Для оценки геокриологической обстановки, составления прогноза изменения состояния мерзлоты при разработке месторождений в криолитозоне, создания инфраструктуры горных предприятий, на всех стадиях инженерных изысканий выполняются инженерно-геокриологические исследования. При этом необходимо не только тщательно изучать геокриологические аспекты, но и внимательно отслеживать изменения в этих условиях, которые могут быть вызваны как естественными, так и техногенными факторами, особенно в контексте проведения горных работ [1]. Неполное понимание геокриологических условий может стать причиной непредвиденных деформаций пород и даже привести к их обрушению или смещению [2–4]. Такие геомеханические изменения часто происходят из-за таяния мерзлых пород с высоким содержанием льда. В дальнейшем это вызывает нарушение теплового баланса, увеличение притока воды и влажности горных пород. Высокая влажность и обводненность пород могут вызвать проблемы, такие как прилипание или примерзание пород к рабочим элементам горнодобывающего оборудования и транспортным средствам, что ведет к задержкам в работе и увеличению стоимости добычи.
Горные работы, строительство и эксплуатация объектов инфраструктуры горнодобывающего предприятия значительно меняют естественные температурные и гидрологические условия вечномерзлых пород. Это приводит к таянию пород и стимулирует развитие различных опасных криогенных явлений, таких как суффозия, морозное пучение, термоэрозия и других. Все эти процессы снижают прочностные характеристики грунтов оснований и становятся причиной деформации инженерных сооружений, иногда даже аварийного характера.
В связи с потеплением климата и антропогенным влиянием на геосистему актуальность приобретают исследования, направленные на улучшение методик дистанционной оценки свойств и состояния разрабатываемых массивов горных пород, а также на создание систем для мониторинга криогенных процессов в грунтах горно-технических сооружений [5–7]. Однако в практике проектных и строительных компаний часто применяются устаревшие теплотехнические методы расчета, разработанные десятилетия назад, которые не учитывают современную динамику деградации криолитозоны, особенности влияния криогенных процессов и явлений.
В настоящее время, согласно источникам [8–10], при инженерно-геологических изысканиях широко используется георадиолокация как основной геофизический метод. Этот выбор обусловлен рядом преимуществ георадиолокации: глубина исследования мерзлого массива до 30 м, высокое разрешение слоев до 0,1–0,2 м, точность определения аномалий по профилю в пределах 0,05–0,1 м, а также отличная помехоустойчивость и быстрота получения результатов [11, 12]. От содержания воды в мерзлых рыхлых отложениях в значительной степени зависят их физико-механические и электрофизические свойства. При этом водонасыщенность грунтов при оттайке оказывает большое значение и на формирование радарограмм, а потому является одним из параметров, имеющих объективные предпосылки к эффективному применению георадиолокации для геокриологических исследований [13, 14].
Целью представленных исследований является усовершенствование методики георадиолокационного изучения криогенного состояния горных пород на участках действующих горнодобывающих предприятий в условиях пересеченной и ограниченной местности.
Материалы и методы исследования
Данные георадиолокационных исследований геокриологических условий получены на территории Северной части Якутской алмазоносной провинции зимой. Изучаемый район находится в зоне многолетнемерзлых пород мощностью более 350 м. Глубина деятельного слоя варьируется от 0,3 до 1,2 м. На южных склонах грунт оттаивает до глубины 0,5–1,2 м, на северных – до 0,3 м. Продуктивный слой верхнечетвертичной россыпи скрыт под слоем вскрышных пород толщиной до 8 м. Этот слой состоит из аллювиальных глинистых отложений с содержанием от 20 до 50 % гравия, гальки, щебня и мелких валунов-плит преимущественно местных карбонатных пород. Для площадного георадиолокационного обследования представлен вскрышной блок, находящийся вблизи инженерно-технических сооружений, техногенное воздействие которых на прилегающую территорию привело к растеплению многолетнемерзлых горных пород.
Для определения строения и криогенного состояния горных пород обследуемого участка георадиолокационная съемка проведена георадаром «ОКО-2» с антенным блоком «АБ-250М» (НПО «Логис-Геотех», Россия). Антенны георадара экранированы, что позволяет использовать его вблизи инженерно-технических сооружений и горной техники. Центральная частота прибора составляет 250 МГц и обеспечивает глубину исследований до 8 м, с разрешением 0,25 м.
Для представления результатов георадарной съемки в виде 3D-карт измерения проводятся по равномерно распределенным по площади профилям. На обследуемом участке они проложены параллельно, в крест предполагаемого направления деградации мерзлоты, для возможности обнаружения путей миграции техногенных жидкостей вниз по склону. Среднее расстояние между профилями 6,5 м. При таком интервале по участку намечено семь профилей и одна опорная точка углового георадиолокационного сканирования (УГС) для получения информации о геокриологическом состоянии массива из локального местоположения. По методике, такие точки располагают в межпрофильном пространстве или на участках, где непрерывное профилирование невозможно [15]. Георадиолокационная съемка в режиме непрерывного профилирования произведена в контакте с поверхностью. Трассы сигналов записаны с шагом 0,1 м по датчику перемещения с колесом. В опорной точке выполнение полевых исследований осуществляется по методике УГС: в подготовленном углублении выполняют зондирования в секторе 70°, с шагом 5° и накоплением по 100 трасс в каждом угловом положении. По завершении сканирования из всех файлов собирается синтезированная радарограмма, которая обрабатывается стандартными процедурами (фильтрация, коррекция затухания, регулировка контрастности радарограмм и т.д.) программного обеспечения GeoScan32 (НПО «ЛогиС-Геотех», Россия), как радарограмма, записанная при непрерывном профилировании.
Результаты сканирования, проведенные на опорной точке обследуемой территории возле скважины № 3/7 (на 7-м метре по профилю № 3), представлены на рис. 1. С помощью антенного блока «АБ-250М» зафиксировано 1500 точек зондирования в секторе 70° с интервалом угловых положений в 5°. Осуществленная обработка радарограмм УГС и последующая интерпретация, в сопоставлении с данными скважины № 3/7, позволили выявить и уверенно проследить границы слоев в массиве многолетнемерзлых пород. На волновом поле радарограммы выделена горизонтальная граница в толще песчано-гравийно-галечных отложений. Она сформирована из сигналов-отражений от крупнообломочных материалов на глубине около 1 м.
Рис. 1. Данные полевых исследований по методике углового георадиолокационного сканирования (УГС) в опорной точке, рядом со скважиной № 3/7: 1 – мерзлые песчано-гравийно-галечные отложения; 2 – высокольдистые илисто-глинистые отложения; 3 – суглинок темно-серый мерзлый; 4 – суглинок темно-серый с включением льда; 5 – доломиты
Верхняя граница слоя высокольдистых илисто-глинистых отложений (мощностью 1,5 м) образована песчано-гравийно-галечными слоями, а нижняя – суглинками. Нижний слой суглинков имеет ледяные включения и потому образует дополнительную отражающую границу на глубине около 5 м. На радарограмме отражение этих отложений видно как равномерно распределенные сигналы, заключенные между контрастными горизонтальными осями синфазности. Такие же контрастные сигналы наблюдаются по осям синфазности на границе суглинков и доломитов.
Для обработки данных георадарного профилирования также применено программное обеспечение GeoScan32. Проведена предварительная редакция данных с использованием входящих в него стандартных процедур: реверс, удаление трасс, привязка нуля к поверхности среды, частотная фильтрация, коррекция затухания амплитуд.
Участки талых пород в массиве многолетнемерзлых пород на волновом поле определены по особенностям динамических характеристик сигналов, которые отмечены при опыте георадиолокационных исследований по поиску мест локального повышенного увлажнения, заверенных бурением и шурфами [6, 13, 14]. Таких особенностей две: первая – это повышение амплитуды сигналов; вторая – смещение центральной частоты спектра отраженных сигналов в низкочастотную область. Например, в работе [13] показано, что сигналы, отраженные от верхней границы слоя талых пород, имеют спектр с центральной частотой 202 МГц, а отраженные от нижней границы – 187 МГц. Амплитуда сигналов на участке талых пород в два раза больше, чем на соседних, мерзлых участках. Стоит отметить, что такие изменения динамических характеристик наиболее заметны визуально при анализе волновых полей радарограммы в целом, а не отдельных трасс сигналов [13].
Результаты исследования и их обсуждение
По результатам бурения на контрольных точках и анализа радарограммы профиля № 12 (рис. 2) были определены интерпретационные признаки присутствия талых грунтов в мерзлых горных породах на исследуемом участке. На радарограмме указанного профиля в диапазонах 40–52 и 72–88 м наблюдается углубление подошвы песчано-гравийно-галечного слоя. Эти изменения связаны со смещением осей синфазности сигналов, относящихся к этим границам. Ниже, под слоем илисто-глинистых отложений выделяются две зоны хаотичных сигналов с относительно высокими амплитудами (пунктирные линии на рис. 2, а). Они прослеживаются в слое суглинков и могут указывать на их нарушенную криогенную структуру, изменение которой вызвано оттайкой и нарушением связности частиц под влиянием техногенных жидкостей.
Чтобы подтвердить точность интерпретации обнаруженных аномалий волнового поля, на контрольных точках на расстояниях 46, 60 и 80 м было проведено бурение трех скважин (№ 12/46, 12/60 и 12/80). В результате бурения подтвердились предположения о присутствии талых пород в толще суглинков в скважинах № 12/46 и 12/80 на глубинах 3,1–4,0 и 3,5–4,5 м соответственно. В скважине № 12/60 все породы были обнаружены в замерзшем состоянии. Геокриологический разрез по профилю № 12 представлен на рис. 2, б. Сопоставление глубины границ по данным бурения со временем задержки георадиолокационных сигналов позволило определить средние по разрезу значения относительной диэлектрической проницаемости пород: для мерзлых – 4, для талых – 9.
По совмещенным данным бурения и георадиолокации уточнено геологическое строение участка. Установлено, что слой песчано-гравийно-галечных отложений имеет различную мощность на всем протяжении участка. Под ним на глубине около 2 м залегает невыдержанный по толщине слой высокольдистых илисто-глинистых отложений. Его мощность колеблется от 0,5 до 1,5 м. Находящийся ниже слой суглинков залегает на коренных породах и местами содержит включения пластового льда.
На основе установленных и подтвержденных признаков выявления зон талых пород выполнена интерпретация георадарных данных на всем исследуемом участке. В результате талые породы обнаружены по семи профилям. На рис. 3 представлен фрагмент исследуемого участка с оконтуриванием талых зон в многолетнемерзлом массиве горных пород. Эта карта была создана на основе данных георадиолокационного профилирования и УГС в опорной точке, зоны талых пород выделены градиентной заливкой в черном пунктирном контуре. Цветовая шкала на карте демонстрирует глубину подошвы слоя талых пород, варьирующуюся от 1,5 до 5,9 м. Видно, что глубина растепления горных пород не связана с радиационно-тепловым воздействием солнца, а имеет техногенный характер. Деградация мерзлоты в массиве идет от инженерно-технических сооружений по четырем каналам в направлении склона, к борту карьера. Согласно данным георадиолокации площадь талых пород оценивается примерно в 1600 м2. Для подтверждения данных георадиолокационного исследования участок дополнительно обследован бурением скважин по профилям (рис. 3).
Рис. 2. Выявление зон талых пород по данным георадиолокации и бурения на фрагменте радарограммы по профилю № 12 (а – временной разрез; б – глубинный интерпретационный разрез): 1 – границы зон талых пород; 2 – мерзлые песчано-гравийно-галечные отложения; 3 – высокольдистые илисто-глинистые отложения; 4 – суглинок темно-серый мерзлый; 5 – суглинок темно-серый талый; 6 – песок льдистый мелкий с галечником; 7 – подземный лед; 8 – доломиты
Рис. 3. Карта распространения зон талых горных пород, выявленных по данным георадиолокации и бурения: 1 – георадиолокационный профиль; 2 – контур талых горных пород; 3 – скважина с мерзлыми горными породами; 4 – скважина с талыми горными породами; 5 – опорная точка со скважиной.
Заключение
Для повышения результативности геофизических исследований геокриологических условий на участках действующих горнодобывающих предприятий в условиях пересеченной и ограниченной местности предложено комплексное использование методик профилирования и углового сканирования методом георадиолокации. По данным экспериментальных исследований обоснованы признаки обнаружения участков талых пород на радарограмме. Апробация методики картирования выполнена на территории Северной части Якутской алмазоносной провинции. В соответствии с предложенными интерпретационными признаками выполнен анализ волновых полей радарограмм полевых измерений. На основе данных георадиолокационного профилирования и УГС построена карта распространения талых горных пород по участку исследований. Показано, что применение георадиолокации позволяет получить оперативную информацию о криогенном состоянии горных пород на разрабатываемых месторождениях и в зоне техногенного воздействия инженерно-технических объектов. Полученные результаты позволят оперативно и корректно принимать решения по обеспечению устойчивости бортов и уступов карьеров при горно-добычных работах, а также будут полезны в выборе рациональных параметров вскрышных работ: выбор глубины взрывных скважин, их расположение и расстояние между ними, типа взрывчатого вещества, его мощности.
Библиографическая ссылка
Федорова Л.Л., Куляндин Г.А., Прудецкий Н.Д. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УЧАСТКОВ ТАЛЫХ ПОРОД В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ МАССИВЕ ПО ДАННЫМ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ // Успехи современного естествознания. – 2023. – № 11. – С. 192-198;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38163 (дата обращения: 18.05.2024).