Новые экогеофизические технологии оценки устойчивости геологической среды

Никифоров, Семен Прокопьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Новые экогеофизические технологии оценки устойчивости геологической среды
ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Новые экогеофизические технологии оценки устойчивости геологической среды"

На правах рукописи

НИКИФОРОВ Семен Прокопьевич

НОВЫЕ ЭК0ГЕ0ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого - минералогических наук

Иркутск -1997

Работа выполнена в докторантуре Иркутского ордена Трудовог Красного Знамени государственного технического университет

Официальные оппоненты: академик Международной академии информатизации,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Р.Л.Кофф

доктор геолого-минералогических наук, профессор А.С.Барыше

доктор геолого-минералогических наук В.А.Потапс

Ведущая организация - НПО "СТРОЙИЗЫСКАНИЯ", г. Москва

Защита состоится "14" октября - 1997г. в 900 часов на заседании специализированного Совета Д.063.71.02 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074 г.Иркутск,ул.Лермонтова, 83. Факс: (395-2) 27-35-85

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИрГТУ.

Автореферат разослан I сентября 1997 г.

Ученый секретарь специализированного Совета профессор

А.А.ШИМАНСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность:

Верхняя часть литосферы находится под непрерывно усиливающимся техногенным воздействием. По своим масштабам оно соизмеримо с влиянием природных геологических процессов. Особенно велико и разнообразно антропогенное воздействие на геологическую среду в условиях интенсивно развивающихся городов и промышленных комплексов. Ярким примером подобного вмешательства служит полная потеря устойчивости геологической среды на участке метрополитена в районе Выборгской стороны г.Санкт-Петербурга в 1995г.,когда дал о себе знать плывун, замороженный четверть века назад при проходке тоннеля. Предвидение и предупреждение нежелательных явлений, связанных с техногенным прессингом на геологическую среду, требует совершенствования системы наблюдений за состоянием ее устойчивости и особого подхода к истолкованию получаемой информации. В связи с практическими потребностями охраны окружающей среды, рационального природопользования, а также все возрастающей тревогой по поводу негативных последствий вмешательства в природу интерес к объективным количественным оценкам устойчивости геологической среды постоянно возрастает.

Полная и достаточно объективная информация о геологической среде и ее изменениях под влиянием антропогенной нагрузки может быть получена на основе использования средств экологической геофизики. Исследования В.А.Богословского, В.И.Бондарева, Г. С.Вах-ромеева, И.Н.Горяинова, В.И.Джурика, Ю.Д.Зыкова, Ф. М. Ляховицко-го, В. Н. Никитина, А. А. Огильви, А. И. Савича, В. К. Хмелевского и др. обеспечили разработку общих принципов экогеофизических исследований геологической среды. -

При изучении геологической среды и оценке её устойчивости на территории Сибири приходится сталкиваться как с дополнительными, так и специфическими трудностями - влиянием многолетней мерзлоты, кор выветривания, карста, техногенных процессов, чрезвычайно изменчивым состоянием температурного и, связанных с ним других физических полей и т. п. Актуальность темы диссертации определяется необходимостью преодоления перечисленных трудностей

применительно к геоэлектрическим, сейсмогеологическим, ландшафтным и климатическим условиям этого обширного региона, равно как и во многом аналогичных территорий Полярного Урала, Аляски, Канады.

Цель работы:

Обосновать и сформулировать важнейшие задачи и определить возможности экологической геофизики в системе мониторинга устойчивости геологической среды. На основе теоретических расчетов, лабораторных и натурных.экспериментов разработать высокоэффективные экогеофизические технологии оценки устойчивости геологической среды, ориентированные на измерение и регистрацию петро-физических параметров, в максимальной степени отражающих динамику ее состояния в сложных инженерно-геофизических, климатических и ландшафных условиях Сибири.

Задачи исследований:

1. Провести анализ петрофизических параметров, опосредованно характеризующих физические, механические и водно-физические свойства геологической среды и разработать технологии экогеофи-зического мониторинга ее устойчивости.

2. Выяснить возможности импульсной индуктивной электроразведки при оценке устойчивости геологической среды.

3. С целью совершенствования методики нестационарных электромагнитных зондирований при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР) и прогнозе ее динамики исследовать систему "незаземленная петля - геологическая среда".

4. Средствами натурного моделирования изучить возможности использования быстротекущей вызванной поляризации (ВП) в мерзлых породах для оценки параметров и устойчивости геологической среды в условиях криолитозоны.

5. Определить область применения систем многократных сейсмических наблюдений (КМПВ-ОГП) при изучении геологической среды, исследовать погрешности определения пластовых скоростей по непродольным вертикальным годографам и разработать методику их интерпретации без предварительного приведения к продольньм.

6. Спланировать и провести теоретические и натурные исследования ВЧР районов Восточной Сибири, обобщить результаты в виде динамических физико-геологических моделей (ФГМ) типовых природ-но-технических геосистем.

Научная новизна:

1. Впервые обоснован комплекс индикационных экогеофизичес-ких параметров слежения за состоянием геологической среды и разработаны физико-геологические модели ВЧР Восточной Сибири с учетом динамики проявления техногенных, карстово-суффозионных, криологических процессов и импульсных сейсмических воздействий.

2. Применительно к типичным геоэлектрическим моделям ВЧР разработана модель системы "незаземленная петля-геологическая среда" и выполнен анализ протекающих в ней электромагнитных явлений. Показано, что эти явления представляют источник ценной информации о геодинамических процессах ВЧР. На основе этой модели предложен новый способ геоэлектроразведки (авторское свидетельство N 1695248), который может успешно использоваться в системах экогеофизического мониторинга.

3. В условиях урбанизированных территорий выполнены систематические измерения, проведен теоретический анализ и предложена модель для описания пространственно-временной структуры электромагнитного поля помех.

4. На основе теоретических оценок и специально спланиро-ваннных натурных экспериментов показано, что изучение диэлектрической релаксации в мерзлых породах открывает новые возможности для изучения их криологических параметров.

5. Показано, что высокоточные измерения скорости сейсмических волн по данным микросейсмокаротажа (МСК) и метода общей глубинной площадки (ОГП) позволяют осуществлять мониторинг физико-механических параметров геологической среды, подвергающейся импульсным сейсмическим воздействиям.

Практическая ценность:

- Адаптированная к условиям изучения малых глубин система многократных сейсмических наблюдений в комплексе с микросейсмо-каротажем позволила значительно повысить точность сейсмических построений при изучении структуры и прогнозировании устойчивости геологической среды.

- Предложен новый способ геоэлектроразведки, заключающийся в предварительном изучении распределения переменного магнитного поля помех в пределах исследуемой площади с последующей оптимизацией размеров приемного контура (авторское св-во N 1429784),

что позволяет проводить электромагнитные зондирования в пределах урбанизированных территорий.

- На основе модели однородной геологической среды исследованы погрешности известных способов интерпретации микросейсмока-ротазка, разработан новый алгоритм и программное обеспечение для автоматизированной интерпретации ■ непродольных, вертикальных годографов.

- Разработаны оптимальные системы экогеофизического мониторинга ВЧР в условиях развития карста, повышенной сейсмичности, развития многолетней мерзлоты.

- Предложена экспертная система для оперативной оценки сейсмической опасности зон разрывных тектонических нарушений.

- Разработанные автором зкогеофизические технологии позволили получить новую информацию о состоянии и динамике различных природно-технических геосистем Сибири.

Научные исследования, результаты которых изложены в диссертации выполнялись как под руководством так и при непосредственном участии автора в рамках НИР и производственных работ, проводимых на кафедре прикладной геофизизики и геоинформатики ИрГТУ (с 1981г.) и в ВостСибТИСИЗе (с 1985г). Представленные в диссертации методические разработки внедрены в ВостСибТИСИЗе, ПГО "Ир-кутскгеология", ИрГТУ, Институте экологической геофизики АЕН РФ и используются этими организациями при изучении ВЧР в различных районах Восточной Сибири. Материалы диссертационных исследований включены в курс лекций "Геофизические методы разведки", читаемый автором в ИрГТУ, а также в разработанный им лабораторный практикум спецкурса "Экологическая геофизика".

Основные защищаемые положения:

1. Системы экогеофизического мониторинга- эффективный инструмент для оценки и прогноза устойчивости геологической среды, определяемой ее структурой, свойствами и спецификой экзогенных геологических процессов (ЭГП), опосредованно проявляющихся через петрофизические индикаторы.

2. Исследование волновых электромагнитных процессов в системе "незаземленная петля-геологическая среда", оригинальный способ повышения отношения сигнал/помеха, учет диэлектрической релаксации в мерзлых неконсолидированных породах привели к созданию новой модификации малоглубинной импульсной индуктивной

электроразведки, позволяющей осуществлять эффективный экогеофи-зический мониторинг устойчивости геологической среды.

3. Новая технология оценки сейсмоакустических параметров геологической среды, интегрирующая малоглубинный вариант метода ОГП, а также разработанные автором методика полевых наблюдений и алгоритмы интерпретации микросейсмокаротажа, позволяют получать оперативную информацию о физико-механических параметрах ВЧР, объективно отражающих состояние ее устойчивости.

4. Разработанные автором экогеофизические технологии образуют основу для создания систем мониторинга и экспертных оценок устойчивости геологической среды. Эффективность подобных систем иллюстрируется многочисленными примерами среди которых:

- исследование динамики карстово-суффозионных процессов и геокриологического состояния песков;

- система мониторинга несущей способности грунтов при импульсных сейсмических воздействиях и экспертная оценка устойчивости геологической среды с нарушенной сплошностью.

Апробация:

Основные положения диссертации докладывались на X, XI, XII конференциях молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири (Иркутск,1982,1984,1986), на Всесоюзном научно-техническом семинаре-совещании "Геофизические методы в гидрогеологии, инженерной геологии и гидротехнике" (Ереван,1985), территориальной научно-технической конференции "Применение геофизических методов при поисках и разведке россыпных месторождений, нерудного сырья и подземных вод" (Свердловск, 1987)конференции молодых научных сотрудников "Геология и геофизика активизированных областей Восточной Сибири" (Иркутск,1988), Всесоюзной конференции совместно с XIII научной сессией Дальневосточной секции МССС " Сейсмология и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке" (Владивосгок,1989), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач" (Москва, 1989), IX и X Международных конференциях Керуленской межвузовской геологической экспедиции (Улаанбаатар,1994; Иркутск, 1995), межреспубликанском научном семинаре "Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование (Иркутск, ИЗК СО РАН, 1994), на семинаре Института метеорологии и геофизики Кельнского

университета (1994), всероссийской научно-технической конференции "Экология и геофизика" (Дубна, 1995), межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения" (Братск,1996), научно-практической конференции "Проблемы развития геологической среды и образования в Иркутской области" (ИЗК СО АН, г.Иркутск, 1996),Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва,1997), а также на ежегодных научно-технических конференциях факультета геологии, геоэкологии и геоинформатики Иркутского государственного технического университета.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы.

Автор искренне благодарен всем, кто на различных этапах исследований оказал ему помощь и поддержку: профессорам Р.М.Ло-бацкой, Н.О.Кожевникову, А.Г.Дмитриеву, А.Ю.Давыденко, Ю.А.Чернову, доцентам Г.Е.Серовой, А.В.Мироманову, инженеру-программисту А. Г.Данилову.

Особую признательность автор выражает научному руководителю докторантуры, академику РАЕН, доктору геол. -мин. наук, профессору Г. С.Вахромееву за постоянную поддержку и помощь в научных исследованиях и формировании его как ученого и начальнику КГО ОАО "ВостСибТИСИЗ" В.И. Таборову, под чьим руководством'приобретен неоценимый опыт практической работы.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Обьем работы: страниц машинописного текста, 2 таблицы, 55 рисунков. Список литературы включает 284 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дана общая характеристика работы и показано, что оценка устойчивости геологической среды при решении задач ее рационального использования и охраны, прогноза опасных катастрофических процессов является одной из основных проблем геоэкологии, носит комплексный характер и требует рассмотрения всей цепочки сложных взаимосвязей между компонентами окружающей среды.

Одно из ведущих мест при решении этих задач занимает прикладная геофизика. Она обладает уникальными возможностями детального не-разрушающего картирования естественных и техногенных физических полей Земли, которые играют роль объективных и порой единственных индикаторов состояния и тенденций изменения геологической среды. Стремительное развитие геоэкологии требует адаптации традиционного арсенала средств разведочной и инженерной геофизики, а также разработки и развития новых технологий экогеофизических исследований геологической среды.

Глава 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОФИЗИКА

Впервые термин "геоэкология" был предложен в 1939. г. применительно к изучению природных неизмененных ландшафтов (Trolle, 1970). Определяя понятие "геоэкология", исследователи исходят из его связи с геосистемами, которые формируются геооболочками Земли и являются неотемлемой частью окружающей среды. Разумеется, важная роль отводится антропогенным воздействиям. Формирование геоэкологии подготовлено трудами Ф.П.Саваренского, Г.Н.Каменского, И. В. Попова, В. А. Приклонского, Н. В. Коломенского, П. Н. Панюко-ва, П.В.Швецова, Г.С.Золотарева, Г.К.Бондарика . Особую роль в обосновании фундаментальных понятий геоэкологии сыграли работы Е.М.Сергеева. Значительный вклад в развитие геоэкологии внесли Г.А.Голодковская, М.А.Глазовская, Г.В.Добровольский, Ф.П.Котлов, И.В.Круть, Г.Л.Кофф, В.И.Осипов, А.И.Перельман, В.С.Преображенский, В. Т. Трофимов, А.Л. Яншин.

Основным объектом исследований в геоэкологии является геологическая среда. В иерархическом ряде дефиниций "геологическая среда" - "природная среда" - "окружающая среда", - понятие "геологическая среда" занимает главенствующую позицию, подобно тому как фундамент определяет добротность и надежность функционирования любого здания, обеспечивая его прочность и целостность. Согласно определениям, которые дают основоположники учения о геологической среде (Сергеев,1977;1979 и др.), под ней понимают многокомпонентную систему верхней части земной коры включающую породы, почвы, техногенные сооружения вместе с атрибутивно присущими им геофизическими и геохимическими полями. В изучении reo-

логической среды можно выделить два основных направления (Бонда-рик,1981). В рамках одного из них исследуются квазистатические геосистемы, свойства которых остаются постоянными во времени (региональная инженерная геология). В рамках другого направления объектом изучения служат динамические геосистемы (экзогеодинами-ка). При этом геосистемы разделяют на природные и природно-тех-нические (техносфера), возникающие в результате деятельности человека .

Традиционно в инженерной геологии состояние геологической среды диагностируется посредством оценок и прогноза через сравнительные, качественные и количественные показатели. При этом оценка характеризует современное состояние инженерно-геологических условий, а прогноз- экстраполирует их предполагаемое изменение во времени под влиянием природных или техногенных факторов.

В качестве критерия состояния как природных, так и природ-но-технических геосистем используется понятие устойчивости геологической среды (Трофимов и др.1994). Анализ понятийной базы этого термина и выполненные экспериментальные исследования привели автора к глубокому убеждению, что под устойчивостью геологической среды (УГС) следует понимать ее структуру и свойства, соответствующие определенной стадии развития экзогенных геологических процессов (ЭГП). В конечном итоге именно скорость развития ЭГП определяет характер изменения физико-механических и др. свойств геологической среды и, следовательно, ее устойчивость. Таким образом, УГС включает в себя ее оценку на данный момент времени через физические, механические и водно-физические свойства горных пород, с одной стороны, и прогноз их изменений в условиях негативно воздействующих современных геологических процессов, развивающихся под влиянием природных и техногенных факторов, с другой (рис.).

При анализе взаимодействия природных и искусственных элементов геологической среды следует учитывать, что изменение ее устойчивости может происходить достаточно быстро, что не всегда надежно и экспрессно диагностируется традиционными методами инженерной геологии. Разработка методологии единой технологической цепочки оценки и прогноза УГС через инструментально определяемые в мониторинговом режиме индикационные количественные параметры -неотложная задача современности.

Рис. Схема экогеофизического мониторинга устойчивости геологической среды.

По нашему мнению эффективный путь практической реализации оценки и прогноза УГС - развитие систем экогеофизического мониторинга, инструментально измеряющих количественные петрофизичес-кие индикаторы, характеризующие физические, механические и водно-физические свойства горных пород и их изменение во времени. К числу индикационных петрофизических параметров относятся: удельное электрическое сопротивление, статическая и динамическая диэлектрическая проницаемость, поляризуемость, скорости продольных и поперечных сейсмических волн и др. (см.рис.). Информация о строении, свойствах геологической среды и динамике ее устойчивости обобщается в виде динамических ФГМ (см.рис.) объективно отражающих направленность ЭГП.

Специфика экогеофизических технологий, обеспечивающих контроль динамики УГС, заключается в необходимости исследования тонких особенностей геофизических полей, порождаемых незначительными изменениями состояния геологической среды. Именно поэтому в общем комплексе проблем современной геоэкологии развитие имеющихся и разработка новых геофизических технологий оценки УГС является задачей первостепенной важности.

Главные выводы, вытекающие из материалов, изложенных в первой главе, следующие:

- геофизические поля атрибутивно присущи геологической среде и играют двоякую роль: а) оределяют ее качество и стабильность (до полной деструкции), б) служат манифестиционными индикаторами опасных геологических процессов, таких как оползни, карст, землетрясения и т.п..позволяя прогнозировать их подготовку и возможные сценарии;

- традиционные методы инженерной геологии в принципе позволяют оценивать и прогнозировать состояние геологической среды. Однако достаточно эффективные и экспрессные системы мониторинга могут быть реализованы только на основе современных геофизических технологий, позволяющих инструментально отслеживать изменение структуры, свойств и направленность ЭГП через количественные петрофизические индикаторы.

Глава 2. ИМПУЛЬСНАЯ ИНДУКТИВНАЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА ПРИ РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Импульсная индуктивная электроразведка (МПП, ЗМПП,ЗСБ) относится к одному из наиболее бурно развивающихся направлений электроразведки. Это обусловлено рядом объективных причин: высокой разрешающей способностью по удельному электрическому сопротивлению (особенно по отношению к проводящим образованиям), повышенной локальностью исследований, нечувствительностью к анизотропии, возможностью изучать геоэлектрический разрез под непроводящими электрический ток экранами.

Возможность использования ЗМПП для картирования малых глубин и решения задач гидрогеологии впервые обосновали Сидоров В.А.. Родионов А.Н., Бучарский Б. В. и др. в конце 70-х годов. Примерно в это же время в связи с разработкой аппаратуры "Импульс" и "Каскад" были получены первые практические результаты в области малоглубинных ЗСБ.

К сожалению, малоглубинное направление ЗМПП,представляющее особый интерес в связи с потребностями геоэкологии, все еще не вышло из стадии эмпиризма. До сих пор при изучении малых глубин теоретические представления, методику ЗМПП, а также подход к формированию геоэлектрических моделей практически без изменений заимствуют из арсенала рудной и нефтяной электроразведки. При этом зачастую остается невыясненным, корректно ли такое заимствование, и если да, то при каких условиях?

При ответе на эти вопросы целесообразно использовать два подхода. Первый из них заключается в анализе и обобщении уже имеющихся материалов и концепций с целью выработки критериев для оценки погрешностей, возникающих в тех или иных геоэлектрических условиях при изучении малых глубин на основе традиционной методики ЗМПП. Сущность другого, дополнительного по отношению к первому, подхода заключается в следующем: возможно ли хотя бы в принципе те факторы, которые в ЗМПП традиционно рассматривают как мешающие (например, собственную переходную характеристику установки, усложнение структуры первичного поля, магнитную вязкость, .быстропротекающие процессы ВП и др.) использовать для получения полезной информации о геологической среде ? Для реализации этого подхода наряду с анализом и обобщением имеющейся ин-

формации автором выполнен значительный объём оригинальных исследований.

Систему зондирования в импульсной индуктивной электроразведке. включающую элементы возбуждения, приема и геологическую среду можно представить в виде последовательно соединенных звеньев ( Захаркин, 1981 ). Полезной информацией, которую необходимо выделить из этой системы, является переходная характеристика геологической среды.

Ситуация существенно усложняется, когда возникает необходимость измерений на ранних временах (высокие удельные сопротивления и/или малые глубины). В результате резкого прерывания тока в питающей и приемной петлях возникают собственные переходные процессы, для учета которых необходимо располагать оценкой их длительности. Для этого многими авторами использовалась эквивалентная схема петли в виде колебательного контура с сосредоточенными индуктивностью Ь , емкостью С и активным сопротивлением И (Вишняков, Вишнякова,1974; Захаркин, 1981; Вешев 1980) . В зависимости от соотношения между Ь , С и В переходная характеристика эквивалентной схемы имеет вид колебательного либо апериодического процессов.Для минимизации длительности собственного переходного процесса петли рекомендуют шунтировать ее активным сопротивлением

^ = 1/2 /ь • С , чем достигается так называемый критический режим (Захаркин, Кунин, Рабинович,1976; Захаркин, 1981).

Согласно нашим представлениям петля в совокупности с подстилающей ее верхней частью разреза, является системой с распределенными параметрами (Никитин, Никифоров,1986; Кожевников, 1988;Вахромеев, Кожевников и др., 1987; Кожевников, Никифоров, 1988; Кожевников, Никитин, 1989). В некотором приближении провод петли и земля могут рассматриваться как двухпроводная длинная линия, вдоль которой распространяются волны тока I и напряжения V, связанные соотношением:

где Ъъ - волновое сопротивление линии.

После коммутации тока провод петли оказывается разомкнутым, и сопротивление между точками разрыва равно бесконечности. В

этих' точках возникают отраженные бегущие волны напряжения и тока, суперпозициях которых проявляется в виде стоячих волн. Анализ этих волн привел к важным практическим выводам. Поскольку в точках разрыва петли находятся пучности напряжения, при размещении измерительной аппаратуры вблизи этих точек на ранних временах может иметь место сильная емкостная наводка. Специальные эксперименты показали, что особенно сильные наводки отмечают над высокоомными разрезами при использовании петель малого размера. В ряде случаев даже незначительные изменения положения оператора либо прикосновение к корпусу измерителя приводит к недопустимым изменениям показаний регистратора (Кожевников, Никифоров, 1988). Для минимизации этих наводок целесообразно применять установку "петля в петле" и размещать измеритель вблизи средней точки периметра петли, где напряжение равно нулю.

Как известно, вследствие инерционности приемно-генераторно-го тракта (главным образом, генераторной петли) регистрация переходных процессов в микросекундном диапазоне представляет собой непростую задачу. Поэтому исследования малых глубин и/или высо-коомных сред связаны со специфическими проблемами, причем некоторые из них, например, невозможность выключить ток в петле быстрее некоторого предельного интервала времени, носят принципиальный характер. Диссертантом совместно с соавторами разработан способ геоэлектроразведки, основанный на непосредственном использовании ВЧ-колебаний в качестве источника информации об удельной проводимости геологической среды.

Как уже отмечалось, реальная петля обладает распределенными емкостью и индуктивностью. Причиной возникновения колебаний тока в петле, называемых "звоном", являются стоячие волны в системе "провод петли - верхняя часть разреза". Нами показано, что основная частота колебаний ^ определяется по формуле:

10 = 1/(271 гк |/ Ь' • С' ) , (2.1)

где I/ - погонная индуктивность провода,; С' -погонная емкость, ; гк - радиус петли.

Петля сама по себе обладает активным сопротивлением Н=2я-гк•й' (К' - погонное сопротивление провода ). Вследствие влияния подстилающих петлю пород ее активное сопротивление возрастает на величину Дй. Поэтому суммарное активное сопротивление

петли составляет R + AR. Затухание тока в петле описывается выражением:

I (t)=I0exp(-t/2T) • (cos 0)ot + - • sin iD0t) , (2.2)

2ш0

где (i)0=2tff0; t=-; L= 2tfrkL'- полная индуктивность петли

R+ AR

Из формулы (2.2) видно, что параметр т , определяющий скорость затухания звона, зависит от AR, а следовательно, и от удельного сопротивления р подстилающего петлю полупространства.

Выявленная нами связь между параметрами тир позволяет рассматривать "звон" как источник информации об удельной проводимости пород. Ранее ВЧ-колебания тока рассматривались исследователями исключительно как помеха, осложняющая измерения на ранних временах. Техническое решение, в основу которого положена идея использования ВЧ- колебаний тока незаземленной петли для целей в геоэлектроразведки, составило предмет изобретения (а. с. 1695248).

Изучение параметров -индикаторов состояния геологической среды, в частности удельного электрического сопротивления, нередко осложняется влиянием электромагнитных помех. В тех случаях, когда поле помех является пространственно-неоднородным (промышленные объекты, урбанизированные территории), ситуация может быть значительно улучшена за счет использования нового способа максимизации отношения сигнал/помеха (а.с. N 1429784). Способ основан на предварительном измерении пространственного распределения поля помех с последующей оптимизацией размеров приемной петли.

При оценке устойчивости геологической среды в условиях развития криолитозоны перспективы дальнейшего развития электроразведки связаны с исследованием и практическим использованием физических явлений, присущих непосредственно замерзшей воде. Одно из них связано с порождаемой процессами ориентационной поляризации частотной дисперсией диэлектрической проницаемости льда (Достовалов, 1947; Кинг, Смит, 1984; Маэно,1988; Парселл ,1983; Фролов, 1976). Во всех известных нам работах по наземной и сква-жинной электроразведке криогенных пород это явление не учитыва-

ется и его возможности как "носителя" геокриологической информации не анализировалось (Акимов и др.,1979; Ним,1991; Снегирев, 1992; Rosenberg и др, 1985).

Ориентационная поляризация имеет место не только в кристаллах льда, но и в мерзлых грунтах (Достовалов,1947; Фролов,1976). Согласно результатов А.Д.Фролова (1976) общий характер температурной зависимости тг (Т) эффективного времени релаксации для мерзлых грунтов определяется релаксационными характеристиками льда и незамерзшей воды. Если обозначить эффективное время релаксации льда тл , то в некотором диапазоне температур (до момента практически полного завершения фазовых переходов) отношение тг/тл характеризует влияние незамерзшей воды на суммарный релаксационный процесс. Зависимость этого отношения от температуры соответствует изменению количества незамерзшей воды в мерзлом грунте.

Необходимо отметить, что в дисперсных, особенно глинистых породах помимо ориентационной поляризации молекул воды имеет место объемная поляризация за счет специфических механизмов проводимости (эффект макродиполя) и межповерхностной поляризации Максвелла -Вагнера (Сидоров,1987; Фролов,1976; Alvarez,1973; Olivar и др. ,1992).

В 1992г. соискатель совместно с коллегами приступил к целенаправленным исследованиям по выяснению практических возможностей использования процессов ориентационной поляризации для изучения мерзлых пород в их естественном залегании методами импульсной электроразведки. Очевидно, при возбуждении мерзлых пород ступенчатым или импульсным электрическим полем должен наблюдаться переходный процесс. Логично предположить, что амплитуда этого процесса в мерзлых породах пропорциональна общему количеству содержащегося в них льда, а характерное время релаксации - абсолютной величине отрицательной температуры.

Расчеты импульсной характеристики кольцевой модели мерзлого грунта с учетом частотной дисперсии диэлектрической проницаемости показали, что индукционно - вызванная ориентационная поляризация в мерзлых породах должна оказывать ощутимое влияние на результаты измерений методом переходных процессов (Кожевников, 1991). В 1992г. диссертантом совместно с Н. 0. Кожевниковым и C.B. Снопковым были проведены исследования, цель которых заклю-

чалась в ответе на вопрос: возможно ли в условиях естественного залегания мерзлых пород практически наблюдать эффекты ориентаци-онной поляризации.

В качестве эталонного был выбран мерзлотный полигон, расположенный в пойме реки Муя в четырех километрах от п.Таксимо (Муйский район республики Бурятии). В пределах полигона, на двух эталонных участках, представленных мерзлыми и талыми песками, были проведены электроразведочные работы методами переходных процессов (МШ), ранних стадий вызванной поляризации (РСВП) и вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ).

На эталонном участке, представленном мерзлыми песками, с помощью совмещенной установки 100мх100м и 50мх50м были зарегистрированы индукционно вызванные переходные процессы с двойной сменой знака. Первая смена знака с последующим быстрым переходом в положительную область имеет место в окрестностях временной задержки порядка 30 мкс, а вторая (хотя и менее резко проявленная, но статистически надежно выделяемая) - в пределах временного интервала от 100 до 150 мкс. Скорость спада и сам временной интервал, в пределах которого наблюдается первая (по времени) отрицательная ЭДС, согласуется с представлениями об ориентационной поляризации молекул содержащейся в песках замерзшей воды. Приближенная оценка характерного времени диэлекрической релаксации, выполненная по полевым кривым ЗМПП, составляет 20- 30 мкс, что соответствует температуре льда порядка 1-2° С ниже нуля. Учитывая тот факт, что на эталонном участке, представленном талыми песками, зафиксированы монотонно спадающие переходные процессы положительной полярности, влияние ориентационной поляризации замерзшей воды на результаты МПП можно считать эспериментально доказанным.

Неожиданной оказалась смена знака ЭДС переходного процесса во временном интервале (100-150)мкс. По-видимому, в мерзлых песках наряду с ориентационной имеет место еще одна, более медленная поляризация, ее существование подтверждено измерениями переходных характеристик РСВП с гальваническим возбуждением и приемом поля. Наблюдения проведены аппаратурой С-014 (Карасев,1985) в модификации зондирований с ортогональной установкой.

По-видимому, исследование ориентационной и других быстрых разновидностей поляризации целесообразно проводить не только во

временной, но и в частотной области. Анализ опубликованной литературы по электромагнитной разведке криолитозоны с использованием гармонически изменяющихся полей показывает, однако, что с позиций измерения эффектов быстрой поляризации частотный диапазон зачастую выбирался неудачно. Исследования проводились либо ка слишком низких (десятки и сотни Гц), либо на очень высоких (десятки и более кГц) частотах, в то время как область максимальной частотной дисперсии диэлектрической проницаемости криогенных пород соответствует частотам от 1 до 10 кГц.

Глава 3. РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Теоретические исследования, методические и аппаратурные разработки Левшина А.Л. (1961,1973), Ляховицкого Ф.М. (1970,1989), Горяйнова H.H. (1971,1977,1979), Бондарева В.И. (1974, 1976), Фролова А.Д. (1976), Савичал.И. (1986), Никитина В.Н. (1981), Джурика В.И. (1986)/ Седова Б.М. (1988), Зыкова Ю.Д. (1989) и др. обеспечили формирование нового, интенсивно развивающегося направления - инженерной сейсмики. В последнее десятилетие она занимает одно из ведущих мест не только для решения задач инженерной геологии, но и в рамках нового научного направления в изучении геологической среды - экологической геофизики.

Целевое назначение разработок диссертанта, представленных в данной главе, предусматривает решение ряда теоретических и методических проблем малоглубинной сейсморазведки при изучении ВЧР и формировании моделей устойчивости геологической среды. В частности, на основе теоретико-экспериментальных корреляционных связей и лабораторных экспериментов показана методика прогнозирования физико-механических свойств массивов горных пород путем разномасштабных параметрических измерений на образцах и во внутренних точках среды. Точность прогноза физико-механических свойств среды зависит от точности количественных определений скорости упругих волн. Это в свою очередь потребовало от диссертанта адаптации методики регистрации и интерпретации преломленных волн на основе многократных систем наблюдений, а также создания методического и программного обеспечения регистрации и обработки

материалов микросейсмокаротажа применительно к условиям верхней части геологического разреза.

В настоящее время не существует универсального метода исследований деформационных свойств геологической среды, который позволял бы изучать все типы грунтов на любой глубине, а также изменчивость деформационных свойств во времени под воздействием внешних факторов. В связи с этим в первом разделе 3-й главы диссертации обсуждаются вопросы оценки деформационных свойств песков и их связь с акустической жесткостью на примере прессиомет-рических испытаний (Дмитриев,Никифоров,1996). Выбор песков в качестве объекта исследований обусловлен их широким распространением в пределах юго-западной части Муйско-Куандинской впадины, где автор проводил многолетние исследования устойчивости геологической среды в связи с активным хозяйственным освоением территории станционного пос. Таксимо трассы БАМ.

Пески Муйско-Куандинской котловины характеризуются достаточно однородным кварц-полевошпатовом составом и незначительным содержанием глинистых частиц, что позволяет создавать искусственные пробы требуемого грансостава и свойств, имеющих высокую степень эквивалентности с природными образованиями. Кроме того, по своим реологическим свойствам пески наиболее близки к реологической модели Максвелла (упруго-вязкое тело) и характеризуются минимальным временем релаксации, что позволяет производить многократные измерения на небольшом объеме исходного материала. Учитывая это, автором совместно с коллегами по кафедре-А.Г. Дмитриевым и В. С.Канайкиным проведена серия лабораторных экспериментов на базе стандартного компрессиометра с вмонтированными в поддон и штамп одометра пьезоэлементами, которые обеспечивали излучение и прием ультразвуковых колебаний. Таким образом, были искусственно устранены проблемы разномасштабности парных определений физико-механических и акустических свойств песков. Основываясь на этом, проведены лабораторные испытания с целью выявления взаимосвязей между плотностью, грансоставом, модулем деформации, пористостью и сейсмическими характеристиками песков в процессе их сжатия.

Полученные корреляционно -регрессионные уравнения, описывающие характер изменения коэффициента пористости -ей скорости продольных волн - Ур (м/с) от величины давления - Р (мПа) для

мелкозернистого ( х = 0.1 - 0.25 мм) песка имеют следующий вид: е = 0.905 - 0.2 Р - 0.3 Р2 ; Vp = 453 + 1334 Р - 1488 Р2 . (3.1)

Для грубозернистого ( более 1.0 мм) песка коэффициенты в регрессионных уравнениях имеют несколько иные величины:

е = 0.905 - 0.1 Р + 0.19 Р2 ; ' (3.2) Vp = 453 + 1212 Р - 1421 Р2 . Коэффициенты в корреляционно-регрессионных взаимосвязях, выявленные для среде- и крупнозернистых песков, имеют промежуточные значения. Это позволяет, на основе нормированных кривых коэффициента пористости - е/е0 и скорости продольных волн - V/V0 составить универсальные критерии подобия, определяющие основные закономерности их изменения от давления - Р (мПа) и гранулометрического состава - Ф.

е/е0 = [1-(0.26-0.04Ф)Р + (0.37-0.04Ф)Р2]; (3.3)

V/V0 = [1+(3.03-0.09Ф)Р - (3.33-0.05Ф)Р2]; (3.4)

В данном случае параметр - Ф отражает тип песка и изменяется с увеличением размеров фракций от I (мелкие пески) до 4 (грубые пески).

В целом скорости распространения упругих колебаний, как показали эксперименты, являются весьма чувствительным параметром, реагирующим на минимальные изменения состояния проб. Даже незначительные изменения, возникающие в процессе компрессиометричес-ких испытаний, находят своё отражение в закономерностях изменений измеряемых величин. Это - наличие петель гистерезиса, возникающих в процессе реализации ряда последовательных циклов нагрузки и разгрузки, - временные вариации стабилизационных параметров и т.д., которые требуют своего дальнейшего изучения и в данной работе не рассматривается. Полученные закономерности позволяют сделать вывод о потенциальных возможностях описанного подхода и уже на данном этапе исследований обеспечивают прогноз изменений физико-механических свойств пород под воздействием динамических факторов и позволяют осуществлять экспрессную оценку и прогноз состояния геологической среды во времени (мониторинг). Подобные прогнозы требуют не только комплексного определения перечисленных выше характеристик, но и существенного, в 2 - 4 раза, повышения точности определения скоростных характеристик разреза, что требует разработки и внедрения высокоразрешающих сейс-

мических методов.

Внедрение методики ОГП при изучении верхней части разреза для условий юга Восточной Сибири и Центрального Алдана проводилось кафедрой прикладной геофизики и геоинформатики ИрГТУ при непосредственном участии автора. Общие теоретические предпосылки метода ОГП (Старобинец,Старобинец,1983), результаты математического моделирования (Вахромеев,Павлов и др.,1989), а также апробация методики ОГП на различных по сейсмогеологическим условиям объектах (Дмитриев,Никифоров и др.,1986) позволили сформулировать основные требования к методике полевых наблюдений при изучении геологической среды, как для целей инженерно-геологических изысканий, так и решения различных экологических задач. Основополагающим для успешной реализации ОГП является выбор геометрии системы наблюдений (величина минимального выноса пункта возбуждения, расстояние между сейсмоприемниками, кратность системы наблюдений ). Трансформация временных разрезов ОГП в глубинные требует определения значения средней скорости до преломляющих горизонтов, и на первом этапе осуществляются методом пластовых скоростей в предположении, что пластовые скорости эквивалентны граничным, либо способом ^ на основе априорно задаваемого закона изменения скорости с глубиной. Сложность сейсмогеологических условий, обусловленная как горизонтальными, так и вертикальными неоднородностями (линзы мерзлоты, резко меняющиеся петроплот-ностные характеристики рыхлых отложений), не позволяет эффективно использовать традиционные и широко известные способы определения средних скоростей. В этих условиях наиболее полную и точную информацию о скоростном разрезе можно получить только по данным микросейсмокаротажа,что позволяет ограничить диапазон сканирования и среди нескольких осей синфазности, характеризующихся близкими значениями суммарной энергии, выделить ось синфазности соответствующую пространственному расположению преломляющего горизонта. Использование значений скорости распространения упругих волн для последующих вычислений физико-механических характеристик горных пород также требует их надежного определения.

Кинематические особенности вертикальных годографов сейсмических волн применительно к нефтяной сейсморазведке достаточно подробно рассмотрены в работах Н.Н.Пузырева (1957), А.И.Богдано-

ва (1960), В, П. Рудницкого (1968), Е.И.Гальперина (1971). Однако достаточно полно разработанной методики сейсмокаротажа (МСК) для изучения скоростей на малых глубинах практически не существует.

Целенаправленные теоретические и практические исследования по использованию МСК в инженерно-геологических скважинах в нашей стране начали проводиться в конце 60- х - начале 70-х годов ( Бондарев и др., 1976; Теряев, 1980 ). Основное внимание уделялось особенностям вертикальных годографов сейсмических волн, регистрируемых в первых вступлениях и отождествлению их со свойствами среды. Для этой цели были выведены уравнения годографов преломленно-рефрагированных волн и решена прямая задача МСК для среды, состоящей из градиентного слоя, лежащего на градиентном полупространстве.

В практике инженерно-геологических исследований аппроксимация геологического разреза градиентной моделью не всегда приемлема (например, в условиях развития мерзлоты). В такой ситуации остается открытым вопрос о надежности определения пластовых скоростей традиционной методикой интерпретации по модели однородной среды. Для решения этой проблемы автором проведены исследования, целью которых является оценка погрешностей определения пластовых скоростей, возникающих при проведении непродольных вертикальных годографов к виду продольных по модели однородной среды.

Наиболее эффективным способом определения надежности того или иного приема~интерпретации является проверка его работоспособности на примере теоретически рассчитанных значений соответствующих физических полей. Для реализация этого способа автором разработан алгоритм и пакет программ решения прямой задачи мик-росейсмокаротажа, что и послужило инструментом для анализа существующей методики наблюдений и интерпретации непродольных вертикальных годографов при изучении геологической среды.

Методика количественного анализа погрешности определения пластовых скоростей заключалась в- формировании обобщенной сейс-могеологической модели грунтовых комплексов с последующим расчетом теоретических непродольных вертикальных годографов и определения пластовых скоростей по модели однородной среды.

Анализ расчетов показал, что существующие способы интерпретации непродольных вертикальных годографов по модели однородной среды сопряжены с погрешностями в определении пластовых скорое-

тей, достигающих 30-50%. В средах с высокой контрастностью сейсмических свойств верхняя ветвь годографа "осложнена" первыми вступлениями головных волн, что делает невозможным применение методики приведения непродольного годографа к продольному по модели однородной среды. Это обстоятельство принудило автора заняться разработкой более высокоэффективных способов интерпретации непродольных вертикальных годографов. За основу был взят способ интерпретации непосредственно исходных непродольных вертикальных годографов посредством математического моделирования элементов волнового поля и их сопоставления с наблюденными в процессе которого максимизируется некоторая функция отклика, определяющая меру сходства наблюденного и модельного волновых полей. В связи с интенсивным развитием вычислительной техники и ее доступностью, это направление имеет несомненный приоритет.

На основе решения прямой задачи МСК разработан алгоритм автоматизированной интерпретации данных МСК, включающий три составных этапа (Кругляк, Мироманов и др., 1990; Вахромеев, Дмитриев, Никифоров и др.,1989).

Первый этап заключается в формировании исходной сейсмогео-логической модели, в которой каждый 1 -й слой (1 = 1,2....п) характеризуется мощностью и скоростью .Основой формирования модели служит наблюденный непродольный вертикальный годограф, приведенный к продольному по модели однородной среды.

Второй этап включает решение прямой задачи по заданному распределению и У1, определенных по результатам формальной интерпретации в ходе первого этапа. По результатам расчета значений времени пробега ^ прямых, проходящих и головных волн формируется теоретический обобщенный непродольный вертикальный годограф первых вступлений ^ = , V! ).

Третий этап - решение обратной кинематической задачи. Как уже отмечалось выше; процедура решения сводится к сравнению теоретически рассчитанного непродольного вертикального годографа с наблюденным. Считая, что времена первых вступлений упругих волн наблюденного годографа отличаются от вычисленных значений в тех же точках на случайную ошибку и предполагая, что ошибка распределена нормально с нулевым средним и дисперсией, можно допустить, что и случайная величина ^эксп (наблюденные времена первых вступлений) распределена нормально со средним значением

р(г.эксп)==--ехр

1 1 2

-- -- 11ЭКСП-Ф1(Ь1,У1)

- 2бг . 2б2 . 1

(3.5)

гжб

При этом полная совокупность наблюдений эксп, г2ЭКС11. ^эксп) будет иметь многомерное нормальное распределение

Р(У,К)= П Р 1 = 1

ехр

2б2

1/2Я6

1 = 1

эксп ф(к)

(3.6)

где- к = ( Й! , V! ).

Выражение (3.6) представляет математическую функцию (функцию цели), максимизация которой отражает динамику процесса оптимизации исходной сейсмогеологической модели на предмет ее соответствия реально наблюденному годографу. В конечном результате задача сводится к нахождению неизвестных параметров распределения V , Ь , б . Для максимизации функции Р (у,к) можно воспользоваться методами поиска, например, способом прямого поиска Хука - Дживса. Алгоритм сводится к последовательным шагам исследующего поиска вокруг базисной точки, за которой в случае успеха следует поиск по образцу.

В рабочем макете алгоритма решения обратной задачи использован метод поиска простейшего типа, который заключается в изме-■нении каждый раз одной переменной, тогда как другие остаются постоянными, пока не будет достигнут максимум Р (у,к).

Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что разработанные автором алгоритмы решения прямой и обратной задач МСК для горизонтально-слоистой среды с дискретным распределением скорости позволяют проводить автоматизированную интерпретацию непродольных вертикальных годографов без предварительной трансформации их в продольные, что значительно повышает точность определения пластовых скоростей и, соответственно, надежность оценки параметров геологической среды. Это подтверждается и апробацией разработок автора в различных инженерно-геологических условиях Восточной Сибири, проведенной специалистами Восточно Сибирского

раметров геологической среды. Это подтверждается и апробацией разработок автора в различных инженерно-геологических условиях Восточной Сибири, проведенной специалистами Восточно Сибирского треста инженерно-строительных изысканий и Института экологической геофизики ИрГТУ.

Глава 4. ЭКОГЕОФИЗИЧЕСКЙЙ МОНИТОРИНГ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Анализ концепций создания систем мониторинга геологической среды (в зависимости от информационного уровня обобщения) позволяет сделать вывод о преимущественном развитии трёх систем мониторинга- регионального, локального и оперативного, (Захаров, 1986; Кофф, 1983; Ещшин, Демидова, 1979).

Основой практической организации систем мониторинга служат картографические модели, в максимальной степени соответствующие современному уровню знаний при обосновании любых видов территориального планирования, в том числе природоохранных мероприятий (Зеегофер,1986). Картографические модели формируют на основе информационного блока, включающего: концепции, задающие основные направления исследований; систему карт, на которых отражаются условия и факторы, определяющие состояние геологической среды на заданный период; электронную базу данных, в которой заложены основные параметры как техногенных, так и природных геологических процессов и системы их экспертных оценок.

Итог комплексного анализа картографических моделей регионального и локального уровня обобщения заключается в решении . взаимосвязанных проблем, основными из которых являются: определение характера причинно-следственных связей между воздействием и последующим изменением геологической среды; выявление факторов, вызвавших изменения; оценка последствий этих изменений для хозяйственной системы и разработка критериев устойчивости; обоснование прогнозируемых показателей устойчивости.

Предпрогнозная оценка исходного качества гелогической среды и прогноз изменения ее устойчивости на региональном и локальном уровнях геоэкологических исследований широко использует результаты геофизических исследований. Как правило, база данных о состоянии геологической среды, в этом случае, включает серию стати-

ческих ФГМ геологической среды, сформированных по результатам инженерно-геологических и геофизических исследований на какой-то определенный момент времени. Информационное поле моделей содержит сведения о литологической дифференцированности геологической среды, выдержанности мощности слоев по вертикали, распространении в плане и на глубину многолетнемерзлых пород, степени однородности потенциально карстующихся отложений, фильтрационных свойствах среды, и уровне подземных вод, тектонической раздробленности и др.. На -этих этапах экологическая геофизика использует все классы моделей, разработанные в разведочной и инженерной геофизике (Вахромеев, Давыденко,1987; Огильви,1990; Вахроме-ев,1995).

Как показали исследования автора, на стадии оперативного мониторинга устойчивости геологической среды приходится иметь дело с потенциально конфликтными в экологическом плане природ-но-техническими геосистемами, развитие которых часто идет по схеме экологических бомб замедленного действия -ЭБЗД (Вахромеев, 1995). Своевременное принятие управленческих решений по предотвращению катастрофических последствий в функционировании при-родно-технических геосистем (ПТГ) требует разработки динамических моделей, отражающих их развитие в физическом времени. В решении этой проблемы просматривается два направления.

Первое базируется на расчетных (математических) моделях поведения ПТГ. При расчетах учитывают наиболее важные и действенные факторы. Менее значимые факторы часто не принимают во внимание, хотя в некоторых случаях они могут служить спусковым механизмом в развитии опасных ЭГП. Это привносит в результаты математического моделирования элемент неопределенности, что часто бывает непростительным в оценке устойчивости экологически небезопасных ПТГ (например хранилища токсичных отходов, гидротехнические сооружения, атомные электростанции и т.д.).

Второе направление базируется на создании постоянно корректируемых динамических ФГМ, отражающих состояние ПТГ в физическом времени на основе мониторинга экзогенных геологических процессов. Развитие службы мониторинга ПТГ сдерживается трудоемкостью методов инженерной геологии, требующих бурения скважин либо проходки шурфов, с последующим отбором монолитов, лабораторным анализом и т.д., при этом нарушается целостность геологической сре-

ды. Цикл этих исследований должен повторяться с определенной дискретностью во времени, а это в большинстве случаев приводит к экономической нецелесообразности подобного решения геоэкологических проблем. Положительное разрешение этой проблемы возможно только на основе применения геофизических методов исследований через опосредованное отражение в геофизических полях (естественного и искусственного генезиса) состояния геологической среды и скорости развития ЭГП.

Особое место, которое занимают геофизические наблюдения в системе мониторинга обусловлено универсальностью геофизической информации, дающей возможность пространственно-временной оценки свойств геологической среды и их изменения во времени (Огиль-ви,1990). Меняя частоты физических полей, размеры измерительных установок и их ориентацию в пространстве геофизик может варьировать объемами вовлекаемых в эксперимент горных пород, получать числовые характеристики свойств горных пород в массиве, изучать анизотропию разреза. При этом геофизические исследования не нарушают сплошности геологической среды и могут повторяться сколь угодное число раз. Это выгодно отличает их от инженерно-геологических методов, требующих непосредственного механического контакта с геологической средой и информативность которых ограничена количеством выработок.

Возможность организации геофизического мониторинга на базе постоянно корректируемых динамических ФГМ с целью прогнозирования УГС к тем или иным воздействиям, основана на экспериментально подтверждённом закономерном изменении измеряемых петрофизи-ческих параметров по стадиям устойчивости среды. В общем случае средства прикладной геофизики надёжно выделяют по крайней мере три качественно различных состояния геологической среды:

I - фазу исходной, ювенильной, имманентно присущей геологической среде устойчивости;

II - фазу адаптации геологической среды к техногенной нагрузке или меняющимся природным факторам, характеризующуюся квазилинейными изменениями параметров ее устойчивости;

III- фазу нелинейных изменений характеристик УГС, как правило завершающуюся полной потерей ее устойчивости.

Мониторинг третьей фазы является ключевым моментом прогноза устойчивости природно-технической геосистемы и принятия мер по

предотвращению необратимых негативных процессов. Стратегия мониторинга заключается в своевременном распознавании начала активного состояния природной либо природно-технической геосистемы.

Можно выделить несколько качественно различных сценариев эволюции геологической среды.

Первый из них характеризуется непрерывными, но слабыми изменениями ее петрофизических параметров и вещественных характеристик, приводящих к постоянным, но достаточно плавным трансформациям ее качества. Типичный пример - преобразование горных пород и руд в зоне окисления рудных месторождений. В ходе этого гигантского по масштабам процесса рассеяния вещества и энергии первичные сульфидные либо окисные металлические руды в ходе физического и химического выветривания преобразуются в карбонаты, сульфаты, гидроокислы,что сопровождается генерацией тепла, естественных электрических полей и ведет к постепенному увеличению вертикальных размеров зоны гипергенеза. Примерно так же, плавно и постепенно, меняются параметры геологической среды под действием постоянной статической нагрузки от воздвигнутых зданий и сооружений, заполненной чаши искусственного водохранилища, тела плотины и т.п. По такому же примерно долговременному сценарию развивается процесс деградации многолетней мерзлоты.

Для всех процессов, развивающихся по описываемому сценарию эволюционного типа, характерна одна закономерность, которую можно использовать для прогнозирования, а именно переход от одной стадии устойчивости геологической среды к другой характеризуется различными градиентами скорости изменения во времени одного или нескольких характеристических петрофизических параметров среды. Для динамической ФГМ деградации криолитозоны такими временными реперами служат моменты начала формирования водонасыщенного и воздушносухого состояний соответствующих вертикальных интервалов геологического разреза, которым отвечают скачкообразные изменения удельного электрического сопротивления и скоростей распространения продольных и поперечных сейсмических волн грунтов.

При сценариях второго типа трансформация параметров геологической среды происходит практически незаметно, но в какой-то момент хотя бы одна характеристика среды меняет свою величину довольно резко и это предворяет практически мгновенные качественные изменения природной обстановки с

катастрофическими непоправимыми последствиями. Иными словами, эволюция качественного состояния геологической среды протекает по типу экологических бомб замедленного действия (ЭБЗД) и нередко заканчивается полной потерей ее устойчивости. По таким сценариям развиваются т.н. триггерные геологические процессы: землетрясения, оползни, цунами, провалы и проседания поверхности в результате карстово-суффозионной деятельности, потеря устойчивости и прорыв дамб водо-, шламо- либо хвостохранилищ.

Можно выделить в качестве самостоятельного еще один, третий сценарий развития процесса потери устойчивости геологической среды, представляющий собой как бы разновидность первого. Его отличительная особенность заключается в том, что главным фактором ухудшения качества геологической среды служат физические поля, инициированные вначале тем или иным видом антропогенного воздействия, а затем развивающегося лавинообразно, провоцируя возникновение цепочки вторичных физических полей, которые в свою очередь активизируют первичные поля, породившие их (например, повышенная солнечная радиация трассы подземного кабеля вдоль просеки в тайге, формирование линейного канала аномальной теплопроводности, проводимости, возрастание плотности теллурических, фильтрационных и др. естественных электрических токов и, как следствие, избирательное грозопоражение кабеля летом и его разрывы за счет морозного пучения (Тирский и др. 1996))'. Такой сложный лавинообразный процесс форсированно калечит геологическую среду.

Из практики экогеофизических исследований в качестве классических примеров мониторинговых наблюдений за динамикой развития опасных геологических процессов, иллюстрирующих возможности экогеофизических технологий, можно привести динамические ФГМ устойчивости геологической среды, пораженной оползневыми, геокриологическими и карстово-суффозионными процессами (Огильви,1990; Вахромеев,1995;Кожевников,Никифоров,1995).

Система действий по организации мониторинга автомодельна как на общем (региональный и локальный), так и оперативном уровнях и включает (Гамбурцев,1994; Никифоров, 1996): определение объектов исследования, оценку характера опасности, выбор наиболее информативных контролируемых экогеофизических индикаторов состояния геологической среды и обоснование комплекса методов

для их измерения, определение систем наблюдений и частоты опроса, оценку фона и его периодическую коррекцию, методику интерпретации наблюденных физических шлей, принятие управленческих решений. Важным элементом системы мониторинга любого ранга являются электронные базы данных и информационные технологии, позволяющие обрабатывать и анализировать разнородную информацию, прогнозировать состояние природных и природно-технических геосистем.

Эффективность использования данных мониторинга зависит от информативности количественных оценок критического состояния ПТГ. Численное значение последних может быть получено на основе критических значений деформаций, смещений, коэффициентов фильтрации и т.д., взятых из норм и правил при проектировании сооружений и соотнесенных посредством корреляционных связей с величинами полей, измеряемых экогеофизическими методами. Критерием состояния природно-технической геосистемы могут служить нормированные характеристики физических полей. В качестве исходного (нормального) поля, по которому в последующих временных измерениях нормируются наблюденные поля, берется значение физического поля, соответствующее установившемуся режиму развития ЭГЛ.

Анализ современного уровня развития систем мониторинга устойчивости геологической среды и их практической реализации, а также собственные исследования автора позволяют сделать следующие выводы:

1. Оптимальная стратегия создания системы мониторинга геологической среды предполагает соблюдение принципа "от общего к частному". К сожалению, современное экономическое положение России не дает оснований надеяться на то, что такой подход удастся реализовать в ближайшем будущем. Учитывая автомодельность систем мониторинга любого уровня в будущем наполнение единой системы мониторинга геологической среды новыми экогеофизическими технологиями целесообразно проводить на основе создания систем оперативного мониторинга природно-технических геосистем, потенциально конфликтных с позиций экологии .

2. Основой мониторинга на стадии оперативного контроля и прогноза устойчивости геологической среды являются постоянно корректируемые динамические ФГМ, отражающие состояние ПТГ через отслеживаемые экогеофизическими методами диагностические индика-

торы, что позволяет своевременно проводить мероприятия по предотвращению негативных для окружающей среды последствий.

3. Оценка геологической среды в режиме мониторинга немыслима без привлечения современных и разработки новых экогеофизичес-ких технологий для отслеживания геофизических полей и петрофизи-ческих параметров - индикаторов состояния геологической среды и направленности происходящих в ней геодинамических процессов.

Глава 5. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЭКОГЕОФИЗИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Заключительная глава иллюстрирует возможности разработанных автором подходов при решении практических задач на примерах оценки устойчивости геологической среды в условиях В.Сибири.

Ново-Нукутская зона интенсивного карстообразования

На территории поселка Ново-Нукутск развиты карстово-суффо-зионные, суффозионные, просадочные, просадочно-суффозионные явления, связанные как с естественными, так и с техногенными факторами. Интерес научно-исследовательских и изыскательских организаций к проявлению карстовых процессов на указанной территории проявился после потери УГС под зданиями и сооружениями, в частности поселковой школы. Комплекс геофизических методов включал: электроразведку на постоянном токе (ВЭЗ, СГ), непрерывное электромагнитное профилирование (НЭП), сейсморазведку в модификации КМПВ-ОГП, сейсмокаротаж и радиоизотопный плотностной каротаж.

Анализ полученных ранее геолого-геофизических материалов и результатов выполненных автором комплексных экогеофизических исследований показал, что на момент строительства школы (1958г.) геологическая среда была представлена карстующимися породами, перекрытыми мощной (10-12м) толщей суглинков, препятствовавших развитию процессов карстообразования за счет устранения инфильтрации атмосферных осадков, т.чк. уровень подземных вод, с учетом сезонных колебаний, расположен ниже зоны карстообразования. Здание школы построено на ленточном фундаменте с глубиной заложения до 3.2 метров. В процессе эксплуатации здания допускались утечки воды из инженерных коммуникаций. Другой причиной подтопления

послужило отсутствие надлежащего перехвата поверхностных вод лотками и дренажными устройствами.

Развитие карстовых пустот происходило быстрее, чем привнос в них тонкодисперсного материала за счет суффозии. Докозательст-вом этого служит формирование локальных аномалий повышенного удельного электрического .сопротивления в кровле скальных пород. Наряду с этим, в пределах скального основания на временном разрезе наблюдается потеря фазовой корреляции преломленных волн в виде субвертикальной зоны шириной 20-25 метров.

В результате выполненных исследований была разработана оперативная система мониторинга устойчивости геологической среды, в основу которой положены:

- периодическая оценка влажности среды по результатам измерения частоты и скорости затухания собственных колебаний тока/напряжения в заземленом кабеле;

- отслеживание изменений волновой картины на получаемом по методике ОГП временном разрезе КМПВ.

Экспертная оценка экологической безопасности проекта строительства хранилища токсичных отходов Сухоложского ГОКа.

Изучение погребенных и современных долин Патомского нагорья, формирование которых осложнено неотектоническими и ледниковыми процессами, представляет собой важную задачу. Ее актуальность обусловлена перспективностью указанных долин на обнаружение россыпных месторождений золота и потребностями инженерно-геологических служб при обосновании экологически безопасных способов разработки этих месторождений, а также в связи с проектируемым строительством Ленского золоторудного комбината (ЛЗРК).

Анализ морфологии речных долин Патомского нагорья свидетельствует о влиянии неотектонических и ледниковых процессов активизации -как на строение ложа долин, так и на формирование толщи рыхлых отложений (Ю.П.Казакевич,М. В. Ревердатто, 1972). В первом приближении ФГМ таких долин представляет собой двумерную линейную структуру, осложнённую локальными трехмерными неодноро-достями (Г.С.Вахромеев, С.П.Никифоров и др.,1989). При изучениии речных долин Патомского нагорья возникают специфические проблемы. Во-первых, их аппроксимация одномерной, а во многих случаях-

и двумерной моделями перестаёт быть допустимой. Во-вторых, широкое развитие многолетней мерзлоты приводит к появлению в разрезе высокоомных анизотропных экранов и нивелированию скоростных характеристик. В подобной ситуации естественно ожидать, что эффективность электроразведочных исследований может быть существенно повышена за счёт постановки ЗМПП.

Как известно, электрическая анизотропия не оказывает влияния на результаты индукционных электромагнитных зондирований с незаземленным источником (Матвеев,1974;Сидоров,1985). При исследовании горизонтально-слоистых сред отношение Ндмпп/Нбур всегда близко к единице. При этом вследствие присущей индукционным зондированиям Н - эквивалентности геоэлектрические разрезы с проводящим основанием особенно благоприятны для определения суммарной мощности надопорной толщи.

В 1986-91г.г.вдоль профилей, проходящих вкрест долины р.До-галдын и пространственно совмещенных с проектируемым створом плотины хвостохранилища токсичных отходов проведены исследования методами переходных процессов и ВЭЗ (Кожевников,Никифоров,1997). В результате было выяснено, что геоэлектрический разрез центральной части долины р.Догалдын представлен трехслойной (типа 0), а на ее бортах- четырех-пятислойной (типов КО. или КШ1) моделями. Мощность рыхлых аллювиально-делювиальных отложений, перекрывающих слой дезинтегрированных коренных пород, варьирует от единиц до десятков метров. Удельное сопротивление рыхлых отложений составляет (5-102-1-103 ) Ом-м в талом состоянии и (2-103—1 -104) Ом-м - в мерзлом, причем мерзлота проявлена на бортах долин и отсутствует в ее центральной части. Удельное сопротивление слоя выветрелых пород по данньм ВЭЗ заключено в пределах 1-2-102 Ом-м; толщина этого слоя на бортах долин составляет 10-15 метров, а на некоторых участках в ее центре достигает 25-30 метров. Ниже слоя выветрелых пород находится проводящее основание, представленное ненарушенными углистыми сланцами с удельным сопротивлением десятые доли-единицы Ом-м. На западном фланге выделена приуроченная к дизъюнктивному тектоническому нарушению зона интенсивной трещиноватости с развитой вдоль нее линейной корой выветривания.

По данным совместной интерпретации материалов ВЭЗ и ЗМПП, полученных при изучении долины р.Догалдын, удалось не только

скорректировать оценки глубины залегания геоэлектрических границ ВЧР, но и впервые выявить слой дезинтегрированных коренных пород - "кору выветривания", поверхность которого ранее ошибочно отождествляли с кровлей ненарушенного скального основания. Наличие "коры выветривания" внесло существенные коррективы в имеющиеся проекты строительства плотины и чаши хранилища хвостов флотации Ленского ЗРН, поскольку ее неучет приведет к фильтрации в окружающую среду экологически вредных (токсических) отходов.

Оценка и прогноз устойчивости, геологической среды в условиях повышенной сейсмической опасности

Освоение зоны трассы БАМ наряду с традиционными для Сибири неблагоприятными инженерно-геологическими факторами осложняется высокой сейсмичностью данной территории.

Это влечет за собой необходимость контроля за изменениями несущей способности грунтов в основании сооружений, вызываемыми многократными воздействиями землетрясений различной интенсивности. Учет этих факторов особенно важен при строительстве в условиях распространения дисперсных грунтов. Их реакция на сейсмические воздействия может сопровождаться эффектами неравномерного уплотнения и разжижения. Даже при слабых, но многократно повторяющихся землетрясениях эффект их воздействия суммируется, что может привести к скачкообразному изменению несущей способности фундамента и вызвать катастрофические последствия. Для количественной оценки и прогноза этих изменений (в частности деформационных свойств, пористости, плотности) необходим эффективный мониторинг (Никифоров,1996; Дмитриев,Никифоров,1996). Автором предложена система мониторинговых наблюдений за инженерно-геологическим состоянием сейсмореализующего слоя дисперсных грунтов, служащих основанием для строительства здания школы в поселке Таксимо. По сейсмической опасности территория отнесена к 9-балльной (ВостСибТИСИЗ;1990).

С целью изучения физико- механических свойств сейсмореали-зующего слоя проведены полеые сейсморазведочные работы методами КМПВ, сейсмо- и гамма-плотностного каротажа. По результатам инструментальных и инженерно-геологических исследований в пределах площадки строительства школы выделены грунты II и III категорий

по сейсмическим свойствам (СНиП-П-7-81). К грунтам II категории отнесены преобладающие в 10-ти метровом сейсмореализующем слое пески средней плотности мелкой и средней крупности, галечниковые грунты. К грунтам III категории - пески рыхлые и пески гравелис-тые водонасыщенные. Значительные вариации мощности рыхлых песков (от 3.8м. до 7.0м.) в пределах строительной площадки позволяют отнести основание фундамента проектируемого здания школы в разряд неоднородных по своим физико-механическим свойствам. Поскольку район относится к высокосейсмичным, данное обстоятельство является решающим фактором, способствующим развитию деформаций в основании здания школы за счет неравномерных осадок песков при импульсных воздействиях. Все это требует количественных оценок несущей способности фундамента, реализованных на основе постоянно корректируемой динамической физико-геологической модели в режиме оперативного мониторинга показателей УГС.

Основу динамической модели составляет опорный инженерно-геологический разрез исследуемой площадки, отражающий естественное состояние геологической среды и ее петрофизические параметры, которые являются исходными для отслеживания их изменения во времени под воздействием статической нагрузки сооружения и землетрясений. Как показали исследования (Дмитриев, Никифоров;1996), надежным индикатором изменения физико-механических свойств песков являются скоростные параметры сейсмических волн. Надежность количественных оценок скоростных параметров обеспечивалась посредством предложенного автором нового способа интерпретации'непродольных вертикальных годографов.

Примерный сценарий развития негативных последствий изменения несущей способности грунтовой толщи может быть следующим.

Учитывая, что 10-ти метровая толща песков неоднородна как по вертикали, так и по латерали, при воздействии статической нагрузки здания (согласно проекту она составляет 2кг/смг) следует ожидать различных по величине просадок. Это приведет к неравномерному распределению напряжений в несущих конструкциях здания, что в обычных условиях учитывается коэффициентом запаса прочности сооружения. Повторяющиеся с различной периодичностью сейсмические воздействия слабых землетрясений усложнят картину пространственного распределения напряжений в несущих конструкциях здания, спровоцированных деформациями в грунтовой толще сейсмо-

реализующего слоя. В итоге, накопленные в процессе импульсных воздействий деформации сейсмореализующего слоя и напряжения в несущих конструкциях здания могут привести при землетрясениях, интенсивность которых даже ниже расчетной для данного сооружения, к катастрофическим последствиям.

Систему сбора информации об изменениях УГС, опосредованных через скоростные параметры разреза, целесообразно организовать на основе сейсмокаротажа распределенных по равномерной сети скважин и реализованного по системе непродольных вертикальных годографов. Частота сбора информации о изменениях скоростных параметров сейсмореализующего слоя зависит от проявления землетрясений, т. е. после каждого сейсмического события силой 2 и более баллов проводится обязательный цикл измерений. В случае сейсмического затишья сбор информации следует проводить один раз в год осенью в условиях полной деградация сезонной мерзлоты. Обработка результатов инструментальных измерений скорости сейсмических волн ведется на основе непрерывно/периодически пополняющейся базы данных. Сравнительный анализ динамики изменения параметров устойчивости геологической среды должен производится не только 'по скоростным характеристикам, но и по рассчитанным на их основе физико-механическим параметрам.

Оценка устойчивости геологической среды нарушенной сплошности при импульсных нагрузках

Более чем десятилетнее участие автора в решении проблем сейсмического микрорайонирования урбанизированных территорий Прибайкалья (г.г. Иркутск, Черемхово, Шелехов, Бабушкин, Селен-гинск, Кабанск и т.д.) показывает, что существующие методы и методология сейсмического микрорайонирования не всегда обеспечивают получение необходимой информации об УГС среды при воздействии вероятных для данного региона сильных землетрясений, а также прогноз изменения сейсмоусгойчивости среды под воздействием техногенных Нагрузок (Лобацкая,Никифоров,1994; Таборов,Никифоров, Баулин, 1994; Дмитриев,Никифоров,Серова, 1990). Это связано как со сложностью изучаемых объектов, так и с недостаточной научной проработкой ряда теоретических и методических вопросов инженерной сейсмологии и сейсмического микрорайонирования. Наибо-

лее слабо изучено влияние пассивной тектоники на реакцию геологической среды при сильных землетрясениях. Провоцирующая роль разломов в формировании очагов землетрясений общеизвестна. В то же время помимо сейсмогенных разломов - в пределах любого сейсмоактивного региона существует сеть разломов, пассивных по отношению к формированию сейсмического очага, но выступающих как неоднородности геологической среды, способные как усиливать, так и гасить воздействие сейсмических волн от землетрясений (Кофф,Ло-бацкая,1995;1997; Шерман, Адамович,Мирошниченко,1993).

Анализ макросейсмических обследований разрушений зданий и сооружений при катастрофических землетрясениях выявил сложную, и зачастую противоречивую зависимость макросейсмического эффекта от расположения и масштаба проявления зон тектонических нарушений (Айзенберг и др., 1995г; Клячко,1995г; Кофф, Лобацкая, 1991г. ; Кофф, Кобанцев, Лобацкая,1995г.). Этот факт подчеркивает важность разработки и внедрения в практику сейсмического микрорайонирования эффективной экспертной системы для оценки влияния тектонических нарушений на УГС.

К сожалению, существующие нормативные строительные документы, регламентирующие методику оценки сейсмической опасности строительных площадок, не обеспечивают построение удовлетворительной технологической цепочки для принятия решения.

Автором проанализированы различные аспекты экспертных оценок УГС с нарушенной сплошностью базирующихся на геометризации инфраструктуры разломных зон, включаещей их детальное картирование, ранжирование по степени потенциальной тектонической опасности. анализе вещества зон разломов с последующим определением временных интервалов активизации методами фрактографического исследования морфологии поверхности кварцевых зерен и механоак-тивации (Ружич,1996), методах математического и физического-моделирования (Гзовский,1975; Осокина,Фридман,1987; Шерман и др.,1983,1991). Предложена технологическая схема принятия решения о степени опасности участков геологической среды с нарушенной сплошностью, в которой связующим блоком экспертных оценок являются геофизические исследования, направленные на информационное сопровождение узкоспециализированных методов оценки УГС с нарушенной сплошностью.

В качестве примера рассмотрены комплексные инженерно-геоло-

гические и геофизические исследования по оценке устойчивости геологической среды нарушенной сплошности в пределах террритории проектируемого строительства в г.Улан-Уде (Лобацкая,Никифоров; 1994). В тектоническом отношении площадка расположена в пределах северо-восточного борта небольшого грабена (Трунев, 1975). По результатам геофизических исследований (ВЭЗ) зона разлома, окаймляющая левый борт грабенообразной структуры, в пределах опущенного блока которой и находится большая часть площадки, проявляется в виде значительного, от 90 до 30-10 метров, градиента глубины залегания кровли скальных пород и картируется как сброс. Его протяженность ориентировочно составляет 10~15км. Ширина зоны неблагоприятной для застройки не превышает 40-60 м (Кофф, Лобацкая,1991).

Структурные особенности проявления разлома в геологическом разрезе (опущенный и перекрытый мощной толщей отложений левый борт по сравнению с правым бортом, перекрытым отложениями относительно небольшой мощности) требуют сравнительной оценки реакции блоков горных пород на сейсмические воздействия по обе стороны разлома. Для этих целей проведены записи микроколебаний дневной поверхности геологического разреза. Регистрация микросейсмических колебаний осуществлялась сейсмологической станцией АСС 6/12 в комплекте с сейсмоприемником СК-1П.

Считая, что в пределах исследуемой площадки амплитудно-частотный спектр колебаний скального основания не изменяется, характеристики наблюденных на дневной поверхности микросейсмических колебаний будут определяться сейсмоакустическими свойствами среды. Последнее используется как мера реакции геологической среды на сейсмические воздействия в экспертных оценках.

Результаты анализа микросейсмических колебаний, наблюденных в различных по отношению к зоне разлома блоках геологической среды, показали отсутствие в амплитудно-частотном спектре значимых различий. Это указывает, что в пределах исследуемой площадки акустические свойства горных пород скального основания, слагающего борт грабенообразной структуры и рыхлых отложений, перекрывающих опущеный борт, близки по величине. Это позволяет сделать заключение об отсутствии резко различных по акустическим свойствам блоков горных пород в пределах исследуемой площадки и подтверждает выводы о нецелесообразности полного исключения из заст-

ройки зоны тектонических нарушений.

Для иллюстрации ситуации, которая в некотором отношении противоположна по сравнению с рассмотренной выше, приведем краткую сводку результатов, полученных в ходе сейсмического микрорайонирования проектируемой взлетно - посадочной полосы нового аэропорта г. Иркутска (Кожевников,Никифоров,1994). Исследования методом переходных процессов проводились по отдельным профилям с целью картирования линейных кор выветривания, различных по литологии и степени устойчивости блоков горных пород и т.п. Использовалась соосная установка с генераторной рамкой 50мх50 м и приемной - 25мх25м. Переходные процессы регистрировались в диапазоне от первых десятков до первых сотен мкс, что позволило получить представление о геологическом строении участка в интервале глубин от 10-15 до 50м. Максимальное различие между кривыми зон-дарований МПП, измеренными вдоль одного из профилей в пределах площадки проектируемого аэропорта незначительно. Все кривые двухслойные, их правые ветви выходят на горизонтальную асимптоту, соответствующую продольному сопротивлению подстилающих пород около 30-45 Ом-м. Поскольку остальные кривыеразличаются еще меньше, можно предположить, что геологическое строение исследуемого участка однородно.

Анализ результатов ЗМПП с привлечением материалов инженерно-геологических изысканий позволил сделать заключение об однородном строении ВЧР до глубины 40-50м. Физико-механические свойства ВЧР выдержаны по латерали, что дает основание аппроксимировать геологическую среду горизонтально-слоистой моделью. В этих условиях, сейсмоакустические параметры ВЧР, определенные по методу акустических жесткостей, представляют надежную основу для оценки реакции сейсмореализующего слоя на сильные землетрясения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом выполненные автором теоретические, модельные и экспериментальные исследования открывают новое научно-прикладное направление в экологической геофизике, которое можно условно назвать геофизикой чрезвычайных ситуаций. Основные полученные результаты могут быть резюмированы следующим образом:

1. Геологическая среда в условиях многофункционального использования ее человеком нуждается в систематической и серьезной

защите от деградации. Одним из основополагающих геоэкологических понятий является устойчивость геологической среды, определяемая как состояние ее структуры и свойств, соответствующих определенной стадии развития экзогенных геологических процесов. Защита геологической среды должна предваряться компетентной объективной оценкой и прогнозом ее устойчивости.

2. Анализ современного состояния проблем геоэкологии свидетельствует о том, что решение многих из них немыслимо без привлечения геофизических методов, ориентированных не только (и не столько) на структурно-геометрические исследования геологической среды, но - в первую очередь - на отслеживание динамики ее состояния. Сформированные на экспериментальных экогеофизических данных динамические физико-геологические модели необходимы в первую очередь на стадии оперативного контроля за УГС и принятия управленческих решений.

3. Необходимость проведения экологической эспертизы природ-но-технических геосистем и организации мониторинга требует развития новых экогеофизических технологий диагностики и контроля устойчивости геологической среды. Многие проблемы геоэкологии могут быть решены с помощью разработанных автором новых способов ее исследования (импульсная индуктивная электроразведка, сейсморазведка) .

4. При изучении геологической среды методами импульсной индуктивной электроразведки модель незаземленной петли в виде контура с сосредоточенными параметрами является довольно грубым приближением и противоречит результатам эксперимента. Математическое моделирование генераторной петли в совокупности с подстилающей ее ВЧР в виде системы с распределенными параметрами лучше объясняет экспериментальные данные и показывает, что на ранних временах выключения тока вследствие волновой природы процесса структура первичного поля петли существенно отличается от предсказываемой традиционной теорией индуктивной электроразведки. Учет этих явлений позволяет получать информацию об электромагнитных параметрах ВЧР в интервале глубин, недоступных в рамках традиционного подхода. Теоретически обоснованная и доказанная натурными экспериментами возможность наблюдения быстро устанавливающейся поляризации во временной области при индуктивном (МПП) и гальваническом (РСВП) способах возбуждения и приема поля

открывает новые перспективы перед электроразведкой мерзлых толщ (оценка льдистости и динамики ее изменения во времени).

5. Возможности малоглубинной сейсморазведки при изучении ВЧР и.оценки устойчивости геологической среды зависят от погрешности определений скоростей упругих волн. Существенное снижение этих погрешностей возможно на основе комплексного изучения ВЧР методом преломленных волн (с обязательньм использованием многократных систем наблюдений), методики регистрации и алгоритма обработки материалов микросейсмокаротажа, предложенных автором.

6. На основе анализа опубликованных данных, а также средствами математического и натурного моделирования изучены вопросы интерпретации ЗМПП при изучении ВЧР. Особое внимание уделено анализу переходных характеристик в присутствии разрезов с проводящим основанием. Выяснено, что при формировании априорных геоэлектрических моделей использование приводимых в печатной и фондовой литературе "средних" значений удельных сопротивлений анизотропных геологических образований приводит к ошибочным оценкам их продольных сопротивлений. Предложена и внедрена методика экспрессной комплексной интерпретации данных ВЭЗ и ЗМПП.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Артеменко И.В.,Кожевников Н.0., Никифоров С.П. К вопросу частотной дисперсии диэлектрической проницаемости мерзлых пород.

/ Тез. докл. конф. "Эволюционные геокриологические процессы в Арктических регионах и проблемы глобальных изменений природной средни климата на территории криолитозоны". - Пущино, 1995. --С. 97-98.

2. Артеменко И.В., Кожевников Н.0., Никифоров С.П. Моделирование переходных и частотных, характеристик мерзлых грунтов с учетом диэлектрической релаксации в кристаллах льда / Тез. докл. на международной геоф. конф. "Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками". - Санкт-Петербург, 1996. -- С. 35-36.

3 . Артеменко И.В., Кожевников Н.0., Никифоров С.П. К проблеме устойчивости геологической среды в условиях многолетнемерз-лых пород / Тез. докл. на Всеросиуской науч. тех. конф. " Экология и геофизика". - Дубна, 1995. - С.32-33.

4. Вахромеев Г.С..Дмитриев А.Г.,Кожевников Н.О. .Мироманов

А.В., Никифоров С.П. Геофизические исследования речных долин в районах неотектонической активизации / 10 Всесоюзный научно-технический семинар. Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач. - М.: ВСЕГИНГЕО, 1989. - С. 80-81.

5. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Кирзнер И.Б., Никифоров С.П. Методика трехкомпонентного микросейсмокаротажа обсаженных скважин / Всесоюзная конференция совместно с VIII научной сессией Дальневосточной секции МСССС:Тез.докл. - Владивосток,1989.--С. 7-8.

6. Вахромеев Г. С.,Кожевников Н.0. .Никифоров С.П. .Никитин И.В. Малоглубинные ЗСБ при инженерно-геологических изысканиях в Ленском районе / Применение геофизических методов при поисках и разведке россыпных месторождений, нерудного сырья и подземных вод: Тез.докл. к конференции. - Свердловск, 1987. - С. 20-21.

7. Вахромеев Г.С.,Кожевников Н.0., Никифоров С.П..Никитин И.В. Методика регистрации ранних стадий переходных процессов при решении задач инженерной геологии и гидрогеологии / Геофизические методы в гидрогеологии, инженерной геологии и шахтной геологии: Тез.докл. к конференции. - Донецк, 1987. - С. 52.

8. Вахромеев Г.С..Дмитриев А.Г.,Мироманов А.В.,Никифоров С.П. Многократные сейсмические системы наблюдений при изучении речных долин в условиях многолетней мерзлоты / Применение геофизических методов при поисках и разведке россыпных месторождений, нерудного сырья и подземных вод:Тез.докл. конференции.-Свердловск, 1987. - С. 23-23.

9. Дмитриев А.Г.,Никифоров С.П. Физико-геологические свойства песков и их связь с акустической жесткостью. / Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века. -Новосибирск: Наука, 1996. - С.187-193.

10. Дмитриев А.Г.,Никифоров С.П. .Серова Г.Е. Прогнозная оценка реакции грунтов на сейсмические воздействия / Тез.докл.конф. "Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта. Ташкент, 1990. - С.118-119.

11. Дмитриев А.Г., Никифоров С.П., Соловьев В.К. Комплексная машинная обработка материалов ВЭЗ и ЗСБ при изучении речных долин в условиях многолетней мерзлоты / Тез. докл. II конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике В.Сиби-

ри. - Иркутск.1984. - С. 189-190.

12. Дмитриев А.Г.. Мироманов А.В.,Никифоров С. П. Опыт использования сейсморазведки при изучении техногенно-аллювиальных отложений в Южной Якутии / Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. - Свердловск, 1986. - С.

- 107-113.

13. Дмитриев А.Г., Кожевников И.О., Никифоров С.П. Методика регламентации процесса комплексной интерпретации материалов ВЭЗ и ЗСБ на ЭВМ / Геофизические методы в гидрогеологии, инженерной геологии и гидротехнике.: Тез.докл. к конференции. - Ереван, 1985. - С. 47-48.

14. Караваев Ю.А., Кожевников Н.0., Никифоров С.П. Опыт применения кондукторов в электроразведке методами переходных процессов и зондирования становлением поля / Геофизические исследования месторождений полезных ископаемых в В.Сибири. - Новосибирск: изд-во СНИИГГИМСа, 1982. - С. 119-122.

15. Кожевников Н.0..Никифоров С.П. Импульсная электроразведка в оценке однородности геологической среды при сейсмическом микрорайонировании / Тез.докл. межреспубликанской шк. семин. "Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование".- Иркутск, 1994. - С. 37-38.

16. Кожевников Н. 0., Никифоров С. П. Принципы регистрации ранних стадий неустановившихся процессов / Опыт применения и пути улучшения методики геофизических исследований на рудных и нерудных месторождениях. - Свердловск: С Г И, 1988. - С. 90 - 97.

17. Кожевников Н.О., Никифоров С.П. Электромагнитный мониторинг ВЧР на основе исследования собственных колебаний тока в незаземленной петле. / Тез. докл. на международной геоф. конф. "Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками" -

- Санкт-Петербург, 1996. - С.61-62.

18. Кожевников Н.0., Никифоров С.П. Изделия из обожженной глины - новый объект исследований в индуктивной электроразведке.

/ Тез. докл. Междунар. геоф. конф. "Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками",- Санкт-Петербург. 1996. -С. 62-63.

19. Кожевников Н.О. .Никифоров С.П. Изучение современных и погребенных речных долин Ленского района электроразведочными методами/Геоэкология. 1997.N2. С.100-110.

20. .Кожевников H.0., Никифоров С.П., Снопков C.B. Исследование быстропротекающих процессов вызванной поляризации в мерзлых породох / Геоэкология. - 1995. N2. С. 21-29.

21.Кожевников Н.0.,Никифоров С.П. Геоэлектрические модели сложнопостроенных речных долин Бодайбинского рудного района /Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. Сборник научных трудов.-Иркутск: ИрГТУ,1995.-С.67-78.

22. Кругляк В.П.,Мироманов A.B. и др. Решение прямой и обратной задачи микросейсмокаротажа / Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых В.Сибири: Тез. докл. к конф. -

- Иркутск, 1990. - С. 132-133.

23. Лобацкая P.M.,Никифоров С.П. Оценка устойчивости геологической среды в зонах тектонических нарушений при сейсмических воздействиях /Тез. докл. межреспублик-кой шк. семин."Сейсмический риск я сейсмическое микрорайонирование".-Иркутск, 1994.-С. 73-74.

24. Мироманов A.B., Никифоров С.П., Пилипченко Н.Д.Методика комплексных геофизических исследований при инженерно-геологическом изучении погребенных россыпей / 12 конф.молодых научн. сотр. по геологии и геофизике В.Сибири: Тез.докл. • - Иркутск, 1986. - С. 188-189.

25. Никитин И.В., Никифоров С.П. Анализ влияния паразитных электромагнитных связей на результаты метода переходных процессов // 12 конф. молодых научн. сотр. по геологии и геофизике В.Сибири: Тез.докл.- Иркутск. 1986. - С. 180-181.

26. Никифоров С.П. Модели устойчивости геологической среды при решении задач геоэкологии / Сборник докладов межрегиональной науч.-тех. конф. "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения. - Братск, 1996. - С.60-68.

27. Никифоров С.П., Кожевников Н.0. Комплексный показатель неоднородности геоэлектрического разреза / Геология, поиски и разведка месторождений полезн.ископаемых В.Сибири: Тез. докл. -

- Иркутск, 1989. - С. 84.

28. Таборов В.И.,Никифоров С.П.,Баулин Ю.И. К вопросу сейсмического микрорайонирования в Восточно-Сибирском регионе / Тез.докл. межреспубликанской шк. семин. "Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование". - Иркутск. 1994. - С.46-47.

29. Способ геоэлектроразведки / A.c. 1429787 (СССР). 1990.

30. Способ геоэлектроразведки / A.c. 1695248 (СССР). 1991.

31. Kozhevnikov И.О. and Nikiforov S.Р. Superparamagnetism of bricks and the possibility of its use for archaeological prospection and monuments-state monituring / Abstr.4th national conference on Archeological Science, Bornemouth University,1993.

32. Kozhevnikov, N.O. and Nikiforov, S.P. Magnetic viscosity of fired clays and possibility of its use for archeological prospection / Proc. of the Archeological Sciences Conference, Bornemouth University, 1995 -P.163-169.

33. Kozhevnlkov, N. 0., Nikiforov,S. P. Transmitter loop oscillating transients and the possibility of using them, in shallow - depth geoelectric studies / Abstr. 57. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft. Potsdam, 1997.-S.99.

Информация о работе

Никифоров, Семен Прокопьевич
доктора геолого-минералогических наук
Иркутск, 1997
ВАК 04.00.12

Автореферат

Похожие работы