CC BY
47
УДК 550.3:537.811
МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДИНАМИКИ ГРУНТОВ
Василий Федорович Гордеев
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (3822)49-25-91, e-mail: [email protected]
Виталий Игорьевич Поливач
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, старший научный сотрудник, тел. (3822)49-25-91, e-mail: [email protected]
Сергей Юрьевич Малышков
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, старший научный сотрудник, тел. (3822)49-25-91, e-mail: [email protected]
Предложены научные и методические подходы к использованию метода регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИМЭПЗ) для мониторинга динамики грунтов. Представлены результаты натурных измерений активности оползневых процессов по параметрам ЕИМПЗ. Описана технология мониторинга оползневой активности в режиме реального времени.
Ключевые слова: мониторинг, импульсное электромагнитное поле Земли, опасные геологические процессы.
EARTH NATURAL PULSE ELECTROMAGNETIC FIELD METHOD FOR SOIL DYNAMICS MONITORING
Vasiliy F. Gordeev
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Akademichesky Avenue, Ph. D., Senior researcher, tel. (3822)49-25-91, e-mail: [email protected]
Vitaliy I. Polivach
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Akademichesky Avenue, Research officer, tel. (3822)49-25-91, e-mail: [email protected]
Sergey Yu. Malyshkov
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Akademichesky Avenue, Senior researcher, tel. (3822)49-25-91, e-mail: [email protected]
The paper suggests scientific and methodical approaches for Earth natural pulse electromagnetic field (ENPEMF) recording application to soil dynamics monitoring. Field measurements of landslide processes activity by ENPENF parameters are presented. Authors describe landslide activity real-time monitoring technology.
Key words: monitoring, Earth pulse electromagnetic field, geological hazards.
В структуре естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) присутствуют импульсы от различных источников:
1. Импульсы грозового атмосферного происхождения, как от местных грозовых процессов в летнее время года, так и от мощных грозовых разрядов тропических гроз;
2. Импульсный поток литосферной составляющей, вызванный длиннопе-риодными деформационными волнами из нижней мантии, связанными с эксцентричным вращением ядра и оболочки Земли [1];
3. Импульсы, связанные с региональными тектоническими процессами, подготовкой, протеканием и релаксацией тектонических напряжений в очаге землетрясения;
4. Местные тектонические процессы, сопровождающиеся изменением тектонической активности грунтов, активизацией оползневых процессов, подвижками грунта.
Для измерения полей использовались разработанные, в ИМКЭС СО РАН, специализированные многоканальные геофизические регистраторы «МГР-01» [2]. В «МГР-01» предусмотрена регистрация импульсных сигналов по электрической и магнитной составляющим поля, причем по магнитной компоненте измерения ведутся на узкой полосе частот в ОНЧ-диапазоне по двум взаимно перпендикулярным направлениям приема сигналов. Одна антенна ориентировалась для преимущественного приема полей в направлении север-юг, другая запад-восток. Регистраторы «МГР-01» сертифицированы (сертификат № 24184), зарегистрированы в государственном реестре средств измерений и допущены к применению в Российской Федерации. Подчеркнем, что регистраторы измеряют только импульсные сигналы в указанном диапазоне частот, превысившие по амплитуде некоторый заданный оператором порог срабатывания (порог дискриминации). Регистраторы позволяют измерять магнитные поля
п
напряженностью от 2x10" А/м до 400 А/м или с магнитной индукцией от 2,5х10~4 нТл до 5х10~4 Тл. Напомним, что средняя напряженность поля у поверхности Земли составляет около 40 А/м. Опыт показывает, что для получения хорошо воспроизводимых результатов нет необходимости производить измерения при очень высокой чувствительности аппаратуры. Большинство представленных ниже измерений ЕИЭМПЗ выполнено по магнитной составляющей поля на резонансной частоте 14,5 кГц при пороге дискриминации по напряженности поля порядка (0.01-Ю,02) А/м.
Аномалии импульсных электромагнитных полей анализировались по результатам полевых исследований активного оползневого склона. Работы проводились по одним и тем же маршрутам в июне и в сентябре 2015 г. Измерения велись одновременно реперной станцией, которая находилась за пределами оползня и регистрировала фоновые вариации ЕИЭМПЗ и маршрутными регистраторами, которыми велись измерения на каждом пикете маршрута. Расстоя-
ние между пикетами составляло 20-25 м, координаты каждого пикета определялись по GPS навигатору и учитывались при обработке. Результатом обработки полученного массива данных была разница между фоновыми значениями ЕИЭМПЗ и значениями этих полей, полученными на пикетах. Методика измерений и обработки подробно описана в патенте [3].
В случае отрицательных аномалий ЕИЭМПЗ делалось заключение о напряжениях сжатия в массивах горных пород, в случае положительных - о растяжении. На рис. 1 приведены результаты такой обработки по четырем маршрутам. Из рисунка видна высокая корреляция между измерениями в июне и сентябре. Следует отметить, что в районе 50 - 180 метров маршрута №1 НДС грунта напряжения сжатия увеличились почти в два раза. Данные осеннего мониторинга ОГП показали более сложную картину НДС грунтов в районе контролируемого участка по сравнению с данными, полученными в летний период. На маршруте №2 напряжения растяжения в районе от 170 метра и до конца маршрута так же увеличилось почти в два раза. Активизация оползня, по-видимому, обусловлена повышением увлажненности грунтов.
Т т 7 ■ т т О 100 200 300 4С0 500
« 10« 20« 300 400 500
Расстояние, м
Расстояние,м
Расстояние, м
Рис. 1. Зависимость интенсивности радиоволнового сигнала
по маршрутам № 1-3, 5
В конце 2007 года была запущена в опытную эксплуатацию первая очередь автоматизированной системы контроля геодинамических процессов (АСК-ГП) оползневого склона на трассе магистрального газопровода Уренгой - Помары -Ужгород в районе перехода через реку Кама [4]. Комплекс состоит из десяти
многоканальных геофизических регистраторов «МГР-01», размещенных в ан-тивандальных бункерах на территории склона и за его пределами. Места размещения бункеров выбраны на основании комплексных геофизических исследований в точках с явно выраженными аномалиями напряженно-деформированного состояния горных пород.
Разработана принципиальная электрическая схема платы сопряжения регистратора «МГР-01» с модемом, зарядного устройства и контроля напряжения питания аккумулятора, с автоматическим отключением при понижении напряжения ниже допустимого. Схема реализована на 32-разядном ARM-контроллере AT91SAM7X256 с высоким быстродействием, что позволяет использовать коммуникационное программное обеспечение в режиме реального времени.
Разработан алгоритм и программное обеспечение для передачи данных с регистраторов на удаленный сервер по GPRS каналу в бинарном формате. Создана программа конвертирования бинарных данных в ASCII формат, для дальнейшей обработки и визуализации, получаемых данных.
Однако качественные хорошо воспроизводимые результаты могут быть получены только с учетом ряда принципиально важных особенностей естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). К таким особенностям, прежде всего, следует отнести существование глобальных и региональных процессов, способных изменять интенсивность регистрируемого сигнала ЕИЭМПЗ, а также наличие импульсов, пришедших из-за пределов контролируемой территории.
На основании предварительной апробации системы был сформулирован алгоритм контроля геодинамических процессов по параметрам ЕИЭМПЗ. В качестве критерия предложено использовать превышение интенсивности импульсного потока ЕИЭМПЗ в каждой измеряемой точке (Т1, Т2, Т3, Т5, Т6, Т7, Т8, Т9, Т10) по отношению к реперной станции (Т4 реп.).
В рамках работ по созданию автоматизированной системы контроля геодинамических процессов (АСК-ГП) реализован программный продукт для аккумулирования, хранения и анализа данных измерений в составе единого интернет портала [5]. На рис. 2 представлена копия экрана оператора.
Использование системы разнесенных в пространстве станций обеспечило высокоточные, хорошо воспроизводимые результаты, отражающие активность геодинамических склоновых процессов с высокой достоверностью.
Применение методов регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли позволило выявлять в структуре склона зоны повышенной и пониженной активности оползневых процессов, зоны растяжения и относительного сжатия, пространственную ориентацию напряжений.
Важным результатом выполненных работ стали итоги экспериментальной проверки возможностей пространственно-временного мониторинга НДС склона реки в масштабе реального времени. Удалось показать, что различные участки берега являются динамически развивающимися структурами, причем ситуация на различных участках оползня может изменяться даже в течение одних суток.
Рис. 2. Локализация оползнеопасного участка системой мониторинга опасных геологических процессов
Таким образом, результаты мониторинга напряженно-деформированного состояния оползневого склона за период 2007 - 2015 г.г. по показаниям сети станций, регистрирующих естественное импульсное электромагнитное поле Земли, включенных в автоматизированную систему контроля геодинамических процессов (АСК-ГП), показали высокую эффективность оценки устойчивости оползневого склона и обеспечили безопасную эксплуатацию магистрального газопровода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Малышков Ю.П., Малышков С.Ю. Периодические вариации геофизических полей и сейсмичности, их возможная связь с движением ядра земли. // Геология и геофизика 2009, №2, с. 152-172.
2. Шталин С.Г., Гордеев В.Ф., Малышков и др. Регистратор импульсных электромагнитных полей для мониторинга геодинамических процессов и геофизической разведки// Датчики и системы. № 4. 2012г., с. 32-37.
3. Малышков Ю.П., Малышков С.Ю., Шталин С.Г., Гордеев В.Ф., Поливач В.И. Способ геофизической разведки //Патент РФ № 2414726, БИ № 8, 20 марта 2011 г.
4. Мониторинг напряженно-деформированного состояния оползневого склона по параметрам радиошумов системой АСК-ГП / В. Ф. Гордеев, Ю. П. Малышков, С. Г. Шталин, С. Ю. Малышков, В. И. Поливач, М. М. Задериголова // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. - С. 8-12.
5. Интернет портал системы контроля геодинамических процессов / М. М. Кабанов, С. Н. Капустин, П. Н. Колтун, П. Б. Милованцев // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 138-142.
© В. Ф. Гордеев, В. И. Поливач, С. Ю. Малышков, 2016
