Из всех наземных геофизических методов при разведке подземных вод чаще всего применяется электроразведка. Оборудование, используемое в этом методе, сравнительно недорогое и для его обслуживания требуется всего два-три человека. Поэтому электроразведка в общем экономична.
В электроразведке измеряются два типа электрических полей: естественное поле, всегда существующее между двумя электродами, помещенными в породе, и искусственное поле, вызванное прохождением генерируемого электрического тока через породу. Потенциал естественного поля и удельное электрическое сопротивление породы в искусственном поле обычно измеряют одним прибором. Сначала измеряется естественный потенциал, затем — сопротивление.
Существует несколько типов расположения электродов при электроразведке. Наиболее распространены установки Веннера и Шлюмберже (рис. 6.15). Преимущество установки Веннера заключается в том, что в ней соблюдается более прямая связь расстояний между электродами и глубиной проникновения электрического тока. Однако установка Шлюмберже позволяет более четко дифференцировать геологический разрез при том же расстоянии между внешними электродами, а также требует меньшего обслуживания, поскольку центральные электроды не нужно перемещать всякий раз, когда перемещают внешние электроды.
Метод естественного поля не используется широко при гидрогеологической разведке. Большие естественные потенциалы возникают при окислении сульфидных минералов, коррозии металлов, контактировании вод различного химического состава и при других электрохимических явлениях. В некоторых районах путем измерения естественных потенциалов находят рудные месторождения, тектонические нарушения и зоны метаморфизма. Использование в гидрогеологии метода естественного поля ограничено главным образом исследованиями в районах, где наблюдается контактирование вод, резко отличающихся по химическому составу.
Рис. 6.15. Установки Шлюмберже и Веннера для измерения удельного электрического сопротивления пород. Электрические цепи амперметров, вольтметров и источников энергии показаны схематично.
Удельное электрическое сопротивление естественных материалов изменяется в широких пределах. Плотный гранит может иметь удельное сопротивление 106 ом·м, тогда как сопротивление глины, насыщенной соленой водой,— только 1,0 ом·м, т. е. в 1 млн. раз меньше. Обычно твердые минералы, такие, как кварц и полевой шпат, обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением. У рассолов самое низкое сопротивление среди наиболее распространенных естественных материалов. В табл. 6.2 даны характерные значения удельного электрического сопротивления для различных естественных материалов.
Вследствие значительного удельного электрического сопротивления распространенных обломочных материалов (кварца, полевого шпата и кальцита) электрический ток проходит главным образом через флюиды, находящиеся в порах осадочных пород. Следовательно, электрическое сопротивление породы зависит в основном от ее пористости и химического состава насыщающего флюида. Наличие глины также очень важно для определения удельного электрического сопротивления пород. Глинистые частицы, насыщенные водой, окружены пленкой частично подвижных ионов, которые мигрируют под действием электрического поля. Эта миграция усиливает обычную миграцию ионов в жидкости, снижая удельное электрическое сопротивление пород, обогащенных глиной. На рис. 6.15 изображено потенциальное поле двух питающих электродов. Приемные электроды, между которыми измеряется разность потенциалов, помещают достаточно далеко от питающих электродов, чтобы исключить из наблюдений крайне неоднородную область электрического поля. Если электроды размещены равномерно, т. е. в соответствии с установкой Веннера, кажущееся удельное электрическое сопротивление можно рассчитать по формуле
(6.3)
где Ra — кажущееся удельное электрическое сопротивление в ом-метрах; а — расстояние между электродами в метрах; V — разность потенциалов в вольтах; I — сила тока в питающей линии, выраженная в амперах. Несмотря на наличие этой простой формулы, не существует универсальной зависимости между расстоянием а и эффективной глубиной проникновения электрического тока. Обычно считают, что расстояние между электродами в установке Веннера находится в прямой зависимости от глубины проникновения электрического тока, но это может привести к ошибке в расчете глубин на несколько сотен процентов. Определение глубины до горизонтальных границ раздела следует проводить путем совмещения полученных в результате полевых исследований кривых, отражающих зависимость Ra от а, с эталонными кривыми, построенными для гипотетических слоев с заданными различиями в удельном электрическом сопротивлении.
Простейшим видом электроразведки методом сопротивлений является электропрофилирование. В этом случае используются установки, для которых расстояние а остается постоянным и электроды перемещают по прямой линии. На основании результатов расчетов Ra получают график кажущегося удельного электрического сопротивления скальных и осадочных пород по профилю наблюдений, соответствующий более или менее постоянной глубине исследования. Метод профилирования с успехом используется для обнаружения ледниковых галечников внутри морены (рис. 6.16). Другое возможное применение этого метода доказано на рис. 6.17.
Электропрофилирование дает наилучшие результаты, если его применять для определений вертикальных границ разреза на глубинах до 100 футов. При нахождении горизонтальных границ, таких, как поверхность грунтовых вод или поверхности слоистых пород, используют метод вертикального электрического зондирования или бурение. При электроразведке по методу ВЭЗ электроды размещают по прямой линии симметрично относительно точки наблюдения — центра зондирования, а затем с определенным шагом последовательно увеличивают расстояние между питающими электродами. График кажущегося удельного электрического сопротивления, построенный в зависимости от разноса установки (рис. 6.18), дает представление об удельном электрическом сопротивлении слоев, глубина залегания которых последовательно возрастает. Однако величина кажущегося удельного электрического сопротивления определяется эффектами от всех слоев, лежащих в пределах глубин проникновения тока. По этой причине чем больше количество слоев, тем сложнее интерпретация получаемых данных. При отсутствии дополнительной информации о геоэлектрическом разрезе точной интерпретации поддаются данные, относящиеся только к трем-четырем четко выраженным слоям.
Таблица 6.2
Приблизительные значения удельного электрического сопротивления естественных материалов
Рис. 6.16. Графики кажущегося удельного электрического сопротивления по профилям.
Эти графики используют для оконтуривапия погребенных речных отложений, заключенных между двумя пластами валунной глины. После предварительного изучения последующие исследования ведутся по профилям, ориентированным перпендикулярно к направлению погребенного русла.
Рис. 6.17. Использование данных электропрофилирования для определения границ вторжения морских вод в однородный песчаный водоносный горизонт. С помощью этих данных установлен сброс в пределах профиля электроразведочных наблюдений.
В гидрогеологических исследованиях электроразведка методом сопротивлений наиболее успешно применяется при решении двуслойных задач. Границы раздела соленых и пресных вод в однородных базальтах и дюнных песках устанавливаются точно, особенно в районах, где глубина до границы раздела меньше 500 футов. Этот метод также успешно используется при определении контакта коренных пород и аллювия в речных долинах, а также при поисках слоев гравелита или песка, подстилаемых глинистыми или супесчаными породами. Большая часть попыток установить уровень грунтовых вод в аллювиальных и ледниковых отложениях оказалась менее успешной. Вероятно, это связано со значительными колебаниями влажности над поверхностью грунтовых вод.
Существуют три главных ограничения метода сопротивлений. Во-первых, металлические трубы, рельсы, провода и другие искусственные сооружения, находящиеся в контакте с грунтом, будут искажать электрическое поле, поэтому на городских территориях измерение удельного электрического сопротивления пород затруднено. Во-вторых, без дополнительной информации, полученной с помощью других геофизических методов или бурения, можно интерпретировать лишь те электроразведочные данные, которые относятся к достаточно простой геофизической обстановке. В-третьих, глубина проникновения тока, соответствующая электрической мощности основных типов портативного оборудования, составляет менее 1500 футов, что объясняется недостаточной емкостью батарей и наличием в некоторых случаях плохо проводящих слоев-экранов. Эти ограничения метода сопротивлений постоянно нужно иметь в виду в целях его успешного применения.
Рис. 6.18. Значения кажущегося удельного электрического сопротивления горных пород, полученные при наблюдениях методом ВЭЗ с помощью установки Веннера.
1 — песчаная почва; 2 — песок и гравий с примесью валунной глины; 3 — валунная глина с примесью песка и гравия; 4 — докембрийские коренные породы.
