Постоянное развитие аппаратурно-методической базы геофизических исследований создает реальную перспективу использования новых методов при решении задач инженерной геологии. В настоящее время постоянно возрастающие требования к достоверности решения инженерно-геологических задач обусловливают необходимость привлечения новых, более информативных геофизических методов. В статье рассматриваются вопросы обоснования необходимости дополнения существующего комплекса ГИС новыми методами для оценки структурно-текстурных неоднородностей и физико-механических свойств горных пород, вскрытых инженерно-геологическими скважинами.
Трещиноватость горных пород характеризует их сплошность и возможность механического разрушения, поэтому является одним из решающих факторов при инженерно-геологической оценке. Выделять трещинные зоны, определять характер и ориентацию одиночных субгоризонтальных трещин в горном массиве позволяет метод пластовой наклонометрии. Одним из современных методов оценки трещиноватости является также боковой каротаж сканирующий (БКС), реализуемый азимутальным электрическим сканером бокового каротажа (АЭСБ-73), разработанный в ОАО НПП ВНИИГИС (г. Октябрьский). АЭСБ-73 представляет собой прибор бокового каротажа, центральный фокусированный электрод которого разделен на 16 секций, с раздельной регистрацией тока каждой секции. Метод БКС является сканирующей модификацией каротажа сопротивлений, позволяющей по электрическим параметрам выявить тонкие пропластки горных пород, оценить их неоднородность, слоистость, азимутальную анизотропию, а также определить элементы залегания — угол и азимут падения геологических поверхностей.
Для повышения эффективности метода целесообразно проводить интерпретацию материалов БКС в комплексе с другими методами ГИС. Сканирующий боковой каротаж может достаточно уверенно «увидеть» субвертикальную трещину, в этом случае показания зондов будут достаточно сильно расходиться в интервале нарушения. В случае небольшой контрастности между удельным электрическим сопротивлением пласта и пластовой воды область трещиноватости можно оценить по значению азимутальной анизотропии пластов (не меньше 1,2) и в присутствии на общем фоне аномально больших углов, характерных для данного разреза.
Определение физико-механических свойств является одной из основных задач в инженерно-геологических исследованиях. Определение упруго-деформационных свойств (коэффициентов Пуассона, бокового распора, объема сжимаемости и модулей Юнга и Пуассона) решаются комплексом методов ВАК (волновой акустический каротаж) и ГГК-П (плотнометрия пород). Причем следует заметить, что оценка физико-механических свойств должна учитывать современную глубину залегания, структурно-текстурные неоднородности (слойчастость), нарушенность (трещиноватость), анизотропию упруго-деформационных и прочностных характеристик, обусловленную различными углами падения пластов и трещин.
Лабораторными исследованиями образцов керна трещиноватых, кавернозных, выветрелых, тонкослоистых (слойчатых) и глинистых пород установлено сильное снижение у них показателей упруго-деформационных и прочностных свойств. При наклонном залегании пластов проявляется анизотропия акустических и прочностных свойств пород в различных (промежуточных) направлениях. Установлено, что в зависимости от угла наклона слойков и трещин различие акустических свойств достигает 30%, а прочностных — 500%. Так, например, при одноосном сжатии образцов пород в слойках и трещинах, расположенных под углом 45°, возникают максимальные сдвиговые напряжения. Следовательно, измеренные значения соответствуют пределам прочности образцов при сдвиге, которые в три и более раз ниже пределов прочности таких же образцов с горизонтальной слойчатостью и трещиноватостью. Прочность при растяжении σр достигает минимального значения при угле наклона 90° к напластованию. Таким образом, для оценки фактической прочности пород под любым углом φ° ориентации слойков и трещин необходимо учитывать функциональную зависимость их анизотропии f (φ).
Для расчета прочностных свойств целесообразно применять «угольную» методику, полученную по корреляционным уравнениям зависимостей упругих характеристик горных пород от физико-механических свойств учитывают, анизотропию и слойчатость-трещиноватость горных пород. Для анализа были отобраны трещинноватые, кавернозные, выветрелые, а также тонколоистые, глинистые породы, горные породы с такими же свойствами вызывают повышенный интерес для анализа при проектировании строительных сооружений.
Методика учитывает влияние естественного напряженного состояния (фактическую глубину), палеоглубину (степень метаморфизма), литологию, структурно-текстурные неоднородности (слойчатость), нарушенность (трещиноватость), а также анизотропию прочностных свойств в зависимости от угла наклона пластов, т.е. все те параметры, которые также важны и необходимы для решения задач инженерной геологии. К такому выводу еще в 1986 году пришли исследователи Всероссийского (ранее Всесоюзного) научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) и разработали «Методические рекомендации по применению геофизических исследований в скважинах при проведении гидрогеологических и инженерно-геологических работ» (под ред. Гершановича И.М.), в которые включили «угольную» геолого-геофизическую методику экспресс-определения прочностных свойств угленосных отложений (Косолапов А.Ф.), разработанную ВНИИГИСом, как наиболее достоверную и перспективную для применения ее в инженерной геологии.
Метод БКС в комплексе с ВАК использовался при морских инженерно-геологических исследованиях при проектировании мостового перехода в г. Владивостоке через пролив Босфор Восточный от полуострова Назимова до мыса Новосильского на острове Русском и при строительстве шахты на месторождении калийных солей в районе г. Волгограда. БКС на обоих объектах позволил оценить разрезы скважин по электрическим неоднородностям; выявить тонкое переслаивание горных пород; определить элементы залегания горных пород; оценить коэффициент азимутальной анизотропии и, тем самым, оценить возможную трещиноватость исследуемых интервалов.
Оба метода, ВАК и БКС, использовались при расчете прочностных свойств (прочность на сжатие и растяжение) и были сопоставлены с данными керна, предоставленными заказчиками работ. Анализ результатов показал, что использование при расчете прочностных свойств углов наклона φ° максимально приближает значения прочностей к данным, полученным по керну.
Аналогичными приборами, реализующими метод пластовой наклонометрии и позволяющие получить данные об ориентации геологических тел (угол и азимут падения геологических поверхностей) являются: индукционный пластово-трещинный наклономер ИПТН, пластовый наклономер НИД, HTD фирмы Schlumberger, HRDIP фирмы Dresser Atlas и др.