На правах рукописи

Юргин Олег Викторович ВЫСОКОТОЧНАЯ ГРАВИРАЗВЕДКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ГРАВИТАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ МАЛОГЛУБИННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Специальность - 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2006

Работа выполнена на кафедре геофизики ГОУВПО Пермский государственный университет

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук, профессор О.Л. Горбушина Официальные доктор физико-математических наук оппоненты: А.С. Долгаль (Горный институт УрО РАН), кандидат технических наук А.В. Шумилов (ОАО Пермнефтегеофизика)

Ведущая организация: ОАО Противокарстовая и береговая защита, г. Дзержинск Нижегородской области

Защита состоится 29 июня 2006 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.189.01 при Пермском государственном университете.

Адрес: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

E-mail: info@psu.ru Факс: (342) 237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан л апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.А. Гершанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Применение гравиметрического метода для измерения слабых гравитационных аномалий стало возможным в 1970 - 80-х годах, в связи с повышением качества измерительной техники и созданием новых методик проведения детальных съемок. В те годы началось также широкое использование повторных грав иметрических наблюдений с целью выявления временных неприливных вариаций гравитационного поля (Ю.Д. Буланже, А.Ш. Файтельсон, А.И.

Волгина, С.П. Золина, В.Н. Розенберг, А.С. Беляев, В.С. Матвеев, Н.Л.

Москвина и др.). Работы, проводившиеся в этих направлениях, оказали большое влияние на становление и развитие высокоточной гравиразведки и приблизили ее к возможности решения инженерногеологических задач. Настоящая работа посвящена применению высокоточной гравиразведки для изучения особенностей гравитационного поля, создаваемых малоглубинными инженерногеологическими объектами.

Актуальность работы При строительстве и эксплуатации инженерных сооружений важную роль играют быстро развивающиеся экзогенные геологические процессы. В Нижегородском Поволжье по интенсивности проявления к числу таких процессов следует отнести, прежде в сего, суффозионно-карстовый и оползневой процессы.

Многочисленные примеры аварий и аварийных ситуаций на Горьковской железной дороге, в промышленной зоне химического производства г. Дзержинска, на трассах трубопроводов, в местах жилой застройки служат убедительным доказательством актуальности проблемы прогноза этих процессов. В настоящей работе, в частности, изложен опы т применения детальной гравиразведки при изучении суффозионно-карстового и оползневого процессов.

Гравитационные аномалии, создаваемы е инженерногеологическими объектами, имеют слабую интенсивность (обычно несколько десятков микрогал). Их локализация и отделение от эффектов, связанных с погрешностями измерений, требуют применения высокоточной аппаратуры и особых методических приемов. Работы по этим направлениям проводились в 1970-х годах сотрудниками партии № 48 Специальной региональной геофизической экспедиции (СРГЭ) научно-производственного объединения Нефтегеофизика под руководством А.Ш. Файтельсона на закарстов анных территориях. В 1980-х годах под руководством М.И.

оджевского выполнялись микрогравиметрические съемки с целью изучения динамики суффозионно-карстового процесса, а также для поисков археологических объектов в исторической части Москвы.

Аналогичные работы были проведены под руководством З.М. Слепака на территории Казанского кремля. Институтом ВСЕГИНГЕО (Матвеев В.С.) высокоточная гравиразведка использовалась для пространственного прогноза оползневого процесса. Под руководством автора диссертации детальные гравиметрические съемки на территориях развития карста и оползней выполнялись в состав е ГП Волгагеология в 1990 - 96 гг. и в составе центра Диагностика Горьковской железной дороги с 1997 г. по настоящее время.

Цель работы Разработка методических приемов измерения силы тяжести на базе существующей измерительной техники и их интерпретация применительно к инженерно-геологическим объектам.

В работе решены следующие задачи:

1. Внедрены многократных гравиметрических измерений, обеспечивающих достоверность получения наблюденных значений силы тяжести.

2. Доказано, что использование данных однократных измерений может приводить к получению ложных результатов.

3. Изучены источники ошибок в различных типах гравиметрических рейсов.

4. Разработан комплекс приемов интерпретации данных профильных гравиметрических съемок.

5. Обоснованы модели разуплотненных зон в зависимости от геологического разреза, которые пространственно приурочены как к локальным минимумам, так и локальным максимумам гравитационного поля.

6. Установлена пространственная взаимосвязь между максимальными неприливными вариациями гравитационного поля на закарстованных территориях и локальными экстремумами силы тяжести.

Научная новизна работы 1. Впервые выявлено, что зоны развития карста при выклинивании в разрезе казанских карбонатов или их залегании на сакмарских гипсах в виде останцов пространственно приурочены к локальным максимумам силы тяжести.

2. Показано, что при измерении неприливных вариаций силы тяжести следует использовать специальную опорную сеть, состоящую из трех или более опорных пунктов, объединенных в полигон, и позволяющая учитывать временные изменения силы тяжести на исходном опорном пункте.

3. Установлено, что динамика современного суффозионнокарстового процесса отражается в гравитационном поле не уменьшением силы тяжести во времени с постоянным градиентом, а ее квазипериодическими колебаниями.

Основные защищаемые положения диссертации:

1. Методика гравиметрических наблюдений, основанная на многократных измерениях приращений и обеспечивающая достоверное выявление малоинтенсивных аномалий силы тяжести и вариаций гравитационного поля (глава I).

2. Комплекс приемов качественной интерпретации, базирующийся на использовании относительных параметров аномалий и обеспечивающ ий получение максимальной информации из данных профильных съемок (глава II).

3. Отражение динамики современного суффозионнокарстового процесса в квазипериодических колебаниях гравитационного поля (главы II и III).

Практическая ценность работы Использование предложенной методики измерений и интерпретации позволило уверенно выявлять зоны карстового разуплотнения с целью их дальнейшего тампонажа или конструктивного усиления различных инженерных сооружений, находящихся в этих зонах. На основании режимных грав иметрических измерений выделяются участки, на которых в настоящее время наиболее интенсивно развивается процесс разуплотнения. Такие работы выполнены на многих участках Горьковской железной дороги, нефтепровода Горький - Рязань, на территории предприятий Дзержинской промзоны, в пределах Коровинско-Ясенецкой эрозионно-карстовой котловины. Федеральным государственным унитарным предприятием (ФГУП) Волгагеология высокоточная гравиразведка использовалась на застроенных территориях для оконтуривания искусств енных пустот в припов ерхностной части геологического разреза.

Апробация работы Результаты исследований внедрены в практику изучения карстовых зон федеральным унитарным государственным предприятием (ФУГП) Волгагеология и центром Диагностика Горьковской железной дороги ; имеются соответствующие акты внедрения.

Основные положения диссертации были доложены на Третьих и Четвертых геофизических чтениях им. В.В. Федынского (Москва 2001, 2002), на Второй Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2001), на Международной научно-технической конференции Горно-геологическое образование в Сибири. Сто лет на службе науки и производства (Томск, 2001), на Второй Всероссийской конференции Геофизика и математика (Пермь, 2001), на региональной научно-практической конференции Геология и полезные ископаемые Западного Урала (Пермь, 2002). Наиболее важная из научных работ, посвященная достоверности наблюденных значений силы тяжести, опубликована в 2004 г. в Вестнике Пермского университета.

Публикации По теме диссертации опубликов ано 11 работ, из них 8 без соавторов и 3 в соавторстве. Диссертант является соавтором научно-производственных отчетов.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 118 страницах, содержит 43 рисунка и 8 таблиц.

Список использованной литературы включает 91 наименование.

В основу диссертационной работы положены результаты детальных высокоточных гравиметрических исследов аний, выполненных партией № 48 СРГЭ под руководством к.г.-м.н. А.Ш.

Файтельсона, ФУГП Волгагеология и центром Диагностика Горьковской железной дороги под руководством автора. При изучении оползневого процесса использовалась методика В.С. Матвеев а, ВСЕГИНГЕО. Аппаратурные исследования выполнялись в содружестве с гравиметрической лабораторией ИФЗ АН СССР (Р.Б.

Рукавишников, Л.В. Пущина, С.М. Баранова). Разработка вопросов методики полевых наблюдений базировалась на работах А.К.

Маловичко, О.Л. Горбушиной, В.А. Гершанока и других пермских ученых.

Работа выполнена на кафедре геофизики Пермского государственного университета под руководством доктора геологоминералогических наук О.Л. Горбушиной, которой ав тор приносит свою благодарность за ценные советы, замечания, всестороннюю помощь и поддержку.

Результаты выполненных исследований неоднократно обсуждались с д.т.н. К.Е. Веселовым, кандидатами г.-м.н. И.Н.

Михайловым, М.И. Лоджевским, В.С. Матвеевым, к.т.н. Р.Б.

Рукавишниковым, что способствовало устранению значительной части недостатков работы. Ценную помощь автору оказала к.г.-м.н. С.П.

Золина. Всем перечисленным ученым автор выражает искреннюю признательность.

Автор приносит свою искреннюю благодарность сотрудникам ФГУП Волгагеология Н.Ю. Кежутиной, С.А. Трофимычеву, К.А.

Высоцкому, А.Т. Калинину, С.И. Бариновой за предоставленные материалы, ценные советы и техническую помощь.

Глубокое уважение и благодарность испытывает автор к светлой памяти своего первого учителя, известного гравиметриста, замечательного ученого и человека, Арфия Шоломовича Файтельсона.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснов ана актуальность поставленных задач, их научная новизна и практическая ценность.

Глава 1.Общие сведения о высокоточной гравиразведке [1, 3, 7-11] Задачей грав иразведки при проведении инженерно-геологических изысканий является выделение гравитационных аномалий слабой интенсивности в в ерхней части геологического разреза. При проведении гравиметрического мониторинга задача работ состоит в выявлении достоверных неприливных вариаций силы тяжести (НВСТ), обусловленных процессами, протекающими в приповерхностном диапазоне глубин. По опыту проводившихся работ исследуемый диапазон глубин обычно лежит в пределах от первых метров до 50Цм, лишь изредка превышая 100 м.

Задачей гравиразведки в комплексе инженерно-геологических исследований является получение площадной картины распространения плотностных неоднородностей и участков повышенных вариаций поля для оптимизации буровых и пенетрационных работ.

Показано, что реально достижимая в полевых условиях точность измерения приращений силы тяжести усовершенствованным отечественным гравиметром составляет 6-10 мкГ ал. Требуемая для инженерной геологии детальность съемок обеспечивается шагом наблюдений от первых метров до 10 м, реже до 25 - 50 м.

В разделе, посвященном исследов анию ошибок, приводятся доказательства недостаточности вычисления точности измерений, основанной на разнице пов торных наблюдений. Часто дв а измерения на одной точке имеют между собой хорошую сходимость и, тем не менее, среднее из них не соответствует истинному значению.

-----1 4 7 1 0 1 3 1 6 1 9 2 чис ло изме ре ний Рис. 1. Пример стабилизации арифметической середины при увеличении представительности числового ряда Введено понятие достоверности измерений, как степени соответствия измеренного значения величине, обоснованно принимаемой за истинную. Под листинным значением понимается арифметическая середина представительного ряда наблюдений. На рис. 1 показано изменение среднего арифметического приращения силы тяжести при возрастании числа измерений от 1 до 24. В общем случае несоответствие вычисленных точностей измерений реальным объясняется применением формул теории ошибок к числовым рядам, среднее, мкГал содержащим очень ограниченное число членов (2-3). Как известно, достоверность значений, вычисленных по этим формулам, прямо пропорциональна представительности ряда.

Приведены результаты полевых и лабораторных исследований гравиметра с экспериментальной рабочей системой конструкции С.В.

Вереды. Основное отличие данного прибора от систем серийных заводских приборов типа ГНУ-К заключается в том, что в нем измерительное устройство соединено непосредственно с осью вращения маятника без использования измерительной рамки.

Практическое использование гравиметров конструкции С.В. Вереды показало их очень высокие эксплуатационные качества.

Методические особенности гравиметрических измерений, составляющие содержание первого защищ аемого положения, сводятся к следующим моментам.

1. Выбор длительности рядовых звеньев и расстояния между опорными пунктами осуществляется на основе особенностей смещения нуль-пункта прибора. В общем случае продолжительность звеньев рекомендуется ограничивать 4050 минутами для учета приливных вариаций совместно с учетом дрейфа нуль-пункта.

2. Размещение рядовых пунктов по профилю при съемочных работах не реже, чем через 10 м, независимо от особенностей геологического разреза, т.к. в инженерной геологии наиболее опасны мелкозалегающие плотностны е неоднородности.

3. Полигональная система измерений на опорной сети в соответствии с линейным размещением опорных пунктов вдоль профилей. Увязка опорной сети проводится по методике измерения отдельных приращ ений (МИОП).