Введение к работе
Актуальность работы. В массивах пород и грунтах криолитозоны содержание льда и незамерзшей воды, определяющее их физические свойства в пространстве и во времени, находится в динамически равновесном состоянии, параметры которого изменяются, в первом случае – под влиянием естественных изменений природной среды, во втором случае – под техногенным воздействия сооружения на природную среду. Изменение параметров динамического равновесия, а, следовательно, и криогенного состояния, наиболее эффективно регистрируется в натурных условиях электроразведочными методами геофизики.
Нашедшие широкое применение методы электроразведки на постоянном токе имеют некоторые недостатки, сужающие область использования. К основным из них относятся: сложность обеспечения надежного контакта электродов с мерзлыми породами при производстве измерений; экранирование высокольдистым горизонтом подстилающих пород; затруднение локализации исследуемых объектов при изучении изменения строения и свойств грунтов основания в процессе эксплуатации зданий и инженерных сооружений. Высокую степень локализации изучаемых объектов в грунтах криолитозоны имеет метод георадиолокации. Однако и ему присущи следующие недостатки: необходимость резкого отличия изучаемых отложений по электрическим свойствам для надежного получения отраженных сигналов; малая глубинность зондирования при наличии в верхней части разреза проводящих слоев, представляющих собой засоленные грунты либо криопэги.
Между тем в последние десятилетия продолжает развиваться метод, основанный на изучении структуры поля удаленных радиостанций и определении по ней электрического сопротивления пород в пункте наблюдения. Сначала он назывался методом радиокип, затем радиоэлектромагнитным профилированием (РЭМП) или зондированием (РЭМЗ). В последние годы, с развитием метода в России и за рубежом, он получил еще одно название – радиомагнитотеллурический (РМТ). Нами, при изучении данным методом пород и грунтов криолитозоны, применяется термин, характеризующий область частот и измеряемые параметры – радиоимпедансное зондирование (РИЗ).
В отличии от других высокочастотных методов электроразведки радиоимпедансное зондирование при изучении массивов пород и грунтов криолитозоны имеет такие преимущества, как глубинность, достаточная для их изучения при любых параметрах разреза, и возможность применения коротких приемных линий при зондировании высокольдистых отложений, за счет повышенных значений горизонтальной электрической составляющей поля над ними.
В настоящее время, в связи с глобальным изменением климата,
участились случаи деформации зданий и сооружений, построенных на мерзлых грунтах. Поэтому особое внимание придается мониторингу основания сооружений в криолитозоне. Для выявления причин, вызвавших деформации, как правило, используются весьма дорогостоящие горно-проходческие работы, поскольку традиционные геофизические методы в этом случае малоэффективны. Наличие разработанной технологии радиоимпедансного зондирования грунтов основания сооружений позволит сократить расходы и повысить информативность сведений для принятия рациональных решений по выводу зданий и сооружений из аварийных ситуаций. Однако потенциальные возможности применения радиоимпедансного зондирования при изучении массивов пород и грунтов криолитозоны не реализуются из-за отсутствия научного обоснования и разработки эффективной технологии его применения.
Диссертационная работа решает крупную научно-техническую проблему – повышение эффективности геокриологических исследований и предупреждения геотехногенных чрезвычайных ситуаций при изысканиях, строительстве и эксплуатации зданий и инженерных сооружений в криолитозоне, для чего в работе предложены научно обоснованные технологические решения применения радиоимпедансного зондирования.
Диссертационная работа выполнена автором в Институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН на основе проведенных им исследований по следующим программам и проектам:
1. Государственные научно-исследовательские программы и проекты СО РАН.
1.1. Программа 24.4. Криогенные процессы в естественных и искусственных средах. Методика мониторинга, моделирование и прогноз состояния криосферы.
Проект 24.4.3. Исследование взаимосвязи устойчивости природно-технических систем с кинетикой теплофизических и физико-механических свойств пород криолитозоны. № гос. рег. 0120.0404034 (2005–2006 гг.).
1.2. Программа 7.10.2. Состояние, строение и изменения криосферы: криогенез и его воздействие на природные и техногенные геосистемы.
Проект 7.10.2.6. Обеспечение надежности оснований инженерных сооружений в криолитозоне на основе совершенствования современных методов изучения мерзлых толщ (2007–2009 гг.).
2. Программы хоздоговорных работ с организациями: ОАО «Проекттрансстрой», Москва (2006–2007 гг.); ГУП Институт теорети-
ческой и экспериментальной физики, Москва (2008 г.); ООО «ЛГ Интернэшнл Якутск» (2009 г.).
Объект исследований – массивы горных пород и грунтов криолитозоны Якутии.
Предмет исследований – возможности изучения мерзлых горных пород по частотной зависимости поверхностного импеданса и методические вопросы радиоимпедансного зондирования массивов пород и грунтов криолитозоны.
Цель работы состоит в теоретическом обосновании, экспериментальном подтверждении и разработке технологических решений для эффективного изучения массивов горных пород и грунтов криолитозоны радиоимпедансным зондированием.
Основные задачи исследований:
1. Исследовать влияние строения мерзлых толщ на частотную зависимость поверхностного импеданса численным моделированием и радиоимпедансными зондированиями на характерных объектах криолитозоны.
2. Обобщить результаты изучения геоэлектрического строения мерзлых толщ и дисперсных грунтов Центральной Якутии по результатам радиоимпедансного зондирования.
3. Разработать интерпретационные модели для различных типов строения мерзлых толщ при их изучении в радиоволновом поле и методики для комплексной интерпретации данных радиоимпедансного зондирования.
4. Разработать и опробовать специализированные методики картирования и оценки параметров залегания мерзлых дисперсных грунтов, талых, засоленных, водоносных и высокольдистых отложений.
5. Разработать методику радиоимпедансного мониторинга состояния мерзлых грунтов основания зданий и инженерных сооружений.
Методы исследований, использованные для достижения поставленной цели и решения основных задач, включают: математическое моделирование, натурные экспериментальные исследования на массивах-эталонах пород криолитозоны, метод снятия слоев и метод регуляризации А. Н. Тихонова для интерпретации радиоимпедансного зондирования, математический аппарат геоэлектрики и основ физики распространения земных радиоволн, статистические методы обработки данных, традиционные методы построения геоэлектрических разрезов и карт.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Развитие теоретических основ радиоимпедансного зондирования, применительно к его использованию для изучения массивов горных пород криолитозоны, по результатам численного моделирования
частотной зависимости поверхностного импеданса от параметров залегания основных горизонтов криолитозоны и тонких промежуточных слоев.
2. Массивы горных пород и грунтов криолитозоны, находящиеся в различных геокриологических условиях и обладающие разными параметрами криогенного строения, имеют значительное отличие по величине и по частотной зависимости модуля и аргумента поверхностного импеданса в диапазоне 10…1000 кГц, наблюдаемое экспериментально в натурных условиях.
3. Предполагаемая численным моделированием и установленная экспериментальными натурными исследованиями дифференцированность частотной зависимости поверхностного импеданса мерзлых дисперсных отложений различного строения позволила разработать интерпретационные модели и методики радиоимпедансного зондирования криолитозоны.
4. Разработанные методики интерпретации данных, основанные на особенностях частотной зависимости радиоволнового поверхностного импеданса криолитозоны, позволяют:
– устанавливать границы массивов мерзлых пород и грунтов по результатам радиоимпедансного профилирования и экспресс-зонди-
рования – в плане, а по результатам частотного радиоимпедансного зондирования – в разрезе;
– определять параметры распространения и залегания талых, водоносных, высокольдистых отложений и подземных льдов.
5. Обоснование использования радиоимпедансного зондирования в комплексе с другими методами для проведения геокриологического мониторинга изменения состояния, строения и свойств мерзлых грунтов основания зданий и сооружений.
Новые научные результаты.
1. В результате многочисленных радиоимпедансных зондирований на территории Центральной Якутии установлено, что талые, водоносные, засоленные отложения и криопэги либо тонкодисперсные отложения с отрицательной температурой, близкой к 0о С, создают эффект наличия тонкого проводящего слоя в геоэлектрическом разрезе мерзлой толщи при измерениях поверхностного импеданса в диапазоне 10…1000 кГц.
2. Отмечена региональная распространенность нового элемента геоэлектрического строения толщи многолетнемерзлых дисперсных грунтов Центральной Якутии – тонкого проводящего слоя, залегающего глубже в аллювиальных отложениях восточной области региона, чем в делювиальных отложениях западной области.
3. Обоснована возможность приближенного определения типа геоэлектрического разреза мерзлой толщи по частотной зависимости аргумента поверхностного импеданса и разработана методика картирования подземных льдов радиоимпедансным экспресс-зондированием по разности аргументов поверхностного импеданса, измеренных на двух частотах.
4. Разработана модель геоэлектрического строения мерзлых толщ Центральной Якутии для радиоволнового диапазона частот переменного поля с учетом основных типов геоэлектрических разрезов, определенных радиоимпедансным зондированием.
5. По данным радиоимпедансного зондирования установлено влияние сезонных климатических изменений на эффективную продольную проводимость слоя годовых колебаний температуры и разработана методика радиоимпедансного мониторинга состояния мерзлых грунтов основания зданий и инженерных сооружений.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена удовлетворительной сходимостью параметров строения массивов горных пород криолитозоны, полученных радиоимпедансным зондированием и бурением скважин, с определением литологического и криогенного строения, глубины сезонного оттаивания на массивах-эталонах характерных участков криолитозоны и по трассе изыскания железнодорожной Амуро-Якутской магистрали. Независимая оценка, выполненная на массивах пород различного литологического состава и генезиса, подтвердила точность метода, определенную ранее при исследованиях на массивах-эталонах.
Практическая ценность.
Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении следующих договорных научно-исследовательских работ (в скобках указана организация, внедрившая результаты):
– научное инженерно-геокриологическое обеспечение проектно-изыскательских работ по трассе Томмот – Кердем – Нижний Бестях (ОАО «Проекттрансстрой», Москва);
– экспериментальное исследование характеристик прохождения ультразвуковых и радиосигналов через многолетнемерзлый грунт (ГУП Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва);
– исследования геотермических условий грунтового основания и разработка рекомендаций по устранению просадки территории Среднеколымской нефтебазы (Среднеколымская нефтебаза);
– исследование гидрогеологических условий района нефтебазы
г. Ленска и разработка рекомендаций по устранению загрязнения нефтепродуктами грунтовых вод и реки Лены. Часть I (Ленская нефтебаза);
– поиск и оконтуривание зоны с повышенным содержанием нефтепродукта в грунте (Якутская нефтебаза);
– поиск и оконтуривание карстовых образований (ОАО «Нижнеленское», Якутск);
– оконтуривание таликовой зоны на площадке здания LG в Якутске (ООО «ЛГ Интернэшнл Якутск»).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены: на Второй, Третьей и Четвертой конференциях геокриологов России (Москва, 2001, 2005, 2011); III Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2002); I и II евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004); Международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» (Пущино, 2003); Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004); Международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли» (Пущино, 2005); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (Якутск, 2005); Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006); Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007); VII Международном симпозиуме «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (Чита, 2007); Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008); Международной конференции «Ninth International Conference on Permafrost» (Фербенкс, Аляска, 2008); Международном симпозиуме «Eight International Symposium on Permafrost Engineering» (Сиань, Китай, 2009).
Публикации. Материалы, использованные в диссертационной работе, отражены в 54 научных трудах. Основные положения диссертации опубликованы в 34 печатных работах, 10 из которых изданы в рецензируемых журналах и материалах международных конференций, вошедших в список ВАК, включая патент РФ на изобретение
№ 2181918.
Личный вклад автора диссертационной работы. Исследования по теме диссертации выполнены лично автором. Основные научные результаты и научные положения, выносимые на защиту, получены и разработаны лично автором. Вклад соавторов состоит в помощи при получении первичных экспериментальных данных. Обработка, интерпретация и анализ экспериментальных данных проводились автором.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из
167 наименований, приложений и содержит 369 стр. текста, включая
83 рис. и 18 табл.
В диссертации в основном представлены результаты исследования многолетнемерзлых пород и грунтов Центральной Якутии, выполненных автором в Институте мерзлотоведения СО РАН в течение 2005–2010 гг. по научно-исследовательским программам и проектам СО РАН.
Автор глубоко признателен за оказанную поддержку в проведении исследований академику В. П. Ларионову., д.т.н. М. Н. Бердичевскому, д.т.н. А. Д. Фролову., д.т.н. Р. В. Чжану, д.т.н. А. В. Омельяненко и д.т.н. В. В. Лепову.
Автор искренне благодарен за полезные замечания д.т.н. Д. М. Шес-
тернёву, д.г.-м.н. В. В. Шепелёву, к.г.н. М. М. Шацу и за содействие проведению исследований к.г.н. А. Н. Фёдорову и к.т.н. С. А. Великину.
