Геологические предпосылки постановки геофизических работ для исследования карста и карствовых явлений

Согласно действующим нормативным документам к карстовым районам относятся территории, в геологическом разрезе которых присутствуют растворимые породы (известняки, доломиты, мел, гипсы, ангидриты и т.д.), и имеют место или возможны поверхностные и подземные проявления карста.

Общие положения

Выделяются следующие основные литологические типы карста: карбонатный (известняковый, доломитовый); меловой (являющийся подтипом карбонатного); гипсовый; соляной.

С точки зрения постановки геофизических работ литология карста существенного значения не имеет. На всех литологических типах карста методика проведения геофизических работ примерно одинакова.

Более существенное влияние на методику работ оказывают условия залегания карстующихся пород. По условиям залегания различают следующие типы карста: открытый или средиземноморский, когда карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности; покрытый, когда карстующиеся породы перекрыты либо водопроницаемыми, либо водонепроницаемыми нерастворимыми породами.

В случае открытого карста обнаженность карстующихся пород способствует проникновению в них поверхностных вод, развитию процессов выветривания и выщелачивания, образованию и расширению системы трещиноватости.

Благодаря неглубокому залеганию карстующихся пород облегчается производство геофизических работ, повышается их эффективность. Решение задачи может быть проведено более простыми и распространенными методами, часто с помощью одной только электроразведки постоянным током. В случае открытого карста практически легко оконтуриваются закарстованные участки, устанавливается общая мощность карстующихся пород, степень трещиноватости и обводненности массива пород.

В районах покрытого карста, в которых карстующиеся породы перекрыты слоями нерастворимых водопроницаемых пород, возникают трудности обнаружения зон возможных карстовых провалов с помощью геофизических методов при значительной мощности перекрывающих четвертичных отложений (более 20 м). Однако задача обнаружения может облегчаться за счет вторичных изменений вышележащих пород.

В случае наличия перекрывающих рыхлых отложений (пески, супеси) в зоне развития карста возникают побочные суффозионные явления, мощность их нередко возрастает вследствие понижения кровли карстующихся пород. Кроме того, существенным поисковым критерием является уменьшение влагосодержания рыхлых пород непосредственно над карстовой зоной, что влечет за собой повышение УЭС этих пород. Последнее обстоятельство связано с интенсивной инфильтрацией поверхностных вод в карстовые полости.

Другим существенным поисковым критерием для геофизических методов является резкий перепад УГВ в зоне развития карста. В районах покрытого карста, в которых карстующиеся породы перекрыты слоями нерастворимых водонепроницаемых пород, последние препятствуют развитию карста и связанных с ним явлений.

Чем больше мощность перекрывающих отложений, тем труднее установить геофизическими методами зоны карстовых пустот, развитые на глубине. В этом случае необходимо проведение широкого комплекса геофизических методов, включающих электроразведку, сейсморазведку и различные методы каротажа (КС, ПС, резистивиметрия, ГК, ГГК и др.).

По отношению к уровню подземных вод карстующиеся породы залегают: в зоне аэрации, в зоне постоянного водонасыщения и в смешанной зоне.

В зоне аэрации карст в большинстве случаев представлен в виде полостей, незаполненных вмещающим материалом; в зоне же постоянного водонасыщения карстовые полости часто заполнены вторичным переотложенным материалом (глиной, суглинком, продуктами разрушения карстующихся пород, находящимися в водонасыщенном состоянии).

Геофизические методы исследования в карстовых районах решают следующие основные задачи:

литологическое расчленение пород; поиски и оконтуривание карстовых полостей или зон их развития (поверхностных и погребенных), определение рельефа карстующихся пород; изучение степени трещиноватости пород и преобладающего его направления; исследование гидрогеологических особенностей карста.

Для поисков и обнаружения карстовых полостей может быть использовано большинство существующих геофизических методов: электроразведка постоянным и переменным током, малоглубинная сейсморазведка, гравиразведка с градиентометрами, магнитометрия, различные скважинные методы. Однако применение ряда геофизических методов, таких как гравиразведка и магнитометрия, может быть рекомендовано лишь в благоприятных случаях.

В большинстве районов использование гравиметрии и магнитометрии ограничено по тем соображениям, что разрешающая способность этих методов весьма незначительна.

Крупные карстовые полости (пещеры), размеры которых соизмеримы с мощностью перекрывающих пород, могут быть обнаружены гравиразведочными наблюдениями с использованием высокоточных гравиметров. Карстовые же полости, заполненные вторичным материалом, слабо улавливаются гравиразведкой ввиду незначительного перепада плотностей вмещающих пород и карстовых образований.

Расчеты, проведенные В.К. Матвеевым [8, 9, 10] показывают, что сферические пустоты радиусом 5 м при современной точности гравиметрических измерений с гравиметрами могут быть обнаружены на глубине около 7 - 8 м (градиентометры повышают эту глубину до 10 - 15 м, но при этом резко падает производительность работы).

Что касается магниторазведки, то последняя применима лишь в том случае, когда в составе материала, заполняющего карстовые полости, встречаются различные минералы с повышенной магнитной восприимчивостью, а сами полости расположены на небольшой глубине.

По своим физическим характеристикам (удельное электрическое сопротивление, скорость распространения упругих волн, плотность и т.д.) зоны карстующих пород существенно отличаются от вмещающих пород, незатронутых карстовыми процессами. Эти отличительные особенности тем больше, чем интенсивнее карстовые процессы, чем больше карстовые полости и чем резче они отличаются по своему физическому состоянию от окружающих пород (незаполненные карстовые полости). В противном случае физическая дифференциальность значительно сглаживается и выявлять и оконтуривать карстовые зоны становится затруднительно.

Известно, что особенно благоприятны для развития карста участки тектонических поднятий с малой мощностью покровных отложений, склоны современных и древних речных долин, участки, в разрезе которых гипсо-ангидритовые отложения перекрываются трещиноватыми карбонатными породами и, напротив, затрудняет развитие карста наличие перекрывающих водонепроницаемых глинистых пород (глины, мергели, алевролиты) значительной мощности.

Геофизические методы исследования на карст могут выполнять как прямую задачу поисков и оконтуривания карстовых образований (воронок, западин, понор и т.д.), так и косвенную - изучение общей геолого-гидрогеологической обстановки карстового района, определение мощности и состава покровных образований, изучение трещиноватости карстующегося массива, определение рельефа карстующихся пород и т.д.

Таким образом, задачи исследования карста геофизическими методами приобретают широкий и разнообразный характер. В настоящее время уровень геофизических исследований в методическом, техническом и теоретическом плане существенно возрос, поэтому их следует считать ведущими методами при изучении карста. При этом постановка геофизических работ должна тесно увязываться с обычными методами инженерно-геологических исследований (съемка, бурение). Комплекс инженерно-геологической съемки и геофизических исследований позволяет более уверенно и качественно проводить оценку закарстованных территорий.

9.2.1Электроразведка

Первые теоретические и модельные работы по электроразведке карста показали, что отдельные карстовые полости могут быть отмечены только в том случае, если максимальные поперечные размеры по горизонтали равны или превышают глубину залегания полостей. Исследования проводились в однородном электрическом поле постоянного тока. В дальнейшем эти выводы были подтверждены расчетами по формулам А.И. Заборовского [ 7] для шара в поле точечных источников.

На основании теоретических и модельных работ Б.К. Матвеев и А.А. Огильви [9, 13] сформулировали следующие важные положения для методики электроразведки карста:

1) карстовые полости, залегающие выше уровня подземных вод, отмечаются на графиках электропрофилирования максимума, а ниже - минимума кажущихся сопротивлений;

2) вероятность выделения и тех и других почти одинакова при условии, что поперечные размеры полостей по горизонтали равны или превышают глубину ихзалегания;

3) величина аномалий зависит от целого ряда факторов: глубины залегания полостей, их горизонтальных размеров, мощности проводящих наносов, соотношений УЭС полости и вмещающих пород, а также от размеров и вида установок.

На рис. 9.1 приводятся зависимости величин аномалии ( h ) от разносов установок профилирования при различных глубинах залегания центра сферы h [ 3]. Указанные зависимости получены в отсутствие промежуточного слоя. Для комбинированного и симметричного профилирования с увеличением разносов значения аномалий очень резко возрастают, а затем медленно приближаются к асимптотическому значению, соответствующему величине аномалии в однородном поле; при h =1,2 асимптотические значения практически достигаются при разносах, равных 2. При наличии промежуточного слоя в виде проводящих наносов величина аномалии кажущегося сопротивления значительно уменьшается.

Рис. 9.1 Зависимость аномалии h от разносов АО при различных глубинах сферы

На рис. 9.2 показаны кривые симметричного электропрофилирования, полученные расчетным путем для случаев, когда шар залегает в среде, покрытой наносами (сплошная кривая), и без них (пунктирная кривая). Уменьшение амплитудных значений кажущихся сопротивлений над средой с наносами составляет 26,5 %.

Рис. 9.2 Кривые симметричного профилирования над шаром в присутствии промежуточного слоя а) проводящий шар ( r ₂ > r ₃ ); б) непроводящий шар ( r ₂ < r ₃ )

Для симметричного профилирования надежные результаты получаются только при разносах линии АВ, в 8 раз превышающих мощность наносов; при дипольном профилировании расстояние между диполями примерно в 5 раз превышает мощность перекрывающих отложений. Задача электроразведки по выявлению погребенных карстовых форм облегчается за счет вторичных явлений, сопутствующих образованию карстовых нарушений, которые могут протекать как в вышележащих, так и в нижележащих образованиях. В вышележащих породах могут образовываться прогибы и оседания отдельных слоев с возникновением вертикальных трещин.

В толще рыхлых отложений, перекрывающих карстующиеся породы, непосредственно в окрестностях развития карстовых процессов наблюдаются резкие изменения гидрогеологического режима, что сильно влияет на величину УЭС рыхлых отложений в значительно более широкой зоне, чем участок, непосредственно охваченный карстовыми процессами. Данный признак позволяет выделять карстовые зоны, расположенные на значительно большей глубине, чем это допускают приведенные выше теоретические расчеты.

Таким образом, весь объем пород над карстовой полостью характеризуется измененной структурой, что существенно облегчает поиски и оконтуривание карстовых зон с установками меньших размеров. Последнее обстоятельство особенно важно в условиях работы на застроенных территориях.