CC BY
62
Калашник А.И. и др. Подповерхностное георадарное зондирование... УДК 550.837.76 (470.21)
Подповерхностное георадарное зондирование горногеологических сред Кольского полуострова
А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин
Горный институт КНЦ РАН
Аннотация. В работе изложены методические подходы к проведению современных высокотехнологичных и информативных неразрушающих георадарных определений для целей подконтурного зондирования (профилирования) горно-геологических сред. Приведены результаты георадарных съемок на экспериментальных участках Хибинского и Ковдорского горнорудных районов, а также в переходной зоне "суша - водоем". Отличительной особенностью выполненных работ являлось получение результатов в режиме реального времени и с пространственной привязкой GPS.
Abstract. The paper deals with methodological approaches of carrying out advanced high-technological and informational non-destructive georadar measurements for the purpose of subcontour exploration (profiling) of mining-geological environment. The results of georadar surveys at experimental sites of Khibiny and Kovdor mining regions, as well as in transitional zone "land-water" have been given. The peculiar feature of fulfilled works was obtaining results in real time mode and using GPS system.
Ключевые слова: геологическая среда, приповерхностная структура, георадар, подповерхностное зондирование, радарограммы, интерпретация, геологические разрезы, оценка состояния
Key words: geological environment, subsurface structure, georadar, subsoil probing, radarogramms, interpretation, geological profiles, assessment of condition
1. Введение
Подповерхностное зондирование горно-геологических сред с использованием радиолокационных комплексов (в общепринятой терминологии - георадара) основано на использовании классических принципов радиолокации (Владов, Старовойтов, 2005). Антенной георадара излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносенуиды) длительностью 1.0-1.5 периода квазигармонического сигнала и с достаточно широким спектром излучения. Центральная часть сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью георадара. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжений (ударный метод возбуждения).
Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной (рис. 1), усиливается в широкополосном усилителе и преобразуется в цифровой код для обработки. В результате обработки полученная информация отображается в виде волнового или плотностного профиля -радарограммы.
2. Области применения
Георадарные определения в настоящее время получают широкое применение в различных областях, среди которых в первую транспортное, промышленное и гражданское строительство, экологию и др.
В геологии применение георадарных определений позволяет строить геологические разрезы; определять положение уровня грунтовых вод, толщину льда, глубину и профиль дна рек и озёр; определять границы распространения полезных ископаемых, положение карстовых воронок и пустот; выявлять локальные проявления месторождений полезный ископаемых.
Для задач горного дела почвенное зондирование с помощью георадарных комплексов дает возможность: обследовать борты, уступы и бермы в карьерах; кровлю, потолочины и целики в
Рис. 1. Схема георадарных определений очередь необходимо выделить геологию, горное дело,
подземных горных выработках; обнаруживать полости и кварцевые гнезда; выявлять природные и техногенные разрывные нарушения в законтурном массиве пород.
В транспортном строительстве: производить оценку оснований под транспортные сооружения; определять глубину промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях; определять содержание влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях.
В промышленном и гражданском строительстве: определять качество и состояние бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.), состояние дамб и плотин; выявлять оползневые зоны, места расположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и других объектов коммунального хозяйства).
В экологии: производить оценку загрязнения почв; обнаруживать утечки из нефте- и водопроводов; обнаруживать места захоронения экологически опасных отходов.
3. Методика исследований
Методика георадарных определений включает в себя два основных способа георадарной съемки: профилирование и зондирование (Владов, Старовойтов, 2005). При профилировании георадар перемещается по линии (трассе), и при каждом измерении передающая и приемная антенны находятся в одной точке линии. При зондировании выбирается одна точка и далее приводится ряд регистраций отраженных сигналов при разносе антенн передатчика и приемника в разные стороны на равные расстояния.
Для проведения нижеизложенных исследований использовалось профилирование, так как экранированные антенны георадара содержат передающий и принимающий модуль типа "бабочка" в едином корпусе.
4. Цели (направления) исследований
В Горном институте КНЦ РАН развивается направление георадиолокационных исследований при помощи георадарного комплекса Катас/вРЯ Х3М, оснащенного экранированными антеннами 100, 500 и 800 МГц, что позволяет получать непрерывную информацию об основных элементах строения участков массивов горных пород с выделением (идентификацией) его аномалий (разрывные нарушения, полости, влагонасыщенные грунты и т.п.).
Задачи, решаемые с помощью георадара при освоении горнорудных месторождений, могут быть разделены на две категории с характерными для каждой приемами исследований, способами обработки, типами отображения объектов и представления результатов исследования.
К первой категории относятся геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи освоения месторождений горнопромышленного комплекса, такие как:
- получение информации об основных элементах строения породных массивов;
- определение состояния массивов пород, наличие зон естественной и техногенной трещиноватости, разрывных зон;
- определение состояния и структуры конструктивных элементов горных выработок: бортов и берм в карьерах, целиков и потолочин рудников.
Вторая категория задач включает в себя инженерные изыскания для строительства и реконструкции зданий, дорог, котлованов и других сооружений при освоении месторождений полезных ископаемых.
5. Результаты исследований
С применением георадарного комплекса Яатас/вРЯ Х3М были проведены полевые георадиолокационные исследования:
1. В переходной зоне "береговой склон - крупномасштабный водоем" (полевые определения на озере Имандра, центральная часть Кольского полуострова). При этом во внимание принимались три группы основных задач: 1) геологические (уточнение литологии и структуры геологического разреза переходной зоны); 2) фазовые состояния флюидов (насыщенность грунтов, осадков, илов; толщина ледового покрова, мощность промерзания, наличие жидкой фазы, полостей, пор, трещин и т.п.); 3) поисковые (связанные с обнаружением и идентификацией искусственных (техногенных) объектов на дне водоемов, в осадочных слоях, илах и ледовом покрове).
Фрагмент георадиолокационного профиля, полученного с использованием комплекса Катас/вРЯ Х3М с экранированной антенной 100 МГц, представлен на рис. 2. Анализ полученных результатов позволяет выявить следующие особенности флюидосодержащей природной системы: толщина ледового покрова составляет около 1.5 м; на границе илистых отложений с водой отмечается резкая смена волновой картины, что дает возможность четко определить глубину водоема на исследованном
Рис. 2. Фрагмент георадарного профиля переходной зоны "береговой склон - водоем"
Рис. 3. Фрагменты радарограмм с идентифицированными объектами искусственного происхождения
участке, которая составляет 6-8 м; подошва илов идентифицирована по интенсивным осям синфазности более сложной формы по сравнению с донным отражением и поэтому уверенно выделяется; коренные отложения отличаются от современных илов на радарограмме характером осей синфазности; глубина залегания коренных пород составляет от 2-3 м у берега, до 14-16 м при удалении от береговой черты.
На рис. 3 приведены примеры обнаружения и идентификации объектов искусственного происхождения (трубы различного диаметра, кабели).
2. Предгорье Ковдорского
горнорудного массива, представляющего собой флюидосодержащую природно-техническую систему, подвергающуюся периодическим взрывным (волновым) воздействиям.
Схема георадиолокационных и сейсмических определений показана на рис. 4. При этом общая длина профилей составила около 160 м при угле их наклона порядка 30°.
На рис. 5-6 приведены фото общего вида и этапов проведения полевых работ.
Рис. 4. Схема проведения полевых работ
Рис. 7. Радарограмма с выделенной трещиной скольжения (сдвига)
Анализ волновых картин на радарограммах, полученных при проведении исследований, подтвердил возможность применения методов неразрушающего подповерхностного зондирования в подобных условиях с достаточной достоверностью получения данных и их количественной и качественной интерпретации. На одном из участков (рис. 7) прослеживается трещина скольжения (сдвига) по всей длине профиля, как видно на радарограмме, от отметки 300 нс времени прохождения волны к отметке в 75 нс. Выявлено также, что приповерхностная зона представляет собой сильнотрещиноватые раздробленные породы. О динамике процесса деформирования массивов пород данного участка можно было бы судить по результатам мониторинга в течение предположительно одного-двух лет.
3. На западном склоне горы Айкуайвенчорр Хибинского горнорудного массива (центральная часть Кольского полуострова). Полевые георадиолокационные определения проведены на склоне протяжённостью 515 м и перепадом высоты от вершины до нижней точки склона приблизительно 300 м. Исследованный участок имел снежный покров с повышенной влажностью и локальными обнажениями грунта. Глубина снега составляла в среднем 80-90 см, а на отдельных участках достигала 1.5 м. По результатам камеральной обработки полевых исследований построена радарограмма (рис. 8), на которой можно выделить несколько слоев. Снежный покров четко прослеживается по длине всего профиля в виду большой разницы диэлектрической проницаемости на границе сред "снег - морена". На участках 055 м, 85-160 м, 220-230 м, 305-315 м снежный покров отсутствует. Вторым слоем была выделена морена, мощность которой составляет от 2 м на вершине горы до 5 м к подножью. При анализе профиля на участке 0-270 м можно увидеть увеличение мощности морены с 2 до 5 м, а на участке - 270-515 м уменьшение с 5 до 3.5 м. Граница морены с коренной породой менее уверенно идентифицируется ввиду суглинистых отложений в составе верхнего слоя и повышенной влажностью исследуемой области, обусловленной активным таяньем снега.
[5 ¡50, Т00| щ>д, ВЧ рйс| № 4Ш 1450 1500
Рис. 8. Радарограмма по результатам георадиолокационных работ на склоне горы Айкуайвенчорр Хибинского горнорудного массива (центральная часть Кольского полуострова)
6. Заключение
Проведенные исследования с применением георадарного комплекса Ramac/GPR X3M показали:
- георадарные определения для целей подконтурного зондирования (профилирования) участков массивов горных пород (геологических сред) являются наиболее современным, высокотехнологичным и информативным средством неразрушающих измерений, позволяющим получать результаты в режиме реального времени и с пространственной привязкой GPS;
- точность определения зависит от типа антенны (обратно пропорциональна глубине зондирования) и от физико-механических свойств и состояния приконтурных участков породных массивов;
- георадарные определения высокоинформативны не только для естественных породных массивов, но и для насыпных грунтовых сооружений, дамб, плотин, и позволяют осуществлять как оценку исходного (первоначального) состояния, так и мониторинг развития деформационных процессов, трещиноватости, структуры и т.п.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 08-05-00145).
Литература
Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. М., МГУ, 153 с., 2005.
