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

Автор: Ефремов Владимир Николаевич

1 – слабо-индуктивная модель ((1 = 50 Ом ( м; h1 = 1 м; (2 = 10 000 Ом ( м);

2 – однородное полупространство с ( = 10 000 Ом ( м;

3 – однородное полупространство с ( = 50 Ом ( м.

) характеризуется формами кривых модуля и аргумента поверхностного импеданса, представляющими собой малоамплитудные вступления с большим периодом, которые затем на высоких частотах переходят в ярко выраженные осцилляции значений вокруг кривых, соответствующих верхнему слою (рис. 7). Модель соответствует наличию под мощной толщей высокоомных МДО гораздо более проводящего подстилающего горизонта. В зависимости от частоты проводящий горизонт может быть представлен одним из следующих. Для низких частот рабочего диапазона – это горизонт мерзлых коренных пород (МКП) с малым УЭС. Для средних и высоких частот – это может быть мощный межмерзлотный талый, водоносный, глинистый, суглинистый или засоленный горизонт в дисперсных отложениях. Сильно-индуктивная модель может применяться во всем диапазоне частот: при мощности верхнего плохопроводящего слоя >20 м на частотах < 300 кГц, а при мощности верхнего слоя <20 м на частотах >300 кГц.

Следующим приближением к распространенным типам реальных мерзлых толщ являются трех-шестислойные модели, в основе которых лежат рассмотренные выше двухслойные осцилляционные модели.

Трехслойная модель включает двухслойную сильно-индуктивную модель с добавлением сверху тонкого проводящего слоя мощностью

0,5 – 2,0 м и УЭС, равным 20 – 100 Ом м. Эта модель представляет основной горизонт МКП, перекрытый горизонтом МДО с сезонноталым поверхностным слоем. Добавление СТС уменьшает амплитуду осцилляций, вызванную доминированием токов разного типа в МДО и МКП (кривые 1 на рис. 8).

Рис. 7. Частотные зависимости модуля и аргумента (фазы) поверхностного импеданса:

1 – сильно-индуктивная модель ((1 = 10 000 Ом ( м; h1 = 1 м; (2 = 50 Ом ( м);

2 – однородное полупространство с ( = 10 000 Ом ( м;

3 – однородное полупространство с ( = 50 Ом ( м.

Рис. 8. Частотные зависимости модуля и аргумента поверхностного импеданса:

1 – трехслойная модель, 2 – четырехслойная, 3 – пятислойная, 4 – шестислойная модель.

Четырехслойная модель соответствует мерзлой толще, в подошву рыхлых отложений которой внедрен тонкий проводящий слой (ТПС). В данном случае ТПС может быть представлен криогенной корой выветривания либо тонкодисперсными отложениями. Внедрение ТПС приводит к увеличению амплитуды осцилляций модуля и аргумента поверхностного импеданса (кривые 2 на рис. 8).

Пятислойная модель образуется внедрением ТПС в МДО трехслойной модели. Это соответствует наличию тонкодисперсных отложений, водоносного слоя или криопэга в МДО. Внедрение проводящего слоя на глубине меньшей, чем та, на которой находится горизонт МКП, приводит к значительному увеличению амплитуды и периода осцилляций модуля и аргумента поверхностного импеданса на средних частотах (кривые 3 на рис. 8).

Шестислойная модель представляет мерзлую толщу с МДО, содержащими двухъярусные ТПС (талики, криопэги). Для нее характерно сложение осцилляций, приводящее к существенным фазовым сдвигам в диапазоне низких и средних частот (кривые 4 на рис. 8).

Для изучения массивов пород и грунтов криолитозоны по измерениям радиоволнового поверхностного импеданса предлагается комплексная интерпретация данных радиоимпедансного профилирования (РИП), радиоимпедансного экспресс-зондирования (РИЭЗ) и частотного радиоимпедансного зондирования (РИЗ).

Особенностью радиоимпедансного профилирования на многолетнемерзлых грунтах является возможность экспресс-оценки эффективного УЭС горизонта мерзлых дисперсных отложений по модулю поверхностного импеданса. В экспресс-оценке применяется метод снятия расчетным путем слоев, перекрывающих и подстилающих исследуемый горизонт. Для данных измерений, полученных в теплое время года, снятие слоев производится в следующей последовательности: сначала устраняется влияние на величину импеданса сезонноталого слоя, затем влияние мерзлых скальных пород с использованием зависимостей, приведенных во второй главе. По полученной величине импеданса мерзлых рыхлых отложений определяется их эффективное электрическое сопротивление. Устранение влияния изменений проводимости СТС и МСП значительно облегчает выделение аномалий электрического сопротивления МДО, вызванных наличием проводящих либо плохо проводящих неоднородностей.

В радиоимпедансном профилировании измерениями на одной

частоте регистрируется изменение по профилю следующих параметров: эффективное (кажущееся) сопротивление; эффективная толщина скин-слоя; эффективный электромагнитный параметр; эффективное электромагнитное сопротивление. Последний параметр – эффективное электромагнитное сопротивление используется с учетом низкой проводимости мерзлых пород и представляет собой произведение обратных величин проводимости и диэлектрической проницаемости на частоте, для которой существенно влияние токов смещения. Электромагнитное сопротивление можно представить как отношение эффективного сопротивления к эффективной диэлектрической проницаемости

Для оперативного получения приближенных оценок разреза толщи многолетнемерзлых грунтов предлагается радиоимпедансное экспресс-зондирование (РИЭЗ) в двух реализациях: по модулю импеданса – РИЭЗ (М) и по его фазе – РИЭЗ (Ф).

В РИЭЗ (М) по данным измерений модуля импеданса на двух частотах с использованием сильно-индуктивной двухслойной модели рассчитываются УЭС нижнего слоя и глубина его залегания по следующим формулам:

, измеренных на двух частотах. Приведенные формулы позволяют автоматизировать приближенную интерпретацию данных РИЭЗ (М) и получить результат в режиме реального времени.

В РИЭЗ (Ф) используются данные измерений аргумента (фазы) поверхностного импеданса на двух частотах. В результате радиоимпедансных зондирований на ледовом комплексе установлено, что увеличение льдистости отложений приводит к значительному изменению разности фаз импедансов, измеренных на высокой и низкой частотах. Разность фаз увеличивается с появлением подземного льда и почти линейно растет с увеличением его мощности. Эта особенность послужила основой для упрощенной интерпретации данных фазовых измерений поверхностного импеданса. Подобная интерпретация фазовых данных позволяет провести экспресс-определение типа геоэлектрического разреза на пункте и выделить расположение льдистых зон и повторно-жильных льдов.

Для интерпретации данных частотного радиоимпедансного зондирования (РИЗ) массивов мерзлых пород и грунтов предлагается следующая методика. Сначала данные измерений модуля и фазы поверхностного импеданса обрабатываются по экспресс-методикам. Тем самым приближенно определяются по модулю – эффективное УЭС МРО, наличие ТПС, УЭС и глубина залегания проводящего слоя, а по фазе – тип геоэлектрического разреза. Затем с учетом априорных сведений производится совместная интерпретация частотных зависимостей модуля и аргумента поверхностного импеданса по измерениям на всех уверенно принимавшихся частотах. Совместная интерпретация частотных зависимостей модуля и аргумента поверхностного импеданса по измеренным данным производится в диалоговом режиме на компьютере с помощью пакета прикладных программ «Импеданс», разработанного Л. Х. Ангархаевой в БНЦ СО РАН. Для применения пакета предлагается методика, использующая рекуррентный принцип и включающая три этапа. На первом этапе интерпретация в первом приближении проводится по выбранному, с учетом результатов РИЭЗ и априорных сведений, гипотетическому разрезу, начиная с двухслойных

моделей. При этом определяются мощность и УЭС верхнего слоя.

На втором и третьем этапах производится уточнение восстанавливаемого разреза добавлением тонких проводящих и плохопроводящих

слоев с использованием трех-шестислойных интерпретационных

моделей.

Таким образом, предполагаемая численным моделированием и установленная экспериментальными натурными исследованиями дифференцированность частотной зависимости поверхностного импеданса мерзлых дисперсных отложений различного строения позволила разработать интерпретационные модели и методики радиоимпедансного зондирования криолитозоны (третье защищаемое положение).

В пятой главе показаны разработанные специализированные методики для решения ряда основных задач геофизической съемки в криолитозоне с оценкой параметров залегания элементов массива пород.

Обнаружение и оконтуривание талых и засоленных зон включает их поиск радиоимпедансным профилированием по исследуемой площади, последующим РИЭЗ (М) с ориентировочной оценкой их мощности (глубины залегания) и окончательным РИЗ с восстановлением геоэлектрических разрезов по профилям. На основе полученной серии пересекающих исследуемую площадь геоэлектрических разрезов с результатами РИЗ по профилям (рис. 9) с помощью компьютерной интерполяции по изменению УЭС определяется распространение талых и засоленных зон по площадным срезам на различной глубине (рис. 10) или в объеме (3-D формат).

Из совместного рассмотрения распределения УЭС по площади на различных глубинах (рис. 10) можно заметить, что надмерзлотные талики с погружением по глубине до 6 м заметно уменьшаются по площади. С дальнейшим погружением до 9 м проявляется значительный межмерзлотный талик в углу площадки.

Для радиоимпедансного зондирования на стадии рабочих чертежей рекомендуется использовать незаземленную (емкостную) симметричную приемную линию минимальных размеров (длина плеча 5 м) и методику площадного экспресс-зондирования. Точки зондирования рекомендуется располагать равномерно по сетке 5 х 5 м, ориентируя приемную линию по пеленгу.

Рис. 9. Вертикальный геоэлектрический разрез, полученный в результате радиоимпедансных зондирований по профилю 21-15 на строительной площадке проектируемого здания филиала компании LG в Якутске.

Рис. 10. Горизонтальные срезы распределения УЭС грунта в плане на различной глубине.

Талым грунтам соответствует УЭС меньше 100 Ом м.

При радиоимпедансных зондированиях на эксплуатационной стадии рекомендуется использовать емкостную приемную линию минимального размера для измерений вблизи (по периметру) зданий и инженерных сооружений. При измерениях под зданиями или инженерными сооружениями на свайном фундаменте в качестве несимметричной емкостной приемной линии, вводящейся снаружи, предлагается использовать изолированную стальную ленту. Магнитная (рамочная) антенна при этом помещается в начале приемной линии, т.е. снаружи объекта.

Обнаружение и оконтуривание водоносных горизонтов состоит из проведения на первом этапе РИЭЗ (М) с приближенной оценкой глубины их залегания, на втором – РИЗ по профилям, секущим исследуемую площадь с уточнением глубины залегания, а на третьем – определение распространения оцениваемых параметров по площади. В задачу первого этапа решения поставленной задачи входит обнаружение водоносного горизонта и приближенная оценка глубины его залегания, в задачу второго этапа – определение геоэлектрического строения территории на основе построения геоэлектрических разрезов (ГЭР). Прослеживание изменения параметров ГЭР по площади на третьем этапе позволяет: оконтурить по площади сплошные и прерывистые мерзлые зоны; определить глубину залегания промежуточной талой или водоносной зоны; определить УЭС мерзлого чехла и промежуточной талой или водоносной зоны; оценить потенциальную водообильность.

Картирование сильнольдистых грунтов и повторно-жильных льдов производится в результате проведения РИЭЗ (Ф) по исследуемой площади с минимальными размерами линии приема горизонтальной электрической составляющей поля. Компьютерная интерполяция позволяет оперативно получить карту распространения сильнольдистых грунтов и повторно-жильных льдов (рис. 11).


загрузка...