СПОСОБ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
METHOD FOR GEORADAR LOCATION OF PERMAFROST ROCKS

Изобретение относится к геофизическим методам изучения многолетнемерзлых пород в освоенных и осваиваемых северных территориях России при решении задач геокриологии, горного дела, экологии, проектно-изыскательских работ и коммунального хозяйства.
Подповерхностная радиолокация или, как ее сейчас принято называть, георадиолокация, начала развиваться в России в конце 70-х-середине 80-х годов прошлого столетия. К настоящему времени известны два принципиально разных направления, использующие разные технические устройства, способы и установки георадиолокации многолетнемерзлых пород, осуществляемых с поверхности Земли.
Первый и наиболее распространенный в России способ георадиолокации немерзлых и многолетнемерзлых пород использует непрерывную запись сигналов по линиям геофизических профилей. Техническими средствами реализации способа являются георадары серии "ОКО" (ООО "ЛОГИС"), "ЗОНД" (Radar Systems, Латвия), "ТР-ГЕО" (000 "Геологоразведка"), "SIR-2000" (GSSI, США) и др.
Способ георадиолокации с непрерывной записью сигналов по одиночным линиям профилей или системе профилей широко освещен в публикациях научно-технических журналов, конференций, симпозиумов, а также в Интернете. Из многочисленных работ достаточно сослаться на постоянно цитируемые работы МГУ им. М.В. Ломоносова [1] и МГГУ [3]. Много ссылок на работы А.М. Кулижникова, который получил патент RU 2109872, 02.04.1996 на применение непрерывного способа георадиолокации с целью изучения грунтово-гидрогеологических условий трасс автомобильных дорог. На способы непрерывной георадиолокации георадарами серии "ОКО" (изготовитель ООО "Логические системы") выдан патент RU 2200332, 03.10.2003. На способ непрерывной георадиолокации с использованием георадара "ЗОНД-12" выдан патент Латвийской Республики 12818 от 20.06.2002.
Второй менее распространенный способ дискретной георадиолокации использует запись сигналов в отдельных точках геолого-геофизической сети, разбитой на площади незастроенных или застроенных территорий. Наиболее известными техническими средствами реализации этого способа в настоящее время являются георадар "ЛОЗА" (изготовитель ООО "ВНИИСМИ", патенты RU 2248585, 15.04.2003, RU 2205424, 29.12.2001) и георадар "ГРОТ" (изготовитель ЗАО "ТАЙМЕР", патенты RU 2244322, 02.04.2003 и RU 365698, 26.04.2007). Информация по второму способу также широко представлена в периодической печати и в Интернете. Кроме того, обобщенное описание наиболее значимых результатов работ с георадарами серии "ГРОТ" приводится в коллективной монографии [2].
Дискретное и непрерывное направление георадиолокации, реализуемое в разных способах, базируются на ошибочно принятых представлениях о детерминированной природе сигналов георадиолокации. Именно поэтому в разных способах георадиолокации повсеместно ограничиваются одноразовой записью сигналов, усиливая их кажущуюся достоверность за счет разных технических приемов и в том числе, накопления записей сигналов георадиолокации при фиксированном и неизменном положении и ориентации антенн георадара в точках зондирования или по линиям профилей. В этом состоит корневой и принципиальный недостаток всех известных способов георадиолокации. Он порождает серьезное негативное следствие - неустойчивость полевых записей сигналов георадиолокации, как по числу зарегистрированных в них отраженных импульсов, так и значениям времени задержки и амплитуды в зависимости от изменения положения точек возбуждения и приема, т.е. точек расположения и ориентации приемо-передающих антенн георадара.
Известный способ георадиолокации (патент SU 1777111, 23.11.92 г.) для решения частной задачи - поиска обломков скальных пород при вскрыше угольных месторождений КАТЭК, предлагает делать в точке зондирования два измерения с ортогональной поляризацией сигналов георадиолокации с помощью 2-х приемно-передающих антенн совмещенных в одном корпусе. Местоположение антенн неизменно, но они поворачиваются вокруг своей оси на 90° относительно точки зондирования. В отличие от этого способа предлагаемый способ георадиолокации многолетнемерзлых пород предназначен для решения не одной задачи, а комплекса разнообразных задач горного дела, инженерной геологии, геокриологии, грунтоведения, строительной индустрии и коммунального хозяйства. При этом используется не две, а одна пара антенн и нет никаких ограничений в их местоположении и ориентации по отношению к точкам сбора информации
Новизна способа георадиолокации многолетнемерзлых пород состоит в том, что он предлагает исследователю 7 степеней свободы по параметрам местоположения и ориентации двух антенн георадара: передающей и приемной. При таком числе свободы у исследователя появляется возможность делать записи сигналов георадиолокации в 5040 комбинациях расположения и ориентации антенн георадара. Множество комбинаций точек электромагнитного возбуждения и регистрации реакции многолетнемерзлых пород практически в любой ситуации и, что особенно важно, в режиме реального времени, дает возможность найти оптимальные детерминированные схемы с элементами случайности по параметрам расположения и ориентации антенн георадара для решения самых сложных инженерно-геокриологических задач инженерной геофизики и геофизики криолитозоны. В этом состоит техническая новизна и универсальность, геологическая информативность и экономическая эффективность предлагаемого способа георадиолокации многолетлемерзлых пород.
Известная установка (евразийский патент EA 002451, 25.04.02 г.) также предназначена для решения частной задачи - определения глубины залегания и ориентации поискового объекта неопределенной геологической или техногенной природы, расположенного под поверхностью Земли. Для решения задачи предлагается использовать сложную технику измерений в виде антенной системы содержащей множество индивидуальных антенных элементов - дипольных антенн с линейной поляризацией. Антенные диполи располагаются по радиусам с равными углами между радиусами и на равном расстоянии относительно центральной точки антенной системы, совмещенной с точкой сбора информации. Круговой поворот антенной системы осуществляется механически с заданным углом поворота. Эта установка стоит очень дорого и вдобавок сложна и громоздка в практическом использовании. Кроме того, установка предполагает ровный плотный контакт с поверхностью Земли и полную идентичность приемно-передающих трактов - каналов информации. Известно, что решить такую техническую задачу практически невозможно, из-за чего результат измерений по всем каналам будет сопровождаться дополнительными систематическими ошибками разного знака и уровня. Вдобавок в естественных условиях горно-таежной местности или застроенных территорий с неровной поверхностью рельефа, обеспечение плотного контакта при вращении антенной системы на механической платформе требует дополнительных работ по расчистке площадки зондирования и выравнивания поверхности Земли, что не всегда возможно в ходе сжатых сроков проведения экспедиционных работ проектно-изыскательскими и строительными организациями.
В отличие от установки с многоэлементной антенной системой предлагаемый способ георадиолокации многолетнемерзлых пород более просто и надежнее решает обозначенную задачу путем комплексирования с другими методами геофизики, например, методом срединного градиента и методом крестовых электрических зондирований на постоянном и переменном токе. Кроме того, способ георадиолокации многолетнемерзлых пород изначально ориентирован для решения не одной, а комплекса более сложных задач, касающихся изучения анизотропных и неоднородных сред, каковыми являются многолетнемерзлые породы и насыпные грунты. Для этого он не требует множества антенн и дополнительных источников энергии для механического вращения антенной системы, а ограничивается одной парой антенн георадара. При этом способ обладает большей гибкостью и разнообразием в ручном размещении вокруг точки сбора информации единственной пары механически несвязанных приемной и передающей антенн с заданными заводскими техническими характеристиками, что заведомо сохраняет неизменной точность результатов полевых измерений и повышает полноту и достоверность результатов зондирования. В этом опять проявляются главные и ценные качества способа георадиолокации многолетнемерзлых пород: геолого-экономическая эффективность и техническая простота исполнения.
Известный способ геофизической комплексной разведки (патент RU 2022301, 30.10.94 г.) основан на возбуждении зондирующих импульсных сейсмоакустических и радиолокационных сигналов и преобразовании последних в частотный диапазон сейсмоакустических сигналов. В этом его главная отличительная особенность, которая предлагается для комплексной интерпретации данных разных методов геофизики. Авторы известного способа заостряют внимание на то, что он открывает возможность нахождения весьма дифференцирующего геологический разрез параметра - удельного затухания электромагнитной волны. Однако в описании изобретения нет ни одного упоминания, как и с какой точностью этот параметр вычисляется в результате сложной процедуры цифровой обработки с использованием элементов накопления отраженных эхо-сигналов георадиолокации и сейсмоакустики от трех последовательных возбуждений путем суммирования 5-30 произведений.
В отличие от способа геофизической комплексной разведки предлагаемый способ георадиолокации многолетнемерзлых пород не использует искусственного смешения сигналов разной физической природы, что само по себе не желательно, и не использует сложных технических систем для достижения желаемого результата. Такой подход в принципе не может служить основанием для повышения технической надежности измеряемых величин и точности результатов геофизической разведки в части определения параметра удельного затухания. При этом технико-цифровой прием накопления сигналов не учитывает стохастическую природу сигналов георадиолокации и производится без изменения положения и ориентации приемно-передающих антенн георадара. Это все равно, что с высокой точностью измерять совокупный результат накопления и суммирования случайных реализации сигналов, полагая их неизменными по своей природе.
Способ георадиолокации многолетнемерзлых пород позволяет георадаром с одной парой приемной и передающей антенн быстро выполнить многоразовое зондирование с ручным изменением положения и ориентации приемно-передающих антенн и по полученным данным в чистом виде вычислить с точностью порядка нескольких процентов средний показатель удельного затухания амплитуды сигналов. Это можно сделать избирательно для заданных интервалов глубин, отдельных слоев или для всей толщи многолетнемерзлых пород, подлежащей изучению. Точность способа георадиолокации многолетнемерзлых пород достигается минимизацией ошибок идентификации временных задержек радиоотражений от границ многолетнемерзлых пород (льдистых пород, подземных льдов, криопэгов) или границ структурно-петрофизических неоднородностей (таликов, карста, тектонических дроблений и пр.).
Известен способ георадиолокации криолитозоны Якутии, предложенный в 1976 г. А.В. Омельяненко [5]. До середины 80-х годов прошлого столетия он постоянно совершенствовался совместно с В.В. Цариевым [6] и проходил научно-производственную апробацию под руководством В.С. Якупова. Эта группа ученых категорически отвергала использование идеи стохастической природы сигналов георадиолокации, считая их неизменными в каждой точке измерения. Поэтому А.В. Омельяненко и В.В. Цариев никогда не применяли многоразовые зондирования для накопления информации и тем более, не использовали при цифровой обработке, разработанную автором настоящего изобретения, методику построения вероятностных обобщенных образов сигналов георадиолокации. Нет об этом ни одного упоминания и в книге В.С. Якупова в тех местах, где он касается вопросов георадиолокации [7, с.144-146 и с.200-203].
От всех упомянутых и иных известных отечественных и зарубежных способов и установок дискретной георадиолокации способ георадиолокации многолетнемерзлых пород отличается, прежде всего, использованием концептуального принципа стохастической природы георадиолокационных сигналов. Этот принцип в сочетании с соподчиненным ему принципом использования вероятностно-статистических методов цифровой обработки сигналов георадиолокации и принципом сопоставления вероятностных обобщенных образов сигналов и геолого-геофизических разрезов многолетнемерзлых пород, образует цепочку технологической связи в достижении конечного результата. Им является решение важной научной концепции и крупной народно-хозяйственной проблемы - быстрой ресурсосберегающей и неразрушающей диагностике строения и контроля, прогноза температурного состояния и свойств многолетнемерзлых пород, используемых в качестве грунтовых оснований инженерных сооружений, возводимых и эксплуатируемых в освоенных и осваиваемых северных территориях России.
Способ георадиолокации многолетнемерзлых пород реализуется в следующей технологической последовательности, состоящей из трех модулей: измерительного, цифровой обработки и информационного. Подробное описание технических, методических и др. вопросов технологии способа георадиолокации многолетнемерзлых пород приведено в монографии Л.Г. Нерадовского [4].
а
Измерительный модуль реализуется на стадии полевых работ в виде сбора и накопления необходимого объема первичной информации. Для этого в некоторой окрестности точек поисково-разведочной сети (топографических пикетов, буровых скважин, шурфов и др. выработок) производится многоразовое измерение сигналов с изменением положения и азимута антенн георадаров. Общее правило таково: чем больше измерений, тем устойчивее и точнее оценки средних значений вычисляемых волновых характеристик и соответственно этому точнее и достовернее результаты, получаемые способом георадиолокации многолетнемерзлых пород. Для площадных схем многоразовых измерений сигналов допустимо применение любой известной геометрической фигуры, например, треугольника, квадрата и др. Однако, как показала практика экспериментальных исследований и производственной апробации способа георадиолокации многолетнемерзлых пород, наиболее эффективной схемой многоразовых измерений сигналов георадиолокации является круговая схема (фиг.1). Схема детерминирована, но допускает в разных точках зондирования в зависимости от условий измерений на участке работ, изменения с использованием элемента случайности. Схема состоит из 9 точек зондирований, равномерно расположенных по линии окружности с радиусом 3-5 м (фиг.1, ). По теории георадиолокации радиус окружности соответствует первой зоне Френеля и обеспечивает необходимую плотность сбора информации до глубины зондирования 20 м. В каждой точке зондирования производится по 4 измерения сигналов георадиолокации с поворотом продольной оси антенного диполя ПРМ-ПРД через 45° (фиг.1, б). В итоге получаем 36 измерений. Этого достаточно чтобы с точностью около 5% определять в точках скважин надежные средние показатели удельных волновых характеристик и по ним, используя регрессионные уравнения, достоверно оценивать средние показатели теплового, химического или прочностного состояния и свойств многолетнемерзлых пород.
а
Пример применения схемы кругового многоразового зондирования с накоплением 376 импульсов, зарегистрированных по результатам 36 измерений сигналов георадиолокации, показан на фиг.2. Видно, что единичные измерения сигналов весьма неустойчивы, непредсказуемы и поэтому, не пригодны для достоверного изучения не столько строения, сколько состояния и свойств многолетнемерзлых пород. На языке теории вероятностных процессов результат многоразовых измерений вокруг точки скважин называется выборкой из генеральной совокупности случайных реализации сигналов (фиг.2, ). Поле рассеяния электромагнитных импульсов, из которых состоят сигналы, также имеет случайную природу. Пример этому показан на амплитудно-фазовой плоскости, где распределены импульсы, отраженные от границ мерзлых песчано-глинистых озерно-аллювиальных отложений р. Лены с включением прослоев высокоминерализованных охлажденных вод - криопэгов (фиг.2, б).
Случайная природа сигналов георадиолокации проявляет себя не только при многоразовой регистрации в отдельно взятых точках площади участка работ, но и при непрерывной записи вдоль линий геофизических профилей. Даже при незначительном сдвиге совмещенной приемно-передающей антенны георадара "SIR-2000" на 0,3 м наблюдается хаос в форме записей трасс сигналов с интервалом между ними 0,05 м (фиг.3).
Модуль цифровой обработки реализуется путем использования многоцелевой программы "Signal", которая осуществляет не арифметическое суммирование, а модальное - вероятностное суммирование накопленных сигналов в окрестности точек поисково-разведочной или мониторинговой сети. Программа подсчитывает число импульсов, попавших в заданные ячейки амплитудно-фазовой плоскости, затем помечает ячейки, в которых число импульсов превышает заданный порог обнаружения. Многократное появление импульсов в одной ячейке или группе сопряженных ячеек считается редким событием, вероятность появления которого описывается законом Пуассона. Если такое событие произошло, то оно в максимальной степени обладает свойством достоверности. В этом состоит простой и эффективный прием распознавания на фоне помех и шумов когерентных импульсов, отраженных от опорных и вспомогательных границ георадиолокационного разреза - плоских протяженных границ многолетнемерзлых пород.
Обнаруженные когерентные импульсы выбираются ручным способом и затем по их координатам строят амплитудные графики двумерных обобщенных образов сигналов георадиолокации. Тем самым, совокупность неустойчивых единичных измерений сигналов зарегистрированных в окрестности точек поисково-разведочной или мониторинговой сети, переводится в устойчивое метрическое пространство средних показателей амплитудно-фазовых характеристик. В результате формируется промежуточный цифровой материал для достоверного и надежного решения поставленных задач.
Кроме регуляризации исходной информации и классификации накопленных сигналов на когерентные и некогерентные отражения, вероятностное суммирование позволяет простым образом решить еще две важные и сложные задачи статистической радиофизики и геофизики криолитозоны. Во-первых, понизить на один-два порядка избыточную размерность накопленных сигналов, что позволяет без потери качества и информативности выполнять операции цифровой обработки не с сотнями или тысячами зарегистрированных импульсов, а всего лишь с несколькими десятками когерентных импульсов, отраженных от основных и вспомогательных границ многолетнемерзлых пород. Во-вторых, увеличить в 1,3-1,5 раза глубину обнаружения отражений, амплитуда которых находится на пределе динамического диапазона георадарной техники и, тем самым, соизмерима с уровнем промышленных помех и шумов естественного происхождения.
Информационный модуль реализует для каждой точки сбора первичной информации сначала ручное построение двумерных вероятностных обобщенных образов сигналов георадиолокации - амплитудных графиков когерентных импульсов, а затем их визуальное сопоставление инженером-интерпретатором с обобщенными колонками литологического состава, криогенно-температурного состояния и свойств многолетнемерзлых пород. Пример этому показан на фиг.4. Номера инженерно-геологических элементов разреза (ИГЭ) колонки изыскательской скважины (фиг.4, а) обозначают слои пород с разным составом и свойствами, слагающих основание фундамента одного из аварийных зданий г.Якутска. Среди слоев разреза наиболее опасным для эксплуатации здания является слой с ИГЭ-7. Он представлен слабопрочными пластичномерзлыми засоленными суглинками с прослоями криопэгов. Благодаря большому количеству солей, слой суглинков проявляет себя на обобщенном амплитудном графике когерентных импульсов аномальным затуханием (фиг.4, б). Среднее удельное затухание сигналов в слое засоленных суглинков превышает 8 дБ/м (график 1 на фиг.4, в). Аномально низкими значениями (около 0,050 м/нс) отличается и средняя скорость распространения сигналов в этом слое (график 2 на фиг.4, в).
Сравнительный анализ обобщенных вероятностных образов, или, иначе говоря, параметризованных моделей сигналов георадиолокации с обобщенными многоуровенными физико-геокриологическими моделями многолетнемерзлых пород, минимизирует ошибку интерпретационных решений, исключая грубые промахи в части привязки временных координат когерентных импульсов к глубине залегания опорных и вспомогательных границ. В результате удается достигнуть высокой точности (порядка нескольких процентов) вычисления средних показателей эффективных оценок истинных значений величины удельного затухания сигналов георадиолокации по слоям многолетнемерзлых пород. В дальнейшем эти поглощающие характеристики используются для установления корреляционно-регрессионных связей с показателями температурного состояния и свойств многолетнемерзлых пород. На этой основе открывается, ранее неизвестная для науки геокриологии и инженерной практики, возможность по данным способа георадиолокации количественно оценивать средние показатели температуры, влажности (льдистости), засоленности, теплофизических характеристик и прочности многолетнемерзлых пород.
Способ георадиолокации многолетнемерзлых пород был неоднократно и успешно апробирован с использованием разных моделей георадаров в ходе инженерно-геокриологических изысканий на десятках объектов строительства и эксплуатации инженерных сооружений в разных освоенных районах территории Республики Саха (Якутия).
Использованная литература
1. Владев, М.Л. Введение в георадиолокацию / М.Л. Владев, А.В. Старовойтов. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - 153 с.
2. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с. (Сер. «Радиолокация»).
3. Изюмов, С.В. Теория и методы георадиолокации. Учебное пособие / С.В. Изюмов, С.В. Дручинин, А.С. Вознесенский. - М.: Изд-во "Горная книга", Изд-во Московского государственного горного университета, 2008. - 196 с.
4. Нерадовский, Л.Г. Методическое руководство по изучению многолетнемерзлых пород методом динамической георадиолокации / Л.Г. Нерадовский. - М.: РАН, 2009. - 337 с. (Серия «Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий»).
5. Омельяненко, А.В. Сравнительные возможности радиолокационного зондирования мерзлых пород при помощи импульсного и частотного сигналов / А.В. Омельяненко // Георадиолокационные методы исследования мерзлых толщ. - Якутск, 1976. - С.161-163.
6. Омельяненко, А.В. Результаты испытаний радиолокационной станции «Радар-1П» при инженерно-геологических изысканиях / А.В. Омельяненко, В.В. Цариев, В.С. Якупов, Н.В. Березовский, Л.Г. Нерадовский // Тезисы докладов и сообщений 1 Республиканской конференции по качеству изысканий в ЯАССР. - Якутск: ЦНТИ, 1984. - С.45-47.
7. Якупов, В.С. Исследование мерзлых толщ методами геофизики / В.С. Якупов. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2000. - 336 с.