результаты применения методов естественного поля и

УДК 550.837
Р Е ЗУ Л Ь Т А Т Ы П РИ М Е Н Е Н И Я М Е Т О Д О В Е С Т Е С Т В Е Н Н О Г О
П О Л Я И Э Л Е К Т РО Т О М О Г РА Ф И И Д Л Я И ЗУ Ч Е Н И Я
А Л Е К С А Н Д РО В С К О Г О Г О Р О Д И Щ А (К А Л У Ж С К А Я О БЛ А СТЬ)
B.А.ШЕВНИН , д-р физ. -мат. наук, профессор, [email protected]
А.А.БОБАЧЕВ , канд. физ.-мат. наук, доцент, [email protected]
C.В.ИВАНОВА , инженер, [email protected]
Московский государственный университет, Россия
Александровское городище (памятник археологии) находится в Калужской области
на берегу р.Вори вблизи базы учебных геофизических практик МГУ в дер.Александровка.
Работы методом естественного электрического поля (ЕП) в 2013 г. впервые проводились
с неполяризующимися электродами второго поколения, сменившими медно-купоросные
электроды ВИРГ, что позволило заметно поднять качество работ. Данные ЕП рассматри­
вались совместно с электротомографией. Были откартированы фильтрационные аномалии
(места разгрузки подземных вод); доказано диффузионно-адсорбционное происхождение
региональной аномалии ЕП (пониженные значения потенциалов на пойме и повышенные
на 30 мВ потенциалы на плато), установлено, что зона Александровского городища отме­
чается понижением потенциала ЕП.
Ключевые слова: метод естественного поля (ЕП), электротомография, неполяризующиеся
электроды, фильтрационные аномалии ЕП, диффузионно-адсорбционные аномалии ЕП.
Введение. М етод естественного электрического поля ш ироко применяется при реш е­
нии гидрогеологических и инж енерны х задач. Достигнуты заметные успехи в развитии
теории метода, реш ении прямых и обратных задач, в том числе совместно с электротом о­
графией [3]. Н а смену традиционным неполяризую щ имся электродам с Cu/CuSO 4 француз­
ским специалистом Ж .П етье были разработаны новые неполяризую щ иеся электроды (так
называемые электроды второго поколения) с Pb/PbCl 2 [5]. Точность и стабильность изм е­
рений с новы ми электродами стала заметно выше, чем с традиционными, и больш ое число
зарубеж ны х публикаций по ЕП, появивш ихся в последние годы, упом инаю т о применении
именно электродов второго поколения [4]. Совместное использование данны х Е П и м етода
сопротивлений (электротомографии) помогает пониманию природы аномалий Е П и их ко­
личественной интерпретации [1-3].
Аппаратура. Д ля измерения Е П использовались неполяризую щ иеся электроды второ­
го поколения на основе Pb/PbCl 2 . Для измерения напряжений постоянного тока применялся
мультиметр с ценой деления 0,1 мВ и входным сопротивлением более 1 М Ом.
Д ля электротомографии использовались генератор Астра-100, измеритель М ЭРИ -24 и
коммутатор CO M x 64. И спользовалась частота 2,44 или 4,88 Гц, ток от 10 до 100 мА.
Используемые неполяризующиеся электроды . Н еполяризую щ иеся электроды вто­
рого поколения [5] изготовлены на основе Pb/PbCl2. За счет ряда технических реш ений
дрейф потенциала электродов не превы ш ает 0,2 мВ/месяц и потенциал поляризации новы х
электродов не более 0,2 мВ. Этим они отличаю тся от традиционных электродов Cu/CuSO4,
у которых дрейф потенциала может достигать нескольких м илливольт в час. В электроде
Ж .П етье кроме соли PbC l2, имею щ ей низкий предел растворимости (10 г/л), в раствор д о ­
бавлена соль NaCl в концентрации до 450 г/л, что ум еньш ает внутреннее сопротивление
электрода (< 400 Ом). За счет добавления соляной кислоты HCl величина pH находится в
интервале 4-5, где потенциал электродов наиболее стабилен и, в частности, влияние темпера­
_________________________________________________________________________________
Санкт-Петербург. 2015
35
туры не превы ш ает 0,22 мВ/°С,
что сущ ественно ниже, чем у
м едно-купоросных и серебря­
ны х электродов. Время работы
однажды заряженного электро­
д а 15 лет.
Методика измерений и
обработки данных. В методе
Е П неподвижны й электрод N,
был размещ ен на пойме р.Вори
и подклю чен к отрицательной
клемме мультиметра, а изм е­
рялся потенциал Е П переме0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 ЛГ, м
!
^
щ а е м о г о п 0 п р о ф и л ю С ш а го м
11
11
111
^j j
лА
гфГ№ .
__
—
4
11
11
11
11
11
_J
У)
1я
=1
I м подвижного электрода М.
Расстояния между профилями
Рис.1. Графики потенциала ЕП для циклов 1-4 измерений по одному
составляли примерно 20 м. Н а
профилю
ри с . 1 показаны графики для че­
ты рех циклов измерений Е П по
одному профилю. М етодика четырех циклов измерений и частый ш аг по профилю с после­
дую щ им осреднением проф ильных данны х и их сглаживанием в скользящ ем окне из пяти
точек, сложилась в 2011-2012 гг. Тогда она им ела цель преодолеть сильный дрейф потен­
циалов электродов Cu/CuSO 4 и случайные ошибки измерений. При использовании электродов
Cu/CuSO 4 из четырех циклов измерений два обычно браковались, а два лучш их цикла у с ­
реднялись для повышения точности и затем сглаживались в скользящем окне из пяти точек.
В 2013 г. средняя разница между значениями яеты рех циклов с рис.1 составила 3,5 мВ
с хорошим совпадением аномалий. С электродами Pb/PbCl2 все циклы оказались равноценны.
Поэтому далее измерения проводили только в два цикла для осреднения и оценки точности.
Х отя глубокий минимум на 6 6 -м метре профиля подтверж дается повторными наблю ­
дениями, подобные точечные экстремумы при ш аге 1 м не полезны для картирования. П о­
этому применялось сглаживание в скользящ ем окне из пяти точек (рис. 2 ), ш ирина окна бы ­
л а вы брана экспериментально.
П о наш ему опыту электро­
ды Pb/PbCl 2 меняю т методику
30
измерения и обработки данны х
25 - ЕП. П рактически нет сползания
потенциала электродов, есть
..........................................
20
лиш ь влияние качества подго­
............
15 — . . . . . . . .
товки лунок.
Д ля
электротом ограф ии
10
/
...................
м еж электродное расстояние и
.................................................
5 —
ш аг по проф илю составляли
3 м, установка A M N + M NB,
0 —
м иним альны й
разнос
4,5 м,
°
||||||М 1 1 ||||||||||||||||Ш 1||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| м аксим альны й 121,5м. Один
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 X, ы проф иль
ЭТ, изм еренны й В
—
з
г т . ш 'Г Т т
L .3 f
1
1
Исходны»С гл аж ен н ы й
Рис.2. Пример исходного и сглаженного по пяти точкам графиков
потенциала ЕП
36
сентябре 2012 г., был вы полнен
с м еж электродны м расстоянием
и ш агом по проф илю 1 м. Раз-
_______________________________________________________________________
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.211
носы м енялись от 1,5 м до
36.5 м. В 2008-2009 гг. у ч а ­
сток был неоднократно и зу­
чен проф илям и ЭТ, которые
такж е анализировались.
Контроль и достигнутая
точность. Точность изм ере­
ний потенциала Е П в 2012 г. с
электродами Cu/CuSO 4 м еня­
лась от 2,5 до 9 мВ, составляя
в среднем 4,2 мВ. Точность
измерений в 2013 г. с элек­
тродами Pb/PbC l 2 составила
2.5 мВ. Основная причина по­
греш ности - качество зазем ­
ления электродов при рядо­
вы х измерениях. Для электро­
дов вы капывается лунка в
земле, затем грунт смеш ива­
ется с водой для получения
однородной грязевой смеси.
Н а суглинистых грунтах (на
пойме и на склоне плато) такая смесь получается легко, а на самом плато, сложенном су­
хим песком с обломками камней, качество лунок хуже. Раздельные оценки для склона и
плато показали точность в 1,7-2 мВ на склоне и 2,4-4 мВ на плато.
П ривязку координат точек выполняли по GPS с барометром, такж е делая 100­
процентный контроль. Точность определения горизонтальны х координат с GPS (в лесу и на
склоне) составила 4 м, вы сот 2,5 м (лучш ая точность оценки вы сот 0,35 м). Барометриче­
ские высоты дополнительно корректировались привязкой к абсолю тным высотным отм ет­
кам топокарты.
Применение метода ЕП в 2013 г. М етод Е П в 2013 г. использовался вблизи А лексан­
дровского городищ а на переходе от Александровского плато к р.Воря (рис.3). Здесь съем ­
кам и 2008-2011 гг. вы явлено наличие нулевого потенциала Е П на пойм е р.В ори и п о ­
вы ш енного (до 25-30 мВ) н а плато (рис.4). Р азм ах аном алии в 30 мВ позволяет ее у в е ­
ренно регистрировать. Э та аном алия им еет предполож ительно д и ф ф узи он н о­
адсорбционную (Д-А ) п р и ­
роду. Н а фоне этой ан ом а­
л и и на некоторы х проф илях
об наруж иваю тся небольшие
положительные фильтрацион­
ные аномалии потенциала ам­
плитудой 5-6 мВ как на точке
22 м (рис.4, кривые 1, 2), со­
провож даю щ ие выходы под­
зем ны х вод на поверхность.
В 2013 г. участок площ а­
дью 120 х 220 м (см. рис.3)
был пересечен 1 2 профилями
(997 точек измерений) и лиш ь
Рис.4. Аномалии ЕП на склоне от А лександровского плато к р.Воря
на части из них выявлены
1 и 2 - над выходом подземных вод (Пк15-28); 3 - на участке без фильтрации
_______________
Санкт-Петербург. 2015
37
ф ильтрационные аномалии. Плато и склон сложены ледниковы м и отложениями четвер­
тичного возраста, представляю щ ими собой чередование флю виогляциальных песков и м о­
ренны х суглинков, подземная вода движ ется по пескам, а подстилаю щ ие суглинки являю т­
ся водоупорным слоем. В м естах разгрузки воды (к северо-востоку от городищ а) вблизи
р.Воря суглинки превращ аю тся в липкую грязь, пройти по которой трудно даже в сапогах.
В м естах без ф ильтрации воды нет аномалии Е П (см. рис.4, кривая 3), грунт сухой и про­
филь легко проходимый.
По трем профилям была вы полнена электротомография (ЭТ), и в результате инверсии
получены геоэлектрические разрезы, отражаю щ ие геологический разрез участка. Н а разре­
зе ЭТ (рис.5) хорош о видны два слоя песков, разделенны х и подстилаемых моренны ми
суглинками. Н а контакте нижнего слоя песков и подстилаю щ их суглинков наблю дается
разгрузка подземны х вод. П рофиль ЭТ, показанный на рис.5, попадает в зону разгрузки во­
ды. Д ля сравнения на этом же рисунке показан разрез скважины 2 2009 г., находящ ейся в
2 0 0 м ю ж нее профиля.
Карта потенциала и ее описание. Н а карте потенциала Е П (рис. 6 ) 2013 г. видны три
группы объектов: м еста разгрузки подземны х вод (4); границы А лександровского городи­
щ а (3); зона Д -А аномалии Е П на переходе от поймы р.Вори к А лександровскому плато.
Г раница плато отм ечена ш триховой линией 2. П роф или преобладаю т в северо-восточной
части участка в связи с ее больш ей доступностью и наличием интересую щ ей нас зоны вы ­
хода подземны х вод.
Александровское городище. А лександровское плато отличается повы ш енны м и
потенциалам и Е П (до 20-30 мВ), но в пределах городищ а потенциалы Е П сниж ены (до
8-12 мВ). Т ак как эта часть плато более 4 столетий использовалась человеком , п рирод ­
ны й грунт подвергся изм енению (м ощ ность культурного слоя д ости гл а 1 м), и поле ЕП
снизилось.
А лександровское городищ е относится к железному веку, его населяли восточные балты, которые в данной местности формировали мощ инскую культуру. Эти племена - зем ле­
дельцы и скотоводы, вели оседлый образ жизни. Свои поселения они устраивали в хорош о
защ ищ енных от нападения местах, дополнительно укрепляя их. Городищ е им еет форму
полукруга и примыкает прямолинейной частью к обрывистому берегу р.Воря. Разм еры го­
родищ а составляю т 30 м в ширину и около 100 м в длину. П лощ адь городищ а около
2000 м2. С северо-запада оно ограничено высоким обрывом, у основания которого протека­
ет р. Воря; с другой стороны - системой оборонительных валов и рвов. Валы высотой около
1,5 м располож ены в три ряда. Н а подобных городищ ах размещ алось от одного до пяти
дворов. П лощ адь жилья составляла от 10 до 20 м2. Семья вклю чала от 5 до 10 человек, т.е.
в городищ е жило до 50 человек и домаш ние животные.
Важны м вопросом жизни поселения было водоснабжение. Во-первых, вблизи городи­
щ а протекала р.Воря. Во-вторых, к северо-востоку от городищ а до сих пор происходит по­
стоянная фильтрация грунтовых вод, где мог быть обустроен родник. По фильтрационной
аномалии ЕП можно количественно оценить возмож ности водоснабжения из родника.
Фильтрационная аномалия ЕП. Ф ормулу Гельмгольца, связываю щ ую аномалию ЕП
и перепад давления АР [2 ], удобнее использовать, заменив перепад давления АР на ско­
рость фильтрации V :
E a = 8^ 8°8°тнРЛ
V,
r2
(1)
где ^ - дзета-потенциал, обычно ^ = + (20^50) мВ; s 0 - абсолю тная диэлектрическая прони­
цаемость, s0 = 8,85^10-12 Ф/м; SoTH- относительная диэлектрическая проницаемость, s0th = 80
(безразмерная величина); р - удельное сопротивление ф ильтрую щ ей породы (песок), О м м ;
r - радиус капилляров грунта, для песка r = 1 0 - 4 м.
38
_______________________________________________________________________
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.211
Рис.5. Геоэлектрический разрез ЭТ (11.06.2008) и результаты бурения (скв.2-2009)
Рис. 6 . Карта потенциала ЕП по результатам съемки 2013 г.
1 - точки измерения; 2 - край плато; 3 - граница городища; 4 - зона выхода подземных вод
_______________
Санкт-Петербург. 2015
39
Ф ильтрационная аномалия (см. рис.4) имеет рост потенциала в 7 мВ на 5,5 м или
E = 1,27 мВ/м. Оценив по этим данным скорость течения
E г2
V = — Ea- -----8^ 0 8отнРЛ
(2)
для сопротивления водонасыщ енного песка 300 О м м , получим скорость 10 м/сут, что для
песка является нормальной величиной коэффициента фильтрации.
Д ля располож енного неподалеку родника «У купальни», похожего на наш источник, в
ию ле 2013 г. был измерен дебит родника; он равен 15 л/м ин или 21,6 м 3 /сут, или
78840 м 3 /год.
Д ля родника под А лександровским городищ ем ш ирина выхода воды 30 м, пласт водо­
носного песка им еет вертикальную мощ ность 5 м и часть его водонасы щ ена (см. рис.5).
П ри скорости ф ильтрации 10 м/сут, предполагая мощ ность водонасыщ енной части пласта
3 м при пористости песка 0,25, зона ф ильтрации может дать 225 м3/сут воды или
82125 м 3 /год, что похоже на родник «У купальни». П ри мощ ности водонасыщ енной части
пласта в 0,3 м родник м ож ет дать до 8212 м 3 /год.
О ткуда в земле м ож ет взяться такое количество воды? В ода вы текает из флю виогляциальных песков, которые по данным площ адного электропрофилирования занимаю т на пла­
то площ адь S примерно 500 х 520 м или 260000 м 2 (рис.7). П ри уровне осадков W = 600 мм
в год, в землю на площ ади распространения песков попадает 156000 м 3 воды (объем
V = SW), что вдвое больше дебита родника. П ри всей приблизительности приведенных рас­
четов цифры получаю тся реальными.
8600
8800
9000
9200
9400
У м
Рис.7. Карта электропрофилирования А лександровского плато
40
______________________________________________________
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.211
М ож ет ли вода, выпавш ая на поверхности, достичь подош вы второго слоя песков че­
рез слой верхнего песка мощ ностью 2,5 м, слой частично водоупорны х суглинков м ощ но­
стью 2,7 м и второй слой песка мощ ностью 5 м, и сколько времени это займет? К оэф ф ици­
ент ф ильтрации суглинков K ф можно оценить с помощ ью связи глинистости (в относитель­
ных единицах) и K§: K = С- •7,21 0 - 4 м /сут [5]. Сопротивление суглинка 40 О м м , сопро­
тивление воды 24 О м м , содержание глины в таком суглинке 20 %. Д ля такой глинистости
3
K
оценивается в 0,018 м/сут, время просачивания t = ^ H i /Vi , где i - номер слоя; H i=1
мощ ность слоя; V - скорость просачивания, равная K слоя. П ри указанны х выш е м ощ но­
стях трех слоев получается 42 дня, из которых на суглинки приходится 41 день и менее од­
ного дня на два слоя песка.
Потребление питьевой воды на 1 человека в сутки 1,5-4 л, а с учетом других нужд до
40 л на человека и до 60 л на голову домаш него скота. Д ля 50 человек и 10 коров древнего
городищ а получим 2,6 м 3/сут или 950 м 3 /год. Родник мог бы удовлетворить такие потреб­
ности в воде в объеме от 1 до 1 0 % от его дебита.
Корреляция потенциала и электрического сопротивления. По В.А .Комарову [1],
корреляция потенциала ЕП и сопротивления является способом проверки того, что анома­
лия ЕП им еет диффузионно-адсорбционную (Д-А) природу.
В этом случае разность потенциалов ЕП пропорциональна логарифму отнош ения
удельного сопротивления сравниваемых участков профиля или площ ади, т.е.
А ^ е п = U ЕП) - U ЕП) = bL g(р (М) / р (N)) ,
(3)
где N - точка начала профиля (на пойме), M - рядовая точка на профиле. Значения сопро­
тивления и потенциала ЕП нормирую тся к значениям своих полей в начальной точке.
В.А .Комаров полагает, что коэф фициент пропорциональности b в формуле (3) мало
меняется в пределах однородных по составу участков пород и в разны х районах составляет
от -2 5 0 до +50 мВ. Признаком выделения Д -А -аномалий ЕП, является именно корреляция
ЕП с логарифмом удельного сопротивления по формуле (3).
В наш ем случае (рис. 8 ) ве­
личина b в формуле (3) равна
12,5 мВ. Для ри с . 8 взяты три
профиля электротомографии и
совпадаю щ ие с ними профили
ЕП. Для такой корреляции из
данны х ЭТ после инверсии из­
влекались сопротивления пер­
вого приповерхностного слоя
мощ ностью около 1 м.
Выводы. Опробование неполяризующихся электродов Петье Pb/PbCl 2 показало, что при их
использовании заметно увеличи­
вается точность съемки ЕП.
Вблизи А лександровского
городищ а вы явлена зона раз­
грузки подземны х вод. П одсчи­
тано, что дебита такого родника
было бы достаточно для водо­
снабж ения древних лю дей этого
Рис. . Корреляция нормированных величин Lg(p/p) (по оси Х )
поселения.
и потенциала U (по оси Y )
8
41
Санкт-Петербург. 2015
Д ля выявления аномалий диффузионно-адсорбционного происхождения полезно ис­
пользовать корреляцию аномалий Е П и сопротивления грунта. Региональная аномалия ЕП
пойма - плато имеет именно такое происхождение.
К ом плексирование м етода Е П и электротомографии очень полезно для осмысления
результатов ЕП.
ЛИТЕРАТУРА
1. К омаровВ .А. Геоэлектрохимия. СПб: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та. 1994. 136 с.
2. Комплексные акваторные электроразведочные исследования в восточной части Германии / А.А.Бобачев,
С.И.Волков, Д.Л.Коларов, И.Н.М один, А.М юллер, Е.В.Перваго, В.А.Ш евнин // Разведка и охрана недр. 2004. № 5.
С.22-27.
3. Boleve A., R evilA ., JanodF ., M attiuzzo J.L. and F ry J.-J. Preferential fluid flow pathw ays in embankm ent dams
im aged by self-potential tomography. N ear Surface Geophysics, 2009. P.447-462.
4. H usband C.R., Cassidy N.J. and Stimpson I.G. The geophysical investigation o f lake w ater seepage in the regulated
environment o f the Bosherston Lily Ponds, South W ales, UK. Part 1: natural, fracture-related pathways. N ear Surface Geo­
physics, 2009. P.499-515.
5. Petiau G. Second Generation o f Lead-lead Chloride Electrodes for Geophysical Applications. Pure and applied geo­
physics. 157 (2000). P.357-382.
6 . Shevnin V., D elgado-Rodriguez O., M ousatov A. and Ryjov A. Estim ation o f hydraulic conductivity on clay content
in soil determined from resistivity data. Geofisica Internacional. 2006.Vol.45. N 3. P.195-207.
REFERENCES
1. Komarov V.A. G eojelektrohimija (Geoelectrochemistry). St Petersburg: Izd-vo Sankt-Peterburgskogo un-ta. 1994,
p.136.
2. B obachev A .A ., Volkov S.I., Kolarov D.L., M odin I.N., M ju llerA ., Pervago E.V., Shevnin V.A. Kompleksnye
akvatornye jelektrorazvedochnye issledovanija v vostochnoj chasti Germanii (Integrated aquatorial electrical studies in
Eastern p a rt o f Germany). Razvedka i ohrana nedr. 2004. N 5, p.22-27.
3. Boleve A., Revil A ., Janod F ., M attiuzzo J.L. and F ry J.-J. Preferential fluid flow pathw ays in embankm ent dams
imaged by self-potential tomography. N ear Surface Geophysics. 2009, p.447-462.
4. H usband C.R., Cassidy N.J. and Stimpson I.G. The geophysical investigation o f lake w ater seepage in the regulated
environment o f the Bosherston Lily Ponds, South W ales, UK. Part 1: natural, fracture-related pathways. N ear Surface Geo­
physics. 2009, p.499-515.
5. Petiau G. Second Generation o f Lead-lead Chloride Electrodes for G eophysical Applications. Pure and applied geo­
physics. 157 (2000), p.357-382.
6 . Shevnin V., D elgado-Rodriguez O., M ousatov A. and Ryjov A. Estim ation o f hydraulic conductivity on clay content
in soil determined from resistivity data. Geofisica Internacional. 2006.Vol.45. N 3, p.195-207.
RESULTS OF APPLYING SELF-POTENTIAL METHOD AND ELECTRICAL RESISTIVITY
TOMOGRAPHY TO STUDY ALEXANDROVSKY SETTLEMENT (KALUGA REGION)
V.A.SHEVNIN, Dr. o f Physics and Mathematics, Professor, [email protected]
A.A.BOBACHEV, PhD in Physics and Mathematics, Associate Professor, [email protected]
S.V.IVANOVA, Engineer, [email protected]
Moscow State University, Russia
Alexandrovsky ancient settlement is situated in the Kaluga region near the river Voria and
Alexandrovka village. Self potential (SP) measurements with new non-polarizing electrodes of
the second generation instead of traditional copper-copper sulfate electrodes were performed in
2013 and increased the quality of measurements. SP data were analyzed together with electrical
resistivity tomography (ERT). The authors found filtration SP anomalies and proved that the
main SP anomaly has diffusion-adsorption origin, determined that the Alexandrovsky site of the
ancient settlement has decreased SP values.
Key words, self potential survey (SP), electrical resistivity tomography, non-polarizing
electrodes, filtration SP anomalies, diffusion-adsorption SP anomalies.
42
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.211