Методы инженерно-геологических исследований

Среди многочисленных методов инженерно-геологических исследований, используемых прикладной геофизикой, в инженерной геологии пока наиболее распространены методы электрической разведки.

Эти методы основаны на различиях пород по электрическим свойствам, и в первую очередь, на различиях по сопротивлениям. Если измерить ток I между питающими электродами А и В( рис-1) и разность потенциалов ΔV между приемными электродами М и N, то сопротивление геоэлектрического разреза Sможет быть подсчитано по формуле:

S=KΔV/I;

где К-коэффициент установки, учитывающий расстояния между электродами ( рис-2).

К=2π/(I/r1 +I/r2+I/r3+I/r4);

Введение этого коэффициента обусловлено тем, что при изменении расстояния между электродами меняются сила тока и разность потенциалов.Так как разрез представлен обычно несколькими разностями пород, обладающими различными геоэлектрическими свойствами , то получаемые при измерениях величины I и ΔV будут отражать свойства всех этих разностей .Вследствие этого и удельное сопротивление, вычисленное по по формуле S=KΔV/I, будет отражать свойства всего разреза.

Рисунок-1. Схема установки для электроразведки и обозначения расстояний между электродами

Схема установки для электроразведки и обозначения расстояний между электродами

Эта величина называется кажущимся удельным сопротивлением Sk.
Для измерения силы тока и разности потенциалов применяют полевой потенциометр, в качестве электродов -стальные или медные шпильки длиной 0,5-0,6 м.Электроды соединены с прибором и источником питания специальным геофизическим кабелем с малым омическим сопротивлением. Установка питается от батареи сухих элементов.

Различают следующие модификации метода сопротивлений : вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), электропрофилирование и электрический каротаж скважин. ВЭЗ применяется для изучения разреза пород в какой -либо точке по изменению величины кажущегося удельного сопротивления с глубиной.

Эта модификация метода сопротивлений основана на том, что с увеличением расстояния между питающими электродами (разносов) поле токовых линий смещается вниз по разрезу пород, захватывая все более глубоко лежащие слои. Поэтому при последовательном увеличении разносов питающих электродов измеряемые параметры ΔV и I, а следовательно и Sk относятся ко все большим глубинам ( рис-2). В одной точке приводится обычно 12-15 замеров ( при разных разносов);

Обычно считается , что глубина разведки равна 1/3 величины разноса. По результатам вертикального электрического зондирования строят график, на котором в логарифмическом масштабе по оси абсцисс откладывают половину расстояния между питающими электродами, а по оси ординат -отвечающую ей величину Sk. Интерпретация графиков Sk проводится путем наложения на полученный график палеток с теоретическими кривыми, вычисленными для разных геологических разрезов.

В отличие от ВЭЗ электрическое профилирование заключается в том, что установка ( потенциометр, источник питания, электроды) передвигается по какому либо профилю, а расстояние между электродами и следовательно, глубина исследования остаются постоянными. Разнос АВ выбирается с таким расчетом, чтобы осветить геологический разрез на нужную глубину и в то же время получить достаточно достоверные данные об измерении. Метод электропрофилирования дает возможность определить положение древних речных долин, погребенных карстовых воронок и т.п.

По полученным значениям Sk составляют профили сопротивлений или карты равных сопротивлений на основании которых делают выводы о геологическом строении изучаемой территории. При составлении профилей над точками замеров, расположенными по оси абсцисс, откладывают измеренные в этих точках значения Sk.

Карты равных сопротивлений составляют на крупномасштабной топографической основе ( масштаб 1: 1000-1: 5000). На основу наносят точки измерения и рядом с ними проставляют соответствующие значения Sk.Чаще всего точки измерения расположены на профилях. Интерполируя значения Sk, получают линии равных сопротивлений, по которым могут быть оконтурены участки древних размывов в долинах рек,зоны размывов и т.п.

Рисунок-2. Увеличение глубины исследований при изменении расстояний между питающими электродами

Увеличение глубины исследований при изменении расстояний между питающими электродами

Электроразведка находит применение и при бурении скважин.Известно несколько разновидностей электрического каротажа скважин.Среди них наиболее распространен способ стандартного каротажа (КС). Принципиально установка для каротажа по способу КС не отличается от установки, используемой для ВЭЗ или электропрофилирования.
Питающие и приемные электроды смонтированы на каротажном зонде, который опускается в скважину с буровым раствором.Схема установки КС приведена на рис-3.

Рисунок-3. Схема установки для каротажа скважин методом КС

Схема установки для каротажа скважин методом КС

Для определения положения трещиноватых зон в водоносных породах и зон повышенной фильтрации нередко используют метод естественных земных токов или метод спонтанной поляризации (СП), основанный на том, что при движении подземных вод по порам или трещинам возникают электродвижущие силы.Величина этих сил зависит от скорости фильтрации, состава водовмещающих пород и от минерализации подземных вод. Разность потенциалов измеряют потенциометром , а для заземления используют специальные неполяризующиеся электроды.

Электроразведка

Методы электроразведки позволяют решать ряд задач инженерно-геологических исследований.Основные из них заключаются в :
а) установлении разреза песчано-глинистых пород ( в основном ВЭЗ);
б) установлении положения кровли стальных пород , залегающих под рыхлыми отложениями(ВЭЗ-в точке, профилирование -по какому-либо направлению);
в)определении мощности выветрелой зоны скальных пород (ВЭЗ);
г) установлении мощности деятельного слоя в области развития многолетнемерзлых пород(ВЭЗ);
д)определении положения древних речных долин, переугулблений, полостей и воронок в закарстованных породах, заполненных рыхлымиотложениями (электропрофилирование и отчасти ПС);
е) установлении положения трещиноватых зон, зон тектонических разломов и обводненных зон в трещиноватых массивах (электропрофилирование, ПС).

В практике инженерно-геологических изысканий используется сейсморазведочный метод.Он основан на различиях в скорости продольных и поперечных волн в разных породах.

Метод позволяет решать следующие инженерно-геологические задачи:

а) устанавливать мощность рыхлых отложений, залегающих на скальных породах;
б)определять положение уровня грунтовых вод ;
г) выявлять наличие крупных карстовых полостей, зон трещиноватости и зон тектонического дробления, устанавливать степень сохранности дочетвертичных пород, скрытых под чехлом рыхлых четвертичных отложений;
д) расчленять верхнюю часть разреза пород на слои, различающиеся сейсмическими характеристиками;
е) устанавливать мощность слоя талых пород, залегающих над мерзлыми, и определять упругие характеристики горных пород.

Для получения сейсмограмм при инженерно-геологических изысканиях применяют одноканальную установку типа ОСУ-1 и ОСУ-2М, состоящую из сейсмоприемника, собственно сейсмостанции и источника питания. Упругие колебания пород возбуждают ударами. По сейсморазведочным данным определяют скорости продольных и поперечных волн, используя которые, возможно по формулам теории упругости подсчитать динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона.

В настоящее время при инженерно-геологических изысканиях используют методы ядерной физики и в частности, методы поглощения γ-излучения и нейтронный, а также различные методы радиоактивного каротажа скважин.

Метод поглощения γ-излучения основан на изменении его интенсивности при его прохождении через породы различной плотности. Это дает возможность использовать метод метод поглощения γ-частиц для определения объемной массы пород, причем он позволяет определять объемную массу с точностью до 1,5 -2,0 %( при энергии γ-излучения 0,5-1,5 Мэв).

Для определения объемной массы применяются плотномеры разных конструкций, из которых наиболее распространены плотномеры типа вилка и щуп, разработанные ВСЕГИНГЕО( смотри рисунок-4)

Рисунок-4. Гамма-плотномеры ВСЕГИНГЕО:

Гамма-плотномеры ВСЕГИНГЕО

а-типа вилка; б-типа щуп; 1-источник излучений; 2-корпус; 3-счетная трубка;

Вилка состоит из двух металлических трубок, в одной из которых помещен источник γ-излучения ( кобальт-60 активностью 0,5 мг-экв радия), а другой счетчик СТС-1 или СТС-5. Трубки закреплены на металлическом цилиндре в котором смонтирована регистрирующая схема с источником питания и стрелочным индикатором.

Схема представляет собой интенсиметр γ-излучения, позволяющий регистрировать среднюю величину тока, вызываемого в счетной трубке потоком γ-квантов. Логарифм интенсивности излучения пропорционален измеряемой плотности породы породы. Объемную массу определяют по тарированной шкале стрелочного индикатора прибора при задавливании вилки в грунт.

В γ- плотномере типа щуп источник излучения помещен в наконечник штыря, погружаемого в породу, а счетчики в трубку, приваренную к основанию корпуса прибора. Щуп может вдавливаться в песчано-глинистые отложения на глубину до 25 см, им измеряется усредненная объемная масса большего, чем при работе с вилкой, объема породы.

Нейтронный метод основан на зависимости между потоком рассеянного нейтронного излучения и содержанием водорода в воде, заполняющий поры грунта. В качестве источника нейтронного излучения используют полониево-бериллиевые или радиево-бериллиевые препараты, испускающие быстрые нейтроны.
На атомах водорода воды быстрые нейтроны рассеиваются и замедляются до тепловых нейтронов вследствие большего эффективного сечения рассеяния. Остальные элементы ( исключая хлор, кадмий, бор и другие) обладают малым эффективным сечением рассеяния. Поэтому количество тепловых нейтронов определяется в основном влажностью породы ( содержанием атомов водорода).

Приборы для определения влажности нейтронным методом состоят из источника быстрых нейтронов и борного счетчика, разделенных экраном для защиты от γ-излучения источника. Рассеянного нейтронное излучение фиксируется полевым радиометром. Влажность определяется с точностью до 1,0 -1,5 % по тарировочному графику.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.