Результаты электрометрических исследований водной среды реки Селенга, ее притоков и акватории озера Байкал

Авторы выражают благодарность Французскому космическому агентству (Centre National d’Etudes Spatiales-CNES) и Французскому центру научных исследований (Centre National de la Recherche Scientifique — CNRS) за данные спутника DEMETER, получаемые нами в качестве приглашенных исследователей.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №s56 и гранта РФФИ №08-02-98007).

ЛИТЕРАТУРА

1. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. - М.: Наука, 1992. - 304 с.

2. Molchanov O.A., Hayakawa M. Seismo-electromagnetics and related phenomena: History and latest results. -Terra sci. Publ. Comp. - Tokyo, 2008. - 189 р.

3. Parrot M., Berthelier J.J., Lebreton J.P. and etc. Examples of unusial ionospheric observation made by the DEMETER satellite over seismic regions // Physics and Chemistry of the Earth: Elsevier. - 2006. - V.31. - P. 486-495.

4. http: // demeter. cnrs-orleans.fr

5. Безродный В.Г., Блиох П.В., Шубова Р.С., Ямпольский Ю.М. Флуктуации сверхдлинных радиоволн в волноводе Земля-ионосфера. - М.: Наука, 1984. - 143 с.

6. Башкуев Ю.Б., Хаптанов В.Б. Цыдыпов Ч.Ц., Буянова Д.Г. Естественное электромагнитное поле в Забайкалье. - М.: Наука, 1989. - 112 с.

7. Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Водяников В.В. и др. Ионосферные эффекты солнечного затмения 29 марта 2006 г. в Средней Азии // Труды IX конф. молодых ученых БШФФ-2006. - Иркутск: Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2006. - С. 101-103.

8. Григоренко Е.И., Ляшенко М.В., Черногор Л.Ф. Эффекты в ионосфере и атмосфере, вызванные солнечным затмением 29 марта 2006 г. // Геомагнетизм и аэрономия. - 2008. - Т.48, №3. - С. 350-364.

9. http://eclipse.gsfc.nasa.gov/eclipse.html/

10. http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/

11. http://www.kosmofizika.ru/izmiran/molchanov.htm

12. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. - М.: Наука, 1988. - 527 с.

УДК 621.371

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДНОЙ СРЕДЫ РЕКИ СЕЛЕНГА, ЕЕ ПРИТОКОВ И АКВАТОРИИ ОЗЕРА БАЙКАЛ

Ю.Б. Башкуев, В.Б. Хаптанов, М.Г. Дембелов, Д.Г.Буянова

Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, Улан-Удэ. E-mail: gem@pre s.bscnet.ru

Рассмотрены данные кондуктометрических исследований водной среды р. Селенга и акватории оз. Байкал. Установлена существенная изменчивость удельного электрического сопротивления (УЭС) в различных пунктах взятия проб воды из-за различной ее минерализации. Отмечено низкое УЭС грунтовых вод, взятых из колодцев, расположенных в районе дельты р. Селенга.

Ключевые слова: удельное электрическое сопротивление, акватория, озеро Байкал.

RESULTS OF ELECTROMETRIC RESEARCHES OF THE WATER ENVIRONMENT OF THE SELENGA RIVER, ITS INFLOWS AND LAKE BAIKAL WATER AREA Yu.B. Bashkuev, V.B. Khaptanov, M.G. Dembelov, D.G. Buyanova

Department of Physical Problems of the Buryat Scientific Center of the Siberian Branch of the RAS, Ulan-Ude

Сonductive fluid probe data of the river Selenga and the lake Baikal water environments is considered. Essential variability of specific electric resistance (CER) in various points of water sampling call forth its various mineralization is established. Low CER of the subterranean waters, taken from wells, located around delta Selenga it is noted.

Key words: specific electric resistance, water area, lake Baikal.

Задачей тематической группы проекта «Дельта Селенги - естественный фильтр Байкала» лаборатории геоэлектромагнетизма ОФП БНЦ СО РАН было исследование электромагнитных процессов и явлений в дельте реки Селенга и прилегающей акватории озера Байкал на основе комплексного, синхронного и долговременного контроля гидросферы, литосферы и атмосферы дельты и прибрежной зоны с целью разработки радиофизических индикаторов состояния экосистемы дельты реки Селенга. Под радиофизическими индикаторами состояния мы понимаем тесно связанные с условиями окружающей среды физические величины (удельная электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости, температура, плотность и т.д.), отображающие количественные характеристики контролируемых процессов и явлений, протекающих в дельте реки Селенга и озерных водоемах. Выделены следующие характеристики природных сред:

1) физические свойства;

2) характеристики состава;

3) характеристики строения и состояния.

Экспериментальные исследования проводились методами электрометрии и лабораторного анализа проб воды и льда с использованием кондуктометра ММЗЧ-04 с датчиком УК-0.2/1, кондуктометра DIST WP3 фирмы “Hanna Instruments” и измерителя температуры и минерализации Primo-3.

Данных об электрических характеристиках воды и донного грунта дельты р. Селенга и оз. Байкал в литературе немного [1-5], весьма слабо изучены и естественные электромагнитные поля акватории. Между тем знание этих характеристик необходимо при решении ряда практических задач геологии, геофизики и физической экологии. В работах [6-8] показана целесообразность широкого использования удельного электрического сопротивления (УЭС)* природных вод р при геофизических, геологических и гидрологических исследованиях. Изучение электрических свойств поверхностных и грунтовых вод и электромагнитных полей на акваториях позволяет определить геоэлектрическое строение дна в прибрежной и глубоководной частях акваторий, установить связь электромагнитных явлений с физическими процессами в водной толще, ледовом покрове и земной коре Байкальской впадины. Для Байкала актуальна и техническая задача создания электромагнитных систем связи, навигации и телеуправления подводных и надводных исследовательских аппаратов.

Относительная комплексная диэлектрическая проницаемость воды e,j=e+i60ls является функцией частоты, степени минерализации (солености), температуры и давления и хорошо описывается соотношениями, следующими из релаксационной теории Дебая (1 - длина волны, м). Измерениями установлено, что удельная электропроводность s (величина обратная УЭС) и диэлектрическая проницаемость e природной воды слабо изменяются с частотой до 100 МГц и по величине близки к их значениям при постоянном токе. Изменение температуры на 1°С увеличивает s природной воды в пределах 2-3%, температурный коэффициент e » 0.35 град-1. Увеличение s воды при росте давления составляет 1% на 100 атмосфер и до глубины 1000 м влияние давления на s воды можно не учитывать. В целом электропроводность воды изменяется в очень широких пределах от 4.3-10-5 до 20 См/м (р=0.05-2.3-104 Ом-м) [5].

Методика измерений и обработки результатов

В кондуктометрическом методе непосредственными измеряемыми величинами являются удельное электрическое сопротивление воды р, выражаемое в Ом-м, либо величина, обратная сопротивлению, s - электропроводность воды, выражаемая в См/м. Прямой метод измерения сопротивления воды основан на применении закона Ома. Однако прямой метод обладает малой чувствительностью и на практике используют косвенный метод, состоящий в сравнении неизвестного сопротивления Rx с образцовыми (точно известными) сопротивлениями Яизв. С этой целью используют мосты постоянного и переменного тока. Мост постоянного тока часто использует симметричную схему, характеризующуюся равенством "плечей отношения". Работа такой схемы напоминает процедуру взвешивания. Точки равновесия Rx= Яизв. В схемах постоянного тока при низком потенциале проявляется эффект поляризации зарядов. Применение переменного тока резко снижает эффекты, связанные с поляризацией электродов, и поэтому является необходимым условием для получения более точных результатов. При измерении кажущегося (или эффективного) удельного сопротивления воды в первом приближении можно пренебречь реактивной проводимостью, т.к. для используемых низких частот f < 20 кГц удельная электропроводность s >> we, где w=2nf, e - диэлектрическая проницаемость пробы воды. Для устранения влияния поляризации электродов в кондуктометрических измерениях используются приемы Кольрауша, которые, как правило, полностью не устраняют поляризацию [9]. Для балансировки моста параллельно плечу сравнения подключают конденсатор переменной емкости или же магазин емкостей.

Измерение кажущегося удельного сопротивления проб воды осуществлялось с помощью кондуктометра ММЗЧ-04 (рабочая частота 1000 Гц) с датчиком УК-0,2/1. ММЗЧ-04 представляет собой мост переменного тока с магазином емкостей. Величина УЭС воды определяется по формуле: р = R-каж^Ом]/^ где k - постоянный коэффициент датчика, зависящий от геометрии ячейки [9]. Пробы воды охлаждались в холодильной камере до +0,1°С, затем вода нагревалась под воздействием комнатной температуры до 16^25°С. Измерения УЭС проводились через один градус. Погрешность оп-

* - УЭС - величина, обратная удельной электропроводности воды, измеряется в Ом-м.

ределения р не превышала 2%. Измерения УЭС вод рек, ручьев, озер и других водоемов, протекающих или находящихся на обследуемой территории в полевых (естественных) условиях, выполнялись с помощью кондуктометра БИТ WP 3 и измерителя температуры и минерализации Рпто-3. Указанный кондуктометр определяет значения УЭС воды, приведенные к температуре воды 25°С. При этом определялась температура воды и бралась проба воды для определения в лаборатории с помощью кондуктометра ММЗЧ-04 истинного значения УЭС воды при фактической температуре, которую она имела на момент взятия пробы воды. Для перерасчета в полевых условиях значения УЭС воды, получаемого с помощью кондуктометра БИТ WP 3, при фактической температуре воды, отличной от 25°С, необходимо определение коэффициентов а и Ь, которые входят в формулу зависимости УЭС воды от температуры, т.е. р(1;)=р0[1+а(1;-25о)+ Р(1;-250)2].

На рис. 1 приведены тарировочные кривые для кондуктометров ММЗЧ-04 и БИТ WP 3, результаты измерений проб воды и их анализ. В табл.1 приведены УЭС проб воды, взятых в дельте реки Селенга, заливе Сор-Запорная губа и других местах Байкальского региона. Данные указывают на существенную изменчивость УЭС проб воды в различных точках взятия проб воды как на реке Селенга, так и в других водоемах и грунтовых водах из-за различной минерализации воды. Установлено низкое УЭС грунтовых вод (высокая минерализация), взятых из колодцев, лежащих в районе дельты р. Селенга. Горные реки Хаим, Горная и некоторые другие имеют более высокие УЭС воды, чем байкальская вода. На рис. 2 представлены сезонные вариации УЭС воды реке Селенга в районе г. Улан-Удэ. Пробы брались ежемесячно начиная с августа 1998 г. Максимальные значения УЭС наблюдаются в зимние месяцы, когда сток воды минимален. Минимальное УЭС имеет место в весенний период (конец марта-апрель-начало мая), когда происходит интенсивное таяние снега и сток загрязненных поверхностных вод в реку. Сезонный ход УЭС имеет устойчивый характер с годичным ритмом. Летние значения УЭС также достаточно стабильны от года к году. Изменение УЭС воды от лета к зиме составляет 80-170 Омм, т.е. более 2 раз в сторону увеличения. Следует отметить нелинейность зависимости р(1;). Для всех проб воды проведена аппроксимация измеренных зависимостей р(1;) полиномом 2-й степени: р(1;) = р15[1+а(1;-1;15)+Р(1;-1;15)2] и определены коэффициенты а и Ь, характеризующие температурный коэффициент УЭС (табл. 1).

Для девяти проб воды, взятых в заливе Сор-Запорная губа озера Байкал, линейный член а изменяется в пределах (2,3-5-2,8)-10"2 град"1, а квадратичный член (3 в пределах (4,8-5-8,6)-10"4 град"2.

Т,°С

Рис. 1. Тарировочные кривые для кондуктометров ММЗЧ-04 и БІБТ ШР 3.

при 4 °С

60 - естественный ход

№. 12.1997

DS.12.199S

0Є. 12.1999

05.122000

05.122001

05.12.2002

05 .12.2003

Рис. 2. Сезонные вариации УЭС воды р. Селенга в районе г. Улан-Удэ (дебаркадер Речного порта).

На рис. 3 представлены некоторые температурные зависимости УЭС проб воды для реки Селенга и других водоемов, а также грунтовых вод. По данным измерений, река Селенга имеет более низкое УЭС, чем байкальская вода в глубоководных частях акватории. Так, по данным работ [3, 5], приведенное к 18°С УЭС в верхнем 100 м слое воды изменяется от 83 до 105 Омм и в среднем составляет 91 Омм. Температура байкальской воды в слое 0-200 м изменяется в течение года от 0.1 до 15^23°С. На больших глубинах она постоянна в течение года и равна 3.2^3.8°С. Сезонные изменения температуры воды, достигающие 15-18°С, приводят к образованию градиентной геоэлектрической среды, обусловленной хорошо выраженной температурной слоистостью водной массы. При этом разница сопротивлений между слоями воды может достигать 35-40 Омм. Геоэлектрический разрез верхнего слоя воды имеет сезонную зависимость. Так, подледный период и период весеннего прогревания (январь-начало июля) характеризуются плавным уменьшением сопротивления с возрастанием глубины до 100-150 м. Градиент сопротивления при этом незначительный и слой скачка УЭС в это время отсутствует. В период весенней гомотермии (третья декада июля-начало июля) температура всей толщи воды становится равной 3.3-4°С. Горизонтальное распределение температуры верхних слоев воды в эти периоды наиболее стабильно, что указывает на отсутствие горизонтальных неоднородностей УЭС с масштабом 1-5 км. Первая половина года наиболее благоприятна для калибровочных электромагнитных измерений. Горизонтальная и вертикальная циркуляция вод создают более сложную картину горизонтального и вертикального распределения УЭС воды во вторую половину лета и осенью. Изучена миграция солевых включений в ледовом покрове оз. Байкал. Концентрация солей изменяется от 18 до 2.5 мг/л (при минерализации воды 120 мг/л). При невысоком снежном покрове лед озера сильно опресняется и в середине зимы при толщине льда около 1 м распределение концентрации солей по высоте имеет минимум 2.5 мг/л в центральной и нижней части керна. Верхний слой 0-4 см имеет концентрацию 18 мг/л (для сравнения - дистиллированная вода имеет 10 мг/л). УЭС воды из керна льда при температуре 2°С изменяется от 1670 до 8640 Омм в слое 40-50 см (верхний предел значительно выше УЭС бидистиллированной воды).

Температурные зависимости У30 воды

р. Ори-м

Л р Горная, с. М о сто в ка,

30.08.01

2- р. Турка

3 р Селенга, г. Улан-Удэ,

10.01 01

£|-Байкал р-н п. Горячинск

5 р Селенга, с.

Ранжурово, 30.00.01

6 р Селенга, г. Улан-Удэ,

20.04.01

7 Проба 5 , залив Сор-Запорная губа, 28.08.01

8 --залив Провал

9 Колодец Рыб Завод п.

Оймур

Ю Колодец, с. Исто ми но,

(база ЛДЗ). 28.00 01

11 --Колодец, с. Ранжурово,

30 08 01

12, Отстой С еленгинского ЦКК

Рис. 3. Температурные зависимости УЭС проб воды, взятых в дельте реки Селенга и других водоемах Байкальского региона.

УЭС проб воды, взятых в дельте реки Селенга и других водоемах Байкальского региона

№ Место взятия пробы воды Р15, Омм а10-2, -1 град Р10-4, град-2

1 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 1, 52°08’33”Ы", 106017’28”Е, 29.08.01 81 -2.8 5.1

2 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 2, 52°08’55”Ы, 106017’08”Е, 29.08.01 82.3 -2.6 5.5

3 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 3, 52°09’12”N, 106°16’50”E, 29.08.01 78.5 -2.7 5.1

4 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 4, 52°09’43”N, 106°16’01”Е, 29.08.01 84.2 -2.7 4.8

5 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 5, 52°10’15”N, 106°15’34”Е, 29.08.01 74.4 -2.4 8.3

6 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 6, 52°10’30’Т^, 106°15’07”Е, 29.08.01 84.4 -2.6 6.3

7 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 8, 52°09’16’Т^, 106°17’41”Е, 29.08.01 82.6 -2.4 8.6

8 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 9, 52°09’34’Т^, 106°18’33”Е, 29.08.01 84.1 -2.3 8.3

9 Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 10, 52°07’57’Т^, 106°17’19”Е, 29.08.01 73.6 -2.4 8.2

10 р. Селенга, г. Улан-Удэ, 25.08.01 90.3 -2.6 6.9

11 р. Селенга, р-он с. М.Колесово, 30.08.01 82.1 -2.6 5.9

12 р. Селенга, р-он с. Ранжурово, 29.08.01 84.9 -2.2 9.4

13 р. Селенга, с. Фофаново 70.8 -2.1 10.2

14 р. Селенга, с. Красный Яр 67.9 -1.4 18.3

15 р. Селенга, протока Лобаниха 77.2 .8 2.6

16 Залив Провал, р-он с. Оймур 12.4 -2.4 6.5

17 р. Горная, р-он с. Мостовка, 30.08.01 207.7 -2.6 7.3

18 р. Турка, 25.08.02 175 -2.1 14.5

19 р. Хаим, 25.08.02 256 -1.7 6.8

20 Байкал, пирс в с. Истомино, 52°09’12’ЧЯ", 106°19’25”Е 67.9 -2.3 9.4

21 Байкал, р-он п. Горячинск, 25.08.02 106.7 -3.9 7.0

22 Колодец в с. Истомино, И=6 м (база ЛДЗ), 28.08.01 29.9 -2.5 8.2

23 Колодец в с. Истомино, И=6 м, 28.08.01 19.1 -2.4 9.4

24 Колодец в с. Ранжурово, 52°10’4га, 106°25’30”Е, 30.08.01 16.4 -2.2 6.5

25 Колодец с. Оймур, 52°19’14’Т^, 106°48’41”Е, 17.03.02 49 2.4 3.8

26 Озеро у радиостанции РВ-63 вблизи п.Селенгинск, 27.08.01 98.2 -2.1 13.6

27 Вода из керна льда, залив Провал (И=35-40 см), 17.03.02 1750 - -

28 Вода из керна льда, Баргузинский залив (И=30-50 см) 6500 - -

29 Отстой №1 Селенгинского ЦКК, 5.08.02 8 - -

30 Отстой №2 Селенгинского ЦКК, 5.08.02 8 - -

31 Отстой №3 Селенгинского ЦКК, 5.08.02 7,5 - -

32 р. Хаим, 25.08.02 256 - -

33 Горячинск, источник, 25.08.02 16 - -

34 Дельта Селенги, Протока Шаманка, 15.08.02 85 - -

35 На русле р. Селенга (у о. Байкал), 15.08.02 84 - -

36 Дельта Селенги, маяк на о. Гусевский, 15.08.02 86 - -

37 Дельта Селенги, о. Гнилой, 15.08.02 83 - -

38 Дельта Селенги, о. Семеновский, 15.08.02 83 - -

39 р. Шара Горхон, 2.09.02 356 - -

40 р. Курба Кул, 2.09.02 314 - -

41 р. Талут, 2.09.02 292 - -

42 р. Алан, 2.09.02 232 - -

43 р. Могой, 2.09.02 77 - -

44 р. Хасурта, 2.09.02 35 - -

В табл. 2 представлены измерения УЭС воды реки Селенга в створе вблизи ст. Наушки.

Профиль УЭС воды р. Селенга в створе вблизи ст. Наушки 24.06.2003 г.

№ мерной точки створа T,°C Минерализация, мг/л р, Ом-м Глубина реки, h, м

1 17,7 186 44,1 1,5

2 17,5 180 41,3 2

3 17,6 186 41 2,1

4 17,5 186 41,3 1,8

5 17,8 185 40,3 3,2

6 17,9 185 39,4 1,2

7 18 186 39,4 0,7

Координаты створа 53° 23’ 09’’ N 106° 04’ 59’’ Е, расстояние между мерными точками составляет 10 м.

Выводы

1. Данные кондуктометрических исследований водной среды реки Селенга и акватории озера Байкал показывают существенную изменчивость УЭС в различных пунктах взятия проб воды из-за различной ее минерализации. Установлено низкое УЭС грунтовых вод, взятых из колодцев, расположенных в районе дельты р. Селенга.

2. В результате ежемесячных измерений УЭС проб воды в реке Селенга в районе г. Улан-Удэ получен сезонный ход УЭС воды с годичным ритмом. Изменение УЭС воды, приведенное к одной температуре (4оС), от лета к зиме составляет 20-25% в сторону увеличения. Абсолютные значения естественного хода УЭС воды от лета к зиме составляют 80-170 Омм, т.е. увеличиваются более чем в 2 раза.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №°56 и грантов РФФИ № 08-02-98007, №№09-05-98611, № 08-05-98038, № 08-05-98044.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гортиков В.М. Применение электропроводности к исследованию воды р. Ангара и оз. Байкал // Труды Зап. Сиб. Гос. гидрологич. ин-та. 1936. - Т.15. - С. 154-168.

2. Настоящее и будущее Байкальского региона. Часть 1. - Новосибирск: Студия Дизайн ИНФОЛИО, 1996. - С. 33.

3. Башкуев Ю.Б., Адвокатов В.Р., Хаптанов В.Б., Буянова Д.Г., Ангархаева Л.Х. Электромагнитные характеристики акватории оз. Байкал // Геология и геофизика. - 1993. - №9. - С. 118-126.

4. Информационная основа прогноза природных процессов. - Новосибирск: Наука, 1980. - 183 с.

5. Башкуев Ю.Б. Электрические свойства природных слоистых сред. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996. - 207 с.

6. Шауб Ю.Б. Кондуктометрия. - Владивосток: Дальнаука, 1996. - 488 с.

7. Шауб Ю.Б. Электрометрия для экологических и биофизических исследований. - М.: Наука, 1992. - 192 с.

8. Ершова М.Г., Кисин И.М., Эдельштейн К.К. Электропроводность и плотность пресных вод // Гидроло-

гия озер и водохранилищ. Ч.2. - М.: Наука, 1975. - С. 82-89.

9. Рудаков Е.С. Кондуктометрия. - Новосибирск: Изд-во НГУ, 1992. - 45 с.

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБДЕЛКИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАГЛУБЛЕННОГО ТОННЕЛЯ

С.Р. Г ирнис

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова. E-mail: gimis@mail.ru.

Используя решение модельной задачи для тоннеля глубокого заложения, исследовано влияние геометрических параметров его обделки на напряженно-деформированное состояние породного массива при воздействии осесимметричной нормальной подвижной нагрузки.

Ключевые слова: тоннель, напряженно-деформированное состояние, подвижная нагрузка

EFFECT OF THE SHELL GEOMETRIC PARAMETERS ON THE INTENSE-DEFORMED CONDITION OF DEEPLY DUG TUNNEL