Рекомендации

по комплексированию геофизических методов

при мерзлотной

Производственный н научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве

(ПНИИИС) Госстроя СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

по комплексированию

геофизических

методов

при мерзлотной съемке

Москва Стройнздат 1987

Рис. 5- Номограмма, изображающая зависимости рт и от Л и типа криогенной текстуры при/*- 500 (суглинки)    8

зуется наиболее низкими температурами из-за проникновения в глубь волны зимнего холода и соответственно наиболее высокими УЭС.

1-26. Третий геоэлектрический горизонт представлен мерзлыми породами, температура и УЭС которых меняются с глубиной в соответствии с геотермическим градиентом. Поскольку температура пород здесь всегда выше, чем в слое сезонных колебаний температуры, то и УЭС третьего слоя всегда меньше, чем у вышележащих пород. Так как УЭС пород убывает с глубиной, третий слой электрически анизотропен. Коэффициент анизотропии зависит от состава мерзлой породы и градиента температуры и в отдельных случаях может достигать    Л    *    1,5"2.

1.27.    Четвертый геоэлектрический горизонт относится к талым породам и обладает более низкими значениями УЭС по сравнению с вышележащими породами.

1.28.    Обобщенный геоэлектрический разрез однородной мерзлой толщи относится к типу HQ ^<р₃ i р_} > р_ъ > р₄ ) и выделяется соответствующими аномалиями на кривых ЭП и ВЭЗ.

1.29.    Боковая граница мерзлой толщи обнаруживается на графиках д u_f /j (р_л) и ли_п/У ЭП в виде аномалий, свойственных контактам двух сред с большим перепадом УЭС. Амлитуды этих аномалий, как правило, максимальны.

Рис. 6. Номограмма, изображающая зависимости />т и /)^ от У7в и типа криогенной текстуры при Xй ЮОО-ЗООО (тяжелые суглинки-глины]

1 -30. На кривых Р* и tU_i./aU_i двусторонних трехэлектродных и симметричных ВЭЗ НДС (см. рис. 7, ВЭЗ WU ) влияние боковой границы мерзлой толщи присутствует в виде аномалий, характерных для вертикального контакта или ступени с большой амплитудой смещения.

1 -31. Кривые р_к симметричных ВЭЗ искажены настолько, что по ним не представляется возможным определить количество и последовательность залегания гео-электрических горизонтов в разрезе, а также УЭС и мощности.

*»32. Участки с повышенной мощностью слоя сезонного протаивания выделяются на графиках ЭП МДС аномалиями, характерными для объектов с пониженным УЭС. Амплитуды аномалий на кривых AU_t/y(p_K) _и AU„/3 зависят от соотношения глубин

11

I • «и*»** двустороннего ди1ЮЛ»иого ЭП ИДС j II * схенатическмА геоэлеитрмческмА разрез -врзпой тощи; Я - простирание геоалектрмческих границ; 1У - кривые В33 ИДС; а - двусторонние трехэлсктродтем; б - сииметри.«ые ; 1 - бугристы» тор*.ник; 2 - полосы стой»; J - лесополоса; к - лесом; 5 - суглинок; 6 - граница мсралотм; 7 - »начемие УЭС пород е пределах слое; 8 - пункты ВЗЗ и направление разносов пи-тооыид электродов; 9 * кривые fi_m и ЛЦ, /Щ 8ЭЗ и йЦ/I и АЦ,Ц ЭП дле левых установок AM*» АГт,\0 - кривые А, к ли/М ВЭЗ и ЛЦ/I и

ЛЦ/1 ЭП дле правых установок MNB и МНВ'в.    *

протаивания и длин питающих линий .^рабочих расстояний^ измерительных установок и в случае небольших по размеру установок могут быть соизмеримы с амплитудами аномалий над боковой границей мерзлой толщи.

1.33» Если поперечные размеры зоны протаивания пород в 5"Ю раз превышают глубину протаивания» то ее боковые границы не влияют на характер аномалий на кривых    ийи_л/аu_t двусторонних трехэлектродных и симметричных ВЭЗ (см. рис.

7* ВЭЗ lfl|. Аномалии на кривых р_я ВЭЗ соответствуют четырех слоимому строению мерзлой толщи с р, *Рж> Р**Ръ ^>Ра •

1.3*». Если поперечник протаявшего участка соизмерим с глубиной протаивания, ли_т

на кривых />*• ^и a u_t    трехэлектродных    и симметричных ВЭЗ МДС наблюда

ются аномалии, характерные для грабенов и воронок, заполненных проводящей средой ( см. рис. 7, ВЭЗ If2 ). Типичным для них признаком служит воздымание левой Xначальной) ветви кривых р_к под углом более **5° по отношению к оси абсцисс, сопровождающееся достаточно заметным перегибом кривой р_к на разносах АВ/2 ДАО, ОВ ), на которых ослабевает влияние боковых границ при существующем соотношении УЭС пород в первом и втором геоэлектрических слоях.

1.35.    Интерпретация начальных ветвей таких кривых Р „ с помощью палеток ЦС-2-1 и последующая замена первых двух слоев одним эквивалентным слоем позволяет избавиться от необходимости выделения в разрезе эквивалентного фиктивного дополнительного слоя и повысить точность определения мощностей и УЭС существующих слоев.

1.36.    Участки с небольшой глубиной сезонного протаивания выделяются на кривых Pt и -jr- ЭП МДС аномалиями, свойственными для тел с повышенными значениями УЭС. При больших поперечных размерах таких участков кривые Р_к и

а и_т

ВЭЗ МДС соответствуют четырехслойному строению среды с границами, залегающими параллельно земной поверхности, независимо от схемы измерительной установки.

1»37. Если поперечные размеры участка с небольшой глубиной протаивания срав-

нительно невелики, то на кривых р_к и _дц₄ двусторонних трехэлектродных и симметричных ВЭЗ МДС наблодаются аномалии, характерные для горста или ступени в высокоомном основании ( см. рис. 7» ВЭЗ 1^3). Типичным их признаком является присутствие в левой ветви кривых />- элемента, свойственного для горизонтально-слоистых разрезов явного вида A (Pi ^< Рг ^< fs) или неявного вида КН(А*А»

Рг Ръ >Рь ^<Р* ) » сопровождающегося знакопеременными аномалиями на кривых йЯп. .

л U_t

1.38.    Интерпретация подобных кривых р_л с помощью палеток для горизонтально-слоистых сред приводит к выделению в разрезе одного или двух фиктивных слоев и к значительным ошибкам при определении мощностей и УЭС реально существующих геоэлектрических горизонтов.

1.39.    Применение приемов, специально разработанных для интерпретации кривых р_к или_а/ли_л ВЭЗ МДС, позволяет установить элементы залегания боковых границ горста или ступени и избежать ошибок при оценке геоэлектрических параметров мерзлой толщи.

1.40.    Изменения в составе, льдистости или температуре мерзлых пород сопровождаются образованием в них дополнительных наклонных геоэлектрических границ и как следствие к формированию дополнительных аномалий на кривых А ,&и_п/э; AU_n/AU_t ЭП и ВЭЗ МДС.

1.1*1. Изменения типа криогенной текстуры не создают границ, дополнительных к существовавшим ранее, но приводят к смещению экстремумов на кривых р_м ВЭЗ за счет изменения коэффициента анизотропии всей мерзлой толщи или отдельных ее слоев. Все это является причиной многообразия типов аномалий на кривых р_к ,

AU„/y I AU„/aU_t ЭП и ВЭЗ МДС над мерзлыми толщами различного состава и строения. Многочисленные зависимости УЭС мерзлых пород открывают широкие возможности для применения электроразведочных методов при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях в области развития ММП.

1Л2. При исследовании мерзлых толщ требуется тщательный выбор методики полевых работ, а также методов, позволяющих получить максимальное количество информации. Положение существенно упрощается, когда влияние какого-либо мерзлотно-геологического фактора преобладает. К их числу относятся следующие частные геоэлектрические модели мерзлой толщи.

13

1.^з. Геоэлектрическая модель таликов приведена на рис. 8. Боковые границы несквозных и межмерзлотных таликов фиксируются на графиках AU_t/p, " л и„/У ЭП НДС в виде аномалий контактного типа, сходных с теми, которые наблюдаются над боковыми границами мерзлой толци или сквозного талика. Указанное сходство тем больше, чем меньше действующее расстояние измерительных установок и глубже талих.

aU„

1 .М. Кривые Рк и    двусторонних трехэлектродных ВЭЗ ИДС, получен

ные над мерзлой толдей вблизи боковых границ талика X см. рис. 8, ВЭЗ М* 1 и U), имеют все признаки бокового влияния вертикального контакта или ступени и будучи проинтерпретированы соответствующим образом позволяют определить местоположение и элементы залегания горизонтальных и наклонных границ.

1.1*5. Характерной особенностью несквозных таликов является присутствие в нижней части разреза высокоомного опорного горизонта, в результате чего правые ветви кривых />* двусторонних трехэлектродных и симметричных ВЭЗ (см. рис. 8, ВЭЗ If 2/) составляют угол с осью абсцис£, близкий к 1*5 , если поперечные размеры талика достаточно велики, и более 1*5°, если глубина талика соизмерима с его шириной. Величины    в    левой    ветви кривых ВЭЗ соответствуют УЭС талых пород

ми и типичные кривые ЭП и ВЭЗ МДС над различными ее элементами:

I - кривые двустороннего дипольного ЭП МДС; II - схематический разрез мерзлой толщи: III - простирание геоэлектрических границ: 1У ~ типичные кривые ВЭЗ МДС - а - двусторонние трехэлектродные; б - симметричные; 1 - бугристый торфяник; 2 - полосы стока; 3 -река; 4 - песок; 5 - суглинок; 6 - граница мерзлоты; 7 - значение УЭС пород в пределах слоя; 8 - пункты ВЭЗ и направление разносов питающих электродов; 9 - кривые /)_к и Ли_п/л1/ ВЭЗ ли/J(p)n AU/J ЭП для левых установок AMN и AAMN : 10 — те же кривые для правых установок MHBMNB'B

14

УДК 550.83 ♦ 528.48:624.139

Рекомендованы к изданию решением секции геофизики и инженерной сейсмологии Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Рекомендации по комплексированию геофизических методов при мерзлотной съемке/ПНИИИС — м.: Стройиздат, 1987. - 88 с.

Рассмотрены физико-геокриологические предпосылки применения геофизических методов с целью изучения мерзлых пород. Определен комплекс наземных и скважинных геофизических методов при мерзлотной съемке и районировании. Указаны способы решения наиболее распространенных задач мерзлотной съемки. Описана последовательность проведения геофизических работ при мерзлотной съемке на различных стадиях проектирования.

Для геофизиков и инжеяеров-геологов, проводящих изыскания в районах распространения мерзлых пород.

Табл. 13,    ил.40

Разработаны канд. геол.-минерал, наук А.Н. Боголюбовым, инженерами Н.П. Боголюбовой н Е.Я. Мозгановой.

p    Инструкт.-нормат.,    1    выл..-    85    -    87

047(01) -87”

© Стройиздат, 1987

1. ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ МЕРЗЛОТНОЙ СЪЕМКИ И РАЙОНИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА НА ПОСТОЯННОМ И НИЗКОЧАСТОТНОМ ТОКЕ удельное электрическое сопротивление (гэс) мерзлых пород

1.1.    Мерзлые породы состоят из минеральных и органических частиц, льда, незамерзшей воды и газообразной составляющей, заполняющей свободное лоровое пространство. Присутствие в мерзлых породах льда как породообразующего минерала изменяет электрические свойства пород, присущие им в талом состоянии, а многообразное взаимодействие мезамерэтей воды с минеральным скелетом и льдом делает очень широким диапазон изменения электрических свойств пород в зависимости от их состава, структуры, типа криогенных текстур и температуры.

1.2.    Подавляющее большинство породообразующих минералов относятся к ди

электрикам и характеризуются весьма большими величинами УЭС( 10⁷-10^п и более Ом*м), которые можно принять за бесконечно большие с точки зрения практической электроразведки. Исключение представляет небольшая группа минералов и пород, обладающих электронной проводимостью. УЭС этих минералов и пород изменяется от сотых долей до первых десятков Ом'м в зависимости от их состава. Во всех случаях не обнаружено сколько-нибудь заметной зависимости УЭС породообразующих минералов от температуры в диапазоне от +20 до -20°.    _

1.3» УЭС льда из дистиллированной воды меняется от 10' до Кг Ом*м    при

понижении температуры от 0 до -50°. В более общем случае УЭС льда зависит    от

концентрации (минерализации) замерзшего электролита и температуры. Увеличение концентрации исходного электролита при заданной температуре приводит к уменьшению УЭС льда главным образом за счет образования пленки незамерэюей воды между отдельными кристаллами льда и увеличения ее толщины. УЭС льда при уменьшении концентрации солей возрастает в первом приближении пропорционально корню квадратному из величины концентрации. Представление о температурном ходе УЭС льда при различной концентрации исходного раствора можно получить на основании приближенных зависимостей ( рис. 1Д .

1.1». На основании имеющихся данных об изменении УЭС льда в зависимости от концентрации (минерализации ) исходного раствора и температуры можно ожидать, что УЭС рыхлосвязанной незамерзшей воды в основном определяется ее минерализацией в диапазоне температур от 0 до -2    -3°С.

1.5'. Электропроводность подавляющего большинства горных пород имеет ионную природу, поэтому УЭС талых пород тесно связано с их пористостью, степенью заполнения пор водой и ее минерализацией. При отрицательных температурах свободная вода переходит в лед, и прохождение тока через мерзлую породу осуществляется по пленкам мезамерзшей, главным образом^связанной воды, окружающим зерна минерального скелета и льда. В результате сечение токопроводящих путей уменьшается, а длина их увеличивается, что приводит к увеличению УЭС пород при их промерзании. Величина УЭС целиком зависит от факторов, определяющих количество и характер распределения незамерзшей воды в породе. Такими факторами являются состав, строение, пористость, льдистость, криогенная текстура и температура породы.

1.6. УЭС мерзлых скальных пород определяется незамерзией водой, облекающей ледяные вклочения и зерна продуктов выветривания по трещинам и порам. Заполнитель представлен глинистым материалом с достаточно высоким содержанием неза-

3

Рис. 1. Приближенная зависимость УЭС льда от температуры и минерализации 1 - по данным В.П. Мельникова и А.М. Снегирева; 2 - по данным Ю.Д. Зыкова

мерэшей воды. В мерзлых скальных породах лед не создает замкнутых систем, поэтому УЭС сильмотрещиноватых скальных пород, как правило, меньше УЭС монолитов даже при втносительно большой льдистости первых. УЭС мерзлых скальных пород зависит в первую очередь от их трещиноватости (пористости), а во вторую - от их состава, в чем можно убедиться, проанализировав данные, помещенные в табл. 1.

Таблица!

Наименование и возраст пород	Состояние пород	УЭС, Ом/м, пород
		талых	мерзлых при температуре от 0 до до -2 С
Архейские граниты, гнейсы и сланцы	Сильнотрещиноватые Трещиноватые Монолитные	150-1000 1500-5000 12 000-30 000	1 500-10 000 10 000-60 000 50 000-100 000
Доломиты, известняки и мергели нижнего кембрия	Трещиноватые Монолитные	500-2000 6000-9000	5 000-10 000 19 000-36 000
Песчаники нижней юры	С ил ь нот рещинова тыс Трещиноватые Монолитные	100-200 300-500 1000-1500	900-2 500 5 000-10 000 15 000-30 000

1.7. Среди рыхлых мерзлых пород накЛольшими величинами УЭС обладают пески галечники и другие грубодисперсные породы, содержащие неэамерзшую воду в незначительных количествах. При переходе температуры через 0° почти вся свободная вода в них переходит в лед, а УЭС возрастает в десятки, а иногда в сотни раз. Мерзлые супеси и суглинки, в которых незамерзшей воды значительно больше, чем в песке, характеризуются промежуточными значениями УЭС. Наибольшее количество незамерзшей воды содержится в глинах, вследствие чего при промерзании их УЭС увеличивается незначительно (о 2-3 раза). Обобщенные данные об изменении УЭС рыхлых мерзлых пород с массивной криогенной текстурой приведены в табл. 2.

4

1.8. Включения льда и минеральные частицы не создают замкнутых систем    в

мерзлых породах с массивной криогенной текстурой, поэтому УЭС таких пород преимущественно зависит от содержания в них незамерзшей воды при заданной температуре. На»Лолее интенсивные изменения УЭС наблюдаются в песках в интервале температур от 0 до -2 . Эти изменения значительно слабее в глинистых грунтах с массивной криогенной текстурой. Приближенная зависимость УЭС мерзлых рыхлых пород с массивной криогенной текстурой от их состава и температуры приведены на рис. 2.

1.9» Изменение УЭС мерзлых пород со влировыми криогенными текстурами также контролируется содержанием незамерзшей воды в породе, но в иной степени    по

сравнению с тем, что имеет место в породах с массивной криогенной текстурой (табл. 3).

Объясняется это тем, что ледяные включения в породе образуют замкнутые системы, прерывающие токовые пути по пленкам незамерзшей воды, и УЭС мерзлой породы начинает зависеть от электропроводности льда, мощности и взаимного расположения шлиров льда в ней.

1.10.зависимость УЭС мерзлых пород от состава, типа криогенной текстуры, льдистости и температуры может быть изучена с помощью аналитических расчетов для слоистой модели грунта.

т «блица 2

Состав и УЭС пород При те поврет у ре, °С 0 от 0 до -0,5 -2 *3 -ь ГЪалевагые ласки, легкие суглинки содержание иевамерв* •«* води, X пт У-*5 *•-6 “ГУ” 1-2 УЭС, Ои'и 50-100 500-2000 1500-3*00 2500-1*500 8000-10 ООО 12 000-25 ООО Ткиегые супеси. легкие суглааики содерва»^€ неввиер*-•ей воды, X 20-*а0 ПГЯ5 7-15 5-15 т 2-10 УЭС. 0м*м *•0-70 200-500 500-500 750*500 550-1000

Таблице)

Состав и УХ пород Пр« те ил ере ту ре, С

—*0 от 0 до -0,5 -=Т— -т— -^— -=5— -=7- Содержание иеванврвжсй воды в породе "спау «лирами Лк да. t ПГП 7-15 5-1J з-п 4-10 УЭС тякатк супесей, легких суглинков со алировымн криогенными текстурами, Ом.м *•0-70 300-2000 1*а00-2500 2200-5000 *500-7000 7000-20 000 а 000-*0 000

= 100

Рис. Ц. Номограмма, изображающая зависимости и от ^ и типа криогенной текстуры при /1т юо (тяжелые супеси - легкие суглинки^

К22^^^ение становится ЭДпдделениым, если известно толькор_т/fa****PtlPr-В атом случае    мовок» -получить с помощью номограмм предельнее значения

^А V    и \ для слоистом (0/т*О) и сетчатой ($/** 0,5-1/ криогенных

текстур или А’. и ф/т для наиболее вероятных (распространенных/) в районе исследований значений Л_#.

■СХЕМАТИЧЕСКАЯ ГЕОЭЛЕКТГИЧЕ СКАЯ МОДЕЛЬ ME ГОЛ О Я ТОЩИ И ТИПИЧНЫЕ АНОМАЛИИ НА КГИ8ЫХ ВЭЗ И ЭЛЕКТРОПРОВИЛИРОвАНИЯ НАД НЕЙ

1.23. Обобщенная геоэлектрическая модель мерзлой толщи показана на рис. 7. В весенне-летне-осенний период, когда применение электроразведки на постоянном токе наиболее рентабельно, в однородной по составу мерзлой толще могут быть выделены четыре горизонта.

1.2fr. Первый от поверхности горизонт сезонно-талых пород характеризуется более низкими по сравнению с мерзлыми породами УЗС. Мощность талого слоя меняется в широких пределах как по площади, так и во времени. Она минимальна весной и в начале лета на торфяниках и под моховыми кочками и увеличивается в несколько раз в конце лета и осенью в пределах полос стока надмерэлотмых вод, между моховыми кочками.

1.25. Второй от поверхности геоэлектрический горизонт относится к слою сезонных изменений температуры. В -зависимости от состава мерзлой толщи и условий теплообмена на ее поверхности глубина залегания подошвы этого геоэлектрического горизонта может меняться от 8 до 15 м. Этот слой большую часть года характери-

9