Предлагаем вниманию читателей адаптированный перевод статьи «Исследование стратиграфии формации в долине Падас на Северном Борнео, сложенной торфяными грунтами и морской глиной, геофизическими методами». Эта работа была опубликована в рецензируемом журнале Applied and Environmental Soil Science («Прикладное и экологическое грунтоведение») издательством Hindawi в 2021 году по лицензии CC BY 4.0. Данная лицензия позволяет копировать и распространять статью на любом носителе и в любом формате, адаптировать, видоизменять и создавать новое, опираясь на нее, в любых целях, включая коммерческие, при указании ссылки на первоисточник. В данном случае ссылка приведена в конце перевода. Авторами переведенной статьи являются ученые из Малайзийского университета в Сабахе и Малайзийского университета имени Туна Хусейна Онна – Хабиб-Муса Бин Мохамад, Басри Касби, Муста Баба, Заинорабидин Аднан, Салех Хардианшах и Саад Исмаил.
Для оценки мощности торфяных грунтов в округе Бофорт в Восточной Малайзии указанными авторами были выполнены геофизические исследования методами электротомографии (ЭТ, ERT), вызванной поляризации (ВП, IP) и преломленных волн (МПВ, SR).
Торфяники являются важным природным хранилищем углерода и играют ключевую роль в глобальном цикле этого элемента. Исследования с помощью ЭТ и ВП были выполнены по трем профилям с различной мощностью торфа с использованием установки (конфигурации электродов) Шлюмберже. Съемка МПВ проводилась по тем же профилям с использованием вертикальных сейсмоприемников. Торфяной грунт характеризовался низкой сейсмической скоростью и высоким удельным сопротивлением. Методы ЭТ и ВП позволили четко определить границу раздела между торфяным грунтом и подстилающей его морской глиной, поскольку эти слои значительно различались по своим геоэлектрическим характеристикам. Но изображение, полученное с помощью МПВ, не дало возможности проследить подошву торфа, поскольку разница в жесткости зон грунтов выше и ниже этой границы была очень мала.
В целом был сделан вывод, что методы ЭТ и ВП являются полезной альтернативой для определения стратиграфии торфяного грунта. Комбинированное применение ЭТ, ВП и традиционного метода бурения удовлетворяет потребность в картировании стратиграфии при больших объемах торфа с волнообразным залеганием его слоя и в разных экологических условиях. Таким образом, статья демонстрирует ценность комплексного геофизического подхода к изучению стратиграфии торфяников.
Торфяники играют важную роль в глобальном цикле углерода и влияют на концентрацию парниковых газов в атмосфере. В своем естественном состоянии они накапливают большое количество углерода [1–3]. Из-за больших количеств органического углерода такие грунты работают как источники или поглотители углекислого газа в зависимости от их нынешнего состояния. Содержание углерода в торфяниках зависит от их объемов и специфической стратиграфии, а также таких их свойств, как объемная плотность и содержание органического вещества [4]. Для правильной оценки объема торфа важной информацией является определение мощности его слоя, в то время как исследование содержания органических веществ имеет решающее значение для оценки происходящей деградации этого грунта и количества хранящегося в нем углерода. Содержание органики уменьшается с увеличением объемной плотности и степени разложения торфа [5].
В Малайзии насчитывается 2,4 млн га торфяников, что составляет около 7,45% от общей площади суши этой страны. В целом подошвы этих грунтов в Малайзии являются волнистыми и располагаются на глубине от 1 до 20 м [6], что затрудняет точные оценки их объемов. Соответствующие районы являются частью большого глобального запаса углерода в торфяниках. Поэтому точное определение объемов торфяных залежей важно для точной оценки количества хранящегося в них углерода. Обычно их мощность для оценки объемов определяется обычным методом бурения. Этот метод до сих пор широко используется, поскольку прямое измерение обеспечивает определенность результатов. Однако он является интрузивным, дает локализованные данные и для приблизительного картирования стратиграфии торфяных залежей на больших площадях требует большого количества точек исследований, значительных затрат времени и средств. В тропических условиях ограниченная доступность территорий еще больше усложняет его использование.
Рис. 1. Геологическая карта изучаемого района (а); расположение скважин S1, S2, S3 и профилей геофизических исследований (б)
Полевые исследования
Определение мощности торфяного грунта in situ проводилось с использованием обычного бурового оборудования. В общей сложности на изучаемой территории было исследовано 3 скважины – S1, S2, и S3. Места их расположения были выбраны таким образом, чтобы можно было представить диапазон глубин залегания торфа и геоморфологических условий. Они также использовались в качестве средних точек при геофизических исследованиях для сравнения результатов. Грунтовые колонки скважин были получены с помощью пробоотборника нидерландской компании Eijkelkamp, который отбирал полунарушенные образцы торфа с шагом по высоте 0,5 м до тех пор, пока не заканчивалась торфяная толща. Во время взятия проб были получены изображения колонок, а также оценены и зарегистрированы величины объемной плотности образцов.
Съемки методами ЭТ и ВП проводились с помощью универсального электроразведочного инструмента Terrameter LS производства шведской компании ABEM с автоматизированным блоком сбора данных. Для получения геоэлектрических разрезов торфяных и подстилающих их минеральных грунтов использовалась установка (конфигурация электродов) Шлюмберже с расстоянием между электродами 2 м. Для более хорошего разрешения приповерхностных геоэлектрических разрезов торфяных грунтов использовалась короткая сейсмическая коса, содержащая 41 стальной электрод. Средние точки всех профилей съемки находились в местах расположения скважин, чтобы можно было сопоставлять результаты. Использовались методики полевых геофизических исследований в соответствии с практическим руководством по получению двумерных изображений среды по данным электроразведки, составленным Лоуком (Loke) [24]. Анализ данных выполнялся в соответствии с руководством [25] по использованию компьютерной программы Res2DInv, разработанной Малайзийской компанией Geotomo Software. Для анализа данных были синхронизированы настройки полевых установок, чтобы обеспечить использование правильной конфигурации. Неадекватные данные, наблюдавшиеся на псевдоразрезах, были удалены, чтобы среднеквадратическая погрешность была низкой. Затем полученные данные инвертировали методом наименьших квадратов в программе Res2DInv [26].
Затем были выполнены исследования МПВ с помощью сейсмографа Terraloc Pro II производства шведской компании ABEM. Общая длина расстановки сейсмоприемников (геофонов) составила 23 м при шаге между ними 1 м. Источники колебаний располагались по обе стороны от приемных линий между сейсмоприемниками 1 и 2, 6 и 7, 12 и 13, 18 и 19, 23 и 24. В каждом пункте возбуждения выполнялось по 5 инициаций сейсмических колебаний. В качестве их источника применялись 7-килограммовая кувалда и стальная пластина. Большой вес кувалды обеспечивал высокоамплитудный спектр сейсмических колебаний [27, 28]. Стальная пластина использовалась в качестве амортизатора удара для увеличения накопления энергии с целью генерации более высоких частот, что позволяло лучше выполнять интерпретацию разреза небольшой глубины [28, 29]. Однако, чтобы свести к минимуму риск проникновения пластины источника в торфяной грунт во время удара, применялась изготовленная на заказ специальная стальная пластина меньшей толщины и, соответственно, небольшой массы [28, 30]. Для приема сигналов использовались 24 сейсмоприемника с собственной частотой колебаний 14 Гц. Обработка данных проводилась с помощью модулей Pickwin и Plotrefa программы SeisImager/2DTM от компании Geometrics (США). Поперечное сопротивление T для m-слойного разреза вычислялось по следующей формуле [31]:
Рис. 2. Участки грунтовой колонки скважины S1
Рис. 3. Участки грунтовой колонки скважины S2
Рис. 4. Участки грунтовой колонки скважины S3
По результатам бурения был аппроксимирован приблизительный стратиграфический разрез изучаемой территории, показанный на рисунке 5. Видно, что мощность слоя торфа в данной области варьирует. Это позволяет предположить, что массив этого грунта представляет собой торфяной бассейн.
Рис. 5. Приблизительный стратиграфический разрез исследуемой территории по данным для трех скважин (S1, S2 и S3)
Двумерные ЭТ и ВП
Результаты инверсии данных ЭТ и ВП при использовании шага между электродами 2 м показаны на рисунках 6 и 7, где для сравнения также наложены грунтовые колонки по данным бурения и отбора проб для трех вышеуказанных скважин.
Итоги инверсии электоротомографических данных, представленные на рисунке 6, показывают однородный верхний высокоомный слой. Его подстилает электропроводящая толща различной толщины, идентифицированная как морская глина, которая, по-видимому, обеспечивает большой контраст значений удельного сопротивления по сравнению со слоем торфяного грунта. Изображения ЭТ после инверсии указывают на постепенное уменьшение удельного сопротивления торфа с глубиной, исключая верхние 2 м. (Аналогичный вывод был получен и при других исследованиях [8, 35], когда проводимость торфяного грунта постепенно увеличивалась с глубиной.) В верхних 2 м наблюдались несколько более низкие величины удельного сопротивления торфа. Этому в основном способствовали большие расстояния между электродами, поскольку были получены нулевые показания, что привело к экстраполяции доступных значений для самых неглубоких зон. (Как упоминалось ранее [36], из-за большого расстояния между электродами неглубокие разрезы бывают частично негодными.) В слое торфяного грунта были определены более высокие значения удельного сопротивления по сравнению со слоем морской глины. Низкие сопротивления в морской глине наблюдались из-за глинистых частиц, которые облегчают поверхностную проводимость [37].
Сравнение между значениями глубины залегания подошвы торфяного грунта, определенными с помощью ЭТ и бурения, показывает минимальное расхождение. Но необходимо соблюдать особую осторожность при анализе результатов ЭТ в случае большого расстояния между электродами, которое оказывает фундаментальное влияние на разрешение. Уменьшение этого расстояния улучшает разрешение в неглубоких зонах разреза, однако риск ограничения объема может повлиять на генерируемое изображение. Согласно работе Слейтера и Рива [8] размер элемента изображения логарифмически растет с глубиной с увеличением расстояния от источника тока, но при этом значительно уменьшается разрешение. Поэтому расстояние между электродами должно быть подобрано в соответствии с целью или требуемой глубиной исследования для обеспечения более хорошей интерпретации данных.
Рис. 6. Модели геоэлектрических разрезов после инверсии для скважин S1 (а), S2 (б) и S3 (в)
Результаты инверсии данных ВП, показанные на рисунке 7, определяют торф как менее заряжаемый (менее поляризуемый) по сравнению с залегающей ниже морской глиной. Этому может способствовать менее заряжаемый органический материал в торфяном грунте. (Как обсуждалось в предыдущем исследовании [8], реакция ВП в торфе обусловлена увеличением поляризации, а не результатом изменения объемной проводимости; и поляризация предположительно происходит вследствие поверхностной плотности электрического заряда органического материала. Однако величина заряжаемости (или поляризации), по-видимому, является хорошим показателем толщины торфяного грунта.) Высокие значения заряжаемости слоя морской глины по сравнению с торфяным обеспечивают четкое разделение между этими двумя слоями, что позволяет с большой точностью определлять стратиграфию торфяного грунта.
Рис. 7. Модели разрезов временного параметра вызванной поляризации, характеризующего заряжаемость (поляризуемость) среды, после инверсии для скважин S2 (а) и S3 (б)
Для дальнейшего исследования точности значений удельного сопротивления и заряжаемости при определении мощности торфяного грунта из средних точек были извлечены одномерные профили (колонки) для сравнения с данными бурения скважин. На рисунке 8 представлены значения удельного сопротивления торфяного грунта для средних точек кос электродов (takeout lines). На графике видны низкие величины сопротивления в верхних двух метрах из-за больших расстояний между электродами, что делает показания менее надежными, поскольку остальные значения могут быть получены только путем экстраполяции данных. На глубине более 2 м значения удельного сопротивления торфа немного уменьшаются с глубиной. Как упоминалось ранее, был выявлен рост степени разложения торфа с глубиной, о чем свидетельствует уменьшение торфяных волокон при увеличении глубины. При низкой степени разложения в торфе имеются «свежие» волокна, но они являются полностью распавшимися при более высокой степени разложения [38]. Сопротивление торфяного грунта уменьшалось с увеличением степени разложения [39], в то время как на глубине вблизи перехода к слою слабых (пластичных) глин оно снижалось значительно. Такое существенное увеличение электропроводности грунта скорее всего было обусловлено наличием глинистой фракции, которая обеспечивает высокую катионообменную емкость грунта, способствующую его высокой проводимости [6, 40]. В целом значения удельного сопротивления торфа колебались от 40,8 до 258,5, от 62,5 до 315,7 и от 59,8 до 302,8 Ом*м для скважин S1, S2 и S3 соответственно.
Рис. 8. Изменения удельного сопротивления грунта с глубиной на полуострове Клиас
Значения заряжаемости, извлеченные из изображений, полученных методом ВП, показаны на рисунке 9. Они немного увеличиваются с глубиной в слое торфяного грунта, в то время как вблизи переходной зоны и в слое морской глины они растут с глубиной значительно. Полученные результаты показывают, что торфяной грунт был менее заряжаемым (менее поляризуемым) по сравнению с морской глиной. Значения заряжаемости торфа варьировали от 0,598 до 0,729 и от 0,651 до 1,060 мВ/В для скважин S2 и S3 соответственно.
Рис. 9. Изменения заряжаемости грунта с глубиной на полуострове Клиас
Двумерные результаты применения МПВ
На трех участках были пройдены три профиля методом МПВ. Средние точки были зафиксированы в местах расположения скважин, как и для методов ЭТ и ВП, чтобы можно было выполнить сравнения. Наиболее важным шагом в анализе данных МПВ является определение времени пробега волн по сейсмограммам. На рисунке 10 показан пример расчетных и наблюденных времен пробега сейсмических волн. Видно незначительное расхождение между рассчитанными и наблюденными временами пробега со среднеквадратическими ошибками от 3,8 до 4,5%.
Рис. 10. Пример расчетных и наблюденных времен пробега сейсмических волн
Полученные разрезы скоростей P-волн (Vp) показаны на рисунке 11. В целом наблюдалось нечеткое разделение между слоями торфа и подстилающей его морской глины. Контраст между наблюденными значениями Vp для них был небольшим, что затрудняло определение подошвы торфяного грунта и, таким образом, не позволяло определить его мощность. Небольшое увеличение жесткости торфа с глубиной было обусловлено низкой объемной плотностью и высоким уровнем грунтовых вод [41].
Изображения, полученные методом МПВ, также показывают, что величины Vp для торфяного грунта варьируют в горизонтальном направлении. Такое поведение скорее всего определяется неоднородностью этого грунта. Его свойства изменяются по горизонтали и по вертикали в зависимости от содержания органических веществ [42]. Неоднородность торфа обусловила изменчивость его жесткости в горизонтальном направлении [43]. Обнаружение данной особенности свидетельствует о важности геофизических методов при исследовании характеристик торфяных грунтов, поскольку метод преломленных волн позволил выявить изменчивость по горизонтали, чего не позволил традиционный метод бурения. Однако был сделан вывод, что для определения стратиграфии торфяных грунтов, подстилаемых слабыми грунтами типа пластичной морской глины, МПВ менее надежен по сравнению с методами ЭТ и ВП. Если же под торфом залегает более жесткий грунт, то метод преломленных волн может обеспечить более хороший контраст между этими двумя слоями по жесткости, что позволяет точно определить мощность торфяного грунта.
Рис. 11. Разрезы скоростей P-волн (Vp) для скважин S1 (a), S2 (б) и S3 (в)
Из 2D-изображений, полученных с помощью МПВ, были извлечены значения Vp для средних точек линий съемки в целях сравнения с данными бурения. Из рисунка 12 видно, что величины Vp для торфяного грунта у поверхности немного увеличиваются с глубиной и становятся значительными на глубине более 3 м. Наклон приращений Vp на глубине более 3 м постоянно вызывал трудности при определении перехода между торфом и морской глиной, особенно для торфяного грунта мощностью более 3 м. Полученные данные подтвердили сделанный ранее вывод о невозможности точного определения толщины слоя торфа методом преломленных волн из-за постепенного увеличения значений Vp с глубиной. (Торф в исследуемом районе классифицируется как среднеразложившийся, а торф на полуострове Клиас – как среднеразложившийся с высоким содержанием органических веществ [44].)
Рис. 12. Значения скорости P-волн (Vp) по сравнению с данными бурения в 1D-варианте
Комплексное исследование электрических свойств и жесткости крупных торфяников на полуострове Клиас в штате Сабах (Малайзия) продемонстрировало ценность результатов использования методов электротомографии (ЭТ), вызванной поляризации (ВП) и метода преломленных волн (МПВ) для изучения торфяных залежей. Геофизические данные были сопоставлены с результатами изучения образцов торфа, отобранных при бурении трех скважин.
ЭТ и ВП являются отличными методами исследований электрических свойств и стратиграфии торфяных грунтов. Модели геоэлектрических разрезов и заряжаемости среды после инверсии выявили изменчивость толщины слоя торфяного грунта, что позволило лучше оценить объем торфяников. Значения удельного электрического сопротивления торфа немного уменьшаются с глубиной, что обусловлено возрастающей степенью его разложения, в то время как вблизи перехода к слою морской глины они значительно падают из-за увеличения катионообменной емкости грунта.
Однако изображения, полученные с помощью МПВ, определили подошву торфяного слоя неточно из-за наблюдавшегося постепенного увеличения жесткости в слое торфа и в слое морской глины. Низкая объемная плотность и высокий уровень грунтовых вод в торфяном грунте вызывают лишь заметное увеличение прочности с глубиной. Небольшая разница в значениях жесткости между обоими слоями затрудняет определение подошвы слоя торфа, что делает невозможным точное определение его стратиграфии. Несмотря на высокое качество 2D-изображений МПВ, требуются авторитетные суждения специалистов и дополнительные данные бурения, если недоступны предварительные данные.
В целом, изображения ЭТ и ВП дают ценную информацию об электрических свойствах торфяных грунтов и определяют их стратиграфию с высокой точностью, что позволяет более точно оценивать объемы торфяников.
—
Эта работа была поддержана центром управления исследованиями и инновациями Малайзийского университета в Сабахе (UMS) в рамках грантовой программы по повышению культурного уровня SGA0090-2019. Авторы благодарят своих коллег с факультета естественных наук и природных ресурсов Малайзийского университета в Сабахе, предоставивших информацию, оборудование и экспертные знания, которые значительно помогли выполнению исследований, а также Малайзийский университет имени Туна Хусейна Онна за ценную техническую поддержку этого проекта.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку