» » Полевые методы геофизических исследований

Полевые методы геофизических исследований

Набор полевых методов, рекомендуемых при тектонических исследованиях, обычно шире стандартного набора опубликованных и фондовых материалов.
Сейсморазведка

Сейсморазведочные методы используются в изучении структуры осадочного чехла и глубины залегания фундамента, прослеживании разрывных зон и зон повышенной трещиноватости и обнаружении РТС.
При среднемасштабных исследованиях (масштабы от 1:200 000 до 1:50 000) сейсморазведка включается в комплекс геолого-геофизических работ, особенно в закрытых районах. Проводятся профильные наземные наблюдения MOB и МПВ (КМПВ) волн, а также вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП). При крупномасштабных исследованиях (масштабы от 1:10 000 до 1:2 000) для изучения пространственного положения зон трещиноватости и дробления в неглубоко залегающих скальных породах и PTC в осадочных породах применяют средне- и высокочастотную сейсморазведку в наземном и скважинном вариантах.
Для выявления и прослеживания PTC при инженерных изысканиях применяются:
— наземные наблюдения MOB обычно в модификации МОГТ;
— наземные наблюдения МПВ, как правило, при полной корреляционной системе (КМПВ) или при многократных системах, аналогичных системам МОГТ, называемых методом общей глубинной площадки (ОГП);
— ВСП в скважинах;
— межскважинное сейсмическое просвечивание.
Наблюдения МПВ используются при площадочных, и профильных съемках масштаба 1:25 000 — 1:50 000, а также при крупномасштабных исследованиях непосредственно на строительных площадках. При изучении PTC целесообразно использовать КМПВ с непрерывным прослеживанием границ. Применяются системы наблюдений с получением набора встречных и нагоняющих годографов для продольных и поперечных волн, а также многократные системы — ОГП. Шаг сейсмоприемников по профилю выбирается в зависимости от требуемого масштаба и глубинности изучения в пределах от 2 м до 10 м. Скважинные сейсморазведочные наблюдения используются для детального изучения массива пород на строительной площадке. Для их проведения могут быть выполнены специальные горно-буровые работы. Эти наблюдения проводятся методами сейсмического просвечивания между горными выработками (скважинами) или между горной выработкой и поверхностью, а также методом ВСП, который осуществляют по одно-двух-трехкомпонентной схеме. При этом пункты ударов располагаются на профилях, проходящих через устье скважины.
Материалы МОГТ обрабатываются на ЭВМ различного класса, в том числе на персональных. Разработаны различные программы преобразования сейсмопрограмм ОГТ в суммоленту ОГТ, расчета и корреляции кинематических поправок, фильтрации, автоматизированной корреляции волн, построения временных разрезов ОГТ преобразования их в динамические глубинные разрезы. Признаками наличия PTC на временном разрезе ОГТ являются: прекращение корреляции отражений, наличие скачков во временах при прослеживании, измерение динамики и частотного состава волн, в частности, аномалии в поляризации поперечных волн после прохождения зоны разрыва. С помощью МОГТ, особенно на поперечных волнах, могут обнаруживаться смещения границ по сбросу с амплитудой порядка 5 м на глубинах в несколько сот метров.
При использовании МПВ обнаружение разрывных нарушений осуществляется по следующим признакам:
— на годографах отмечаются участки как пониженных, так и повышенных значений кажущихся скоростей;
— на разностном годографе выделяются участки пониженной, а также аномально большой граничной скорости;
— наблюдается уменьшение интенсивности и преобладающей частоты преломленной волны, отмечаются изменения волновой картины, нарушается прослеживание ряда волн в последующих вступлениях;
— отмечается наличие на сейсмограммах МПВ дифрагированных волн, выделяемых по признаку отрицательной кажущейся скорости.
Признаками наличия в разрезе зон трещиноватости и дробления пород при межскважинном сейсмическом просвечивании являются снижение скоростей продольных и поперечных волн, изменение динамических параметров волн. PTC на сейсмограммах ВСП выявляются по разрыву корреляции и относительному смещению оси синфазности волн, отраженных от границ смещения пластов, а также по волнам, отраженным от поверхности сместителя разрыва.
Mагниторазведка

Полевая магниторазведка включает аэромагнитную и наземную съемки, а также скважинные измерения. Она используется для выявления блокового строения и разрывных нарушений.
Аэромагнитная съемка (маршрутная или площадная) выполняется на стадиях предпроектной документации или региональных исследований (масштаб съемки 1:200 000 — 1:100 000) с целью выделения погребенных разрывных структур, определения их пространственного положения и оценки мощности осадочного чехла.
Для уточнения выделенных аномалий на последующих стадиях изысканий выполняется наземная съемка (либо по отдельным профилям, либо по сети профилей на отдельных площадках). Густота сети наблюдений определяется масштабом съемки, требуемой детальностью и сложностью геолого-тектонического строения территории.
Высокоточные измерения элементов геомагнитного поля на ограниченной площади, позволяют обнаружить слабые аномалии (порядка первых десятков гамм), свойственные зонам разрывных нарушений в осадочной толще или нарушениям, представленным немагнитными породами в толще отложений с повышенной магнитной восприимчивостью.
Микромагнитная съемка применяется для изучения тектонического строения верхней (первые десятки метров) части разреза, представленного, как правило, рыхлыми отложениями и осуществляется, как правило, на площадях 50 м х 50 м по сетке1 м х 1 м, 2 м х 2 м, реже 5 м х 5 м (масштаб 1:1 000 и крупнее). При этом измеряются приращения полного вектора ?T и его вертикальной составляющей ?Z.
Применение палеомагнитных исследований при изучении тектонических структур заключается в измерении распределения вектора первичной намагниченности, перераспределенного в результате последующих тектонических движений. Палеомагнитный метод можно использовать для изучения процессов формирования складок, горизонтальных деформаций, особенно разрывных смещений, и процессов дробления.
Электроразведка на постоянном и переменном токе

Традиционными методами решения задач, возникающих при изучении тектонических структур и РТС, являются электропрофилирование (ЭП) и вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) на постоянном или переменном токе.
При разработке проектной документации в масштабах 1:10 000— 1:25 000 (и 1:25 000— 1:50 000 для линейных сооружений) электроразведку используют для решения следующих задач: выделения в разрезе различных литолого-стратиграфических комплексов и гидродинамических зон и определения элементов залегания их границ; выявления и картирования складчатых и разрывных структур; выявления и картирования ослабленных суффозионно-карстовых зон в осадочном чехле, часто развивающихся по трещинным зонам в метаморфических и изверженных породах,
На стадии составления проектной документации (рабочего проектирования) в масштабах 1:2 000 — 1:5 000 (и 1:5 000 — 1:10 000 для линейных сооружений) электроразведка применяется для уточнения тектонического строения и инженерно-геологических условий стройплощадок. На этой стадии основными задачами являются: детальное литолого-стратиграфичеокое расчленение верхней части разреза (до глубин 100-200 м); картирование локальных геоэлектрических неоднородностей в верхней части разреза, особенно, вблизи тектонических нарушений и ослабленных зон, обнаруженных на стадии предпроектной документации.
Традиционные методы электроразведки на постоянном и переменном токе рекомендуется применять, когда мощность чехла рыхлых отложений и коры выветривания меняются в незначительных пределах, а в кристаллических или карбонатных породах преобладает одна система разрывных нарушений или трещиноватых (закарстованных) зон. Диапазон изучаемых глубин зависит от применяемого электроразведочного метода: первые метры, десятки метров — ЭП и ВЭЗ на постоянном токе; первые километры — ВЭЗ на постоянном токе и частотные электромагнитные зондирования; десятки километров — магнитно-теллурическое зондирование.
Электропрофилирование выполняют симметричными, трехэлектродными и дипольными установками, отличающимися друг от друга производительностью, разрешающей способностью и глубинностью исследований. Область их применения ограничивается исследованием геоэлектрических массивов простого строения с хорошей дифференциацией пород по УЭС.
Область успешного применения различных модификаций ВЭЗ зависит от сложности строения осадочной толщи и кристаллического, фундамента. ВЭЗ КС и ВЭЗ МДС симметричными и двусторонними трехэлектродными установками целесообразно ставить при небольшой мощности осадочного чехла (20-500 м). Дипольное экваториальное зондирование (ДЭЗ) на постоянном и переменном токе экономически эффективно при изучении районов с мощным осадочным чехлом (более 500 м). Данные магнитотеллурического зондирования используют для изучения кристаллического фундамента при глубинах более 10 км.
При сложном строении осадочной толщи ВЭЗ выполняют двусторонними трехэлектродными и дипольными экваториальными установками по методу двух составляющих (ВЭЗ, ДЭЗ, МДС).
Полевые наблюдения на стадии предпроектных исследований наиболее рентабельно проводить в виде отдельных маршрутов, пересекающих стройплощадки в различных направлениях.
При неглубоком залегании пород кристаллического фундамента выполняют ЭП двусторонними трехэлектродными или дипольными установками по профилям, ориентированным вкрест простирания разрывных нарушении и основной системы трещиноватости пород. Размеры питающих и приемных линий установок ЭП выбирают так, чтобы влияние мощности рыхлых отложений было максимально ослаблено. Шаг измерений не должен превышать длины приемных линий. ЭП МДС производят по сети прямолинейных разно ориентированных профилей.
При глубоком залегании кристаллического фундамента основным видом исследований становятся ВЭЗ и ВЭЗ МДС. Пункты ВЭЗ располагают на профилях через 100-200 м при масштабе съемки 1:10 000 и 250-500 м при масштабе 1:25 000—1:50 000. При мощности осадочного чехла до 500 м применяют ВЭЗ КС или ВЭЗ МДС симметричными или трехэлектродными установками. При большей мощности осадочного чехла применяют комбинацию из ВЭЗ или ВЭЗ МДС и ВЭЗ (ДЭЗ) ОДС.
На стадии составления рабочей документации обычно проводят площадную съемку масштаба 1:2 000 или съемку трасс линейного строительства масштаба 1:5 000. Работы ведут методами ЭП МДС и ВЭЗ МДС.
Интерпретация кривых ЭП МДС и ВЭЗ МДС производится с помощью номограмм. По данным ЭП МДС определяют местоположение и глубину залегания верхней и нижней кромки возмущающих объектов, простирание и угол падения боковых границ и составляют геоэлектрические разрезы и корреляционные схемы расположения крутопадающих контактов в плане. По данным интерпретации каждого отдельно взятого ВЭЗ МДС составляют частные геоэлектрические разрезы по направлению разносов питающих электродов и планы простирания наклонных и крутопадающих геоэлектрических границ. На основании частных геоэлектрических разрезов и планов составляют обобщенные геоэлектрические разрезы по каждому маршруту или профилю в отдельности. Комплекс карг, отражающих изменения поверхности опорных геоэлектрических горизонтов, их мощности и состава, строят на основании взаимоувязанных обобщенных геоэлектрических разрезов. Дополнительно на картах особыми знаками показывают местоположение боковых границ разрывных и крупных трещиноватых зон.
Электромагнитный метод структурно-геодинамического картирования

Предпосылкой применения электромагнитного метода структурно-геодинамического картирования служит анизотропия верхнего слоя покровных отложений, являющаяся следствием напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Основным источником информации являются розы ориентировок анизотропии соседних точек на профиле. Существующая методика позволяет регистрировать ориентировку горизонтальной составляющей электромагнитного поля, отражающую анизотропию структурных свойств геодинамической природы в различных средах: в почвенном слое, покровных отложениях, в асфальте, бетоне и пр.
Эманационно-газовые исследования

Эманационно-газовые исследования включают гелиометрические, торон-радоновые и более сложные комплексные газометрические исследования.
Гелиометрическая съемка
В тектонически активных зонах наблюдается корреляция между содержанием гелия в подземных водах и тектонической активностью территории. Предполагается, что по данным гелиометрической съемки можно обнаруживать короткоживущие подкоровые локальные возмущения (КПЛВ), последствиями которых являются периоды аномальных возмущений гидродинамики и сейсмической активизации. В зависимости от сложности геологического строения и ландшафтно-геохимических условий, а также масштабов съемок определяется число пунктов, подлежащих опробованию на 1 км2. Для гелиеметрических наблюдений пригодны все виды водопунктов, за исключением тех, в которых вода длительное время находится в контакте с атмосферным воздухом. Районирование территории и анализ материалов проводится по трем главным параметрам: местному фону, дифференцированности концентраций в повышенном поле и наличию площадных аномалий. Контрастность поля гелия свидетельствует о вертикальной проницаемости пород, которая часто является производной от тектоники.
Структурно-геодинамические исследования
Под структурно-геодинамическим картированием (СГДК) понимается система геолого-геофизических методов для изучения неогеодинамических процессов с учетом напряженно-деформированного состояния покровных отложений путем изучения их эманирования, газопроницаемости и анизотропии электромагнитных свойств. Наиболее распространенная методика СГДК включает радон-тороновую съемку, совмещенную с газовой съемкой (СН4 + СО2).
Методы СГДК позволяют расчленять изучаемую территорию на отдельные блоки, выявлять и трассировать проницаемые трещинные зоны (в случае, если проницаемость обусловлена активизацией тектонических смещений), выявлять активные инженерногеологические процессы (оползни, карст, подвижки над старыми горными выработками) и геодинамические процессы, связанные с техногенными причинами. В зависимости от целей исследований, СГДК проводится в масштабах от 1:25 000 до 1:1 000.
Предложены методики преобразования полученных данных в волновые поля, анализ которых используется для построения глубинных геодинамических разрезов с выделением зон растяжения, сжатия, сдвига-сжатия и т.д. Предполагается, что эти зоны (геодинамические зоны) отвечают разрывным и трещинным зонам, а также участкам аномальных тектонических напряжений.
Эманационный (торон-радоновый) метод СГДК (СГДК-Э) устанавливает связь между эманированием покровных отложений и геодинамическими процессами. Эманация — это радиоактивные газы радон (222 86Rn), торон (220 86Tn) и актион (219 86An). Радон имеет период полураспада 6,825 суток, торон — 54,5 суток, актион — 3,92 суток.
Эманационный метод СГДК заключается в измерении в пробах почвенного воздуха содержания эманаций радиоактивных газов. Сеть наблюдений зависит от масштаба исследований. Однако расстояние между точками наблюдений по профилю, как правило, составляет 5 м или 10 м. Шпуры глубиной 0,5-0,6 м проходят вручную или механическим способом. Диаметр шпура 30-35 мм, что позволяет установить конусообразный газоотборник и надежно загерметизировать его устье. При производстве исследований проводится постоянный контроль за герметичностью воздухозаборной системы во всех ее звеньях.
Поскольку эманационные аномалии в почвенном воздухе могут быть не только геодинамической природы, но и геохимической, связанные с механическими, газовыми и солевыми ореолами или неравномерностью содержания радиоактивных элементов в почве, необходимо выполнять определенный объем радиометрических исследований, позволяющих определить абсолютную концентрацию радия и тория.
Эманационная съемка может носить характер одноразовой или многократной в течение различного времени (от месяцев до нескольких лет), особенно в районе со сложным и изменяющимся геодинамическим режимом.
При обработке материалов эманационной съемки анализируется до десяти параметров: концентрации эманаций раздельно радона и торона, их соотношения, а также статистические параметры — тренд, дисперсия и т.д. Выделение аномалий производится визуально или с помощью ЭВМ. Разработаны процедуры составления набора карт вручную или с помощью ЭВМ: карты изосодержаний, изозначений, корреляционные.
Газометрический метод СГДК предусматривает газометрическую съемку по результатам которой, содержание газов (СН3+СО2) представляется в виде графиков распределения сглаженных значений по профилю и анализируется совместно с результатами эманационной съемки.
Геодинамическая интерпретация геофизических аномалий проводится в соответствии с особенностями тектонофизической обстановки в каждом конкретном районе, особенностями распределения в пространстве полей напряжений и деформаций над активными структурами. Аномальные области в эманационных, газовых и других геофизических полях связаны с различными геодинамическими зонами. Поэтому при наложении карт аномалий различных параметров требуется увязка и согласование аномальных областей геофизических полей между собой. При параллельном отклонении или незначительной вариации одной из осей аномалий для решения вопроса о местонахождении разрыва предпочтение отдается радон-тороновому соотношению и метануглекислым газам. При наиболее сложном случае “перемешивания” аномалий и их осей, что происходит в сильно нарушенных районах с различно ориентированными разрывами и со сложным геодинамическим режимом, для решения вопроса о местоположении разрыва и его особенностях строятся геодинамограммы для профилей и анализируются серии карт: карты дисперсии осей, карты средних значений полей и т.д. Категорически исключается в случае сложных режимов и строения принимать решения о местоположении разрыва и его типа по данным одноразовой съемки; в этом случае выполняются дополнительные режимные наблюдения. Каждый раз составляется своя для данного района или площадки классификация аномалий. Классификационные ранги идут по убывающей. Порядки рангов в классификационной таблице должны быть согласованы с геологическими критериями. Конечным результатом СГДК является карта расположения геодинамических блоков и зон с описанием тектонической природы каждой из выделенных структур.
Каротажные методы

Каротажные методы используются для уточнения положения в разрезе скважин литологических границ, в том числе разрывных зон и зон различной трещиноватости пород (электрический каротаж — методы сопротивлений, потенциалов самопроизвольной поляризации, акустический, ядерно-физические методы — гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж, нейтрон-нейтронный каротаж; резистивиметрия, кавернометрия, расходометрия, а также другие виды каротажа — индукционный, диэлектрический, магнитный, телефотометрический). Глубина исследований каротажными станциями достигает 500-700 м.
Методики каротажных наблюдений при инженерных изысканиях для строительства регламентируются соответствующими рекомендациями и инструкциями.
Гравиразведка

При изучении тектонического строения площадок на разных стадиях изысканий гравиразведка применяется сравнительно редко. Иногда гравиразведка оказывается полезной при проверке результатов глубинных сейсморазведочных исследований с целью подтверждения выделенных крупных структур. На завершающих этапах изысканий гравиразведка не используется. В настоящее время разрабатывается и внедряется метод микро-гравиразведки, в котором используется явление изменения поля силы тяжести во времени при активных тектонических криповых движениях. Данный метод требует проведения высокоточных измерений с повторением в одних и тех же пунктах.
Режимные наблюдения

Режимные геофизические наблюдения в целом делятся на две основные группы:
а) режимные геофизические наблюдения различными методами за изменениями во времени геофизических полей и свойств пород, в том числе и связанных с активизацией зон разрывных нарушений;
б) режимные измерения тектонических движений (особенно разрывных смещений) на участках строительства.
Режимные наблюдения за геофизическими полями
В комплекс режимных геофизических наблюдений включаются сейсморазведочные, акустические, электрометрические, газово-эманационные и радиоизотопные методы.
Режимные сейсморазведочные наблюдения проводятся способом просвечивания массива пород между горными выработками или между горной выработкой и поверхностью. В результате проведения таких наблюдений на постоянных базах в одних и тех же участках массива пород с заданной периодичностью определяются скорости распространения продольных и поперечных волн. Все изменения в значениях скоростей распространения упругих волн, превышающие ошибки измерения, могут относиться за счет изменения свойств пород во времени при увеличении в них трещиноватости и изменении физических характеристик. В случае ожидаемых тектонических подвижек и изменения тектонических напряжений контроль за состоянием массива горных пород проводится путем режимных наблюдений акустической эмиссии. Источником акустической эмиссии часто служит трещинообразование. По увеличению сейсмоакустической эмиссии можно судить об активизации процесса трещинообразования в массиве горных пород.
Режимные электрометрические наблюдения на постоянном и переменном токе проводятся как с поверхности, так и в скважинах различными методами, в том числе методами электрического каротажа. Электрические параметры чутко реагируют на изменение во времени физических и механических свойств пород, их анизотропию, что может быть связано с геодинамическими процессами.
Режимные наблюдения эманаций радиоактивных газов в почвенном воздухе проводятся с помощью цифровых приборов, способных дискретно записывать интенсивность эманаций во времени и получать на выходе информацию в любом заданном режиме (дискретно во времени, суммарную интенсивность за заданный период и т.д.).
Контроль во времени плотности и влажности пород проводится с помощью периодических режимных радиоизотопных наблюдений в специально оборудованных скважинах.
Организация мониторинга за контролем геодинамического состояния массивов горных пород на строительных площадках должна осуществляться с помощью рационального выбора комплекса режимных геофизических наблюдений применительно конкретным особенностям их геологического строения.
Режимные измерения тектонических движений на участках строительства
Изучение движений земной поверхности с помощью специальной наклономерно-деформографической аппаратуры проводят на площадках строительства сооружений, особенно прецизионных. Наклономерно-деформографические наблюдения обладают высокой чувствительностью и позволяют вести регистрацию движений непрерывно во времени. Главным объектом изучения являются разрывные зоны активных разрывов. База приборов должна быть соизмерима с шириной подзон сместителя. Приборы устанавливают так, чтобы регистрировать относительные смещения крыльев разрыва (включая краевые подзоны аномальной трещиноватости или подзоны тектонических клиньев). Деформо графы работают по принципу сравнения отрезка породы с заданным эталоном длины. Длина эталона (база прибора) равна 5-50 м. Эталоном длины служит жесткая штанга в штанговом деформографе и инварная проволока в проволочном деформографе.
Гидростатические наклономеры представляют собой приборы гидростатического нивелирования. Измерительные сосуды с жидкостью устанавливаются в точках, отстоящих на некотором расстоянии друг от друга и соединенных шлангом. При относительном смещении точек уровни жидкости в каждом из сосудов изменяются. Относительное смещение точек определяется по разности изменений отсчетов в сосудах. Используются также маятниковые наклономеры.
Режимные наклономерно-деформографические наблюдения позволяют регистрировать даже медленные движения (вплоть до смещений 0,01 мм в год), следить за изменениями характера движения во времени, за обратимыми смещениями, связанными с изменениями метеорологических и гидрогеологических условий, за изменяющейся скоростью движения, выделить с определенной степенью вероятности необратимую тектоническую компоненту смещения.
Смещение земной поверхности является суммой смещений, вызванных различными источниками — тектоническими, экзогенными, техногенными. Для выделения тектонической составляющей движения следует исключить сезонные и суточные смещения, лунно-солнечные приливные смещения, а также смещения, вызванные атмосферными, техногенными и другими явлениями. Экзогенные движения в упругих прочных породах обратимы, носят локальный характер и происходят с периодами от нескольких суток в сезоны паводка и ливневых осадков до года для сезонных процессов. Экзогенные процессы в пластичных рыхлых средах вызывают необратимые нарастающие во времени смещения. В тектонически активных районах обычно регистрируются смещения, не меняющие знака в течение нескольких десятилетий. Для стабильных платформенных областей более типичны знакопеременные движения с интервалом 3-10 лет. Как правило, в разрывных зонах амплитуды смещений, имеющих суточную, сезонную, барическую или лунно-солнечную приливную природу, больше, чем в окружающей среде.
Режимные измерения с точностью определения скоростей движения 0,01 мм в год на базе 10 м выполняют на станциях 1-го класса. Станции 1-го класса размещают в штольнях или туннелях с боковыми отсеками длиной не менее 50 м, на расстоянии более 10 м от дневной поверхности. Режимные измерения с точностью определения скоростей движения порядка 0,10 мм в год выполняют на станциях 2-го класса. Станции 2-го класса размещают в заброшенных подземных выработках, в подвалах глубиной 4-5 м, или строят станции траншейного типа, в которых подземный туннель образован трубой длиной не менее 10 м, уложенной на дно траншеи на глубину 4-5 м. Вход в подземное помещение станции должен быть теплоизолирован. Рекомендации по установке аппаратуры опубликованы.
Минимальный срок режимных наблюдений за тектоническими движениями составляет 2-3 года, на особо ответственных объектах (АЭС, ГЭС и др.) измерения продолжаются в период строительства и эксплуатации сооружения.
Приемы первичной и окончательной обработки временных рядов наблюдаемых величин смещений также опубликованы. Данные наблюдений над смещениями земной поверхности рассматривают совместно с метеорологическими и гидрогеологическими данными, а также данными о промышленных воздействиях. В тектонически активных районах трендовую составляющую смещений на интервалах времени больших года, как правило, можно считать тектонической, если исключено действие длительных источников экзогенной природы.
Режимные измерения дают информацию о тектонических процессах за относительно короткие по сравнению с геологическим временем циклы наблюдений. Скорость движения, определенная по данным наблюдений, как правило, больше средней скорости тектонических движений, определяемой геолого-геоморфологическими методами. При экстраполяции данных режимных измерений на длительные интервалы времени (сотни лет) прогноз часто дает завышенные оценки смещений.

title-icon Подобные новости