Введение к работе
Актуальность темы. Современное социально-экономическое развитие региона напрямую зависит от развитой транспортной инфраструктуры. Практически все крупные линейные инженерные сооружения (нефте- и газопроводы, железные и автомобильные дороги, линии электропередачи, системы водоснабжения и пр.) пересекают разнообразные водные объекты, в том числе участки водных переходов крупных рек. Трубопроводы относятся к объектам повышенной экологической опасности. Особо уязвимы подводные речные переходы, где на трубопровод воздействуют русловые процессы. Возможные последствия с выбросом нефти на речных переходах по степени тяжести несопоставимы с авариями на суше, поскольку зона аварийного поражения охватывает все аспекты среды обитания человека. В связи с этим детальное изучение русловых процессов, процессов формирования и переноса донных отложений, а также пространственно-временных закономерностей распределения речного стока являются актуальными задачами при проектировании, строительстве и эксплуатации линейных инженерных сооружений на участках водных переходов.
В настоящее время активно развиваются дистанционные методы изучения гидрогеологических сред, в которых метод подповерхностной радиолокации хорошо зарекомендовал себя при изучении водных объектов суши. Основными организациями, разрабатывающими серийные георадары для исследования поверхностных вод суши, являются: ООО «Логис» (г. Раменское, Московская область), Geophysical Survey Systems, Inc. (США) марка "SIR", «Sensor&Softwear» (Канада), «Radar Inc.» (Латвия) и др. Исследования в области подповерхностной радиолокации рек и пресноводных водоемов отражены в работах разных лет Финкелыптейна М. И., Золотарёва В. П., Калинина В. В., Копейкина В. В., В ладова М. Л., Старовойтова А. В., Омельяненко А. В., Крылова С. С, Боброва Н. Ю., Пятиловой А. М., а также в работах зарубежных ученых Cook J. С, Waite А. Н., El-Said М. А. Н., Evans S., Houck R. Т., Toth Т. и других авторов. В то же время существует необходимость разработки методики и аппаратного обеспечения специально для изучения глубоководных водоемов, а также донных отложений крупных рек в экстремальных северных условиях. Метод подповерхностной радиолокации при исследовании геологических сред принято называть «георадиолокацией», для изучения водных объектов в контактном и погружном вариантах целесообразно применять термин «гидрорадиолокация».
В диссертации решаются актуальные научно-технические задачи повышения эффективности гидрорадиолокационного изучения водных объектов суши с целью обеспечения гидроэкологической безопасности территории и хозяйственных объектов при строительстве и эксплуатации водных переходов линейных инженерных сооружений, а также прогнозирования возникновения наводнений и паводковых ситуаций в пределах затороопасных участков русел на примере сибирских рек.
Основная идея работы заключается в использовании эффекта смещения спектра частот зондирующих сигналов при контактной и погружной гидрорадиолокации водных объектов суши для оптимизации параметров гидрорадиолокатора.
Цель работы - повышение эффективности гидрорадиолокационных исследований донных отложений водных объектов суши посредством разработки и реализации способа и методики погружной гидрорадиолокации.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Исследовать влияние электропроводности погружного раствора на процесс формирования спектра гидрорадиолокационного сигнала антеннами, погруженными в раствор.
-
Установить допустимые пределы спектров частот гидрорадиолокаторов для исследований водоемов с естественной минерализацией.
-
Разработать методику гидрорадиолокационной съемки для повышения эффективности и достоверности исследования дна и донных отложений водных объектов суши.
-
Разработать методические приемы гидрорадиолокационных измерений для обнаружения линейных инженерных сооружений (трубопроводов, затопленных металлических конструкций и др.), проложенных по дну, и погребенных в донных отложениях на участках речных переходов.
Объект исследования: дно и донные отложения рек и пресноводных водоемов.
Содержание исследований: анализ и обобщение опубликованных источников, лабораторные, опытно-методические и экспериментальные работы, обработка, интерпретация и представление данных измерений натурных объектов с использованием программных продуктов GeoScan_32, AutoCad, Surfer и др.
Защищаемые положения:
-
Способ гидрорадиолокации водных объектов суши, основанный на экспериментально установленных пределах смещения спектров частот зондирующих сигналов, формируемых антеннами, расположенными в водной среде.
-
Методика гидрорадиолокации, отличающаяся нормированным погружным расположением антенн для использования водной поверхности в качестве естественного диэлектрического рефлектора, позволяющая эффективно исследовать структурные особенности дна и донных отложений, выявлять и прослеживать подводные и заглубленные в дно трубопроводы и другие линейные инженерные сооружения речных переходов.
Научная новизна:
1. Впервые экспериментально установлены пределы смещения спектров частот гидрорадиолокаторов при зондировании водной среды с различной минерализацией и обоснованы параметры приемных трактов гидрорадиолокаторов со сдвигом спектра частот для повышения
эффективности исследований при изучении водных объектов суши и происходящих в них процессов.
-
Для повышения достоверности исследований водных объектов суши при применении метода погружной гидрорадиолокации предложено экспериментально настраивать глубину расположения антенн с целью использования водной поверхности в качестве естественного диэлектрического рефлектора, что в 1,6 раза повышает энергию сформированного зондирующего сигнала.
-
Экспериментально обоснован критерий соотношения равноглубинных амплитуд для оценки характеристик дна водоема.
-
Установлена возможность повышения точности результатов гидрорадиолокационных исследований путем обработки сигналов по предложенной методике триангуляции трех пересекающихся профилей, что особенно актуально при изучении пространственно-временных закономерностей распределения речного стока на реках с высокими скоростями течения.
-
Обоснован амплитудно-частотный спектральный критерий для идентификации обводненных пород донных отложений, к примеру, аллювиальных, по смещению спектра частот.
-
Выявлен критерий обнаружения карстовых образований по нарушенности осей синфазности принимаемых сигналов .
-
Экспериментально установлено, что при зондировании гидрорадиолокатором со смещенными спектрами частот с обводненной поверхности влажного грунта увеличивается глубинность исследований за счет смещения спектра зондирующего сигнала в сторону низких частот.
Достоверность полученных автором результатов обеспечивается: большим объемом экспериментальных и натурных измерений, полученных с применением специализированной методики исследований; разработкой методики исследований, обработкой и интерпретацией материала, подтвержденного значительным объемом заверочного бурения; независимой экспертной оценкой супервайзера, которым проведены контрольные и заверочные работы с использованием GPS привязки координат на триангуляционных участках наблюдений речного перехода магистрального нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий Океан (ВС - ТО) через р. Лена.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты экспериментальных исследований позволили обосновать разработку специализированной гидрорадиолокационной аппаратуры с двойным спектром регистрируемых частот. В результате, с применением разработанной методики измерений, регистрации и обработки сигналов, получены положительные и достоверные результаты исследования дна и донных отложений на стадии изысканий под строительство на участке речного перехода нефтепровода ВС-ТО, на речном (р. Лена) переходе магистрального газопровода (г. Якутск), на стадии выбора оптимального участка под строительство совмещенного железнодорожного моста через р. Лена.
Основная часть исследований по теме диссертации имеет целевую практическую направленность, выполнена в рамках Госбюджетной НИР ИГДС СО РАН VII.60.4.2 №01.2.010 50749 (2010-2012 гг.) и следующих Государственных контрактов: ГК №1.10.12 «Исследование возможности георадиолокации донных отложений речных водоемов со льда и водной поверхности» (ГУ МЧС России по РС(Я), 2006-2007 гг.); Договор №2/06 (генеральный заказчик ПИРС, г. Москва, 2006 г.) «Научное сопровождение геофизических работ по инженерным изысканиям трассы нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий Океан. Подводный переход нефтепровода через р. Лена»; ГК №1052 «Исследование и прогнозирование процессов заторообразований на реках Якутии в период весеннего паводка» (ГУ МЧС России по РС(Я), 2011-2013 гг.).
Разработанная методика погружных гидрорадиолокационных исследований водоемов используется в качестве лекционного материала для студентов старших курсов кафедры геофизических методов разведки полезных ископаемых геологоразведочного факультета Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова.
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе лабораторные и экспериментальные результаты выполнены непосредственно автором. Автор принимал личное участие на всех этапах исследований, включая разработку методических особенностей гидрорадиолокации, обработку и интерпретацию данных измерений, систематизацию и научный анализ полученных результатов.
Апробация работы. Материалы исследований апробированы на 16 научных конференциях разного уровня, в том числе в: IV Международной научной школе молодых ученых и специалистов, посвященной 30-летию ИПКОН РАН «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2007); Международной конференции «Развитие идей М.И. Агошкова в области оценки и рационального освоения месторождений полезных ископаемых» (г. Москва, 2008); IV Евразийском симпозиуме EURASTRENCOLD-2008 (г. Якутск, 2008); VII Международной научно-практической конференции молодых специалистов «Геофизика - 2009» (г. Санкт-Петербург, 2009); VIII Международном геофизическом научно-практическом семинаре (г. Санкт-Петербург, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения и объектов экономики от водной стихии Северных рек» (г. Якутск, 2013) и др.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на геофизических семинарах Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (2012 г., 2013 г.). Диссертационная работа доложена на расширенном заседании Ученого совета Института горного дела Севера им. Н. В. Черского СО РАН.
Результаты работы отмечены дипломами: Международной выставки «Северные технологии спасения - 2006» по теме «Георадиолокационная аппаратура в разнесенных спектрах частот 30 - 60 МГц» (2006 г, г. Ленек) и
дипломом «Золотая медаль Интерэкспо ГЕО - Сибирь 2012» в номинации «Дистанционные методы зондирования земли, мониторинг окружающей среды» (2012 г, г. Новосибирск).
Публикации. Автором опубликовано 29 научных работ. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 5 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 106 наименований. Общий объем работы включает 139 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 66 рисунков, 4 приложения.
Автор выражает благодарность академику М. И. Эпову и д.г.-м.н., профессору Н. О. Кожевникову за ценные советы, замечания и предложения, высказанные на геофизических семинарах Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН. Автор благодарен д.г.н., профессору Савкину В. М. за полезную информацию и консультации по вопросам гидрологии.
Особую признательность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. Омельяненко Александру Васильевичу за всестороннюю поддержку в научных исследованиях.
