ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО МЕТОДА НА СУЩЕСТВЕННО ГЛИНИСТЫХ РАЗРЕЗАХ (НА ПРИМЕРЕ РОССЫПИ АЛМАЗОВ «ИЛЬЯ-ВОЖСКАЯ ДЕПРЕССИЯ» В КРАСНОВИШЕРСКОМ РАЙОНЕ ПЕРМСКОЙ ОБЛАСТИ)
В мировой практике применения георадиолокационного метода можно отметить очень большое количество ярких примеров положительного решения инженерно-геологических, гидрогеологических и реже собственно геологических задач. Например изучение и выявление неоднородностей несущих грунтов, картирование и трассирование границ между опорными скважинами, изучение их морфологических особенностей; выявление карстовых и техногенных пустот, их оконтуривание в плане и на разрезах; определения уровня грунтовых вод, локализация мест разгрузки подземных вод; картирование погребенных структур: палеодолины, палеорусла и других элементов палеогидросети для оконтуривания россыпных месторождений; выявление скрытых локальных разломов и несогласий и т. д. Причем обычно это примеры работ, проведенных в хороших, если не сказать идеальных условиях для применения метода.
Для анализа оценки применимости метода георадиолокации рассмотрим принципиальную схему работы метода. Георадиолокация - это геофизический метод, в основе которого заложено изучение скоростных, амплитудных и частотных характеристик отраженных электромагнитных волн при прохождении их через исследуемые среды. В этом методе используются радиоволны, которые посылаются в исследуемую среду и отражаются от границ сред с разной диэлектрической проницаемостью. Затухание зондирующего импульса пропорционально удельной проводимости (σ) пород, поэтому по максимальной глубине зондирования на отдельном участке профиля можно оценить среднюю проводимость пород. Скорость распространения электромагнитной волны определяется диэлектрической проницаемостью (ε) сред, поэтому при измерении среднего значения ε по слою можно получить глубину отражающей границы.[1] Таким образом, георадиолокация, также как и сейсморазведка, является волновым методом, поэтому основные методические приемы, которые используются при геологической интерпретации сейсмических данных, применяются и при анализе материалов георадиолокации. Данная методика основана на анализе динамических и кинематических особенностей всей волновой картины – как сильных, так и слабых отражений. Глубинность метода зависит от используемой центральной частоты зондирования, т.е. антенного блока радара и от состава исследуемых пород. В георадиолокации используются частоты от 35 МГц до 1,7 - 2 ГГц. С уменьшением частоты зондирования увеличивается глубинность, но, соответственно, падает разрешающая способность по глубине, в не больших пределах разрешающая способность уменьшается с глубиной (например для антенного блока с центральной частотой зондирования 150 МГц разрешающая способность составляет 0,3-0,5 м, а для АБ 400 МГц – 0,1-0,25 м; для высокочастотных антенных блоков разрешающая способность составляет первые сантиметры при максимальной глубинности в 1,5 – 2,5 м, а для низкочастотных – первые метры при максимальной глубинности до 45 – 50 м).[7]
Поскольку глубинность, а, следовательно, и возможность применения метода для решения собственно геологических задач (при прочих равных условиях) зависит от удельного затухания зондирующего импульса в исследуемых средах, а удельное затухание пропорционально удельной проводимости пород, то и о глубинности исследования можно судить по составу (обычно рыхлых) пород верхней части разреза.[8] Таким образом породы с высоким удельным сопротивлением – такие как кварцевые, кварц-полевошпатовые слабо глинистые не влагонасыщеные пески, галечники, валунно-песчано-галечные смеси, скальные не выветрелые или слабо выветрелые горные породы различного генезиса, средняя диэлектрическая проницаемость (ε) которых колеблется в диапазоне от 2,5 до 10 (у воздуха ε = 1) характеризуются наименьшим затуханием электромагнитного импульса и являются наиболее благоприятными для радиолокации [1,3]. Такой вывод как раз и подтверждается многочисленными примерами из практики георадиолокации. На них в этой работе мы не будем заострять свое внимание, отметим лишь, что особых проблем при работе на подобных разрезах не возникает, и поставленные задачи решаются очень эффективно и в кратчайшие сроки.
Но далеко не во всех случаях задачи детального картирования элементов верхней части разреза могут быть поставлены в выше описанных благоприятных геологических условиях. При увеличении глинистой составляющей в рыхлых отложениях, при высокой обводненности исследуемых разрезов, средняя диэлектрическая проницаемость возрастает до 30 – 40, а повышенное удельное затухание в некоторых случаях снижает глубинность исследования до первых метров. На разрезах, характеризующихся преимущественно глинистым составом (80%-90% глинистых минералов) метод радиолокации практически не работает ввиду почти полного затухания зондирующего импульса. Таким образом, на данный момент, исходя из практики применения метода на подобных разрезах метод георадиолокации не всегда эффективен. Но все-таки не смотря даже на такие полученные на практике выводы можно говорить о некоторых отступлениях от них.
В ряде случаев при решении задач по расчленению верхней части разреза на некоторых объектах попадались такие «неблагоприятные» участки профилей, но когда покровные глинистые отложения изучаемого разреза имеют малую мощность, состоят на 30-35 и более процентов из песчано-гравийно-галечных фракций и не водонасыщены или имеют относительно большую глубину промерзания, в таких случаях мы получали достаточно качественные радарограммы, на которых можно выделять основные элементы строения разреза, и изучать морфологические особенности их границ. На рис.1 показан один из таких участков. Профиль пройден по борту оврага в районе аварийного дома по ул. Гашкова 28 «Б» с антенным блоком 150 МГц георадаром «ОКО-2М»[2] с использованием скалолазного оборудования из-за большой крутизны склона. На профиле выделены границы коренных пород, представленных типичными верхнепермскими песчаниками, чередующимися с аргиллитами, поверхность которых выветрена и перекрыта четвертичными аллювиально-делювиальными суглинками и насыпными грунтами песчано-глинистого состава.[6]
Рис. 1 Георадиолокационный разрез по профилю 19 |
Как видно из рисунка основные элементы разреза достаточно отчетливо выделяются на радарограмме. Полученные нами данные полностью подтвердились проведенным на этом объекте бурением.
Данный пример является вполне обычным в нашем опыте проведения георадиолокационных исследований и таких примеров можно привести еще очень много. Поскольку диэлектрическая проницаемость воды составляет 81, то уменьшение ее содержания в суглинках естественно уменьшает и их диэлектрическую проницаемость. Поскольку ε льда = 4 то промерзание так же увеличивает глубинность метода, как уменьшение содержания воды. Поскольку обломочные породы (не сцементированные) характеризуются высоким удельным сопротивлением, то их присутствие и количество в составе глинистых отложений так же определяет эффективность применения на них георадиолокации.
Но в этой работе мы хотели бы показать некоторые особенности применения данного метода на глинистых разрезах. Для этого подробно остановимся на примере георадиолокационных исследований на россыпном месторождении алмазов «Илья-Вожская депрессия»[5]. Здесь радиолокация была применена с целью картирования плотика россыпи в пределах поймы и трех надпойменных террас р. Кривая. Для работ использовался георадар отечественного производства «ОКО-2», с экранированной антенной АБ 150 МГц [2,7]. На этом участке работ было пройдено 11 георадиолокационных профилей для выявления предполагаемой локальной отрицательной структуры. Мы остановимся на одном достаточно показательном профиле, пройденном вкрест простирания предполагаемой структуры, над ее центральной частью.
Участок исследований расположен в Красновишерском районе Пермской области севернее пос. Сев. Колчим в долине р. Кривая.
В геологическом отношении площадь работ расположена в юго-восточном обрамлении Полюдово – Колчимского антиклинория, являющегося тектонической структурой IV порядка, выделяемого в пределах Щугоро – Вишерской структуры III порядка западно-уральской внешней зоны складчатости, являющейся структурой II порядка.
Структура Полюдовско-Колчимского антиклинория как по допалеозойским породам, так и по отложениям палеозоя имеет северо-западное (тиманское) простирание.
Стратифицированные образования, распространенные на площади месторождения «Илья – Вожская депрессия» имеют возрастной диапазон от рифей – вендского до четвертичного времени. Они представлены допалеозойскими терригенными образованиями, залегающими на них с тектоническим и стратиграфическим несогласием карбонатными породами колчимской свиты нижнего силура. Выше по разрезу залегают рыхлые осадки различных генетических типов (элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, озерные, болотные и смешанные из выше перечисленных отложения). Эти осадки имеют палеоген – неоген – четвертичный возраст. [5] Они представлены терригенными отложениями различной крупности, от глин и алевритов до валунов и глыб более 1 м в поперечнике, их минеральный состав обусловлен составом коренных пород. Плотиком россыпи считаются карбонатные породы колчимской свиты нижнего силура. Исследуемые рыхлые отложения имеют существенно глинистый состав (до 70% глин. Глины гидрослюдистые с незначительной примесью каолинита.), обломочный материал представлен песком кварцевым, разнозернистым, галькой и валунами кварцитопесчаников.
По размеченной линии профиль не удалось пройти на всю длину, ввиду значительной изменчивости альтитуд по размеченному участку и непроходимости некоторых участков. Поэтому профиль был разбит на серию профилей (1а, 1б, … ), проложенных либо на самой размеченной линии, либо в непосредственной близости от нее (± 3м, до 8м) с пропусками на непроходимых участках. Профиль был предварительно размечен по 10 м (± 0,9 м), поэтому привязка профилей на местности осуществлена по меткам оператора, поставленным напротив выставленных при разметке пикетов (см. рис.2). По результатам обработки и интерпретации полученных данных были выделены следующие элементы строения разреза (см. рис.3):
Рис. 3 Геолого-георадарный разрез по профилю 1 |
- границы: кровля плотных (коренных) пород (плотик) граница – IV, II. В рыхлых отложениях наблюдаются две границы: граница – III вероятно связана с наличием в районе надвига зоны тектонического брекчирования, граница – I полностью расположена в рыхлых отложениях и связана с различием в литологическом и (или) гранулометрическом составе рыхлых отложений, граница – 0 связана вероятнее всего с техническими возможностями прибора (зона нечувствительности прибора, составляющая 1,5 – 3 м). Для ее изучения необходимо применять более высокочастотные антенны.
слои:
- слой 1 прослежен от ПК 0 до ПК 6 на участках профиля а и б, представлен протерозойско – кембрийскими аргиллитами и алевролитами полуденно – колчимской свиты. Кровля слоя проводится по надвигу (граница IV), выделяемому на глубине 8 м на ПК 0 и понижающемуся до глубины 27 м между ПК6 и ПК 7 (скв. 30г ).
- слой 2 прослежен от ПК 8 до ПК 20 на участках профиля б, в, г представлен карбонатами и песчаниками колчимской свиты нижнего силура. Кровлей слоя является граница II, выделяемая на глубине 20 м между ПК 8 и 9 и повышающаяся до глубины до глубины 13 м на ПК12, выполаживающаяся к ПК 18 (глубина залегания 12 м), и резко повышающаяся к ПК 19 до глубины 7 м, до ПК 20 граница залегает субгоризонтально.
- слой 3 кровля слоя прослежена от ПК 0 до ПК 3 на участке профиля а, далее экстраполирована до ПК 6 (с глубиной уменьшается разрешающая способность антенны и границы сливаются в одну). Слой представлен крупнообломочным материалом (по данным локации) и генетически может быть связан с наличием зоны тектонического брекчирования в районе Колчимского надвига. Кровлей слоя является граница III, выделяемая на глубине 6,5 м на ПК 0 и понижающаяся до глубины 15 м на ПК6.
- слой 4 прослежен от ПК 0 до ПК 18 на участках профиля а, б, в, г представлен корами выветривания по коренным породам и различными генетическими типами рыхлых отложений MZ-KZ возраста. Кровлей слоя является граница I, выделяемая на глубине 3 м на ПК 0, являющейся субгоризонтальной до ПК 3 затем понижающаяся к ПК 7 до глубины 10,5 м, затем она слабо наклонная до ПК 9 (11,3 м), далее повышающаяся до глубины 3 м на ПК13, до ПК 18 граница залегает субгоризонтально.
- слой 5 согласно залегает на слое 4, и, по видимому, по всему профилю выходит на поверхность, но его верхняя часть (мощностью до 2 м) не дешифрируема по техническим характеристикам прибора. Литологически слой представлен глинисто – песчаными с щебнем и валунами рыхлыми осадками MZ-KZ возраста.[5]
Необходимо отметить, что по данным, полученным на этом и параллельных профилях зафиксированы аномально высокие скорости прохождения электромагнитной волны в комплексах рыхлых отложений, сложенных преимущественно глинистыми осадками. Значения скоростей лежат в пределах 14,6 - 13,8 см/нс против обычных 7,3 см/нс. Таким образом мы получили аномальные глубины (при пересчете из временного разреза в глубинный через среднее значение эпсилон (ε) по слою, которое составило 4 - 6 ед. (см. рис.3)) зондирования. Полезный отраженный сигнал на некоторых участках исследуемой площади был получен с глубин 28 – 30 м (!). При этом верхний слой («мертвая зона» прибора), в котором происходило формирование импульса, имеет вполне обычную ε, в среднем она равна 20. Поскольку данные по георадиолокации практически полностью были подтверждены бурением и горными работами (невязка по глубине составляла от 0(!) до 0,4 м, и лишь по одной скважине невязка превысила разрешающую способность антенны и составила 0,6 м), и о какой-либо существенной ошибке в определении ε говорить не приходиться, природу полученных аномальных значений стоит искать в физико-химических свойствах изучаемых пород. Поскольку гранулометрический и минералогический состав рыхлых отложений данной площади является вполне типичным, и кардинальных изменений как в плане, в пределах исследуемой территории, так и между слоями 5 и 4 по глубине не отмечается, следовательно такое различие в петрофизических свойствах разреза рыхлых отложений может быть обусловлено различной влагонасыщенностью слоев и разными термобарическими условиями их залегания.
Известно [4], что содержащаяся в горных породах вода находится в нескольких фазах, или агрегатных состояниях: рыхло-связанная, и ее подвиды и прочно-связанная и ее подвиды. Физические свойства рыхло-связанной воды очень не значительно отличаются от свойств обычной пресной воды (температура замерзания -1,5°С, ε = 81 и т.д.), но сильно различны с нормальными свойства прочно-связанной воды: температура замерзания -78°С, ε = 2 и т.д. По прочностным характеристикам этот вид воды отвечает больше твердым веществам, нежели жидкостям, но ее строение резко отличается от строения льда. Модуль сдвига ее всего в 300 раз меньше, чем у свинца. [4] Максимальное количество прочно-связанной воды примерно соответствует максимальной гигроскопичности породы. Таким образом условие состояния исследуемых глинистых пород, близкого к максимальной гигроскопичности, и при малых содержаниях рыхлосвязанной воды может объяснить полученные нами результаты и они не будут противоречить полученным раннее выводам о диэлектрической проницаемости глинистых пород. Т.е. присутствие прочно связанной воды в рыхлых отложениях слоев 3 и 4 по-видимому, определило их диэлектрическую проницаемость, а отсутствие или малое содержание рыхло связанной и свободной воды понизили удельное затухание зондирующего сигнала в этих слоях, что и позволило получить качественные данные с аномально больших глубин для данного метода. Такой вывод подтверждается и амплитудными характеристиками волнового поля в пределах указанных слоев на радарограмме.
Исходя из описанных выше примеров решения геологических задач с помощью георадиолокации, можно сделать следующие выводы:
- георадиолокационный метод может успешно применяться на разрезах со значительным содержанием глинистых пород.
- наиболее качественные данные можно получить при условии малого содержания рыхло-связанной и свободной воды в глинистых породах исследуемого разреза.
Литература
- Владов М.Л., Сторовойтов А.В. Георадиолокационные исследования верхней части разреза. Учебное пособие. Изд-во Московский университет,1999.
- Geo Scan 32. Программа управления георадаром «Око» и визуализации получаемых данных. Иллюстрированное руководство пользователя, 2004.
- Кабранова В.Н. Петрофизика М.: Недра, 1986.
- Трофимов В.Т., Вознесенский Е.А. и др. под ред. Трофимова В.Т. Грунтоведение – 6-е изд., переработ. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с.
- Отчет о георадиолокационных исследованиях на участке россыпного месторождения алмазов «Илья-Вожская» депрессия. ЗАО «Уралалмаз», 2005
- Отчет о георадарных исследованиях в районе дома по ул. Гашкова 28 «б». ОАО «Оргтехстрой», 2005
- «Око» Техническое описание. Инструкция по эксплуатации. ООО «Логис», 2004.
- Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии,- М.: Недра, 1987. 213с.
- Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика под редакциейДортман Н.Б. М.: Недра, 1984.
Балуев С.А. Романов А.С.
ООО "Пермгеорадар", Пермь 2006