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/page27.html

Геофизические методы исследования земной коры

5.4.2. Физические свойства и строение мерзлотно-геофизических разрезов.

Для районов распространения многолетнемерзлых пород и льдов характерны особые типы мерзлотно-геофизических разрезов, которые обусловлены прежде всего физическими свойствами горных пород при отрицательных температурах. Например, плотность горных пород с увеличением льдистости уменьшается, так как лед имеет малую плотность (0,9-0,95 г/см³). Магнитная проницаемость и восприимчивость при промерзании пород не изменяются. Вместе с тем магнитная восприимчивость подземных льдов в десятки и сотни раз меньше, чем вмещающих пород. Удельное электрическое сопротивление льдов из пресных вод очень высокое (10⁵ - 10⁸ Ом*м), а льдов из минерализованных вод ниже (10² - 10⁴ Ом*м) и зависит от содержания в них солей и их состава. Поэтому при промерзании горных пород их сопротивление возрастает обычно скачком (при температурах от -0,5 до -5 $^\circ$ С), а иногда плавно (при температурах от -2 до -10 $^\circ$ С). В зависимости от литологии, пористости, обводненности, особенностей термического режима, льдистости и криогенного строения сопротивление скальных пород при замерзании увеличивается не более чем в 10 раз, тонкодисперсных рыхлых пород (глины, суглинки) в 10-100 раз, грубодисперсных пород (пески, гравийно-галечниковые отложения) в 100-1000 раз.

Электрохимическая активность ( $\alpha$ ) мерзлых и талых пород может значительно различаться вследствие наличия и движения надмерзлотных и межмерзлотных вод. Вызванная поляризация ( $\eta$ ) у мерзлых пород выше, чем у талых, и достигает 2-3% для мелкодисперсных пород, 10% - для льда и 15 % - для грубодисперсных пород.

Так как относительная диэлектрическая проницаемость воды $\epsilon _{ отн}$ = 80, т.е. на порядок выше, чем для большинства породообразующих минералов, а для льда $\epsilon _{ отн} \approx$ 3, то при замерзании пород $\epsilon _{ отн}$ убывает с уменьшением содержания незамерзшей воды. Скорость распространения упругих волн V при переходе пород в мерзлое состояние возрастает. Для льда скорость продольных волн больше ( $V _{ p} \approx$ 3500-4000 м/с), чем для воды ( $V _{ p} \approx$ 1450 м/с). При промерзании грубодисперсных пород значения $V _{ p}$ возрастают резко, в 3-5 раз. Увеличение $V _{ p}$ тонкодисперсных пород происходит более плавно с общим увеличением в 1,5-3 раза. При промерзании скальных пород значения $V _{ p}$ возрастают обычно не более чем в 2 раза для трещиноватых пород, а для массивных пород скорость может не изменяться. Аналогичные закономерности отмечаются для скорости поперечных волн $V _{ s}$ . Характерно, что для любых мерзлых пород отношение $V _{ s } / V _{ p}$ примерно постоянно и составляет 0,4-0,6.

Мерзлотно-геофизические разрезы характеризуются следующими основными особенностями:

непостоянством физических свойств в плане и по глубине даже для одних и тех же литологических комплексов горных пород, если в них изменяются температура, льдистость, криогенное строение;
резким (например, для $\rho$ на несколько порядков) изменением физических свойств горных пород в слое годовых колебаний температур, мощность которого 0,3-3 м, что приводит к различиям " зимних " и " летних " свойств горных пород;
скачкообразным, а иногда плавным (градиентным) увеличением $\rho$ и $V$ в зоне годовых теплообменов мощностью 10-30 м;
наличием в средней части многолетнемерзлых отложений зоны (мощностью от 0,1 до 0,3 от общей мощности многолетнемерзлых пород) с высокими электрическими сопротивлениями и скоростями упругих волн;
скачкообразным или плавным изменением физических свойств в нижней части многолетнемерзлых пород, т.е. на границе мерзлых и талых пород.

5.4.3. Картирование мерзлых и талых пород.

Для мерзлотного картирования и районирования, т.е. выявления контактов, тектонических нарушений, границ распространения мерзлых пород с разными геокриологическими особенностями, а также участков распространения талых пород можно применять следующие геофизические методы профилирования:

аэрогеофизические (особенно аэромагнитные) и полевые гравимагнитные съемки;
электрические и электромагнитные профилирования следующими методами: естественного поля (ЕП), кажущихся сопротивлений (ЭП), вызванной поляризации (ВП), бесконтактного измерения электрического поля (БИЭП), дипольного электромагнитного (ДЭМП), высокочастотного непрерывного (ВЧЭП или НЭП), сверхдлинноволнового радиокомпарационного (СДВ-РК);
инфракрасные (ИКС) и радиотепловые (РТС) съемки.

Однако основным методом остается термометрия (измерения температуры в шпурах и скважинах).

Опорную информацию получают с помощью электромагнитных (ВЭЗ или ЗС) и сейсмических (МПВ, реже МОВ) зондирований и геофизических исследований сухих скважин (каротаж с промывочной жидкостью в таких условиях не дает сведений об истинных свойствах горных пород).

Для наиболее уверенного решения задач мерзлотного картирования используют не менее двух-трех из перечисленных выше геофизических методов (в том числе термические съемки). Выбор методов определяется мерзлотно-геофизическими и геоморфологическими условиями, а также глубинностью разведки. Наименьшей глубинностью (около 10 м) и удобством при проведении работ зимой, а также в районах с неблагоприятными поверхностными условиями (выходы скальных пород, курумы и др.) характеризуются методы ИКС, СДВ-РК. Глубинностью, превышающей несколько десятков метров, обладают методы ЕП, ДЭМП, БИЭП, а несколько первых сотен метров - ЭП, ВП, а также гравимагниторазведка и зондирования.

Система или сеть наблюдений зависят от масштаба, целевой направленности работ, особенностей мерзлотно-геофизических и геоморфологических условий. При мерзлотно-геофизических съемках в мелком и среднем масштабах работы проводят на отдельных ключевых участках, выявленных в ходе ландшафтно-мерзлотных съемок и дешифрирования аэрокосмических снимков. При крупномасштабных и детальных геофизических съемках выполняют площадные наблюдения с направлением профилей в крест простиранию элементов рельефа и границ участков, выделенных при ландшафтно-мерзлотных съемках. Расстояние между профилями в масштабе получаемых карт составляет 1-2 см, а шаг наблюдений берут в несколько раз меньше, так чтобы он составлял на местности 1-10 м.

Интерпретация материалов разных методов геофизического профилирования качественная и сводится к выделению на графиках и картах наблюденных параметров различных аномалий - максимумов, к которым чаще всего приурочены мерзлые породы, минимумов, обусловленных иногда талыми породами, участков разных уровней, степени изменчивости параметров и т.д. При истолковании результатов необходимо опираться на мерзлотно-геологическую информацию, устанавливая корреляционные связи между теми или иными геофизическими и мерзлотными (льдистость, литология и т.д.) параметрами.

5.4.4. Расчленение мерзлых и талых горных пород.

Для определения глубины залегания кровли и подошвы многолетнемерзлых пород, изучения строения надмерзлотной, мерзлотной и подмерзлотной частей разреза, выявления грунтовых, межмерзлотных и подмерзлотных вод, кроме термических исследований в скважинах, используют различные виды электромагнитных зондирований: вертикальные (ВЭЗ, ВЭЗ-ВП), частотные (ЧЗ), радиолокационные (РЛЗ). Для этих же целей применяют сейсморазведку (МПВ, МОВ).

Выбор одного-двух из названных методов зондирования определяется геоморфологическими и мерзлотно-геофизическими условиями, а также задачами, стоящими перед геофизическими методами. Наибольшее применение находят ВЭЗ, отличающиеся простотой проведения измерений и приемов интерпретации. Их применяют летом, когда условия заземления бывают вполне удовлетворительными. Метод ВЭЗ-ВП относится к детализационным, его используют реже. Несмотря на методические преимущества зондирований, выполняемых на постоянных разносах и переменных частотах (ЧЗ) или временах становления поля (ЗС), эти методы применяются мало из-за сложных приемов интерпретации. В зимних условиях и в случае наличия поверхностных отложений высокого сопротивления целесообразно применять ЧЗ, ЗС или наиболее эффективное радиолокационное зондирование (РЛЗ). Сейсморазведку, несмотря на возможность проведения работ и летом и зимой, при мерзлотных исследованиях применяют реже, чем электроразведку. Это объясняется не только более сложной техникой и методикой, но и сложными сейсмогеологическими условиями.

Система наблюдений и густота точек зависят не только от масштаба работ (расстояния между центрами зондирований изменяются от 1 до 5 см в масштабе получаемых разрезов), но и от данных микрорайонирования и результатов предшествующих мерзлотно-геофизических съемок. Точки зондирований располагают в центральных участках выделенных микрорайонов, где искажающее влияние горизонтальных неоднородностей ожидается меньшим.

При интерпретации кривых зондирований и данных сейсморазведки, полученных в районах многолетнемерзлых пород, большие трудности связаны с боковыми искажениями; резким контрастом свойств отдельных слоев (особенно электрических сопротивлений мерзлых и талых пород); градиентным изменением свойств с глубиной в верхней и нижней частях слоя многолетнемерзлых пород; экранирующим влиянием высокольдистых слоев, затрудняющим изучение толщ под ними; изменчивостью летних и зимних кривых зондирований и другими факторами. Поэтому разработанные приемы интерпретации данных зондирований для пологослоистых (одномерных) разрезов с отсутствием многолетнемерзлых слоев не обеспечивают достаточной точности, а получаемые геоэлектрические и сейсмогеологические разрезы являются часто полуколичественными. Наиболее достоверное истолкование данных зондирований можно ожидать при комплексировании ряда геофизических методов с привлечением всей геолого-мерзлотной информации.

Динамику мерзлотных процессов и явлений изучают путем повторных геофизических съемок в разные времена года, особенно в конце лета и зимы.

5.4.5. Изучение ледников.

Для гляциологических исследований (определения мощности покровных и горных ледников, изучения их внутреннего строения, морфологии подледных пород) применяют электрические и электромагнитные зондирования (ВЭЗ, ЧЗ, ЗС, РЛЗ), сейсморазведку (МОВ, МПВ), гравиразведку. Методы ВЭЗ, ЧЗ, ЗС, МПВ используют в основном при исследовании относительно маломощных горных ледников. Сейсморазведку МОВ используют при исследовании мощных ледниковых покровов.

Ведущими и самыми точными методами исследования ледников являются воздушный и полевой варианты радиолокационного зондирования (РЛЗ). С их помощью определяют мощность ледника, глубину залегания различных отражающих границ в нем, среднюю температуру ледников, иногда скорость их движения, выявляют скрытые трещины и зоны инфильтрации в них морских вод. Высокая точность определения мощности ледников по формуле $h = Vt / 2$ , где $V\approx \frac{300}{\sqrt{\epsilon_{отн}}}$ (в м/мкс) - скорость распространения радиоволн во льду, $\epsilon _{ отн}$ - относительная диэлектрическая проницаемость льда, $t$ - время запаздывания отраженного импульса, объясняется постоянным значением $\epsilon _{ отн}$ = 3,1-3,5 для льда. Метод РЛЗ при ледовой разведке обладает очень большой глубинностью (до 4 км), что объясняется высоким удельным электрическим сопротивлением льда и малым поглощением радиоволн в нем. Методом РЛЗ исследованы значительные территории покровных ледников в Антарктиде, Гренландии, ледяные купола Арктики, многие горные ледники.

Назад| Вперед