Новый экспресс-метод изучения температурного состояния многолетнемёрзлых пород

ет более точное определение теплофизических свойств горных пород, поскольку нежелательный для опытов фактор ограниченности размеров образца заложен в саму теоретическую основу предполагаемого метода, сводя к минимуму погрешности за счет отклонения реально регистрируемого температурного поля от теоретически принимаемого.

Заключение

Уточнены оптимальные условия проведения опыта по методу неразрушающего контроля те-плофизических свойств горных пород на сква-жинных кернах. В частности, найдена координата среднеинтегральной температуры источника тепла г : г = 0,67г0 (здесь г0 - радиус источника тепла), в которую помещается измерительный спай дифференциальной термопары. Оценена минимальная длина образца: 1пр ~ D (здесь

D - диаметр образца), в пределах которой в течение опыта соблюдается условие бесконечности длины образца, как это предполагается в теории метода. Доказано, что погрешности, вызванные искажением температурного поля образца за счет теплоемкости нагревателя при проведении измерительного процесса по предлагаемому методу, сводятся к минимуму.

Литература

1. Патент на изобретение № 2334977 Российской Федерации. Способ неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах (автор Р.И. Гаврильев). Бюл. №27. 27.09.2008.

2. Гаврильев Р.И. Метод неразрушающего контроля теплофизических свойств горных пород на сква-жинных кернах // Инженерно-физический журнал. -2008. - Т. 81, №2. - С. 389-393.

Поступила в редакцию 17.04.2012

УДК 551.345:53

Новый экспресс-метод изучения температурного состояния многолетнемёрзлых пород

Л.Г. Нерадовский

На примере одного из золоторудных месторождений Республики Саха (Якутия) описываются результаты полевых исследований зависимости напряжённости индуктивного электромагнитного поля от температуры многолетнемёрзлых пород на нижней границе слоя годовых теплооборотов. Показана возможность практического использования метода индуктивной электроразведки в целях недорогой экспресс-диагностики, контроля и прогноза температурного состояния мёрзлых грунтовых оснований инженерных сооружений и берегов крупных термокарстовых озёр.

Ключевые слова: температура, мёрзлые породы, слой годовых теплооборотов, показатель затухания индуктивного поля, корреляция, математическая модель.

The paper examines the relationship between inductive electromagnetic field intensity and permafrost temperature at the depth of annual temperature variation, based on the results offield investigations conducted in a gold deposit in the Republic of Sakha (Yakutia). The study has established the applicability of the electromagnetic induction method as an inexpensive, non-destructive means for rapid diagnostics, control and prediction of the thermal state offrozen foundation soils and large thaw lake shores.

Key words: temperature, frozen ground, layer of annual temperature variation, inductive field attenuation indicator, correlation, mathematical model.

Введение

В современный период развития производительных сил России со смещением в сторону освоения недр северных территорий Сибири и Дальнего Востока от академической науки требуются научные разработки, обладающие боль-

НЕРАДОВСКИЙ Леонид Георгиевич - к.т.н., с.н.с. ИМЗ СО РАН, leoner@mpi.ysn.ru.

шим и долгосрочным инновационным потенциалом. В этом направлении Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова (ИМЗ) СО РАН на протяжении последних лет ведёт научно-исследовательские работы по поиску новых технологий неразрушающей диагностики, контроля и прогноза температурного состояния мёрзлых грунтовых сред, используемых в качестве основания фундаментов зданий и различных инженерных сооружений. Эти технологии

отличаются невысокой стоимостью, высокой производительностью и информативностью. Они строятся на принципах комплексного и оптимального использования возможностей базового метода изучения теплового состояния мёрзлых сред - термометрии скважин и методов наземной геофизики. Среди последних методов особая роль принадлежит методу неклассической высокочастотной электроразведки - георадиолокации, благодаря возможности её эффективного использования при температурном мониторинге на застроенных территориях.

Температурная зависимость показателя скорости затухания сигналов георадиолокации изучена ИМЗ СО РАН в освоенных районах крио-литозоны Якутии [1]. Найденные математические модели позволяют по данным георадиолокации вычислять основные характеристики температурного поля верхней части криолито-зоны: среднюю температуру горных пород в слое годовых теплооборотов и температуру на его нижней границе или на глубине близкой к ней. Возможности использования других методов геофизики в решении этой задачи пока неясны, хотя зависимость изменений их характеристик от температуры горных пород изучалась многими исследователями с 40-х годов прошлого столетия. Из последних работ обращает на себя монография Д.М. Шестернёва, А.П. Кара-сёва, В.В. Оленченко [2]. В ней изложено полное представление о температурной зависимости временных и амплитудных характеристик на ранней стадии вызванной поляризации мёрзлых сред Забайкалья в лабораторных и натурных условиях.

Следует также отметить работу В.Н. Ефремова, посвящённую изучению возможностей использования метода радиоимпедансного зондирования для оценки температурного поля сезон-но- и многолетнемёрзлых горных пород [3]. Автором выявлена взаимосвязь эффективного электрического сопротивления с сезонными вариациями температуры песчано-глинистых отложений долины р. Лены на одном из геокриологических стационаров ИМЗ СО РАН в г. Якутске.

В настоящей статье впервые представлены результаты изучения в условиях Севера Якутии зависимости одной из характеристик метода индуктивного электромагнитного зондирования от температуры многолетнемёрзлых горных пород на нижней границе слоя годовых теплообо-ротов.

Цель и задачи исследования

Научные исследования выполнялись автором с целью расширения географии доказательства

гипотезы о влиянии температурного поля на затухание индуктивного электромагнитного поля в слое годовых теплооборотов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) в точках поисково-разведочной сети выполнить термометрию скважин до нижней границы слоя годовых теплооборотов (СГТ);

2) в приустьевой окрестности точек разве -дочных скважин выполнить параметрические измерения методом среднечастотного электромагнитного зондирования (СЭМЗ);

3) по данным СЭМЗ определить значения показателя затухания амплитуды вертикальной компоненты вектора магнитной индукции Их (далее, показатель затухания к) в СГТ;

4) сделать выборку экспериментальных данных из парных определений значений температуры и показателя затухания к;

5) провести описательный, разведочный и корреляционно-регрессионный анализ экспериментальных данных;

6) найти адекватные математические модели температурной зависимости показателя затухания к;

7) оценить точность вычисления температуры по данным СЭМЗ.

К сожалению, из-за образования ледяных пробок в верхней части ствола скважин из сотен геологических и изыскательских выработок, пройденных на площади месторождения и жилого посёлка, к термометрии оказалась пригодной лишь небольшая их часть - всего 18 скважин.

Район исследования

Район исследования располагается в северной части Янского плоскогорья и представляет собой слаборасчленённую предгорную равнину с хорошо выраженной гидрографической сетью. Основным водотоком является руч. Кючус протяжённостью более 50 км. При впадении в р. Яну долина ручья представляет собой плоскую, сильно заболоченную аккумулятивную поверхность с мощным чехлом рыхлых и льдистых отложений.

В геологическом отношении исследуемая территория находится в пределах Верхояно-Чукотской мезозойской складчатой области. В её строении принимают участие осадочные породы мезозоя и рыхлые отложения четвертичного возраста. Мезозойские терригенные горные породы представлены толщей алевролитов с прослоями песчаников и аргиллитов триасового и юрского возраста. Рыхлые отложения, мощность которых достигает 60 м и более, перекрывают большую часть территории.

Первые сведения о температуре многолетнемёрзлых пород на Янском плоскогорье были получены в 1938 г. Значительно позже И. А. Некрасовым и В.Н. Девяткиным было изучено Яно-Борулахское междуречье [4]. По их данным в этой части плоскогорья мощность многолетней мерзлоты составляет 200-500 м при температуре горных пород минус 5-9оС на глубине 20 м.

Такой же порядок мощности многолетнемёрзлых пород (ММП) с температурой минус 6,5-10оС отмечается в Туостахской впадине в низовьях р. Адычи. Анализ данных геотермии, сделанный для низовья р. Адычи, показывает, что за период с 1980 по 1987 г. температура ММП на подошве слоя годовых колебаний в нижних частях склонов повысилась на 0,6 оС. Причина такого повышения температуры связана с реакцией криолитозоны на повышение средней годовой температуры воздуха [5].

Значительный объём информации, имеющей значение для понимания особенностей строения и температурного режима криолитозоны Янско-го плоскогорья, был получен в конце 90-х годов XX в. при разведке золоторудного месторождения Кючус. По данным М.В. Хизбулина (фонды ГГП «Янгеология»), мощность ММП в долине руч. Кючус составляет 400 м. На водораздельных поверхностях она увеличивается до 495 м. При этом температура пород на подошве слоя годовых колебаний изменялась в диапазоне минус 1,9-6,0оС.

Комплексное изучение температурного режима, мощности и границ распространения подземных льдов на площади Кючусского золоторудного месторождения было выполнено в 2006-2007 гг. сотрудниками ИМЗ СО РАН. В русле и по его бортам руч. Кючус, где развита толща полигенетических подземных льдов мощностью до 30 м, температура пород на подошве слоя годовых колебаний составляет минус 8-10оС. Приуроченность подземных льдов к склоновым частям долины ручья находит своё выражение в общем повышении электрического сопротивления геоэлектрического разреза.

Методика исследований

Исследования в северной части Янского плоскогорья проводились ИМЗ СО РАН в 2007 г. в пределах разведанной, но не эксплуатируемой площади золоторудного месторождения Кючус. Объектом исследований явилась толща рыхлых льдистых отложений с включением залежей подземных льдов. Предмет исследования представлял собой распределение по площади парных значений показателя затухания k, определённых в слое годовых теплооборотов,

и температуры ММП на его нижней границе, т.е. на глубине 10 м.

Геотермические исследования выполнялись в обсаженных стальными трубами скважинах с использованием полупроводниковых датчиков типа «ММТ-4». Датчики соединялись между собой в так называемую «косу» с неодинаковым расположением по глубине скважин. Температура горных пород верхней части разреза (до глубины 3 м) изучалась через 1 м, в средней (до глубины 10 м) - через 2-3 м, а далее (до глубины 30 м) - через 5 м. Глубже разрез изучался до 100-250 м через 20-50 м.

Анализ результатов проведённой разовой термометрии скважин показал, что нижняя граница слоя годовых теплооборотов, где колебания температуры пород сравнимы с погрешностью ей определений (±0,1 )оС, не остаётся постоянной по площади. В центральной части месторождения, где отмечается выход на дневную поверхность коренных пород, мощность слоя элювия не превышает 3-6 м, подошва СГТ опускается за счёт конвективного теплообмена по трещиноватым осадочным породам до 2030 м. На остальной площади, где развита мощная (до 30-50 м) толща рыхлых отложений суб-аэральной лёссо-ледовой формации, подошва СГТ залегает на глубине 10-15 м со средним значением около 12 м. Температура пылеватых песков, супесей и суглинков на этой глубине варьирует в минусовом диапазоне от 5,6 до 8,8оС.

Метод индуктивной электроразведки выполнялся аппаратурой СЭМЗ в модификации ди-польного дистанционного зондирования на одной частоте. Индуктивное возбуждение ММП и измерение их реакции на дневной поверхности осуществлялось передающей и приёмной антеннами, работающими на частоте 1,125 МГц. Применялась схема вертикальной поляризации электромагнитного поля, т.е. горизонтальное расположение плоскости излучающей антенны относительно поверхности земли. Исходными данными для вычисления показателя затухания к служили значения Их, измеренные микровольтметром при удалении приёмной антенны ПРМ от неподвижной антенны ПРД на расстояние (разнос АО) до 65 м. Шаг перемещения антенны ПРМ от антенны ПРД применялся разный. На дистанции разноса АО=4-10 м - 1 м, далее - 5-10 м. Антенны не устанавливались на треноги с угломерными устройствами, а переносились оператором и рабочим на высоте около 0,7-0,8 м, т.е. использовался вариант пешеходной съёмки. Точность разнесения антенн контролировалась по мерной диэлектрической ленте.

Принятая схема дистанционного зондирования производительна и вместе с тем обеспечивает точность полевых измерений на уровне, принятом в геофизике (10-15%). Такая точность удовлетворительна при проведении разведочных экспериментов. В дальнейшем, при получении положительных результатов, точность полевых измерений можно повысить до 5%, применяя более трудоёмкие схемы индуктивного зондирования.

При разносе АО=65 м и среднем значении эффективного электрического сопротивления геоэлектрического разреза около 1000 омметра максимальная глубина зондирования достигала 30 м. Соотношение между разносом и глубиной зондирования при разных сопротивлениях и частотах имеет опытный характер. Оно найдено автором для разных инженерно-геокриологических условий Якутии по сопоставлению данных метода ВЭЗ и метода СЭМЗ на постоянном и переменном токе. По составленным эмпирическим таблицам можно подобрать, зная частоту и сопротивление, разнос АО, который соответствует требуемой глубине зондирования до залегания нижней границы слоя годовых тепло-оборотов на глубине в среднем 12 м. Оптимальным разносом, с точки зрения учёта вариаций сопротивления по площади и глубине вместе с сохранением приемлемого уровня измеряемого сигнала индукции, оказалось расстояние, равное 25 м. Этот разнос АО был принят за основу для определения показателя затухания к и сопоставления его со средней температурой пород в интервале глубины 10-15 м.

Приближённая оценка истинного показателя затухания к осуществлялась путём аппроксимации графиков И степенной функцией. Среди других простых трансцендентных функций она точнее всего описывает спад значений И при увеличении разноса АО до 25 м.

Показатель степенной функции, имеющий по своей природе отрицательные значения, принимался за показатель затухания индуктивного поля в слое годовых теплооборотов. Точную ошибку вычисления оценок истинных значений к найти невозможно в условиях проведения натурного эксперимента, поэтому её пришлось приравнять ошибке полевых измерений И со средним значением 8,3±2,4%. Значения показателя затухания к относились к точкам стояния антенны ПРД, т.е. к точкам скважин термометрии.

Обсуждение результатов

Иллюстрация качественной картины влияния температуры ММП на затухание напряжённости индуктивного электромагнитного поля пред-

ставлена на рис. 1: чем ниже температура ММП на глубине 10 м, тем меньше интенсивность затухания напряжённости индуктивного магнитного поля с глубиной. При площадной вариации температуры ММП tz от -4,7 до -8,5оС показатель затухания к изменяется в диапазоне 2,9431-1,9509 от.ед. Относительные приращения температуры ММП составляют 58%, а затухания - 40%. Показатели соизмеримы, что указывает на достаточно высокую чувствительность затухания индуктивного поля к изменению температурного режима толщи ММП, включающей в себя льдистые разности и подземные льды. Эта зависимость в исследованном интервале температур носит линейный характер (рис. 2) с коэффициентом корреляции г=-0,776.

Следует отметить, что такой уровень связи был обнаружен на фоне сильных случайных ко-

1000

2 100

10

0 5 10 15 20 25

Расстояние между антеннами (разнос АО), м

30

Рис. 1. Графики затухания напряжённости вертикальной составляющей вектора магнитной индукции И, по глубине геоэлектрического разреза, выраженного в расстоянии между приёмной и передающей антеннами.

Номера кривых - температура ММП пород на глубине 10 м: 1 - минус 8,5°с; 2 - минус 6,6°с; 3 - минус 4,7°с

Температура 4 на 100С

Рис. 2. Точечная диаграмма поля рассеяния экспериментальных данных с графиком теоретической линейной модели температурной зависимости показателя затухания к напряжённости вертикальной составляющей вектора магнитной индукции И,

1

лебаний исходных значений путём предварительной их подгонки (вариации) в пределах погрешности полевых измерений. Разумеется, при выполнении этой операции не ставилась цель принудительного образования корреляции между исследуемыми физическими величинами. Подгонка выполнялась с большой осторожностью, чтобы не разрушить истинную стохастическую структуру температурной зависимости. Для величины затухания погрешность была принята на номинальном уровне 10-15%, допускаемом в геофизике при измерениях в спокойных нормальных полях.

Для использования в практических целях выявленной линейной температурной зависимости показателя затухания индуктивного магнитного поля ММП была построена формальная адекватная математическая модель, описываемая уравнением с коэффициентом детерминации — =0,602:

^=-14,884-3,3417 к.

Точность модели оценена по выборочной совокупности экспериментальных данных, состоящей, как уже отмечалось выше, из 18 скважин. При средней ошибке 0,00±0,26оС модель с равной вероятностью завышает или занижает данные термометрии скважин. При заданной доверительной вероятности 95% разброс частных значений ошибок достигает ±1,35оС. На первый взгляд это недопустимо много по сравнению с точностью термометрии скважин. Однако по отношению к средней температуре ММП на глубине 10 м (-6,6оС) разброс частных ошибок составляет 20,5%. Это хороший показатель точности для стохастической математической модели температурной зависимости.

Таким образом, есть все основания для того, чтобы не только в Центральной Якутии [6], но и в других районах криолитозоны применять метод индуктивной электроразведки для диагностических единичных и разрозненных определений температуры ММП на глубине 10 м, а также мониторингового контроля и прогноза изменений геотермического режима на этой глубине. Если перейти на методику использования средних оценок показателя затухания к, то точность определения температуры возрастает до ±0,3 оС, приближаясь к точности термометрии скважин.

Применимость модели линейной регрессии для расчёта температуры ММП по данным СЭМЗ естественно ограничена площадью месторождения Кючус. Тем не менее, после расширенной апробации уравнения его можно применять в инженерно-геокриологических условиях, близких к таковым на месторождении. Главное в них - обязательное присутствие в

Нормативные показатели регионального репера температурной зависимости индуктивного магнитного поля в многолетнемёрзлых породах Севера Якутии

Статистика с г к

Среднее арифметическое 0,00 -6,6 582 2,4712

Стандартная ошибка среднего 0,14 0,25 98 0,0611

Медианное среднее -0,03 -6,5 571 2,4693

Модальное среднее #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д

Стандартное отклонение 0,69 1,077 354 0,259291

Дисперсия выборки 0,48 1,161 125720 0,067232

Эксцесс 0,287 -0,707 -1,10089 -0,23842

Асимметричность -0,029 -0,007 0,240916 -0,06711

Интервал 2,79 3,8 1095 0,9737

Минимум -1,32 -8,5 83 1,9509

Максимум 1,47 -4,7 1178 2,9231

Кол-во определений 23 18 13 18

Уровень надежности 95,0% 0,30 0,5 214 0,1289

Примечание: ^ - ошибка вычисления температуры; Г - температура многолетнемёрзлых пород на глубине 10 м по данным термометрии скважин в оС; ,Ке£ - эффективное электрическое сопротивление мёрзлых пород в омметрах; к - показатель затухания вертикальной составляющей вектора магнитной индукции.

верхней части разреза толщи льдистых лёссовидных отложений с подземными льдами.

В региональном масштабе площадь, на которой изучена температурная зависимость затухания напряжённости индуктивного электромагнитного поля, представляется в виде точки. Её рекомендуется рассматривать в качестве регионального репера, используемого вместе с другими подобными реперами в различных районах криолитозоны Якутии для последующей сборки общей региональной математической модели температурной зависимости индуктивного поля. Нормативные (средние) показатели репера приведены в таблице.

Заключение

Полученные результаты имеют научно-практическое значение. Их научная сторона представлена доказательством частной гипотезы о влиянии температурного поля на затухание индуктивного поля в слое годовых теплооборо-тов ММП одного из заполярных районов Якутии. Физическая природа корреляции показателя затухания индуктивного поля с низкой температурой ледового комплекса дисперсных пород объясняется особенностями изменения не столько количества, сколько структуры и свойств незамёрзшей воды в пространстве минерального скелета, заполненного поровым и сегрегационным льдом.

МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ НА ПРАВОБЕРЕЖЬЕ СРЕДНЕЙ ЛЕНЫ

Практическая сторона полученных результатов состоит в реальной возможности использования предложенных математических моделей температурных зависимостей для диагностики температурного режима ММП на глубине 10 м на ранних стадиях изыскательских работ. Подобные модели с ещё большей эффективностью могут работать в системе геокриологического мониторинга с целью контроля и прогноза температурного состояния мёрзлой среды на стадиях разработки и эксплуатации золоторудного месторождения Кючус и других месторождений Якутии.

В этом отношении особую роль представляет геофизический мониторинг температурного состояния бортов намечаемого к разработке карьера месторождения Кючус и берегов молодых озёр термокарстового происхождения. Неконтролируемый процесс вытаивания донных и береговых подземных льдов, который может произойти или уже происходит под воздействием техногенных или климатических факторов, рано или поздно приведёт к сбросу огромного количества воды в сторону будущего карьера.

Литература

1. Нерадовский, Л.Г. Температурная зависимость сигналов георадиолокации в освоенных районах

УДК 551.345

криолитозоны Якутии / Л.Г. Нерадовский ; отв. ред. Г.П. Кузьмин ; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т мерзлотоведения им. П.И. Мельникова. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2011. - 166 с.

2. Шестернёв, Д.М. Исследование криолитозоны методом РСВП / Д.М. Шестернёв, А.П. Карасёв, В.В. Оленченко. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. -238 с.

3. Ефремов, В.Н. Температурная зависимость сезонных изменений электрического сопротивления многолетнемёрзлого грунта / В.Н. Ефремов // Материалы IV конф. геокриологов России. МГУ им. М.В. Ломоносова, 7-9 июня 2011 г. Т. 1. - М.: Университетская книга, 2011. - 376 с.: табл., ил.

4. Некрасов И.А., Девяткин В.Н. Морфология криолитозоны бассейна реки Яны и сопредельных районов. - Новосибирск: Наука, 1974. - 72 с.

5. Bosikov N.P., Murzin Y.A., Torgovkin Y.I. Climate and Dinamiks of Cryogenic Processes in the Verhoyansk Region. Ist CliC International Science Conference 11-15 April 2005, Beijing China.

6. Нерадовский, Л.Г. Возможности использования электромагнитного поля для температурного мониторинга многолетнемёрзлых пород Центральной Якутии / Л.Г. Нерадовский, Ю.Б. Скачков // Материалы Международной конференции: «Криогенные ресурсы полярных регионов». Т. 2. - Салехард, 2007. - С. 173-176.

Поступила в редакцию 16.04.2012

Многолетние изменения термического состояния грунтов на правобережье средней Лены

С.П. Варламов, П.Н. Скрябин

Обобщены результаты геокриологического мониторинга, организованного с 1987 г. на правобережье средней Лены. Объектами исследований являются верхние горизонты криолитозоны. Сделан вывод, что основным фактором, определяющим межгодовые изменения термического состояния мерзлотных ландшафтов, является режим снегонакопления. На основе экспериментальных данных количественно оценена динамика термического состояния грунтов. Установлено, что тренды изменений средних годовых температур грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов изменяются от слабо отрицательных до положительных значений.

Ключевые слова: мерзлотные ландшафты, мониторинг, криолитозона, климат, среднегодовая температура грунтов, тренды.

The article summarizes the results ofpermafrost monitoring conducted on the right side of the middle Lena River since 1987. The results indicate that that snow accumulation regime is the most important factor controlling interannual variations in the thermal state of permafrost landscapes. Based on the observation data,

ВАРЛАМОВ Степан Прокопьевич - к.г.н., с.н.с. ИМЗ СО РАН, vsp@mpi.ysn.ru; СКРЯБИН Павел Николаевич -к.г.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН, vsp@mpi.ysn.ru.