Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методология оценки петрофизических свойств пород и технология вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) применительно к решению инженерно-гидрогеологических задач

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Тен, Константин Макарович

ВВЕДЕНИЕ.

Стр. 3

Глава 1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПОСОБАХ РЕШЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ МЕТОДАМИ ГЕОФИЗИКИ.

Глава 2. ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ ПЕСЧА-НО-ГЛИНИСТЫХ ПОРОД.

2.1. Расчет удельного электрического сопротивления песчано глинистых пород.

2.2. Удельное электрическое сопротивление песчано-глшдастых пород и его связь с их свойствами.

Глава

2.3. Методика оценки свойств песчано-глинистых пород.

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ВЭЗ В ГОРИЗОНТАЛЬНО-СЛОИСТОЙ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ.

3.1 Интегральное представление задачи ВЭЗ.

3.2. Численное решение обратной задачи ВЭЗ без априорной информации.

3.3. Приближенное решение обратной задачи ВЭЗ без априорной информации.

3.4. Физико-аналитическое решение задачи глубинности исследования ВЭЗ.

3.5. Методика проведения и интерпретация ВЭЗ.

3.6 Комментарии к некоторым теоретическим положениям ВЭЗ.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРОБОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЭЗ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методология оценки петрофизических свойств пород и технология вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) применительно к решению инженерно-гидрогеологических задач"

До 80-х годов исследования в области разработки способов обработки и интерпретации геофизических наблюдений применительно к решению задач в гидрогеологии и инженерной геологии характеризовались исключительно статистическим подходом и основывались на применении классической теории потенциала и выявления корреляционных зависимостей между удельным электрическим сопротивлением в целом породы и отдельными ее характеристиками (минерализация, пористость, влажность, коэффициент фильтрации Кф и др.).

В середине 70-х годов (1973-75) работы автора положили начало принципиально новому подходу к обработке геофизических данных, заключающейся в нетрадиционной основе теории, методике геофизической и геологической интерпретации электроразведочных материалов наблюдений (ВЭЗ).

Данная работа является дальнейшим развитием направления гидрогеологической и инженерно-геологической геофизики, связанной с разработкой методики определения детального геоэлектрического разреза и свойств породы.

Актуальность темы.

В настоящее время геофизические методы широко внедрены в производственную практику гидрогеологических и инженерно-геологических работ. Актуальность темы, обозначенной в диссертации определяется следующими объективными факторами, это:

1. Необходимость усовершенствования теории и методики исследования в сложных условиях, связанных с малыми мощностями слоев разреза и их незначительными различиями удельных сопротивлений.

2. Создание технологии электроразведки, позволяющей резко повысить эффективность метода без привлечения априорной информации.

3. Создание методики и способов определения свойств породы при значительном снижении стоимости работ.

4. Создание новых требований относительно сигналов и "помех", позволяющих объективно оценивать полную первичную информацию, связанную с физико-геологическими условиями формирования пород.

5. Комплексный характер геолого-геофизических исследований, определяющий объективную необходимость анализа корреляционных связей между различными геофизическими признаками и отдельными компонентами среды.

Цель исследований

- создание системы научных положений, позволяющих на уровне начала XXI столетия решать основную задачу геофизики - определение по интегральной характеристике поля дифференциального геоэлектрического разреза и свойств породы без априорной информации*.

Основные задачи исследований.

Для реализации поставленной цели в работе определены следующие задачи:

1. Разработка теоретической основы электроразведки, заключающееся в нетрадиционной реализации уравнения Лапласа, результатом которой является получение численного и приближенного решения обратной задачи ВЭЗ без привлечения априорной информации о числе слоев и их удельных сопротивлений.

2. Выполнение достаточного объема сопоставительных работ, т.е. результатов восстановления дифференциального геоэлектрического разреза и модельных графиков ВЭЗ, рассчитанных по известным алгоритмам расчета кажущегося удельного сопротивления ВЭЗ (В.А.Филатов, В.Н.Филатова, А.А.Рыжов).

3. Выполнение натурного моделирования, т.е. сопоставление данных восстановления детального геоэлектрического разреза по практическим кривым ВЭЗ и бурения.

Под априорной информацией подразумевается наличие данных бурения, электрокаротажа и лабораторных анализов

4. Разработка высокоточного способа определения глубины исследования разреза, как составной части решения обратной задачи электроразведки на основе физико-аналитического представления картины распределения потенциала в электростатическом поле и физического моделирования в лабораторных условиях.

5. Выполнение работ по оценке результатов решения задачи глубинности исследования электроразведки на основе натурного моделирования, т.е. сопоставления данных определения глубины залегания кровли и подошвы слоев разреза и бурения.

6. Разработка нетрадиционных способов решения прямой задачи петрофизики, заключающихся в расчете удельного электрического сопротивления многокомпонентной среды (породы) в условиях их естественного залегания (in situ).

7. Разработка способов определения свойств пород по данным геофизической интерпретации ВЭЗ без априорной информации на основе решения прямой задачи петрофизики и физического моделирования при условии знания общих сведений о геологическом строении района.

8. Выполнение работ по программированию.

Научная новизна.

1. Обратная задача ВЭЗ осуществляется при минимальной априорной информации* по данным наземных измерений с использованием не имеющего аналогом формулы расчета кажущегося удельного сопротивления.

2.Результаты внедрения комплекса метода ВЭЗ и петрофизических разработок не могли быть получены с использованием традиционных методик ВЭЗ.

Защищаемые положения.

1. Представление прямой пеггрофизической задачи, заключающееся в создании геологических моделей и методики расчета удельного электрического сопротив Под минимальной априорной информацией подразумеваются данные геофизических измерений на поверхности Земли и общие сведения о геологическом строении ч> района. ления для различных литологических разностей песчано-глинистого комплекса пород, залегающих в естественных условиях гетерогенной среды (in situ).

2. Комплексирование петрофизических разработок и ВЭЗ позволяет решить обратную задачу петрофизики по определению свойств песчано-глинистых пород, геологических и геометрических характеристик изучаемой среды.

3. Усовершенствованная методика наблюдений и интерпретации ВЭЗ в отличие от традиционной позволяет определить детальный геоэлектрический разрез при минимальной априорной информации только по данным измерений кажущегося удельного сопротивления на дневной поверхности Земли.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их проверкой на физических (в лабораторных условиях) и геологических натурных моделях, достаточным объемом исследований и положительным опытом внедрения научных разработок при решении производственных гидрогеологических и инженерно-геологических задач.

Практическая ценность работы. Разработанные принципы решения методических основ электроразведки и петрофизики, направленной на повышение их геологической и экономической эффективности. Они могут быть использованы на всех стадиях гидрогеологических и инженерно-геологических работ, а также при решении задач на других объектах исследования - поиски и разведка нефтегазоносных структур, месторождений рудных, нерудных полезных ископаемых, изыскания под строительство промышленных и гражданских сооружений.

Реализация работы. Полученные теоретические, методические и практические результаты использовались и имеют применение в бывших производственных объединениях Мингео СССР и «Стройизысканий» Госстроя РСФСР. Исследования позволили:

1.Установить новые геолого-гидрогеологические структуры в Азово-Кубанском артезианском бассейне, которые ранее могли быть выявлены только по данным бурения;

2.0ценить геолого-гидрогеологические условия района на стадии поисковых гидрогеологических работ, где основной задачей является выбор и обоснование перспективных участков для проведения предварительной разведки. С помощью ВЭЗ были решены задачи выделения (выявления) наиболее перспективных водоносных горизонтов, определения их мощностей, глубины залегания регионального водоупо-ра и минерализации подземных вод;

3.Оценить геолого-гидрогеологические условия при изучении загрязнения подземных вод на полигоне, где выявлены «окна», через которые осуществляется взаимодействие водоносных горизонтов и определить изменение минерализации подземных вод во времени;

4.0ценить инженерно-геологические условия под воздействием техногенных процессов в пределах г.Москвы. В результате проведения исследований определены границы распространения пород в горизонтальном и вертикальном направлениях, подверженных техногенному воздействию;

5.Оценить инженерно- геологические условия при изучении экзогенно-геоло-гических процессов, где по результатам детальных исследований оползневых участков выявлены их геолого-литологические строения.

Личный вклад автора.

Работа является итогом исследований, проводимых автором с 1971 по 2001 год.

В диссертации использованы главным образом материалы исследований автора, проводимых с 1971 по 1994 гг. на площадях Московской, Смоленской, Читинской, Тверской, Архангельской, Иркутской, Ростовской, Нижне-Новгородской областей, Краснодарского края, республики Саха, ближнего (Азербайджан, Белоруссия, Казахстан, Украина) и дальнего (Алжир, Лаос, Южная Корея, Эквадор) зарубежья. Основные направления работ по реализации теоретических и методических решений сводятся к следующему: комплексная геофизическая съемка мелкого и среднего масштабов, комплексная съемка на поисковой и предварительной стадии разведки подземных вод, изучение загрязнения подземных вод на полигонах и инженерно-геологических массивов.

Все теоретические и практические результаты получены автором лично. Обосновывающие диссертационную работу и отражающие ее результаты вошли в 17 научно-технических отчетов, хранящихся в бывшем Всесоюзном геологическом и других фондах.

Апробация работы. Отдельные положения и разделы обсуждались на заседаниях научно-технических Советов бывших объединений «Казгидрогеология» Мин-гео КазССР, «Южгеология», «Центргеология», «Гвдроспецгеология» Мингео СССР и др. Основные положения диссертации были доложены или опубликованы в трудах ряда ранее имевших место Всесоюзных и Республиканских конференциях, совещаниях, семинаров: 9 Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и пути повышения эффективности геофизических работ в Сибири и на Дальнем Востоке (Москва, 1980); 3 республиканского совещания - семинара по обмену опытом производства геофизических работ при инженерных изысканиях для строительства (г.Суздаль, 1981 г.); Всесоюзного научно-технического семинара «Состояние и перспективы инженерно-геологического картирования и съемок» (Москва, 1983 г.); 7 научно-производственного семинара Литовской ССР (г. Вильнюс,1983); Всесоюзного совещания по применению геофизических методов в инженерной геологии, гидрогеологии и гидротехники (г.Ереван, 1985 г.) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 работа, в том числе описание двух изобретений к авторским свидетельствам. Ее материалы составили часть содержания Методического руководства по геофизическим методам в гидрогеологии и инженерной геологии, Методических рекомендаций по районированию территорий по естественным условиям, определяющим методику наземных геофизических методов исследований и Методических рекомендаций по использованию ВЭЗ для детального расчленения разреза при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач, написанных в соавторстве. Статьи были опубликованы в бывших Всесоюзных и республиканских журналах и сборниках. Тезисы докладов вошли в сборники «всесоюзных, республиканских» совещаний, конференций, семинаров.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающих 126 наименований. Объем ее 151 стр. машинописи, в том числе 44 рисунка и пять таблиц. Она выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью (ООО) «Ветеран ЛТД».

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Тен, Константин Макарович

Основные результаты исследований сводятся к следующему: а) Разработаны теоретические основы электроразведки на постоянном токе, заключающиеся в нетрадиционном решении задачи Лапласа, где получены новые зависимости кажущегося удельного сопротивления от полуразноса г = АВ/2, удельных сопротивлений (рь Р2,., р,) и мощностей (hb I12,., hj) слоев разреза. б) Разработана методика восстановления многослойного разреза, имея лишь данные измерения кажущегося удельного сопротивления на дневной поверхности Земли. в) Разработаны теоретические основы гидрогеологической и инженерно-геологической интерпретации данных электроразведки, заключающиеся в установлении функциональных зависимостей между удельным электрическим сопротивлением в целом породы и отдельными ее компонентами. г) Разработана методика определения характеристик породы на основе построения номограмм, включающих в себя совокупность зависимостей удельного электрического сопротивления от минерализации свободной воды и влажности, где каждой отдельной из них соответствует единственное значение твердого скелета, состоящего из долевых частей песка и глины со связанной водой в единичном объеме среды. д) Результаты исследований автора использованы при разработке основ комплексного изучения региональных закономерностей формирования подземных вод на примере типовых структур, - изучения загрязнения подземных вод и окружающей среды на полигоне, - изучения техногенных и природных факторов на изменение геологической среды и др. е) Применение разработанных автором системы научных и методических положений позволили углубить теоретические представления электроразведки на постоянном токе в направлении повышения ее эффективности при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования являются результатом обобщения большого объема фактического материала и опыта работ специалистов-геофизиков научно-исследовательских и производственных организаций в области применения электроразведки при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач. Это позволяет глубже оценить потенциальные возможности электроразведки не только при решении указанных задач, но и также рассмотреть вопросы, связанные с поисками и разведкой других месторождений полезных ископаемых (нефть, газ, руда и др.). В основу методологического подхода к решению поставленных задач положена главная концентрация материалистического мира о единстве взаимосвязи природных процессов и факторов.

За последнее время в результате применения ВЭЗ и других модификаций электроразведки при решении геологических задач появились эвристические методики, которые дают точное решение проблемы, тогда как известными путями этого достичь невозможно. Эмпирические закономерности позволяют по совокупности приемов находить решение сложных задач, хотя из-за недостатка информации трудно точно очертить границы применения и допустимые ошибки. Это послужило практическим доказательством того, что решение задачи восстановления многослойного разреза при двойственном мнении специалистов является закономерным явлением. Большую роль в исследовании сыграли обобщение опыта совершенствования методики проведения ВЭЗ, заключающейся в рациональном сгущении шага питающих электродов АВ, где появились реальные критерии получения дополнительной информации за счет использования значений отклонений аномалий кажущегося удельного сопротивления, находящихся за пределами и близкими к погрешности измерения рк, т.е. ±5-10%.

К единству взаимосвязи также относится адекватность электрического сопротивления, гидрогеологических и инженерно-геологических характеристик породы, так как все они являются функцией изменения соотношения ее компонентов. Установление функциональных зависимостей между удельным сопротивлением с одной стороны и с другой - характеристиками породы предопределено наличием корреляционных связей, используемых в практике применения электроразведки при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Тен, Константин Макарович, Москва

1. Абелев М.Ю. Слабые водонаеыщенные глинистые грунты как основания сооружений. М., Стройиздат,1973

2. Азими Ш.А., Горяинов Н.Н., Левшин А.Л. Опыт применения одноканальной сейсмической установки для определения уровня грунтовых вод. Бюл. научно-технической информации МГ и ОН СССР, №7(41), М, 1962.

3. Альпин Л.М., Даев Д.С., Каринский А.Д. Теория полей, применяемых в разведочной геофизике. М., Недра, 1985.

4. Альпин Л.М. Теория дипольных зондирований. М., Гостоптехиздат, 1950.

5. Арсенин В.Я. Математическая физика. М., Недра, 1966.

6. Арсенин В.Я. Математическая физика. М., Наука, издание 2-е, 1974.

7. Бареев Р.А., Тен К.М. Об изучении Сарайлинского прогиба в Татарии методом становления магнитного поля. Труды геологического института. Г.Казань, вып. 14,1966.

8. Белый Л.Д., Попов В.В. Инженерная геология, Стройиздат, М., 1975.

9. Бердичевский М.Н. Электрическая разведка методом теллурических токов. М., Гостоптехизддат, 1960.

10. Бондарев В.И. Рекомендации по применению сейсмической разведки для изучения физико-механических свойств рыхлых грунтов в естественном залегании для строительных целей. Изд-во ЦТИСИЗ, М., 1974.

11. Бурсиан В.Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. Постоянные поля. ГТТИ, 1933.-14113. Ваньян Л.Л., Бутковская А.И. Магшгготеллурические зондирования слоистых сред. М., Недра, 1980.

12. Ваньян Л.Л., Морозова Г.М., Ложеницына Л.В. О расчете теоретических кривых электрического зондирования. Сб. Прикладная геофизика, вып. 34. М., Гостоп-техиздат, 1962.

13. Васильев A.M., Основы современной методики и техники лабораторных определений физических свойств грунтов. Изд-во Машстройиздат, М., 1949.

14. Власова М.И. Инженерная геология. Изд-во Политехнический институт, г.Ярославль, 1975.

15. Геофизика в гидрогеологии и инженерная геология. В.Н.Чубаров, Г.Я.Черняк, Н.Н.Горяинов и др. Труды ВСЕГИНГЕО, вып.83, М., 1975, с.47-61.

16. Геофизические исследования при поисках и разведке месторождений трещинно-жильных вод. В.С.Матвеев, Н.Н.Горяинов, Э.П.Позин и др. Тезисы докладов на 7 Всесоюзной конференции. Ц.П.НТОГО, г.Львов, 1972, с.26-29.

17. Геофизические методы при изучении трещиноватых зон, картста и приуроченных к ним вод. В.С.Матвеев, Э.П.Позин, К.М.Тен и др. Кн. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии (методическое руководство). Изд-во Недра, М., 1972, с. 107-180.

18. Глушко В.Т. Экспресс-метод замера влажности пород в лабораторных условиях электрическими влагомерами. Изд-во Наукова Думка, Киев, 1969.

19. Глушко С.П., Попов Е.А., Тен К.М. и др. Обратная задача определения электропроводности слоистой среды по данным ВЭЗ. Рук.деп. в ВИНИТИ 25.03.85 № 2095-85. Деп.Еж.библ.указатель №7(165), М., 1985, 12 с.

20. Горяинов Н.Н. Сейсморазведка при инженерно-геологических исследованиях рыхлых пород. Изд-во ВСЕГИНГЕО, вып. 172, М,. 1971.

21. Горяинов Н.Н., Магдаченко Г.Ф., Скворцов А.Г. Об определении уровня грунтовых вод в трещиноватых и пористых породах полускального типа с помощью сейсморазведки. Труды ВСЕГИНГЕО, вып.90, М., 1975.

22. Горяинов Н.Н. Сейсморазведка при инженерно-геологических исследованиях рыхлых пород (методические рекомендации). Изд-во ВСЕГИНГЕО, М., 1971.

23. Горяинов Н.Н., Каринская Р.В., Семитко Т.С. К вопросу о повышении информативности сейсмоакустических методов при гидрогеологических и инженерно-геологических съемках с целью мелиорации земель. Труды ВСЕГИНГЕО, М., вып.74, 1973.

24. Горяинов Н.Н., Семитко Т.С. О связях между сейсмоакустическими и физико-механическими характеристиками рыхлых пород. Труды ВСЕГИНГЕО, вып.90, М., 1975.

25. Давитая Ф.Ф. Проблемы прогноза испаряемости и орошения норм. Изд-во Гид-рометеоиздат, М., 1970.

26. Даев Д. С. Анализ некоторых вариантов аэроэлектроразведки. Труды института геологии и геофизика СО АН СССР, вып. 11,1961.

27. Дмитриев В.Н., Барышникова И.А., Захаров Е.В. Аномальные электромагнитные поля пластовых тел. Ленинград, Недра, 1982.

28. Дахнов В.Н. Геофизические методы определения коллекторских свойств и неф-тегазонасыщения горных пород. Изд-во Недра, М., 1975.

29. Дахнов В.Н. Электрическая разведка нефтяных и газовых месторождений. Изд-во Гостоптехиздат, М., 1953.34.