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
|
H, м |
Температура, °С |
|||||||||
|
Февр. |
Март |
Апр. |
Май |
Июнь |
Июль |
Авг. |
Сент. |
Окт. |
Нояб. |
|
|
0 |
–29,8 |
–19,2 |
0,6 |
4,8 |
29,1 |
30,1 |
21,2 |
11,8 |
1,8 |
–18,2 |
|
0,2 |
–28,3 |
–20,2 |
–3,6 |
2,6 |
20 |
22 |
18,5 |
7,3 |
0,3 |
–15,5 |
|
0,4 |
–26,2 |
–18,8 |
–4,3 |
0,5 |
15,6 |
19,2 |
17,3 |
7 |
0,03 |
–11,7 |
|
0,6 |
–23,7 |
–17,2 |
–4,6 |
–0,06 |
12,7 |
17,5 |
16,9 |
7,3 |
0,05 |
–8,2 |
|
0,8 |
–21,2 |
–15,8 |
–4,8 |
–0,2 |
9,9 |
15,7 |
15,9 |
7,2 |
0,1 |
–5,3 |
|
1 |
–18,4 |
–14,2 |
–4,9 |
–0,4 |
6,4 |
13,2 |
14,4 |
6,8 |
0,2 |
–2,3 |
|
1,2 |
–15,5 |
–12,6 |
–5,1 |
–0,8 |
2,7 |
10,2 |
12,4 |
6,2 |
0,24 |
–0,3 |
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
|
W=5% |
W=15% |
W=22% |
W=30% |
|||||
|
Vcp, м/нс |
εср |
Vcp, м/нс |
εср |
Vcp, м/нс |
εср |
Vcp, м/нс |
εср |
|
|
Февраль |
0,173 |
3 |
0,137 |
4,8 |
0,139 |
4,7 |
0,125 |
5,8 |
|
Март |
0,172 |
3,1 |
0,139 |
4,7 |
0,139 |
4,6 |
0,121 |
6,1 |
|
Апрель |
0,160 |
3,5 |
0,139 |
4,7 |
0,136 |
4,8 |
0,117 |
6,5 |
|
Май |
0,115 |
6,8 |
0,099 |
9,1 |
0,104 |
8,4 |
0,110 |
7,4 |
|
Июнь |
0,113 |
7,1 |
0,074 |
16,3 |
0,073 |
17 |
0,072 |
17,4 |
|
Июль |
0,111 |
7,3 |
0,074 |
16,4 |
0,069 |
19,1 |
0,072 |
17,4 |
|
Август |
0,110 |
7,5 |
0,075 |
16 |
0,064 |
21,7 |
0,063 |
23 |
|
Сентябрь |
0,112 |
7,2 |
0,074 |
16,3 |
0,063 |
23 |
0,062 |
23,2 |
|
Октябрь |
0,122 |
6,1 |
0,075 |
16,2 |
0,064 |
21,9 |
0,063 |
23,1 |
|
Ноябрь |
0,173 |
3 |
0,134 |
5 |
0,141 |
4,5 |
0,12 |
6,2 |
Рис. 3. Скорость распространения волн в песках различной влажности
Таблица 3
Скорость распространения волн в песках различной влажности в разные сезоны года
|
W=5% |
W=15% |
W=22% |
W=30% |
|
|
Vср в мерзлом песке |
0,168 м/нс с ноября по апрель |
0,138 м/нс с ноября по апрель |
0,138 м/нс с ноября по апрель |
0,121 м/нс с ноября по апрель |
|
Vср в период оттайки песка |
0,16–0,113 м/нс с апреля по май |
0,139–0,074 м/нс с апреля по июнь |
0,136–0,063 м/нс с апреля по август |
0,117–0,063 м/нс с апреля по август |
|
Vср в талом песке |
0,112 м/нс с мая по сентябрь |
0,074 м/нс с июня по октябрь |
0,064 м/нс с августа по октябрь |
0,063 м/нс с августа по октябрь |
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.
Библиографическая ссылка
Федорова Л.Л., Фёдоров М.П., Свинобоев А.С. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ РЫХЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД // Успехи современного естествознания. – 2024. – № 11. – С. 106-111;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38340 (дата обращения: 22.12.2024).