Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Введение

На территории Северо-Востока России в толще многолетнемерзлых горных пород нередко встречаются локальные участки талых пород. Эти участки затрудняют проведение открытых горных работ, требующих планирования и применения специализированных технологий для соблюдения требований безопасности труда. Известно, что талые, или немерзлые, горные породы – это те породы, у которых средняя годовая температура выше 0°С [1, с. 55]. Их пространственное положение может быть различным по отношению к мерзлым толщам. Возможно, что талые породы могут залегать с поверхности до кровли многолетнемерзлых пород. Также они могут быть ограничены мерзлыми толщами со всех сторон или находиться ниже мерзлой толщи. При этом существование талых пород непрерывно более одного года приводит к формированию различных типов таликов. Н.Н. Романовский предложил классификационную схему таликов, которая включает основные типы и подтипы таликов, а также дал описание их возможного распространения на исследуемой территории [2, с. 58].

В настоящее время для определения расположения и размеров талых зон в массиве мерзлых горных пород используется в основном электротомография [3–5]. Также применяются малоглубинная сейсмика и бесконтактное измерение электрического поля [6, 7]. Данные методы характеризуются значительными затратами времени и усилий при проведении исследований. Их применение зимой сопряжено с методическими сложностями. Оперативное исследование массива горных пород в широком диапазоне температур окружающего воздуха обеспечивает метод георадиолокации [8]. Методика исследования позволяет получать данные георадиолокации путем профилирования или зондирования в сложных условиях местности. Для контроля за изменением криогенного состояния и свойств массива горных пород требуется проводить периодические измерения.

Целью данных исследований является совершенствование методики георадиолокационного мониторинга свойств и состояния массива горных пород.

Материал и методы исследования

По материалам литературных источников [9, 10], в Центральной Якутии в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород выявлены локальные участки талых пород различной мощности. Глубина сезонного оттаивания в зависимости от типов ландшафтов изменяется от 0,5 до 3,5–4 м, а температура многолетнемерзлых пород – от –0,2°С до –2°С. Геологический разрез Центральной Якутии представлен аллювиальными песчаными отложениями, залегающими на карбонатных породах [11, 12].

На основе геологической информации представлена схема физической модели массива горных пород с включением пород различной влажности (рис. 1а). Массив горных пород физической модели представлен песком из карьера Хатынг-Юрях г. Якутска. На специальном стенде с размерами 6 м * 1 м * 1,4 м была собрана модель с мощностью 1,4 м (рис. 1б). В массиве на глубине 0,5 м расположены три гидроизолированных локальных объекта мощностью 0,4 м на равном расстоянии 0,5 м друг от друга. Объекты представлены песком с расчетной влажностью 15%, 22% и 30% и перекрыты песком с влажностью 5% и мощностью 0,5 м. При расчете геометрических размеров физической модели учитывались характеристики высокочастотных антенн георадара. Пробы грунтов локальных объектов, определенные по ГОСТ 32768-2014, показали приблизительные значения, соответствующие расчетным значениям влажности. Также были установлены обсадные скважины, расположенные между стенкой короба и локальными объектами. Модель была покрыта пакетом для снижения влияния атмосферных осадков.

Исследование распространения электромагнитных волн в физической модели выполнено с помощью метода георадиолокации. Данный метод позволяет изучить характеристики волновых полей, связанных с геометрическими параметрами и электрофизическими свойствами объектов [13]. С февраля по ноябрь выполнены исследования модели антенным блоком АБ1200 георадара «ОКО-2». Измерения температуры массива пород проведены многозонным цифровым датчиком температур МЦДТ 0922. На каждой скважине опускалась термокоса с датчиками, расположенными до глубины 1,4 м с шагом 0,2 м. Данные измерений температуры в трех скважин оказались приблизительно одинаковыми. В таблице 1 приведены результаты измерений температуры в скважине 2 по месяцам на разных глубинах массива пород. С ноября по апрель породы находятся в мерзлом состоянии. В мае наблюдается их оттаивание. С июня до октября породы находятся в талом состоянии.

Рис. 1. Схема физической модели массива горных пород с включением пород различной влажности (а) со сборкой на специальном стенде (б)

Таблица 1

Температура в массиве горной породы на разных глубинах

Результаты исследования и их обсуждение

Данные георадиолокации, полученные при исследовании физической модели, были обработаны в программе «GeoScan32». В процессе обработки были применены следующие процедуры: корректировка протяженности радарограмм по меткам; амплитудная коррекция волновой картины; полосовая фильтрация для подавления шумов с целью отображения отраженных волн; сглаживание сигналов от скачкообразных изменений. Каждая радарограмма была подвергнута индивидуальной обработке с применением вышеуказанных процедур. На рисунке 2 приведены результаты обработки радарограмм.

Радарограммы, полученные в феврале, демонстрирует волновую картину песка с включением песка влажностью 15% (рис. 2а), 22% (рис. 2г), 30% (рис. 2ж). Эти пески находятся в мерзлом состоянии. На радарограммах наблюдаются первая контрастная ось синфазности отраженных волн от кровли песка и вторая слабоконтрастная ось синфазности от подошвы песка. На рисунках 2б, 2д, 2з представлены радарограммы, полученные в ходе начального процесса оттайки песка, на которых можно увидеть первую контрастную ось синфазности отраженных волн от кровли песка и вторую прерывающуюся ось синфазности от подошвы песка. На радарограммах (рис. 2в, 2е, 2и), полученных в результате полной оттайки песка, прослеживаются первая субгоризонтальная контрастная ось синфазности от верхней границы песка и вторая слабоконтрастная со смещениями ось синфазности от нижней границы песка.

По временным характеристикам волн, отраженных от верхней и нижней границы песка различной влажности, была получена информация о значительной вариации времени прихода отраженных волн. На основе этой информации о разности времени с учетом мощности песка были определены скорость распространения электромагнитных волн и диэлектрическая проницаемость. Полученные результаты расчета представлены в таблице 2. На рисунке 3 приведен график скорости распространения волн в песках различной влажности.

Рис. 2. Фрагменты радарограмм массива песка с включением песка влажностью 15% (а–в), 22% (г–е) и 30% (ж–и)

По данным таблицы 2 следует, что скорость в песке влажностью 5% в талом и мерзлом состоянии составляет 0,11 м/нс и 0,173 м/нс соответственно. В талом песке влажностью 15% скорость составляет 0,074 м/нс, а в мерзлом – 0,137 м/нс. Скорость в талом и мерзлом песке влажностью 22% – 0,063 м/нс и 0,141 м/нс соответственно. Показатели скорости в песке влажностью 30% в талом и мерзлом состоянии – 0,062 м/нс и 0,125 м/нс соответственно.

Таблица 2

Результаты георадиолокационных измерений песка различной влажности

Рис. 3. Скорость распространения волн в песках различной влажности

Таблица 3

Скорость распространения волн в песках различной влажности в разные сезоны года

Низкие скорости наблюдаются в талых песках различной влажности, а высокие скорости – в мерзлых песках, что согласуется с ранее установленными закономерностями [14]. Отмечается, что при повышении влажности до 5–30% в талом песке скорость уменьшается в 1,77 раза, а в мерзлом – в 1,4 раза.

Из графика на рисунке 3 следует, что скорости в мерзлом песке влажностью 5%, 15%, 22% и 30% в период с февраля по апрель в диапазоне температур от –30°С до 0°С характеризуются постоянными значениями, но отличаются друг от друга. В то же время значения скоростей в песках влажностью 15% и 22% почти совпадают. C апреля по июнь повышение температуры воздуха с 0°С до 25°С приводит к интенсивному оттаиванию мерзлых песков различной влажности. В этот период происходит резкое снижение значений скоростей в песках. Исключением является песок влажностью 5%, у которого процесс оттаивания завершается в мае. Данный песок в талом состоянии находится до конца сентября, при этом скорость характеризуется постоянной величиной. Песок влажностью 15% полностью оттаивает в июне и в талом состоянии сохраняется до октября. Скорость в талом песке влажностью 15% характеризуется постоянной величиной. Пески влажностью 22% и 30% плавно оттаивают с июня по август и остаются в талом состоянии до октября. Скорости в этих талых песках почти одинаковые. В октябре с переходом на отрицательные температуры воздуха начинается процесс замерзания песков различной влажности. Результаты анализа вариации скоростей в разные сезоны года по данным георадиолокации приведены в таблице 3.

Заключение

Результаты экспериментальных исследований рыхлых горных пород различной влажности, проведенных с февраля по ноябрь, позволили определить временные интервалы, в течение которых породы находились в мерзлом, талом состоянии и в период оттаивания. Также установлено варьирование скорости распространения волн в породах различной влажности. Мерзлые породы влажностью 5–30% характеризуются высокими значениями скоростей – от 0,121 до 0,168 м/нс. В период оттайки этих пород наблюдается резкое снижение скоростей – с 0,16 м/нс до 0,063 м/нс. Скорости в талых породах характеризуются низкими значениями – 0,063–0,112 м/нс.

На практике по экспериментально установленным значениям скоростей в породах различной влажности в пределах глубины сезонно-талого слоя можно оценить влажность и криогенное состояние рыхлых горных пород по полевым данным георадиолокации в зависимости от месяца проведения измерений. Полученная информация позволяет скорректировать план разносезонного георадиолокационного мониторинга динамики криогенного состояния рыхлых горных пород Центральной Якутии.