Метод двухспектральной георадиолокации для зондирования обводненных геологических сред

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2013, №1

УДК 621.396.96:55

Метод двухспектральной георадиолокации для зондирования обводненных геологических сред

А.В. Омельяненко, И.И. Христофоров

Рассматриваются возможности метода двухспектральной георадиолокации, позволяющего существенно повысить разрешающую способность и глубинность исследований, что особенно актуально при изучении обводненных поглощающих геологических сред. Изложены практические результаты метода двухспектральной георадиолокации при детальных исследованиях погребенных россыпных месторождений, отрабатываемых дражным способом. Метод может быть оптимизирован для исследований погребенных россыпных месторождений, отрабатываемых дражным способом.

Ключевые слова: георадиолокация, мерзлые рыхлые отложения, обводненные среды, криолитозона.

The article considers the possibilities of two-spectral GPR method allowing to increase significantly the resolution and depth of research, that is especially important for the study of water absorbing geological environments. The paper presents the practical results of two-spectral GPR method for detailed research of the buried placer deposits worked by a dredge way. The method can be optimized for researching the buried placer deposits worked by a dredge way.

Keywords: GPR, frozen friable deposits, aquatic environments, cryolithozone.

Георадиолокация относится к высокочастотным радиоволновым методам геофизических исследований. В основу метода заложена дифракция электромагнитных волн при распространении в гетерогенных средах с вариантными электрофизическими параметрами и определение скоростных и поглощающих характеристик горных пород. Технически метод реализуется посредством направленного излучения электромагнитных волн в исследуемую среду с последующим приемом, обработкой и регистрацией сигналов, дифрагированных на неодно-родностях [1].

Максимальная глубина изучения геологического разреза обеспечивается энергетическим потенциалом георадиолокационной системы, зависящим от соотношения мощности передатчика к чувствительности приемника в заданном спектре частот, а также поглощающими, рассеивающими и отражающими параметрами исследуемой среды. Спектр частот, используемый в георадиолокации (10-1000 МГц), обоснован поглощающими свойствами исследуемых сред и инженерным требованиям по обеспечению разрешающей способности для выявления локальных неоднородностей в пределах 0,1-2 м. Энергетический потенциал современного георадиолокатора ограничивается диапазоном 100-

ОМЕЛЬЯНЕНКО Александр Васильевич - д.т.н., зав. лаб. ИГДС СО РАН, omepavel@yandex.ru; ХРИСТОФОРОВ Иван Иванович - вед. инженер ИГДС СО РАН, zodik@mail.ru.

150 дБ, что обеспечивает глубинность метода в пределах 1^20 м, в зависимости от спектра используемых частот, при условии изучения сла-бопоглощающих высокоомных сред. Глубинность исследований может достигать 40 м и более. Отсюда следует, что георадиолокация является малоглубинным инженерно-геофизическим методом детального изучения высокоомных пород и может быть эффективно реализована при изучении мерзлых рыхлых отложений, включающих или перекрывающих россыпные месторождения Северо-Востока России.

Мерзлые рыхлые отложения представляют собой гетерогенные геологические среды, содержащие лед в качестве одного из породообразующих минералов, и обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления по сравнению с талыми породами. Скорость распространения электромагнитных волн в мерзлых рыхлых отложениях преимущественно определяется минеральным составом, структурой скелета и процентным содержанием льда и является основой решения прямых задач георадиолокационных исследований на стадиях моделирования [2].

Опыт исследования мерзлых рыхлых отложений и приуроченных к ним россыпных месторождений показал преимущества использования модернизированных георадиолокаторов серии ОКО-2М, позволяющих изучать геологический разрез, как с дневной поверхности, так и с поверхности зеркала воды. Широкий диапазон предельных температур работоспособности

аппаратуры (-30 до 50оС) делает метод практически всесезонным.

В георадарах применяются широкополосные сигналы, образованные ВЧ импульсами, состоящими лишь из одного-полутора периода колебаний с центральной частотой в диапазоне от 30-100 до 1500-2000 МГц. Поэтому формировать, излучать и обрабатывать сверхширокополосные сигналы необходимо в спектре частот без учета средней несущей частоты, а с учетом частот среза по краям спектра. Для георадиолокационной технологии характерно значительное и неравномерное затухание радиоволн в исследуемых средах, обладающих электрофизической неоднородностью и частотной дисперсией. Объектами зондирований в этом случае являются не только искомые неоднородности среды, но и сама среда.

Исследуемая среда выступает, как частотный фильтр широкоспектрального сигнала, где с глубиной высокие частоты затухают более интенсивно, чем низкие, которые распространяются на большую глубину. Расширение полосы повышает разрешающую способность георадиолокатора в ближней зоне исследований небольших глубин, но одновременно ухудшает энергетику сигнала в дальней зоне изучения геологических разрезов. Кроме этого, расширение полосы ограничено техническими особенностями технологического конструирования антенн и электроникой схемотехнической реализации приемопередающего тракта.

Каким же способом можно повысить разрешающую способность, не ухудшая параметр глубинности исследований? Один из вариантов - применение двух и более конструктивно объединенных устройств с разными центральными частотами (двух- и многочастотные георадиолокаторы), который используется отечественными и зарубежными исследователями. Недостатки: необходимость использования двух и более комплектов аппаратуры, кратное увеличение времени выполнения работ, сложности с сопоставлением результатов и повторяемостью при исследовании нестационарных сред, таких как реки и водоемы. Например, при соблюдении всех условий GPS-привязки, качественного технологического решения, точного расчета - повторение профиля измерений практически невозможно.

Второй вариант - технологическое усовершенствование применения двух видов антенн, как это осуществила итальянская фирма «IDS», разработав георадар «Detector-Duo» для оперативного поиска подземных коммуникаций в режиме реального времени. В приборе совмещены две разночастотные антенны, что позволяет из

одной точки измерений получать информацию о коммуникациях, расположенных на разных глубинах. В прилагаемом программном обеспечении рабочее окно разбито на два экрана, где выводят две радарограммы, полученные с разных антенн «Shallow» (700 МГц) и «Deep» (250 МГц). Далее, применение нескольких георадаров, к примеру, георадары «Professional Explorer» фирмы «MALA GEOSCIENCE», где используются многоканальные системы в диапазоне частот от 25 до 2300 МГц. Вместе с тем, вышеперечисленные способы являются количественным совмещением работы двух или нескольких георадаров в различных конфигурациях комплектации.

Предлагаемый вариант - применение разно-частотных приемопередающих антенн, где передатчик работает на более высокой частоте, чем приемник. Как было сказано выше, среда выступает как низкочастотный фильтр, потому усиленный тракт приемной антенны оптимально настроен на более низкочастотный спектр для усиления низкочастотных сигналов, отраженных от дальних по глубине границ раздела исследуемых сред.

Высокочастотная составляющая сигнала затухает более интенсивно и обеспечивает разрешение сигналов в ближней зоне малых глубин. Отсюда рассчитываемая система приемопередающего тракта должна быть более широкополосной и эффективно работать в двухспек-тральной области. Целесообразно возбуждение генераторной антенны в двух спектрах частот с использованием свойств четверть волновых и полуволновых вибраторных антенн, возбуждаемых разными способами для получения резонансных частот F1 и F2=2F1 (рис.1). Положение антенны при выполнении измерения неизменно и недостаток с повторяемостью результатов устраняется, но усложняется антенная система, добавляется необходимость использования широкополосного антенного переключателя для изменения параметров возбуждения и согласования входного сопротивления.

Основа эффективности двухспектральной георадиолокации с GPS привязкой координат -достаточная глубинность исследований в сочетании с высоким разрешением верхней части разреза по слоям. Метод двухспектральной георадиолокации позволяет, не повышая энергетические ресурсы типового георадиолокатора, повысить глубинность исследований с сохранением

Рис. 1. Виды возбуждения антенны в качестве полу- и четвертьволнового вибраторов

разрешающей способности посредством перераспределения спектра зондирующего сигнала раздельно в области нижних и верхних частот.

Рассмотрим некоторые результаты, полученные двухспектральным георадиолокатором. Работы проводились с поверхности воды с использованием модифицированной двухспек-тральной аппаратуры, разработанной на базе георадиолокатора ОКО-2, выполненного в герметичном варианте для исследования обводненных сред. Для обеспечения глубины исследований до 30 м измерения выполнялись с специально разработанными антеннами в диапазоне частот 10-70 МГц с максимумами в спектре на частотах 30 и 60 МГц. Для получения поляризационных характеристик электромагнитных составляющих сигналов разработана система разнесенных линейных антенн, что позволило изменять взаимную ориентацию передающей и приемной антенн относительно оси измерений, при этом ортогонально расположенные антенны помещались непосредственно на поверхности исследуемой среды для уменьшения влияния поверхностной волны. Для перераспределения основной энергии спектра сигнала в среду с более высокой диэлектрической проницаемостью (£воды=81) антенны притапливали на глубину, обеспечивающую использование водной поверхности в качестве резонансного переотражателя. Аппаратуру закрепляли к легкому плавсредству. Георадиолокационные профиля выполнялись «галсами» со скоростью 5-10 км/ч.

Привязка результатов измерений к местности производилась по данным GPS [3].

По заказу Проектного института реконструкции и строительства объектов нефти и газа (ЗАО «ПИРС») были проведены георадиолокационные исследования трассы речного перехода р.Лена нефтепровода ВСТО.

Георадиолокационные исследования проведены с целью выявления и уточнения границ простирания, связанных с изменением литологии разреза, выделения участков подземных льдов, нахождения и локализации по глубине и азимутальному простиранию зон карста по берегам и в русле р.Лена.

В результате проведенных исследований реализован этап совершенствований метода двухспектральной георадиолокации, расширяющий возможности изучения поглощающих сред в части детализации геологических разрезов на максимальных глубинах. Проведено физическое моделирование на натурном объекте - выявленной береговой зоной обводненного карстового образования (рис.2), подтвержденного данными заверочного бурения (ОАО «ЯкутТИСИЗ»).

Проведенные георадиолокационные исследования позволили оценить геологический разрез на участке перехода трассы нефтепровода через водный переход р.Лена до глубины 25-30 м. В результате качественной и количественной интерпретации материалов зондирований выявлены и уточнены границы простирания, связанные с изменением литологии разреза.

б

Скв.19 5(1 Ы>

Скв.19 60 L.

Скв.19

Результат фильтрации данных измерений по F„

Предполагаемый результат фильтрации данных измерени й двух-спектральным георадиолокатором

Фрагмент геологического разреза по заверочной скв. 19

Георадиолокационный разрез с фильтрацией по F„

Рис. 2. Расширение информационной возможности изучения карстового образования в двух спектрах частот

а

в

г

На левом берегу выделены границы залегания сезонно-талых грунтов и коренных пород. Выявлен участок подземного льда. Профилем, проложенным в 30 м справа от оси трассы нефтепровода по ходу нефти, наличие льда не подтверждено, хотя мелкослоистость ледяных образований наблюдается. Установлено, что ледяное образование смещается к урезу реки вниз по течению. Георадиолокационными зондированиями прослежено увеличение его мощности от 5 до 10 м и уход верхней кромки льда на глубину от 4 до 7 м от оси трассы по течению рек.

По русловой части реки наблюдается субгоризонтальное залегание коренных пород с незначительным погружением в сторону правого берега. Дно водоема детально прослеживается до глубин 10 м и более.

По правому берегу получен трехслойный разрез - верхняя граница определена в пределах глубин 8-10 м и обусловлена, предположительно, слоем чередования суглинка и супеси. Ниже по разрезу наблюдается граница в пределах глубин 15-18 м и отвечает слою мерзлых песков. В пределах глубин 23-30 м отмечается кровля коренных пород.

Данными георадиолокации выявлены участки карста:

- в 40 м от оси трассы по левому берегу реки, которое просматривается в русле реки в 80 м от оси трассы по течению в 130 м от левого берега;

- по руслу реки по оси трассы в 132 м от уреза воды правого берега.

Результат получен методом фильтрации в расчетных спектрах частот.

Разделение максимумов частот позволило сохранить максимальную глубинность исследований посредством сдвига и сужения спектра в области низких частот на приемном устройстве. Расширение спектра в область высоких частот, за счет сдвига средней частоты генерации зондирующего сигнала, обеспечило высокую разрешающую способность. Снижение эффективности за счет провала суммарного спектра в области средних частот компенсируется суммарной коррекцией спектральных характеристик раздельных трактов генерации и приема. Спектр генерации высокочастотный со средней частотой 2F. Спектр приемного тракта низкочастотный с максимумом F. Средняя частота суммарного спектра (F+2F)/2=1,5F , а его эффективная энергия корректируется крутизной спектральных характеристик Fн и Fв.

В результате проведенных исследований экспериментально установлен эффект двухрезо-нансного возбуждения антенн.

При широкополосном импульсном возбуждении антенн, расположенных на границе раздела

двух сред, излучается двойной фазосогласован-ный (суммарный) спектр электромагнитного зондирующего сигнала. Максимумы частотных спектров зависят от диэлектрических свойств сред, участвующих в формировании поля, а амплитуды - от шунтирующего воздействия электропроводимости сред в соответствующих спектрах частот. Результат получен при физическом моделировании процессов формирования электромагнитного поля антенн георадиолокатора, расположенных на дне шурфа, заполненного водным раствором с изменяемой концентрацией №0. Ввиду различной диэлектрической проницаемости граничных сред скорости распространения спектров в водном растворе и породе различны, с увеличением расстояния между антеннами генератора и приемника возможно разделение георадиолокационного сигнала во временной, но не в частотно-спектральной области, что показано на рис.3.

а б

Рис.3. Формирование двухспектрального сигнала в растворе а - временная реализация; б - спектральная реализация

На рис.3, а высокочастотная часть сигнала (А) определяет точность отсчета и разрешающую способность суммарного сигнала (В), низкочастотная (С) - глубинность.

Высокочастотная часть спектра (I) по энергетике равна низкочастотной (II) и отличается в 2 раза по частоте, что удовлетворяет условию адаптивной фильтрации на аппаратном и программном уровнях обработки сигналов (рис.3, б).

Суммарный импульсный георадиолокационный сигнал во временной (а) и в частотно-спектральной (б) областях с разнесенными максимумами спектра частот реализован на физической модели водного раствора с электрическим сопротивлением 1 Омм. Экспериментально подтверждено, что в преломленных электромагнитных волнах высокочастотная часть спектра характеризует свойства исследуемой среды, низкочастотная - электропроводимость вмещающего раствора.

Для сравнения результатов измерений двух видов георадиолокаторов работы проводились на участке р. восточная Хандыга, недалеко от автодорожного моста, пересекающего реку. В пределах участка измерений река характеризуется явно выраженной долиной и плоским ши-

роким дном. Русло реки извилистое в плане, дно сложено крупной галькой, песком. Берега имеют высоту до 15 м, крутые, с каменными россыпями у подножий, заросшие кустарником, лиственницей. Выбранный объект исследований наиболее подходит и по мощности слоя воды, и по породам русловых отложений в качестве модели для изучения россыпных месторождений с поверхности воды. Намеченные профиля, в виде площадной съемки, а также длинные продольные профиля вдоль реки пройдены типовым и двухспектральным георадиолокатором. Для осуществления георадиолокационной съемки в горной реке с быстрым течением применялись скалолазное снаряжение и специализированная для сплавов резиновая лодка. Съемка осуществлялась против течения перемещением с помощью натягивания фала с постоянной скоростью. Параметры георадиолокационной съемки для обоих приборов выставлялись совершенно одинаково. Развертка была выбрана 800 нс для сравнения георадиолокаторов в большой глубине донного массива.

На рис.4 изображены две радарограммы, полученные двумя видами георадиолокатора на одном и том же профиле с поверхности воды. Нелинейная шкала глубин связана с различным значением диэлектрической проницаемости (е) сред. В данном случае выбраны: для воды е=81, для водонасыщенных донных отложений е=20 и начиная с t=220 нс выбрана е=9. Мощность воды - 1,8 м. В нижнем левом углу изображены спектры, справа визирка - реализация одного зондирования по профилю. Из визирки, показывающей амплитудные значения сигналов в отдельности, визуально определяется увеличение разрешающей способности. У типового георадиолокатора на уровне 100-140 нс наблюдается низкочастотный сигнал, тогда как на двухспек-тральном георадиолокаторе он разбит на две визуально различимые границы. Экспериментально доказано повышение энергетической амплитудной составляющей сигнала, отраженного от раздела границ в массиве дна реки, примерно в 2 раза.

На рис.5 представлен георадиолокационный профиль донных отложений погребенного русла реки. Мощный слой аллювиальных отложений достоверно прослеживается с достаточной точностью и детальностью для принятия технологического решения по условиям дражной отработки россыпного месторождения.

Полученные результаты могут быть рассмотрены, как натурные модели георадиолокационных исследований изучения погребенных россыпей, подготавливаемых к разработке дражной технологией.

Рис.4. Сравнительный анализ геологического разреза, полученного посредством: а - типовой георадиолокации; б -двухспектральной георадиолокации

Рис.5. Результаты натурного моделирования двухспек-тральной георадиолокации погребенной россыпи, отрабатываемой дражным способом

Результаты проведенных исследований доказывают целесообразность применения двух-спектральной георадиолокации для детального изучения обводненных дражных полигонов при подготовке к отработке в качестве метода опережающего контроля.

Литература

1. Ним, Ю.А. Импульсная электроразведка крио-литозоны / Ю.А. Ним, А.В. Омельяненко, В.В. Сто-гний. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1994. - 189 с.

2. Омельяненко, А.В. Георадиолокационные исследования структур и свойств горных пород // Не-

а

ХРИСТОФОРОВ, ОМЕЛЬЯНЕНКО

классические задачи геомеханики: труды Всероссийской объединенной научной сессии Научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и по проблемам горных наук; Учреждение Рос. акад. наук, Ин-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. - С. 58-63.

3. Омельяненко, А.В. Особенности георадиолокации обводненных сред / А.В. Омельяненко, И.И. Христофоров // Горн. информ.-аналит. бюл. - 2012. -№9. - С.127-132.

Поступила в редакцию 07.02.2013

УДК 621.396.96:622.691.4

Результаты георадиолокации дна и донных отложений речных переходов

линейных инженерных сооружений

И.И. Христофоров, А.В. Омельяненко

Представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие возможности дистанционного исследования дна и донных отложений при проектировании, строительстве и эксплуатации линейных инженерных сооружений с применением методики погружной георадиолокации. Рассмотрены решения актуальных инженерно-геологических задач, возникающих в гидрогеологических исследованиях криолитозоны, в целях строительства и эксплуатации инженерных линейных сооружений. Показана возможность эффективного применения метода георадиолокации с поверхности воды для изучения речного дна, мощности и структуры донных отложений, выявления и определения параметров карстовых образований в коренных породах дна и обводненных породах береговой зоны.

Ключевые слова: георадиолокация, донные отложения, речные переходы линейных сооружений, зоны нарушенности.

The paper presents the experimental results which confirm the potential of remote investigation using immersion GPR method for investigation a river bottom and bottom sediments during design, construction and operation of linear engineering structures. Decisions of actual engineering-geological problems arising in hydro-geological researches of permafrost with a view of building and operation of engineering linear constructions are considered. Possibility of effective application of GPR method from a water surface for investigation of a river bottom, capacity and structure of river bottom deposits, revealing and definition ofparameters of karstic formations in solid rocks of a bottom and aquatic rocks of a bank zone is shown.

Keywords: GPR, river bottom deposits, river transitions of linear constructions, areas of disturbance.

В настоящее время в Якутии проектируются, строятся и эксплуатируются несколько крупных объектов, связанных с речными переходами через р.Лена - это реализация таких мегапроектов, как строительство железной дороги Амуро-Якутской магистрали и строительство нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО)». Строительство трубопроводов влияет на состояние пересекаемых ими водных преград, оказывает максимальное воздействие на русла и поймы рек, речной сток. Трубопроводы относятся к объектам повышенной экологической опасности, особо уязвимы подводные речные переходы, где на трубопровод воздействует

ХРИСТОФОРОВ Иван Иванович - вед. инженер ИГДС СО РАН, zodik@mail.ru; ОМЕЛЬЯНЕНКО Александр Васильевич - д.т.н., зав. лаб. ИГДС СО РАН, omepavel@yandex.ru.

водный поток. С другой стороны, русловые и гравитационные процессы на участках подводных переходов создают максимальную опасность для трубопроводов. Возможные последствия с выбросом нефти на речных переходах по степени тяжести несопоставимы с авариями на суше, поскольку зона аварийного поражения охватывает все аспекты среды обитания человека. Поэтому изучение геологических структур дна и донных отложений речных переходов -актуальная задача и особенно на стадии эксплуатации линейных сооружений. Для предотвращения риска повреждения трубопроводов и исключения возникновения аварийных ситуаций необходимо знать динамику активизации этих процессов в пространственно-временной изменчивости, поэтому для безопасной эксплуатации и предотвращения возникновения аварийных ситуаций важна организация систе-