Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности формирования структуры порового пространства и проницаемости глинистых пород в процессе их объемных деформации

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования структуры порового пространства и проницаемости глинистых пород в процессе их объемных деформации"

' У)

ЖШСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР Всесоюзный наутшо-ксследовательский институт гидрогзологии и шяанерной геолог;ш (ВСЕГИНГЕО)

На правах рукописи УДК 556.342:532.546.3

Р0ЯТБЛАТ Елена Арнольдовна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ «ОРМИРОЗАНИН СТРУКТУРЫ ПОРОЗОГО ПРОСТРАНСТВА И ПРОНИЦАЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ ИХ ОБЪЕМНЫХ ДЕЮгаАЦКИ

Спэц:;альность 04.00.05 Гидрогеология

АВТОРЕ ГИРА'Г ,г.:ссортацкн на соггзгглкэ упскол аи.тклкг гглл-тдатз гсолого-к^зралсггг:;;з:а^

:сглн1, - 1УУ0

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО).

Научный,руководитель - доктор геолого-минералогических наук

Л.И.Кульчицкий.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогическюс наук

проф. С.С.Бондаренко (ВЗПИ);

кандидат геолого-ыинералогических наук В.А.Королев (МГУ км. М.В.Ломоносова).

Ведущая организация - Производственный научно-исследова-

.тельский институт инженерных изысканий в строительстве (ПШШС).

Зашита диссертации состоится "3& '* 19У0 г. в

О ч. на заседании специализированного совета К.О/1.11.01 по присуждения ученой степени кандидата геолого-минералогических наук при Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИ'ГЕО) по адресу: 142452, Московская обл., Ногинский р-н, поо,Зеленый, ВСЕГИНГЕО.

С диссертацией можно озк ломиться в библиотеке ВСЕГШ1ГЕ0. .

Просим Вас принять уг;стие в работе спецсовета или прислать Ваши отзывы в 2-х экз., г сверенные печатью, по указанному адресу на имя ученого секретатл спецсовета.

Автореферат разослан и2б " 1990 г.

Ученый секретарь специализи- . рованного совета, канд. геол.-мин.

наук ^у Цнп и Пси- И.М.Цьтина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Возрастание техногенной нагрузки на природную, в том числе и геологическую среду, обусловливает необходимость выработки новых подходов к оценке устойчивости и защитных свойств геологической среды. С этой точки зрения важной-задачей является оценка изолирующих сзойств глинистых пород, под которыми б первую счерздь понтазт нх флльтрационную и диффузионную проницаемость.

Накопленный в настояаее время в гидрогеологии, а также геологии нефти и газа эмпирический материал показывает, что в глинистых толпах встречаются горизонты с "аномальным" изменением свойств и структуры, которые характеризуются повышенной проницаемостью. Наличие таких горизонтов может сделать проблематичным, например, захоронение радиоактивных или токсичных отходов в смежные горизонты.

Таким образом, актуальность выполненного исследования определяется необходимостью дальнейшего развития представлений о формировании структур порового пространства в качестве фактора, определявшего проницаемость глинистых пород и в том числе их "аномальную" проницаемость, как в природных условиях, так и пг:. влиянием техногенных воздействий.

Целью настоящей работы является.развитие представлений о формировании структуры порового пространства глинистых пород кофактора, определяющего их проницаемость. Для реализации данном цели автором поставлены следующие основные задачи:

- исследовать структуру порового пространства неразрушаиг^-ми методами электросопротивления и вызванной поляризации;

- исследовать изменения физико-механических и фильтрационных свойств глинистых пород вследствие преобразования структуры порового пространства;

- оценить применимость результатов исследования в различных, практических важных случаях.

Методика исследований включала: анализ и обобщение опубликованного и фондового материалов по проблеме; проведение лаборатор-

них к натурных экспериментов по изучению /:з;..знешш структуры перового пространства я проницаемости глинистых пород в процессе их объемных деформаций; выполнение ког/плекешх натурных исследований на конкрзтных объектах.

Научная новизна работы.

Разработан способ оценки параметров порсБого пространства: сродного элективного радиуса пор ( ) и доли злектрохиыт'е-

ски-актиБНых пор 1 л ЭхА ) по данниы электрофизических пзызре-нпй и расчетов.

Предложен способ и равработача ношгркаю.ш. для определения коэффициента фильтрации песчшш-гли-шстых пород по параметрам, их порового пространства гэ и п .

Установлены следующие основные закономерности изменения структуры порового пространства и проницаемости глинистых пород под влиянием сбъешых деформаций:

- б процессе уплотнения измзнэния структуры порового пространстве. и определяемых ею свойств носят экстремальный характер;

- Езличина критической нагрузки, при которой происходит преобразование структуры, зависит от содержания и минерального состава глинистой фракции в породе, а также от состава, концентрации и температуры порового раствора;

- в определенном интервале нагрузок, преЕышалзих критическую возможен аномальный рост коэффициентов фильтрации и диффг/зии жидкости в породе нах результат преобразования структуры порового пространства породы.

Загатааеше научные положения:

1. Прогноз кзмзнечия проницаемости глинистых пород в процессе их объемных деформаций должен базироваться на экспериментальной оценке влияния нагрузки, действующей на пласт, на структуру порового просгранстЕа породы.

2. Доказан немонотонный характер из&зненкя структуры порового пространства :: проницаемости глинистых пород а процессе их уплотнения. При некоторых критических нагрузках, зависших от дисперсности и минерального состава твердой фазы, а также свойств порового раствора, возможен аноыальный рост коэффициентов фильтрации и диффузии ,-хидкости о порода.*

3. Предложен способ оценки параметров порового пространств; среднего эффективного радиуса пор и доли электрохимически-активных пор по параметрам электросопротивления и поляризуемости пес-чано-глинистых пород.

4. Установлена эширико-аналитическая взаимосвяеь между средним эффективным радиусом пор, долей электрохимически-актив-кых пор и коэффициентом фильтрации пезчано-глинистых пород, что позволяет оценивать изменчивость фильтрационных свойств как в Пространстве, так и во времени.

Практическая значимость работы заключается в том, что итоги выполненных исследований могут быть использованы для развития экспрессных методов оценки условий зашишенности подземных вод по геофизическим данным, а также для прогноза процессов уплотнения - разуплотнения глинистых водоупоров в результате изменения пластового давления при отборе или захоронении вод в смежных водоносных горизонтах.

Фактический материал. В основу работы положены лабораторные исследования, шпояненные. автором в период с 1984 по 1989 годы ь гидрогеофизической партии Комплексной гидрогеологической экстг"-цин и в лаборатории охраны подземных год ВСЕГИНГЕО. Исследовали-... как искусственно приготовленные, так и естественные грунты, ш го 64 образца. Кронэ непосредстпенных данных автора э рабз'.-г-пользовались результаты определений состава и свойств естесть::.-ных глинистых пород, полученные в лаборатории иняенерно-геоло".-ческих свойств пород КГГЭ ВСЕГИНГЕО, а также материалы геоф ских исследований, выполненных в рамках НИР в гидрогеофизиче^::: партии КГГЭ.

Апробация работы. Результаты работа докладывались и обеуедались ка 4-х Конференциях молодых ученых ВСЕГИНГЕО (1985-1989 гг.) и 6-м Всесоюзной симпозиуме по реологии грунтов в Риге (1989 г.). По теме диссертации опубликовано 5 работ. Результаты работ были яахогвны также в трех отчетах по хоздоговорный и 'госбэдЕпт'ыи темам, эапишенныы на НТО КГТЭ и ВСЕГИНГЕО.

Реализация работа. Результата проведенных лабораторных и натурных исследований свойств, структуры и водопроницаемости песча-но-гяиниотых пород использовалась в практике работ КГТЭ ВСЕГИНГЕО при изучении изменения гидрогеологических условий.а- лределах круп-

них промышленных объектов и крупных водозаборов в Московской и Владимирской областях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5.-глав,и заключения обшим объемом 135 е., включая 33 рис., II табл. и список использованной литературы из 76 наименований.

■Работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук Л.И.Кульчицкого, которому автор искренне признателен."

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за деятельную помошь и критические за»мечания д-ру геол.-мин.наук В.М.Гольдбергу, д-ру геол.-мин. наук С.Е.Гречишеву, кандидатам геод.-мин. наук С.З.Козаку, А.А.Рыжову и Р.И.Злочевской.

СОДЕРЖАНИЕ РА^Т.и

.Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ ПОРОЗОГО ПРОСТРАНСТВА И ПРОНИЦАЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ , ПОРОД И МЕТОДАХ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

. Распределение пор по размерам и качеству - структура порово-го пространства - важнейшая характеристика пород. Она определяет следушие петрофиэичеекке параметры: коэффициенты газо- и водо-. проницаемости, удельнуп электропроводность, электрохимическую активность и др. Структура порового пространства (СПП) является отражением структуры твердой матрица горной породы, с другой; стороны, она отражает особенности взаимодеГсг^ш заполнителя (флюида) с твердой фазой.

Изменение фильтрационной и диффузионной проницаемости глинистых пород в различных физико-химических и термодинамических условиях исследовалось в работах И.А.Брши' .нг, Р.Э.Дашко, В.Ы.Гольд-берга, Л.И.Кульчицкого, Б.И.Павилонскг/о, Н.П.Скворцова, а также Олсена, Лоу, Нойзила и др. Основой гая постановки таких экспериментальных исследований служат ра?работки грунтоведческой школы МГУ, изложенные в работах Е.М,Сергеева, Р.И.Злочезской, Р.С.Зиан-гирова, З.А.Кривошеевой, В.А.Королева, В.И.,0сипова, В.Н.Соколова и др. С другой стороны, для понимания природы процессов, протека-

юших в дисперсных глинистых породах, характеризующихся значительной поверхностью раздела фаз, необходимо привлекать результаты, накопленные в смежных науках: электрохимии, коллоидной химии,теории поверхностных сил. Ва^нейпие работы этого найра^ления связаны с именами Б.Б.Дерягина, Н.В.Чураева, В.М.Муллера, С.В.Нер-пина, Д.А.Фридрихсберга, О.Г.Усьярова и др.

Ли ад из совремзнных проставлений о формировании структуры ■ порового пространства глин н различных физико-химических и термодинамических условиях показал:

- нарушение баланса поверхностных сил, а также структуры граничных фаз влечет за собой изменение как деформационно-прочностных, так и фильтрационных свойств глинистых пород;

- преобразование порозого пространства глинистой порода в процессе её уплотнения носит немонотонный характер; зоны аномального изменения структуры и свойств приурочены к областям емз-ны одного типа контактов на другой (коагуляционных на переходные и переходных на фазовые).

Анализ современных методов исследоя-шнл структуры поропого пространства пород показал:

- большинство практических методов опрэделенил функции р?-?-прэделения пор по размерам основано на представлениях просто:? капиллярной модели (пучок параллельных капилляров), в то гре;>г, как реальные пороше каналы характеризуются мсгочислонныки пересечениями и сужениями;

- при подготовка к исследование нэсбходзгго обезволивать сС-разец, что приведет к необратимым изкзк:::«:.':« в структуре порозе-го пространства глин;

- методы, позволяшие статистически полно описать весь спе..л) размеров пор з настояпее время отсутствует.

Ввиду этого, специфика свойств глинистых пород может быть 1<словно отражена всего в двух качестзэнко различных типах пер: ;.': 1кропоры или коагуляционные контакты, в которых. оеузЗствляется силовое взаимодействие частиц, представляют собой участки перекрытия граничных фаз и являются ответствен."™» за деформ&цкенне-прочностные свойства глинистой породы; макрепоры - основные трс V-портные магистрали, в которых перекрытие храчичных фаз и связан-

- в -

:;ао с ним эффекты отсутствуют; ыакропоры определяют процессы ц^ухьтрации и диффузии в глинах.

Вследствие того, что геометрические характеристики пор не поддаются прямому определению," для установления связи между СПП и проницаемостью или электропроводностью породы используются различные модели, призванные отражать основные, характерные ч§р-щы изучаемого объекта..Для глинистой породы такими чертами явля-вгся:

- наличие качественно различных типов пор;

- существенное влияние граничных фаз на физические характеристики системы в целом.

Этим требованиям отвечает капиллярно-статистическая модель Маршалла, модифицированная A.A.Рыжовым применительно к описанию явления вызванной поляризации СВП) в-горных породах. Согласно диффузионной гипотезе, потенциал ВП возникает в результате образования градиента концентрации порового раствора на контакте пор различного размера IА.Ф.Постельников, Д.А.Фридрихсберг, М.П.Сидорова и др.) либо на контакте порового раствора и глинистого заполнителя (В.В.Кормильцев и др.). Предложенная А.А.Рыжовым обоб-венная модель горной порода как электрохимически активной систе-ш включает помимо упомянутых активных элементов, также капилляр, свободно проводящий вешество и заряд, в котором ВП не возникает (пассивный). Согласно данной модели, общая злектропроводность элементарного объема среды 60 равна сумме электропроводностей электрохимически-активных ба и пассивных <э„ капилляров, с учетом соответствующей пористости:

^о = ваГ1а + 6л"п Ч)

Величина поляризуемости определяется только изменением электропроводности активных капилляров

---ga - • 100 %, (2)

<оа па + е„ пп

где tia I пп - пористость, определяемая активными и пассивными капиллярами, соответственно.

Для вычисления удельно!? электропроводности электрохимически-активных и пессипных капилляров А.А.Рыжовым были получены следушие формулы:

6Й=

2€

Га

и с„ с~р

к ко.

-¿к

'ООО }

~ С0.0. \

-С.

г N ■ МСО

2 N40001

— Сап

(¿Г, (3)

) ¿г,

(4)

2 /V ¡000'

определяемая пассиз-

где б" п» 6 а ~ удельная электропроводность ними и активными капиллярами, С,У|?;

пп, Па - пористость, определяемая пассивными и активными

порами, атм

г

ед.;

Г а - радиусы пассивных и активных капилляров, - валентность ионов;

р - число Фарадея, К /моль;

ц к»«а ~ подшаности катконоз и анионов, м^/В.с;

С кп» Сап " !С0!1ЧеитРаЦ:!я катионов и анионов вдоль направо • ния, совпадаэзего с направлением радиуса з пассивном капшгля; моль/1^;

С иа, Саз - то яе в активном капилляре., моль/г/*;

/7- число гидратации иона.

В качестве параметров порового пространства в формулах ■ выступают значения г п 11 отрапеэдие в обобшенном виде хар". : • тзр распределения крупно- и мелкодисперсной фракции, наличие шин или других дефектов структуры, а также коэффициенты пп к ГГ к позволяшяие на основании эффекта ВП оценить степень неоднородности порового пространства и проследить за изменением соотношения электрохимически-активных и пассивных пор в случае внешних воздействий на породу. Таким образом, методы электросопротивления и вызванной поляризации могут использоваться в качестве тонкого нераэруаавдего инструмента исследований порового* пространства глй-' нистых пород.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выбор образцов для исследования проводился из соображений излучения объектов с заранее заданными свойствами: Са-форгы хао-л:шита, гпдрослюды, монтмориллонита, размзр Фракции менее 5 мкм

- 17 -образцов; пылевато-глинистые смеси кварц (фр. 20-50 ыкм) + гидрослюда С фр.менее 5 мкм) с содержанием глины 10,-18, 25, 50, 75, 100 % - 25 образцов; а также исследовались породы естественной структуры: глины юрского Еозраста С Владимирская обл. РС$СР)

- 15 образцов и лессы четвертичного возраста Шурек, ТССР) - 6 образцов. Состав и свойства пород определялись в лабораториях иняенерно-геологических свойств пород КГГс) и ВСЕГИНГЕО.

Глины юрского возраста характеризуются алевропзлитовой структурой и слабоупорядоченной текстурой. Срэди минералов глинистой фракции преобладает гидрослюда и смешаннослойные, присутствует каолинит; среди неглинистых - кальцит, кварц, пирит. Природная влажность образцов юрских глин серии 1-44 серии П -37 Ъ\ коэффициент пористости 1,3 и 1,0, соответственно; удельная поверхность - 174 м*7г.

В главе также дается характеристика юрской глинистой толши в естественном залегании, приводится сопоставительный разрез и данные о её фильтрационных свойствах по различным участкам Сред-неклязьминского месторождения подземных вод НАБ. Анализируется опыт режимных геофизических наблюдений за изменением свойств юрских глин в процессе длительных откачек (по фондовым данным).

Лессы верхнечетвертичного возраста, отобранные из шурфов на абразионнообвальном уступе на южном берегу Нурекского водохранилища, характеризуются следующими показателями: содержание фракции менее 5 мкм - 18-20 %, естественная влажность — 4,7 %, коэффициент пористости - 1,11; удельная поверхность - 4Б м^/г. В составе глинистых минералов преобладает гидрослюда с незначительной примесью каолинита и хлорита.

Глава 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯ .

В соответствии с задачами исследований, был осуществлен широкий комплекс лабораторных экспериментов, направленный на

изучение зависимости от величины уплотняшей нагрузки следуших физических характеристик глинистых грунтов: удельного электрического сопротивления и поляризуемости, коэффициента трения и адгезионной прочности, коэффициентов фильтрации и диффузии воды, а также методом РЭМ изучалась микроструктура образцов. Приводятся сведения о методах и средствах измерений, схемы измерительных устройств,-Проанализированы и оценены ошибки экспериментов. Изложена методика оценки параметров порового пространства - среднего эффективного радиуса пор и коэффициента электрохимически-активной пористости - по данным электрофизических измерений и расчетов.

Средний эффективный радиус пор определялся путем подбора по совпадения рассчитанного по формуле (3) и измеренного значения удельного электросопротивления (УЭС). При этом значения п п. приближенно равные обшей пористости образца, были определены экспериментально, также как и значения С 0 - концентрации внутри-порового раствора. Для определения значения потенциала Штерна 4^1 из системы известных (В.Д.Соболев, И.П.Сергеев, Н.В.Чураев, 1983) нелинейных уравнений задавались в виде констант значения предельного числа мест адсорбции - Г0, подвижностей и зарядов ионов раствора; предполагалось отсутствие специфической адсорбции и физическая адсорбция на стенке иоков одного сорта (катионов). Все константа выбирались по результатам сопоставления расчетов по данным формулам с экспериментальными данными, опубликованными в виде зависимостей ЧГ1 = / (С ) в работах (В.Д.Соболев,И.П.Сергеева, Н.В.Чураев, 19ВЗ и Д.А.Фридрихсберг, М.П.Сидорова, Т.П.Голуб, Т.А.Писклакова, 19БЗ). Далее, значения электрического потенциала , наблюдаемого на расстоянии х от стенки капилляра, определялись подбором из нелинейного уравнения Лэнгмюра Напоттг» 1УЗШ,

По известным значениям Чг определялись локальные концентрации - ^^ - катионов и анионов, в соответствии с уравнением Больцыана для ионов вдали ст заряженных поверхностей. Наконец, значения С кп, подстаялялись. в уравнение (3) и численным методом определялось значение интеграла.

Ксэф^. /ьл? &яек?рох»шичсски-активной пористости па также о^сднгллся путем подбора до совпадения рассчитанного-по форму-ía: (2-4) и экспериментально полученного значения поляризуемости, ik'íi этом рассматривались две схемы:

1'. Радиусы активного и пассивного капилляров равны и зависят от нагрузки (случай, характерный для песчано-глинистых смесей) .

2. Радиус пассивного капилляра изменяется в соответствии с нагрузкой, а радиус активного капилляра является фиксированным и равным дебаевскому радиусу экранирования (случай, соответствующий образцам природных глин и глинистых паст).

Все расчеты выполнялись на ПЭВМ ДВК-3 по программе, разработанной А.А.Рыжовым.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование изменения структуры порового пространства глинистых пород в процессе их уплотнения методами электросопротивления и вызванной поляризации показало следующее:

- с ростом уплотняющей нагрузки (Р ) наблюдается возрастание доли электрохимически-активных пор в общем объеме проводящей среды вплоть до некоторой критической нагрузки ( PRp ) и последующее - резкое снижение этой доли;

- зависимости г э (Р„ ) также имеют экстремальный характер. Значения PRp , соответствующие минимальным значениям среднего эффективного радиуса пор, зависят от минерального типа глины и количества глины в смеси, возрастая с увеличением её процетного содержания.

Результаты микроструктурных исследований методом РЭМ с последующим оптико-структурным анализом фотоизображения поверхности свежего скола образца позволяют заключить, что по мере уплотнения происходит сначала уменьшение средних размеров микроагрегатов породы, а затем, при нагрузках» превышающих критическую, происходит распад первичной коагуляционной структуры на "мозаику" микроблоков, разделенных сетью микротрещин, что выражается в укрупнении размеров микроагрегатов, появлении полимодальности и росте дисперсии распределения агрегатов по размерам.

По образцам глинистых паст и пылевато-глинистых. скесей отмечается нарастание адгезионной прочности по мерз уплотнения вплоть до РКр , а затем резкое её снижение.

На зависимостях коэффициентов фильтрации и диффузии воды а породе от Рп также отмечаются участки аномального роста этих параметров в узкой области нагрузок.

Сопос.тавление данных экспериментальных исследований (см. таблицу) показывает:

1. В процессе уплотнения глинистых пород изменение структуры их порового пространства (СПП) и определяемых ею свойств носят немонотонный (экстремальный) характер.

2. Величина критической нагрузки, при которой происходит преобразование СПП, зависит от содержания и минерального состава глинистой фракции в породе.

3. В определенном интерзале нагрузок, превышавших критическую, возможен аномальный рост коэффициентов фильтрации к даф^у-зии жидкости в породе в результате преобразования СПП породы.

Таблица

Критические нагрузки, МПа, уплотнения песчано-глинистых пород и смесей по данным различных методов

Состав

Критические нагрузки

по УЭС

по поляризуемости

по сдвиговой (адгезионной; прочности

по

данным РЭМ

по фильтрации

По диффузии

Са-каолинит..........2,4 - 2,4 3,2

Са-гидрослюда ... 3,2-5,0 - 3,6 3,2 Са-монтморилло-

нит..........................4,0 - 4,2 3,0

Ьрская глина естественной структуры 3,0 3,0-3,5 3,0 3,0

3,0-5,0

Окончание таблицы

Состав

Критические нагрузки

по УХ по поля- по сдви- по по филь-

ризуе- говой дан- трации

мости (адгези-' ннм Пп _„,■ онной) РЭМ ДИф-

прочно— щузии сти

Пылевато-глини-стые смеси с содержанием глины.

10 %

25 %

50 %

100 £

1,0 1,0 2,5-3,0

3,0

0,8-1,0 2,4

•3,6-4,0

1.8-2.4 4.8-5.2

Четвертичный лесс естественной структуры

0,6-0,Ь 0,5

Глава 5. ПРИМЕРА ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

взаимное соответствие принятых моделей гидравлической и электрической проводимости создает предпосылки для оценки прони-црокости глинистых пород на основе таких характеристик их поросого пространства как средний эффективный радиус пор и доля г/.зктрохимически-активных пор. В отличие от разнообразных корреляционных и полуэмпирических зависимостей, связывавших коэффициент фильтрации с обшей п или гидравлически-активной пористостью порода, либо непосредственно с удельным электросопротивлением р и поляризуемостью породы г^ , предлагаемый способ оценки фильтрационных свойств автоматически учитывает как вариации литологического состава, так и различия в составе и минерализации поровых вод, что позволяет отказаться от трудоемких и дорогих работ по получению представит,ельной статистической выборки для взаимной корреляции значений Кф - п или Кф - ( Ц ,уО ).

Автором предлагается определять коэффициент фильтрации во-донасышенных песчано-глинистьгх пород по треугольной номограмме, по сторонам которой отложены, соответственно, значения среднего эффективного радиуса пор ( ), мкм, электрохимически-активной пористости ( "эха ), отн. ед., и коэффициента фильтрации (Кф), м/сут (см.рисунок).

Средним радиус пор, wkm

Номограмма для определения коэффициента фильтрации песчано-гли-нистых пород:

Юрские глины различных участков МАЕ: I - Акрихин, 2 - Новый Спас. 3 - Петушки, 4 - Барсково; четвертичные суглинки МАБ: 5 - Акрихин; четвертичные супеси и глинистые пески: б - участок Молодцово, Центральный Казахстан »

При этом, значения г э и п эха определяют по данным измерений удельного электросопротивления, поляризуемости, обшей пористости горных пород, с учетом состава и концентрации порового раствора с использованием формул (1-4) по методике, изложенной •з главе 3.

Точка на плоскости треугольной номограммы, определяемая координатами гэ и п эха , одновременно соответствует определенному значению Кф,

Предложенный метод определения К^ был апробирован на представительной статистической выборке (45 параметрических измерений), в которой значения полярпзушссти и УХ определялись катодом ВЗЗВП в сквагинз или на поверхности земли; значения обшей пористости, состава и концентрации пороных растворов - стандартны-шглабораторными катодами, а значения коэффициента фильтрации песчано-глшистых пород - по данным опытно-фильтрационных работ (откачек, наливов и нагнетаний в сквакины и щурфы)._____________

Полученные результаты (см.рисунок) показывают, что в пределах одного литологического типа и территории возмоаны значительные вариации Кф, обусловленные особенностями структуры (например, в глинах юрского возраста, опробованных в различных участках ЫАБ). Существенное влияние на величину коэффициента фильтрации оказывает и генерализация поровых растворов, с ростом которой увеличивается средний эффективный радиус пор и снижается величина электрохишгоескн-актпвной пористости (супеси участка Молод-цово, Центральный Казахстан).

Возможность использования электрофизических измерений для контроля за изменением СПП и проницаемости глин при их консолидации ^следовалась как в лабораторных экспериментах, так и 1п 511и .

В лабораторных экспершлэнтах уплотнение и электрические измерения проводились в специальной устройстве. В точение трах недель велись наблюдения за консолидацией образца юрской глины. Одновременно фиксировались-УЗС, поляризуемоеть, деформация образца. По мере консолидации сникаотся УЭС и возрастает поляризуе-кость образца, причем темп эких изкзнсний соответствует темпу развития деформаций. Ветвь декомпрессии (одна неделя) указывает на сохраненкз значительного остаточного изменения структуры, бы-рааишэгооя, в честности, в енкхвнии УЗС на 22 % по отногэниа к начальному ашлениэ, «ш> свядзтвльствуат о нзобраишоы закрытии швротрвэин. Используя предложенный ьзегод, давно «фнить кашне-} ыкэ гобффщ^нта ^иаьтрщии образца врской гшшн в результат®

консолидации: начальный Кф = 2,5*ДО-7 м/сут; конечный -!• Ю"7 м/сут.

Полевые измерения УЬС и поляризуемости юрских глин непосредственно в массиве проводились в 1966 г. во время.100-суточной откачки из нижележащего клязьминско-ассельского водоносного горизонта на полигоне ВСЕГИНГЕО (г.Петушки). Одновременно на той же глубине (7 м от кровли глин) по датчикам фиксировалось изменение пластового давления в глинах.

Снижение в результате откачки гидростатического напора нижележащего водоносного горизонта приводит к снижению взвешивавшего давления в глинах, вызывая тем самым рост эффективного давления на скелет грунта. Величина дополнительного давления на конец откачки составляла 0,5-0,6 МПа. Максимальные изменения УЭС (12 %) и поляризуемости (15 %) были отмечены в начале откачки. В дальнейшем наблюдалась слабая вариация этих параметров, вызванная как природными (осенний паводок), так и техническими факторами (перерыв в откачке, повышение дебита откачки).

Определенный по геофизическим данным коэффициент фильтрации составил: начальный I*Ю-^ м/сут; конечный - 4,5»10"^ ц/сут,

¡г нач з 2,02. Этот результат хорошо согласуется с отмеченным " конеч

ранее необратимым снижением проницаемости юрских глин в 1,5-2 раза, зафиксированным в ряде последовательных откачек 1960, 1983, 1986 гг. (Б.В.Боревский, О.Л.Олиферова и др., 1989; А.Г.Черняк, 1990).

Характер изменения УЭС и поляризуемости глин во времени указывает на то, что изменение проницаемости вызывается необратимым смыканием фильтрующих межблочных трещин в породе.

Таким образом, изменение УЭС и поляризуемости в процессе консолидации хорошо коррелирует с параметрами деформации и пластового давления глин, что является отражением перестройки структуры породы в результате внешних воздействий. Следовательно, целесообразно включение предложенного метода оценки фильтрационных свойств по данный геофизических измерений и. расчетов в комплекс для исследования разделявших толп при крупных опытно-эксплуатационных откачках и при режимных наблюдениях на действующих водозаборах.

Другим приложением результатов исследований является использование электрофизических измерений для оценки защитных свойств песчано-глинистых отложений. Комплекс геофизических измерений, методом ВЭЗВП был выполнен на крупном объекте загрязнения - участке Акрихин Ногинского р-на, Московской обл. в 1984-1986 гг. Гидрогеологические условия участка характеризуется наличием двух водоносных горизонтов: верхнего - безнапорного четвертичного, представленного аллювиальными и флювногляциальными разнозернис-аыми пескамг и супесями; и нижнего - напорного, сложенного трещиноватыми известняками верхнего карбона.

Разделяюшим водоупороы служат тешо-серые плотные глины кел-ловейского и оксфордского ярусов юрской системы. Мощность водо-упора резко снижается в юго-восточном направлении и выклинивается на Кудиновской флексуре. В верхнем водоносном горизонте существует крупный постоянный очаг загрязнения, связанный с утечками из промышленного шламонакопителя. Общая минерализация грунтовых вод вблизи него составляет 5 г/л.

По данным измерений поляризуемости и УЭС пород с учетом значений минерализации поровых растворов с использованием предложенного автором метода и номограммы были определены коэффициенты фильтрации юрской разделяющей толши и песчано-глинистых отложений четвертичного горизонта. Затем, с учетом мощности литологических слоев поДсчитывалась средневзвешенная по мощности величина фильтрационного сопротивления всего мг - кт. комплекса для какдой точки наблюдений. Для учета поглощающих свойств пород использовалась величина емкости ионного обмена - Е0 (Л.И.Кульчицкий, В.М. Гольдберг, 1969), также взвешенная по мощности для каждой точки наблюдений. По этим двум показателям были выделены типовые разрезы участка, характеризуемые определенными интервалами значений фильтрационного сопротивления и емкости поглощения пород.

По результатам типизации построена схема защитных свойств песчано-глинистых отложений MZ - на участке Акрихин. Схема отражает литологическую и гидравлическую неоднородность территории; позволяет выявить наименее защищенные участки эксплуатируемого верхнакарбонового водоносного горизонта; дает возможность скорректировать значения коэффициента фильтрации разделявшей глинистой толщи с учетом высокой минерализации загрязненных вод.

Таким образом, предложенный способ определения коэффициента йлльтрации по данным геофизических измерений и расчетов может служить основой экспрессной оценки защитных сзойств песчано-гли-кистых отложений. Данный способ позволяет контролировать изменение проницаемости глинистых пород под влиянием высокой минерализации загрязненных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании исследований, выполненных автором по теме данной работы, получены еледустие оснозные результаты и выводы.

1. Показано, что прогноз изменения проницаемости глинистых пород в процессе их объемных деформаций должен базироваться на экспериментальной оценке влияния нагрузки, дейстзунзей ка пласт, на структуру порового пространства породи.

2. Установлены основные закономерности изменения структура порового пространства и проницаемости глинистых пород под влиянием объемных деформаций:

- изменения структуры порового пространства в процессе уплотнения носят экстремальный характер;

- величина критической нагрузки, при которой происходит преобразование структуры, зависит от содержания и минерального состава глинистой фракции в породе, а также от состава, концентрации и температура порового раствора;

- в определенном интервале нагрузок, превышает их критическую, возможен аномальный рост коэффициентов фильтрации и диффузии жидкости в породе как результат преобразования структуры порового пространства породы.

3. Предложен способ оценки параметров порового пространства: среднего эффективного радиуса пор лэ и ■аоли электрохимически-активных пор п эха по параметрам удельного электросопротивления и поляризуемости песчано-глинистых пород.

4. Предложен способ и разработана номограмма для определения коэффициента фильтрации песчано-глинистых пород по параметрам их Порового пространства: г э и п эха.

5. Результаты исследований могут быть использованы для решения следующих практически важных задач:

- для развития экспрессных методов оценки условий защищенности подземных вод по геофизическим данным;

- контроля и прогноза изменения фильтрационных свойств разделяющих глинистых толш в результате изменения пластового давления при отборе или захоронении вод в смежных водоносных горизонтах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Исследование структурно-текстурных характеристик глин комплексом лабораторных методов // Методы изучения свойств и состояния геологической среды: Сб. науч. тр. / ВСЕГИНГЮ. - М., 1987. - С. 40-46. Рук. деп. в ВИНИТИ № 4064-В87 от 05.06.87.

2. Исследование изменения структуры порового пространства глинистых пород в процессе их объемных деформаций методами электросопротивления и вызванной поляризации. Рук. деп. в ВИНИТИ

» 6539-В88 от 12.08.88 (соавторы: Л.И.Кульчицкий, А.А.Рыжов, С.З.Козак).

3. Трешинообразование в водонасыщенных глинах в процессе медленных объемных деформаций. - Тезисы докл. Х1У Всесоюзного совещания "Глинистые минералы и породы, их использование в народном хозяйстве". - Новосибирск, - 1988 (соавторы: Л.И.Кульчицкий, A.B.Павлов).

4. Методы исследования преобразований структуры пылевато-глинистых смесей в процессе их уплотнения // Результаты исследований в области гидрогеологии, инженерной геологии и геокриологии: Сб. науч. тр. / ВСЕГИНГЕО. - Ы., 1989. - С. 60-65.- Рук.деп. в ВИНИТИ № 2050-ВВД от 2У.03.89.

5. Мшсрореологическое исследование трешинообразования в водонасыщенных глинах при их уплотнении. - В сб.: Доклады 6-го Всесоюзного симпозиума по реологии грунтов. 4.1. Рига, 1989. -С. 59-64 (соавтор Л.И.Кульчлцкий),