Группы опорных и прогнозных параметров, их взаимосвязи

Принципы комплексной интерпретации

Выше (см. лекцию 4) отмечалось, что под количественной интерпретацией результатов геофизических работ понимают составление на основе этих результатов геолого-гидрогеологических карт и разрезов в соответствии с методическими требованиями. Такая интерпретация основана на использовании корреляционных эмпирических зависимостей между геофизическими параметрами и водно-физическими свойствами. Эта работа является комплексной интерпретацией, решаемой на основе комплексирования геофизических методов.

Перед выполнением комплексной интерпретации на основе геофизических наблюдений в опорных точках площади и на опорных (параметрических скважинах) производится подбор опорных и прогнозных параметров. Далее выполняется процедура интерпретации, включающая два этапа.

Первый этап – расчленение разрезов и прослеживание выделенных слоёв по площади с их детальным расчленением. На этом этапе основные данные получает от электроразведки, сейсморазведки и ГИС. При интерпретации результатов сейсморазведки удаётся выделить до четырёх-шести слоёв и до семи-пятнадцати слоёв по кривым электрических зондирований и ГИС. При этом оперируют всего нескольким геофизическими параметрами – УЭС, поляризуемостью, интенсивностью гамма-излучения (при каротаже) и скоростью продольных волн. Каждому выделенному слою приписывается оптимальные значения этих параметров, принимая эти слои за опорные группы. Но каждый слой может быть охарактеризован одновременно множеством водно-физических параметров, которые становятся объектом работы второго этапа интерпретации – прогнозирования их по геофизическим параметрам.

Приступая к интерпретации, интерпретатор, как правило, имеет всего несколько геофизических параметров,а для решения гидрогеологических и/или инженерно-геологических задач, нам требуется определить значительное количество водно-физических параметров. По данным Е.М. Сергеева горная порода. Как активная динамическая система характеризуется 140 параметрами. Только влажность описывается 13-ю параметрами, пористость – 14-ю, а воды можно выделить до 19 видов. Применение геофизических методов позволяло оценивать четыре-шесть. Исследования Д.Л. Галина [5] позволили ввести «в оборот» значительно большее количество оцениваемых водно-физических параметров. Автор исходил из того, что такие параметры пород как пористость, дисперсность, влагосодержание, структурная связанность частиц, минерализация содержащихся в породе вод хорошо определяются с помощью геофизических данных.

Пористость - n. Пористость – отношение объёма пустот (пор) ко всему объёму горной породы и выражается в процентах или долях единицы. Различают общую пористость, трещиноватую, кавернозную. При отсутствии замкнутых пор, общая пористость определяет влагоёмкость породы – W_n. W_n ≤ n. Равенство соблюдается при полном насыщении всех видов пор водой.

Дисперсность – показатель неоднородности породы и характеризуется эффективным диаметром частиц породы d₀ или удельной поверхностью частиц – ν, удельным сопротивлением – ρ_сл и мощностью слоя – z_сл..

Влагосодержание -процентное или долевое содержание влаги различных форм в породе. Различают воды связные – W_м и свободные – μ.

Прочносвязные воды подразделяются на прочносвязные - W_мh или адсорбированные и рыхлосвязные – W^I_мh или капиллярные и осмотические.. Свободные воды подразделяют на иммобилизованные – μ-μ._г и гравитационные - μ._г. Каждый из перечисленных видов воды характеризуются специфическими свойствами. Например, плотность прочносвязной воды достигает 1,84 г/см³, температура замерзания – до -30 -50^оС, диэлектрическая проницаемость снижается до 2-4 (у свободной воды – 81 – наивысшая). Обычно общее содержание (в долях единицы) прочносвязной воды характеризуют максимальной гигроскопической влажностью породы - W_мh. Рыхлосвязная вода образуется при капиллярной конденсации и осмотических процессах. Она расположена выше УГВ и может быть соединена со свободной водой, а может – и нет. Капиллярная вода, подобно свободной (гравитационной) может свободно перемещаться, передавать гидростатическое давление, но в то же время, по ряду свойств близка к связной. В частности, замерзает при температурах -15 - -12^оС. Появление осмотической воды вызвано различием в концентрации ионов, находящихся в поровом растворе вблизи частиц пород. Осмотическая вода слабо связана с поверхностью частиц, её плотность приближается к плотности свободной воды, а температура замерзания близка к -1,5 ^оС. Объём свободной воды (динамическая пористость или водоотдача) выражают в долях единицы. Динамическую пористость подразделяют (см. выше) на иммобилизационную μ и гравитационную μ._г. Иммобилизационная вода находится в замкнутых порах и свободна к движению лишь при усилиях, превышающих силу гравитации, например, при возбуждении пласта водозаборными скважинами. Гравитационная вода способна перемещаться в поле гравитационных сил.

Максимально возможное содержание в породе связной (всех видов) и свободной воды характеризуется полной влагоёмкостью W_n. Причём W_n.≤ n. С учётом сказанного, автор составил уравнения, связывающие различные составляющие жидкой компоненты рыхлой породы при полном её водонасыщении:

W_n = W_м + μ (6.1)

W_м = W_{м h} + W^’_м , (6.2)

n₀ = n - W_{м h} = W_n - W_{м h} = μ + W_{м h}. (6.3)

Здесь n₀ – статическая (активная) пористость, выраженная в долях единицы.

Структурная связанность частиц влияет на прочностные свойства породы. Для её характеристики применяется коэффициент крепости - f_кр и коэффициент упругости – β^*. Величина f_кр определяется количеством работы, необходимой для разрушения единицы объёма породы и равно 10^-7σ_сж, Где σ_сж, (в Н*м²) – величина временного сопротивления породы на одноосное сжатие. По величине f_кр выделяют пятнадцать градаций пород, отражающих условия их буримости и устойчивости в горных выработках. Параметр β^* характеризует упругий режим водонасыщенных пород. Он численно равен количеству жидкости, вытекающей из единичного объёма породы при повышении внешнего давления на один метр водяного столба.

Увеличение структурной связанности частиц породы сопровождается ростом f_кр, уменьшением β^*, усложнением строения порового пространства.

Минерализация М характеризует суммарное содержание растворимых солей в породе и косвенно определяется по удельному электрическому сопротивлению свободной влаги ρ_В.

Установлено, что колебание температуры на 1^оС меняет УЭС воды на 2%. Поэтому для большинства районов с геотермической ступенью более 50-70 м/^оС поправки за температуру в процессе инженерно-геофизических прогнозов не вводятся. Исключаются поправки и за изменение горного давления, которые в интервале глубин 5-150 м незначительны.

Таким образом, основными параметрами прогнозной группы могут быть приняты следующие: для оценки пористости n_0, n_м, n_к и n_т; для оценки ёмкостных свойств – n₀, μ, μ_г, W_e, W, W_м, W^I_м; для оценки водонасыщенности – k_в – коэффициент водонсыщенности и ω_и – дефицит водонасыщенности; для оценки гидрохимии подземных вод – ρ_в, М; для оценки структурной связанности частиц и упругого режима водонасыщенных пород - f_кр и β^*.

Как видно, число параметров, подлежащих прогнозу, существенно превышает число опорных геофизических параметров. Д.Л. Галин, на основе корреляционного анализа составил и решил системы расчётных уравнений для определения большого числа водно-физических параметров по минимальному набору геофизических параметров (Галин Д.Л., 1989, с.31-36, табл. 5). По этим уравнениям автор построил номограммы (см. там же, Приложение 2), позволяющие находить искомые показатели геологической среды.

ПРИМЕЧАНИЕ. Номограммы приводятся в презентации к лекции.

Поясним работу с номограммами. Например, в левой части номограммы 2 приведены масштабные оси, указывающие параметры ρ, ρ_в, I_γ, W^*, μ/n₀, и в зависимости от набора фильтрационных параметров возможны следующие варианты расчётов: ρ. I_γ, W^*→ ρ_в; ρ. I_γ, ρ_в → W^*; ρ, I_γ, μ/n₀→ ρ_в; ρ, μ/n₀, ρ_в → W^*. В соответствии с формой записи слева от стрелки указываются опорные, справа – прогнозные параметры.

6.2 Примеры расчётов водно-физических параметров

Пример 1.Расчёты водно-физических параметров пород с межзерновой пористостью

В этом случае: W^* = W_м = W.

При каротажных исследованиях (КС, ГК, резистивиметрия) в зоне полного водонасыщения (k_п ≈ 1)^. Опорными являются параметры ρ, ρ_в I_γ.Последовательность расчётов даётся схемой 1 (табл. 5). Исходные геофизические параметры в табл. 5 выделены (подчеркнуты). Приведём расчёт, имея следующую информацию: ρ. = 11 Ом*м, ρ_в = 9 Ом*м, I_γ = 500 фА/кг (около 8 мкР/ч). Ход операции указан линией I на номограммах 1-6 *см. приложение 2). В итоге получаем: п = W_е = 0,48; п₀ = W = 0,29; ω_и = 0; μ = 0,16; μ_г = 0,04; W^I_м = 0,13, W_мh = 0,19; W_м = 0,32; k_ф = К = 2,3*10^-3 м/сут; f_кр = 0,4; β^* = 10*10^-4 1/м; М = 0, 78 г/л; v = 2?8*10^-2 м/сут.

Исследуемая порода является составной частью юрского глинистого водоупора, широко распространённого в Московском артезианском бассейне. Порода по составу близка к высокодисперсным опесчаненным глинам.

ПС. При наличии газовой компоненты в подземных водах водонасыщение пород на небольших глубинах ниже уровня грунтовых вод неполное (k_в = 0,85-0,9) поэтому в расчёты необходимо вводить поправки.

Пример 2. Оценка водно-физических параметров водонасыщенных песков на основе интерпретации данных наземных геофизических исследований.

В качестве опорных геофизических параметров использовались: ρ. η, V_p. Для расчётов необходимо взять априорные данные о величине μ/п₀, которая обычно выдержана по площади для пород определённой литологии. Показатель выдержанности – естественная радиоактивность пород I_γ, сведения о которой берут из сети опорных скважин. В общем случае, при k_п <1, расчёты ведут по схеме 2 (см. табл. 4 в кН. Галин Д.Л., 1989).

В результате наземных геофизических исследований, проводившихся методами ВЭЗ ВП и сейсморазведки продольных волн, получены следующая информация: ρ = 70 Ом*м, η = 0,58%, V_p = 1,3 км/с; I_γ, = 170 фА/кг. Начальное приближение величины k_в составляет 0,9. Ход операций показан линией II на номограммах 1-6 (см. приложение 2). Наиболее вероятные значения параметров следующие: п = 0,33; п₀ =0,29; W = 0,24; k_в = 0,83; ω_и = 0,05; μ = 0,24; μ_г = 0,18; W^I_м = 0,05; W_мh = 0,035; W_м = 0,085; ρ_в = 9 Ом*м; М = 0,7 г/л; k_ф = 4 м/сут; К = 2,2 м/сут; v = 26 м/сут; β^* = 8*10^-5 1/м. Отложения являются составной частью аллювия р. Оки (г. Коломна).

Пример 3. Комплексирование наземных и скважинных исследований в зоне аэрации (k_в <0,7-0,9).

Приведём пример расчёта водно-физических параметров в зоне аэрации Скважины в этом случае обычно безводные, поэтому наиболее простым методом исследования является гамма-каротаж. Роль наземных исследований при дифференциации разреза возрастает. Расчёты ведутся в соответствии со схемой 2 (см. табл. 5).

Оценим водно-физические параметры песков по следующей информации: ρ = 350 Ом*м, η = 0,59%; I_γ, = 210 фА/кг (около 3 мкР/ч); V_p = 0,32 км/с. Ход расчётов дан линией III. В результате работы с номограммами 1-6 получаем следующие вероятные значения параметров: п =0,43; п₀ = 0,38; W = 0,12; k_в = 0,32 м/сут; ω_и = 0,26; μ =0,32; μ_г = 0,22; W^I_м = 0,06; W_мh = 0,05; W_м = 0,11; ρ_в = 22 Ом*м; М = 0,38 г/л; k_ф = 7 м/сут; К = 0,24 м/сут; v = 6,6 м/сут; f_кр = 0,6.

Отложения слагают вторую надпойменную террасур. Москвы (г. Звенигород).

Пример 4. Расчёт водно-физических параметров со сложным строением порового пространства (карбонатные породы)

ПРИМЕЧАНИЕ. При использовании скважинных данных оценку следует проводить по схеме 1, при комплексном – по схеме 2. (см. табл. 5).

Выполним оценку при использовании комплексных данных.

Имеется следующая геофизическая информация: ρ = 140 Ом*м, η = 1,1%; V_p = 2,2 км/с, I_γ, = 87 фА/кг. Последовательность расчётов указана линией IV на номограммах 1-6.

Находим оптимальное решение: п = 0,2; п₀ = 0,16; k_в = 0,92; μ = 0,14; μ_г = 0,12; W^I_м = 0,02; W_мh = 0,04; W_м = 0,006; ρ_в = 40 Ом*м; М = 0,18 г/л; k_ф = 86 м/сут; п_т = 0,017; f_кр = 4,1; β_кр = 2,5*10^-5 1/м.

Полный расчёт всех параметров позволяет дать надёжную классификацию пород по совокупности водно-физических параметров.

Любую породу можно описать в виде представительного цифрового ряда. На этом основано создание цифровых гидрогеологических моделей породы, которые описываются в работе Д.Л. Галина «Интерпретация данных инженерной геофизики», М, «Недра», 1989. – 124 с.: ил.

По этим данным строят карты литологического состава, карты минерализации и степени засоленности пород зоны аэрации, выделяются типы засолённости почвенного покрова (до глубины 1 м) по данным РВП и геоботанических наблюдений. Карты фильтрации по данным ρ_к, η_к, А_К, А*

На практике пользуются отношениями приращения коэффициента η за некоторый неизменённый (стандартный) интервал времени. В качестве стандарта принят интервал в 10 с: между 11-й и 1-й секундами после выключения тока заряда.

А = ∆U_B (t1)- ∆U_B (t11)/∆UB x100% = η(1) – η(11) – Это отношения амплитуд спада потенциалов поляризации (ВП) на два момента времени поляризующего поля.

В.А. Комаров, 1980, [6] вывел зависимость между η и ρ: η =ρ η*/(1+ ρ η*), где η – относительная поляризуемость, имеющая размерность См/м. При том, чем больше сопротивление пород, тем выше их поляризуемость. Это объясняется тем, что повышенное сопротивление пород препятствует разряду наведённой поляризуемости системы и потому было введено понятие относительной поляризуемости η* = η/ρ(1 – η) и, таким образом, η* = η/ρ, а А* = А/ ρ. Ниже приводятся таблицы, используемые для литологического расчленения геологических разрезов и других задач интерпретации геофизических данных (табл. 6.1- 6.5).

Таблица 6.1

Интерпретационная таблица для литологического расчленения ВЧР

Порода	Фракция	П, число пластичности	А*. 10^-4, См/м	УЭС, ρ, Ом.м
глина (<0,005 мм), %	пыль (0,005-0,05 мм)	песок (0,05-2,0)
Глина	30 – 40	Содержится:	17 – 25	> 4	<9
Меньше, чем глины	Меньше, чем глины
Суглинки тяжелые	20 – 30	Больше, чем глины	Меньше, чем пыли	13 – 17	2,5 – 4	9 – 15
Суглинки средние	15 – 20	Меньше, чем песка	Больше, чем пыли	10 – 13	1,5 – 2,5	12 – 22
Суглинки легкие	10 – 15	Больше, чем песка	Меньше, чем пыли	7 – 10	0,3 – 1,5	17 – 35
Супесь	6 – 10	Меньше, чем песка	Больше, чем пыли	4 – 7	0,3 – 0,9	25 – 40

ПС. Градация осадков по размерам зёрен может варьировать. Так, в районах Чуйской долины в Средней Азии к глинам относились породы, содержащие более 70% частиц меньше 0,01 мм, к тяжелым суглинкам -50-70% частиц менее 0,01 мм, к средним суглинкам – 40-50%, к лёгким суглинкам 20-40%, к супесям 10-20% частиц менее 0,01 мм, а к пескам – менее 10% частиц менее 0,01%.

Таблица 6.2

Связь между геофизическими параметрами и минерализацией грунтовых вод

А* 10^-4, См/м	Минерализация – М, г/л при УЭС, Ом.м
>40	40-30	30-20	20-15	15-10	10-5	<5
0,3-0,5	1.0	1-2	2-3	3-4	4-5	5-10
0,5-1,0	0.3	0.3-0.5	0.5-1.0	1-2	2-5	5-10
1,0-2,0	-	-	-	1.0	1-3	3-7

На основании совместной интерпретации геофизических и гидрогеологических параметров установлены корреляционные связи между: - поляризуемостью и удельной поверхностью частиц породы. Связь положительная, нормальная;

- поляризуемостью и глинистостью. При содержании глинистых частиц до 80% связь положительная, нарастающая, а при большей глинистости кривая достигает «насыщения» и даже начинает спадать;

- поляризуемостью и коэффициентом фильтрации. Связь обратная.

Для Сарпинской низменности в Калмыкии уравнение регрессии для К_ф и А*, при УЭС 2-6 Ом.м (выборка составляет 26 измерений) таково: lnK_ф = 5.98 – 2.3 ln A*; r = 0.72. Достоверный коэффициент корреляции составил 0.80, доверительный интервал для r, % от К_ф = ±0.2 (табл.18 в кн. Галина).

Таблица 6.3

Уравнение регрессии между минерализацией и УЭС водовмещающих пород (Калмыкия)

Порода	Выбор-ка, n	М, г/л	Уравнение регрессии	Коэф. коре-ляции, r
Суглинки средние		>2,0	lnM = 3.89 – 0.90lnρ	0.84
Суглинки тяжелые; 50-70%		<2,0	lnM = 13.2 – 5 lnρ	0.75

Достоверный коэффициент корреляции составил 0.49 и 0.47 соответственно; доверительный интервал для r от ρ ±0.15 и 0.12, соответственно.

Таблица 6.4

Общая засоленность С и удельное сопротивление ρ пород зоны аэрации

(Калмыкия)

Порода	Выборка, n	Уравнение регрессии	Коэффициент корреляции, r
Суглинки сухие		ln C = 1,36 – 0,8 ln ρ	- 0,72
Суглинки влажные		ln C = 1,25 – 0,96 ln ρ	- 0,82
Суглинки, без учета влажности		ln C = 1,00 – 0,78 ln ρ	- 0,70

Для оценки степени глинистости по данным ВЭЗ-ВП и вычисления параметра А*прибегают к ранжированию измеренных значений УЭС на интервалы: менее 5; 5-10; 10-15; 15-20; 20-30; 30-40 и более 40 Ом.м. В этом случае полученные уравнения регрессии характеризуются высокой степенью корреляции (0,72 - 0,80).

Так, при измеренных значениях ρ_К от 2 до 10 Ом.м (Калмыкия) уравнение регрессии типа ln Г = 5,43 + 1,2 ln A, коэффициент корреляции 0,92, доверительный интервал 3σ_r = ±9%; ln Г = 2,08 + 0,53 ln A*, коэффициент корреляции 0,74, доверительный интервал 3σ_r = ±12%.

Скорость продольных волн в зоне аэрации колеблется в пределах 220-600 м/с, а в породах, залегающих ниже УГВ – 1450 – 2560 м/c;

-относительной поляризуемостью (А), комплексным относительным показателем поляризуемости (А*) и скоростью продольных волн связь прямая, положительная в зоне аэрации и обратная на уровне зеркала грунтовых вод;

- глинистостью и величинами А и А*.

Таблица 6.5

Корреляция между показателями глинистости (Г) и относительным значением комплексного показателя поляризуемости (А*)

Порода	Число образцов, n	Уравнение регрессии	Коэффициент корреляции, r
Глинистая		lnГ= 2.48 – 0.59 lnA*	0.55
Пылевато-глинистая		lnГ= 3.04 + 0.55 lnA*	0.55
То же		lnГ= 3.04 + 0.50lnA	0.55

- поляризуемостью и влажностью (водонасыщенностью пород зоны аэрации) до 25% влажности нарастает значение поляризуемости, а затем, вплоть до 40% влажности практически остаётся на одном уровне; в лёгких суглинках и песках даже начинает снижаться. Особенно хорошо выражена эта связь при измерениях в сухих скважинах.

Для поисков и разведки пресных вод успешно используется метод радиоволнового профилирования (РВП) или радиолокации.

Для РВП используется относительно простая и мобильная аппаратура, состоящая из 4-х узлов: - кольцевой антенны, генератора немодулированных колебаний, самопишущий микроамперметр типа Н-361 и блока питания. Всё это монтируется на автомобиле типа ГАЗ-69. Спидометрический валик машины служит приводом для лентопротяжного механизма регистратора. Результаты измерений в процессе движения записываются на бумажную ленту в заданном линейном масштабе. По оси абсцисс – метраж, а по оси ординат – значения сопротивлений в Ом м.

Физический параметр, обусловливающий процесс локации зависит от волнового числа К_п, м^-1 пород. Например, при длине волны λ, равном 24 м (короткие волны) различные породы имеют следующие значения волнового числа:

Дата добавления: 2014-01-07