Экогидрогеофизика

Экогидрогеофизика предназначена для изучения карстово-суффозионных явлений, изменения динамики и химизма подземных вод. Карстовые и суффозионные явления связаны с растворением скальных (карбонатных, гипсоносных, соленосных пород) и вымыванием рыхлых пород подземными водами. Эти явления встречаются почти на одной трети территории суши, нередко изменяя поверхностные формы рельефа. Благоприятствуют развитию карста тектоническая трещиноватость пород и ее увеличение вследствие природно-техногенных причин, интенсивное движение подземных вод и изменения гидрогеологического режима. Например, за счет подземного водоснабжения и возникающего вследствие этого понижения уровня грунтовых вод проникающие в породы загрязненные атмосферные и поверхностные воды оказываются более агрессивными и увеличивают скорость выщелачивания. В результате образуются как поверхностные карстовые формы (карстовые воронки, котловины, колодцы, шахты и т.п.), так и глубинные (подземные полости, каналы, пещеры, гроты). Часто они заполнены водой или глинистыми продуктами выветривания пород (см. 5.3).

Вследствие карстово-суффозионных процессов и явлений уменьшается устойчивость геологической среды, что приводит к катастрофическим последствиям (просадки, провалы, деформации сооружений) (см. 3.3.5).

Для изучения устойчивости геологической среды перед геофизикой ставятся следующие задачи [Огильви А.А., 1990]:

· Выделение регионов, где встречаются растворимые породы, оценка литологии и мощности перекрывающих пород, самих карстующихся пород и глубины залегания базиса коррозии, т.е. поверхности скальных пород, ниже которой закарстованности нет.

· Изучение гидрогеологических условий: наличия водоносных и водоупорных пород, пластовых и трещинно-карстовых вод, их минерализации, динамики (скоростей движения и фильтрации).

· Выявление трещинно-карстовых зон, отдельных карстовых форм, полостей и т.п.

· Оценка динамики карстово-суффозионных процессов и устойчивости закарстованных территорий.

Возможность решения поставленных задач геофизическими методами определяется различием геофизических свойств закарстованных скальных пород по сравнению с теми же породами, но не затронутыми карстовыми процессами (ниже базиса коррозии), и перекрывающими, как правило, песчано-глинистыми породами. Закарстованные породы, несмотря на наличие в них полостей, заполненных воздухом, отличаются тем не менее пониженными удельными электрическими сопротивлениями и скоростями распространения упругих волн, существованием аномалий естественного электрического поля, повышением гамма-активности. Это объясняется наличием в них глинистых пород и трещинно-карстовых подземных вод, характеризующихся пониженными удельными электрическими сопротивлениями, а часто и скоростями упругих волн. Глинистые породы повышают гамма-активность, измеряемую при гамма-съемках, а трещиноватые - альфа-активность, измеряемую при эманационной (радоновой) съемке.

Решение первой задачи производится геофизическими методами, используемыми для картирования. В условиях круто слоистых сред применяются методы гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования (методами естественного поля (ЕП), сопротивлений (ЭП), низкочастотного (НЧП) и высокочастотного (РВП)), гамма- и эманационные съемки. В условиях горизонтально и полого залегающих пород используются электромагнитные зондирования (вертикальные (ВЭЗ), частотные (ЧЗ) или становлением поля (ЗС) или другие), а также сейсморазведка методом преломленных (МПВ) и отраженных (МОВ) волн (см. 3.4).

Решение задач 3 и 4 проводится одиночными или режимными электромагнитными профилированиями, сейсморазведкой МПВ. С помощью скважинных геофизических исследований изучаются физические свойства горных пород вокруг скважин и между скважинами, определяются скорости движения и фильтрации подземных вод. Применение не менее двух методов, например одного электроразведочного и одного сейсмического, может дать более достоверное решение поставленных задач (см. 1.3).

В качестве примера эффективности скважинных геофизических исследований при изучении карстово-суффозионных процессов можно привести результаты режимных наблюдений на территории г.Москвы. На рис. 6.2 видно, что полости в закарстованных известняках, заполненные переотложенным глинистым материалом естественных электрического () и радиоактивного () полей, интервального времени () по акустическим исследованиям и кажущегося сопротивления () по данным метода сопротивлений, отличаются заметными аномалиями. Процесс вымывания глинистого заполнителя из полостей, возникающий под влиянием интенсивной откачки подземных вод, особенно хорошо можно проследить по изменению комплексного показателя , рассчитанного на основании суммирования контрастностей (отношений аномалий к нормальному полю) всех измеренных геофизических параметров: , где - число методов, входящих в комплекс. В данном примере = 4. График изменения значений , рассчитанный для серии наблюдений, выполненных в последовательные моменты времени с интервалом 3 месяца, дает возможность оценить время активизации суффозионного процесса.

Рис. 6.2. Результаты комплексных скважинных геофизических наблюдений при изучении карстово-суффозионного процесса: а - геологический разрез, б - каротажные диаграммы и графики изменения во времени комплексного показателя , в - режим средних значений комплексного показателя в изучаемом интервале глубин; 1 - пески, 2 - глины, 3 - закарстованные известняки, 4 - карстовые полости, 5 - уровень грунтовых вод

Вопросы изучения динамики подземных вод, их химизма рассмотрены в 5.2. С ними тесно связаны проблемы истощения подземных вод и их загрязнения, подтопления городов, промышленных объектов, сельскохозяйственных земель (заболачивание), вторичное засоление мелиорируемых земель и др. Особенности решения этих проблем сводятся к периодическим повторениям геофизических съемок, сопоставлению с результатами опытных гидрогеологических наблюдений, получению совместных гидрогеофизических рекомендаций.