Гидрогеологическая съемка и геофизические методы

МЕТОДЫ

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 10

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СЪЕМКА И ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Назначение и задачи исследований. Выше отмечалось (см. гл. 8), что на стадии детальных поисков на изучаемой площади необходимо провести специализированную гидрогеологическую съемку. В результате детальных поисков должна быть выделена площадь возможного распространения месторождения подземных вод и обоснована постановка предварительной его разведки.

В дальнейшем, на стадии предварительной и детальной разведки, следует продолжить изучение гидрогеологических условий, вначале в границах выявленного месторождения подземных вод, а затем непосредственно в пределах участка будущего водозаборного сооружения.

Инструкцией ГКЗ СССР [14] предусматриваются следующие требования к составлению специализированных гидрогеологических карт в процессе разведки месторождений: 1) непосредственно по району месторождения подземных вод должна быть составлена гидрогеологическая (при необходимости и геологическая) карта с соответствующими разрезами и другими графическими материалами; 2) на карте должны быть отображены особенности геологического строения и гидрогеологических условий района распространения основных водоносных горизонтов изучаемого объекта, их естественные границы, закономерности изменения качества подземных вод, месторождения в районе действующих водозаборов, участки с разведанными запасами подземных вод, гидрометрические створы, участки сброса бытовых и промышленных стоков и других возможных источников загрязнения подземных вод продуктивного горизонта. Масштабы карт и других графических материалов инструкцией [14] не регламентируются: они определяются в каждом конкретном случае необходимостью наглядного отражения приведенного выше перечня информации; 3) непосредственно по разведочному участку должны быть составлены специализированная гидрогеологическая (при необходимости и геологическая) карта и разрезы, отражающие геологическое строение и гидрогеологические условия участка. Выбор масштабов таких карт определяется

Необходимостью отразить распространение, мощность, строение и условия залегания водоносных горизонтов на площади разведочного участка; литологический состав и характер изменения фильтрационных свойств водовмещающих пород; положения уровней подземных и поверхностных вод, их качество и т. д.

Для выполнения этих требований на стадии предварительной разведки в районе месторождения целесообразно провести детальные гидрогеологические исследования (маршрутные обследования, наземные геофизические работы, а в случае необходимости, при сложных условиях объекта, бурение картировоч ных скважин). Если по району месторождения отсутствует геологическая основа необходимого масштаба, детальные исследования должны иметь комплексный характер.

Гидрогеологические карты района месторождения могут быть составлены по результатам детальных исследований, а также путем обобщения и анализа материалов детальных поисковых .работ.

На стадии детальной разведки необходимо составить детальную гидрогеологическую карту участка будущего водозаборного сооружения. Составление ее осуществляется на инструментальной основе с учет'ом данных предварительной и детальной разведок.

Большую помощь при проведении разведочных работ могут оказать современные методы геофизики, это направление исследований можно назвать гидрогеофизическим. Эффективность применения геофизических методов определяется тем, что в общем комплексе поисковоразведочных гидрогеологических работ они позволяют: 1) увеличить число пунктов дискретного опробования перспективной на подземные воды геологической структуры, тем самым повысить достоверность экстра и интерполяции гидрогеологической информации по площади месторождений; 2) целенаправленно и рационально разместить на площади месторождения поисковоразведочные скважины, что в большинстве случаев приводит к повышению гидрогеологической эффективности буровых работ и снижению продолжительности разведки месторождения.

Выделяются следующие, общие для всех типов месторождений, группы геологогидрогеологических задач, которые можно решить путем применения методов разведочной геофизики: а) литологическое расчленение изучаемого разреза, картирование по площади водоносных и слабопроницаемых разделяющих пластов различного литологического состава с учетом их фа циальной изменчивости в плане; б) выяснение степени трещиноватости и закарстованности водовмещающих карбонатных пород и их изменчивости по площади и в разрезе; в) изучение строения и состава русловых и донных отложений в реках, озерах и водохранилищах; г) исследование гидрогеохимической зональности подземных вод по площади и в разрезе (по степени их минерализации); д) выделение по' площади и в разрезе

таликовых зон в области распространения многолетнемерзлых пород.

Ниже изложены основные положения, характеризующие общее направление, содержание и методические приемы проведения геофизических работ при поисках и разведке месторождений подземных вод. Более подробно геофизические методы исследований изложены в ряде опубликованных работ [9,15,21, 22].

Комплекс наземных гидрогеофизических исследований. Перечисленные выше геологотидрогеологические задачи в большинстве своем могут быть решены одним из следующих методов или их комплексом: а) электроразведка методом сопротивлений (с использованием постоянного или низкочастотного тока); б) электроразведка методом вызванной поляризации;

в) электроразведка методом естественного электрического поля;

г) сейсморазведка методом преломления волн; д) электроразведка с использованием высокочастотных электромагнитных полей.

Все эти методы обеспечены отечественной серийной, аппаратурой, для них в достаточной степени разработаны теоретические и методические основы, поэтому они могут быть применены в производственных масштабах. Очень важно учитывать разрешающую способность того или иного геофизического метода или их различных комбинаций при решении гидрогеологических задач. В табл. 11 приведены некоторые данные, характеризующие возможность применения различных геофизических методов для решения гидрогеологических задач применительно к основным месторождениям подземных вод промышленного типа (см. табл. 4).

Исходными данными для качественной и количественной геологогидрогеологической интерпретации результатов геофизических исследований являются материалы специального параметрического 'бурения скважин, их каротажа и опытнофильтрационных исследований. Основным приемом количественной геологогидрогеологической интерпретации является составление и последующее использование корреляционных эмпирических зависимостей и номограмм, отражающих связь геофизических параметров с гидрогеологическими параметрами и свойствами горных пород.

По назначению параметрические скважины можно подразделить на две группы: а) картировочные гидрогеологические скважины; б) скважины для изучения гидродинамических параметров.

В скважинах первой группы должны быть выполнены: опробование для определения гранулометрического состава пород по всем литологическим разностям, поинтервальное качественное опробование водоносного горизонта и пробная откачка. Обязательным является каротаж параметрических скважин.

Первым этапом полевых геофизических работ должно стать проведение рекогносцировочных исследований по одномудвум профилям с использованием всех запроектированных методов. Одновременно по этим профилям выполняется бурение параметрических скважин и их опробование, исходя из целей геофизических исследований. В результате работ данного этапа уточняется проект проведения наземных работ, схема расположения сети геофизических точек наблюдения и схема геолого гидрогеологической интерпретации, включающая соответствующие корреляционные зависимости. На втором этапе полевых работ проводятся площадные геофизические работы, направленные на поиск участков, перспективных для разведки месторождения.

По результатам геологогидрогеологической интерпретации материалов площадных геофизических исследований с учетом данных опорного бурения должны быть составлены геолого геофизические разрезы по профилям для всей поисковой площади работ с вынесением на них литологического строения разреза, положения уровня подземных вод первого от поверхности безнапорного водоносного 'горизонта, границ с различной степенью минерализации подземных вод, водопроводимости основных водоносных горизонтов.

Таким образом, геофизические методы исследований являются основой для целенаправленного размещения по площади поисков объемов буровых и опытнофильтрационных работ.

Комплекс каротажных геофизических исследований скважин является неотъемлемой частью разведочных гидрогеологических работ. В основе применения различных каротажных геофизических методов лежит определение природное или вызванное (искусственное) распределение физических полей. По способам реализации теоретических предпосылок все методы каротажа гидрогеологических скважин можно подразделить на три группы: а) методы, с помощью которых изучается распределение показателей физических полей, характеризующих свойства горных пород; б) методы, с помощью которых изучается распределение показателей физических полей, обусловленных свойствами системы скважина — пласт; в) методы, с помощью которых изучается распределение показателей физических полей, отражающих процессы энерго и массопереноса. .

В табл. 12 приведены задачи, которые могут быть решены с помощью геофизических методов исследования гидрогеологических скважин: изучение литологогеологического строения и гидрогеологических условий в точке бурения, а также закономерностей их изменчивости в пространстве на площади разведочного участка месторождения. По способу интерпретации исходной геофизической информации все методы разделяются на три группы: а) прямые методы интерпретации, применяемые в том случае, когда результат исследования скважины адекватно отвечает искомой характеристике; б) функциональные методы интерпретации, используемые в том случае, когда результат исследования скважины связан с иско

— Таблица II. Основные методы наземных геофизических исследований, рекомендуемые при проведении поисковоразведочных от гидрогеологических работ

мой характеристикой функциональными зависимостями, полученными из теоретических или экспериментальных исследований общего характера; в) эмпирические методы интерпретации, применяемые в том случае, когда связь между измеренными и искомыми показателями носит вероятностный характер (она может быть известна из общегеологических предпосылок, но выявлена и уточнена в результате конкретного опыта работ). Обычно эмпирические способы интерпретации оперируют корреляционными 'зависимостями парного или многомерного вида. При использовании комплексных методик исследования можно компенсировать ограниченность или частные недостатки отдельных методов.

Изучение геологического строения разреза гидрогеологических скважин. Для характеристики геологического строения разрезов скважин в практике геофизических работ применяется комплекс методов: КС, ПС, ГК. Совокупность каротажных диаграмм, полученных указанными методами, дает картину геологического строения разреза. В методике геологической интерпретации данных каротажных геофизических исследований следует различать два уровня: а) изучение геологолитоло гического строения разреза конкретной скважины (расчленение разреза по данным каротажа на отдельные слои с возможной для различных методов подробностью); б) изучение геолого литологического строения по площади разведочного участка (возможность идентификации различных слоев, установленных в разных точках (скважинах) территории, для выявления закономерностей их залегания в пространстве — изучение фациаль ной изменчивости слоев в разрезе, стратиграфическая привязка различных толщ и геологотектонические построения).

В литологическом расчленении разреза по результатам геофизического каротажа можно выделить несколько этапов.

На первом этапе производится расчленение разреза на слои, каждый из которых характеризуется только ему присущим набором признаков и значений геофизических параметров, причем каждую диаграмму комплекса, на этом этапе целесообразно расчленять на слои самостоятельно. Критериями для .расчленения могут служить: а) отличие одного слоя от другого по среднему значению какоголибо показателя (с учетом теоретической формы кривых каротажа); б) характерная форма диаграммы (градиентное изменение показателя с глубиной, расчлененность кривой и т. п.).

Выделенные по разным диаграммам границы следует рассматривать как первое приближение в выявлении литолого стратиграфического разреза скважины. При таком подходе к интерпретации разные диаграммы выступают равноправно, что способствует уменьшению числа субъективных решений.

На втором этапе диаграммы сопоставляются между собой для выявления влияния различных природных и технических факторов, которое возможно имело место в процессе

исследований на каждую из них. При этом целесообразно сначала выяснить влияние технических условий измерения. В процессе такого анализа часть выделенных слоев отпадает, а другие объединяются в более общие подразделения с выделением внутри них частных особенностей. Эти укрупненные подразделения, естественно, должны характеризоваться более четко выраженными границами.

На третьем этапе, необходимо установить геологическое содержание каждого из выделенных слоев. Для этого необходимо иметь геофизическую характеристику каждой горной породы, встречающейся в районе исследования (по данным каротажа параметрических скважин), по всем диаграммам геофизического комплекса.

Гидрогеологическая характеристика разреза. При изучении водоносности отложений по результатам геофизических исследований можно выявить водосодержащие породы, провести анализ фильтрационной изменчивости пород в разрезе и оценить их эффективную мощность. В решении этих задач можно выделить два этапа. Первый этап соответствует условиям получения информации в данной точке бурения. На втором этапе проводится обобщение информации по площади исследований с вы^ явлением общих закономерностей водоносности вскрытых отложений для составления литологогидрогеологическйх профилей.

Признаками для выделения в разрезе интервалов с повышенной пористостью и проницаемостью вскрытых пород (в случае бурения скважины с промывкой забоя глинистым раствором) могут быть: а) различия в показаниях градиент и потенциалмикрозондов, совмещенных по координатным осям; б) увеличение или уменьшение аномалий ПС вплоть до изменения знака при повторном измерении ПС после изменения минерализации бурового раствора.

В тех случаях, когда скважина пробурена с промывкой забоя технической водой, складываются условия, благоприятные для изучения фильтрационных процессов методами' резистивимет рии, расходометрии и термометрии. Интерпретационными признаками водоносных пород в этих условиях может являться наличие: а) интервалов опреснения электролита в скважине, фиксируемых по совокупности последовательно регистрируемых кривых резистивиметрии; б) интервалов изменения расхода осевого потока воды по стволу скважины, фиксируемых расходо граммой в неработающей (в естественных условиях) или работающей скважине (при откачках); в) интервалов изменения на термограмме (по стволу неработающей или работающей скважины) со значением первой производной, резко отличающейся от значения нормального температурного градиента.

При интерпретации данных, полученных методом резистивиметрии, для выделения водосодержащих пород в гидрогеологически сложных разрезах нужно учитывать, что характер опреснения электролита в стволе скважины может быть усложнен

перетеканием воды между водоносными зонами. Оценка фильтрационных свойств водовмещающих пород и определение закономерности их изменчивости в пространстве должны быть произведены в два этапа: 1) изучение фильтрационных свойств пород в разрезе скважины; 2) выявление общих закономерностей формирования фильтрационного разреза месторождения (разведочного участка).

По результатам расходометрии может быть получена информация о фильтрационных свойствах горных пород открытых и фактически работающих пластов. Следует, однако, учесть, что по результатам геофизических исследований, отнесенных к эмпирической группе, можно получить непрерывную геофизическую информацию по всему разрезу скважины, причем эти исследования (радиоактивные методы) могут быть, проведены в загли низированных или закрепленных трубами скважинах. В связи с этим целесообразно сочетать традиционные геофизические методы исследований и расходометрию.

При комплексных исследованиях скважин по результатам расходометрии можно приближенно оценить значения коэффициента фильтрации водоносных пластов, опробуемых в данном эксперименте [9].

По результатам изучения фильтрационных свойств пород и их распределения в разрезе отдельных скважин следует произвести обобщенный анализ для выявления общих закономерностей изменения фильтрационных свойств в разрезе и в плане разведочного участка. Выявленные таким путем закономерности могут быть использованы для уточнения структуры электрической модели месторождения и выбора точек заложения эксплуатационных скважин.