CC BY
130
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2008 Геология Вып.
10 (26)
УДК 550.837
Применение компьютерной технологии интерпретации электроразведочных данных при изучении закарстованных территорий
В.П. Колесников, А.В.Татаркин, М.Ш. Димухаметов
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: [email protected]
Рассмотрены новые возможности повышения информативности интерпретации электроразведочных материалов при изучении закарстованных территорий на основе применения компьютерной технологии. Показано, что использование специально разработанного комплекса программ, позволяющих осуществлять сканирование трехмерных отображений поля, анализ параметрических зондирований, определение количественных характеристик среды и визуализацию получаемых материалов, обеспечивает возможность оперативного, всестороннего анализа геоэлектрического разреза и более обоснованного выделения карстоопасных зон.
Ключевые слова: электрическое зондирование, карст, компьютерная технология, интерпретация.
Карст - одно из наиболее распространенных природных явлений. В районе западного Урала карст охватывает порядка 45% территории [7]. Негативные его проявления в сфере жизнедеятельности человека связаны с возникновением провалов и обрушений массивов горных пород, представляющих опасность для различного рода промышленных и гражданских сооружений.
Из геофизических методов, применяемых при изучении карста, наиболее перспективными являются электроразведочные методы. Это связано с высокой контрастностью электропроводности моделей карстовых образований, простотой методик наблюдений и экономической эффективностью производства работ [3, 4, 5].
Общие принципы формирования физикогеологической модели определяются особенностями изменения электрических характеристик пород в процессе кастообразования. Большинство карстующихся горных пород, таких как известняк, доломит, гипс, соли, мел, обладают достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением в сотни и тысячи омметров. В процессе карстообразова-
ния, сопровождающегося распространением пустотности, повышением влагосодержания, глиносодержания пород, минерализации водных растворов - основных факторов, определяющих величину электрического сопротивления [1, 8], происходит значительное его изменение, вызывающее аномальность отображения закарстованных участков в электрических полях.
При изучении карста в электроразведке помимо электрического сопротивления пород привлекается и ряд других характеристик процесса карстообразования, к примеру, поведение естественного поля (метод ЕП), возникающего при фильтрации подземных вод, векторных измерений электрического поля, косвенно отражающих наличие и степень латеральной изменчивости свойств среды и др.
В общем случае изучение закарстованных территорий геофизическими, в частности электроразведочными, методами является одной из достаточно сложных задач. Это объясняется в первую очередь а) многообразием физико-геологических моделей (ФГМ) различных карстовых образований, определяемых типом карста, его обнаженностью, мощ-
© В.П. Колесников, А.В. Татаркин, М.Ш. Димухаметов, 2008
136
ностью, составом и физическими свойствами карстующихся пород, наличием наносов и покровных образований, видами заполнителей карста, уровнем грунтовых вод и др.; б) наличием эффектов, связанных с влиянием приповерхностных неоднородностей и аномальных проявлений интересующих глубинных карстовых образований; в) неоднозначностью количественной интерпретации результатов зондирования и т.п. Поэтому требуется создание достаточно совершенных методов интерпретации, которые обеспечивали бы оперативность и всесторонность анализа данных, точность количественных оценок параметров среды, достоверность и геологическую содержательность получаемых материалов.
В последние годы благодаря развитию теоретического, методического и программного обеспечения создан ряд программ для обработки и интерпретации результатов, используемых в практике электроразведочных работ. В данной публикации рассмотрен опыт применения разработанной авторами компьютерной технологии интерпретации электрических зондирований с помощью системы программ «ЗОНД» [2, 8] при изучении закарстованных территорий.
Система «ЗОНД» включает следующие графы обработки и интерпретации: 1) визуализация и корректировка исходных данных; 2) первичная обработка результатов наблюдений; 3) качественная интерпретация; 4) количественная интерпретация; 5) анализ параметрических зондирований; 6) расчет геоэлек-трических параметров для заданной части геоэлектрического разреза; 6) пересчет электрических параметров в другие физические характеристики среды на основе использования коррелятивных связей.
Каждый из этапов автоматизирован и содержит блок визуализации, предназначенный для организации интерактивного режима работы и графической выдачи результатов в виде графиков, разрезов, карт и объемных отображений расчетных и наблюденных полей.
Интерактивный режим работы обеспечивает возможность контроля и корректировки результатов работы отдельных ее блоков с целью выбора оптимального варианта построения модели исследуемой среды.
Специально разработанные программы объемной визуализации позволяют в опера-
тивном режиме получать трехмерные отображения исследуемого поля, осуществлять его сканирование с получением горизонтальных и вертикальных сечений, построением разрезов и карт по любым заданным направлениям, обеспечивая возможность пространственного картирования и всестороннего анализа аномальных особенностей поля, выделения зон с характерными признаками карстообразова-ния.
В целях повышения однозначности и достоверности количественной интерпретации разработан ряд способов, основанных на согласованной интерпретации совокупности зондирований с использованием в качестве дополнительной информации как количественных параметров в виде опорных решений, получаемых в результате анализа параметрических зондирований, так и качественных характеристик (сведений о гладкости границ и т.п.) исследуемой среды. Блок анализа параметрических зондирований позволяет в интерактивном режиме, в рамках 5-эквивалентности, выбирать решение, наиболее согласующееся с априорными представлениями о разрезе в рамках информативности метода, отождествлять геоэлектрические слои с литологическими комплексами слагающих разрез пород, осуществлять оценку неоднозначности результатов интерпретации на основе пределов эквивалентности, получать информацию об истинных мощностях и удельных сопротивлениях геоэлектрических слоев. При отсутствии параметрических зондирований предусмотрен статистический вариант выбора опорных решений.
Технологически построение физикогеологической модели представляет собой итерационный процесс, выполняемый при участии интерпретатора. Работа интерпретатора сводится к формированию опорных решений, заданию управляющих параметров, представляющих ограничения на пространственное изменение физических параметров среды, и выбору наиболее оптимального варианта конструируемой модели. Аномальные эффекты, не укладывающиеся в рамки квази-горизонтально-слоистой модели среды и отображаемые в виде поля остаточных аномалий, по совокупности признаков (прослеживаемо-сти границ, пространственной согласованности решений, достоверности результатов и
др.) классифицируются как влияние локальных неоднородностей либо помех.
Изучение карста с применением данной технологии проводилось на одном из участков Кунгурского района Пермского края с целью предварительного обоснования возможности строительства гражданских сооружений. Площадь участка составляла 1,4 км . Задачей электроразведочных исследований являлось получение информации о строении и физическом состоянии геологического разреза до глубины 30 - 35 м для прогнозной оценки карстоопасности данного участка.
Электроразведочные наблюдения были выполнены комплексом методов, включающим метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и метод электропрофилирования в модификации двух составляющих (ЭП МДС) [8], согласно нормативным документам [6, 7].
Полевые измерения проводились с помощью аппаратурно-программного комплекса АМС-1, обеспечивающего цифровую регистрацию результатов измерений, качество и контроль первичного материала с оценкой соотношения сигнал-помеха, минимизацию влияния техногенных помех, визуализацию процесса формирования кривой зондирования, оперативность измерений благодаря каналу радиосвязи генератора и измерителя и др. Наблюдения осуществлялись с использованием многоканальной измерительной установки, изготовленной в виде «косы», существенно повышающей производительность полевых работ. Средняя величина погрешности наблюдений, оцениваемая по результатам контрольных наблюдений, составила не более 3 - 4 %.
С помощью системы программ «ЗОНД» был выполнен комплекс работ, включающий первичную обработку полевого материала, качественную интерпретацию, анализ параметрического материала и графическое представление результатов.
На этапе качественной интерпретации решались вопросы изучения общего характера пространственного изменения электрических свойств среды, выявления зон аномально повышенных и пониженных сопротивлений, отображающих литологический состав, степень нарушенности структуры пород, их латеральную изменчивость, возможную обвод-
ненность - факторов, определяющих наличие карстовых образований. Для этой цели были получены горизонтальные сечения трехмерного поля кажущихся сопротивлений (рис. 1), характеризующие изменение электрических свойств пород как по площади, так и с глубиной.
Анализ поля кажущихся сопротивлений показывает (рис. 1 а, б, в), что приповерхностная часть разреза до эффективных глубин 4 -5м характеризуется наличием в основном сравнительно низкоомных отложений {pk = 1+25 Ом-м), по величине электрического сопротивления соответствующих породам с повышенным содержанием глинистого материала (суглинки, глина и т.п.). Наиболее пониженные значения сопротивлений в пределах данного интервала глубин наблюдаются в центральной части участка. На фоне пониженных сопротивлений четко выделяются области повышенных сопротивлений {pk=25 + 69 Ом-м), по величине соответствующих породам с преобладанием песчано-гравийного материала.
С погружением до эффективных глубин 10
- 14 м (рис.1 г, д) в юго-восточной части участка отмечается повышение сопротивлений, указывающее на возможное наличие обвально-карстовых отложений с участками вывет-релых коренных пород. Выявленная зональность свойств становится все более выраженной с глубиной (рис.1е).
Горизонтальные сечения поля кажущихся сопротивлений на эффективных глубинах 25
- 35 м, отвечающих последним разносам измерительной установки (рис.1е), фиксируют повышение сопротивлений, указывающее на наличие достаточно плотных пород, подстилающих область интенсивного карстообразо-вания в исследуемом интервале глубин.
Более четко все эти особенности проявляются в ходе количественной интерпретации полевых материалов. Анализ параметрического зондирования с использованием результатов бурения скважины, расположенной на прилегающей территории, показал, что по данным количественной интерпретации отображаются пять основных пачек пород (рис. 2а).
Первый геоэлектрический слой мощностью приблизительно 0.6 м, обладающий пониженным сопротивлением около 4 Ом-м, отобра-
жает наличие почвенно-растительного слоя с стью около 1 м соответствует отложениям глинистым материалом. просадочного суглинка.
Второй геоэлектрический слой повышенного сопротивления (25 - 30 Ом-м) и мощно-
,6365944
гэф, М /
Ч / !
\ Г ■Ш 63« fíf
47Т 13[/— \f
2>— —¡Tío«™ і т II Щі 27*—
492908 493258 493608
і 6365944
493608
X
в
X
е
6365944
493258
493608
493608
I I
7.4 8.9 10.7 13 16 19 23 27 33 39 47 57 69
Рис. 1. Горизонтальные сечения поля кажущихся сопротивлений на эффективных глубинах 1 (а),
3 (б), 5 (в), 10 (г), 14 (д) и 27м (е)
Третий слой, имеющий относительно по- носительно повышенным сопротивлением
ниженное сопротивление (р = 6 Ом-м) ото- (р=15 Ом-м), отображает электрические свой-
ждествляется с отложениями глин. Мощность ства обвально-карстовых пород, представ-
данного слоя 9 м. Четвертый геоэлектриче- ленных гравийным грунтом, глиной мергели-
ский слой мощностью 18 м, обладающий от- стой, глыбами выветрелого доломита, запол-
а
б
д
ненного глинистым материалом. Пятый гео-электрический слой с удельным сопротивлением 660 Ом-м, являющийся опорным в ис-
следуемом интервале глубин, соответствует отложениям ангидритов.
Рис. 2. Результаты количественной интерпретации электрических зондирований: а - анализ параметрического зондирования, выполненного вблизи скважины; б - геоэлектрический разрез
Данный разрез по типу соответствует покрытому карсту, где карстующиеся породы перекрыты на разных участках породами с преобладанием относительно водопроницаемых (пески, гравий) либо водонепроницаемых (глины, суглинки) грунтов. Мощность этих отложений составляет 8-10 м. Литологический состав и физические свойства данной части
разреза, подверженной активному воздействию атмосферных осадков, во многом определяют формирование зон активного карстооб-разования.
Результаты анализа параметрического зондирования были использованы в качестве основного параметрического обеспечения при количественной интерпретации площадных
электроразведочных наблюдений на исследуемом участке. Полученные в результате количественной интерпретации геоэлектриче-ские разрезы и карты удельных электрических сопротивлений, часть которых приведена на рис. 3 а-г, раскрывают характер площадного изменения литологического состава пород и динамику процессов карстообразования.
Электрические свойства покровных отложений, отображаемых первыми тремя гео-электрическими горизонтами, показывают, что на фоне относительно водонепроницаемых пород (область низких сопротивлений (3
- 25 Ом-м), обладающих повышенным содержанием глинистого материала, выделяются высокоомные зоны с сопротивлением до сотен омметров, характерным для относительно водопроницаемых пород. Такие области, наблюдаемые в юго-восточной и северовосточной частях участка. По литологическому составу областям повышенных сопротивлений в данных геологических условиях соответствуют песчано-гравийные. В силу повышенной трещиноватости и пустотности данные породы в значительной мере подвержены воздействию осадков и, соответственно, процессам карстообразования, что подтверждается наличием карстовых воронок, расположенных в их пределах (рис. 3д). Общая мощность покровной пачки пород для большей части участка находится в пределах 5 - 7 м.
Карта электрических сопротивлений ниже-залегающего - четвертого геоэлектрического горизонта характеризует изменение литологического состава и физического состояния обвально-карстовых отложений и верхней, наиболее выветрелой части карстующихся пород.
По значениям электрического сопротивления (7 - 30 Ом м) в северо-восточной и отчасти в юго-западной частях участка в составе обвально-карстовых отложений преобладают породы с повышенным содержанием глинистого материала. Это свидетельствует о выраженной активности проходивших здесь суф-фозионно-карстовых процессов, связанных с выносом песчано-глинистых фракций, присутствующих в верхней части разреза. Общий характер вытянутости низкоомных аномалий
в северном, северо-восточном направлении, коррелирующийся с погружением кровли подстилающих пород, указывают на направление движения подземных вод в сторону поймы р. Сылва. Область повышенных сопротивлений (60 - 130) позволяет картировать породы с преобладающим содержанием в их составе обломочного и песчано-гравийного материала (глыб доломитов, гравия). Широкий диапазон повышенных сопротивлений говорит о разной степени выветрелости (возможное наличие скальных останцов). Мощность обвально-карстовых отложений составляет 15 - 20 м.
Электрические свойства последнего - пятого геоэлектрического слоя, характеризующего свойства подстилающих сульфатных пород, отмечают наличие областей пониженных и повышенных сопротивлений, достаточно хорошо согласующихся с общей зональностью электрических свойств верхней части разреза.
Исходя из общего анализа качественных и количественных характеристик разреза можно сделать предположение о том, что вследствие выноса дождевыми и талыми водами пылеватых глинистых частиц из покровных отложений, наиболее проявляющегося в северовосточной части участка, и относительно малого градиента изменения морфологических форм геологических горизонтов происходит тампонирование пустот и трещин, значительно снижающее интенсивность современных процессов карстообразования. В то же время, в пределах юго-восточной его части, где в силу повышенной водопроницаемости покровных отложений, их малой мощности, повышенной трещиноватости, пустотности и др., вероятность развития современных карстовых процессов и наличия незаполненных карстовых пустот более высока. Это подтверждается существованием большого числа карстовых воронок в пределах указанной зоны.
Косвенным признаком активности карстовых процессов является повышенная латеральная изменчивость электрических сопротивлений, отмечаемая результатами наблюдений методом двух составляющих (МДС).
і і ? і і зі/
6/ і h ■
6.6 S.5 10.9 U.I
25 30 3S 49 S3
- воронки и провалы — сетка 0,25x0,25 км г район развития карбоиатно-Сульфатных пород Ш I (очень неустойчивый, > 1,0)
И II (неустойчивый, 1,0-0,1)
■I III (недостаточно устойчивый, 0,1-0,05)
1 IV (пониженной устойчивости, 0,05-0,01) V (относительно устойчивый, < 0,01)
Рис 3. Карты удельных электрических сопротивлений первых двух (а), третьего (б), четвертого (в) и пятого (г) геоэлектрических горизонтов, д - карта устойчивости территории по интенсивности провалообразования и среднему диаметру провалов
Выводы
Рассмотрена методика и технология ведения электроразведочных работ с использованием современного аппаратурно-
методического обеспечения и компьютерной интерпретации полевых материалов при изучении закарстованных территорий. В результате компьютерной обработки и интерпретации полевых материалов получены геоэлек-трические разрезы, карты и объемные отображения электрических сопротивлений, ха-
рактеризующие пространственное изменение литологического состава и физических свойств пород до глубины 30 - 35 м.
Анализ материалов с привлечением параметрической информации о прилегающей территории позволил 1) выполнить послойное расчленение разреза, отображающее свойства и количественные характеристики покровных отложений, обвально-карстовых и подстилающих их коренных пород; 2) получить карты удельных сопротивлений и объемные отображения поля, раскрывающие динамику
кастообразования и наличие потенциально карстоопасных зон; 3) выполнить картирование просадочных грунтов, необходимое для целей строительства; 4) выделить участки
Библиографический список
1. Дахнов В.Н. Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин: учебник для вузов. 2-е изд. / В.Н. Дахнов. М.:
Недра, 1982. 448 с.
2. Колесников В.П. Основы интерпретации электрических зондирований / В.П. Колесников.
М.: Научный мир, 2007. 248 с.
3. Колесников В.П. Применение методов электрометрии для выявления закарстованных участков при решении инженерногеологических задач / В.П. Колесников,
А.В.Татаркин // Кунгурская ледяная пещера:
300 лет науч. и тур. деятельности: матер. меж-дунар. науч.-практ. конф. Кунгур, 2003. 329 -333 с.
Application of computer technology interpretation of electric sounding data at studying karstic territories
V.P. Kolesnikov, A.V. Tatarkin, M.S. Dimuhametov
Perm Sate University, 614990, Perm, Bukireva st., 15. E-mail: [email protected]
New opportunities of information increase for interpretations of electrical sounding materials at studying of karstic territories on the basis of computer technology are considered.
Use of specially developed program complex is shown. That allows carrying out scanning threedimensional displays of a field, the analysis parametrical sounding, definition of quantitative characteristics of environment and visualization of received materials, the opportunity of the operative allround analysis of a geological section and more proved allocation karst dangerous zones provides. Key words: electrical sounding, karst, computer technology, interpretation.
для проведения детальных и мониторинговых геофизических наблюдений, а также буровых работ.
4. Матвеев Б.К. Электроразведка / Б.К. Матвеев. М.: Недра, 1990. 368 с.
5. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики / А.А. Огильви. М.: Недра, 1990. 501 с.
6. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. 2. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. М., 2000. 25 с.
7. ТСН 11-301-2004 ПО. Инженерногеологические изыскания для строительства на закарстованных территориях Пермской области. Пермь, 2004. 57с.
8. Электроразведка: справ. геофизика. Т.1-2, М.: Недра, 1990. 438 с.
Рецензент доктор геол.-минер. наук Б.К. Матвеев
