Геофизические методы в инженерной геологии

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Романов В. В. Геофизические методы в инженерной геологии // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – Т. 13. – С. 11–15. – URL: http://e-koncept.ru/2015/85003.htm.
Аннотация. Статья посвящена использованию геофизических методов в инженерной геологии. Рассматриваются особенности и результаты геофизических изысканий при решении различных задач, связанных с влиянием геологической среды на хозяйственную деятельность человека.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Романов Виктор Валерьевич,кандидат техническихнаук, доцент кафедры геофизикиФГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе», г. Москваroman_off@mail.ru

Геофизические методы в инженерной геологии

Аннотация.Статья посвящена использованию геофизических методов в инженерной геологии. Рассматриваются особенности и результаты геофизических изысканий при решении различных задач, связанных с влиянием геологической среды на хозяйственную деятельность человека.Ключевые слова:геофизика, инженерная геология, геофизические методы

В инженерной геологи изучается верхняя часть земной коры, которая активно взаимодействует с объектами хозяйственной деятельности человека. Горные породы поверхности Земли служат надёжным (или не очень) основанием для фундаментов зданий, подземных коммуникаций, трубопроводов и т.д. Процессы, непрерывно протекающие в геологической среде способны нанести колоссальный вред сооружениями, если при проектировании не были приняты специальные меры инженерной защиты. Среди них такие явления, как оползни, карст и суффозия, сели, затопление грунтовыми водами и многие другие. Без ясного понимания того, какими породами сложены первые десятки метров геологического разреза, строительная деятельность становится крайне рискованной и затратной. К примеру, плотные глины или скальный массив способны без существенной деформации выдержать вес небоскрёба, а на торфе или влажном песке возведение подобных объектов неизбежно приведёт к катастрофическим последствиям. Неконтролируемый забор грунтовых вод ведёт к опусканию их уровня и растворению таких пород, как известняки, гипсы и соли, что вызывает формирование и обрушение карстовых полостей. В сейсмически опасных регионах разрушительное влияние землетрясений определяется не только его энергией, но теми породами, на которых возведены здания и сооружения. Поэтому любое строительство сопровождается инженерногеологическими изысканиями, которые основываются на данных разведочного бурения и лабораторных исследований горных пород верхней части разреза —грунтов.Однако инженерногеологические условия в пределах даже небольшой строительной площадки могут существенно изменяться. Для получения полной картины изменения состава, свойств и состояния грунтов требуется бурение большого количества скважин, а также отбор десятков и сотен образцов. Идаже такие сложные и дорогостоящие мероприятия не всегда способны дать всесторонней картины геологического строения объекта изысканий. Дело в том, что свойства извлечённого образца грунта отличаются от слоя грунта, залегающего на глубинах в несколько десятков метров. Даже искусственное приведение условий лабораторных измерений (давления, влажности, температуры) к глубинным не даёт полной гарантии того, что свойства грунта в естественном залегании и в образце будут совпадать. Например, пластичные глины, поднятые с глубины в 1020 м на поверхность, значимо увеличиваются в объёме, а пески рассыпаются на отдельные частицы. Решение упомянутых проблем основывается на применение дистанционных геофизических методов, основанных на измерении свойств физических полей, создаваемых геологическими телами.Геофизические методы в инженерногеологических изысканиях активно применяются с 40 –50ых годов XX века. Геофизические работы включают в состав инженерногеологических изысканий для увеличения объёма информации о составе и свойствах грунтов и снижения затрат на буровые работы и лабораторные исследования. Разные виды грунтов отличаются по физическим свойствам, поэтомубольшинство геофизических границ имеет геологическую природу. Геологическая среда является непрерывнымисточников разнообразных сигналов, некоторые из которых можно использовать для решения задач инженерногеологических изысканий.При помощи методов геофизики можно решать задачи картирования кровли скальных илимноголетнемёрзлых грунтов, выделения грунтовыхвод, определения физикомеханических свойствгрунтов, прогнозирования опасных геодинамических процессов—карста и оползней, сейсмического микрорайонирования.Важнейшей особенностью геофизических методов является их дистанционность, то есть возможность изучать свойства геологических объектов без прямого контакта с ними. Включение геофизических методов в состав инженерногеологических изысканий позволяет значительно снизить объём бурения и общую стоимость работ. Геофизические методы имеют наземные (поверхностные), скважинные и лабораторные модификации, а разнообразие их постоянно растёт. Наилучшие результаты даёт комплексное использование нескольких геофизических методов, что позволяет снизить уровень неоднозначности, неизбежно возникающих при геологическом толковании данных геофизики.Для реализации геофизических работ при инженерногеологических изысканиях площадь объекта покрывается равномерной сетью профилей —прямых отрезков, вдоль которых выполняется геофизическая съёмка. На протяжённых линейных объектах —ЛЭП, газопроводах, трассах автодорог и т.д. —геофизические работы проводятся в отдельных точках зондирования. В геофизике применяются как естественные поля, непрерывно генерируемые самой геологической средой, таки и искусственные —возникающие при срабатывании управляемого геофизиком источника. По типу применяемого поля выделяются сейсмические, электрические, магнитные, гравитационные, тепловые и радиометрические методы. Среди них наибольшей “популярностью” пользуются методы электроразведки, сейсморазведкии радиометрии. Электроразведка основана на разделение грунтов по удельному электрическому сопротивлению, удельной проводимости или диэлектрической проницаемости[2]. Как правило, в качестве источника поля применяются генераторы постоянного и переменного тока и заземлённые электроды, а принимающим устройством —высокоточный вольтметр. Для обеспечения гальванического или индукционного контакта с геологической средой применятся металлические электроды и незаземлённые петли. Выявленные зависимость между параметрами грунта (в первую очередь влажности) и его проводящими свойствами позволяет при помощи некоторого объёма исходной геологической информации выделить в разрезе 5 –6 слоёв грунта различного состава и происхождения. Современныетомографических модификацииклассических методов электроразведки применяются при необходимости подробного изучения непрерывного распределения электрических свойств в разрезе(рис 1).



Рис 1 Электротомографический разрез. Цветной заливкой показаны разные значения удельного электрического сопротивления

Широко распространена в современной инженерной геофизике георадиолокация, основанная на излучении и регистрации высокочастотного электромагнитного поля[2]. Электромагнитные волны, отражённые от границ грунтов с различной диэлектрической проницаемостью, фиксируются приёмной антенной и представляются в виде геологического изображения. Георадарные наблюдения отличаются высочайшей разрешающей способностью и применяются для поиска техногенных объектов и различного рода локальных неоднородностей, например скрытых коммуникации или старинных фундаментов.Объекты малого по сравнению с длиной э/м волн размера на георадиолокационных разрезах обнаруживаются по гиперболическим осям дифрагированных волн —“усам”(рис 2).

Рис 2Разрез георадиолокации. Кружками выделены гиперболические

оси дифрагированных волн, связанных с локальными объектами. Стрелкой показана отражающая граница

Довольно часто в инженерной геофизике применяются сейсмические методы, базирующиеся на возбуждении и приёме упругих волн, передающих механические колебательные движения частиц горных пород[1]. Сейсмические волны аналогичны звуковым, но распространяются они не воде или воздухе, а в твёрдых грунтах. Скорость упругой волны определяется упругими модулями среды, в которой она перемещается. С увеличением твердости и монолитности горные породы растёт и скорость упругих волн. Заметное изменение скорости волн происходит на сейсмических границах, где формируются отражённые и преломлённые волны. Многоканальная сейсмическая аппаратура, состоящая из измерительной станции, нескольких десятков датчиков и соединительного кабеля, фиксирует колебания сейсмических волн и записывает их в виде сейсмограмм(рис 3).

Рис. 3. Сейсмограмма инженерной сейсморазведки. Прямыми линиями показаны участки предполагаемых тектонических нарушений

Путём обработки всех сейсмограмм, зафиксированных попрофилю, получают сейсмогеологические разрезы.В сейсморазведке применяют практически все волны, которые удаётся выделить на сейсмограммах —продольные, поперечные, обменные, прямые, преломлённые, отражённые, рефрагированные, поверхностные и дифрагированные(рис 4).

Рис. 4. Глубинный сейсмический разрез, построенный по отражённым волнам. Стрелкой показано вероятное нахождение карстовой полости

Полезная геологическая информация извлекается даже из случайного шума, наблюдаемого в отсутствии управляемого источника. Наземная сейсморазведка применяется для точечного или непрерывного прослеживания сейсмических границ и является наиболее быстрым способом уточнения изучения геологического строения. Скважинная разновидность сейсморазведки, когда источник находится на поверхности, а датчики перемещаются по стволу скважины, используется для уточнения типа изучаемых волн и распределения скорости волн с глубиной. Межскважинная сейсмическая томография применяется для поиска объектов между разведочными скважинами и заключается в измерении времени пробега и затухании амплитуды сейсмической волны по большому количеству пересекающихся направлений. Межскважинная томография отличается большой точностью выделения локальных объектов, которые отличаются от вмещающей среды своими упругими свойствами. Существуют такжелабораторные установки для измерения скорости на образцах грунта. Детальное распределение скорости продольных и поперечных сейсмических волн в разрезе используется для расчёта физикомеханических свойств грунтов в естественном залегании. При помощи корреляционных уравнений определяются модуль полной деформации, угол внутреннего трения, сцепления, плотность, влажность и многие другие инженерногеологические параметры. Сейсморазведка также применяется при определении длины бетонных свай. В стволе сваи ударами лёгким молотком по её оголовку возбуждается сейсмическая волна, которая пробегает путь до основаниясваии отражается к поверхности. При отсутствии дефектов на приёмнике, установленном вблизи точки возбуждения упругой волны, наблюдаются два выраженных импульса, связанных с прямой и отражённой волной. Если структура сваи нарушена, то на сейсмической записи появляются дополнительные отражения (рис 5).

Рис. 5. Запись (рефлектрограмма) упругой волны, испытавшей отражение от основании (звезда) и дефектов встволе сваи (стрелки)

При определении литологического состава грунтов, вскрытых разведочным бурением, часто применяется наиболее доступный метод скважинной радиометрии — каротаж естественного гаммаизлучения. Зонд гаммакаротажа перемещается по стволускважины и фиксирует интенсивность излучения, вызванного частицами радиоактивными минералов, которые в малом количестве присутствуют в любом грунте. Высокая адсорбционная способность глин по сравнению с песками и известняками позволяет качественно уточнить геологическое строение в точке бурения.

Для выделения зон развития карстовых процессов и тектонических разломов, неблагоприятных для строительства применяется наземная эманационная съемка. Этот метод радиометрииосновывается на измерении концентрации радона в почвенном слое.Повышенная интенсивность потока этого радиоактивного газа указывает на наличие повышенной трещиноватости, вызванной современной или древней геологической активностью.В последнее время в инженерную геофизику пришли методы гравиразведки и магниторазведки, которые до этого использовались только при поисках твёрдых полезных ископаемых и изучении глубинного строения Земли. Несмотря на слабую защищённость приборов рассматриваемых методов (гравиметров и магнитометров) от влияния техногенных помех имеются данные об успешном применении их в инженерной геофизике. Гравиметрическая съёмка позволяет находить неглубокие карстовые полости или подземные искусственные сооружения, а при помощи магниторазведки обнаруживаются техногенные металлические объекты.Все геофизические методы имеют свои преимущества, ограничения на глубину и детальность исследования, ориентированность на выделение тех или иных границ и локальных объектов. Самые точные и надёжные прогнозы получаются в случае комплексного использования нескольких методов геофизики на одном объекте. Комплексирование значительно снижает неоднозначность результатов, поэтому вероятность пропустить нужную границу или иную аномалию (или наоборот —найти ложную)существенно уменьшается. Например, неглубокая граница, найденная при помощи продольных волн и не наблюдаемая на сейсмограммах поперечных волн, почти однозначно связана с грунтовыми водами[3]. Скрытые карстовые полости на небольшой глубине хорошовыявляются электропрофилирования, а более глубокие полости обнаруживаются уже сейсморазведкой. Комплексный подход в геофизике позволяет проводить всесторонне изучение геологической среды, а на получаемых картах и разрезах практические не остаётся белых “пятен”[4].В целом потенциал геофизических методов достаточно велик, а вот доля геофизики в инженерногеологических изысканиях пока оставляет лучшего. Причина кроется в устаревшей нормативной базе, как в инженерногеологических изысканиях, так и в самой геофизике. Существующие нормы никак не определяет обязательный состав и объём геофизических исследований при проектировании сооружений, поэтому заказчики и исполнители работ стараются обходитьсятолько проверенным “гостовскими” и “сниповскими” технологиями. Такое положение дел снижает интерес проектировщиков к геофизике в составе изысканий, однако общее развитие аппаратурной и методической базы геофизических исследование рано или поздно поменяет текущее состояние дел.

Ссылки на источники1.Романов В.В., Рахматуллин И.И.Инженерная сейсморазведка при проектировании газопроводов // Научный журнал Российского газового общества. —2013. —№ 0(пилотный выпуск). —С. 56–63.2.Романов В.В., Рахматуллин И.И. Новые электроразведочные методы инженерногеологических изысканий // Научный журнал Российского газового общества. —2014. —№ 1. —С. 101–106.3.Романов В.В. Изучение толщи четвертичных отложений Подмосковья инженерной сейсморазведкой // Геофизика. —2014. —№ 3. —С. 41–48.4.Романов В.В., Рахматуллин И.И. Инженерная геофизика при изучении гляциальных отложений Дмитровского района Подмосковья // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. —2014. —№ 3. —С. 86–88.