Научное обоснование и разработка технологии изучения массивов пород и грунтов криолитозоны радиоимпедансным зондированием (30.08.2011)

Автор: Ефремов Владимир Николаевич

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и основные задачи исследований, сформулированы защищаемые научные положения, отображены научная новизна и практическая ценность работы, приведены данные об апробации результатов работы.

В первой главе показана изученность проблемы, изложены естественные и технологические предпосылки, являющиеся основанием для применения радиоимпедансного зондирования при изучении многолетнемерзлых толщ и грунтов. Представлен краткий обзор основных характеристик мерзлых толщ и грунтов, а также применения методов геофизики в криолитозоне. При этом основное внимание уделяется электроразведочным методам.

Как известно, основными параметрами мерзлых дисперсных пород, определяющими их физические свойства, являются плотность, гранулометрический состав, суммарная влажность, воздушная пористость, минерализация порового раствора, а также содержание незамерзшей воды при отрицательных температурах. Основополагающий и значительный вклад в изучение свойств мерзлых дисперсных пород внесли

Н. А. Цытович, З. А. Нерсесова, А. А. Ананян, Э. Д. Ершов, В. Г. Чеверев, И. Н. Вотяков, С. Е. Гречищев и др. Основные закономерности залегания и распространения повторно-жильных льдов отражены в работах П. А. Шумского, Б. И. Втюрина, Б. Н. Достовалова, Н. Н. Романовского, К. Ф. Войтковского, В. В. Куницкого и др. Результаты изучения мерзлых толщ представлены в трудах Е. М. Катасонова, В. А. Кудрявцева, А. И. Попова, С. М. Фотиева, В. Т. Балобаева и др.

Величина отрицательных температур мерзлых пород во многих регионах криолитозоны находится вблизи границы фазового перехода воды в лед. Это дополнительно осложняет их структуру, оставляя значительную часть содержащейся в них воды в незамерзшем состоянии. Последнее обстоятельство определяющим образом влияет на электрические свойства грунтов и на параметры геоэлектрического строения мерзлых толщ.

Изучение электрических свойств мерзлых горных пород широко представлено результатами лабораторных и натурных наблюдений на постоянном токе в работах А. А. Ананяна, Б. Н. Достовалова,

А. Д. Фролова, Ю. Д. Зыкова, В. П. Добровольского, А. Н. Боголюбова, В. С. Якупова. В меньшей степени оно представлено результатами наблюдений на переменном токе. В основном это работы В. А. Боровинского, А. Д. Фролова, Ю. Б. Башкуева, В. В. Гурова, Т. М. Клишес, G. R. Olhoeft, N. Maeno. Из трудов перечисленных авторов известно, что удельное электрическое сопротивление (УЭС) мерзлых горных пород находится в диапазоне 100…100 000 Ом м. При этом величина УЭС дисперсных мерзлых пород главным образом определяется их гранулометрическим составом, влажностью и минерализацией поровой влаги, как внутренними первичными факторами, и такими внутренними вторичными факторами, зависящими от температуры пород, как содержание и структура распределения льда и незамерзшей воды, криогенная текстура. Относительная диэлектрическая проницаемость мерзлых горных пород в диапазоне частот 10…1000 кГц изменяется в диапазоне 5…50 единиц.

Широкое применение при изучении мерзлых толщ и грунтов нашли электроразведочные методы геофизики. В традиционном применении это в большей степени относится к методу сопротивлений на постоянном токе и методу вызванной поляризации на инфра низких частотах переменного тока. Основополагающие работы в этой области выполнены Б. С. Эненштейном, Б. Н. Достоваловым, А.Т. Акимовым, В. С. Якуповым, В. А. Боровинским, А. М. Снегиревым, В. П. Мельниковым, Б. И. Геннадиником. Однако традиционная электроразведка на постоянном токе, применительно к изучению мерзлых грунтов, характеризуется недостаточной локализацией исследуемых объектов, сложностью обеспечения качественных заземлений в холодное время года, высокой себестоимостью и низкой производительностью.

Свободны от перечисленных недостатков методы электроразведки, использующие импульсные и переменные поля. Индукционные методы (ЗМПП, ЗСПБ) позволяют выделить сравнительно проводящие зоны в криогенной толще, как показано в работах Ю. А. Нима и В. В. Стогния. С повышением частоты поля значительной становится и диэлектри-

ческая проницаемость пород, усиливающая возможности разграничения мерзлых и талых пород, выделения водоносных отложений. Особенно это относится к методу георадарной съемки покровных льдов и мерзлых грунтов, получившему развитие в работах М. И. Финкельштейна,

Ю. Я. Мачерета и А. В. Омельяненко.

Из наземных высокочастотных методов электроразведки наиболее рациональным и высокоинформативным является радиомагнитотеллурический (РМТ) метод или радиоимпедансное зондирование. Основу его составляют измерения модуля и аргумента (фазы) поверхностного импеданса на частотах диапазона 10…1000 кГц в поле удаленных радиостанций. Начало методу было положено на рубеже 50–60-х годов прошлого века: в радиоволновом отношении – работами А. Г. Тархова, В. К. Хмелевского и А. Д. Фролова (метод радиокип), а в магнитотеллурическом – трудами J. R. Wait и М. Н. Бердичевского. Метод получил развитие в работах Е. С. Седельникова и С. Г. Гордеева (СДВ-радиокип), А. В. Вешева, В. А. Егорова и М. И. Пертеля (РЭМП, РЭМЗ); Ю. Б. Башкуева и Л. Х. Ангархаевой (радиоимпедансное зондирование). Дальнейшее развитие, как радиоимагнитотеллурический, метод получил в работах B. Tezkan и А. К. Сараева. Результаты измерений радиоволнового поверхностного импеданса в различных районах криолитозоны в основном представлены трудами Б. И. Кореннова, В. О. Папиташвили, Ю. Б. Башкуева, В. П. Мельчинова, В. Н. Захаренко и автора настоящей работы.

В радиоимпедансном зондировании достоинства, присущие в целом высокочастотным методам электроразведки, сочетаются с высокой информативностью данных, точностью и простотой их получения – за счет проведения относительных измерений амплитуд составляющих поля в дальней (волновой) зоне, с повышенной глубинностью зондирования и возможностью повышения локальности измерений – за счет низкой электропроводности мерзлых горных пород.

Во второй главе рассматривается роль соотношения токов проводимости и смещения в формировании частотной зависимости поверхностного импеданса массивов мерзлых горных пород, составляющих мерзлую толщу; приводятся результаты ее численного моделирования для типовых геоэлектрических разрезов криолитозоны.

на поверхности раздела. Это отношение, по аналогии с теоретической электротехникой, в геофизике и радиофизике называют поверхностным импедансом

Первое уравнение Максвелла для полупроводящих сред

определяет отношение токов проводимости и смещения в среде как

Отсюда видно, что соотношение между токами проводимости и смещения присутствует и в известных выражениях для модуля и аргумента (фазы) поверхностного импеданса однородного полупространства:

Численное моделирование частотной зависимости поверхностного импеданса мерзлой толщи, как горизонтально-слоистой среды с плоско-параллельными изотропными по электрическим параметрам слоями (модель Тихонова-Каньяра), проведенное в диапазоне частот 10…

1000 кГц, показало, что ее характер определяется изменением соотношения токов проводимости и смещения в слоях с понижением частоты и увеличением толщины скин-слоя. Уменьшение отношения токов проводимости и смещения в верхнем слое двухслойной среды сопровождается осцилляцией значений частотной зависимости поверхностного импеданса, имеющей вид затухающих, с повышением частоты и уменьшением степени влияния подстилающего горизонта, гармонических колебаний. Осцилляции имеют значительную амплитуду и ярко выраженный характер в том случае, когда в нижнем слое преобладают токи проводимости, а в верхнем слое – токи смещения.

Характер частотной зависимости модуля и аргумента поверхностного импеданса слоистой мерзлой толщи, представленной горизонтом мерзлых коренных пород (МКП) в основании и перекрывающими горизонтами мерзлых дисперсных отложений (МДО) и сезонноталого слоя (СТС), более нагляден в расширенном диапазоне частот от 0,1 до

100 000 кГц (рис. 1).

Рис. 1. Частотные зависимости модуля и фазы поверхностного импеданса мерзлой толщи – трехслойной зимой (штриховая линия) и четырехслойной летом (сплошная линия).

Мощности горизонтов: СТС – 1 м, МДО – 20 м, МКП – 100 м. Для сравнения пунктирными линиями показаны соответствующие кривые для однородного полупространства с УЭС, характерными для основных горизонтов мерзлой толщи: СТС – 100, МДО – 10 000, МКП – 1000 Ом м.

Для модуля поверхностного импеданса характер частотной зависимости с понижением частоты выражается сначала переходом от высокочастотной асимптоты, положение которой определяется относительной диэлектрической проницаемостью верхнего слоя мерзлых либо талых дисперсных отложений, к среднечастотной асимптотической линии, положение и наклон которой зависят от мощности и проводимости дисперсных отложений. С дальнейшим понижением частоты происходит переход к низкочастотной асимптотической линии, положение и угол наклона которой определяются проводимостью мерзлых коренных пород. Частотная зависимость аргумента поверхностного импеданса характеризует соотношения: на высоких частотах – диэлектрических проницаемостей талых и мерзлых дисперсных отложений; на средних и низких частотах – проводимостей слоев дисперсных отложений, проводимостей мерзлых дисперсных и коренных пород.

уменьшается.

, и может быть представлено как

Приращение фазы поверхностного импеданса, при преобладании токов проводимости, также пропорционально мощности МДО и частоте, но, кроме того, в отличие от модуля импеданса, зависит от изменения соотношения удельных электрических сопротивлений МДО и МКП. При преобладании токов смещения зависимость изменений импеданса от мощности МДО, проводимостей обоих горизонтов и частоты становится нелинейной.


загрузка...