такое расстояние, что мало влияют друг на друга, то можно подбирать такие участки разреза отдельно.

Рассмотрим пример подбора двумерной модели таликовой зоны по результатам речных зондирований, выполненных в одном из районов северной Чукотки. На рисунке 4.6.7.А представлен разрез кажущегося сопротивления по результатам речных ВЭЗ.

Модель первого приближения была составлена на основе дифференциальных ST трансформаций. Разрез ST приведен на рисунке 4.6.7.Б. Затем несколько раз решалась прямая задача для моделей, у которых последовательно изменялись геометрия и электрические свойства. Причем на каждом этапе подбора сравнивались теоретические и полевые кривые ВЭЗ. Если расхождение между наблюденными и рассчитанными полями были велики, то производилась корректировка первоначальной модели.

Окончательная модель межмерзлотной таликовой зоны представлена на рисунке 4.6.7.В. На рисунке 4.6.7.Г приведен разрез кажущегося сопротивления для этой модели. Из рисунка видно, что полевой и теоретический разрезы кажущегося сопротивления в целом совпадают, что говорит о достаточно высоком качестве подбора.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ЗОНДИРОВАНИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Несмотря на многолетнее применение метода сопротивлений для изучения геологической среды, возможности основной модификации этого метода вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) используются слабо. Во всяком случае, количество извлекаемой информации при традиционной интерпретации ВЭЗ вряд ли превышает 10%. Нам представляется, что предложенная в настоящей работе нетрадиционная интерпретация может резко повысить эффективность электрических зондирований. Для этого требуется компьютеризация процесса интерпретации и творческое использование геолого-гидрогеологической информации, т.е. новый уровень комплексирования геолого-геофизических работ при изучении геологической среды.

Электрические зондирования широко используются при:

1. Гидрогеологических и гидромелиоративных исследованиях, направленных на изучение поверхностных отложений и почв, т.е. зоны аэрации, с точки зрения выявления их состава, обводненности и засоленности; поисков и разведки грунтовых вод; поисков артезианских вод; оценки условий обводнения открытых и подземных горных выработок; при строительстве тех или иных сооружений и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых; определения свойств горных пород и динамики подземных вод.

2. Мерзлотно-гляциологических исследованиях, предназначенных для выявления льдов, мерзлых и талых пород, их строения и физических свойств.

3. Инженерно-геологических изысканиях, включающих расчленение осадочных толщ; изучение глубины залегания скального основания, его строения и прежде всего зоны выветривания; выявление зон тектонических нарушений, трещиноватости;

изучение погребенных долин, карста, оползней; определение физико-механических и водно-физических свойств горных пород; изыскания под различные сооружения.

4.1. Изучение гидрогеологических условий территорий при поисках и разведке подземных вод и гидромелиоративных изысканиях При поисках и разведке грунтовых, трещинно-карстовых, артезианских, пресных, минеральных и термальных подземных вод электрическим зондированиям принадлежит ведущая роль. Они служат для: 1) поисков коллекторов (песков, гравия, галечника), трещиноватых карбонатных отложений и водоупоров (глинистых, скальных); 2)изучения рельефа коренного ложа современных рек и древних погребенных долин; 3) оконтуривания площадей с пресными и минерализованными грунтовыми и подземными водами; 4) дифференциации по литологическому составу и фильтрационным свойствам отложений водоносных горизонтов, а также водоупорных пород; 5) определения динамики грунтовых вод (скорости и направления подземного потока, зон разгрузки и др.).

Решение перечисленных задач с помощью метода ВЭЗ достаточно эффективно лишь в благоприятных условиях: наличие пресных вод (минерализация вод М < 3 г/л);

выдержанность литологии и глинистости по простиранию; присутствие слоев с мощностью, превышающей глубину залегания; заметной (свыше двух, но не очень резкой (до десяти)) контрастности УЭС. В частности, чем крупнее зернистость рыхлых осадочных отложений, тем легче по снижению УЭС отделить водонасыщенные породы от сухих, определить глубину залегания грунтовых и подземных вод, мощность водоносных пород. Наоборот, в суглинисто-глинистых породах, вследствие высокой капиллярной каймы, наблюдается горизонт с градиентной электропроводностью, и границу сухих и водонасыщенных пород установить трудно. Достаточно большой опыт гидрогеологической электроразведки, обобщенный в учебниках, справочниках и специальной литературе, в том числе в 1-й части настоящей монографии (1988), исключает необходимость рассматривать особенности методики, интерпретации ВЭЗ [19,20,37,75]. Следует лишь подчеркнуть важность комплексирования ВЭЗ с ВЭЗ-ВП и сейсморазведкой методом преломленных волн (МПВ), а самое главное, необходимость иметь опорные скважины, по которым определены литология (Л), глинистость (Г), коэффициенты фильтрации (Кф) и другие геолого-гидрогеологические параметры.

Благодаря низкой стоимости ВЭЗ можно, опираясь на редкую сеть скважин, сделать сколь угодно высокой плотность ВЭЗ, а в целом резко повысить геологическую и экономическую эффективность совместных геолого-геофизических работ. Это объясняется единой природой электрогеофильтрационных аномалий геологической среды и связью электрических и геолого-гидрогеологических параметров.

Вместе с тем, характер достоверно получаемой информации зависит от строения геоэлектрического разреза и соотношения УЭС отдельных слоев горизонтальнослоистого разреза. Самые высокие погрешности (десятки процентов) получаются при определении мощностей слоев (hi) и толщ (Н), несколько меньшие погрешности в расчетах i и ср. Лишь те или иные параметры эквивалентности (поперечные сопротивления Тi, Т или продольные проводимости Si, S) определяются однозначно с погрешностью до 10-20%). В зависимости от соотношения УЭС слоев:

перекрывающего (i-1), изучаемого (i) и подстилающего (i+1) такие параметры эквивалентности приведены в таблице 4.1. По ним, имея параметрические скважины, можно установить корреляционные связи и получить уравнения регрессии для определения послойных геофильтрационных параметров: коэффициентов фильтрации (Кфi), водопроводимости (ТBi), гидравлического сопротивления (RBi) через геофизические параметры (Тi, Si).

Таким образом, при поисках и разведке подземных вод кроме геоэлектрических разрезов, на которых выделяются водоносные коллектора и водоупоры, можно с помощью ЭВМ получить количественную информацию о литологии и глинистости, а также водопроницаемости пород (Кф, ТB, RB, ВB, B). Карты тех или иных из перечисленных параметров, составленные по геолого-геофизическим данным, являются основной для промышленного бурения на воду и решения других гидрогеологических и экологических проблем.

4.1.2. Гидромелиоративные и почвенные исследования Гидромелиоративные и почвенно-мелиоративные исследования служат для проектирования и проведения осушения, обводнения, сельскохозяйственного улучшения земель. Если на первых этапах, при мелко-среднемасштабных исследованиях, в гидромелиоративной геофизике используются дистанционные и ускоренные съемки (инфракрасные, радиолокационные, радиоволновые, радиокомпарационные, магнитные, радиометрические), то на этапах изучения ключевых участков большая роль принадлежит ВЭЗ и ВЭЗ-ВП [5,34,40,85]. Целью таких работ является расчленение почво-грунтов по составу, водно-физическим свойствам, засоленности. Поэтому в ходе интерпретации ВЭЗ основное внимание уделяется построению физико-геолого-гидрогеологических моделей (ФГГМ) и получению достоверных физических характеристик слоев. Например, типичной ФГГМ верхней части геологической среды для платформенных условий является горизонтально-слоистый разрез, в которых достоверными (параметрами эквивалентности) являются: сопротивление (1) и мощность (h1) верхнего слоя;

поперечное сопротивление зоны аэрации (T2=2h2); иногда глубина грунтовых вод (H2=h1+h2); поперечное сопротивление водоносных песков (T3=h33), подстилаемых глинами с продольной проводимостью (S4=h4/4). Установив связи этих электрических параметров с водно-почвенными характеристиками, можно получить такие крайне необходимые параметры, как глинистость, пористость, влажность и засоленность почв, водопроводимость водоносных горизонтов, гидравлические сопротивления и коэффициенты перетекания водоупорных пород, минерализацию грунтовых вод (см.табл.4.1). Карты тех или иных перечисленных параметров, полученные по густой сети ВЭЗ и микро-ВЭЗ, дополненные опорными анализами и опытами на скважинах и шурфах, т.е. построенные геофизиками и почвоведами-гидрогеологами совместно, могут резко повысить качество мелиорации земель. В частности, по ним можно выявить "окна" в водоупоре, определить глинистость водоносных пород и т.п.

Периодически повторяя геофизические работы, например, в разные сезоны, хотя бы на ключевых участках, можно давать прогнозы изменения водно-физических свойств, т.е.

вести мониторинг почв и зоны аэрации.

Примеры использования ВЭЗ в гидро- и почвенно-мелиоративных исследованиях приведены в ряде публикаций, в том числе и авторов настоящей работы [5,34,36,43,75,82,85,90].

4.2. Изучение обводненности горных выработок и тоннелей 4.2.1. Возможности ВЭЗ для расчета водопритоков в горные выработки При строительстве тоннелей, горных выработок, а также в ходе эксплуатации месторождений угля, рудных и нерудных ископаемых практически повсеместно для осушения выработок ведутся откачки подземных вод. Если вмещающие и перекрывающие породы достаточно хорошо проницаемы (песчано-глинистые породы), то над шахтами и рудничными полями образуются депрессионные воронки различных размеров. В теории динамики подземных вод для разного типа подземных вод, природных условий и формы выработок имеется множество формул для расчета удельных водопритоков в выработки [65,67,81]. В расчетные формулы водопритоков (qi) основным изменяющимся параметром входит водопроводимость толщи ТBj=КфjHj, где Hj -мощность водоносного горизонта над водоупором в j-ой точке профиля или изучаемой площади, а Кфj - средний коэффициент фильтрации пород в пределах Hj.

Параметр (А), входящий в формулу для расчета водопритоков (qj=АТBj), можно принять за постоянную для изучаемой площади или, во всяком случае, мало меняющуюся величину. Его используют для расчетов абсолютных водопритоков. Для оценки же относительных водопритоков, характеризующих степень обводненности пород по площади, а значит изменение опасности при проходке выработки и эксплуатации месторождений, вследствие неконтролируемых водопритоков, можно использовать водопроводимость ТBi. Карта водопроводимости над месторождением служит для оценки возможных водопритоков в выработки и выбора мест для бурения скважин с целью откачки подземных вод. Очевидно, для ее построения в условиях неоднородных по фильтрационным свойствам пород (Кф может меняться в сотни и тысячи раз) необходим большой объем дорогостоящего бурения с откачками для расчетов Кф. Значительную его часть можно заменить постановкой ВЭЗ. Водоносные породы над глинистым водоупором выделяются на кривых ВЭЗ ветвями кривых типа К и Q (см. табл.4.1). По ним достаточно точно можно определить суммарное поперечное сопротивление надводоупорной толщи Т =hii, которое корреляционно связано с ТB (см 1.2). Параметры, пропорциональные ТBj в любой j-той точке ВЭЗ, можно получить без их послойной количественной интерпретации путем их интегральных трансформаций, т.е. расчета Т где за rmin можно взять первый разнос, (например, rmin=1м), а за rmax - абсциссу (разнос) креста на кривой k(r) (rmax = r+), полученного при совпадении той части кривой, которая соответствует переходу от водоносных пород к водоупорным, с двухслойной палеткой ВЭЗ [34].

4.2.2. Изучение обводненности шахтных полей Подмосковного угольного бассейна В качестве примера применения ВЭЗ для изучения обводненности месторождений приведем результаты авторов в Подмосковном угольном бассейне. Для решения поставленной задачи была разработана следующая методология интерпретации ВЭЗ, обеспечивающая оценку разных факторов обводнения выработок на основе логико-теоретических связей между геолого-геофизическими параметрами [5,34,85].

Подмосковное буроугольное месторождение (Мосбасс) является типично платформенным малоглубинным. Поэтому разработанная и приведенная ниже методология интерпретации ВЭЗ является не только примером их геологогидрогеологического истолкования, но и может использоваться для изучения обводненности других платформенных месторождений. Геолого-гидрогеологическое строение южного крыла этого бассейна кратко может быть охарактеризована следующим образом [5,12,13,41]. Под неоднородными четвертичными (Q) песчаноглинистыми отложениями с мощностью (hQ) в несколько метров и удельным электрическим сопротивлением Q от 10 до 300 Ом.м залегают мезозойские глины с MZ=10 Ом.м и пески с MZ=20-200 Ом.м непостоянной мощности (hMZ=0-15м).

Мощный слой глин служит препятствием ("барражом") для инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, что может менять обводненность выработок.

Глубже залегают окские известняки (С1ок) мощностью (hок) до 20 м, в разной степени закарстованные и обводненные, что и проявляется изменением УЭС от 50 до 400 Ом.м.

Еще глубже расположена мощная (htl до 75 м) тульская (С1tl) песчано-глинистая и карбонатная толща, неравномерно обводненная и создающая вместе с окскими известняками водопритоки в виде безнапорных вод. Глубже идет продуктивная толща промышленных углей в несколько метров, залегающая преимущественно в переуглубленной кровле упинских известняков (С1uр), в разной степени закарстованных и обводненных и являющихся источником водопритоков за счет напорных (подугольных) вод.

Горные выработки, расположенные на глубинах 40-100 м, подвергаются неравномерной, иногда слабой, иногда очень сильной (в сотни раз меняющейся) обводненности. Удельные водопритоки в горные выработки (q) обусловлены упомянутыми выше тремя факторами: инфильтрационными водами (q1), безнапорными водами углевмещающей толщи (q2) и напорными водами углеподстилающей толщи (q3). Осушение месторождения проводится с помощью водопонизительных скважин, эффективно работающих лишь в случае когда, они пройдены в обводненных породах.

Поэтому выделение на шахтных полях мест с повышенными водопритоками для бурения таких скважин представляет актуальную задачу. Геоэлектрические условия данного месторождения неблагоприятны для решения этой задачи, о чем свидетельствуют неудачные попытки ее решения с помощью ВЭЗ. Связано это с особенностями геоэлектрического разреза. Как отмечалось выше, УЭС горных пород меняется от 10 Ом.м для глин до 500 Ом.м для массивных сухих известняков. В разной степени обводненные песчано-глинистые породы имеют УЭС - 20-100 Ом.м, а карбонатные - 50-400 Ом.м. В целом за счет переслаивания в стометровой толще наблюдается до 10 геоэлектрических горизонтов, отмечающихся по УЭС в плане и по глубине. Вследствие малой мощности горизонтов и непостоянства УЭС по простиранию, сильное влияние оказывает принцип эквивалентности, и традиционная интерпретация, сводящаяся к построению геоэлектрических разрезов, не только условна, но и мало что дает для изучения обводненности. На рис.4.2.1 приведены типичные кривые ВЭЗ, а на рис.4.2.2 фрагмент геоэлектрического разреза на Березовском месторождении Мосбасса.

Рис.4.2.2. Геоэлектрический разрез верхний электрический горизонт из пород, являющихся источником инфильтрационного обводнения атмосферными и поверхностными водами (q1), второй горизонт надугольных песчано-карбонатных отложений, создающих обводнение безнапорными водами (q2) и третий горизонт подугольные карбонатные породы - источник обводнения выработок напорными подземными водами (q3). Для расчета удельных водопритоков q1, q2, q3 (на единицу площади выработок) в гидрогеологии известны формулы, приведенные в таблице 4. [43].

На основе логико-эвристических представлений всем геолого-гидрогеологическим параметрам подобраны электрические и геоморфологические аналоги. В качестве электрических аналогов взяты лишь самые достоверные параметры, полученные в результате интерпретации ВЭЗ: Q, hQ, SQ= hQ/Q, К таблице 4.2 необходимы следующие пояснения. Коэффициент инфильтрации атмосферных и поверхностных вод (w), измеряемый в м3/сутки, будет больше в понижениях рельефа, где меньше абсолютные отметки местности (Набс), где увеличивается проницаемость четвертичных и мезозойских отложений, т.е. с ростом Q и MZ и уменьшением мощностей hQ и hMZ, а значит и продольных проводимостей этих слоев, определяемых однозначно, поскольку они являются параметрами эквивалентности, А1 неизвестный коэффициент размерности. В качестве примера на рис 4.2.3 приведена карта прогноза обводненности Бельковского участка. Зоны повышенной инфильтрации атмосферных и поверхностных вод незначительны и локальны. При анализе полученных результатов было выяснено, что величина q1 распределена по логнормальному закону, со средним значением около 250 усл. ед. График ее распределения отличается сложностью, обусловленной множеством факторов, влияющих на коэффициент инфильтрации (рис.4.2.4).

При расчете обводненности за счет ненапорных вод в перекрывающих отложениях за глубину залегания водоупора (Нвод) условно можно принять пропорциональную ей суммарную мощность надупинских пород (Н), а время осушения считать постоянным, включив, как и другие постоянные величины, в неизвестный коэффициент размерности А2. Для расчета активной пористости, или водоотдачи (Кµ) надугольных отложений, можно взять величину, обратную УЭС водосодержащих песчано-известковых отложений (пи) взято ср= T S ; за величину г принята постоянная величина г=10 Ом.м, так как сопротивление глин достаточно выдержано по всему месторождению, коэффициент глинистости (Кг) известен из данных бурения, т.е.

За водопроводимость ТB=НводКф ср можно принять пропорциональное ей поперечное сопротивление надупинской толщи, определяемое по ВЭЗ достаточно точно.

На рис.4.2.3 приведены зоны прогнозной обводненности надугольных отложений.

Для оценки обводненности за счет напорных упинских вод (см.

табл. 4.2) надо оценить по ВЭЗ мощность упинских пород и их УЭС, что сделать с высокой точностью невозможно. Поэтому зоны ожидаемого водопритока за счет упинских вод, приведенные на Рис.4.2.4. Гистограмма параметра q1 максимальными значениями (рис.4.2.4), можно Бельковского месторождения. получить зоны относительно повышенной Такие зоны и приведены на рис.4.2.3. Участки, на которых наблюдается перекрытие зон повышенной обводненности разной природы, относятся к наиболее опасным с точки зрения обводненности. Если иметь сведения по изучаемому шахтному полю о доле (вероятности влияния) разных факторов обводненности (p1, p2, p3, p1 + p2 + p3 = 1) в водопритоках в горные выработки, то можно получить суммарные ожидаемые удельные водопритоки на разных участках шахтного поля: Карты параметров q являются обобщенным результатом интерпретации ВЭЗ для изучения обводненности месторождения.

4.3. Изучение инженерно-геологических условий строительства в городах В последнее время проведение геофизических исследований при изучении площадок под строительство зданий и инженерных сооружений в пределах городских территорий приобрело широкий размах. Использование геофизических методов на стадии проектирования является наиболее сложившейся областью инженерной геофизики, в которой сосредоточено не менее 80 % общего объема инженерногеофизических работ. В последние годы по всему миру резко сократились капиталовложения в разведочную геофизику. Однако инженерная и экологическая геофизика - ее единственные бурно развивающиеся отрасли, в которые продолжают вкладываться немалые средства. В нашей стране также проявляется эта тенденция.

Необходимо отметить, что конечная цель инженерно-геологических изысканий оценка геологических условий сооружения различных строительных объектов. От качества этой оценки может зависеть здоровье и жизнь людей, поэтому геофизические исследования на всех стадиях изысканий должны проводится с максимальной степенью надежности.

С помощью электроразведки решается обширный круг геологических задач.

Однако все эти задачи можно свести к одной глобальной проблеме - оценке прочностных свойств массива горных пород и соответственно прогнозу возможных деформаций поверхности земли под влиянием геодинамических процессов, вызванных естественными и техногенными явлениями. В каждом конкретном случае это могут быть различные геологические задачи. Например, изучение закарстованности карбонатных пород и оценка активности карстово-суффозионных процессов в г.

Москве, или исследования оползневых явлений на черноморском побережье Кавказа или Южном берегу Крыма, или изучение зон малоамплитудных тектонических нарушений в пределах подрабатываемых территорий в районе Донбасса. В первом случае основной задачей является предсказание возможного размыва грунтов, деформации или обрушения приповерхностного горного массива. Этой задаче подчиняется множество сопряженных с ней подзадач:

1) картирование гидрогеологических "окон" и изучение мощности и строения регионального водоупора;

2) определение степени разрушенности и закарстованности верхней части карбонатного разреза;

3) оценка гранулометрического состава и мощности приповерхностных песчаноглинистых отложений;

4) картирование и изучение глубинного строения древних речных долин;

5) оценка обводненности верхней части геологического разреза.

С помощью электрических зондирований при изучении оползневых явлений решаются следующие геологические задачи:

1) картируются коренные породы, слагающие ложе оползня;

2) определяется мощность оползневого тела и его строение по вертикали;

3) изучается трещиноватость пород, слагающих тело оползня;

4) производится оценка обводненности ложа.

При оценке устойчивости массивов горных пород на территориях, подрабатываемых глубокими горными выработками, важнейшей задачей является картирование зон тектонических нарушений. Просадка столба горного массива над пустой горной выработкой приводит к накапливанию напряжений в верхней части геологического разреза. Разлом выступает в данном случае в роли своеобразного "спускового крючка", который способствует разрядке напряжений в горном массиве.

При электрометрических исследованиях определяется ширина зоны измененных пород, мощность рыхлых отложений. Геолого-геофизические признаки, указывающие на наличие тектонических нарушений могут быть самые разнообразные:

1) различный литологический состав пород и соответственно удельное электрическое сопротивление, а также разные характеристики эллипса анизотропии крыльев разлома;

2) наличие заметной по мощности зоны измененных пород, отличающейся по электрическим свойствам от вмещающих пород;

3) различная гипсометрия крыльев разлома;

4) развитие вдоль зон тектонических нарушений палеодолин, заполненных осадками.

Таким образом, первой особенностью применения электрических зондирований в городах является сложный характер инженерно-геологических задач. Как правило необходимо точное картирование горизонтальных границ геологических образований и детальное расчленение разреза по вертикали. В таких условиях успешно решать геологические задачи с помощью традиционной методики полевых работ и интерпретации материалов в рамках горизонтально-слоистой среды практически невозможно. Наш опыт показывает, что только повсеместное применение аппарата моделирования электрического поля позволяет при интерпретации геологическим средам. Необходимо учитывать, что если в процессе неправильные структурные построения геоэлектрического разреза, то это вызовет грубые электрического сопротивления отдельных блоков пород. Это, в свою очередь, может привести к непредсказуемым погрешностям при оценке прочностных свойств изучаемых грунтов. Только на основе достоверных построений геоэлектрического разреза возможен переход к физикомеханическим и водно-физическим характеристикам горных пород.

Второй особенностью применения электроразведки в городах является сильная нарушенность естественного покрова рыхлых отложений. Обычно он заменен насыпным грунтом, крайне неоднородным по своим электрическим свойствам.

Насыпной грунт часто имеет пестрый литологический состав от хорошо проводящих глин до каменистых шлаков. Минимальные горизонтальные размеры неоднородностей насыпных отложений зачастую сравнимы с величиной приемной линии. Это создает огромное количество неоднородностей - помех в приповерхностном слое, которые сильно искажают кривые ВЭЗ и маскируют глубинные структуры, являющиеся объектом исследования. Кроме этого, практически всегда вдоль улиц, по которым обычно прокладываются геофизические профили, проходят водопроводные, тепловые и кабельные коммуникации, уложенные в траншеи и бетонные короба. Такого рода искусственные неоднородности приводят к сильным искажениям результатов электрических зондирований. Инженерно-технические коммуникации и сравнительно густая сеть воздушных электрических линий создают высокий уровень электрических помех (иногда до 1-2 мВ/м). Поэтому использование такого распространенного прибора как АЭ - 72 сильно затруднено, и обычно измерения проводятся на переменном токе с помехозащищенной аппаратурой (типа АНЧ-3). В связи с этим сильно возрастает время измерения, требуются мощные источники тока, представляющие определенную опасность, особенно в городских условиях. Высокий уровень геологических и промышленных помех вынуждает проводить геофизические Рис.4.3.1,б. Геоэлектрический разрез по 2D ВЭЗ, которые были выполнены в интерпретации и данным бурения.

центре г. Донецка вдоль улицы Розы Люксембург. Главной задачей являлось точное картирование двух систем разломов с целью проектирования нового корпуса Донецкого университета. Геологическое строение коренных пород на участке работ чрезвычайно сложное: на небольшом профиле длиной 160 метров три моноклинальные песчано-глинистые толщи, имеющие разные углы падения и простирания, через разломы сменяют друг друга в горизонтальном направлении. Поверхностные грунты имеют мощность около 3-5 метров. На расстоянии 25 метров от профиля наблюдений расположены 3 скважины, с помощью которых удалось построить приближенный геологический разрез. Электрические зондирования выполнялись с шагом 5 метров.

Максимальные разносы АО составили 100 метров. На рис.4.3.1а представлен разрез k.

Обработка зондирований велась в несколько этапов. Сначала была проведена одномерная интерпретация материалов и построен геоэлектрический разрез для верхних 5-7 метров. На втором этапе с учетом априорной геологической информации по бурению была составлена двумерная модель геоэлектрического разреза. Затем последовательно сверху вниз по мере увеличения разносов вручную за 16 итераций был подобран двумерный разрез, представленный на рис.4.3.1б.

4.4. Электрические зондирования на мелководных акваториях В последние годы у нас в стране и за рубежом активно ведутся геофизические исследования на мелководных пресноводных акваториях. Внутренние водоемы представляют интерес общенаучный (как объекты, внутри которых протекают интенсивные геологические процессы) и промышленный (в связи с расширением хозяйственной деятельности на акваториях). Такого рода деятельность включает гидротехническое строительство, строительство водохранилищ, развитие водного транспорта, создание нерестилищ ценных рыб, возведение крупных промышленных и жилых объектов на берегах водоемов, поиски полезных ископаемых и т.д. С геологогеофизической точки зрения верхняя часть геологического разреза мелководных акваторий имеет свои особенности строения, и в связи с этим требуются специальные модификации электрометрии, которые отличаются от методов, применяемых на суше.

Характер хозяйственных задач, которые перечислены выше, требуют детальности и сверхдетальности исследований и их комплексности. Малая глубина воды, редко превышающая 10-15 метров, обуславливает особые требования к методике и технике электроразведочных работ.

Такие работы у нас в стране, основанные на современном техническом уровне и направленные на решение сложных инженерно-геологических задач на мелководных акваториях, были выполнены лабораторией сейсмоакустики геологического факультета МГУ под руководством А.В.Калинина и В.В.Калинина. Сотрудником лаборатории А.А.Мусатовым был разработан высокопроизводительный и помехозащищенный аналого-цифровой электроразведочный комплекс, который позволяет во время движения судна в автоматическом режиме одновременно с электрическими зондированиями (используются косы до 300 метров длиной) проводить съемку трех компонент естественного электрического поля (Еx, Ey и Ez), температурного поля (один канал) и резистивиметрии. За сравнительно короткий срок были выполнены исследования на акваториях рек Москвы, Волги, Сухоны, Онеги и Камы. Эти работы выявили две существенные особенности полевых материалов. Во-первых, был получен очень большой объем информации. Например, при скорости судна 8 км/час производится до 40 точек зондирования на одном км профиля наблюдений. Таким образом, за одну смену регистрируется свыше 2000 электрозондирований. В связи с этим были стимулированы исследования, направленные на разработку автоматизированных способов обработки данных на ЭВМ. Во-вторых, была отмечена резкая изменчивость и сложность электрических полей, связанная с характерной для рек литологической и структурной неоднородностью по всем направлениям. В результате появилась острая необходимость в изучении геоэлектрического разреза не только в рамках горизонтально-слоистых моделей, но и с позиции его двумерной и трехмерной неоднородности.

При геофизических исследованиях на акваториях, как правило, остается неохарактеризованной самая верхняя часть геологического разреза, имеющая суммарную мощность слоев меньше глубины воды. Ведущим методом при детальных геофизических исследованиях на реках и озерах является сейсмоакустическое профилирование (НСП). В НСП для достижения глубинности 150-200 м возбуждаются упругие колебания с центральной частотой, как правило, не более 300-500 Гц. В воде такая сейсмическая волна будет иметь длину не менее 3-5 м. Увеличение скорости сейсмоакустических волн в горных породах приводит к увеличению длины волны до 4м. В этих условиях тонкие слои верхней части геологического разреза неразличимы вследствие интерференции волн, отраженных от нижних и верхних поверхностей слоев донных осадков. В последнее время получают распространение высокочастотные методы НСП с центральной частотой около 1000-1500 Гц. При интерпретации таких записей удается выделять слои мощностью 1-1.5 м до глубин не более 20-30 м. В этом случае появляется возможность для более детальных структурных построений. Однако литология пород остается при этом неохарактеризованной и не удается получить информацию о свойствах горных пород без дополнительной сложной обработки на ЭВМ. В этом отношении возможности сейсмоакустического профилирования ограничены в основном качественным анализом волновой картины отраженных волн.

При обработке временных разрезов НСП в ряде случаев можно определить принадлежность данного типа записи, например, к ледниковым морским или современным русловым отложениям и проследить границу между этими типами осадков и более глубокими консолидированными породами. Однако оперативно изучить изменение физических свойств с глубиной и по горизонтали, сопоставить похожие с точки зрения акустической волновой картины комплексы пород, уверенно определить состав тех или иных осадков с помощью НСП до сих пор не представляется возможным.

Таким образом, исследование литологии русловых отложений с помощью сейсмоакустики затруднительно. Для решения этой задачи требуется специальная методика для изучения электрических свойств самой верхней части разреза.

Исследования на акваториях с помощью электроразведки на постоянном токе (зондирование и профилирование) выполняются с установками плавающего типа и погруженными установками (донные и плавающие в толще воды). Поверхностные установки обладают небольшой разрешающей способностью. Например, на реке Волге в нижнем течении средняя глубина реки составляет 7-8 м, и при обычной мощности русловых отложений 2-3 м определить достаточно точно их мощность и удельное электрическое сопротивление без дополнительной информации нельзя. С другой стороны, на внутренних водоемах опасно использовать донные установки из-за очень большой вероятности обрыва забортных геофизических кос. При исследованиях на море при глубинах 100 м и более (например, шельф Баренцева моря) донная установка становится слишком громоздкой. Полупогруженные установки, расположенные горизонтально на некотором расстоянии от дна, требуют строгого контроля глубины погружения питающих и приемных электродов. Кроме этого, располагаясь на значительном удалении от дна ( 5-10 м ), такие установки могут не обеспечить требуемой точности в определении и h верхних тонких слоев. Чтобы обойти изложенные трудности, используется установка, расположенная вертикально в толще воды [84].

Если вертикальная установка целиком расположена в первом водном слое, то для многослойной среды получаем выражение для k:

Из возможных установок остановимся на двух вариантах: 1) питающий электрод А расположен на поверхности воды, MN движется вниз;

2) MN расположено у дна, электрод А при этом опускается вниз.

3) Если эти два варианта осуществить последовательно, то кривая зондирования будет состоять из двух ветвей. При этом максимальная глубинность исследования достигается при максимальном разносе между приемными и питающими электродами, то есть, когда электрод А расположен на поверхности воды, а МN на дне. Для расчетов кривых k были составлены программы на языках ФОРТРАН-4 и БЕЙСИК для ЭВМ БЭСМ-6, СМ-4, и "Электроника-60". Расчеты Рис.4.4.1. Пример палетки по программам, использующим разные трехслойных кривых ЗВУ.

алгоритмы, показали хорошую сходимость результатов. Авторами были проведены численные расчеты для ряда моделей, характерных для морского и речного случаев. На рис.4.4.1 приведена одна из палеток трехслойных кривых зондирований с вертикальными установками (ЗВУ).

Следует отметить следующие свойства кривых ЗВУ.

1. Полученные кривые ЗВУ отражают геоэлектрические свойства разреза до глубин 0.5 h воды.

2. Верхний придонный геоэлектрический слой при ЗВУ становится первым и его параметры определяются однозначно. Таким образом, решается основная задача, поставленная в данной работе.

3. Кривые ЗВУ являются инверсными по отношению к зависимости удельного электрического сопротивления от глубины. То есть, чем выше удельное сопротивление слоя, тем ниже k, соответствующее этому слою. Такое поведение кривых ЗВУ легко объясняется изменением вертикальной компоненты плотности тока, которую мы фиксируем на MN, вблизи горизонтальных границ. Чем ниже сопротивление слоя, тем выше вертикальная компонента плотности тока, протекающего через его верхнюю границу, и наоборот.

4. Левые ветви кривых ЗВУ в большей степени зависят от параметров водного слоя и некоторой интегрально-осредненной проводимости всей пачки донных отложений. Правые ветви отражают разрез придонных отложений.

5. Значения k при zh и zoh соответствуют коэффициенту прохождения между водой и первым донным слоем:

где 1- удельное электрическое сопротивление воды, а K12 - коэффициент отражения поверхности вода - дно.

Интерпретация кривых ЗВУ может быть проделана с помощью рассчитанных на ЭВМ палеток. При этом необходимо иметь в виду, что возможно введение более удачных нормировок поля, которые лучше отражают геоэлектрический разрез.

Например, можно использовать другой эффективный параметр сопротивления:

Рис.4.4.2.

разрешением в верхней части разреза. По результатам зондирования ЗВУ выделяются два тонких слоя, сопротивление которых превышает сопротивление воды. Мощность верхнего слоя составляет не более 0.5 м (уд. 2-5 кОм•м), а мощность второго - не более 2-2.5 м при сопротивлении около 1 кОм•м. На кривой к для плавающей горизонтальной трехэлектродной установки проявляется лишь более мощный нижележащий слой, имеющий сопротивление 150-220 Ом•м. Кроме этого, в результате работ было доказано, что технологически подобные зондирования вполне осуществимы, уровень сигналов достаточно высок для того, чтобы его можно было зарегистрировать.

Колебания установки относительно вертикальной оси в пределах 10% ее длины практически не сказываются на результатах съемки.

Таким образом, ЗВУ могут быть рекомендованы для целей детального литологического картирования на мелководных акваториях в дрейфе или на якоре. Здесь необходимо сделать предостережение относительно применения обратной установки MNA, в которой А находится на дне, а MN движется вниз. Как показывают численные расчеты на ЭВМ, эта установка мало эффективна. При значительных изменениях в параметрах геоэлектрического разреза кривые Рис.4.4.2. Результаты ЗВУ.

MNA меняются в пределах нескольких процентов. Чувствительность установки сильно загрублена и применять ее для целей зондирования донных осадков, по-видимому, нецелесообразно.

Можно отметить очень высокую чувствительность вертикальной установки AMN при исследованиях методом ВП. В условиях экранирующего действия соленой морской воды (В = 0.2-0.3 Ом•м) с помощью такой установки можно зарегистрировать значительные аномалии кажущейся поляризуемости. При этом аномалия к - ЗВУ может в несколько раз превосходить аномалию к - ВЭЗ по амплитуде. Горизонтальная установка весьма чувствительна к высоте над дном. Незначительное увеличение высоты горизонтальной установки до 2-3 м приводит к практически полному исчезновению аномалий эффективных параметров среды. Уровень сигналов ЗВУ наоборот устойчив и аномалии сохраняют значительную амплитуду при достаточно высоких положениях MN над дном.

В последние годы электроразведка все чаще используется для решения археологических задач. Как правило, при фиксации археологических объектов в плане, предпочтение отдается электропрофилированию с различными установками. Когда же стоит задача изучения уже локализованного объекта, на первый план выходит электрическое зондирование. Наш опыт использования электроразведки в археологии показывает, что максимальный эффект применение метода ВЭЗ приносит при решении следующих задач:

1.Изучение различных форм палеорельефа, поиск и изучение погребенных русел и долин;

2.Поиск остатков крепостных укреплений и изучение их строения;

3.Поиск остатков стен и фундаментов строений;

4.Расчленение верхней (2-15 м) части геологического разреза;

5.Поиск и изучение склепов, камер, погребений в плотных породах;

Подавляющее большинство археологических объектов залегает на глубине, не превышающей первых метров, в редчайших случаях десятков метров. Как правило, большинство объектов имеет локальный характер и располагается на относительно небольшой площади. Эти объекты рассматривались бы нами как помехи при решении более глубинных задач, но в данном случае они представляют объект изучения.

Все это делает логичной следующую методику наблюдений. Зондирования проводятся с трехэлектродной установкой AMN, причем линия "бесконечность", соединяющая установку с электродом "В", устраивается один раз и используется для проведения всех ВЭЗ на изучаемой площади. Точки ВЭЗ располагаются по профилям с шагом 1 - 5 м, разнос питающего электрода направляется по профилю всегда в одну сторону. Это позволяет достичь многократного перекрытия изучаемого объекта питающей линией, без чего построение его детальной негоризонтально - слоистой модели при интерпретации становится невозможным. Использование для намотки питающих проводов катушек становится нецелесообразным. Гораздо быстрее выполнять ВЭЗ со специальным мерным шнуром, растягиваемым по профилю. В этом случае производительность бригады из трех человек составляет около 10 ВЭЗ в час с разносом АО от 0,3 до 50 м. Некоторые исследователи используют электроразведочные косы, но наш опыт показал, что их надежность оставляет желать лучшего, в то время, как выигрыша в производительности они не дают.

Следует отметить, что конечная цель электроразведки - это построение на основе полученных данных геоэлектрической модели разреза. Истолкование этой конкретной решаемой задачи археологической), требует привлечения дополнительной информации и, строго говоря, электроразведочных исследований. Таким образом, электроразведка дает важную информацию об изучаемых объектах: размерах, свойствах, трактовка Рис.4.5.1. Результаты магнитной съемки над горном.

окончательная полученных результатов невозможна без их проверки прямыми методами исследований (бурением, раскопками и т.п.). Прекрасные результаты дает комплексирование ВЭЗ с магниторазведкой.

В качестве примера, иллюстрирующего этот факт, ниже приводятся результаты геофизических исследований на одном из древнерусских памятников, расположенных в районе с. Монастырщина Тульской области. Настоящие работы являются частью работ, проводимых Государственным Историческим музеем по изучению археологических памятников Куликова поля. Задачей исследований было комплексное изучение геофизическими методами ряда поселений 12-14 веков. При проведении площадной съемки магниторазведкой была выделена интенсивная аномалия магнитного поля T (Рис.4.5.1а). При ее археологической проверке был обнаружен объект гончарного производства (горн), верхняя кромка которого залегает на глубине около 0,5 м от поверхности (Рис.4.5.1б).

эффективности электроразведки на такого рода объектах над горном был пройден профиль ВЭЗ из 9 точек зондирования. Шаг по профилю составлял 1 м, со сгущением до 0,5 м над центром, разносы от 0.5 до 26,8 м.

показаны на рис.4.5.1в.

Над центром объекта наблюдается сильная аномалия кажущегося сопротивления, превышающая фоновые значения в 1.5-1.7 раза.

Аномальная зона имеет ширину около 1.5 м. Аномалия возникает на начальных и устойчиво прослеживается вплоть до последних разносов, что вероятно, связано с изменением приповерхностного слоя под влиянием изучаемого объекта. На следующем участке нами изучалась магнитная аномалия похожей формы и интенсивности, но был получен разрез совершенно другого типа (Рис.4.5.1г) - со слабой проводящей зоной. При проверке было установлено, что аномалию создавал далекий от археологии объект металлическая деталь от трактора. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что электроразведка может с успехом использоваться при разбраковке магнитных аномалий проблематичной природы на заведомо приповерхностные аномалии помехи и полезные аномалии от объектов гончарного производства.

Подобно тому, как на водосодержании базируется гидрогеологическая электроразведка, на водо-льдосодержании основана мерзлотная электроразведка.

4.6.1. Особенности мерзлотно-геоэлектрических разрезов и задачи метода сопротивлений при мерзлотных исследованиях Мерзлотно-геоэлектрические разрезы благодаря скачкообразному или плавному возрастанию удельных электрических сопротивлений (УЭС) при замерзании свободной или связной воды в породе отличаются следующими особенностями [6,34,42,43,53,54,77,85]:

- непостоянством УЭС в плане и по глубине в связи с изменением температуры, литологии, структуры, текстуры, влажности, минерализации подземных вод, льдистости и криогенного строения;

- скачкообразным увеличением УЭС (в 2-104 раз) при замерзании породы, а затем плавным его возрастанием по мере понижения отрицательных температур;

- резким ростом УЭС зимой по сравнению с летом в верхнем слое годовых колебаний температур мощностью до 0.3-3 м, и плавным возрастанием - в нижнем слое годовых теплообменов, мощностью до 10-30 м;

- наличием в средней части многолетнемерзлых отложений горизонта мощностью от 0.1 до 0.3 от общей мощности многолетней мерзлоты очень высоких (104 - 107 Ом•м) и достаточно постоянных УЭС, а иногда присутствием в ней талых пород (межмерзлотные талики), особенно под руслами рек;

- градиентным уменьшением УЭС от горизонта мерзлых пород с очень высоким сопротивлением до талых пород с часто низким УЭС, особенно, если они представлены рыхлыми отложениями.

Как видно из сказанного, геоэлектрические разрезы в условиях многолетнемерзлых пород отличаются большой сложностью, поэтому мерзлотные исследования относятся к малоблагоприятным как для метода электроразведки, так и других геофизических методов. Только при тесном сочетании ряда геофизических, геологических и мерзлотных исследований можно ожидать положительных результатов при исследованиях многолетнемерзлых разрезов.

В комплексе с терморазведкой, сейсморазведкой, гравиразведкой, электроразведке при мерзлотных исследованиях принадлежит большая роль. При этом методы профилирования используются для картирования в плане мерзлых и талых отложений (выявление литологических контактов, тектонических нарушений, зон трещиноватости, выделения участков сквозных и несквозных таликов, подземных льдов, поисков и разведки обводненных зон), а методы зондирований - для расчленения мерзлых и талых зон по глубине (определения кровли и подошвы многолетнемерзлых пород, изучения распространения на глубине мерзлых и талых пород, сквозных и несквозных таликов, выявления строения мерзлоты, типов сезонного оттаивания, промерзания и динамики мерзлотных процессов, поисков и разведки межмерзлотных и подмерзлотных подземных вод).

Методика, техника и интерпретация данных ВЭЗ при мерзлотных исследованиях достаточно полно описаны в литературе [6,25,36,43,54,85]. Следует отметить сложности интерпретации, обусловленные:

- сильной изменчивостью параметров i и hi слоев геоэлектрического разреза, а также типов кривых ВЭЗ по площади, препятствующей использованию известного приема переноса параметрических данных для интерпретации соседних зондирований;

- высокой контрастностью сопротивлений, вследствие которой расширяются пределы действия принципа эквивалентности и погрешностей в определении i и hi;

- градиентным законом изменения удельного сопротивления слоев с глубиной и нередко слабой дифференциацией пород по у подошвы мерзлой толщи, приводящим к появлению по данным обычной интерпретации фиктивных (не существующих) слоев и неверному определению многолетнемерзлых пород;

- экранирующим влиянием сезонно-талого слоя и верхнего наиболее льдистого горизонта мерзлой толщи, приводящим к появлению затянутых максимумов k (элементов кривых ВЭЗ типа К), затрудняющих выделение нижележащих горизонтов;

- искажением кривых ВЭЗ, обусловленным горизонтальной неоднородностью разреза и прежде всего прерывистостью распространения мерзлых и талых пород в плане;

- изменчивостью кривых ВЭЗ во времени.

Типы кривых ВЭЗ для мерзлых пород подобны двухслойным кривым (1>2), трехслойным типа К и А, четырехслойным типам АК и КQ и некоторым другим (см.1.2). В общем случае в разрезе многолетнемерзлых пород выделяются несколько геоэлектрических горизонтов, а обобщенная ФГМ представляется следующим образом.

Первый верхний горизонт связывается с активным слоем, мощность которого варьирует от первых десятков сантиметров до нескольких метров, а сопротивление меняется от десятков до сотен Ом•м летом до 105 - 106 Ом•м зимой. Второй горизонт на кривых ВЭЗ, полученных в летний период, проявляется восходящей ветвью кривой типа А и часто является градиентным. При наблюдениях в зимний период первый и второй горизонты обычно образуют единый высокоомный слой. Третьим геоэлектрическим горизонтом служит слой многолетнемерзлых пород мощностью от нескольких метров до нескольких сотен метров, который круглогодично характеризуется очень высокими сопротивлениями, и создает ветви кривых ВЭЗ типа К. Слой мерзлых, а иногда и подстилающие талые породы образуют нередко градиентную по УЭС толщу, которая вместе с низкоомным подстилающим слоем выделяется на кривых ВЭЗ ветвями типа Q. Традиционную количественную интерпретацию начинают с параметрических ВЭЗ и ВЭЗ, выполненных в пределах горизонтально однородных участков. При отсутствии градиентности разреза, например, в песках, гравийно-галечных отложениях, интерпретацию проводят обычными способами с помощью палеток или ЭВМ. Когда анализ опорных данных указывает на наличие градиентности, целесообразно строить разрезы трансформированных сопротивлений и применять соответствующие приемы интерпретации [34,50,53]. Результаты интерпретации кривых ВЭЗ представляются в виде геоэлектрических разрезов с выделением границ мерзлых и талых пород, слоев различного сопротивления, различной льдистости и др. Основными недостатками традиционной интерпретации данных ВЭЗ является низкая точность определения положения границ слоев разреза, особенно высокоомных многолетнемерзлых пород, являющихся экранами. Кривые зимних ВЭЗ из-за отсутствия экранирующего влияния сезонно-талых пород, как правило, более дифференцированы и информативны. Однако сезонный характер электроразведочных работ и трудность осуществления измерений в зимних условиях не позволяют широко использовать эти преимущества. Качество интерпретации можно повысить, применив рассматриваемые в настоящей работе нетрадиционные приемы, в том числе двумерное моделирование, статистические мерзлотно-электрические характеристики и т.п.

Изучение многолетней мерзлоты важно для поисков и разведки твердых полезных ископаемых, их эксплуатации, а также всевозможного строительства в районах распространения многолетнемерзлых пород.

Поиски и разведка различных полезных ископаемых, в том числе подземных вод, с привлечением методов электроразведки в условиях распространения многолетнемерзлых пород значительно сложнее, чем в районах, где нет мерзлоты.

Главные затруднения связаны с резким изменением электромагнитных свойств поверхностных отложений в пространстве и во времени (зимние и летние свойства), сложностью выполнения заземлений при работе гальваническими методами электроразведки, экранирующим влиянием слоя многолетней мерзлоты на изучение подмерзлотного геоэлектрического разреза, сложностью электрического каротажа "сухих" скважин и др. Особые трудности возникают при интерпретации электромагнитных зондирований, так как в условиях сильно контрастных по сопротивлению горизонтов расширяются пределы действия принципа эквивалентности, что препятствует раздельному определению таких параметров как мощность и сопротивление слоев. В подобных условиях более достоверными являются лишь параметры эквивалентности (S,T).

В качестве примера нетрадиционных подходов к интерпретации ВЭЗ, рассмотрим опыт работы авторов на одном из месторождений на Чукотке.

4.6.2. Изучение обводненности месторождения на Чукотке.

Для подземной разработки твердых полезных ископаемых низкотемпературные мерзлые породы благоприятны, так как в них проходку выработок и отработку ископаемых можно вести при минимальном креплении стенок и кровли. Наличие талых водонасыщенных пород представляет серьезную опасность при эксплуатации месторождений с точки зрения обводненности и повышенного горного давления. В подобных условиях необходимо сплошное крепление выработок, что в условиях, например, арктического побережья Чукотки чрезвычайно сложно и дорого. Проще его осуществлять на отдельных заранее известных участках рудника. Поэтому повышение эффективности геолого-геофизических исследований для выявления таких участков имеет важное значение и авторы включились в его решение.

Изучаемое месторождение расположено на севере Чукотки в долине неглубокой реки и имеет достаточно простое геологическое строение [13,54]. Сверху залегает толща четвертичных флювиогляциальных и аллювиальных отложений мощностью 60м, представленная галечниками, песками с небольшими прослоями глин. Ниже залегают коренные пермско-триасовые породы, сложенные толщей из переслаивания мелко- и тонкозернистых алевритистых песчаников, алевролитов и глинистых сланцев.

На кровле коренных пород расположены россыпные рудные полезные ископаемые, добыча которых и ведется с помощью подземных выработок. Район расположен в зоне мощных (до 300 м) мерзлых пород. Однако в них имеются талики, приуроченные к руслам, долинам и террасам рек и озер. Их формирование связано с отепляющим влиянием поверхностных вод рек и озер. При значительной мощности таликов, доходящих до уровня проходки выработок, возможны прорывы вод (подземных и поверхностных) в горные выработки. Поэтому основной задачей электроразведки и являлось выделение таликов в плане и на глубине.

Геоэлектрический разрез месторождения представляется таким. Верхний горизонт с 1= 1.2-1.5 килоомометров (кОм•м) соответствует талым рыхлым отложениям мощностью от 2 до 40 м. Второй горизонт отвечает мерзлым рыхлым породам с 2=15 кОм•м и мощностью 35-85 м. Третий горизонт - мерзлые коренные породы с 3=1 кОм•м и мощностью несколько сот метров. Указанные УЭС являются средними. Они, как и мощности горизонтов, непостоянны. Внутри мерзлых пород могут быть подрусловые талики с т < 2 кОм•м, "козырьки" мерзлых пород над талыми и другие неоднородности УЭС.

Переинтерпретация имевшихся кривых ВЭЗ традиционными методами, в том числе с помощью ЭВМ, и моделирование, выполненное в МГУ, показали, что если границы между слоями 1 и 2, 2 и 3 выявить можно, то определить градиентную границу между слоями 3 и 4 и особенно выявить контуры подрусловых таликов в слое 3 практически невозможно. Для выбора методики детализационных Рис.4.6.3. Результаты несквозных (А, с = 10 кОм•м) или сквозных математического моделирования над таликовой зоной.