Высокодетальное расчленение придонных отложений с применением акваториальной геофизики

Подробности Автор: Козак С.З. Богомолова Л.С. Шабанов А.В.

В статье описана технология геофизических исследований, позволяющая выполнять высокодетальное литологическое расчленение придонного слоя на глубину до нескольких метров, выделять участки субаквальной разгрузки. Установлено, что использование донной установки ВЭЗ позволяет выделять мощность первого слоя от 2-3 см. На практических примерах в различных регионах России показана эффективность разработанной технологии при детальном литологическом расчленении придонных отложений и прослеживании во времени процесса заиления водоносных горизонтов.

Ключевые слова: высокодетальное литологическое расчленение, донные микроВЭЗ, кольматация (заиление) придонных отложений.

Проблема высокодетального изучения придонных отложений в ходе разведки на воду возникает обычно при оценке условий восполнения запасов отбираемых подземных вод за счет поверхностных вод рек или озер, расположенных вблизи водозаборов. Как правило, наибольший интерес представляет слой мощностью до 2-3м, редко до 5м, но при этом характеристики этого слоя должны быть изучены с достаточной для практики достоверностью.

Представляется очевидной целесообразность применения геофизических методов для решения следующих задач:

  1. Расчленение придонных отложений с выделением в них в разрезе и плане участков, сложенных хорошо и слабопроницаемыми породами. Одним из наиболее важных аспектов здесь представляется изучение слоя кольматации (заиливания) верхней части придонных отложений, часто определяющего как возможность, так и интенсивность взаимодействия поверхностных и подземных вод.
  2. Выделение зон интенсивной субаквальной разгрузки, как перспективных участков, вблизи которых могут располагаться водозаборные скважины.
  3. Оценка изменения во времени (мониторинг) размеров слоя кольматации в придонных отложениях, образовавшегося в ходе эксплуатации водозабора.

Первые две из вышеперечисленных задач решаются в ходе поисково – разведочных работ на воду и результаты их решения учитываются при выборе точек заложения поисковых и эксплуатационных скважин, а также при геофильтрационной схематизации для моделирования с целью оценки запасов подземных вод и условий их восполнения.

Решение третьей задачи позволяет понять возможные причины изменения производительности эксплуатационных скважин и быть полезным при принятии технических решений, направленных на восстановление производительности водозабора.

При выборе методов решения поставленных задач мы руководствовались следующими положениями:


  • Методы должны иметь четкие физические предпосылки, чтобы обеспечить простоту и достоверность интерпретации получаемых материалов.
  • Технология полевых работ должна быть проста, хорошо известна или легко осваиваема исполнителями, имеющими среднее или более высокое образование.
  • Аппаратура и оборудование должны иметь небольшой вес и размеры, чтобы полевые работы могли выполняться группой из двух – трех человек, а в случае крайней необходимости – одним специалистом. Это условие нам было подсказано многолетним опытом работ, когда приходилось выполнять акваториальную геофизику по таежным и горным труднопроходимым рекам и ручьям, где производительность часто определяется не скоростью измерений, а скоростью передвижения пешком или на легкой надувной лодке (иногда автомобильная камера достаточных размеров).

Наиболее сложной является задача высокодетального расчленения придонных отложений. Перед нами была поставлена задача обеспечить выделение непосредственно на дне слоев с мощностью начиная с первых сантиметров.

К моменту разработки технологии как в ЗАО « ГИДЭК» (1), так и в других организациях (2) имелся опыт решения подобных задач с применением электроразведки и сейсмоакустики, однако мощности выделяемых прослоев составляли от первых метров до 10 – 15м и более.

Сопоставление возможностей сейсмоакустики и электроразведки предопределило выбор именно электроразведки, что определялось в первую очередь возможностью оценки литологии первых сантиметров придонных отложений. Богатый опыт применения электроразведки показал, что обычно оценка литологии по удельному электросопротивлению (УЭС) выполняется с пригодной для практики достоверностью. Дополнительными аргументами были относительная простота электроразведочных технологий и сравнительная легкость натурных исследований в условиях плохой проходимости по рекам и ручьям.

Для выбора типа расстановки (донная или надводная) были выполнены теоретические расчеты для типовых ситуаций от горных рек и озер с ультрапресными водами (минерализация часто заметно ниже 0.1 г/л) до равнинных водотоков и водоемов (минерализация 0.25 – 1г/л).

Из – за ограниченного объема статьи приведем только один из вариантов таких расчетов (рис. 1) для равнинной реки (М = 0.2 – 0.3 г/л, УЭС = 40 Омм) с меняющимися мощностями придонного ила от 2 см до 1м (УЭС = 20 Омм), подстилаемого глиной (УЭС = 10 Омм, мощность – 1м) и ниже по разрезу - хорошо промытыми песками или гравийно – галечными отложениями (УЭС = 300 Омм).

Мы рассматривали надводную (рис.1, А) и донную установку (рис.1, Б) с изменением мощности придонного ила от 2 см до 1м при глубине до дна 10м.

Дополнительно был выполнен анализ зависимости результатов измерений от глубины измерений при неизменном строении придонных отложений (рис.1, В).

Выполненные нами в большом объеме для различных типовых ситуаций расчеты позволили сделать выводы, наиболее важными из которых для практики представляются следующие:

  • Донная установка по сравнению с надводной всегда более детальна при расчленении придонных отложений небольшой мощности.
  • При глубине до дна, превышающей мощности горизонтов, требующих выделения, применение надводной установки не позволяет выполнить расчленение придонных отложений с пригодной для практики достоверностью.
  • Наименьшая мощность первого слоя придонных отложений, которая может быть выделена с использованием придонной установки, ограничена размерами электродов и фактически составляет 2-3 см.
  • Форма и положение на графике кривой донного ВЭЗ заметно зависит от глубины измерений только до глубины, не более мощности изучаемого интервала. Если же глубина сопоставима с мощностью изучаемого интервала придонных отложений, то кривые ВЭЗ одинаковы при любой глубине водотока или водоема, что существенно облегчает совместный анализ кривых и их количественную интерпретацию.
  • Обязательным условием получения достоверных результатов измерений является расположение установки на дне, на границе раздела сред с различными значениями удельного электросопротивления. В противном случае результаты измерений могут быть существенно искажены. Наиболее сильно искажаются результаты измерений для первых маломощных слоев.

С учетом результатов расчетов и опыта работ установка для донной электроразведки для детального расчленения придонных отложений представляет из себя жесткий стержень из диэлектрика (трубка из достаточно твердого пластика), на котором размещены кольцевые электроды с расстояниями, меняющимися в геометрической прогрессии со знаменателем 1.2 – 1.6. Первый электрод – токовый, остальные – приемные. Обычно расстояние от токового электрода до первого приемного составляет 2 – 3 см, а общая длина установки меняется от 3 – до 6м. Электроды обычно делают из свинца, при этом токовый электрод должен быть более тяжелым, чтобы обеспечить расположение электродов на дне даже при большой скорости течения. Второй токовый электрод относится на расстояние, не менее, чем в 5 раз превышающее длину установки. Таким образом, это аналог трехэлектродной установки или установки «экспресс – зондирования», разработанной в 1980 – годы во «ВСЕГИНГЕО». Отметим, что аналогом этой технологии является метод «бокового каротажного зондирования (БКЗ)», хорошо известный специалистам с 50-х годов ХХ века. Учитывая относительно небольшие размеры применяемой расстановки, далее в тексте мы используем термин «донные микроВЭЗ».

Полевые измерения могут выполняться любой выпускаемой сегодня электроразведочной аппаратурой. В ЗАО «ГИДЭК» был изготовлен макет одноканального измерителя, подключаемого к компьютеру с алгоритмом измерений, позволяющим в течение от 30 сек до 1 минуты выполнить измерения по 10 каналам (10 разносов АО). Вес самого измерителя – около 0.3 кг. Время измерений определяется длительностью времени пропускания тока (от 1сек до 3 сек). Измерения выполняются в режиме одиночных разнополярных импульсов, при необходимости выполняется накопление

Формальная интерпретация донных зондирований (решение обратной задачи ВЭЗ для донной установки) хорошо известно (3). Оценка литологического состава пород выполняется с учетом опыта работ и имеющихся данных бурения со дна.

Для выделения участков субаквальной разгрузки мы применяем термометрию и резистивиметрию (кондуктометрию) с их очевидными физическими предпосылками: разница подземных и поверхностных вод по температуре и минерализации.

Технология полевых работ и интерпретации результатов акваториальных термометрии и резистивиметрии описаны в (1, 4) и в этой статье не рассматривается.

Отметим, что измерение УЭС (или проводимости) воды с одновременным измерением глубины до дна является обязательным элементом описываемой технологии, чтобы учесть параметры слоя воды при решении обратной задачи донных микроВЭЗ.

Перейдем к описанию примеров высокодетального расчленения придонных отложений.

Пример 1. Работы выполнялись в Мурманской области, на озере Пагель.

Перед работами были поставлены следующие задачи: оценка наличия и мощности ила по дну озера, определение литологического состава подстилающих его отложений, выделение возможных участков субаквальной разгрузки по дну озера.

Для решения поставленных задач были отработаны 15 профилей, по которым были выполнены работы комплексом методов: донные микроВЭЗ, термометрия и резистивиметрия с измерением в придонном слое воды. Работы выполнены зимой, со льда, с опусканием измерительной установки донных микроВЭЗ и датчиков температуры и УЭС воды через лунки во льду толщиной более 1м. Расстояние между точками измерений по профилям составляло 50 – 100м, максимальный разнос АО = 4м.

Пример результатов интерпретации полученных данных приведен на рис. 2. Оценка литологии проводилась с учетом результатов наземных ВЭЗ и данных бурения.

Отметим некоторые особенности геоэлектрического разреза придонных отложений, типичные по опыту работ для геоэлектрических условий Мурманской области. Все литологические разности, выделенные нами, имеют заметно более высокие значения УЭС, нежели для центральных районов и юга России. Илы и торф на участке имеют УЭС = 60 – 80 Омм, супеси и суглинки с гравием, галькой и валунами имеют УЭС = 100 – 500 Омм. Дополнительно укажем, что хорошо промытые пески с валунами. гравием и галькой по данным наземных ВЭЗ имеют УЭС = 600 – 900 Омм, иногда до 1000 – 1200 Омм.

Представляется очевидным, что осадконакопление этих отложений происходило с ультрапресными водами и с большим количеством валунно – галечного материала.

Основные принципы выделения зон субаквальной разгрузки представляются очевидными из рисунка и его условных обозначений (рис.2).

По результатам выполненных исследований определены зоны распространения ила, установлено, что мощность его составляет 2 – 3см, а также, что на глубину до 2-3м донные отложения под илом и на участках его отсутствия повсеместно сложены супесями и суглинками с большим количеством грубого материала (валунов, гальки и гравия).

По данным термометрии и резистивиметрии установлено положение зон субаквальной разгрузки в зимнее время.

Полученные материалы были использованы при гидрогеологическом обосновании геофильтрационной модели.

Пример 2. Работы выполнялись по р. Волге, в ходе выполнения поисково-разведочных работ по островам для водоснабжения г. Саратова.

Основной задачей работ являлось детальное расчленение придонных отложений р. Волги.

Работы выполнены с использованием донных микроВЭЗ зимой, через лунки во льду толщиной около 1м, по дну реки, по четырем профилям, пересекающим р. Волгу и одному увязочному вдоль центральной части реки. Шаг по профилям составил 50 – 200м при их длине до нескольких километров, максимальный разнос АО = 6м.

Фрагмент геоэлектрического разреза приведен на рис.3. Литологический состав придонных отложений определялся с учетом опыта наземных ВЭЗ и опыта работ в аналогичных условиях. По результатам работ были выбраны точки для бурения скважин. Результаты бурения хорошо совпали с результатами донных микроВЭЗ.

Установлено, что мощность илов составляет 0.2 – 0.3м при УЭС = 7 – 10 Омм, что позволяет предположить их невысокую проницаемость. Подстилаются они на глубину до 3 – 4м суглинками и глинами с прослоями песков как хорошо промытых, так и глинистых.

Мы полагаем, что отложения этих илов были сформированы после затопления прибрежной зоны р. Волги в советское время, поскольку, как правило, они приурочены к зоне затопления. В русле р. Волги, по фарватеру, на самых глубоких участках с быстрым течением ил не фиксируется или сильно опесчанен, потому что по значениям УЭС совпадает с супесями и суглинками (УЭС= 15 – 25 Омм). Укажем, что на момент измерений УЭС воды составило 25 – 28 Омм (минерализация около 0.4 г/л).

Результаты работ были использованы при гидрогеологическом обосновании геофильтрационной модели.

Пример 3. Работы выполнены по берегу р. Мзымты в ее нижнем течении, в зоне прибрежного Адлерского водозабора.

Основная задача, поставленная перед донными микроВЭЗ - выделение слоя ила в по дну реки и оценка возможного изменения конфигурации зон заиления (кольматации) в целевом водоносном горизонте, сложенном валунно – галечными отложениями с песчаным заполнителем.

Особенностью режима р. Мзымты, как и многих горных рек, являются существенные изменения как расхода реки, так и скорости сноса материала во время паводков и межени. При этом условия накопления придонных осадков могут кардинально меняться.

Во время паводка придонные отложения могут перерабатываться на глубину от первых сантиметров до нескольких метров (основные определяющие факторы – скорость течения и состав сносимого речными водами материала).

В период межени, когда скорость течения относительно невысока, предположительно должны откладываться преимущественно тонкие осадки, представленные взвесями глинистого материала.

Донные микроВЭЗ выполнены по профилю вдоль левого берега р. Мзымты, на котором расположен Адлерский водозабор. Точки наблюдений закреплены на местности либо реперами, либо краской на бетонных плитах, которыми выложен берег. Измерения производились в мае (после паводка) и в сентябре (в межень) 2010г. Максимальные разносы ВЭЗ составили АО = 3м.

На рис. 4 приведен фрагмент геоэлектрического разреза по профилю, по которому выполнялись донные микроВЭЗ. Отметим. что по данным наземных ВЭЗ и бурения УЭС целевого водоносного горизонта, сложенного валунно – галечными отложениями составляет на глубину до 15 – 20 м УЭС = 300 - 800 Омм, иногда до 1000 омм. Эти значения являются фоновыми при анализе изменений УЭС, вызванных заилением (кольматацией придонного слоя).

Основные результаты донных микроВЭЗ сводятся к следующему:

  • На дне реки Мзымты уверенно фиксируется слой относительно слабопроницаемых отложений мощностью 2 – 3 см с УЭС 9 – 20 Омм. Визуально эти отложения представлены смесью глины с карбонатным цементом.
  • После весеннего паводка 2010г эти отложения не менее, чем на половине профиля к маю оказались смыты (рис.4, а), но к межени (сентябрь 2010г) они полностью восстановились).
  • Как после паводка, так и в межень 2010г фиксируются зоны с УЭС = 50 – 300 Омм. Мы полагаем, что это зоны, по которым глинистая взвесь переносится к работающим скважинам.
  • Необходимо отметить, что размеры зон с увеличенным содержанием глинистой взвеси после паводка заметно больше, чем во время межени.
  • Таким образом, можно ожидать, что сразу после паводка в воде, откачиваемой водозаборными скважинами, содержание глинистой взвеси будет относительно больше, чем во время межени.

Полученные данные использовались при геофильтрационном моделировании.

В заключение приведем основные выводы:

  • Разработана и опробована технология комплексных донных геофизических измерений методами донных микроВЭЗ, термометрии и резистивиметрии, позволяющая выполнять высокодетальное литологическое расчленение, выделять зоны субаквальной разгрузки по дну водотоков и водоемов.
  • Установлено, что донные микроВЭЗ позволяют выделять придонные отложения при мощности первого слоя от 2-3 см и более.
  • Показана эффективность этой технологии при изучении придонных осадков на глубину до нескольких метров.
  • Показана возможность использования донных микроВЭЗ для оценки изменения во времени процесса заиления целевого водоносного горизонта.
  1. Методические рекомендации по применению акваториальных геофизических методов при решении гидрогеологических и геоэкологических задач. М. МПР РФ, ГИДЭК, 2004г.
  2. Калинин А.В. Калинин В.В. Мусатов А.А. Владов М.Л. Модин И.Н. Методика, техника и результаты комплексных геофизических исследований на акватории р.Москвы. В книге Геологические проблемы Московской агломерации: сб.научн.тр./Под ред.Г.А.Голодковской, А.В.Калинина.-М.:Изд-во МГУ, 1991 г.
  3. Электрическое зондирование геологической среды. Часть 1. Прямые задачи и методика работ. Под ред. В.К.Хмелевского и В.А.Шевнина. – М. Изд-во МГУ, 1988.
  4. С. З. Козак. Состояние и перспективы развития геофи зических методов при поисково – разведочных работах на воду. «Разведка и охрана недр», 2003, №10, стр. 30 – 32.
  • < Назад
  • Вперёд >

Главное меню

Рекомендуем ознакомится: http://www.hydrogeoecology.ru