Глава XIII
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ПРИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
В последние 40 лет геофизические методы широко применяются для решения различных гидрогеологических задач: определения глубины залегания и мощности водоносного горизонта, выделения в разрезе пройденных мощностей пород, насыщенных пресной и минерализованной водой, установления закарстованных зон, древних погребенных долин, рельефа коренных пород и водоупоров, тектонических нарушений и трещиноватых зон, оконтуривания зон многолетней мерзлоты и таликов, определения скорости и направления движения подземного потока, места утечек воды в скважине из одного горизонта в другой, путей фильтрации подземных вод из каналов и водохранилищ, физических и химических свойств подземных вод, водоносных зон в скважинах, пройденных с глинистой промывкой, физических свойств горных пород.
В настоящее время из всех существующих геофизических методов наиболее широко применяются в гидрогеологии электрические, геотермические, ядерные и, реже, сейсмические, гравиметрические и магнитометрические.
При прохождении постоянного тока через различные породы последние оказывают неодинаковое сопротивление. Величина сопротивления зависит от литологического состава пород, их пористости и степени минерализации находящихся в них водных растворов. Различают два вида электрического сопротивления — удельное и кажущееся.
Удельное электрическое сопротивление определяется сопротивлением, которое оказывает 1 м3 вещества (породы) в виде к\ба, при прохождении электрического тока перпендикулярно двумя противоположным его граням.
При изменении сопротивления пород за счет влияния окружающих слоев различного сопротивления измеряемое сопротивление отличается от удельного и называется кажущимся.
В. А. Ряполова приводит следующие величины \ дельных сопротивлений для различных пород:
312
Порода Удельное
сопротивлени ом-м
Лески с пресной водой 50—60
Пески с минерализованной водой . . 15—20
Глина сухая 15—20
Песчаник с пресной водой 100—120
Песчаник с минерализованной водой 80—100 Известняки, содержащие пресною
воду 50—300
Мел, содержащий воду 25—500
(XIII-1)
Рис. 143. Схемы установки двух электродов
где К — коэффициент, зависящий от взаимного расположения электродов А, Б, В и Г; Аи — разность потенциалов; р —электрическое сопротивление пород в пределах электродов; /0 —сила тока между точками А и Б.
Электрическое поле может создаваться не только искусственным током, но и в результате движения подземных вод через пористые или трещиноватые породы. Это поле в отличие от искусственного носит название естественного. Разность потенциалов этого поля меньше искусственного и обычно выражается в милливольтах.
Измерив кажущееся удельное сопротивление по серии профилей на той или иной площади при постоянном положении питающих электродов, можно определить характер пород на интересующей нас глубине. Если появляется необходимость установить характер пород на различной глубине и затем составить геолого-гидрогеологический профиль, электроды А и Б располагают на разных расстояниях.
Помимо геологических разрезов можно составить в дальнейшем карту удельных сопротивлений в изолиниях, на которой будут выделяться участки с повышенными и пониженными сопротивлениями. Имея такие карты, можно будет решать вопросы, связанные с заложением скважин для получения воды и определять зоны с повышенной фильтрацией в случае строительства гидротехнических и водозаборных сооружений. Такие карты используются в засушливых зо-
313
пах Казахстана и Узбекистана при заложении скважин для водоснабжения.
Подобным же образом можно составить карту глубин залегания поверхности водоупора, необходимую при решении вопроса о заложении основания плотины или обоснования глубины эксплуатационных скважин.
Очень легко геофизическими методами определяется направление и скорость потока подземных вод. В скважину опускается некоторое количество любой соли ( поваренная, хлористый аммоний и др.), которое снижает сопротивление и является одним из питающих электродов. Другой электрод относится на принятое расстояние— 100, 200, 300 м. Соль, растворитель, распределяется по направлению движения подземного потока. Измеряя вокруг скважины по радиальным профилям изменение потенциала искусственно создаваемого поля через определенные промежутки времени, можно с большей точностью определить направление и действительную скорость подземного потока.
Зная сопротивление пород, их механический состав и минерализацию воды, легко определить пористость породы, что имеет большое значение для гидрогеологии и инженерной геологии, так как позволяет в дальнейшем промоделировать исследуемый участок на аналоговых машинах.
В инженерной геологии методами электроразведки определяют агрессивность водных растворов почвы по отношению к различным конструкциям. Методами сопротивлений определяются также места повреждения водопровода, тела плотин, дамб и т. д.
В настоящее время все чаще и чаще начинают применять роторное бурение для целей гидрогеологии. При роторном бурении водоносные горизонты могут быть установлены каротажем в скважине. Электрическим каротажем измеряется кажущееся сопротивление пород р по всему разрезу и потенциал естественного поля вдоль ствола скважины (ПС).
По полученным данным строятся каротажные диаграммы (рис. 144). На диаграмме В. А. Ряполовой хорошо выделяются четыре водоносных горизонта. Опробование после установки фильтров на основании каротажа полностью подтвердило данные геофизики.
Измеряя электрическое сопротивление раствора в скважине (метод резистивиметра), определяют зону притока или поглощения воды в скважине. Если вода в скважине пресная, ее промывают соленой, а затем последовательно определяют сопротивление оставшегося раствора соленой воды на различной глубине. Откачкой снижают уровень воды в скважине и вызывают усиленный приток в нее пресной воды, а затем определяют сопротивление промывочного раствора. Дальнейшее сопоставление диаграмм изменения сопротивления до и после откачки воды позволяет определить место притока воды в скважину.
При наличии в скважине соленой воды ее промывают пресной и все дальнейшие определения места притока воды в скважине производят так же, как и в первом случае. Место притока воды в
314
скважину можно также установить с помощью электротермометра. Электрический метод и метод гравитации в настоящее время широко применяются при выявлении карста и трещиноватых зон. Описанные геофизические методы исследований применяются только в необсаженных скважинах. В обсаженных скважинах применимы радиоактивные методы исследования. Гамма-метод позволяет выделять глинистые пласты, расчленять геологическую колонку скважины. Гамма-гамма-методом определяется плотность пород.
Рис. 144. Диаграмма р и ПС (по В. А. Ряполовой)
нейтронным — естественная влажность пород (глубина проникновения нейтронов в породу зависит от объема воды, находящейся в порах породы).
Как правило, гидрогеологические и инженерно-геологические параметры определяются комплексом методов исследований. Это повышает достоверность определенных параметров.
Кроме перечисленных приемов исследования скважин, существуют методы ядерного, магнитного резонанса, ультразвуковые, индукционные, микрозондирования. Последние требуют более сложной аппаратуры и, как правило, применяются в исследовании глубоких скважин.
Интересующихся применением геофизических методов в гидрогеологии и инженерной геологии отсылаем к специальной литературе.
ЛИТЕРАТУРА
А л е к и и О. А Основы гидрохимии. М., Гидрометеоиздат, 1970.
Басов Г. Ф. Гидрогеологическая роль лесных полос Каменной Степи. «Агробиология», 1949, № 1.
Богомолов Г. В. Гидрогеология с основами инженерной геологии. М., «Высшая школа», 1966.
Богомолов Г. В., С и л и н - Б е к ч у р и н А. А. Специальная гидрогеология. М., Госгеолиздат. 1955.
Богомолов Г. В., Кац Д. М. Методы и результаты гидрологических, климатических, геолого-гидрогеологических и почвенно-ботанических исследований заболоченных территорий зоны умеренного климата. Минск. «Наука и техника», 1972.
Богомолов Г. В., Алтьшуль А. Е. и др. Состояние н задачи в области искусственного восполнения запасов подземных вод. — В кн.' «Искусственное восполнение запасов подземных вод». Минск, «Наука и техника», 1973.
Б и н д е м а н Н. И., Язвин Л. С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М., «Недра», 1970.
Бочевер Ф. М., Гармонов И. В., Лебедев Л. В., Шеста-ков В. М. Основы гидрологических расчетов. М., «Недра», 1965.
В а л я ш к о М. Г. Основы геохимии природных вод. Цикл — Геохимия подземных вод. М., 1971.
Васильев С. В. и др. Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем. М., «Колос», 1970.
Вернадский В. И. О классификации и химическом составе приоодных вод. Изд-во АН СССР, 1935.
Д е р я г и н Б. В., Ч у р а е в Н. В. Новые свойства жидкостей. М., «Наука», 1970.
Жернов И. Е., Ш е с т а к о в В. М. Моделирование фильтрации подземных вод. М., «Недра», 1971.
Игнатович Н. К. О закономерностях распределения и формирования подземных вод. «Докл. АН СССР», т. XV, 1944.
Каменский Г. Н. Поиски и разведка подземных вод. М., Госгеолиздаг, 1947.
Каменский Г. Н., Климентов П. П., Овчинников А. М. Гидрогеология месторождений полезных ископаемых. М., Госгеолиздат, 1953.
Каменский Г. Н., Толстихина М. М., Толе тихи н Н. И. Гидрогеология СССР. М., Госгеолтехиздат, 1959.
Карцев А. А. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений М, «Недра», 1972.
К а ц Д. М. Гидрогеология. М., «Колос», 1969.
Климентов П. П., С ы р о в а т к о М. В. Гидрогеология месторождений твердых полезных ископаемых. М., «Недра», 1966.
Козлов М. Ф., Шилинская Я. М. Количественная оценка питания грунтовых вод в северной части Припятской впадины. Минск, «Наука и техника» 1972.
316
К у Д е л и н Б. И. Принцип региональной оценки ресурсов подземных вод. М , Изд-во МГУ, 1960.
Кудрявцев В. А. Современные представления о связанной воде в породах. М„ Изд-во АН СССР, 1963.
Кунин В. Н. Линзы пресных вод пустыни. М., Изд-во АН СССР, 1963.
Л а н г е О. К. Подземные воды СССР. М., Изд-во МГУ, 1962.
Ланге О. К. Гидрогеология. М, «Высшая школа», 1969.
Лаптев Ф Ф. Агрессивное действие подземной воды на карбонатные породы. М., ГОНТИ, 1939.
Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды, М., Сельхозиздат, 1930.
Лебедев А. В. Изучение режима и баланса подземных вод по стационарным наблюдениям. — «Тр. ВСЕГИНГЕО», Госгеолиздат, 1951.
Л о м т а д з е В. Д. Инженерная геология. М., «Недра», 1970.
Методи- еские указания по составлению гидрогеологических карт масштабов 1 : 100000—1 : 50000 и 1 : 200000—1 : 100000. М., Госгеолтехиздат, 1960.
Методическое руководство по гидрогеологическим и инженерно-геологическим исследованиям для мелиоративного строительства, в. 1. М., «Недра», 1972.
Миллионщиков М. Д. Обводнение скважин подошвенной водой. — «Инж. сб. ин-та механизации АН СССР», т. 5, 1948, в. 1.
М и р о н е н к о В. А. О применении горизонтальных скважин при дренировании карьеров — «Тр. ВНИМИ». Сб. 47, 1962.
Овчинников А. М. Общая гидрогеология. М., Госгеолиздат, 1955.
овчинникова. М. Минеральные воды. М., Госгеолтехиздат, 1963.
Огильви А. А. Геофизические методы исследований. М., Изд-во МГУ, 1962.
Павловский Н. Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные, приложения. Изд-во научно-мелиоративного ин-та, 1922.
Плотник о,в Н, А. Классификация ресурсов подземных вод и методы их подсчета. М., Госгеолтехиздат, 1943.
Плотников Н. А. Оценка запасов подземных вод. М. .Госгеолтехиздат, 1959.
Плотников Н И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения, ч. 1 и 2. М., Изд-во МГУ, 1965—1968.
Попов И. В. Инженерная геология. М., Изд-во МГУ, 1959.
Приклонский В. А. Грунтоведение, ч. 1. М., Госгеолиздат, 1949.
Резников А. А., Муликовская Е. П., Соколов И. Ю. Методы анализа природных вод. М., «Недра», 1970.
Роде А. А Учение о почвенной влаге. М , Гидрометеоиздат, 1965.
Ряполова В А. Применение электрического каротажа при поисках источников водоснабжения на железнодорожном транспорте. М., Трансжелдориздат, 1952.
Сергеев Е. М. Общее грунтоведение. Изд. 2. М., Изд-во МГУ, 1959.
Силин-Бекч>рин А. И. Динамика подземных вод. М., Изд-во МГУ. 1958.
Справочное руководство гидрогеолога. Т. 1 и 2. Под ред. В. М. Максимова М., «Недра», 1967.
Т о л с т и х и н Н. И. Подземные воды мерзлотной зоны литосферы. М., Госгеолтехиздат, 1941.
Толстихин Н. И. Классификация подземных вод.— В сб.: Гидрогеология и инженерная геология. — «Тр. Ленинградского горн, ин-та», т. XII, 1972, в. 2.
Троянский С. В., Белицкий А. С, Чекин А. И. Гидрогеология и осушение месторождений полезных ископаемых. М., Углетехиздат, 1956.
Чаповский Е. Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. Изд. 3. М., «Недра», 1966.
Чарный И А Основа подземной гидравлики. М., Госгортехиздат, 1956.
Щелкачев В. Н. Упругий режим пластовых водонапорных систем. М., Гостоптехиздат, 1948.
Оглавление
Стр.
Предисловие . ,;.j , 3
Введение 4
Глава I Развитие гидрогеологии и инженерной геологии 7
Глава II. Вода в атмосфере и на поверхности Земли 13
Общий круговорот воды в природе 13
Влажность воздуха 13
Температура воздуха 17
Атмосферные осадки 21
Сток 23
Испарение 29
Инфильтрация 31
Глава III. Вода в земной коре , 34
Состояние воды в земной коре, понятие о подземных водах 34
Теории происхождения и формирования подземных вод 36
Глава IV. Физико-механические и водные свойства пород 44
Температурные зоны в земной коре 44
Пористость и скважность горных пород 51
Механический (гранулометрический) состав горных пород 54
Виды воды в горных породах 57
Водные свойства горных пород 62
Механические свойства горных пород 68
Глава V. Условия залегания водоносных горизонтов и их режим 73
Классификация подземных вод 73
Верховодка 75
Грунтовые воды 77
Артезианские воды 99
Трещинные и карстовые воды 151
Подземные воды в районах многолетней мерзлоты 156
Минеральные воды 162
Источники пресных и минеральных вод 164
Режим подземных вод 168
Влияние леса и болот на режим подземных вод 174
Глава VI. Физические свойства и химический состав подземных вод . . . 177
Физические свойства подземных вод 177
Химический состав подземных вод 178
318
Стр.
Химический анализ воды; отбор проб для анализа 180
Формы выражения химического анализа воды 180
Химическая характеристика и классификации подземных вод 185
Требования, предъявляемые к качеству воды 189
Глава VII. Краткие сведения по динамике подземных вод £ . 195 ^ & тГ
Основные законы движения подземных вод 195
Расходы потока подземных вод и построение кривой депрессии .... 199
Приток воды к водозаборным сооружениям 203
Движение подземных вод в трещиноватых породах 221
Определение водопритока в карьеры 224
- Предисловие
- Введение
- Глава I развитие гидрогеологии и инженерной геологии
- Глава II вода в атмосфере и на поверхности земли
- Влажность воздуха
- Температура воздуха
- Атмосферные осадки
- Испарение
- Инфильтрация
- Глава III вода в земной коре состояние воды в земной коре, понятие о подземных водах
- Теории происхождения и формирования подземных вод
- Глава IV физико-механические и водные свойства пород температурные зоны в земной коре
- Механический (гранулометрический) состав горных пород
- Виды воды в горных породах
- Водные свойства горных пород
- Механические свойства горных пород
- Глава V
- Классификация подземных вод
- Верховодка
- Грунтовые воды
- Артезианские воды
- Трещинные и карстовые воды
- Подземные воды в районах многолетней мерзлоты
- Минеральные воды
- Режим подземных вод
- Влияние леса и болот на режим подземных вод
- Глава VI
- Физические свойства подземных вод
- Химический состав подземных вод
- Химический анализ воды; отбор проб для анализа
- Формы выражения химического анализа воды
- Химическая характеристика и классификации подземных вод
- Глава VII
- Основные законы движения подземных вод
- Расходы потока подземных вод и построение кривой депрессии
- Приток воды к водозаборным сооружениям
- Движение подземных вод в трещиноватых породах
- Определение водопритока в карьеры
- Глава VII!
- Гидрогеологические наблюдения при разведочных работах
- Определение водопроницаемости горных пород
- Определение скорости движения подземных вод
- Глава IX обводненность месторождений
- Классификация месторождений полезных ископаемых по гидрогеологическим условиям и степени обводненности
- 9 Богомолов г. В. 257
- Глава XI
- Глава XII
- Водоснабжение
- Оценка запасов подземных вод и их охрана
- Искусственное восполнение запасов подземных вод
- Орошение
- Осушение
- Глава XIII
- Глава VIII. Гидрогеологические исследования 227
- Глава IX. Обводненность месторождений полезных ископаемых и борьба
- Глава XI. Главнейшие физико-геологические явления, связанные с деятель ностью поверхностных и подземных вод 267
- Глава XII. Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования
- Глава XIII. Применение геофизических методов при гидрогеологических и