Инженерно-геологическая оценка результатов геофизических исследований при поиске грунтовых строительных материалов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

_ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_

2024 Геология Том 23, № 4

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ, МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ

И ГРУНТОВЕДЕНИЕ

УДК 550.812.1

Инженерно-геологическая оценка результатов геофизических исследований при поиске грунтовых строительных материалов

К.А. АлванянаЬ, А.А. Филимончикова, А.В. Татаркина, П.А. Красильникова, Г.М. Батракова b, С.Г. Ашихмин b

^Пермский государственный национальный исследовательский университет 614068, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: [email protected] ^Пермский национальный исследовательский политехнический университет 614990, Пермь, ул. Комсомольский пр-т, 29. E-mail: [email protected] (Статья поступила в редакцию 27 августа 2023 г.)

Приведена оценка результатов геофизических исследований геологоразведочными методами при поиске месторождений грунтовых строительных материалов. Изложена стадийность исследований, основанная на применении прямых геологических методов, геофизических методов электрометрии, лабораторных исследований, современных подходов трехмерного моделирования, позволяющая повысить эффективность геологоразведочных работ. Представлена апробация описанного подхода, в ходе применения которого в сложных инженерно-геологических условиях открыт ряд месторождений грунтовых строительных материалов и реализована концепция рационального недропользования на примере освоения ряда месторождений Западной Сибири.

Ключевые слова: грунтовые строительные материалы, методика малоглубинных геологоразведочных работ, электроразведка, цифровые физико-геологические модели, сложные инженерно-геологические условия, недропользование.

DOI: 10.17072/psu.geol.23.4.295

Введение

Рациональное использование недр во многом зависит от инженерно-геологических условий, которые оказывают большое влияние на выбор методов добычи сырья и комплекс мероприятий по обустройству месторождений. Актуальной задачей, необходимой для создания безопасной инфраструктуры осваиваемых территорий, особенно в труднодоступных районах, является поиск месторождений грунтовых материалов (Ал-ванян, 2009).

Одним из подходов для решения подобного рода вопросов может быть использование геофизических методов, основанных на тесной связи между изучаемыми параметрами и физическими свойствами горных пород (Огильви, 1990; Филимончиков, 2015). При

этом успешная реализация данного подхода требует обоснования и оценки полученных характеристик для конкретных территорий или регионов с позиций инженерной геологии (Середин, 2011; Татаркин, 2022).

Исследования проведены на ряде месторождений углеводородов (Протозановское, Северо-Тамаргинское, Косухинское, Севе-ро-Тямкинское), расположенных в Тюменской области (рис. 1). Территория приурочена к южной части Западно-Сибирской равнины с развитой гидрографической сетью рек Иртыш, Демьянка. В плане поисков грунтовых материалов изучаемая местность является весьма перспективной. Она характеризуется заболоченностью, слабой залесенностью, незначительным расчленением рельефа озерно-аллювиального и аллювиального типа.

© Алванян К.А., Филимончиков А.А., Татаркин А.В., Красильников П.А., Батракова Г.М., Ашихмин С.Г. , 2024

Рис. 1. Обзорная схема участка исследований

Методика работ

Геологические работы. Поисковые работы проводились вначале в радиусе пятикилометровой зоны, затем в радиусе 10 и 15-20 км.

Бурение скважин осуществлялось после проведения маршрутного обследования и уточнения границ перспективных участков. Скважины бурились механическим колонковым способом станком УБШМ 1-13 с начальным диаметром 112 и 132 мм. Глубина выработок составила 10,0 м.

Территория в радиусе 5 км от месторождения разбуривалась наиболее детально. Бурение скважин на выделенных перспективных участках производилось с шагом до 400 м (после проведения геофизических работ и предварительной интерпретации результатов электрического зондирования). С учетом результатов геофизических исследований расстояние межу выработками было увеличено до 800 м.

В радиусах 10 и 15-20 км, в пределах выделенных ландшафтно-индикационным ме-

тодом (анализ рельефа, гидросети, растительности) перспективных для поиска зон, бурилось по 2-3 разведочные скважины.

Геофизические работы. Методика исследований основана на использовании методов электрометрии в совокупности с данными лабораторных исследований и комплексного анализа полученных материалов (Татаркин, 2014; Татаркин, 2022). Для формирования прогнозной модели инженерно-геологических условий технологически на различных стадиях реализуются такие этапы, как камеральный, поисковый и оценочный. Элементами исследований являются: проведение натурных наблюдений, изучение физических свойств на образцах горных пород, выявление корреляционных связей, составление прогнозной модели и сравнительный анализ с результатами инженерно-геологических изысканий.

На предварительном этапе выполнялась оценка имеющихся данных о геологическом строении и особенностях объектов исследования, которые могли быть полезны для по-

вышения достоверности геофизических исследований. В рамках этого этапа с учетом особенностей геологического строения и особенностей изучаемых объектов выполнялись следующие мероприятия:

1) анализ фондовой геолого-геофизической информации;

2) построение общей геологической модели исследуемой территории;

3) численное моделирование электрических полей для уточнения поисковых признаков и оценки выделения инженерно-геологических элементов, связанных со строительными материалами;

4) определение методов, оценка необходимых ресурсов и возможных рисков с подготовкой рекомендаций по проведению геологоразведочных работ на исследуемой территории.

Поисковый этап включает в себя организацию полевых работ с использованием электрического зондирования, что позволяет получить данные создания трехмерных моделей изучаемых объектов. Измерения проводятся вдоль региональных профилей, чтобы выделить наиболее перспективные участки. Далее на этих участках реализуются дополнительные детальные электрометрические наблюдения с определением минерализации и температуры поверхностных и подземных вод. Эти данные помогают получить более полное представление о геологических условиях и свойствах исследуемой области. По результатам количественной интерпретации с учетом корреляционных связей между удельным электрическим сопротивлением (УЭС) и литологией пород составляется прогнозная модель процентного содержания глин.

На заключительном, оценочном этапе осуществлялся анализ цифровых моделей и корректировка полученных свойств с использованием данных лабораторного анализа УЭС (рис. 2).

Уточненные петрофизические характеристики лежат в основе окончательных уравнений корреляции для составления схем районирования изучаемых территорий по перспективности их освоения и определения запасов различных по типу строительных материалов.

—..... ......... глины—

— суглинки «... .... 1.» аргиллиты

пески

1.0 10.0 100.0 10 УЭС, Ом м

Рис. 2. Распределение УЭС по результатам лабораторных исследований

Результаты исследований и их обсуждение

Протозановское месторождение

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 5 км

Данная зона была разделена на 6 участков, площадь которых варьировалась от 89,9 до 257 га. В общей сложности на 6 участках пробурено 43 скважины.

По данным полевых и лабораторных работ были встречены следующие грунты:

- торф (bQIv) сильно- и среднеразложив-шийся водонасыщенный, мощностью 0,62,8 м, встречен на участках №№ 2, 3, 4, 5;

- глина (laQII-III) мягко-, текучепластич-ная до текучей, тугопластичная, с примесью органических веществ мощностью 6,9-9,8 м, встречена на участках №№ 1, 2, 3, 4, 5, 6.

С поверхности территория покрыта поч-венно-растительным слоем толщиной до 0,10,5 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 10 км

Пробурено 26 скважин. По данным полевых и лабораторных работ были встречены следующие грунты:

- торф сильно- и среднеразложившийся водонасыщенный, мощностью 0,7-2,1 м;

- глина мягко-, текучепластичная, реже тугопластичная, с примесью органических веществ, мощностью 7,6-9,7 м.

С поверхности территория покрыта поч-венно-растительным слоем толщиной до 0,3 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 15 км

Пробурено 45 скважин.

По данным полевых и лабораторных работ были встречены следующие грунты:

- торф сильно- и среднеразложившийся водонасыщенный, мощностью 0,8-1,7 м;

- суглинки туго- и мягкопластичные, мощностью 2,0-3,5 м;

- глина мягко-, текучепластичная, реже тугопластичная и полутвердая, с примесью органических веществ, мощностью 6,2-9,7 м.

С поверхности территория покрыта поч-венно-растительным слоем толщиной до 0,3 м.

Грунты, согласно СНиП 2.05.02-85, относятся к слабым грунтам (показатель текучести >0,5) и, согласно таблице Б.27 ГОСТ 25100-2020, относятся к сильно- и чрезмер-нопучинистым.

Глинистые грунты, имеющие показатель текучести <0,5 с прослоями песка, которые при соответствующей подготовке грунта могли бы быть использованы в качестве грунтовых строительных материалов, встречены преимущественно с глубины 6,0 м, в единичных случаях - с глубины 4,5-5,0 м и в районе существующих карьеров глинистых грунтов.

Таким образом, по результатам камеральной обработки полевых и лабораторных работ, участок не перспективен для разработки карьера строительных материалов.

Северо-Тамаргинское месторождение

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 5 км

Пробурено 192 скважины, встречены следующие грунты:

- торф среднеразложившийся водонасы-щенный мощностью 1,7 м;

- супесь песчанистая пластичная текучая мощностью 0,7-3,7 м;

- суглинок от тугопластичного до текучего, с примесью органических веществ, мощностью 1,1-6,0 м; 3,7-9,0 м;

- глина от тугопластичной до текучей консистенции, с примесью органических веществ, мощностью 6,2-9,7 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 10 км

Пробурено 7 скважин, встречены следующие грунты:

- суглинок мягко-, текучепластичный, мощностью 0,7-1,6 м;

- глина от мягкопластичной до теку-чепластичной консистенции, с примесью органических веществ, мощностью 8,1-9,7 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 15-20 км

Пробурено 20 скважин, встречены следующие грунты:

- торф среднеразложившийся водонасы-щенный, мощностью 0,7-1,3 м;

- глина мягко-, текучепластичная, с примесью органических веществ, мощностью 8,7-9,7 м.

Косухинское месторождение

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 5 км

Пробурено 28 скважин. По данным полевых и лабораторных работ были встречены следующие грунты:

- торф среднеразложившийся водонасы-щенный, мощностью 0,4 м;

- песок мелкий влажный, мощностью 0,5-0,9 м;

- супесь песчанистая пластичная, текучая, мощностью 1,0-1,4 м; редко до 7,99,7 м;

- суглинок от тугопластичного до теку-чепластичного, с примесью органических веществ, мощностью 1,5-5,0 м, 7,7-8,2 м;

- глина от тугопластичной до текучепла-стичной, с примесью органических веществ, мощностью 1,3-3,5 м, 6,4-8,4 м, редко до 9,7 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 10 км.

Пробурено 80 скважин, встречены следующие грунты:

- песок мелкий влажный, водонасыщен-ный, мощностью 0,3-1,6 м, редко до 2,53,7 м, в единичных случаях 5,1-7,2 м.

- супесь песчанистая пластичная, текучая, мощностью 0,3-3,1 м, в единичных случаях 7,8-8,9 м;

- суглинок тугопластичный, редко мягко-пластичный, с примесью органических веществ, мощностью 1,0-3,7 м, в единичных случаях 6,2 м;

- глина от полутвердой до текучепластич-ной, с примесью органических веществ, мощностью 1,3-3,5 м, 6,4-8,4 м, редко до 9,7 м.

- суглинок тугопластичный, мягкопла-стичный, мощностью 1,0-9,3 м, в единичных случаях до 6,2 м

- супесь пластичная, текучая, встречена локально, мощностью 0,3-3,1 м, в единичных случаях достигает 7,8-8,9 м.

- песок мелкий средней плотности, влажный, водонасыщенный, мощностью 0,31,6 м, редко 2,5-3,7 м, в единичных случаях 5,1-7,2 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 15 км.

В южной части радиуса пробурено 9 скважин. Скважины, пройденные в северной части участка изысканий, попадают в 5 и 10-километровые зоны Северо-Тямкинского месторождения. Встречены следующие грунты:

- глина тугопластичная, мягкопластичная, с примесью органических веществ, мощностью 0,8-2,2, 7,5-8,9 м.

Северо-Тямкинское месторождение

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 5 км

Пробурено 15 скважин.

По данным полевых и лабораторных работ были встречены следующие грунты:

- торф сильноразложившийся водонасы-щенный, мощностью 1,6 м;

- глина от тугопластичной до текучепла-стичной, с примесью органических веществ, мощностью 8,1-9,7 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 10 км

Пробурено 42 скважины, встречены следующие грунты:

- глина от полутвердой до мягкопластич-ной консистенции, с примесью органических веществ, мощностью 0,3-9,7 м.

- супесь песчанистая текучая, мощностью 4,8 м.

Инженерно-геологическая характеристика перспективных участков в радиусе 15 км

- глина тугопластичной, мягкопластичной консистенции, с примесью органических веществ, мощностью 0,9-3,5, 6,2-9,7 м.

Выводы

Апробация и верификация разработанной методики выполнены на территории семи месторождений углеводородного сырья Западной Сибири. В ходе исследований определены суммарные объемы грунтов различных литологических разностей для более чем 80 перспективных участков, расположенных в зонах радиусом 20 км вокруг соответствующих нефтяных месторождений.

Пересчет удельного электрического сопротивления в процентное содержание глин проводился с учетом лабораторных измерений УЭС для температуры 20 °С.

По результатам анализа УЭС, для большей части исследуемых территорий характерно от 10 до 30 % содержания глинистых частиц, что соответствует по гранулометрической классификации грунтов глинам и суглинкам. Однако на ряде месторождений (Северо-Тамаргинском, Косухинском и Се-веро-Тямкинском) выделяются песчаные отложения, залегающие в интервале глубин от поверхности до 5 м. Ниже по разрезу отмечается закономерное увеличение глинистости. В качестве примера на рис. 3 приведены результаты районирования песчаных грунтов для трех месторождений с целью выделения перспективных участков грунтовых строительных материалов. Представленная про-

гнозная оценка процентного содержания глин прошла верификацию выполненным бурением, по результатам которого показан сравнительный анализ геолого-геофизических данных (табл. 1). Наибольшие расхож-

дения связаны с особенностями методов, в частности интегральностью технологий геофизических исследований и дискретностью при отборе проб в ходе проходки горных выработок.

Таблица 1. Результаты сравнительного анализа процентного содержания глин по данным геофизических исследований и бурения

Номер скважины Интервал опробования, м Грунт Глинистость (%) по данным: Относительное изменение (%)

бурения ВЭЗ

Северо-Тамаргинское месторождение

1 0-5 Суглинок песчанистый текучий 15,5 17,0 8,8

1 5-10 Суглинок тугопластичный 25,4 32,7 22,3

2 0-5 Суглинок песчанистый текучий 19,1 22,9 16,6

2 5-10 Суглинок мягкопластичный 22,2 31,1 28,6

6 0-5 Суглинок мягкопластичный 15,2 17,5 13,1

6 5-10 Суглинок тугопластичный 23,7 29,5 19,7

7 0-5 Суглинок мягкопластичный 15,1 18,3 17,5

7 5-10 Суглинок текучепластичный 20,2 21,5 6,0

13 0-5 Супесь пластичная 16,2 15,3 5,9

13 5-10 Суглинок тугопластичный 29,3 33,7 13,1

80 0-5 Супесь пластичная 20,5 25,3 19,0

80 5-10 Глина тугопластичная 32,9 35,4 7,1

Косухинское и Северо-Тямкинское месторождения

525 0-5 Песок мелкий 0,5 0,7 23,1

5-10 Песок мелкий 0,3 0,4 14,3

545 0-5 Суглинок тугопластичный 32,3 35,4 8,8

5-10 Песок мелкий 0,7 0,7 7,7

546 0-5 Суглинок песчанистый 22,3 25,3 11,9

5-10 Глина мягкопластичная 32 33,7 5,0

555 0-5 Суглинок тугопластичный 35,4 32,7 8,3

5-10 Суглинок песчанистый 23,6 27,1 12,9

558 0-5 Суглинок песчанистый 21,3 19,7 8,1

5-10 Глина тугопластичная 32 36,0 11,1

568 0-5 Песок мелкий 0,2 0,2 4,8

5-10 Песок мелкий 0,3 0,4 25,0

596 0-5 Песок мелкий 0,4 0,5 20,0

5-10 Песок мелкий 0,5 0,6 16,7

604 0-5 Глина тугопластичная 35,4 36,3 2,5

5-10 Глина мягкопластичная 37,2 40,2 7,5

607 0-5 Суглинок песчанистый 21,6 18,3 18,0

5-10 Глина тугопластичная 33,3 32,1 3,7

652 0-5 Суглинок песчанистый 23,6 28,6 17,5

5-10 Суглинок песчанистый 22,1 29,7 25,6

Рис. 3. Прогнозная оценка процентного содержания глин и постановка заверочного бурения на Северо-Тамаргинском, Косухинском и Северо-Тямкинском месторождениях

Заключение

На основании сбора и изучения информации о геологическом строении районов поиска грунтовых материалов без геолого-геофизического районирования территорий нефтяных месторождений сложно сделать вывод о пригодности и наличии необходимых объемов строительных материалов.

Выполненная инженерно-геологическая оценка результатов геофизических исследований показывает хорошую сходимость данных, полученных с помощью многостадийной технологии и лабораторного определения электрических свойств без нарушения структуры образцов горных пород.

Библиографический список

Алванян А.К.., Ибламинов Р.Г. К вопросу о методике разведки месторождений глин (на примере Усть-Игумского месторождения в Пермском крае) // Вестник Пермского университета. Геология. 2009. № 11. С. 27-35.

Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. М.: Недра, 1990. 501 с.

Середин В.В., ПушкареваМ.В., Лейбович Л.О., Бахарева Н.С. Методика инженерно-геологического районирования на основе бальной оценки

классификационного признака // Инженерная геология. 2011.№ 3. С. 20-25.

Татаркин А.В. Геолого-геофизическая методика поисков месторождений грунтовых строительных материалов / А.В. Татаркин, А.А. Фили-мончиков, В.И. Костицын // Актуальные проблемы геодезии, картографии, кадастра, геоинформационных технологий, рационального земле- и природопользования: электронный сборник тезисов Международной научно-технической конференции, Новополоцк, 09-10 июня 2022 года. Новополоцк: Полоцкий государственный университет имени Евфросинии Полоцкой, 2022. С. 44-47. EDN HDNEAB.

Татаркин А.В., Гилева М.И., Филимончи-ков А.А. К вопросу определения удельного электрического сопротивления дисперсных грунтов в лабораторных условиях // Вестник Пермского университета. Геология. 2014. Вып. 1. С. 44-48.

Татаркин А.В. Методические аспекты определения удельного электрического сопротивления в лабораторных условиях / А.В. Татаркин, Д.В. Шиканов // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. 2022. № 5 (42). С. 272-275. EDN JHEBYO.

Филимончиков А.А., Татаркин А.В., Гиле-ва М.И. Оценка перспективности месторождений грунтовых строительных материалов методами электрометрии // Записки Горного института (СПбГУ). 2015. Т. 212. С. 130-134.

302

K.A. Âneaurn, A.A. 0muMOHHUKO6, A.B. TamapKUH, n.A. KpacmbHUKoe u dp.

Engineering-Geological Assessment of the Results of Geophysical Research for Soil Construction Materials Surveying

K.A. Alvanianab, A.A. Philimonchikova, A.V. Tatarkina, P.A. Krasilnikova, G.M. Batrakovab, S.G. Ashikhminb

aPerm State University, 15 Bukireva Str., Perm 614068, Russia. E-mail: [email protected]

bPerm State University, 15 Bukireva Str., Perm 614990, Russia. E-mail: [email protected]

The article provides an assessment of the results of geophysical research using geological exploration methods when searching for deposits of building materials. The staged nature of research is outlined, based on the use of direct geological methods, electrometry geophysical methods, laboratory study, and modern approaches to three-dimensional modeling, which makes it possible to increase the efficiency of geological exploration work. The approbation of the described approach is presented. Using this methodology a number of construction materials deposits were discovered in difficult engineering-geological conditions, and the concept of rational subsoil use was implemented during the development of a number of deposits in Western Siberia.

Key words: deposits of soil building materials; methods of shallow geological exploration; drilling; electrical exploration; digital physical and geological models; complex engineering and geological conditions; subsoil use.

References

Alvanian A.K., Iblaminov R.G. 2009. K voprosu o metodike razvedki mestorozhdeniy glin (na pri-mere Ust'-Igumskogo mestorozhdeniya v Permskom kraye) [On the question of prospecting methods of clay deposits (on example of the Ust-Igum deposit in Perm region)]. Vestnik Permskogo universiteta. Ge-ologiya. 11:27-35. (in Russian)

Ogil'vi A.A. 1990. Osnovy inzhenernoy geofiziki. [Fundamentals of Engineering Geophysics]. Moskva, Nedra, p. 501. (in Russian)

Seredin V.V., Pushkareva M.V., Leybovich L.O., Bakhareva N.S. 2011. Metodika inzhenerno-geologicheskogo rayonirovaniya na osnove bal'noy otsenki klassifikatsionnogo priznaka [Methodology of engineering-geological zoning based on a point assessment of a classification feature]. Inzhenernaya geologiya. 3:20-25. (in Russian)

Tatarkin A.V., Filimonchikov A.A., Kostitsyn V.I. 2022. Geologo-geofizicheskaya metodika poiskov mestorozhdeniy gruntovykh stroitel'nykh materialov [Geological and geophysical methods for searching for deposits of soil building materials]. Aktual'nyye problemy geodezii, kartografii, kadastra, geoinfor-matsionnykh tekhnologiy, ratsional'nogo zemle- i prirodopol'zovaniya: Elektronnyy sbornik tezisov

Mezhdunarodnoy nauchnotekhnicheskoy konfer-entsii, Novopolotsk, 09-10 iyunya 2022 goda. Novopolotsk: Polotskiy gosudarstvennyy universitet imeni Yevfrosinii Polotskoy, pp. 44-47. (in Russian)

Tatarkin A.V., Gileva M.I., Filimonchikov A.A.

2014. K voprosu opredeleniya udel'nogo elektrich-eskogo soprotivleniya dispersnykh gruntov v labora-tornykh usloviyakh [On the issue of determining the specific electrical resistance of dispersed soils in laboratory conditions]. Vestnik Permskogo universiteta. Geologiya, 1:44-48. (in Russian)

Tatarkin A.V., Shikanov D.V. 2022. Metodicheskiye aspekty opredeleniya udel'nogo el-ektricheskogo soprotivleniya v laboratornykh usloviyakh [Methodological aspects of determining resistivity in laboratory conditions]. Geologiya i poleznyye iskopayemyye Zapadnogo Urala. 5(42):272-275. (in Russian)

Filimonchikov A.A., Tatarkin A.V., Gileva M.I.

2015. Otsenka perspektivnosti mestorozhdeniy gruntovykh stroitel'nykh materialov metodami el-ektrometrii [Assessment of the prospects of deposits of soil building materials using electrometry methods] Zapiski Gornogo instituta (SPbGU). 212:130134. (in Russian)