Author: Поздняков А.И.
Tags: почвоведение почвенные исследования почвы электрофизика
ISBN: 5-7846-0089-3
Year: 2001
Text
Московский государственный университет
им. М. В. Ломоносова
Факультет почвоведения
А. И. Поздняков
ПОЛЕВАЯ
ЭЛЕКТРОФИЗИКА
ПОЧВ
№
\Аук;
МОСКВА
МАЙК «НАУКА/ИНТЕРПЕРИОДИКА»
2001
УДК 631.4
ББК 40.3
П47
Издание осуществлено при поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований
по проекту № 01-04-62086
Поздняков А.И.
Полевая электрофизика почв. - М.: МАИК "Наука/Интерпериоди-
ка", 2001.-187 с.
ISBN 5-7846-0089-3
В книге дано научное обоснование применения методов нолевой электрофизики:
естественного электрического поля, вертикального и послойного электрического
зондирования, горизонтального и площадного элсктропрофилирования, непрерывного
электромагнитного профилирования, в практике почвоведения, мелиорации и экологического
мониторинга. Приводится описание полевых портативных приборов, разработанных или
модифицированных для этих целей автором. Большое внимание уделено разработке
теоретической базы применения методов.
Для почвоведов, мелиораторов, экологов, а также аспирантов и студентов.
ISBN 5-7846-0089-3 © А.И. Поздняков, 2001
© МАИК "Наука/Интерпериодика", 2001
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая монография впервые в мировой практике
всесторонне освещает возможности применения полевой
электрофизики и ее технологий в почвоведении, мелиорации и экологическом
мониторинге.
Известно, какое достойное место геофизика занимает в
геологии, гидрогеологии, грунтоведении, метеорологии и других
дисциплинах. В настоящее время в геофизике созданы
индустриальные технологии, оснащенные современнейшими
высокопроизводительными приборами.
К сожалению, в почвоведении, почвенно-мелиоративной,
земледельческой практике и смежных с ними областях эти
подходы и методы пока еще не нашли широкого применения в силу
как недостаточного научного обоснования для их применения,
так и недостаточного освещения в научной литературе.
В зарубежной и отечественной научной литературе к
настоящему времени существуют лишь отрывочные сведения об опыте
применения электрофизики при решении только частных задач,
в основном по оценке засоленных почв. К почвам других типов
такие подходы и методы даже рекогносцировочно не
применялись или реализовывались непростительно мало.
Автор на протяжении более 25 лет развивает это
направление. Но до недавнего времени результаты исследований были
освещены хотя и в многочисленных, но разрозненных статьях. В
обобщенном виде концепция использования электрофизики как
технологического подхода для почвенных и других обследований
впервые теоретически обоснована автором в 1996 г. в
монографии "Стационарные электрические поля в почвах" (Поздняков и
ДР., 1996).
Настоящая работа посвящена как научному обоснованию,
так и в первую очередь особенностям практического применения
подходов и опыта использования электрофизики в
почвоведении, мелиорации и экологическом мониторинге.
3
Применение электрофизических методов позволяет
проводить почвенно-мелиоративные и экологические обследования на
новом научно-техническом и технологическом уровне. Это дает
возможность значительно (в несколько раз) сократить затраты
на такие обследования, получать более объективную и
репрезентативную информацию.
Важными отличительными особенностями предлагаемых
технологических разработок является проведение почвенных,
почвенно-мелиоративных обследований (в частности,
картирования) без нарушения почвенного покрова, выполнение измерений
с поверхности и получение информации для любой глубины.
Такими особенностями не обладает практически ни один из
применяемых в настоящее время в почвоведении методов.
Наши исследования проводились не только на зональных
почвах основных генетических типов России - подзолистых,
серых лесных, черноземах различных фаций и разных областей,
каштановых почвах и т.д., но и на интразональных, например
засоленных и торфяных. Исследовались также почвы ряда
стран СНГ: каменистые почвы и пески юга Украины (в том
числе Крыма), сероземы Узбекистана и почвы некоторых районов
Казахстана.
Практически для всех перечисленных почв получен
богатейший материал по электрическим параметрам, установлены их
специфические значения, зависимости от ряда основных свойств
почв, что послужило научной основой успешного применения
методов полевой электрофизики.
Примечательно, что в большинстве описанных
электрофизических методов измерения проводятся практически одним и тем
же несложным серийным прибором - автокомпенсатором
АЭ-72, к которому в различных методах дополняются
несложные приспособления, легко выполняемые любым
исследователем. Это позволяет успешно, в экспрессном режиме, решать
широкий круг задач различных областей почвоведения, мелиорации
и экологического мониторинга.
К ним, в первую очередь, относятся детальные и
крупномасштабные виды картирования (почвенные,
почвенно-мелиоративные, агрохимические, эрозионные и т.д.) для самых различных
почв. Причем речь идет не о замене классических подходов или
обновлении их новой, более совершенной техникой, а о создании
современных технологий, более репрезентативных, быстрых и
объективных.
Кроме того, в области мелиорации методами полевой
электрофизики возможно решение широкого круга чисто прикладных
задач: выявление потоков фильтрации, определение их скорости
4
и направления, глубины залегания грунтовых вод, зон
подтоплений, глубины иссушения почвы, промерзания-оттаивания и
многое другое. Причем это выполняется без закладки разрезов и
скважин или используется незначительное их число.
Широкое применение электрофизических подходов и
методов в исследовании почв позволит также получать достаточно
большие выборки данных (что весьма сложно получить
традиционными методами), необходимых, например, для обоснованного
применения таких современных методов, как статистические и
др. Все это оказалось возможным на основе выдвинутой автором
теоретической концепции о закономерностях электрических
параметров в почвах.
На этапе сбора и анализа материала большую помощь
автору оказали коллектив кафедры физики и мелиорации
факультета почвоведения Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, где эти работы более четверти века назад
начинались под руководством профессора А.Ф. Вадюниной
коллектив Всероссийского научно-исследовательского институ
та использования мелиорируемых земель Россельхозакадемии
под руководством академика Н.Г. Ковалева и коллектив
Центральной торфоболотной опытной станции во главе с директором
к. с/х. н. Д.А. Мусекаевым; сотрудники Никитского
ботанического сада, Института биологии Карельского филиала РАН,
Института мониторинга земель и ряд других организаций.
Автор также весьма признателен сотрудникам отделения
мелиорации, водного и лесного хозяйства Россельхозакадемии за
внимание к этому направлению.
Особенно хочется поблагодарить к. б. н. В.Г. Биндюкова, Р.А.
и В.А. Бородкиных, Н.Е. Опанасенко, В.Е. Буданова, К.Ю. Хан,
Е.И. Синкевича и других, помощь которых автор помнит и ценит.
Автор весьма признателен профессорам Л.О. Карпачевскому
и А.С. Владыченскому за ценные замечания в рукописи.
Систематизации полученного материала во многом
способствовал курс лекций, читаемый автором по этой теме на кафедре
физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ.
За предоставленную возможность автор благодарен заведую-
щим кафедрой физики и мелиорации почв, профессорам
|А.Д. Воронину | и Е.В. Шеину.
Считаю своим долгом поблагодарить к. б. н. А.В. Дембовец-
кого за помощь в сканировании рисунков, а также жену, дочь и
сына за помощь в подготовке рисунков в электронном варианте.
Книга, на наш взгляд, может быть полезна и в качестве
учебного пособия студентам и аспирантам при изучении
фундаментальных электрофизических свойств почв.
ВВЕДЕНИЕ
В приповерхностных слоях Земли - почвах, грунтах,
породах - проявление электрических полей может быть весьма
многообразным. Основным параметром естественных
электрических полей является потенциал. Электрическое сопротивление
определяет поведение искусственных полей. Важно знать их
поведение и как природных явлений, и как инструмента изучения
сред для последующего успешного использования в разных
отраслях - от сельского хозяйства, почвоведения и мелиорации до
аэрокосмических исследований.
В классической электрогеофизике электрические поля в
почвах практически не изучаются, так как ее методы, приборы и
оборудование позволяют проводить только глубинные
исследования, и электрические параметры в приповерхностных слоях
часто просто игнорируются.
В геологии электрические параметры используют с начала
века (Шлюмберже, 1932; Wenner, 1916). Впервые представление о
распространении тока с глубиной было высказано в 1903 г.
Е.И. Рагозиным в монографии "О применении электричества к
исследованию рудных залежей". Однако только через 20 лет
были разработаны как теоретические, так и практические методы
электроразведки постоянным током для геологических
исследований. Применение методов электроразведки в нашей стране
началось с 1923 г. в Институте прикладной геофизики АН СССР
под руководством А.А. Петровского. До 1929 г. разведку
проводили методами естественного поля и равнопотенциальных линий.
Методы электрического сопротивления начали применять с
1929 г. - сначала метод электрического профилирования (ЭП), а
с 1936 г. - метод вертикального электрического зондирования
(ВЭЗ). При измерении кажущегося электрического
сопротивления этими методами питающие и приемные электроды
располагаются на одной прямой, симметрично от общего центра,
который называется точкой зондирования. Метод непрерывного
6
электрического профилирования (НЭП) начал использоваться в
геологической и строительной практике сравнительно недавно
(80-е годы). Он аналогичен ЭП, но при профилировании
используется переменное электромагнитное поле.
Методы электрического сопротивления позволяют изучать
изменение сопротивления земной коры по площади или по
линии с фиксированными расстояниями между питающими и
приемными электродами, т.е. на фиксированной глубине
(методы ЭП и НЭП), и при измерении сопротивления с глубиной
(метод ВЭЗ), когда расстояния между питающими и приемными
электродами последовательно увеличиваются в
геометрической прогрессии (Вешев, 1965; Хмелевский, 1973, 1979;
Знаменский и др., 1981).
Полевые методы удельного электрического сопротивления
успешно применялись и применяются в геологической практике
для поиска нефтяных и газовых месторождений (Дахнов, 1933,
1953), мест залегания пресных вод (Головцин, 1953; Демидович,
1956; Иванов, 1960; Фролов и др., 1969), при разведке торфяных
залежей и для многих других целей. При этом зондирование
осуществляется на большие глубины (от 10 до 1000 м и более) и
собственно почвенная толща в этих исследованиях не
дифференцируется и практически не оценивается.
Большая комплексность почвенного покрова (как в
естественных ценозах, так и в культурных) вызывает сложности в изучении
почв классическими методами почвоведения. Данные,
полученные путем отбора и анализа образцов, иногда непрезентативны и
не всегда отражают макроструктуру почв. Следовательно, на
почвах особенно актуально применение экспрессных полевых
методов исследования, таких, как методы полевой электрофизики.
Эти методы в почвоведении достаточно активно начали
применять с 70-х годов на кафедре физики и мелиорации почв
факультета почвоведения МГУ (Вадюнина, 1976; Вадюнина и др.,
1976; Боровинская, Воронин, 1978; Раисов, 1974, 1976; Хан, 1975;
Хан, Кириченко, 1976). Но, к сожалению, в то время эти методы
использовались в основном без должного теоретического
обоснования сугубо с практическими целями, поэтому не всегда
успешно.
В почвенных исследованиях обычно рассматриваются
поверхностные слои (до 1-3 м). Поэтому нами для более детальных
исследований были модифицированы методы ВЭЗ и ЭП,
применяемые в геологии. При этом были изменены разносы
электродов, уменьшены токи, разработаны приборы и предложены
методы интерпретации данных. Создана концепция поведения
электрических полей в почвах.
7
Это связано с тем, что специфика почвенных электрических
исследований заключается не только в измерениях на меньшей
глубине, но и в относительно небольшом, по сравнению с
геологическими исследованиями, диапазоне варьирования
электрических параметров, например сопротивления в естественных
условиях. При этом достаточно сильное влияние на сопротивление
оказывают такие факторы, как влажность, температура,
содержание солей (Савич, 1977). В геологических исследованиях
влияние этих факторов в сравнении с различиями сопротивлений,
обусловленными морфологией отложений, часто пренебрежимо
мало и, как правило, не рассматривается.
Почва представляет собой дисперсную среду с большим
количеством пор и капилляров, заполненных растворами
электролитов, поэтому она обладает в основном ионной проводимостью.
От концентрации и подвижности ионов в почве во многом
зависит величина электропроводности (Нерпин, Чудновский, 1967;
Савич, 1977).
Свойства почвы, определяющие плотность подвижных
электрических зарядов, оказывают влияние на удельное
электрическое сопротивление (величина, обратная электропроводности).
К таким свойствам почвы относятся влажность, пористость,
концентрация солей в почвенных растворах, минералогический и
механический состав, плотность почвы, температура и многие
другие (Семенов, 1948; Перкинс, 1959; Дахнов, 1967; Halvorson,
Rhoades, 1974; Halvorson at al., 1977; Gupta, Hanks, 1979).
Для успешного применения электрофизических методов в
почвоведении, мелиорации и экологии следует четко
разграничить влияние того или иного свойства на электрические
параметры в определенных природных условиях. Особенно большое
влияние на них оказывает влажность. Значительная
дифференциация профиля по влажности часто перекрывает влияние
интересуемого фактора, но практически никогда не перекрывает общее
влияние комплексности почвенного покрова. Кроме того, и сама
влажность может определяться рядом важных параметров,
например уровнем грунтовых вод.
Экспрессность полевых методов электрического
сопротивления и возможность без нарушения почвенного покрова
получать информацию о распределении сопротивления по глубине
определили попытки оценить почвы полевыми электрическими
методами.
Но использование высокопроизводительных
электрофизических методов исследования почв, основанных на измерении
электрического сопротивления, затрудняется из-за отсутствия в
современном методологическом арсенале почвоведения общепри-
8
нятых способов интерпретации результатов. Имеются
некоторые представления о зависимости электрического
сопротивления от различных свойств засоленных почв аридных регионов
(Хан, 1975; Хан, Кириченко, 1976), но для гумидной зоны такие
исследования практически отсутствуют (Карпачевский и др.,
1983). До настоящего времени сохранилось отношение к
электрическому сопротивлению как к показателю, настолько сложно
зависящему от большого набора почвенных свойств, что
осмысление полученных наблюдений весьма затруднительно, а часто
просто невозможно. Действительно, оценить величину какого-
либо отдельного почвенного свойства по данным
электрического сопротивления почвы удается только в тех случаях, когда оно
доминирует над влиянием остальных свойств. Важно определить
условия, при которых это может происходить.
Но ценность информации при определении электрического
сопротивления заключается не только в удачной количественной
оценке отдельных важных для практики почвенных свойств.
Именно зависимость сопротивления от совокупности
общепринятых характеристик почвы позволяет в ряде случаев
использовать методы электрофизики для оценки комплекса морфогене-
тических и других свойств и особенностей почвенного профиля.
В почвоведении применяются как полевые, так и
лабораторные методы измерения удельного электрического
сопротивления. В лаборатории возможно относительно легко выделить и
изучить влияние одного какого-либо фактора на сопротивление.
В основном изучались влажность и содержание солей (Вадюни-
на, 1937; Берлинер, Долгополов, 1954; Горбунова, 1970). Степень
засоления почв нетрудно определить в лабораторных условиях
по электропроводности почвенной пасты или раствора (Вадюни-
на, Корчагина, 1973). В данном случае влажность образцов
практически одинакова и различие в электрическом сопротивлении
обусловливается различиями засоленности почвенных образцов.
В полевых условиях, когда на сопротивление оказывают
влияние многочисленные почвенные факторы, интерпретация
результатов электрического зондирования и профилирования
может осуществляться двумя путями:
1. Изучением какого-либо одного свойства (влажности,
засоления, температуры) в условиях его преимущественного
проявления в полевых условиях и построением эмпирических
зависимостей сопротивления от этого свойства.
2. Проведением исследований методами полевой
электрофизики в условиях пренебрежимо малого влияния температуры и
увлажнения на сопротивление в естественных условиях, когда
влажность больше МКСВ-ППВ, а температура 10-25 °С.
9
До настоящего времени преимущественное распространение
получил первый путь. В основном изучалось влияние только
одного фактора - степени засоления - на сопротивление
засоленных почв аридных регионов (Раисов, 1973; Хан, 1975; Кипнис,
1977; Копикова, 1984; Halvorson, Rhoades, 1976; Nadler, Dasberg,
1980).
Несмотря на то что в естественных условиях на
сопротивление влияют не только степень засоления, но и влажность,
температура и другие почвенные свойства, в ряде работ, как у нас, так
и за рубежом, показана возможность применения полевых
методов сопротивления для картирования только засоленных почв
аридных регионов (Хан, 1975; Вадюнина и др., 1976; Боровин-
ская, Воронин, 1978; Halvorson, Rhoades, 1976). Часто для
снижения влияния влажности применяется увлажнение почвы
непосредственно перед измерением сопротивления (Halvorson,
Rhoades, 1977). Такие приемы не всегда успешны.
Поэтому первоочередная задача, которая стоит перед
исследователем, - это точное определение возможностей методов
полевой электрофизики в тех или иных условиях.
Успешному применению электрофизики в почвоведении
может способствовать только четкое теоретическое представление
о закономерностях изменения электрических параметров почв.
Глава 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
ПОЧВ
Теоретической основой успешного применения методов
полевой электрофизики в почвоведении служат
фундаментальные законы электромагнетизма. Поэтому взаимосвязь
электрических параметров с плотностью подвижных электрических
зарядов и основными, наиболее важными свойствами почв
имеет существенное значение не только для объяснения теории
почвообразования, но и для решения практических
прикладных задач.
Приведем основные уравнения электромагнетизма:
1. _ = _а - уравнение Максвелла;
дг г0
2. givgrad ф = -div E = -4яа - уравнение Пуассона;
3. givgrad ф = 0 - уравнение Лапласа;
4. а±м = c±N exp[+Fq>/ RT] - уравнение Больцмана,
где с±м - плотность подвижных электрических зарядов; Е -
напряженность электрического поля; ф - потенциал
электрического поля; ? - диэлектрическая постоянная.
Анализ уравнений показывает, что:
1) величины электрических параметров (потенциала и
сопротивления) обратно пропорциональны плотности подвижных
электрических зарядов (уравнения Максвелла, Пуассона);
2) электрические и магнитные поля можно рассматривать
раздельно (уравнение Максвелла);
3) в ряде случаев для горизонтально-слоистых сред, к
которым можно отнести и почвы, изучение и интерпретацию
параметров искусственных электромагнитных полей можно
осуществлять на основе решения уравнения Лапласа;
4) взаимосвязь плотности подвижных электрических зарядов
и основных параметров электромагнитных полей с потенциалом
должна быть экспоненциальной, по уравнению Больцмана.
11
На основании последнего положения можно установить связь
между свойствами почв, обусловленными плотностью
подвижных электрических зарядов, и электрическими параметрами
почв. Однако определить величины плотностей подвижных
электрических зарядов для реально функционирующих в
природных условиях нативных почв не представляется возможным
(Боул и др., 1977). Приближенные их значения можно получить
суммированием концентраций ионов, определяющих емкость ка-
тионного обмена (ЕКО), и ионов почвенного раствора (ПР).
Поэтому электрические параметры должны быть тесным
образом связаны с такими свойствами почв, как сумма
поглощенных оснований (5), емкость поглощения (Г), содержание солей
(засоленность) почвенных растворов. Более опосредованно
электрические параметры связаны со свойствами почв,
определяющими собственно ЕКО: гумусосодержанием, минералогическим
и механическим составом, общей удельной поверхностью и т.п.
Электрическое сопротивление - это параметр почвы, легко
измеряемый в полевых и лабораторных условиях, который дает
достаточно объективную оценку многим почвенным свойствам.
Применение полевых методов электрического
сопротивления для оценки свойств тех или иных почв должно базироваться:
на оценке интервала варьирования основных почвенных
свойств в естественных условиях;
на основных законах электрофизики, определяющих
механизмы зависимости сопротивления от этих свойств.
Поскольку электрическое сопротивление прямо
пропорционально падению напряжения, то оно так же, как естественный
потенциал, должно экспоненциально зависеть от свойств почв,
определяющих плотность электрических зарядов. Электрическое
сопротивление должно в первую очередь зависеть от концентрации
водорастворимых ионов и количества ионов, адсорбированных
почвенными частицами, т.е. от емкости катионного обмена (СЕКО).
Кроме того, количество ионов в почве определяется
соответственно влажностью и удельной поверхностью почвенных
частиц. Более опосредованно сопротивление будет связано со
свойствами, косвенно влияющими на плотность и подвижность
электрических зарядов, такими, как содержание гумуса, плотность
сложения, гранулометрический состав.
Таким образом, в зависимости от конкретных условий и
поставленной задачи по потенциалу и удельному электрическому
сопротивлению можно оценивать достаточно большой спектр
почвенных свойств. Так, сопротивление должно закономерно
снижаться по экспоненциальной кривой при нарастании
свойств, повышающих плотность подвижных электрических за-
12
рядов, т.е. с увеличением емкости поглощения, содержания
гумуса, утяжелением механического состава, увеличением
плотности почвы.
Обычно наибольшее внимание уделяется оценке содержания
влаги и растворимых солей в почвах по электрическому
сопротивлению (Вадюнина, Поздняков, 1977; Рогозов, 1977; Хан, 1977;
Копикова, 1984; Вадюнина и др., 1986; Грингоф и др., 1989; Gupta,
Hanks, 1979; Halvorson, Rhoades, 1976; Rhoades at al., 1989).
Влажность почвы хотя и влияет на электрические
параметры, но в каждый конкретный момент может не нести
непосредственной генетической нагрузки. Поэтому при использовании
электрических параметров с целью изучения генезиса почв
необходимо принять меры для устранения ее влияния. Однако
влажность имеет и весьма важное значение при решении различных
задач при мелиорации почв и в почвоведении.
Все другие названные свойства почв представляются
достаточно взаимосвязанными и однонаправленными по влиянию на
электрические параметры.
Согласно триаде И.П. Герасимова (1960): факторы
почвообразования - почвообразовательные процессы - свойства почв,
электрические параметры которых должны содержать существенную
и важную информацию не только о свойствах почв, но и о
факторах и процессах почвообразования. Влияние факторов
почвообразования на электрические параметры можно оценить через их
связь с почвообразовательными процессами и свойствами почв.
Распределение плотностей подвижных электрических
зарядов в почвах осуществляют почвообразовательные процессы.
Каждый элементарный почвообразовательный процесс
"работает" на обогащение или обеднение электрическими зарядами
определенного генетического формирования: морфона, горизонта,
части почвенного профиля или всей почвенной толщи.
В современном почвоведении твердо установлено, что
каждому типу почвообразовательного процесса или их сочетанию
соответствует свой тип почвенного профиля с вполне
определенным чередованием почвенных горизонтов, которые обобщают
признаки и свойства большого ряда конкретных почв и связаны
с ними единством происхождения, превращения, передвижения и
распределения веществ (Герасимов, Глазовская, 1960). Поэтому
можно ожидать, что закономерное сочетание почвенных морфо-
нов и горизонтов в профиле почв каждого типа
почвообразования вызовет закономерное изменение электрических
параметров в них. Но прежде чем применять электрометрические
методы в почвенно-мелиоративной практике, было детально
проведено исследование электрических параметров в почвах различ-
13
ных типов с целью установления специфических значений для
этих почв.
Почвы отличает большая комплексность почвенного
покрова, сформировавшегося под влиянием почвенных процессов и
динамики грунтовых вод. Комплексность почвенного покрова
представляет сложность для изучения обычными методами.
Данные, полученные путем отбора и анализа образцов, иногда
нерепрезентативны и не отражают макроструктуру почв.
Следовательно, особенно актуально применение экспрессных полевых
методов исследования почв.
Однако экспрессность полевых методов электрофизики,
особенно электрического сопротивления, и их возможность без
нарушения почвенного покрова получать информацию о
распределении сопротивления по глубине позволяют проводить такие
исследования достаточно легко и быстро.
В почвоведении используются как полевые, так и
лабораторные методы измерения удельного электрического
сопротивления. В лабораторных условиях возможно оценить влияние
какого-либо одного фактора на сопротивление. В основном
исследовали влажность и содержание солей (Вадюнина, 1937; Берлинер,
Долгополов, 1954; Горбунова, 1970). Различия в электрическом
сопротивлении обусловливаются различиями в засоленности
почвенных образцов.
В полевых условиях, когда на сопротивление оказывают
влияние многочисленные почвенные факторы, интерпретацию
результатов электрического зондирования и профилирования
можно осуществить двумя путями:
1. Изучить какое-либо одно свойство (влажность, засоление,
температуру) в условиях его преимущественного варьирования и
построить соответствующие эмпирические зависимости
сопротивления от этих свойств.
2. Оценить морфологию почв в условиях пренебрежимо
малого влияния температуры и увлажнения на сопротивление
(влажность больше максимальной капиллярно-сорбцион-
ной влагоемкости-предельной полевой влагоемкости
(МКСВ-ППВ), температура выше 20 °С). Например, на авто-
морфных почвах гумидной зоны (дерново-подзолистых), когда
влажность по профилю почвы часто изменяется именно в
диапазоне МКСВ-ППВ, то она, согласно закону Максвел-
ла-Больцмана, оказывает минимальное влияние на
сопротивление (Поздняков и др., 1996).
Электрическое сопротивление - комплексная
характеристика почвенных свойств, поэтому его применение возможно
для оценки и определения многочисленных почвен-
14
ных свойств в зависимости от условий и задач исследования
после детального изучения в почвах разных
генетических типов.
1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЧВ
Рассмотрим закономерности применения электрических
параметров почв, когда влажность достаточно высока и
значительное влияние на параметры оказывает содержание подвижных
ионов и их распределение по профилю почвы. Это определяет
тип профильных кривых электрических характеристик.
Дерново-подзолистые почвы характеризуются
трехслойными кривыми (рис. 1.1, я, б). Максимум сопротивления приходится
на обедненный основаниями горизонт Е. Электрические
параметры в почвах подзолистого типа почвообразования
определяются распределением подвижных электрических зарядов, которые
формируются под действием элементарных
почвообразовательных процессов. Эти процессы определяют относительную обед-
ненность подвижными электрическими зарядами элювиальных
горизонтов и относительную обогащенность ими иллювиальных
и аккумулятивно-гумусовых горизонтов.
В профиле дерново-подзолистых почв, как основного
классического представителя почв подзолистого типа
почвообразования, установлено 5-образное изменение электрических
параметров, которое обратно пропорционально 5-образному изменению
емкости катионного обмена, содержанию ила, R203, гумуса и
прямо пропорционально 5-образному изменению Si02. Песчаные
разновидности горизонтов и почвенных профилей
дерново-подзолистых автоморфных почв, которые в силу исходного литоло-
гического и механического состава имеют почвенный материал
с более высоким содержанием Si02 и, следовательно, малые
плотности подвижных электрических зарядов, обладают
значительно более высокими электрическими параметрами по
сравнению с суглинистыми почвами. Горизонты и части профилей, в
которых почвенный субстрат сцементирован окислами железа и
алюминия, обладают весьма высокими величинами параметров
электрических полей, что, по-видимому, объясняется
формированием жесткого скелета с низкой обменной способностью. При
усилении степени оподзоливания вслед за увеличением
молекулярных соотношений Si02:R203 соответственно увеличиваются и
величины параметров. Менее значительные изменения в
интенсивности процессов оподзоливания в почвах разных биогеоцено-
15
Эмм
20
60
100
140
см
[ 400 1200
- _^22Ы
~г~
\
1
А
АЕ
Е
ЕВ
В
ВС
Я, Омм 200 600
п— 1
R, Омм 20 40
20 40
А
АЕ
ЕВ
В
ВС
в 2
Рис. 1.1. Профильные кривые электрического сопротивления
основных типов почв
а - дерново-подзолистые песчаные; б - дерново-подзолистые
суглинистые; в - серые лесные; г - темно-серые лесные целинные; д - черноземы ЦЧО
(Курская обл.); е - светло-каштановые (Волгоградская обл.). Буквами
обозначены генетические горизонты
20
60
100
140
см
X
Г
зов (БГЦ) тоже вызывают изменения электрических
параметров. Например, электрическое сопротивление элювиальных
горизонтов почв увеличивается в ряду: под копытнем, осокой
волосистой, ельником в целом и еловым подростом. Это дает
основание по величинам электрических параметров судить о степени
развитости подзолообразования, понимая под ним всю
совокупность процессов, направленных на преобразование минеральной
части почв и приводящих к текстурно-химической их
дифференциации.
Наряду с собственно оподзоливанием важную роль в
текстурно-химической дифференциации почв подзолистого типа играют
процессы гидроморфизма - оглеение и торфонакопление, что
особенно важно для решения поставленной перед нами задачи.
Эти процессы снижают электрические параметры, так как при-
16
водят к увеличению плотности самых различных видов
подвижных электрических зарядов. Так, все изученные нами дерново-
подзолистые почвы разной степени оглеения в автономных и
гетерономных ландшафтах имеют меньшие величины
электрических параметров, чем их автоморфные аналоги. Такая же
закономерность наблюдается при переходе от автоморфных
дерново-подзолистых почв к дерново-глеевым оторфованным и
торфяным почвам в катенах гумидной зоны (Позднякова и др., 1982;
Поздняков, 1984). В гидроморфных почвах автономных
ландшафтов оглеение часто не сопровождается процессами торфона-
копления и снижение электрических параметров по сравнению с
автоморфными почвами здесь меньше, чем в гетерономных
ландшафтах.
В глееватых и глеевых почвах автономных ландшафтов
наиболее резко по электрическим параметрам отличаются
элювиальные и аккумулятивно-гумусовые горизонты от аналогичных
горизонтов автоморфных почв. При оглеении породы или
иллювиальных горизонтов такие различия хотя и заметны, но менее
контрастны. Например, в пределах катен, изученных в ЦЛГЗ
(Тверская обл.), на АБС МГУ "Чашниково" и Яхромской пойме
(Московская обл.), наблюдаются следующие закономерности в
изменении электрических параметров:
1) в почвах элювиальной части катенно-ландшафтного
сопряжения электрические параметры весьма высоки: потенциалы
достигают 60-80 мВ, а сопротивление 1500-2000 Ом-м для
песчаных почв;
2) в почвах трансэлювиального и трансаккумулятивного
секторов, где распространены дерново- и торфяно-подзолистые гле-
еватые и глеевые почвы, параметры резко снижаются. Величина
сопротивления для этих почв не выше 500-800 и 100-120 Ом-м
соответственно. Форма профильных кривых остается 5-образной
и отражает профильную организацию этих почв;
3) в подчиненных ландшафтах, где прогрессирующий гидро-
морфизм сопровождается интенсивным торфонакоплением,
наблюдаются низкие, мало изменяющиеся по профилю торфяно-
глеевых и торфяных почв параметры естественных
электрических потенциалов (5-8 мВ) и сопротивления (20-60 Ом-м).
Несмотря на слабое изменение сопротивлений в торфяных
почвах, как компонента подчиненных ландшафтов, почвенные
разновидности все же различаются при достаточно богатом
статистическом материале. Так, при вертикальном электрическом
зондировании (ВЭЗ) окультуренные железисто-карбонатные и
карбонатные разновидности торфяных почв Яхромской поймы
имеют сопротивление не выше 15-18 Ом-м. Сопротивление пе-
2 Поздняков А. И.
17
регнойно-торфяных железистых почв по всему профилю 15-
40 Ом-м, иловато-торфяные почвы имеют сопротивление в этих
же пределах.
Интенсивные современные процессы окультуривания
торфяных и дерново-подзолистых почв приводят к снижению
электрических параметров по сравнению с их целинными аналогами.
Профильные кривые электрических параметров - естественных
потенциалов и сопротивления - дерново-подзолистых
окультуренных суглинистых почв, имеющих в профиле остаточно-опод-
золенный горизонт, практически всегда трехслойны, 5-образной
формы, а величины электрических параметров остаточно-опод-
золенного горизонта следующие: сопротивление не выше R =
= 70-150 Ом-м и потенциалов 10-20 мВ.
На мощных песчаных, достаточно однородных отложениях
кривые электрических параметров двухслойны с несколько
меньшей их величиной в окультуренных пахотных горизонтах по
сравнению с подпахотными, величины сопротивления и
естественных потенциалов в зависимости от степени окультуренности
могут достигать от одной до нескольких сотен Ом-м и 30-50 мВ
соответственно. При отсутствии оподзоленного горизонта, когда
окультуривается почвообразующая порода, кривые
профильного изменения параметров вырождаются практически в прямую
линию.
Зональная смена процессов выщелачивания, имеющих
преобладающее значение у большинства почв гумидной зоны, на более
ярко выраженный процесс гумусонакопления в серых лесных
почвах и особенно в черноземах в значительной мере влияет на
электрические параметры в сторону их существенного снижения
по сравнению с автоморфными дерново-подзолистыми почвами
(см. рис., 1.1, а-ё). В генетическом ряду дерново-подзолистая
почва - светло-серая лесная почва - чернозем оподзоленный -
чернозем выщелоченный - чернозем обыкновенный происходит
постепенное уменьшение выраженности процессов элювиирования,
дифференциация сопротивления профиля снижается.
Соответственно, кривая распределения сопротивления по профилю из четко
выраженной, трехчленной переходит в слабо
дифференцированную (рис. 1.1, л, б). Усиление процесса гумусонакопления в серых
лесных почвах и ослабление элювиального процесса приводят к
изменению комплекса свойств, связанных с плотностью
подвижных электрических зарядов. Поэтому профильные кривые серых
лесных почв, также имеющих S-образную форму, обладают
меньшими величинами электрических параметров (рис. 1.1, в).
В черноземах и их северных гумидных аналогах - дерновых и
торфяных почвах - процесс накопления гумуса и отсутствие про-
18
Я, Омм
/?, Омм
3000 1
2000
1000
а
*
+
it ¦¦ ¦
¦ , ¦!—:¦.
>внутр
+*:
j^±
I
11±-
_$внеш> м
ф, мВ
50
30
10
Щ
"*4?^$и>.
g??t^ Ca
2 4 6 8 10 12
ч
'М7
Ca + Mg,
4 8 12 16 20 мг-экв/100гпочвы
Рис. 1.2. Зависимости электрического сопротивления от некоторых
физических и химических свойств дерново-подзолистых почв
а - внутренней поверхности; б - внешней поверхности; в - поглощенного
Са; г - поглощенных Ca + Mg
цессов выщелачивания веществ выражаются общим снижением
величин электрических параметров в верхних слоях этих почв,
что формирует двухслойный характер почвенно-электрического
профиля. Большое влияние на электрические параметры
оказывает поверхность почвенных частиц (рис. 1.2, а, б). Вслед за
текстурной дифференциацией профиля на электрические
параметры влияет и химический состав. Плотность подвижных
электрических зарядов в дерново-подзолистых почвах в основном
определяется поведением и картиной изменения в почвенном
поглощающем комплексе ионов Са и Mg. Поэтому связи между
электрическими параметрами и поглощенными основаниями, а также
удельной поверхностью этих почв весьма тесные (рис. 1, 2, в, г).
Естественно, что это утверждение относится только к
целинным зональным почвам. Интразональные почвы и почвы,
подверженные антропогенным воздействиям, очень часто имеют
повышенное содержание ионов в растворах, что также влияет на
характер распределения в них электрических параметров.
При формировании почвенно-электрических профилей
солонцов и солодей первостепенное значение наряду с поглощенными
Са и Mg приобретает Na, а в засоленных почвах и солончаках -
концентрация ионов почвенного раствора (рис. 1.3, а> б). Почвен-
но-электрический профиль солончаков наименее
дифференцирован по электрическим параметрам, что связано с обогащенностью
всего профиля солончака ионами почвенного раствора, т.е.
легкорастворимыми солями. Почвенно-электрический профиль солон-
19
ф, мВ
¦
¦к
*
«
^** ¦ ¦**¦*¦ Ca + Mg + Na,
1 ' I Т I ^
40 80 120 160 200 мг-экв/100 г почвы
А ф, MB -
¦
«*W
***?**• „, <*г-. ,*
Na,
IQ 20 40 80 мг-экв/100 г почвы
ф, мВ
W, %
4 8 12 16 20
Pwc. 7.3. Зависимости электрических параметров от некоторых
химических и физических свойств для почв светло-каштанового комплекса
а - поглощенные Са, Mg, Na; б - поглощенный Na; в - влажность
цов представляется явно двухслойным, так как для них характерна
яркая дифференциация почвенного профиля. Почвенно-электри-
ческий профиль солодей отражает их трехслойное, аналогичное
дерново-подзолистым почвам строение профиля, хотя за
формирование его ответственны другие почвенные процессы.
20
Таким образом, созданная в результате почвообразования
дифференциация мобильных ионогенных соединений на любом
уровне организации почвенного покрова сопровождается
созданием градиентов химических потенциалов, что, в свою очередь,
при стационарном или квазистационарном состоянии
почвенного покрова приводит к закономерной генерации и
распределению естественных и искусственных электрических параметров,
подчиняющихся единым фундаментальным законам
электромагнетизма.
Естественные потенциалы, являясь природным явлением,
будут не только отражать энерго- и массоперенос, но и
самостоятельно влиять на передвижение электрически заряженных
частиц, выравнивая их электрохимические потенциалы за счет
генерации электрического поля, препятствующего
самопроизвольной их миграции под действием разных химических потенциалов.
Стационарное состояние подвижных электрических зарядов при
определенных физических условиях может нарушаться,
например, при наличии низкой влажности, высоких температурах или
при быстрой и резкой их смене (рис. 1.3, в).
Итак, использование кривых сопротивления, измеренного в
естественных условиях, для изучения морфологических
особенностей и картирования почв целесообразно в тех случаях, когда
влияние влажности на сопротивление можно считать
пренебрежимо малым.
Метод сопротивления в применении к различным типам почв
перспективен, во-первых, благодаря экспрессности,
информативности и возможности проведения измерений как в полевых,
так и в лабораторных условиях, а во-вторых, в силу
использования простого, доступного и дешевого оборудования. Особенно
успешен этот метод в случае, когда резко изменяется какое-либо
одно почвенное свойство, оказывающее влияние на
сопротивление (например, содержание солей или влажность, скелетность),
или когда профиль почвы резко дифференцирован на
генетические горизонты.
Сложности в применении электрического сопротивления для
оценки почв в полевых условиях возникают при одновременном
варьировании многочисленных почвенных свойств,
оказывающих влияние на плотность подвижных электрических зарядов, и
на почвах со слабо дифференцированным профилем. Такие
условия часто складываются на почвах различных климатических
зон, образовавшихся под действием многочисленных факторов
геологического и биологического характера.
Применение полевых электрических методов для оценки
почв с генетическими целями часто осложняется ввиду: 1) силь-
21
ной дифференциации профиля по влажности, 2) комплексности
почвенного покрова, 3) влияния на электрическое
сопротивление многочисленных свойств почвы, когда сложно выделить
определяющие факторы. Тем не менее детальное изучение влияния
свойств почв на удельное электрическое сопротивление и
применение полевых электрических методов с учетом
ограничивающих факторов позволяют в известной степени преодолеть эти
трудности.
В литературе существуют большие разногласия по поводу
характера зависимости сопротивления от влажности и
температуры. Обычно вид такой зависимости не обосновывается
теоретическими представлениями о механизме и законе распределения
электрических зарядов в почвах, а строится исключительно на
статистических положениях об удачном описании полученного
массива данных тем или иным видом эмпирической
регрессионной зависимости. Зависимости предлагались самые различные -
от экспоненциальной и степенной до линейной.
Сопряженное влияние на сопротивление не только
влажности, но и температуры, концентрации почвенного раствора,
плотности сложения и других свойств почвы привело к отказу
от использования кондуктометрических методов для
определения влажности почвы (Берлинер, Долгополов, 1954; Воронин,
1986). Более того, часто влияние влажности и температуры на
сопротивление препятствует использованию полевых методов
для оценки генетических свойств почв. Однако такое влияние
во многих случаях можно исключить, основываясь на
экспоненциальном виде зависимости сопротивления от этих свойств.
Можно предположить, что в диапазоне влажности
ВРК-ППВ и температуре до 25 °С их влияние на сопротивление
является минимальным, так как на этом участке достаточно
большому увеличению влажности и температуры
соответствует относительно небольшое увеличение удельного
электрического сопротивления (Поздняков и др., 1996).
В гумидной зоне, например, при определении мощности
подзолистого горизонта в полевых условиях методом ВЭЗ можно
исключить влияние влажности, поскольку в этой зоне ее
изменение чаще всего находится в диапазоне W > ВРК-ППВ, где
влияние влажности на сопротивление минимально (Карпачевский и
др., 1983). Вышеотмеченные зависимости, приведенные на
рис. 1.1-1.3, получены именно при высокой влажности почв,
когда ее влияние на электрические параметры, как будет показано
далее, незначительно.
До применения полевых методов электрического
сопротивления для изучения генезиса почв необходимо оценить влияние
22
влажности на сопротивление в естественных условиях, а затем
определить зависимость сопротивления от влажности в
лабораторных условиях, учитывая полный диапазон ее варьирования.
1.2. ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ПОЧВ
ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Влияние влажности почв. Существенное влияние на
электрические параметры почв, на наш взгляд, оказывает влага, так как
изменение ее количества может изменить плотность
электрических зарядов на несколько порядков, чего не скажешь о
температуре и плотности сложения почвы. Изучение зависимости
электрических параметров от влажности является основополагающим
для применения методов электрофизики на практике.
С одной стороны, резкое и сильное влияние влажности на эти
параметры (сопротивление и др.) может напрочь "исказить"
строгие различия, определяемые генетическими особенностями
почв, и тем самым помешать исследователю корректно
провести, к примеру, почвенное картирование. С другой стороны,
резкое изменение влаги, например по профилю почв в аридных
регионах, может быть обусловлено глубиной залегания грунтовой
воды, что и определит эпюру ее распределения в почве и
обеспечит успешное применение электрических методов для оценки
глубины залегания грунтовой воды, например методом ВЭЗ, без
нарушения почвенного покрова.
Нами всесторонне изучались зависимости сопротивлений,
измеренных различными способами и в лаборатории, и в полевых
условиях, от влажности почвы как непосредственно в точке
измерения сопротивления, так и в слое, вычлененном на основе
данных ВЭЗ.
Проанализируем влияние влажности образца, сопротивление
которого непосредственно измеряли. Легко видеть, насколько
тесно связаны между собой влажность и электрическое
сопротивление для одного и того же образца в том случае, когда
сопротивление образца зависит только от влажности почвы при неизменном
ее химическом составе и физическом состоянии (рис. 1.4, а). Даже
влияние упаковки образца, проводимое в измерительной ячейке
простым уплотнением торфа руками и контролируемое весом
ячейки, было достаточным, чтобы снивелировать влияние
уплотнения и вычленить только влияние влажности. Теснота связей для
торфяных почв весьма высока, практически функциональна.
Коэффициенты корреляции достигают 0,95-0,98.
23
R, Омм
10000 J*
8000-
6000-
4000-
2000-
^^*<
*»¦»¦¦¦* »¦+»<!
0 100 200 300 400 500
•w, %
/?, Омм
400
300 H
200
100 H
0
ЧУ*i »
j—t-
200
400
600
W9%
R, Омм
800
600 H
400
200
0
¦ ¦
¦¦¦
:¦¦¦>
I ¦ *[
100 200 300 400
W,%
Рис. 1.4. Зависимости
электрического сопротивления и
влажности в торфяных почвах
а - одного и того же образца;
б - при измерениях по стенке разреза;
в - при измерениях методом ВЭЗ
Как для торфяных почв различного ботанического состава,
так и для минеральной аллювиальной почвы получены кривые
зависимости, по виду которых можно предполагать наличие
между сопротивлением и влажностью экспоненциальной или
степенной зависимости.
Важно, что даже при оценке зависимости сопротивления и
влажности в полевых условиях по стенке разрезов теснота связи
мало снижается (рис. 1.4, б). Наконец, весьма важно, что связь
сопротивления с влажностью довольно тесная и в том случае,
когда сопротивление измеряется методом ВЭЗ непосредственно с
поверхности, а влажность определяется для слоя, полученного в
результате интерпретации данных ВЭЗ лишь в одной точке
отбора образцов, расположенной в центре зондажа (рис. 1.4, в).
Для выбора экспоненциальной или степенной зависимости
производили расчет коэффициентов корреляции, а затем
определяли значимость и достоверность отличий между ними. Следует
отметить достаточно высокие значения коэффициента
корреляции как для экспоненциальной (г- 0,78-0,98, в среднем 0,875), так
и для степенной (г - 0,82-0,99, в среднем 0,912) зависимости
(рис. 1.5). Практически во всех исследованных вариантах
коэффициенты корреляции выше для степенной зависимости (кроме
29 и 3 образцов). Эти различия в основном значимы, однако в
26% случаев вероятность >0,95, в 26% других случаев - 0,5 и в
22% случаев различия незначимы.
Таким образом, результаты в более 52% случаев
показывают, что различия между экспоненциальной и степенной зависи-
24
70 г
60
50
40
30
20
10
70
60
50
40
30
20
10
y=h2629e-°>2706x
г = 0,975
a
W,%
у-
•
1
6
. In R Ом
8
= 1,6516е-°'3364дг
г = 0,976
•
в
•м
70
60
50
40
30
20
10
/ = 0,9796e-°'235bf
г = 0,990^
-JIn R,Омм
v=l,9192e-°'358U
г = 0,959
_i i i i i
Рис. 1.5. Вид зависимостей и плотность связей электрического
сопротивления и влажности в торфяных (а, б) и подзолистых (в, г)
окультуренных почвах
мостями не могут считаться достаточно значимыми. Нам
кажется, что выбор в пользу той или иной зависимости для функции
R -fiW) на всем диапазоне доступных влажностей недостаточно
обосновывать статистически, а лучше использовать
теоретические предположения об экспоненциальной связи электрических
свойств почвы со свойствами, определяющими плотность
подвижных электрических зарядов (закон Максвелла-Больцмана).
Хотя возможно при использовании зависимости сопротивления
от влажности только с практической целью применять и
степенную зависимость.
Однако если полученные данные перевести в
логарифмические координаты (ось у - In /?, ось х - W), то точки достаточно
хорошо ложатся на ломаную линию, состоящую из нескольких
прямых, что свидетельствует о хорошей аппроксимации общей
кривой кусочно-экспоненциальной зависимостью (рис. 1.6). Кроме
того, было замечено, что, несмотря на экспоненциальный вид
зависимостей, между влажностью и сопротивлением на этих
кривых часто наблюдаются прямолинейные участки.
Для более претенциозного анализа зависимости
электрического сопротивления от влажности на лабораторных тензиомет-
рах были определены кривые водоудерживания с параллельным
измерением сопротивления (Абрукова и др., 1988; Шеин, Капи-
нос, 1994). При сравнении данных водоудерживания с кривыми
25
500 Jf' % Рис. 1.6. Зависимость катего-
t т^^о рий влаги и электрического
* сопротивления в торфяных
^ окультуренных почвах
\ МАВ - максимальная адсорб-
* ционная влагоемкость, ММВ - ма-
• MKPR
** ксимальная молекулярная влаго-
^% ММВ емкость, МКСВ - максимальная
^*"^*_МАВ капиллярно-сорбционная влаго-
! , ^^<^~* [ емкость, ППВ - предельная поле-
0 3 5 7 1п/?,Омм вая влагоемкость
In R =f(W) оказалось, что точки излома приблизительно
соответствуют областям перехода различных категорий влажности:
1-я - из пленочно-стыковой в пленочно-капиллярную
влажность;
2-я - из пленочно-капиллярной в капиллярную;
3-я - из капиллярной в капиллярно-гравитационную.
Полученные переходы показывают, что в выбранных
диапазонах зависимость R = f(W) имеет экспоненциальный характер,
при переходе от диапазона к диапазону меняются коэффициенты
прямолинейных участков кривой, зависимость остается
постоянной (Позднякова, 1994). Отсюда следует, что в различных
областях увлажнения почвы действуют различные механизмы сорбции
паров влаги, при этом изменяется количество почвенного
воздуха. Таким образом, изменяются условия, определяющие
прохождение электрического тока, и величина сопротивления почвы.
В любом диапазоне увеличение влажности приводит к
увеличению количества подвижных электрических зарядов, которое, в
свою очередь, в разной степени влияет на уменьшение
сопротивления. В разных диапазонах влажности действуют различные
механизмы сорбции воды.
У почв, высушенных при 200 °С, электрические свойства
одинаковы независимо от типа, в этом случае почва
практически является диэлектриком (Ткаченко, 1972). Но даже
небольшое количество воды, содержащееся в воздушно-сухой почве,
обеспечивает сильное различие в сопротивлениях разных
образцов.
Характер взаимодействия прочносвязанной воды с твердой
фазой почвы индивидуален для каждого генетического
горизонта и типа почвы и определяется комплексом физических,
физико-химических и химических свойств. Физическая сущность
индивидуального взаимодействия прочносвязанной воды с почвой,
с точки зрения электрических свойств, проявляется в
образовании на поверхности почвы островков и пленок с разной электро-
26
проводностью, которая и определяет электрические свойства
почвы. В воздушно-сухих образцах для образования
непрерывной системы соприкасающихся пленок не хватает влаги и
поверхность твердой фазы может поляризоваться, т.е. на ней
происходит перераспределение заряженных частиц под влиянием
внешнего электрического поля без изменения суммарного
заряда - это поверхностная проводимость.
По А.Д. Воронину (Воронин, 1986), критический потенциал
соответствует переходу из пленочно-стыковой воды к пленоч-
но-капиллярной, в результате образуется так называемая
влажность разрыва капиллярных связей. В диапазоне
пленочно-стыковой влаги малейшее снижение количества воды в
почве приводит к разрыву пленок воды, что резко увеличивает
сопротивление.
При увеличении влажности происходит все большее
вовлечение водных островков в общую электропроводящую
пленку, формируется двойной электрический слой. При
потенциале МКСВ (максимальной капиллярно-сорбционной
влагоемкости) отмечается максимально возможное
распространение ионно-электрических сил и максимальная толщина
пленки на плоской поверхности. Снижение толщины этой
пленки практически не влияет на характер распределения
ионных сил и увеличение сопротивления. Прямолинейный участок
кривой R =f(W) более полого подходит к оси W по сравнению с
первым диапазоном.
В торфяных почвах связь воды с органическим веществом
осуществляется несколько иначе, чем в минеральных. Структура
торфяных частиц проницаема для молекул воды, поэтому
распределение молекул сорбированной воды объемное, а понятие
мономолекулярного слоя не имеет физического смысла (Лыч,
Лис, 1980). Однако и здесь наблюдаются различия в энергиях
связи воды и органического вещества в разных диапазонах и
различие в коэффициентах А и К.
В третьей точке излома происходит переход из области
капиллярной в область капиллярно-гравитационной воды. В этом
диапазоне количество свободной гравитационной воды
практически не влияет на дальнейшее уменьшение сопротивления, т.е.
прямолинейный участок почти параллелен оси влажности.
Небольшое снижение сопротивления в этом диапазоне все же
происходит, по-видимому, из-за растворения легкорастворимых
солей и вытеснения из объема почвы почвенного воздуха, который
является диэлектриком и увеличивает сопротивление почвы.
При добавлении большого количества воды весь воздух будет
вытеснен, произойдет дополнительное растворение легкораство-
27
римых солей и концентрация почвенного раствора начнет
снижаться, но это возможно в том случае, когда данный образец
превращается в пасту или суспензию, но такое состояние не
является естественным для большинства почв.
Таким образом, зависимость сопротивления от влажности
имеет экспоненциальный характер в различных диапазонах
перехода категорий влажности, что определяется законом
распределения материальных носителей электричества Максвел-
ла-Больцмана и различными механизмами сорбции воды.
Существование точек излома прямых In R =f(W),
соответствующих критическим потенциалам МАВ, ММВ, МКСВ и ППВ,
позволяет рекомендовать применение сопряженных измерений
сопротивления и влажности в лабораторных условиях для
экспрессного определения характеристических влажностей, по
которым можно судить о водоудерживающих свойствах почвы.
Экспрессность и простота этого метода позволяют существенно
ускорить получение значений этих влажностей.
В диапазоне капиллярной воды резко меняются
механизмы сорбции воды и уменьшается степень влияния влажности
на сопротивление. Это дает теоретические предпосылки для
определения уровня грунтовых вод (капиллярной каймы)
полевыми электрическими методами в аридных регионах. Здесь
эпюра распространения влажности по профилю часто
определяется капиллярной каймой грунтовых вод, а верхняя толща
почвы сильно иссушена. Такое различие влажности, а
следовательно, и сопротивления, легко идентифицируется на
кривых ВЭЗ.
При высокой влажности влияние на сопротивление
оказывают другие факторы, обычно это химические факторы,
несущие генетическую нагрузку и позволяющие проводить
почвенное и почвенно-мелиоративное обследования (рис. 1.7 и см.
рис. 1.2, 1.3).
Заметим, что и при низкой влажности, в диапазоне
гигроскопической влаги, такие работы также возможны и могут быть
успешными в том случае, если нет вынужденных, не связанных с
генезисом "влажностных" изменений, например искусственного
увлажнения (тогда величины сопротивления более динамичны и
работа требует более внимательных подходов).
Плотность сложения. Это свойство почвы также определяет
в значительной мере плотность подвижных электрических
зарядов в фиксированном объеме и, следовательно, может изменять
электрические параметры почв.
Однако необходимо отметить, что добиться заметно
ощутимого влияния плотности почвы, например, на электриче-
28
ф,мВ R, Омм
Н600
60
40
30
20
10
800
400
200
100
Подзолы
В, глина ( Черноземы ) ( Торфяные )
10
20
40
60
ЕКО,
12
мг-экв
100
50
30
10
_100|
- 30
- 10
А, солонцов
¦> . d
В,солонцов
^
7^ \
Засоленные
. 1 1 1 1
б
I Солончаки
*—; z
од
0,2
0,5
1
Засоленность, %
Рис. 1.7. Распределение почв и их горизонтов по электрической сенсор-
ности
а - в гумидной зоне; б - в аридных регионах
ское сопротивление, в реальных естественных диапазонах ее
изменения в природных условиях для большинства почв,
особенно минеральных, невозможно, так как изменения
плотности в них редко достигают десятков процентов. Ощутимое
влияние плотности обнаружено нами только на торфяных
почвах и то при весьма высоких степенях уплотнения, после
прохода по одному и тому же следу тяжелой техники, а также
при проведении специальных опытов при сильном
уплотнении рыхлых почв.
Под воздействием техники произошло уплотнение торфяной
почвы в 2 раза - с 0,2 до 0,4 г/см3, а вслед за ним уменьшение
электрического сопротивления лишь на 10-15%. В
лабораторных условиях были получены четкие экспоненциальные и
степенные зависимости электрического сопротивления от
плотности почвы (коэффициент корреляции 0,96-0,99). В этом случае
искусственно выделялось и изучалось влияние одного свойства
почвы на сопротивление.
Положительные температуры. Положительные
температуры в диапазоне их умеренных величин слабо влияют на электри-
29
ческие свойства почв. К аналогичным результатам именно в
положительном диапазоне температур пришли и многие другие
исследователи (Дахнов, 1933, 1953; Семенов, 1948; Раисов, 1973,
1974, 1976; Савич, 1977). При отрицательных температурах в
промерзающих почвах ситуация резко меняется; об этом
подробно сказано в главе 7.
Отсюда следует, что изменение плотности почв и температур
при полевых исследованиях методами электрофизики на
практике можно не учитывать и не делать специальных поправок.
Кроме того, используя распределение почв по электрическим
параметрам (см. рис. 1.7), легко видеть, что дерново-подзолистые
почвы "электросенсорны" - незначительному изменению свойств
соответствуют значительные изменения электрических параметров
(см. рис. 1.7, а). Такой же особенностью обладают в аридной зоне
солонцы (см. рис. 1.7, б). Черноземы, торфяные и засоленные
почвы электрически "забуферены" - имеют низкие, малоизменя-
ющиеся электрические параметры (см. рис. 1.7, а, б).
Эту особенность изменения электрических параметров почв
необходимо использовать при применении методов полевой
электрофизики.
На сенсорных почвах решение практических задач может
быть более успешным даже при меньшем экспериментальном
материале, чем в забуференных почвах, где его можно достичь
лишь при большом статистическом материале.Такой подход
обеспечивает успешное применение электрофизических методов
при почвенных, почвенно-мелиоративных, агрохимических и
других обследованиях почв.
Глава 2
МЕТОДЫ ПОЛЕВОЙ
ЭЛЕКТРОФИЗИКИ ПОЧВ
К электрическим параметрам почв, легко измеряемым в
полевых условиях методами полевой электрофизики, относятся
естественные электрические потенциалы и сопротивления
различного вида.
На использовании измерений электрического
сопротивления, по существу, основано большинство методов
электрогеофизики, применяемых в геологии, грунтоведении, в том числе, как
будет показано далее, полевой электрофизики почв. Эти методы
существенно отличаются от измерений сопротивлений, скажем,
в электротехнике, где в основном используют двухэлектродные
методы, так как измеряют сопротивления заземлений, т.е.
сопротивления переходов заземлитель-среда.
Измерения с помощью четырехэлектродных схем весьма
просты. В последовательно соединенной схеме измерителей силы
тока, напряжения, любых подходящих батарей и измерительной
ячейки легко получают величины сопротивления (рис. 2.1, а).
Заметим, что измерения полностью совпадают с измерениями
сопротивлений в полевых условиях для реальных нативных почв при
горизонтальном и площадном профилировании (рис. 2.1, б) и
являются основой измерений при вертикальном электрическом
зондировании; подробнее они будут рассмотрены ниже.
Наиболее простым методом электромагнитных полей следует
признать метод естественного электрического поля (рис. 2.1, в).
Для его применения необходимо иметь прибор, регистрирующий
(измеряющий) естественные, самопроизвольно возникающие
электрические поля в почвах, и два неполяризующихся электрода.
2.1. ИЗМЕРЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОЧВ
Нами ранее было показано, что в почве, на границе раздела
неоднородностей любого порядка с различными физическими
или химическими свойствами, существует естественное поле по-
31
X"
дч
-0-
м
N
-0±
01
Т
М
т
N
т
В
т\
-01
\м
\Ny
Рис. 2.1. Принципиальные
схемы измерений электрических
параметров почв
а - истинного сопротивления
(р0) четырехэлектродной
установкой с площадными электродами
MN; б - кажущегося
электрического сопротивления
четырехэлектродной установкой с точечными
электродами; в - естественных
потенциалов в профиле почв, где М,
N - неполяризующиеся электроды
стоянных электрических
токов с определенной
разностью потенциалов,
поддерживаемое сторонними
электродвижущими силами (ЭДС)
контактной природы.
Исследование
пространственного изменения
естественных электрических
потенциалов в почвах позволит
решить существенный круг
задач:
1) выявить однородные
объемы почвы и установить
границы между ними в
полевых условиях;
2) оценить характер
варьирования и шаг
опробования некоторых свойств
почв на основе полученных
зависимостей;
3) провести картирование территории с пестрым почвенным
покровом и детальное картирование малых участков.
Кроме того, наиболее важной особенностью метода
естественного поля является возможность его применения для почвен-
но-мелиоративных обследований, а именно, для определения
параметров грунтовых потоков и их направления, скорости
фильтрации и ее трассы и так далее.
Разность потенциалов измеряют с помощью установки,
состоящей из измерительного прибора (электронного стрелочного
автокомпенсатора ЭСК-1 или АЭ-72) и двух неполяризующихся
электродов, соединенных с прибором проводами (рис. 2.1, в).
32
Обычно при измерении естественных электрических
потенциалов используются неполяризующиеся электроды,
представляющие собой мелкопористые сосуды, в которые заливают раствор
медного купороса и погружают медные стержни (т.е. металл
находится в растворе своей соли).
Результаты экспериментов могут быть корректны только в
том случае, если измерительные электроды сами не вносят
значимых искажений в измеряемые величины, а являются лишь
звеном, передающим информацию о неравномерности
распределения заряженных частиц в почвенном объеме. Идеальными
электродами могли бы быть бесконтактные электроды,
взаимодействующие с электрическими полями, выходящими за пределы
почвы. Однако в связи с возникающими в почвах малыми
величинами ЭДС (5-20 мВ) применить такой способ на практике не
удается. Наиболее целесообразно использовать применяемые в
электрохимии стандартные электроды, например каломельные или
хлорсеребряные. Однако площадь контакта таких электродов с
почвой слишком мала, что не позволяет получать достоверные
результаты.
Обычно при работе с электродами контакт с почвой
осуществляется через водный раствор соли металла - происходит
изменение свойств почвы (влажности, состава и концентрации
солей) в точках заземления электродов вследствие утечки
раствора соли из сосуда. Взаимосвязь между величинами
электрических потенциалов и параметрами свойств в почве нарушается,
что приводит к снижению воспроизводимости и
производительности измерений.
Перечисленные недостатки можно устранить с помощью не-
поляризующихся электродов, изготовленных из сухих
элементов - батареек. (Такие электроды применяют и в геофизике.)
Для приготовления электродов отбирают 3-4 пары сухих
элементов Лекланше цилиндрической формы любой марки и
размеров, срок использования которых не превышает 4-5 мес. К
латунной насадке на угольном стержне каждого элемента ("плюс")
припаивают медные многожильные провода длиной 20-25 см с
изоляцией. Затем, распилив в продольном направлении
цинковый корпус элемента ("минус"), снимают его так, чтобы не
повредить желеобразный раствор. С основания элемента срезают
изоляцию. Электрод, кроме основания, тщательно обматывают
изоляционной лентой в несколько слоев. Можно электрод
поместить в трубку подходящего размера из электронепроводящего
материала. Свободные концы проводов освобождают от
изоляции на 2-4 см и, соединив попарно, замыкают между
сомкнутыми основаниями этой же пары электродов, закрепляют под-
3 Поздняков А. И
33
ручными средствами и в таком положении оставляют на
несколько суток.
В результате электролитического осаждения на угольном
стержне происходит постепенное выравнивание потенциалов
обоих электродов. Через 1-2 сут. потенциалы замкнутых
электродов обычно выравниваются. Работают с той парой
электродов, разность потенциалов которых при
непосредственном контакте минимальна (2-5 мВ), что устанавливают с
помощью измерений автокомпенсатором. Контакт
электродов с почвой осуществляется через загущенный, достаточно
концентрированный раствор. Эти электроды удобны в работе,
при их использовании исключена возможность разбавления
почвенного раствора электролитом, но из-за разной
подвижности катионов и анионов возникает значительный
диффузионно-адсорбционный скачок потенциала на контакте
электрод-почва, что является существенным недостатком.
Недостатком таких электродов также является разная подвижность
катионов и анионов на границе с почвенными растворами
различного состава.
Но если между электродами и почвой разместить солевые
мостики с растворами хлорида калия или нитрата аммония -
веществ, у которых подвижности ионов очень близки, то
диффузионный потенциал будет минимизирован (Федотов, Поздняков,
2001). В этом случае скачки потенциалов на границах электрод -
приэлектродный раствор и приэлектродный раствор - раствор
солевого мостика у обоих электродов практически равны и,
следовательно, будут компенсировать друг друга. Уменьшение
диффузионных потенциалов и поляризации должно привести к тому,
что измеряемая разность потенциалов приблизится к разности
потенциалов между точками почвенного объема. Использование
солевых мостиков из КС1 между электродами и почвой
позволяет значительно уменьшить ошибку измерений, вносимую
диффузионными потенциалами электродов, следовательно, получать
более корректные результаты.
Применение такого метода позволяет значительно упростить
изготовление электродов, отказаться от достаточно сложных
электродов из элементов Лекланше и перейти к системам медь -
раствор сульфата меди - калийхлоридный агаровый мостик. В
этом случае агаровый мостик выполняет одновременно роль
пористой оболочки, удерживающей раствор медного купороса, и
"гасителя" диффузионно-адсорбционных потенциалов.
Проведенные эксперименты подтвердили наши предположения.
Потенциал между изготовленными таким образом электродами не
превышал 1-2 мВ; разность потенциалов между электродами,
34
опущенными в 0,1 н. раствор соляной кислоты и гидроокиси
калия, составила 4-6 мВ.
Следует остановиться еще на одном моменте,
определяющем, на наш взгляд, точность измерения, - на разности
потенциалов между полюсами электродов. Для электродов из элементов
Лекланше она составляет 450-500 мВ, для электродов медь -
раствор медного купороса - около 100-110 мВ. Это означает, что
нижняя часть электродов содержит избыточный отрицательный
заряд, влияющий на перемещение зарядов между почвой и
электродом. Чем этот заряд больше, тем результаты менее точны.
На основании вышеизложенного, а также данных
экспериментов можно сделать однозначный вывод о преимуществе
электродов медь - раствор сульфата меди - агаровый раствор
хлорида калия, и именно агарового раствора хлорида калия, а не
агарового раствора сульфата меди, как предлагается в некоторых
геофизических работах. Достоверность результатов, получаемых с
помощью таких электродов, намного выше, чем без применения
агархлоридных мостиков.
Результаты анализов испытаний электродов с учетом их
конструктивных особенностей позволяют сделать обоснованный
выбор наиболее перспективных конструкций неполяризующихся
электродов для тех или иных практических целей при
измерениях естественных электрических полей в почвах.
Измерения естественных электрических полей в почвах
проводят следующим образом. В полевых условиях для
выравнивания потенциалов разъединяют замкнутые провода электродов и
соединяют их с изолированными проводами такой длины, чтобы
можно было осуществлять заземление электродов в любой точке
исследуемого участка почвы. Один из электродов (неподвижный
электрод ЛО подключают к гнезду N автокомпенсатора и
помещают в отверстие в почве, сделанное с помощью трубки с
заостренным торцом, диаметром чуть большим диаметра электрода, затем
"обжимают" со всех сторон почвой и оставляют неподвижный
электрод в этом месте (нулевая точка) на все время работы на
участке. Другой электрод (подвижный электрод М) подключают
к гнезду М. Проверяют питание прибора. Переключатель U-J
ставят в положение ?/. Тумблер КП переводят в положение
"выкл". Это весьма важно! Иначе измерения будут неверны!
Затем один человек устанавливает электрод М рядом с
электродом N и слегка прижимает его к почве, не допуская
механического повреждения электрода, а другой человек считывает
величину и знак потенциала электрода М по сравнению с N
(измерение ЭДС поляризации). Знак измеряемой величины
соответствует знаку, на который указывает положение переключателя по-
35
лярности "М+ -" при отклонениях стрелки вправо.
Устанавливается последовательно подвижный электрод в точках почвы,
потенциалы которых необходимо получить. Затем сравнивают
величину и знак потенциала в этих точках с постоянным
потенциалом электрода N, проводят алгебраическое вычитание величины
поляризации из каждого значения потенциала и получают
потенциалы точек объекта, которые можно интерпретировать в
дальнейшем независимо от местоположения нулевой точки.
Нулевую точку следует выбирать так, чтобы в ней
находился наименьший потенциал для всего объекта, предполагалась
самая высокая воспроизводимость измерений, а потенциал
электрода N оставался постоянным на протяжении всего
периода работы на этой нулевой точке. Данные условия очень
важны, поэтому и периодически контролируются измерением ЭДС
поляризации.
Перечисленным требованиям отвечают наиболее влажные
(W > ВРК) участки в профиле почв с максимальным
содержанием поглощенных и легкорастворимых солей. Так, при
измерениях электрических потенциалов в профиле дерново-подзолистых
почв нулевую точку выбирали в иллювиальных горизонтах В2,
В3, а, например, на почвах светло-каштанового комплекса - в
горизонте В коркового солонца. При соблюдении указанных
методических особенностей определение естественных
электрических потенциалов дает возможность получения средних значений
измеряемых величин (не более 10%) с относительной
вероятностной погрешностью (Р = 0,95) при 2-3-кратной повторности, что
вполне допустимо для полевых условий.
2.2. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ И ПЛОЩАДНОЕ
ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ
Своеобразным прототипом методов горизонтального и
площадного электропрофилирования являются лабораторные и
полевые измерения электрического сопротивления четырехэлект-
родными датчиками, описанные выше. В данных методах
электропрофилирования плоские электроды заменяют точечными и
размещают их по прямой линии (см. рис. 2.1, б). Заземляются
электроды на поверхности почвы. Измерять электрическое
сопротивление можно датчиком AMNB, в котором расстояние
между электродами должно быть не меньше 5—10 см. Если измерения
проводятся на больших расстояниях между электродами
(несколько десятков сантиметров или даже метров), заземленными
на поверхности почвы вдоль профиля, то такой метод называют
36
горизонтальным электропрофилированием (ГЭП), а по
нескольким сопряженным профилям - площадным
электропрофилированием (ПЭП).
Методы ГЭП и ПЭП направлены на изучение кажущегося
сопротивления почв с помощью последовательно
перемещающейся вдоль профиля или по площади установки AMNB при
неизменных разносах, что обеспечивает относительно постоянную
глубину исследования и позволяет выявлять неоднородность
почвенного покрова в определенном слое. Каждую пару
питающих электродов располагают симметрично, на разном
расстоянии относительно постоянной точки, являющейся центром
приемной линии MN, что позволяет задавать различные глубины
профилирования. Измерения проводят в одной точке почвенного
покрова при профилировании установкой с тремя и более
парами последовательно увеличивающихся разносов АВ.
Результаты электропрофилирования установками AMNB
удобно изображать в виде нескольких совмещенных графиков,
характеризующих распределение сопротивления по одному и
тому же направлению, но при различных разносах АВ и,
следовательно, при различных глубинах исследования.
Понятно, что метод горизонтального профилирования
позволяет исследовать почвенно-грунтовую толщу на различных
уровнях неоднородности, поскольку варьирование параметрами
единичных установок возможно в достаточно большом
диапазоне. Исходя из необходимых условий точечности электродов в
установке и полагая, что наиболее эффективный диаметр
электродов заземлителей не должен превышать -0,5 см, предельно
малый объем почвы, из которого еще можно получать
достоверную информацию методом ГЭП, по-видимому, не может быть
меньше 1 дм3. Заметим, что при методе определения
естественного электрического поля минимальный объем почвы,
позволяющий получить величину потенциала, может быть порядка 1 см3.
Метод ГЭП предъявляет определенные требования к выбору
минимального шага электропрофилирования. Очевидно, при
шаге электропрофилирования, равном половине расстояния между
питающими электродами АВ, вся почвенная толща вдоль
исследуемого профиля до глубины профилирования будет охвачена
непрерывной серией измерений, дающих предельно детальную
картину изменения сопротивления. Это условие может быть
выполнено лишь при профилировании установкой с одной парой
питающих электродов, т.е. установкой AMNB. В то же время в
зависимости от целей исследования возможно совершенно
независимое и произвольное изменение как параметров установки, так
и шага профилирования. Но при заданной глубине профилирова-
37
ния максимальная детальность обследования достигается уже
при шаге профилирования, равном полуразносу электродов АВ,
и дальнейшее его уменьшение, по-видимому, не оправданно.
Для получения непрерывной картины изменения
сопротивления при последовательно увеличивающихся разносах А В следует
каждый раз изготовлять новые установки, увеличивая
соответственно и шаг электропрофилирования до половины разносов АВ.
Полученные с помощью установок измерения сопротивления
вдоль одного и того же профиля позволяют выявить слои почв с
различным электрическим сопротивлением и границы между ними.
Собственно уже по кривым ВЭЗ почв можно судить о
некоторых особенностях изменения сопротивления в горизонтальном
направлении, которые при электропрофилировании на
различных разносах выявляются более четко и детально. Поэтому,
анализируя кривые ВЭЗ различных почв определенной территории,
легко выбрать такие разносы АВ, названные оптимальными, при
которых почвенные комбинации имеют максимальные различия
по удельному кажущемуся электрическому сопротивлению. Для
почв черноземно-лугового комплекса оптимальными разносами
питающей линии являются АВ < 0,3 м, для перегнойно-торфяных
почв - АВ = 0,4 м, а для почв светло-каштанового комплекса -
АВ- 1,2 м.
Важно иметь в виду, что если измерения сопротивления
проводить на оптимальных разносах, то для каждой из почв
изучаемой таксономической группы характерны свои строго
определенные значения удельного кажущегося электрического
сопротивления. Ориентировочные значения электрического
сопротивления, специфические для почв исследуемых территорий,
можно установить по кривым ВЭЗ (см. далее). В светло-каштановом
солонцовом комплексе лугово-каштановые почвы имеют
удельное электрическое сопротивление 60 Омм и более,
светло-каштановые - 30-60 Омм и солонцы - менее 10 Омм. В чернозем-
но-луговом солончаковом комплексе наиболее высокие
значения сопротивления (более 100 Омм) имеют незаселенные
почвы, а черноземно-луговые солончаковые и солончаки - более
низкие величины сопротивления, соответственно <30 и
<10 Омм.
Среди торфяных почв наиболее низкие значения удельного
кажущегося электрического сопротивления присущи иловато-
торфяным почвам - 1-3 Омм, а для перегнойно-торфяных
железистых оно составляет 10-30 Омм. Поэтому выбранные на
основе анализа кривых ВЭЗ оптимальные разносы электродов
АВ используют при картировании почв методом площадного
профилирования. В результате проведения профилирования по
38
площади на оптимальном разносе, когда каждая из почв,
встречающихся на исследуемой территории, имеет строго
определенные, специфические значения сопротивления, возможно более
объективное и точное, чем только на основе классических
методов, картирование почв. Электрическое профилирование
позволяет также изучать закономерности изменения различных
свойств почв (например, содержание солей в засоленных почвах,
степень минерализации и накопления железа в перегнойно-тор-
фяных почвах), от которых зависят величины удельного
кажущегося сопротивления.
2.3. ВЕРТИКАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ
ЗОНДИРОВАНИЕ ПОЧВ
В основе метода вертикального электрического
зондирования (ВЭЗ) положены измерения удельного кажущегося
электрического сопротивления прямолинейными симметричными четы-
рехэлектродными точечными датчиками AMNB.
Структурная схема для проведения ВЭЗ представлена на
рис. 2.2. На электроды А В подается ток произвольной величины
(/). На электродах MN измеряют сформировавшуюся разность
потенциалов (?/). Удельное кажущееся сопротивление
рассчитывают по формуле
R = К(1ЛГ),
где К - коэффициент установки AMNB, К = AM • AN/MN, м.
В этом случае сопротивления называют кажущимися, потому
что они измеряются в неоднородных полях и в неоднородных
средах - почвах.
Прибором для измерений U служат все те же ЭСК-1 или
АЭ-72. Величину постоянного электрического тока измеряют
любым миллиамперметром постоянного тока (например,
М-42100) с подходящим пределом и шкалой измерений.
Электрическое поле создается в почве с помощью батарей типа
100 АМЦГ.У.190 ч, БАС.Г.80.У.20, производимых Елецким
заводом, или других через посредство заземлителей - электродов.
Для первичной регулировки U и / служит магазин сопротивлений.
Электродами могут быть различные металлические стержни.
Процедура измерений удельного электрического
сопротивления на установке AMNB.
В полевых условиях собирают прибор согласно схеме
(см. рис. 2.2).
С помощью кнопочного включателя линии АВ,
расположенного на автокомпенсаторе, кратковременно пропускают ток и
39
Рис. 2.2. Структурная схема прибора для вертикального
электрического зондирования
1 - автокомпенсатор; 2 - коммутатор линий АВ, MN; 3 - стандартный
набор линий AMNB; 4 - электроды
тем самым проверяют правильность соединений цепи. Если
стрелка миллиамперметра отклоняется влево, то необходимо
сменить полярность подключения к нему тока. В случае
зашкаливания стрелки вправо нужно уменьшить силу тока с помощью
регулирования сопротивления в магазине. После этого готовят
автокомпенсатор к работе для измерения сопротивления. В
первую очередь проверяют питание автокомпенсатора
переключателем "питание-контроль" в положения Нь Н2, Н3 и А. Если
используют прибор АЭ-72, то питание контролируется путем
включения двухступенчатого переключателя в положения 1 и 2.
Во всех случаях стрелка автокомпенсатора должна
останавливаться в пределах зачерненных интервалов шкалы. Если
положение стрелки не соответствует им, питание следует заменить.
Затем переключатель U-I поставить в положение U. Включить
компенсатор поляризации путем перевода переключателя "КП -
выкл" в положение "КП". Установив предел измерения в 300 или
1000 мВ на переключателе "пределы Af/=/AB" ручками (грубой и
средней) компенсатора поляризации, стрелку автокомпенсатора
вывести на ноль.
После полного и точного компенсирования
самопроизвольной поляризации, возникающей на электродах MN, в цепи АВ
включается ток и считываются значения разности потенциалов
40
на шкале автокомпенсатора и силы тока на шкале
миллиамперметра с учетом интервалов измерения. Затем опускается
кнопочный включатель линии АВ и прекращается подача тока в цепи.
На этом измерение параметров U и /, необходимых для
получения удельного электрического сопротивления, закончено.
Можно приступать к следующему измерению согласно таблице.
В случае, если стрелка миллиамперметра на
автокомпенсаторе вместо необходимого отклонения вправо отклоняется влево,
то нужно изменить полярность подключения электродов MN
путем изменения положения переключателя "М+ -" и снова
провести необходимые манипуляции и измерения. В случае
зашкаливания стрелок на каком-либо приборе вправо необходимо
увеличить интервал измерения соответствующих величин, а если это
уже невозможно, то следует уменьшить параметры U и /
изменением величины сопротивления в магазине. И наоборот, при
малых величинах U и /, которые затруднительно измерить, их
параметры можно увеличить. Грубое регулирование этих параметров
возможно и путем подключения различных батарей. Заметим,
что описанная довольно длительная подготовка необходима
только при первичной отладке прибора. Последующие
измерения U и / значительно упрощаются.
Вертикальное электрическое зондирование почв должно
предусматривать измерение удельного кажущегося
электрического сопротивления до глубины 1,5-2,0 м с достаточной
детальностью. Это определяет охват измерениями всего почвенного
профиля большинства почв основных генетических типов.
Полуразносы электродов АВ такой серии равны соответственно:
АВ/2 = 10, 15, 22, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 480, 720, 1000 и
1500 см. Полуразносы электродов MN выбираются так, чтобы
они размещались в средней части соответствующих
межэлектродных расстояний АВ.
Проведя последовательно все измерения, руководствуясь
данными таблицы и записав в рабочую тетрадь данные U и /,
можно считать, что этот этап закончен. Во время камеральных
работ, пользуясь электронным калькулятором или
логарифмической линейкой, легко рассчитать сопротивление, разделив U
на / и умножив на соответствующие коэффициенты К,
которые уже рассчитаны и приведены в таблице. Например, чтобы
рассчитать сопротивление на разносе АВ/2 = 0,1 ми MN/2 = 0,05 м,
необходимо 1000 : 0,5 х 0,24 = 480 Ом м, где U = 1000 мВ, а
/ = 0,5 мА (см. таблицу). Дальнейший этап обработки данных
ВЭЗ заключается в усреднении, т.е. вычислении средних
значений данных сопротивлений, полученных на одинаковых
полуразносах АВ/2, но при разных MN/2. Это, к примеру, данные со-
41
Таблица
Расчет вертикального электрического зондирования
А ВЦ, см
10
15
22
30
45
60
15
22
30
45
60
90
120
180
60
90
120
180
240
360
120
180
240
360
480
180
240
360
480
720
480
720
1000
1500
M/V/2, см
5
10
30
60
90
240
3600
К,м
0,24
0,64
1,21
2,75
6,28
11,23
0,20
0,64
1,26
3,02
5,50
12,60
22,46
50,74
1,41
3,80
7,10
16,78
30,00
67,39
2,32
7,53
12,56
33,90
59,30
4,20
8,63
21,20
38,80
89,80
11,30
30,00
25,17
66,05
U, мВ
1000
380
100
80
30
15
1200
250
180
60
32
16
8
4
100
45
20
8
4
-
55
15
10
2
8
26
16
2
8
-
_
-
-
-
/, мА
2,00
2,00
2,00
3,50
3,50
4,00
2,00
2,00
3,50
3,50
4,00
4,00
4,00
3,00
4,00
4,00
4,00
3,50
4,00
5,00
4,00
3,00
4,00
3,00
6,00
3,50
4,00
3,00
6,00
5,00
5,00
5,00
3,00
8,00
R
120,0
121,0
60,0
62,86
53,83
42,11
120,0
80,0
64,80
51,77
44,0
50,40
44,92
67,65
35,25
42,75
35,50
38,35
30,0
-
31,90
37,65
31,40
22,60
79,07
31,20
34,52
14,13
51,73
-
_
-
-
-
42
противлении, получаемых на разносах ЛВ/2 = 15 см, но при
MN/2 = 5 и 10 см.
Затем получаем усредненные значения данных ВЭЗ с
достаточной степенью точности. На миллиметровой бумаге в билога-
рифмическом или логарифмическом масштабе строятся графики
зависимостей сопротивления от ЛВ/2. Графики этих
зависимостей называются кривыми ВЭЗ или функцией зависимости
сопротивления (кажущего) полуразности АВ. Кривые ВЭЗ
содержат информацию об изменении сопротивления с глубиной, но не
напрямую, а через посредство разносов электродов на
поверхности почвы. Понятно,что глубина измерения сопротивления
сложным образом зависит от самого сопротивления.
Все приведенные методы обладают чрезвычайной экспрессно-
стью, но они требуют заземления измерительных электродов.
Представляется соблазнительным использовать, особенно
для почвенно-мелиоративных исследований, такие наземные
электромагнитные методы измерения, которые проводятся без
заземления. Это исключило бы ограничения в измерении
сопротивления почв, грунтов и пород, на которых в принципе нельзя
проводить заземления.
2.4. НЕПРЕРЫВНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
ПРОФИЛИРОВАНИЕ
Существует несколько разновидностей и различных
модификаций измерений электрического сопротивления бесконтактными
методами как у нас в стране, так и за рубежом, например в США.
Для этих целей модернизирован прибор непрерывного
электропрофилирования НЭП-4М, который предназначен для
проведения электрических измерений методом
электропрофилирования на переменном токе в движении без гальванического
контакта с землей. Аппаратура изготовлена Рязанским
приборостроительным заводом "Инжгеотехника" для
строительно-исследовательских работ и модифицирована нами для почвенных
исследований. Электрическое питание прибора осуществляется от
аккумуляторных батарей напряжением 6 и 12 В (никель-кадмиевые
аккумуляторы НКГЦ-3,5-1). Допускается использование в
качестве источников питания гальванических элементов.
Структурная схема прибора НЭП-4М представлена на рис. 2.3.
Устройство аппаратуры. Так как возбуждение и прием
электромагнитного поля осуществляются без гальванического
контакта с землей, то измерения проводятся непрерывно в
процессе движения оператора.
43
7
8
1
А
о
К&~
4
Г
L
Рис. 2.3. Принципиальная схема прибора для непрерывного
электромагнитного профилирования (НЭП-4М)
1 - регистрирующее устройство; 2,3 - приемные антенны; 4,6-
излучающие антенны; 5 - генератор; 7 - маркер; 8 - шпагат маркера
Сущность метода непрерывного электропрофилирования
заключается в следующем. Устройство генераторное через две
излучающие антенны стабилизированным током фиксированной
частоты возбуждает в земле электромагнитное поле.
Устройство генераторное предназначено для выработки гармонического
сигнала с частотой 14 кГц, коммутированного по фазе с частотой
30 Гц. Устройство состоит из генератора и блока питания;
конструктивно обе его составные части располагаются в футлярах
цилиндрической формы диаметром 50 мм и соединяются друг с
другом через разъемное соединение.
В блоке питания находятся пять никель-кадмиевых
аккумуляторов НКГЦ-3,5-1, соединенных последовательно. В состав
генератора входят: мультивибраторы рабочей и
коммутирующей частоты, коммутатор фазы, импульсный усилитель,
резонансный трансформатор, импульсный стабилизатор выходного
тока и параметрический стабилизатор питания мультивибратора
рабочей частоты.
На некотором расстоянии от точки возбуждения,
определяемом длиной нерастягивающегося и непроводящего шнура-тяги,
приемно-регистрирующим устройством через одну приемную
антенну и вторую емкостную антенну, в качестве которой
используется емкость, образованная между оператором и землей,
осуществляются избирательный прием вторичного поля и запись
его параметров на регистраторе самописцем.
При асинхронном режиме работы аппаратуры
синхронизация протяжки ленты самописца осуществляется по сигналам,
вырабатываемым устройством приемно-регистрирующим (УПР), с
частотой около 1 Гц. При этом перемещение ленты на 0,5 мм
осуществляется по первому, второму или четвертому импульсу в
зависимости от положения переключателей "РЕЖИМ" на
передней панели УПР.
Напряженность вторичного поля связана со строением
исследуемого объекта и физическими характеристиками.
44
Устройство приемно-регистрирующее (УПР)
предназначено для избирательного приема и обработки сигнала с частотой
14 кГц, коммутированного по фазе, наводимого в приемной
антенне от ультразвукового генератора (УГ), и регистрации его
амплитуды в логарифмическом масштабе на ленте самописца,
протяжка которой осуществляется в соответствии с расстоянием,
пройденным оператором вдоль исследуемого профиля.
Конструктивно устройство выполнено в виде автономного
блока с органами управления и индикации на передней панели.
Питание устройства осуществляется от модуля напряжением 12 В.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Входной сигнал с приемной антенны через разъем XW "ВХОД" и
емкость Сх поступает на токовый повторитель. Далее сигнал
через переключатели SA]л, SA{л, ослабляющие входной сигнал
соответственно в 3,3 и 10 раз, подается на узкополосный усилитель,
настроенный на частоту 14 кГц. Усилитель выполнен на
микросхеме DAX с частотно-зависимой отрицательной обратной связью
на элементах С3-С6, R6-R9. С выхода усилителя (выход 6DAX)
сигнал поступает на гетеродинный преобразователь, выполненный
на транзисторе Г2.
При вращении ручки "НАСТРОЙКА" частота гетеродина
изменяется в пределах от 12,5 до 14,5 кГц. При нажатой кнопке
SA3 "АПЧ" частота гетеродина изменяется в зависимости от
величины напряжения на конденсаторе С29 и подстройка частоты
осуществляется автоматически. Протяжка ленты
лентопротяжного механизма самописца может происходить в двух режимах:
синхронном и асинхронном.
При асинхронном режиме (кнопка SAA3 "0,5М" отжата)
сигнал с частотой около 1 Гц с мультивибратора на микросхемах
DD\X,DD\2 через переключатель SAA3 поступает на счетчик с
дешифратором DD2, с выхода которого через переключатель SAA
"МАСШТАБ" запускается триггер протяжки ленты ?>?>3,, и
через ключ на транзисторах VT4, VT5 система управляет
включением двигателя протяжки Ml. Одновременно зажигается светодиод
VD1 "ЛЕНТА" и начинается движение ленты самописца.
Модуль питания (МП) предназначен для питания УПР и
содержит десять никель-кадмиевых аккумуляторов НКГЦ-3,5-1,
соединенных последовательно. Конструктивно модуль питания
представляет собой пластмассовый футляр, в котором
располагаются аккумуляторы. Модуль закреплен на ремне оператора и
соединяется с УПР через разъем.
Емкостные антенны входят в комплект аппаратуры. Их в
комплекте три - две излучающие и одна приемная. Излучающая
антенна 1 выполняется из 30-40 отрезков многожильного прово-
45
да длиной по 1-2,5 м. Экранирующие оплетки этих отрезков с
одной стороны антенны соединены между собой. Один из
свободных концов с другой стороны антенны соединен с генераторным
устройством через разъемное соединение.
Излучающая антенна 2 изготовлена так же. К точке
соединения экранирующих оплеток кабеля подключено "снижение"
антенны длиной 5 м. Второй конец "снижения" через разъем
соединен с высоковольтным выводом УГ. Приемная антенна 3 по
конструкции аналогична антенне 2. Через разъемное соединение
"снижение" приемной антенны подключено к УПР.
Подготовка прибора НЭП к работе осуществляется
следующим образом.
Провести внешний осмотр составных частей аппаратуры,
убедиться в отсутствии повреждений корпусов УПР, УГ, МП и
оборванных проводов.
Расположить составные части аппаратуры согласно рис. 2.3.
При этом УПР и антенна прикрепляются к ремню оператора.
Антенны (приемная и излучающие) находятся непосредственно
на исследуемом профиле.
Соединить генератор и блок питания УГ, расположив его на
исследуемом профиле в соответствии с рис. 2.3.
Установить величину ослабления входного сигнала (1:3 или
1:10) кнопками "ДЕЛИТЕЛЬ" на передней панели УПР. При не-
нажатых кнопках "ДЕЛИТЕЛЬ" входной сигнал поступает на
УПР без ослабления (1:1).
Закрепить на шнуре-тяге антенны и У Г. Расстояние между
УПР и излучающей антенной 1 - "А". Величина ослабления
входного сигнала (1:1, 1:3 или 1:10) выбирается в зависимости от
требуемого значения разноса и диапазона измеряемых удельных
сопротивлений.
Подключить приемную антенну к УПР с помощью разъема
"ВХОД" на передней панели УПР.
Подключить излучающие антенны к генераторному устройству.
Подключить модуль питания к УПР с помощью разъема
"ПИТАНИЕ" на задней панели УПР.
Установить режим записи информации нажатием кнопки
"РЕЖИМ" на передней панели УПР. При этом синхронному
режиму соответствует нажатие кнопки "0,5М"; асинхронному
режиму в масштабе 1:1 соответствуют ненажатые кнопки
"РЕЖИМ", в масштабах 1:2 или 1:4 - включенные кнопки
"РЕЖИМ". При использовании синхронного режима необходимо
протянуть тонкий капроновый шнур вдоль исследуемого
профиля, пропустив его через ДП, и подключить датчик к УПР с
помощью разъема "ДАТЧИК" на задней панели УПР.
46
Выключить УПР тумблером "ВЫКЛ" на задней панели.
Настроить УПР по светодиодному индикатору с помощью
ручки "НАСТРОЙКА" на передней панели. При правильной
настройке УПР появляется зеленое свечение индикатора.
Нажать кнопку "АПЧ" на передней панели УПР и начать
движение по профилю.
После 10 ч непрерывной работы аппаратуры необходимо
зарядить аккумуляторы зарядным устройством "Импульс ЗС-01".
Подключают аккумуляторы через соединительный шнур к
зарядному устройству.
При температуре окружающей среды ниже 5 °С необходимо
перед эксплуатацией выдержать аппаратуру во включенном
состоянии не менее 10 мин.
Порядок работы. Аппаратура обслуживается одним
оператором. При наличии на исследуемом профиле разметки по
пикетам их местоположение на получаемом графике фиксируется
при нажатии кнопки "ПИКЕТ" на передней панели УПР.
Отметка пикета выполняется в следующей последовательности:
1) остановить оператор на уровне пикета;
2) нажать кнопку "0,5М" (при асинхронном режиме);
3) кратковременно нажать на кнопку "ПИКЕТ";
4) после перемещения пишущего узла в исходное
состояние нажать кнопку выбранного режима и начать движение по
профилю.
Возможны следующие режимы работы аппаратуры:
качественная оценка инженерно-геологических
особенностей исследуемого участка;
линейные профильные измерения;
площадная съемка.
Качественная оценка инженерно-геологических
особенностей исследуемого участка выполняется таким образом.
Аппаратура размещается на исследуемом участке и приводится в
исходное состояние в соответствии с инструкцией. Выбирается
направление прохождения профиля и проводится электрическая
съемка. Режим записи - асинхронный.
Для обеспечения привязки к местности используется отметка
пикета, расположенная через определенное количество шагов
оператора (например, через 10, 20 или 30 шагов).
При необходимости информацию можно снять повторно,
либо по соседнему профилю, либо в любом интересующем
направлении. Качественный анализ этой информации выполняется
непосредственно в процессе ее получения и позволяет выявить
наиболее интересные аномальные зоны с целью их более
детального исследования.
47
Профильные измерения (электрическая съемка единично-
протяженного профиля) осуществляются следующим образом.
Аппаратура размещается на исследуемом участке и приводится в
исходное состояние. В зависимости от постановленной задачи
выбирается режим записи (синхронный или асинхронный).
Работа в асинхронном режиме с отметкой на графике
местоположения пикетов выполняется аналогично. После этого
осуществляется движение по профилю. При необходимости работают на
нескольких разносах, что дает возможность получения
информации о строении почвенно-грунтовой толщи не только вдоль
профиля, но и по глубине.
Площадная съемка (съемка по серии параллельных
профилей) проводится следующим образом. Устанавливается
расстояние между соседними профилями. В зависимости от требуемой
детальности исследования и сложности геологического строения
участка это расстояние может меняться от 2 до 25 м. Работа
выполняется, как правило, с использованием синхронного режима
записи, но не исключается и использование асинхронного
режима с отметкой пикетов, если все профили участка
предварительно пропикетированы.
Аппаратура размещается в начале первого профиля и
приводится в исходное состояние. Перемещая аппаратуру вдоль
первого профиля, осуществляют запись информации. При
необходимости получения информации по новой величине
разноса можно осуществлять запись информации по разносу при
обратном перемещении аппаратуры по этому же профилю. Затем
аппаратуру перемещают на начало второго профиля, и
процедура повторяется.
Таким образом, при выполнении измерений по указанной
методике будет получена информация по серии профилей с одним
разносом для одного направления движения и со вторым - для
встречного направления.
Обработка и оформление результатов измерений методом
НЭП. Метод НЭП по информативности эквивалентен
традиционному методу электропрофилирования и используется для
качественной и количественной оценки особенностей почвенно-
грунтовой толщи. Поэтому для интерпретации результатов
измерений методом НЭП пригодны как приемы, используемые в
стандартных методиках оценки результатов
электропрофилирования, так и специально разработанные для этих целей.
Перед использованием материалов, полученных с помощью
прибора НЭП, необходимо скорректировать местоположение
пикетов и крайних точек профиля, так как на ленте самописца
фиксируется местоположение УПР, а результаты исследования
48
относят к центру установки. Для выполнения корректировки
необходимо на ленте переместить отмеченные пикеты по
направлению движения ленты на величину, равную половине разноса
плюс 3 м (с учетом масштаба записи).
После этого на ленту по вертикальной оси наносится шкала
величин сопротивления (с учетом выбранного разноса). Шкала
берется с контрольного образца ленты, приведенного в
приложениях к инструкции прибора НЭП-4М. Результаты измерений,
полученные при линейной профильной съемке, оформляются в
виде серии графиков, построенных в одной системе координат с
учетом различных разносов.
Если измерения выполнялись при одном масштабе записи и
синхронной протяжке, то для оформления результатов
необходимо скопировать все графики для различных разносов на один
лист. Результаты измерений по нескольким параллельным
профилям оформляются в виде карт. Для этого на план
исследуемого участка соответствующего профиля переносятся
местоположения точек с графиков НЭП для некоторых дискретных
величин. Затем строятся изолинии, соединяющие точки с
одинаковым значением сопротивления.
2.5. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ (АНАЛИЗ) КРИВЫХ
ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ
На основе анализа данных вертикального электрического
зондирования (ВЭЗ) важно установить не только качественное и
относительное изменение глубин горизонтов в координатах
АВ/2, но и саму глубину залегания горизонтов.
Наиболее полную и ценную информацию получают при
интерпретации данных ВЭЗ с помощью ЭВМ. Для этих целей нами
разработаны специальные алгоритмы и программа
количественной интерпретации ВЭЗ. Она основана на физических принципах
изучаемого явления, т.е. на решении задачи о распространении
постоянных электрических полей в слоистом полупространстве,
состоящем из однородных изотропных или анизотропных слоев
(пластов) с горизонтальными границами раздела.
В результате компьютерной интерпретации, которая
занимает не более 10-15 мин, получают следующие параметры
кривых ВЭЗ:
для двухслойных кривых - величины истинных
сопротивлений первого и второго слоев, а также глубину (мощность)
первого слоя hx\
4 Поздняков А. И.
49
для трехслойных кривых - величины истинных удельных
электрических сопротивлений, а также глубину (мощность)
первого слоя (/г,), чаще всего пахотного и иссушенного, и второго
слоя (И2), подошвой которого является уровень грунтовых вод.
Наряду с машинными методами интерпретации существуют и
другие, более простые, которые хотя и уступают в точности
определений, но вполне достаточны для практической цели. Наиболее
идеальный и простой вариант - это получение специальных
коэффициентов перехода от координат АВ/2 характеристических точек
кривых R = f(AB/2) к реальной глубине залегания грунтовой воды
или мощности засоленного слоя. Для расчета таких
коэффициентов перехода необходимо построить кривую R = f(AB/2) в
координатах десятичного или натурального логарифмов как по АВ/2, так
и по /?. Переход от одного слоя к другому на кривой R = f(AB/2)
соответствует переходу от экстремальных значений R на кривых
ВЭЗ к низким, обычно характеризующим засоленную грунтовую
воду. На этом графике кривых всегда имеется прямолинейный
участок монотонного увеличения или убывания функции R = f(AB/2).
Перегиб кривой R = f(AB/2) соответствует границе слоев. Он
характеризуется точкой на координате АВ/2, в которой вторая
производная меняет знак, и в первом приближении за эту точку
может быть принята координата АВ/2 середины
прямолинейного отрезка на монотонном участке кривых ВЭЗ.
Иными словами, там, где на кривой ВЭЗ резко меняется R (с
больших значений на малые или наоборот), выбирают
прямолинейный отрезок; координата АВ/2 середины этого отрезка есть
граница слоев в величинах АВ/2, выраженная в метрах. Затем, зная
в опорных разрезах реальные глубины залегания горизонтов,
можно легко рассчитать коэффициент их залегания по АВ/2, который
затем использовать для установления этих глубин на других
аналогичных объектах исследования, применяя только данные ВЭЗ.
Таким образом, методы удельного электрического
сопротивления можно разделить на полевые и лабораторные. В
лаборатории по электрическому сопротивлению определяется степень
засоления для почв засоленного ряда. Во многих исследованиях,
проведенных как в нашей стране, так и за рубежом, показана
возможность применения полевых методов для картирования
лишь засоленных почв.
Полевые методы ВЭЗ, ГЭП и ПЭП пока мало применялись
для картирования и оценки различных почв, особенно
автономных, сильно дифференцированных по профилю, таких, как
дерново-подзолистые, солонцы, скелетные и др.
Далее будет показано, что эти методы можно успешно
применять на этих и других почвах для самых различных целей.
Глава 3
ПОЛЕВАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИКА В ПОЧВОВЕДЕНИИ
И МЕЛИОРАЦИИ ГУМИДНОЙ ЗОНЫ
3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МЕТОДОВ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ
И КАРТИРОВАНИЯ ПОЧВ
Почвенные и почвенно-мелиоративные обследования и
картирования почв электрофизическими методами должны
выполняться комплексно, в полной согласованности с
инженерно-геодезическими, инженерно-геологическими и гидрологическими
изысканиями.
Характеристика почв, почвообразующих и подстилающих
пород дается обычно при картировании до глубины 2-5 м, редко
глубже, что вполне разрешимо методами электрофизики.
Данные почвенно-мелиоративных изысканий определяют
выбор объекта и методов мелиорации и целесообразность их
применения при сельскохозяйственном использовании. Эти
данные можно получить с помощью методов электрофизики, они
также необходимы при оценке плодородия мелиорируемых почв,
характеристике их физических, химических и других свойств,
обусловливающих или уточняющих выбор способа мелиорации.
Основная задача почвенно-мелиоративных изысканий -
оценить свойства почвы как непосредственного объекта
мелиорации и распространить результаты на весь исследуемый
массив. Итогом почвенно-мелиоративных изысканий является
составление почвенно-мелиоративной карты (Зайдельман, 1982;
Инишева, 1992).
Методы электрофизики применяют для составления карт
крупного масштаба отдельных хозяйств проектируемых
мелиоративных объектов; они содержат максимум информации о
характере почвенного покрова. Содержание этих карт должно
раскрывать генезис почв, сопряженность в ландшафте,
топографические закономерности. Детальные карты составляют на
ограниченные территории с высокой комплексностью и на опытные
участки.
Независимо от характера изучаемой территории
мелиоративное картирование почв должно быть основано на анализе
пяти принципиальных положений:
51
1. Определение причин заболачивания, а также других
неблагоприятных процессов в почвах и на их основе выбор метода
мелиорации.
2. Характеристика степени выраженности неблагоприятного
процесса заболоченности почв для установления
целесообразности применения мелиорации.
3. Оценка физико-механических, водно-физических,
химических и других свойств почв, пород и грунтовых вод для выбора и
обоснования способа мелиорации.
4. Получение сведений о плодородии мелиорируемых почв,
необходимое для определения очередности мелиорации и ее
эффективности, а также для разработки комплекса мероприятий по
повышению продуктивности мелиорируемых территорий.
5. Прогноз изменений свойств и режимов почв на
мелиорируемых территориях и оценка влияния мелиорации на ландшафт в
целом.
Эти принципиальные положения отражают задачи, стоящие
перед почвенно-мелиоративными изысканиями, и могут быть
решены электрофизическими методами. Карта отражает
территории, для которых характерны единые неблагоприятные процессы
в почвах; объединяет группы почв внутри этих территорий по
степени, например, заболоченности; участки с одинаковыми
уровнями грунтовых вод. На карте указывают направление грунтового
потока (гидроизогипсами) и напорность вод (пьезогипсами).
Оценка культуртехнического состояния - обязательное
условие характеристики заболоченного массива. Культуртехниче-
ские изыскания должны выявлять следующие особенности
территории: залесенность, закустаренность, закочкаренность, пни-
стость, каменистость.
3.1.1. Общие положения использования электрических параметров
для комплексного мелиоративного обследования почв
и крупномасштабного картирования
Поскольку электрические параметры определяются
генезисом почв, то их можно использовать в качестве диагностических
признаков, позволяющих распознавать отдельные
таксономические единицы почв. Это облегчит детальный учет почв и
картирование территорий с пестрым почвенным покровом.
При решении почвенно-мелиоративных гидрологических
задач в первую очередь следует подразделять почвы и осадочный
покров на основные литолого-стратиграфические слои с
выделением и идентификацией водоносных и водоупорных горизонтов;
определять распространение, мощность и глубину их залегания и
52
изменение литологического состава выделенных горизонтов в
пределах изучаемых территорий.
Необходимо также выявлять места питания и разгрузки
подземных вод; определять гидравлическую связь между напорными
и грунтовыми водами, а также связь между подземными и
поверхностными водами; выявлять направление и скорость
фильтрации подземных потоков, их трассы; выделять контуры
участков запитки и разгрузки подземных потоков и т.п. При
дальнейших научно-исследовательских работах на мелиорированных
объектах уделять внимание мониторинговым наблюдениям
весьма трудно, так как требуются большие объемы выборок и
частые длительные наблюдения.
Как видим, комплекс задач весьма широк, взаимосвязан и
часто осложнен почвенно-грунтовым, геологическим,
гидрогеологическим и гидродинамическим процессами (Каштанов, Явту-
шенко, 1997).
Эффективное решение вышеперечисленных задач может
быть получено методами электроразведки. Для этих целей
применимы методы: вертикального электрического зондирования
(ВЭЗ), электропрофилирования (ЭП), круговых вертикальных
электрических зондирований (КВЭЗ), заряженного тела в
скважинах (ЗТ) и ряд других, используемых обязательно в комплексе
с общепринятыми методами исследования почв.
Исключением, пожалуй, является ВЭЗ, так как метод
практически универсален и позволяет расчленить геологический
разрез, особенно четвертичные отложения и почвенный покров, по
вертикали. По данным ВЭЗ, без нарушения почвенного покрова,
без разрезов и бурения скважин можно детально определить
удельное электрическое сопротивление на любой глубине,
которое непосредственно связано с литологическим составом,
увлажненностью, степенью засоленности породы, водонасыщенно-
стью и т.п.
Электропрофилирование - упрощенный вариант ВЭЗ, оно
выполняется на 2-3-х различных разносах питающих линий АВ. Этот
метод позволяет изучать почвенно-грунтовые, геологические и
гидрогеологические показатели на определенных, небольших по
сравнению с ВЭЗ глубинах, но с более четким, чем при ВЭЗ,
выделением границ между почвами, слагающими территорию.
Чаще всего применяют горизонтальное, симметричное
профилирование, позволяющее изучить верхний высокоомный
горизонт четвертичных хорошо водопроницаемых отложений (в
основном, почв) с легким механическим составом и низкоомные
подстилающие глинистые водонепроницаемые водоупорные
горизонты (слои), имеющие низкое электрическое сопротивление.
53
И наконец, с помощью метода естественного
электрического поля (ЕЭП) наиболее четко и детально регистрируются
фильтрационные и диффузно-адсорбционные потенциалы,
возникающие при прохождении подземных вод сквозь пористые
породы. Этот метод реализуется на глубинах (1,5 м и менее); он
позволяет локализовать участки, где напорные воды
разгружаются в грунтовые и выклиниваются на поверхность, что
особенно важно при подборе различных видов мелиоративных
сооружений и дренажа. Во всех случаях при использовании
методов полевой электрофизики измеряемыми параметрами
являются удельное электрическое сопротивление и естественные
электрические потенциалы.
Применение методов полевой электрофизики значительно
повысит достоверность исследований, так как в качестве
диагностических признаков в полевых условиях будут использоваться
количественные критерии электрических параметров.
Обследование и картирование почв с использованием
электрофизических методов целесообразно проводить в следующей
последовательности. Начинать обследование наиболее
эффективно с проведения ВЭЗ на основных почвенных разностях
исследуемой территории, что позволяет выделить горизонты
(слои) почв с резко отличительными свойствами. В том случае,
когда диагностические горизонты, имеющие резкие отличия в
величинах электрических параметров, находятся в
приповерхностной толще почвы, целесообразно применять наиболее
производительный метод - ЕЭП. При обследовании
приповерхностных слоев почв хорошие результаты также дает горизонтальное
и площадное профилирование на малых разносах электродов.
Если стоит задача уточнения и детализации почвенной карты
небольшого ключевого участка, то наиболее приемлемым
методом следует признать профилирование на оптимальных разносах
АВ. Выбор оптимального разноса АВ проводят по кривым ВЭЗ
таким образом, чтобы различия по сопротивлению были
максимальными. На основе карт изоомов и изопотенциалов можно
обоснованно и объективно наметить места закладки основных
разрезов или траншей. Детальная съемка электрических
параметров по стенкам контрольных разрезов должна сопровождаться
отбором образцов.
После определения в лабораторных условиях свойств,
связанных с электрическими параметрами, и вычисления
соответствующих показателей, характеризующих тесноту связей, а также
расчета эмпирических уравнений можно расшифровать карты
электросъемки. На основе этих сведений можно получать
подробные карты и почвенно-электрические профили, характеризу-
54
ющие генетические особенности почв изучаемой территории,
топографию распределения различных агрохимических свойств по
степени плодородия или окультуренности почв (например,
дерново-подзолистых), изучить их изменение после внесения
удобрений; проводить различные виды специальных картирований,
например почвенно-мелиоративное или эрозионное. Последнее
легко осуществить на основе сравнительного анализа и
количественной интерпретации кривых ВЭЗ.
3.1.2. Закономерности электрического сопротивления почв
гумидной зоны
Электрическое сопротивление не следует рассматривать
только как свойство почвы, дающее информацию о других ее
свойствах. Сопротивление следует рассматривать в качестве
самостоятельной объективной индикационной характеристики
почвенного профиля. Различные генетические горизонты почв
гумидной зоны, особенно почв с резкой дифференциацией профиля
(например, дерново-подзолистых), должны иметь разные по
величине электрические сопротивления. Действительно, профиль
дерново-подзолистых почв представляет собой чередование
генетических горизонтов трех групп: дерновых, элювиальных и
иллювиальных. Горизонты резко различаются по свойствам, многие из
которых влияют на величины электрического сопротивления.
Можно предположить, что строение профиля
дерново-подзолистой почвы имеет вид трехслойных кривых изменения
сопротивления. В случае отсутствия какого-либо из горизонтов, например
дернового, вследствие сильного оподзоливания или эрозии
кривые сопротивления будут двухслойными. Аккумуляция вещества
в иллювиальных или аккумулятивно-гумусовых горизонтах
должна снижать сопротивление этих горизонтов, а процессы
выщелачивания - увеличивать вследствие обеднения элювиальных
горизонтов различного рода переносчиками электричества.
Для выяснения этих предположений изучали изменения
электрического сопротивления в профиле почв разного генезиса,
сформированных при различных условиях почвообразования.
Измерения электрического сопротивления проводили на
территории биологической станции факультета почвоведения МГУ
"Чашниково" для широкого спектра дерново-подзолистых и
торфяных почв, как целинных, так и окультуренных,
сформированных на неоднородных песчаных и относительно однородных
суглинистых породах.
В качестве объектов исследования были выбраны отдельные
разрезы, геоморфологический профиль через пойму р. Клязьмы
55
и ключевые участки различной площади. Измерения по
профилю отдельных разрезов проводили методом ВЭЗ на расстоянии
1-1,5 м от передней стенки разреза с последующим измерением
сопротивления по двум-трем линиям опробования с шагом
2,5-5 см на всю глубину разреза, что позволило сделать
сравнительный анализ изменений сопротивлений для одного и того же
профиля почвы.
По полуторакилометровому почвенно-геоморфологическо-
му профилю, проложенному с приводораздельной части склона
через террасы р. Клязьмы, сопротивление измеряли только
методом ВЭЗ с шагом 25-50 м. В пределах одного из ключей этого
профиля на дерново-подзолистых почвах под лесом был заложен
основной разрез. Предварительно проведенный электрический
зондаж площадки на месте предполагаемой закладки разреза
позволил выбрать место для основного разреза с наиболее резко
изменяющимися свойствами в его пределах. Измерения
сопротивления по стенкам разрезов позволили оценить специфичность
его величин для почвенных горизонтов и выделить
морфологически однородные участки - морфоны.
Электрическое сопротивление дерново-подзолистых почв,
сформированных как на песчаных, так и на суглинистых
отложениях под ельниками кисличником и волосисто-осоковым,
закономерно изменяется по профилю. Наибольшие величины
"истинного" удельного электрического сопротивления приурочены
к оподзоленным горизонтам этих почв и достигают
400-1200 Омм, Сопротивление в подстилающих глинистых и
суглинистых горизонтах дерново-подзолистых почв резко
снижается и не превышает 50 Омм, а с утяжелением механического
состава оно может снижаться до 25 Омм. В подстилающей
породе дерново-подзолистой почвы, сформированной на песчано-
слоистых отложениях, сопротивление остается высоким
(200-300 Ом • м). Тем не менее подзолистые горизонты и в этом
случае имеют весьма высокое сопротивление, достигающее
1500-2000 Омм, а иногда и более, что значительно превышает
сопротивление подстилающей породы.
Сопротивление аккумулятивно-гумусовых горизонтов
дерново-подзолистых почв обычно имеет промежуточные значения.
Для этих почв характерна трехслойная 5-образная кривая
изменения сопротивления типа /?дер < /?эл > /?ил, одинаково четко
проявляющаяся как для дерново-подзолистых песчаных, так и
суглинистых почв под ельниками. Например,
дерново-сильноподзолистая суглинистая почва, сформированная в нижней части склона
в ельнике волосисто-осоковом, имеет высокие сопротивления
подзолистого горизонта, сравнимые с сопротивлением горизон-
56
тов AjA2 и A2Aj песчаных разновидностей дерново-подзолистых
почв. Сопротивление в оподзоленных горизонтах этой почвы
достигает 800-1000 Омм, в иллювиальных горизонтах снижается
до 50 Омм. Сопротивление же аккумулятивно-гумусовых
горизонтов лишь на 100-200 Омм меньше сопротивления
оподзоленных горизонтов.
Следовательно, гумусированность и утяжеление
механического состава снижают электрическое сопротивление дерново-
подзолистых почв, а оподзоливание его увеличивает. В пределах
самих горизонтов сопротивление также подвержено заметному
варьированию вслед за изменением свойств почв. Максимум
сопротивления обычно приурочен к центральной части
подзолистых горизонтов A^2 или А2. В иллювиальных горизонтах Вь
В2, В3 и С дерново-подзолистых почв, сформированных на
достаточно однородных суглинистых породах, сопротивление
постепенно и неуклонно снижается с глубиной.
Если подстилающая порода неоднородна (переслаиваются
суглинки, пески и супеси), то электрическое сопротивление
почвы, измеренное на стенках разрезов, четко отражает эти
неоднородности, резко снижается в суглинистых слоях до 50-70 Омм и
увеличивается в опесчаненных до 400-600 Омм. Форма изоом
позволяет выявлять локальное утяжеление или облегчение
механического состава в пределах простирания одноименных
горизонтов. Это особенно четко проявляется для подзолистой
пахотной хорошо окультуренной почвы на покровном суглинке,
подстилаемой грубопесчаной мореной.
Сопротивление при ВЭЗ для элювиальных горизонтов
несколько ниже, чем "истинное" удельное сопротивление (/?0) для
любой почвы. Для аккумулятивно-гумусовых и иллювиальных
горизонтов величины R0 и RK близки. Иными словами,
асимптотические значения сопротивлений аккумулятивно-гумусовых и
иллювиальных горизонтов близки по величинам к удельным
электрическим сопротивлениям, измеренным на стенках
разрезов точечным датчиком AMNB.
Дерново-подзолистые целинные почвы на песчано-слоистых
моренных отложениях также обладают резкой дифференциацией
кажущегося сопротивления. Метод ВЭЗ выявляет отличия этих
почв от дерново-подзолистых суглинистых по сопротивлению
оподзоленного горизонта, которое много выше и достигает
1200-1400 Омм. Соответственно выше величины сопротивлений в
аккумулятивно-гумусовых и иллювиальных горизонтах, но при
этом трехслойность кривой сохраняется. Глубоко залегающие
тонкие прослойки, даже резко отличные по механическому составу,
методом ВЭЗ не вычленяются. Происходит это потому, что удель-
57
ная составляющая такой прослойки в общей массе почвы,
охваченной зондажем, ничтожно мала, и она может лишь несколько
изменить величину сопротивления на больших разносах. Если же
тонкая прослойка или горизонт, например аккумулятивно-гумусовый,
залегают на поверхности, то их вычленение по кривым вполне
удовлетворительное. Отсюда ясно, что наиболее благоприятным для
применения метода ВЭЗ является соотношение мощностей
горизонтов с последовательным нарастанием их мощности с глубиной,
т.е. hx > h2> hy Такое соотношение наблюдается для большинства
дерново-подзолистых почв на однородных породах.
В хорошо окультуренных дерново-подзолистых суглинистых
почвах пахотные и оподзоленные горизонты имеют значительно
меньшие величины сопротивления, чем в целинных почвах под
ельником, которые не превышают 150-250 Омм. В таких же
почвах, сформированных на однородных суглинистых и
глинистых породах под влиянием постоянной припашки подзолистого
горизонта, внесения органических и минеральных удобрений,
пахотный горизонт приобретает темно-серый цвет и в нем
увеличивается насыщенность поглощенными основаниями.
В окультуренных песчаных почвах сопротивление также
достаточно резко снижается в верхних горизонтах по сравнению с
дерново-подзолистыми песчаными почвами под ельниками. В
окультуренных дерново-подзолистых почвах на песках уже не
наблюдается резкой дифференциации величин сопротивления по
отдельным генетическим горизонтам, хотя во всех случаях
отмечено его значительное снижение в иллювиальных суглинистых
горизонтах - до 40-60 Омм, а с утяжелением
гранулометрического состава происходит изменение формы кривой с
трехслойной, характерной для дерново-подзолистых целинных почв под
лесом, на двухслойную. По-видимому, это происходит вследствие
перемешивания двух горизонтов - дернового и подзолистого - в
один пахотный.
Процесс оглеения еще больше, чем процесс окультуривания,
снижает величины электрического сопротивления в почвах по
сравнению с неоглеенными почвами аналогичного
механического состава. Например, в дерново-подзолистой глубокооглеенной
почве прируслового вала поймы зафиксировано достоверное
(Р = 0,95) снижение сопротивления по сравнению с
неоглеенными участками иллювиальных горизонтов - с 50 до 20-30 Омм.
Если процессом оглеения охвачена больщая часть профиля, то
на фоне общего снижения сопротивления в верхней малооглеен-
ной части профиля и в нижних, наиболее сильнооглеенных
горизонтах происходит очень резкое снижение сопротивления - до 25
или даже 15 Омм.
58
Тогда как торфяные почвы и особенно торфяно-глеевые
имеют минимальные, мало дифференцированные по профилю
величины сопротивления в отличие от резко различных
сопротивлений генетических горизонтов дерново-подзолистых почв.
Метод ВЭЗ позволяет изучать неоднородность почв разных
степеней оподзоленности, окультуренности и гидроморфизма
путем проведения измерения кажущегося сопротивления прямо с
поверхности почвы без бурения и закладки разрезов. Для более
подробного и детализированного изучения изменения
кажущегося электрического сопротивления проведено электрическое
зондирование еще по одному почвенно-геоморфологическому
профилю. Этот почвенно-геоморфологический профиль проложен
также с приводораздельной части песчано-слоистой моренной
гряды, с весьма резко изменяющейся мощностью верхнего
песчаного слоя, через пойму р. Клязьмы.
В некоторых участках профиля, на верхней трети склона,
близко к поверхности подходят суглинистые и глинистые
отложения. А в нижней части склона глинистые моренные
отложения образуют довольно широкий участок неоднородных
отложений, состоящих из опесчаненного легкого суглинка или крупного
оглиненного песка со значительными включениями гальки.
Поэтому особое значение приобретают предварительная оценка
неоднородности почвообразующих пород, выделение участков с
характерными наслоениями моренных отложений и выбор мест
закладки разрезов. Как выяснилось, метод электрического
зондирования позволяет изучить неоднородности таких отложений.
В этом случае максимально высокие сопротивления отмечены
для наиболее опесчаненных прослоек флювиогляциальных
отложений.
В водораздельной и средней частях склона, где
дерново-подзолистые окультуренные почвы под пашней и
дерново-подзолистые почвы под лесом сформированы на песчано-слоистых
отложениях, элювиальные горизонты имеют весьма высокие и
достоверно различные показатели электрического сопротивления
(300-400 и 800-1200 Омм соответственно). Подобная
закономерность отмечалась и при измерениях на специальных разрезах.
Песчаные подзолистые почвы на песчано-слоистых
отложениях здесь приурочены к возвышенным участкам и труднее
поддаются окультуриванию, чем суглинистые. Обычно они имеют
значительно меньшую поглотительную способность, а также
весьма растянутый почвенный профиль. Постоянное внесение
органических и минеральных удобрений, периодическое
известкование приводят к насыщению пахотных горизонтов этих почв
катионами и несколько обогащают их коллоидной фракцией.
59
Для почвенного профиля окультуренных
дерново-подзолистых почв на песчано-слоистых отложениях наблюдается
двухслойная кривая ВЭЗ. В дерново-подзолистых почвах под лесом
четко выражен пик сопротивления (600-700 Омм) на
полуразносах 20-60 см, это соответствует сопротивлению подзолистого
горизонта на глубине 5-20 см. Ниже, на разносах ЛВ/2 от 90 до
240 см, в зоне аккумуляции сопротивление снижается до
500 Омм, что приблизительно соответствует сопротивлению на
глубине 30-80 см. Несколько меньшее снижение сопротивления
наблюдается в гумусово-аккумулятивном горизонте.
В мощных глубоко залегающих песчаных прослойках, слабо
затронутых почвообразованием, наблюдается весьма высокое
сопротивление (до 800-1200 Ом • м). Особенно резко
сопротивление возрастает в зоне песчаных слоев на участке изменения
крутизны склона. Высокие сопротивления (2000-2500 Ом • м) в зоне
песчаных отложений связаны не только с большим содержанием
фракции крупного песка в породе, но в значительной мере и с
формированием здесь ортзандовых прослоек. Только линзы орт-
зандовых прослоек, обнаруженные в основном разрезе, имели
такие очень высокие сопротивления. По-видимому, потому, что
железо в ортзандах входит в состав железосодержащих
минералов и малоподвижных соединений железа.
Песчаные отложения залегают непосредственно на донной
глинистой морене, так как буквально через 10-15 м вниз по
склону на больших разносах обнаруживается субстрат, имеющий
сопротивление 30-50 Омм, что характерно для суглинистых и
глинистых пород. На этом участке близко к поверхности проходят
грунтовые воды, и далее вниз по склону, вплоть до руслового
вала, почвы профиля сформированы на однородных суглинистых
моренных отложениях.
Подзолообразование на однородных суглинистых и
глинистых породах отличается более четкой дифференциацией
почвенного профиля, чем на слоисто-песчаных отложениях
моренных гряд. В нижней трети склона, в зоне выхода грунтовых
вод, на утяжеленных по механическому составу моренных
отложениях обычно развиваются хорошо дифференцированные
по профилю дерново-подзолистые почвы, зачастую оглеен-
ные, с ярко выраженным подзолистым горизонтом и
скоплением большого количества железа. Кривые ВЭЗ для таких
почв имеют четко выраженный трехслойный характер.
Наибольшие величины электрического сопротивления в этих
почвах приурочены к оподзоленным горизонтам А2, А, А2, A2Aj и
составляют 800-400 Омм, как и у песчаных
дерново-подзолистых почв.
60
Несколько меньше величина сопротивления в аккумулятивно-
гумусовом горизонте. На этом участке вниз по склону возрастает
степень гидроморфизма почв, что резко снижает сопротивление.
Торфянисто-подзолистые глубокооглеенные почвы верхней
части залуженного участка имеют значительно меньшее
электрическое сопротивление оподзоленного горизонта - не более
100-130 Омм. Такое сопротивление наблюдается на больших
полуразносах (0,6-1,3 м), что свидетельствует о нарастании
мощности торфянистого горизонта, который фиксируется
вплоть до разносов 0,45 м, что соответствует примерно 15 см
реальной глубины.
При общем снижении сопротивления на кривых ВЭЗ в
торфянисто-подзолистых почвах сохраняется характерная для
дерново-подзолистых почв четко выраженная трехслойность. По
таким кривым легко идентифицируются различные почвы,
формирование которых обусловлено подзолообразованием на
глинистой морене, которая в некоторых местах подстилается более
легким материалом. Это, как правило, выявляется по
увеличению сопротивления с 70 до 90 Омм, а иногда до 700 Омм на
больших разносах (4-8 м).
В торфяно-глеевых и торфяных почвах практически
полностью исчезает дифференцированность кривых ВЭЗ по профилю.
Торфяные горизонты по электрическому сопротивлению не
отличаются от оглеенных. Причина этого в большом накоплении
органо-минеральных соединений и выравнивании концентраций
подвижных веществ в этих горизонтах. Возможно, что усиление
гидроморфизма сопровождается обогащением подзолистого
горизонта различными подвижными веществами и тем самым
увеличивается концентрация почвенного раствора как электролита.
Это снижает величину сопротивления, но форма кривой ВЭЗ,
характерная для подзолистых почв, сохраняется.
Окультуренные торфяно-глеевые тяжелосуглинистые почвы
под многолетними травами по величине электрического
сопротивления не отличаются от торфяно-болотных залежных и
торфяно-глеевых почв, сформированных как под лесом, так и под
естественной луговой растительностью. Увеличение влажности
тоже не внесло существенных различий. Рассматриваемые
разновидности торфяных почв были увлажнены до наименьшей
влагоемкости, т.е. до влажности, которая практически уже не
влияет на сопротивление.
Уплотнение торфяной почвы в процессе ее окультуривания
также не приводит к статистически значимым различиям в
электрическом сопротивлении. Такого рода закономерность
выявлена и для почв Яхромской поймы. Сопротивление торфяных почв
61
как в естественном состоянии, так и после их окультуривания
самое низкое из всех почв почвенно-геоморфологического
профиля и изменяется в весьма узких пределах (30-46 Омм).
По зондажу не удалось отделить торфяную толщу от
минерального оглеенного ложа, так как оно сложено глинистыми
породами, а сопротивление торфяной толщи хорошо
окультуренной низинной залежи р. Клязьмы мало отличается от
сопротивления глинистых пород. По-видимому, такая операция будет
более успешной при залегании торфяной толщи на песчаных
отложениях. Увеличение сопротивления в почвенно-геоморфологи-
ческом профиле через водораздел и пойму р. Клязьмы отмечено
лишь в почве прируслового вала, который, как хорошо известно,
сложен песчаными древнеаллювиальными и переслоенными
отложениями, где обычно формируются дерново-глеевые оторфо-
ванные почвы. В переходной зоне к прирусловому валу, а затем
собственно на прирусловом вале отмечены дерново-подзолистые
супесчаные почвы. Характер изоом отражает изменения в
структуре почвенного покрова прируслового вала, где происходит
увеличение электрического сопротивления до 400 Омм и более,
что обусловлено нарастанием степени оподзоливания.
Сопротивление по диагонали площадки с 400, 800, 1000,
1200 Омм, полученное на полуразносах А В/2 = 0,1-0,9 м,
соответственно уменьшалось до 400, 500, 600, 800 Омм на
полуразносах АВ/2 = 1,2-2,4 м, а затем до 200, 300, 600, 800 Омм на
полуразносах АВ/2 = 3,6-7,2 м.
По картине распределения удельного кажущегося
сопротивления легко устанавливается, что верхняя левая часть площадки
(примерно шириной 2 м) представляет собой наиболее оподзо-
ленную разновидность дерново-подзолистых песчаных почв.
Сопротивление подзолистых горизонтов здесь возрастает до
1000-1200 Омм. Такие же величины сопротивления отмечены
для меньшей зоны, в пределах четвертого метра передней
стенки разреза. Средняя часть стенки менее оподзолена;
сопротивление в основной ее массе находится в пределах 300-600 Омм.
Лишь в нижней, правой части разреза наблюдается снижение
сопротивления до 300-100 и даже менее 100 Омм, что,
по-видимому, связано с утяжелением в этой части разреза моренного
материала до суглинка. Заложенный на этой площадке разрез
4 х 4 х 2 м подтвердил выводы, полученные на основе
результатов ВЭЗ до закладки разреза при измерениях с поверхности
почвы. Измерения электрического сопротивления проводили на
передней стенке разреза по 36 вертикальным линиям опробования
с шагом 5 см до глубины 100 см и далее до глубины 2 м через
20 см датчиком AMNB с АВ - 10 см, MN = 2,5 см.
62
Картина изменения сопротивления, измеренного по передней
стенке разреза, адекватна изменению сопротивления,
измеренного методом ВЭЗ. Наиболее важная общая особенность в
изменении электрического сопротивления дерново-подзолистой
песчаной почвы заключается в достаточно четко выраженной
трехслойное™, когда максимальные величины приурочены к
элювиальным горизонтам, минимальные - к иллювиальным, а
аккумулятивно-гумусовые горизонты имеют промежуточные значения.
В пределах передней стенки разреза было выделено и
описано 17, а после ее зачистки на 0,5 м - 14 морфонов и проведен
информационный анализ связей между выделенными морфонами и
величинами удельного электрического сопротивления.
Результаты измерений сопротивления по стенке наряду с
общими закономерностями выявили и ряд более детальных и
конкретных особенностей изменения сопротивлений в профиле
дерново-подзолистой песчано-слоистой почвы в зависимости от
генетических горизонтов и морфонов. Ряд весьма существенных
различий в качестве морфонов отразился и на величине
сопротивления. Даже некоторые одноименные морфоны, выделенные
на передней стенке до и после зачистки, имеют различные
специфические ранги сопротивления. Морфологически выделено
несколько песчаных морфонов, которые имели сильную
цементацию железистыми соединениями, для них характерно самое
высокое сопротивление - 1000-3000 Омм и более. Исключение
составляет лишь А,(Н), где сопротивление было порядка
500-1000 Омм, что обусловлено, по-видимому, гумусированно-
стью этого морфона.
С нарастанием "степени иллювиальности" различия
постепенно нивелируются и в горизонте ВС исчезают. Коэффициенты
передачи информации, отражающие влияние вида морфона на
величину электрического сопротивления, достаточно высокие
для обеих стенок разреза и соответственно равны 0,367 и 0,331.
В заключение еще раз отметим, что все измерения
сопротивления проводили при влажности 60-80% общей влагоемкости,
а в некоторых случаях ее содержание возрастало до 90% в
диапазоне слабого влияния на величины сопротивления. Таким
образом, электрическое сопротивление почв гумидной зоны в
диапазоне влажности ВРК-ППВ можно рассматривать как
объективную характеристику генетического строения почвенного
профиля.
В профиле дерново-подзолистых целинных почв,
сформированных на относительно однородных суглинистых и песчаных
отложениях, кривые изменения удельного кажущегося и
истинного сопротивления имеют трехслойный характер в соответст-
63
вии с основными группами генетических горизонтов /?дер < /?эл >
> /?ил. Величины истинных сопротивлений гумусового и
иллювиального горизонтов приблизительно равны асимптотическим
значениям сопротивления кривых ВЭЗ; в элювиальных
горизонтах они значительно выше.
В пахотных горизонтах окультуренных дерново-подзолистых
почв электрическое сопротивление снижается до 200-300 Омм и
форма кривой изменяется с трехслойной на двухслойную. В
редких случаях остаточный элювиальный горизонт обусловливает и
в пахотных дерново-подзолистых почвах трехслойные кривые.
В торфянисто-подзолистых оглеенных почвах, при общем
снижении сопротивления по всему профилю и в оподзоленном
горизонте до 100-130 Омм, кривые ВЭЗ сохраняют
характерную для дерново-подзолистых почв четко выраженную трех-
слойность.
Для торфяно-глеевых и торфяных почв кривые ВЭЗ слабо
дифференцированны, а тип кривых двухслойный.
Оглеенные горизонты почв гумидной зоны имеют
значительно меньшее сопротивление, чем аналогичные неоглеенные
горизонты. Особенно резкое снижение сопротивления
наблюдается при оглеении подзолистых горизонтов.
3.1.3. Связь электрического сопротивления с морфологией
и химическими свойствами оглеенных
дерново-подзолистых почв
Изложенные выше предположения о влиянии оглеения на
электрическое сопротивление могут быть
продемонстрированы на примере изучения 5-метровой траншеи, заложенной на
дерново-среднеподзолистой оглеенной почве в Малинском
лесничестве Краснопахорского района Московской области.
Траншея проходила на месте перехода от ельника мертвопокровно-
го к лугу разнотравно-осоковому. На передней стенке траншеи
были выделены горизонты А^ мощностью 2-5 см, AjA2
(10-25 см), А2? (5-15 см) и А2В?. Нижняя граница последнего
горизонта по всей траншее проходила ниже уровня верховодки,
установившегося после вскрытия траншеи на глубине 60 см.
Вдоль передней стенки траншеи через каждые 50 см наметили
11 вертикальных линий опробования, на которых нанесли по
10 точек опробования через каждые 5 см начиная с глубины 5 и
до 50 см; всего 110 точек на всю траншею. В каждой точке
небольшим четырехэлектродным датчиком (АВ =10 см) по
методике, описанной ранее (Поздняков, Хан, 1979; Карпачевский и
др., 1983), измерили кажущееся электрическое сопротивление и
64
отобрали образцы размером 100 см3, в которых определили
содержание гумуса, ортштейнов по фракциям 1-2, 2-3, >3 мм;
обменных кальция, магния и алюминия; подвижных железа и
марганца (извлекаемых 1 н. H2S04). Определения проводились в
почве с ортштейнами и после удаления ортштейнов крупнее
1 мм в дистиллированной воде.
Просеянную через сито воздушно-сухую почву использовали
для анализа. С помощью пантографа были зарисованы границы
выделенных на передней стенке генетических горизонтов и
установлена принадлежность к ним точек опробования. В отдельных
случаях геометрические размеры образцов накладывались на
выделенные границы; если выделенные границы не позволяли с
уверенностью отнести точку опробования к одному из
граничащих горизонтов, то образцы считали граничными. Поскольку
они охарактеризованы таким же набором свойств, как и
генетические горизонты, то рассматриваются наравне с последними в
качестве компонентов почвенного профиля, занимающих в нем
особые переходные области. Результаты аналитического
исследования граничных образцов хорошо согласуются с общим
характером поведения профильных кривых, а в отдельных случаях
дают дополнительную информацию о почвенном профиле.
Необходимо отметить, что благодаря близкому к
поверхности уровню верховодки электрическое сопротивление измеряли
при достаточно сильном увлажнении (выше НВ), поэтому
влияние влажности почвы на зависимость сопротивления от
остальных рассматриваемых свойств достаточно мало.
Изменение почвенных свойств по профилю. При
сопоставлении профильных кривых между собой обнаруживается
однотипность поведения электрического сопротивления при содержании
ортштейнов (суммарного и по фракциям) и содержании
подвижных железа и марганца в почве с ортштейнами. Все
рассмотренные кривые имеют максимум в А,А2 + А2?, что можно связать с
наибольшей выравненностью оподзоливания именно в этом
слое. Этот вывод подтверждает и кривая содержания
поглощенного кальция, минимум которой приходится на тот же переход
горизонтов. Таким образом, и по выщелоченное™, и по
содержанию ортштейнов, железа и марганца AtA2 + A2^ превосходит А2
и необходимо признать, что максимум оподзоленности в данном
случае находится несколько выше горизонта А2?.
Проанализировав кривые содержания ортштейнов по
фракциям, можно сделать вывод, что с увеличением размера
фракции возрастает ее доля в общем содержании ортштейнов
А, А2 + А2г В целом характер поведения кривых для различных
фракций и для общей суммы ортштейнов однотипен. Следова-
5 Поздняков А. И.
65
тельно, нарастанию оподзоленности сопутствует не только
увеличение процентного содержания ортштейнов, но и укрупнение
их размера.
Из анализа кривых содержания железа и марганца следует,
что специфика распределения этих элементов определяется
главным образом той их частью, которая содержится в ортштей-
нах. Нарушается связь между количеством железа в почве после
удаления из нее ортштейнов и морфогенетическим строением
профиля, а количество марганца в почве без ортштейнов
монотонно убывает с глубиной. Максимумы, которые связывают
кривые общего содержания железа и марганца с выраженными
признаками оподзоливания в профиле, обусловлены возрастанием
количества ортштейнов и соответственно железа и марганца,
которые в них сегрегированы.
Поведение обменных кальция и магния противоположно:
в верхней части профиля содержание кальция убывает, а в
нижней (в горизонтах Aj А2 + A2g) - возрастает, т.е. кривая
зависимости - зеркальное отражение кривых электрического
сопротивления и содержания ортштейнов, железа и
марганца. Характерно, что положение экстремума не меняется,
хотя он сам из максимума превращается в минимум. Таким
образом, кривая содержания кальция также сохраняет связь,
хотя и с противоположным знаком, с особенностями морфо-
генетического строения профиля. Содержание магния
меняется похожим образом, но менее отчетливо: во всех слоях,
кроме самого верхнего и самого нижнего, его величина
почти не различается и кривая не имеет явно выраженного
экстремума.
Изменение содержания гумуса по профилю принципиально
отличается от остальных свойств и отвечает общим
представлениям о его уменьшении с глубиной.
Подводя итог, можно сказать, что в поведении
электрического сопротивления, содержании ортштейнов и находящихся в них
железа и марганца, а также обменных кальция и магния
обнаруживается явно выраженное взаимное соответствие. Кроме того,
вышеназванные свойства достаточно четко связаны с морфоге-
нетическими особенностями строения почв подзолистого ряда,
поэтому можно считать, что они образуют комплекс,
информативный для профилей, дифференцированных подзолообразова-
тельным процессом в условиях достаточно сильно выраженного
оглеения. Таким образом, для изучения профильной организации
дерново-подзолистых почв непосредственно в полевых условиях
целесообразно привлекать методы измерения электрического
сопротивления.
66
Для оценки взаимной изменчивости свойств использовали
коэффициент корреляции. Если профильные кривые, построенные
на основании двух свойств, имеют сходное поведение, то
коэффициент корреляции между ними должен быть высоким даже
при различных причинах сходства. Для всех свойств,
рассмотренных в данной работе, были рассчитаны коэффициенты
корреляции, и результаты вполне согласуются с теми выводами, которые
были сделаны выше. Полная таблица коэффициентов
корреляции ввиду ее громоздкости не приводится, достаточно
рассмотреть некоторые из них, отражающие специфику профиля
дерново-подзолистой глеевой почвы.
Наиболее высок коэффициент корреляции (0,99) между
содержанием железа в профиле почвы с ортштейнами и в самих
ортштейнах. Это, по-видимому, связано с тем, что железо
преимущественно находится в ортштейнах, а фоновое его содержание
(железо в почве после удаления из нее ортштейнов крупнее 1 мм)
существенно меньше и практически выравнено по всему
профилю. Так как эти характеристики различаются между собой на
величину фона, коэффициент корреляции между ними близок к
единице. Почти так же велик (0,90) аналогичный коэффициент
корреляции для марганца, что, по всей видимости, можно
объяснить теми же причинами, что и для железа. По характеру
профильных кривых видно, что основная часть марганца
сегрегирована в ортштейнах, хотя его фоновое содержание несколько
уменьшается с глубиной. Итак, изменчивость содержания
железа и марганца по профилю в первую очередь определяется
количеством ортштейнов, что подтверждается высокими значениями
соответствующих коэффициентов корреляции (г).
Связь электрического сопротивления с содержанием в
ортштейнах подвижных форм железа и марганца характеризуется
одинаковыми коэффициентами корреляции (0,63 и 0,64
соответственно). Связь электрического сопротивления с
содержанием кальция (г = -0,79) и магния (г = -0,69) отрицательна/ как
это следует из сопоставления соответствующих профильных
кривых. К зоне наибольшей оподзоленности приурочено
наименьшее количество этих элементов; таким образом,
уменьшение числа носителей зарядов приводит к уменьшению
проводимости и соответственно весьма существенному увеличению
сопротивления почвы. Увеличение содержания железа и
марганца, приуроченное к наиболее оподзоленному участку профиля,
не вызывает увеличения проводимости почвы, так как они
находятся преимущественно в виде окислов и влияют на
электропроводность почвы в гораздо меньшей степени, чем обменные
кальций и магний.
67
Коэффициент корреляции между электрическим
сопротивлением и содержанием гумуса несколько ниже (г = 0,39). В
верхней части профиля эти два свойства ведут себя противоположно,
а в нижней части - одинаково, поэтому убедительной связи
между ними обнаружить не удалось.
Наименьший из всех коэффициент корреляции (г = 0,11)
получен между электрическим сопротивлением и
содержанием обменного алюминия, что, впрочем, может быть связано с
большой погрешностью его определения при малых
концентрациях.
Следует особо подчеркнуть, что высокие коэффициенты
корреляции, свидетельствующие о значительной связи
электрического сопротивления с различными почвенными
свойствами, не следует истолковывать как непосредственные
зависимости сопротивления от каждого из этих свойств. Можно
показать, например, что высокие коэффициенты корреляции
наблюдаются между содержанием в ортштейнах железа и
марганца (г = 0,83), а также между содержанием кальция и магния
(г = 0,78).
Таким образом, существует целый набор взаимосвязанных
свойств почв, в целом характеризующих специфичность морфо-
генетического строения профиля. Электрическое
сопротивление - одно из них, наиболее пригодное для экспрессного
измерения непосредственно в поле, без лабораторного анализа
образцов. Значения коэффициентов корреляции между
электрическим сопротивлением и рассмотренными свойствами, особенно
четко характеризующими глеево-подзолистый процесс,
позволяют рассматривать электрическое сопротивление в качестве
объективной характеристики общего комплекса морфогенетиче-
ских и химических свойств и особенностей почв глеево-подзоли-
стого ряда.
Можно предположить, что для любого достаточно
дифференцированного почвенного профиля электрическое
сопротивление входит в" набор свойств, отражающих морфогенетическое
строение почвы, хотя другие свойства в этом наборе могут
меняться. Это допущение позволяет полагать, что набор
почвенных свойств, характеризующих профиль, отразится на
профильной кривой электрического сопротивления.
Для конкретизации этого положения дальнейшие
исследования необходимо направить на выяснение взаимосвязей
электрического сопротивления, измеренного в поле, с характерными
свойствами других генетических типов почв и их
таксономических групп.
68
3.2. РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПОЧВЕННОГО,
ПОЧВЕННО-МЕЛИОРАТИВНОГО ОБСЛЕДОВАНИЙ
И КАРТИРОВАНИЯ ПОЧВ ГУМИДНОЙ ЗОНЫ
МЕТОДАМИ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
3.2Л. Крупномасштабное картирование торфяных
и дерново-подзолистых почв гумидной зоны
с применением электрических параметров
Базовые работы по выработке подходов к применению
методов электрофизики проводились на торфяных почвах Яхромской
поймы и дерново-подзолистых почвах окрестных территорий
Клинско-Дмитровской гряды. Поймы рек вообще и Клинско-
Дмитровской гряды в частности характеризуются значительной
комплексностью почвенного покрова. В поймах гумидной зоны
древнеозерного типа (например, пойма р. Яхромы) широко
распространены торфяные почвы, которые сильно различаются по
ботаническому составу торфа.
Различие в комплексе основных свойств осоково-гипновых,
разнотравно-древесных и аллювиально-торфяных слоистых
почв обусловливает различие в их удельном электрическом
сопротивлении, измеренном в естественных условиях.
Исследования торфов методами полевой электрофизики
проводились в Карелии (северные аналоги), Яхромской пойме
(Центральное Нечерноземье) и на Украине. Основное внимание,
естественно, было сосредоточено на изучении торфяников
Центрального Нечерноземья, особенно торфяников Яхромской поймы.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
БАЗОВОГО ОПОРНОГО ПОЛИГОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
НА ЯХРОМСКОЙ ПОЙМЕ
Долины рек Яхромы, Дубны, Сестры входят в Верхне-Волж-
скую низменность - зандровую равнину, подстилаемую мореной
московского оледенения. Большая часть ее поверхности сложена
песчаными флювиогляциальными отложениями, а наиболее
пониженная часть - Дубнинско-Яхромская низина - покрыта озер-
но-болотными отложениями. Главная особенность этой
низины - наличие исключительно большой площади низинных
высокозольных торфяных болот.
ИСТОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ ЯХРОМСКОЙ ПОЙМЫ
В центральной части долины р. Яхромы торфообразование
началось раньше, чем сформировалось современное русло реки.
69
В результате бурения обнаружен торф и под иловатыми речными
отложениями в непосредственной близости от русла Яхромы, и
под ее руслом, на уровне ниже дна реки на несколько метров.
В этом районе имелись древние озера, в которых
откладывались озерная известь или органический сапропель.
Прилегающие участки были покрыты болотной растительностью,
образовавшей осоково-гипновый торф. Постепенно озера зарастали и
заторфовывались. Слой торфа, расположенный над горизонтом
сапропеля, состоит из остатков водной и болотной
растительности: рогоза, камыша, телореза, белокрыльника, вахты,
папоротников. Толщина этого слоя 0,5-1 м. Над ним отложились торфа
из чисто болотной растительности.
Среди участков залежи поймы встречаются и такие, где
озерная известь отлагалась на уже сформировавшийся торф.
Это происходило во влажные климатические периоды, когда
площадь озер увеличивалась и вода заливала окружающую
территорию. Формирование торфяных залежей на озерных
отложениях имело место и в притеррасной части долины, в
отдельных котловинах.
В центральной части поймы, между рекой и берегом
(особенно в левобережной части долины), расположены торфяные
залежи в основном суходольного происхождения. Под торфом нет
озерных отложений. В этой части поймы в начале развития были
распространены заболоченные леса из ив, ольхи, березы с осока-
ми или тростниково-лесные болота. Эти лесотопяные болота в
некоторых случаях быстро сменились топяной растительностью без
древесного покрова - моховой или травяно-моховой. Дальнейшее
развитие болотной растительности и торфяной залежи связано с
положением участка по профилю поймы, с общими
климатическими условиями и влиянием дренирующей роли р. Яхромы.
Участки, удаленные от выходов напорных грунтовых вод и
ближе расположенные к реке, полностью покрылись лесной
растительностью с преобладающими хвойными породами. В
травяном ярусе господствовали осоки: дернистая, своеобразная и
омская. На глубине около 1,75-2 м хорошо выражен пнистый
горизонт и слой разложившегося торфа. Этот слой соответствует
пограничному слою верховых болот, который образовался в сухой
суббореальный период. Участки, прилегающие к полосе выхода
подземных вод, развивались по типу топяных залежей из
осоковых, реже осоково-гипновых торфов. Залежи притеррасной
части поймы всегда были сильно обводнены, и в этих местах
откладывались только топяные торфа. С грунтовыми водами
поступали карбонаты кальция, отложившие слои ключевой извести или
включения и прослойки ее в торфе. На некоторых участках с
70
грунтовыми водами приносилось и железо, выпавшее в виде
углекислого железа в слоях извести.
На ход развития торфяной залежи поймы оказали большое
влияние периоды активной аллювиальной деятельности р.
Яхромы. Отмечается три таких периода. В самый древний был
отложен слой ила на глубине 4-5 м. Этот слой имеет различную
мощность и занимает более обширную территорию, чем
современный минеральный нанос. Усиленная аллювиальная деятельность
реки в это время изменила условия отложения торфа и повлияла
на характер самой растительности почти на всей пойме.
Ближайшие к реке участки оказались погребенными под
илистым наносом, и на них торфообразование прекратилось. На
более удаленных участках откладывались небольшие прослои
ила или примесь илистых частиц в торфе. Хвойные леса
сменились лиственными, преимущественно ольховыми, лучше
переносившими заливание паводковыми водами и заиливание.
Осоковые группировки уступили место разнотравью. Резко возросла
зольность торфа.
Затухание аллювиального процесса, начавшееся в более
сухой климатический период, привело к восстановлению лесных
группировок с преобладанием хвойных пород, в частности ели, с
осоками во втором ярусе. Последняя вспышка интенсивных
разливов р. Яхромы связана с уничтожением лесов и распашкой
склонов. В результате полностью прекратилось
торфообразование на ближайших к реке участках и в верхнем слое отложился
минеральный нанос.
Торфяные залежи Яхромской поймы можно
подразделить на:
1. Лесные и сложные прирусловой части поймы.
2. Древесные, осоково-древесные и топяно-лесные
центральной части поймы.
3. Топяные, преимущественно осоковые и осоково-гипновые
притеррасной части поймы с отложениями извести и нормально-
зольными торфами.
4. Лесные и лесотопяные склоновые.
Площадь торфяных почв и почв с верхним торфяным
горизонтом на Яхромской пойме составляет 5326 га, а минеральных -
8254 га. Дерновые аллювиальные минеральные почвы часто на
разных глубинах подстилаются и переслаиваются торфом.
Залежи поймы р. Яхромы развивались в сложных
гидрогеологических условиях, к которым относятся: глубокое залегание
долины; выклинивание грунтовых вод из нескольких горизонтов
коренных пород, состоящих из напорных верхнекарбоновых
известняков, доломитов и мергелей, жестких меловых из ожелез-
71
ненных песков с фосфоритами и четвертичных из водоносных
предледниковых, меж- и послеледниковых горизонтов.
В результате сформировалась сложная система отложений,
где чистый торф переслаивается с илистыми прослоями,
минеральными включениями ключевой и озерной извести, вивианита,
охры, сапропеля и т.п.
КЛИМАТ
Яхромская пойма простирается в длину на 30 км с
колебаниями в ширину от 2 до 3 км. С юга вдоль долины проходит высокая
гряда коренного берега, имеющего абсолютные отметки
130-250 м, в то время как абсолютные отметки поверхности
поймы 119-230 м, т.е. пойменные почвы долины р. Яхромы
расположены намного ниже почв террасы и, кроме того, на всем
протяжении открыты действию холодных северных ветров. Это
обусловливает особенности микроклимата Яхромской долины,
определяет характер заморозков, начало промерзания осенью и конец
оттаивания почвы весной, влияет на развитие
сельскохозяйственных культур и продолжительность вегетационного периода.
Сопоставляя многолетние среднемесячные данные по
температуре воздуха и количеству выпадавших осадков на
водоразделе и в пойме р. Яхромы, И.Н. Скрынникова (1961 г.)
констатирует, что различия в этих показателях невелики (среднегодовая
температура в пойме 3,7 °С, на водоразделе 3,3 °С, а за период с
мая по сентябрь 14,2 °С и 13,8 °С соответственно).
Основное различие заключается в относительной влажности
воздуха. Так, на территории ЦТБОС относительная влажность
воздуха в 13 ч в летние периоды составляет 70-82%, в то время
как на водораздельных пространствах она опускается до 54-62%.
Высокая относительная влажность воздуха в долине -
характерное отличие долинного микроклимата; она играет огромную
роль как в жизнедеятельности растений, так, видимо, и в
процессах почвообразования, особенно в годы с засушливым летним
периодом. Обильные утренние росы летом, характерные для
территории землепользования ЦТБОС, являются следствием этой
особенности микроклимата. Ход изменений среднемесячных
температур воздуха на водоразделе и в долине в течение года
одинаков.
Судя по многолетним данным, наиболее теплым месяцем в
году в условиях Московской области является июль.
Среднесуточная температура 17 °С. Однако анализ данных по
среднемесячной температуре воздуха летнего периода за отдельные годы
показывает, что вегетационные периоды за некоторые годы мо-
72
гут значительно отличаться от средних многолетних по осадкам,
влажности воздуха и температуре почвы. Сравнение данных по
осадкам для поймы и водораздела показывает, что сумма осадков
за год на пойме меньше (504 мм - на пойме, 564 мм - на
водоразделе), а сумма осадков за вегетационный период больше (347 мм
и 324 мм соответственно). Такое распределение осадков создает
более благоприятные условия для произрастания
сельскохозяйственных культур на пойме. Однако в зимний период из-за
выпадения меньшего количества осадков формируется неглубокий
снежный покров, который в суровые и малоснежные зимы не
предохраняет от глубокого промерзания верхние горизонты
торфяных почв.
Избыток воды в пойменных и особенно в торфяных
пойменных почвах определяет условия температурного режима в них.
Промерзают торфяные почвы с поверхности медленно и
неглубоко: в теплые зимы на 30-35 см, в холодные зимы - редко более
чем на 50-60 см. В мерзлом состоянии поверхность почвы
находится около 4 месяцев в году. Оттаивание минеральных почв
происходит на 10-15 дней раньше, чем торфяных.
Вегетационный период в пойме короче, чем на окружающих землях, так как
почвы поймы и тем более торфяные почвы позже
освобождаются от избытка влаги (в среднем на 2 недели) и позже "поспевают"
для проведения сельскохозяйственных работ. Вследствие
высокой влагоемкости торфяных почв и, следовательно,
достаточного накопления в них влаги полевые работы осенью завершаются
на две недели раньше, чем на территориях вне поймы. Поэтому
подбор культур, выращиваемых на пойме, должен
осуществляться с учетом следующих условий:
1. Короткий вегетационный период (не более 120-140 дней).
2. Развитие в условиях "холодных почв", так как торфяные
почвы по сравнению с минеральными имеют более низкую
теплопроводность.
3. Сравнительно высокий уровень залегания грунтовых вод
(1-1,5 м).
РАСТИТЕЛЬНОСТЬ
В настоящее время большая часть территории Яхромской
поймы подвергнута осушительным мелиорациям открытого и
закрытого типов. Это позволяет выращивать в условиях микроклимата
поймы такие культуры, как капуста белокочанная, цветная и ре-
повидная и все без исключения столовые корнеплоды. На
площадях, подвергающихся длительному затоплению, а также на недо-
осушенных участках притеррасной поймы, где культуры овощных
73
и овощекормовых севооборотов не могут выращиваться,
целесообразнее возделывать влаголюбивые культуры с коротким
вегетационным периодом и многолетние травы.
Хозяйства, расположенные в пойме р. Яхромы, имеют
специализированное овоще- и картофележивотноводческое
направление. В соответствии с этим приняты овощные и овощекормовые
пропашные и травопольные севообороты с преимущественным
размещением картофеля, овощных и кормовых культур. Кроме
возделываемых культурных растений, широкое распространение
получила сорная растительность.
В первые годы освоения пойменных земель видовой состав
сорняков отличался своеобразием - наряду с типичными
сорняками, как, например, дикая редька, встречались и болотные
растения: кипрей, болотный тростник и др.
На торфяных окультуренных почвах центральной поймы и
на дерновых аллювиальных почвах в прирусловой и
примыкающей к ней части центральной поймы широко распространены
гречишник развесистый и марь белая, которые местами, на
землях Дмитровского и Яхромского совхозов, еще в 60-х годах были
господствующими растениями, они угнетали рост и развитие
овощей. Много неприятностей доставила звезчатка средняя
(мокрица), развивавшаяся на сырых, холодных торфяных почвах в
условиях влажной и холодной весны.
Постепенно, с развитием культуры земледелия (70-80-е
годы) общая засоренность посевов снижалась. Распространение
получили более суходольные виды.
В настоящее время отмечается большая засоренность почв
поймы, что обусловлено пренебрежением к агротехническим
мероприятиям, общим снижением интенсивности сельского
хозяйства в пойме.
Большая часть Яхромской поймы сложена богатейшими
плодородными торфяниками и представляет собой уникальную
мелиорированную территорию, пригодную для выращивания
разнообразных овощных и кормовых культур. Ее засорение и
нерациональное использование недопустимы.
ИСТОРИЯ ОСВОЕНИЯ ЯХРОМСКОЙ ПОЙМЫ
С начала века территория поймы претерпела кардинальные
изменения - она была осушена и освобождена от древесной и
кустарниковой растительности. Естественная болотная
растительность постепенно сменилась культурной и сорной. Произошли
значительные изменения водного режима и различных свойств
торфяных и других пойменных почв.
74
С первых лет освоения Яхромской поймы началось изучение
почв и пойменного биогеоценоза. В 1914 г. было организовано
Яхромское (Кончининское) болотное опытное поле; проведены
первые научные изыскания: составлено ботаническое описание
200 видов растений (Оношко, 1939); сделана нивелировка
участка и составлен проект осушения; выкорчеван кустарник,
вырыты осушительные канавы общей протяженностью 889 сажень.
Каналы не обеспечивали достаточного осушения торфяных
почв: средняя за летний и осенний периоды 1915 г. глубина
грунтовых вод составляла 36-56 см. В 1915 г. на участке были
заложены первые опыты с корнеплодами.
Яхромское опытное поле занимало территорию 1-5
кварталов современного ОПХ ЦТБОС. Кварталы были осушены
вручную открытыми каналами через 120-150 м. На 1-м квартале был
оставлен эталонный участок естественной древесной
растительности поймы. Сейчас это опытный участок "Ближний".
Мощность торфа на участке колеблется от 0,5 до 7-10 м. Торф на
этом участке подстилается, а на территориях, прилегающих к
каналу МЯ-25, переслаивается и перекрывается аллювиальными
песчаными отложениями р. Яхромы. Участок в основном
дренируется гончарным дренажем, заложенным в 1965 г. Капитальный
ремонт мелиоративной системы был произведен в 1977 г.
Современная дренажная система участка "Дальний"
(кварталы 6-8) была построена в 1933 г. открытой сетью картовых
канав глубиной 0,8-1,2 м. В 1964 г. на 8-м квартале сеть открытых
канав между собирателями (СБ) была заменена закрытым
дренажем с дренами, расположенными на расстоянии 20, 30, 40 м при
средней глубине 1,0-1,6 м.
В притеррасной части участка "Дальний" дрены заложены на
расстоянии 15 м (рис. 3.1). На 7-м квартале, между собирателями
СБ-25-3 и СБ-25-5, была построена сеть открытых
канав-осушителей, расположенных на расстоянии 40, 80 и 100 м на глубине
1,2-1,85 м. В притеррасной части участок был ранее осушен частой
сетью дрен (через 25 м). В 1965 г. осушительная сеть притеррасья
реконструирована закрытым дренажем, который выведен за
пределы участка 1-й надпойменной террасы до русла р. Яхромы.
В 1959 г. на территории Яхромской поймы создаются три
специализированных совхоза - "Дмитровский", "Яхромский" и "Ро-
гачевский".
С этого года началось строительство гончарного дренажа и
оросительных систем, а в 1966 г. мелиоративный объект
"Яхромская пойма" был сдан в эксплуатацию.
Наиболее детально, с использованием электрофизических
методов, нами обследовались торфяные почвы и залежи стацио-
75
Рис. 3.1. Картосхема стационара "Дальний"
нарных полигонов "Ближний" и "Дальний" Центральной торфо-
болотной опытной станции.
На территории участка "Ближний" (кварталы 1-5) в
июле-августе 1994 г. были проведены непрерывное
электрическое профилирование (НЭП) и вертикальное электрическое
зондирование (ВЭЗ) по пунктам бурения 1994 г., совпадающим с
точками многолетних наблюдений, а также измерения глубины
залегания грунтовых вод по профилям (см. рис. 3.1).
Кроме того, измеряли истинное электрическое
сопротивление по стенкам разрезов, определяли влажность, плотность
сложения почв, коэффициент фильтрации методом откачки
скважины. В лаборатории были исследованы водно-физические
свойства почв (ОГХ - насыщением над солями и на тензиометрической
установке); определены зольность и плотность твердой фазы;
проведена оценка пористости почв и по порозности аэрации в
естественных условиях получены зависимости сопротивления от
76
влажности и плотности почвы. В 1993-1995 гг. проводился
контроль уровня грунтовых вод на 8-м квартале.
Мощность торфяных отложений колеблется от 35 см (т. 9) до
4,8 м (т. 11 и 12). Здесь в основном залегает торф древесно-осо-
ковый, древесно-травяной, березовый, еловый, сосновый, трост-
никово-древесный, гипново-осоковый. В притеррасье - гипно-
вый, тростниковый, осоковый, вахтовый (см. рис. 3.1). В
притеррасной части поймы встречаются донные отложения известкови-
стого сапропеля и извести мощностью 0,2-1,6 м, что, как
правило, влияет на известковость всего почвенного профиля (т. 4 и 24).
Пойму р. Яхромы можно разделить по классической схеме на
прирусловой вал, сложенный аллювиальными легкосуглинистыми
отложениями реки (т. 29), центральную часть с
глубокозалежными древесно-травянистыми торфяниками (т. 7, 8, 11, 12, 27, 28) и
притеррасную котловину с гипновым торфом, где происходит
выклинивание карбонатных грунтовых вод (т. 1, 4, 23, 24).
По всей площади центральной части поймы проходит серия
мелкозалежных участков с глубиной торфа 1-2 м (т. 5, 6, 26, 27),
представляющих собой заторфованный останец берегового вала
р. Яхромы. За длительный период формирования современной
долины реки и блуждания ее русла торфяные отложения
переслаивались минеральными аллювиальными. Такой "зебровид-
ный" профиль типичен для участков, находящихся вблизи от
русла реки (т. 9 и 10).
Исследованные профили полностью отражают сложный
характер пойменных отложений р. Яхромы. Почвы и грунты
поймы на сравнительно небольших площадях сильно изменяются по
составу, водно-физическим свойствам, характеру, мощности и
соотношениям минеральных и торфяных прослоев, что
позволило проследить изменения торфяных почв применительно к
торфам разного генезиса и охарактеризовать структуру пойменных
отложений различного сложения.
Благодаря методу ВЭЗ были найдены различия в
сопротивлениях отложений разного генезиса на Яхромской пойме
(рис. 3.2). На осоково-гипновых торфах кривые ВЭЗ недиффе-
ренцированны и имеют значения сопротивления около 20 Омм
по всему профилю. Сильно увеличивают сопротивление (до
400-800 Омм) минеральные прослойки, особенно в случае
нахождения их на поверхности.
Минеральные (песчаные и каменистые) включения сильно
увеличивают также и сопротивление в торфяниках северных областей
(например, Карелии). Так, верховые торфяники Корзинской
низины в Карелии (стационар Института биологии Карельского
филиала РАН) имеют сопротивление 800-1500 Омм, включение в тор-
77
I I I I I I I I I I I I Г
ОД 0,5 2,4 10,0
ДД/2, м
0,1
-i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—г
0,5 2,4 10,0
Рис. 3.2. Кривые ВЭЗ торфяных низинных окультуренных почв с
аллювием разного генезиса (а) и без него (б). Цифрами обозначены
стационарные точки наблюдения на полигонах
фяные отложения сапропеля снижает сопротивление до
50-100 Омм. Вообще, практически все обследованные в Карелии
торфяные почвы и торфяные залежи имеют электрическое
сопротивление значительно более высокое, чем аналогичные
торфяники средней полосы. Величины электрического сопротивления на
низинных торфяниках не опускались ниже 100-120 Омм, что в
2-6 раз выше, чем в более южных районах. Это связано,
по-видимому, с меньшей интенсивностью минерализации, меньшей
зольностью, более "пресным" составом грунтовых вод и почвенных
растворов на севере страны.
Минеральные почвы и горизонты обладают высокими
величинами электрического сопротивления (рис. 3.2, а). В дерново-
глеевых, несколько оторфованных почвах величина
сопротивления достигает 500 Омм, в иловатых горизонтах - 200 Омм, а в
торфяных горизонтах - не более 100 Омм (рис. 3.2, б). То есть
наличие минеральных включений и прослоек, особенно в
верхней части торфяной окультуренной почвы, изменяет значения
78
Таблица 3.1
Оценка мощности торфяной толщи методом ВЭЗ
и прямым определением (нивелировка дна)
Точка-квартал
11-8
7-8
6-8
5-8
4-8
Определенная мощность торфа,
Методом ВЭЗ
432
300
163
102
272
см
Нивелировкой
488
333
173
113
290
Относительная
ошибка, %
11,5
9,9
5,8
9,7
6,2
электрического сопротивления. Вероятно, ВЭЗ можно
использовать для оценки мощности торфяной залежи, так как
электрическое сопротивление торфа и подстилающей породы различно.
Очень важно, что с полуразноса 1,2 м, т.е. примерно с
30-40 см, четко выделяется зона одной величины сопротивления
для древесно-разнотравных и осоково-гипновых торфов,
особенно для торфов 5-го квартала. По кривым ВЭЗ почв 5-го
квартала (рис. 3.2, б) можно отметить, что сопротивления на разносах
> 2,4 м практически одинаковы и соответствуют подстилающим
породам. Торфяные отложения на 5-м квартале подстилаются
суглинками и сапропелями, которые снижают сопротивление.
На кварталах 1, 3, 4, которые подстилаются песками и супесями,
резкого снижения сопротивления не наблюдается.
Интерпретация измерений ВЭЗ по точкам 8-го квартала показала, что при
подстилании торфов суглинками и сапропелями по кривым ВЭЗ
возможна оценка мощности залежи (табл. 3.1). Ошибка по всем
точкам приблизительно равна 10%, причем ВЭЗ дает постоянно
заниженные значения мощности.
При подстилании залежи песками и супесями оценка ее
мощности методом ВЭЗ затруднена. Песок, как и торф, беден
минеральными и коллоидными веществами, и в увлажненном
состоянии их сопротивление практически не различается. Высокая
естественная влажность торфа и подстилающих пород сглаживает
текстурные неоднородности и мешает получению резко
дифференцированных кривых ВЭЗ.
Следовательно, методы электросопротивления можно
использовать не только при картировании торфяных почв, но в
ряде случаев и для определения мощности торфяной залежи. Более
того, такая достаточно высокая точность в определении
мощности торфяной залежи вполне приемлема для оценки глубины
сработки торфяной залежи.
79
300
30
3
12
L
^
l/^
13
idMUMdN*
v/T^
i
14
•/*4
i
15
ы^\ч
1
i
16
Мц/^
1
00 '
30
3
21
22
1 i
23
i
25
1
300
30
3
300
30
26
27
28
29
t^^
30
31
32
[^%УМ*%Лм^^
_i_
_L
_L
33 34 35 36
Рис. 3.3. Кривые НЭП для стационара "Ближний"
Это особенно четко прослеживается по данным НЭП
(рис. 3.3). На профиле НЭП поймы на кварталах 1-5 выделяется
площадь, занятая аллювиально-торфяными слоистыми почвами,
характеризующаяся наличием самых высоких значений
сопротивления (до 300 Омм). Сопротивление резко снижается на
торфяных почвах (до 30 Омм). Наименьшие значения сопротивления
характерны для осоково-гипновых торфов, расположенных в
80
притеррасном понижении. Здесь наблюдаются локальные места
выклинивания напорных грунтовых вод, своего рода "провалы",
с минимальными значениями сопротивления (рис. 3.3, точки 33,
30, 27, 22 и 13).
Метод НЭП можно использовать для экспрессного
крупномасштабного картирования пойменных почв. Кварталы 1, 3, 4
участка "Ближний" имеют разную площадь распространения ал-
лювиально-торфяных слоистых почв и разнотравно-древесных
торфяных почв. С 1-го к 4-му кварталу постепенно уменьшается
площадь, занятая этими почвами, и увеличивается площадь
распространения осоково-гипновых торфов. На профилях НЭП эти
генетические типы залежей отличаются разными значениями
сопротивления (см. рис. 3.3). Выположенные участки со
значениями сопротивления около 3 Омм характеризуются присутствием
в залежи осоково-гипновых торфов.
При переходе от аллювиально-торфяных слоистых почв
через разнотравно-древесные торфа к осоково-гипновым
сопротивление снижается с 300 до 3 Омм. Идентификацию и разделение
разных типов торфяных отложений необходимо проводить на
разносах 9 м излучающей и приемной антенн (на глубине
1-1,5 м). При разносе 16 м (на глубине 2-2,5 м) выявленные
различия между пойменными отложениями разного генезиса
нивелируются.
3.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ДЛЯ ОЦЕНКИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ
ПРИ МЕЛИОРАТИВНЫХ ОБСЛЕДОВАНИЯХ
Оценку возможности использования методов электрофизики
для решения гидрологических задач проводили на Яхромской
пойме. При такого рода мелиоративных обследованиях в первую
очередь важно знать стратиграфические особенности сложения поч-
венно-грунтовой толщи, что довольно легко определить методом
ВЭЗ. Места локализации интенсивных потоков грунтовых вод
наиболее просто выявить методом естественных электрических
потенциалов, причем этим методом выявляются не только места
их выклинивания, но и реальная гидрологическая ситуация.
Обследование периферийной территории вдоль возможного
выклинивания грунтовых вод на пойме р. Яхромы
геофизическими методами показало весьма сложную стратиграфию.
Практически все кривые ВЭЗ грунтов, выявляемые
большими разносами, чем для зондажа почв (т.е. более 10-15 м), иденти-
6 Поздняков А. И.
81
фицируются как трехслойные. Первый слой - это почвы
разного механического состава: от супесчаных до легких покровных и
лёссовидных суглинков, иногда глинистого механического
состава. Их сопротивление 120-130 Омм для супеси и оторфованной
супеси и 40-60 Омм для легких и средних покровных
лёссовидных суглинков.
Второй слой - мощные глинистые отложения, видимо,
разного генезиса (о чем свидетельствует варьирование сопротивления
от 10 до 40 Омм), но весьма водонепроницаемые и в достаточной
мере влагонасыщенные в тех местах, где сопротивление
снижается до нескольких единиц Омм.
И наконец, третий слой с высоким сопротивлением -
песчаные отложения. Отличительной особенностью этой части
территории является узкая извилистая полоса, проходящая вдоль
поймы, иногда небольшой мощности, сложенная оторфованной
массой с примесью минеральных включений суглинка и супеси.
Формирование достаточно мощного слоя торфа на склоне
свидетельствует о том, что часть его находится в практически постоянном
подтоплении и здесь происходит интенсивное заболачивание.
Это в некоторой мере подтверждает и наличие здесь большой за-
кочкаренности и порослей ивняка.
Таким образом, стратиграфия и контурность сложения
обследованной территории дают основание предполагать
формирование трех внутрипочвенных постоянно действующих
потоков.
3.3.1. Установление трассы и мест разгрузки потоков
методом естественного электрического поля
Результаты измерений естественных электрических
потенциалов позволили подтвердить и детализировать сведения и
выводы, полученные методом ВЭЗ и ЭП.
Совместный анализ естественного электрического поля и
удельных электрических сопротивлений, измеренных методами
ВЭЗ и ЭП, показал, что метод естественного поля является
наиболее совершенным для идентификации подземных вод.
Обычно места наиболее интенсивной инфильтрации
атмосферных осадков через четвертичные отложения и места
разгрузки подземных вод под отложениями могут быть прослежены
по экстремумам потенциалов, измеренных на поверхности
почвы. Такие места обычно выделяются отрицательными
аномалиями на этих графиках или картах изопотенциальных линий.
Когда подземные и особенно приповерхностные воды, как в нашем
случае, текут приблизительно параллельно поверхности Земли,
82
над потоком наблюдается максимум естественных потенциалов,
т.е. в направлении движения потоков происходит увеличение
естественных потенциалов. И наконец, при движении подземных
вод снизу вверх формируется электрическое поле с характерным
максимумом, спадающим более или менее равномерно по всем
направлениям.
Карта ряда опытных участков ЦТБОС на Яхромской пойме,
построенная на основе измерения потенциалов по сетке
квадратов 5х 10 м (всего 299 точек измерений в 5-кратной повторности,
т.е. 1495 измерений), выявила весьма сложную картину
естественного электрического поля на обследуемой территории у
д. Кончинино (колодец Ридигера).
На карте изопотенциалов легко заметить две крупные
экстремальные области: 1) с экстремально отрицательными
потенциалами, изопотенциальная область -100 мВ оконтуривает
зоны распространения потоков приповерхностных внутрипочвен-
ных стоков, причем два из них непосредственно у колодца
оказываются как бы рукавами одного и того же потока; 2) это
контур с экстремально малыми отрицательными величинами
потенциалов (-150, -200 и даже -250 мВ), что свидетельствует о
наибольшем сосредоточении в этих местах внутрипочвенных
потоков. Эти контуры изопотенциальных линий имеют
вытянутую конфигурацию от водораздела вниз по склону - в
направлении приповерхностных стоков. Особенно заслуживают
внимания экстремальные контуры (-250 и -200 мВ), находящиеся
справа и слева от колодца Ридигера и хорошо совпадающие с
контурами высоких значений электрического сопротивления
(130-150 Омм), характерного для супесчаного оторфованного
материала. Это также свидетельствует в пользу существования
здесь достаточно интенсивного, мощного и весьма мобильного
приповерхностного потока.
В приколодезной части выделяется несколько контуров с
менее низкими (-150 мВ) величинами потенциалов. Это "язык"
потока, выходящий в верхней трети склона, а затем
обнаруживающийся в нижней части склона у колодца (рис. 3.4).
Кроме отмеченных отрицательных аномалий, указывающих
на зоны инфильтрации грунтовых вод, выделяется
положительная аномалия, причем изопотенциальная линия нулевого
потенциала оконтуривает зону распространения глинистого
материала, залегающего практически с поверхности без перекрытия
более легкими отложениями - супесью или суглинками.
Таким образом, на основании анализа карты изопотенциалов
можно выделить два мощных потока: первый направлен вдоль
дороги; второй прилегает к колодцу. Источник первичного обнару-
83
Рис. 3.4. Картосхема гидрологической обстановки стационара
"Ближний", выявленная методами полевой электрофизики: штрих - зона
подтопления; крестик - зона повышенной минерализации торфа
жения потоков находится в верхней трети склона у входа в пойму.
Первый поток частично может подпитываться из пруда. Он
наиболее постоянен и наиболее мощен, поскольку здесь методом ВЭЗ
обнаружена супесчаная прослойка на глубине около 1,8-2,0 м,
которая вытянута в сторону колодца и, как сказано выше,
достигает 2 м. Второй поток весьма интенсивен и мобилен, на что
указывают очень низкие величины потенциалов (до -250 мВ), высокие
сопротивления верхнего фильтрующего слоя (180-200 Омм) и
очень малая мощность слоя (0,2-0,4 м). При интенсивной
инфильтрации он может смыкаться с первым потоком по
супесчаному материалу, а затем по верхней полуметровой толще
направляться к нагорному каналу и выклиниваться в нем.
Аналогичные картины получены и по другим объектам
выклинивания грунтовых вод на периферии поймы р. Яхромы.
Наиболее мощные потоки обнаружены у Цинцихи, дер. Кончинино
и дер. Подвязново.
Итак, по кривым изоомов ВЭЗ и естественным
электрическим потенциалам легко и быстро можно устанавливать зоны
84
выклинивания грунтовых и внутрипочвенных вод и даже
неявных их проявлений на поверхности, а также изучать
стратиграфические особенности сложения почвенно-грунтовых и
грунтовых толщ в гумидной зоне.
3.3.2. Определение зон выклинивания
напорных жестких грунтовых вод методом НЭП
Зоны выклинивания напорных грунтовых вод удобно
идентифицировать также и методом НЭП, причем достаточно четко
(см. рис. 3.3), по самым минимальным значениям сопротивления.
В данном случае снижение сопротивления вызвано,
по-видимому, и избыточным увлажнением, и привносом напорными водами
минеральных веществ (Fe и Са).
Зоны выклинивания напорных грунтовых вод приурочены к
притеррасным понижениям, где формировались озерные
сапропелевые отложения и осоково-гипновые торфа. Поэтому в зоне
притеррасного понижения наблюдаются минимальные значения
сопротивления.
3.3.3. Определение направления
и скорости фильтрации грунтовых вод
посредством электрических измерений
В 1998 г. проведены адаптация и испытание прибора ВЭЗ для
определения направления и скорости фильтрации грунтовых вод.
Идея использования измерений удельного электрического
сопротивления для мониторинга направления скорости
фильтрации грунтовых вод заключается в возможности фиксирования, с
помощью таких измерений продвижение солевой метки, зная
время, за которое солевая метка достигает смотровой скважины
можно легко определить скорость фильтрации.
Для этих целей в нижней части склона коренного берега
Яхромской поймы, где по предварительным данным наблюдался
грунтовый поток довольно большой интенсивности, были
заложены пять скважин, каждая глубиной до 2 м, расположенных по
полуокружности в сторону предполагаемого потока. В
центральной части этого полукруга пробурили скважину, в которую за
сутки до начала наблюдений загрузили около 1 кг хлористого
натрия в виде обычной поваренной соли.
Обычно такого рода наблюдения по фиксации солевой метки
осуществляются химическим способом. Преимущество
электрометрического фиксирования мест продвижения солевой метки
заключается в том, что, во-первых, эти места можно установить
85
прямо в поле без химических лабораторных анализов и,
во-вторых, с помощью электрических измерений можно зафиксировать
продвижение метки без закладки смотровых скважин. И самое
главное, поскольку постоянное наблюдение в смотровых
скважинах с помощью химических методов, как правило, практически
невозможно, то можно пропустить момент достижения солей
смотровой скважины и тем самым получить неверные результаты.
Даже при простых электрических измерениях сопротивлений можно
не только избежать закладки смотровых скважин, но получить
более точные результаты с минимальными затратами.
Наблюдения показали, что уже через сутки метка с
грунтовым потоком продвинулась на 130 см. Сопротивление в этой
зоне не превышало 3-5 Ом • м. Тогда как в незасоленной зоне оно
не ниже 20-30 Ом • м, что характерно для незаселенных
торфяных почв. Таким образом, скорость фильтрации грунтового
потока составляет 5,41 м/сут. В более сухие периоды скорость
фильтрации падала до 1,8-2,0 м/сут.
Итак, при изучении электрического сопротивления почв гу-
мидных регионов можно выделить следующие направления
использования методов ВЭЗ и НЭП.
1. Установление методом электрического сопротивления в
естественных условиях комплекса свойств торфяных и
минеральных пойменных почв. Значительно отличаются по
сопротивлению осоково-гипновые, разнотравно-древесные и аллюви-
ально-торфяные слоистые почвы. Сильно увеличивают
сопротивление торфяных почв минеральные (песчаные и супесчаные)
прослои, если они расположены на поверхности. При наличии в
профиле торфяной почвы илистых и сапропелевых отложений
сопротивление снижается.
2. Текстурные различия минерального дна торфяных
залежей и торфа сглаживаются при большом увлажнении, поэтому
методом ВЭЗ возможно определение мощности торфяной
залежи, только если торф подстилается суглинками и сапропелями.
При подстилании супесями и песками это невозможно.
3. Наиболее актуальным представляется использование метода
НЭП на поймах гумидной зоны для разделения залежей с разной
стратиграфией отложений. Методом НЭП выделяются осоково-
гипновые торфа притеррасных понижений и зоны выклинивания
напорных грунтовых вод при минимальном значении
сопротивления. Выделение притеррасных зон с преобладающим залеганием
осоково-гипновых торфов на поймах древнеозерного типа
необходимо для рационального использования торфяных пойменных почв.
4. По результатам электроразведки могут быть построены
карты. Например, нами была построена картосхема опытного
86
хозяйства ЦТБОС, на которой отражены основные разделения
залежи по типам торфов и указаны места разгрузки напорных
грунтовых вод - участки, на которых возможно вторичное
заболачивание. Схема согласуется с почвенно-мелиоративной
картой, построенной обычными методами, и может служить
основой рационального применения земледелия на этой территории.
3.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
В ПОЧВЕННО-АГРОХИМИЧЕСКИХ
ОБСЛЕДОВАНИЯХ И КАРТИРОВАНИИ
Оценка агрохимических свойств с помощью методов
электрофизики проводилась на дерново-подзолистых почвах разного
механического состава в совхозе "Дмитровский" (Московская обл.) и
"Второвском опытном поле" (ЦТБОС, Владимирская обл.).
Были выбраны три участка по 2 га каждый в совхозе
"Дмитровский". На всех трех участках с 1981 по 1984 г. проводились опыты
по воздействию органических удобрений - торфонавозных компо-
стов (ТНК) и торфоминеральных аммиачных удобрений (ТМАУ),
безусловная эффективность которых заслуженно привлекает
внимание специалистов до сих пор (Панников, Минеев, 1987).
Агрохимические свойства и различные виды электрических
сопротивлений определялись с шагом в 1 м по центру делянок
при повторности опыта. В каждой линии в итоге было
опробовано по 70 образцов и, следовательно, проверено по 70 данных
электрических и агрохимических свойств. Образцы отбирались
до закладки опыта (две линии опробования) на каждом участке и
по окончании опыта (две линии опробования) для каждого
участка. В итоге для каждого участка было проанализировано по 140
образцов до закладки опыта и по 140 образцов после его
окончания. Всего опробовано 560, а проанализировано 420 образцов.
Массив данных, учитывая 12 агрохимических характеристик, 6
электрических и 8 физических свойств, составил около
10 000 единиц измерения, что вполне достаточно для
основательных достоверных репрезентативных результатов.
В почвенных образцах определяли: влажность почвы
(полевую); гидрологическую кислотность и рН; емкость
поглощения; степень насыщенности основаниями; содержание Р205 и
К20; гумус по методу Тюрина; содержание гуминовых и фуль-
вокислот; соотношение Сгк:Сфк; удельное электрическое
сопротивление почвы при естественной влажности в почвенной
суспензии при соотношении почва-раствор 1:10, коллоидной
87
Л 16
Л 12
Л 32
ш
Л 72
Участок 1,
д. Матвеево
УЛ 100-300 Ом-м
> 300 Ом-м
Участок 2,
д. Кончинино
Участок 3,
д. Муравьево
I | < 50 Ом-м
5| 50-100 Ом-м
Рис. 3.5. Почвенно-электрические профили опытных участков на
песчаных и суглинистых дерново-подзолистых почвах
фракции и почвенной суспензии из высушенных образцов,
коллоидной фракции; электрическое сопротивление
непосредственно в поле в местах отбора образцов; вертикальное
электрическое зондирование (по одному на каждой делянке до
закладки опыта и после его окончания).
Участки окультуренных дерново-подзолистых почв, на
которых проводились опыты по оценке эффективности применения
торфяных удобрений, отличались по механическому составу и
агрохимическим свойствам. Изоомные линии (менее 50-70 Ом-м)
очерчивают наиболее яркие слои суглинков, которые с
поверхности незаметны (рис. 3.5).
Все три участка расположены на небольших склонах (не
более 3-5°), причем линии (обозначены Л) отбора образцов К + № 6
(опыт с ТНК) были всегда выше по склону, а линии отбора
образцов К + № 2 (опыт с ТМАУ) - ниже по склону.
88
Для этих случаев практически все агрохимические
показатели выше в верхней части склона, т.е. в опытах с ТНК.
Существенную роль в распределении этих свойств можно
отвести механическому составу как основному показателю сорбци-
онной способности почв, обеспечивающей накопление и
органических, и минеральных составляющих удобрений.
Так, наибольшее сопротивление наблюдается на
дерново-подзолистых песчано-слоистых и супесчаных почвах, где сопротивление
зондирования ВЭЗ поверхностных пахотных горизонтов всегда
больше 100-150 Ом м, а в ряде случаев достигает и более 1000 Омм.
Суглинистые дерново-подзолистые почвы имеют
сопротивление не выше 100 Омм практически во всех случаях, только в
некоторых точках зондирования в верхней части профиля оно более
100 Омм. Тем не менее и в нижней части профиля наблюдаются
величины сопротивления не выше 50 Омм, что свидетельствует о
глинистом и суглинистом механическом составе почвы (см. рис. 3.5).
Все эти положения подтверждены морфологическим
описанием разрезов и механическим анализом образцов, полученных
бурением в точках ВЭЗ. Кривые ВЭЗ дерново-подзолистых
окультуренных почв весьма разнообразны (рис. 3.6).
В случае формирования почв на песчано-слоистых флювио-
гляциальных и делювиальных переслоенных отложениях
(участок № 3, линии 76 и 72 на рис. 3.5) максимум сопротивления
вслед за слоистостью переотложений и свойствами почвенного
материала может оказаться практически на любой из
исследованных глубин и полуразносов ВЭЗ (рис. 3.6, а, б, ё).
В суглинистых почвах кривые ВЭЗ более плавно
изменяются с глубиной и имеют невысокое электрическое
сопротивление - порядка 100 Омм (рис. 3.6, в-д, ж, з).
Наиболее простая ситуация складывается на окультуренных
дерново-подзолистых почвах, сформированных на суглинистой
породе. Характер изменения сопротивления ВЭЗ с глубиной в
этом случае монотонно убывающий или классический 5-образ-
ный с максимумом на полуразносах 0,2-0,6 м, что примерно
соответствует пахотному горизонту.
Было замечено, что сопротивление монотонно убывает,
когда непосредственно под пахотным горизонтом формируется
иллювиальный горизонт или расположена суглинистая почвообра-
зующая порода. Если в профиле сохраняется остаточно-подзоли-
стый горизонт, то кривые ВЭЗ имеют четко выраженный
максимум, приуроченный к элювиальному (подзолистому) горизонту.
Минимальные значения сопротивления всегда наблюдаются в
иллювиальном горизонте, а в окультуренном обычно
наблюдаются промежуточные значения.
89
0,10-
0,30-
0,90-
2,40-
7,20-
АЯ/2, м
200 6001000 /?, Омм
i i i
100 400 600 /?, Омм
0,10-1 >V--""7
0,304
о,9он;
100 300 500
-I I I
0,10
0,30
0,90
2,40
7,20
100 200 300
0 40 80
¦ ¦
0,10-
0,30-
0,90-
2,40-
7,20-
3,*h -7
Т
s~y
г
'
о
0,10 Н
0,30 H
0,90 -]
2,40 Л
7,20 Н
40
L.
80
5Л.6
(
0,10-
0,30 -
0,90-
2,40-
7,20 -
) 40 80
> i
<>-'9 -8
С /'
У <"*"
I
ж
с
0,10-
0,30 -
0,90-
2,40-
7,20 -
) 50 150 250
¦ i i
12,1Ш
</':¦¦¦
ч
i
Рис. 3.6. Кривые ВЭЗ дерново-подзолистых окультуренных почв
разного механического состава
а, б, е- песчано-слоистые флювиогляциальные отложения; в, г -
суглинистые почвы; д, ж, з - эродированные суглинистые почвы
90
Я,Омм S, T
500-
30
300 Н20
100-
200-
10
Л 16 а Л 12
3^rL
246 8 246 8 10
Я, Ом
100
40
0
1982>
J984
АВ/2 = 10 см Варианты опытов
' i I I LL I
2 4 6 8 10 12
20
КХНЮ
Л 32
i"» и
120
500-
300-
100-
20
10
24 6 8 24 6 8 10
- Л 76
Л 72
'№&
24 6 8 24 6 8 10
0 20 40 60 80 100/?, Омм
1982
120
60
40
0
1
2 4
6
45 см
8
У!
i
10
i
12
4 1982
41984
i
2 4 6 8 10 12
U?/2,m
Рис. 3.7. Изменения агрохимических свойств и электрического
сопротивления в опытах по испытанию эффективности ТНК и ТМАУ
а - по линиям опробования: Л12, 32, 72 - до внесения и Л16, 36, 76 - после
внесения ТНК, ТМАУ; б - кривые профилирования до внесения органических
удобрений (1982 г.) и после опытов с ТМАУ, ТНК (1984 г.); в - изменения
сопротивления с глубиной (ВЭЗ) до внесения удобрений (1982 г.) и после (1984 г.)
Удельное электрическое сопротивление связано не только
и не столько с механическим составом, но в первую очередь с
комплексом свойств, в который входят емкость поглощения
(Г), сумма поглощенных оснований (5), гумус (С), т.е. те
свойства, которые взаимосвязаны (опосредованно) с механическим
составом.
За период с 1981 по 1984 г. в результате внесения
органических и минеральных удобрений на участках произошли
изменения агрохимических свойств и электрического сопротивления.
Заметное по всему профилю снижение сопротивления в
соответствии с увеличением показателей агрохимических свойств и в
первую очередь Г, S, С по Тюрину и т.д. Особенно это заметно
для средних значений по делянкам линий 32 и 12, отобранных до
и после опыта на песчаных почвах (рис. 3.7).
91
R почвы.
Ом • м 430
340
250 I
160 У
R почвенной 4
суспензии
I
иль».
R коллоидной
суспензии
w<y
>ЕКО,
430 •
340
250-
160
70 :
10-
а
%
Ь
VV
100 г почвы
430
340
250
160
70 •
10
г
\-
1
ь
Щу.
ч »•
*р2о5,
мг
100 г почвы
10 90 170
ж
10 90 170
з
10 90 170
и
КоО,
мг
100 г почвы
Рис. 3.8. Зависимости между электрическим сопротивлением и
агрохимическими свойствами почв
а - сопротивление почвы и ЕКО; б - сопротивление почвенной суспензии
и ЕКО; в - сопротивление коллоидной суспензии и ЕКО; г-е - то же, для Р205;
ж-и - то же, для К20
На суглинистых почвах сопротивление уменьшилось до
70%, что можно объяснить, исходя из вышеуказанных
зависимостей сопротивления с агрохимическими свойствами и
увеличения содержания подвижных элементов питания (см.
рис. 3.7).
За период проведения опытов (с 1982 по 1984 г.)
действительно произошло увеличение содержания Р205 и гумуса с
улучшением его качественного состава (за исключением
опыта с ТМАУ на 2-м суглинистом участке, линии 32, 72, 12),
уменьшилась кислотность почвы, что отразилось на
сопротивлении, особенно в опытах с применением органических
удобрений (рис. 3.7, а, б).
92
Таким образом, уменьшение электрического сопротивления
как в пахотном, так и в подпахотном горизонтах вполне
закономерно и объяснимо (рис. 3.7, в).
Такие же изменения сопротивления произошли и в суспензиях
образцов почв, причем как влажных, так и высушенных. Так, в
опыте с ТНК исходные значения сопротивления почвенных
суспензий составляли 240-390 Омм, в середине вегетации -
100-120 Омм, а к концу вегетации первого года - 110-220 Омм.
Закономерные изменения произошли и после опыта с
ТМАУ. В начале вегетации сопротивление было порядка
265-490 Омм, в середине - 120-215 Омм, а в конце опыта -
140-280 Омм. Закономерность в изменении сопротивления
указывает на изменение агрохимических свойств в процессе
вегетации растений. Даже содержание гумуса, например, в опыте с
ТМАУ, было в начале вегетации 1,6-3,3%, в середине - 1,5-3,9%
и в конце - 1,9-2,7%. В опыте с ТНК соответственно 1,8-2,5%,
3,1% и 1,7-3,3%. Заметим, что это данные по четырем линиям
опробования, т.е. по 420 образцам, а не единичные результаты.
Следовательно, вслед за изменением питательного режима
изменяется и величина электрического сопротивления. Причем
тесные закономерности изменения сопротивления, связанного с
агрохимическими свойствами, прослеживаются при измерениях
суспензий как в лаборатории, так и в поле (рис. 3.8).
Из сказанного следует, что для оценки агрохимического
состояния почв наряду с традиционным агрохимическим
обследованием весьма полезно проводить полевое и лабораторное
измерение удельного электрического сопротивления.
Вертикальное электрическое зондирование позволяет
выявить пространственную неоднородность почвенного покрова
без его нарушения и с минимальными затратами.
3.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ПРИ ПОЧВЕННО-ЭРОЗИОННОМ
ОБСЛЕДОВАНИИ ПОЧВ СКЛОНОВ
Почвенный покров склонов характеризуется исключительно
высокой пестротой эродированности, которая зависит от
сложности рельефа и разнообразия почвообразующих пород
(Каштанов, Заславский, 1984).
Изучение детальной картины смытых почв с помощью
ключевых участков весьма трудоемко. Так, А.Б. Левин на пробной
площади 150 х 150 м для изучения вариабельности степени смы-
93
тости вынужден был заложить 256 разрезов. Понятно, что
изучение неоднородности смытости участков эродированных почв
классическими методами почвенного обследования в таких
больших объемах возможно только в самых крайних случаях.
С целью облегчения подобных исследований на
эродированных почвах склонов применили высокопроизводительный
геофизический метод - вертикальное электрическое зондирование
(ВЭЗ). Метод, как уже отмечалось, позволяет проводить
профильное измерение удельного кажущегося электрического
сопротивления (/?А), не нарушая почвенного покрова.
Исследования с целью применимости ВЭЗ для диагностики
смытости участков проводили на дерново-подзолистых почвах
различной степени эродированности по трем односкатным и
одному куполообразному склонам в пределах территории
агробиологической станции МГУ "Чашниково".
В профиле исследованных дерново-подзолистых почв
наблюдалась резкая дифференциация параметра Rk в зависимости
от свойств генетических горизонтов.
Для неэродированных дерново-подзолистых почв,
сформированных на однородных суглинистых и глинистых породах,
характерна 5-образная трехслойная кривая изменения Rk по
профилю. На малых разносах сопротивление плавно нарастает
вслед за усилением оподзоленности и снижением гумусирован-
ности. Достигнув максимального значения /?Дтах) на
определенном разносе электродов АВ, сопротивление интенсивно
снижается. Снижение сопротивления характеризует
нарастание иллювиирования в почвенном профиле. Наименьшая
величина сопротивления Rk{mm) наблюдается на полуразносах
ЛВ/2 > 4—5 м, что соответствует точке максимальной иллюви-
ированности в профиле. Далее, внизу профиля величина
электрического сопротивления стабилизируется и в случае
формирования дерново-подзолистых почв на однородных суглинках
не превышает 60-70 Омм.
Используя характеристические точки кривых ВЭЗ: /?^(тах),
/?A.(min) и их координаты на полуразносах ЛВ/2, а также
координаты точек перегиба, можно судить о степени развитости
почвенных процессов и мощности основных генетических
горизонтов. Наклоны кривых нарастания сопротивления на малых
разносах до Rk(max) и снижения до Rk(min) характеризуют
нарастание процесса оподзоливания и усиление иллювиирования, а
следовательно, степени развитости и дифференциации профиля
дерново-подзолистых почв.
По этим характеристикам кривые ВЭЗ неэродированных
дерново-подзолистых почв разных склонов различаются. Судя
94
по максимальным величинам Rk и их ординатам Л В/2, неэродиро-
ванные почвы водораздельной части 1-го и 3-го склонов оподзо-
лены несколько больше, чем такие же почвы 2-го склона. Неэ-
родированные почвы 3-го склона имеют несколько меньшую
мощность элювиальной толщи.
Теоретической предпосылкой применения метода ВЭЗ для
выявления эродированности дерново-подзолистых почв является
тот факт, что в результате уменьшения мощности оподзоленной
толщи эродированных почв обнаруживаются специфические для
подстилающей породы сопротивления на меньших разносах
АВ/2, чем для неэродированных почв.
В предельной ситуации на сильно эродированных почвах, где
материнская порода залегает близко к дневной поверхности и
даже выпахивается, такие величины сопротивления должны быть
характерны уже на самых малых разносах и относительно
стабильны с глубиной на однородной породе.
Исследования эродированных почв методом ВЭЗ
подтвердили высказанные положения. Для слабо и средне
эродированных почв средней части склонов, залегающих на
однородной суглинистой породе, максимальные величины
сопротивления наблюдаются на значительно меньших полуразносах.
Для 1-го и 3-го склонов АВ/2(тах) равно 0,2 и 0,3 м
соответственно, а для таких же почв на 2-м склоне - порядка 0,15 м.
Слабо- и среднесмытые почвы почти для всего почвенного
профиля имеют закономерно меньшие величины /?Дтах). По-
видимому, снижение сопротивления происходит за счет
обогащения верхних горизонтов этих почв материалом, смытым с
вышезалегающих по склону почв. На фоне общего снижения
сопротивления наблюдается некоторая изрезанность кривых
Rk для некоторых слабо- и среднесмытых почв.
Сопротивление иллювиальных горизонтов сильносмытых почв
статистически не различается и мало меняется для разных склонов. В
нижней части куполообразного склона на участке, где были
обнаружены намытые песчано-слоистые отложения,
отмечается резкое увеличение сопротивления по сравнению с несмы-
тыми и смытыми почвами, сформированными на суглинистых
породах.
Следовательно, анализ кривых ВЭЗ в координатах АВ/2
может дать относительную характеристику эродированных почв
склонов. Методом ВЭЗ по степени смытости легко
идентифицируются почвы, сформированные на однородных суглинистых
породах.
В случае, если подстилающая материнская порода двучленна
или имеет песчано-слоистое строение, отличить эродированные
95
Таблица 3.2
Идентификация эрозии дерново-подзолистых почв
по элементам рельефа методом сопротивления1"
Верхняя часть склона
Гребень пахоты (слабо выражен)
Выровненная пахота
Слабо выраженное русло ручейка эрозии
Средняя часть склона
Гребни
Выровненная пахота
Русло эрозии, опесчаненный материал, сверху тонкая пленка
ила
Мелкий песок + ил
Песок + пленка ила
Русловой нанос, пленка ила + песок
Нанос ила в 5 м ниже по склону
Песок
Нанос ила на дороге
Нижняя часть склона
Гребни (не нарушены эрозией)
Выровненная пахота
Продукты эрозии:
конус выноса, песчаный материал (агрегирован)
конус выноса, иловатый материал
Вымоины
Днище борозды
Русло
Илистые отложения
* Данные получены автором совместно с А.Д. Флессом и Н.В.
эрозии почв факультета почвоведения МГУ)
Сопротивление, Омм
200
221
73
191
157
211
86
295
221
75
285
62
102
136
101
90
81
63
73
56
Силиневич (кафедра
почвы от неэродированных по морфологическим признакам
зачастую невозможно. В этом случае при оценке эродированности
также можно использовать анализ кривых ВЭЗ. Подобная
ситуация наблюдалась на куполообразном склоне водораздела
р. Клязьмы, где почвы сформированы на песчаных, плохо
сортированных моренных отложениях. Для почв водораздельной
части склона, где смыв, по-видимому, менее интенсивный или
отсутствует, вследствие процессов окультуренности наблюдается
некоторое уменьшение сопротивления для верхней части профиля.
Несмытые песчано-слоистые дерново-подзолистые почвы купо-
96
лообразного склона имеют весьма высокое сопротивление
(200-250 Омм) по всему профилю, несколько повышающееся
(до 300-320 Омм) в песчано-слоистой почвообразующей породе.
По мере продвижения вниз по склону зондажем вычленяются
супесчаные и суглинистые прослойки, мощность которых к
основанию склона нарастает. У подошвы склона пятна сильно
эродированных дерново-подзолистых почв на суглинках имеют
сопротивление 60-70 Ом • м. Можно считать, что мощность
суглинистой прослойки здесь возрастает на всю глубину зондажа, т.е. до
2,5-3 м. Как видно, в случае пестрой почвообразующей породы и
сложной конфигурации склона трудно однозначно решить
вопрос: почва эродирована или ее формирование обусловлено
изначально неравномерно отложенным материалом. Но, тем не
менее, метод ВЭЗ позволяет проследить основные изменения таких
пестрых песчано-слоистых отложений.
В большинстве же случаев на суглинистых, глинистых и
двучленных породах применение метода ВЭЗ дает четкие различия
сопротивления для неэродированных и эродированных почв
(табл. 3.2). Учитывая высокую производительность метода, его
можно рекомендовать для использования при детальных
исследованиях и картировании ключевых участков эродированных
дерново-подзолистых почв.
Аналогичная ситуация прослеживается и на других почвах.
Например, на черноземах Воронежской, Курской и Херсонской
областей нами наблюдалась четкая дифференциация почв
разной степени эродированности по величине сопротивления, и в
нижней части склона, где обычно сосредоточены намытые
почвы, сопротивление всегда несколько ниже.
На многих демонстрационных материалах, как будет
показано далее, сопротивление почв нижней части склона всегда ниже
вследствие переноса сюда илистого материала.
7 Поздняков А. И.
Глава 4
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ
К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
НА ЧЕРНОЗЕМАХ
Для оценки возможности применения методов полевой
электрофизики при исследовании почв черноземного типа
почвообразования обследовались черноземы разных регионов: Курской
и Воронежской областей, Краснодарского и Ставропольского
краев России, степных районов Крыма и Херсонской области
Украины, а также выборочно черноземы других регионов.
Черноземы, наряду с другими почвами, обладают
специфическими электрическими параметрами. В почвах черноземного
типа почвообразования в результате усиления процессов гумусона-
копления происходит изменение электрических параметров с
заменой профильного распределения с трехслойной, 5-образной
формы, характерной для дерново-подзолистых почв, на
двухслойную. В зависимости от выраженности процессов,
происходящих в верхней толще, где развиты процессы гумусонакопления,
сопротивление может быть и меньше и больше сопротивления в
нижней части почвы.
Тем не менее в типичных полноразвитых черноземах
водоразделов, не осложненных интразональными процессами,
например осолонцеванием, изменение электрических параметров
приурочено к переходу от гумусовых горизонтов к карбонатной поч-
вообразующей породе.
Для почв черноземного типа почвообразования также
характерны закономерности изменения этих параметров начкатенном
уровне, т.е. при распределении сопротивления почв по склону.
Смыто-намытые и намытые почвы средней и нижней части
склона имеют меньшие величины сопротивления, чем типичные
полноразвитые почвы водоразделов.
В Воронежской области обследовали черноземы с целью
получения наземных данных для расшифровки
аэрокосмических съемок, идентификации выделенных почвенных структур
и корректировки их границ. Выполнить эту задачу
традиционными методами довольно сложно, так как требуются огромные
98
выборки экспериментальных данных (Каштанов, Явтушенко,
1997).
Можно выделить два важнейших аспекта применения
электрических экспресс-методов, например ВЭЗ и НЭП, при
наземных исследованиях, проводимых для идентификации
аэрокосмических снимков:
1) экспрессность и взаимосвязь с почвенными свойствами;
2) получение информации со всей почвенной толщи, а не
только с ее поверхности, как в большинстве аэрокосмических
методов.
На основании последнего утверждения можно:
а) идентифицировать элементы структур почвенного покрова;
б) дополнить информацию, полученную по аэрокосмическим
снимкам, информацией о всей почвенной толще, полученной
методами электрофизики.
Можно решать следующие задачи наземного обследования
почв, к которым относятся:
1. Идентификация таксономических единиц почв
непосредственно в полевых условиях в экспресс-режиме.
2. Выделение элементарных почвенных ареалов (ЭПА),
установление границ между ними и их корректировка.
3. Детальное и крупномасштабное почвенное, почвенно-аг-
рохимическое и мелиоративное картирования почвенных
ключей, стационарных площадей, закладываемых для самых разных
целей.
4. Качественно-количественная оценка физических
(влажность) и химических (емкость катионного состава, гумусирован-
ность, засоленность и т.д.) свойств почв.
Учитывая отмеченное выше, были обследованы черноземы
различных подтипов Воронежской области. Испытания
показали приемлемость методов ВЭЗ и НЭП для детального и
крупномасштабного обследования и картирования черноземов как по
вертикали (в профиле), так и по горизонтали, без закладки
разрезов и скважин или при незначительном их количестве. В
Воронежской области обследования проводили на следующих почвах:
1. Черноземы типичные:
карбонатный малогумусный слабосмытый
тяжелосуглинистый;
среднегумусный среднемощный легкосуглинистый;
малогумусный среднемощный легкосуглинистый (остаточ-
но-осолонцованный).
2. Черноземы обыкновенные:
карбонатный глубокоостаточно-осолонцованный
малогумусный слабосмытый тяжелосуглинистый;
99
карбонатный малогумусный слабосмытый
легкосуглинистый;
глубокосолонцеватый малогумусный среднемощный
легкосуглинистый;
остаточно-карбонатный среднегумусный среднесмытый
тяжелосуглинистый.
3. Черноземы выщелоченные:
поверхностно-слабосолонцеватый среднесмытый
тяжелосуглинистый;
глубокосолонцеватый малогумусный глинистый;
малогумусный слабосмытый тяжелосуглинистый (на
карбонатных отложениях).
4. Пойменные почвы и почвы балочных склонов:
слоисто-зернистые карбонатные тяжелосуглинистые;
балочных склонов легкосуглинистые на делювии
карбонатов.
5. Целинные карбонатные на меловых отложениях.
4Л. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ
ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
Черноземы типичные представляют классический пример
для изучения почв черноземного типа почвообразования.
Распространенность этого подтипа чернозема среди почв
Воронежской области довольно значительна. Наряду с двухслойным
характером изменения кривых ВЭЗ в этих почвах встречаются также
кривые трехслойного характера, т.е., другими словами, верхний
гумусированный горизонт расчленяется на два подслоя
(пахотный и подпахотный), формируя тем самым трехслойный
характер профиля (рис. 4.1,а).
Почвенный профиль черноземов Воронежской области
(Каменецкий район), выявленный с помощью метода ВЭЗ,
легко подразделяется на аккумулятивно-гумусовый горизонт и
почвообразующую породу, имеющие разные величины
сопротивления.
Аккумулятивно-гумусовый горизонт имеет сопротивление
40-120 Омм в зависимости от степени развитости
почвообразовательного процесса, а подстилающая порода - 20-40 Омм.
Солончаковый и солонцовый процессы в черноземах
типичных снижают сопротивление до 5 Омм в строгом соответствии
со степенью засоленности. Осолонцованность в верхних
горизонтах этих почв не всегда проявляется, но для достаточно осолон-
100
R,
100
80
60
40
20
0
Омм
•i V
-' Л/
L
a
-783
113
¦104
0,1 0,5 2,4 10,0 ЛЯ/2,м
100 t
80
60
40
20
0
-411
-481
¦774
0,1 0,5
1,2 4,1
300
250
200
150
100
50
0
-100
.-69
--557
0,1 0,5 2,4 10,0
Рис. 4.1. Кривые ВЭЗ черноземов
цчо
а - черноземы типичные
незаселенные тяжелого механического
состава, б - черноземы обыкновенные, в -
черноземы карбонатные
цованных слоев подстилающей породы она легко
идентифицируется по кривой ВЭЗ.
Сопротивление засоленных слоев не выше 10 Омм.
Собственно, эта величина характерна практически для любых
засоленных почв, и если почва имеет сопротивление меньше 10 Омм, то
она засолена, а при сопротивлении меньше 5-7 Омм - сильно
засолена.
В дальнейшем при рассмотрении засоленных почв
Прикаспийской низменности мы выработаем соответствующую
классификацию оценки засоления по сопротивлению (см. главу 5).
Легко видеть, что автономные незаселенные черноземы
даже тяжелого механического состава (например, в т. 783) имеют
сопротивление в нижней части профиля не ниже 40 Омм, тогда
как в слабо- и среднезасоленных почвах в нижней части
профиля оно не выше 18-20 Омм (рис. 4.1,а).
Черноземы карбонатные на лёссовидных отложениях имеют
хорошо сформированный почвенный профиль с постепенным
переходом от горизонта к горизонту.
Верхние пахотные и подпахотные горизонты
тяжелосуглинистых черноземов имеют сопротивление закономерно меньшее,
чем легко- и среднесуглинистых.
Важно отметить, что в интервале глубин и полуразносов
АВ/2, где влияние распашки этих черноземов незначительно,
карбонатные черноземы имеют сопротивление несколько выше,
чем типичные нормальные и осолонцованные черноземы.
101
По кривым ВЭЗ легко дифференцируются пахотный и
подпахотный горизонты.
На разносе 2,4 м идентифицируется грунтовая вода для 113
объекта наблюдения и на разносе 7,2 м - для 104, что
соответствует глубине 0,8 и 2,4 м для этих разносов (см. рис. 4.1,я).
Черноземы обыкновенные (Каменецкого района) по
морфологическим признакам близки к черноземам типичным. Они
характеризуются более укороченным профилем, часто более
уплотненным сложением, менее выраженной структурой,
повышенным залеганием линии вскипания от соляной кислоты по
сравнению с черноземами типичными, наличием карбонатов в
виде белоглазки. На участках, где лёссовидные породы
неглубоко подстилаются засоленными глинами, формируются
черноземы обыкновенные солонцеватые.
Присутствие поглощенного натрия, обусловливающего солон-
цеватость этих почв, согласно теоретическим предположениям,
существенно снижает величину электрического сопротивления.
Учитывая данную характеристику черноземов
обыкновенных, легко заметить, что кривые ВЭЗ этих черноземов мало
отличаются от кривых ВЭЗ черноземов типичных.
Действительно, кривые ВЭЗ черноземов обыкновенных
подтверждают эти предположения (рис. 4.1,6). Практически все
кривые ВЭЗ этих черноземов свидетельствуют, что сопротивление в
почвообразующей породе меньше, чем в гумусированной части
профиля. Величина верхнего гумусированного горизонта имеет
сопротивление порядка 30-50 Омм в зависимости от содержания
гумуса и емкости поглощенных оснований.
Среди почв черноземного типа почвообразования
Воронежской области особое место принадлежит черноземам
карбонатным на плотных меловых породах.
В пределах обследованной территории черноземы карбонатные
встречаются достаточно сплошными массивами и, эродируясь, часто
обнажаются вплоть до материнских пород - меловых отложений,
образуя обширные массивы и создавая тем самым болыпу^о
пестроту почвенного покрова. Это хорошо идентифицируется на
аэрофотоснимках и подтверждается методами полевой электрофизики.
Повышенная карбонатность с поверхности отрицательно
сказывается на свойствах и составе этих почв, особенно если они
залегают на элювии плотных карбонатных пород - меловых
отложениях.
Кривые ВЭЗ этих черноземов имеют достаточно низкие
величины сопротивления с поверхности, но эти величины резко
возрастают в нижней части профиля или на карбонатной породе
(рис. 4.1,в). В случае эродированности этих почв и их залегании
102
на меловых отложениях сопротивление уже с поверхности
достигает довольно высоких (для черноземов) величин - до 90 Омм и
выше даже в том случае, если на поверхности не выпахиваются
меловые отложения. Высокое сопротивление позволяет
картировать эти почвы методами ВЭЗ и НЭП, так как различия с
другими подтипами черноземов очень резкие.
Черноземы карбонатные типичные на элювии
карбонатных пород занимают повышенные элементы рельефа и пологие
склоны. Их профиль укорочен, имеет более резкие переходы
между горизонтами. Наблюдаются включения карбонатов в виде
карбонатной щебенки, содержание которой увеличивается с
глубиной (см. рис. 4.1,в, кривая 100). Это хорошо идентифицируется
по данным ВЭЗ и НЭП.
В центральной и нижней частях профиля сопротивление
весьма низкое, что обусловлено обогащением органо-минераль-
ными коллоидами. Затем сопротивление резко увеличивается,
достигая для плотной породы (мела) 270 Омм.
Черноземы выщелоченные имеют значительные отличия по
параметрам кривых ВЭЗ от черноземов типичных и
обыкновенных. В первую очередь отличие наблюдается по координате
ЛВ/2 перегиба кривых ВЭЗ. Для черноземов выщелоченных
этот перегиб близок к 130 см, например, для чернозема
выщелоченного глубокосолонцеватого глинистого он также близок к
этой величине.
Поверхностно-солонцеватые и особенно
глубокосолонцеватые черноземы выщелоченные в нижней части профиля
имеют низкие величины сопротивления - не выше 10-15 Омм
(см. рис. 4.1, в, кривые 69 и 557).
Пойменные почвы и почвы балочных склонов, представляя
собой интразональные почвы и занимая пониженные,
подчиненные положения в сопряженных пойменных и балочных
ландшафтах, имеют низкие величины электрического сопротивления
в силу приноса ионогенных соединений и тяжелого (тонкого)
почвенного материала.
Почвы балочных склонов при формировании на засоленных
породах имеют самое низкое сопротивление (< 10 Омм). Незасо-
ленные их аналоги занимают по сопротивлению промежуточное
положение (20-40 Омм).
Методом ВЭЗ установлены разносы электродов ЛВ/2 (от 60
до 180 см), на которых наиболее резкие отличия по
сопротивлению наблюдаются между черноземами типичными,
обыкновенными и выщелоченными. Это позволяет методами
профилирования (горизонтального и площадного) еще более быстро, чем
методом ВЭЗ, картировать эти почвы.
103
Хорошие результаты получены при применении метода
горизонтального профилирования на черноземах различных
подтипов (типичном, обыкновенном и выщелоченном), где наряду с
процессом гумусонакопления можно идентифицировать
процессы осолонцования и эрозии, а также оценивать особенности
свойств этих почв.
Например, профилирование черноземов типичных в
пределах одного поля выявляет значительное варьирование
сопротивления, которое происходит вслед за существенным
пространственным варьированием различных химических веществ этих
почв. Легко видеть, то средние значения сопротивления у
черноземов типичных значительно меньше, чем у черноземов
карбонатных эродированных. Так, в черноземах типичных
сопротивления варьируют в пределах 40-60 Ом-м, в черноземах
карбонатных и эродированных - 70-90 Ом-м, а в некоторых точках даже
достигают 100 Ом-м и более (см. рис. 4.1).
При профилировании разных почвенных структур с
различными черноземами, например типичными и карбонатными
эродированными, по графику сопротивления легко их
идентифицировать.
Причем на малых разносах электродов, когда
профилированием охватывается только верхний, наиболее подверженный
всякого рода изменениям пахотный слой почв, электрическое
сопротивление варьирует весьма значительно. При увеличении
полуразносов АВ/2 электродов от 120 до 240 см, что адекватно
увеличению глубины профилирования до 1 м, варьирование
значительно снижается.
Несмотря на это эродированное меловое пятно
характеризуется резким увеличением сопротивления до 70 Ом-м по
сравнению с сопротивлением 20-40 Ом-м чернозема типичного и
хорошо идентифицируется по резкому "всплеску" на графике
сопротивления. Не менее четко на аналогичном графике, полученном
методом профилирования, идентифицируются осолонцованные
пятна почв.
В поверхностно-солонцеватых почвах солонцеватость
обнаруживается по резким снижениям сопротивления до 10 Ом-м и
ниже уже на малых разносах электродов. Такие снижения
сопротивления четко просматриваются на графиках.
Засоление на черноземах других подтипов, несмотря на их
различие в генезисе и свойствах, отмечается резким снижением
сопротивления до 10 Ом-м и менее. Учитывая особенности
профилирования, легкость и простоту измерений, этот метод
целесообразно использовать при маршрутных наземных
обследованиях с целью корректировки аэрофотоснимков.
104
Итак, кривые сопротивления ВЭЗ черноземов являются
функцией от свойств почвенного профиля и полуразноса ЛВ/2 между
электродами. Для получения реальных глубин почвенных
горизонтов по перегибу кривой ВЭЗ на том или ином разносе
рассчитаны переходные коэффициенты. Расчет этих коэффициентов
показал их довольно близкие значения на различных объектах,
например, для черноземов коэффициенты равны 0,267-0,323.
Каждый подтип чернозема имеет свою типичную кривую
ВЭЗ. Изученные подтипы и разновидности отличаются хотя бы
по одному из интерпретационных параметров, характеризующих
их кривые ВЭЗ. Это полуразносы АВ/2 электродов,
характеризующие глубину залегания горизонтов:
hx - глубина пахотного слоя;
h2 - нижняя граница гумусового горизонта и верхняя (кровля) -
В горизонта;
/?!, /?2, /?3 - сопротивления этих горизонтов.
Сопротивления напрямую связаны с такими свойствами почв,
как емкость поглощения, гумусированность, карбонатность,
засоленность легкорастворимыми и поглощенными солями.
Поскольку комплекс этих свойств отличен для каждого подтипа и
разновидности чернозема, то и сопротивления всей толщи или
отдельного горизонта отличаются. Отличаются также
параметры кривых ВЭЗ (Л,, /г2, h3) различных черноземов.
1. Черноземы типичные целинные имеют двухслойную
кривую сопротивления Агум (100 Омм) > сопротивления ВкарГ) и Скарб
(30 Омм).
2. Черноземы типичные, распаханные, интенсивно
используемые в сельскохозяйственном производстве, обычно трехслойны.
Их параметры, полученные интерпретацией кривых ВЭЗ,
таковы:
hx - верхняя часть пахотного слоя, наиболее окультуренная и
подверженная воздействию удобрений;
h2 ~ Агум - верхняя часть Вкарб;
*з ~ Вилл и С.
3. Черноземы обыкновенные, как показано, мало или
практически не отличаются по свойствам от черноземов типичных,
что подтверждается и данными электрического зондирования.
Все параметры кривых ВЭЗ этих почв, как правило, совпадают.
4. Черноземы выщелоченные характеризуются изрезанно-
стью кривых ВЭЗ в верхней части профиля и большими
значениями h2, характеризующими мощность гумусового горизонта.
Сопротивление чернозема этого подтипа порядка 30-50 Омм.
Черноземы аномальных разновидностей отличаются по
параметрам кривых ВЭЗ от черноземов нормальных типов.
105
При осолонцевании и засолении черноземов наряду с
изменением кривых ВЭЗ происходит уменьшение величины
сопротивления до 10 Омм в засоленных и до 5 Омм в сильнозасоленных
почвах. При эрозии черноземов, особенно сформированных на
меловых отложениях, уже на малых разносах ВЭЗ появляются
более высокие значения сопротивлений (до 100 Омм).
Полученные закономерности изменения электрического
сопротивления черноземов обладают достаточной сезонной
стабильностью. Так, интерпретационные параметры кривых ВЭЗ,
полученные в весенний и осенний периоды для черноземов той
или иной разновидности, практически не отличались.
4.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ
ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ И УКРАИНЫ
Применение методов электрофизики на черноземах юга
России и Украины показало, что на них распространяются те
же закономерности, что и на черноземы Воронежской
области.
/?, Омм
504 h
208
104
41 h
15
Целина,
Пашня склон к
Сивашу
1/2 1/1 Расстояние, м
15,0 Ь
5 100 300 500 700 Я, Омм
-H*-i 1 i i
б
1/1 J 1/2 \
АВ/2,м
Рис. 4.2. Сопротивление почв при НЭП (а) и ВЭЗ (б) от водораздела к
заливу Сиваш
106
/?, Омм
90 h
36 h
18 h
6
4/1
_> Расстояние, м
4/2 4/3
0,10
0,45
1,80
7,20
15,0
5 15 200 600 800 Я, Омм
—г* Ьт 1 1 >
412
4/7 4/3
10 14 18 22 26 Я, Омм
од
0,3
0,4
2,4
3,6
1
г
-|—ггт—1
>/ ч
\ >w Ч
х •* " " '
/ у
„¦*/
¦'•¦<:. 12
13 [ ^^
л 1—
"^-¦^1
>
АВ/2,м
Рис. 4.3. Сопротивление почв разной степени засоления при НЭП (а) и
ВЭЗ (б) Присивашья и черноземов Краснодарского края (в)
Например, характер изменения сопротивления почв с
глубиной агрополигона близ с. Красочное (Ипатовского района
Ставропольского края) явно свидетельствует, что на глубине
примерно 15 см (АД/2 = 45 см) почвы практически по всему полигону
сильно и средне засолены.
107
Одновременное использование методов НЭП и ВЭЗ,
например в совхозе им. Фрунзе (Херсонская обл.), хорошо дополняют
друг друга.
Так, на рис. 4.2 приведена регистрограмма НЭП,
характеризующая переход толщи почвы около 2 м от водораздела (разрез
2) к солончакам береговой части (разрезы 1/2 и 1/1) Сиваша.
Общая протяженность профиля 700 м. Первый пик (500 Ом-м) на
кривой НЭП относится к полевой дороге, далее пашня,
образованная плоскорезом, с ней, по-видимому, и связано более сильное
колебание сопротивления. Сопротивление здесь по всему
профилю не выше 100 Ом-м. В нижней части склона оно не
превышало 50 Ом-м. И наконец, у разреза 1/1 сопротивление при
измерении НЭП снизилось до 10 Ом-м и при ВЭЗ до 4 Ом-м, что
свидетельствует о чрезвычайно высоком засолении.
Великолепное подтверждение этому было получено по
профилю при переходе от солончака побережья Присивашья к
черноземам и каштановым почвам водораздела.
Сопротивление разрезов 4/1 и 4/2 как при ВЭЗ, так и при НЭП не выше
10 Ом-м, (рис. 4.3, а, б). Сопротивление незасоленной
каштановой почвы очень высокое (200-600 Ом-м), что связано с ее
иссушением и незасоленностью.
Южные черноземы, например Краснодарского края и
Ставрополья, имеют меньшие величины сопротивления, чем их
северные аналоги, особенно подверженные гидроморфизму и сли-
тизации (рис. 4.3, в; разрезы 12-14).
К вопросу влияния засоления и влажности на сопротивление
почвы мы еще вернемся в главе 5.
Глава 5
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ
К ПРИМЕНЕНИЮ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
ДЛЯ ПОЧВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В АРИДНОЙ ЗОНЕ
Параметры и форма профильных кривых сопротивления
почв аридной зоны разных типов мало различаются, поскольку
слабо дифференцированны.
Увеличение электрических параметров в поверхностных
горизонтах этих почв по сравнению с черноземами связано с
достаточно резким снижением содержания гумуса и органо-минеральных
коллоидов. Меняется и закономерность распределения
электрических параметров по профилю. Осолоделые горизонты солонцов с
повышенным содержанием Si02, так же как и элювиальные
горизонты почв подзолистого типа гумидной зоны, имеют более
высокие величины электрических параметров по сравнению с
иллювиальными горизонтами солонцов, насыщенных натрием.
Статистически достоверные отличия в электрических
параметрах имеют только иллювиальные горизонты. Причем
электрические параметры в иллювиальных горизонтах солонцов
всегда несколько ниже, чем в аналогичных горизонтах каштановых
и лугово-каштановых почв.
В почвах солончакового типа почвообразования наряду с
высоким фоновым влиянием ионов почвенно-поглощающего
комплекса большую роль играют ионы почвенного раствора.
Электрические параметры засоленных почв и солончаков имеют
весьма низкие, мало дифференцированные величины. Подобные
закономерности отмечаются в работах и других исследователей
(Вадюнина, 1976; Хан, 1977; Панин и др., 1977).
Первопричина закономерной смены величины
электрических параметров в почвах аридных регионов солонцово-солонча-
кового генезиса видится в закономерном распределении
плотности подвижных электрических зарядов, происходящие под
действием процессов почвообразования. Для каждого типа почв здесь,
как и в гумидной зоне, при высокой влажности и умеренных
температурах выявляются строго специфические величины
электрических параметров.
109
Наличие специфических величин позволяет проводить
разные почвенно-мелиоративные обследования и картирование.
Методика картирования почв в аридной зоне имеет некоторые
особенности по сравнению с методикой картирования почв в гу-
мидной зоне и заключается в более тщательном измерении
влажности почвы, которая, в свою очередь, чаще, чем в гумид-
ной зоне, определяется уровнем грунтовых вод (УГВ). Поэтому
начинать почвенно-мелиоративное картирование
целесообразнее с изучения УГВ на объекте исследования методом ВЭЗ по
заранее выбранным исследователем точкам. Особое внимание
следует обратить на разрыхленность верхней части профиля. Если
почва сильно разрыхлена и сильно иссушена, можно при
заземлении электродов частично снять разрыхленный слой и
осуществить надежный контакт электродов с почвой.
После проведения нескольких ВЭЗ на предположительно
разном уровне залегания грунтовых вод рассчитывают кривые
ВЭЗ и, используя пересчетный коэффициент, который, как
установлено нами, равен примерно 0,287, по координатам перегибов
кривых ВЭЗ уже в поле получают приблизительный уровень
залегания грунтовой воды. При дальнейшей обработке данных он
может уточняться другими методами (см. главу 2). Выбранные на
основе анализа кривых ВЭЗ оптимальные разносы электродов
АВ используют при картировании УГВ методом площадного
профилирования. В результате проведения профилирования по
площади на оптимальном разносе, когда каждая глубина
грунтовых вод, встречающихся на исследуемой территории, имеет
строго определенные (специфические) значения перегибов АВ/2,
возможно более объективно и точно, чем на основе классических
методов, картировать УГВ.
Электрическое профилирование позволяет также изучать
закономерности изменения различных свойств УГВ, от которых
зависят величины удельного кажущегося сопротивления,
например содержание солей в засоленных грунтовых водах, степень
минерализации и др.
При проведении крупномасштабных и детальных
исследований УГВ важное значение имеет обоснованное и объективное
выделение однородных контуров УГВ, составление их
подробных солевых съемок, что требует отбора большого количества
образцов для лабораторных анализов с целью контроля за
правильным нанесением границ. Это весьма трудоемко и требует
много времени.
Методы ВЭЗ, НЭП и их аналоги позволяют легко и быстро
проводить границы между почвенными неоднородностями и их
УГВ, прослеживать изменение этих границ. Особенно эффек-
110
тивны эти методы при детальном картировании территорий со
сложным почвенным покровом. В этом случае с применением
электрофизических методов резко снижается количество
необходимых почвенных разрезов и скважин. Точность и
достоверность данных при картировании с помощью геофизических
методов ВЭЗ и НЭП значительно выше, чем на основе одних лишь
классических обследований.
При решении проблемы оценки подтопления
первостепенной представляется не только задача определения собственно
глубины залегания грунтовых вод, но и возможность
очерчивания зон распространения грунтовых вод выше определенной
глубины, например метровой. Решение таких задач классическими
методами не всегда возможно.
Глубины залегания грунтовых вод часто имеют достаточное
пространственное варьирование даже в пределах небольших
участков сельскохозяйственных полей. Бурение и образование
стационарных смотровых колодцев осложнено не только трудоемкостью
и дороговизной, но и недостаточной репрезентативностью данных
о залегании грунтовых вод, полученных такими способами, а
также частым выходом из строя оборудования, особенно при
засоленных грунтовых водах (обсадные трубы сильно корродируют).
Детальное изучение подтопления затруднительно, например
в городских условиях, когда большая часть изучаемой
территории недоступна для бурения и оборудования смотровых
колодцев, а изучение классическими методами практически
невозможно. Особенно трудно изучать локальные зоны подтопления.
Определенную помощь в решении этих задач могут оказать
методы сопротивления. Методы электрического сопротивления
(см. главу 2) подразделяются на методы, в которых контакт
измерительной аппаратуры с почвой осуществляется
гальваническим путем, т.е. с помощью заземления электродов (обычно
металлических стержней), и методы без непосредственного
гальванического контакта с землей (почвой).
К первой группе методов относятся методы измерения
сопротивления на постоянном токе (поле). Это метод вертикального
электрического зондирования (ВЭЗ) и его аналоги - метод
горизонтального и площадного электрического профилирования
(ГЭП и ПЭП).
Методы измерения сопротивления без гальванического
контакта могут осуществляться только в режиме
электромагнитного поля. В нашем случае это аппаратура для непрерывного
электромагнитного профилирования (НЭП) (см. главу 2).
В методе ВЭЗ сопротивление измеряется с глубиной по
вертикали в одной и той же фиксированной "точке" почвенного покрова.
Ill
В методах НЭП, напротив, сопротивление измеряется на
какой-либо фиксированной глубине (определяемой разносом
антенны), вдоль заранее выбранного профиля (хода) в пределах
исследуемой территории.
Теоретическим обоснованием возможности использования
методов электрического сопротивления для изучения глубины
залегания грунтовых вод и зон подтопления служит строгая
экспоненциальная зависимость между удельным электрическим
сопротивлением и влажностью почвы следующего вида:
R = Л exp (-bW).
Такой вид зависимости свидетельствует о том, что самые
большие сопротивления будет иметь иссушенная почва с
влажностью ниже МГ (левая восходящая ветвь экспоненциальной
кривой). А при высокой влажности (большей ВРК) вплоть до во-
довместимости сопротивление почвы минимально и изменяется
незначительно, как бы значительно не изменялась влажность.
Следовательно, появляется возможность использования методов
сопротивления для определения уровня залегания грунтовых вод
и процессов подтопления. Наименьшим сопротивлением будут
обладать объемы, слои и горизонты почв, в которых
наибольшая влажность, т.е. слои, увлажненные до водовместимости
грунтовой водой. Причем засоленность грунтовой воды только
увеличит дифференцированность почвенного профиля.
Глубину залегания грунтовых вод целесообразнее всего
определять методом ВЭЗ, поскольку он дает более точную оценку.
В случае использования НЭП глубина залегания грунтовых
вод может быть оценена с точностью до 0,5 м, в лучшем случае -
0,25 м. Поэтому метод НЭП, учитывая его экспрессность,
целесообразно использовать при оценке зон подтопления и
выявлении самого процесса подтопления.
Учитывая особенности методов ВЭЗ и НЭП, была
осуществлена попытка использования их для оценки: глубины залегания
грунтовых вод, зон выклинивания грунтовых вод, определения
границ подтопления.
Обследование и картирование УГВ с использованием
электрофизических методов ВЭЗ, НЭП и их аналогов следует
начинать, так же как и при почвенном картировании, с проведения на
основных почвенных ареалах вертикального электрического
зондирования. Это позволит изучить распределение электрического
сопротивления в почвенно-грунтовой толще для всех типов почв
без закладки разрезов и скважин, выделить слои почв с резкими
различиями в свойствах почв и, главное, грунтовых вод. В том
случае, когда поверхностные слои почв имеют значительные раз-
112
личия в свойствах, дальнейшее обследование почв, в том числе и
картирование, можно проводить любым из методов постоянного
электрического поля. Более целесообразно поверхностные слои
почв (20-30 см) исследовать методом ГЭП, он самый
производительный. Затем, для получения информации о более глубоких
слоях следует применять другие методы сопротивления.
После качественной и количественной интерпретации
кривых ВЭЗ отдельных разностей почв, определения типа кривых и
их параметров выбирают оптимальный разнос, на котором
методом ГЭП или ПЭП картируют территорию по УГВ.
Электропрофилирование проводят по заранее намеченным в соответствии с
выбранным масштабом профилям. После вычисления величин
удельного электрического сопротивления для каждой точки
измерения составляют карты изоомов или изопотенциалов в
случае картирования методом естественного поля. Полученные на
основе результатов геофизических измерений карты изоомов и
изопотенциалов позволяют обоснованно и объективно наметить
места закладки основных разрезов или скважин.
При таком подходе к картированию территорий со сложным
почвенным покровом и залеганием грунтовых вод резко
снижается необходимое количество не только основных, но и
контрольных скважин, так как контуры распространения почв с
достаточной точностью могут быть установлены также по картам
изоомов. После закладки опорных скважин проводят детальную
съемку параметров методами ВЭЗ и НЭП. После определения в
лабораторных условиях концентраций ионов строят графики
зависимостей от них электрических параметров. Статистическая
обработка данных позволяет правильно выбрать те
характеристики почв, которые в первую очередь определяют параметры
постоянных электрических полей, и установить уравнения
зависимости того или иного параметра от свойств грунтовых вод и
почв. На основе этих сведений и карт электрических параметров
можно путем пересчета получить подробные солевые съемки,
охарактеризовать динамику УГВ и солей в них при подтоплении
и вторичном засолении, решить другие, аналогичные задачи.
Понятно, что приведенные общие положения использования
методов ВЭЗ и НЭП в исследованиях УГВ и процессов
подтопления могут корректироваться в зависимости от конкретных
условий и целей, претерпевая некоторые изменения, а принципы и
приемы их применения совершенствоваться и детализироваться.
Тем не менее комплексное применение методов ВЭЗ и НЭП
совместно с классическими методами полевого обследования почв
уже сейчас значительно облегчит проведение исследований
процессов подтопления, улучшит качество и достоверность данных.
8 Поздняков А. И.
113
При составлении крупномасштабных почвенно-мелиоратив-
ных карт в аридной зоне крайне важно и необходимо обращать
внимание на причины и степень засоления почв, уровень
грунтовых вод и их минерализацию.
В аридной зоне эпюры распределения влажности и засоления
по профилю почв часто определяются уровнем залегания
грунтовых вод, обусловливая различия в электрическом сопротивлении
между верхним иссушенным горизонтом и нижним обводненным.
Предложенные положения были проверены на ряде почв
аридных регионов. Основные стационарные исследования были
проведены в Прикаспийской низменности (в дельте р. Волги,
Астраханская обл.). В дельте р. Волги проводились исследования в
связи с подтоплением дельты реки Каспием (Парфенова и др., 1997).
Кроме того, в связи с катастрофической ситуацией
подтопления Астрахани по просьбе администрации города нами были
проведены электрическое зондирование и профилирование в
центральной части города.
Остановимся вкратце на характеристике основного объекта
исследований.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОЙМЫ И ДЕЛЬТЫ РЕКИ ВОЛГИ
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Прикаспийская низменность, в пределах которой находятся
Волго-Ахтубинская пойма и дельта, тектонически является
частью Восточно-Русской впадины (образовавшейся в палеозое),
испытавшей сильное прогибание в третичный и четвертичный
периоды. Донецкий кряж, представляющий складчатую полосу
(конец палеозоя), проходит под мощной толщей позднейших
осадков к Астрахани, пересекает северную часть Каспийского
моря, соединяясь с р. Уралом, и ограничивает с юга Русскую
платформу.
В верхнемеловую эпоху юг был покрыт морем, которое
сменилось сушей в начале третичного периода (в' палеоцене). В
эоцене и олигоцене вновь произошло образование моря,
разделившегося в среднем миоцене на два бассейна - Галицко-Волын-
ский и Крымско-Кавказский. В верхнем миоцене сократился Га-
лицко-Волынский бассейн и увеличился Крымско-Кавказский,
образуя Сарматское море. Сарматское море включало
современные Черное, Азовское, Каспийское, Мраморное и Аральское
моря. Сарматское море сократилось, распадаясь на отдельные
бассейны, при переходе от миоцена к плиоцену. В начале плиоцена
(понтический век) один из бассейнов - Понтический - расширил-
114
ся, покрыв территорию до Карабогаза и Новочеркасска до
Мраморного моря. В конце понтического века Понтическое море
распалось на два бассейна: Арало-Каспийский и Черноморский.
Понтическое море не распространялось севернее современного
Каспия.
Л.С. Берг (1949 г.) полагал, что в историческое время
существенных изменений уровня Каспийского моря не происходило.
Начиная с 30-х годов и до 1941 г. происходит довольно резкое
поднятие уровня Каспийского моря. В 1941-1944 гг. уровень
Каспия был постоянным или несколько повышался (Владыченский,
1955). С 1978 г. уровень Каспийского моря, как считают многие
исследователи, повышается. В 1991 г. уровень моря поднялся на
30 см. Поднятие Каспийского моря оказывает существенное
влияние на структуру почвенного покрова в дельте, усиливает
процессы затопления, подтопления и засоления.
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Основными водными магистралями в пойме являются Волга
и Ахтуба, в дельте Бузан, Болда, Табола, Старая Волга, Бахте-
мир. Эти основные русла соединены множеством более мелких
протоков, разделяющих пойму и дельту на отдельные острова. В
дельте протоки занимают 9,5% территории, по мере
приближения к морю крупные протоки дробятся на более мелкие. Уклон
Волги к устью уменьшается. Годовой сток Волги
приблизительно равен 250 км3.
Весьма важным периодом в жизни Волго-Ахтубинской
поймы является паводок, оказывающий существенное влияние на
рельеф, почвы и растительность долины. На Волге подъем воды
осуществляется в три периода. Первый, наибольший - весенний,
причиной его является снеготаяние. Второй - осенний, связан с
дождями, выпадающими в бассейне Волги. Третий - период
ледостава. Эти три волны заметны у Волгограда, к югу их
выраженность уменьшается. У морского края дельты заметна только
весенняя волна.
Большое влияние на почвенные процессы оказывает
отлагаемый паводком наилок, мощность его около 1-2 мм. Главную
массу солей в волжской воде представляет бикарбонат кальция.
Количество взвешенных веществ достигает максимума в
половодье (206-390 мг/л) и минимально в январе (3,7 мг/л).
Грунтовые воды залегают неглубоко. Глубина залегания
грунтовых вод уменьшается к югу, достигая в центральной
части 2-4 м, в приморской 1-2 м, а в зоне придельтовых
ильменей 1-7 м.
775
Степень минерализации грунтовых вод возрастает с севера
на юг. Минерализация грунтовых вод резко возрастает в случае
контакта их с засоленными каспийскими отложениями.
Наблюдается повышение минерализации грунтовых вод при их
подъеме, что, вероятно, связано с прохождением грунтовой водой
горизонтов, содержащих соли, и растворением этих солей.
КЛИМАТ
Ежегодно повторяющийся подъем полых вод, поступающих
из более холодных районов, обилие открытых водных потоков,
неглубокое залегание грунтовых вод умеряют знойный климат
дельты, уменьшая амплитуду колебаний температуры и
увеличивая влажность воздуха в районе дельты по сравнению с
полупустынным климатом окружающих пространств.
Климат Северного Прикаспия по сравнению с другими
районами Европейской части России более континентальный. Сухая
и жаркая весна сменяется знойным и сухим летом со средней
температурой июля 24-26,5° С. Зима сравнительно холодная и
малоснежная. Продолжительность безморозного периода близ
Астрахани составляет 192 дня. Сумма температур за безморозный
период составляет для г. Астрахани 3500°С. Календарные сезоны
года по длительности не соответствуют синоптическим сезонам:
зима и весна короткие, а лето и осень продолжительные.
Количество выпадающих осадков в районах дельты малое -
160-180 мм, наибольшее из них приходится на осень.
Характерной особенностью климата дельты является весьма высокая
испаряемость, превышающая в 4-6 раз количество выпадающих
осадков и достигающая 1000 мм. Кроме высоких температур,
повышенной испаряемости способствуют сильные ветры. В
периоды засухи продолжительные ветры западного и восточного
направлений нередко имеют характер "суховеев" и, как правило,
сопровождаются пыльными бурями. Снежный покров в зимний
период часто отсутствует. Толщина льда обычно составляет
30-40 см, в отдельные годы - до 70 см. Суровые зимы
чередуются с мягкими; вероятность наступления мягких зим 17-20%. Для
района дельты характерно высокое барометрическое давление
во все времена года.
РАСТИТЕЛЬНОСТЬ
В дельте р. Волги условия формирования и развития
растительного покрова обусловлены в основном режимом заливания
территории полыми и морскими водами. Длительное и позднее
116
половодье, наступающее в период, когда большинство видов
растений уже начали развиваться, а зачастую уже успели дать
значительную наземную вегетативную массу, чрезвычайно
обедняет флору дельты, ограничивая подбор растений видами,
выносящими длительное весенне-летнее затопление.
Другая особенность условий дельты - резкая переменность
увлажнения (от заливания водами до сильного иссушения почв
в условиях аридного климата), особенно сильно
проявляющаяся на повышенных элементах рельефа. В подборе видов,
формирующих растительность дельты, значительную роль играет
отложение песчано-глинистых наносов, приносимых
паводковыми водами.
Таким образом, подбор видов растений в дельте обусловлен
их устойчивостью к трем факторам: поемности (затоплению),
переменности увлажнения, наносности (аллювиальности).
Растительный покров поймы и дельты представлен луговыми,
лесными и в небольшой степени степными ассоциациями.
Распределение растительных ассоциаций закономерно связано с возрастом
территории. При обмелении водоемов поселяются водные
ассоциации, которые в настоящее время распространены на морском
крае дельты. Представителями этой растительности являются
чилим (Trapa astrachanica), рдесты (Potamogeton), водяной
папоротник (Salvinia natans), нимфейник (Zymnanthemum nymphoides)
и др. Задерживая наносы, эти растения способствуют
образованию мели. На участках формирующейся суши, заболоченных
частях островов господствуют болотные ассоциации - тростник
(Phragmites communic), камыш (Scirpus), рогоз (Typha angustifolia),
сусак (Butomus umbellatus), ежеголовник (Tparganium ramosum),
стрелолист (Sagittaria sagittifolia). Большое участие принимает
ива, она сохраняется на прирусловых элементах островов,
окаймляя их более или менее широким бордюром. Ива часто является
пионером наземной растительности, появляясь на отмели еще в
то время, когда она значительную часть года находится под
водой. Ивовая ассоциация обычно сменяется рогозовой и тростни-
ково-рогозовой. Болотная растительность отлагает мощный
слой остатков (10-15 см).
Большая часть территории дельты и поймы покрыта
луговыми ассоциациями. Здесь встречается луговое разнотравье:
дербенник, молочай, спаржа, солодка, осока. Луговая
растительность поймы (за исключением дельты) напоминает
среднерусскую, где преобладают осока, злаки, разнотравье.
Заливные земли дельты подразделяют на остепненные,
настоящие и болотистые луга. Они тяготеют соответственно к
условиям высокой (2-3 м над меженью), средней (1-2 м) и низкой
117
(до 1 м) поймы. Характерно для дельты также наличие галофит-
ных лугов.
Остепненные луга занимают высокие прирусловые и внутри-
островные гривы и подножия немногочисленных бэровских
бугров. Распространены остепненные луга чаще в верхней части
дельты, реже - в средней и незначительно - в нижней дельте.
Остепненные луга затапливаются полыми водами на короткие
сроки и лишь в годы высоких половодий. Растительность этих лугов
образуют сообщества мятлика узколистного, свинороя
пальчатого, солодки горькой, полыни австрийской, кермека Гмелина,
лапчатки двувильчатой. Солодка горькая и лапчатка двувильча-
тая - ценные лекарственные растения, их заросли нуждаются в
контроле, рациональном использовании и охране. При
чрезмерной пастбищной нагрузке травы изреживаются, и начинают
господствовать осока ранняя, костер кровельный и другие
эфемеры. Нерациональный выпас по сырому, непросохшему лугу
вызывает образование кочковатости и зарастание территории
дурнишником (Xanthium strumarium).
Настоящие луга занимают обширные равнинные площади
дельты. Растительность настоящих лугов представлена пыреем
ползучим, вейником наземным, костром безостым, лисохвостом
луговым, зубровкой пахучей и др. В составе растительных
сообществ встречаются девясил британский, донник лекарственный,
дербенник иволистный, алтей лекарственный, ластовень острый,
живокость, тростник южный и др.
Настоящие луга высокодинамичны. Выкашиваемые в
течение 2-3 маловодных лет вейниковые луга замещаются пырейны-
ми, пырейные - солончаковыми с прибрежницей солончаковой,
сведами, солеросом.
Выпас скота на луговых угодьях приводит к увеличению
количества непоедаемых трав.
Болотистые луга образуются на длительно затапливаемых
участках территории низменной дельты. В основном они
распространены в приморской части дельты. К болотистым лугам
относятся сообщества с преобладанием тростника южного, рогоза,
узколистного, канареечника тростниковидного, клубнекамыша
морского, ситняга болотного, осоки заостренной, ежеголовника,
манника водного и др. Наибольшую площадь занимают
тростниковые луга, где доминирует тростник южный.
Ботанический состав и урожайность тростниковых
болотистых лугов зависит от длительности их затопления.
Тростниковые луга также используются под сенокосы и
пастбища. Выкашиваемые в фазу вегетации до колошения они
дают около 5 т качественного сена с 1 га. В южной части дельты
118
образуется сплошной тростниковый пояс, на юге он доходит до
морского края дельты, на севере граничит с настоящими лугами,
пастбищами, пашней, рисовыми чеками. Протяженность
тростникового пояса составляет около 200 км, ширина не превышает
15 км. Тростниковые крепи пересекает сеть протоков, по
берегам которых тянутся узкие ленты ивовых лесов. Со стороны
моря в тростниковый пояс вклиниваются морские заливы с
обильной водной растительностью.
Галофитные луга дельты образованы на луговых
солончаковых почвах обычно сообществами прибрежницы
солончаковой со значительным участием или доминированием клубнека-
мыша морского, а также пятен солончаковой растительности
(солерос европейский, сведы).
Луга эти в целом тяготеют к тем пространствам дельты,
которые занимают обширные плоские блюдцевидные понижения и
прочие, слабо дренируемые участки.
Леса и кустарники в дельте занимают около 32 000 га.
Естественные леса имеют обедненный видовой состав и образованы
ивой белой, тополем черным, лохом узколистным, тамариксом
многоветвистым и джузгуном. Наиболее распространены
ивовые леса, занимающие прирусловые участки островов дельты и
русловые косы на площади около 20 000 га. В настоящее время
более 90% площади ивовых лесов расположено на островах
низовьев дельты. В прошлом леса занимали в дельте большие
площади, но были почти полностью сведены к началу текущего
века в результате тростниковых пожаров и вырубок.
Прирусловые леса имеют большое водоохранное значение,
способствуют отложению наносов, обладают противоэрозион-
ными свойствами, препятствуя размыву берегов. Велико и сани-
тарно-оздоровительное значение ивовых лесов.
почвы
Почвообразование в Волго-Ахтубинской пойме и дельте
р. Волги осуществляется в условиях сложного взаимодействия
речной и грунтовой воды, в тесной связи с формированием
рельефа, отложением аллювия и развитием растительности.
Характерная для почвообразовательного процесса
прерывистость объясняется ежегодным затоплением поймы и дельты
паводковыми водами и отложением аллювия. Повышение уровня
поймы и дельты за счет отложения аллювиальных наносов и
выход ее из зоны заливания приводит к остепнению, а в условиях
подпитки грунтовыми водами - к засолению почв (Айдаров,
1985, 1995).
119
Влияние рельефа сказывается на мощности и развитии
почвенного профиля, механическом составе, солевом и водном
режиме почв. В связи с этим почвенный покров поймы и дельты
характеризуется большим разнообразием и пестротой. Здесь
встречаются различные стадии и варианты
почвообразовательного процесса - от аллювиальных наносов, не затронутых еще
процессом почвообразования, до хорошо сформированных почв
лугового и пустынно-степного типов.
В дельте р. Волги, по данным Астраханского филиала
института "Южгипрозем", преобладают следующие почвы: маршевые
слабозадернованные, аллювиальные лугово-болотные,
аллювиальные луговые насыщенные засоленные, аллювиальные
дерновые насыщенные, аллювиальные дерновые насыщенные
засоленные, аллювиально-луговые слитые, луговые, луговые
засоленные, бурые, бурые засоленные.
Для почв поймы и дельты р. Волги характерно наличие
признаков оглеения. Значительная часть территории занята
слитыми почвами, у которых весь профиль или его часть
имеют особенно плотное "слитое" сложение и высокую связность
почвенного материала. Характерны также зернисто-глыби-
стая структура, образование трещин в сухое время года и
глинистый механический состав. Важнейшим условием
образования слитости почв является наличие четко выраженной
дифференциации влажного и сухого периодов и монтмориллонито-
вый состав глин.
Широко распространено засоление почв на этой территории,
на основании оценки которого почвы классифицируют по
глубине залегания водорастворимых солей и степени засоления.
Засоление почв Волжской дельты обусловлено как естественными
причинами, так и антропогенным воздействием -
использованием почв в орошаемом земледелии, строительством плотин,
водохранилищ, самоподтоплением населенных пунктов.
ИСТОРИЯ ОСВОЕНИЯ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ПОЙМЫ И ДЕЛЬТЫ РЕКИ ВОЛГИ '
Интенсивное вторжение человека в дельтовые биогеоценозы
началось в годы коллективизации. В отличие от долин Кубани,
Куры, где осуществлено сплошное обвалование, в Волго-Ахту-
бинской пойме и дельте использовалось исключительно
обвалование отдельных массивов (Владыченский, 1955). В 50-е годы
под пашней находилось около 5% территории. Значительная
часть дельты была занята заливными сенокосами и ежегодно
затапливалась паводками.
120
В настоящее время (на 1990 г.) среди сельскохозяйственных
угодий пашня занимает 385,6 тыс. га (7% общей площади и 11%
площади сельскохозяйственных угодий); многолетние
насаждения - 2,3 тыс. га, сенокосы - 398,6 тыс.га (7,5 и 12%
соответственно), пастбища - 2605,1 тыс. га (49 и 77% соответственно).
В Астраханской области широкое развитие получило
орошаемое земледелие. На каждого жителя Астраханской области
приходится 0,4 га пашни, из них 0,24 га - орошаемой. Площадь
мелиоративных систем в области составляет около 238,5 тыс. га.
Основные площади мелиорированных земель сосредоточены в
пойме и дельте р. Волги.
Значительная часть территории используется под пастбища.
По материалам аэрокосмических съемок, площадь
деградированных пастбищ и подвижных песков в Астраханской области
составляет 1296 тыс. га, из них подвижных песков - 250 тыс. га.
Причинами деградации пастбищных экосистем являются
перевыпас, техногенные воздействия, кочевое земледелие,
недостаточные объемы рекультивации нарушенных земель.
За последние 10 лет значительно (на 25-50%) сократились
площади сенокосных угодий. Одновременно сокращаются
площади лесных угодий (на 23%). В то же время возрастают
площади орошаемых земель, пастбищ, земель под водой и нарушенных
земель.
Орошение пашни привело к снижению плодородия почв.
Только 20% орошаемой пашни имеют удовлетворительное
содержание гумуса, 80% пашни имеют низкое или очень низкое
содержание гумуса. По данным Астраханской станции химизации,
очень низкое содержание гумуса имеют 34,6% пашни, низкое
содержание - 32,8%, среднее - 17,2%, повышенное - 12,5%,
высокое - 2,9%.
Отмечается ухудшение технического состояния оросительных
систем. Длительное время в области практиковалось
строительство технически несовременных оросительных систем.
Строительство оросительных каналов велось без облицовки, что в
результате интенсивной фильтрации привело к заболачиванию и выходу из
оборота значительных площадей сельскохозяйственных угодий
приканальных зон. По этой причине в Астраханской области
ежегодно не используется свыше 10% орошаемой пашни.
В пойме и дельте р. Волги в результате подтопления и
снижения антропогенных нагрузок значительных размеров достигли
зарастания сельскохозяйственных угодий кустарниковой
растительностью. Повсеместно на затапливаемых паводковыми
водами сенокосах и пастбищах появились заросли лоха серебристого,
тамарикса и других кустарников.
121
В Астраханской области довольно широко развиты процессы
затопления и подтопления земель. Это связано с тем, что
значительные площади на территории области занимают
систематически увлажняемые речным стоком земли поймы и дельты р.
Волги. Паводковыми водами с середины апреля до середины августа
затапливается около 80% этой территории.
С 90-х годов в дельте Волги наблюдаются интенсивные
процессы затопления и подтопления земель, связанные с подъемом
уровня Каспийского моря. Подтоплению и затоплению
подвержены расположенные в прибрежной зоне пахотные земли,
сенокосы, пастбища, населенные пункты, промышленные
предприятия и другие объекты.
В отличие от режима затопления, имеющего нередко
непостоянный характер (за исключением приморской зоны),
подтопление земель имеет более стабильный режим и распространено
повсеместно в районах размещения мелиоративных систем.
Причем с увеличением площади орошаемых массивов на фоне
недостаточной дренированности территории наблюдается устойчивая
тенденция повышения уровня грунтовых вод до 0,5 м в год.
Общая зона подтопления земель в дельте р. Волги в пределах
территории Астраханской области составляла на 1991 г. 108 тыс. га.
Площадь подтапливаемых земель за 12 лет (с 1980 по 1991 г.)
увеличилась на 36 тыс. га, или 50%. Средняя скорость развития
подтопления примерно 3 тыс. га земель в год. По состоянию на 1
января 1994 г. (по сравнению с 1985 г.) площадь орошаемых
земель в Астраханской области уменьшилась на 5,2 тыс. га (в том
числе пашня - на 2,4 тыс. га, многолетние насаждения - на
1,1 тыс. га, пастбища - на 1,7 тыс. га).
Проведения неотложных работ по реконструкции требуют
оросительные системы на площади 95,8 тыс. га, что составляет
45% общего количества мелиорированных земель (данные
Астраханского предприятия ЮжНИИгипрозема).
По мнению сотрудников ЮжНИИгипрозема, в целях
получения достоверных данных о состоянии земель и развитии
негативных процессов необходимо систематическое проведение
мониторинга земель по следующим показателям: почвенное
плодородие, потери гумуса; водная и ветровая эрозии; засоление земель;
заболачивание; зарастание сельскохозяйственных угодий
кустарником; загрязнение почв пестицидами, другими токсикантами и
радионуклидами; состояние береговой линии Каспийского моря;
размеры и динамика затопления поймы и дельты р. Волги;
подтопление населенных пунктов (паводковыми водами,
грунтовыми водами, близлежащими орошаемыми участками, в результате
самоподтопления).
722
При соответствующей организации систематического
мониторинга земель возможно получение своевременной и
достоверной информации и предотвращение развития негативных
процессов, влияющих на состояние земельного фонда области.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАННЫХ УЧАСТКОВ
В целях опробования методов вертикального электрического
зондирования и непрерывного электропрофилирования для
проведения систематического мониторинга процессов подтопления
и засоления земель нами была предпринята попытка
исследования земель Астраханской области.
Работа проводилась на двух участках - "Таболинском" и
"Гандуринском" Камызякского района.
Участок "Таболинский" расположен около р. Табола на
территории ВНИИООиБ. Он обвалован и используется в орошаемом
овощеводстве и бахчеводстве. Выращиваются следующие
культуры: томаты, баклажаны, картофель, кукуруза, подсолнечник и
различные бахчевые и кормовые культуры. В основном
распространены аллювиальные слоистые дерновые тяжелосуглинистые
почвы с различной степенью засоления: незаселенных разностей
40,7%, слабозасоленных 50,5%, среднезасоленных 6,1%.
"Гандуринский" участок расположен на 60 км южнее, ближе
к берегу Каспийского моря, среди многочисленных проток и
рукавов. Участок используется в основном под сенокосы и
пастбища, его отличает широкое распространение засоленных почв,
незаселенные и слабозасоленные разности практически
отсутствуют; аллювиально-дерновые среднезасоленные занимают 43,2%,
сильнозасоленные - 11,7%, солончаки - 45,1%.
На исследуемых участках параллельно с электрофизической
съемкой измеряли уровень грунтовых вод в стационарных
колодцах с обсадными металлическими трубами, отбирали
образцы для определения влажности и химизма засоления.
Исследования подтвердили применимость методов полевой
электрофизики как в полевых, так и в городских условиях.
5.1. ПОЧВЕННО-МЕЛИОРАТИВНОЕ
КАРТИРОВАНИЕ И ОБСЛЕДОВАНИЕ
ПОЧВ В АРИДНОЙ ЗОНЕ
Основополагающие работы почвенно-мелиоративного
обследования почв проведены в дельте р. Волги и собственно в
самом городе Астрахани полевыми методами ВЭЗ и НЭП.
123
Были обследованы два стационара-полигона, резко
различные по почвенным свойствам, Таболинский (участок с
орошаемым и богарным земледелием ВНИИООиБ, почвы
незаселенные или слабозасоленные) и Гандуринский (сильнозасоленные
почвы и солончаки).
5.1.1. Определение уровней залегания грунтовых вод
и процессов подтопления методами
ВЭЗ и НЭП Таболинского и Гандуринского
полигонов
Результаты обследования залегания грунтовых вод на Табо-
линском и Гандуринском полигонах Камызякского района
Астраханской области методом ВЭЗ показали вполне достаточную
для практических целей сходимость уровней залегания
грунтовых вод, определенных непосредственным наблюдением в
скважинах и рассчитанных по результатам измерений ВЭЗ.
Графики ВЗЭ почв Таболинского участка представляют
собой двухслойные кривые, т.е. по кривой ВЗЭ выделяется
верхний достаточно иссушенный слой почвы, влажность которого
нарастает с глубиной (рис. 5.1, а). Сопротивление этого слоя
обычно от 20 до 200 Омм. Причем независимо от того, что этот слой
и подстилающий его слой являются в текстурном отношении
неоднородными, фактор увлажнения и засоления перекрывает эти
неоднородности, создавая двухслойный профиль (рис. 5.1, а).
Если первый слой, как уже отмечалось, иссушен, то нижняя
его граница является уровнем грунтовой воды.
В большинстве случаев грунтовая вода также в значительной
степени засолена и ее сопротивление меньше 10 Омм, а при
сильном засолении - 3-5 Омм и даже ниже в зависимости от
степени засоления. Поэтому глубина залегания грунтовой воды в
таких случаях определяется четко.
Наименьшее сопротивление в пределах кривой ВЭЗ,
достигнутое на том или ином разносе, показывает глубину залегания
грунтовой воды. Как видно на рис. 5.1, я, эти полуразносы
различны в зависимости от глубины залегания грунтовой воды. И в
этом случае уже в полевых условиях можно говорить об
относительно глубоком или высоком залегании грунтовых вод,
используя известные, хотя и приблизительные, коэффициенты
перехода от полуразноса, на котором достигается наименьшее
сопротивление ВЭЗ, к глубине залегания воды, т.е.: УГВ = 0,3 (АВ/2) Rmin.
Поэтому уже в поле в большинстве случаев давался прогноз
залегания грунтовой воды, степени ее засоления или степени за-
124
/?, Омм
1001-
50 U • Грунтовая вода
20 к
0,1 1,0 10,0 АД/2,м
Я, О
300
30
3
0
мм
1\и^иМ\^Аг* >*><1Шугу
скв. 47 А
200
Л Л. аЛ л а кКкг
J\JwW^
i скв. 44, 45
¦ i i
400 600
и^
W" '
Расстояние, м
о 4
s
к
О)
I 3
00 о
0
>> = 4,2462е-1'2709дг
г = 0,915
tf * # 1
10
15
—J /?, Омм
20
Рис. 5.1. Характерные кривые ВЭЗ Таболинского стационара
(Прикаспийская низменность) при обнаружении грунтовой воды на разных
глубинах
а - примеры кривых ВЭЗ; б - регистограммы НЭП; в - зависимости
засоления и электрического сопротивления
соления самой почвы и глубины максимального скопления солей
(разрезы 1, 3, 4, 5, 8, 9 и кусты скважин 5, 6, 7, 3).
В большинстве случаев такой прогноз согласовался с
прямыми наблюдениями в скважинах. Некоторые расхождения в
наблюдениях грунтовых вод в ряде случаев обусловливались при-
125
чинами технического характера. Старые и ржавые обсадные
трубы и давность их эксплуатации привели к тому, что различия
в глубине залегания грунтовой воды в пределах куста
составляют 50-100 см. Уровень почвы у куста скважин всегда расположен
на 0,3-0,5 м выше поверхности всего поля, что произошло из-за
регулярного опахивания скважин.
Возможны, конечно, и причины недостаточно точного
измерения ВЭЗ - всего один случай на 15 точек обследования, где
сильная иссушенность и, главное, разрыхленность пахотного слоя не
позволили достаточно корректно провести зондирование.
Особого внимания заслуживает ВЭЗ у разреза 2 (куст 4), где
глубина залегания грунтовой воды за два дня до проведения ВЭЗ
была равна 100-130 см. По измерениям ВЭЗ она находится на
глубине 58 см. Причина видится в проводимом на этом поле
поливе напуском. Попытка на другой день провести повторные
измерения ВЭЗ оказалась невозможной, так как вода была уже на
поверхности почвы.
Заметим, что другое ВЭЗ, которое провели в 40 м от
поливочной канавы, заполненной водой, при интерпретации данных
выявило глубину залегания грунтовых вод до 129 см. Этот факт
свидетельствует о том, какие динамические моменты в
изменении УГВ и влажности можно оценивать ВЭЗ, а следовательно,
даже следить за быстро идущими процессами подтопления и
затопления.
Наиболее ярко процесс подтопления напуском воды при
поливе идентифицируется методом НЭП (рис. 5.1, б).
Сопротивление, измеренное методом НЭП вдоль поля, где расположен
разрез 2, показывает, что часть поля иссушена (скв. 45, 44), а часть
(скв. 47А, 67) находится в подтоплении, причем засоленной
грунтовой водой (см. рис. 5.1, б), о чем свидетельствует
сопротивление R < 3 Омм как на разносе 9 м (глубина обследования 1 м), так
и на разносе 16 м (глубина 2 м).
Аналогичная ситуация наблюдалась при работе на поле
дождевальной поливной техники (разрез 9), где сопротивления, по
данным НЭП, даже метровой толщи (разнос 9 м), увлажненной
лишь с поверхности, всегда ниже, чем почвы, не подвергавшейся
поливу. В случае отсутствия поливов или других факторов,
изменяющих влажность в пределах поля, фиксируется естественная
неоднородность свойств.
Автоматизированная компьютерная интерпретация данных
ВЭЗ показала достаточно хорошую сходимость реальных
уровней залегания грунтовых вод и уровней грунтовых вод,
определенных этим методом. Исключением явилось лишь ВЭЗ у
разреза 6, где интерпретация данных по необъяснимым, с нашей точ-
126
ки зрения, причинам дает глубину залегания, резко отличную от
наблюдаемой. Интересный результат получен также для 5-го
разреза (куст 3), здесь в единственном случае выделяются два
слоя (88 и 285 см) грунтовой воды.
Относительная ошибка определения уровня залегания
грунтовой воды методом ВЭЗ составила от 7 до 70%, причем
заметим, что ошибку в 40-70% следует отнести к ошибкам прямого
наблюдения за грунтовой водой, о которых говорилось ранее
(расхождение УГВ в пределах куста и опахивание куста
скважин). Коэффициент пересчета координат ABI2 перегиба кривой
ВЭЗ, характеризующей УГВ относительно реальной глубины ее
залегания, для почв дельты р. Волги составляет 0,287.
Таким образом, для определения глубины залегания
грунтовой воды необходимо определение точки перегиба кривой ВЭЗ,
при этом не следует обращать внимания на абсолютные
значения сопротивления.
Исследования методами ВЭЗ и НЭП Гандуринского
стационара, где в большей степени распространены сильнозасоленные
почвы и злостные солончаки, не выявили возможности
определения глубин залегания грунтовых вод этими методами для таких
почв. Во-первых, в солончаках тяжелого механического состава
уровень грунтовой воды, даже находясь на глубине около 1 м,
обеспечивает капиллярный подъем, при котором увлажняется
вся почвенная толща над грунтовой водой. Во-вторых, почвы
настолько засолены, что изменение сопротивления укладывается в
диапазон от 3 до 8 Омм, что явно недостаточно для выделения
слоев почв (рис. 5.1, в).
Важно, что в случае небольшого уменьшения засоления и,
следовательно, увеличения сопротивления в верхней части
почвенного профиля интерпретация данных ВЭЗ дает приемлемые
глубины залегания грунтовых вод. Ошибка измерений в данном
случае также не превышает ошибки измерений на Таболинском
полигоне.
Метод НЭП отражает общую высокую засоленность почв
этих массивов.
5.1.2. Исследования глубин залегания грунтовых вод
и процессов подтопления методами ВЭЗ и НЭП в г. Астрахани
С целью оценки возможности применения методов
сопротивления в сложных городских условиях, где существуют
различные препятствия (коммуникации, металлические трубы,
асфальтное покрытие и т.п.) для использования
электрофизических методов, были проведены измерения ВЭЗ и НЭП вдоль
127
/?, Омм
120
80
40
0
r^jT 2 \
" ^L.^5 \" "
, ^ *
A
^-_^^.
0,1
1,0
10,0
АВ/2,м
R, Омм
Подтоплено
Расстояние, м
Рис. 5.2. Кривые ВЭЗ (а) и регистограммы НЭП (б) залегания
грунтовых вод в г. Астрахани при разных уровнях подтопления
1-5 - точки наблюдения по ул. Советской
ул. Советской города Астрахани. Методом ВЭЗ, при котором с
почвой необходим гальванический контакт, измерения
проводились в основном в парках, скверах или на газонных
площадках. Результаты, на наш взгляд, положительные и
впечатляющие. Даже беглый взгляд на кривые ВЭЗ, полученные в
результате измерения вдоль ул. Советской, показывает резкое
изменение обстановки подтопления (залегания грунтовых вод)
на разных участках начиная с ул. М. Аладьина.
Автоматическая компьютерная интерпретация кривых ВЭЗ показала
высокое сопротивление верхних горизонтов и слоев в трех точках
по сравнению с сопротивлением подстилающих пород,
находящихся в зоне действия соленых грунтовых вод. Видно, что
действие подтопления наиболее существенно около сквера на
ул. Калинина.
Три кривые ВЭЗ, полученные в результате измерений в
сквере у Кремля (т. 1-3), на ул. Коммунистической и на
128
ул. М. Аладьина, в верхней части грунтов резко отличаются по
сопротивлению от данных ВЭЗ (т. 4-5) в сквере на ул.
Калинина (гастроном "Каспий").
Уровень залегания грунтовых вод на территории Кремля
около 3,8 м, в сквере с памятником Пушкину - 1,85 м, на
ул. М. Аладьина - 1,43 м, в верхней части сквера на ул.
Калинина грунтовая вода находится на глубине 1,23 м, в нижней части -
1,04 м, а у гастронома "Каспий" - 0,8 м (рис. 5.2, а). К сожалению,
не было возможности сверить все эти результаты с данными
прямых наблюдений грунтовых вод, но они явно согласуются с теми
неполными сведениями, которые нам известны, и не
противоречат здравому смыслу.
Более того, проведенные измерения методом НЭП вдоль
ул. Советской на асфальтном покрытии проезжей части дали
согласующиеся с ВЭЗ результаты. Участок ул. Советской от
Кремля и до ул. М. Аладьина находится вне зоны подтопления
(грунтовые воды ниже 3 м в парке у Кремля и около 2 м под
асфальтным покрытием у парка).
От ул. Коммунистической (включая ул. Кирова и ул.
Володарского) подтопление не наблюдается, о чем свидетельствует
высокое сопротивление - порядка 2000-3000 Омм, но с этой
улицы и начинается влияние подтопления - величина сопротивления
резко падает до 30 Омм (рис. 5.2, б).
За ул. Коммунистической начинается поднятие грунтовых
вод с 2 до 1 м, что выражается в снижении сопротивления до
150-200 Омм. Ситуация локально изменяется в районе
Драматического театра. Причем, что важно, пик кривых НЭП четко
ограничивает его расположение. По-видимому, сказывается
влияние недавно построенного лучевого дренажа. Однако заметим,
что территория, окружающая Драматический театр, все равно
подтапливается примерно до 1-1,2 м.
Далее, от ул. М. Аладьина до площади у гастронома "Каспий"
начинается резкое нарастание подтопления. Причем на самой
площади встречаются локальные понижения грунтовых вод
(резкие пики повышения сопротивления до 1500-2500 Омм
свидетельствуют о незаполненных водой коммуникациях дренажных
систем). В сквере у гастронома "Каспий" грунтовые воды
находятся на глубине 0,8-0,9 м.
В подтоплении (грунтовые воды на глубине 0,8 м и выше)
находится ул. 3-я Интернациональная, о чем однозначно
свидетельствует сопротивление 3-30 Омм на разносе, обеспечивающем
глубину исследования 0,7-0,8 м. Пики увеличения
сопротивления, измеренного на этой улице, могут констатировать наличие
локальных дренажных систем и коммуникаций.
9 Поздняков А. И
129
При проведении непрерывного электрического
профилирования на разносах, обеспечивающих глубину исследования до
2,5-3,0 м, отмечено, что по всему профилю грунтовые или
сточные воды находятся выше 2 м, хотя под сквером у Кремля
грунтовые воды глубже 3-4 м.
Отметим, что методом ВЭЗ и НЭП легко идентифицируется
и степень засоленности грунтовой воды, что представляется
весьма важным для выделения тех районов и зон города, где
засоленность воды весьма высока и грунтовые воды находятся
близко к поверхности, а следовательно, возрастает не только
опасность их подтопления и затопления, но и опасность
разрушения фундаментов и самих домов кирпичной кладки.
Применение методов сопротивления (ВЭЗ, а особенно НЭП)
в городских условиях позволяет детально выделить такие зоны,
которые абсолютно невозможно определить с помощью
классических методов.
Детальное установление зон подтопления сильнозасолен-
ными водами позволит в первую очередь отметить районы
города, конкретные участки и дома, нуждающиеся в
реконструкции и спасении, так как изменения уровня грунтовых вод и их
засоленности могут меняться даже в пределах нескольких
десятков метров.
При составлении крупномасштабных почвенно-мелиоратив-
ных карт необходимо обращать особое внимание на причины и
степень засоления почв, уровень залегания грунтовых вод и их
минерализацию.
5.2. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ЗАСОЛЕНИЯ ПОЧВ
МЕТОДАМИ ВЭЗ И НЭП
При оценке степени засоления почв важны именно
абсолютные значения сопротивления. Проанализировав данные
послойных определений плотного остатка различных почв Гандурин-
ского и Таболинского участков и результаты интерпретации
ВЭЗ (выделение слоев с характерными для них значениями
сопротивления), следует отметить, что увеличение содержания
легкорастворимых солей закономерно приводит к снижению
сопротивления. Зависимость сопротивления, измеренного методом
ВЭЗ и проинтерпретированного по слоям, от плотного остатка
аллювиальных почв дельты р. Волги различной степени
засоления носит экспоненциальный или степенной характер.
Коэффициент корреляции для экспоненциальной зависимости равен
0,609, для степенной - 0,673. Коэффициенты корреляции
130
верны, а различия между ними незначимы:
R = ЛехрНЮ], А = 44,9 + 8,6, к = 1,15 + 0,73;
/? = ASHfc], Л = 32,3 + 0,058, к = 0,362 + 0,004.
Несмотря на то что сопротивление измерялось в
естественных условиях на почвах с разным увлажнением, механическим
составом и различными свойствами методом зондирования (т.е.
измерялось кажущееся сопротивление, представляющее собой
суммарное сопротивление слоя), результаты достаточно хорошо
отражают наличие экспоненциальной зависимости между
сопротивлением и плотным остатком. Вероятно, при измерении
сопротивления четырехэлектродным датчиком непосредственно в
слое по стенке разреза (т.е. истинного сопротивления)
зависимость была бы более четкой. Но и в случае метода ВЭЗ данные
отражают принципиальную возможность диагностики степени
засоления почв дельты р. Волги по абсолютным значениям
сопротивления, измеренного в естественных условиях.
По полученным результатам можно сделать заключение, что
величине плотного остатка > 0,3-0,5% соответствует
сопротивление < 10 Омм, плотный остаток > 1% снижает сопротивление
до 3 Омм и ниже. Особенно четко эта зависимость проявляется
для глубинных увлажненных горизонтов. Засоление, накладыва-
ясь на фактор увлажнения, осложняет картину распределения
сопротивления по профилю почвы. В случаях слабого и среднего
засоления с достаточной степенью точности можно определить
глубину залегания грунтовых вод по точке перегиба кривых ВЭЗ
и оценить засоление по абсолютным значениям сопротивления
на разных глубинах. В случае сильнозасоленных почв и
особенно солончаков кривые ВЭЗ обычно не дифференцированы по
профилю, а значения сопротивления изменяются в небольшом
диапазоне. Такие значения обусловливаются как большим
естественным засолением, так и увлажнением.
Величины плотного остатка варьируют от 0,9 до 5 и даже 9%
(левая ветвь экспоненциальной кривой), обусловливая
изменение сопротивления в диапазоне от 1 до 5 Омм, что явно
недостаточно для выделения слоев почв (см. рис. 5.1, в).
Если методом ВЭЗ можно проводить послойные оценки
засоления, то метод НЭП отражает общую засоленность
территории и незаменим для экспрессного крупномасштабного
картирования засоленности почв.
Значение сопротивления, измеренного методом НЭП на
солончаках луговых Гандуринского участка, не превышает
1-2 Омм на разносах 9 и 16 м, обеспечивающих глубину
исследования соответственно 1-1,5 и 2-2,5 м.
131
Исследование методом НЭП незаселенных и слабозасолен-
ных почв Таболинского участка дало в целом большие значения
сопротивления. Все профили НЭП Таболинского участка
показывают сопротивление выше 3 Омм и менее 30 Омм (см. рис.
5.1,5).
Непрерывное электрическое профилирование по профилю
разреза 10 (аллювиальные дерновые темноцветные среднезасо-
ленные почвы) выявило значение сопротивления на разносе 16 м
около 3 Омм. При глубине обследования 1 м (разнос 9 м)
сопротивление составляет 3-30 Омм, кривая НЭП очень изрезана. На
такой глубине на общее значение сопротивления сильное
влияние оказывает верхний (30-40 см) вспаханный и иссушенный
слой почвы. И хотя почва засолена с поверхности, иссушенность
увеличивает сопротивление на поверхности независимо от
степени засоления (см. рис. 5.1, б).
Обратимся вновь к профилю НЭП вдоль поля (разрез 2).
Здесь также видно влияние вспашки и иссушения (скв. 45, 44, 67),
часть поля увлажнена (подтапливается) и слабо засолена
(скв. 47А), сопротивление около 30 Омм. На разносе 16 м
(глубина 2-2,5 м) влияние иссушения и вспашки на кривых НЭП
менее заметно, ход кривых более сглажен, чем при разносе 9 м.
На полях с разрезами 5 и 9, где распространены
аллювиальные дерновые незаселенные почвы, значения сопротивления,
измеренного методом НЭП, варьируют около 30 Омм (см.
рис. 5.1, б).
Таким образом, полевые электрические методы ВЭЗ и НЭП
можно успешно использовать в аридных зонах для оценки
засоления, выделения областей подтопления и определения УГВ.
В аридной зоне на сопротивление почв в естественных
условиях оказывают влияние два фактора: влажность и засоление.
Определение УГВ в конкретной точке необходимо
проводить методом ВЭЗ по точке перегиба кривой сопротивления,
которая разделяет верхнюю иссушенную толщу с максимальными
значениями сопротивления (100-200 Омм) и нижнею
обводненную (сопротивление 10-20 Омм). При плотном остатке 0,5-0,8%
сопротивление нижней, достаточно обводненной толщи около
10 Омм, при плотном остатке больше 1% сопротивление 3 Омм
и ниже. Сопротивление засоленной и иссушенной поверхности
достаточно велико (около 60 Омм). Солончаки луговые сильно
увлажнены и засолены с поверхности и по всей толще, кривые
ВЭЗ не дифференцированы по профилю, значение
сопротивления в них не превышает 1-3 Омм.
Метод НЭП следует использовать для экспрессного
крупномасштабного картирования. По характеру кривых НЭП можно
132
Таблица
Подразделение степени минерализации грунтовых вод
по электрическому сопротивлению
Грунтовые воды
Степень
минерализации, г/л
Удельное
электрическое
сопротивление,
Омм
Пресные < 1 > 50
Слабоминерализованные 1-3 10-30
Среднеминерализованные 3-10 5-10
Сильноминерализованные 10-50 3-5
Очень сильноминерализованные 50-80 < 2
Рассолы > 80 < 1-2
судить об общей засоленности исследуемой территории, глубине
залегания грунтовой воды. Он позволяет точно и детально
выделять зоны подтопления минерализованными водами. Наиболее
информативными в этом случае следует признать разносы 7-9 м,
обеспечивающие глубину зондирования 1-1,5 м.
Оба фактора работают в одном направлении: при
увеличении влажности и засоления снижается сопротивление. Диапазон
варьирования влажности и засоления в естественных сухих
аридных условиях находится в области резкого влияния
сопротивления (левая ветвь экспоненциальной кривой). Грунтовые воды
подразделяются по степени минерализации (легкорастворимым
солям) и удельному электрическому сопротивлению,
представленным в таблице.
Аналогичная картина наблюдается и во влагонасыщенных
засоленных почвах, т.е. для них характерны такие же величины
сопротивления, что свидетельствует о существенном вкладе в
электропроводность водонасыщенной почвы именно засоленной
грунтовой воды.
5.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЧВ
ДЖИЗАКСКОЙ ОБЛАСТИ УЗБЕКИСТАНА
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
В Голодной степи Джизакской области Узбекистана
исследования проводились на целинных сильно иссушенных почвах, а
также на полугидроморфных и гидроморфных старопахотных
сероземах (рис. 5.3).
Резкая иссушенность автоморфных сероземов привела к
тому, что практически по всему профилю сопротивление почв
133
од
0,3
1,2
3,6
7,2
О 2 4 6 8 100
—i—i—r-rib-
2000
4000/?, Омм
—i—
АВ/2, м
АВ/2,м
Рис. 5.3. Кривые ВЭЗ почв Голодной (а) и Джизакской (б) степей
Узбекистана
очень высокое (1000 Омм и более), что не свойственно этим
почвам в увлажненном состоянии.
Сероземно-луговые почвы имеют сопротивление во
влажном состоянии не более 8 Омм, что свидетельствует об их
сильном засолении, поэтому такие почвы можно отнести к
солончакам. В пределах лугово-сероземных почв Джизакской степи в
профиле (от 1-го к 3-му и 4-му разрезу) засоленность возрастает,
а сопротивление увеличивается незначительно в соответствии с
графиками кривых ВЭЗ (рис. 5.3, б).
Такая даже рекогносцировочно-первичная оценка
применения методов электрофизики в крайне засушливых условиях
Узбекистана показала общие закономерности изменения
электрического сопротивления в зависимости от засоленности и
увлажнения почв.
Глава 6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ
ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ
МАЛОПРОДУКТИВНЫХ КАМЕНИСТЫХ
И ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ
При изучении скелетных почв и песков с использованием
методов электрофизики наиболее целесообразно отдать
предпочтение методу вертикального электрического зондирования,
который, как отмечалось выше, позволяет без нарушения
почвенного покрова определять строение почвы с достаточной
точностью. Для этого необходимо выявить особенности строения
скелетных почв и закономерности изменения их сопротивления.
Методом ВЭЗ определяли скелетность и глубину залегания
плотной породы на различных по генезису известняках
(сарматские, известняки-ракушечники), сцементированных галечниках и
мраморовидных известняках. В зависимости от вида
подстилаемой плотной породы или степени ее элювиирования, а также
различного содержания скелетного материала почвы имеют
разные, но высокие величины электрического сопротивления.
Причем в зависимости от глубины плотной породы или
максимального скопления скелета величины полуразносов АВ/2, на
которых достигаются высокие сопротивления, - разные. Сама
величина сопротивления тоже зависит от содержания скелета и
состояния плотной породы, а также ее генезиса.
Известковый ракушечник разной степени элювиирования,
суглинисто-галечниковые отложения разной степени сцементи-
рованности и наконец плотные породы из разнообразных по
происхождению известняков имеют различную величину
электрического сопротивления в силу заведомо различной прочности
связей ионогенных соединений. В совхозе "Евпаторийский" Сак-
ского района проведено ВЭЗ по траншее на черноземах
карбонатных скелетных, подстилаемых известняком-ракушечником.
Аналогичные исследования проведены в совхозе "Авангард"
того же района на черноземах карбонатных, сформированных на
сарматских известняках, и в совхозе "Жемчужный" Кировского
района Крымской области на суглинисто-глинисто-галечнико-
вых отложениях, в разной степени сцементированных (рис. 6.1).
135
О 10 20 30 45
5 0,5 -
го
I
I- 1,0 -
0,3 -
0,9 -
2,4 -
7,2 -
10,0 "
АВ/2, м
Рис. 6.1. Почвенно-электрические профили черноземов карбонатных
скелетных Крыма, сформированных на сарматских известняках (а) и
суглинисто-галечниковых сцементированных отложениях (в)
а, в - реальные траншеи; б, г - электрический профиль траншей
Анализ данных исследования чернозема карбонатного
скелетного плантажированного тяжелосуглинистого на
элювиальных скелетных тяжелосуглинистых карбонатных отложениях,
подстилаемых известняком-ракушечником, на разной глубине
(от 60 до 170 см) показал возможность обнаружения плотной
породы (рис. 6.1, а).
В левой части траншеи, где скелетность в гумусном
горизонте превышает 2-\%, а в нижней части профиля не выше 30%,
сопротивление по всей глубине зондажа порядка 100-150 Омм.
136
Причем в верхней части профиля, вскрытого траншеей, его
величина не больше 40-60 Омм. И лишь на полуразносах (Л В/2)
примерно 360-480 см и более величины сопротивления возрастают
до 100-120 Омм, а затем на еще больших разносах (вплоть до
максимального в 15 м) достигают 170-220 Омм (рис. 6.1, а, б).
Такая картина изменения сопротивления профиля
исследуемых почв наблюдается и на двух последующих точках зондажа,
т.е. разрезах 540-542. И лишь с разреза 543, особенно 544 и далее,
происходит все более интенсивное увеличение сопротивления
вслед за поднятием к поверхности плотной породы сначала на
довольно больших разносах, а затем на меньших. Например, в
точках зондажа, начиная с разреза 548 и вплоть до конца траншеи,
величина сопротивления достигает более 100 Омм уже на
разносе 180 см, тогда как на предыдущей точке зондажа (разрез 547)
эта величина отмечается лишь на АВ/2 = 4,8 м (см. рис. 6.1, я, б).
Если сопротивление составляет 100-300 Омм и выше, то на
почвах это обычно соответствует или достаточно высокой ске-
летности, или наличию в верхней части плотной породы. В самой
монолитной плотной породе, в нашем случае
известняке-ракушечнике, сопротивление может достигать весьма высоких
величин (несколько сотен Омм). Так, в правой части траншеи
величина сопротивления плотной неразрушенной части породы
может достигать 700 Омм. Сопротивление пористой элювиирован-
ной части плиты известняка, которая обнаруживается в траншее
лишь фрагментарно, не превышает 300 Омм. Ноздреватый же
монолитный известняк, хотя и меньшей плотности, имеет
сопротивление до 700 Омм.
Если проанализировать изменение сопротивления на малых
полуразносах, соответствующих гумусированной части профиля,
то можно отметить, что вслед за нарастанием скелетности почвы
до 10-14% увеличивается и сопротивление примерно до
70-75 Омм (см. рис. 6.1, а, б).
Характерные для этой траншеи закономерности в полной
мере проявляются также и на другой траншее (разрезы
571-582), заложенной в совхозе "Евпаторийский". Здесь, так же
как и в предыдущей части траншеи, где не вскрыта плотная
порода, на всю глубину зондажа сопротивление достаточно мало,
не превышает 60-80 Омм, и только на самых больших
полуразносах (10-15 м) оно достигает 150 Омм (рис. 6.1 в, г.) Причем в
гумусовом горизонте в бесскелетной части траншеи, где плотная
порода залегает глубоко и она не вскрыта траншеей,
сопротивление меньше 50 Омм и постепенно возрастает к нижней части
траншеи до 70 Омм вслед за увеличением скелетности до
19-20%.
137
Зона траншеи, в которой плотная порода обнаруживается на
глубине 60-70 см, очерчивается изоомой в 250 Омм, и с глубиной
сопротивление возрастает в общей массе до 700 Омм. На
значительной глубине местами оно достигает 1000 и даже 2000 Омм,
что составляет несколько кОмм. Таким образом, в целом на
этой траншее подтверждаются те особенности и
закономерности, которые получены на предыдущей.
Черноземы карбонатные слабоскелетные
тяжелосуглинистые, сформированные на элювиальных скелетных
тяжелосуглинистых отложениях, подстилаемых сарматскими
известняками, также имеют двухслойное изменение электрического
сопротивления. В верхней части почвенного профиля сопротивление
40-70 Омм, в нижней части профиля оно возрастает до 400 Омм
и даже более.
Величина полуразноса ЛЯ/2, с которого начинается резкое
возрастание сопротивления, характерная для перегиба
двухслойных кривых, различна и повторяет характер изменения глубины
залегания плотной породы.
На предгорных черноземах, сформированных на элюви-
ально-пролювиальных суглинисто-глинисто-галечниковых
отложениях, где сцементированная глиной галька залегает на
глубине примерно 60-90 см, ситуация в изменении
сопротивления значительно отличается от таковой в почвах на
известняках. Величина сопротивления здесь не превышает 100—
150 Омм, причем эта величина присуща сцементированному
глиной галечнику. Гумусированный горизонт, в котором
содержание галечникового скелета находится в пределах
17-25%, имеет сопротивление менее 50 Омм из-за
значительной обогащенности этого материала мелкоземом глинистого
механического состава.
Распределения изоомных линий для этой траншеи и
основных структурных образований, вскрытых ею, хорошо
согласуются друг с другом. Как уже отмечалось, сопротивление
гумусовых горизонтов менее 50 Омм. Сопротивление гальки,
сцементированной глиной на периферийных участках траншеи,
достигает 150 Омм. Центральная часть траншеи, где сосредоточена
несцементированная галька, составляя 30-40% всего объема
материала, имеет сопротивление 50-80 Омм.
Еще одна важная особенность сложения аллювиально-про-
лювиальных отложений на этом объекте исследований
обнаружена с помощью зондажа. Поскольку на больших разносах
сопротивление не превышает 50-70 Омм почти на всех точках
зондажа, то можно было с уверенностью считать, что под галеч-
138
никовым сцементированным материалом залегают суглинистые,
а возможно, и глинистые породы. Проведенные дополнительные
исследования подтвердили это положение.
Детальный анализ характера изменения сопротивления на
изученных объектах вскрывает довольно стабильную картину
сопротивления того или иного типа сложения как по профилю
самого чернозема, так и в подстилающей породе, что
особенно важно.
Для выявления зависимостей удельного электрического
сопротивления от скелетности почв в 1986 г. был обследован
участок миндалевого сада колхоза им. 60-летия Советской Украины
Бахчисарайского района. Почва в саду - чернозем предгорный
карбонатный тяжелосуглинистый плантажированный средне- и
сильноскелетный, сформировавшийся на аллювиально-делюви-
альных суглинисто-галечниковых отложениях, как правило,
сцементированных на глубине 50-80 см известковым материалом и
подстилаемых рыхлым галечником и суглинком (см. рис. 6.1, в, г).
Проведенная компьютерная интерпретация данных ВЭЗ
показала, что почвенный профиль исследуемого участка
подразделяется на три слоя, отличающихся по электрическому
сопротивлению.
Первый слой, покрывающий, имеет сопротивление в
пределах 50-90 Омм, что обусловлено его мощностью (определяемой
на основе количественной интерпретации результатов
зондирования по специальной программе), которая колеблется от 11 до
36 см, что соответствует верхней и средней части плантажного
горизонта.
Большая часть кривых ВЭЗ миндалевого участка
идентифицируются как трехслойные. Причем сопротивление верхнего
слоя невысокое и не превышает 80-90 Омм (см. рис. 6.1, в, г).
Это свидетельствует об относительно небольшой скелетности
(менее 40%), проведенные измерения скелетности в слое 0-50 см
показали справедливость такого заключения. Следует заметить,
что скелетность в слое 50 см не вполне соответствует
скелетности первого, выделенного на основе зондажа слоя.
Распределение скелетных частиц в плантажном горизонте
неравномерное как по профилю, так и в отдельных его слоях.
Об этом свидетельствует величина сопротивления в разных
точках зондажа. Результаты интерпретации данных ВЭЗ
следует понимать так: при плантажной вспашке в почве
образуются прослойки с содержанием скелета от 20 до 40% в
пределах 10-40 см от дневной поверхности повышенной гумусиро-
ванности.
139
Второй слой - почвообразующая порода, выделенная на
основе зондирования, имеет весьма высокое сопротивление,
которое достигает 300-450 Омм, что свидетельствует о большом
содержании скелета (в среднем до 50%) и его сцементированности.
И наконец, третий слой, в том случае, если он выделяется,
имеет значительно меньшее сопротивление, чем второй (см.
рис. 6.1, в, г).
Для подстилающей породы характерно электрическое
сопротивление в пределах 40-200 Омм. Для всех исследуемых
точек зондирования оно меньше сопротивления второго слоя и
свидетельствует об уменьшении скелета и его рыхлости в
подстилающей породе, что и подтвердилось при описании разрезов.
В том случае, когда мощность несцементированного га-
лечникового слоя значительна (превышает 3,5 м) и третий,
малоскелетный слой не достигается зондажем, кривые ВЭЗ
интерпретируются как двухслойные. По величине
сопротивления второго слоя легко судить о скелетности в профиле. Так,
в точке 16 сопротивление второго слоя относительно малое
(ПО Омм) и величина скелетности здесь одна из самых
малых - около 30%.
Особое внимание следует обратить на точку 10,
сопротивление в которой по всему профилю зондажа не превышает
50-70 Омм. Хотя ее кривая ВЭЗ и идентифицируется как
трехслойная, но малая величина сопротивления свидетельствует о
низком содержании скелета, фактически 14-29%.
Связь между удельным электрическим сопротивлением (/?) и
содержанием мелкозема (содержание мелкозема обратно
пропорционально содержанию скелета в почве) может быть
описана уравнением вида
R = 2980 ехр (-0,05 х),
х = 100-S,
где S - содержание скелета, %\х- содержание мелкозема, %. По
виду кривой рассматриваемой зависимости можно определить
следующее: при содержании мелкозема менее 60%
сопротивление почвы более 100 Омм, при уменьшении скелетности
(увеличении мелкозема) сопротивление уменьшается по
экспоненциальному закону. При скелетности 20-40% сопротивление
меняется от 50 до 100 Омм.
Благоприятными условиями измерений при дальнейшей,
количественной, интерпретации являются горизонтальность
границ раздела между однородными (изотропными или
анизотропными) слоями, небольшое число таких слоев, незначительные
погрешности измерений. Последние имеют место только при
высокой влажности почвы.
140
6.1. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ
КАРТИРОВАНИЯ МАЛОПЛОДОРОДНЫХ
СКЕЛЕТНЫХ ПОЧВ*
Во всех упоминаемых в начале главы хозяйствах проведено
крупномасштабное почвенное обследование разных территорий.
Прежде чем приступить к зондированию проектируемого
участка, были проанализированы все имеющиеся материалы по
геоморфологии и геологическому строению почв и почвообразую-
щих пород.
Для проведения полевого почвенного обследования методом
ВЭЗ необходимо иметь плановую основу с вертикальной
геодезической съемкой в масштабе 1:500 (или 1:1000) и учитывать
следующие требования. Перед обследованием участка необходимо
изучить его визуально и нанести на рабочий план комплексность
почвенного покрова по степени скелетности, ориентируясь по
количеству камня, щебня или гальки на дневной поверхности. Не
следует забывать, что по степени скелетности почв (пахотных и
особенно плантажированных) можно ориентировочно судить о
глубине залегания подстилающих плотных пород или
сцементированных галечников.
В случае оценки каменистости определяют характер
залегания камней (поверхностное, полупогребенное, погребенное) в
земле, объем камней по группам (<50, 50-100, более 100 м3/га),
диаметр камней (в см) по группам (глыбы > 100, крупные камни
60-100, средние 30-60, небольшие 10-30, мелкие 5-10, галька <5).
Пробные площадки 10x10 м глубиной 30 см закладывают для
определения каменистости при вспашке, а площадки глубиной
1-2 м - для дренажа. Камни вынимают из почвы и укладывают в
кубометр, причем камни крупнее 30 см складывают отдельно
группами: 30-60, 60-100 и >100 см. Почвы по объему камней
(м3/га) в слое 0-30 см разделяют на некаменистые (<5), слабо-
(5-20), средне- (20-50), сильно (50-100) и очень
сильнокаменистые (>100). Степень каменистости определяется количеством
камней и выражается в %: при содержании <10% почвы
слабокаменистые, 10-20% - средне-, 20-40% - сильно-, >40% - очень
сильнокаменистые. При наличии камней диаметром >30 см
не допускаются механизированные работы, камни диаметром
10-30 см выводят из строя плуги и сеялки, а 5-10 см -
сельскохозяйственные уборочные машины.
Вертикальное электрическое зондирование почв следует
проводить в осенний или весенний период, когда почва увлажне-
* Рекомендации подготовлены автором совместно с Н.Е. Опанасенко.
141
на в пределах ВЗ-ВРК; при этом не имеет значения, какая
абсолютная величина влажности почвы, важно только, чтобы она
находилась в этом диапазоне.
В зависимости от полученных предварительных данных
намечается сетка опробования методом ВЭЗ. При однородности
почвенного покрова и четком выделении границ почвенных
видов или других низших таксономических единиц, приуроченных к
определенным элементам рельефа, точки опробования
намечаются в соответствии с типом местности по двум-трем
параллельным маршрутным линиям. При большой комплексности
почвенного покрова удобно и целесообразно сетку опробования
наметить относительно равномерно по всей площади
непрямоугольного участка.
Количество измерений на единицу обследуемой площади
скелетных почв запланировать весьма трудно ввиду большой
природной вариабельности их свойств. Но, как правило, даже на
сложных участках число точек опробования не должно
превышать 10-15 на 1 га.
Опорное зондирование следует начинать с участков с
маломощными и сильноскелетными почвами. При наличии на
участке опорных разрезов, в которых ранее определялись скелетность
и глубина залегания плотных пород, точки опорного
зондирования располагают в непосредственной близости от них, используя
в дальнейшем в качестве ключевых. Обычно при оценке
пригодности участка для сельскохозяйственного использования важно
знать содержание скелета и наличие плотных подстилающих
пород или сцементированных галечников в соответствующем слое -
0-50, 50-100, 100-150(200) см.
Поэтому оптимальными разносами (А В/2) ГЭП для
детального картирования почв можно считать разносы длиной 1,5, 3 и
6 м. На этих разносах проводят электрическую съемку участка
по детальной сети опробования. Затем рисуют картосхемы изо-
электрических величин по этим трем разносам электродов. Зная
зависимость между скелетностью почв и электричерким
параметром, переводят изоомы в процентное содержание скелета,
получая таким образом карту скелетности исследуемого участка.
Полезны и полученные нами данные о величине содержания
скелета, глубине залегания плотных пород, величине удельного
электрического сопротивления для карбонатных и предгорных
черноземов в степной и предгорной зонах Крыма. Содержание
скелетных частиц в объеме почвы до 20% соответствует
сопротивлению 50-80 Омм, 20-40% - 80-120 Омм, 40-60% -
120-150 Омм. Для сцементированных глинистых галечников
характерно удельное электрическое сопротивление порядка
142
150 Омм. Для элювиированной части породы, слоев почв с
содержанием скелета до 80% или сцементированных карбонатным
цементом галечников сопротивление находится в пределах
150-250 Омм. Сопротивление более 250 Омм указывает на
наличие в профиле монолитной породы известняков.
Установленный для этих плотных пород коэффициент
перехода от Л В12 к глубине их залегания (Ко6щ = 0,327) позволяет
достаточно точно на практике провести количественную
трансформацию карт изоомов сопротивления в карты реального
сосредоточения количества скелета и глубин залегания плотных
подстилающих пород, а порой и мощности плиты известняка или
сцементированного слоя галечника.
Используя полученные материалы, составляют почвенную
карту с выделением на ней почвенных видов по степени
скелетное™ и мощности рыхлого слоя. В наиболее типичных местах
для контроля закладывают ключевые разрезы (если их не было
ранее) на глубину до 2 м или до монолитной плотной породы.
Проводят морфологическое описание, отбирают образцы почв
для лабораторных анализов (определение гумуса, NPK, СаС03,
механического состава и плотности мелкозема и др.), а также
определяют содержание скелета в объеме почвы и глубину
подстилающих пород. Последние два показателя сравнивают с
результатами ВЭЗ.
Приступая к оценке пригодности обследованного участка под
ту или иную культуру, необходимо тщательно изучить
рекомендации по отбору скелетных почв. На основании ранее
проведенных нами исследований установлено, что для оценки
пригодности скелетных почв, например под сады, важное значение имеют
в первую очередь следующие факторы: содержание скелета,
глубина залегания плотных пород и мощность гумусового
горизонта. Установление последнего показателя не представляет
сложности часто даже по ВЭЗ. Более того, используя сведения о
мощности гумусированного слоя, объемной массе мелкозема и
содержании скелета, нетрудно рассчитать запасы гумуса (т/га) в почве,
что весьма важно для решения задач при планировании
возможных мелиоративных мероприятий.
Оценивали пригодность обследуемого участка под сад,
используя результаты ВЭЗ, определенные в условиях Крыма
количественные зависимости содержания скелета в почвах и
удельного электрического сопротивления, переходные коэффициенты
от А В/2 к реальной глубине залегания плотных подстилающих
пород.
Рассмотрим это на конкретных примерах, исходя из
результатов зондирования почв, приведенных на рис. 6.1, б. Отрезок
143
траншеи, описываемый кривыми ВЭЗ 1-4 (разрезы 540-543) как
по глубине залегания плотных подстилающих пород, так и по
содержанию скелетных частиц в объеме почвогрунта, пригоден
под посадку всех плодовых культур, поскольку сопротивление
порядка 150 Омм обнаружено лишь на полуразносах более 5 м.
Применив коэффициент пересчета /С, определяем, что элювии-
рованная плотная порода находится глубже 1,5 м.
Средняя часть траншеи (разрезы 544-547, кривые ВЭЗ 5-8) по
глубине залегания плотных подстилающих пород является
оптимальной для посадки ореха грецкого, миндаля и пригодной даже
для выращивания персика. Сопротивление более 150 Омм
зафиксировано здесь на разносе АВ/2 = 3,5-3,6 м, что соответствует
залеганию плотной породы на глубине 1,1м (3,5 х 0,323 = 1,1 м). В этом
случае можно гарантировать урожай персика не менее 75%
получаемого в оптимальных почвенных условиях. Для размещения на
таком участке других плодовых культур следует предусматривать
проведение мелиорации (землевание, траншейный плантаж и др.).
Величина сопротивления от 100 до 130 Омм указывает на
присутствие скелета в профиле почвы в количестве 20-40% на
полуразносах 3-3,5 м или в слое 70-100 см. Здесь показатель
склетности меньше допустимого уровня его содержания в слое
50-100 см (а тем более в слое 0-50 см) для орехоплодных,
плодовых культур (даже персика), поэтому этот участок
целесообразно отвести под эти культуры.
Почвы в правой части траншеи имеют высокое удельное
электрическое сопротивление - порядка 200 Омм на
полуразносах 1,5 м и более, что соответствует залеганию элювиированной
породы на глубине 50 см. Увеличение сопротивления до
700 Омм и более на больших полуразносах свидетельствует о
довольно большой толщине и нарастании монолитности
известняка (до глубины 3 м). Эта часть участка непригодна под плодовые
и орехоплодные культуры ввиду ограниченности корнеобитае-
мого слоя почвы (см. рис. 6.1, а, б).
Таким образом, метод ВЭЗ позволяет проводить оценку са-
допригодности скелетных почв без нарушения почвенного
покрова, осуществляя измерения с поверхности, а информацию о
скелетности почв, глубине и мощности плотной породы
получать на любой глубине.
Понятно, что рекомендации могут конкретизироваться,
некоторые положения уточняться и совершенствоваться. Но даже
в этом изложении они представляются весьма полезными для
практических целей всем учреждениям и организациям,
занимающимся почвенно-геологическими изысканиями на скелетных и
маломощных почвах.
144
Как показали исследования различных в генетическом
отношении почв Карелии, основным фактором, определяющим
сопротивление почв глинистого и суглинистого механического
состава во влажном состоянии, является их скелетность. Было
обнаружено, что горизонты с относительно невысоким
содержанием скелета (<40%) имеют сопротивление не более 100 Омм, а
возрастание скелетности до 70-90% соответствует увеличению
сопротивления до 200 Омм. Такое же сопротивление
наблюдается и при наличии в профиле почв слабовыветрелых крупных
плит известняка. Делювий сланцев имеет низкое сопротивление
- порядка 50-90 Омм.
Теоретически повышение сопротивления с увеличением
скелетности может быть вызвано исключением из общего объема
почвы, охваченной электрическим полем, объема, занятого ее
скелетом. Но, учитывая, что любая зависимость между
электрическими параметрами и свойством, обеспечивающим нарастание
объемной плотности подвижных электрических зарядов, должна
быть, согласно уравнению Максвелла-Больцмана,
экспоненциального вида. Была проведена "трансформация" зависимости со-
противление-скелетность в зависимость
сопротивление-мелкозем. Эти зависимости получены для интерпретационных
параметров - сопротивления и мощности слоя после обработки данных
ВЭЗ по специальной программе.
Выделенные слои имели достаточно хорошее совпадение
мощностей с высоким или низким содержанием скелета, а также
с глубиной залегания плотной породы.
6.2. ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ
ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ ЮГА УКРАИНЫ
ПОД КУЛЬТУРЫ ДЛИТЕЛЬНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Оценка пригодности песчаных почв под культуры
длительного пользования проводится в первую очередь по содержанию
фракций физической глины в пределах корнеобитаемого слоя.
Глубины залегания и мощности глинисто-суглинистых
прослоек и слоев весьма важны, так как эти показатели во многом
определяют продуктивность легких почв. Учитывая большое
пространственное варьирование этих показателей в песчаных
почвах и песках, возрастает необходимость выполнения
большого объема полевых и аналитических работ, что осуществить
традиционными методами весьма сложно.
Естественно, что было обращено внимание на использование
для этих целей полевых электрофизических методов при обсле-
10 Поздняков А И.
145
100 300 600
-г
100 300 600 Я, Омм
0,45
7,2
10,0
15,0 Ь*Д/2,м
200 500 1000
од
0,45
1,2
7,2
10,0
15,0 J
—i 1 1 ~
2lyf J
Л У18
if Ряд 4
I
-АВ/2,м
100 300
i i
16-1 J
600
- ^J^Z
lb/ Ряд 5
Рис. 6.2. Кривые ВЭЗ песчаных почв
а, г - без суглинистых прослоек; б, в - с суглинистыми прослойками
довании ряда объектов на юге Украины. Наиболее интересные и
впечатляющие результаты получены на участке
землепользования 13-й бригады ОПХ Института орошаемого садоводства
Украины (г. Мелитополь).
Участок весьма неоднороден по сложению. В момент
измерений почва была хорошо увлажнена и влажность не могла
повлиять на измерения электрического сопротивления и
интерпретацию данных.
Примечательно, что все кривые ВЭЗ, хотя среди них
встречаются и двух- и трехслойные, имеют четко выраженные один
или два верхних слоя с высоким (от 200 до 800, редко 1000 Омм)
сопротивлением, характерным для песчаных отложений,
приведенным на рис. 6.2.
В нижней части почвы подстилаются суглинистым, редко
глинистым материалом, который обнаруживается чаще всего на
разносах 360-720 см, что соответствует глубинам 120-240 см.
В одних точках сопротивление монотонно убывает, в
других - выявляются прослойки, которые резко изменяют
сопротивление, но в любом случае в нижней части профиля оно
снижается до 30 Омм, причем эта величина прослеживается
146
на разных разносах (см. рис. 6.2). Например, в ряду 3 для 16-й
точки суглинистый материал появляется на полуразносе
0,45-1,2 м (рис. 6.2, 5), а в ряду 4 для 21-й точки - на разносах
около 0,3-0,6 м (рис. 6.2, в). Это соответствует глубинам
0,15-0,4 ми 0,1-0,2 м.
В результате интерпретации кривых ВЭЗ, выполненных на
мелитопольском участке ОПХ, легко видеть, что глубины
залегания глинистых слоев распределены не закономерно, но низкие
сопротивления в приповерхностных и более глубоких слоях
песчаных почв соответствуют суглинистым слоям.
Глава 7
МНОГОЦЕЛЕВОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ
МОНИТОРИНГ ЛАНДШАФТОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЕВОЙ
ЭЛЕКТРОФИЗИКИ ПОЧВ
Биосфера планеты - мозаика разнообразных ландшафтов
(биогеоценозов). Мониторинг ландшафтов - колоссально
сложная и трудоемкая работа. Почва - зеркало ландшафта, поэтому
почвенный мониторинг наиболее важная составная часть в
системе многоцелевого глобального мониторинга. Нами в
результате многолетней работы детально изучены на разных уровнях
организации почвенного покрова, в том числе и ландшафтно-ка-
тенном, самопроизвольно возникающие и создаваемые
специально для исследования почв электрические поля.
Электрофизические методы позволяют осуществлять
измерения с поверхности почвы без нарушения целостности
почвенного покрова и получать информацию, проводя исследования на
любой глубине. Перераспределение вещества и химической
энергишв ландшафте и соответственно в почве неизменно
отражается на закономерностях и величинах распределения
электрических полей, измерение которых позволяет провести
мониторинговые наблюдения.
Проведя мониторинг на ландшафтах разных типов в
разных климатических зонах России и СНГ, были получены не
только сведения о соотношениях веществ и энергии в них, но
также конкретный материал о функционировании таких
природных систем (Поздняков и др., 1996).
Параметры электрических полей в каждом конкретном
ландшафте или регионе определяются наиболее развитым,
специфическим для этого объекта процессом, отвечающим собственно за
его формирование, жизнестойкость и существование.
Электрические поля объективно отражают энергетические соотношения
в ландшафте между электрической и химической энергиями,
процессы и закономерности их распределения. Электрические
параметры легко измеряются и содержат информацию о многих
почвенных свойствах. Это в первую очередь влажность, а при
высокой влажности - химический состав (см. главу 1).
148
Предлагается принципиально новый комплексный подход к
мониторингу ландшафтов на основе обследования
электрических полей почв, что позволит проводить мониторинг
процессов иссушения-увлажнения, глубины залегания грунтовых вод,
подтопления, засоления, промерзания-оттаивания,
загрязнения нефтепродуктами, и др.
Химические загрязнения - отходы производств и
переработки продукции, а также животноводства,
нефтеперерабатывающих предприятий и другие, выпадая в радиусе действия
промышленного предприятия (особенно химического и
металлургического), представляют собой локальные загрязнения. Тогда как
химические вещества, используемые в сельском хозяйстве
(пестициды, ядохимикаты, ретарданты и т.п.), оказывают воздействие на
более обширные территории. (Остановимся подробнее на
оценке загрязнителей в главе 8.)
7.1. МЕТОДОЛОГИЯ МОНИТОРИНГА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
Мониторинг большинства свойств почв можно проводить по
измеряемым электрическим параметрам и двум-трем
дополнительным методам. Например, измеряя электрическое
сопротивление и зная зависимости сопротивления этих почв и ОГХ,
можно провести их комплексный анализ и получить информацию о
структурно-механических свойствах (дисперсность, агрегирован-
ность, дифференциальная порозность, прочность, пластичность),
а также гидрофизических (категория влаги), аэро- и теплофизи-
ческих свойствах.
Покажем использование электрофизических методов при
некоторых мониторинговых наблюдениях.
7.1.1. Мониторинговые наблюдения
за промерзанием дерново-подзолистых и торфяных почв
Известные в настоящее время методы оценки промерзания
почв с помощью мерзлотомеров, например мерзлотомера
Данилина, имеют ряд недостатков, наиболее существенным из
которых является невозможность отслеживать промерзание
собственно почвы. С помощью этих методов можно оценить лишь
промерзание свободной воды, т.е. глубину проникновения в
почву до нулевых температур (Вадюнина, Корчагина, 1973).
Для оценки динамики промерзания почвы были проведены
параллельные исследования мерзлотомерами, аналогичными
149
мерзлотомеру Данилина, буровым методом и методом ВЭЗ.
Метод ВЭЗ применяли в гумидной зоне на окультуренных дерново-
подзолистых и торфяных почвах. Наблюдения начали глубокой
осенью, когда появились первые признаки промерзания почвы с
поверхности, вплоть до начала весны (в апреле) при появлении
первых признаков оттаивания. Специальные исследования
показали, что зондировочная установка может находиться под
снежным покровом постоянно, так как сопротивление снега весьма
высоко и он действует практически как изолятор. На набор
проводов и электродов снежный покров неблагоприятного
воздействия не оказал.
Исходная эталонная кривая ВЭЗ следующая (рис. 7.1, я).
Кривая типична для дерново-подзолистых окультуренных почв и
мало меняется во времени, если в процессе наблюдений резко не
изменялась влажность почвы (см. рис. 7.1, а).
К примеру, с 8.08.96 г., когда были начаты измерения, вплоть
до 20.08.96 г., когда были отмечены незначительные изменения
влажности, величины сопротивлений ВЭЗ почти не претерпели
изменений (рис. 7.1, б).
Но сопротивление промерзшей части почвы возрастает
весьма резко до 2000 и даже 3000 Омм (рис. 7.1, в). В неявно
промерзшей нижней части профиля, где в результате проникновения
фронта отрицательных температур определенная категория
относительно подвижной влаги изменила свой энергетический
потенциал, электрическое сопротивление увеличилось до
1500 Омм.
Следует заметить, что кроме рассматриваемого другого
способа по обнаружению частичного промораживания различных
категорий влаги в реальной почве в настоящее время нет.
В течение зимы динамика фронта освобождения "от ледового
плена" различных категорий влаги весьма существенно меняется
именно в верхней части профиля при относительно стабильной
промерзшей нижней части, что вполне объяснимо. Особенно
активно она проявляется в ранневесенний период. Например, в
нашем случае (2.04.97 г.) при общем снижении сопротивления в
промерзшем слое до 1000 Омм наблюдается его дневная, а
следовательно, и суточная, буквально почасовая существенная динамика
вслед за изменением температуры воздуха, температуры на
поверхности почвы даже на полуметровой глубине (см. рис. 7.1, в).
При изменении сопротивления за день, с 8 до 18 ч,
температура воздуха и почвы изменилась с -2 до +8 °С, что также
отразилось на последовательном уменьшении
сопротивления, особенно в верхних слоях почвы, от 800 до 200 Омм
(см. рис. 7.1, в).
150
Я, Омм
350
250
150
50
1996 г.
8.081
0
ОД 0,5 2,4 10,0 ЛВ/2, м
500
400
300
200
100
О
0,1 0,5
2,4
1996 г.
.— 8.081
18.08
20.08
Рис. 7.1. Изменение кривых ВЭЗ
дерново-подзолистых почв по
мере изменения влажности и
глубины промерзания
а - исходная; б - с изменением
влажности; в - в начале промерзания
В дальнейшем (15.04.97 г.) эта особенность проявилась еще
более. Сопротивление в этот день, даже в ранние часы, не
превышало 700-800 Омм, а к вечеру, когда температура поднялась до
7 °С, сопротивление снизилось до 200 Омм. Несмотря на то что
происходило довольно резкое изменение сопротивления,
температура менялась незначительно или, можно сказать, почти не
менялась. Здесь проявляется не собственно температурная
зависимость, а увеличение подвижности разных категорий влаги, как
бы общее оттаивание почвы, обеспечивающее нарастание
подвижных ионогенных соединений.
Примерно до полуразноса 0,45 м, что в переводе на глубину
составляет примерно 15 см, наблюдаются строго
дифференцированные различия в величинах сопротивления во времени. Здесь
величина сопротивления изменяется буквально по часам,
снижаясь к 18 ч до 140 Омм.
Ситуация резко меняется, когда почва оттаивает еще больше.
Но, повторяем, причина снижения сопротивления от
температурного фактора не в прямом его влиянии, а в приведении в подвижное
состояние все более и более существенных концентраций водных
растворов при переходе водных растворов из твердого в жидкое
состояние. Так (16.04.97 г.), при оттаивании уже 7-сантиметрового
слоя почвы сопротивление снизилось до 170 Омм. Причем его
динамика в течение суток имела четкую закономерность к снижению.
151
200 Я, Омм
12 3 4 5
-ЛВ/2, м
Рис. 7.2. Графики изменения электрического
сопротивления при промерзании торфяных
почв
а - кривые ВЭЗ при промерзании, 1-4 -
этапы промерзания; картосхемы промерзания и
оттаивания стационаров "Ближний" (б) и "Дальний"
(в), 1-8 - номера кварталов
Почва полностью оттаяла, а минимальные значения
сопротивлений свидетельствуют о полной ее влагонасыщенности и даже
перенасыщенности. Нарастание сопротивления соответствует
снижению температуры до отрицательных значений при
промерзании-оттаивании почвы. В течение дня таких четких
зависимостей не наблюдалось.
Мы уже обращали ваше внимание на успешный опыт
применения метода ВЭЗ для оценки процесса
промерзания-оттаивания торфяных почв. Выяснилось, что при колебаниях
температуры от 10 до 12 °С вплоть до небольших заморозков
сопротивление почвы остается постоянным, если почва не
промерзает. По мере промерзания верхних неглубоких слоев, когда
температура была -1-2 °С, сопротивление верхнего слоя
возрастало вслед за дальнейшим снижением температуры и
увеличением мощности промерзшего слоя (рис. 7.2, а). Методом ВЭЗ она
была оценена в 30-32 см. Кроме того, по форме кривой можно
проследить глубину промерзания почвы до отрицательных
температур при оттепелях. Это существенное достоинство
метода ВЭЗ. Иными словами, метод ВЭЗ позволяет оценить
неоднородность промерзшего слоя, подверженного тепловым
воздействиям и начинающего оттаивать. Такие изменения про-
152
исходят вследствие активизации ионов в почвах, находящихся
ранее в инертном состоянии.
Количественная интерпретация кривых ВЭЗ,
характеризующих состояние промерзшей почвы, выявила достаточно хорошее
совпадение с реальной промерзшей толщей, определенной
буровым методом. Глубина промерзания достигла 45-47 см и
стабилизировалась.
Весьма перспективным представляется применение ВЭЗ
после схода снега и оттаивания верхних незначительных (2-5 см)
слоев почвы. В этом случае он может быть использован для
поиска и оценки размеров остаточных линз промерзшего слоя.
Благодаря проведению 62 зондирований на территории 1-5-
го кварталов ОПХ ЦТБОС были обнаружены остаточные
линзы промерзания, которые в некоторых местах сохранились до
середины и даже конца мая (рис. 7.2, б, в). Присутствие линз легко
проследить по наличию высокого сопротивления (до 200 Омм
и более). Одна из таких линз идентифицирована под лесом на
1-м квартале ОПХ.
7.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ ИССУШЕНИЯ
ТОРФЯНЫХ И ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ
МЕТОДОМ ВЭЗ*
В гумидных регионах на пойменных почвах получены
двухслойные кривые ВЭЗ, дифференциация слоев определяется
увлажнением от грунтовых вод - капиллярной каймой. Верхний
слой, как правило, сильно иссушен. В гумидных регионах
естественная влажность торфяных пойменных почв начиная с
верхнего пахотного горизонта обычно находится в диапазоне
минимального влияния на сопротивление (МКСВ-ППВ). То же самое
можно сказать о всех слоях торфяной почвы. Во влажные
периоды грунтовые воды на осушенных торфяных почвах достигают
глубины 60-110 см, а капиллярная кайма в этих почвах может
быть порядка 40-60 см.
Поэтому торфяные почвы в эти периоды увлажнены до
МКСВ практически с поверхности, и методом ВЭЗ
определяется верхний 10—20-сантиметровый слой. В августе
экстремально сухого 1995 г. по кривым ВЭЗ была определена
сильная иссушенность поверхностного слоя почвы по сравнению с
1994 г.
* Данные получены автором совместно с Ю.К. Хан.
153
7.2.1. Динамика влажности и сопротивления
при иссушении торфяных почв
При изучении связи электрического сопротивления и
влажности торфа установлено, что при увлажнении торфа выше
МКСВ-ППВ влажность практически не влияет на
электрическое сопротивление. То есть глубокие слои торфяных
окультуренных почв (> 40-50 см), которые обычно увлажнены выше
ППВ, должны характеризоваться постоянными значениями
электрического сопротивления независимо от погодных условий
в течение года.
Действительно, кривые ВЭЗ, построенные на основании
данных за 1994, 1995, 1996 гг., пересекаются в точке ЛВ/2, равной
100 см, ниже этой точки кривые ВЭЗ имеют практически
одинаковые значения сопротивления (рис. 7.3). Аналогичная картина
изменения сопротивления наблюдалась и в 1997 г. (табл. 7.1).
Известно, что истинная глубина залегания слоев при
интерпретации результатов зондирования сложным образом зависит
от величины полуразноса А В12 и сопротивления среды. Для почв
различных типов были получены коэффициенты пересчета
величин АВ/2 относительно реальной глубины, которые
приблизительно равны 0,33. Для торфяных почв коэффициенты были рас-
Таблица 7.1
Сопротивление окультуренных торфяных почв на
осоково-гипновых торфах
(Объект: разрез 1,8 кв. ОПХ ЦТБОС, 1997 г.)
АВ/2, м
0,10
0,15
0,22
0,30
0,45
0,60
0,90
1,20
1,80
2,40
3,60
4,80
7,20
10,00
15,00
28 авг.
688
876
782
567
186
98
76
56
42
38
27
23
18
17
21
Юсент.
240
314
219
156
91
60
43
35
32
31
21
18
14
17
20
16 сент.
274
237
198
141
73
63
39
51
48
32
22
14
28
20
17
26 сент.
43
87
134
86
92
66
58
46
40
28
22
28
31
17
22
29 сент.
80
91
91
86
76
65
45
46
34
30
22
23
29
19
17
13 окт.
52
60
53
45
58
37
38
33
26
25
21
23
28
30
154
/?, Омм
350
1000 АВ/2, см
Рис. 7.3. Кривые ВЭЗ торфяных почв при различной степени и
глубине иссушения
считаны следующим образом: по некоторым точкам 8-го
квартала одновременно с измерениями ВЭЗ определяли влажность;
сравнив естественную влажность (1995 г.) и выявленные в
лаборатории по этим точкам водно-физические свойства, нашли
мощность иссушенного слоя. Предполагая, что методом ВЭЗ
определяется именно этот иссушенный слой (30-50 см), вычислили
коэффициенты пересчета для АВ/2 (табл. 7.2).
Средний коэффициент пересчета полуразноса относительно
реальной глубины равен 0,349. По данным табл. 7.2 видно, что
глубина залегания грунтовой воды не определяет глубину
иссушенного слоя, где капиллярная кайма достаточно мощная
(60-110 см), поэтому адекватно определить глубину залегания
Таблица 7.2
Сопоставление реальных и интерпретационных (по ВЭЗ) мощностей
иссушенного слоя торфяных почв (8-й квартал ОПХ ЦТБОС)
Точка,
номер
АВ/2, см
УГВ, см
Мощность слоя,
выделенного бурением,
см
Коэффициент пересчета
АВ/2 к реальной
глубине иссушенного слоя
11
12
8
7
6
5
4
1
115
90
ПО
108
110
115
115
102
152
160
138
-
160
156
115
ПО
40
-
30
30
50
35
43
40
0,348
0,272
0,278
0,454
0,321
0,386
0,392
Средний коэффициент 0,349.
755
Таблица 73
Суточная динамика электрического сопротивления
при увеличении относительной влажности воздуха
от 0,54 до Ч),98% при дождевом конденсате-моросе
(Объем 1-1,5 см слоя дерново-подзолистой окультуренной почвы)
Время суток, ч
Электрическое
сопротивление, Омм
Влажность, %
Время суток, ч
Электрическое
сопротивление, Омм
Влажность, %
6
2880
2,4
12
840
6,4
7
1920
3,4
13
624
7,1
8
1440
4,4
14
672
6,2
9
912
5,03
15
562
6,9
10
685
5,2
16
432
6,5
11
658
5,2
17
720
6,5
Таблица 7.4
Сопротивление по стенке разрезов и влажность окультуренных
дерново-подзолистых песчаных почв
(Объект: 2-я надпойменная терраса, дер. Спиридово Московской обл.)
Глубина,
м
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Разрез
Сопротивление
(Л), Омм
439
402
245
182
301
484
554
573
1089
1316
1225
863
1490
24
Влажность
(но, %
44
25
37
15
10
10
8
Разрез
Сопротивление
(Я), Омм
465
405
420
446
563
637
669
668
840
1029
1146
1089
1412
25
Влажность
(IV), %
42
38
43
35
29
13
12
11
10
12
11
12
11
Разрез
Сопротивление
(/?), Омм
163
281
479
477
369
415
509
570
676
956
1046
1029
833
26
Влажность
(W), %
44
34
41
22
9
11
11
грунтовой воды на торфяных пойменных почвах гумидной зоны
не представляется возможным.
Однако для торфяных почв актуальным является также
определение мощности иссушенного слоя, в котором происходят
основные изменения физических и химических свойств торфа.
156
7.2.2. Динамика влажности и сопротивления
дерново-подзолистых почв
Динамику влажности дерново-подзолистых почв по
величине сопротивления определяли практически во всех
диапазонах влаги с применением электрофизических методов
сопротивления.
Наибольшее изменение величины сопротивления под
действием влаги происходит, как установлено нами, в сорбционном
диапазоне. Поэтому была предпринята попытка оценить
изменение влажности при ее адсорбции из атмосферы, при
значительном изменении влаги после продолжительного сухого периода, в
процессе выпадения мороси в виде мелких конденсированных
капелек воды и осаждении их на поверхности почвы (табл. 7.3).
Сопряженные графики легко идентифицируют эти процессы
(рис. 7.4, а).
Взаимосвязь влажности и сопротивления снижается при
измерении сопротивления по стенкам разрезов (табл. 7.4),
например, датчиками А2/2 = 5 см и MN/2 = 1,5 см (рис. 7.4, б, в).
Причина видится в различии измеряемых объемов. При
измерении сопротивления полевыми методами объем значительно
больше, чем при измерении в лаборатории. Для
дерново-подзолистой почвы наиболее тесные зависимости наблюдаются в
диапазоне влаги примерно до 10%.
w,%
10 12 14 18
R, Омм
3000 г*
2000
1000
0
10
15
¦ W, %
R, Омм
2000
1500
1000
500 Ь
О1
&
++
V*
-" W,%
10 20 30 40
Рис. 7.4. Графики, отражающие
взаимозависимость сопротивления и влажности
а - в сорбционном диапазоне; б - при
измерениях по стенкам разреза; в - ВЭЗ
157
7.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ НАКОПЛЕНИЯ БОЛОТНЫХ ГАЗОВ
В ЕСТЕСТВЕННЫХ ТОРФЯНЫХ МАССИВАХ
Проблема генерации и эмиссии газов из торфяных залежей
общеизвестна и требует к себе пристального внимания. Особенно
следует отметить отрицательную роль газов в жизнеобеспечении
биосферы через посредство "greenhouse effect" (типличного
эффекта). Проблема весьма актуальна для России, поскольку на
ее территории сосредоточено около 38% мировых запасов торфа.
К настоящему времени проведено много исследований по
наблюдению эмиссии, оценке количества болотных газов и их
роли в биосфере. Совсем по-другому обстоит дело с изучением
распределения газов в самой торфяной залежи, выявлением мест
сосредоточения и определением их количества. Хотя
определенные взаимосвязи количества болотных газов, выделяемых в
атмосферу и накапливающихся в торфяной толще, выявлены, но
прямых методов определения количества газов и мест их
локализации без нарушения торфяного массива не предложено. Это
вполне понятно, если принять во внимание, что любая попытка в
этом направлении в какой-то мере приводит к потере газов из
торфяной толщи.
Методы электрического сопротивления позволяют
осуществлять такого рода оценки количества защемленных болотных
газов. Измерять сопротивления можно непосредственно с
поверхности болотного массива, а собирать информацию - на
любой глубине.
Для мониторинга естественных торфяных массивов была
предложена выработанная нами ранее концепция, связывающая
параметры стационарных электрических полей с процессами,
изменяющими плотность подвижных электрических зарядов (см.
главу 1).
Основанием для использования электрического
сопротивления с целью оценки газовой составляющей в торфяном массиве
является тот факт, что сопротивление полностью обводненной
торфяной массы при добавке в нее газовых пузырьков или
растворении газов должно в принципе увеличиться в силу
уменьшения в единичном объеме плотности подвижных зарядов. И
наоборот, при дегазации торфяной залежи сопротивление должно
уменьшиться.
При появлении в торфяном массиве растворенных газов и
газовых пузырьков из проводимого объема исключаются
носители электрических зарядов, т.е. уменьшается концентрация
158
подвижных носителей электричества и сопротивление должно
увеличиваться (см. главу 1).
Иными словами, при наличии газовых пузырьков в торфяной
залежи или растворенных в водном растворе газов уменьшается
количество электропроводящих ионогенных соединений в
единичном объеме и, тем самым, уменьшается плотность
электрических зарядов и увеличиваются электрические параметры, в
первую очередь сопротивление, согласно уравнениям
электромагнетизма (см. главу 1). Причем изменение сопротивления при
накоплении или устранении газов должно подчиняться
экспоненциальной зависимости согласно закону Максвелла-Больцмана.
То есть первые порции накопления или обеднения газами залежи
резко меняют сопротивление, а последующие - все меньше и
меньше.
Для нашего случая, пожалуй, наиболее важно влияние на
электрическое сопротивление растворимой газообразной
составляющей в водной среде торфяной залежи, нежели
формирование самих пузырьков, которое, по-видимому, возможно лишь в
определенных экстремальных условиях.
Исследования проводились в Томской области у дер.
Плотникове (стационар Института микробиологии РАН) на восточной
оконечности Васюганских болотных систем по двум трансектам
длиной около 200-300 м, названным, соответственно, основной и
вспомогательной. На основной трансекте уже более 8 лет
проводятся планомерные детальные наблюдения за эмиссией газа в
атмосферу и другие исследования как российскими, так и
зарубежными исследователями.
Первостепенная задача - установление факта влияния
болотных газов в торфяной залежи на величины электрического
сопротивления.
Решали задачу таким образом. Наблюдали за двумя
парцеллами - хвощом и пушицей - путем измерения сопротивления на
двух-трех разносах электродов до и после прямой дегазации
пузырьков трубкой.
На рис. 7.5, а можно видеть результаты таких воздействий
для хвощовой ассоциации. Величина электрического
сопротивления здесь несколько увеличивается с глубиной, достигая на
0,6 м (разнос АВ/2 в 1,8 м) величины около 400 Омм. После
первого же этапа дегазации сопротивление практически на всех
глубинах исследования весьма резко снизилось на некоторых
разносах в 1,5-2 раза. Вторая и третья дегазации, как и ожидалось, не
привели к столь резкому снижению сопротивления, а после
четвертой - сопротивление на некоторых глубинах даже немного
увеличилось. Это может быть связано с поступлением газов из
159
/?, Омм
500
400
300
200
100
0
-i ЛВ/2, м
1
250
200
150
100
50
О
0,3 0,450,6 0,9 1,8
Рис. 7.5. Изменение электрического сопротивления при дегазации
торфяной залежи
а - хвощовая парцелла; б - пушицеевая парцелла; У - до дегазации; 2 -
после дегазации
более глубоких слоев или с неточностью измерения. Тем не
менее сопротивление не превышало 120-150 Омм, что в 2-3 раза
меньше, чем в исходной торфяной залежи.
Аналогичные данные получены и при исследовании
пушицы, несмотря на то, что исходные величины сопротивления
здесь меньше, чем на хвоще, и составляют 200 Омм
(рис. 7.5, б). Содержание газов также примерно в 2 раза ниже,
что совпадает с результатами прямых наблюдений за эмиссией
растворенных газов.
Интересен тот факт, что в обоих случаях после третьего-чет-
вертого этапов дегазации сопротивление по всей зондируемой
толще до глубины 60 см не превышает 100-150 Омм, что,
по-видимому, соответствует сопротивлению дегазированной
торфяной залежи. Это наводит на мысль, что основные различия в
сопротивлении торфяной залежи определяются в первую очередь
газообразной фазой, а не твердой и жидкой фазами.
Измерения ВЭЗ вдоль траншеи показали, что на каждой
точке зондирования электрическое сопротивление в профиле с
глубиной почти всегда изменяется в закономерном порядке, при
этом практически всегда выделяется трехслойная кривая ВЭЗ.
В приповерхностных слоях сопротивление достигает
нескольких сотен Омм. Отмечено максимальное сопротивление -
порядка 1150 Омм.
В нижней части профиля на разносах ЛВ/2 от 360 см и более
сопротивление почти всегда резко снижается до 100 Омм и
ниже. Такие величины характерны для суглинистых, а при
сопротивлении ниже 50 Омм - для глинистых оглеенных слоев
торфяного болотного ложа (дна). Усредненная глубина составляет 2,8 м в
начале трансекты и около 1,6 м - в конце (рис. 7.6, в).
На рис. 7.6, а наряду с отмеченными закономерностями легко
просматриваются и резкие снижения величин электрического
160
50 г \ (moo
100
15о |- 250-500
200
Рис. 7.6. Распределения свойств торфяной залежи Васюганского
болотного массива и их взаимосвязь с электрическим сопротивлением
а - электрическое сопротивление; б - порозность аэрации; в - плотность
массива
11 Поздняков А. И
161
сопротивления (до 150 и даже 60 Омм) в верхней части
торфяной залежи.
Было замечено, что дегазация происходит в тех местах, где
пешеходные мостки на болоте просели и касаются водной глади.
При движении по ним в этих местах довольно интенсивно
выделяются болотные газы, что снижает сопротивление. Это
особенно хорошо прослеживается в точках 23 и 60 м от осушительной
канавы.
По кривым ВЭЗ даже при визуальном анализе можно дать
предварительные сведения о подразделении торфяной толщи
на слои, в том числе и содержащие повышенную
концентрацию болотных газов, и о глубине залегания торфяного
болотного ложа. В результате интерпретации данных нетрудно
определить глубины залегания слоев болотных газов, а по
величине сопротивления - проследить места скопления или
отсутствия болотных газов.
Легко найти и места дегазации торфяной залежи, например в
точках 60 и 80 м, где сопротивление не превышает 100 Омм (см.
рис. 7.6, а). Как выяснилось при более внимательном осмотре, в
этих точках доска лежневки касалась непосредственно
поверхности водной глади торфяного месторождения и, таким образом,
при хождении по лежневке происходило постепенное, но
постоянное выделение газов из торфяной залежи.
Сопоставление величины объемного влагосодержания со
значениями общей пористости и сопротивлений (кривые ВЭЗ) по
профилю толщи торфа выявило следующий факт: при полной
обводненности верхнего горизонта нижние слои не везде были
насыщены влагой и порозность аэрации здесь достигала 10-15%
(рис. 7.6, б).
Характерно, что зоны высокого сопротивления после
интерпретации довольно неплохо совпадают с зонами порозности
аэрации, а проведенное усреднение их величин позволило выявить
довольно четко прослеживаемую зависимость
экспоненциального вида между электрическим сопротивлением и порозностью
аэрации сопряженных объемов (рис. 7.7).
В результате проведенных исследований можно утверждать,
что торфяная толща болота не является полностью влагонасы-
щенной, а имеет газоносные пузырьковые прослойки,
являющиеся потенциальными источниками парниковых газов, которые
могут интенсивно выделяться в атмосферу при различных
воздействиях. Поэтому при оценке газовой функции болот нельзя
ограничиваться простыми исследованиями эмиссии газов с
поверхности торфяного болота. Большое их количество часто со-
162
средоточено в торфяной массе, и судьба газообразных веществ в
толще торфяника зависит от множества факторов, в первую
очередь от атмосферного давления.
Так, исследованная торфяная залежь на глубине 1 м имела
существенный запас воздуха (от 400 до 800 м3/га), в состав
которого входили парниковые газы С02, СН4. Находясь под
дополнительным к атмосферному давлением (300-400 мм водн. ст.)
/?, Омм
1500 г
1000
500
{И
_J I
J-
о
10 20
30
40 50
Парниковые
газы, %
Рис. 7.7. Зависимость сопротивления от содержания парниковых газов
в торфяной залежи
вышележащего насыщенного слоя, этот сжатый воздух из
залежи может выделяться в атмосферу в том случае, когда
выталкивающая сила и сила сцепления пузырьков с частицами торфа
превышают это давление. Это могут быть различные по
физической природе микроусловия: колебания атмосферного
давления, внутригрунтовые потоки и прочее. Анализ вертикального
распределения парниковых газов внутри торфяной толщи
показал, что максимум концентраций этих газов приходится на слои
с воздухосодержащей пористостью. Общая величина
аккумуляции С02 в метровой толще составила 30-40 г/м2, что
соизмеримо со среднемесячной эмиссией газа поверхностью почвы в
этих условиях.
Возможны также выделение и выход в атмосферу газов в
виде С02 в местах разгрузки почвенно-грунтовых вод,
например в дренажных каналах. То же справедливо и для метана,
хотя и в меньших количествах из-за плохой растворимости этого
газа. Изменение условий увлажнения данного участка за счет
дополнительного притока влаги или иссушения, по-видимому,
приведет к одинаковым последствиям. В первом случае
ликвидация воздухоносного слоя за счет вытеснения влагой будет
способствовать резкому выбросу аккумулированных газов в
163
атмосферу. Во втором случае при иссушении в верхнем слое
появится воздухоносная пористость, что изменит
вертикальный перенос газов и вызовет их взрывоподобную эмиссию в
атмосферу.
Таким образом, методы электрофизики позволили
определить накопление и места локализации болотных газов в
торфяной залежи.
Возможности применения методов электрофизики для
оценки экологической ситуации на этом не исчерпываются. Эти
методы целесообразны и при других мониторинговых
наблюдениях, например, мониторинге таких распространенных
загрязнителей, как нефтепродукты.
Глава 8
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
МЕТОДАМИ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
Анализ данных по использованию электрофизических
методов показывает, что основная направленность методов
заключалась в поиске нефтяных месторождений (Дахнов, 1953, 1967 а, б;
Краев, 1965). В то же время применению электрофизических
методов в классическом виде для изучения объектов, загрязненных
нефтью и нефтепродуктами, практически не уделялось
внимания. Это вполне объяснимо, поскольку классические
геофизические методы электросопротивления, например ВЭЗ,
предусматривают обследование больших объемов опробования на
значительных глубинах и расстояниях. Первые разносы опробования в
этом случае находятся в пределах 40-100 м, что полностью
исключает возможность идентифицировать практически все
приповерхностные загрязнения почв нефтепродуктами, хотя такого
рода попытки имели место (Дахнов, 1953, 1967 а, б).
Теоретической основой успешного использования методов
электросопротивления, в том числе и предлагаемых нами
модифицированных методов ВЭЗ и НЭП, могут служить различные
величины электрического сопротивления, с одной стороны, нефти и
нефтепродуктов, а с другой - насыщенных нефтью почв и пород.
По разным источникам (Дахнов, 1953; Заборовский, 1963),
электрическое сопротивление нефти находится в пределах от
сотен тысяч до миллионов Омм, тогда как сопротивление нефте-
насыщенного песка составляет не более 20 000 Омм
(Знаменский, 1980).
Следовательно, удельное электрическое сопротивление
насыщенных нефтью пород существенно более высокое по сравнению с
удельным электрическим сопротивлением самих пород. Эта важная
особенность стала основой нефтеэлектроразведки (Дахнов, 1953).
Кроме того, достаточно много внимания уделялось
эксплуатационным качествам трубопроводов и их коррозии; как правило,
это осуществлялось методом естественного электрического поля
(Семенов, 1974). В ряде случаев также применяли измерения со-
165
противления, но не для идентификации загрязнений в местах
утечки нефти из трубопроводов, а для поиска корродированных
участков трубопровода. В месте разрушения изоляции трубопровода
отмечается резкое уменьшение удельного электрического
сопротивления (Дахнов, 1953, 1967 а, б).
На основании вышеизложенного следует заключить, что для
грамотного использования методов вертикального
электрического зондирования и непрерывного электропрофилирования
необходимо знать величины сопротивлений как самих
нефтепродуктов, так и насыщенных ими почв, чтобы по изменению
сопротивления идентифицировать места загрязнений.
Сопротивление почв, по нашим многочисленным данным, не
превышает одной-двух тысяч Омм в зависимости от типа почв.
Например, в северных регионах гумидной зоны, где проводились
основные полевые исследования, сопротивление почв не
превышает 1000 Омм, сопротивление нефти и нефтепродуктов
значительно выше.
Вполне понятно, что смеси двух таких резко различающихся
по электрическому сопротивлению сред, как нефть и почва,
должны иметь значительно большее электрическое
сопротивление, чем окружающие, не загрязненные нефтепродуктами почвы.
Основная проблема заключалась в том, чтобы провести
измерения сопротивления методами ВЭЗ и НЭП на небольших
расстояниях (от 5 до 100 м) и на малых глубинах, порядка 1-2 м, а в
некоторых случаях и 10-50 см. Классические методы
электрического сопротивления ВЭЗ и НЭП для этого не подходили.
Используемые нами разносы позволили достаточно детально
обследовать верхние горизонты почв в гумидной зоне. Особенно
для первых десятков сантиметров (примерно до 50-60 см), где чаще
всего и сосредотачиваются пятна нефтепродуктов-загрязнителей.
Вначале опробовали прибор ВЭЗ на пятне дизельного
топлива (солярки) со смазочным маслом, которое осталось на обочине
дороги после дорожно-транспортного происшествия.
Результаты измерений показали проникновение смеси
нефтепродуктов после пролива 150-180 л на глубину 5-7 см.
Площадь пятна, как будет показано далее, хорошо очерчивается с
помощью профилирования на постоянном токе (рис. 8.1, я).
Для проведения измерений сопротивлений с целью
установления ареала распространения мест (пятен) загрязнителей была
изготовлена специальная установка электродов AMNB, в которой
электроды крепятся на жесткой основе, надежно изолированы
между собой и приспособлены для простого и надежного
заземления в полевых условиях. Расстояние между электродами
AS = 0,9 м, AfN = 0,l м.
166
R, Омм
2000
1500
1000
500
20
40
Ь-о.
60 80 100 Расстоянием
/?, Омм
3,6 7,2Л5/2,м
R ]
О6, Омм
1,4 г
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0 ¦
<
- J
-
-
- /
¦J
ГГ\ 1 1
-77
0,1 0,3 0,9 1,2
7,2
АВ/2, м
Рис. 8.1. Характер изменения электрического сопротивления при
различных загрязнениях нефтепродуктами
а - пятно дизельного топлива; б - загрязнения на разных глубинах, разрез
16-е поверхности, разрез 9-е глубины 30-40 см; в - загрязнение битумами
С помощью такой установки проведены измерения
сопротивления вышеуказанного пятна (рис. 8.1, я). Наряду с проверкой
работоспособности прибора и установки AMNB для профилиро-
767
вания появилась возможность проведения границ
распространения пятен и мест наибольшего сосредоточения загрязнителя.
Большое внимание в работе уделялось определению
параметрических величин электрического сопротивления по степени,
интенсивности и виду нефтепродукта-загрязнителя. Для этой цели
были изготовлены специальные датчики-кюветы,
обеспечивающие создание плоскопараллельного постоянного электрического
поля и измерение истинных электрических сопротивлений в
лабораторных условиях, необходимых при дальнейшей
интерпретации полевых данных ВЭЗ и НЭП.
Конструктивно лабораторный датчик-кювета изготовлен из
плексигласа и имеет форму параллелепипеда. На двух малых
противоположных основаниях датчика расположены
площадные медные электроды АВ в виде пластинок, а электроды MN
находятся на некотором расстоянии друг от друга и размещены
на одной из длинных граней кюветы.
С помощью датчика и специально модифицированного
прибора проводили параметрические измерения следующих
нефтепродуктов-загрязнителей: 1) ацетон; 2) бензин; 3) керосин; 4)
дизельное топливо; 5) смазочное масло; 6) отработанное
двигательное масло; 7) солидол + бензин; 8) "модельная" нефть (смесь всех
семи веществ).
Установлено, что электрическое сопротивление ацетона и
керосина составляет 12 000-13 000 Омм, а у всех остальных
нефтепродуктов более 100 000 Омм, т.е. на несколько
порядков превышает сопротивление почв. Поэтому при их
добавлении к почвам должно резко увеличиться сопротивление.
В то же время добавление керосина в кювету, заполненную
торфом или дерново-подзолистой супесчаной почвой, мало
изменило сопротивление. Только при добавке 10-15% к общему
объему слегка уплотненной почвы без ее перемешивания
появляются некоторые увеличения сопротивления.
Так, сопротивление торфа низинного древесно-осоково-
тростникового изменилось с 300 Омм до 380 Омм, а дерново-
подзолистой почвы - с 6,5 до 7,5 кОм-м, что явно не
соответствовало предполагаемым результатам. Причина видится в
том, что "влажностные мостики", по которым в основном
осуществляется проводимость тока, сохраняются вне
зависимости от поступления нефтепродукта, а поступающий
нефтепродукт вначале конвекционно проходит по занятым
воздухом порам, вытесняя его и практически не меняя
сопротивления почвы.
Затем, примерно в течение суток или полутора происходят
диффузионное вытеснение влаги, разрыв "влажностных токо-
168
проводящих мостиков" полярными жидкостями -
нефтепродуктами-загрязнителями, и сопротивление загрязненных почв резко
возрастает.
Представляется весьма существенным, что различные по
виду нефтепродукты имеют разные сопротивления при заполнении
почвы.
Другой особенностью применения методов ВЭЗ и НЭП
является поэтапное увеличение сопротивления при добавлении
нефтепродукта-загрязнителя в почву.
Так, если при 10-15% (1-1,5 л/дм3) загрязнителя
сопротивление превышает исходное сопротивление почвы (чистой) на
2000-3000 Омм, то при 20-30% (2-3 л/дм3) оно превышает
его уже на 40 000-50 000 Омм, дальнейшее добавление
нефтепродуктов до 40-50% (4-5 л/дм3) практически не влияет на
сопротивление.
Отметим, что наибольшее изменение сопротивления
достигнуто при добавлении смеси нефтепродуктов (модельной нефти),
хотя их количество в сумме соответствовало равному
количеству отдельных ингредиентов.
Полевые испытания модифицированного оборудования и
приборов с целью оценки различных видов загрязнений,
возникающих в процессе работы газоочистных комплексов,
проводились в Новом Уренгое Тюменской области на УКПГ-5.
Картина загрязнений весьма сложна, так как на небольшом
участке в 3-5 га не только встречаются различные типы (виды)
загрязнений нефтепродуктами (легкие фракции
нефтепродуктов, битумы, сточные воды очистки, конденсаты захоронения
(амбары) сточных вод и места выжигания отходов).
Исследуемый объект представляет собой территорию со сложным
рельефом, расчлененную ложбинами и речной сетью, с остаточной
мерзлотностью и пестрыми тундровыми образованиями.
Несмотря на описанные сложности, получены
однозначные результаты, свидетельствующие об успешном
использовании методов электрического сопротивления при
идентификации всех видов загрязнений, установлении ареалов их
распространения, трасс потоков, глубин наибольшей их локализации
и т.п.
Для загрязнений сточными водами характерны самые
низкие величины электрического сопротивления, поскольку воды
в той или иной степени вместе с загрязнением засолены. Состав
солей самый разный, но, судя по величине сопротивления,
общее засоление достигает 1-1,5%. Такой уровень засоления
легко идентифицируется по величине сопротивления от 20 до
60 Омм в зависимости от степени засоления (загрязнения); дан-
169
Таблица
Данные ВЭЗ почв (в Омм), загрязненных нефтепродуктами
Полуразнос
А Я/2, см
10
15
22
30
45
60
90
120
180
240
360
480
720
10 000
Полуразнос
А В/2, см
10
15
22
30
45
60
90
120
180
240
360
480
720
Точки зондирования
1
246
248
171
133
186
125
112
93
127
104
52
11
60
198
2
4800
9918
8024
1018
1027
-
-
56
-
4500
-
67
67
40
3
20
28
47
53
41
27
30
27
37
44
65
90
77
79
Точки зондирования
11
38 000
29 833
69 833
383 153
1 294 200
1010 722
54
47
4221
-
-
-
-
12
360
198
883
1270
802
3483
39
27
671
84
73
99
48
13
24
37
50
48
73
75
102
64
80
65
76
72
-
4
192
216
140
116
82
48
45
60
73
88
63
80
38
44
14
360
374
665
449
759
1208
1400
711
729
240
32
76
63
ные представлены в таблице. Такие величины сопротивления
встречаются при разных зондированиях на протоках сточных
вод: ВЭЗ 16, 3, 9, 5 (рис. 8.1, б). К примеру, ВЭЗ 16, где протока
формируется на некоторой глубине (судя по кривой ВЭЗ, на
глубине 30-35 см), величины сопротивления лишь на разносах
170
Точки зондирования
5
62
70
73
80
77
76
67
73
93
99
102
166
-
-
6
300
1440
2682
2064
2694
2365
2970
2810
6688
789
750
802
503
238
7
200
144
228
330
329
-
991
920
1614
2802
3368
5747
4782
1812
8
185
256
308
204
225
251
227
914
2126
1325
80 000
6174
315
210
9
200
500
462
546
616
674
656
599
605
2282
426
449
336
484
10
446
479
779
891
951
1074
1177
919
1030
377
231
128
47
-
Точки зондирования
15
1020
890
1036
1174
1069
1080
900
749
1329
996
1012
-
-
16
211
222
231
196
176
105
61
67
42
53
44
82
25
17
360
616
665
1177
778
601
535
592
709
451
547
374
252
18
343
202
227
413
295
368
543
529
588
378
222
269
201
19
И
12
15
28
22
26
47
59
117
184
341
612
529
20
628
-
1717
10 162
2191
922
1505
2235
-
2812
3291
3077
3291
100-120 см достигают весьма низких значений, порядка
30-50 Омм (см. таблицу).
Сопротивление в точках зондирования у разрезов 8 и 10 (ВЭЗ
3 и 5) имеет низкие величины уже с поверхности почвы. И, что
особенно важно, наименьшая величина сопротивлений присуща
171
ВЭЗ 19, затем ВЭЗ 5, затем ВЭЗ 3, ВЭЗ 1 и, наконец, ВЭЗ 16
(начало протоки).
Минимальное сопротивление у ВЭЗ 19 достигает 11-15 Омм,
а затем постепенно увеличивается до 40-50 Омм. Кроме того,
представляется весьма важным, что по ВЭЗ легко
идентифицируется глубина проявления загрязнения стоковыми водами.
Так, в разрезе 25 (ВЭЗ 1) верхняя часть профиля не
загрязнена или, что более верно, загрязнена в малой степени, тогда как на
глубине примерно 70-80 см наблюдается сильное загрязнение
(см. таблицу).
Аналогичная ситуация прослеживается и у начала протоки,
выходящей из озера-хранилища (амбара), где на глубине
30-40 см идентифицируется засоление (рис. 8.1, б). В самих
амбарах-хранилищах, где наряду с солями скапливается большое
количество илистых фракций, величины сопротивлений,
естественно, весьма низкие (ВЭЗ 3, 9, 5).
Подробно эти изменения легко проследить по изоомным
линиям почвенно-электрических профилей, например проток
засоленных вод, где изоомы < 25 Омм очерчивают зоны
наибольшего скопления загрязняющих сточных вод.
Тщательный анализ кривых ВЭЗ и почвенно-электрических
профилей позволяет сделать заключение о том, что
описываемый вид загрязнения идентифицируется по глубине. Иными
словами, в реалии загрязнение сточными водами по глубине имеет
более широкий ареал распространения, чем на поверхности, и,
по-видимому, в ряде случаев распространяется по мерзлотному
горизонту. Границы распространения ареалов на той или иной
глубине легко и просто идентифицируются по графикам
электропрофилирования.
Так, в профиле через протоку у озера-хранилища сточных
вод на разносе 1,2 м четко определяются границы протоки, что
совпадает с результатом оценки границ органолептическими
методами, а в ряде случаев и уточняет их.
Особенно привлекательным в этом отношении
представляется профиль, измеренный от 17-го разреза к 1-му и далее от
водораздельного бугра к центральному разрезу с целью выбора мест
отбора образцов на химическое определение углеводородов. На
кривых профилирования с разносом А В/2 = 120 см, что
обеспечивает глубину 30-40 см, четко просматриваются различные
уровни загрязнения стоковыми водами и нефтепродуктами. На
расстоянии 5-7 м от 17-го разреза обнаружены наиболее высокий
уровень загрязнения (в т. 1) и минимальное сопротивление
10-15 Омм); затем на переходе к бугру, где растительность не
несет следов загрязнения (в т. 2), сопротивление возрастает до
172
1200 Омм, т.е. увеличивается на два порядка, что позволяет еще
в поле "отбивать" границы.
При переходе к новой (вторичной), менее выраженной
протоке загрязнения сопротивление вновь резко уменьшается, но
уже только до 100-120 Омм, а потом при переходе к
ненарушенному участку водораздельного бугра достигает нескольких тысяч
Омм. Границы перехода к основному незагрязненному (фоновому)
массиву довольно растянуты.
Незагрязненные участки тундры имеют сопротивление
1000-2000 Омм.
Если проследить изменение сопротивления в профиле через
протоку из озера-амбара сточных вод без нефтепродуктов, то
основное отличие видится в том, что здесь сопротивления
минимальны, что свидетельствует о меньшей засоленности сточных
вод, - по-видимому 0,3-0,4%, а возможно и меньше. Все
описанные закономерности особенно хорошо прослеживаются на
графике в логарифмическом масштабе.
При переходе к "задавленному" (засыпанному) амбару
сопротивление снижается до 120-150 Омм, тогда как вся площадь
захороненного амбарного массива, через который проходит
профиль, имеет сопротивление 400-900 Омм, и лишь на участках с
торфом оно достигает 1000-2000 Омм, что свидетельствует об
их чистоте.
В профиле с берега реки к урезу воды фоновые,
относительно незагрязненные участки имеют сопротивление 300-
1000 Омм.
С целью проследить разный уровень загрязнения самих
стоковых вод в сравнении с загрязнением воды в реке или в
протоках из амбаров было заложено два профиля:
1. Профиль с берега реки к урезу воды.
2. Профиль вдоль стока ручья из амбара у основной трубы
сброса сточных вод.
Загрязненные участки и вода в загрязненной реке имеют
сопротивление 80-100 Омм. Причем сравнение величин
сопротивления воды в реке (R = 80-100 Омм) и сопротивления воды в
устье стокового ручья при впадении в эту реку (R - 50 Омм)
свидетельствует о том, что вода в ручье загрязнена значительно
больше (в 1,2-1,5 раза).
Загрязнение легкими фракциями нефтепродуктов также легко
идентифицируется методами сопротивления. Фоновые значения
сопротивления вне пятна загрязнителя составляют 1200-1500 Омм,
а сопротивления на пятне достигают 4000-45000 Омм.
Загрязнение битумными фракциями нефтепродуктов
увеличивает сопротивление до 1,2-106 Омм (см. рис. 8.1, в).
173
Метод НЭП также позволяет идентифицировать нефтяные
загрязнения, но более крупных структур. При другом, более
детальном опробовании вычленяются и самые мелкие структуры,
но все же такой детальности, как при ВЭЗ или особенно при
профилировании контактным способом, методом НЭП достигнуть
не удается.
Например, при детальном непрерывном электрическом
профилировании хорошо идентифицируются и протока сточных вод
без нефтепродуктов, и менее засоленные бугры в амбарах, а
также задавленные амбары.
Таким образом, методы электрического сопротивления
позволяют детально изучать различные виды загрязнений
нефтепродуктами и сточными водами.
1. Модифицированные специально для полевых и
лабораторных условий приборы вертикального электрического
зондирования и непрерывного электропрофилирования позволяют
успешно изучать загрязнения нефтепродуктами.
2. В лабораторных условиях детально исследованы
зависимости электрического сопротивления от ряда нефтепродуктов
(ацетон, бензин, керосин, дизельное топливо, смазочное масло,
отработанное двигательное масло, солидол + бензин и "модельная"
нефть) и их процентное содержание в почве как основных
загрязнителей.
Электрическое сопротивление непосредственно зависит от
вида и количества загрязнителя в почве. Методом ВЭЗ можно
устанавливать глубину проникновения
нефтепродукта-загрязнителя. Методом электропрофилирования легко идентифицируются
ареалы распространения загрязнителя и места их наибольшей
локализации.
3. Установлено, что различные виды загрязнителей
по-разному влияют на величину электрического сопротивления, как
основного измеряемого параметра, и всегда отличаются от
сопротивления смежных незагрязненных фоновых территорий:
а) загрязнение сточными водами снижает сопротивление до
40 Омм и даже (при сильном загрязнении) до 10 Омм;
б) при загрязнении сточными водами с нефтепродуктами
сопротивление в общем случае выше, чем при загрязнении только
сточными водами, и достигает 100-150 Омм;
в) загрязнения легкими фракциями нефтепродуктов
увеличивают (как и при лабораторных испытаниях) сопротивление
почвы до 5000 Омм по сравнению с фоновыми участками,
имеющими сопротивление 1200-1500 Омм;
г) загрязненные битумами участки отличаются по
сопротивлению от фоновых участков на 3-4 порядка.
174
4. Почвенно-структурная организация загрязнений легко
вычленяется как контактными методами постоянного поля -
зондированием и электропрофилированием, так и бесконтактными
методами, например непрерывным электромагнитным
профилированием.
Методы ВЭЗ, ЭП, НЭП можно успешно применять для
идентификации, установления границ и картирования мест
загрязнения нефтепродуктами и продуктами комплексной переработки
газа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результатом проведенных исследований является
теоретическое обоснование использования стационарных электрических
полей и электрофизических методов в практике почвенных
обследований и мониторинговых наблюдений.
В этом направлении выполнены теоретические разработки
по изучению поведения электрических параметров, проведенные
на основе фундаментальных законов электромагнетизма.
Получены экспериментальные данные электрических параметров
реально функционирующих почв различных зон: гумидной и
аридной с разной степенью выраженности процессов, определяющих
специфику почв.
Для получения экспрессных данных с целью использования
необходимой информации при почвенно-мелиоративных
обследованиях разработаны или модифицированы в опытном
варианте приборы для методов: естественного электрического поля,
вертикального электрического зондирования и
электромагнитного профилирования почв.
Разработаны методики применения полевой электрофизики
почв с целью использования ее при решении различных задач
почвенно-мелиоративного обследования и мониторинга.
Основной и наиболее важной задачей этих подходов и
методов является получение объективной информации, необходимой
при почвенных обследованиях, без нарушения почвенного
покрова, на любой глубине, без закладки разрезов, бурения скважин и
отбора образцов или при значительном сокращении их числа.
Важнейшим моментом научно обоснованного и широкого
использования методов полевой электрофизики является
теоретическое обоснование их применимости в
приповерхностных слоях, т.е. на малых глубинах, начиная с первых десятков
сантиметров до 5 м, а иногда и более. В этом направлении нами
наряду с теоретическими разработками получены экспериментальные
данные, обосновывающие справедливость таких подходов.
176
Учитывая статистически достоверные и специфические
величины электрических параметров для почв разного генезиса,
методы полевой электрофизики можно широко применять для
решения многих задач мелиорации, почвоведения и
экологического мониторинга:
1. Крупномасштабное и детальное почвенно-мелиоративное
картирование комплексных территорий. Наиболее
перспективными и эффективными в этом случае следует признать
бесконтактные методы непрерывного электромагнитного
профилирования и горизонтального электрического профилирования на
постоянном токе, которые, напомним, позволяют получать
информацию на любой глубине без бурения скважин, проводя
измерения лишь с поверхности почвы. Полученные этими методами
картосхемы ряда торфяных массивов Карелии и Центрального
Нечерноземья, скелетных песчаных, засоленных и других почв
не только упростили и ускорили картирование, но дали также
дополнительную информацию, позволившую объективно выбрать
точки бурения скважин, определить места закладки почвенных
разрезов, полигонов для всевозможных мониторинговых
наблюдений и т.п.
2. Методы полевой электрофизики позволяют определять
мощности горизонтов и слоев самого разного генезиса и состава
в самых разных почвах. Успех здесь во многом обусловлен
различием в величинах электрических параметров. Ошибки таких
определений не превышали 6,2-11,5%.
3. Накоплен опыт использования методов полевой
электрофизики для изучения, оценки и идентификации
гидрологической обстановки мелиорированных или подлежащих
мелиорации почв.
Для мелиоративных и земледельческих целей, как в гумид-
ной, так и в аридной зонах, методами полевой электрофизики
решен широкий спектр вопросов по изучению и расчленению почв
и грунтов на стратиграфические слои разного состава,
выделению прослоек, идентификации водоносных и водоупорных
горизонтов и многое другое. Этими методами также выявлены места
запитки и разгрузки подземных вод, гидравлическая связь
напорных грунтовых вод, связь подземных вод с приповерхностными,
определены направление и скорость фильтрации подземных
потоков, их трассы и т.п.
При почвенных обследованиях методами электрофизики
решается целый комплекс задач, к которым относятся
картирование, мониторинг изменения свойств почв (в том числе иссушения
и увлажнения), определяется глубина залегания грунтовых вод,
промерзания-оттаивания и др.
12 Поздняков А. И
177
Как видим, комплекс решаемых задач весьма широк,
несмотря на сложную почвенную, грунтовую, геологическую,
гидрогеологическую и гидродинамическую обстановки.
4. Метод ВЭЗ позволяет оценивать степень окультуренности
торфов при формировании торфяных почв, определять глубины
окультуренных горизонтов дерново-подзолистых почв,
некоторые их особенности и ряд физических и химических свойств.
Точность оценки относительно высока (не менее 10-15%) и вполне
достаточна для практических целей.
5. Определение глубины иссушения торфяных почв
методом ВЭЗ, проведенное в сухой вегетационный период 1995 г.,
показало возможность ее оценки с точностью до 7-9%.
Попытки определения глубины залегания грунтовых вод на
торфяниках гумидной зоны не увенчались успехом, так как эпюра
распределения влажности в торфяных почвах гумидной зоны не
определяется положением грунтовой воды, к тому же
достаточно большая (40-60 см) капиллярная кайма и неглубокое
залегание самих грунтовых вод сводят на нет такие попытки.
Успешное применение методов полевой электрофизики с целью
определения уровня грунтовых вод оказалось возможным лишь в
аридных регионах.
6. Наблюдения методами полевой электрофизики за
влажностью при достаточной иссушенности торфяных почв в зоне
действия закрытых дренажных систем позволили также установить
различия в картинах ее распределения в зоне действия дрен
разного устройства.
7. Метод ВЭЗ позволяет оценить глубину, динамику и
неоднородность промерзания и оттаивания торфяников и торфяных
почв при постоянном размещении установки зондирования под
снежным покровом, а также обнаружить линзы остаточного
промерзания после весеннего оттаивания.
Особые успехи этих методов отмечены при мониторинговых
наблюдениях, так как они позволяют проводить измерения без
нарушения почв длительное время в одних и тех же точках.
Автор уверен, что будут находиться все новые и новые
области применения полевой электрофизики в почвоведении и с ее
помощью решаться важные задачи почвоведения,
мелиоративного земледелия и мониторинга.
ЛИТЕРАТУРА
Лбрукова ВВ., Воронин А.Д., Капинос В Л. и др. Учебное
руководство к полевой практике по физике почв. М.: Изд-во МГУ, 1988. 128 с.
Айдаров И.П. Регулирование водно-солевого и питательного
режимов орошаемых земель. М.: Агропромиздат, 1985. 275 с.
Айдаров И.П. Экологические проблемы мелиорации засоленных
земель // Почвоведение. 1995. № 1. С. 93-99.
Берг Л.С. Уровень Каспийского моря за историческое время //
Очерки по физической географии М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1949.
389 с.
Берлинер М.А., Долгополое Н.Н. Электрическое определение
солесодержания почв и грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1954.
57 с.
Боровинская Л.Б., Воронин АД. Ускоренный метод
интерпретации двухслойных кривых вертикального электрического зондирования
// Вестн. МГУ. Сер. 17, Почвоведение, 1978. № 1. С. 43-54.
Боул С, Хоул Ф., Мак-Крекен Р. Генезис и классификация почв.
М.: Прогресс, 1977. 388 с.
Вадюнина А.Ф. К оценке электропроводности как метода
определения влажности почв // Почвоведение. 1937. № 3. С. 38-43.
Вадюнина А.Ф. Использование электрических параметров в
диагностике и технологии засоленных почв // Тез. докл. Всесоюз. совещ.
"Совершенствование приемов и методов мелиорации солонцовых
почв". Ростов н/Д, 1976. С. 12-14.
Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических
свойств почв и грунтов. М.: Высш. шк., 1973. 258 с.
Вадюнина А.Ф., Поздняков A.M. О причинах формирования
естественного электрического поля в почве и его природе // Почвоведение.
1977. № 3. С. 34-42.
Вадюнина А.Ф., Кириченко А.В., Хан К.Ю. Картирование и
контроль засоления по удельному электрическому сопротивлению // Повы-
779
шение эффективности использования мелиорируемых земель в
Сибири. Красноярск, 1976. С. 32-34.
Вадюнина А.Ф., Кириченко Л.В., Проценко А. А., Силева Т.М.
Электрические свойства темно-каштановой почвы // Вестн. МГУ.
Сер. 17, Почвоведение, 1986. № 4. С. 12-16.
Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном
токах. Л.: Недра. 1965. 325 с.
Владыченский С .А. Почвенно-мелиоративная характеристика Вол-
го-Ахтубинской поймы и Волжской дельты: Дис. ... д-ра биол. наук. М.:
Изд-во МГУ, 1955. 524 с.
Воронин АД. Основы физики почв. М.: Изд-во МГУ, 1986. 235 с.
Герасимов И.П., Глазовская М.А. Основы почвоведения и
географии почв. М.: Географгиз, 1960. 428 с.
Головцин В.Н. О возможности применения электроразведки для
решения некоторых гидрогеологических задач в карстовых районах
Каховского гидростроительства // Тр. геол. фак. КГУ, 1953. Т. 12,
вып. 4, № 4. С. 12-23.
Горбунова Р.Г. Электрометрический метод анализа водных
вытяжек и грунтовых вод // Почвоведение. 1970. № 5. С. 18-21.
Грингоф И.Г., Гридасов В.Ф., Набиев Х.Р. Проблемы влагометрии
в практике обеспечения сельского хозяйства страны // Использование
современных технических средств по влагометрии в практике
обеспечения сельскохозяйственного производства: Докл. Всесоюз. конф.
Кишинев, 1987. Л.: Гидрометиздат, 1989. С. 54-62.
Дахнов В.Н. Электрическая разведка постоянным током: Метод
сопротивлений Ч. 1. Теория. Л.; М.: ГТИНП, 1933. 342 с.
Дахнов В.Н. Электрическая разведка нефтяных и газовых
месторождений. М.: Гостоптехиздат, 1953. 563 с.
Дахнов В.Н. Электроразведка в системе геофизических методов
разведки нефтяных и газовых месторождений М.: Гостоптехиздат.
1967а. 321 с.
Дахнов В.Н. О зависимости диффузно-адсорбционной активности
песчано-глинистых пород от их глинистости и пористости // Тр. МИНХ
и ГП. М.: Недра. 19676. Вып. 67. С. 23-31.
Демидович О.А. Опыт применения электрических методов при
разведке пресных вод в условиях полупустыни // Разведка и охрана недр.
1956. № 9. С. 23-30.
Заборовский А.И. Электроразведка. М.: Гостоптехиздат, 1963. 228 с.
Зайдельман Ф.Р. Мелиорация заболоченных почв Нечерноземной
зоны РСФСР. М.: Колос, 1982. 168 с.
Зайдельман Ф.Р., Тюльпанов В.И., Ангелов Е.Н., Давыдов А.И.
Почвы мочарных ландшафтов - формирование, агроэкология и
мелиорация. М.: Изд-во МГУ, 1998. 168 с.
180
Знаменский В.В. Полевая геофизика. М: Недра, 1980. 358 с.
Знаменский В.В., Жданов М.С, Петров Л.П. Геофизические
методы разведки и исследования скважин. М.: Недра, 1981. 381 с.
Иванов СА. Опыт применения электроразведки для
сельскохозяйственного водоснабжения // Гидротехника и мелиорация. 1960. № 2.
С. 34-41.
Инишева Л.И. Почвенно-экологическое обоснование комплексных
мелиорации. Изд-во ТГУ, 1992. 266 с.
Карпачевский Л.О., Поздняков A.M., Строчков А.Я.
Электрическое сопротивление некоторых почв гумидной зоны // Почвоведение.
1983. № 1.С. 45-54.
Каштанов А.Н., Заславский М.Н. Почвоводоохранное земледелие.
М.: Россельхозиздат, 1984. 146 с.
Каштанов А.Н., Явтушенко В.Е. Агроэкология почв склонов. М.:
Колос, 1997. 239 с.
Кипнис ВМ. Электрические параметры почв солонцового
комплекса и их использование при почвенно-мелиоративной диагностике: Авто-
реф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1977. 26 с.
Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. М.: Колос,
1996. 365 с.
Копикова Л.П. Изучение электрической проводимости почв и по-
ровых растворов в целях диагностики засоления: Автореф. дис. ... канд.
биол. наук. М., 1984. 28 с.
Краев А.П. Основы геоэлектрики. М.: Недра, 1965. 566 с.
Лыч A.M., Лис Л.С. Электрофизические свойства торфа и их
практическое применение. Минск: Наука и техника, 1980. 174 с.
Маслов Б.С. Мелиорация и охрана природы. М.: Россельхозиздат,
1985. 271 с.
Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. М.: Изд-во МГУ,
1988. 283 с.
Нерпин СВ., Чудновский А.Ф. Физика почв. М.: Наука, 1967. 483 с.
Панин П.С, Елизарова Т.Н., Шкаруба A.M. Генезис и мелиорация
солонцов Барабы. Новосибирск: Наука, 1977. 173 с.
Панников В.Д., Минеев ВТ. Почва, климат, удобрения и урожай.
М.: Агропромиздат, 1987. 512 с.
Парфенова Н.И., Решеткина Н.М. Экологические принципы
регулирования гидрогеохимического режима орошаемых земель. СПб.: Ги-
дрометеоиздат, 1995. 359 с.
Парфенова Н.И., Решеткина Н.М., Макарычева Е.А. и др.
Оценка экологического состояния Прикаспийского региона при
мелиоративном воздействии. М.: Россельхозиздат, 1997. 179 с.
Перкинс Ф.М. Зависимость удельного сопротивления
песчаников от характера заполнения порового пространства насыщающей
181
его водой // Промысловая геофизика. М.: Гостоптехиздат. 1959,
вып. 1. С. 82-87.
Поздняков A.M. Энергетические взаимоотношения в
сопряженном катенно-ландшафтном ряду почв // Тез. докл. Всесоюз. конф.
"Почвы речных долин и дельт, их рациональное использование и
охрана". М: Изд-во МГУ, 1984. 12 с.
Поздняков Л.И., Хан К.Ю. Использование методов постоянных
электрических полей в почвенных исследованиях // Почвоведение.
1979. № 7. С. 57-65.
Поздняков Л.И., Позднякова Л.А., Позднякова АД.
Стационарные электрические поля в почвах. М.: КМК SCIENTIFIC PRESS,
1996, 358 с.
Поздняков A.M., Позднякова Л. A., Jlonec де Геренъю В.О.
Диагностика и наземный мониторинг почв аридных регионов
электрическими методами: Матер, междунар. конф. "Почвенные ресурсы
Прикаспийского региона и их рациональное использование в
современных социально-экономических условиях". С. Соленое займище
Астраханской обл. 7-12 сентября 1994. С. 37-39.
Позднякова Л .А. Удельное электрическое сопротивление -
параметр оценки физико-химического состояния торфяных почв.:
Матер. VII Междунар. науч.-технич. конф. "Физикохимия торфа
и сапропеля. Проблемы их переработки и комплексного
использования". Пос. Радченко Тверской обл., 31 мая - 2 июня 1994.
С. 56-58.
Позднякова А.Д., Поздняков A.M., Сибулъ Р.А. Опыт
применения интерпретации данных вертикального электрического
зондирования дерново-подзолистых и торфяных почв // Проблемы
сельскохозяйственного освоения торфяных месторождений ЦТБОС. 1982.
Вып. 6. С. 67-72.
Раисов О.Ж. Зависимость удельного сопротивления лугово-серо-
земного солончака от температуры // Вестн. МГУ. Сер. Биология,
почвоведение. 1973. № 3. С. 12-16.
Раисов О.Ж. Агрофизические, электрические и мелиоративные
свойства почв северо-западной части Казахстана: (на примере Уле-
тинского совхоза Уральской области): Автореф. дис. ... канд. биол.
наук. М., 1974.30 с.
Раисов О.Ж. Микровертикальные электрические зондирования
при почвенных исследованиях // Науч. тр. Саратовского с/х ин-та.
1976. Вып. 74. С. 17-19.
Рогозов Г.Г. Определение активной влажности грунтов методом
электрокаротажа в условиях инфильтрации влаги // Применение
математического и физического моделирования в мелиорации. Л.:
Метеоиздат, 1977. С. 127-134.
182
Савин В.И. Комплексная оценка подвижности ионов в почве //
Особенности почвенных процессов дерново-подзолистых почв. М.:
Сельхозиздат, 1977. С. 34-37.
Семенов Л.С. Влияние структуры на удельное сопротивление
агрегатов // Геофизика. 1948. Вып. 12. С. 46-51.
Семенов Л,С. Электроразведка методом естественного
электрического поля. Л.: Недра, 1974. 357 с.
Ткаченко Ю.Г. Исследование электрических свойств некоторых
типов почв в диапазоне почвенной влаги: Автореф. дис. ... канд. биол.
наук. М., 1972. 24 с.
Федынский В.В. Разведочная геофизика. М: Недра, 1967. 126 с.
Федотов Г.Н., Поздняков А.И. Некоторые методические аспекты
изучения электрической активности почв // Актуальные пробл.
естествознания. 2001. № 2. С. 32-35.
Фокин АД. Задачи и методы полевых органо-балансовых
исследований // Почвоведение. 1984. № 8. С. 78-84.
Фролов П.М., Павеля А.П., Кириллов Р.Н., Анашин Ю.Ф.
Использование геофизических методов для поисков пресных
подземных вод в аридных зонах // Разведка и охрана недр. 1969. № 7.
С. 112-119.
Хан К.Ю. Картирование засоленных почв методом
микровертикального электрического зондирования (МКВЭЗ) // Основные
проблемы охраны почв. М: Изд-во МГУ, 1975. С. 23-28.
Хан К.Ю. Электрическое сопротивление и естественные
электрические потенциалы почв светло-каштанового и черноземно-
лугового комплексов.: Афтореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1977.
32 с.
Хан К.Ю., Кириченко А.В. Электросопротивление почв
солонцового комплекса в полевых условиях // Вестн. МГУ. Сер. Биология,
почвоведение. 1976. № 5. С. 87-94.
Хмелевский В.К. Применение микровертикального зондирования в
гидрогеологических изысканиях // Вестн. МГУ. Сер. Геология. 1973.
№ 1.С. 102-107.
Хмелевский В.К. Краткий курс разведочной геофизики. М.: Изд-во
МГУ. Ч. 1. 1979. 193 с.
Шеин Е.В., Капинос В.А. Задачник по физике почв. М.: Изд-во
МГУ, 1994. 56 с.
Шлюмберже К. Подземная электрическая разведка. М.: Госгориз-
дат, 1932.
Gupta S.C., Hanks R.J. Influence of water content in electrical
conductivity of the soil // Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 1979. Vol. 38. P. 855-857.
Halvorson A.D., Rhoades I.D. Assessing soil salinity and identifying
potential saline-seep areas with field soil resistance measurements // Ibid. 1974.
Vol. 38. P. 576-581.
183
Ha Ivor son A.D., Rhoades ID. Field mapping soil conductivity to delineate
dryland saline seeps with fourelectrode technique // Ibid. 1976. Vol. 40.
P. 621-633.
Ha Ivor son A.D., Rhoades I.D., Reule С Л. Soil salinity - fourelectrode con-
dactivity relationships for soils of the Northern Great Plans // Soil Sci. Soc.
Amer. J. 1977. Vol. 41, № 5. P. 48-51.
Nadler Д., Dasherg S. A comparison of different methods for measuring
soil salinity // Ibid. 1980. Vol. 44, № 4. P. 121-125.
Rhoades J.D., Mantenhi N.I., Shouse P.J., Alves WJ. Estimating soil
salinity from saturated soilpaste electrical conductivity // Ibid. 1989. № 4.
P. 213-219.
Wenner F. A method of measuring earth resistivity. U.S.Dept. Com. Bur.
Standards Sci. Pater, 1916. 128 p.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 6
Глава 1
Теоретические аспекты полевой электрофизики почв
1.1. Электрические параметры основных типов почв 15
1.2. Зависимость электрических параметров почв от физических
факторов 23
Глава 2
Методы полевой электрофизики почв
2.1. Измерение естественного электрического поля почв 31
2.2. Горизонтальное и площадное электропрофилирование 36
2.3. Вертикальное электрическое зондирование почв 39
2.4. Непрерывное электромагнитное профилирование 43
2.5. Интерпретация (анализ) кривых вертикального
электрического зондирования 49
Глава 3
Полевая электрофизика в почвоведении и мелиорации
гумидной зоны
3.1. Общие положения использования методов полевой
электрофизики для комплексного обследования и картирования почв 51
3.1.1. Общие положения использования электрических
параметров для комплексного мелиоративного обследования почв
и крупномасштабного картирования 52
3.1.2. Закономерности электрического сопротивления почв
гумидной зоны 55
3.1.3. Связь электрического сопротивления с морфологией и
химическими свойствами оглеенных дерново-подзолистых
почв 64
3.2. Рекомендации для почвенного, почвенно-мелиоративного
обследований и картирования почв гумидной зоны методами
полевой электрофизики 69
185
3.2.1. Крупномасштабное картирование торфяных и дерново-
подзолистых почв гумидной зоны с применением
электрических параметров 69
3.3. Использование электрофизических методов для оценки
гидрологической обстановки при мелиоративных обследованиях 81
3.3.1. Установление трассы и мест разгрузки потоков методом
естественного электрического поля 82
3.3.2. Определение зон выклинивания напорных жестких
грунтовых вод методом НЭП 85
3.3.3. Определение направления и скорости фильтрации
грунтовых вод посредством электрических измерений 85
3.4. Использование электрофизических методов в почвенно-агро-
химических обследованиях и картировании 87
3.5. Использование электрофизических методов при почвенно-
эрозионном обследовании почв склонов 93
Глава 4
Методические подходы к использованию полевой
электрофизики на черноземах
4.1. Характеристика электрического сопротивления черноземов
Воронежской области 100
4.2. Использование электрофизических методов при исследовании
черноземов юга России и Украины 106
Глава 5
Методические подходы к применению полевой электрофизики
для почвенных исследований в аридной зоне
5.1. Почвенно-мелиоративное картирование и обследование почв
в аридной зоне 123
5.1.1. Определение уровней залегания грунтовых вод и
процессов подтопления методами ВЭЗ и НЭП Таболинского и
Гандуринского полигонов 124
5.1.2. Исследования глубин залегания грунтовых вод и
процессов подтопления методами ВЭЗ и НЭП в г. Астрахани 127
5.2. Оценка степени засоления почв методами ВЭЗ и НЭП 130
5.3. Исследование почв Джизакской области Узбекистана
электрофизическими методами 133
Глава 6
Использование методов полевой электрофизики
при исследовании малопродуктивных каменистых
и песчаных почв
6.1. Рекомендации по проведению картирования
малоплодородных скелетных почв 141
6.2. Оценка пригодности песчаных почв юга Украины под
культуры длительного пользования 145
186
Глава 7
Многоцелевой экологический мониторинг ландшафтов
с использованием полевой электрофизики почв
7.1. Методология мониторинга с использованием полевой
электрофизики 149
7.1.1. Мониторинговые наблюдения за промерзанием
дерново-подзолистых и торфяных почв 149
7.2. Определение глубины иссушения торфяных и
дерново-подзолистых почв методом ВЭЗ 153
7.2.1. Динамика влажности и сопротивления при иссушении
торфяных почв 154
7.2.2. Динамика влажности и сопротивления
дерново-подзолистых почв 157
7.3. Использование методов электрического сопротивления при
изучении накопления болотных газов в естественных торфяных
массивах 158
Глава 8
Экологический мониторинг нефтяных загрязнений
методами полевой электрофизики
Заключение 176
Литература
179
Научное издание
Поздняков
Анатолий Иванович
ПОЛЕВАЯ
ЭЛЕКТРОФИЗИКА
ПОЧВ
Зав. редакцией
А. А. Фролова
Редактор
Л.С. Аюпова
Художник
А.В.Лебедев
Технический редактор
М. К. Зарайская
Корректоры
А.Б. Васильев, О.Е. Русакова
ИД № 04886 от 28.05.2001
Налоговая льгота -
общероссийский классификатор продукции
ОК-005-93, том 2; 953000 - книги, брошюры
Подписано к печати 27.11.2001
Формат 60x90 Vi6- Гарнитура Тайме
Печать офсетная
Усл.печ.л. 12,0. Усл.кр.-отт. 12,0. Уч.-изд.л. 11,8
Тираж 300 экз. Тип. зак. 4490
МАИК "Наука/Интерпериодика"
117997 Москва, Профсоюзая ул., 90
E-mail: compmg@maik.ru
web-site:http://www.maik.ru
Санкт-Петербургская типография "Наука"
199034, Санкт-Петербург В-34, 9-я линия, 12