ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ОНИЩУК ІВАН ІВАНОВИЧ

УДК 550.837

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ МІКРОГЕОФІЗИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ПРОЦЕСІВ ПІДТОПЛЕННЯ ҐРУНТІВ

(на прикладі Лісостепу Придніпров’я та Київського Полісся)

04.00.22 – Геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор геологічних наук, професор

Вижва Сергій Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри геофізики

Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Кузьменко Едуард Дмитрович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри техногенної безпеки та геоінформатики, м. Івано-Франківськ.

доктор геолого-мінералогічних наук Орищенко Іван Васильович, Інститут геологічних наук НАН України, провідний науковий співробітник, м. Київ.

Провідна установа: Інститут геофізики імені С.І.Субботіна НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “14” червня 2005 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 026.001.32 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “ 10 “ травня 2005 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Одним із найбільш небезпечних природних та техногенних процесів є підтоплення земель, наслідком якого є втрата родючості сільськогосподарських угідь та несучої здатності масивів гірських порід, пошкодження фундаментів споруд та підземних комунікацій, приріст сейсмічної бальності території, активізація гравітаційних процесів, суфозії, техногенного забруднення, зменшення регулюючої здатності зони аерації при повенях та збільшеній кількості опадів. Особливого значення для території України підтоплення набуло після спорудження крупних меліоративних та гідротехнічних систем і, як наслідок, зарегульованості поверхневого стоку, а також дії інших техногенних і природних факторів з ними пов’язаних. Підпір горизонту ґрунтових вод на відстані до десятків кілометрів від водосховищ на р. Дніпро та його притоків в середньому складає від 6 до 10 м. На малих і середніх річках побудовано більше 26,5 тисяч водосховищ і ставків, що також зумовлює середній підпір горизонту ґрунтових вод від 2 до 5 м. В цілому, за останні 40 років регіональний підпір гідрографічної мережі призвів до сталого підвищення рівня ґрунтових вод, в результаті чого створився особливий техногенно-природний режим, зменшився обсяг зони ненасиченої фільтрації.

За останні 15 років загальна площа та кількість міст і селищ із сталими проявами підтоплення в Україні зросли вдвічі. Ним охоплено 541 місто і селище. У підтопленому стані знаходяться 454 сільські населені пункти. В цілому, площі природного та техногенного підтоплення охоплюють близько 70 тис. кв. км або 12 % території України. Процеси підтоплення мають стабільну тенденцію до зростання і розширення, що загрожує їх розповсюдженням на нові площі сільськогосподарських і лісогосподарських угідь та населених пунктів.

В зв’язку з розвитком негативних явищ, пов’язаних з підтопленням земель, гостро постала проблема їх вивчення та моніторингу з метою прогнозування та запобігання негативних наслідків. Досвід багаторічних досліджень, що проведені виробничими та науковими організаціями Держкомгеології України показує, що найбільш інформативними, експресними, економічно доцільними є геофізичні методи. Однак технологія проведення стандартних польових геофізичних досліджень та методика їх інтерпретації вимагають модифікації та значної адаптації до задач вивчення верхньої частини розрізу (ВЧР) та врахування цілого ряду факторів, пов’язаних з геометрією мікроустановок, впливом процесів, що відбуваються у ВЧР. Вирішенню цих питань, а також розробці підходів до вивчення процесів підтоплення земель за допомогою геофізичних досліджень присвячена дана робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами і планами НДР. Дисертаційну роботу виконано в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка. Вона нерозривно пов’язана з виконанням планів науково-дослідних робіт. Більшість результатів отримані при виконанні держбюджетних науково-дослідних тем (державні реєстраційні номери: 0193U044624, 0194U036158, 0195U004127, 0198U036158, 0101U002877)?та теми “Розробка нових геофізичних технологій пошуків родовищ корисних копалин, геофізичного моніторингу небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (№015Ф049-02), що виконується в рамках програми “Надра” Фонду фундаментальних досліджень Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Удосконалення, впровадження та практична реалізація виконаних автором розробок здійснювались у межах госпдоговірних робіт з ДРГП ”Північгеологія”, ДГП “Агрогеофізика”, “Геосервіс”. Результати роботи впроваджені також у навчальному процесі кафедри геофізики в рамках нормативного курсу „Електрометрія” та при проведенні навчальної геофізичної практики.

Метою роботи є розробка раціональної, ефективної технології мікрогеофізичних досліджень при вивченні підтоплень ґрунтів та ВЧР в умовах Лісостепу Придніпров’я та Київського Полісся.

Основні завдання досліджень. Відповідно з поставленою метою в процесі досліджень вирішувались такі задачі:

1. Аналіз геолого-геофізичних та ґрунтознавчих матеріалів з метою вибору найбільш інформативних геофізичних ознак (параметрів), комплексне використання яких дозволяє вирішити завдання оцінки стану ґрунтів та порід верхньої частини розрізу і побудувати їх геолого-геофізичні моделі з врахуванням процесів підтоплення.

2. Аналіз основних геолого-гідрогеологічних факторів, що впливають на геоелектричні параметри ґрунтів та порід верхньої частини розрізу. Визначення геоелектричних параметрів різних типів ґрунтів в природному заляганні та їх зміни при розвитку підтоплень.

3. Обґрунтування технології польових досліджень та методики інтерпретації даних геофізичного картування ґрунтів та порід верхньої частини розрізу при дослідженні підтоплення земель.

4. Розробка основних геолого-геофізичних моделей ВЧР зон підтоплення Лісостепу Придніпров’я та Київського Полісся на основі мікрогеофізичних досліджень.

Об’єктом наукового дослідження є ґрунти і породи ВЧР – частина геологічного середовища, що має особливу структуру, речовинно-літологічний склад, петрофізичні та водно-фізичні особливості. Це середовище складає гідродинамічну зону активного водообміну до першого місцевого або локального водотриву.

Предметом наукового дослідження є геоелектричні поля, геофізичні параметри ґрунтів та порід ВЧР і вплив на них процесів підтоплення земель.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети автор використовував польові геофізичні дослідження методами мікроелектрозондування, резистивиметрії, сейсморозвідки КМЗХ, що були перевірені прямими гідрогеологічними методами на ключових ділянках з різними умовами підтоплення. При узагальненні, інтерпретації та аналізі отриманих комплексних даних використовувались кореляційно-регресійні методи. Для виділення та вивчення зон підтоплення ґрунтів та ВЧР розроблялись відповідні їм геолого-геофізичні моделі.

Фактичний матеріал. Дисертаційна робота виконана на значному об’ємі польового геолого-геофізичного матеріалу (криві мікроелектрозондувань, сейсмозондування, розрізи свердловин і шурфів, ґрунтові карти), значна частина якого отримана при безпосередній участі автора. Окрім того були використані фондові матеріали ВГО Північукргеологія, інститутів Укрдіпроводгосп та Укрземпроект.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблена раціональна, ефективна технологія комплексних геофізичних досліджень процесів підтоплення ґрунтів, основу якої становлять мікроелектрозондування. Зроблена оцінка впливу параметрів польових мікроустановок на точність електрометричних досліджень.

Вперше розроблені геолого-геофізичні моделі верхньої частини розрізу Лісостепу Придніпров’я і Київського Полісся, що включають ґрунтовий профіль, материнські породи та горизонт ґрунтових вод та встановлено їх зв’язок з процесами підтоплення ґрунтів.

Розроблена технологія інтерпретації геолого–геофізичних даних для геофізичного картування підтоплених ґрунтів, що базується на використанні погоризонтних карт геофізичних параметрів та розроблених геолого–геофізичних моделей.

Встановлений зв’язок змін водно-фізичних властивостей ґрунтів та порід верхньої частини розрізу з процесами підтоплення і характеристиками геофізичних полів, найбільш інформативними з яких є геоелектричні поля.

5. Вперше визначені геоелектричні параметри різних типів ґрунтів та порід верхньої частини розрізу Лісостепу Придніпров’я і Київського Полісся у природному заляганні та їх зміни при розвитку підтоплення.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонована технологія мікрогеофізичних досліджень ґрунтів та порід верхньої частини розрізу може застосовуватись:

1. При вивченні підтоплень земель і звязаних з ними негативних змін ґрунтів та порід верхньої частини розрізу.

2. При вивченні підтоплень міських агломерацій та населених пунктів і звязаних з ними негативних та небезпечних процесів (втрата несучої здатності, активізація суфозії, зсувів тощо).

3. Для оцінки стану сільськогосподарських та лісогосподарських угідь.

4. При геоекологічних дослідженнях (визначення захищеності території, вивчення техногенних забруднень та визначення шляхів їх міграції).

5. При моніторингу небезпечних геологічних процесів (зсувів, карсту, суфозії).

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні й методичні результати, що винесені на захист, отримані здобувачем особисто. Особистий внесок здобувача у основні роботи, виконані у співавторстві, визначається наступним чином. В роботах [1, 5, 7, 8, 10–13] автору належить безпосередня участь в постановці задачі, в одержанні, обробці та аналізі результатів польових геофізичних досліджень та висновках. В роботах [9, 15, 19-22] дисертанту належать ідея та безпосередня участь у постановці задачі, узагальненні отриманих даних, підготовці висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати виконаних досліджень доповідались автором на: науково-технічних радах ВГО “Північукргеологія” (Київ, 1987–1991); всесоюзних науково-технічних семінарах по використанню геофізичних методів в гідрогеології, інженерній геології та геоекології (Київ, 1987; Москва, 1989; Ташкент, 1991); наукових конференціях професорсько-викладацького складу геологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Київ, 1993–2004); міжнародних наукових конференціях “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2000, 2002); міжнародних наукових конференціях “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2003, 2004).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 22 наукові роботи, серед них 10 статей у фахових наукових журналах та збірниках наукових праць (в тому числі 4 одноосібні).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, котрий налічує 143 найменування, 4 додатків. Загальний обсяг роботи становить 207 сторінок. Вона містить 23 таблиці, ілюстрована 23 рисунками.

Роботу виконано на кафедрі геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка, де здобувачем отримані основні результати методичних досліджень, результати моделювання і практичної реалізації отриманих наробок.

Автор висловлює щиру подяку науковому керівнику доктору геологічних наук, проф. С.А. Вижві та канд. фіз.-мат. наук, доц. М.В. Реві за постійну допомогу у проведенні досліджень, цінні зауваження при узагальненні отриманих результатів. Особливу подяку автор висловлює покійному провідному геофізику ВГО “Північукргеологія” С.О. Шмарьяну за слушні поради та пропозиції по вдосконаленню роботи. Здобувач вдячний також д-ру геол.-мін. наук, проф. В.М. Курганському, д-ру фіз.-мат. наук, проф. Г.Т. Продайводі, д-ру геол.-мін. наук, проф. М.І. Толстому, д-ру геол. наук, проф. М.Н. Жукову, канд. геол.-мін. наук, доц. А.В. Сухораді, за поради та зауваження в процесі підготовки та оформлення роботи.

Автор щиро вдячний начальнику Гідрогеологічної партії ПДРГП “Північгеологія” О.П. Нікіташу за допомогу у зборі фондових матеріалів та консультації, а також співробітникам кафедри геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка І.М. Безродній, Д.А. Безродному, О.В. Шабатурі за допомогу в оформленні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладені основні завдання, визначено новизну і практичну цінність, а також наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі наведені дані про сучасний стан розвитку природних та техногенних процесів підтоплення на території України. Приведені критерії виділення підтоплень за допомогою прямих (гідрогеологічних) методів. Відмічається, що ці процеси мають стійку тенденцію до поширення на нові території та спостерігається наростання їх інтенсивності. За експертними оцінками від підтоплення у тій чи іншій мірі страждають до 16 млн. чоловік, соціально-економічні збитки складають від 300 до 500 гривень на один гектар уражених територій у сільській місцевості та 10-12 тис. гривень на один гектар території міст.

Підтоплення є багатофакторним процесом, який докорінно змінює екологічні, механічні, фізичні, хімічні, гігієнічні параметри верхньої частини геологічного середовища (ГС). На думку багатьох фахівців підтоплення впливає, перш за все, на масо-енергообмін (водо-теплоперенос). При цьому проявляються наступні зміни параметрів ГС:

Зниження захисної здатності ландшафтів та ґрунтів за рахунок зменшення потужності зони аерації, погіршення сорбційної здатності ґрунтів та прискорення міграції забруднювачів в ґрунтові води.

Зміна гідрогеохімічного складу підземних вод, зростання їх агресивності під впливом порушення рівноваги в системі мінеральний скелет - вода.

Погіршення геомеханічних, водно-фізичних властивостей дисперсних ґрунтів (перш за все лесових і лесово-суглинкових, що розвинуті на 65 % території України).

Активізація природних небезпечних екзогенних геологічних процесів або ініціювання нових (зсувів на схилах, просідань, пливунних перетворень ґрунтів та порід, карсту, суфозії тощо).

Зниження сейсмостійкості внаслідок наближення рівня ґрунтових вод (РГВ) до фундаментів споруд з ризиком пливунних перетворень лесових, лесово-суглинкових та інших водонасичених ґрунтів.

Аналіз результатів попередніх досліджень підтоплення земель в Україні показує, що вони були різноплановими, але виконувались в основному прямими гідрогеологічними методами, без залучення геофізичних методів. При окремих роботах, що виконувались в Степовій зоні (Донецька та Дніпропетровська обл.), для визначення глибини рівня ґрунтових вод застосовувались методи сейсморозвідки та вертикальних електрозондувань способом викликаної поляризації (Главінський В.К., Пахомов В.М.). Нині для визначення РГВ використовують також георадарну зйомку (Борисенко А.А.; Лялько В.І. та інші). Незважаючи на цінність відмічених досліджень, слід відзначити, що при цьому не визначаються зміни фізичних властивостей ґрунтів та порід ВЧР під впливом підтоплення.

Слід відзначити, що в багатьох районах спостерігаються значні коливання РГВ, в тому числі циклічні (сезонні, річні, багаторічні). Це часто утруднює однозначне виділення підтоплених територій. Однією із стійких ознак підтоплення є зміна властивостей ґрунтів та порід зони аерації, що відбивається в геофізичних полях, найбільш інформативними з яких є геоелектричні поля. Дослідження геофізичних параметрів ґрунтів та порід ВЧР (електричного опору, параметрів ВП, швидкості пружних хвиль) дозволяють визначити особливості будови геологічного розрізу до глибини 10 м (включаючи ґрунтові горизонти), що створює передумови для вивчення та контролю процесів підтоплення, негативних змін ґрунтів і порід ВЧР.

В другому розділі відмічено, що вивчення підтоплень ґрунтів та ВЧР геологічного середовища - порівняно новий напрямок в природознавстві, що базується на використанні даних гідрогеології, інженерної геології, ґрунтознавства, меліорації, геохімії, геоекології тощо. Для геофізичних методів, які традиційно застосовувались і застосовуються для вивчення глибоких і досить глибоких горизонтів (об’єктів), дослідження верхньої частини геологічного розрізу (включаючи ґрунти) і, в кінцевому рахунку, підтоплень та забруднень земель є досить складною проблемою. Її вирішення вимагає розробки спеціальної технології геофізичних досліджень, що отримали назву мікрогеофізичних. Основними особливостями таких досліджень є: застосування польових мікроустановок; широке залучення параметричних матеріалів; використання статистичних способів обробки інформації та тісної увязки даних різних методів досліджень; детальне погоризонтне розчленування ВЧР, включаючи ґрунтові горизонти і визначення їх геоелектричних параметрів в природному заляганні; розробка геолого-геофізичних моделей ВЧР та їх використання для геоелектричного картування стану земель.

При виборі окремих методів і розробці раціональної методики досліджень враховувалось, що обєктом вивчення є ВЧР, яка має особливу структуру, речовинно-літологічний склад, петрофізичні і водно-фізичні особливості.

В процесі польових геофізичних досліджень, для вивчення підтоплення грунтів, був удосконалений і впроваджений у виробничу практику, як основний, метод мікроелектрозондувань (МЕЗ). Його суть полягає в збільшенні густоти зміни розносів лінії живлення (у 3 рази в порівнянні із стандартною). Крім того, початковий рознос лінії живлення АВ/2 зменшено до 0.3 м, що призвело до продовження кривої електрозондування на порядок на білогарифмічному бланку в бік зменшення глибин досліджень і більш чіткого окреслення її особливостей. Оптимізовано параметри польових електрометричних установок. Ці заходи дозволили підвищити детальність геоелектричного розшарування ВЧР, виділяючи додатково 2 – 3 геоелектричні горизонти в межах ґрунтового профілю, що було неможливо при застосуванні стандартних вертикальних електричних зондувань. Раціональний комплекс мікрогеофізичних методів додатково включав мікроелектрозондування способом викликаної поляризації (МЕЗ-ВП), резистивиметрію поверхневих і ґрунтових вод (РПГ), сейсморозвідку методом заломлених хвиль (КМЗХ) в модифікації мікросейсмозондувань (МСЗ-МЗХ), що були допоміжними.

Зважаючи на застосування польових мікроустановок, зроблена оцінка похибок, що викликані кінцевими розмірами електродів електрометричних установок та глибиною їх занурення на початкових розносах при виконанні польових вимірювань, а також співвідношень розмірів ліній живлення і прийому. Встановлено, що для забезпечення необхідної точності на початкових розносах радіус електродів не повинен перевищувати 1.44 см, глибина занурення 2 см, а співвідношення MN/AB<0.22.

Розроблена технологія обробки даних мікрогеофізичних досліджень, що включає:–

збір та аналіз попередніх геолого-гідрогеологічних даних;–

якісну і кількісну інтерпретацію даних польових мікрогеофізичних досліджень;–

побудову погоризонтних геофізичних карт, статистичну обробку та визначення кореляційних залежностей між гідрогеологічними (РГВ, коефіцієнт фільтрації, ступінь засолення) і геофізичними параметрами (питомий електричний опір, параметри ВП, швидкості пружних хвиль);–

гідрогеологічну інтерпретацію (встановлення відповідності геофізичних параметрів та горизонтів з геолого-гідрогеологічною будовою ВЧР), аналіз та узагальнення комплексних даних;–

оцінку розвитку процесів підтоплення на певних ділянках.

В розділі 3 розглядається геоелектрична характеристика ґрунтів і порід ВЧР та вплив їх водно-фізичних властивостей на геоелектричні параметри. Основними геоелектричними параметрами ґрунтів та порід ВЧР є їх питомий електричний опір (с), параметри ВП (поляризуємість (), комплексний параметр (А) та відносний комплексний параметр (А*)).

Проаналізовано вплив на зміни електричного опору ґрунтів та порід основних факторів: електричного опору мінералів; пористості; кількості водних розчинів в одиниці об’єму ґрунту; хімічного складу і концентрації солей в розчині; текстурних і структурних особливостей породи; температури тощо. Визначальними для досліджених типів ґрунтів є ступінь обводнення, засолення, оглеєння, заболочення.

Відмічено, що поле ВП в ґрунтах і породах ВЧР формується за рахунок трьох основних процесів: зарядки і розрядки подвійного електричного шару; протікання об’ємних електрохімічних реакцій; утворення електроосмотичних потенціалів. Поляризуємість та інші параметри ВП виявляються тісно зв’язаними зі структурою порового простору, величиною питомої поверхні гірських порід і, відповідно, з їх водопроникністю та дисперсністю (глинистістю і пилуватістю). Таким чином, викликана поляризація характеризує електрохімічну активність гірських порід та ґрунтів.

В результаті аналізу сукупності параметричних даних електрометричних спостережень. встановлено,?що спостерігається досить значна диференціація ґрунтів та порід ВЧР за електричними параметрами, особливо за питомим електричним опором (рис. 1).

Рис. 1. Розподіл питомого електричного опору ґрунтів і порід ВЧР.

За геоелектричними характеристиками виділено групи ґрунтів та порід ВЧР на трьох глибинних інтервалах (до 1,2 м; 1,2–3,5 м; 3,5–10 м), у кожному з яких виділено до 5 – 7 підгруп порід за значеннями питомого електричного опору та параметрами поляризації.

Ґрунти та техногенні горизонти (глибина до 1,2 м):–

Підгрупа 0. Ґрунти гідроморфні, торф’яно-болотні перезволожені, оглеєні, сильно засолені і майже непроникні. Вони відрізняються найбільш низькими значеннями електричних опорів (410 Омм), високими значеннями А*ср=6,310-4 См/м і підвищеними величина ср і Аср – відповідно 0,55 % і 0,46 %. За геофізичними даними водонасиченість цих ґрунтів близька до повної. –

Підгрупа 1. Напівгідроморфні і гідроморфні ґрунти, лучно-болотні, лучно-чорноземні, місцями торф’яно-болотні оглеєні, засолені, дуже слабопроникні. Характеризуються низьким опором (10 20 Омм). Значення ср=0,47 % і Аср=0,32 %, що відповідає середнім значенням поляризуємості всіх різновидів перезволожених ґрунтів.–

Підгрупа 2. Ґрунти напівгідроморфні, лучно-чорноземні і чорноземні , переважно незасолені, слабо проникні. Вони характеризуються дещо пониженими опором (2030 Омм). За даними інтерпретації МЕЗ-ВП ґрунтові горизонти помітно відрізняються за параметрами ВП. Значення ср, Аср і А*ср складають відповідно: для верхнього гумусового горизонту 0,31 %, 0,23 %, 0,7710-4 См/м; для нижнього – 0,56 %, 0,31 %, 1,610-4 См/м. Зв’язано це з тим, що нижній горизонт більш зволожений і дещо менш проникний із-за підвищеного вмісту мулистого матеріалу. В цілому, ґрунти ці займають проміжне положення між напівгідроморфними і автоморфними. –

Підгрупа 3. Ґрунти автоморфні чорноземні, нормально зволожені, незасолені, проникні і менш проникні. Опір їх 30 60 Омм. Значення ср, Аср, А*ср складають відповідно на глибині до 0,6 м 0,25 %, 0,17 %, 0,410-4 См/м. Нижній горизонт (мулистий) менш зволожений і менш проникний.–

Підгрупа 4. Ґрунти чорноземні або лугові з опором 60 150 Омм . –

Підгрупа 5. Ґрунти чорноземні сухі або дерново–підзолисті супіщані з опором 150 200 Омм. Ґрунти підгруп 4 і 5 проникні. Для цих ґрунтів характерні, в цілому понижені значення параметрів ВП – ср=0,22 %, Аср=0,16 %, А*ср=0,2310-4 См/м. Зволоженість їх також понижена.–

Підгрупа 6. Ґрунти дерново–підзолисті, підзолисті, сірі лісові, піщані, піски слабозволожені. Мають високий і дуже високий опір (більше 200 Омм, іноді перші тисячі Омм) та низькі значення параметрів ВП.

Материнські породи в інтервалі глибин 1,2 - 3,5 м:–

Підгрупа І. Породи змінені в результаті тривалого перезволоження. До них віднесені суглинки середні та важкі, глейові (подові), викопні ґрунти, значно рідше суглинки легкі глейові (подові), водонасичені. В більшості випадків вони майже непроникні, в різному ступені засолені. Змінені породи відрізняються низьким опором (менше 20 Омм) і дещо підвищеними параметрами ВП: =0,75 0,94 %, А=0,55 0,63 %, А*=2,9 5,510-4 См/м.–

Підгрупа ІІ. Породи часткові змінені. До них віднесені суглинки легкі до середніх, частіше слабопроникні, частково глейові, незасолені або слабо засолені, водонасичені. Опір їх дещо підвищений (20 30 Омм), значення ср, Аср, А*ср відповідно 0,73 %, 0,45 %, 1,810-4 См/м.–

Підгрупа ІІІ. Суглинки легкі проникні та менш проникні, в різному ступені водонасичені, опір їх 30 60 Омм, значення ср, Аср, А*ср, відповідно 0,56 %, 0,38 %, 0,9410-4 См/м.–

Підгрупа ІV. Суглинки легкі, пилуваті і супіски, з опором 60 120 Омм. Ці породи проникні, в різному ступені водонасичені. Для них характерні понижені значення параметрів ВП: ср=0,34 %; Аср=0,19 %; А*ср=0,3310-4 См/м.–

Підгрупа V. Супіски і піски з опором 120 200 Омм, породи проникні, в різному ступені водонасичені. Для них характерні також понижені значення параметрів ВП: ср=0,34 %; Аср=0,19 %; А*ср=0,3310-4 См/м.–

Підгрупа VI. Піски різнозернисті, в різному ступені водонасичені, відрізняються найбільш високим опором - більше 200 Омм. Породи добре проникні, параметри ВП – подібні підгрупі V.

Породи в інтервалі глибин 3,5 - 10 м:–

Підгрупа А. Глини і важкі суглинки, майже непроникні. Відрізняються низьким опором – менше 15 Омм і високими значеннями параметрів ВП: ср=1,2 1,38 %; Аср=0,8 0,83 %; А*ср=5,3 - 5,810-4 См/м.–

Підгрупа Б. Суглинки середні з прошарками важких, дуже слабо проникні. Для них характерні понижені значення опорів (1525 Омм), а також підвищені і високі значення параметрів ВП: ср, Аср, А*ср – відповідно складають 1,2 %; 0,8 %; 3,310-4 См/м.–

Підгрупа В. Суглинки легкі, проникні і менш проникні. Опір їх 25 60 Омм. У порівнянні з породами, що розглянуті вище, вони відрізняються меншими значеннями параметрів ВП: ср=1%; Аср=0,6 %; А*ср=1,710-4 См/м.–

Підгрупа Г. Супіски і піски, проникні. Характеризуються підвищеним опором (60 120 Омм) і зниженими значеннями параметрів ВП: ср=0,62 %; Аср=0,37 %; А*ср=0,5510-4 См/м.–

Підгрупа Д. Піски добре проникні. Відрізняються високим опором (більше 120 Омм) та зниженими значеннями параметрів ВП близькими до підгрупи Г.

На величинах питомого електричного опору позначається стан ґрунтів та порід ВЧР і його зміни під впливом тривалого перезволоження та техногенної дії. Ці обставини дають змогу застосовувати електрометричні методи для картування підтоплення земель та вивчення техногенних забруднень. З іншого боку, значна диференціація ґрунтів та порід ВЧР за геоелектричними характеристиками дозволяє детально вивчити геоелектричний розріз зони аерації та горизонту ґрунтових вод, включаючи і ґрунтовий горизонт. Отже, в цілому, досить суттєві зміни геоелектричних параметрів під впливом процесів підтоплення земель дають можливість геофізичного картування підтоплень.

В результаті вивчення сейсмічних параметрів ґрунтів та порід ВЧР за швидкістю повздовжніх пружних хвиль (Vp, м/с) виділено 4 групи порід. До 1 групи віднесені ґрунти різних типів, що розташовані на глибині до 1,2 м (Vp дуже низькі – від 146 до 245 м/с). До 2 групи відносяться неводонасичені породи різні за складом і водно–фізичними властивостями – суглинки лесовидні легкі, ті ж суглинки змінені (глейові), деякі різновиди піщано–глинистих елювіальних відкладів (Vp низькі, 293 500 м/с). До групи 3 віднесені головним чином водонасичені породи різного складу, що залягають на глибині до 5 м (Vp дещо понижені, 500 900 м/с). До 4 групи віднесені моренні важкі суглинки (водотрив), а також водонасичені породи на глибині більше 5 м (Vp відносно підвищені, 900 1650 м/с). На границі, яка розділяє ґрунти і материнські породи, відбувається значна зміна швидкості Vp (збільшується в 2–2,5 рази). Швидкості неводонасичених і водонасичених порід значно відрізняються між собою, в основному, в 1,5 - 2,0 рази.

Найбільш ефективним способом відображення складних об’єктів при геофізичних дослідженнях є їх моделювання, тобто таке матеріально реалізоване зображення об’єкта дослідження, що дає можливість замінювати його спрощеними моделями та отримувати нову інформацію про нього.

Під геолого-геофізичною моделлю (ГГМ) верхньої частини геологічного розрізу розуміється узагальнений і формалізований опис просторово-часової структури геологічних параметрів та геофізичних полів ВЧР, що з визначеною мірою ймовірності відображає реальні геоекологічні об’єкти. Така модель дає можливість переходу від характеристики конкретного геоекологічного об’єкту до образу групи об’єктів, що мають схожі структурні особливості, специфічні властивості ґрунтів та порід, визначений розподіл ґрунтових вод та геофізичних полів. Між геологічними і геофізичними параметрами знаходять взаємозв’язки. Основна мета такого підходу – обґрунтування заміни інженерно-геологічних, гідрогеологічних і геоекологічних параметрів геофізичними. Для її досягнення всі статистично оброблені відомості про геометричні і фізичні параметри об’єктів, що вивчаються, обробляються з використанням методів кореляційного аналізу. В основному використовуються методи парної кореляції. Всі параметри моделі мають імовірнісний характер. Геолого-геофізичну модель потрібно послідовно уточнювати в процесі досліджень. Це, в свою чергу, дозволяє вдосконалювати методику геофізичних досліджень, що застосовуються. Моделі по мірі свого розвитку умовно мають назву апріорна, робоча і результативна.

Зважаючи на строкатість умов залягання ґрунтів та їх значну мінливість, для вирішення задачі погоризонтного вивчення ВЧР було розроблено спеціальну методику. Особливість цієї методики полягає в детальному розчленуванні ВЧР включаючи ґрунтові горизонти. З цією метою будується комплект погоризонтних карт питомих електричних опорів в інтервалах глибин, що відповідають розвитку основних ґрунтових горизонтів та материнських порід. Ці інтервали є характерними для певного регіону і визначаються шляхом широкого використання параметричних матеріалів та послідовного уточнення моделей. Для Лісостепової зони Придніпров’я та Київського Полісся найбільш інформативними виявились інтервали глибин: 0 – 0,6 м; 0,6 – 1,2 м; 1,2 – 3,5 м; 3,5 – 10 м.

Для вивчення ґрунтового профілю будуються карти електричних опорів ґрунтів в інтервалі глибин 0 - 0,6 м і 0,6 - 1,2 м, що характеризують відповідно гумусовий горизонт А та ґрунтовий горизонт В. На ділянках дослідних робіт, у ряді випадків, поля і аномалії на цих картах мають подібні обриси і незначно відрізняються за величиною опорів. Однак, аналіз отриманої інформації свідчить про переважно вертикальну неоднорідність ґрунтових горизонтів. Наявність вертикально неоднорідних середовищ, значна їх диференціація за електричними властивостями викликані зміною складу ґрунтів та їх водно-фізичних властивостей, в першу чергу – вологості. В цілому ґрунти, не повністю водонасичені, розташовані вище РГВ. Відповідно, карти електричних опорів ґрунтів в інтервалі глибин 0 – 1,2 м відбивають особливості будови зони аерації.

Для вивчення горизонту материнських порід будується карта електричних опорів ґрунтів в інтервалі глибин 1,2 – 3,5 м, де розповсюджені різні за складом і водно-фізичними властивостями утворення: лесовидні суглинки; ті ж суглинки, але сильно змінені; флювіогляціальні відклади, алювіальні піски, супіски та інші. На більшій частині території (в зонах підтоплення) вони розташовані нижче РГВ і водонасичені. Відповідно, карти електричних опорів материнських порід на цих інтервалах глибин характеризують в більшій мірі горизонт ґрунтових вод.

В інтервалі глибин 3,5 - 10 м розповсюджені різновікові породи, різні за літологічним складом і фільтраційними властивостями. Карти електричних опорів в цьому інтервалі глибин характеризують в одних випадках водотриви, в інших - водоносні горизонти.

Автором розроблені?принципи картування підтоплень (районування території за ступенем підтоплення), що базуються на використанні геофізичної інформації. Основою геофізичного картування підтоплень є карти геолого–геофізичних моделей ВЧР. Карти відображають особливості геолого-гідрогеологічної будови та ґрунтово-меліоративних умов верхньої десятиметрової частини розрізу, яка має вирішальний вплив на формування процесу підтоплення, вміщують інформацію по всіх горизонтах, що вивчаються. Розроблені моделі є уніфікованими, що дозволяє використовувати їх при вивченні різних природних обстановок.

З метою характеристики горизонтів ВЧР, автором розроблена оригінальна геофізична класифікація (рис. 2). Ґрунти і породи ВЧР розділяються на групи і підгрупи, що позначені цифрами арабськими і римськими, а також буквами. Їх сполучення використовується для позначення (кодування) виділених геоелектричних моделей ВЧР. Літери, що стоять в лівій частині позначення моделей, характеризують породи нижнього горизонту (інтервал глибин 3,5 - 10 м), римська цифра – материнські породи та ґрунти середнього горизонту (інтервал 1,2 - 3,5 м), арабська цифра - ґрунтові горизонти до глибини 1,2 м. Арабська цифра відсутня, коли ґрунти і породи верхнього і середнього горизонтів не відрізняються за опором.

Рис. 2. Структурна схема геолого-геофізичних моделей верхньої частини розрізу.

Так, наприклад, області розповсюдження ґрунтів, які характеризуються моделями А-І-0 і Б-І-0 співставляються з ділянками, що складені товщею майже непроникних порід, зокрема ґрунтами перезволоженими торф’яно-болотними, засоленими, несприятливими для меліорації. Це головними чином низинні болота з високим положенням РГВ, які відносяться до підтоплених земель.

Ґрунти, які характеризуються моделями А-І, Б-І приурочені до ділянок розповсюдження дуже слабопроникних утворень, у тому числі до заболочених, перезволожених та засолених ґрунтів. Землі малородючі, інтенсивно підтоплені і несприятливі для меліорації.

Ґрунти, що характеризуються моделями А-І-4 і Б-І-4 приурочені до підтоплених забудованих територій, які покриті шаром насипного ґрунту.

Моделі А-ІІ і Б-ІІ відповідають ділянкам незначно підтопленим або потенційно підтоплюваним, які складені слабо проникними ґрунтами і водовміщуючими породами, що підстеляються водотривом. Це орні землі, в ряді випадків перезволожені, що потребують осушувальної меліорації.

Області розповсюдження моделей А-ІІІ, Б-ІІІ, В-ІІІ, А-ІV, Б-ІV, В-ІV, розглядаються як ділянки не підтоплені, з родючими чорноземними ґрунтами.

Моделі В-V, Г-V, Д-VI приурочені до підвищень рельєфу денної поверхні (землі мало зволожені, що потребують зрошення), або до алювіально-делювіальних пісків і піщаних відкладів у різній мірі зволожених.

Для прикладу? на рис. 3 наведений фрагмент карти геолого–геофізичних моделей Чорнобаївської ділянки.

?Рис. 3. Фрагмент карти геолого-геофізичних моделей верхньої частини розрізу

Наведені дані свідчать про можливість та необхідність використання геоелектричних параметрів, головним чином питомого електричного опору, для детального погоризонтного вивчення ВЧР, включаючи ґрунтові горизонти. Розроблена в дисертації універсальна класифікація геоелектричних розрізів ВЧР дозволяє виконувати їх типізацію на основі мікрогеофізичних досліджень. Отже карти геоелектричних моделей ВЧР можуть бути використані також як геофізична основа для комплексного вивчення земель з метою оцінки їх природної родючості та при геоекологічних дослідженнях.

В четвертому розділі розглядаються особливості геолого-гідрогеологічної будови, ландшафтних умов та ґрунтів території досліджень. Наведені дані про геологічну будову ключових ділянок на яких виконувались геофізичні дослідження. Більш повно розглянуті четвертинні відклади. Відмічено, що материнськими породами Лісостепу Придніпров’я є леси. Лесові утворення є об’єктом детальних мікрогеофізичних досліджень, оскільки з ними зв’язані найбільш інтенсивні, типові підтоплення. Крім того, на них формуються найбільш родючі ґрунти, а при підтопленні виникають досить інтенсивні несприятливі зміни. Материнськими породами в Київському Поліссі є моренно-флювіогляціальні відклади.

Важливою характеристикою ландшафтів, що раніше не розглядалася, є питомий електричний опір ґрунтів та порід ВЧР. Спостерігається субзональна зміна електричного опору ґрунтів та порід верхньої частини розрізу. При цьому в північній і центральній частинах Полісся ґрунти і породи різного складу і структури відрізняються переважно екстремально високими значеннями електричного опору, який має стійкий тренд зменшення в південному напрямку і в Лісостеповій зоні досягає фонового рівня.

Всього досліджено 9 ділянок на яких виконано більше 3500 фізичних точок спостережень. Як приклад практичного застосування розробленої методики геофізичного картування стану земель, наводяться основні результати мікрогеофізичних досліджень по вивченню підтоплення орних земель і зв’язаних з ними змін ґрунтів і порід, що отримані на Чорнобаївській ключовій ділянці та підтоплення на урбанізованій території на ділянці „Експоцентр України” (м. Київ). Приведені погоризонтні геофізичні карти (фрагмент карти моделей верхньої частини розрізу – рис. 3). Подається короткий опис мікрообстановок та геолого–геофізичних моделей верхньої частини розрізу. На Чорнобаївській ділянці, яка розташована в Лісостеповій зоні в межах четвертої надзаплавної тераси Дніпра виділено 5 мікрообстановок (декілька споріднених моделей верхньої частини розрізу): 1 – низинні болота (моделі А-І-0, Б-І-0); 2 – пониження рельєфу, заболочені, підтоплені, змінені ґрунти, неродючі (моделі А-І, Б-І); 3 – рівнинні ділянки, частково підтоплені, змінені ґрунти з низькою родючістю (моделі А-ІІ, Б-ІІ); 4 – підтоплені ділянки в сільських населених пунктах (моделі А-І-4, Б-І-4); 5 – непідтоплені ділянки, родючі ґрунти (моделі А-ІІІ, Б-ІІІ, А-ІV, Б-ІV).

Ділянка “Експоцентр України” (НКЕУ) розташована в зоні Київського Полісся, в межах м. Києва (урбанізована територія). Визначено, що найбільш інтенсивно розвиваються підтоплення на ділянках, які складені лесовидними і особливо - моренно-лесовими утвореннями. Досить сприятливою для формування підтоплень в цьому відношенні є моренно-зандрова рівнина (у тому числі територія НКЕУ та нового навчального містечка Київського національного університету ім. Тараса Шевченка), тому що для неї характерний широке розповсюдження слабопроникних порід. Підтоплення території, крім того викликано техногенними факторами (втрати водогінно-каналізаційної системи, ліквідація природних дрен). В результаті виникли інтенсивні підтоплення центральної частини НКЕУ (сільськогосподарські павільйони та сад). З 1951 р. по 2003 р. РГВ піднявся на 4 – 9 м.

За геофізичними даними виділено 4 мікрообстановки: 1 – ділянки з насипними ґрунтами, фундаменти споруд в підтопленому стані (моделі А-І-4, А-ІІ-4); 2 – ділянки з гідроморфними та напівгідроморфними ґрунтами, фундаменти споруд і ґрунти в підтопленому стані (моделі А-ІІ, Б-ІІ); 3 – ділянки з автоморфними ґрунтами, фундаменти споруд потенційно підтоплювані (моделі А-ІІІ, Б-ІІІ, А-ІV, Б-ІV, А-V, Б-V); 4 – ділянки з піщаними та насипними ґрунтами, не сприятливі до підтоплення (моделі В-ІV, В-V, В-VІ, Д-VІ).

Результати мікрогеофізичних досліджень на ключових ділянках вказують на високу ефективність запропонованої методики геофізичного вивчення підтоплення земель в умовах Лісостепу та Київського Полісся. Використання комплекту погоризонтних геоелектричних карт та карт моделей ВЧР дозволяє з достатньою детальністю і достовірністю картувати та вивчати підтоплення земель і зміни їх властивостей. Запропонована технологія мікрогеофізичних досліджень може використовуватись також при вивченні техногенного забруднення ґрунтів.

У Висновках підведено підсумок дослідження та перелічено найбільш важливі результати, отримані в дисертації. Головні результати даної роботи можна сформулювати у формі наступних тверджень:

Підтоплення земель є складним процесом, який залежить від багатьох факторів, найважливішими з яких виявляються особливості геолого-гідрогеологічної будови ВЧР. Найбільший вплив на формування та розвиток підтоплень земель спричиняє верхня десятиметрова товща ґрунтів та порід і, в першу чергу, наявність в ній локальних та місцевих водотривів. Підтоплення земель є досить небезпечним екзогенним процесом, що наносить відчутну шкоду економіці і безпеці держави. Тому широке залучення геофізичних методів (враховуючи їх інформативність, експресність та економічність) для вивчення цих процесів з метою прогнозування і запобігання небезпечних змін геологічного середовища є досить актуальною і важливою задачею.

В результаті підтоплення значно змінюються водно-фізичні характеристики ґрунтів та порід ВЧР, що знаходить своє чітке відображення в геофізичних полях, найбільш інформативними з яких є геоелектричні поля.

Застосування методів геофізики з метою вивчення ВЧР (в тому числі і процесів підтоплення) вимагає створення спеціальної технології польових досліджень та відповідної методики інтерпретації даних. В результаті дослідних польових робіт удосконалена і застосована для задач дослідження ВЧР нестандартна модифікація електрозондувань – мікроелектрозондування (МЕЗ).

Вперше проведені розрахунки впливу розмірів, глибини занурення електрода та співвідношення між розмірами ліній прийому і живлення на потенціал електричного поля, завдяки чому визначені граничні розміри електродів та польових установок і оцінено їх вплив на точність електрометричних вимірювань при мікрогеофізичних дослідженнях. Проведений аналіз та розроблені рекомендації по врахуванню основних похибок електрометричних вимірювань при вивченні процесів підтоплення ґрунтів.

Розроблена оригінальна технологія комплексної обробки мікрогеофізичних даних, що включає: збір та аналіз попередніх геолого-гідрогеологічних даних; якісну та кількісну інтерпретацію даних польових досліджень; статистичну обробку та визначення кореляційних залежностей між гідрогеологічними (проникність, РГВ, засолення, мінералізація) і геофізичними параметрами (питомий електричний опір, параметри ВП, швидкість пружних хвиль); гідрогеологічну інтерпретацію, аналіз та узагальнення комплексних даних; побудову геолого-геофізичних моделей ВЧР; прогнозну оцінку щодо розвитку процесів підтоплення.

Виявлена значна диференціація ґрунтів та порід ВЧР за електричними параметрами, що дає змогу детального вивчення геоелектричного розрізу зони аерації, включаючи ґрунтові горизонти та горизонт ґрунтових вод. На ділянках, що зазнали підтоплення, змінені ґрунти і породи ВЧР у порівнянні з незміненими характеризуються більш низькою водопроникністю і більш високою електричною провідністю. На величинах питомого електричного опору позначається стан ґрунтів та порід ВЧР, його зміни під впливом тривалого перезволоження і техногенної дії. Розподіл геоелектричних параметрів ґрунтів та порід ВЧР (досліджено 94 вибірки) відповідає логнормальному закону.

Вперше