Характеристика мерзлотно-геоэлектрических разрезов
Электромагнитные свойства многолетнемерзлых горных пород и льдов являются сложной функцией температуры, литологического состава, структуры, текстуры, влажности, минерализации подземных вод и других факторов и характеризуются следующими особенностями:
— УЭС разных пород при замерзании сначала возрастает скачком в 2—10 000 раз, а затем по мере роста отрицательных температур — плавно; УЭС (ρ) льдов из пресных вод очень высокое (0,1—100 Мом*м), а из минерализованных вод ниже (0,1—10 кОм*м);
— электрохимическая активность (α) мерзлых и талых пород может быть значительно различной за счет наличия и движения надмерзлотных и межмерзлотных вод;
— вызванная поляризация (η) мерзлых пород в целом выше, чем талых, достигает 10% — у льда и 15% —у грубодисперсных пород;
— относительная диэлектрическая проницаемость (εотн) льда примерно равна 3, у мерзлых, как и у сухих талых скальных пород, она не превышает 6—7, а у сильно обводненных талых пород достигает 40;
Мерзлотно-геоэлектрические разрезы отличаются следующим:
— непостоянством электрических свойств в плане и по глубине
— резким (на несколько порядков) увеличением УЭС г.п. в сло е годовыхколебаний температур мощностью 0,3—3 м в течение длинного зимнего периода
— увеличением УЭС в зоне годовых теплообменов мощностью 10—30 м, которое может быть либо резким, скачкообразным, особенно в верхней части
этой зоны, либо градиентным чаще всего в нижней ее части;
— градиентным убыванием УЭС рыхлых отложений от горизонта очень высоких сопротивлений до сравнительно низкоомных талых пород;
— присутствием в мерзлых рыхлых отложениях отдельных горизонтов разного сопротивления за счет изменения литологии, гранулометрического состава, появления межпластовых льдов, изменения минерализации подземных вод; наличием под многолетнемерзлыми породами низкоомных опорных электрических горизонтов.
Геоэлектрические разрезы в условиях многолетнемерзлых пород отличаются большой сложностью, поэтому мерзлотные исследования относятся к мало благоприятным как для методов электроразведки,так и других геофизических методов.
В комплексе с терморазведкой, с/р, г/р электроразведке принадлежит ведущая роль при решении следующих задач мерзлотных исследований:
1.Электроразведка при мерзлотной съемке и картировании в плане мерзлых и талых пород
Для выявления в плане литологических контактов и тектонических нарушений границ распространения мерзлых и талых пород, в том числе разделения мерзлых пород по геокриологическим условиям (льдистости, мощности сезонного протаивания, наличию таликов), применяют различные методы профилирования на постоянном и переменном токе, в меньшей степени используют зондирование и магниторазведку.
Из методов профилирования на постоянном токе (ЭП) чаще применяются СЭП с двумя-тремя разносами питающих линий, трехэлектродное и дипольное профилирование двусторонними установками и некоторые другие. Существенное достоинство ЭП, и в особенности СЭП, — возможность оптимального подбора разносов по кривым ВЭЗ и прямая сопоставимость данных электропрофилирования и ВЭЗ, что важно для однозначной интерпретации кривых ρк.
Из методов профилирования на переменном токе в практике мерзлотных исследований применяют дипольное электромагнитное профилирование (ДЭМП), высокочастотное электрическое профилирование (ВЧЭП), и аналог его — непрерывное электропрофилирование (НЭП), бесконтактное измерение электрического поля (БИЭП). Эти виды профилирования позволяют проводить бесконтактные измерения, что крайне важно при работах в зимнее время, при измерениях с поверхности льда, снега, курумов и др. Они менее трудоемки и в 2—5 раз производительнее методов ЭП, хотя глубинность меньше, особенно на высоких частотах (порядка 10—20 м).
Профилирование по методу ВП применяют для детального картирования границ мерзлых пород разного литологического состава и выявления подземных льдов. ЕП используют для получения дополнительной информации о зонах питания, транзита и разгрузки подземных вод области мерзлых пород.
Система и сеть наблюдений при профилировании зависят от масштаба, целевой направленности, решаемых задач, стадии проведения мерзлотно-инженерно-геологических исследований, особенностей геолого-мерзлотной обстановки и др. Расстояния между профилями могут варьировать в широких пределах в зависимости от степени пестроты и сложности геолого-мерзлотных условий. Шаг наблюдений по профилям может меняться, увеличиваясь в пределах однородных поверхностей до десятков метров и уменьшаясь в приконтактных зонах и при выявлении локальных объектов (жильных льдов, каменных полос и др.) до 1— 2 м. В целом при крупномасштабных и детальных исследованиях выполняют непрерывные профилирования с шагом наблюдений, равным или меньшим длины приемной линии.
2.Расчленение мерзлых и талых горных пород по глубине, изучение условий залегания, строения и мощности мерзлых пород
Одним из ведущих методов мерзлотной геофизики остается метод ВЭЗ, применяемый для расчленения разреза, определения кровли и подошвы мерзлых пород и таликов межмерзлотных и подмерзлотных вод. Горизонтальная неоднородность разреза является одной из основных причин серьезных ошибок при расчленении геоэлектрического разреза по вертикали. Это приводит к ошибочному выделению мерзлых пород в таликах, межмерзлотных таликов в толще мерзлых пород и др. Фактор горизонтальной неоднородности необходимо учитывать уже на стадии постановки ВЭЗ.
Выбор вида зондирования (одиночное, крестовое, круговое, кустовое), типы установок, местонахождения центров ВЭЗ и направления разносов должны максимально способствовать исключению боковых влияний или облегчению их учета в дальнейшем при интерпретации. Сеть должна разбиваться с обязательным учетом микрорайонирования и результатов предшествующих геофизических исследований. Расстояния между точками ВЭЗ могут варьировать в широких пределах в зависимости не только от масштаба исследований, но и от степени сложности и пестроты геолого-мерзлотных условий.
Типы кривых ВЭЗ для мерзлых пород подобны двухслойным (ρ1>ρ2), трехслойным типа К и А, четырехслойным типа АК и КQ и некоторым другим. В общем случае в разрезе многолетнемерзлых пород выделяются несколько геоэлектрических горизонтов.
Основные недостатки метода ВЭЗ — 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 более информативны. Однако сезонный характер электроразведочных работ и трудность осуществления измерений в зимних условиях не позволяют широко использовать эти преимущества.
Более детальное расчленение рыхлых отложений и сведения о льдистости, криогенных текстурах, межмерзлотных и подмерзлотных водах получают по данным ВЭЗ и ВЭЗ-ВП в связи с измерением не только сопротивлений, но и поляризуемостей разреза.
ЧЗ и ЗСБ обладают определенными преимуществами по сравнению с ВЭЗ на постоянном токе: индуктивные способы возбуждения и измерения поля; 2) изучение разреза только на одно-двух разносах; 3) возможность исследования разреза под изолятором, которым практически являются мерзлые породы.
Перспективным методом электромагнитных зондирований для детального изучения мерзлых толщ является метод импульсного радиолокационного зондирования (РЛЗ). Применяется при отсутствии данных о диэлектрических свойствах пород для определения скорости распространения электромагнитных волн в изучаемых толщах. Глубинность исследований в благоприятных условиях на слабо поглощающих породах (лед, мерзлые пески и др.) достигает 30—150 м, хотя при изучении сильно поглощающих сред (мерзлых глин, талых пород) глубинность уменьшается до нескольких метров. Точность определения границ высокая (5—20%).
Основные задачи, решаемые г/ф методами при изучении оползней:
1) определение мощности оползающей массы; 2) расчленение тела оползня на отдельные слои, участки, различающиеся по литологии, степени разрушенности и увлажненности; 3) оценка гидрогеологических условий в теле оползня и за его пределами, изучение динамики грунтовых вод и фильтрационных св-в пород; 4) выявление движения оползня и отдельных его частей.
Основными геоэлектрическими методами явл ВЭЗ, КВЗ, ЭП, ПС, а в скважинах – КС,ПС, резистивиметрия и МТЗ. Кроме того применяется малоглубтинная с/р МПВ, сейсмоакустические и ядерные исследования в скважинах.
При проведении работ необходима густая сеть наблюдений, повышенная точность и тщательность исследований, что обуславливается сложным строением оползней, резкой геоэлектрической неоднородностью разреза по площади и глубине, небольшой мощность оползневого массива (до 20-40 м), неровностями рельефа, вносящими искажения в результаты полевых наблюдений.
Точки ВЭЗ на теле оползня и окружающем массиве ставятся по сетке 10-20x20-50 м. ЭП (обычно установкой АВ неподвижно) и съемка естественных токов проводятся вдоль профилей ВЭЗ с шагом 5-10 м.
Наилучшие результаты при определении пов-сти оползневого ложа э/р дает на оползнях выдавливания, срезания и скольжения. На таких оползнях обычно наблюдается четкая поверхность скольжения, расположенная в глинистых породах. Тело оползня сложено как теми же глинистыми, так и другими породами. В этих случаях оползневые накопления отличаются разрыхленностью, трещиноватостью и увлажненностью. При переходе через зеркало скольжения (сверху вниз) наблюдается скачок (уменьшение) УЭС. Это приводит к появлению кривых ВЭЗ типа К и Q.
Оползни течения, оплывины образуются из сильно переувлажненного глинистого материала, смещающегося по более плотному ложу из глин, а иногда и скальных пород. В этом случае наблюдается обратный скачок сопротивлений: с минимума на максимум, что приводит к кривым типа Н и А. Однако часто, особенно при наличии вод повышенной минерализации (свыше 2 г/л), скачок сопротивлений на зеркале скольжения не наблюдается. В этом случае э/р оказывается неэффективной, а пов-сть скольжения иногда выявляется лишь с/р МПВ.
Исследование гидрогеологических особенностей оползня ведут методами ЕП и заряда, а также исп. корреляционные связи м/у сопротивлением пород и коэффициентами фильтрации. При изучении кинематики оползневого массива используются режимные ВЭЗ. Помимо этого рекомендуются постановки режимных наблюдений методом ПС, МЗТ (с размещением электродов на разных глубинах).
