Методика геофизических работ при изучении

карстовых процессов.

Физико-геологические модели и условия возникновения карстовых процессов позволяют определить основные задачи более детально. Решение их непосредственно связано с изучением экзогенного физико-геологического явления: выделение и литологическая характеристика массивов, сложенных растворимыми горными породами, включая оценку содержания нерастворимого осадка и наличия водоупорных пропластков; выявление экранирующей роли водоупорных образований, перекрывающих растворимые породы; определение положения местных и региональных водоупоров; картирование древних погребенных эрозионных врезов, являющихся местными и региональными базисами карстования; изучение тектонических структур, благоприятствующих развитию карста – в первую очередь разрывных нарушений и сопутствующей им трещиноватости.

Указанные задачи сложные для изучения и требуют совместного анализа различных физических полей. При этом наблюдения должны осуществляться не только с поверхности земли, но и в буровых скважинах и привлекать данные скважин. Наблюдения выполняются как для целей мелкомасштабного картирования на стадии проектирования нефтепровода, так и при детальном изучении карстовых процессов после строительства этих объектов.

Среди разнообразных наземных методов изучения карстовых явлений основная роль принадлежит электроразведочным. Электрические зондирования используются для изучения карстового рельефа кровли растворимых пород, их расчленения по литологическим признакам, выделения в разрезе тектонических, трещиноватых и закарстованных зон, изучения карстовой зональности, определения глубины залегания подземных вод и базиса коррозии, а также для решения многих других задач, связанных с вертикальным расчленением разреза.

Максимальные разносы при изучении неглубокого карста определяются выходом правой ветви кривой кажущегося сопротивления на асимптоту, соответствующую подстилающим породам. Сеть наблюдений должна быть густой, такой же как и при изучении оползней.

Для выделения поверхностных нарушений обычно применяются электрические профилирования на двух разносах. При малых разносах получают сведения о толще пород в пределах зоны аэрации. При большем разносе получают информацию о породах в зоне полного водонасыщения. Размер установок выбирают на основе рекогнасцировачных электрических зондированиях. Детальные изучения нарушений ведется при помощи трехэлектродных или дипольных установок.

Для изучения систем вытянутых карстовых объектов и зон трещиноватости применяются круговые зондирования и профилирования. Вытянутость полученных полярных диаграмм указывает направление карстовых пустот и трещин. Круговые наблюдения целесообразно комбинировать с профильной съемкой участка.

На современном этапе решение указанных задач эффективно выполнять с применением электрической томографии. В этом случае детальность изучения закарстованных участков, установление пустот небольших размеров и различных нарушений существенно повышается. Причем исследования многоэлектродными системами наблюдений лучше проводить с определением двух параметров горных пород в разрезе удельного электрического сопротивления и поляризуемости.

До недавнего времени при изучении карста методы сейсморазведки применялись в ограниченном масштабе. Однако последние достижения в области малоглубинных модификаций отраженными и преломленными волнами создали благоприятные условия для их широкого использования. При исследовании сейсмическими методами на закарстованных участках отмечается интенсивные затухания волн, поглощение и рассевание, что приводит к ухудшению записи.

Однако эти особенности позволяют качественно характеризовать нарушенность массива. Эти нарушения находят отражения в понижении значений граничных скоростей продольных и поперечных волн, уменьшении средних скоростей распространения волн в толще пород над карстовыми нарушениями и в самих полостях, если они заполнены переотложенным материалом. Сеть наблюдений должна быть густая, расстояния между сейсмоприемниками не более 1-2 м.

Анализ проявленности карстовых нарушений в поле силы тяжести свидетельствует о том, что при современной точности наблюдений методы гравиметрии достаточно перспективны при изучении этих явлений. Этому способствует приуроченность карста к зонам тектонической трещиноватости, отличающихся пониженной плотностью. В процессе исследований также необходимо проектировать густую сеть наблюдений. В отдельных случаях при исследованиях используются магнитометрия, термометрия и гамма съемка.

Геофизические исследования в скважинах дают возможность: определять структурную приуроченность карстовых проявлений; выделять закарстованные и трещиноватые интервалы и уточнять в разрезе положение отдельных полостей; характеризовать состав, свойства и состояния заполнителя карстовых полостей; изучать зональность трещинно-карстовых подземных вод, определять их минерализацию и динамические характеристики; выяснять структуру физических полей, присущих данному массиву. Основным видом исследования является электрический каротаж КС, каротаж по методу потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС), гамма-каротаж (ГК).

Когда буровая скважина вскрывает карстовую полость, она может быть обследована методом заряженного тела. В полость до глубины Н, соответствующей примерно ее середине опускают один из питающих электродов А. Второй электрод В относят в «бесконечность» на расстояние г > 10 Н. Высокое сопротивление карстующихся пород (200 – 2000 Ом*м) дает возможность рассматривать полость, заполненную водой и глинистым материалом (5 – 50 Ом*м), как эквипотенциальное тело.

Наблюдаемое на поверхности распределение эквипотенциальных линий позволяет оконтурить полость, причем наибольший градиент потенциала отмечается над ее проекцией. В случае вытянутых карстовых нарушений типа пещер и каналов используется методика наблюдений методом градиента потенциалов.

Поиски карстовых нарушений в межскважинном пространстве проводят методом радиоволнового просвечивания. Если в пространстве находится карстовая полость, заполненная проводящим материалом, то она отмечается параметром поглощения электромагнитных волн. Меняя взаимное расположение излучателя и приемника в скважинах определяют местоположение нарушения, его размеры и свойства заполнителя. В последнее время при выявлении полостей применяют сейсмоакустическое профилирование (прозвучивание).

Следует отметить, что проектирование и строительство нефтепроводов в карстовых районах всегда должно основываться на результатах более детальных инженерно-геологических исследований. Причем такие исследования требуют привлечения нескольких геофизических методов.

К настоящему времени накоплен достаточный опыт применения геофизических методов для выявления карстовых нарушений, в том числе и на трассах нефтепроводов. Есть результаты интерпретации данных методом зондирования и бурения в связи с капитальным ремонтом участка нефтепровода Нижний Новгород – Рязань.

Фоновый геолого-геофизический разрез представлен сверху вниз:

· Пески мощностью от 0 до 10 м., на отдельных участках отложения при строительстве сняты;

· Глины и суглинки мощностью от 15 до 35 м.;

· Карбонаты и гипсы, кровля их неровная, имеют высокие сопротивления.

Задачей исследований было выявление полостей в коренных породах, установление зон разуплотнения и разрушения в верхних слоях, которые связаны с карстовыми воронками. В результате работ по методике сплошных электрических зондирований (СЭЗ) установлена мощность и свойства горных пород, вовлеченных в карстовой процесс и успешно решены постановленные задачи. Окончательные геолого-геофизические разрезы, построенные на основе комплексной интерпретации показали высокую геологическую эффективность проведенных исследований.

Существенным итогом работ явилось подтверждение концепции о наличии глубоких карстовых воронок. Одна из них имеет ассиметричную форму, ширина ее составляет на поверхности 60 м., а внизу она сужается до 40 м. Результаты геофизических работ были использованы при ремонтных работах на участке. Трубопровод был установлен на свои, которые обеспечили наилучшую безопасность укладки трубы.