Практика геология

Рис.26. Схема поглощения радиоволн рудной залежью в методе просвечивания (вверху показаны графики величины поглощения электромагнитных волн, внизу – расположение рудной залежи).

1, 2, 3, …..8 – пункты измерения напряженности электромагнитного поля на поверхности земли;Г1, Г2, Г3 – генераторы электромагнитного поля, размещенные в штольне

Задание 2. Определение блуждающих токов.

Важную роль в воздействии среды на подземные металлические сооружения играют коррозионные процессы, вызываемые блуждающими токами. Поле блуждающих токов в земле – это электромагнитное поле, создаваемое внешними, или сторонними источниками. Источниками блуждающих токов в земле являются рельсовые сети электрифицированного транспорта, линии передач энергии постоянного тока по системе «провод-земля», промышленные предприятия, потребляющие постоянный электрический ток в промышленных целях.

Наличие блуждающих токов определяется методом измерения разности потенциалов (ЕП) между двумя точками земли. Измерения проводят двумя двухэлектродными установками по двум взаимно перпендикулярным направлениям

101

при разносе измерительных электродов на 50-100 м. Каждая установка состоит из двух неполяризующихся медносульфатных электродов. Каждая пара электродов подбирается таким образом, чтобы собственная разность потенциалов их не превышала 2 мВ. Для измерений используется прибор «АЭ-72». Показания прибора отсчитываются поочередно на каждой из установок через каждые 10-15 с в течение 20 мин. По результатам работ строят графики изменения разности потенциалов во времени на каждом направлении U1 и U2.

В поле блуждающих токов измеряемые разности потенциалов характеризуются значительными, нерегулярными, сравнительно быстрыми изменениями во времени. В соответствии с ГОСТ 9.602-2005 (Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии), наличие блуждающих токов в данном пункте измерения регистрируют при наибольшем размахе колебаний разности потенциалов во времени свыше 40 мВ.

На участке №1 в поле блуждающих токов измеряемые разности потенциалов характеризуются значительными, нерегулярными, сравнительно быстрыми изменениями во времени. Как видно по графикам (Рис.27), измеренные разности потенциалов устойчивы, т.е. не изменяются по величине, знаку и не выше 40 мВ. Значит, по результатам проведенных исследований можно сделать вывод об отсутствии в пределах данных участков блуждающих токов.

Рис. 27. Графики изменения разности потенциалов во времени на двух взаимно перпендикулярных установках ( U1 и U2) на участке 1.

На участке №2 в поле блуждающих токов измеренные разности потенциалов также достаточно устойчивы измеренные, однако, как видно по графикам (Рис.28) в ряде случаев размах колебаний разности потенциалов превышает 40 мВ.

102

Рис.28. Графики изменения разности потенциалов во времени на двух взаимно перпендикулярных установках ( U1 и U2) на участке 2.

Работа выполняется коллективно, бригадой студентов.

III. 2.1.5. Основы сейсморазведки

Сейсморазведочные методы исследования земной коры, поиска полезных ископаемых, строения пластов и свойств горных пород основаны на изучении скорости распространения упругих колебаний (волн) в среде, создаваемых искусственными и естественными (землетрясения) источниками возбуждения. Под действием нагрузки любое физическое тело изменяет свою форму и размеры, т.е. деформируется. При деформации, частицы слагающие тело, приходят в движение, передавая приложенную нагрузку от одной частицы к другой. Движение частиц может происходить как в направлении действия нагрузки – продольная деформация, так и перпендикулярно к этому направлению – поперечная деформация. Продольная деформация называется деформацией растяжения (сжатия), а поперечная деформация называется деформацией сдвига. Различают упругую деформацию и пластическую. Деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки. Именно упругие деформации и изучает сейсморазведка. При

103

возникновении упругих деформаций в горных породах возникают продольные P и поперечные S упругие колебания, распространяющиеся со скоростью VP и VS в горных породах. Продольные P волны возникают в любой среде: жидкой, твердой, газообразной, поперечные S волны только в твердой среде. В горных породах, таким образом, возникают одновременно продольные P и поперечные S волны, создающие сложные упругие колебания среды.

Упругие деформации любой среды согласно закона Гука описываются двумя главными упругими параметрами: модулем продольной упругости Юнга (Е [Н/м2]) и коэффициентом поперечного сжатия Пуассона (ϭП=0–0,5). Общее число упругих параметров среды (констант) равно 21 но достаточно определить два из них и плотность физического тела ϭ, чтобы рассчитать все остальные упругие параметры. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона связаны с другими упругими параметрами среды формулами теории упругости. Важнейшее из них для сейсморазведки:

-скорость продольных волн Vp – упругих колебаний, возникающих вследствие деформации растяжение – сжатие в любой среде

Vp=√E(1- ϭП)/ϭ(1+ϭП)(1-2ϭП) изменяется в пределах 300-8600 м/с;

-скорость поперечных волн Vs – упругих колебаний, возникающих вследствие деформаций сдвига в твердой среде

Vs=√E/ϭ2(1+ϭП) изменяется в пределах 200-4200 м/с;

-модуль Юнга E – отношение нормального напряжения к относительному удлинению, вызванному этим напряжением в направлении его действия

E= ϭ V2s(3V2р – 4V2s)/2(V2р – V2s) изменяется в пределах (0,03-16)1010 н/м2;

-коэффициент Пуассона ϭП – отношение поперечного сжатия тела при одноосном растяжении к продольному удлинению

ϭП=(V2р–2V2s)/2(V2р–V2s) изменяется в пределах 0,18-0,50

-модуль сдвига G – отношение касательного напряжения к величине угла сдвига, характеризующее способность тел сопротивляться изменению формы

G= ϭV2s= E/2(1+ϭП) изменяется в пределах (0,02-8)1010 н/м2

Продольные Р волны распространяются быстрее поперечных S волн, что вытекает из отношения скоростей:

Vp/Vs =√2(1-ϭП)(1+2ϭП)

Для сейсморазведки имеет значение волновое сопротивление среды(или акустическая жесткость) А= ϭV. На границах пород с разной акустической жесткостью упругие волны меняют свое направление, возникают явления отражения и преломления волн.

Распространение упругих волн в горных породах подчиняется принципам и законам геометрической сейсмики, общим с геометрической оптикой. Законы распространения фронтов волн в упругой среде выводятся из принципов ГюгенсаФренеля и Ферма. Основным законом геометрической сейсмики является закон преломления-отражения, который включает в себя два основных положения:

1) падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости, совпадающей с нормалью поверхности раздела сред в точке падения луча;

2) углы падения α, отражения γ и преломления β связаны между собой соотношениями

104

sin α/V1 = sin γ/V1= sin β/V2, т.е. sin α/V1 = sin γ/V1,

< α = < γ (закон отражения);

sin α/V1 = sin β/V2 или sin α/sin β = V1/V2 (закон преломления). Упругие колебания распространяются от источника во все стороны в виде

фронтов волны и лучей. Если сейсмический луч попадает на границу двух сред с различными физическими свойствами (V1≠V2) он отражается и преломляется, при этом возникают различные типы сейсмических волн (прямые, отраженные, преломленные и т.д.). Основные типы сейсмических волн показаны на Рис. 29.

Рис.29. Основные типы сейсмических волн.

Волны: 1 – прямая; 2 – отраженная; 3 – преломленная (проходящая); 4 – скользящая (граничная); 5 – головная, используемая в методике преломленных волн; 6 - рефрагированная

Распространение упругих волн обычно наблюдают на земной поверхности вдоль профилей. С этой целью на пикетах профиля расставляют специальные приборы – сейсмоприемники, позволяющие фиксировать колебания почвы под ними. Сейсмоприемники улавливают колебания, вызванные одной или несколькими, следующими друг за другом волнами, и позволяют произвести записи этих колебаний. Записи колебаний от одного источника возбуждения сводят в сейсмограмму, пример которой показан на Рис.30.

105

Рис.30. Сейсмограмма с записью отраженных волн:

ОМ – отметка момента взрыва; ПМ – поправка на момент взрыва; ОВ – коррелируемые отраженные волны

По форме записи на сейсмограмме выделяют колебания, обусловленные одной волной, и определяют время прихода к каждому сейсмоприемнику. Затем строят график зависимости времени прихода волны t от расстояния сейсмоприемников до пункта возбуждения упругой волны х, такой график называется годографом. Для построения годографа в горизонтальной оси откладывают расстояние х, а по вертикальной оси – время прихода волны t к каждому сейсмоприемнику. Через полученную систему точек проводят ломаную линию. Общий вид полученного годографа будет зависеть от типа волн и строения среды. Пример годографа прямой и преломленной волны для двухслойной среды и методы его интерпретации и пересчета в сейсмогеологический разрез показаны на Рис.31.

Основными методами сейсморазведки являются метод преломленных волн МПВ и метод отраженных волн МОВ, которые основаны на регистрации соответствующих упругих волн.

106

Рис.31. Интерпретация годографа первых вступлений волны Р для двухслойной среды.

На врезке графики значений 2 cos i и 0.5 √ V2-V1 в функции от V1/V2

V2+V1

Метод преломленных волн МПВ основан на регистрации продольных и поперечных волн, формирующихся в разрезах, где наблюдается увеличение скоростей с глубиной (V1<V2…<Vn). Благоприятным для применения МПВ являются горизонтально слоистые среды, характеризующиеся большой дифференциацией по скоростям. Этот метод является основным при инженерных изысканиях, при определении глубины залегания подземных вод и при изучении упругих свойств грунтов.

Метод отраженных волн МОВ основан на регистрации упругих волн, отраженных от достаточно протяженных границ с различной акустической жесткостью. Этим границам обычно соответствую литологические и тектонические поверхности разделов геологических сред. При измерениях по методу МОВ изучаются кинематические (времена прихода, скорости распространения) и динамические (амплитуды, частоты) характеристики отраженных волн. Полевые исследования выполняются по протяженным профилям с системой многократных перекрытий. Обработка данных МОВ выполняется на компьютерах по специальной программе, окончательный результат обработки представляется в виде сейсмогеологических разрезов 2D или пространственных картин 3D расположения отражающих поверхностей.

107

Задание 3. Построение и интерпретации годографа 3-х слойной среды.

Используя пример показанный на Рис.31 и данные приведенные в таблице 6 постройте годограф t=f (l), выделите по годографу слои с разной скоростью прохождения продольных волн, рассчитайте глубину залегания границ между выделенными слоями и постройте сейсмогеологический разрез.

Таблица 6

Примечание: время в таблице миллисекундах 1 мс=1∙10-3 c Работа выполняется индивидуально, каждым студентом.

108

Задание 4. Определение длины свай с использованием сейсмоакустического тестера свай РЕТ.

Для проведения этой практической работы выбирается свайный фундамент (свая) любого сооружения, расположенного вблизи или на территории комплекса зданий МГСУ.

Используя портативный тестер свай РЕТ, описание и приемы работы с которым детально описаны ниже учебная группа студентов разделенная на бригады под руководством преподавателя определяет качество бетона и длину обследуемой сваи.

Акустический тестер PET измеряет длину и проверяет сплошность свай.

PET использует эхо-метод (PEM) для быстрого контроля качества свай. На сваю передается серия ударных импульсов с помощью специального легкого молотка. Отраженные волны улавливаются

ультразвуковым датчиком, оцифровываются и анализируются акселерометром прибора. После дополнительной автоматической обработки сигналов выводится информация о длине и сплошности тела сваи.

После ввода исходных данных, во время проведения контроля пользователь уже видит фактические координаты дефектов и длины сваи в метрической системе координат!

PET полностью соответствует международному стандарту ASTM D5882.

По выбору пользователя возможны две модификации прибора: USB-PET и Bluetooth-PET. USB больше подходит для ноутбуков и портативных ПК.

Bluetooth модель способна работать

с карманными ПК. Позволяет проводить контроль при любых погодных условиях, на удалении до 100м от сваи.

Комплектация приборов состоит из двух типов программного обеспечения: для ПК и для КПК.

Обе версии включены в базовый комплект поставки, что обеспечивает полную совместимость системы.

109

III. 2.1.6. Основы радиометрии

Радиометрические методы изучают естественную и искусственную радиоактивность горных пород, строительных материалов и конструкций. В инженерной геологии наиболее широко используются: гамма-гамма метод (ГГМ) для определение плотности горных пород; нейтрон-нейтронный метод (ННМ) для определения влажности горных пород и метод измерения естественной радиоактивности для определения абсолютного возраста горных пород, определения глинистости в массиве горных пород и решения ряда экологических задач при инженерно-геологических изысканиях в строительстве.

Способность атомных ядер некоторых элементов самопроизвольно испускать гамма, бетта и альфа частицы называется естественной радиоактивностью. К таким веществам относятся уран U92, торий Th90 и радий Ra88. Перечисленные вещества при этом сами превращаются в другие, например, конечным продуктом распада урана является свинец.

Превращение радиоактивных веществ, происходит по определенному закону. Если принять число ядер радиоактивного вещества в какой-то первоначальный момент времени за N0, то оставшееся число ядер N в момент времени t определяется зависимостью:

N= N0 eλt=N0 2-t/T,

здесь λ – постоянная распада показывающая вероятность распада одного ядра за одну секунду; T – период полураспада, т.е. время в течение которого распадается в среднем половина ядер вещества. Из этого следует, что:

λ=1/τ=0,693/T,

где τ – продолжительность жизни ядра обратно пропорциональная постоянной распада.

Радиоактивные превращения не зависят от внешних условий: температуры, давления, химических связей и др., т.е. они не могут оказать влияние на постоянную распада λ. Таким образом величина λ может быть мерой времени жизни веществ, в которых содержатся природные или искусственные радиоактивные элементы.

Внастоящее время, кроме урана, тория и радия известно около тысячи веществ, обладающих искусственной радиоактивностью, которые называются изотопами. Количественно радиоактивность конкретного вещества определяется числом распадов за единицу времени (А) – эта величина называется беккерелем (Бк). Однако при изучении радиоактивности горных пород используют удельную радиоактивность – это радиоактивность, отнесенная к единице массы, объема или площади: Бк/кг, Бк/м3, Бк/м2.

Врадиометрии широко используют величину равную энергии излучения, поглощенной единицей массы данного вещества. Она называется поглощенной дозой излучения (дозой облучения). В системе СИ это величина измеряется в греях; 1 Гр равен такой дозе излучения, при которой вещество массой 1 кг поглощает

энергию ионизирующего излучения мощностью в 1 Дж; 1 Гр=1 Дж/кг=107эрг/кг=102рад (используют на практике).

110