Аппаратурно-методический комплекс для геофизических исследований процессов фильтрации на пресноводных водоемах

Глава 1. Обзор состояния области исследования и выбор комплекса методов.

Отечественный специалист по изучению естественных электрических полей (ЕЭП) Земли Семенов А. С. в одной из своих недавних работ описывает морфологию ЕЭП, включающую более восьми типов, среди которых <важными для использования в геологии> являются: электрохимические (рудные), фильтрационные, диффузионно-адсорбционные, фоновые, <меняющиеся во времени> поля, поля устойчивых отрицательных и устойчивых положительных аномалий, поля нефтяных месторождений и естественные электрические поля акваторий. Поля фильтрационной природы, ставятся Семеновым А. С. на < второе место по своему значению в геологии>, так как < градиент потенциала фильтрационных полей колеблется в пределах от сотых долей до единиц милливольт на метр>.

Известно, что протекание жидкости через пористую среду, вызывает появление электрического и магнитного полей. Такие фильтрационные поля являются следствием электрофильтрации - члена класса электрокинетических явлений, впервые открытых и описанных профессором Московского университета Рейссом Ф. Ф. в 1807 г. Сами фильтрационные поля известны в физической химии под названием <потенциалов течения> или <потенциалов протекания>. Впервые явление электрофильтрации было подробно исследовано Квинке Г. в 1859 г., который для объяснения механизма потенциала протекания ввел понятие двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела твердой и жидкой фаз. Основные исследования структуры и свойств ДЭС, связанны, среди прочих, с именами Смолуховского, Гельмгольца, Гуи, Чепмена, Штерна и Грэма. В настоящее время отсутствует однозначное истолкование как механизма возникновения электрического поля фильтрационной природы, так и его количественных закономерностей.

К задачам, которые потенциально можно решить путем исследования фильтрационных полей методом ЕП, среди прочих, относятся следующие: определение направления движения и скорости подземных вод; изучение утечек и притоков вод в водохранилищах, каналах, пресноводных и морских акваториях; контроль за фильтрацией вод через плотины; контроль за утечкой загрязненных вод из очистных сооружений.

В главе приводится краткий обзор различных случаев применения метода ЕП для решения инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических задач, связанных с процессами фильтрации подземных вод через дно и борта естественных и искусственных водоемов. Большой вклад в развитие этой области науки внесли отечественные исследователи Семенов А. С., Альпин Л. М., Боровинская Л. Б., Горелик А. М., Агапов Г. И., Вендельштейн Б. Ю., Богословский В. А.,Огильви А. А., Калинин В. В., Владов М. Л., Мусатов А. А., Модин И. Н., Шевнин В. А., Баласанян С. Ю., Оганесян Г. М., Титов К. В., Великин С. А., Сапожников Б. Г., Кормильцев В. В., Жаворонкова В. В., Мусаев И. А. и др. Среди зарубежных публикаций необходимо особо выделить работы таких авторов как William R. Sill, Robert F. Corwin, David V. Fitterman, Ishido T., Sprunt, E. S., Andrew P. Bérubé и др. Показано что, несмотря на большой опыт успешного применения метода ЕП для исследования явлений фильтрации на земной поверхности и на дне, случаи систематического изучения компонентов поля вблизи дневной поверхности открытых естественных и искусственных водоемов являются весьма эпизодичными.

Идея изучения компонентов ЕЭП, связанных с процессами фильтрации, в поверхностном слое воды является привлекательной по следующим причинам: простота расположения сенсоров в поверхностном слое (включая трехмерные конфигурации измерительных установок), высокая стабильность условий измерения, минимальная опасность повреждения и обрыва измерительных систем при буксировке по сравнению с наземными и донными измерениями. Как следствие имеет место существенный прирост производительности полевых работ.

Измерение удельного электрического сопротивления (УЭС) воды (резистивиметрия) входит в качестве стандартной процедуры в любой комплекс геофизических методов для решения инженерно-геологических и геоэкологических задач. В рамках настоящего исследования знание этой величины необходимо для решения как минимум двух задач. Во-первых, для получения количественных параметров в методе ЕП необходимо знание электрического сопротивления среды, в которой протекают фильтрационные процессы и производятся измерения. Во-вторых, хорошо известна сильная реакция величины УЭС на изменение физико-химических свойств природных вод, что дает возможность комплексировать данные УЭС с результатами интерпретации альтернативных методов геофизики, для выявления мест притоков.

Выявление фильтрационных процессов может осуществляться путем наблюдения поля температур (термометрия) как в водном объеме, так во внутренних точках грунтового массива. По данным термометрии, в определенных случаях, можно найти количественные характеристики таких процессов как питание и разгрузка, фильтрация подземных вод и т. д. В электрохимии хорошо известен факт, что в области малых минерализаций, которой соответствует большинство природных вод, величина УЭС достаточно чувствительна к температуре. Поэтому, достоверные данные температуры позволяют внести поправки в результаты резистивиметрии, а, следовательно, уменьшить ошибку при решении прямых и обратных задач метода ЕП.

Очевидно, что данные резистивиметрии и термометрии могут напрямую использоваться в качестве диагностических признаков, чувствительных к интенсивности фильтрационных процессов, площади их развития и минерализации фильтрующейся воды.

Таким образом, выбран комплекс из относительно независимых, но взаимно обусловленных геофизических методов, состоящий из ЕП, резистивиметрии и термометрии в водном объеме, предназначенный для геофизических исследований водоемов на предмет нахождения параметров фильтрационных процессов через поверхность водного объема.