Зависимость радиофизических свойств криопэгов от их минерализации

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2006, №4

УДК 621.03: 551.34

Зависимость радиофизических свойств криопэгов от их минерализации

JI.F. Нерадовский, Н.А. Павлова, М.А. Фёдоров

Для территории г. Якутска и его окрестностей дано краткое описание основных закономерностей образования криопэгов. Для целей инженерно-геокриологического мониторинга и прогнозирования получена частная математическая модель, устанавливающая количественные связи нормативных значений радиофизических свойств с общей минерализацией криопэгов до уровня 20-30 г/л. Подтверждена доминирующая роль величины поглощения энергии электромагнитных импульсов (динамического признака георадиолокации) в изучении состояния и свойств многолетнемёрзлых пород и криопэгов.

The basic features of cryopeg formation at Yakutsk and its vicinity are briefly described. For permafrost monitoring and prediction at construction sites, a special mathematical model has been developed which defines quantitative relationships between the code values of radiophysical properties and the total mineral content up to 20—30 g/l. The electromagnetic pulse attenuation value (the dynamic characteristic in georadar sounding) is shown to play a dominant role in the study of the behavior and properties of permafrost and cryopegs.

Введение. Вряд ли будет преувеличением сказать, что петрофизика многолетнемёрзлых пород (ММП) является сердцевиной инженерного мерзлотоведения. Теория и эксперимент в этой области далеко продвинулись вперёд по сравнению с серединой и концом прошлого столетия. Примером этому утверждению может служить новый и более точный способ определения содержания незамёрзшей воды в области температур, близких к нулю градусов [1].

Несмотря на пионерные достижения в исследованиях петрофизики ММП, сохраняются асимметрия развития с преобладанием лабораторных исследований над натурным экспериментом и ограниченность использования системного подхода при изучении и классификации свойств ММП. Последнее обстоятельство породило разрыв генетического единства основных физических свойств пород (плотности, влажности, гранулометрического состава и др.) от их производных составляющих, каковыми являются все геофизические величины, например, намагниченность, электропроводность, скорость распространения и декремент поглощения энергии

НЕРАДОВСКИЙ Леонид Георгиевич - к.т.н., с.н.с. ИМЗ СО РАН; ПАВЛОВА Надежда Анатольевна - к.г.-м.н., и.о. зав. лаб. ИМЗ СО РАН; ФЁДОРОВ Михаил Альбертович - нач. темат. группы ГУП «Якутская поисково-съёмочная экспедиция» Госком-геологии РС(Я).

сейсмоакустических и электромагнитных импульсов и пр.

Сложившееся положение во многом мешает комплексному изучению в естественном залегании свойств ММП на различных уровнях причинно-следственных связей, что имеет первостепенное значение при постановке мониторинговых исследований в инженерном мерзлотоведении и строительной индустрии.

В настоящей статье делается попытка в некоторой мере восполнить этот недостаток применительно к изучению эмпирической связи между общей минерализацией криопэгов и их радиофизическими свойствами на примере натурных научно-производственных экспериментов, проведённых в г. Якутске и его окрестностях.

Закономерности образования криопэгов. Изучение криопэгов тесно связано с исследованием процессов антропогенного засоления ММП на застроенных и осваиваемых территориях. Эти процессы наиболее интенсивно протекают в слое годовых теплооборотов и могут в несколько раз снизить естественную механическую прочность ММП, используемых в качестве оснований фундаментов инженерных сооружений. Последним подтверждением этой хорошо известной закономерности являются результаты наблюдений за изменением прочностных свойств мёрзлых засо-лённых грунтов, проведённых в Западной Сиби-ри [2].

В Центральной Якутии большая часть освоенных площадей приурочена к долине р. Лены. Якутск находится в её расширенной левобережной части - долине Туймаада, имеющей ширину 6-8 км и протяженность около 80 км.

Мощность аллювиальных отложений, слагающих пойму и две надпойменные террасы, составляет 18-23 м. Отложения представлены раз-нозернистыми песками, перекрытыми до глубины 1-5 м супесями и суглинками. ММП распространены повсеместно. Глубина сезонного протаивания изменяется от 1,5-5,0 м. Льдистость грунтов составляет 23-28 %. В эрозионных понижениях она повышается до 50-60 %. Верхние слои мерзлых аллювиальных отложений отличаются высокой засоленностью, достигающей в песках 0,5 %,ав суглинках 5-8 %.

Благоприятные условия для формирования вод надмерзлотных таликов существуют в низинах у оснований склонов, под озерами, старицами и руслами рек. При наличии стока минерализация воды в этих местах редко превышает 100 мг/л. Накопление в воде растворенных солей происходит в условиях замкнутых таликов. Вследствие испарения летом и криогенного концентрирования зимой, минерализация воды постепенно возрастает, достигая значений, превышающих температуру замерзания вмещающих пород. Это приводит к формированию криопэгов сначала на границе с ММП, а затем в их верхних слоях.

На пригородных территориях в ненарушенных условиях разобщенные линзы криопэгов обычно распространены под промерзающими и усыхающими озерами, бессточными понижениями, старицами, заболоченными низинами и засоленными почвами у оснований пологих склонов. На территории г. Якутска, наряду со слабой естественной дренированностью поверхности, активизации процессов формирования криопэгов способствует техногенное нарушение дренажа загрязненных поверхностных и надмерзлотных вод. Глубина залегания криопэгов, как правило, не превышает 6 м, но на участках отепленных пород - под трубопроводами, в местах ввода коммуникаций в здания, криопэги способны мигрировать глубже, вплоть до первого литологического водоупора. Мощность криопэгов чаще всего равна 0,1-0,5 м при ширине до 1-3 м. Концентрация растворов изменяется в довольно широких пределах и зависит от температуры вмещающих грунтов, определяющей выпадение ряда солей в осадок. В древней части г. Якутска общая минерализация криопэгов изменяется в пределах 35-200 г/л. По принятой

классификации [3] на территории г. Якутска чаще встречаются протокриопэги с температурой -0...-20 С и, реже, мезокриопэги с температурой -2...-8° С.

Формирование криопэгов может происходить при планировке местности, когда засыпают озерные котловины, заболоченные низины, выгребные ямы. При этом покрытые песком во-донасыщенные грунты сезонно-талого слоя, промерзая, переходят в многолетнемерзлое состояние, но в них могут сохраняться отдельные очаги засоленных пород или небольшие по объему талые линзы с высокоминерализованной водой [4].

Объекты исследований. Основными из них являются четыре хорошо изученных полигона, на которых проводились мерзлотно-гидрогеохи-мические, гидрогеологические и геофизические мониторинговые исследования. Первый полигон «Молочная ферма» находится в районе с. Хатас-сы. Недалеко от него расположен второй полигон «Булгуннях». Третий находится на территории Национального центра медицины, а четвёртый - в пределах аварийного общежития (ул. Богатырёва, 11/1).

Методика исследований. Химический состав и минерализация криопэгов различного генезиса определялись по стандартной методике в грунто-во-химических лабораториях ИМЗ СО РАН, ГУП «Центргеоланалитика» и треста ЯкутТИСИЗ по пробам воды, отобранным из скважин.

Определение радиофизических свойств криопэгов производилось методом георадиолокационного зондирования с использованием аппаратуры 17ГРЛ-1 и георадара ОКО-MI с антенными блоками АБ-150 МГц и АБ-400 МГц. Эта техника позволяет изучать мёрзлые четвертичные отложения до глубины 10-15 м. В условиях застроенной территории параметрические измерения времени задержки и амплитуды импульсов сигналов георадиолокации осуществлялись по методике площадного или линейного группирования точек зондирований в окрестности скважин или шурфов [5].

Математическая обработка дискретных сигналов, накопленных с помощью 17ГРЛ-1, производилась по алгоритму, учитывающему стохастическую природу отражённых электромагнитных импульсов. Для этого использовалась программа «SIGNAL», вычисляющая двумерную функцию вероятности распределения импульсов в заданных ячейках амплитудно-фазовой плоскости. По максимумам вероятности многократного появления импульсов в обособленных или групповых ячейках этой плоскости определялись ко-

ординаты когерентных импульсов, рассматриваемых, как отражения от основных границ ММП. Обработка непрерывных сигналов, записанных ОКО-М1, производилась программой «Сеовкап 32».

Геологическая интерпретация графиков амплитуд когерентных импульсов и фрагментов радарограмм осуществлялась путём их многократного сравнения в различных вариантах с границами обобщённых литологических колонок физико-геологических моделей ММП, последовательно насыщаемых разнообразной геолого-геофизической информацией. Такой приём существенно снижает ошибку интерпретационных решений и позволяет с необходимой степенью достоверности и надёжности определять нормативные (средние) значения радиофизических свойств криопэгов.

Результаты исследований. Материнской средой для образования криопэгов на территории Якутска и его окрестностей являются суглинки и супеси, а также мелкие или пылеватые пески с различным содержанием органических веществ и растительных остатков.

В дисперсных грунтах общая минерализация криопэгов 0Ш[ изменяется в диапазоне 0,4-72 г/л при среднем значении 15,84 г/л. Наиболее часто встречаются криопэги с минерализацией до 20 г/л (рис. 1, а). Самыми низкими средними уровнями минерализации (8-9 г/л) с минимальным разбросом частных значений отличаются антропогенные криопэги (рис. 1, б). У природных криопэгов средний уровень минерализации увеличивается до 16-17 г/л. Ещё больший уровень минерализации (около 30 г/л) имеют криопэги смешанного типа. Такие образования представляют собой редкое событие. Вероятность их встречи равна 11%.

Табличные данные, систематизированные по результатам параметрических измерений за 1985-1990 гг., свидетельствуют, что для криопэгов г. Якутска и его окрестностей характерен широкий диапазон вариаций нормативных значений радиофизических свойств. При средних значениях затухания амплитуды импульсов (Гс=7,09 дБ/м) и скорости их распространения (Ус=0,079 м/нс) вариации частных значений составляют 3,12-24,4 дБ/м и 0,039-0,105 м/нс. Часто встречаемые значения укладываются в диапазон 4-8 дБ/м и 0,060-0,075 м/нс (таблица).

При отсутствии данных бурения табличные значения радиофизических свойств могут оказаться полезными в качестве априорных оценок

Объем выборки - 72 значения

х„<

Л 1г

V

10 20 ЗО 40 50 60 7О 80

Ог/

I

а 40

Среднее и_] Ошибка среднего

~Г' Стандарт (68% объёма выборки) о Отклонения за стандарт * Аномальные выбросы

1 2 3

Типы криопэгов

Рис. 1. Гистограмма частных значений (а) и статистик (б) общей минерализации по типам криопэгов г. Якутска и его окрестностей: 1 - антропогенным; 2 - природным; 3 -смешанным

при планировании георадиолокационных исследований в городской черте с целью поиска местоположения криопэгов и определения их мощности. Анализ диаграмм Бокса-Виккерса показывает, что при смене криопэгов антропогенного типа на смешанный тип и увеличении среднего уровня минерализации от 8-9 г/л до 31 г/л, т.е. в 3,5-4,0 раза, наблюдается закономерное снижение скоростных свойств на 27 % и увеличение поглощающих свойств на 65 %.

Относительная разница в интегральных откликах составляет 2,4 раза, что ещё раз подтверждает ранее установленную более высокую чувствительность динамического признака георадиолокации к изменению свойств ММП и, в частности, общей минерализации криопэгов.

Анализ остатков на вероятностном трафарете показал, что нормальному (гауссовскому) закону распределения подчиняется только величина Ус. Величины Гс и Д„; распределены по другим теоретическим законам. Перебор различных вариан-

Нормативные значения радиофизических свойств и минерализации криопэгов г. Якутска и его окрестностей

Типы Название участка комплексных исследований Год работ Номера скважин и ИГЭ разреза Цитологический состав грунтов Глубина залегания слоев, м vc„ м/нс Гс дБ/м D„i, г/л

Площадка дек в г.Якутске 1985 ИГЭ-14 14 скважин Супеси, суглинки Пылеватые пески, средние, мелкие 2,0-2,8 5,2-6,6 8,8-9,9 0,059 0,054 0,050 7,37 8,29 13,4 17,9 19,3 33,6

QJ I Здание Медицинского центра 1988 3 скважины Пески мелкие, средние 2,4-3,0 0,087 3,73 4,6

ч о о. К о. а Центр охраны материнства и детства 1993 1994 №93160 5 скважин Супесь Песчаные и глинистые 5,5-6,2 5,8-7,6 0,063 0,062 5,35 6,61 8,4 13,5

Озеро "Монастырское" 1996 Пробы озера Вода 5,6; 6,8 0,088 3,06 1,04

Озеро "Булгуннях" в районе с. Хатассы 2001 2002 №ЗБЛГ Пески средние 9,9-12,1 0,080 8,49 26,1

а> 3 X я Завод кормового белка в районе п. Жатай 1984 №3130 Пески мелкие 11,8-12,8 0,080 5,00 8,3

и О с о Ферма для скота в районе с. Хатассы 1989--1990 11 скважин Пески с растительными остатками 2,2-4,4 0,076 5,05 4,47

н я < Здание ИТФ ЯГУ (ул. Ярославского, 47) 1991-1992 ИГЭ-1 ИГЭ-4 ИГЭ-7 Насыпные грунты Суглинки 0,0-1,0 3,1-3,6 3,0-5,0 0,108 0,077 0,089 3,31 7,29 7,44 I,87 II,83 13,49

Канализационный коллектор г. Якутска (ул. Тургенева) 1989 Пробы со дна старицы Вода, ил 0,0-2,1 0,077 4,84 6,06

и Общежитие г. Якутска (ул. Богатырёва, 11/1) 1996 2000 №2 3 скважины Песок мелкий Песчано-глинистые 9.0-9,5 7.1-11,9 0,067 0,081 5,25 4,38 10,0 6,33

X я Э tL> 2 и Здание сервисного обслуживания Национального центра медицины £ « О ?  § 8 8 1 со " №5НЦГ №6НЦГ №7НЦГ №9НЦГ №10НЦГ № 12НЦГ Песчано-глинистые Песок средний Супесь Песок средний Песок мелкий 0,7-3,7 2,2-10,4 1,8-3,9 2,5-9,2 6,0-7,5 0,0-8,5 0,051 0,067 0,071 0,086 0,059 0,068 11,1 6,62 5,91 4,25 7,25 5,81 49,1 14,4 11,1 5.3 26,4 9.4

Детсад на 140 мест в г. Якутске 1985 5 скважин Пески средние, мелкие 3,7-4,4 0,064 5,89 7,77

Примечание. Ус - скорость распространения импульсов; Гс - затухание амплитуды импульсов; Олп/ - общая минерализация воды.

тов аппроксимации эмпирических распределений теоретическими законами показал, что величина Гс хорошо описывается логнормальным законом, а величина Dsai - законом гамма-распределения.

Близость теоретических законов статистического распределения является причиной более высокой чувствительности поглощающих свойств криопэгов к изменению их минерализации.

Уместно заметить, что в таких случаях более точные результаты в изучении статистических закономерностей по небольшим выборкам даёт не арифметическая средняя, а медиана или мода.

Диаграмма рассеяния (рис. 2, б) подтверждает наличие более тесной и однозначной линейной

связи поглощающих свойств с минерализацией криопэгов. Мера этой связи оценивается коэффициентом корреляции Спирмена. Для поглощающих свойств он равен плюс 0,94, а для скоростных - минус 0,71. Судя по полю рассеяния частных значений, линейный прогноз изменения общей минерализации криопэгов можно делать по радиофизическим свойствам до уровня 20 г/л. За этим пределом линейный след корреляций размазывается и становится неопределённым из-за недостаточного числа определений. Изучение эмпирической связи в области высоких минера-лизаций криопэгов (более 20-30 г/л) требует дальнейших исследований в тех местах и условиях, где они могут проявлять себя.

" * л

& л

- -а 6 -V -

1 в

л О .

Рис. 2. Диаграммы рассеяния скорости распространения импульсов Ус (а) и затухания амплитуды импульсов Гс (б) в зависимости от типа и общей минерализации криопэгов £>ш/. Типы криопэгов: 1 -антропогенные; 2 - природные; 3 -смешанные

При переходе в метрику более устойчивых и надёжных нормативных (средних) значений уровень корреляционных связей незначительно уменьшается для поглощающих свойств (г = 0,90) и существенно понижается для скоростных свойств (г = -0,63). При этом становится очевидным (рис. 3), что количественную связь между минерализацией криопэгов и их радиофизическими свойствами лучше описывать нелинейными математическими моделями.

В этом классе моделей наиболее точным для описания полученных экспериментальных данных оказывается уравнение логарифмической зависимости. Его зеркальное отображение - экспоненциальная зависимость позволяет определять для условий г. Якутска и его окрестностей экспресс-оценки общей минерализации криопэгов 235„/ по скоростным (величине Ус) и погло-

щающим (величине Гс) свойствам. Для этого можно пользоваться следующими формулами:

Дя/ = 594,85-ехр (-54,9 К), Ош1 = 1,203-ехр (0,35-Гс).

Полученные математические модели относятся к классу локальных, но, несмотря на это, обладают свойством робастности, т.е. устойчивостью решений к изменению условий проведения эксперимента для небольших выборок (менее 100 определений).

Расчёты, сделанные по вышеприведённым формулам для контрольных выборок, показывают, что в 70-80 % случаев средняя абсолютная (относительная) ошибка определения общей минерализации криопэгов составляет по скоростным свойствам 2-6 г/л (12,3-37,0 %), а по поглощающим - 2—4 г/л (11,6-23,3 %).

I

'О

С

• • —----"

7* •

* щ

/ >0,70 + 5,26*/о£/0

О 10 20 30 40 50 60

Д„,

Рис. 3. Математические модели для определения экс-пресс-оценок общей минерализацией криопэгов /)„,/ по нормативным значениям скорости распространения импульсов V,.

ГРИГОРЬЕВ

Заключение. В результате проведённых исследований для территории г. Якутска и его окрестностей получены ранее неизвестные нормативные (средние) значения радиофизических свойств и минерализации криопэгов. При необходимости эти данные можно использовать в качестве справочной информации на стадии составления научных и производственных проектов, разрабатываемых для изучения ММП методом георадиолокации. Исследования показали, что изменение минерализации криопэгов приводит к существенному изменению их радиофизических свойств. Установлено, что поглощающие свойства криопэгов в 2,4 раза более чувствительны к изменению их минерализации, чем скоростные свойства.

Найдены робастные математические модели, которые в большинстве случаев обеспечивают определение общей минерализации криопэгов по радиофизическим свойствам с ошибкой не более 37 %. Эти модели представляют ценность в тех случаях, когда важно знать тенденции изменения минерализации криопэгов по площади, глубине и во времени. Такие случаи, как правило, имеют место при проведении мерзлотно-гидрогео-химической съёмки, а также при мониторинге прочностного состояния мёрзлых грунтовых оснований фундаментов аварийных инженерных сооружений.

Большой научный интерес представляет изучение в естественном залегании радиофизических свойств криопэгов на уровне их связей с количеством воды и ионным составом солей. Возможно, изучение этих связей позволит выйти на решение проблемы поиска следов миграции криопэгов.

Литература

1. Чеверев В.Г., Видяпин И.Ю., Мотенко Р.Г., Кондаков М.В. Определение содержания неза-мёрзшей воды в грунтах по изотермам сорбции-десорбции // Криосфера Земли. - 2005. -Т. IX, №4. - С. 29-33.

2. Хименков А.И., Мерзляков В.П. Оценка изменения свойств засолённых грунтов при региональном потеплении климата // Там же. - №1. -С. 55-62.

3. Толстихин Н.И. Миграция химических элементов в криолитозоне - Новосибирск: Наука, 1985.-С. 13-21.

4. Анисимова Н.П. Криогидрогеохимические особенности мёрзлой зоны. - Новосибирск: Наука, 1981.- 153 с.

5. Нерадовский Л.Г. Изучение состояния и свойств мёрзлых грунтов и криопэгов методом георадиолокации: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Якутск, 2005. - 24 с.

УДК 551.4 -.551.345

Морфология и динамика преобразования подводной мерзлоты в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского

М.Н. Григорьев

Анализируются данные, полученные по ключевым буровым профилям, вскрывшим подводную мерзлоту в прибрежно-шельфовой зоне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Установлена закономерность изменения уклонов кровли субаквальных мерзлых пород (от 0,002 до 0,038) в разных геоморфологических, литологических и гидродинамических условиях. Делается вывод о том, что эволюция подводной мерзлоты в прибрежной зоне зависит в первую очередь от динамического типа берега, а также геокриологических, литологических и гидрологических параметров в пределах берегового подводного склона.

__In this article the data obtained on the key drilling

ГРИГОРЬЕВ Михаил Николаевич - к.г.н., с.н.с. profiles, which have disclosed sub-sea permafrost in the ИМЗ CO PAH. near-shore zone of the Laptev and East-Siberian Sea,