Картирование и мониторинг состояния сильнольдистых грунтов радиоимпедансным зондированием

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2009, №4

УДК 550.837: 551.345

Картирование и мониторинг состояния сильнольдистых грунтов радиоимпедансным зондированием

В.Н. Ефремов

Повышение содержания льда в грунте приводит к изменению характера частотных зависимостей модуля и фазы поверхностного импеданса в радиоволновом диапазоне. По данным численного моделирования и натурных измерений особенно сильно это изменение проявляется в фазе поверхностного импеданса на частотах диапазона 10-1000 кГц. На этой основе разработана методика поиска и картирования сильнольдистых грунтов. Разработанная методика позволяет проводить поиск и картирование сильнольдистых грунтов в режиме реального времени. По результатам совместной интерпретации амплитудных и фазовых измерений радиоволнового поверхностного импеданса повышению содержания льда также соответствует значительное повышение поперечного сопротивления льдистого горизонта. Учет изменения поперечного сопротивления льдистого горизонта способствует картированию и оценке размеров ледяных тел. На этом факте также базируется разработанная методика мониторинга состояния сильнольдистых грунтов. Приведен пример картирования сильнольдистых грунтов по проектируемой трассе железной дороги в Центральной Якутии.

Ключевые слова: грунт, льдистость, поверхностный импеданс, зондирование, интерпретация, модель, методика.

Increased ice content in frozen ground changes the nature of frequency dependency of radiowave surface impedance and its phase angle. Numerical modeling and field measurements indicate that particularly strong change occurs in phase angle at the frequency range of 10 to 1000 kHz. Based on this finding, a new method is proposedfor locating and mapping of ice-rich frozen ground. The method allows to locate and map ice-rich frozen ground in real time. The results of combined interpretation of amplitude and phase measurements of radiowave surface impedance show that high ice content also corresponds to a significant increase in transverse resistance of the ice-rich horizon. Change in the transverse resistance of the ice-rich horizon allows mapping and size estimation of ice bodies. This has been used to develop a method to monitor the condition of ice-rich frozen ground.

Key words: ke-rich frozen graund, surface impedance, sounding, interpretation, model, method.

Изыскания и проектирование инженерных сооружений и зданий на многолетнемерзлых грунтах требуют знания местоположения и размеров содержащихся в них сильнольдистых образований (содержание льда больше 40%). Подобные образования представляют собой сильнольдистые горизонты мощностью до 10 м и протяженностью от единиц до сотен метров, содержащие текстуро-образующий лед, а также повторно-жильные льды и линзы льда с протяженностью до 10 м и более. При строительстве и эксплуатации сооружений на таких грунтах необходим мониторинг изменения размеров и прочностных свойств сильнольдистых образований в результате техногенного и климатического воздействия.

ЕФРЕМОВ Владимир Николаевич - к.т.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН, vne@mpi.ysn.ru.

Известно, что чем больше процентное содержание льда в грунтах, тем больше их удельное электрическое сопротивление. Поэтому для поиска и картирования сильнольдистых образований традиционно используют методы электроразведки на постоянном и переменном токе. Для исследования неглубокозалегающих сильнольдистых образований более перспективны высокочастотные методы электроразведки и, в частности, радиоимпедансное зондирование.

Радиоимпедансное зондирование является применением амплитудно-фазовых измерений поверхностного импеданса:

2 = ^ = \г\е~14

с использованием электромагнитного поля радиостанций в волновой зоне [1]. Для интерпретации данных радиоимпедансного зондирования нами используются оба компонента поверхностного импеданса: модуль |2| и аргумент или фаза ф.

Результаты проведенного математического моделирования показали, что для исследования многолетнемерзлого грунта радиоимпедансным зондированием достаточно проводить измерения поверхностного импеданса на частотах диапазона 10-10000 кГц [2]. Диапазон включает сверхдлинные волны (СДВ, 10-30 кГц), длинные (ДВ, 30-300 кГц) и частично средние волны (СВ, 300-10000 кГц) из радиочастотного спектра волн, распространяющихся над земной поверхностью. При зондировании мерзлого грунта на СДВ преобладают токи проводимости, поэтому имеется возможность оценить удельное электрическое сопротивление (УЭС) подстилающего горизонта мерзлых скальных пород. На частотах 30-10000 кГц (ДВ-СВ) более значительным становится влияние токов смещения. На этих частотах для мерзлых рыхлых отложений появляется возможность оценки электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости, а также других физических свойств в результате обработки и интерпретации данных амплитудно-фазовых измерений поверхностного импеданса [3].

По данным численного моделирования наличие в многолетнемерзлом грунте на глубине 2 м сильнольдистого горизонта мощностью 8 м с УЭС, равным 10000 Ом • м, приводит к значительным изменениям частотной зависимости величины модуля импеданса и его аргумента (фазы) (рис.1). В летний период (при наличии значительного талого слоя на поверхности грунта) сильнольдистый горизонт увеличивает модуль импеданса более чем на 10% на ДВ, а в зимний период более чем на 40% на СВ. Фазу импеданса такой горизонт увеличивает более чем на 5 град на ДВ и изменяет на 5 град на СВ в зимний период. В летний период фаза импеданса увеличивается до 3 град на ДВ и уменьшается до 7 град на СВ. Влияние льдистого образования в грунте на поверхностный импеданс оценивается как значительное на ДВ и СВ, учитывая, что модуль импеданса измеряется с точностью до 5%, а фаза с точностью до 1 град.

По результатам радиоимпедансного зондирования на ледовом комплексе в летний период наличие в многолетнемерзлом грунте пятиметрового горизонта с льдистостью 40% приводит к увеличению модуля импеданса на 7% на СДВ, на 12% на ДВ и на 20% на СВ (рис.2). Наличие в

59 100 180 330 590 1000 Частота, кГц

3 «

¡3 £

О) св

2 и

X X

<и га

1 Ч

О) О)

2 с

п 2

Частота, кГц

Рис. 1. Приращение модуля и изменение фазы импеданса по результатам численного моделирования частотной зависимости модуля и фазы импеданса для грунта, содержащего сильнольдистый горизонт мощностью 8 м на глубине 2 м. В летний период добавлен сезонно-талый слой мощностью 1 м

льдистый лед 3м лед 6м лед 9м

льдистый лед 3м лед 6м лед 9м

•ч

-" ^ *—V

ЧА X > \

Ч 1 ч, \ Чч

ч

'•ч

*

22.1 кГц

—— 171 кГц

- - 549 кГц

—- 549-22 кГц

Рис. 2. Приращение модуля и изменение фазы импеданса на частотах 22, 171, 549 кГц по результатам радиоимпедансного зондирования на ледовом комплексе для сильнольдистого грунта и грунтов, содержащих подземный лед мощностью 3, 6 и 9 м

6

4

2

0

-2

щ -4

-6

-8

-10

грунте льда мощностью от 3 до 9 м приводит к увеличению модуля импеданса от 27 до 73% на СДВ, от 50 до 81% на ДВ и от 50 до 90% на СВ. Наблюдаемое равенство приращений модуля импеданса при мощности льда 3 м и 6 м объясняется тем, что трехметровый лед имел рыхлую структуру и, соответственно, большее сопротивление, чем шестиметровый лед с монолитной структурой и большим содержанием глинистых частиц. Полученные по результатам зондирования приращения модуля импеданса значительно больше, чем приращения, полученные при численном моделировании. Это вызвано большими удельными электрическими сопротивлениями льда и отличием реальных ледяных тел от слоя с плоскопараллельными границами. Наличие подземного льда изменяет фазу импеданса на 3 град на СДВ, на 4 град на ДВ и на 8 град на СВ (рис.2).

Если приращение модуля импеданса с увеличением содержания льда в грунте имеет почти линейную зависимость, то изменения фазы имеют более сложный характер. В отличие от модуля аргумент (фаза) импеданса в большей степени отражает структуру грунта и влияние перекрывающих и подстилающих слоев. Это позволяет при интерпретации с учетом значений фазы импеданса оценить глубину залегания и мощность льдистых образований.

Значения эффективного сопротивления грунта, содержащего сильнольдистые образования, полученные в результате радиоимпедансного зондирования, были сопоставлены с данными лабораторного анализа проб грунта, полученных из скважин, пробуренных в пунктах зондирования. Сравнение показало сильную корреляцию значений эффективного сопротивления с данными по плотности и естественной влажности грунта. Для суглинков, например, коэффициенты корреляции достигали 0,9, а коэффициенты детерминации -80%. Полученные уравнения регрессии позволили приближенно оценить плотность и естественную влажность мерзлых суглинков по результатам радиоимпедансного зондирования.

На основе результатов численного моделирования и радиоимпедансного зондирования разработана методика поиска и картирования сильнольдистых образований в режиме реального времени по величине модуля импеданса. Методика включает экспресс-оценку эффективного сопротивления мерзлых рыхлых отложений, включающих сильнольдистые образования, последующую приближенную оценку эффективной объемной льдистости грунтов и построение карты ориен-

тировочного расположения отложений ледового комплекса. Все расчеты выполняются в автоматическом режиме на портативном компьютере.

В экспресс-оценке применяется метод снятия слоев расчетным путем в следующей последовательности: сначала устраняется влияние на величину импеданса сезонно-талого слоя, затем влияние мерзлых скальных пород. По полученной величине импеданса мерзлых рыхлых отложений определяется их эффективное сопротивление.

Компьютерная интерполяция значений эффективной объемной льдистости, полученных в результате площадного радиоимпедансного зондирования грунтов, позволяет получить карту расположения сильнольдистых образований, выделяемых по высоким значениям эффективного сопротивления или эффективной объемной льдистости.

Следующей разработкой является поиск и картирование сильнольдистых образований в режиме реального времени на основе измерений фазы импеданса. В результате численного моделирования и радиоимпедансных зондирований на ледовом комплексе установлено, что увеличение льдистости отложений приводит к значительному изменению разности фаз импедансов, измеренных на высокой (СВ) и низкой (СДВ) частотах (рис. 2). Вызвано это тем, что наличие сильнольдистого образования в большей степени влияет на фазу импеданса на СВ и в меньшей - на СДВ. Эта особенность послужила основой для автоматической интерпретации данных фазовых измерений поверхностного импеданса. Результатом такой интерпретации, например, является карта ориентировочного расположения сильнольдистых образований на участке ледового комплекса по трассе проектируемой железной дороги Томмот -Кердем в Центральной Якутии (рис. 3).

Картирование по экспресс-оценке эффективного сопротивления рыхлых отложений, а также по разности фаз импедансов на высокой и низкой частотах не дает представления о мощности и глубине залегания льдистых образований. Для более информативного картирования, построения разрезов по профилю, а также для получения информации при мониторинге состояния льдистых образований разработана следующая методика интерпретации радиоимпедансного зондирования сильнольдистых грунтов.

Величина модуля импеданса в большей степени определяется мощностью ледяных образований с высоким УЭС. На фазу импеданса, кроме мощности ледяного образования, в значительной степени влияют его удельное электрическое сопротивление

24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4

Рис. 3. Карта расположения сильнольдистых образований по данным радиоимпедансного

зондирования на участке ледового комплекса по трассе АЯМ. Сильнольдистым отложениям соответствуют значения разности фаз импеданса 14-18 град, повторно-жильному льду - более 18 град. Зондирования выполнены по сети 10 м х 10 м. Х - пункты бурения скважин, вскрывших подземный лед мощностью 9, 6 и 3 м

2

0

и глубина залегания. Поэтому более точное картирование, а также представление о расположении льдистых образований в грунте дает совместная интерпретация частотных зависимостей модуля и фазы импеданса по данным радиоимпедансного зондирования. Такая интерпретация производится на компьютере в диалоговом режиме и поэтому требует больших затрат времени. Для повышения производительности обработки данных радиоимпедансно-го зондирования предлагаем интерпретацию с использованием 4-слойной геоэлектрической модели среды. Модель представлена следующими слоями и их параметрами (мощность - И.; удельное электрическое сопротивление - р.):

1. Сезонно-талый слой (И1 = 0,5 - 1,5 м; р1 = 20 - 1000 Ом .м).

2. Перекрывающие сильнольдистый горизонт мерзлые рыхлые отложения (И2 = 0 - 5 м; р2 = 100 - 1000 Ом .м).

3. Сильнольдистый горизонт или лед (И3 = 0 - 10 м; р3 = 1000 - 40000 Ом -м).

4. Горизонт, сложенный подстилающими мерзлыми рыхлыми отложениями и мерзлыми скальными породами (р4 = 100 - 5000 Ом -м).

Для облегчения и повышения точности интерпретации в качестве толщины первого слоя может быть использована измеренная щупом в

точке зондирования глубина текущего сезонного протаивания грунта с поверхности.

Результатами радиоимпедансных зондирований на сильнольдистых грунтах установлено, что сильнольдистые образования хорошо выделяются по их поперечному сопротивлению (произведение толщины слоя на его удельное электрическое сопротивление). Параметром, представляющим интерес для картирования, можно представить поперечное сопротивление сильнольдистых образований, приведенное к глубине их залегания. Для предложенной четырехслойной модели поперечное сопротивление сильнольдистых образований, приведенное к глубине залегания, запишется как

, _ 1ц  ръ

-I гл — .

к+к

Данный параметр рекомендуется использовать при картировании по результатам применения методики интерпретации радиоимпедансного зондирования сильнольдистых грунтов

Для мониторинга изменений, происходящих в сильнольдистых образованиях под техногенным и климатическим воздействием в период строительства и эксплуатации сооружений, нами разработана соответствующая методика измерений. В методике используется заглубление приемной линии импедансметра вблизи сооружения или под ним. Это позволяет получать данные для мониторинга

и после строительства инженерного сооружения или здания, не изменяя условий измерения. Для оперативного мониторинга изменения ситуации рекомендуется использовать методику картирования по разности фаз импедансов на СВ и СДВ, а для получения количественных оценок - методику интерпретации радиоимпедансного зондирования сильнольдистых грунтов с определением мощности и УЭС сильнольдистого образования, с последующей оценкой плотности, естественной влажности и объемной льдистости грунтов.

В заключение приведем следующие выводы.

Численное моделирование и натурные эксперименты по радиоимпедансному зондированию многолетнемерзлых грунтов показывают, что сильнольдистые образования в грунтах в значительной степени влияют на частотные зависимости и величину модуля и фазы поверхностного импеданса в радиоволновом диапазоне.

Разработанные методики поиска и картирования сильнольдистых образований, основанные на приближенной оценке эффективных значений их электрического сопротивления и объемной льдистости, а также на изменении разности фаз импедансов на высокой и низкой частотах, позволяют получить информацию о расположении пород ледового комплекса в режиме реального времени на исследуемом участке.

Методика интерпретации радиоимпедансного

зондирования сильнольдистых грунтов с использованием предложенной 4-слойной модели геоэлектрического строения позволяет оценить глубину залегания и мощность сильнольдистых образований.

Предложенный параметр - поперечное сопротивление сильнольдистых образований, приведенное к глубине залегания, позволяет повысить информативность при их картировании на основе результатов применения методики интерпретации радиоимпедансного зондирования сильнольдистых грунтов.

Предложенная методика измерений при мониторинге состояния сильнольдистых образований позволяет проследить их изменения в период строительства и эксплуатации инженерных сооружений и зданий на многолетнемерзлых грунтах.

Литература

1. ВешевА.В., Егоров В.А. О методике наблюдений и интерпретации результатов изучения полей радиовещательных станций. Вопросы геофизики // Ученые записки ЛГУ - 1966. - № 329, вып.16. - С. 172-189.

2. Ефремов В.Н. Поверхностный импеданс крио-литозоны на радиочастотах // Геофизические исследования в Якутии. - Якутск: Изд-во Якутского госуниверситета, 1995. - С. 70—80.

3. Ефремов В.Н. Некоторые результаты исследования поверхностного импеданса мерзлых толщ в радиоволновом диапазоне // Наука и образование. - 2008. - №4. - С. 68-72.