Состояние и перспективы развития геофизических методов при поисково-разведочных работах на воду

Подробности

Автор: Козак С.З.

Геофизические исследования в настоящее время стали неотъемлемой частью общего комплекса методов, используемых при поисково-разведочных работах на воду. Основные группы задач, ставящиеся в настоящее время перед геофизикой при разведке подземных вод:

- Оценка литологического состава пород. Прослеживание зон повышенной трещиноватости в скальных породах. Выделение и оконтуривание участков, сложенных хорошо и слабопроницаемыми породами. Определение глубины до уровня грунтовых вод. Оценка защищенности подземных вод от загрязнения.

- Оценка фильтрационной неоднородности водоносных горизонтов и комплексов, включая количественную оценку фильтрационных параметров (рис. 1). Выделение направлений плановой фильтрационной анизотропии. Предварительная геофильтрационная схематизация для моделирования с целью оценки запасов подземных вод.

- Оценка взаимодействия поверхностных и подземных вод с выполнением исследований по поверхностным водоемам и водотокам (реки, ручьи, озера, мелиоративные канавы и проч.). Выделение участков субаквальной разгрузки (рис. 2). Оценка литологии придонного слоя, выделение зон загрязнения поверхностных вод.

- Изучение гидрохимической зональности. Количественная оценка содержания водорастворимых солей. Выделение и оконтуривание зон засоления в подземных водах и в зоне аэрации.

- Обоснование выбора участков для бурения гидрогеологических скважин. Высокодетальная оценка геолого-гидрогеологических условий на участках опытно-фильтрационных работ.

- Уточнение литолого-стратиграфических границ, выделенных при бурении, выделение интервалов, сложенных хорошо и слабопроницаемыми породами, выделение интервалов водопритока и поглощения, сравнительная оценка фильтрационных параметров водоносных горизонтов.

За время работы ЗАО «ГИДЭК» накоплен большой опыт комплексных геофизических исследований при поисково-разведочных работах на воду в регионах с различными гидрогеологическими условиями. Основные районы работ в Российской Федерации: Южная Якутия, Амурская область, Татарстан, Саратовская, Самарская, Тверская, Московская области, Ямало-Ненецкий Автономный Округ. Работы выполнялись для водоснабжения различных по масштабам объектов: от городов с населением, составляющим от десятков тысяч до нескольких миллионов человек (Нерюнгри, Бавлы, Тольятти, Самара, Москва и др.) до небольших деревень и вахтовых поселков. Опыт, полученный при этих работах, позволяет оценить геофизические технологии, применяемые при поисках и разведке подземных вод, как высокопродуктивные.

Наиболее часто для решения вышеперечисленных задач используется метод сопротивлений (электроразведка на постоянном токе в модификации ВЭЗ, иногда дополняемый электропрофилированием). При наличии заметной пространственной изменчивости содержания водорастворимых солей применяется метод вызванной поляризации (ВЭЗ ВП). Основные преимущества ВЭЗ, ВЭЗ ВП:

- Уверенные физические предпосылки при оценке литологии, фильтрационных параметров и содержания водорастворимых солей.

- Хорошо отработанная технология полевых работ и интерпретации материалов, и более чем сорокалетний опыт применения этих методов при разведке на воду в различных гидрогеологических условиях.

- Низкая стоимость при высокой производительности.

Применение многоканальных электроразведочных цифровых измерителей позволит существенно повысить производительность электроразведки и в перспективе увеличить детальность исследований.

В последнее время в гидрогеологии используют индукционные зондирования в модификации ЗМПП (ЗСБ). Основные достоинства индукционных зондирований:

-Отсутствие необходимости в гальваническом контакте, что позволяет работать на снегу, на сухом песке, курумах, выходах скальных пород, на снегу. Последнее позволяет выполнять полевые работы в любое время года.

- Высокая по сравнению с постоянным током чувствительность к проводящим прослоям, что позволяет выделять сравнительно маломощные хорошие проводники на глубине, заметно превышающей их мощность.

- Более высокая глубинность по сравнению с постоянным током при одинаковых размерах измерительных линий.

В то же время наш опыт использования ЗСБ в различных условиях показал, что его применение ограничено следующими особенностями:

- Невысокая разрешающая способность для верхней части разреза (10-20 м). Наиболее сильно это ограничение проявляется в высокоомных разрезах при удельном электросопротивлении выше 300 Омм, что увеличивает мощность плохо расчленяемой толщи до 40-60м.

- Крайне ограниченный опыт использования индукционных зондирований для количественных оценок гидрогеологический параметров.

- Высокая чувствительность ко всем видам техногенных проводников, включая проложенные над землей линейные металлические и железобетонные конструкции.

Наш опыт показал, что оптимальным является комплексирование ВЭЗ (АВ=300-500м) и ЗСБ с петлей 50-150 м с выделением низкоомных глинистых маркирующих интервалов, позволяющих обеспечить уверенную плановую корреляцию геоэлектрических горизонтов.

Сейсморазведка применяется преимущественно для оценки глубины до УГВ, прослеживания кровли скальных пород и выделения в них зон трещиноватости. Наиболее часто используются самые простые модификации МПВ и КМПВ, ориентированные на использование продольных преломленных волн. В то же время имеется более чем десятилетний положительный опыт использования отраженных волн в различных модификациях (ВСЕГИНГЕО, ИКЗ СО РАН) при решении прикладных инженерно-геологических задач, что создает уверенные предпосылки для их применения в гидрогеологии. Наиболее полные результаты позволяет получить технология высокоразрешающей сейсморазведки на поперечных волнах ВРСОП (аналог ОГТ). Основные достоинства сейсморазведки:

- Высокая детальность при прослеживании сейсмических границ.

- Возможность выполнения работ в любое время года.

Основным недостатком сейсморазведки является ее сравнительно высокая стоимость, не всегда приемлемая при поисково-разведочных работах на воду. В то же время в сложных гидрогеологических условиях сейсморазведка может оказаться единственным геофизическим методом, позволяющим наиболее достоверно решить поставленные задачи (например, выделение и оконтуривание маломощных межмерзлотных таликов, прослеживание субвертикальных маломощных зон повышенной трещиноватости в скальных породах). Использование малогабаритных переносных многоканальных измерителей позволяет использовать сейсмические методы в любых условиях.

За последние 15-20 лет разработан и все более широко применяется при разведке на воду метод наземной ЯМР-томографии (ИХКГ СО АН СССР), использующий ядерно-магнитный резонанс водорода при выделении в горизонтально-слоистом разрезе водосодержащих интервалов. Очевидные достоинства ЯМР-томографии:

- Уверенные физические предпосылки измеряемых параметров с содержанием свободной воды для поровых коллекторов.

- Очевидность получаемых результатов для потребителя.

- Возможность выполнения работ в любое время года.

Наиболее серьезные недостатки ЯМР-томографии:

- Высокая чувствительность к техногенным помехам, существенно ограничивающая использование метода в регионах с развитой промышленностью.

- Низкая производительность, большой вес оборудования и, как следствие, высокая стоимость полевых работ.

- Слабая интерпретационная база, ограничивающая возможности использования метода при выделении негоризонтально залегающих пластов, трещинных и трещиноватых коллекторов.

В то же время ЯМР-томография является , пожалуй, единственным геофизическим методом, позволяющим при работе в слабоизученных регионах, при отсутствии какой-либо параметрии оценить перспективность участка для бурения на воду.

Необходимость изучения взаимодействия поверхностных и подземных вод предопределила разработку комплекса акваториальных геофизических методов. При выборе задач и методов их решения мы исходили из следующих соображений:

- Очевидность физический предпосылок и интерпретационных критериев.

- Простота технологий полевых работ и обеспеченность измерительными средствами организаций, занимающихся разведкой на воду.

Основные задачи, решаемые акватериальной геофизикой при разведке на воду:

- Выделение участков субаквальной разгрузки.

- Оценка минерализации поверхностных вод.

- Оценка литологии и физического состояния природных отложений на глубину 30-50 м.

Очевидные физические предпосылки для решения этих задач геофизическими методами: различие подземных и поверхностных вод по температуре и минерализации и дифференциация пород по их удельному электросопротивлению. Основной комплекс методов для решения этих задач: термометрия (с измерением температуры воды и придонного слоя осадков), резистивиметрия воды и донная электроразведка методом сопротивлений (ВЭЗ, электропрофилирование). Применение акваториальных геофизических методов позволяет выделить зоны повышенной проницаемости в придонных отложениях, уточнить положение зон повышенной трещиноватости, выделить сквозные талики в многолетнемерзлых породах, определить положение источников загрязнения поверхностных вод, уточнить положение гидрометрических створов, обосновать выбор участков опытно-фильтрационных работ для изучения взаимосвязи водоносных горизонтов с поверхностными водами.

Обязательным элементом поисково-разведочных работ на воду являются геофизические исследования в скважинах (стандартный комплекс КС, ГК, ДС, дополняемый специализированными видами-резистивиметрия с засолением и расходометрия с возбуждением горизонта и в естественных условиях). В последнее время наряду с этими методами используются индукционные и радиоволновые методы, позволяющие выполнить исследования в сухих и обсаженных полиэтиленом скважинах, термоанемометрия для выделения интервалов слабых водопритоков и видеокаротаж. Относительными ограничениями для их применения являются: для термометрии - высокая чувствительность к неоднородности потока, а для видеокаротажа-необходимость прозрачной среды в скважине. Отметим, что видеокаротаж незаменим при оценке технического состояния скважин.

Таким образом, из вышеизложенного очевидно, что наиболее перспективным при разведке на воду остаются методы электроразведки. Основные причины: уверенные физические предпосылки взаимосвязи с гидрогеологическими параметрами и невысокая стоимость.

В то же время наш опыт свидетельствует о все возрастающей сложности гидрогеологических условий, существенного расширения круга задач, ставящихся перед геофизикой, что требует обязательного комплексирования электроразведки в другими методами и повышения детальности работ. В сложных условиях предстотит освоить и внедрить геофизические технологии, позволяющие обеспечить трехмерное изучение гидрогеологических объектов. Следует признать, что основным фактором, сдерживающим появление высоких технологий в гидрогеологической геофизике, является их высокая стоимость. При появлении портативных недорогих средств измерений, обеспечивающих высокую производительность полевых работ, можно ожидать существенного увеличения информативности геофизических исследований при разведке на воду.