CC BY
33
Л.Л. Федорова, 2004
УДК 53.622
Л.Г. Нерадовский, А.В. Омельяненко, Л.Л. Федорова
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ *
Семинар № 2
ТУ работе представлены некоторые ре-
-Я-М зультаты исследований, которые получены при проведении экологического мониторинга на территории Национального Медицинского Центра (НМЦ) в г. Якутске.
Мониторинг производился с целью изучения строения и состояния мерзлых грунтов, слагающих основание свайных фундаментов зданий НМЦ и вмещающего природнотехногенную талую зону с линзами переохлажденной минерализованной воды (криопэга-ми).
Для решения задач мониторинга использован комплекс геолого-геофизических методов: гидрогеологические наблюдения за уровнем грунтовых вод, лабораторные исследования состава и содержания солей в грунтах и в воде, термический и электрический каротаж скважин, а также наземные геофизические методы георадиолокации и электроразведки в вариантах зондирования и профилирования.
Георадиолокацией уточнялось плановое положение границ криопэга, обнаруженного бурением и электромагнитным профилированием, а также определялась глубина залегания верхней, нижней границ талой зоны и прослеживалось их изменение в плане и в разрезе по четырем временным циклам в период 20012002 гг. Полевые измерения осуществлялись георадиолокационной аппаратурой 17ГРЛ-1.
На участках обнаруженного бурением криопэга, после проведения электромагнитного профилирования, георадиолокация выполнялась в два этапа, на первом этапе исследований установлены признаки обнаружения в плане и разрезе талой зоны. На этом этапе георадиолокация производилась в варианте параметрических зондирований между точками скважин. Расстояние между точками параметрических зондирований принято равным шагу электро-
магнитного профилирования - 5 м. В качестве информационных характеристик измерялось точное время задержки, динамические и фазовые характеристики электромагнитных импульсов, составляющих радиолокационный сигнал. Цифровая регистрация электромагнитных импульсов радиолокационного сигнала производилась в пределах времени задержки 600 наносекунд. Измерения производились с использованием линейной схемы разнонаправленного приема-передачи радиолокационного сигнала. При этом антенные системы располагались вдоль линии профилей с расстоянием между центрами осей 1,25 м друг от друга.
На втором этапе работ фиксировались изменения в положении границ талой зоны, включающий криопэги, которые произошли в плане и разрезе за время проведения мониторинга.
На этом этапе исследований георадиолокация производилась в варианте профилирования по линиям электроразведочных профилей. В ходе работ, оператор в реальном времени прослеживал динамические признаки наличия в разрезе талой зоны с криопэгами - временной интервал георадиолокационного сигнала с градиентом поглощения сигнала по оси ъ более 3,0-4,0 дБ/м.
При проведении радиолокационного профилирования измерялись электромагнитные импульсы, присутствующие в окне радиолокационного сигнала, в интервале временных задержек с высоким значением градиента поглощения грунтовой среды. Чаще всего, число таких импульсов не превышало двух, по ним и производилась идентификация верхней и нижней границы талой зоны с криопэгами. При визуальной корреляции таких импульсов оператор обращал особое внимание на фазу импульсов и определял частотно-фазовые, спектраль-
* Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 03-05-96085р2003Арктика_а)
А. дБ 60
50 40 ' 30
20 10 0
А, дБ
6,7 м
3,6 м 2,50 дБ/м
1,61 дБ/м\*з м
5,63 дБЛ<'''4£^!
2,94дБлГ~~~'-13'1 м 1,94дБ/мч
6,39дБ/мЧ16^м
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Н, и Рис. 2. Обобщенная диаграмма поглощения
ные характеристики радиолокационного сигнала в экстремальных значениях.
Необходимо отметить, что весеннее время года, является наиболее благоприятным для получения надежных количественных оценок строения и состояния грунтовой среды методом георадиолокации. В это время года в верхней части разреза отсутствует или имеет незначительную мощность слой сезонного оттаивания грунтов, и таким образом, его искажающее и экранирующее влияние на результат георадиолокации становится практически незначимым.
Обработка данных радиолокационного зондирования осуществлялась по разработанной методике построения обобщенной двумерной статистической функции распределения электромагнитных импульсов (ОДФР). Эта методика разработана для обработки сигналов параметрической георадиолокации [2]. Путем статистического накопления и регуляризации измеряемых сигналов, она позволяет выделить в сложном рассеянном поле электромагнитных импульсов, образовавшихся в грунтовой среде, когерентную составляющую информационных сигналов, которая содержит в себе электромагнитные импульсы, отразившиеся от плоских и протяженных радиокон-трастных границ георадиолокационного разреза.
Расчет ОДФР сделан по 34 точкам параметрического зондирования с помощью программы “SIGNAL”.
На рис. 1 показан график ОДФР участка работ, построенный в координатах: глубина залегания отражающих границ разреза - относительная амплитуда электромагнитных импульсов. Для перевода времени задержки импульсов в масштаб глубин использована расчетная средняя скорость их распространения в мерзлых - талых песках равная, 0,104 м/нс. На рис. 1 видно, что при объеме выработки 528 импульсов совокупность точек измерений образует, насыщенное электромагнитными импульсами, поле рассеяния. По пределу его распространения можно оценить среднюю максималь-
ную глубину радиозондирования равную, 17 м. В поле рассеяния выделяются две экспоненциальные составляющие с различным фоновым затуханием градиентом поглощения.
Верхняя экспонента с незначительным градиентом затухания выходит на асимптоту 30-40 децибел и соответствует разрезу мерзлых грунтов. Нижняя экспонента с высоким градиентом поглощения выходит на асимптоту 0-10 децибел и указывает на присутствие в разрезе талых минерализованных грунтов криопэгов. Из графика поглощения опорных импульсов (рис. 2) видно, что интервал преимущественного существования зон криопэгов находится в талых грунтах в пределах глубин 6,7-8,3 м. Его средняя мощность криопэга 1,6 м, при расчетном градиенте поглощения 5,63 дБ/м. График поглощения опорных импульсов построенный по маргинальной составляющей ОДФР, показывает, что в исследуемом разрезе есть шесть основных геологических границ. В пределах раздела глубин залегания 3,0-16,2 м.
Три радиоконтрастные границы, залегающие на глубине 3,6 м, 10,0 м, 13,1 м, образуют опорный каркас георадиолокационного разреза. Первая и вторая граница интерпретируется, как верхняя и нижняя граница талых грунтов. Третья граница интерпретируется, как граница между слоем однородных по гранулометрическому составу песков и слоем песков с различным содержанием крупнообломочного материала в виде гравия и гальки. Ниже третьей границы находится еще один интервал разреза с высоким радиопоглощением. Его мощность около трех метров, а градиент поглощения -6,39 дБ/м. По значению этой величины он интерпретируется, как нижний горизонт возможного существования линз криопэгов, залегающих на глубине более 13 м.
По результатам статистической обработки данных георадиолокации по методике ОДФР установлено, что талая зона с высокой минерализацией воды не представляет собой однородный
слой мощностью около 7-8 м, как это изначально предполагалось по данным бурения скважин. По данным интерпретации параметрической георадиолокации криопэги образуют в талых грунтах не мощный слой, а серию, разобщенных между собой, линз мощностью 0,3-1,5 м, залегающих в верхней и нижней части разреза, преимущественно в пределах глубин 7-8 м и 13-16 м.
Линзы криопэгов разъединены между собой не только по глубине, но и по площади. Об этом наглядно свидетельствует график фонового (интегрального) радиопоглощения талой зоны с криопэгами, построенный по одному из профилей георадиолокации на рис. 3.
Очевидно, что ядра криопэгов с максимальной концентрацией солевого раствора (55 г/л), соответствуют аномалиям с градиентом поглощения 8-11 дБ/м, и представляют собой, разобщенные в плане, линзы размерами 5-20 м. При ширине талой зоны 140 м доля криопэгов в ней составляет 46%. Судя по максимуму нелинейного тренда радиопоглощения, центр сосредоточения криопэгов расположен на участке профиля между точками №№211-222 и по данным инженерных изысканий совпадает с центром засыпанной и застроенной заболоченной ложбины.
В таблице приведены данные по засоленности воды в скважинах и ее пластовое радиопоглощение. Размах вариаций засоленности воды на небольшой площади участка работ, представляют собой достаточно редкое явление для г. Якутска.
Анализ геолого-геофизических данных показал, что мевду этими физическими величинами существует нелинейная связь, которую можно аппроксимировать экспоненциальным уравнением третьей степени:
С = 0,061*exp(0,711*G),
где С - минерализация воды в г/л, О - пластовый градиент поглощения в дБ/м.
Существование статистической связи между засоленностью криопэга и его радиопоглощени-
I 12
£ 6 ■ • • N. •• •
4 -2 - • Линзы криопэгов
Скв. 5НЦГ/31
200 205 210 215 220 225 230
Номера точек измерений
Рис. 3. Интегральный градиент поглощения
ем, позволяет использовать ее в инженерных целях для получения приближенных количественных оценок степени засоления криопэгов методом георадиолокации на начальных стадиях мониторинга мерзлой грунтовой среды.
Согласно статистическим данным измерений показано, что в талой зоне с криопэгами энергия радиолокационных сигналов уменьшается с градиентом 3,70-17,5 дБ/м. Чаще всего, градиент принимает два значения: 6,58 дБ/м и 14,8 дБ/м, при этом отмечено, что чем меньше мощность криопэгов, тем больше их засоленность и градиент поглощения.
Таким образом, по динамическому признаку георадиолокационных данных отмечена генетическая связь талой зоны с криопэгами с заболоченной ложбиной и установлен факт, что она является местом образования и сосредоточения линз криопэгов с повышенной концентрацией солевого раствора.
Результат георадиолокационного мониторинга состояния мерзлых грунтов, вмещающих в себя талую зону с криопэгами, показан по одному из профилей на рис. 4.
На рис. 4 отчетливо прослеживаются значимые сезонные изменения положения и конфигурации границ талой зоны с криопэгами, которые произошли в разрезе мерзлых грунтов в мае 2001 г. - сентябре 2002 г.
Номера скважин Засоленность, г/л Градиент поглощения, дБ/м
5НЦГ/31 55 9,6-12,0
6НЦГ/31 14 7,3
9НЦГ/31 5,3 6,5
10НЦГ/31 26,4 8,1-8,6
3БЛГ 25,5-26,7 8,5
‘асстояние между тснкаио равно 5 м Іоиора гоофи зич веки х тенек
Ска М> 5НЦГ/Э1
Здание Мвдцентра
Рис. 4. Результат георадиолокационного мониторинга криогенного состояния мерзлых грунтов
В зимний и весенний периоды, при полном промерзании слоя сезонного оттаивания (ССО), талая зона с криопэгами представляет собой замкнутое образование. Летом и осенью талая зона с криопэгами сливается с ССО. К маю 2002 г., ширина талой зоны с криопэгами уменьшилась на 7-10 м, а мощность увеличилась в точке бурения скважины №5НЦГ/31 на 1,5 м. В это время максимум минерализации воды находился на участке выклинивания линзы талых грунтов в точках №№208-210.
В осенний период нижняя граница талой зоны с криопэгами испытывает сильные вариации по глубине залегания. При этом в сентябре 2002 г. она стала залегать в окрестности скважины №5НЦГ/31 на 1-3 м глубже, чем в сентябре 2001 г. В это время минерализация воды в талых грунтах имела широкий ореол распространения с максимумом, расположенным в зоне влияния ССО. С мая 2002 г., максимум минерализации воды в талых грунтах перемес-
тился на 65 мв сторону здания Медцентра. Надо отметить, что пески, находящиеся в твердомерзлом состоянии со средним градиентом радиозатухания 2,4-3Д дБ/м, имеют необычно малую скорость распространения электромагнитных импульсов - 0,100-0,104 м/нс.
Причину можно объяснить тепловым и гидрохимическим воздействием на мерзлые грунты, значительной по размерам и мощности, талой зоны с криопэгами и в мерзлые пески вероятно мигрировали микроскопические криопэги мощностью в несколько сантиметров или миллиметров. Снижение радиопоглощения грунтов в осеннее время служит в пользу этого предположения и одновременно указывает на то, что эффект “микропропитки” мерзлых грунтов минерализованной водой более активно проявляет себя зимой и весной.
По данным бурения контрольных скважин, мониторинг глубины залегания границ талой зоны с криопэгами сделан методом георадиолокации по динамическому признаку со средней погрешностью 4,7-9,4 %.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Омельяненко А.В. - доктор технических наук, ст. научный сотрудник, Федорова Л.Л. - кандидат технических наук,
Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН, Якутск.
Нерадовский Леонид Георгиевич — главный геофизик ЯкутТИСИЗ, Якутск.
© В.А. Хямяляйнен, А. И. Шиканов,
47
