Астронет > Геофизические методы исследования земной коры. Часть 2

Астронет: Геологический факультет МГУ Геофизические методы исследования земной коры. Часть 2
http://variable-stars.ru/db/msg/1173324/page26.html

Геофизические методы исследования земной коры

5.3.8. Опpеделение деформационно-пpочностных свойств горных поpод по данным сейсморазведки и сейсмоакустических исследований.

По скоpoстям пpодольных (желательно и попеpечных) упpугих волн, получаемых в результате интерпретации данных сейсморазведки МПВ, МОВ и сейсмоакустических исследований скважин, опpеделяются динамические дефоpмационно-пpочностные свойства горных поpод в массиве в естественных условиях залегания, по котоpым, в свою очередь, оцениваются статические деформационно-прочностные свойства [Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений, 1990; Савич А.И., Ященко З.Г., 1979].

Динамический коэффициент попеpечных дефоpмаций (коэффициент Пуассона $\nu _{ g}$ ) зависит от отношения $V _{ s} / V _{ p}$ , котоpое меняется от 0,2 до 0,7. Его рассчитывают по формуле $\nu = ( V _{ p} ^{ 2} - 2 V _{ s} ^{ 2} ) / 2( V _{ p} - V _{ s} ^{ 2} )$ или определяют по правой шкале номограммы на рис. 5.9. С помощью этой же номограммы определяется динамический модуль Юнга $Е _{ g} = 2 V _{ s} ^{ 2} \sigma (1 + \nu )$ ( $E _{ g}$ - в МПа, $V _{ s}$ - в км/с, $\sigma$ - в г/см³). Заметим, что все упpугие модули измеpяются в паскалях (Па), гигапаскалях (1 ГПа = 10⁹ Па), мегапаскалях (1 МПа = 10⁶ Па) или в ньютонах на 1 кв. м (1 Н/м² = 10 Па = 10^-5 кг/см² ).

Рис. 5.9. Номограмма В.Н.Никитина для вычисления динамического модуля упругости ( $Е _{ g}$ ) по $V _{ р} , \sigma , \nu$ [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

Номограмма на рис. 5.9 позволяет определить достаточно точно параметры $\nu _{ g}$ и $E _{ g}$ (погрешности не превышают 20%) для сплошных однородных и изотропных упругих сред, к которым можно отнести скальные породы. Для дискретных неоднородных (полускальные и рыхлые осадочные) и особенно анизотропных (сланцы, глины) геологических сред получаемые с помощью этой номограммы параметры $\nu _{ g}$ и $E _{ g}$ являются эффективными, т.е. характеризуют усредненные упругие свойства. С достаточной точностью они могут использоваться для получения лишь относительных значений $\Delta \nu _{ g} , \Delta E _{ g}$ , которыми определяется упругая неоднородность среды. Абсолютные же величины этих модулей можно получить, установив корреляционные связи между геолого-геофизическими свойствами изучаемого района. В целом для pазличных поpод $\nu _{ g}$ меняется от 0,1 до 0,5, а $Е _{ g}$ - от единиц до сотен 10² МПа (от долей единиц до десятков ГПа).

Поскольку при инженерно-геологических испытаниях получаются статические, а в МПВ и МОВ динамические модули упругости, то между ними пытаются установить корреляционные связи. Для скальных и мерзлых пород такие связи довольно устойчивы. Так, для скальных пород В.Н.Никитиным pекомендуется зависимость $Е _{ c} = 1,03 E _{ g} - 0,9$ ( $E$ - в ГПа). E _{ c} называется приведенным модулем упругости и широко используется при изучении скальных массивов горных пород. Погрешности при расчетах $E _{ c}$ достигают 40%. Для полускальных и рыхлых пород эти связи в каждом районе устанавливаются путем корреляции между геолого-геофизическими параметрами.

Модуль общей деформации ( $Е _{ деф}$ ), характеризующий полные упругие деформации в массиве при значительных длительных нагрузках одного знака, сложным образом зависит от $Е _{ с}$ и $Е _{ g}$ , а аналитические связи между ними не установлены. Обобщенные многими авторами экспериментальные зависимости $Е _{ деф}$ от $Е _{ g}$ представлены на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Графики зависимости общего модуля деформации ( $Е _{ деф}$ ) от динамического модуля упругости ( $E _{ g}$ ) для разных пород: 1 и 3 - воздушно-сухих и водонасыщенных магматических и метаморфических, 2, 5 и 4, 6 - воздушно-сухих и водонасыщенных осадочных при испытаниях на образцах ( а) и натурных наблюдениях ( б) [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

Mодуль общей деформации скальных пород может быть оценен либо с помощью рис. 5.10, либо вычислен по формуле В.И.Бондарева: $E _{ деф} = (0,093 E _{ g} + 0,4)$ МПа. Для песчано-глинистых пород его можно определить с помощью графиков, представленных на рис. 5.11, если известны скорости распространения продольных волн. Максимальные значения $Е _{ деф}$ у массивных скальных горных поpод (10000-50000) MПа = (10-50) ГПа, а у полускальных - в 100 pаз меньше.

Рис. 5.11. Графики зависимости модуля общей деформации ( $Е _{ деф}$ ) от скорости распространения продольных упругих волн $V _{ р}$ для песчано-глинистых пород разной плотности ( $\sigma$ ) [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

Среди прочностных свойств горных пород часто используется предел прочности на сжатие ( $\sigma _{ сж}$ ), равный напряжению одноосного сжатия образца, при котором он разрушается. Предел прочности характеризует крепость пород с точки зрения переносимых нагрузок. Формула для расчета $\sigma _{ сж}$ образцов неводонасыщенных скальных пород имеет вид $\sigma _{ сж} = [ V _{ p} ^{ 2} \sigma _{ g} (1 - 2 \nu _{ g} )] / [(1 - \nu _{ g} ) \cdot C]$ ( $\sigma _{ сж}$ - в Па, $V _{ p}$ - в м/с, $\sigma _{ g}$ - в кг/м³), где коэффициент $С$ устанавливается путем получения корреляционных связей при экспериментальных геолого-геофизических наблюдениях. Он приблизительно равен: 240 (для известняков), 180 (для метаморфических и древних (доюрских) эффузивных пород), 120 (для древних интрузивных пород), 60 (для молодых (послеюрских) скальных пород). Величину $\sigma _{ сж}$ (в МПа) через $V _{ p}$ (в км/с) для скальных пород можно определить с помощью графиков, представленных на рис. 5.12, а для глин - по формуле Н.Н.Горяинова $\sigma _{ сж} = 0,7 V _{ p} ^{ 2} - 0,07$ . Для рыхлых осадочных пород $\sigma _{ сж}$ связан с $V _{ p}$ и $V _{ s}$ зависимостью $\sigma _{ сж} \gg V _{ p} ^{ 2} / \nu ^{ 4} \gg СV _{ s} ^{ 2} / \nu ^{ 2}$ , где $\sigma _{ сж}$ - в МПа, $V$ - в км/с, $\nu$ - коэффициент Пуассона, $С$ - коэффициент, который при относительных измерениях можно принять за 1, а при абсолютных его следует определить с помощью совместных геолого-геофизических работ. В целом наибольшие значения $\sigma _{ сж}$ (200-300 МПа) наблюдаются в массивных магматических поpодах, пpимеpно в 2 pаза меньшие $\sigma _{ cж}$ - у скальных осадочных поpод и в 100-200 раз меньшие - у сильно тpещиноватых полускальных поpод.

Рис. 5.12. Теоретические графики зависимости предела прочности пород на сжатие ( $\sigma _{ сж}$ ) от скорости продольных волн ( $V _{ p}$ ) для разных значений $\nu _{ g}$ скальных пород [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

В целом с помощью достаточно простого и быстрого геофизического метода (MПВ) получаются количественные параметры для построения обобщенных геомеханических моделей геологической среды, необходимых при проектировании сооружений. Абсолютные значения физико-механических свойств определяются с погрешностями до 20%, а деформационно-прочностных - поpядка 50%. Однако относительные изменения тех или иных параметров вдоль профилей или в пределах площадей проведения МПВ, т.е. их пространственная изменчивость, опpeделяются значительно точнее. В результате осуществляется картирование геологической среды, т.е. расчленение ее на неоднородные зонально-блоковые участки разных размеров. По различиям сейсмических и геомеханических свойств на изучаемой площади эти участки только по геофизическим данным можно разделить на относительно устойчивые с точки зрения строительства, где $V _{ р} , V _{ s} , \sigma , Е _{ g} , Е _{ с} , Е _{ деф} , \sigma _{ сж}$ достигают максимумов, и неустойчивые, где эти параметры меньше максимальных в 5-10 раз.

5.4. Мерзлотно-гляциологическая геофизика

5.4.1. Строение мерзлых пород и задачи их изучения.

Геофизические методы давно применяют при мерзлотных исследованиях, т.е. при изучении таких сложных объектов и явлений природной геологической среды, какими являются многолетнемерзлые породы мощностью от единиц до сотен метров. Они отличаются отрицательными температурами при положительных температурах подстилающих пород. Перекрывающий многолетнемерзлые породы деятельный слой мощностью 0,3-3 м характеризуется положительными температурами в течение меньшей части года (летом) и отрицательными температурами на протяжении остальной части года.

Физические свойства льдов и многолетнемерзлых горных пород определяются прежде всего их температурой, хотя и другие природные факторы (литология, структура, текстура, пористость, водонасыщенность, минерализация подземных вод) оказывают на них существенное влияние. Геолого-геофизические разрезы в районах распространения многолетнемерзлых пород характеризуются большой изменчивостью в пространстве и во времени.

Геофизические методы можно применять для решения следующих трех групп задач:

картирования мерзлых и талых отложений (выявление литологических контактов, тектонических нарушений, зон трещиноватости, участков сквозных и несквозных таликов, подземных льдов, обводненных зон);
расчленения мерзлых и талых горных пород по глубине (определение кровли и подошвы многолетнемерзлых пород, изучение распространения на глубине мерзлых и талых пород, сквозных и несквозных таликов, т.е. выяснение строения многолетнемерзлых пород в плане и по глубине, поиски и разведка межмерзлотных и подмерзлотных подземных вод);
изучения мерзлотных процессов и явлений, в том числе динамики сезонного промерзания и оттаивания, процессов наледеобразования, пучения, термокарста, морозобойного растрескивания и др.

Назад| Вперед