Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ: 9
1.1. Геофизические методы исследования мёрзлых грунтов; 12
1.2." Возможности георадиолокации при изучении мёрзлых грунтов ...17
1.3; Обзор современного состояния и развития георадиолокации. 25
2. МЕТОДИКА ОШЕДЕЛЕНИЯ^РАдаОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ, И КРИОПЭГОВ.... 29;
2Л. Объект изучения и его инженерно-геологическое описание. .29
2.2! Техника георадиолокации. 35
23: Методика группирования (накопления) сигналов. 40
ТА".. Методика обработки и интерпретации сигналов; 52:.
2.4.1. Статистическая функция распределения импульсов (СФРИ); 55
2:4.2. Физико-геологическая модель мёрзлой грунтовой среды (ФГМ) 63
2^43/Вычисление радиофизических характеристик. 65
2.5. Методика динамического преобразования сигналов. 71
3. ИЗУЧЕНИЕ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК: 88;
3;Г. Дисперсные грунты Центральной Якутии и криогагит. Якутска. 89
3.2. Скальные и полускальные грунты Южной Якутии; 104
33. Связь скорости распространения с поглощением энергии сигналов, 108
3.4: Оценивание физико-механических свойств по радиофизическим
характеристикам мёрзлых грунтов. 113;
4: РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ; 131
4.1._ Изучение таликов и криопэгов г. Якутска и его окрестностей; 131:.
412: Изучение литологии мёрзлых грунтов в районе п. Кангалассы. 157
43! Изучение прочности коренных пород Южной Якутии. 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 173
ЛИТЕРАТУРА 176
ПРИЛОЖЕНИЯ; 194
Введение к работе
Актуальность. Современная индустрия строительства и эксплуатации зданий и сооружений в криолитозоне сталкивается с проблемами изучения состояния и свойств многолетнемёрзлых пород (ММП), слагающих верхнюю часть, разреза? до глубиньг 10-20' м. Инженерно-геокриологические условия; территории; Якутии характеризуются- присутствием в разрезе ММП надмерзлотных и: межмерзлотных слоев и линз минерализованных вод с отрицательной; температурой- (криопэгов). Эти природные и техногенные образования отличаются сложностью строения и динамичностью сезонных и годовых вариаций параметров по; площади и глубине. Криопэги: ухудшают инженерно-геологические условия; строительства; И; снижают несущую способность- мёрзлых, грунтовых оснований' фундаментов. Вї условиях застроенных территорий из-за различного рода помех, а также особенностей технологии полевых измерений;; применение традиционных методов; инженерной геофизики зачастую затруднено. Использование георадиолокации, изучающей скорость распространения и поглощение энергии1 электромагнитных импульсов^ позволяет изучать разрез; ММП^ в-любых условиях и; даже,, под зданиями; и сооружениями. Несмотря> на это, сложившаяся;практика.изучения кинематических характеристик разреза, не; позволяет в^ полной мере использовать возможности георадиолокации для; исследования^ криогенного состояния- и свойств; мёрзлых грунтов., Игнорирование стохастической;природы импульсов без должного внимания к изучению^ радиопоглощающих характеристик, приводит к; тому, что основной^ результат георадиолокации - радарограммы; глубин; - имеет невысокую достоверность и информативность. Предлагаемая- нами; технология георадиолокации базируется на многократном измерении; сигналов в окрестности точек зондирований и включает обработку- сигналов > методами вероятностно-статистического анализа, адекватными их природе;. Разработанные методические приёмы направлены на получение надёжных оценок средних значений радиофизических характеристик разреза по каждой
4 точке зондирования. Проведённые нами исследования показали, что использование этих оценок открывает реальную возможность для изучения состояния и контроля изменения свойств мёрзлых грунтов и криопэгов в их естестве нном зал еган и и,
Цель работы: Для решения: задач инженерно-геокриологического' картирования и мониторинга состояния и: свойств многолетнемёрзлых пород и криопэгов^ в условиях застроенных территорий разработать . технологию георадиолокационного зондирования..
Задачи исследований: І.. Для совершенствования методики полевых работ и повышения достоверности и полноты^ исследования: ММП криолитозоньї; Якутии разработать схему измерений с группированием сигналов георадиолокации в окрестности точек зондирований;
2. Для: послойного определения: в естественном; залегании і надёжных количественных оценок радиофизических характеристик ММП и криопэгов= разработать методику вероятностно-статистической обработки и: интерпретации георадиолокационных сигналов.
31. Для*детального изучения локальных неоднородностей разреза ММП со сложной конфигурацией границ (криопэгов, таликов, подземных льдов, карста: и.; Др.) разработать, методику динамического? преобразования; георадиолокационных сигналов.
4. Для; решения; методологических вопросов изучить взаимосвязь. скорости распространения и поглощения энергии * электромагнитных. импульсов в дисперсных отложениях Центральной Якутии:
5; Провести статистический анализ радиофизических характеристик и выявить критерии картирования: геокриологических состояний; ММП для условий Центральной Якутии. б. Исследовать регрессионные зависимости температуры, влажности (лышетости) и прочности ММП с их скоростными и радиопоглощающими: характеристиками.
5 Научная новизна работы:
Для решения геокриологических задач разработана новая методика группирования сигналов георадполокацни в окрестности точек зондирований, что позволило повысить достоверность и полноту изучения МПП на застроенных территориях криолитозоны Центральной Якутии.
Более надёжные оценки радиофизических характеристик мёрзлых грунтов и криологов определяются в естественном залегании по усовершенствованной методике вероятностно-статистической обработки и интерпретации сигналов георадполокацни с помощью программы "Signal".
Детальное изучение разреза МПП с локальными неоднородностями сложной конфигурации осуществляется по новой методике динамического преобразования сигналов георадполокацни с использованием программы "Polngrad".
Впервые, на большом объёме материалов полевых исследований, сделан статистический анализ радиофизических характеристик МПП in situ. Получены уравнения регрессии, показывающие зависимость температуры, суммарной влажности (льдистости) мёрзлых песчано-глинистых отложений Центральной Якутии, а также прочности мёрзлых осадочных пород Южной Якутии от радиофизических характеристик.
Установлено, что изменение состояния и свойств ММП вызывает большее изменение градиента затухания амплитуды импульсов, чем скорости их распространения.
Защищаемые научные положения:
Г. Результаты исследований по группированию сигналов позволяют сформулировать первое защищаемое положение: изучение ММП на застроенных территориях криолитозоны Якутии методом георадиолокации, использующей электромагнитные импульсы случайной природы становится более достоверным и полным при многократном измерении сигналов в окрестности точек зондирований по методике группирования (накопления) с изменением положения и ориентации антенн георадаров.
2. Надёжность и устойчивость количественных оценок радиофизических характеристик ММП и в частности крнопэгов, повышается при использовании средних модальных значений, которые определяются по серии накопленных сигналов в окрестности точек зондирований и дальнейшей их вероятностно-статистической обработки и интерпретации по разработанной нами программе "Signal".
Более информативные результаты изучения ММП георадиолокацией получаются при использовании разработанной нами программы "Polngrad" и поглощающей характеристики сигнала, так как по природной чувствительности она в 2-6 раз превосходит скоростную характеристику. Это создаёт благоприятные физические предпосылки для разработки нового перспективного направления - динамической георадиолокации, изучающей ММП по признаку поглощения энергии георадиолокационных сигналов.
Существование тесных эмпирических зависимостей физических и механических свойств ММП со средними модальными значениями их радиофизических характеристик позволяет контролировать георадиолокацией изменение в естественном залегании температуры, влажности (льдистости) мёрзлых песчано-глинистых отложений, а также прочности осадочных пород.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанная технология георадиолокации позволяет получать достоверную информацию о состоянии и свойствах мёрзлых грунтов и криопэгов по средним значениям их радиофизических характеристик. Она в течение многих лет успешно применяется при выполнении инженерно-геокриологических исследований в условиях плотной городской застройки в Якутске, Нерюнгри, Зырянке, Депутатском, Адыче, Хандыге, Намцах, Нгарбе, Амге, Тулу не, Крест-Хальджае, Колымское и др.
Внедрение результатов исследований. Начиная с 1986 г., основные элементы разработанной технологии георадиолокации последовательно внедрялись в тресте "ЯкутТИСИЗ" для целей индустрии строительства на
7 территории Республики Саха (Якутия) и решения различных инженерно-геокриологических задач (изучения ССО, насыпных и намывных грунтов, подрусловых и погребённых таликов, надмерзлотных и: межмерзлотных крнопэгов, литологии песчано-глинистых отложений и др.).
Апробация работы. Защищаемые положения- и результаты работы докладывались, на совещаниях по качеству инженерно-геокриологических исследований для проектирования и строительства (Якутск, 1989-2001), на 3-й международной^ конференции по математическому моделированию (Якутск, 2001), на международной конференции "Криосфера нефтегазоносных провинций" (Тюмень, 2004), на семинаре- научного симпозиума "Неделя горняка - 2004" (Москва; 2004);
Публикации: Основные положения работы отражены в; 13 опубликованных печатных работах. Более подробно они изложены: - в 4-х отчётах ЯкутТИСИЗ (1985-1990 г.г.) по программе: "Технология применения приборов георадиолокационного зондирования при инженерно- геологических; изысканиях"; в; отчёте' РФФИ: 03-05-9б085р2003арктика; за 2003 г. по теме "Исследование динамики криогенного состояния; подстилающих пород методами георадиолокации- в условиях техногенного воздействия в. области і криолитозоны"; в отчёте НИР ИГДЄ GO РАН за 2004 г. по теме: "Динамическая; радиолокация пород криолитозоны: и исследование миграции;природных,и техногенных криопэгов в режиме мониторинга".
Личный вклад автора. Диссертация написана по результатам полевых исследований, начатых авторомв 1985 г. в тресте "ЯкутТИСИЗ"; До 1990 г. они выполнялись по заказу Госстроя РСФСР совместно с ИГДС СО РАН им. Н. В; Черского в соответствии с программой "Государственных межведомственных испытаний аппаратуры 17ГРЛ-1Г по изучению возможностей- георадиолокации в криолитозоне Якутии". В период 1990-2004 годов исследования продолжались по производственному плану
8 "ЯкутТИСИЗ" и в рамках программ ИГДС СО РАИ. На всех этапах исследований; включая- разработку алгоритмов программ, систематизацию и научный анализ полученных результатов, автор принимал личное участие, как исполнитель и ответственный технический руководитель.
Объем; иі структура5 работы.. Работа состоит из введения; 4 глав, заключения и 5 приложений; Общий: объём, рукописи- составляет 193 страницы, в том числе:, текста - 140 страниц, рисунков - 53, таблиц - 8, список литературы:- 184 наименований;
Автор благодарен управляющим "ЯкутТИЄИЗ" А. - Н; Коркину, П. Ф. Фёдорову, начальнику мерзлотной; службы, С. Б; Петрову, начальнику технического отдела Ю: А. Евсееву, геофизикамН. В; Березовскому и С. Е. Громову, которые приложили много сил, помогая внедрить георадиолокацию в производство инженерно-геокриологических изысканий.
Автор выражает благодарность научному руководителю::д..т. н. А. В: Омельяненко: за его многолетнюю методическую, техническую и информационную помощь и инициацию в написании работы..
Весьма ^ многим автор обязан за научные: консультации д.г.-м.н. Мі Н. Железняку за его ценные советы, замечания, дополнения, сделавшие: работу более полной и целенаправленной.
Особую признательность автор выражает своему учителю академику РАЕН F. С. Вахромееву, который^ заложил в нём основы научного мировоззрения: с методологическими принципами системного и комплексного геолого-геофизического изучения геологической среды.
Развитию метода георадиолокационного - зондирования: в Якутии, пониманию автором- его роли и: местам в мерзлотоведении, инженерной геологии и строительной индустрии, способствовали встречи и беседы с д.г.-м.н. И. П; Анисимовой, д.г.-м.н. В..С Якуповым, д.г.-м.н. В: В. Стогнием, д.г.-м.н. Ю. А. Ним, к.т.н. Л. Л. Фёдоровой, кл\н. И. Е. Гурьяновым и др., которым автор также благодарен.
