ПРЕДИСЛОВИЕ

Состояние любой системы, как известно, определяется тремя ее личными параметрами – объем, давление и температурой. Поэтому в гидрогеологии глубокое и мелкое исследование любого процесса явления требует изучение температурных условий. В последние годы в гидрогеологии, геологии, геохимии и геофизике отмечается проявленный интерес к вопросам гидрогеологии (одному из разделов гидрогеологии), занимающийся изучением закономерностей теплообмена в гидросфере. Круг вопросов, решаемых в гидрогеологии по гидрогеологическим данным, чрезвычайно широк – от параметрического использования тепла недр Земли и прогноза землетрясений по гидрогеотермическим предвестникам до «теплового загрязнения» окружающей среды и магазинирования тепла в водоносных горизонтах.

Для изучения режима и баланса вод на территории ССР создано свыше 100 гидрогеологических и инженерно-геологических режимных партий.

Результаты исследований в различных природных условиях используются как основа для разработки рекомендаций и методов по управлению ресурсами подземных вод, обоснование мероприятий по охране подземных вод от истощения и загрязнения, а также для решения целого ряда задач в области гидрогеологии, гидрологии, геологии, геохимии, геофизики. В обязательный комплекс гидрогеологических исследований, кроме изучения режима уровня подземных вод, включены наблюдения за режимом химического состава в температуре подземных вод, а также ископаемых их горных пород.

Проведение термометрических исследований в гидрологии до настоящего времени регламентируется изданным еще в 1955 г. и конструктивными указаниями «Организация и производство наблюдений за режимом подземных вод», составленными В.Н. Поновых на основе «Методического руководства по изучению режима подземных вод» (1964 г.). За последнюю четверть века достигнут значительный прогресс в вопросах изучения режима температуры подземных вод и использования гидрогеотерметрических данных для решения разнообразных научных и практических гидрогеологических задач. Порой эти данные являются наиболее надежными для решения некоторых важных гидрогеологических задач (например, определение скорости фильтрации через слабопроницаемые слои и др.). Возникли в связи с этим принципиально новые требования к организации и проведению наблюдений за режимом температуры подземных вод. Основные из этих требований, а также методы обработки и использования результатов гидрогеотермических исследований для решения гидрогеологических задач наложены в «Методических рекомендациях по изучению режима температуры подземных вод» [7], которыми практически пользуется в настоящее время большинство гидрогеологических режимных партий Мингео ССР.

Настоящие указания составлены на основе «Методических рекомендаций…» [7] с использованием некоторых положений других методик, руководств, наставлений, научных и методических проработок последних лет. В отличие от методических рекомендаций [7], в которых рассматривается сравнительно полно все вопросы, связанные с организацией и проведением гидрогеотермических исследований, а такие методы решения гидрогеологических данных, в настоящих указаниях главное внимание уделяется составу гидрогеотермических работ. Работа выполнена в лаборатории гидрогеотермии ВСЕГИНГЕО.

Н.М.Фроловым и В.Н. Шкатулкиным при участии В.Б. Чулаевского. В указаниях учтен опыт работы, выполненной в соответствии с «Методическим рекомендациями…» Гидрогеологическими режимными партиями (Латовской, Шамиловской, Воркутинской, Московской и др.).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Вводная часть

1.1.1.Объектом гидрогеотермических исследований является гидросфера, т.е. верхняя твердая оболочка Земли, мощность которой определяется наличием воды в любом агрегатном состоянии.

1.1.2. В результате распространения тепла от экзогенных и эндогенных источников формируется геотемпературное поле. Различают естественное геотемпературное поле и искусственное. Естественное поле формируется горных породах в ненарушенных условиях, когда отсутствует влияние деятельности человека. В отличие от естественного искусственное поле формируется под влиянием деятельности человека, т.е. при воздействии искусственных факторов.

1.1.3. Существует нестационарный и стационарный температурный режим недр. Первый характерен для верхней толщи пород, которая находится под определяющим воздействием поверхностных факторов (изменение температуры дневной поверхности и воздуха, инфильтрации, испарения и т.п.). Здесь наблюдаются периодические или близкие к ним колебания температуры. Выделяются слои суточных, годовых, многолетних, многовековых и геологических изменений температуры; мощность слов определяется тепловыми свойствами пород, длиной периода и величиной амплитуды температуры воздуха на поверхности земли, характером теплообмена (кондукция, конвенция) и др. Ниже слоя, где годовые колебания температуры затухают до пренебрежимо малых величин (<0,10 ⁰С), находится зона практически постоянных температур, которая характеризуется стационарным или близким к нему квазистационарным температурным режимом. В этой зоне температура закономерно увеличивается с глубиной с определенным геотрмическим градиентом, характерным для данных геологотектонических и гидрогеологических условий. В некоторых случаях наблюдаются температурные аномалии, связанные с фильтрацией подземных вод, тектоническими процессами, экзотермическим и эндотермическими реакциями в залежах полезных ископаемых и т.д.

1.1.4. Основными механизмами передачи в породах верхней части земной коры, представляющей наибольший интерес для гидрогеологических исследований, являются теплопроводимость (кондукция) и конвенция (свободная и вынужденная).

1.1.5. На участках земной коры, сложенных плотными, водоупорными породами, в которых практически отсутствует обмен веществом (жидкостью) с поверхностью Земли (скорость фильтрации меньше 10^-8 м/с), теплообмен осуществляется преимущественно молекулярным (кондуктивным) путем. Закономерности затухания поверхностных температурных волн с глубиной определяются первым законом Фурье, а мощность слоя фактических годовых изменений температуры совпадает с глубиной залегания «нейтрального слоя» (закрытый тип гидрогеологического режима по Н.М. Фролову).

1.16. На участках земной коры, сложенных сверху хорошо проницаемыми породами, происходит вертикальный обмен веществом (жидкостью) и энергией (теплом) с поверхностью Земли молекулярно-конвективным путем. Мощность слоя фактических годовых изменений температуры всегда превышает глубину залегания «нейтрального слоя», а разность этих глубин определяется скоростью инфильтрации (открытый тип гидрогеотермического режима по Н.М. Фролову).

1.1.7. На участках земной коры, сложенных толщей пересаливающихся водоупорных к хорошо проницаемых горных пород с наличием у поверхности Земли водоупорного слоя мощностью свыше 30-50 и, верхние (водоупорные) слоя обмениваются теплом с поверхностью Земли молекулярным путем, а нижние через области питания – веществом (жидкостью) в теплом - молекулярно-конвективным путем. Слои фактических годовых изменений температуры имеет сложную структуру. Мощность фактических годовых изменений температуры имеет сложную структуру. Мощность его верхней части снизу ограничивается глубиной залегания «нейтрального слоя», а общая мощность определяется условиями тепло- и масообмена по водоносным горизонтам, имеющим связь с поверхностью Земли за пределами точки наблюдений (комбинированный тип гидротермического режима по Н.М. Фролову).

1.2. Назначение и задачи гидротермических исследований

1.2.1. Результат изучения режима температуры подземных вод и вмещающих их пород позволит следить за изменением физического состояния подземных вод во времени и пространстве, а также решать различные теоретические и прикладные задачи, как в естественных, так и нарушенных условиях. Наиболее гидрогеологическими задачами являются следующие:

– изучение закономерностей изменений температуры горных пород и насыщающих их подземных вод во времени и в пространстве;

– изучение закономерностей теплообмена в системе «атмосфера-литосфера»;

– изучение закономерностей формирования баланса тепла в гидросфере;

– изучение и картирование геотемпературных полей в гидросфере;

– разработка теории и методов гидрогеотермических проливов;

– разработка новых и совершенствование существующих геотермических методов решения гидрологических и геологических задач;

– изучение условий теплового «загрязнения» подземных вод под влиянием антропогенных факторов и разработка рекомендаций по предотвращению нежелательных последствий;

– разработка методов «магазинирования» тепла в водных горизонтах и т.д.

1.2.2. Естественные условия. Данные о режиме температуры подземных вод и вмещающих их пород можно использовать, решив следующие задачи:

– районирование СССР по температурному режиму зоны проходки и подземных вод;

– выявление областей изучения и определение интенсивности разгрузки подземных вод;

– изучение условий воздействия поверхностных и подземных вод, определение радиуса дренирующего влияния рек и др.;

– мерзлотно-гидрогеотермическое картирование;

– определение и оконтуривание скрытых очагов разгрузки подземных вод;

– выявления участков и интенсивности субаквальной разгрузки подземных вод;

– определение зон разгрузки грунтовых вод испарившихся в западных районах;

– прогноз землетрясений;

– оценка протекания и проницаемости различных водоносных горизонтов слабопроницаемых слоев;

– оценка конвективной составной тепловых потоков в недрах Земли;

– послойное гидрогеодинамического расчленение разрезов скважин;

– поиски и разведка термальных вод.

Перечисленные задачи могут быть успешно решены при комплексном изучении следующих основных закономерностей:

– связей режима температуры подземных вод и горных пород с экзогенными факторами (климатом, рельефом, растительностью, геоморфологией и т.п.);

– связей режима температуры с эндогенными факторами (перетоки подземных вод, магматические и метаморфические процессы, эндо- и экзотермические процессы в залежах полезных ископаемых, тектонические тела и процессы и т.п.).

1.2.3. Нарушение хозяйственной деятельностью человека условий. В этом случае могут быть решены следующие практические задачи:

– оценка фильтрационных свойств пород зоны аэрации методами искусственного геотемпературного поля;

– определение фильтрационных потерь из искусственных водоемов и водотоков;

– оценка величины инфильтрационного потока на орошенных массивах и определение скорости фильтрации при промывках;

– оценка действительной скорости фильтрации в зоне полного насыщения;

– выявление и оценка наиболее водообильных горизонтов, а также прогноз температуры воды на действующих водозаборных сооружениях;

– определение скорости фильтрации через земляные плотины и дамбы, а также выявление путей при обходной фильтрации;

– выявление наиболее продуктивных горизонтов при сжатых откачках.

1.2.4. Кроме перечисленных гидрогеологических задач, широкая сеть наблюдательных пунктов создает предпосылки для решения ряда общих изученных и практических задач в области геологии, геофизики, гидрологии, метеорологии и др.

1.3. Процессы организации и размещения сети наблюдательных скважин

1.3.1. Основой для многолетних наблюдений за режимом температуры подземных вод и гонных пород является существующая сеть режимных скважин. При проектировании новых скважин для гидрогеотермических исследований должны учитываться при их размещении особенности формирования гидрогеотермического режима и особенности исследований. В зависимости от назначения (решаемых задач) наблюдательная сеть гидрогеотермических скважин разбивается на три категории (опорная сеть первого порядка, второго и специальная)^х).

1.3.2. Опорная сеть первого порядка создается для изучения многолетних закономерностей формирования гидрогеотермического режима и разбивается на базе гидрогеотермического районирования территории, которое на первом этапе в свою очередь осуществляется на основе геолого-гидрогеологического районирования. Сеть скважин должна охватывать все основные типы гидрогеотермического режима (закрытый, открытый и комбинированный). Крупные элементы артезианских бассейнов первого и второго порядка (области питания, напора и разгрузки), а также создаваться с учетом геоструктурных особенностей территории, литологического состава пород зоны аэрации и зоны насыщения.

Число опорных скважин может быть невелико и в простых гидрогеологических структурах ограничивается 3-5: глубина их определяется возможной глубиной залегания водоносных горизонтов (желательно вскрыть породы фундамента). В отдельных районах с редкой сетью скважин в число опорных температурных следует исключать все скважины, выбранное для изучения многолетнего режима уровня, за исключением тех, в котором изучается режим химического состава подземных вод.

1.3.3. Наблюдательная сеть второго порядка разбивается для решения конкретных научных и практических задач, поставленных перед гидрогеологическими партиями, требуемых значения температуры подземных вод и вмещающих пород. Для организации сети второго порядка проводят районирование территории с учетом следующих факторов: условий формирования вод зоны активного водообмена (характер взаимосвязи подземных вод с поверхности водоемами и водотоками, особенности взаимодействия водоносных горизонтов); геоморфологических особенностей; мощности зоны аэрации; климатических (рациональный баланс и естественная увлажненность пород) и ландшафтных условий; влияния хозяйственной деятельности человека.

_______________________

^х)Общепринятой классификации категорий наблюдательной гидрогеологической сети нет.

Число скважин наблюдательной сети зависит от сложности природных условий и определяется количеством выделенных таксонов районирования наиболее низкого порядка (по одной скважине на каждый таксон). При простых геолого-гидрологических и физико-географических условиях или слабо изученности (когда число таксонов районирования не велико) наблюдательные скважины располагается равномерно по площади из примерного расчета Iскважины на 700-1000 кв. км. (в хорошо обнаженных районах).

1.3.4. Специальная (целевая) наблюдательная сеть разбивается для решения определенных задач, которые периодически ставятся перед гидрогеологической режимной партией, как разовое задание для решения какого-либо практического вопроса. Специальная сеть скважин в отличие от двух предыдущих может носить временный характер и создаваться в каждом конкретном массиве. Расположение скважин специальной сети должно планироваться в отдельных программах и проектах работ.

1.4. Требования, предъявляемые к наблюдателям точки для изучения режима температуры подземных вод

1.4.1. Изучение режима температуры подземных вод и гонных пород может проводиться в скважинах и родниках. На каждую наблюдательную точку должен быть оформлен паспорт. Рекомендуемая форма паспорта введена в приложение 1.

1.4.2. Скважина, выбираемая для наблюдения за режимом температуры подземных вод, должна отвечать следующим требованиям:

– конструкция ее должна исключать воздействие водоносных горизонтов;

– она не должна фонтанировать, в противном случае температурные данные будут представлены лишь для вскрытой части водоносного горизонта;

– она должна быть выдержана достаточное время в покое после бурения или откачки, ориентированная длительность покоя скважин для восстановления естественного температурного режима указана в приложении 2.

– в ней не должны проводиться скрытые работы, приводящие к изучению естественного режима (откачки, желанирование и т.п.);

– в криолитозоне скважина должна быть сухой или заполнена жидкостями с низким температурами замерзания (крепкие рассоли, нефть и нефтепродукты).

1.4.3. родник должен быть оборудован каптаком, позволяющим измерять температуру воды непосредственно в месте выхода ее на поверхность земли.

2. МЕТОДИКА ПРОИЗВОДСТВА НАБЛЮДЕНИЙ

2.1. Виды наблюдений

2.1.1. При гидрогеотермических исследованиях проводят разовые и систематические замеры температуры. Разовые замеры температуры проводятся при решении частных гидрогеологических задач. Изучение закономерностей изменения температуры подземных вод по времени, т.е. их режима, требует проведения систематических наблюдений. Они не только дают более полную информацию о температурном режиме недр земли, но и являются основой для более полного и достоверного решения всех перечисленных ранее задач, хотя в некоторых случаях достаточно и разовых замеров. Вопрос о продолжительности наблюдений, количестве замеров в шаге между ними должен решаться на специальной сети в каждом конкретном случае особо с учетом поставленных задач и необходимости получения достаточного количества опытных данных. На опорной сети первого и второго порядка наблюдения проводятся строго в соответствии с излагаемыми ниже указаниями.

2.1.2. Термометры (ртутные или электрические) могут находиться в скважинах постоянно (стационарная аппаратура) на заданных глубинах (что не требует предварительной их выдержки) или спускаться периодически только на время (переносная аппаратура).

2.2. Глубина измерений

2.2.1. Измерения температуры ведутся по всему стволу скважины независимо от характера заполнителя внутрискважинного пространства.

2.2.2. При использовании переносной аппаратуры, измеряя температуры, ведется при спуске термометров (от устья скважины к ее забою).

2.2.3. Измерения температуры проводятся:

– на гидрометеоролических постах в случае переменных температур на глубинах 0,2; 4,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,4; 3,2; и в соответствии с наставлением [11].

– до глубины 40 м с интервалом 2,5 м, начиная с глубины 2,5 м т.е. 2,5; 5,0; 7,5…35,0; 37,5; 40,0;

– ниже 40м – на глубинах 50, 75, 100, 125, 150, 200, 200, 300, 350, 400 и далее через 100 м до забоя;

– в пределах каждого водоносного и водоупорного горизонта измерения температуры должны проводиться дополнительно не менее чем в трех точках – одна в середине горизонта и по одной на расстоянии 1,0-2,5 м от кровли и подошвы (желательно на равном расстоянии от середины).

2.2.4. Замеры температуры в роднике проводятся в струе водоема непосредственно в месте выхода на поверхность или на глубине 2,5 м при открытом каптаже.

2.2.5. Измерения температуры сопровождаются замерами уровня подземных вод или дебита (до и после термометрических работ), а также измерения температуры воздуха.

2.2.6. Замеры температуры воды в реках и водоемах проводятся в соответствии с наставление ГУГМС в те же сроки, что и замеры температуры подземных вод.

2.3. Сроки измерений

2.3.1. Частота измерений температуры горных пород и подземных вод в наблюдательных точках сети первого и второго порядка определяются необходимостью оценки величин суточных, годовых и численных амплитуд температуры, а также времени наступления ее экстремальных значений, уточнения длины периода температуры воды и «нулевого времени» (время пересечения восходящей кривой средней температуры за соответствующий период).

2.3.2. Для определения суточных изменений температуры замеры проводятся 5 раз в сутки (в 7, 13, 19, 1 и 7 часов). В дальнейшем изучение суточного режима в первый год наблюдений на наблюдательной точке проводятся ежемесячно с интервалом 18 ч и между замерами. В последующие годы осуществляется один цикл наблюдений, состоящий из двух замеров, с 18-часовым интервалом между ними, раз квартал.

2.3.3. Для определения закономерностей годовых изменений температуры замеры проводятся один раз в месяц в течении первого года наблюдений. В последующие годы – один раз в квартал (январь, апрель, июль, октябрь).

2.3.4. Сроки наблюдений в скважинах и родниках специально сети зависит от характера решаемых задач и продолжительности работ. Определение величины суточных изменений температуры является обязательным во всех случаях (два замера с интервалом во времени 18 часов).

2.4. Порядок измерений

2.1.4. Температура горных пород и подземных вод может измеряться ртутными и электрическими термометрами, одиночными и скомплектованными в связки или «косы» - не более 5 ртутных в связке и любое количество электрических термометров в одной «косе» [9].

2.4.2. Перед началом измерений проводятся экспериментальное выделение выдержки (экспоненция) термометров – времени, в течении которого термометр должен находиться в точке измерения, чтобы полученный отсчет характеризовал истинную температуру окружающей среды.

2.4.3. Выдержка определяется для каждого термометра. Для этого выбирается скважина, разрез которой до глубины 30-40 м Ис ложен слабопроницаемыми породами, е.е. где можно предполагать стабильность температуры в течении 1-2 суток. Молекулярные температуры спускают на глубину более 20 м и проводят серии измерений с последовательным увеличением выдержки до 1, 2, 3, 4, 5 … часов – для ртутных термометров и терморезисторов и до 30, 60, 90 мин для ртутных термометров в воде. Время, по истечении которого показания термометров не меняется, есть время их выдержки. Общее время выдержки термометрической связки или «косы» равно выдержке термометра с максимальной выдержкой, включенного в испытуемую «косу» (связку).

2.4.4. Измерения температуры связкой ртутных термометров в скважине производятся бригадой не двух человек (техник и рабочий) в следующем порядке:

2.4.4.1. Замеряют температуру воздуха и уровень (дебит) подземных вод в скважине.

2.4.4.2. Если используется переносная связка термометров, то в укомплектованной связке с известной выдержкой проверяют состояние каждого термометра, а затем конец кабеля или шнура закрепляют на устье скважины до начала спуска термометров.

2.4.4.3. В полевую книжку записываются номера термометров, глубина и время их спуска.

2.4.4.4. При расчете глубин опускания обязательно учитывается высота оголовка скважины (отсчет ведется от поверхности земли, а не от среза обсадной трубы).

2.4.4.5. Выдерживают термометры в скважине в соответствии с определившейся ранее выдержкой скважины (2.4.3.).

2.4.4.6. Записав в книжку время подъема, быстро поднимают термометры в прядке обратном спуску, т.е. начинают с термометров располагающихся ближе к поверхности земли.

2.4.4.7. При появлении первого термометра (остальные должны находиться в скважине) берут его за верхнюю часть и, не касаясь ртутного резервуара, помешают ртутный мениск на уровне глаз. Отсчет снимают, повернувшись лицом к источнику света.

2.4.4.8. Наблюдатель громко и четко начинает отсчет, передает термометр рабочему и быстро вынимает следующий термометр.

2.4.4.9. Рабочий записывает отсчет в полевую книжку (приложение 3), принимает от наблюдателя термометр, проверяет пожелания от избежания грубых ошибок и складывает термометры в безопасное место.

2.4.4.10. После снятия отсчетов по всем термометрам при необходимости их вновь опускают в скважину.

2.4.5. Измеряя температуры электротермометрами проводятся в следующем порядке.

2.4.5.1. Осматривают мост постоянного тока типа МО-62;

– устанавливают корректором стрелку гальванометра на «О»;

– при использовании внутреннего источника питания и гальванометра переключатель «ПП» устанавливают соответственно в положении «ГВ»;

– при измерении зажим «» должен быть соединен перемычкой с рядом расположенным металлическим зажимом.

2.4.5.2. Проверяют работоспособность каждого электротермометра (для устранения возможных обрывов или короткого замыкания) и проводят операции, указанные в пунктах 2.4.4.1.; 2.4.4.2; 2.4.4.3.; 2.4.4.4; 2.4.4.5.

2.4.5.3. По истечении времени выдержки подключают поочередно электротермометры к измерительному мосту постоянного тока и измеряют общее сопротивление (R_об) каждого электротермометра в соответствии с прилагаемой к прибору инструкцией (мост постоянного тока МО-62, 1974), а результат записывают в полевую книжку (приложение 4).

Для увеличения точности наблюдений за стрелкой гальванометра применяется двух - четырехкратная лупа, устанавливаемая на подставке.

2.4.5.4. Измеряют сопротивление подводящих проводов и результаты записывают в полевую книгу.

2.4.5.5. Повторно измеряют общее сопротивление каждого электротермометра и результат записывают в полевую книжку (во избежание ошибок в отсчете и записи).

2.4.5.6. При необходимости опускают электротермометры на следующую серию глубин, не вынимая их на поверхность.

2.4.5.7. при измерениях температуры электротермометрами могут быть следующие неисправности:

– При собранной электронной схеме и нажатие на кнопку «Грубо» стрелка гальванометра не откланяется:

Причина	Устранение
«Сели» батареи питания	Отвернуть крышку моста с обратной стороны и заменить батареи
Окислились контакты кнопки переключателя гальванометра	Несколько раз переключить тумблер из положения «ТН» в «ТВ» и обратно

– При нажатии на кнопку «Грубо» стрелка гальванометра отклоняется вправо и вращением рукояток переключателей к положению «О» не подводится. Это указывает на разрыв в цепи (плохой контакт в гнездах разъема «термокосы», обрыв провода). Необходимо проверить электрическую схему.

– При нажатии на кнопку «Грубо» стрелка гальванометра отклоняется влево и вращением рукояток переключателей к положению «О» не подводится. Это указывает на наличие короткого замыкания в электрической цепи (нарушение гидроизоляции проводов; замыкание проводов в месте пайки к разъему).

– При нажатии на кнопку «Грубо», а затем «Точно» стрелка гальванометра устанавливается на «О». Однако при отпускании кнопки «Точно» стрелка гальванометра отклоняется на несколько делений («плавание» стрелки). Это указывает на нарушение гидроизоляции в месте заделки электротермометра в гильзу или в проводе. Необходимо определить место нарушения гидроизоляции и провести ремонт.

ВНИМАНИЕ. Без предварительного подбора сопротивления кнопкой «Точно» пользоваться запрещается во избежание выхода из строя стрелки гальванометра. Работать мостом при влажности более 80% не разрешается, а при атмосферных осадках прибор защищается зонтом (палаткой). При транспортировке гальванометр моста должен быть отключен, для чего необходимо переключатель поставить в положении «ГН».

2.4.6. По окончании измерений температуры проводят повторное измерение уровня (дебита) подземных вод.

2.4.7. Замеры температуры в одной и той же скважине должны проводиться одним наблюдателем, одним и тем же термометром на заданной глубине. При смене наблюдателя или замене термометра делается двойной замер на одной и той же глубине (разными наблюдателями или разными термометрами), а в полевой книжке делается соответствующая запись.

2.5. Термометрическая аппаратура

2.5.1. Из большого количества различных видов термометров при гидрогеотермических исследованиях используются в основном ртутные термометры и электротермометры.

2.5.2. Их числа серийно выпускаемых отечественной промышленностью ртутных термометров наиболее предпочтительными являются срочные термометры с ценой деления шкалы 0,2⁰С (марки ТМ-10, почвенно-глубинные, родниковые и др.), позволяющие при определенном навыке или использовании оптической насадки получать разницу в отсчетах с точностью ±0,02⁰С и абсолютное значение температуры с точностью ±0,1⁰С. Для поверки и термировки всех видов термометров используются образцовые равноделенные ртутные термометры марки ТР с ценой деления шкалы 0,01-0,05⁰С.

2.5.2.1. Достоинства ртутных термометров заключается в простоте, а также в том, что отсчет снимается в градусах Цельсии и его можно проверить на месте.

2.5.2.2. Основные недостатки ртутных термометров следующие:

– невозможность дистанционного снятия отсчетов;

– необходимость предварительного «заленивливания» термометров и, как следствие этого, значительное увеличение выдержки в скважине;

– ртутные термометры часто выходят из строя (бьется и т.д.);

– удобные для использования в полевых условиях ртутные термометры отличаются невысокой точностью (цена деления шкалы 0,1-0,2⁰С), и образцовые (цена деления шкалы до 0,01⁰С) пригодны лишь для работы в лабораторных условиях, так как слишком хрупки и дороги.

2.5.3. Ртутные термометры требуют предварительной подготовки, которая заключается в изготовлении оправ и их «заленивливании», что повышает механическую прочность термометров и сохраняет неизменность температуры с момента подъема до момента отсчета.

2.5.3.1. В качестве оправы используются стандартные гильзы марки ОТ-1 или изготавливается специально по их образцу.

2.5.3.2. Вместо пустотелого нижнего резервуара оправы ОТ-1 изготовляются гильза-наконечник длиной 120-150 мм диаметром 25-27 мм или стакан длиной 80-100 мм и диаметром 70-80 мм.

2.5.3.3. Гильза-наконечник навинчивается на оправу и «заленивленный» таким образом, термометр, в котором ртутный резервуар окружен воздухом, позволяет измерить температуру в воздухе до глубины 100 м в столбе воды до 10-20 м.

2.5.3.4. При измерениях в скважинах с высотой столба воды от 0 до 70 м на оправу навинчивается стакан, предварительно заполненный древесными опилками, пропитанными смесью парафина и сургуча (1:2).

2.5.3.5. Для предотвращения попадания воды в наконечник (стакан) все стыки и зазоры оправы с термометром тщательно промываются менделеевской замазкой или заливаются парафино-сургучной смесью.

2.5.3.6. После «заленивливания» термометры комплектуют в связки определяют время ее выдержки.

2.5.3.7. Для каждого термометра по паспортным данным строится график поправок (приложение 5).

2.5.4. Электротермометры, из числа, которых наиболее широко используются терморезисторы (типа ММТ, КМТ и др.) имеет по сравнению с ртутными одно важное преимущество – возможность дистанционного измерения температуры с высокой точностью.

2.5.5. Подготовка терморезисторов заключается в их «старении», экипировке, заделки в гильзы и гидроизоляции.

2.5.5.1. «Старение» осуществляется путем многократного нагрева терморезисторов до 100⁰С и последующего охлаждения. Терморезисторы, показания которых пи одной и той же температуре до и после «старения» изменилось более чем на 5%, выбраковываются.

2.5.5.2. Тарировка терморезисторов осуществляется в специальных термостатах с помощью образцовых ртутных термометров марки ТМ-10. Количество реперных точек для интервала 30-40⁰С должно быть не менее 5. По трем точкам (начало, середина и конец интервала) с помощью аналитических зависимостей на ЭВМ рассчитываются тарировочные таблицы, позволяющие величину сопротивления переводить в градусы (приложение 6). Для составления пересчетных таблиц на ЭВМ температура при калибровке должна измеряться в реперных точках с точностью до ±0,001⁰С. Оставшиеся точки используются для контроля качества тарировки и расчета таблиц. Допускается тарировка с интервалом 1,0-1,5⁰, что позволяет составлять пересчетные таблицы или графики «вручную», пользуясь методом линейной интерполяции между двумя соседними замерами.

2.5.5.3. Оттарированные терморезисторы припаивают к соединительным проводам, предварительно измерив и записав в журнале сопротивление каждого провода. При изготовлении «термокос» каждый датчик и место соединения его с проводами изолируется полиэтиленовыми капсулами, и заливаются водо- и электроизолирующим составом (эпоксидные смолы, твердый глен и др.). Место разреза кабеля тщательно гидроизолируется наложением многих слоев резины (хлориново-виниловой ленты). При изготовлении одиночных датчиков используются различного вида гильзы (латунные, дюралевые), позволяющие надежно герметизировать места соединения проводов и сами датчики. Нижняя часть гильз, где находится терморезистор, заливается трансформаторным маслом для уменьшения инерционности термометра.

2.5.5.4. «Термокосы» и одиночные электротермометры оснащаются разъемами на свободном конце кабеля и переключателями. Переносные термометры монтируются в комплекте с малогабаритными лебедками.

2.5.5.5. Измерение сопротивления терморезисторов осуществляется измерительными мостами типа МО-62, класс точности которых не менее 0,2.

2.5.5.6. В последние годы Комплексная гидрогеологическая экспедиция ВСЕГИНГЕО выпускается малыми сериями термокосы, вулканизацию которых выполняют в Центральной геофизической партии Мингео СССР в г. Бугульме.

2.6. Проверка термометрической аппаратуры

2.6.1. Все термометры, используемые при гидрогеотермических исследованиях, должны подвергаться регулярной контрольной проверке не реже одного раза в год, а также после любого ремонта. Проверка заключается в установлении стабильности показания термометра. Она осуществляется как в лабораторных условиях, так и в полевых.

2.6.1.1. Проверка термометров включает следующие операции:

– внеземной осмотр;

– испытание защитной оболочки на влагопроницаемость;

– проверка сопротивления изоляций защитной оболочки;

– аттестация на определение значения R₀;

– проверка воспроизводимости показаний;

– проверка времени выдержки.

2.6.1.2. При проверке в лабораторных условиях все термометры помещаются в термоизоляционную камеру (термостат, термометр и т.п.). и показания испытуемых термометров сравниваются с показателями эталонного термометра. Эталонным термометром может служить непосредственно образцовый термометр типа ТР или терморезистор, особо качественно отградуированный перед минимальной и максимальной температурах в пределах ожидаемого диапазона измерений.

2.6.1.3. При проверке в полевых условиях одиночный термометр смещают вместе с эталонным термометром на глубину свыше 25-30 м в интервале с заведомо стабильной (во времени) температурой. После соответствующей выдержки измеряют одновременно температуру испытуемым термометром и эталонным. Разница в показаниях составит поправку к поверяемому термометру и с соответствующим знаком она должна вноситься в результаты непосредственных измерений.

2.6.1.4. Термокосы и связки ртутных термометров следует повторять в полевых условия одним из двух методов Н.М. Фролова «лесенка» и «вертикаль». Сущность метода «лесенка» заключается в том, что «косой» проводят два последовательных измерения температуры всеми датчиками, сдвигая после первого замера датчики на расстояние, равное шагу между датчиками (2,5 м). Эталонный термометр помещают на одной из любых глубин, где находится один из датчиков «косы». Располагая результатами отсчетов по трем термометрам на одной глубине (эталонному и двум поверяемым), рассчитывают поправки последовательно для каждого термометра относительно эталонного термометра путем постепенного перехода по глубине от одного термометра к другому (приложение 7).

Второй метод «вертикаль» используется в хорошо изученных скважинах со стандартным геотемпературным режимом при градиенте температуры, равном нулю или строго постоянной его величиной при глубине. В этом случае на каждой глубине, где помещается любой их поверяемых термометров «косы», температура уже известна по вертикали в пределах всего интервала размещения «косы», поэтому остается только сравнить показания поверяемого термометра с известной температурой на соответствующей глубине и определить поправку (приложение 8).

2.6.2. Поверка электроизмерительных приборов ежегодно проводится в специализированных метрологических организациях.

2.7. Контроль работы наблюдательной сети

2.7.1. Качество гидрогеотермических исследований зависит от четкого и безусловного выполнения всех указаний по производству наблюдений непосредственными исполнителями, состояния наблюдательной сети и состояния измерительной аппаратуры.

2.7.2. Наблюдатель обязан при каждом измерении температуры в скважине делать на специальной бирже, постоянно находящийся в скважине, записи о дате последних измерений, температуре на забое скважины и уровне подземных вод.

2.7.3. Работа наблюдателей должна регулярно контролироваться инженерным персоналом партии, для чего производится объезд термометрических скважин не реже одного раза в квартал с осмотром наблюдательных точек и их оборудования и производством контрольных замеров температуры. О результатах проверки делают записи в полевой книжке и паспорте наблюдательной точки.

2.7.4. В случае обнаружения повреждения скважины или приборов, засорения наблюдательных точек наблюдатель при невозможности исправления дефицита собственными силами и средствами немедленно сообщает непосредственному начальнику, которые принимает необходимые меры по устранению повреждений.

3. ДОКУМЕНТАЦИЯ И ОБРАБОТКА ГИДРОГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ДАННЫХ

3.1. Примечание документации

3.1.1. Первичная документация осуществляется путем регистрации результатов наблюдений в полевой книжке (см. приложение 3 и 4) и полевом журнале.

3.1.2. Полевая книжка заполняется наблюдателем непосредственно на наблюдательной точке. Помимо записи показаний приборов наблюдатель определяет величину поправки к ртутным термометрам, рассчитывает температуру в точке по формуле Т_ск=Т_{отсчета}±Δ, где Δ = поправка; для электротермометров вычисляют величину истинного сопротивления терморезисторов и по пересчетной таблице (приложение 6) определяет температуру пород подземных вод.

3.1.3. Записи полевой книжке обязательно дублируются записями в полевом журнале, в котором дополнительно приводятся данные о координатах наблюдательного пункта, конструкции скважин, времени окончания бурения и начале наблюдений, периоде покоя скважины, ее геологическом разрезе и гидрогеологических условиях.

3.1.4. Полевой журнал ежемесячно (ежеквартально) высылается на базу партии для последующей обработки.

3.1.5. Законченные полевые книжки и журналы хранятся в фондах гидрогеологической режимной партии.

3.2. Первичная обработка и оценка качества данных

3.2.1. Первичная обработка заключается в составлении таблиц результатов наблюдений за режимом температуры подземных вод и горных пород (приложение 9 и 10). В таблицах при расчете величин изменений температуры (за сутки, год) должны приниматься максимальные и минимальные значения температур за расчетный период. Изменения температуры берутся по абсолютной величине.

3.2.2. Графики наблюдений за режимом температуры подземных вод и горных пород (приложение 11) составляют по данным таблиц наблюдений. На графике располагается геологическая колонка с указанием геологического разреза скважин и гидрогеологических условий. Справа от колонки строятся кривые изменений (суточных, годовых, многолетних) температуры по глубине, слева – термометры (абсолютные значения температуры) с указанием даты измерений. Рекомендуются следующие масштабы: по вертикали (шкала глубин) – в 1 см 0 5 м, по горизонтали – для термограмм в 2 см 1⁰ С, для измерений температуры 1 см 0,1⁰; ширина геологической колонки – 2 см.

3.2.3. Выполнение всех указаний по производству наблюдений обеспечивает получение термометрической информации высокого качества. Однако в ряде случаев, особенно на первых этапах гидрогеотермических исследований, возникает необходимость оценки качества получаемых данных.

3.2.4. Оценка качества термометрических материалов осуществляется методом, учитывающим период покоя скважины, графическим способом, методами математической статистики и способом сравнения измеренной температуры «нейтрального слоя» (Н.М. Фролов 1973, 1976). Наиболее достоверным является метод оценки по температуре «нейтрального слоя», при котором замеренная температура на глубине 25 м сравнивается с температурой в этой точке, полученной по карте геоизотерм. Другие методы дают менее точную оценку качества информации, и требует наличие большого объема фактических данных.

3.3. Подготовка гидрогеотермических данных для машинной обработки и хранения в автоматизированных информационных системах

3.3.1. Общий порядок сбора, обработки, хранения и выдачи информации в автоматизированных системах будет регламентироваться соответствующими инструкциями. В настоящее время следует руководствоваться «временным методическим руководством» [1].

3.3.2. Все данные по термометрическим скважинам режимной партии и других организаций, проводивших гидрогеотермические исследования на данной территории, сводятся в «Каталог» (приложение 12), помещаемые в отчете.

3.4. Вторичная обработка данных и их интерпретация

3.4.1. Дальнейшая обработка данных проводится картографическими [7,15] и машинными методами [6]. В первом случае создаются так называемые модели первого уровня – серии гидрогеотермических карт и профилей, отражающих границы изучаемого объекта, его свойства, а также характер процессов, протекающих внутри объекта и условия его взаимодействия со смежными объектами. Обязательными являются карты геоизотерм на глубинах 25, 125 и 250 м, составляемые по специальной методике (Н.М. Фролов, 1973, 1976), а также карты градиентов температуры для интервалов 25-125, 125-250 и 25-250 м.

При использовании вычислительных машин создается аналоговые, цифровые или гибридные модели так называемого второго уровня, которые также имитируют границы, свойства и условия взаимодействия элементов объекта. Преимущество изученных методов заключается в возможности рассмотрения процессов во времени с широки использованием количественных оценок к составлению прогнозов.

3.4.2. Интерпретация гидрогеотермических данных и составление гидрогеотермических прогнозов является следующей стадией познания объекта, его свойств и протекающих в них процессов. Рассмотрению этих вопросов посвящена специальная литература [6, 7, 15, 2].

3.4.3. Основными параметрами при гидрогеотермических исследованиях, кроме температуры, является градиент температуры, теплофизические свойства горных пород, тепловой поток молекулярный (кондуктивный), тепловой поток конвективный и тепловой поток суммарный. Эти параметры используются для решения многих научных и практических задач из области геологии, гидрологии и геофизики.

3.4.3.1. Геотермическим градиентом называется величина увеличения температуры на единицу глубины:

где Г – градиент температуры, ⁰С/м; Т₁ и Т₂ – температура на глубинах Н₁ и Н₂ соответственно.

Геотермической степенью Gназывается величина приращения глубины (м) при увеличении температуры на I⁰C:

3.4.3.2. Основными теплофизическими параметрами являются коэффициент молекулярной (кондуктивной) теплопроводности λ (количество тепла, протекающего без перемещения вещества в единицу времени через единицу поверхности при перепаде температур на единицу длины нормали, равном одному градусу); коэффициент молекулярной температуропроходимости а (комплексный параметр, характеризующий скорость изменения температуры единицы объема горных пород за единицу времени в результате обмена теплом с окружающей средой молекулярным путем при отсутствии движения подземных вод); удельная теплоемкость горных пород (с) и воды с₀), а также плотность горных пород (ρ) и воды (ρ₀). Эти параметры связаны между собой следующим соотношением:

а.

Горные породы	Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м·⁰С
Горные породы	пределы колебаний	среднее значение
Глины	06-2,7	1,4
Мергели	1,0-2,7	2,1
Песчаник	0,2-3,4	2,2
Известняк	0,6-3,1	2,2
Гранаты	1,5-3,6	2,5

Существующие лабораторные методы определения теплофизических свойств горных пород обеспечивает более высокую точность данных. Однако организация лабораторной базы и проведение измерений требует специальных знаний и высокой квалификации. Кроме того, пока не существует стандарта на производство теплофизических исследований в гидрогеотермии [2, 10]. Образцы для определения теплофизических свойств отбираются и консервируются по обычной методике, применяемой в инженерной геологии.

3.4.3.3. Согласно основному закону теплопроводности Фурье плотность молекулярного теплового потока qпрямо пропорционально градиенту температуры:

Q= -λГ.

3.4.3.4. Суммарный перенос тепла, осуществляемый молекулярной теплопроводимостью в движущихся подземными водами (вынужденная конвекция), описывается следующей формулой:

q_сум= qкg+qкВ = -λГ+VС₀ρ₀t,

где V– скорость фильтрации подземных вод.

3.4.4. Пересчет величины параметров из одной системы единиц в другую производится с помощью следующих пересчетных коэффициентов:

Величина	Техническая система единиц	CGS	СИ
Коэффициент теплопроводимости λ	1 ккал/м·ч·град		1,163 Вт/м·град
	360 ккал/м·ч·град		418,68 Вт/м·град
	0,8598 кал/м·ч·град		1 Вт/м·град
Коэффициент температуропроходимости а	1 м²/ч	2,778 м²/с	277,787·10^{-6 м2}
	0,36 м²/ч	1 м²/с	1·10^-4 м²/с
	3600 м²/ч	10⁴ м²/с	1 м²/с
геотермический градиент r	1 град/м	1·10^-2 град/см	1 град/м
Тепловой поток q	1 ккал/м²		1,63 Вт/м²
	3,6·10⁴ ккал/м²·ч		4,1868·10^-4 Вт/м²
	0,8598 ккал/м²·ч		1 Вт/м²

3.4.5. Все гидрогеодинамические параметры приводятся к единой комнатной температуре (18⁰С) по формуле:

где ТП – температурная поправка = 1+0,0337t+0,00221t²;

К_иск и К_факт – коэффициенты фильтрации соответственно при искомой фактической температурах;

t– температура, ⁰С.

Температурную поправку можно найти также по графику (приложение 13).

4. СОСТАВЛЕНИЕ ПРОЕКТА И СМЕТЫ

4.1. Составление проекта

4.1.1. Проект на ежегодные работы действующих гидрогеологических партий составляется в соответствии с «Инструкцией по проектированию геологоразведочных работ» [3], работы по изучению режима температуры в проекте рассматриваются как один из видов исследований.

4.1.2. В тех случаях, когда гидрогеотермические исследования несет самостоятельный характер, на них в соответствии с указаниями в инструкции составляется отдельный проект работ, который должен содержать или его раздел «Гидрогеотермические исследования». В разделе «Гидрогеотермические исследования» освещаются следующие дополнительные виды работ:

– замеры температуры;

– отбор и консервация образцов для определения теплофизических свойств горных пород;

– лабораторные определения теплофизических свойств горных пород.

4.1.3. При проектировании гидрогеотермических работ определяется количество пунктов наблюдений, расстояний между ними, данные об оборудовании наблюдательных пунктов, о характере наблюдателей, чистоте и глубинах замеров.

4.1.4. При проектировании опробовательских работ определяются виды, объемы и способы отбора, а также консервации образцов для определения теплофизических свойств. Обосновываются размеры и вес проб, указываются методы определения тепловых параметров.

4.1.5. Для лабораторных исследований указываются виды, состав и объем работ. Обосновывается объем анализов, направляемых на высший контроль и указывается лаборатория, которая будет проводить эти анализы.

4.2. Составление сметы

4.2.1. Порядок составления смет на производство работ по изучению режима температуры регламентируется «Инструкцией по составлению смет на геологоразведочные работы» [4].

4.2.2. Сметы на геологоразведочные работы, обеспечивающие исследования по изучению режима температуры, составляется по справочнику укрупненных проектно-сметных нормативов (СУСН) на геологоразведочные работы с учетом дополнений и разъяснений к нему, издания Мингео СССР.

4.2.3. Сметная стоимость работ по непосредственному изучению режима температуры рассчитывается по «Временным укрупненным проектно0-сметным нормативам на гидрогеологические и инженерно-геологические работы, не предусмотренные СУСном» [1].

4.2.4. сметная стоимость работ по отбору и консервации образов рассчитывается по таблице 46, 47, и 98 СУСН, вып. 7 [16]. Стоимость работ по определению тепловых свойств гонных пород, выполняемых специализированными лабораториями НИИ, рассматриваются по расценкам, утвержденным этим НИИ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Временное методическое руководство по автоматизированной системе обработки материалов наблюдений за режимом подземных вод. Общие вопросы работы системы. Сост. Н.В.Садов, М.: ВСЕГИНГЕО, 1976.- 96 с.

2. Временное укрупнение проектно-сметные нормативы на гидрогеологические и инженерно-геологические работы, не предусмотренные СУСном. М., 1977, с. 61-68.

3. Геотермические методы исследований и гидрологии. Коллектив авторов. Отв. ред. Н.М. Фролов. М.: Недра, 1979.

4. Инструкция по проектированию геологоразведочных работ. Приложение 1 к приказу министра геологии от 29.01.75 № 36, М., 1975.

5. Инструкция по составлению смет на геологоразведочные работы приложение 2 к приказу министра геологии от 29.01.75 № 36, М.,1975.

6. Лялько В.И. Методы расчета тепло- и массопереносы в земной коре (алгоритм и программы). Киев: Наукова дома, 1974г., 129 с.

7. Методические рекомендации по изучению температуры подземных вод. Сост. Н.М. Фролов. М.: ВСЕГИНГЕО, 1973. – 122 с.

8. Методическое руководство по изучению режима подземных вод. Под. ред. Альтовского М.Е., М.: Госгеолтехиздат, 1954. – 196 с.

9. Методические указания по изучению термальных вод в скважинах. Фролов Н.М., Аверьев В.В., Духин И.Е. М., 1964. – 140 с.

10. Методы определения тепловых свойств горных пород. М., 1970. – 176 с.

11. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.: 1, 2, 3, 6, 7. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

12. Паспорт. Мост постоянного тока типа МО-62. Львовский завод электроизмерительных приборов.

13. Попов В.Н. Организация и производство наблюдений за режимом подземных вод. М.: Госгеолтехиздат, 1955. – 198 с.

14. Справочник укрупненных проектно-сметных нормативов на геологоразведочные работы (СУСН), вып. 2. М.: Недра, 1968. – 224 с.

15. Справочник укрупненных проектно-сметных нормативов на геологоразведочные работы (СУСН), Вып. 7. М.: Недра, 1969. – 344 с.

16. Фролов Н.М. Гидрогеотермия. Изд. 2-е. М.: Недра, 1976. – 280 с.