Наличие трещин в массиве мерзлых горных пород существенно влияет на физико-механические свойства горных пород, которые необходимо учитывать как при планировании добычных работ, так и при строительстве горнотехнических сооружений. В настоящее время существуют различные методы изучения трещиноватости массива мерзлых горных пород, однако для большинства из них необходимо наличие обнажений, на которых возможно наблюдение трещиноватости. Изучение трещиноватости в естественном залегании возможно с помощью геофизических методов [1]. В подповерхностных слоях горных пород для выявления трещин возможно использование метода георадиолокации, позволяющего изучать строение массива мерзлых горных пород на глубину до 30 м. В настоящее время разработано несколько методик выявления трещин по данным георадиолокационных измерений [2–4], также проведены исследования по изучению трещин в зданиях [5] и льдах [6], однако они не позволяют в полной мере раскрыть потенциал метода георадиолокации в силу ограниченности возможностей их применения.
Существенно лучше развито соответствующее программно-методическое обеспечение в сейсморазведке, позволяющее выявлять и прослеживать разрывные нарушения и разломы полуавтоматически [7] автоматически для 2D [8] и 3D [9] данных сейсморазведки. Существуют методики, основанные на использовании математического аппарата цифровой обработки сигналов [10], особенностей параметров сейсмических данных [11], методов искусственного интеллекта [12]. Применение указанных методов для обработки данных георадиолокации недостаточно эффективно из-за более сложного строения волнового поля по сравнению с данными сейсморазведки. Данный недостаток одновременно является и достоинством, так как георадиолокация позволяет с большой точностью изучать распределение трещин в массиве мерзлых горных пород.
Цель исследования: разработать способ анализа волновых полей, позволяющий определять наличие признаков трещин массива мерзлых горных пород по данным георадиолокационных измерений для решения проблемы автоматизированного выявления трещин.
Материалы и методы исследования
Индикационные признаки трещин рыхлых отложений криолитозоны [13] установлены в рамках выполнения проекта РФФИ № 15-45-05119:
1) потеря корреляции осей синфазности георадиолокационных сигналов;
2) смещение осей синфазности по вер- тикали;
3) изменение угла наклона осей син- фазности;
4) аномальными амплитудными значениями ограниченных вертикальными плоскостями;
5) смещение спектральных характеристик георадиолокационных сигналов в сторону низких частот.
Если георадиолокационные измерения проведены в непрерывном режиме, то признаки 1–4 отображаются в виде изменения амплитудных значений сигналов при отслеживании их вдоль профиля на фиксированном времени задержки сигналов. Результаты георадиолокационных измерений в дискретном режиме с шагом 1 м и более не позволяют использовать амплитудные значения сигналов в качестве индикаторов трещин, так как амплитуды сигналов соседних трасс могут значительно отличаться.
Рассмотрим случай с вертикальным смещением осей синфазности георадиолокационных сигналов (рис. 1, а). Смещение приводит к скачкообразному изменению амплитудных значений, например при времени задержки t, обозначенному серой пунктирной линией, амплитуда уменьшится с А1 (рис. 1, б) до А2 (рис. 1, в). Вдоль трасс (по глубине) подобные изменения весьма различны, что связано как с техническими особенностями георадаров, так и с закономерностями распространения электромагнитных волн в различных средах. Для разработки более универсальной характеристики, чем простое ∆А = А1 – А2, представим пару амплитудных значений в виде комплексного числа (рис. 1, г) и найдем угол α, который будет характеризовать ∆А независимо от величины А1 и А2.
а) б) в) г)
Рис. 1. Изменение амплитудных значений георадиолокационных сигналов при вертикальном смещении осей синфазности. а) синтетическая георадиолокационная радарограмма; б) трасса из левой половины (а); в) трасса из правой половины (а); г) геометрическое представление амплитудных значений сигналов двух трасс в виде комплексного числа
Для упрощения анализа данных георадиолокации вычисление угла α будем проводить по формуле
α = arctg
(*)
где функции max() и min() возвращают соответственно наибольшее и наименьшее значение из А1 и А2.
Данный подход позволит упростить интерпретацию результатов расчетов и повысит их однозначность в случае широких трещин, так как при расчетах по формуле (*) левая и правая стенки будут характеризоваться одним и тем же значением α. Если же учитывать порядок следования амплитудных значений трасс, то переходы правый берег трещины – заполнитель трещины и заполнитель трещины – левый берег трещины будут характеризоваться различными значениями α, что потребует дополнительных усилий интерпретатора по выявлению признаков трещин в данных георадиолокации.
Значения α, которые могут быть получены при расчете по формуле (*), представлены в таблице. Из них наиболее просто определять наличие трещин в массиве многолетнемерзлых горных пород по отрицательным значениям α из интервала (–π/2; 0). В этих случаях на радарограмме наблюдается переход с положительного значения амплитуды на отрицательную или наоборот, что явно указывает на потерю корреляции осей синфазности георадиолокационных сигналов и их смещение по вертикали. Значениями α около –π/2 характеризуются такие резкие изменения, как обрыв оси синфазности, значения α ≈ –π/4 показывают наличие сильно деформированных осей синфазности характерных для неярко выраженных трещин. В положительном диапазоне значений α, интервал в некоторой окрестности π/4, говорит о наличии горизонтальных осей синфазности не имеющих каких-либо значительных искажений.
Возможные значения α в зависимости от величины и знака А1 и А2
|
А1, А2 > 0 |
А1, А2 < 0 |
А1 > 0, А2 < 0 |
А1 < 0, А2 > 0 |
|
|
|А1| > |А2| |
|
|
|
|
|
|А1| < |А2| |
|
|
|
|
|
|А1| = |А2| |
|
|
|
|
Результаты исследования и их обсуждение
Апробация предлагаемого подхода к выявлению трещин проведена по данным компьютерного моделирования (рис. 2, а) и результатам георадиолокационных зондирований рыхлых отложений криолитозоны (рис. 2, в).
а) б)
в) г)
Рис. 2. Примеры результатов расчета α (б, г) для радарограмм (а, в)
На рис. 2, а, представлена грабеноподобная структура, имеющая смещение осей синфазности по вертикали в интервале 65–125 нс, на отметках по профилю 100 м и 200 м. В результате расчета α получена матрица М (рис. 2, б), строки которой соответствуют номерам отсчетов трасс оригинальной радарограммы, а количество столбцов меньше на 1, чем на рис. 2, а. Все горизонтально-слоистые участки радарограммы в матрице М имеют значение 45, что показано равномерной фоновой окраской, на которой четко выделяются две полоски в местах смещения осей синфазности. Полоски имеют сложную окраску, что связано с физической природой георадиолокационных сигналов, имеющих колебательный характер (1,5–2-периодный).
На рис. 2, в представлена радарограмма с типичными нарушениями слоев горных пород. На отметке 1378 по профилю, в диапазоне 30–85 нс прослеживается расширяющаяся трещина, правее которой имеются сопутствующие пликативные и дизъюнктивные нарушения. Результат расчета α (рис. 2, г) имеет практически однородную окраску на горизонтальных участках с незначительной разницей в местах соответствующим отрицательным и положительным амплитудным значениям. В зоне нарушенности горных пород более темный цвет указывает на изгиб осей синфазности, при этом чем сильнее изгиб, тем темнее цвет. Участки с потерей корреляции осей синфазности георадиолокационных сигналов, приуроченные к нарушению сплошности горных пород, отмечены тёмно-синим цветом. Таким же цветом обозначены резкие изломы осей синфазности, характерные для трещин, размеры которых меньше первой зоны Френеля для центральной частоты используемого георадара.
При поиске трещин по данным георадиолокационных измерений необходимо автоматизированное выделение двух вышеуказанных типов волновых картин (потеря корреляции и излом осей синфазности). Для этой цели полученная матрица М преобразуется следующим образом:
1. Удаляются все положительные зна- чения.
2. Удаляются группы отрицательных значений, имеющие горизонтальный характер расположения.
На рис. 3 представлены результаты подобного преобразования, на заключительном этапе которого становится возможным определение наличия, местоположения, форм и размеров нарушений горных пород, связанных с трещинами.
а) б)
Рис. 3. Результаты обработки матрицы М (рис. 2, г): а) отрицательные значения α; б) вертикальные группы отрицательных значений α
Для выявления пликативных нарушений необходимо удалить не горизонталь- ные, а вертикальные группы отрицательных значений, при использовании различной окраски для двух этих групп получится более полная картина, характеризующая нарушенность приповерхностных слоев массива многолетнемерзлых горных пород. Разработанный способ также позволяет производить автоматизированный поиск зон повышенной трещиноватости массива мерзлых горных пород, результатом которого может быть график наличия трещин, полученный по следующему алгоритму:
1. Произвести расчет α по формуле (*) с первой до предпоследней трассы, результаты занести в матрицу М.
2. Удалить все положительные значения и группы отрицательных значений, имеющие горизонтальный характер расположения.
3. Произвести сложение всех элементов каждого столбца матрицы, если сумма больше 0, то в матрицу-строку в ячейку под номером соответствующим номеру столбца записать 1.
4. Вывести на экран полученную матрицу-строку.
Заключение
Разработан способ обработки данных георадиолокационных измерений, позволяющий выявлять трещины в массиве горных пород на основе расчета аргумента (α) комплексного числа, действительной и мнимой частью которого являются амплитудные значения двух соседних георадиолокационных трасс. По значениям α возможно выделение участков не только с явными трещинами (α ≈ –π/2), но и трещин, размеры которых значительно меньше первой зоны Френеля используемого георадара (α ≈ –π/4). В положительном диапазоне значений α, интервал в некоторой окрестности π/4, говорит о наличии горизонтальных осей синфазности не имеющих каких-либо значительных искажений. Разработанный способ позволяет выявлять участки радарограмм характерных для пликативных и дизъюнктивных нарушений слоев горных пород. Описанные алгоритмы существенно сократят временные затраты на обработку и интерпретацию георадиолокационных данных, что позволит расширить область применения георадиолокации в интересах не только науки, но и недропользователей на стадиях доразведки и эксплуатационной разведки месторождений полезных ископаемых криолитозоны