искать
Теория и практика изысканий

Исследование стратиграфии формации, сложенной торфом и глиной, геофизическими методами (Малайзия)

Авторы
МОХАМАД ХАБИБ-МУСА (BIN MOHAMAD HABIB MUSA)Инженерный факультет Малайзийского университета в Сабахе, г. Кота-Кинабалу, шт. Сабах, Малайзия
КАСБИ БАСРИ (KASBI BASRI) Факультет инфраструктурной и геоматической инженерии Малайзийского университета имени Туна Хусейна Онна, г. Парит-Раджа, р-н Бату-Пахат, шт. Джохор, Малайзия
БАБА МУСТА (BABA MUSTA)Факультет естественных наук и природных ресурсов Малайзийского университета в Сабахе, г. Кота-Кинабалу, шт. Сабах, Малайзия
АДНАН ЗАИНОРАБИДИН (ADNAN ZAINORABIDIN) Центр исследований слабых грунтов Малайзийского университета имени Туна Хусейна Онна, г. Парит-Раджа, р-н Бату Пахат, шт. Джохор, Малайзия
ХАРДИАНШАХ САЛЕХ (HARDIANSHAH SALEH) Факультет естественных наук и природных ресурсов Малайзийского университета в Сабахе, г. Кота-Кинабалу, шт. Сабах, Малайзия
ИСМАИЛ СААД (ISMAIL SAAD)Факультет электротехники и электроники Малайзийского университета в Сабахе, г. Кота-Кинабалу, шт. Сабах, Малайзия

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.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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.

 

 

Некоторые исследователи уже довольно давно предлагали применять на торфяниках геофизические методы. И с 1980-х годов для оценки мощности торфа успешно применяют неинтрузивные геофизические исследования, в частности георадиолокационные (ГРЛ, GPR), то есть с помощью георадаров [4, 7–9]. Однако глубина исследования методом ГРЛ зависит от электропроводности торфяного грунта и широко признано, что в торфяниках георадары с центральной частотой антенн от 50 до 200 МГц могут дать хорошие данные только для глубин до 10 м [10, 11]. Диэлектрическая проницаемость торфа варьирует от 5 до 70 в зависимости от объемного содержания воды [11, 12]. Это делает данный метод менее популярным для исследований торфяных грунтов мощностью более 10 м.

В последнее время для поддержки результатов использования традиционного метода бурения набирают популярность геофизические исследования стратиграфии торфяников с помощью методов электротомографии (ЭТ, ERT) и вызванной поляризации (ВП, IP). Потенциально также может использоваться сейсмический метод преломленных волн (МПВ, SR).

Применение этих методов ранее ограничивалось поиском археологических сооружений [13], изучением проникновения в грунты морской воды и потенциала их разжижения [14, 15], прослеживанием аллювиальных водоносных горизонтов [16] и исследованиями оползней [17]. Однако они также дали возможность картирования стратиграфии торфяных залежей. Их преимущества включают большие объемы съемки на бОльшую глубину, а также экономию средств и времени. Поэтому комплексные геофизические исследования, которые предоставляют информацию о физических свойствах органического грунта, подстилаемого минеральным, могут улучшить и понимание стратиграфии торфяных залежей.

Методы ЭТ, ВП и МПВ могут помочь в обследованиях торфяников, особенно для изучения взаимосвязи между стратиграфией минеральных грунтов и свойствами торфа. По сравнению с ГРЛ эти методы не ограничены изучением зон выше минерального грунта поскольку возможная глубина исследований разрезов у них значительно больше.

Электропроводность (объемная удельная проводимость), обратная удельному электрическому сопротивлению и измеряемая методами сопротивлений на постоянном токе (в данном случае ЭТ), зависит от удельной проводимости жидкости, содержания влаги в грунте и поверхностной проводимости [8]. Электропроводность поровой воды в торфяном грунте обычно увеличивается с глубиной, поскольку минеральный грунт, обычно подстилающий торфяной, является источником неорганических растворенных веществ [8]. Сильно разложившийся торфяной грунт также имеет более высокий поверхностный заряд. Это говорит о том, что поверхностная проводимость, вероятно, значительно влияет на объемную проводимость [8], в то время как методом ВП измеряется способность материала временно накапливать заряд (его заряжаемость) или, в более сложном случае, величина поляризации материала. Эффект вызванной поляризации проявляется в виде частотно-зависимого удельного сопротивления или в виде остаточного напряжения после прекращения подачи тока. Наиболее распространенным показателем ВП является заряжаемость грунта во временнОй области.

Результаты измерений ВП зависят главным образом от химии поверхности, которая включает плотность электрического заряда, площадь поверхности и химический состав жидкости [8]. Заряжаемость в значительной степени зависит также от емкости катионного обмена (ЕКО – cation exchange capacity, CEC), связанной с глинистыми минералами [18]. Органический материал с низкой степенью разложения обычно связан с высокой поверхностной плотностью электрического заряда, что приводит к большой величине ЕКО [19]. Поскольку плотность заряда считается одним из основных факторов, влияющих на эффект ВП, авторы ожидали, что она будет значительно различаться для торфяного и подстилающего его минерального грунта, обеспечивая большой контраст на изображении для определения границы между этими слоями.

Метод преломленных волн (МПВ) отражает геологическое строение с помощью измерения скоростей объемных сейсмических волн [20]. Измеряя время прохождения этих волн, можно идентифицировать различные подповерхностные слои различного состава и разной жесткости. Поскольку торфяной грунт является очень слабым (мягким) материалом, ожидается, что контраст между торфяным и подстилающим его грунтом в отношении жесткости будет сильным и обеспечит четкое определение подошвы торфа.

В этой статье авторы представляют результаты полевых исследований с целью изучения полезности геофизических методов (ЭТ, ВП и МПВ) для понимания стратиграфии крупного торфяника. Геофизические данные сравниваются с результатами обычного бурения с прямым отбором проб из торфяной толщи. Основная цель – продемонстрировать ценность комплексного геофизического подхода к изучению стратиграфии торфяников. Авторы дают важную информацию по результатам двух геоэлектрических методов, в том числе демонстрируют значения удельного сопротивления и заряжаемости грунта. Характеристика жесткости с помощью МПВ в данном исследовании не использовалась для изучения электрических свойств и жесткости торфяного грунта (для этого требуются дополнительные лабораторные испытания). Вместо этого авторы показывают, как полевые геофизические методы дают ценную информацию о стратиграфии крупного торфяника на обширной территории его залегания.

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

 

Описание исследуемой территории

 

Территория исследований была расположена недалеко от лесного заповедника на полуострове Клиас в округе Бофорт малайзийского штата Сабах на севере острова Борнео (рис. 1). (Борнео, или Калимантан, – третий по величине остров в мире, имеющий площадь 743 330 км и расположенный в центре Малайского архипелага в Юго-Восточной Азии. – Ред.)

Площадь, на которой распространены торфяные грунты в Сабахе, составляет примерно 116 965 га из 2,4 млн га во всей Малайзии. Наибольшая часть торфяных грунтов приходится на полуостров Клиас и долины рек Кинабатанган и Сегама. Торфяники в этих местах в основном встречаются в мощных недренированных заболоченных условиях и состоят из разлагающихся растительных остатков. Влажность этих грунтов очень высока – от 448,32 до 985,4% [21]. Содержание органических веществ и клетчатки в них составляет от 53,97 до 95,82% и от 61,61 до 79,4% соответственно [21–23]. По классификации Министерства сельского хозяйства США, данные грунты относятся к торфам от среднеразложившихся до волокнистых. По 10-балльной шкале Л. фон Поста степень их разложения находится между H6 и H7 [22], что также относится к категориям торфов от среднеразложившихся до волокнистых.

 

 

Рис. 1. Геологическая карта изучаемого района (а); расположение скважин S1, S2, S3 и профилей геофизических исследований (б)
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]:

 

где ρi, hi – удельное сопротивление и толщина i-го слоя соответственно.

 

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

 

Грунтовые колонки скважин

 

Грунтовые колонки скважин были получены с помощью пробоотборника нидерландской компании Eijkelkamp, который отбирал полунарушенные образцы торфяного грунта с шагом по высоте 0,5 м до тех пор, пока не заканчивался слой торфа. Во время взятия проб были получены изображения колонок, а также оценены и зарегистрированы величины объемной плотности образцов.

Эти исследования выявили, что мощность торфа для скважин S1, S2 и S3 составила 3,5; 5,4 и 6,8 м соответственно. На рисунках 2–4 представлены изображения участков полученных колонок. На них невооруженным глазом видно наличие волокон. Сравнение результатов по трем скважинам показало, что распределение волокон было изменчивым. Однако по мере приближения к подстилающему грунту (морской глине) волокна уменьшались. Это, вероятно, связано с изменениями степени разложения торфа с глубиной. Торфяной грунт вблизи поверхности имел более низкую степень разложения, но она увеличивались с глубиной [32, 33]. Таким образом, вероятнее всего, на большей глубине торф был более разложившимся (в нем не было видно «свежих» неповрежденных волокон) по сравнению с торфом вблизи поверхности. Вообще степень разложения может сильно влиять на свойства торфа [34], поэтому наблюдение за ней в массиве торфяных грунтов представляет большой интерес.

 

Рис. 2. Участки грунтовой колонки скважины S1
Рис. 2. Участки грунтовой колонки скважины S1

 

Рис. 3. Участки грунтовой колонки скважины S2
Рис. 3. Участки грунтовой колонки скважины S2

 

Рис. 4. Участки грунтовой колонки скважины S3
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)
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)
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)
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
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
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
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

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

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.


ИСТОЧНИК ДЛЯ ПЕРЕВОДА

Mohamad H.M., Kasbi B., Baba M., Adnan Z., Hardianshah S., Ismail S. Investigating peat soil stratigraphy and marine clay formation using the geophysical method in Padas Valley, Northern Borneo // Applied and Environmental Soil Science. Hindawi, May 2021. Article ID 6681704. 12 p. DOI:10.1155/2021/6681704. URL: doi.org/10.1155/2021/6681704.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АВТОРАМИ ПЕРЕВЕДЕННОЙ СТАТЬИ

  1. Limpens J., Berendse F., Blodau C. et al. Peatlands and the carbon cycle: from local processes to global implications – a synthesis // Biogeosciences. 2008. Vol. 5. № 5. P. 1475–1491.
  2. Altdorff D., Bechtold M., van der Kruk J., Vereecken H., Huisman J.A. Mapping peat layer properties with multi-coil offset electromagnetic induction and laser scanning elevation data // Geoderma. 2016. Vol. 261. P. 178–189.
  3. Silvestri S., Knight R., Viezzoli A. et al. Quantification of peat thickness and stored carbon at the landscape scale in tropical peatlands: a comparison of airborne geophysics and an empirical topographic method // Journal of Geophysical Research: Earth Surface. 2019. Vol. 124. № 12. P. 3107–3123.
  4. Walter J., Hamann G., Luck E., Klingenfuss C., Zeitz J. Stratigraphy and soil properties of fens: geophysical case studies from northeastern Germany // Catena. 2016. Vol. 142. P. 112–125.
  5. Heller C., Zeitz J. Stability of soil organic matter in two northeastern German fen soils: the influence of site and soil development // Journal of Soils and Sediments. 2012. Vol. 12. № 8. P. 1231–1240.
  6. Bujang B.K.H., Prasad A., Asadi A. et al. Geotechnics of organic soils and peat // Earth Sciences, Engineering and Technology. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2014.
  7. Bjelm L. Geological interpretation of subsurface interface radar in Peatlands // Proceedings of the 6th International Peat Congress of the International Peat Society. Duluth, Minnesota., 1980.
  8. Slater L.D., Reeve A. Investigating peatland stratigraphy and hydrogeology using integrated electrical geophysics // Geophysics. 2012. Vol. 67. № 2. P. 365–378.
  9. Plado J., Mustasaar I., Jхeleht A. Ground-penetrating radar study of the Rahivere peat bog, eastern Estonia // Estonian Journal of Earth Sciences. 2011. Vol. 60. № 1. P. 31.
  10. Lowe D.J. Application of impulse radar to continuous profiling of tephra-bearing lake sediments and peats: an initial evaluation // New Zealand Journal of Geology and Geophysics. 1985. Vol. 28. № 4. P. 667–674.
  11. Theimer B.D., Nobes D.C., Warner B.G. A study of the geoelectrical properties of peatlands and their influence on ground-penetrating radar surveying // Geophysical Prospecting. 1985. Vol. 42. № 3. P. 179–209.
  12. Kujala K., Seppala M., Holappa T. Physical properties of peat and palsa formation // Cold Regions Science and Technology. 2008. Vol. 52. № 3. P. 408–414.
  13. Balkaya C., Kalyoncuoglu U.Y., Ozhanlэ M., Merter G., Cakmak O., Talih-Guven I., Ground-penetrating radar and electrical resistivity tomography studies in the biblical Pisidian Antioch city, southwest Anatolia // Archaeological Prospection. 2018. Vol. 25. № 4. P. 285–300.
  14. Ali K.M., Ozurlan G., Balkaya C. Geoelectrical investigation of seawater intrusion in the coastal urban area of Canakkale, NW Turkey // Environmental Earth Sciences. 2015. Vol. 73. № 3. P. 1151–1160.
  15. Caglayan B., Kaya M.A., Gokturkler G. Delineation of shallow resistivity structure in the city of Burdur, SW Turkey, by vertical electrical sounding measurements // Environmental Geology. 2009. Vol. 57. № 3. P. 571–581.
  16. Gokhan G., Balkaya C., Erhan Z. et al. Investigation of a shallow alluvial aquifer using geoelectrical methods: a case from Turkey // Environmental Geology. 2008. Vol. 54. № 6. P. 1283–1290.
  17. Gokhan G., Balkaya C., Erhan Z. Geophysical investigation of a landslide: the Altindag landslide site, Izmir (western Turkey) // Journal of Applied Geophysics. 2008. Vol. 65. № 2. P. 84–96.
  18. Vinegar H.J., Waxman M.H., Induced polarization of shaly sands // Geophysics. 1984. Vol. 49. № 8. P. 1267–1287.
  19. Hobbs N.B. Mire morphology and the properties and behaviour of some British and foreign peats // Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. 1986. Vol. 19. № 1. P. 7–80.
  20. Riahi M.A., Tabatabaei S.H., Beytollahi A. Seismic refraction and downhole survey for characterization of shallow depth materials of Bam city, southeast of Iran // Journal of the Earth and Space Physics. 2012. Vol. 37. № 4. P. 41–58.
  21. Zainorabidin A., Mohamad H.M. Preliminary peat surveys in ecoregion delineation of north Borneo: engineering perspective // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2016. Vol. 21. P. 4485–4493.
  22. Zainorabidin A., Mohamad H.M. Engineering properties of integrated tropical peat soil in Malaysia // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2017. Vol. 22. №. 02. P. 457–466.
  23. Zainorabidinand A., Mohamad H.M. A geotechnical exploration of Sabah peat soil: engineering classifications and field surveys // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2016. Vol. 21. P. 6671–6687.
  24. Loke M. Electrical imaging surveys for environmental and engineering studies: a practical guide to 2-D and 3-D surveys. 2000.
  25. Loke M. Electrical imaging surveys for environmental and engineering studies: a practical guide to 2-D and 3-D surveys, Res2DInv manual. Cambridge, MA, USA: IRIS Instruments, Academic Publisher, 2001.
  26. Loke M.H., Barker R.D. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method 1 // Geophysical Prospecting. 1996. Vol. 44. № 1. P. 131–152.
  27. Basri K., Talib M.K.A., Ping B.P.A. et al. Comparison of dispersion image resolution acquired using multichannel analysis of surface waves with different source energy and stacking // Proceedings of the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. London, UK: IOP Publishing, June 2020.
  28. Basri K., Talib M.K.A., Jumien L. et al. Influence of source energy and stacking on active MASW method dispersion image // Proceedings of the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Johor, Malaysia: IOP Publishing, August 2020.
  29. Taipodia J., Baglari D., Dey A. Effect of source characteristics on the resolution of dispersion image from active MASW survey // Indian Geotechnical Journal. 2019. Vol. 49. № 3. P. 314–327.
  30. Said M.J.M., Zainorabidin A., Madun A. Data Acquisition Challenges on Peat Soil Using Seismic Refraction. Berlin, Germany: Springer, 2015.
  31. Sudha K., Israil M., Mittal S., Rai J. Soil characterization using electrical resistivity tomography and geotechnical investigations // Journal of Applied Geophysics. 2009. Vol. 67. № 1. P. 74–79.
  32. Ulusay R., Tuncay E., Hasancebi N. Geo-engineering properties and settlement of peaty soils at an industrial site (Turkey) // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2010. Vol. 69. № 3. P. 397–410.
  33. Huat B.B.K., Kazemian S., Prasad A. et al. State of an art review of peat: general perspective // International Journal of Physical Sciences. 2011. Vol. 6. № 8. P. 1988–1996.
  34. Wahab N., Basri K., Talib M.K.A., Rohani M.M. Segregation peat fiber and pre-consolidation pressure effect on the physical properties of reconstituted peat soil // International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT). 2019. Vol. 8. № 6S3. P. 640–647.
  35. Basri K., Talib N., Zainorabidin A. Sub-surface profiling using electrical resistivity tomography (ERT) with complement from peat sampler // Civil Engineering and Architecture. 2019. Vol. 7. №. 6A. P. 7–18.
  36. Sjoberg Y., Marklund P., Pettersson R., Lyon S.W. Geophysical mapping of palsa peatland permafrost // The Cryosphere. 2015. Vol. 9. № 2. P. 465–478.
  37. Michael L., Shane D., L’Heureux J.-S. et al. Relationship between electrical resistivity and basic geotechnical parameters for marine clays // Canadian Geotechnical Journal. 2012. Vol. 49. № 10. P. 1158–1168.
  38. O’Kelly B.C., Pichan S.P. Effects of decomposition on the compressibility of fibrous peat: a review // Geomechanics and Geoengineering. 2013. Vol. 8. № 4. P. 286–296.
  39. Asadiand A., Huat B.B. Electrical resistivity of tropical peat // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2009. Vol. 14. P. 1–9.
  40. Jakalia I.S., Aning A.A., Preko K. et al. Implications of soil resistivity measurements using the electrical resistivity method: a case study of a maize farm under different soil preparation modes at Knust agricultural research station, Kumasi // International Journal of Scientific and Technology Research. 2015. Vol. 4. № 01. P. 9–18.
  41. Huat B.B. Deformation and shear strength characteristics of some tropical peat and organic soils // Pertanika Journal of Science and Technology. 2006. Vol. 14. №. 1-2. P. 61–74.
  42. Koster K., Harting R., Middelkoop H. Characterizing void ratio and compressibility of Holocene peat with CPT for assessing coastal-deltaic subsidence // Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. 2018. Vol. 51. № 2. P. 210–218.
  43. de Heer K., Zainorabidin A., Masirin M.I.M. et al. Estimation of shear wave velocity using 1-D multichannel analysis of surface waves (MASW) and shear modulus of peat // Malaysian Construction Research Journal. 2018. Vol. 24. № 1. P. 1–10.
  44. Mohamad H.M., Zainorabidin A., Razali S.N.M., Zolkefle S.N.A. Assessment for applicability of microwave oven in rapid determination of moisture content in peat soil // Journal of Engineering Science and Technology. 2020. Vol. 15. № 3. P. 2110–2118.

 

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению