Изучение многолетней мерзлоты, оползней

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 (ε_отн) 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 слоегодовыхколебаний 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 ρ_к.

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).