CC BY
27
УДК 551:622 (001) http://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-4-95-108
Современное состояние методов исследования геокриологических процессов в массивах горных пород криолитозоны
Рада Андреевна МИРОНОВА*
Институт горного дела Севера им. Н. В. Черского СО РАН, Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия Аннотация
Актуальность работы. Массив многолетнемерзлых пород характеризуется специфическими инженерно-геологическими и геокриологическими условиями, при их недостаточном изучении могут развиваться деформации, влияющие на безопасность работ и технико-экономические показатели. К сожалению, в существующих инструкциях и рекомендациях по наблюдениям за деформациями бортов и откосов карьеров не учитываются специфические природно-климатические условия месторождений криолитозоны, а также не описаны методы для мониторинга откосов и отвалов в районах распространения многолетнемерзлых пород. В связи с этим возникает вопрос выбора метода для исследования и мониторинга устойчивости бортов карьеров криолитозоны.
Цель работы - выбор метода исследования для мониторинга устойчивости бортов карьеров на основе обзора существующих методов мониторинга бортов карьеров, а также перспективных для изучения геокриологических условий.
Метод или методология проведения работы - аналитический обзор методов для изучения геокриологических процессов в массивах горных пород криолитозоны в естественных условиях и при техногенном воздействии.
Результаты работы и область их применения. Обзор показал, что перспективными являются такие методы геофизики, как электротомография и георадиолокация. Комплексирование этих методов обеспечит прогноз начала деформационных процессов в массиве горных пород бортов карьеров, тем более в тех местах, где необходимо выявить и оценить локальные, слабоконтрастные по геофизическим параметрам изменения. Выводы. В целях исследования устойчивости бортов карьеров в условиях криолитозоны возможно применение методов георадиолокации и электротомографии. Их совместное использование обеспечит более оперативное и надежное изучение геокриологических структур массивов горных пород криолитозоны. Для возможности использования данных методов в дальнейшем необходимо разработать методику изучения и мониторинга бортов карьеров криолитозоны с их комплексным использованием.
Ключевые слова: криолитозона, открытые горные работы, устойчивость бортов карьеров, деформация массива, геофизика, карьер, оползень, лазерный сканер, спутниковые приборы, радиолокационные системы.
введение
При добыче полезных ископаемых открытым способом важнейшей инженерной задачей для любого предприятия является поддержание устойчивости бортов карьеров [1]. Нарушение устойчивости массива горных пород в бортах карьеров и отвалов приводит к увеличению объемов горно-капитальных и вскрышных работ, снижению темпов углубления горных работ, сужению области применения наиболее эффективных бестранспортной и транспор-тно-отвальной систем разработки, способов механизации горных работ или способов отвалообразования, увеличению потери полезных ископаемых, выведению из строя оборудования и транспортных коммуникаций в карьере и т. д. Для предотвращения развития деформаций в бортах карьеров должны проводиться систематические наблюдения за деформациями откосов, изучение физико-механических свойств горных пород, а также геологических и гидрогеологических, геокриологических условий месторождения [2].
&adadyagileva0310@gmail.com
При разработке месторождений криолитозоны возможность проявления деформаций гораздо выше, так как зоны многолетней мерзлоты характеризуются самыми разнообразными инженерно-геологическими и геокриологическими условиями (надмерзлотные воды, талики, льды различного генезиса и т. д.), что обуславливает необходимость детального изучения массива мерзлых горных пород [3] для обеспечения их устойчивости [2]. При недостаточном учете геокриологических условий возможна катастрофическая ситуация, связанная с потерей устойчивости оснований и откосов карьеров, которая может возникнуть неожиданно, в любой момент эксплуатации. Так, например, на борту карьера «Юбилейный» (Западная Якутия, пос. Айхал) в мерзлых породах из-за недостаточного внимания по отношению к мониторингу геокриологической среды произошел процесс обрушения (рис. 1). К сожалению, в существующих инструкциях и рекомендациях по наблюдениям за деформациями бортов и откосов
рисунок 1. Деформации, произошедшие на бортах карьеров криолитозоны:
а - обрушенный участок; б - оползень «Кумтор Голд» Figure 1. Deformations that occurred on permafrost open pit walls:
a - collapsed area; b - landslide Kumtor Gold
карьеров не учитываются специфические природно-климатические условия месторождений криолитозоны, а также не описаны методы для мониторинга откосов и отвалов в р айонах распространения многолетнемерзлых пород [Л]. В связи с этим возникает вопрос выбора неао-да для нснледования и монизоринга устойааоясти Зорт оо! оапьир ов криолитозаоы.
Наиболее опасным видом деформаций бортов карьеров являются оползни, которые составляют большую еость деформащш относов [2]. Опллзни оказываю- гро-мадиоо ныяиние на безс^г^а^^1^зсао оедемна горных работ м л-тойливеинн бортов, Тиоал рлррлбно оанньш талом нефо-маций и ип бсaссифнцмрйвснием заосымалисе М. Л. Л. Фисенком сотр)синРи ВЧЕГИНбЕО и
др. Наиболее опасными являются оползни криогенного происхождения, которые распространены практически по вслмй срвл°у Росмиа вот Мовоземрлоекаы а^доо! ди Ч^от-мр^З [гд Криоорнньш оползыиа - это зналзaниe массы нр^оа в-ын ир склони под действием р—ыичных Пыи-озо в (темен-раыурл гортин пироды ы тoендxa, вложностой яитолоеичр-лоиЫ созтав, ио-фссость, шежиый покров, pacтитыхачocтаЫ крутизна, экспозиция и т. д.). Его отличие и специфика проявления связаны с аличием в криолитозоне крио-геннoзлвoдopтирл с мсдоишл СТС [с—опно е0дн0З0 cлoяЗ. в также сиоьнолноистыо нс<^;—<лле и зооожеобждзующд- ытьдов оыжр рго. Пpoяеpлыкоыаееннагo оповзаныо лпоцодах ыое-нзкают непосредственно после их обнажения и оттаивания в оторраыС с. е.оттаиодмие мсюевФГтнpыеpздаIноopoд приводит к формированию несливающихся мерзлых толщ, отнлднеш1е пото]гыб в тт-ымно-лpлниф нзйилм ырилоднз л ополи тоило ^рнов по поврртно ытн ыноыанртнрмр^лыо пород л], ы^ни-о—азио торраелинш-иои активнзацию нри-ог^^ны!! онл-оний, явлыютро ыынирчрнир колич еотви ыоырл-ныодиор и рост агтнеЧ тзмнрратуры ваытyлн. вени сохранится тенденция к потеплению, которую мы видим в настоящее время, то, вероятно, следует ожидать активи-зaиом кртогрнныи омаплнео аколожррия в болрр новрррыя щр сворт-лютсо плоыырр рля ньдоранорнрыня о ыоновонии СТС, оорряжрирыл е чолрчрнррм глубрры ррооарварря [0].
]По рв:е. — б приведен пример оползня, который произошел летом 2002 г. на участке борта карьера
«Кумтор Голд» [8]. По данным геотехнической службы, наблюдения невыявили признаков разрушительного процесса, т. е. никаких деформаций, характерных для таких оползней, или предвестников крупномасштабногосмеще-ниягрунта не было.
Внастоящеевремя проблеме оползней набортах карьеров криолитозоны не уделяется достаточного внимания, но есть довольно много исследований, затрагивающих оползневые процессы на склонах вечной мерзлоты. Большое внимание криогенным оползням естественного происхожденияуделяетсявспециальныхвыпусках [9,10], где рассматриваются вопросы изучения оползней вечной мерзлоты на Ямале, вБританской Колумбии, Китае и т. д. В данныхстатьяхрассматриваютсяпроцессыдеградациии их влияние на развитие оползней, геологических особенностей, связь оползневых процессов и растительности и т. д.
Особое внимание уделено оползням, возникающим вследствие таяния подземных льдов. Авторы статьи [11] утверждают, что оползни, возникающие вследствие таяния подземных льдов, двигаются со скоростью намного большей, чем оползни, возникающие в ненарушенном грунте (рис. 2). Также описание негативного фактора подземных льдов находим в различных работах М. О. Лейбман [12]. Авторделиткриогенныеоползнина двавида: КОТ(криогенныеоползни течения)и КОС(кри-огенные оползни скольжения), возникающие вследствие таяния подземных льдов.
Обисследованиях деформационныхпроцессов,втом числе оползней в бортах карьеров криолитозоны, упоминается встатьях[6,13], гдезатрагивается проблеманеобхо-димостиисследований,направленныхнаизучение условий возникновения деформаций откосовсклонов,их характе-ра,приэтомв статьенеприводитсяспособоврешения этих задач.Целью данной статьи является выбор метода исследования для мониторинга устойчивости бортов карьеров на основе обзора существующих методов мониторинга бортовкарьеров,атакжеперспективныхдля изучениягео-криологических условий.Длядостижения указаннойцели необходиморешитьследующиезадачи:
- обзор существующих методов для мониторинга бортов карьеров и определение их применимости для изучения оползневых процессов криолитозоны;
рисунок 2. Пластовый подземный лед в горном районе Фэнхуошань на Цинхай-Тибетском плато Figure2.Layered undergroundice intheFenghuoshanmountainousregion oftheQinghai-Tibet plateau
- обзор методов для исследования криогенных оползней естественногопроисхождения;
-выборперспективного направлениядля разработки методамониторинга деформационныхпроцессов вбор-тах карьеров криолитозоны.
Основным и традиционным методом получения информации о деформациях бортов карьеров являются инструментальные маркшейдерские наблюдения. Маркшейдерские наблюдения включают в себя комплекс работпо созданиюнаблюдательныхсетей,произ-водству измерений и камеральной обработке результатов измерений строго в соответствии с требованиями ВНИМИ. Наблюдательная сеть строится по принципу от общего к частному. Опорные и исходные пункты закладывают вне зоны возможных деформаций с учетом максимальных размеров и глубины карьера, а рабочие реперы располагают в зонах деформирования. Наблюдатель производит измерения из опорных пунктов, следя за сдвижением рабочих реперов. Маркшейдерские наблюдения за деформациями .бортов карьеров дают наиболее точные количественные данные, но их сложность состоитвбольшойтрудоемкостиработ: закладке реперов, охвате больших территорий, затрат большого количества времени на производство работ и т. д. При этом такие наблюдения дают информацию только после проявления внешних признаков деформаций, чего недостаточно для исследования устойчивости бор-товкарьеров криолитозоны.
В последние годы появилось множество приборов, облегчающихмониторинг бортовкарьеров.К основным используемымсовременным приборамотносятлазерный сканер, радиолокационные и спутниковые навигационные системы.
Внастоящеевремя большую популярность приобрели лазерные сканеры [14-17]. Принцип работы использо-
вания лазерного сканера заключается в измерении време-нипрохождениялазерноголучаот излучателядоотража-ющей поверхности и обратно до приемника (рис. 3). Для производства таких работ не нужен непосредственный доступ к объекту, не требуются отражатели или другие приспособления,необходималишьпрямаявидимость,но при этомлюбойобъектне виден целикомсоднойточки. Чем сложнееповерхность, тембольшенеобходимоточек, с которых будет производиться сканирование, поэтому и затраты навремя будут большими [18]. Точность лазерного сканера, к сожалению, не позволяет зафиксировать незначительныедеформацииряда уступов или борта в целом, предшествующие вывалу пород. Таким образом, на данный момент сканер не может служить средством раннего предупреждения о возможном обрушении горных пород,однако может использоватьсядля картирования и создания модели объекта.
Одним из современных методов мониторинга являются радарные технологии, которые достаточно независимы от погодных условий и обладают высокой точностью определения расстояний (до 0,1 мм) [19]. Радиолока-торыобычнопредставляют собой автономную установку, располагающуюся в специальном внедорожном прицепе (рис. 4). В прицепе размещены блок питания, системы управления и электроники, обеспечивающие защиту системы позиционирования, элементов радара, а также визуальный интерфейс оператора. Приемо-передатчик и антенна генерируют радиосигнал, который используется для получения точного измерения и обнаружения небольшихдвижений на склоне [20]. Из-за ограничений, возникающих вследствие пространственного разрешения, которого можно достичь с помощью радиолокации с реальной апертурой, ее ограниченного рабочего диапазона и значительного количества времени, требуемого на получение отдельного радиолокационного изображения,
рисунок 3. Лазерный сканер leica HDs8800 в процессе работы Figure3. Leica HDS8800 taserecanner in operation
рисунок 4. общий вид радиолокатора MsR 300, приведенного в рабочее состояние Figure 4. General view of the MS R 300 radar, brought into operation
зоны отслеживания обычно ограничиваются карьером, где смещения были сначала обнаружены обычными системами мониторинга, такими, как тахеометр или геотехнические датчики.
Наиболее применяемыми методами в настоящее время являются методы дистанционного зондирования. За счет снижения объема полевых работ, возможности наблюдений за пределами изучаемых объектов методы дают существенное повышение производительности работ [21].
Одними из оперативных дистанционных методов являются аэровизуальные наблюдения, которые позволяют в короткие сроки получить обзорную, актуальную информацию о распространении и динамике экзогенных геологических процессов [22]. В ходе аэровизуальных работ выполняется фотосъемка проявлений криогенных процессов, т. е. фиксирование изменения изучаемого объекта. Аэровизуальные работы проводятся дважды
в год. Весной, после схода снежного покрова, и в конце лета, в период максимального протаивания сезонно-тало-го слоя многолетнемерзлых пород [23]. Аэровизуальные наблюдения при этом позволяют получить информацию о деформациях только после проявления их внешних признаков и изменений больших размеров, которые можно получить на снимках. Этот метод является дорогим и наиболее перспективным для линейных объектов, а также метеозависимым.
Одним из методов дистанционного зондирования, предпочтительно используемым для изучения криогенных оползней естественного происхождения, является метод радиоинтерферометрии (радаров с синтезированной апертурой), рис. 5 [15, 24, 25]. Метод широко используются при изучении смещений на оползневых склонах, проседаний грунтов над шахтами и тоннелями, смещений земной поверхности в результате землетрясений и дру-
гих природных и техногенныхпроцессов [26]. Отмечено, что летние радиолокационные изображения зачастую были менее информативными из-за обильных дождевых осадков в день съемки или непосредственно перед ним. Успемным бысо примеиениъ их в зимнее ъремя. Дря 6од-тов ксрьероы криосстеооны нсиболее перисдоы
являетсп педний, позтом» ^еымиждо^,^]ьныс^м^^еииянн-терферометрии может быть ограничена погодными условиями. Эффективность применения интерферометриче-ских наблмдони» з емной но^^рхм^с^еы с повлыроющихся орбиъ вссричеекияаппаратоо зас исит отыкпа подстилею-щей ырсархности и мылыоуеловийв зонах адeыд:и.
При использованиигло бальной навигрционйвй рпут-никовой системы (ГНСС) можно получить координаты в любой точке земной поверхности путем обработки спут-нъкыоыы сионaсес [2я, 28]. Любая ШСС ссдконт иы едяи сегмеиеыс:иосмнпеедсго, наземного ы го (рсс. 6). При опведеаении коомиинас поилылюсеииям налииационных спутников рoродyюдcяиaзныcд мырдко-ми (абсолютный, дифференциальный, относительный) [29]. При использовании спутниковых приборов не тре-(зуелсы иртегеда дидимостд м^ди пункоами, ^ыялыиа-исия сызмсжностз куддсиных ошибок, плккас ыдстими автомдеизиилыина, можно зночителрсю искрасить сроки
Рисунок б.Общий вид ГНСС приемника Figure 6. General viewofthe GNSS receiver
проведения работ. Однако точность проведения зависит от погодных условий (дождя, снега, высокой или низкой температуры, а также влажности), поэтому заранее определить даты для наблюдений невозможно.
Также одним из методов, который позволяет получить информацию о сдвижениях, является инклинометриче-ский [30]. Данный метод изучения оползневых процессов основывается на бурении скважин и опускании зонда инклинометра в скважину, в процессе чего в заданных точках будут производиться измерения наклона ствола скважины. Далее на основе измеренных углов наклона и азимута с привязкой к глубине погружения рассчитывается траектория движения зонда - то есть скважины. Этот метод предполагает, что нижний конец скважины неподвижен (находится ниже плоскости скольжения оползня), поэтому для правильного подбора глубины скважин нужны данные предварительных изысканий.
При всех своих достоинствах все указанные методы в целях мониторинга бортов карьеров позволяют оценить лишь внешние проявления деформаций на контурах выработок, т. е. дают информацию только при появлении их первых признаков на поверхности. Для сложноструктур-ных геологических условий месторождений, например для криолитозоны, необходимо более обширное знание о массиве горных пород, а также их предварительный прогноз.
К сожалению, инструкции и методические указания по мониторингу бортов карьеров не обновляются уже в течение многих лет. Последний нормативный документ в области геомеханики открытых горных работ, появившийся после распада СССР, - это «Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах» [31], ориентированный в основном на обслуживание угольных разрезов [32]. Попытка ограничить применение вновь разработанного документа только областью разработки угольных месторождений привела к снижению его методической ценности даже по сравнению с изданными ранее [2, 33]. Также необходимость модернизации инструкций и рекомендаций по обеспечению устойчивости бортов карьеров отмечалась в работах [34, 35]. Проблема разработки новых стандартов как по проектированию бортов карьеров, так и по их мониторингу актуальна не только в России, но и за рубежом. Так, в 2004 г. доктор Джон Рид из CSIRO (национальное агентство научных и прикладных исследований Австралии) собрал на конференцию в Сантьяго ведущих специалистов по устойчивости бортов карьеров со всего мира, где был поднят вопрос о необходимости интеграции накопленных знаний в едином международном стандарте по проектированию и поддержанию устойчивости бортов карьеров [32]. После данной конференции был создан международный исследовательский проект Large Open Pit, итогом которого стала книга [36]. Эта книга большими усилиями была переведена на русский язык в 2015 г. доктором техн. наук, профессором А. Б. Макаровым и была представлена на 11-м горнопромышленном форуме «МАЙНЕКС Россия 2015», где в ходе дискуссии были рассмотрены традиционные и современные подходы и представлены некоторые тематические исследования. В данной книге описывается методика проектирования откосов, геологические, гидрогеологические
и геомеханические модели, критерии приемлемости, а также оценка состояния борта и его мониторинг. В главе по мониторингу бортов приводится развернутое описание современных методов мониторинга бортов и уступов карьеров, включающих радиолокацию и георадар. Данная книга стала основой для создания российских «Правил обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов». На VII Международной научно-технической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» в 2016 г. были приняты решения о формате нового документа и структуре проекта по подготовке Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности (ФНП) «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов». Управление проектом было доверено ИПКОН РАН (Новости, 2017). Руководство командой составителей ФНП было возложено на проф. О. В. Зотеева [37]. За прошедшие годы в России накоплен огромный объем знаний о свойствах массивов, разработаны новые методы изучения массивов горных пород, но, к сожалению, нет инструкций и рекомендаций о том, как и где они могут быть использованы. Также отсутствуют стандарты, рекомендации для изучения бортов карьеров криолитозоны, учитывающих их сложную геокриологическую структуру, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых породах. Для того чтобы прогнозировать развитие оползневых процессов и любых других, необходимы методы, которые позволяли бы получать информацию о внутреннем строении массива горных пород бортов карьеров криолитозоны и динамике развития в них криогенных процессов.
Одним из методов, который можно использовать для прогнозирования криогенных оползневых процессов, является изучение температурного режима массива горных пород борта карьера. От изменения температуры зависит физическое состояние воды, что, в свою очередь, оказывает влияние на физико-механические свойства почвы. Особенности формирования инженерно-геологических условий во многом базируются на состоянии многолет-немерзлых пород: глубины их сезонного промерзания и протаивания, годовых распределений теплового потока. Многие экзогенные процессы, такие как выветривание, оползни, солифлюкция, морозобойное растрескивание, связаны с изменением температурного состояния грунтов. Точные ответы на вопросы о деградации многолетне-мерзлых грунтов или сохранности мерзлоты можно будет получить по мере накопления мониторинговых данных [38]. При этом стоит учитывать, что изучение оползневых процессов только по особенностям температурного режима невозможно, данные, полученные этим методом, являются скорее дополнением к другим.
Основными методами, используемыми для геокриологических исследований, являются мерзлотная съемка, ландшафтно-геокриологическое районирование, аэровизуальные наблюдения, а также методы геофизики. Под мерзлотной (геокриологической) съемкой следует понимать комплекс полевых, лабораторных и камеральных работ, целью которых является изучение закономерностей формирования и развития сезонно- и многолетнемерзлых горных
пород и мерзлотно-геологических процессов и явлений в зависимости от существующих природных условий, от их естественных изменений под влиянием техногенных воздействий, а также составление мерзлотных карт и мерзлотного прогноза. Данный метод является дискретным, из-за чего нет точных данных о неизученных областях.
Также одним из основных геокриологических методов является ландшафтно-ключевой метод. Сущность этого метода заключается в ландшафтном (геолого-географическом) районировании территории по факторам и условиям, определяющим формирование разновидностей сезонно- и многолетнемерзлых пород. Затем на основе карты районирования и собранных материалов выбираются ключевые участки, являющиеся представительными для выделенных типов местности (микрорайонов), на которых концентрируются комплексные исследования. Использование данного метода для изучения криогенных оползней описано в работе [39]. Использование ланд-шафтно-ключевого метода хоть и позволяет разделять склоны на отдельные типы и изучать на основе их сравнения оползневые процессы, но данный метод не исключает недочета отдельных элементов.
Для изучения криогенных процессов бортов возможно использование геофизических методов, позволяющих получать физико-механические характеристики грунтов в условиях естественного залегания и успешно применяющихся при геокриологических исследованиях [40-44]. Геофизические методы (электромагнитные, сейсмоаку-стические методы, гравиразведка, магниторазведка и т. д.) позволяют изучать строение, состав и состояние геологической среды путем наблюдения физических полей искусственного или естественного происхождения с последующей обработкой получаемой при этом информации. Достоинствами геофизических методов являются возможность оценки геологического строения, физико-механических, водно-физических и других свойств без отбора проб и специальных испытаний; возможность периодических наблюдений за протекающими геологическими процессами во времени с любой периодичностью, в том числе в автоматическом режиме. В настоящее время достаточно широкое применение для изучения криолитозоны нашли сейсмоакустические методы и электроразведка.
Сейсморазведка, чье широкое применение связано с решением структурных задач картирования геологического разреза в нефтяной отрасли, постепенно стала использоваться и в малоглубинной геофизике для решения различных задач, в том числе и для исследования массива горных пород криолитозоны [45-48]. Сейсмические свойства мерзлых и талых грунтов значительно различаются, что предопределяет высокую эффективность сейсморазведки. Промерзание грунта приводит к заполнению его пор льдом, в котором скорость продольных сейсмических волн в два раза превышает аналогичный показатель для жидкой воды. В диссертации [49] отмечено, что сейсморазведка для поверхностных условий оползней является малоэффективной, поэтому для изучения их развития необходим другой метод. При этом эффективной для изучения криогенных оползней может быть малоглубинная сейсморазведка. Возможности данного метода для изуче-
ния оползней в вечной мерзлоте описаны в работах [43, 50]. В работе [50] интерпретация результатов сейсморазведки позволила определить тип оползня, выявить процессы оползнеобразования, установить поверхность скольжения горных пород, что дает возможность сделать заключение об объеме массива сползающей толщи. Данный метод не позволяет применять его в стесненных условиях, а также является сезонным.
Одними из наиболее используемых и перспективных методов для изучения многолетнемерзлых пород в настоящее время являются методы электроразведки [49, 51-57]. Электроразведка основана на изучении электромагнитного поля, действующего на Земле и созданного искусственно, и насчитывает свыше пятидесяти различных методов и модификаций. В настоящее время все большее применение для геокриологических исследований находят методы георадиолокации и электротомографии [58].
Электротомография берет свое начало в работах Конрада Шлюмберже [59]. Придя на смену и в дополнение к традиционным вертикальным электрическим зондированиям и электропрофилированию, сначала в виде сплошных электрических зондирований [60], а затем, после разработки алгоритма 2Б-инверсии кажущихся сопротивлений, в истинные значения удельного электрического сопротивления (УЭС) [61], новая методика получила свое современное название. В распространенной в настоящее время терминологии электротомография - это методика, направленная на изучение двумерно-неоднородных сред, выполняемая по профилю [62]. В настоящее время материалы об успешном применении электротомографии для геокриологических исследований можно найти в работах [49, 63, 64]. Таким образом, есть исследования о возможности применения электротомографии как для изучения оползней в вечной мерзлоте, так и для их изучения в бортах карьеров, но пока еще не до конца изученной темой остается применение электротомографии для изучения оползней в бортах карьеров с учетом специфических условий криолитозоны, хотя все предпосылки и перспективы для этого есть. Одним из недостатков метода электротомографии является отсутствие возможности выделения четких геоэлектрических границ из-за гладкого распределения УЭС в инверсионной геоэлектрической модели [65]. Поэтому данный метод будет наиболее эффективен при применении его комплексно с методом георадиолокации.
В работе [66] обсуждаются результаты многолетних натурных наблюдений и геофизических исследований, проведенных методом электротомографии в пределах одного из сейсмогенных оползней на территории Горного Алтая (рис. 7), которые показали, что комплексное геолого-геофизическое изучение оползневых процессов и ре-жимообразующих факторов на примере одного оползня позволяет делать краткосрочные прогнозы дальнейшего развития оползневых структур и оценивать степень их опасности для инженерно-хозяйственных объектов.
Метод георадиолокации является высокочастотным электромагнитным геофизическим. Принцип метода основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электро-
О 50 100 150 200 НО 550 Э5Ф
РДСГ-ТСгЯНЦИ И
рисунок 7. Геоэлектрический разрез сейсмогенного оползня на территории Горного Алтая:
I - граница ММП; II - линия сечения поверхности скольжения оползня; 1 - линза льдистых пород; 2 - обводненные оползневые массы; 3 - породы оползневого языка; 4 - мерзлые коренные породы; 5 - мерзлые рыхлые отложения; 6а, 6б - аномалии низкого УЭС в зонах разломов; 7 - обводненные рыхлые отложения в ложбине стока; 8 - нижняя граница оползня Figure 7. Geoelectric section of a seismogenic landslide on the territory of Gorny Altai:
I - permafrost border; II - section line of the landslide sliding surface; 1 - lens of icy rocks; 2 - watered landslide masses; 3 - landslide tongue rocks; 4 - frozen bedrock; 5 - frozen loose sediments; 6a, 6b - low resistivity anomalies in fault zones; 7 - watered loose sediments in the runoff clough; 8 - landslide lower border
магнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах могут являться контакты между породами различного литологического состава, между сухими и влагонасыщенными грунтами - уровень грунтовых вод между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и осадочными породами и т. д. [67]. Мощность СТС достигает максимальных значений в 3-4 м, поэтому использование георадиолокации с глубинностью до 40 м для выявления криогенных оползней представляется возможным. Об успешном применении георадиолокации для изучения многолетнемерзлых пород написано в различных исследованиях, таких как [3, 67-69]. Поэтому применение георадиолокации для изучения многолетнемерзлых пород является эффективным. При этом в уже упомянутой книге авторы отмечают, что следует присмотреться к методу георадиолокации, так как практический опыт использования радиолокационных станций/георадаров показал высокий уровень технического исполнения и надежности, апробированный на многих горнодобывающих предприятиях по всему миру для мониторинга бортов карьера.
Успешное применение метода георадиолокации при изучении оползней криолитозоны описано в работах [70, 71] На записях, выполненных с помощью антенн 75 и 150 МГц, можно увидеть блоковое строение оползня и пропикировать границы этих блоков. Мощность блоков варьируется от 1 до 5 м. Отдельно стоит отметить блок в нижней части профилей, представляющий собой сильно вытянутое тело небольшой мощности (рис. 8). Отдельно также стоит упомянуть работы [72-74], в которых определены критерии выявления подземных пластовых льдов методом георадиолокации, поэтому выявление оползневых тел вследствие таяния подземных льдов методом георадиолокации является возможным.
Практически все участки криолитозоны имеют сложные, неоднородные по простиранию и глубине мерзлот-но-грунтовые условия. Так, на одном месторождении могут залегать как талые, так и мерзлые грунты сливающегося и несливающегося типов, пластично-мерзлые и охлажденные, сильнольдистые, засоленные и т. д. Непрерывность изучения геологического разреза приобретает особую значимость, когда в насыпных грунтах и грунтах основания не исключена возможность присутствия локальных неоднородностей. Мониторинг бортов карьеров традиционными методами, такими, как маркшейдерские наблюдения, или методами геокриологических исследований не может дать информации о массиве горных пород в полном объеме, поэтому использование геофизических методов будет здесь более уместно.
Комплексирование методов электротомографии и георадиолокации позволит решить задачи определения: глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород; мощности и состояния СТС; наличия прослоев льда в теле насыпи; участков повышенной влажности пород; зоны пучений в массиве горных пород; зоны просадок горных пород; границы талых и мерзлых пород; зоны разуплотнения и т. д. Комплексная интерпретация данных методов обеспечит прогноз начала деформационных процессов в массиве горных пород бортов карьеров, тем более в тех местах, где необходимо выявить и оценить локальные, слабоконтрастные по геофизическим параметрам изменения. Предпосылкой их комплексирования являются как общие электромагнитные характеристики, лежащие в их теоретической основе (главным образом комплексная диэлектрическая проницаемость и электропроводность), так и общий круг инженерно-геологических задач, на решение которых они нацелены. О комплексировании методов электротомографии и георадиолокации для изучения криолитозоны упоминается во многих статьях [40, 75, 76]. Важными параметрами, характеризующими возможно-
рисунок 8. Георадиолокационный разрез с выделенными участками оползневых тел Figure 8. Georadar section with highlighted areas of landslide bodies
сти применения этих методов в различных средах, являются электрические свойства этих сред, поэтому перед применением комплекса георадиолокации и электротомографии для изучения оползневых процессов в бортах карьеров криолитозоны необходимо изучить динамику электрофизических свойств в массиве горных пород при развитии в них криогенных процессов.
Выводы
Проведенный обзор показал, что методы, используемые для мониторинга бортов карьеров, не дают полного объема информации, необходимого для исследования
массива горных пород криолитозоны. Изучение и мониторинг бортов карьеров криолитозоны возможен с дополнительным использованием таких методов геофизики, как георадиолокация и электротомография. Комплекси-рование данных методов обеспечит более оперативное и надежное изучение геокриологических структур массивов горных пород криолитозоны. Для исследования бортов карьеров криолитозоны данными методами в дальнейшем необходимо разработать методику мониторинга, которая позволит на основе данных геофизических измерений прогнозировать деформационные процессы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акишев А. Н., Бокий И. Б. К вопросу о возможности увеличения угла наклона борта карьера в условиях криолитозоны // ГИАБ. 2014. № 8. С. 36-40.
2. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости: утв. Госгортехнадзором СССР 21 июля 1970 г. Л.: ВНИМИ, 1971. 187 с.
3. Саввин Д. В., Федорова Л. Л., Соловьев Е. Э. Опыт георадиолокационных исследований при инженерно-геологических изысканиях в Центральной Якутии // Инженерные изыскания. 2018. Т. XII. № 7-8. С. 92-100.
4. Рыльникова М. В., Перепелицын А. И., Зотеев О. В., Никифорова Л. И. Особенности и перспективы реализации проекта федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов» // Горная промышленность. 2020. № 1. С.132-139. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-132-139
5. Лейбман М. О. Криогенные склоновые процессы и их геоэкологические последствия в условиях распространения пластовых льдов: дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. Тюмень: Ин-т криосферы Земли СО РАН, 2005. 262 с.
6. Верхотуров А. Г., Размахнина И. Б. Причины деформирования бортов угольных разрезов Забайкалья // ГИАБ. 2016. № 9. С. 211-221.
7. Кизяков А. И., Лейбман М. О. Рельефообразующие криогенные процессы: обзор литературы за 2010-2015 годы // Криосфера Земли. 2016. Т. XX. № 4. С. 45-58. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2016-4(45-58)
8. Torgoev I., Torgoev A. Rockslides in the Open Pit of Kumtor Gold mine (Kyrgyzstan) // Landslide Science for a Safer Geoenvironment. 2014. P. 511-516.
9. Landslide Science for a Safer Geoenvironment. Vol. 3. Targeted Landslides / S. Kyoji, C. Paolo, Y. Yueping (eds.). Cham: Springer International Publishing, 2014. 690 p.
10. Landslides in Cold Regions in the Context of Climate Change / W. Shan, Y. Guo, F. Wang, H. Marui, A. Strom. Cham: Springer International Publishing, 2014. 308 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-04996-0
11. Wei M., Fujun N., Satoshi A., Dewu J. Slope instability phenomena in permafrost regions of Qinghai-Tibet Plateau, China // Landslides. 2006. Vol. 3. P. 260-264. https://doi.org/10.1007/s10346-006-0045-0
12. Morino C., Conway S. J., Balme M. R., Helgason J. K., S^mundsson Jordan C., Hillier J., Argles T. The impact of ground-ice thaw on landslide geomorphology and dynamics: two case studies in northern Iceland // Landslides. 2021. Vol. 18. P. 2785-2812. https://doi.org/10.1007/ s10346-021-01661-1
13. Верхотуров А. Г., Размахнина И. Б. Инженерно-геологические проблемы освоения угольных месторождений Забайкальского края // Вестник Забайкальского государственного университета. 2015. № 8(123). С. 4-11.
14. Bauer A., Paar G., Kaltenbock A. Mass Movement Monitoring Using Terrestrial Laser Scanner for Rock Fall Management // Geo-information for Disaster Management. Berlin; Heidelberg: Springer, 2005. P. 393-406. https://doi.org/10.1007/3-540-27468-5_28
15. Lissak C., Bartsch A., De Michele M., Gomez C., Maquaire O., Raucoules D., Roulland Th. Remote Sensing for Assessing Landslides and Associated Hazards // Surveys in Geophysics. 2020. Vol. 41. P. 1391-1435. https://doi.org/10.1007/s10712-020-09609-1
16. Бондур В. Г., Захарова Л. Н., Захаров А. И., Чимитдоржиев Т. Н., Дмитриев А. В., Дагуров П. Н. Мониторинг оползневых процессов с помощью космических интерферометрических радаров L-диапазона на примере обрушения склона берега реки Бурея // Исследование Земли из космоса. 2019. № 5. С. 3-14. https://doi.org/10.31857/S0205-9614201953-14
17. Laser scanning - a paradigm change in topographic data acquisition for natural hazard management / T. Geist [et al] // Sustainable Natural Hazard Management in Alpine Environments. Berlin; Heidelberg: Springer, 2009. P. 309-344. https://doi.org/10.1007/978-3-642-03229-5_11
18. Низаметдинов Ф. К., Хмырова Е. Н., Бесимбаева О. Г., Низаметдинов Н. Ф., Олейникова Е. А. Использование технологии лазерного сканирования для наблюдения за состоянием устойчивости прибортовых массивов // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2016. Т. 1. № 2. С. 156-160.
19. Каспарьян Э. В., Кожуховский А. В., Розанов И. Ю. Опыт организации мониторинга устойчивости бортов и уступов карьера // Известия вузов. Горный журнал. 2015. № 5. С. 67-74.
20. Клебанов А. Ф., Макеев М. А., Монахов Н. В. Современная система контроля устойчивости бортов карьеров на основе использования радаров MSR // Горная промышленность. 2015. 1(119). С. 75-76.
21. Зверев А. Т., Малинников В. А. Космический геоэкологический мониторинг северных территорий России // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 6. С. 68-73.
22. Garnica-Peña R. J., Alcántara-Ayala I. The use of UAVs for landslide disaster risk research and disaster risk management: a literature review // Journal of Mountain Science. 2021. № 18. P. 482-498. http://dx.doi.org/10.1007/s11629-020-6467-7
23. Макарычева Е. М., Сергеев Д. О., Станиловская Ю. В., Перльштейн Г. З., Хименков А. Н. Аэровизуальные обследования как источник геокриологической информации и их роль в обеспечении устойчивого развития территории // Сергеевские чтения. Устойчивое развитие: задачи геоэкологии (инженерно-геологические, гидрогеологические и геокриологические аспекты): материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. М.: РУДН, 2013. Т. 15. С. 449-454.
24. Пономаренко М. Р. Разработка метода деформационного мониторинга открытых горных работ в условиях Крайнего Севера с использованием космического радиолокационного зондирования: дис. ... канд. техн. наук. СПб: СПГУ, 2018. 155 с.
25. Advanced Radar Images for Monitoring Transportation, Energy, Mining and Coastal Infrastructure / V. Singhroy [et al.] // Advances in Remote Sensing for Infrastructure Monitoring. Springer Remote Sensing/Photogrammetry. Cham: Springer, 2021. P. 3-40. https://doi.org/10.1007/978-3-030-59109-0_1
26. Смольянинова Е. И., Киселева Е. А., Михайлов В. О. Применение РСА-интерферометрии снимков со спутников Sentinel-1 при изучении областей активных деформаций поверхности в прибрежном районе Большого Сочи // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 5. С. 147-155. http://dx.doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-5-147-155
27. Панжин А. А., Голубко Б. П. Применение спутниковых систем в маркшейдерском деле // Известия УГГГА. Сер. «Горное дело». 2000. Вып. 11. С. 183-195.
28. Панжин А. А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятиях с использованием GPS // Известия УГГГА. Сер. «Горное дело». 2000. № 11. С. 196-203.
29. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск: СГГА, 2006. 360 с.
30. Исаев Ю. С., Молчанов А. А. Инклинометрический мониторинг для изучения оползневых процессов // Каротажник. 2016. № 3(261). С. 55-66.
31. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. СПб: ВНИМИ, 1998. 207 с.
32. Зотеев В. Г., Макаров А. Б., Эпштейн И. В. Оценка возможности использования «Руководства по проектированию бортов карьеров» при проектировании открытой разработки рудных месторождений в условиях современной России // Золото и технологии. 2018. № 1(39). С. 52-57.
33. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1987. 118 с.
34. Рыльникова М. В., Перепелицын А. И., Зотеев О. В., Никифорова И. Л. Особенности и перспективы реализации проекта федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов // Горная промышленность. 2020. № 1. С. 132-139.
35. Рыльникова М. В., Зотеев О. В., Никифорова И. Л. Развитие нормативной базы в области обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов // Горная промышленность. 2018. № 3. С. 95-98.
36. Read J., Stacey P. Guidelines for open pit slope design. Boca Raton, FL: CRC Press, 2009. 510 p.
37. Makarov A., Livinsky I., Spirin V., Pavlovich A. Regulation of open pit slope stability in Russia // Slope Stability 2020: Proceedings of the 2020 International Symposium on Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering. Perth: Australian Centre for Geomechanics. 2020. P. 155-164. https://doi.org/10.36487/ACG_repo/2025_05
38. Светлаков А. А., Козырева Е. А., Рыбченко А. А. Предварительный анализ температурного состояния грунтов острова Ольхон (по данным мониторинга) // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 4. С. 81-85.
39. Хомутов А. В., Лейбман М. О. Оценка опасности проявления криогенных оползней скольжения в тундре Центрального Ямала // Криосфера Земли. 2016. Т. ХХ. № 2. С. 49-60.
40. Соловьев Е. Э., Саввин Д. В., Федорова Л. Л. Исследование геокриологических условий массива мерзлых горных пород неразрушающими электромагнитными методами // Горный журнал. 2019. № 2. С. 31-37.
41. Якупов В. С. Геофизика криолитозоны. Якутск: Изд-во Якутского гос. университета, 2008. 342 с.
42. Садуртдинов М. Р., Скворцов А. Г., Малкова Г. В., Судакова М. С., Царев А. М. Опыт применения волновых методов геофизики в криолитозоне // Современные технологии изучения и освоения недр Евразии: сб. тез. Междунар. геол.-геофизич. конф. и выставки. М.: ЦМТ, 2018. С. 675-679.
43. Kurlenya M. V., Chernyshov G. S., Serdyukov A. S., Duchkov A. A., Yablokov A. V. Procedure and results of seismic investigations into causes of landslides in permafrost rocks // Journal of Mining Science. 2016. No. 52. P. 835-841. https://doi.org/10.1134/S1062739116041273
44. Gilmore T. J., Clayton E. A. Mapping the top of the permafrost using surface direct current resistivity survey // Environmental geology: international journal of geosciences. 1997. Vol. 30. P. 29-33.
45. Садуртдинов М. Р., Скворцов А. Г., Царев А. М. Использование сейсмических методов в криолитозоне // Инженерная сейсморазведка-2018: сб. тез. науч.-практ. конф. 2018. С. 13-14.
46. Романов В. В., Шубина Д. Д. Методы геофизики при исследовании линейных сооружений в криолитозоне // Научный журнал Российского газового общества. 2017. № 2. С. 17-20.
47. Седов Б. М. Сейсмические свойства криолитозоны: дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. СПб: СПбГУ, 1992. 56 с.
48. Садуртдинов М. Р., Скворцов А. Г., Судакова М. С., Царев А. М., Малкова Г. В. Комплексирование сейсмических и георадиолокационных методов в криолитозоне // Инженерная сейсморазведка-2018: сборник тез. науч.-практ. конф. 2018. С. 121-125.
49. Сергеев К. С. Комплексирование сейсморазведки и электротомографии в малоглубинной геофизике: дис. ... канд. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина, 2018. 135 с.
50. Курленя М. В., Чернышов Г. С., Сердюков А. С., Дучков А. А., Яблоков А. В. Методика и результаты сейсмического исследования процессов образования оползней в условиях многолетнемерзлых пород // ФТПРПИ. 2016. № 5. С. 6-13.
51. Fedorova L. L., Kulyandin G. A., Savvin D. V. Geocryological Analysis of Rocks to Predict Adverse Freeze-and-Thaw Effects // Journal of Mining Science. 2019. Vol. 55. P. 1023-1031. https://doi.org/10.1134/S1062739119066417
52. Кадырова Л. Б. Геофизические исследования мерзлоты // Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана, Урала и сопредельных территорий: XI Межрегион. науч.-практ. конф., посвящ. 65-летию Ин-та геологии УНЦ РАН (Уфа, 17-19 мая 2016 г.). Уфа: ДизайнПресс, 2016. С. 216-218.
53. Рекомендации по геофизическим работам при инженерных изысканиях для строительства (электроразведка). М.: Стройиздат, 1984. 104 с.
54. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. М.: ПНИИС Госстроя России, 2000. 57 с.
55. Инструкция по изучению инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых при их разведке. М.: Недра, 1975. 52 с.
56. Методические рекомендации по прогнозированию изменений инженерно-геокриологических условий эксплуатации месторождений полезных ископаемых на Крайнем Севере при их разведке. М.: ВСЕГИНГЕО, 1976. 57 с.
57. Ushakov V. Ya., Vajov V. F., Zinoviev N. T. Relevance, Physical Basics, and Problems of Large-Scale Introduction of Electrodischarge Technology // Electro-discharge Technology for Drilling Wells and Concrete Destruction. 2019. P. 1-12. https://doi.org/10.1007/978-3-030-04591-3_1
58. Бричева С. С. Разработка методики изучения криогенных объектов при помощи георадиолокации: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2018. 169 с.
59. Bowker G. A Well Ordered Reality: Aspects of the Development of Schlumberger, 1920-39 // Social Studies of Science. 1987. Vol. 17(4). P. 611-655. https://doi.org/10.1177/030631287017004003
60. Бобачев А. А., Модин И. Н., Перваго Е. В., Шевнин В. А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред // Разведочная геофизика. 1996. С. 47-50.
61. Loke M. H., Barker R. D. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method // Geophysical Prospecting. 1996. Vol. 44. P. 131-152. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.1996.tb00142.x
62. Павлова А. М. Применение малоглубинной электроразведки для изучения трехмерно неоднородных сред: дис. . канд. техн. наук. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2014. 129 с.
63. Huissteden J. Thawing Permafrost. Cham: Springer Nature Switzerland, 2020. 520 p.
64. Formation Mechanism and Deformation Characteristics of Cut Layer Rock Landslide in Island Permafrost Region / H. Jiang [et al.] // Landslide Science for a Safer Geoenvironment. Vol. 3. Targeted Landslides. Cham: Springer, 2014. P. 471-480.
65. Лаломов Д. А. Учет влияния гранулометрического состава грунтов при расчете удельного электрического сопротивления по данным ЭДЗ // Материалы Всерос. литологич. совещ., посвящ. 100-летию со дня рождения Л. Б. Рухина. СПб: СПбГУ, 2012. Т. II. C. 160-163.
66. Достовалова М. С., Оленченко В. В. Строение и динамика развития сейсмогенного оползня в условиях криолитозоны горного Алтая // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 1. С. 26-35.
67. Омельяненко А. В., Федорова Л. Л. Георадиолокационные исследования многолетнемерзлых пород. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2006. 136 с.
68. Ermakov A. P., Starovoitov A. V. The use of the Ground Penetrating Radar (GPR) method in engineering-geological studies for the assessment of geological-cryological conditions // Moscow University Geology Bulletin. No. 65(6). P. 422-427. http://dx.doi.org/10.3103/S0145875210060116
69. Судакова М. С., Садуртдинов М. Р., Царев А. М., Скворцов А. Г., Малкова Г. В. Возможности георадиолокации для исследования заболоченных торфяников в криолитозоне // Геология и геофизика. 2019. Т. 60. № 7. С. 1004-1013.
70. Зыков А. А. Применение георадиолокации для изучения оползней (на примере Воробьевых гор и острова Ольхон) // Инженерные изыскания в строительстве: материалы Второй общерос. науч.-практ. конф. молодых специалистов / под ред. Н. А. Журавлевой, К. С. Висхаджиевой. М.: Геомаркетинг, 2018. С. 101-109.
71. Верескун В. Д., Явна В. А. Геотехнические методы исследования склонов вблизи железных дорог // Материалы Второго Междунар. симпоз. по проблемам земляного полотна в холодных регионах (Новосибирск, 24-26 сент. 2015 г.) / под ред. А. Л. Исакова и Ц. К. Лю. Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2015. С. 84-90.
72. Дягилева Р. А., Соколов К. О. Разработка критериев выявления подземного льда на основе компьютерного моделирования георадиолокации массива мерзлых горных пород для инженерно-геологического обеспечения буровзрывных работ // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2019. Т. 6. № 2. С. 73-77. http://dx.doi.org/10.15372/FPVGN2019060213
73. Соколов К. О., Федорова Л. Л., Федоров А. А. Алгоритм обработки и интерпретации георадиолокационных данных при изучении геокриологических структур многолетнемерзлых пород // Известия УГГУ. 2020. Вып. 3 (59). С. 75-80.
74. Фёдоров М. П. Локализация подземных льдов криолитозоны методом георадиолокации при инженерно-геологических изысканиях // Естественные и технические науки. 2018. № 11 (125). С. 178-181.
75. Великин С. А. Особенности геофизического мониторинга гидротехнических сооружений в криолитозоне // Наука и образование. 2012. № 4. С. 29-34.
76. Судакова М. С., Владов М. Л. Современные направления георадиолокации // Вестник Московского университета. Сер. 4. «Геология». 2018. № 2. С. 3-12.
Статья поступила в редакцию 2 сентября 2021 года
УДК 551:622 (001)
http://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-4-95-108
The current state of the methods for studying geocryological processes in the rock massifs of permafrost
Rada Andreevna MIRoNovA*
N. V. Chersky Mining Institute of the North of the Siberian Branch of RAS, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), Russia
Abstract
Relevance. The massif of permafrost is characterized by specific engineering-geological and geocryological conditions; if they are insufficiently studied, deformations can develop that affect the safety of work and technical and economic indicators. Unfortunately, the existing instructions and recommendations for observing the deformations of the walls and slopes of open pits do not take into account the specific natural and climatic conditions of permafrost deposits, and also do not describe methods for monitoring slopes and dumps in the areas of permafrost distribution. In this regard, the question arises of choosing a method for researching and monitoring the stability of the walls of permafrost open pits.
The purpose of the work is to choose a research method for monitoring the stability of open pit walls based on a review of existing methods for monitoring open pit walls, as well as those promising for the study of geocryological conditions.
Research methodology - an analytical review of methods for studying geocryological processes in the rock massifs of permafrost in natural conditions and under anthropogenic impact.
The results of the work and scope of their application. The review has shown that such geophysical methods as electron tomography and georadiolocation are promising. The integration of these methods will provide a forecast of the onset of deformation processes in the rock massifs of the open pit walls, especially in those places where it is necessary to identify and evaluate local, low-contrast changes in geophysical change parameters. Conclusions. In order to study the stability of the open pit walls in permafrost conditions, it is possible to use the methods of georadiolocation and electron tomography. Their joint use will provide a more efficient and reliable study of the geocryological structures of permafrost rock massifs. For the possibility of using these methods in the future, it is necessary to develop a methodology for studying and monitoring permafrost open pit walls with their integrated use.
Keywords: permafrost, open pit mining, stability of open pit walls, rock massif deformation, geophysics, open pit, landslide, laser scanner, satellite devices, radar systems.
REFERENCES
1. Akishev A. N., Bokii I. B. 2014, To the issue about possibility of increasing an open pit slope angle in conditions of a cryolithozone. GIAB [Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal)], no. 8, pp. 36-40. (In Russ.)
2. 1971, Instructions for observing deformations of the walls, slopes of benches and dumps in open pits and the development of measures to ensure their stability: approved by USSR Committee for Supervision of the Safe Conduct of Mining Work on July 21, 1970. Leningrad, 187 p. (In Russ.)
3. Savvin D. V., Fedorova L. L., Soloviev E. E. 2018, Experience of GPR investigation at engineering-geological survey in central Yakutia. Inzhenernyye izyskaniya [Engineering survey], vol. XII, no. 7-8, pp. 92-100. (In Russ.)
4. Rylnikova M. V., Perepelitsyn A. I., Zoteev O. V., Nikiforova L. I. 2020, Features and prospects of the implementation of the draft federal norms and rules in the field of industrial safety "rules for ensuring the stability of sides and ledges of quarries, open pits and dumps". Gornaya promyshlennost' [Russian Mining Industry], no. 1, pp.132-139. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-132-139
5. Leibman M. O. 2005, Cryogenic slope processes and their geoecological consequences in the conditions of the spread of sheet ice, PhD thesis. Tyumen, 262 p. (In Russ.)
6. Verkhoturov A. G., Razmakhnina I. B. 2016, Causes of deformation of Transbaikalia coal mines pit sides. GIAB [Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal)], no. 9, pp. 211-221. (In Russ.)
7. Kizyakov A. I., Leibman M. O. 2016, Cryogenic relief-formation processes: a review of 2010-2015 publications. Kriosfera zemli [Earth's Cryosphere], vol. XX, no. 4, pp. 45-58. (In Russ.) https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2016-4(45-58)
8. Torgoev I., Torgoev A. 2014, Rockslides in the Open Pit of Kumtor Gold mine (Kyrgyzstan). Landslide Science for a Safer Geoenvironment, pp. 511-516.
9. Kyoji S., Paolo C., Yueping Y. 2014, Landslide Science for a Safer Geoenvironment. Vol. 3. Targeted Landslides. Cham: Springer International Publishing, 690 p.
10. 2014, Landslides in Cold Regions in the Context of Climate Change. W. Shan, Y. Guo, F. Wang, H. Marui, A. Strom (eds). Cham: Springer International Publishing, 308 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-04996-0
11. Wei M., Fujun N., Satoshi A., Dewu J. 2006, Slope instability phenomena in permafrost regions of Qinghai-Tibet Plateau, China. Landslides, vol. 3, pp. 260-264. https://doi.org/10.1007/s10346-006-0045-0
12. Morino C., Conway S. J., Balme M. R., Helgason J. K., S^mundsson Jordan C., Hillier J., Argles T. 2021, The impact of ground-ice thaw on landslide geomorphology and dynamics: two case studies in northern Iceland. Landslides. vol. 18, pp. 2785-2812. https://doi.org/10.1007/ s10346-021-01661-1
Игайайуад^а0310@дтаН.сот
13. Verkhoturov A. G., Razmakhnina I. B. 2015, Engineering geological problems of Transbaikalie coal deposits' development. Vestnik Zabaykal'skogo gosudarstvennogo universiteta [Transbaikal State University Bulletin], no. 8 (123), pp. 4-11. (In Russ.)
14. Bauer A., Paar G., Kaltenbock A. 2005, Mass Movement Monitoring Using Terrestrial Laser Scanner for Rock Fall Management. Geo-information for Disaster Management. Berlin; Heidelberg: Springer, pp. 393-406. https://doi.org/10.1007/3-540-27468-5_28
15. Lissak C., Bartsch A., De Michele M., Gomez C., Maquaire O., Raucoules D., Roulland Th. 2020, Remote Sensing for Assessing Landslides and Associated Hazards. Surveys in Geophysics, vol. 41, pp. 1391-1435. https://doi.org/10.1007/s10712-020-09609-1
16. Bondur V. G., Zakharova L. N., Zakharov A. I., Chimitdorzhiev T. N., Dmitriev A. V., Dagurov P. N. 2019, Monitoring of landslide processes by means of L-band radar interferometric observations: Bureya river bank caving case. Issledovanie Zemli iz Kosmosa [Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics], no. 5, pp. 3-14. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0205-9614201953-14
17. Geist T. [et al.]. 2009, Laser scanning - a paradigm change in topographic data acquisition for natural hazard management. Sustainable Natural Hazard Management in Alpine Environments. Berlin; Heidelberg: Springer, pp. 309-344. https://doi.org/10.1007/978-3-642-03229-5_11
18. Nizametdinov F. K., Khmyrova E. N., Besimbaeva O. G., Nizametdinov N. F., Oleinikova E. A. 2016, Use laser scanning technology for monitoring the status of sustainable massif. Interekspo Geo-Sibir' [Interexpo Geo-Siberia], vol. 1, no. 2, pp. 156-160. (In Russ.)
19. Kasparyan E. V., Kozhukhovsky A. V., Rozanov I. Yu. 2015, The organisation experience of open pit walls and benches stability monitoring. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [News of the Higher Institutions. Mining Journal], no. 5, pp. 67-74. (In Russ.)
20. Klebanov A. F., Makeev M. A., Monakhov N. V. 2015, Modern system of pit wall stability. Advantages of MSR radar application. Gornaya promyshlennost' [Russian Mining Industry], no. 1 (119), pp. 75-76. (In Russ.)
21. Zverev A. T., Malinnikov V. A. 2011, Cosmic geoecological monitoring of the northern territories of Russia. Izvestiya vuzov. Geodeziya i aerofotos'yemka [Scientific journal "Proceedings of the Higher Educational Institutions. Izvestia vuzov "Geodesy and aerophotosurveying"], no. 6, pp. 68-73. (In Russ.)
22. Garnica-Pena R. J., Alcantara-Ayala I. 2021, The use of UAVs for landslide disaster risk research and disaster risk management: a literature review. Journal of Mountain Science, no. 18, pp. 482-498. http://dx.doi.org/10.1007/s11629-020-6467-7
23. Makarycheva E. M., Sergeev D. O., Stanilovskaya Yu. V., Perlshtein G. Z., Khimenkov A. N. 2013, Aerovisual surveys as a source of geocryological information and their role in ensuring sustainable development of the territory. Sergeev's Readings. Sustainable development: tasks of geoecology (engineering-geological, hydrogeological and geocryological aspects): materials of the annual session of the Scientific Council of the Russian Academy of Sciences on the problems of geoecology, engineering geology and hydrogeology. Scientific Council of the Russian Academy of Sciences on the problems of geoecology, engineering geology and hydrogeology. Moscow, Peoples' Friendship University of Russia, vol. 15, pp. 449-454. (In Russ.)
24. Ponomarenko M. R. 2018, Development of a method for deformation monitoring of open pit mining in the Far North using space radar sounding, PhD thesis. Saint Petersburg, 155 p.
25. Singhroy V. [et al.]. 2021, Advanced Radar Images for Monitoring Transportation, Energy, Mining and Coastal Infrastructure. Advances in Remote Sensing for Infrastructure Monitoring. Springer Remote Sensing/Photogrammetry. Cham: Springer, pp. 3-40. https://doi.org/10.1007/978-3-030-59109-0_1
26. Smolyaninova E. I., Kiseleva E. A., Mikhailov V. O. 2019, Sentinel-1 in SAR for investigation of active deformation areas: case study of the coastal region of the big Sochi. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current problems in remote sensing of the Earth from space], vol. 16, no. 5, pp. 147-155. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-5-147-155
27. Panzhin A.A., Golubko B.P. 2000, Application of satellite systems in mine surveying. Izvestia UGGGA. Ser. "Gornoye delo" [News of the Ural State Mining and Geological Academy. "Mining" series], issue 11, pp. 183-195. (In Russ.)
28. Panzhin A. A. 2000, Observation of the displacement of the Earth's surface at mining enterprises using GPS. Izvestia UGGGA. Ser. "Gornoye delo" [News of the Ural State Mining and Geological Academy. "Mining" series], no. 11, pp. 196-203. (In Russ.)
29. Antonovich K. M. 2006, The use of satellite radio navigation systems in geodesy, PhD thesis. Novosibirsk, 360 p. (In Russ.)
30. Isaev Yu. S., Molchanov A. A. 2016, Well deviation monitoring for landslide surveys. Karotazhnik [Well Logger], no. 3 (261), pp. 55-66. (In Russ.)
31. 1998, Rules for ensuring the stability of slopes in coal mines. Saint Petersburg, 207 p. (In Russ.)
32. Zoteev V. G., Makarov A. B., Epshtein I. V. 2018, Evaluation of the possibility of using the "Guidelines for the design of open-pit walls" in the design of open-pit mining of ore deposits in the conditions of modern Russia. Zoloto i tekhnologii [Gold and Technlolgy], no. 1 (39), pp. 52-57. (In Russ.)
33. 1987, Guidelines for observing deformations of the walls of sections and dumps, interpreting their results and predicting stability. Leningrad, 118 p. (In Russ.)
34. Rylnikova M. V., Perepelitsyn A. I., Zoteev O. V., Nikiforova I. L. 2020, Features and prospects of the implementation of the draft federal norms and rules in the field of industrial safety "Rules for ensuring the stability of sides and ledges of quarries, open pits and dumps". Gornaya promyshlennost' [Russian Mining Industry], no. 1, pp. 132-139. (In Russ.)
35. Rylnikova M. V., Zoteev O. V., Nikiforova I. L. 2018, Development of the regulatory framework to provide the stability of pit walls and benches of quarries, opencast mines and spoil dumps. Gornaya promyshlennost' [Russian Mining Industry], no. 3, pp. 95-98. (In Russ.)
36. Read J., Stacey P. 2009, Guidelines for open pit slope design. Boca Raton, FL: CRC Press, 510 p.
37. Makarov A., Livinsky I., Spirin V., Pavlovich A. 2020, Regulation of open pit slope stability in Russia. Slope Stability 2020: Proceedings of the 2020 International Symposium on Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering. Perth: Australian Centre for Geomechanics, pp. 155-164. https://doi.org/10.36487/ACG_repo/2025_05
38. Svetlakov A. A., Kozyreva E. A., Rybchenko A. A. 2014, Preliminary analysis of Olkhon island grounds temperature (based on monitoring data). Vestnik Irkutskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University] no. 4, pp. 81-85. (In Russ.)
39. Khomutov A. V., Leibman M. O. 2016, Rating of cryogenic translational land sliding hazard in tundra of central Yamal. Kriosfera zemli [Earth's Cryosphere], vol. XX, no. 2, pp. 49-60. (In Russ.)
40. Soloviev E. E., Savvin D. V., Fedorova L. L. 2019, Geocryological exploration of frozen rock mass by nondestructive electromagnetic methods. Gornyy zhurnal [Mining journal], no. 2, pp. 31-37. (In Russ.)
41. Yakupov V. S. 2008, Geophysics of permafrost. Yakutsk, 342 p. (In Russ.)
42. Sadurtdinov M. R., Skvortsov A. G., Malkova G. V., Sudakova M. S., Tsarev A. M. 2018, Experience in the application of wave methods of geophysics in permafrost. Modern technologies for the study and development of the subsoils of Eurasia: collection of abstracts of the Int. geological-geophysical conf. and exhibition. Moscow, pp. 675-679. (In Russ.)
43. Kurlenya M. V., Chernyshov G. S., Serdyukov A. S., Duchkov A. A., Yablokov A. V. 2016, Procedure and results of seismic investigations into causes of landslides in permafrost rocks. Journal of Mining Science, no. 52, pp. 835-841. https://doi.org/10.1134/S1062739116041273
44. Gilmore T. J., Clayton E. A. 1997, Mapping the top of the permafrost using surface direct current resistivity survey. Environmental geology: international journal of geosciences, vol. 30, pp. 29-33.
45. Sadurtdinov M. R., Skvortsov A. G., Tsarev A. M. 2018, Seismic for permafrost investigation. Engineering seismic survey-2018: collection of abstracts of the scientific-practical conf, pp. 13-14. (In Russ.)
46. Romanov V. V., Shubina D. D. 2017, Geophysics in the study of linear structures in permafrost. Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo gazovogo obshchestva [Scientific Journal of Russian Gas Society], no. 2, pp. 17-20. (In Russ.)
47. Sedov B. M. 1992, Seismic properties of permafrost, PhD thesis. Saint Petersburg, 56 p.
48. Sadurtdinov M. R., Skvortsov A. G., Sudakova M. S., Tsarev A. M., Malkova G. V. 2018, Integration of seismic and GPR for permafrost investigation. Engineering seismic survey-2018: collection of abstracts of the scientific-practical conf., pp. 121-125. (In Russ.)
49. Sergeev K.S. 2018, Integration of seismic prospecting and electron tomography in shallow geophysics, PhD thesis. Moscow, 135 p.
50. Kurlenya M. V., Chernyshov G. S., Serdyukov A. S., Duchkov A. A., Yablokov A. V. 2016, Procedure and results of seismic investigations into causes of landslides in permafrost rocks. Fiziko-texhnicheskiye problemy razrabbotki poleznykh iskopaemykh [Journal of Mining Science], no. 5, pp. 6-13. (In Russ.)
51. Fedorova L. L., Kulyandin G. A., Savvin D. V. 2019, Geocryological Analysis of Rocks to Predict Adverse Freeze-and-Thaw Effects. Journal of Mining Science, vol. 55, pp. 1023-1031. https://doi.org/10.1134/S1062739119066417
52. Kadyrova L. B. 2016, Geophysical studies of permafrost. Geology, minerals and problems of geoecology of Bashkortostan, the Urals and adjacent territories: XI Interregion. scientific-practical conf. dedicated to the 65th anniversary of the Institute of Geology, USC RAS (Ufa, 17-19 May 2016). Ufa, pp. 216-218. (In Russ.)
53. Recommendations for geophysical work in engineering surveys for construction (electrical exploration). Moscow, 104 p. (In Russ.)
54. 2000, Regulations 11-105-97. Engineering and geological surveys for construction. Part IV. Rules for the production of work in areas where permafrost soils are spread. Moscow, Production and Research Institute for Survey and Construction of State Committee of Russian Federation for Construction and Housing Maintenance and Utilities Complex, 57 p. (In Russ.)
55. 1975, Instructions for the study of engineering-geological conditions of solid mineral deposits during their exploration. Moscow, 52 p. (In Russ.)
56. 1976, Methodological recommendations for predicting changes in the engineering and geocryological conditions of exploitation of mineral deposits in the Far North during their exploration. Moscow, 57 p. (In Russ.)
57. Ushakov V. Ya., Vajov V. F., Zinoviev N. T. 2019, Relevance, Physical Basics, and Problems of Large-Scale Introduction of Electrodischarge Technology. Electro-discharge Technology for Drilling Wells and Concrete Destruction, pp. 1-12. https://doi.org/10.1007/978-3-030-04591-3_1
58. Bricheva S. S. 2018, Development of methods for studying cryogenic objects using GPR, PhD thesis. Moscow, 169 p. (In Russ.)
59. Bowker G. A. 1987, Well Ordered Reality: Aspects of the Development of Schlumberger, 1920-39. Social Studies of Science, vol. 17(4), pp. 611-655. https://doi.org/10.1177/030631287017004003
60. Bobachev A. A., Modin I. N., Pervago E. V., Shevnin V. A. 1996, Multi-electrode electrical sounding in conditions of horizontally inhomogeneous media. Razvedochnaya geofizika [Exploration Geophysics], pp. 47-50. (In Russ.)
61. Loke M. H., Barker R. D. 1996, Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, vol. 44, pp. 131-152. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.1996.tb00142.x
62. Pavlova A. M. 2014, Application of shallow electrical prospecting for the study of three-dimensional inhomogeneous media, PhD thesis. Moscow, 129 p. (In Russ.)
63. Huissteden J. 2020, Thawing Permafrost. Cham: Springer Nature Switzerland, 520 p.
64. Jiang H. [et al.]. 2014, Formation Mechanism and Deformation Characteristics of Cut Layer Rock Landslide in Island Permafrost Region. Landslide Science for a Safer Geoenvironment, vol. 3, Targeted Landslides. Cham: Springer, pp. 471-480.
65. Lalomov D. A., 2012, Consideration of the influence of the granulometric composition of soils when calculating the electrical resistivity according to EDS data. Materials of the All-Russian lithological meeting dedicated to the 100th anniversary of the birth of L. B. Rukhin. Saint Petersburg, vol. 2, pp. 160-163. (In Russ.)
66. Dostovalova M. S., Olenchenko V. V. 2017, Seismogenic landslide structure and evolution in the permafrost area of the Altai mountains (Gorny Altai). Kriosfera zemli [Earth's Cryosphere], vol. XXI, no. 1, pp. 26-35. (In Russ.)
67. Omelyanenko A. V., Fedorova L. L. 2006, Georadar research of permafrost rocks. Yakutsk, 136 p. (In Russ.)
68. 2011, Ermakov A. P., Starovoitov A. V. The use of the Ground Penetrating Radar (GPR) method in engineering-geological studies for the assessment of geological-cryological conditions. Moscow University Geology Bulletin, no. 65(6), pp. 422-427. http://dx.doi.org/10.3103/ S0145875210060116
69. Sudakova M. S., Sadurtdinov M. R., Tsarev A. M., Skvortsov A. G., Malkova G. V. 2019, Ground-penetrating radar for studies of peatlands in permafrost. Geologiya i geofizika [Russian Geology and Geophysics], vol. 60, no. 7, pp. 1004-1013. (In Russ.)
70. Zykov A. A. 2018, Application of GPR for the study of landslides (on the example of Vorobyovy Gory and Olkhon Island). Engineering research in construction: materials of the Second All-Russian scientific-practical conf. of young specialists, ed. N. A. Zhuravleva, K. S. Viskhadzhieva. Moscow, pp. 101-109. (In Russ.)
71. Vereskun V. D., Yavna V. A. 2015, Geotechnical methods for studying slopes near railways. Materials of the Second Intern. symposium on the problems of roadbed in cold regions (Novosibirsk, 24-26 Sept. 2015), ed. A. L. Isakov and Ts. K. Liu. Novosibirsk, pp. 84-90. (In Russ.)
72. Diaghileva R. A., Sokolov K. O. 2019, Development of criteria for underground ice detection based on computer simulation of frozen rock mass georadiolocation for engineering and geological support of drilling-and-blasting operations. Fundamental'nyye iprikladnyye voprosy gornykh nauk [Fundamental and Applied Problems of Mining Sciences], vol. 6, no. 2, pp. 73-77. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.15372/FPVGN2019060213
73. Sokolov K. O., Fedorova L. L., Fedorov A. A. 2020, Algorithm for processing and interpretation of ground-penetrating radar data in the study of permafrost geocryological structures. Izvestiya UGGU [News of the Ural State Mining University], issue 3 (59), pp. 75-80. (In Russ.)
74. Fedorov M. P. 2018, Localization of underground ice permafrost by GPR method during engineering and geological surveys. Yestestvennyye i tekhnicheskiye nauki [Natural and technical sciences], no. 11 (125), pp. 178-181. (In Russ.)
75. Velikin S. A. 2012, Features of geophysical monitoring of hydraulic structures in permafrost. Prirodnyye resursy Arktiki i Subarktiki [Arctic and Subarctic Natural Resources], no. 4, pp. 29-34. (In Russ.)
76. Sudakova M. S., Vladov M. L. 2018, The influence of conductivity on the reflected ground penetrating radar signal amplitude. Vestnik Moskovskogo universiteta Ser. 4. "Geologiya" [Moscow University Geology Bulletin], no. 2, pp. 3-12. (In Russ.)
The article was received on September 2, 2021
