Инженерная и экологическая геофизика
Объем аудиторной работы - 32 часа • лекций 16 часов • лабораторных работ - 16 часов Самостоятельная (внеаудиторная) работа – 16 часов Форма отчетности - зачет
Список литературы Основная • • • Богословский В. А. Экологическая геофизика : учебное пособие / В. А. Богословский, А. Д. Жигалин, В. К. Хмелевской. — М. : Изд-во МГУ, 2000. Вахромеев Г. С. Экологическая геофизика : учебник / Г. С. Вахромеев. — Иркутск : Изд-во Иркутского ГТУ, 1995. Вахромеев Г. С. Экологическая геофизика : учебник / Г. С. Вахромеев. — Иркутск : Издво Иркутского ГТУ, 1999. Ляховицкий Ф. М. Инженерная геофизика / Ф. М. Ляховицкий, В. К. Хмелевской, З. Г. Ященко. — М. : Недра, 1989. Огильви, А. А. Основы инженерной геофизики : учебное пособие — М. : Недра, 1990. Трухин, В. И. Общая и экологическая геофизика : [учебник] / В. И. Трухин, К. В. Показеев, В. Е. Куницын ; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. — М. : Физматлит : Наука/Интерпериодика, 2005. Дополнительная • • Рихванов Л. П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. - Томск: ТПУ, 1997. 394 с. Савелов Р. П. Введение в экологическую геофизику: Учеб пособие для вузов /Перм ун-т, - Пермь, 1999. – 108 с. Сейсмическое микрорайонирование / Под ред. О. В. Павлова, В. А. Рогожиной. -М. : Наука, 1987. -236 с. Горяинов Н. Н. , Боголюбов А. Н. , Варламов Н. М. и др. Изучение оползней геофизическими методами. -М. : Недра, 1987. - 157 с.
Лекция 1 • Причины совместного рассмотрения двух геофизических дисциплин • Инженерная геофизика, определение, задачи • Экологическая геофизика, определение, задачи • ВЧР- верхняя часть разреза
• Инженерная геофизика – это раздел прикладной (разведочной геофизики), предназначенный для изучения геологической среды малоглубинными геофизическими методами с целью решения широкого круга задач гидрогеологии, инженерной и горной геологии, почвоведения, мерзлотоведения, гляциологии, технической геологии, археологии и др. Объектом ее исследования является геологическая, точнее, геолого-геофизическая среда, мощностью сотни метров и особенно верхняя часть разреза (ВЧР), мощностью в десятки метров, в которой протекает разносторонняя хозяйственная деятельность человека. (Хмелевской)
Основные направления применения методов инженерной геофизики: • изыскания для обоснования объектов строительства; • исследования, способствующие успешному проведению самого строительства; • наблюдение за работой законченных сооружений и взаимодействий их с окружающей средой; • анализ влияния антропогенной нагрузки на геологическую среду.
Задачи геофизических методов при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях : • изучение геологического массива горных пород; • изучение напряженного состояния массивов горных пород; • изучение физико-механических свойств горных пород; • изучение водно-физических свойств горных пород в массиве и изучение динамики подземных вод; • изучение мерзлых пород, подземных льдов и ледников; • изучение археологических объектов. • Изучение состояния технических объектов
5 а 4 3 1 б 2 Электрическое поле вблизи заряженного тела (карстовой полости): а — разрез, б —план; А и В — питающие электроды, l — линейные размеры обследуемой площади; 1 — токовые линии, 2 — эквипотенциальные линии, 3 — известняки, 4 — тело высокой электропроводности (водный или глинистый заполнитель карстовой полости), 5—источник тока
Поступление радионуклидов в организм человека может происходить вместе с воздухом, водой и пищей, а также за счет излучения 222 Rn, который выделяется из строительных материалов (гранитного щебня, туфа, облицовочных гранитных плит и т. п. ), водопроводной воды и бытового газа, поступает вместе с почвенным воздухом и накапливается в плохо проветриваемых подвальных помещениях и в нижних этажах зданий.
Ширина области опасного воздействия электромагнитного излучения высоковольтных линий электропередач в зависимости от напряжения ЛЭП
Электромагнитный фон г. Томска на частоте 67, 22 МГц, Создаваемый УКВ-ЧМ-вещанием (мощность передатчика 1 к. Вт; место его размещения отмечено; штриховкой выделен район г. Томска, в котором количество умерших от онкологических заболеваний является максимальным)
Верхняя часть разреза (ВЧР) -это объем геологического пространства, отвечающей зоне активного влияния техногенной деятельности человека. -Приповерхностная часть геологической среды (техногеннодеятельный слой) мощностью в десятки, реже первые сотни метров Геологически ВЧР сложена рыхлыми отложениями любого генезиса (элювий, делювий, пролювий, аллювий и т. п. ), образованиями коры выветривания, и собственно коренными породами значительной мощности.
Лекция 2 • • • Введение Современное понятие экологии. Cферы Земли (Понятие геосфер. Биосфера, ноосфера, учение В. И. Вернадского). Возникновение и современное понятие геоэкологии и еë структура (связь естественных наук с фундаментальными и научно-прикладными науками экологического плана). Геоэкология и геофизическая экология. Экогеология и экогеофизика. Определение, предмет и место экологической геофизики в ряду других экологических наук, связь с инженерной геофизикой. Классификация методов экогеофизики.
В современном понимании фундаментальная экология • становится системой наук, изучающих общие законы функционирования экосистем как в природных условиях, так и в условиях интенсивного техногенного и антропогенного воздействия в процессе хозяйственной деятельности человека. • Таким образом, экология становится наукой о взаимоотношениях природы и общества. В широком смысле экология должна изучать условия, необходимые для сохранения устойчивого функционирования биосферы как системы.
«Благодаря условностям цивилизации эта неразрываемая и кровная связь всего человечества с остальным живым миром забывается, и человек пытается рассматривать отдельно от живого мира бытие цивилизованного человечества. Но эти попытки искусственны и неизбежно разлетaются, когда мы подходим к изучению человечества в общей связи его со всей природой» . В. И. Вернадский
Геоэкология - это фундаментальная междисциплинарная наука, базирующаяся на комплексировании экологических проблем биологии, почвоведения, географии, геологии, гидрологии, геохимии и геофизики и позволяющая получать информацию об экологическом состоянии окружающей среды
Структурные соотношения сфер Земли (а) и изучающие их фундаментальные (б, в, г) и научно-прикладные (д) дисциплины, в том числе экологического плана (в, г, д)
• • Актуальность Все компоненты природы тесно взаимосвязаны с внешней оболочкой планеты – литосферой. Именно литосфера является материальной литогенной основой биосферы – сферы живого вещества. На ней формируются почвы, ландшафты, растительные и животные сообщества. В настоящее время литосфера все больше изменяется в процессе человеческой деятельности, включается в техносферу (часть геосферы, затронутой техногенезом). Решение экологических проблем различных компонентов природы и общества невозможно без изучения экологических проблем литосферы, исследования ее экологических функций. Этими вопросами занимается новое научное направление – экологическая геология. Экологическая геология: Предметная область: экологическая петрология, экологическая геодинамика, экологическая геохимия, экологическая геофизика, экологическая гидрогеология, экологическая гидрология, экологическая климатология, экология ландшафтов. Информационно-методическая область: эколого-геологическое картографирование и ГИС, аэрокосмические методы, эколого-геологический мониторинг Прикладные направления: экологическое проектирование, природные и техногенные риски и экологически ориентированные технологии Место экологической геологии в системе наук Экологическая геология рассматривается как синтез геологических и экологических дисциплин, в состав которых входят различные точные, естественные, медицинские и социально-экономические науки Экологическая геология находится на пересечении экологических и геологических дисциплин
Экологическая геология: • • • Предметная область: экологическая петрология, экологическая геодинамика, экологическая геохимия, экологическая геофизика, экологическая гидрогеология, экологическая гидрология, экологическая климатология, экология ландшафтов. Информационно-методическая область: эколого-геологическое картографирование и ГИС, аэрокосмические методы, эколого-геологический мониторинг Прикладные направления: экологическое проектирование, природные и техногенные риски и экологически ориентированные технологии Структура экологической геологии Экологическая геология развивается по принципу «экологизации» основных разделов геологии и включает дисциплины, с экологических позиций изучающие состав и свойства Земли (экологическая петрология, геохимия, гидрогеология, геофизика), геологические процессы (экологическая геодинамика), роль органической жизни в формировании литосферы и месторождений полезных ископаемых (экология литогенеза и экология полезных ископаемых), геологическую среду (инженерная экологическая геология) и методического содержания (экологическая картография и геоинформатика).
Экологическая петрология • Инженерная петрология, или по старому грунтоведение, рассматривает горные породы как грунты в аспекте инженерно-строительной деятельности, например, как основания и фундаменты сооружений. • Экологическая петрология изучает экологические функции горных пород, как их состав и свойства влияют на жизнедеятельность биоты и человеческого общества. Экологическая геодинамика изучает эндогенные и экзогенные процессы во взаимодействии с биотой и человеком, занимается разработкой научных основ и методов управления геологическими процессами и явлениями. Объектом исследования являются геодинамические движения - эндогенные и экзогенные геологические процессы, как часть эколого-геологической системы. Предметом является изучение геодинамических экологических функций литосферы; анализируются прямые и обратные связи геологических процессов с биотой и человеком. Экологическая геохимия изучает экологические геохимические функции литосферы. Это свойство геохимических полей литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты и человеческого общества. Экологическая гидрогеология Изучает эколого-гидрологические системы, роль и значение подземных вод, используемых для питья и хозяйственных целей в сельском хозяйстве и промышленном производстве Рассматриваются вопросы защищенности, истощения и охраны подземных вод
Экологическая климатология Изучает геолого-геоморфологические факторы формирования климата. Оценивается роль климата в развитии геодинамических процессов, воздействие климата на природу и человека Рассматриваются вопросы охраны атмосферного воздуха, проводится оценка потенциала самоочищения атмосферы. Экология ландшафтов Дает интегральную оценку различных компонентов ландшафта. Ландшафт рассматривается как эколого-геологическая система, формирующаяся и развивающаяся под воздействием природных и техногенных факторов. Эколого-геологическое картографирование и ГИС Составление и использование эколого-геологических карт, картографическая оценка эколого-геологической ситуации. Картографирование экологических функций литосферы Картографическое и ГИС сопровождение экологических проектов Аэрокосмические методы Обработка, дешифрирование дистанционных материалов, с целью оценки эколого-геологической ситуации. Формирование баз данных и использование для составления экологогеологических карт
Геофизическая экология • - фундаментальный раздел общей геофизики, • в котором изучаются структура, свойства, пространственно-временная изменчивость геофизических полей естественного и техногенного происхождения в аспекте их воздействия на вещественный, энергетический и информационный обмен биосферы.
Изменение положения геомагнитного полюса Существуют вековые, (период 960 лет), ежегодные и суточные изменения положения полюсов. Периодические изменения направления магнитного поля показывают, что магнитное поле имеет тенденцию дрейфовать на запад на расстояние от 19 до 24 км в год. Изучение остаточного магнетизма пород показало, что магнитное поле Земли полностью меняло полярность около 170 раз за последние 100 миллионов лет. Северный магнитный полюс 500 миллионов лет назад был южнее Гавайев.
Экологическая геофизика • это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для решения разнообразных экологических задач, связанных с природными и техногенными изменениями состояния, а также вещественного и энергетического загрязнения отдельных частей биосферы (области обитания человека и биоты).
Геофизические поля литосферы • Природного генезиса Техногенного генезиса 1. Гравитационное 1. 2. Магнитное 2. 3. Электромагнитное 4. Сейсмическое 5. Радиационное 6. Вибрационное 7. Акустическое 8. Температурное
Классификация электромагнитных методов, применяемых в инженерной и экологической геофизике (по В. К. Хмелевскому) Частота f Геофизический метод исследования Свойства горных пород Максимальная глубина исследования, м магниторазведка магнитные 1000 lg f 1 м. Гц -3 1 Гц 0 Электро разведка Естественный, сопротивлений, поляризационный Низкочастотный Электромагнитные 1 к. Гц 3 1 МГц 6 Высокочастотный 1 ГГц 9 Сверхвысокочастотный 1 ТГц 12 Терморазведка Тепловые 1 ПГц 15 Визуальная (фото-, теле-) съëмка Оптические 1 ЭГц 18 Ядерная геофизика Гамма- и нейтронные 100 10 1 0, 1
ФГЭМ (ФГМЭ) • физико-геоэкологическая модель –это упрощенно – обобщенное представление структуры и физических свойств природных и природнотехногенных тел и создаваемых ими экологически значимых геофизических аномалий, совокупность которых апроксимирует реальную экологическую обстановку в пределах верхней части атмосферы на региональном, локальном и объектном уровнях. В отличие от ФГМ ФГЭМ призвана описывать воздействие литосферных объектов на экосистемы и живые организмы
ФГМ геологических объектов Обобщенное и формализованное описание пространственно-временной структуры параметров геологических и геофизических полей, с определенной степенью вероятности отражающее реальные литосферные объекты.
ФГМ-ПДЭН • учитывают предельно-допустимые концентрации вредных химических элементов, опасных амплитуд и частот физических полей, превышение которых приводит к необратимым процессам в биосфере и в организме человека.
Динамическая физико-геологическая модель оползневого склона в условиях техногенного физического загрязнения: а - природная обстановка; б- начальный период техногенного воздействия; в - последующие изменения в теле оползневого склона; 1 - оползневые накопления, 2 - зона скольжения, 3 - приращение зоны скольжения, 4 - коренные породы, 5 - точки ВЭЗ (обозначения на кривых приведены в тексте)
Типы ФГМЭ по Вахромееву статические и динамические двуальтернативные и многоальтернативные априорные и апостериорные детерминированные и вероятностно-статистические (статистические и стохастические) Дополнительные (практические) классификации. • По геометрическому признаку: точечные, линейные, площадные, и локальные, региональные, объемные. • По глубине залегания: близповерхностные и глубинные. • По распределенности во времени: функционирующие постоянно, периодически с низкой частотой, периодически с высокой частотой, эпизодически. • По характеру генерируемых полей: ФГМ излучателей и ФГМ источников рассеяния или выбросов твердых, жидких и газообразных примесей, обеспечивающих вторичную аккумуляцию тяжелых металлов и др. токсичных инградиентов в радиусе эффективного действия данного источника, и ФГМ комплексного источника экофизической аномалии, , рассеивающие вещество и генерирующие физические поля одновременно. • •
Верхняя часть разреза (ВЧР) -это объем геологического пространства, отвечающей зоне активного влияния техногенной деятельности человека. -Приповерхностная часть геологической среды (техногеннодеятельный слой) мощностью в десятки, реже первые сотни метров Геологически ВЧР сложена рыхлыми отложениями любого генезиса (элювий, делювий, пролювий, аллювий и т. п. ), образованиями коры выветривания, и собственно коренными породами значительной мощности.
Результаты наблюдений градиентов потенциала блуждающих токов на участке Лагерного сада
Памятник 42
Эколого-геофизические исследования и мониторинг геодинамических природных и техногенных процессов - геодинамические природно-техногенные процессы: извержения вулканов; изменения напряженного состояния горных пород, приводящие к уплотнению, разрушениям, обвалам, осыпям и другим гравитационным процессам; Сейсмичность, обусловленная удаленными, местными естественными и техногенными землетрясениями; Оползневые процессы и абразия берегов, вызываемые природными процессами и инженерно-технической деятельностью; Карстовые явления, связанные с суффозией (вымыванием) рыхлых пород и растворением карбонатных пород подземными водами, возрастающими при изменениями их режима под воздействием природно-техногенных факторов; Криогенные процессы, сопровождающиеся переходом температуры пород от отрицательной к положительной и приводящие к деструкции мерзлоты, а значит, к изменению физико-механических и прочностных свойств горных пород.
Основные разделы геодинамической экогеофизики • • экосейсмология экогравитация экогидрогеофизика Экокриология
экосейсмология Изучение геодинамической и сейсмологической устойчивости геологической среды, посредством определения ее геолого-геофизических свойств и оценки динамики их изменений с помощью сейсмоэкомониторинга. Физико-геологическая основа сейсмомониторинга высокая тензочувствительность и флюидочувствительность границ блоков литосферы, проходящих, как правило, по тектоническим нарушениям, к эндогенным и экзогенным воздействиям, нередко обусловленным космическими и техногенными физическими полями. Сейсмомониторинг включает в себя изучение : - деформации оснований сооружений (деформографами, наклономерами); - напряженного состояния, физико-механических и прочностных свойств среды полевыми (МПВ и МОВ) , акваториальными (МПВ и МОВ) и скважинными сейсмоакустическими (акустическое профилирование и просвечивание, микросейсмокаротаж) методами. Одно из важных направлений экосейсмологии - сейсмическое районирование территорий, предсказание землетрясений, детальное сейсмическое районирование и сейсмическое микрорайонирование для решения задач проектирования сейсмостойких гражданских, промышленных и энергетических сооружений
Сейсмостойкое строительство регламентируется комплектом карт общего сейсмического районирования масштаба 1: 5 000, построенных в результате комплексных исследований 1991 – 1997 гг. и определяющих интенсивность возможных на территории Северной Евразии сейсмических воздействий в баллах. Карта ОСР – 97 – А – соответствует 90%-ной вероятности не превышения расчетной интенсивности в течении 50 лет (или 10%-ной вероятности превышения) может быть предназначена для массового гражданского и промышленного строительства Карта ОСР – 97 – В – соответствует 95%-ной вероятности не превышения расчетной интенсивности в течении 50 лет (или 5%-ной вероятности превышения) - для объектов повышенной ответственности Карта ОСР – 97 – С – соответствует 99%-ной вероятности не превышения расчетной интенсивности в течении 50 лет (или 1%-ной вероятности превышения) - для особо ответственных объектов
Шкала MSK -64 Шкала Медведева — Шпонхойера — Карника 12 -балльная шкала интенсивности землетрясений Медведева-Шпонхойера-Карника была разработана в 1964 году и получила широкое распространение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). MSK-64 лежит в основе СНи. П II-7 -81 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и странах СНГ. В Казахстане в настоящее время используется СНи. П РК 2. 03 -30 -2006 «Строительство в сейсмических районах» .
Эпицентры землетрясений (1963— 1998)
График всех ежедневных землетрясений за 29 дней
Землетрясения за последние 30 дней магнитудой от 4 баллов
Землетрясения показываются как цветные круги. размер круга сообщает область землетрясения. Показаны только землетрясения от 4 баллов. Цвет Круга Возраст Землетрясения Красный - последние(прошлые) 24 часа. Апельсин От 24 до 48 часов. Желтый С 3 дней к 2 неделям. Фиолетовый С 2 недель до 5 лет. Распределение землетрясений за прошлые 5 лет показано фиолетовыми точками и демонстрирует, как землетрясения определяют границы материнских плит.
Оперативная обстановка Тихий океан, Дальний Восток, Курилы. Линии разломов тихоокеанской гряды
Регион Индонезия. Самый, на это время, сейсмически активный.
Сейсмическое микрорайонирование (СМР) предназначено для уточнения имеющихся карт ОСР с точки зрения изменения ожидаемой балльности. Требования к исходной сейсмической информации различаются при: - СМР для гражданских объектов, - СМР для гидротехнических сооружений, - ДСР и СМР для ответственных энергетических сооружений
Условия формирования оползней и методы их изучения Оползень - это смещение горных пород, слагающих склон, на более низкий уровень в виде скользящего движения без потери контакта между движущимися и неподвижными породами. 60
Задачи исследования геофизическими методами • изучение геолого-гидрогеологической обстановки; • изучение режима оползневого процесса; • определение глубины залегания и конфигурации поверхности (зоны) смещения; • изучение строения тела оползня; • определение положения уровня грунтовых вод и верховодки; • определение направления и скорости движения фильтрационного потока и т. д 61
Физико-геологические модели оползневых массивов pк Vp Vs ∆T 2 1 3 5 4 1 -оползневые образования; 2 -эолово-делювиальные суглинки; 3 -трещиноватые глины; 4 -плотные глины; 5 -поверхность смещения пород 62
Примеры использования геофизических методов Геофизический разрез по осевому профилю на участке Грязная речка. а кривые ВЭЗ; б геоэлектрический разрез; в ~ геофизический разрез 1 -местоположение точек ВЭЗ; 2 геоэлектрические границы; 3 - предполагае мые геоэлектрические границы; 4 - значения электрического сопротивления; 5 -линия равных значений рк; 6 сейсмические границы 63
Обзорная карта Участок работ 64
66
67
1971 ГОД 2007 ГОД РЕЛЬЕФ УЧАСТКА ПРАВОГО БЕРЕГА РЕКИ ТОМИ 30 ЛЕТ НАЗАД (ЛЕВЫЙ РИСУНОК) И В НАШИ ДНИ (ПРАВЫЙ РИСУНОК)
69
70
4 5 6 7 8 9 10 11 ПЛАН СТРОИТЕЛЬСТВА ДРЕНАЖНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ 12 ДГВ 13 14
• Геологич. разрез 72
73
74
ВХОД В ДРЕНАЖНУЮ ГОРНУЮ ВЫРАБОТКУ
ЗАДАЧИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫХ и сейсморазведочных РАБОТ 2002 -2005 гг: • изучение кровли коры выветривания и ее состояние, определение конкретной глубины её залегания; • выявление тектонических нарушений вдоль трассы дренажной горной выработки (ДГВ); • установление границ зон тектонических нарушений в кровле коры выветривания глинистых сланцев;
Профиль геофизических наблюдений Геофизическая изученность 79
Рис. 5 • Анализ 80
Рис. 6. Разрез изоом 81
Результаты геофизических исследований на правом оползневого склона р. Томи в районе Лагерного сада берегу 82
вертикальный план изоом по профилю 1
86
89
Экогидрогеофизика: - изучение карстово-суффозионных явлений, - изучение динамики и химизма подземных вод Задачи геофизики: 1. Выделение регионов, где встречаются растворимые породы, оценка литологии и мощности перекрывающих пород и глубины залегания базиса коррозии , т. е. поверхности скальных пород, ниже которой закарстованности нет. 2. Изучение гидрогеологических условий: наличие водоносных и водоупорных пород, пластовых и трещинно -карстовых вод, их минерализации, динамики (скоростей движения и фильтрации). 3. Выявление трещинно-карстовых зон, отдельных карстовых форм, полостей и т. п. 4. Оценка динамики карстово-суффозионных процессов и устойчивости закарстованных территорий.
Карта сопротивлений покровных образований в карстовом районе (установка АМNВ при АВ=12 м; MN=2, 5 м; шаг 10 м): 1 - профиль сопротивлений, 2 - буровая скважина, 3 - изолинии ρк , 4 - суглинки (10 -25 Ом*м), 5 - глины (ниже 10 Ом*м), 6 – супеси (25 – 50 Ом*м), 7 – мелкозернистые пески (выше 50 Ом*м), 8 – карстовые нарушения
Карта изолиний вертикальной составляющей магнитного поля (Н z) радиоволнового профилирования на одном из месторождений известняков Украины (Задериголова, 1998): 1 - вскрышной уступ; 2 - добычной уступ; 3 - радиопрофили; 4 - изолинии Нz; 5 - карстовая полость; 6 - заверочные скважины
Радиационное поле в пределах закарстованной территории с разной мощностью излучений (в мк. Р/ч) (Андрейчук, 1998): 1 - 21 -25; 2 - 26 -30; 3 - 31 -35; 4 - 36 -50; 5 - 51 -65. В правом нижнем углу уменьшенное изображение рельефа загрязненного участка
5 а 4 3 1 б 2 Электрическое поле вблизи заряженного тела (карстовой полости): а — разрез, б —план; А и В — питающие электроды, l — линейные размеры обследуемой площади; 1 — токовые линии, 2 — эквипотенциальные линии, 3 — известняки, 4 — тело высокой электропроводности (водный или глинистый заполнитель карстовой полости), 5—источник тока
Результаты комплексных скважинных геофизических наблюдений при изучении карстово-суффозионного процесса: а - геологический разрез, б - каротажные диаграммы и графики изменения во времени комплексного показателя ; в - режим средних значений комплексного показателя в изучаемом интервале глубин; 1 - пески, 2 - глины, 3 - закарстованные известняки, 4 - карстовые полости, 5 - уровень грунтовых вод
Изучение динамики подземных вод и водных свойств толщ горных пород. Пример определения направления и скорости движения подземных вод методом заряженного тела: а - план эквипотенциальных линий, б - график смещения эквипотенциальных линий, в - график скоростей, - максимальное смещение изолиний за время после засолки
Результаты скважинных геофизических исследований: 1 - график кажущихся сопротивлений по данным каротажа КС; 2 - кривые резистивиметрических наблюдений; 3 - зона активной циркуляции подземных вод; 4 - границы слоев
Зависимости удельного электрического сопротивления подземных вод ρк от концентрации ( ) и химического состава растворенных солей [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]
Зависимость удельного электрического сопротивления ρВП водонасыщенных пород от минерализации (М) ): 1 - природные воды; 2 - гравийно-галечниковые отложения; пески: 3 - крупнозернистые, 4 - среднезернистые, 5 - мелкозернистые; суглинки: 6 - легкие, 7 - средние, 8 - тяжелые глины, 9 – глины [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]
Кривые зависимости относительного сопротивления ρ/ ρВ от коэффициента пористости (Кп) ): 1 - пески; 2 - слабосцементированные песчаники и рыхлые известняки; 3 - сильносцементированные песчаники, известняки и доломиты. (ρ и ρВ УЭС породы и насыщающей ее воды) [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]
Эколого-геофизические исследования и мониторинг вещественного (геохимического) загрязнения окружающей среды Антропогенно-техногенное вещественное (геохимическое) загрязнение окружающей среды образуется за счет следующих основных источников: -захоронений радиоактивных отходов, а также последствий аварий и катастроф на ядерных объектах; -отвалов горных пород вблизи шахт, рудников (т. н. хвостохранилищ), ; -отходов крупных промышленных и строительных предприятий и городских агломераций (свалок); -утечек нефтепродуктов на нефтегазовых промыслах и нефтеперегонных заводах, из трубопроводов, вблизи станций, перекачивающих нефть и газ, нефтехранилищ, складов ГСМ, бензоколонок и т. п. ; -сельскохозяйственной деятельности (разрыхления и засоления почв, растворения удобрений и ядохимикатов) -и других источников.
Типы антропогенно-техногенных источников по геометрии, изменениям во времени и составу. 1 - Точечные (сброс сточных вод в водоемы или скважины и др. ), линейные (утечки из нефтепроводов, загрязнения вдоль дорог, каналов и др. ), площадные (распашка и удобрение почв, урбанизированные территории городов , промышленные предприятия и др. ); 2 - постоянные, периодические разной частоты, импульсные; 3 - с изъятием и перемещением горных пород и без видимых изменением поверхностных условий; 4 - с изменением режима или химического состава подземных вод и попаданием в них не существовавших ранее геохимических элементов, например, вследствие пиритизации, окисления и др. ; 5 - с нарушением температуры, что особенно опасно в районах распространения многолетнемерзлых пород.
Изучение загрязнения геологической среды геофизическими методами Основная задача : выявление статических и динамических (изменяющихся во времени) геофизических аномалий над источниками загрязнения (радиоактивными и геохимическими). Для выявления и изучения радиоактивных аномалий природного и техногенного происхождения применяется радиометрия Основные методы радиометрии: – аэрогамма – спектрометрические съемки, - автогамма- спектрометрические съемки, -эманационная съемка.
Схематическая карта радиационного излучения в ближней зоне Чернобыльской АЭС после аварии по состоянию на 29 мая 1986 г. (Вахромеев, 1995): расчетные (1) и измеренные на местности (2) изолинии мощностей ионизирующего излучения в м. Р/ч
Изучение загрязнения геологической среды нефтепродуктами Решение задач, связанных с загрязнением нефтепродуктами начинается с выявления коллекторов (песков, пористых известняков, полускальных пород) и водоупоров (глин, скальных пород). Основными экоэлектроразведочными методами изучения загрязнений нефтепродуктами являются следующие: -метод естественного поля (ЕП); -вызванной поляризации (ВП); -метод сопротивлений (ЭП, ВЭЗ); -радиоволновое профилирование (РВП); -зондирование (георадар); -термометрия и инфракрасные съемки
ИЗУЧЕНИЕ РАЗРЕЗА С ЦЕЛЬЮ ПОИСКА УЧАСТКОВ С УГЛЕВОДОРОДНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ε=18, 4; V=7, 0 см/нс ε=5, 8; V=12, 5 см/нс ε=39; V=4, 8 см/нс УГВ ε=9, 5; V=9, 7 см/нс РАБОТЫ НА НЕФТЕПЕРЕГОННОМ ЗАВОДЕ. КОМПЛЕКС IV С ПОНИЖЕННЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВЫДЕЛЕН КАК СЛОЙ С СИЛЬНЫМ УГЛЕВОДОРОДНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ Использовалась антенна 75 МГц. Пример различий в чувствительностях волновых методов служит ситуация с углеводородным загрязнением. Диэлектрическая проницаемость нефтепродуктов по мере повышения степени переработки стремится к 2. При этом по акустической жесткости углеводороды близки к воде. То есть, с помощью георадиолокации можно отличить влагонасыщенную породу от загрязненной углеводородами, а с помощью сейсморазведки нет.
Изучение геохимического загрязнения геологической среды Эколого-геохимическое картирование предполагаемых площадей загрязнения и детальные исследования выявленных техногенных аномалий проводятся прежде всего с помощью геохимических съемок – литогеохимических, атомохимических (газовых), гидрогеохимических (снегохимических, биогеохимических). Применение геофизических методов значительно сокращает объем проб для химических анализов, при наличии установленных теоретических и эмпирических связей между физико-химическими свойствами изучаемой среды и геофизическими параметрами. Основные применяемые геофизические методы: -радиометрия; -ядерные (гамма-спектрометрические, нейтронно-активационные, радиоизотопные и др. ) -лазерная спектрометрия; -яерно-магнитно-резонансная спектрометрия и др. ; -Электроразведка (ЕП, метод сопротивлений - ЭП и ВЭЗ)
Рис. 5. 7. Результаты наземного электропрофилирования и речной резистивиметрии для изучения техногенных карстовых явлений: а - план, б – графики по профилю III в моменты времени t 1 b t 2; I-IV - профили наблюдений; 1 - водотоки, 2 - зоны разгрузки (повышенная проводимость воды) в реке
Рис. 3. Загрязнение тяжелыми металлами техногенных грунтов свалки, почв и донных отложений в районе ПЗТБО " Кучино " : 1 - точки отбора проб донных отложений; 2 параметры загрязнения (в числителе - суммарный показатель загрязнения, в знаменателе элементы загрязнения с коэффициентами относительно фоновых значений); 3 - зоны загрязнения почв с коэффициентами элементов-загрязнителей относительно фоновых значений; 4 - границы д. Фенино; 5 - зона стекания свалочного фильтрата в р. Пехорка; 6 профили наземных геофизических наблюдений
Изучение техногенного физического загрязнения Техногенное физическое (его можно также называть энергетическим или полевым) загрязнение представляет собой присутствие в окружающей среде (литосфере, атмосфере и гидросфере) дополнительно к естественным геофизическим полям физических полей, создаваемых человеком в процессе реализации современных технологий.
Техногенное физическое загрязнение можно определить как суммарный энергетический потенциал искусственно создаваемых (техногенных) физических полей, значительно превосходящий по величине потенциал естественных геофизических полей и оказывающий в силу этого негативное воздействие на окружающую среду, инженерные сооружения, живые организмы и организм человека. И в соответствии с этим техногенное физическое загрязнение можно рассматривать как результат воздействия энерговооруженного человека на окружающую среду, опосредованного через искусственно создаваемые физические поля. Воздействие это носит энергетический характер и этим принципиально отличается от других видов воздействия (химического и биологического), являющихся вещественными по своей сути.
Фантастическая картина, представляющая вид земного неба в гамма-лучах. Мощное излучение из центра галактики делает невидимым Солнце, Луну и Звезды. Млечный путь выглядит не так ярко, как на фотографиях. Справа – вспышка Сверхновой, взрыв которой произошел сравнительно недавно.
Обозначения: ИНЧ - инфранизкая частота; СЧ - средняя частота; КНЧ - крайне низкая частота; УВЧ - ультравысокая частота; СНЧ - сверхнизкая частота; СВЧ - сверхвысокая частота; НЧ - низкая частота; ГВЧ - гипервысокая частота; КМКП - крайне медленные кожные потенциалы; МКГ- магнитокардиограмма; МЭГ - магнитоэнцефалограмма; MB - миллиметровые волны; ОИ - оптическое излучение; P - рентгеновское излучение; ЭКГ- электрокардиограмма; ЭЭГ- электроэнцефалограмма; ММВ - миллиметромагнитокардиограмма; ИК- инфракрасное излучение; УФ - ультрафиолетовое излучение; Г - гамма-излучение. Спектральный состав и деление на диапазоны электромагнитных колебаний, используемых в различных отраслях знаний (Павлов, 1998)
Энергетические загрязнения по их природе условно делятся на три группы I группа – механическое (колебательно-волновое движение частиц упругой среды газовой, жидкой, твердой фаз): шумы, вибрации, инфразвук, ультразвук, гиперзвук. II группа – электростатическое, магнитостатическое: постоянные электрические поля. III группа – электромагнитные поля (излучения) : промышленные частоты, радиочастоты, СВЧ- диапазон, миллиметровый диапазон, ИК излучения (тепловые загрязнения, видимые излучения, УФ-излучения, рентгеновские и γ-излучения
Физическое поле Единица измерения Уровень поля фоновый Вибрационное мм/с °C Температурное санитарный предел технический предел 25 - 30 80 - 120 45 - 60 - 0, 02 - 0, 50 0, 02 - 160 0, 12 0, 20 - 0, 40 от -2 до +10 от -160 до +1500 16 - 24** 1, 0 - 1, 5 - - 10 -6 дб(А) Акустическое Технологи ческий 2, 5 - 10, 0 5, 0 - 5 - 10 10 - 300 - 3 - 5 0, 3 - 2, 2 1, 6 2, 1 1 Электрическое: атмосферное электричество 1, 15 - 1, 2 электрическая составляющая электромагнитного поля Земли к. В/м блуждающие токи м. В/м Радиационное м. Зв/год*** * *** Для грунтов в основании фундаментов. Санитарные нормы для служебных и жилых помещений. 1 м. Зв - 1 м. Гр - 100 м. Р.
Акустические поля • Уровень акустического поля оценивается в относительных величинах звукового давления - децибелах (д. Б(А)). В качестве начального уровня при измерениях акустического поля (шума) принят порог слышимости, соответствующий звуковому давлению 2 · 10 -5 Па. • Согласно санитарным нормам вредным для нервной системы считается шум, превышающий 50 - 60 д. Б(А). • При работе в условиях постоянного шума на уровне 70 д. Б(А) число сделанных ошибок даже при выполнении несложных операций оказывается вдвое большим, чем при работе в спокойных условиях. Работоспособность при ощутимом постоянном шуме снижается примерно на треть. • При уровне звука в 80 - 90 д. Б (А) (железная дорога и промышленные предприятия) возможны необратимые изменения органов слуха, • при уровне в 120 - 140 д. Б(А) (железная дорога, реактивные самолеты) – повреждение органов слуха.
Использование ионосферных наблюдений в задачах сейсмомониторинга
Р = ρ/ ρВ отн. ед. 110 50 30 15 13 6, 5 4 3, 2 2, 2 1 Кп, % 10 20 25 30 40 60 70 100 15 50
Глава 5. Инженерная геофизика • 5. 1. Геологическая среда и геофизические методы для ее исследования • 5. 2. Гидрогеологическая и почвенно-мелиоративная геофизика 5. 2. 1. Геофизические методы при гидрогеологических съемках 5. 2. 2. Поиски и разведка пресных подземных вод 5. 2. 3. Поиски и разведка термальных вод 5. 2. 4. Поиски и разведка минеральных вод 5. 2. 5. Изучение динамики подземных вод и водных свойств толщ горных пород 5. 2. 6. Изучение условий обводненности горных выработок 5. 2. 7. Гидромелиоративные и почвенно-мелиоративные исследования 5. 2. 8. Изучение минерализации подземных вод, литологии и флюидонасыщенности горных пород электроразведкой методом сопротивлений • 5. 3. Инженерно-геологическая геофизика 5. 3. 1. Общая характеристика инженерно-геологической геофизики 5. 3. 2. Инженерно-геологические съемки 5. 3. 3. Изучение условий строительства инженерных сооружений 5. 3. 4. Изучение тектонических нарушений 5. 3. 5. Изучение физико-геологических явлений и процессов 5. 3. 6. Изучение инженерно-геологических условий строительства на акваториях и берегах 5. 3. 7. Определение физико-механических свойств горных пород по данным сейсморазведки 5. 3. 8. Опpеделение деформационно-пpочностных свойств горных поpод по данным сейсморазведки и сейсмоакустических исследований • 5. 4. Мерзлотно-гляциологическая геофизика 5. 4. 1. Строение мерзлых пород и задачи их изучения 5. 4. 2. Физические свойства и строение мерзлотно-геофизических разрезов 5. 4. 3. Картирование мерзлых и талых пород 5. 4. 4. Расчленение мерзлых и талых горных пород 5. 4. 5. Изучение ледников • 5. 5. Археологическая и техническая геофизика 5. 5. 1. Особенности выявления искусственных малоглубинных погруженных объектов 5. 5. 2. Археологическая геофизика 5. 5. 3. Техническая геофизика (изучение подземных коммуникаций)
Систематика геологических и других природных процессов по интенсивности негативных воздействий на биоту, включая человека
Скачать презентацию Инженерная и экологическая геофизика Объем аудиторной работы
Инжен-эколог геофизика .pptx