ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 6, с. 558-568
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 624.131
РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ПРИМЕРЕ НОВОДЕВИЧЬИХ ПРУДОВ
© 2008 г. В. В. Калинин, А. В. Казак, А. В. Старовойтов
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра сейсмометрии и геоакустики Поступила в редакцию 7.12.2007 г. После исправления 24.01.2008г.
Приводятся результаты комплексных геофизических исследований, включающих радиолокацию, метод естественного электрического поля, термометрию и резистивиметрию в водном слое. Комплексная интерпретация этих данных позволила определить мощность и объем современных осадков на дне прудов, определить местоположение и тип фильтрационных процессов, а также оценить площадь их развития. Результаты исследований позволяют сделать вывод о существовании подземного притока вод в Большой Новодевичий пруд в период проведения исследований.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Москве проводятся широкомасштабные мероприятия по изучению экологической обстановки акваторий города. Цель этого масштабного проекта - прогнозирование инженерно-геологической обстановки и реабилитация "неблагополучных" в экологическом отношении объектов [16].
Исследование процессов, протекающих в пределах искусственных водоемов, особенно расположенных в крупных городских агломерациях, всегда связано с рядом проблем [5]. Сложность решаемых задач определяется их разнообразием и, как правило, необходимостью проведения крупномасштабных исследований на каждом объекте, что требует больших временных и материальных затрат.
Среди задач, которые требовалось решить в рамках этого проекта на акватории Новодевичьих прудов и прилегающей к ним территории, можно выделить следующую группу: выяснение наличия фильтрационных процессов, уточнение планового положения зон фильтрации, определение объемов фильтрации через дно прудов. Дополнительно необходимо было определить мощности и объем донных отложений. Для решения первой группы задач были использованы относительно независимые, но взаимно обусловленные методы измерения потенциалов естественного электрического поля (ЕП), термометрия и рези-стивиметрия. Вторая группа задач решалась с использованием метода радиолокации, известного широкому кругу специалистов в сфере наук о Земле под названием георадиолокация. Геологическая основа для проведения исследований была
любезно предоставлена авторам ЗАО "Центр практической геоэкологии О плюс К" (ЦПГ).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Известно, что протекание жидкости через пористую среду вызывает появление электрического поля, определяемого скоростью фильтрации и физико-химическими свойствами фильтрующегося флюида и пористой среды [17].
Многолетний опыт геофизических исследований по методу ЕП показывает, что в определенных геолого-геофизических ситуациях удается дистанционным способом определить характеристики фильтрационных процессов [1, 2, 10, 11, 13, 15]. Для получения количественных параметров в методе ЕП необходимо знание электрического сопротивления среды, в которой протекают фильтрационные процессы и производятся измерения [17]. Эта величина, в свою очередь, достаточно чувствительна к температуре [8]. Очевидно, что данные резистивиметрии и термометрии могут напрямую использоваться в качестве диагностических признаков и индикаторов, чувствительных к интенсивности фильтрационных процессов и минерализации фильтрующейся воды.
В настоящее время для изучения верхней части геологического разреза широко используются радиолокационные исследования [4]. Практически единственной модификацией такого рода исследований является "метод 10", когда источник и приемник электромагнитных импульсов геометрически совмещены друг с другом. Как следствие, определение мощности слоев может быть сделано только при известном значении скорости распространения электромагнитных волн в изучае-
мой среде. Данный метод, по своей идеологии, полностью идентичен эхолокации и локации с использованием полей любой природы.
Комплексирование указанных выше методов потенциально позволяет определить геометрические характеристики разреза, такие как глубина воды, мощность слоев и их пространственную конфигурацию, а также характеристики гидрогеологических процессов, протекающих в толще пород. Подобные работы, хотя и эпизодически, проводятся в настоящее время [3].
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА
Величины напряженности ЕП в естественных условиях лежат в диапазоне от нескольких десятков микровольт на метр до нескольких сотен милливольт на метр и относительно редко выходят за границы этого диапазона. При исследовании в промышленных районах основные проблемы измерительного характера связаны с блуждающими токами, потенциалами катодной защиты, электрическими утечками из промышленных сетей, перекрывающими диапазон частот от нуля до первых сотен герц. При стационарных наблюдениях для подавления помех используют методы фильтрации, накопления и т.д. При работе в движении по необходимости приходится расширять полосу пропускания до частот, определяемых требуемой пространственной разрешающей способностью. При измерении напряженности и потенциала ЕП абсолютные значения сигналов могут отличаться на порядки, поэтому к динамическому диапазону измерительного устройства предъявляются достаточно высокие требования. Если стабильность временных характеристик электронных блоков измерительной аппаратуры не связана с особыми трудностями, то главной помехой при измерениях методом ЕП является кратковременная и долговременная стабильность измерительных электродов.
Диагностическими признаками гидродинамической обстановки являются как абсолютное значение температуры, так и ее градиент. Вариация абсолютных значений температуры в естественных условиях может составлять 15-20°С, в то время как температурные аномалии, связанные с фильтрационными процессами, могут составлять сотые доли градуса [6]. Как следствие, устройство измерения температуры должно иметь широкий динамический диапазон (2-3 порядка) и высокую чувствительность.
Следующий информативный и самостоятельный (по мнению авторов) диагностический признак - электрическое сопротивление жидкости. Для естественных пресноводных акваторий диапазон удельных сопротивлений варьирует в пределах 2-4 раз, а в искусственных водоемах, осо-
бенно в развитых городских агломерациях, удельное сопротивление может меняться в 10 и более раз. Необходимая чувствительность измерителя сопротивления для выделения фильтрационных процессов, в которых участвуют воды приповерхностного стока, должна составлять не менее 2-3% от абсолютного значения сопротивления.
Для исследований методом ЕП, резистивимет-рии и термометрии использовался специализированный аппаратно-программный комплекс, разработанный авторами. Для измерения естественных потенциалов применялся четырехканальный усилитель постоянного тока с полосой пропускания 0-9 Гц. Коэффициент усиления устанавливается для каждого канала по отдельности и может принимать 6 значений, равномерно распределенных в диапазоне 70-530. Каждый из каналов может работать как в режиме дифференциального включения входных сигналов, так в моно-ре-жиме. Режим дифференциального включения позволяет уменьшить уровень синфазных помех до 1000 раз в диапазоне частот до нескольких сотен герц. Принципиальная схема усилителя подробно описана в работе [13]. Измерительная аппаратура также позволяет проводить исследования при непрерывном движении.
Для измерения потенциалов ЕП контактным методом использовались неполяризующиеся электроды конструкции авторов на основе солевого моста на переходе электрод-окружающая среда. В лабораторных условиях естественный "дрейф" собственного нуля электродов не превышал 200 мкВ/ч и имел преимущественно линейный характер. При натурных наблюдениях совокупный уход нуля измерительного тракта (измерительные электроды и усилитель) составил не более 3 мВ/ч.
Измерение температуры проводилось контактным способом посредством терморезистора, заключенного в тонкостенный медный корпус. Диапазон измеряемой температуры 3-35°С с чувствительностью ~0.04°С. Ввиду большого значения постоянной времени терморезистора, время измерения на каждой точке в среднем составило ~ 2-3 минуты.
Электрическое сопротивление жидкости измерялось коаксиальной двухэлектродной электрохимической ячейкой проточного типа на частоте 5.7 кГц. Выходной величиной измерителя сопротивления являлся модуль комплексного сопротивления раствора [12].
Все измерительные каналы были согласованы с входным импедансом и диапазоном напряжений аналого-цифрового преобразователя Е-330 фирмы L-Card, сопряженного с ПК типа notebook по параллельному интерфейсу.
Со стороны ЭВМ аппаратно-программный комплекс замыкала программа для комплексной
Рис. 1. Карта фактического материала в районе исследования. Условные обозначения: пунктирные линии - радиолокационные профили; пустые кружки - точки измерения потенциала ЕП; жирные линии - профили термометрии и ре-зистивиметрии (начало профиля обозначено стрелкой).
регистрации геофизических данных, разработанная авторами. Программа обладает интуитивным и простым для пользователя интерфейсом и возможностью отображения регистрируемых параметров в режиме реального времени. Этот аппаратно-программный комплекс был использован для регистрации данных ЕП, резистивиметрии и термометрии при натурных измерениях на Новодевичьих прудах в период с 29.08.07 по 12.09.07.
Аппаратурная реализация радиолокационных исследований была основана на промышленно выпускаемом устройстве "Зонд 12е", производства фирмы "Radar Systems Inc.", г. Рига, Латвия; работы велись на частоте 300 МГц.
Измерения элементов естественного электрического поля проводились на поверхности воды по прямоугольной сетке через 5 м по профилю с расстоянием между профилями в юго-западной и центральной области района работ 10 м и в северо-восточной области района работ 15 м (рис. 1). Масштаб съемки определялся рекогносцировоч-
ным характером проводимых работ. Профили прокладывались с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.