MN — неподвижные стержни, А, В — перемещаемые стержни, Б — батарея, Я — прибор для измерения

...А вот другая группа геофизиков забивает металлические стержни в землю, а потом ведет какие-то измерения на приборе, установленном на треноге. Можно сначала подумать, что это фотоаппарат. Нет, это потенциометр (или более совершенный прибор — счетно-решающий компенсатор), позволяющий измерить разность потенциалов и силу электрического тока в породах, слагающих поверхность земли. А уже по ним легко рассчитать электросопротивление пород. Эти методы получили название вертикального электрозондирования и электропрофилирования. Первый метод, его сокращенно называют ВЭЗ, позволяет в течение нескольких минут определить состав и мощность пород и положение уровня грунтовых вод. Для этой цели на поверхность земли забивают четыре электрода — трубы длиной 70 — 150 см (рис. 35). К крайним электродам (А,В) подводится от батареи электрический ток, а с помощью средних (М, N) определяется на потенциометре разность потенциалов. Раздвигая электроды АВ, мы как бы углубляемся в землю, исследуя сопротивление пород по глубине. Последнее равно одной трети расстояния АВ. Этим методом в зависимости от положения крайних электродов можно провести исследование залегания грунтовых вод на глубине от 10 до 100 м.

На рис. 36 показана зависимость сопротивления пород от их влажности и содержания солей. Таким образом, если мы знаем изменения его величины, то легко можно установить положение уровня грунтовых вод.

Электропрофилирование в отличие от ВЭЗ ведется без изменения соотношения между электродами ABMN. Здесь вся система электродов последовательно перемещается вперед по заданному направлению через строго определенные расстояния. Эти промежутки геофизики называют шагом установки. Электропрофилирование позволяет найти скопления подземных вод, выявить участки распространения минеральных и пресных вод и получить еще ряд других подземных данных.

Рис. 36. Вот как меняется сопротивление пород в зависимости от состава:

а — песок, б — суглинок, в — глина; 1 — сухой, 2 — влажный пресный, 3 — влажный соленый (Единица измерения Ом.м)

В наше время специалист, вооруженный информацией о строении участка, особенностях гидрогеологического строения, геологии территории, а также геофизическими данными, делает основной шаг в поисках воды — он намечает место, где необходимо расположить буровую скважину или колодец. Этот момент очень ответственный, ведь бурение и проходка колодцев стоят дорого и требуют затрат времени и сил. Этот первый очень важный подготовительный этап носит название поиска подземных вод.

Особенно трудно решение вопроса о глубоко залегающих подземных водах, артезианских и межпластовых, которые часто не регистрируются ни физическими методами, ни какими-либо внешними проявлениями. Здесь на помощь гидрогеологу приходят знания геологического строения верхней части земной коры.

Трудность предсказания в глубинных зонах подземных вод является основной причиной, по которой многие глубоко залегающие горизонты подземных вод были обнаружены лишь в последние десятилетия. Можно полагать, что еще многие подземные кладовые воды предстоит обнаружить и поставить на службу народному хозяйству страны.

Слово за техникой

Итак, первый шаг сделан — определено то место, где может быть найдена вода. Отсюда начинается второй этап — ее разведка. Но здесь слово прежде всего за техникой.

Промышленность предоставляет гидрогеологу обширный арсенал техники — самые различные станки, насосы и другие приспособления для разведочных скважин. Размеры станков самые разные — от маленьких, при помощи которых можно пробурить скважину вручную до глубины 5 — 20 м, до крупных, позволяющих вести бурение на глубину 500 м и даже 2 — 5 тыс. м. При этом диаметр пробуренных скважин составляет от 80 до 1000 мм и более.

Многие типы буровых станков монтируются на автомашинах или тракторах, что позволяет быстро перебрасывать их с места на место.

Как работают буровые установки? Принципы их действия различны. Наиболее широко применяются те, в которых порода разрабатывается вращением. В них на конце вращающейся штанги помещаются особые устройства — коронки. Это труба, конец которой сделан зубчатым. На каждом зубе приварены пластины твердых сплавов. Когда возникает необходимость бурения в очень твердых породах, таких, как граниты, сланцы, песчаники, то применяются коронки, в которых вмонтированы алмазы.

А вот в другом типе станков разработка пород ведется не вращением, а ударами. Так специалисты и говорят — ударное бурение. В этом случае разработка грунта производится тяжелой ударной штангой (массой от 200 до 2500 кг), подвешенной на канате. Такую штангу, снабженную прочным наконечником-долотом, поднимают на некоторую высоту (от 0,5 до 1 м) и свободно бросают, разбивая породы. Число таких ударов в минуту от 40 до 60.

Оригинально действуют вибрационные установки. В них порода разрабатывается путем вибрации наконечника (стакана с режущим концом), которая создается вибратором, приводимым в действие электромотором. На валу последнего насажен металлический эксцентрик. Такие вибробуровые установки применяются для бурения в рыхлых породах (песках, глинах) до глубины 20 — 30 м. Что замечательно в этом методе — быстрая проходка 4 — 6 м в минуту.

Еще более оригинальными являются шнековые установки. В них бурение осуществляется с помощью штанг, снабженных спиралью из стальной полосы, называемых шнеками. Они чем-то напоминают обыкновенные винты. Кусочки породы, попавшие на винтовую спираль, при вращении поднимаются вверх. Этим методом бурятся скважины глубиной 50 м и более в рыхлых породах. Если порода прочная, то ее предварительно разбивают долотом. Этот тип бурения позволяет проходить в течение минуты до 1 — 10 м.

Но мысль ученых работает далее. Создан электрогидравлический метод бурения, в котором разработка ведется высоковольтными электрическими импульсами в жидкой среде. Разрабатываются установки высокочастотного бурения, позволяющее бурить породы нагревом токами высокой частоты. Можно назвать еще ультразвуковой метод, дробящий породы с помощью звуковых колебаний от 20 тыс. до 1 млрд. периодов в секунду. Успешно развивается реактивное бурение, основанное на нагреве пород реактивными горелками. Эти новые методы позволяют значительно увеличить скорости бурения и повысить их экономичность.

У читателя может возникнуть вопрос: а как сделать, чтобы в глубокой скважине, пройденной одним из методов, не обрушились стенки? Эта задача решается очень просто: по мере углубления отверстия в скважину опускают так называемые обсадные трубы. Они прочно закрепляют стенки скважины даже тогда, когда из недр устремляются к поверхности напорные артезианские воды.

А что если мы захотим проникнуть до какого-то глубокого горизонта пресной воды, над которым будут встречены вышележащие подземные воды, либо засоленные, либо соленые? Здесь опять приходят на помощь обсадные трубы. Только используются они разного диаметра. Сначала начинаем погружать трубу наибольшего диаметра. Когда она пройдет через первый водоносный горизонт, в нее (с поверхности) опускается труба несколько меньшего диаметра, и так столько колонн труб разных размеров, сколько водоносных горизонтов нужно пересечь. Самая нижняя труба снабжается фильтром — сеткой, чтобы избежать засорения скважины песчано-пылеватыми частицами.

В некоторых случаях необходимо устройство колодца. Сделать его вручную — очень нелегкий труд. И здесь на помощь гидрогеологу приходит техника. В нашей стране для этой цели применяют специальные колодцекопатели. С их помощью разработка рыхлых пород ведется специальными бурами, снабженными расширителями. Закрепление образуемых при этом стенок производится железобетонными кольцами.

Наконец-то, дошли до горизонта подземной воды. В скважине или колодце плещется вода. Как ее поднять наверх? Но и здесь промышленность пришла на помощь.

Теперь встает задача: как измерить глубину залегания воды в скважине или колодце? Если это несколько метров, то ее можно замерить рейкой или шнуром. Если это десятки метров, в скважину опускается на шнуре «хлопушка» — короткий отрезок трубы, закрытый сверху пробкой. Это название происходит от того, что достигнув поверхности, это нехитрое устройство дает хлопок. После этого замеряется длина выпущенного шнура.

А если глубина составляет сотни метров? Тогда к услугам гидрогеолога электрические или пневматические уровнемеры. Электроуровнемеры — это простые устройства, опускаемые в скважину. В момент достижения ими воды цепь замыкается, и лампочка загорается. И здесь измерителем служит длина выпущенного шнура.

Известна глубина. Остается только поднять воду наверх. Для этой цели созданы разнообразные насосы. Они очень различны и по типу действии, и по количеству подаваемой воды, и по глубине, с которой могут ее поднять. Здесь применяют центробежные насосы, в которых вода поднимается вращающими колесами с лопастями. Они позволяют извлечь воду с глубины от 6 до 220 м и более. Количество воды, которое центробежные насосы могут давать, колеблется от 1 до 2200 м³ в час. Распространены также штанговые насосы. В этом случае вода поднимается работой обычного поршня. Они обеспечивают подъем воды с глубины от нескольких до 100 м. Однако количество подаваемой воды сравнительно небольшое — от 1 до 20 м³ в час.

Рис. 37. Это и есть «эрлифт»

Очень интересны воздушные подъемники. В отличие от других насосов они не имеют двигающихся частей в скважинах. Их действие заключается в том, что в скважину под давлением подается воздух, который заставляет воду устремляться вверх. Они могут поднимать воду с глубины 200 — 300 м, при этом количество извлекаемой воды составляет от 2 до 230 м³ в час (рис. 37).

Разведочные скважины часто превращаются в эксплуатационные и используются для нужд народного хозяйства. Гидрогеологу приходится следить за тем, чтобы из подземных источников не извлекали воды больше, чем ее восстанавливается в результате естественного притока.

Затем наступает третий этап — передача скважин в эксплуатацию. При этом специалисты путем расчета устанавливают общие запасы воды в водоносных горизонтах, допускаемое количество извлекаемой воды и определяют ее химический состав.

Три этапа: поиски, разведка и передача в эксплуатацию водоносных скважин — это большой и сложный путь, проделываемый для обеспечения городов, сел, промышленных предприятий драгоценной влагой.