5.2.2. Принципы построения и использования ФГМ. Особенности формирования и применения ФГМ геологических объектов достаточно детально описаны в учебниках и монографиях, посвященных проблемам комплексирования геофизических методов. Здесь мы остановимся только на наиболее важных для эколого-геофизических исследований принципах построения и основных этапах использования этих моделей. Важнейшей особенностью построения ФГМ является замена сложных по морфологии и вещественному составу геологических тел сочетанием геометрически простых квазиоднородных по своим свойствам объектов, ограниченных плоскостями или поверхностями второго порядка. В описание ФГМ входят: 1) геометрические параметры геологических тел, т.е. их размеры, форма и глубина залегания; 2) обобщенные физические свойства этих тел и окружающей среды; 3) особенности физических полей, вызываемые совокупностью возмущающих объектов; 4) влияние помех геологического и негеологического происхождения. Совокупность объемного распределения геологических тел и характеризующих их физических свойств рассматривается как составная часть ФГМ и носит название петрофизической модели (ПФМ).

ФГМ создается методом последовательных приближений, реализуемым по мере накопления знаний об объекте исследования, причем все ее параметры носят вероятностный характер и могут видоизменяться в процессе исследований. Это, в свою очередь, позволяет совершенствовать применяемую методику геофизических работ. В процессе проектирования и проведения исследований, а также интерпретации и представления конечных результатов ФГМ проходит различные этапы формирования. Модели, соответствующие этим этапам, условно носят название априорной, рабочей (или интерпретационной) и результативной.

Формирование априорной ФГМ должно отвечать поставленной эколого-геофизической задаче и использовать всю возможную геолого-геофизическую информацию, полученную путем анализа и обобщения результатов предшествующих работ, и общие теоретические соображения. Даже в хорошо изученных районах может возникнуть необходимость экологически направленной

125

переинтерпретации ранее полученных геолого-геофизических материалов. Сведения о геологических условиях изучаемой территории (объекта) должны позволить установить основные экологически значимые особенности ее строения. При этом принимают во внимание такие данные, как рельеф и ландшафт местности, литологический, фациальный состав и сохранность горных пород, их трещиноватость и проницаемость, тектонические особенности района, особенности динамики и минерализации подземных вод, условия залегания водоупоров, глубина расположения изучаемых природных и техногенных объектов, их размеры и форма, состав и мощность перекрывающих пород, наличие и интенсивность физико-геологических и инженерно-геологических процессов, особенности техногенного загрязнения территории.

Сведения о геометрических и физических параметрах ФГМ получают в результате статистической обработки данных бурения, каротажа, параметрических геофизических наблюдений, измерений на образцах, опытно-фильтрационных исследований и инженерно-геологических испытаний. При этом часто оценивается контрастность свойств изучаемых объектов и вмещающих пород или различных типов пород и подземных вод. В случае выполнения закона нормального распределения параметров расчеты контрастности γ_i - проводятся по формуле

γ_i = (А_i - A_icp) / σ_i

где А_i и A_icp - соответственно рядовое и среднее значения i-го измеряемого физического параметра, а σ_i - среднеквадратическое отклонение (см. п. 5.4.1). В случае логнормального распределения для вычисления γ_i используются логарифмы величин А_i, A_icp и σ_i (Никитин, 1986). Подобные расчеты составляют основу оценки ожидаемых аномалий и служат обоснованием выбора среди альтернативных методов: отдается предпочтение тем из них, которые дают более контрастные аномалии. Важное значение имеет использование материалов исследований на других участках, которые по совокупности возможно большего числа признаков могут рассматриваться как эталонные.

Таким образом, априорная ФГМ изучаемой территории (объекта) является синтезом самых разнообразных, разумно отобранных сведений, которые позволяют правильно выбрать наиболее эффективные методы эколого-геофизических исследований.

Рабочая (или интерпретационная) ФГМ используется на всех стадиях исследований, но особенно часто на стадии интерпретации полученных данных. В отличие от априорной она содержит дополнительную информацию, получаемую либо в процессе

126

специальных опытно-методических работ, либо непосредственно при выполнении полевых наблюдений. В процессе поступления новой информации рабочая ФГМ постоянно совершенствуется и может включать детали, не содержащиеся в априорных эколого-геофизических данных, но известные из материалов бурения, инженерно-геологических и гидрогеологических исследований. Эти данные позволяют однозначно определить параметры ФГМ или сузить пределы их изменчивости при описании пространственной структуры объекта и его физических свойств. В свою очередь, привлечение дополнительной информации позволяет повысить устойчивость решения обратных геофизических задач и информативность интерпретации комплексных геофизических исследований.

Во многих случаях при изучении сложных природных и техногенных геологических процессов нельзя ограничиться ФГМ, параметры которых остаются постоянными во времени (так называемые статические ФГМ). При этом используются динамические ФГМ, отражающие временные изменения геометрических и физических параметров изучаемых объектов и динамику наблюдаемых над ними физических полей.

Последовательность построения динамической ФГМ техногенного загрязнения геологической среды рассмотрим на примере оползневого склона, находящегося на урбанизированной территории и подвергающегося совместному воздействию гравитационных, гидродинамических, вибрационных и ряда других полей, возникающих вследствие подрезки склона, его повышенного увлажнения, работы промышленных установок и транспорта (рис. 5.1). В начальный период, когда действие перечисленных полей практически отсутствует, оползневый склон стабилизирован и находится в равновесии. При этом его ФГМ определяется природной обстановкой. Если в качестве параметров ФГМ принять наблюдаемые вдоль оползневого склона значения кажущихся сопротивлений ρ_K (при постоянном разносе питающих электродов АВ = const), типы кривых ВЭЗ, значения разности потенциалов естественного электрического поля ΔU_ЕП, температур Т, затуханий продольных волн α_p и смещения поверхностных реперов ΔL то можно видеть (рис. 5.1, а), что они характеризуются небольшими отклонениями от своих средних величин и достаточно стабильны во времени. Когда суммарное воздействие техногенных полей приводит к изменению геологической среды, равновесие склона нарушается и оползневые массы подготавливаются к смещению. Активизация оползня вызывает существенные изменения параметров ФГМ. В частности, значения ρ_K, ΔU_ЕП, α_p, T и ΔL резко меняются вдоль склона вследствие интенсивного и неравномерного

127

Рис. 5.1. Динамическая физико-геологическая модель оползневого склона в условиях техногенного физического загрязнения:
а - природная обстановка; б- начальный период техногенного воздействия; в - последующие изменения в теле оползневого склона; 1 - оползневые накопления, 2 - зона скольжения, 3 - приращение зоны скольжения, 4 - коренные породы, 5 - точки ВЭЗ (обозначения на кривых приведены в тексте)

увлажнения и изменения напряженного состояния оползневых масс (рис. 5.1, б). Появление четко выраженной зоны скольжения отражается в изменении типа кривых ВЭЗ. После серии оползневых подвижек параметры ФГМ оползневого склона вновь претерпевают изменения (рис. 5.1, в), что связано с перераспределением в теле оползня зон сжатия и растяжения и с увеличением мощности зоны скольжения. Рассмотренный пример показывает, что существует принципиальная возможность изучать пространственные изменения оползневого склона на основе оценки линейной или площадной изменчивости параметров его ФГМ (в данном случае ρ_K, типа кривых ВЭЗ, ΔU_ЕП, α_p, T, ΔL). Временная изменчивость этих параметров дает возможность охарактеризовать режим оползневого процесса.

Как правило, -для изучения временных техногенных изменений геологической среды используется динамическая ФГМ, построенная на основании статистических зависимостей ее параметров от времени наблюдений. При этом в соответствии с изучаемым видом техногенеза осуществляется прогнозирование его воздействия на состояние геологической среды.

128