Геофізичні методи вивчення підземних порожнин

Наявність, величини та протяжності підземних пустот вивчають геофізичними методами, зокрема, використовують електро-, сейсмо-, гравіметричну розвідки та ядерно-фізичні методи.

Геофізичні методи відрізняються між собою глибиною досліджень, роздільною здатністю та задачами, які вони вирішують. Тому для виявлення карстових пустот всі геофізичні методи можна поділити на головні та допоміжні. За допомогою головних методів отримують максимальний об’єм інформації про будову, склад і властивості товщі порід, що карстуються, за оптимальних затрат засобів і часу. Допоміжні методи мають забезпечувати отримання додаткової інформації для усунення неточностей і неодназначностей висновків, які одержують головними методами.

До головних геофізичних методів зачисляють електрометрію та сейсмопрофілювання, а до допоміжних – георадарне зондування.

Електророзвідка

Електророзвідка допомагає розділити закарстований масив від незакарстованого, з’ясувати структурні неоднорідності масиву, зокрема, величину тектонічних тріщин і розломів, які супроводжують ділянки розвитку карсту, а також геометрію карстових порожнин. Ця властивість важлива для визначення можливості руйнування крівлі земної поверхні і з’ясування ступеня небезпеки карстопроявів. Електричне зондування дає інформацію про рельєф крівлі порід, що карстуються, глибину залягання підземних вод і базис корозії, гідродинамічні зони карстового масиву.

Електророзвідка ґрунтується на вимірюванні питомого електричного опору порід, який зумовлений їхнім складом, будовою та властивостями гідрогеологічного характеру. Причиною зміни електричних властивостей масивів порід є сильнорозвинута тріщинуватість і порожнистість, яка є показником закарстованості масиву [46].

Електророзвідку виконують двома способами:

• електропрофілюванням
• вертикальним електричним зондуванням.

Електропрофілювання виконують на поверхні карстової товщі (рис. 3.5.14, а). На підставі вимірювань будують карту розподілу питомого електричного опору порід, на якій в ізолініях відображають зони високого та низького стосовно один одного опору. В геологічному та гідрогеологічному відношенні він відповідає різним за складом, будовою і водоносності гірським породам, об’єднаним у пласти, зони, дайки, контакти тощо.

а

б
Рис. 3.5.14. Приклади електрозондування закарстованого масиву:
а) методом електропрофілювання;
б) методом вертикального електрозондування [40]

Вертикальне електрозондування передбачає вимірювання опору порід вздовж вертикалі на конкретних точках місцевості (рис. 3.5.14, б). Щоб отримати будову масиву порід, треба поставити близько двох десятків пунктів спостережень на закарстованій площі.

Сейсморозвідка

До головних геофізичних методів виявлення карстових пустот належить сейсморозвідка, зокрема, спектральне сейсмопрофілювання. Цим методом уточнюють розміри виявлених тріщин і пустот у породі, їхні обриси, глибину залягання.

Метод ґрунтується на вимірюванні реакції геологічного середовища на акустичну хвилю (удар). Ударна хвиля проникає в товщу порід і її реєструє сейсмоприймач. Він “чує” власні коливання тільки тих шарів, до яких безпосередньо торкається. Це дає змогу будувати більш реальний розріз товщі. Сейсмосигнал перетворюють у спектральний вигляд (рис. 3.5.15). На схемі сигналу виділяються екстремуми (h₁ і h₂, див. рис. 3.5.15). Вони відповідають особливо виразним границям, наприклад, контакту карбонатних порід і теригенних, осадових і кристалічних порід за невеликої потужності осадових тощо. Також добре виявляються зімкнуті тріщини, що неможливо віднайти іншими методами. Для спектральної акустики зімкнута тріщина є границею, тоді як для інших методів – вона границею не є і, відповідно, не буде виявлена. Отож, сейсмічними методами надійно виявляють зони тріщинуватості карстового масиву, шляхи проникнення по них підземних і ґрунтових вод.

а                                      б
Рис. 3.5.15. Приклади сейсмопрофілювання:
а) збільшений фрагмент ударної хвилі;
б) сейсмопрофілювання масиву порід [40]

Георадарне зондування або радіолокація

Георадарне зондування або радіолокація. В основу методу покладено вловлювання відбитої електромагнітної хвилі від границь між геологічними середовищами, які мають різні електромагнітні властивості. Глибина зондування до 25-50 м (рис. 3.5.16). На поверхні землі розташовують передавальну антену, яка випромінює імпульс радіохвиль. Ці хвилі проходять у землю через приповерхневі шари і частина з них відбивається від границь між шарами, а частина проникає глибше. Глибина проникнення хвиль залежить від діелектричної проникності ґрунту (його вологості, складу, наявності мінеральних вод тощо).

Рис. 3.5.16. Приклад георадарного зондування закарстованого масиву:

1 – зона розвитку карсту, підтверджена бурінням [40]

Георадарними методами виявляють загальне положення порід, що карстуються, наявність у них пустот – їхню величину, форму, протяжність, глибину залягання.

Отже, геофізичні методи допомагають виявляти поховані під товщею пухких порід закарстовані площі. Методи достатньо інформативні, економічні, за їхньою допомогою досить детально і надійно вивчають структуру масиву порід, що карстуються.