Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор изученности мёрзлых грунтов методами геоэлектрики и сейсмоакустики 15
1.1. Метод георадиолокации 15
1.1.1. Проблемы георадиолокации 17
1.1.2. Опыт георадиолокации
1.2. Методы индуктивной геоэлектрики 26
1.3. Критический анализ изученности связи с температурой геофизических характеристик мрзлых грунтов 30
1.3.1. Электрические характеристики 30
1.3.1.1. Сопротивление на постоянном токе 31
1.3.1.2. Сопротивление на переменном токе 45
1.3.1.3. Диэлектрическая проницаемость 49
1.3.2. Электрохимическая активность 60
1.3.2.1. Естественная поляризация 60
1.3.2.2. Вызванная поляризация
1.3.3. Сейсмоакустические характеристики 74
1.3.4. Электромагнитные характеристики 84
1.4. Выводы по 1 главе 88
ГЛАВА 2. Теоретико-экспериментальные оценки затухания электромагнитных полей 90
2.1. Общие положения 90
2.2. Природа и механизм затухания электромагнитных полей 92
2.3. Теоретическая оценка коэффициента затухания
2.3.1. Метод георадиолокационного зондирования 95
2.3.2. Метод индукционного зондирования 98
2.4. Экспериментальная оценка параметра амплитудного ослабления 101
2.4.1. Метод георадиолокационного зондирования 102
2.4.2. Метод индукционного зондирования
2.5. Сходимость теоретических и экспериментальных оценок параметра амплитудного ослабления 105
2.6. Выводы по 2 главе 115
ГЛАВА 3. Экспериментальное изучение связи с температурой параметра амплитудного ослабления сигналов электромагнитных зондирований 116
3.1. Сезонно-межгодовая динамика 117
3.2. Региональная общность
3.2.1. Сигналы георадиолокации 126
3.2.2. Сигналы индукции
3.2. Физическая общность 141
3.3. Выводы по 3 главе 145
ГЛАВА 4. Теоретическое обоснование связи с температурой затухания электромагнитных полей в слое годовых теплооборотов 146
4.1. Системный подход к рассмотрению криогенных систем 146
4.2. Структурно-базисный уровень криогенных систем 149
4.3. Температура и методы е оценивания 152
4.4. Общность тепловых и электромагнитных волн 154
4.5. Природа и механизм связи с температурой геолого-геофизических характеристик мрзлых грунтов 158
4.6. Выводы по 4 главе 164
ГЛАВА 5. Общая модель связи с температурой характеристик геофизических свойств мёрзлых грунтов 165
5.1. Принципы моделирования 165
5.2. Концептуальное развитие модели 167
5.3. Описание модели 173
5.4. Выводы по 5 главе 178
ГЛАВА 6. Методы электромагнитных зондирований
6.1. Цель и типы решаемых задач 180
6.2. Правила применения 181
6.3. Выбор методов зондирований 184
6.4. Комплексирование с геолого-геофизическими методами 184
6.5. Оценка глубины зондирования 185
6.6. Измерение сигналов электромагнитных зондирований
6.6.1. Принцип измерений 188
6.6.2. Методика и техника измерений 191
6.6.2.1. Дискретные измерения сигналов георадиолокации 191
6.6.2.2. Непрерывные измерения сигналов георадиолокации 198
6.6.2.3. Дискретные измерения сигналов индукции 199
6.7. Математическая обработка и геологическая интерпретация сигналов электромагнитных зондирований 201
6.7.1. Принципы обработки и интерпретации 201
6.7.2. Метод георадиолокационного зондирования
6.7.2.1. Прямая и обратная задача 206
6.7.2.2. Структурно-функциональная схема обработки 209
6.7.2.3. Двумерная функция распределения числа импульсов 212
6.7.2.4. Обобщнные вероятностные образы 213
6.7.2.5. Динамическое преобразование радарограмм 218
6.7.2.6. Моделирование амплитудной динамики сигналов 226
6.7.2.7. Вычисление удельных характеристик радиофизических свойств мрзлых грунтов 229
6.7.2.8. Петрофизическое преобразование радарограмм
6.7.3. Метод индукционного зондирования 236
6.7.4. Оценка параметра амплитудного ослабления
6.7.4.1. Сигналы георадиолокационного зондирования 238
6.7.4.2. Сигналы индукционного зондирования 241
6.7.5. Статистический анализ 242
6.7.5.1. Выбор модели статистической связи 243
6.7.5.2. Точность моделей связи 245
6.8. Выводы по 6 главе 246
ГЛАВА 7. Результаты применения методов электромагнитных зондирований 248
7.1. Статистика радиофизических свойств мрзлых грунтов 248
7.1.1. Западная алмазоносная провинция 248
7.1.2. Южно-Якутский территориально-промышленный комплекс 252
7.1.3. Сельскохозяйственные районы Центральной Якутии 255
7.2. Эмпирические связи радиофизических свойств мрзлых грунтов 264
7.2.1. Температура грунтов слоя годовых теплооборотов 264
7.2.2. Влажность (льдистость) дисперсных грунтов 285
7.2.3. Засолнность дисперсных грунтов 295
7.2.4. Прочность скальных и полускальных грунтов 299
7.2.5. Теплофизические свойства дисперсных грунтов 303
7.3. Выводы по 7 главе 310
Заключение 312
Список литературы
- Критический анализ изученности связи с температурой геофизических характеристик мрзлых грунтов
- Метод индукционного зондирования
- Сигналы георадиолокации
- Природа и механизм связи с температурой геолого-геофизических характеристик мрзлых грунтов
Введение к работе
Актуальность работы состоит в необходимости разработки методов изучения динамики теплового состояния и свойств мёрзлых грунтов, которые сберегают материальные ресурсы, сводят до возможного минимума загрязнение окружающей среды и нарушение природного теплового состояния мёрзлых грунтов. При этом на первый план выступает самая важная задача – контроль динамики теплового состояния многолетне-мёрзлых грунтов в слое годовых тепло оборотов, где происходит их взаимодействие с фундаментами инженерных сооружений. Контроль должен охватывать всю систему соору жений, построенных по первому принципу – с сохранением мёрзлого состояния грунтов. Только такой подход обеспечивает своевременное предоставление информации о местах зарождения и путях распространения процесса растепления мёрзлых грунтов. При наличии такой информации всегда есть запас времени, чтобы принять необходимые меры для прекращения процесса растепления и восстановления нарушенного температурного режима мёрз лых грунтов. В противном случае неизбежно развитие не управляемого процесса деградации мерзлоты, что повлечёт за собой деформацию или разрушение инженерных объектов.
Выполнить повсеместный контроль динамики теплового состояния мёрзлых грунтов невозможно традиционными гео логическими методами бурения и геотермии скважин, прежде всего, из-за высокой стоимости буровых работ, а также точечного изучения температуры и невозможности сохранить скважины в сетях мониторинга в течение всего срока эксплуатации инженерных сооружений (50 – 100 лет). В отличие от геотермических методов изучения теплового состояния грунтовых массивов методы геофизики характеризуются низкой стоимостью и высокой производительностью, экологической чистотой, объёмностью получаемой информации, длительной повторяемостью измерений в сетях мониторинга. В дополнение к геологическим методам предлагается включить методы электромагнитных зондирований (георадиолокацию и индукцию), применение их по двум направлениям. Первое направление – решение задач изучения строения, состава, свойств и состояния мёрзлых грунтов на стадии изыскательских работ. Второе направление – решение задач контроля и прогноза динамики теплового состояния мёрзлых оснований инженерных сооружений в период их эксплуатации. Выбор методов георадиолокации и индукции объясняется тем, что технология
их применения прошла длительную и успешную научно-производственную апробацию в криолитозоне Восточной Сибири и Дальнего Востока на территории Республики Саха (Якутия), а также частично в Забайкальском крае и Амурской области.
Степень разработанности. Изучение методами геофизики динамики теплового состояния и свойств мёрзлых грунтов относится к самым сложным задачам петрофизики криолитозоны. Первые попытки научного обоснования применения методов геоэлектрики и сейсмоакустики были сделаны в 70 – 80-х годах ХХ века. В это время ПНИИИС Госстроя РСФСР, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, Ленгидропроект, ВНИИ транспортного строительства и другие организации изучали в лабораторных и полевых условиях связь характеристик электро-сейсмоакустических полей с показателями физико-механических свойств мёрзлых грунтов. Эти исследования проводились под руководством Ю. Д. Зыкова, О. К. Ворон-кова, Г. В. Михайловского, А. И. Савича, В. Н. Никитина, З. Г. Ященко, О. П. Аникина, Ю. В. Горшенина. Результаты исследований вошли в нормативные документы по использованию методов геофизики для изучения свойств мёрзлых дисперсных, скальных и полускальных грунтов.
А. М. Кулижников, В. А. Явна, М. Л. Владов, Г. Г. Коншин, А. Г. Круглый, Е. С. Ашпиз, А. А. Белозёров и другие, а также Р. Р. Денисов и В. В. Капустин изучили методом георадиолокации связь диэлектрической проницаемости с влажностью грунтов. Её оценка стала одной из основных задач при проведении изысканий линейных сооружений. Петрофизические возможности георадиолокации в 1987 г. изучил Ю. В. Зимин на торфяных месторождениях Калининской области, а в 2002 г. Е. О. Зверев и другие – в Московской области. В этих работах впервые была использована характеристика удельного затухания амплитуды сигналов георадиолокации для вычисления по уравнениям регрессии таких характеристик физических свойств торфов, как влажность, степень разложения и зольность.
Связь с температурой и свойствами мёрзлых грунтов сигналов георадиолокации и индукции осталась неизученной1, несмотря на то, что термосвязь электро-сейсмоакустических свойств мёрзлых грунтов была изучена в ХХ веке А. А. Пет ровским, Б. Н. Достоваловым, А. Т. Акимовым и др.
1 Известна лишь одна работа Т. М. Клишес, изучившей в 1983 г. на образцах мёрзлых дисперсных грунтов севера Тюменской области связь с температурой удельного затухания в диапазоне частот 10 – 100 МГц.
Таким образом, существует проблема разработки научно-методических основ исследования динамики теплового состояния и свойств мёрзлых грунтов методами электромагнитных зондирований. Эта проблема тесно связана с решением государственной задачи в части сохранения многолетнемёрзлых грунтов и обеспечения безопасности объектов в условиях криолитозоны.
Объект исследований – мёрзлые грунты слоя годовых теплооборо-тов (СГТ).
Предмет исследований: 1) удельные характеристики скорости распространения (скорости) и затухания амплитуды (затухания) сигналов георадиолокации; 2) параметр амплитудного ослабления (k) сигналов гео радиолокации и индукции; 3) зависимость скорости и затухания сигналов георадиолокации от влажности (льдистости), засолённости, эффективной объёмной теплоёмкости и прочности мёрзлых грунтов; 4) связь k сигналов георадиолокации и индукции с температурой мёрзлых грунтов в СГТ.
Цель работы: разработать научно-методические основы быстрого, экономичного и экологически чистого изучения в природных условиях и на застроенных территориях показателей свойств неоднородных и анизотропных мёрзлых грунтов и динамики их теплового состояния в СГТ по технологии электромагнитных зондирований с помощью методов георадиолокации и индукции.
Задачи исследований:
-
проанализировать опыт георадиолокации и индукции и оценить их современное состояние и перспективы развития;
-
собрать, систематизировать и обобщить результаты изучения связи с температурой (далее термосвязь) характерис тик электро-сейсмоаку-стических свойств мёрзлых грунтов;
-
вычислить значения k поля вертикального магнитного диполя и сравнить их с экспериментальными значениями для мёрзлых дисперсных грунтов;
-
изучить в СГТ временную динамику термосвязи k сигналов георадиолокации и индукции и проследить региональную повторяемость этого явления в криолитозоне Восточной Сибири и Дальнего Востока;
-
провести теоретические исследования и объяснить причину возникновения в СГТ термосвязи характеристик относительной скорости затухания электромагнитных полей в мегагерцевом диапазоне частот;
-
усовершенствовать существующие и разработать новые методики измерения, цифровой обработки и геологичес кой интерпретации сигналов георадиолокации и индукции;
-
изучить в натурных условиях влияние свойств мёрзлых грунтов на удельные характеристики скорости и затухания сигналов георадиолокации;
-
систематизировать нормативные характеристики радио физических свойств мёрзлых грунтов криолитозоны Западной, Центральной и Южной Якутии;
-
получить обобщённую статистику точности вычисления температуры и показателей свойств мёрзлых грунтов по данным георадиолокации и индукции.
Научная новизна работы:
1) разработаны научно-методические основы изучения динамики
теплового состояния и свойств мёрзлых грунтов методами электромаг
нитных зондирований;
-
усовершенствованы методики измерений сигналов георадиолокации и индукции;
-
разработаны новые методики петрофизического пре образования радарограмм и количественной оценки парамет ра амплитудного ослабления сигналов георадиолокации и индукции в СГТ;
-
дано теоретическое обоснование и объяснение природы и механизма термосвязи параметра k электромагнитных полей в мёрзлых грунтах СГТ;
-
установлено согласованное изменение температуры и параметра k сигналов георадиолокации и индукции в сезонно-годовой динамике СГТ криолитозоны Якутии;
-
доказан региональный характер термосвязи k сигналов георадиолокации и индукции в СГТ криолитозоны Восточной Сибири и Дальнего Востока;
7) синтезирована общая модель термосвязи характерис тик элек-
тро-сейсмоакустических свойств образцов и массивов мёрзлых грунтов
крио литозоны, корректно описывающаяся в полевых и лабораторных
условиях уравнением логистической функции;
8) в полевых условиях изучена зависимость удельных характеристик
скорости и затухания сигналов георадиолокации от суммарной весовой
влажности (льдистости), засолённости и эффективной объёмной тепло
ёмкости массивов мёрзлых дисперсных грунтов;
9) изучена зависимость k сигналов индукции и георадиолокации от
суммарной весовой и объёмной влажности (льдис тости) мёрзлых дис
персных грунтов;
10) получены обобщённые статистики точности вычис ления по урав
нениям регрессии температуры и показателей свойств мёрзлых грунтов,
а также систематизированы нормативные характеристики радиофизичес
ких свойств мёрз лых грунтов в пределах криолитозоны Якутии.
Научно-практическая значимость работы состоит в теоретическом обосновании и объяснении с позиции термодинамики открытых неравновесных криогенных систем Земли, природы и механизма термосвязи характеристик затухания электромагнитных полей в СГТ, а также экспериментальном доказательстве пространственно-временной и физической общности этого явления в криолитозоне. Всё вместе взятое создаёт общие физические предпосылки применения технологии электромагнитных зондирований для изучения динамики теплового состояния мёрзлых оснований инженерных сооружений.
Методология и методы исследований используют принципы и положения теории вероятности и математической статистики, рассматривающие взаимодействия криогенных систем и геофизических полей Земли, как разнообразное сочетание влияния на конечный результат детерминированных и случайных процессов. Кроме этого, в качестве инструментов построения теоретических конструкций петрофизических закономер ностей в методологию включены вытекающие из принципа единства постулаты информационной равноправности, энергетической взаимообусловленности и корреляционной согласованности геолого-геофизических характеристик мёрзлых грунтов. В качестве инструментов выявления закономерных связей геолого-геофизических характеристик использованы методы сравнительного анализа, аналогии и обобщения.
На защиту выносятся положения, которые в комп лексном рас смотрении представляют разработанные научно-методические основы.
1. Сезонно-межгодовой рост-спад температуры мёрзлых грунтов в слое годовых теплооборотов сопровождается нелинейным ростом-спадом параметра амплитудного ослабления сигналов электромагнитных зондирований с максимумом в области интенсивных фазовых переходов льда в воду. Это явление носит региональный характер и повсеместно наблюдается в криолитозоне Восточной Сибири и Дальнего Востока на территории Республики Саха (Якутия), Забайкальского края и Амурской области.
-
Общая модель корректно связывает и описывает уравнением логистической функции детерминированно-вероятностные отношения температуры и характеристик электро-сейсмоакустических свойств как образцов, так и массивов грунтов криолитозоны России в 3-х стадиях последовательного развития тепловой динамики между двумя крайними состояниями: мёрзлым и талым. Природа и механизм отношений, наблюдаемых в слое годовых теплооборотов и отображаемых на плоскости корреляций, заключены в периодическом и интенсивном перераспределении по глубине потоков тепловой энергии.
-
Методология вероятностно-статистической обработки и интерпретации многоразовых измерений сигналов электро магнитных зондирований с изменением положения и ориентации приёмно-передающих антенн в окрестности точек сети геолого-геофизических наблюдений обеспечивает изучение петрофизических закономерностей достоверными и статистически надёжными оценками средних значений характеристик радиофизических свойств неоднородных и анизотропных мёрзлых грунтов с погрешностью не выше 10%.
-
Технология электромагнитных зондирований в составе методов георадиолокации и индукции эффективна и универсальна в ресурсосберегающем и неразрушающем изучении в природных условиях и на застроенных территориях строения, состава, свойств и состояний анизотропных мёрзлых грунтов с неоднородностями сложной конфигурации. В 77% случаев динамика теплового состояния мёрз лых грунтов в слое годовых теплооборотов оценивается с абсолютной точностью ±0,6о С. Показатели свойств (влажности (льдистости), засолённости, теплоёмкости, прочнос ти) в большинстве случаев оцениваются с относительной точностью 10 – 20%.
Достоверность и апробация результатов обеспечены полевым контролем, привязкой фактического материала к данным бурения скважин и лабораторных исследований, а также анализом результатов независимых экспериментов, полученных автором диссертации и другими учёными. Технология электромагнитных зондирований прошла испытания на десятках объектов и внедрена в тресте «ЯкутТИСИЗ» и других организациях и на предприятиях.
Результаты исследований прошли апробацию на международных и отечественных конференциях и симпозиумах: Якутск (1984, 1989, 2001, 2009 – 2011, 2013 гг.); Тюмень (2004, 2011 гг.); Чита (2007 г.); Салехард (2007 г.); Миасс (2009 г.); Москва (2009 – 2012 гг.); Xian (Китай, 2009 г.);
Санкт-Петербург (2010, 2011 г.); Мирный (2011 г.); Красноярск (2011 г.); Иркутск (2012 г.); Sent Louis (США, 2012, 2013 гг.); Тамбов (2013 г.), Томск (2013 г.); North Charleston (США, 2014 г.).
Публикации. Научные положения и основные результаты работы защищены патентом [1], опубликованы в 4 монографиях, 36 статьях в журналах и научных изданиях, в том числе 28 статьях в журналах из списка ВАК, а также 24 докладах на конференциях и симпозиумах.
Личный вклад автора. Диссертация написана по результатам экспериментов, начатых в 1986 г. в тресте « ЯкутТИСИЗ» по заказу Госстроя РСФСР. С 2006 г. эксперименты выполнялись в ИМЗ СО РАН по программам фундаментальных исследований СО РАН. Автор самостоятельно планировал эксперименты, участвовал в них, выполнял обработку материалов, объяснял результаты и, в конечном итоге, написал диссертационную работу.
Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы. Общий объём 347 страниц и 8 приложений на 31 странице. Текстовая часть рукописи включает 1 фото, 113 рисунков и 38 таблиц.
Благодарности: академику РАН, д.т.н. М. И. Эпову и член-корр. РАН, д.ф.-м.н. В. Л. Миронову за ценные предложения, моральную поддержку в ходе подготовки работы; д.г.-м.н. М. Н. Железняку и д.т.н. Р. В. Чжану за создание благоприятных условий для работы над диссертацией; д.т.н. Д. М. Шестернёву и д.ф.-м.н. М. Л. Владову за критические замечания; д.т.н. А. В. Омельяненко за сотрудничество в области георадиолокационных исследований.
Критический анализ изученности связи с температурой геофизических характеристик мрзлых грунтов
Интерес к методу георадиолокации не был постоянным. Выйдя из стадии радиотехнических разработок, он привлк к себе интерес в 70-е годы и после десяти лет забвения возник с большей силой в середине 80-х годов ХХ века. Объясняется это бурным развитием электроники и ростом потребностей в инженерных приложениях. В настоящее время интерес к методу постоянно растт. Если раньше результаты применения георадиолокации редко публиковались в иностранных источниках, то теперь проблематика георадарных исследований приповерхностной части литосферы широко и открыто обсуждается на отечественных и международных конференциях геофизических и инженерно-геофизических обществ SEG, EEAG, EEPG, EEGS и др. организаций. Судя по содержанию статей и личной переписке автора диссертации с канадским геофизиком Аланом Джаджем, георадиолокация в период 1975-1991 гг. применялась за рубежом в разнообразных областях научно-инженерных приложений, но чаще в геологии, горном деле, а также в строительстве и экологии. В меньшей степени, но с не меньшей эффективностью георадиолокация применялась в мерзлотоведении, почвоведении, археологии. Обзор прошлого опыта зарубежных исследований наземными зондирующими радарами находится в отчте компании A-CUBED (1983), а также отчасти в работах Ю.Д. Зыкова (1989) и М.Л. Владова, А.В. Старовойтова (1998).
Отечественный опыт метода георадиолокации обширен и многогранен. Первые попытки системного изложения теории и практики подповерхностной радиолокации при решении задач инженерной геологии были сделаны в ПНИИИС (Клишес, 1983) и РКИИГА (Финкельштейн и др., 1986). Эти работы давали право на признание георадиолокации перспективным методом изучения мерзлоты. В одном из отчтов ПНИИИС (Зыков, 1989) сделан вывод, что успешное развитие георадиолокации зависит от е технической оснащнности. Из серии работ ПНИИИС отметим лабораторный эксперимент по изучению величины диэлектрической проницаемости мрзлых и талых пород в диапазоне частот 10-120 МГц (Клишес, Трепов, 1980). Исследования проводились в полевых условиях на образцах керна скважин, пробуренных до глубины 12 м. В качестве датчика использовалась коаксиальная ячейка диаметром 6 см и длиной 1,2-2,0 м. В качестве измерителя амплитуд и временных задержек сигналов применялся осциллограф С1-65. В работе приведена таблица электрофизических свойств мрзлых и талых грунтов, измеренных в разном диапазоне частот.
Вывод о трудности расчленения разреза мрзлых засолнных грунтов по литологии, нашли подтверждение в работах ЯкутТИСИЗ. Другой вывод о невозможности электромагнитного зондирования талых сильнозасолнных грунтов соответствует действительности не во всех случаях. Опыт работ в Якутии показывает, что потери энергии сигналов георадиолокации зависят не только от суммарной мощности, но и степени влажности, минерализации талых засолнных грунтов. В случае если в верхней части разреза присутствует криопэг мощностью не менее 3 м с потерями энергии 30 дБ/м, то зондирование нижней части разреза становится невозможным при динамическом диапазоне георадаров 140 дБ. Однако если криопэги разобщены по глубине в виде линз с суммарной мощностью до 2 м и потерями энергии 20 дБ/м, то зондирование возможно до глубины 20 м. В ещ одной работе (Клишес, 1987) рассматривается проблема интерпретации сигналов георадиолокации. В ней, в частности, определены предельные глубины их проникновения в грунты. Для песков они равны 40 м, а для глин не больше 1-3 м. Значимость работы состоит в попытке дать общую схему обработки и интерпретации сигналов с определением скорости их распространения при разнесении антенн на расстояние до 20-30 м. Эта идея заимствована из сейсморазведки. Она действительно заманчива, так как предоставляет способ построения георадиолокационных разрезов без данных бурения. Не случайно Т.М. Клишес акцентирует на этом внимание, хотя и не приводит конкретных примеров построения годографов сигналов.
Наклонное радиозондирование с целью изучения внутреннего строения материкового ледника выполнил А.Б. Эпов с помощью станции РЛС-620 использующей несущую частоту 620 МГц (1984). В работе нет иллюстративного материала, но подробно описан способ разнесения примной антенны относительно центра зондирования при неподвижном положении передающей антенны и способ одновременного разнесения антенн относительно центра зондирования. Первый способ назван методикой наклонного профилирования, а второй – методикой общей центральной точки. Оба способа приводят к одинаковым результатам в получении оценок скоростей для условий горизонтальных отражающих границ. Для разрезов с наклонными границами необходимо априорное знание угла падения, который можно найти из анализа профильных радиолокационных эхограмм.
Следует отметить, что А.Б. Эпову удалось не только определить скорость распространения радиоволн в горных ледниках, равную 0,173 м/нс, но и установить внутреннюю слоистость ледника, которую он объяснил несколькими циклами оледенения Центрального Тянь-Шаня. Обнаружение слоистости в таком, казалось бы, однородном природном образовании, как ледник, является далеко не единичным фактом в практике радиозондирования поверхностных ледовых покровов и подземных льдов. Кратные отражения были впервые обнаружены при работе с макетным прибором «ГАЛС-1» (Вирсис, Яковлев, 1987). Работы производились с целью изучения строения придонных отложений, переработки берегов и формирования дна водохранилища для оценки состояния портовых и других сооружений. По результатам исследований оползневая толща донных отложений водохранилища уверенно расчленялась ультразвуковой локацией. При этом большое число интенсивных кратных отражений наблюдалось на голых участках коренных пород, обнажающихся из-под донных отложений. Примеров кратных отражений немало в публикациях последнего времени, посвящнных исследованиям пресноводных акваторий рек и озр.
Один из первых опытов по поиску подземных льдов георадиолокацией был выполнен на севере Бованенковской нефтегазоносной структуры п-ова Ямал с использованием макетного образца радиолокатора ААНИИ (Богородский и др., 1983). Выяснилось, что для определения глубины залегания границ подземных льдов можно успешно пользоваться априорными оценками скорости распространения сигналов георадиолокации. При значениях скорости в покрывающем слое и слое льда 0,125 и 0,160 м/нс, ошибка определения границ льда составила около 10 %. Ещ одна особенность это – фрагментарное прослеживание на радарограммах отражений от верхней границы подземных льдов. Объяснение этому в недостаточной разрешающей способности радиолокатора, неглубоким залеганием верхней границы льда (менее 1-2 м) и низким диэлектрическим контрастом льдистых песков и залежей льда. Вс это дало основание сделать вывод о необходимости использования георадиолокации с методом непрерывного электропрофилирования, для реализации которого Е. А. Дорофеев сконструировал прибор НЭП-4М с мкостными антеннами. Наиболее важный результат работ ПНИИИС на п-ове Ямал – определение характеристик радиофизических свойств песков, подземных льдов и их зависимости от льдистости. При увеличении показателя льдистости песков от 18 до 40 % скорость увеличивалась от 0,125 до 0,148 м/нс, а затухание уменьшалось от 2,20 до 0,25 дБ/м. Относительная разница значений по скорости невелика и равна около 17 %, а по затуханию во много раз больше и составляет почти 160 %.
Метод индукционного зондирования
Технико-методические трудности и препятствия, возникшие при проведении лабораторных и полевых исследований поляризации на ранней стадии, были преодолены В.В. Оленченко. Им разработана техника и методика лабораторных исследований криогенных моделей ионопроводящих пород, реализующих измерение временных и амплитудных характеристик на ранней стадии поляризации вместе с измерением температуры образца в паузе между импульсами тока. Для полевых наблюдений методом РСВП была разработана аппаратура С-014, С-038 и Чара-3. Аппаратура состоит из генератора однополярных импульсов длительностью 15 мс со скважностью 2 и измерителя, который обеспечивает измерение разности потенциалов во время пропускания поляризующего тока в определнные моменты времени, а также измерение 9 значений величины приращения переходной характеристики РСВП по отношению к моменту времени 0,1 мс. Через 12,8 мс по отношению к этому времени измеряется сигнал ВП в импульсе и паузе. Для определения крутизны нарастания переходной характеристики РСВП применяется параметр Sk – приведнная скорость РСВП – отношение величин разности потенциалов, измеренных на задержках 0,1 и 12,8 мс. Целью лабораторных исследований методом РСВП было изучение зависимостей амплитудно-фазовых характеристик мрзлых ионопроводящих моделей мрзлых грунтов от температуры, влажности, грансостава и концентрации порового раствора. Моделью массива служили образцы промытого кварцевого песка аллювиального генезиса, разделнные на отдельные фракции по размеру минерального зерна. Температура образцов измерялась терморезисторами. Перед проведением опытов рабочая кассета из термоизоляционного материала, куда помещался образец, выстаивалась в бытовом холодильнике при 0 оС, а затем охлаждалась способом теплового удара в холодильном шкафу Gronland до температуры -(1015) оС. Параметры РСВП регистрировались в процессе оттаивания, начиная с +22 оС в течение 4-5 часов. В процессе оттаивания в диапазоне 0,1-12,8 мс через 0,2 мс 2-х электродной установкой измерялись разности потенциалов – амплитудные характеристики спада РСВП. По этим данным вычислялись: k и Sk. Анализ результатов проводился без учта гистерезисного эффекта, так как измерения были выполнены только в одну сторону – оттаивания мрзлых образцов. Результаты исследований методом РСВП в Забайкальском крае опубликованы в обобщающих работах (Оленченко, 2002; Шестернв и др., 2003; Карасев и др., 2004), в которых представлен обильный и разнообразный по содержанию экспериментальный материал, полученный Читинской научно-исследовательской мерзлотной станцией ИМЗ СО РАН, ОАО Забайкальского треста инженерно-строительных изысканий и ПГО Читагеология. Эти, без преувеличения, редкие и ценные для геофизики криолитозоны материалы в полной мере доказали существование термосвязи характеристик метода РСВП не только в лабораторных, но и полевых условиях, как для рыхлых отложений, так и для коренных пород разного генезиса, возраста и состава. Причм, в сложных инженерно-геологических условиях криолитозоны островного и прерывистого типов мощностью до 30-60 м с температурой на глубине 10 м -(0,11,0) оС.
Опыты, проведнные на образцах мрзлого мелкозернистого кварцевого песка (фракция 0,10-0,25 мм) с весовой влажностью 0,20 д.ед. в диапазоне изменения температуры от -7 до +20 оС, показали, что термосвязь характеристик РСВП весьма сложно и неоднозначно зависит от концентрации порового раствора (рис. 1.19). Даже при низких концентрациях наблюдается случайная изменчивость абсолютных значений поляризации при устойчивом повторении локальной особенности – минимума k при -(0,02,0) оС. Лишь в одном из шести случае при засолнности порового раствора песка со значением 0,1 г/л наблюдался график изменения k, близкий по форме к нормальному графику термосвязи характеристик геофизических полей (рис. 1.19, а).
Сглаженные графики термосвязи характеристик кажущейся вызванной поляризации (а) и обратной приведнной скорости роста поляризации (б) образца мелкозернистого песка (фракция 0,10-0,25 мм) с влажностью 0,20 д.ед. и концентрацией порового раствора: 1–0,05; 2–0,1; 3–0,2; 4–0,4; 5–0,8; 6–1,6 г/л (Шестернв и др., 2003). Такие же, но предсказуемые графики термосвязи наблюдаются у динамической характеристики РСВП – 1/Sk (рис. 1.19, б). У немрзлых и мрзлых образцов песков значения этой характеристики отличаются в три и более раз. Повышение температуры при минерализации порового раствора 0,05-1,60 г/л приводит к скачку значений 1/Sk в окрестности 0 оС. У образцов с низкой концентрацией солей (кривые 1-5) экстремум графика 1/Sk занимает узкий температурный интервал –(0,01,5) оС. С повышением концентрации солей до 1,6 г/л (кривая 6) границы экстремума графика 1/Sk расширяются и сдвигаются в область температур -(0,84,0) оС. При этом чувствительность скачкообразного роста 1/Sk заметно снижается. В области температур ниже -(2,04,0) оС значения 1/Sk незначительно увеличиваются, указывая, что тесно связанные и взаимообусловленные процессы электрохимической активности и фазовых переходов незамрзшей воды в лд, хотя и резко затухают при замерзании слабозасолнных образцов песка после 0 оС, но не прекращаются до -10 оС. Причина – сохранение в песках порового раствора электролита, концентрация которого, существенно повышается при понижении температуры за счт адсорбции растущими кристаллами льда молекул воды. Однако влияние фактора минерализации почти полностью подавляется другим фактором – уменьшением количества ячеек минерального скелета, содержащих ионопроводящую жидкость – поровый раствор. Описанная картина термосвязи 1/Sk наблюдается и при использовании характеристики дифференциальной поляризации6.
Посмотрим, как влияет на термосвязь характеристик РСВП грансостав моделей (рис. 1.20). Для изучения влияния фактора дисперсности приготавливались модели из песка разных фракций: крупного (0,4-1,0 мм), среднего (0,25-0,50 мм), мелкого (0,10-0,25 мм), тонкого (0,05-0,10) и условно пылеватого (менее 0,10 мм). Влажность и концентрация поровых растворов моделей задавались постоянными и равными 0,10 д.ед. и 0,1 г/л. Заметим, что при таком показателе порового раствора песчаные фракции можно считать слабозасолнными, а глинистые фракции не засолнными7. Влияние дисперсности настолько сильно, что в песках термосвязи k практически нет (кривые 1-3, рис. 1.20, а). Лишь при увеличении дисперсности до глинистого состава на фоне роста абсолютных значений k влияние температуры становится очевидным событием. Характеристика 1/Sk ведт себя иначе. Влияние температуры отчтливо выражено во всм спектре изменения грансостава грунтов за исключением грунта с тонкозернистой пылеватой фракцией (кривая 5, рис. 1.20, б). В этом случае термосвязь 1/Sk имеет сглаженный вид с почти полной потерей фиксации положения точек начала и завершения резкого роста этой характеристики, что возможно объяснить отсутствием в глинистых грунтах быстро протекающего процесса интенсивных фазовых переходов льда в воду. Рост дисперсности приводит к существенному перераспределению энергии фазовых переходов, выводя е из узкого интервала температур от 0 до -1,5 оС в аномально широкий интервал от 0 до -8 оС. Таким образом, в природных условиях эффективность метода РСВП в оценке температуры мрзлых песчано-глинистых грунтов следует ожидать при использовании всех характеристик поляризации.
Сигналы георадиолокации
Под сокращнным названием термосвязь подразумевается корреляционная связь с температурой мрзлых грунтов параметра амплитудного ослабления в слое годовых теплооборотов сигналов электромагнитных зондирований16 до глубины бурения изыскательских скважин чаще всего, равной, 10-15 м.
Термосвязь параметра амплитудного ослабления изучена в природных условиях и на застроенных территориях криолитозоны Республики Саха (Якутия) и, частично, Забайкальского края, Амурской области. Термосвязь скорости распространения сигналов электромагнитных зондирований осталась неизученной по разным причинам. В методе георадиолокации из-за меньшей е чувствительности к изменению температуры и свойств мрзлых грунтов, а в методе индукции из-за отсутствия техники измерения.
География экспериментов показана на карте Якутия (рис. 3.1). Из-за мелкого масштаба на карте нет многочисленных трасс линейных сооружений небольшой протяжнности (автодорог, газонефтепроводов, водоводов, линий электропередач).
Большая часть экспериментов выполнена в сельскохозяйственных районах Центральной Якутии в пределах границ Центрально-Якутской равнины, а также в г. Якутске и его окрестностях. В меньшей степени эксперименты выполнены в индустриальных районах Южной и Западной Якутии с развитой инфраструктурой горнодобывающей промышленности и совсем немного в труднодоступных малообжитых горных и равнинных приморских районах Северо-Востока Якутии.
Все эксперименты выполнены по программам СО РАН, имеющих отношение к разработке наукомких критических технологий. Применительно к решению задач инженерной геологии, мерзлотоведения, грунтоведения и экологии это – технология №19 (мониторинг и прогнозирование состояния окружающей среды, предотвращение и ликвидация ее загрязнения) и технология №21 (предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера)17.
Обобщение результатов экспериментальных исследований сделано в монографиях (Нерадовский, 2011г; Нерадовский, 2014а).
Эта временная общность термосвязи параметра ослабления амплитуды сигналов георадиолокации и индукции изучена в мрзлых дисперсных грунтах слоя годовых теплооборотов криолитозоны обширной Центрально-Якутской равнины, где проживает большая часть населения Республики Саха (Якутия).
Эксперименты были проведены в 2000-2007 гг. в г. Якутске и его окрестностях (Нерадовский, 2011в, 2013в, Нерадовский, Русаков, 2011б; Нерадовский, Мельчинов, 2011в). Все эксперименты выполнены с аппаратурой 17ГРЛ-1. Эта уникальная по своим возможностям техника была сконструирована по заказу Госстроя РСФСР для трестов НПО Стройизыскания, работающих в труднодоступных районах Северо-Востока СССР с суровыми климатическими условиями. В этих условиях при температуре воздуха до -45 оС, аппаратура 17ГРЛ-1 обеспечивала детальное изучение мрзлых грунтов до глубины 10-30 м. Именно эти качества послужили главным аргументом в пользу е выбора для проведения круглогодичных экспериментов, включая самые холодные месяцы года: ноябрь-март.
Из большого объма экспериментального материала использована лишь малая часть, полученная на территории Национального Центра Медицины (НЦМ), где на полигоне Якутской поисково-съмочной экспедиции изучалась динамика опасных экзогенных процессов и явлений.
На участке НЦМ пробурено 12 режимных гидрогеологических скважин с целью геолого-геофизических наблюдений за поведением криопэгов и таликов в толще мрзлых дисперсных песчано-глинистых грунтов озрно-аллювиального генезиса. В этих мерзлотно-грунтовых условиях изучались сезонные вариации температуры и параметра ослабления амплитуды сигналов (далее, параметра ослабления) в слое годовых теплооборотов в течение 2001 г. Термометрия скважин выполнялась ежемесячно полупроводниковыми датчиками до глубины 10-20 м с интервалом 1,0 м. Электросопротивление датчиков ММТ-4 измерялось мультиметром Эскорт-95. Перевод их значений в температурную шкалу Цельсия выполнялся по градуировочным таблицам с точностью 0,1 оС.
Измерение времени задержки и амплитуды сигналов георадиолокации, выполнялось, как уже говорилось выше, аппаратурой 17ГРЛ-1 в полосе частот 30-150 МГц, а амплитуды сигналов индукции – аппаратурой СЭМЗ на частоте 1,125 и 2,250 МГц. В настоящее время эта аппаратура модифицирована в цифровой аналог КАВ-ЭММ (Иголкин и др., 2011).
Определение параметра ослабления (см. гл. 2, с. 104) амплитуды сигналов георадиолокации в зависимости от длительности их распространения в слое годовых теплооборотов до глубины бурения скважин выполнялось по методике многоразовых измерений (Патент 2490671 RU, …., 2013; Нерадовский, 2009а, б). Привязка сигналов к глубине бурения скважин сделана по скорости 0,138 м/нс с точностью около 0,3 м. В методе индукции, где не измеряется время задержки распространения сигнала, такая точность недостижима даже при известном законе изменения по глубине электропроводности и диэлектрической проницаемости. Поэтому при заданной частоте, расстоянии между изучающей и примной антеннами и известном удельном электросопротивлении (2000 омметра в январе-мае, 1000 омметра в августе-октябре) пришлось пользоваться приблизительными оценками глубины индуктивного зондирования по эмпирическим номограммам.
Обсуждение результатов эксперимента выполняется на примере скважины №2. Е разрез вместе с графиками ежемесячного изменения температуры грунтов в годовом цикле 2001 г. показан на рис. 2.7. Максимальные сезонные изменения температуры с переходом грунтов из мерзлого в талое состояние и наоборот, происходят в течение года до глубины 5 м (рис. 2.7, б). Ниже, грунты постоянно находятся в мрзлом состоянии с температурой -(0,71,7) оС. В этом интервале глубин тепловой режим регулируется надмерзлотным криопэгом, а также атмосферным воздухом со стороны склона речной старицы.
Криопэги препятствуют охлаждению-нагреву, ниже залегающих мрзлых грунтов, но в рассматриваемом случае это действие ослаблено боковым влиянием атмосферного воздуха. Поэтому не наблюдается стабилизации теплового режима мрзлых грунтов на всю глубину бурения скважины, о чм говорят сезонные колебания амплитуды температуры на глубине 16 м, превышающие в 3 раза погрешность е определения. Таким образом, наряду с влиянием состава, плотности, влажности и засолнности грунтов, на затухание сигналов активно влияет температурный фактор. Исследуем его действие в виде ежемесячной динамики средней температуры почво-грунтов сезонноталого слоя (СТС) и толщи многолетнемрзлых грунтов (t0-10). Но прежде рассмотрим графики параметров ослабления k в разные сезоны года в окрестности скважины (рис. 3.3).
Посмотрим, как ведут себя графики параметров ослабления k в зависимости от t0-10. Для этого обратимся к рис. 3.4. На нм, в аппроксимации данных
Графики получены путм аппроксимации степенной функцией совокупности первичной информации, носящей случайный характер, и состоящей из 36 измерений сигналов георадиолокации (в контуре квадрата со стороной 3 м) и 12 измерений сигналов индукции (в 6 азимутах встречными осевыми установками с расстоянием между излучающей и примной антенной до 60 м). Общим свойством исследуемых сигналов является низкие значения параметров ослабления зимой и весной. Максимум ослабления приходится на октябрь-месяц. Аналогичная картина наблюдается во всех остальных скважинах, пробуренных на НЦМ. Осенний рост затухания обусловлен увеличением t0-10 и достижением максимума мощности СТС и минимума УЭС грунтов СТС за счт поступления из почвенно-растительного слоя солей и геохимических элементов.
Природа и механизм связи с температурой геолого-геофизических характеристик мрзлых грунтов
В геокриологии преобладает подход, в котором основным изучаемым объектом, иерархически организованной криосферы Земли, является базовая структурная единица – криогенная квазистационарная система. Под ней понимается природный компонент криолитозоны, сложившийся в определенных естественных условиях с однородными, неизменными и ненарушенными в течение длительного геологического времени свойствами и состояниями. Такие системы сохраняют структуру и параметры условий их существования. Это – текстура, температура, теплофизические, физико-механические, электрические и др. свойства. Однако существуют иные системы, находящиеся в освоенных районах криолитозоны с большой антропогенно-техногенной нагрузкой или в сейсмоопасных районах с поступлением по тектонически активным зонам большого количества тепловой энергии. Динамика развития таких систем отличается нестабильностью и неустойчивостью внутренних связей и поэтому они названы переходными зонами (Хименков, 2002), хотя точнее было бы их назвать переходными подсистемами. В периоды неустойчивости они ведут себя по двум сценариям: 1) сохранение равновесия с переходом в качественно иное, но целостное состояние; 2) полное разрушение системообразующих связей.
Основными причинами деформации криогенных систем, являются температурные напряжения в сфере взаимодействия с инженерными сооружениями. А.Н. Хименков и А.В. Брушков (2005) считают возможным выделить в рамках криосферы Земли новое направление – криологию переходных состояний. Это направление теснейшим образом связано с термодинамикой неравновесных и необратимых процессов и включает в себя изучение особенностей строения и динамики геологической среды при формировании криогенных природно-техногенных систем разного уровня, а также их переход из одного квазиустойчивого состояния в другое. Такой процесс, как уже отмечалось выше, непрерывно и периодически протекает в годовых циклах с убывающей интенсивностью по глубине в слое годовых теплооборотов.
Будучи сложными по строению, чрезвычайно разнообразными по составу, состоянию и анизотропными по свойствам мрзлые грунты одновременно находятся в 3-х фазах: 1) тврдой – минеральный скелет, лд; 2) жидкой – незамрзшая вода; 3) газовой – воздух и водяной пар.
Основными компонентами порового воздуха по данным П.В. Вершинина и др. чаще всего, являются азот (80%) и кислород (20%). В мрзлых дисперсных грунтах песчаного состава и скальных, полускальных грунтах, находящихся в сфере физико-химического и криогенного выветривания, в той или иное мере всегда присутствуют примеси и включения в виде глинистых и илистых частиц, а также детритов. Есть в мрзлых грунтах и микроорганизмы, бактерии, но этот уровень изучен очень слабо.
Главной отличительной чертой мрзлых грунтов за исключением морозных и сыпучемрзлых разностей, является присутствие в них льда, цементирующего частицы минерального скелета. В дисперсных грунтах сила цементации растт при низких скоростях охлаждения. Благодаря этому в естественных условиях при низких температурах, мрзлые дисперсные грунты становятся близкими по прочности к бетону или скальным массивам.
В мрзлых дисперсных грунтах базисными факторами выступают грансостав и влажность (льдистость). Вместе с прочностью они описывают вс сочетание компонентов грунтов, определяя их локальную несущую способность в сфере механического, теплового и химического взаимодействия с инженерным сооружением (Гурьянов, 2009).
Фото. Фрагменты строения верхней части толщи песчаных обнажений с включением органических веществ и корешков растений на одном из островов р. Лены (Якутия, район п. Табага, 2011 г.)
Поэтому в мрзлых дисперсных грунтах базовые факторы вместе с температурой полностью контролируют изменение удельных или относительных
Глинистые грунты, являясь материнской средой для легкорастворимых солей, даже при глубоком охлаждении содержат в себе связанную незамрзшую воду, количество которой, структура и свойства весьма чувствительны к изменению температуры. Не являются исключением и широко распространнные по долинам рек и склонов водоразделов пески аллювиального или пролювиального генезиса, содержащие в рассеянном или сконцентрированном виде (прослоек, линзочек) существенный объм илистых частиц и корешков растений (фото). характеристик скорости затухания в слое годовых теплооборотов электромагнитных полей.
Важной химической особенностью засолнных мрзлых дисперсных грунтов является присутствие в поровых растворах ионов разного знака. Преобладание катионов солей, например, железа, магния, натрия и др., понижает скорость движения растворов и повышает плотность воды в динамических оболочках ионов. Напротив, преобладание анионов, например, калия, разуплотняет структуру воды и увеличивает скорость е движения. Другая не менее важная особенность состоит в том, что поровая влага содержит в себе не только молекулы и ионы растворнных веществ, но и коллоидные и более крупные частицы, что придат ей свойства многокомпонентных растворов. Температура их замерзания ниже 0 оС и при повышении дисперсности и засолнности вс более сдвигается в сторону низких температур. Надо отметить, что фактор гидрофильности немрзлых и, в ещ большей степени мрзлых дисперсных грунтов, играет главную роль в формировании их физико-химических и физико-механических свойств (Ребиндер, 1978; 1979).
В мрзлых скальных, полускальных грунтах разного генезиса базисными факторами являются минеральный состав, плотность и показатель пустотности, характеризующий степень трещиноватости и раздробленности грунтового массива. Среди этих факторов температурный фактор в сравнении с дисперсными грунтами уже играет подчиннную роль. В тектонически активных областях (в прошлом или настоящем) с развитием процессов глубокого физико-химического и криогенного выветривания затухание электромагнитных полей находится в сильной и неоднозначной зависимости от соотношения количества глинистого материала, льда и воздуха, заполняющих трещины и пустоты. Чем больше в них глинистого материала, тем больше содержание незамрзшей воды, а значит и затухание полей. В случаях преобладания в мрзлых грунтах газовой составляющей уровень эта связь теряет свою силу.