Отбор проб в мелководных зонах


Категория Техника морских геологических исследований

Способы отбора морских отложений в мелководной зоне шельфа в основном те же, что и при отборе осадков в глубоководной зоне морей и океанов. Используются дночерпа-тели, прямоточные и вибрационные трубки, а также вибропоршневые пробоотборники и другие их модификации.

Однако в последние годы отбор проб морских отложений «океанологическими» способами и средствами не удовлетворяет требованиям отбора проб донного осадка при детальном геологическом изучении дна, тщательном стратиграфировании, при поисково-разведочных работах на россыпи и инженерно-геологических исследованиях. Все это потребовало разработки некоторых новых видов пробоотборных средств и существенного совершенствования ранее применявшихся.

Необходимость решения специфических задач морских геологических исследований, и в первую очередь детального изучения геологического строения континентального шельфа, ставит перед пробоотбором и разработкой соответствующих технических средств необходимость учета ряда важных требований и условий, основными из которых являются:
1) представительность отбираемых проб;
2) ненарушенность структуры и стратификации отбираемых проб;
3) надежность и удобство в эксплуатации и простота конструкции средств пробоотбора;
4) экономическая эффективность процесса пробоотбора.

Конструктивные особенности и эффективность применения пробоотборников определяются рядом существенных факторов, важнейшими из которых являются;
а) тип подводного месторождения и условия его залегания;
б) гидродинамические условия и глубина акватории, в пределах которой расположено изучаемое месторождение;
в) физические, минералогические, химические и другие свойства отбираемых проб подводного месторождения;
г) характер плавсредств, с помощью которых намечается производить пробоотбор.

Разработка и внедрение средств пробоотбора при ведении морских геологических исследований и поисково-разведочных работ на твердые полезные ископаемые в пределах шельфа заставили, кроме сказанного, решать вопросы об оптимальном диаметре средств, эффективной глубине их внедрения в донную породу, устройстве, удерживающем породу в пробоотборнике, и, наконец, способе его внедрения в породу.

В результате специальных исследований, выполненных лабораторией методики и техники разведки ВНИИМОРГЕО, установлено, что для некоторых геологических целей могут быть использованы гравитационные, поршневые и вибропоршневые пробоотборники, а для валового опробования россыпных месторождений наиболее перспективны гидростатические и вакуумно-гидростатические средства. При этом с технической точки зрения при пробоотборе различных категорий пород на шельфе глубина отбора проб целесообразна до 5 м, при внутреннем Диаметре пробоотборника 100—200 мм.

Для отбора глинистых осадков различной консистенции и разнозернистых песков хорошо зарекомендовал себя подводный виброгрунтоотборник, разработанный в 1963 г. автором. В задачу этого пробоотборника входит отбор монолитов грунтов глинистого состава и образцов песчаных отложений на глубину до 5 м в процессе геологического картирования морского дна и инженерно-геологических исследований при глубине акватории до 50 м. Основными узлами этого пробоотборника являются: вибратор (мощность 4,5 кВт), рабочая колонковая труба диаметром 100 мм, наконечник и опорная плита.

Конструкция рабочей трубы разработана в двух вариантах: для отбора проб грунта длиной 30 см и длиной 1,5 м.

Для отбора проб сыпучих и оплывающих грунтов используют секции длиной до 1,5 м, для удобства выемки отобранные пробы разрезаны по длине на две половины; для отбора глинистых грунтов используют секции с двухсторонними прорезями длиной по 15 см и 30 см.

Для удержания проб в трубе применяют различные наконечники.

Фирма «Мареке» разработала конструкцию легкого пробоотборника, способного с помощью вибратора отбирать образцы песка и ила на глубину до 3,5 м, которые располагаются в прозрачной рабочей трубе, состоящей из трех частей.

В 1972 г. Московским геологоразведочным институтом совместно с Приморским ТГУ был разработан и испытан погружной вибробуровой снаряд, состоящий из герметического кожуха, двухблочного вибратора (типа ИВ-49, мощностью 1,4 кВт), колонковой трубы длиной 4 м, диаметром 127 мм и направляющей опоры с лапами. Результаты испытаний показали, что вибробуровой снаряд с изолированным от вибрации кожухом может быть успешно применен при проходке плотных песков, дресвы, мелкой гальки с включением песка и глины. Этот снаряд можно использовать с маломерного судна, фиксация которого на месте осуществляется одним якорем.

Рис. 1. Подводный виброгрунтоотборник:
1 — трос-кабель; 2— вибратор; 3— опорная плита; 4 — грунтоотборная труба

Гидравлическая исследовательская станция Англии предложила подводную виброустановку для отбора песчаных проб ненарушенной структуры. Глубина акватории до 30 м, глубина отбора пробы до 15 м, диаметр колонковой трубы 100 мм. Про-боотбор может производиться двумя способами: вибромашиной, а также посредством промывки водой, циркулирующей между буровой трубой и собственно пробоотборной трубой.

Для взятия ненарушенных ориентированных образцов неконсолидированных осадков на различных глубинах акваторий фирма «Фр. Леутер» (ФРГ) разработала пробоотборник «Рей-нек бокс самплер», высота пробы в котором 45 см, поперечник его 20 на 30 см. Основной особенностью пробоотборника является наличие специального устройства, обеспечивающего автоматическую регистрацию положения пробы в пределах 0—20° (наклон) и ±1° (азимут). Пробоотборник, состоящий из четырехгранной гильзы, режущего ножа, маятника и компаса, смонтирован на алюминиевой раме, опускаемой на дно на кабель-тросе.

Для эффективного отбора песчаных осадков и россыпей в прибрежной зоне шельфа и на пляже американскими специалистами разработан простой и эффективный пробоотборник «Бичкор-67». Принцип работы этого пробоотборника — гидравлический подмыв, который дает возможность отбирать колонки песка, заключенные в полиэтиленовый «мешок» (рукав) длиной до 3 м и диаметром до 65 мм.

На стадии массового опробования рыхлых (чистых и сыпучих) отложений или россыпных месторождений с получением представительных проб может быть весьма эффективным применение гидравлических пробоотборников типа вакуумно-гидро-статического пробоотборника ВГП-6, разработанного лабораторией ВНИИМОРГЕО. Он представляет собой колонковую трубу диаметром 52 мм, герметично закрытую сверху и снизу, из которой откачан воздух. Корпусом пробоотборника служит труба, на нижнем конце которой навинчен кольцевой башмак. Для удержания проб осадка в трубе служит лепестковый клапан. Пробоотборник на глубину до 1,5 м (при глубине акватории до 20 м) внедряется под действием кинетической энергии, получаемой во время свободного падения, а также атмосферного и гидростатического давления, которые заглубляют в Донный осадок этот снаряд.

В итоге опытной эксплуатации ВГП-6 был установлен ряд особенностей его применения, в частности:

а) труба в донные осадки внедряется преимущественно за счет атмосферного и гидростатического давлений, а также за счет собственного веса при небольших глубинах акваторий. При работе пробоотборника устраняются силы лобового сопротивления, сопротивление же внедрению обусловливается силами трения по боковой поверхности колонковой трубы;

б) заполнение колонковой трубы пробой примерно в 1,5 раза превышает величину внедрения, т. е. в общем случае нижние слои пробы растянуты сильнее верхних. В случае применения укороченных пробоотборников (типа ВГП- 6) с длиной трубы, не превышающей 1,5 предполагаемой длины внедрения, обеспечивается равномерное и пропорциональное удлинение проб (при некотором сокращении величины внедрения);

в) при использовании ВГП-6 отмечается сохранение в пробе последовательности расположения слоев по высоте, однако границы слоев теряют четкость. В целом отобранная с помощью ВГП-6 проба позволяет определить литологический состав осадков и его изменение по глубине, а также наличие в них полезных минералов.

Весьма перспективной может быть конструкция гидропробоотборника П0-70, предложенная Г. Н. Гампертом, В. И. Медко, В. И. Савельевым, Е. Ю. Шехтером и др. Этот пробоотборник предназначен для отбора чистых рыхлых отложений песчаного и глинистого состава на глубину до 5 м, диаметром 65 мм при глубине акватории до 50 м. Этот пробоотборник состоит из внешней и внутренней труб, между которыми в межтрубном пространстве циркулирует забортная вода с момента, когда пробоотборник устанавливается на дно и включается насос. Под действием собственного веса с помощью подмыва водой пробоотборник погружается в осадки и проба отбирается в полиэтиленовый мешок (рукав). На рис. 5 показана схема работы гидропробоотборника П0-70.

Рис. 2. Схема работы гидропробоотборника:
1 — внутренняя труба; 2 — внешняя труба; 3 — полиэтиленовый мешок; 4 — кер-нодержатель (лепестковый); 5 — наконечник

Нередки случаи, когда для ускоренной разведки пляжей, побережья и прибрежных акваторий, дно которых сложено как слабыми и сыпучими, так и тяжелыми отложениями (например, мореной), весьма эффективным и целесообразным может быть использование виброзонда, разработанного в 1958 г. по предложению автора. В задачу виброзонда входит ускоренная проходка тяжелых подводных отложений на глубину до 20 м при глубине акватории до 15 м с отбором нарушенных образцов донных осадков. Виброзонд монтируется на любом маломерном плавсредстве и состоит из трех основных частей: двигателя, вибратора и собственонго зонда, состоящего из набора штанг длиной по 1,5 м каждая, на которых установлены специальные грунтовые ловушки. Для ускорения разведки Дна необходимо вибратором задавить в него всю колонну, зонда, составленного из секций, затем повернуть всю колонну по часовой стрелке. Во время поворота всей колонны грунтовые ловушки открываются и одновременно по всей высоте (20 м) через каждые 1,5 м забирают пробы грунта.

Рис. 3. Установка виброзонда на пляже и на акватории:
1 — конус; 2— грунтовая ловушка; 3— секция зонда; 4 — вибратор; 5 —тренога; 6 — рабочая площадка (на корме); 7 — направляющая; 8 — корма с лебедкой

Опыт разработки и применения различного вида колонковых пробоотборников при поисках и разведке подводных месторождений россыпного типа, накопленный лабораторией техники и методики разведки ВНИИМОРГЕО, привел к важному выводу о том, что эффективность применения этих технических средств может быть значительно повышена путем разработки и внедрения ряда комплексов опробования. Для этого лабораторией предложен ряд комплексов механизации опробования морских отложений, состоящий из установок КМО-1, КМО-2, КМО-3, КМО-4 и КМО-5, каждая из которых представляет особый тип пробоотбора: первая полностью автономная установка с ваку-умно-гидростатическим пробоотборником (используется при глубинах акватории от 3 до 200 м); вторая установка создана на основе виброзонда с электрическим дебаланеным вибромолотом (глубина акватории до 70 м); третья на основе гидроударного пробоотборника с размывом призабойного пространства (глубина акватории до 200 м); четвертая — на основе пробоотборника вращательного или вибровращательного действия, и, наконец, пятая установка разработана на основе снаряда БГУ гидромеханического типа с комплектом оборудования для механизации спуско-подъемных операций, приема и обезвоживания гидросмеси с целью валового технологического опробования рыхлых отложений (глубина акватории до 50 м).

В зависимости от состава полезных минеральных компонентов рекомендуется применять соответствующий вид пробоотбора; при возможном залегании на дне титано-циркониевых и ти-таномагнетитовых россыпей целесообразно применение вибропоршневых трубок; в условиях возможного залегания золотоносных россыпей, а также содержащих тяжелые минералы типа олова, целесообразно использовать вакуумные и вибропоршневые пробоотборники.

В связи с отбором проб подводных отложений в последнее время ряд специальных исследований посвящен изучению влияния различных конструкций пробоотборников не только на геологическую качественность проб, но и на достоверность определения ряда физических свойств осадков. Широко известны, например, исследования и предложения в части эффективного пробоотбора различных пород и осадков М. И. Хворслева. Проводились специальные исследования в частности, в Калифорнийском заливе (Сан-Диего) путем использования при отборе проб осадков нескольких различных конструкций пробоотборников (Сигма, Кулленберга, Флегера, Евинга и др.) с одновременным контролем ручным бурением и водолазными работами (путем применения лопастного прибора), определяющих физические и механические характеристики. В итоге выполнения очень тщательной и трудоемкой исследовательской работы автор приходит к выводу, что в процессе извлечения проб подводных осадков различными пробоотборниками происходит некоторое уменьшение длины колонок практически во всех трубках, а наибольшее искажение свойств отмечается при определении сопротивления сдвигу, меньше — при определении влажности и совсем незначительное — при изучении плотности донных осадков.


Читать далее:

Категория Техника морских геологических исследований