Результаты георадиолокации дна и донных отложений речных переходов линейных инженерных сооружений

классические задачи геомеханики: труды Всероссийской объединенной научной сессии Научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и по проблемам горных наук; Учреждение Рос. акад. наук, Ин-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. - С. 58-63.

3. Омельяненко, А.В. Особенности георадиолокации обводненных сред / А.В. Омельяненко, И.И. Христофоров // Горн. информ.-аналит. бюл. - 2012. -№9. - С.127-132.

Поступила в редакцию 07.02.2013

УДК 621.396.96:622.691.4

Результаты георадиолокации дна и донных отложений речных переходов

линейных инженерных сооружений

И.И. Христофоров, А.В. Омельяненко

Представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие возможности дистанционного исследования дна и донных отложений при проектировании, строительстве и эксплуатации линейных инженерных сооружений с применением методики погружной георадиолокации. Рассмотрены решения актуальных инженерно-геологических задач, возникающих в гидрогеологических исследованиях криолитозоны, в целях строительства и эксплуатации инженерных линейных сооружений. Показана возможность эффективного применения метода георадиолокации с поверхности воды для изучения речного дна, мощности и структуры донных отложений, выявления и определения параметров карстовых образований в коренных породах дна и обводненных породах береговой зоны.

Ключевые слова: георадиолокация, донные отложения, речные переходы линейных сооружений, зоны нарушенности.

The paper presents the experimental results which confirm the potential of remote investigation using immersion GPR method for investigation a river bottom and bottom sediments during design, construction and operation of linear engineering structures. Decisions of actual engineering-geological problems arising in hydro-geological researches of permafrost with a view of building and operation of engineering linear constructions are considered. Possibility of effective application of GPR method from a water surface for investigation of a river bottom, capacity and structure of river bottom deposits, revealing and definition ofparameters of karstic formations in solid rocks of a bottom and aquatic rocks of a bank zone is shown.

Keywords: GPR, river bottom deposits, river transitions of linear constructions, areas of disturbance.

В настоящее время в Якутии проектируются, строятся и эксплуатируются несколько крупных объектов, связанных с речными переходами через р.Лена - это реализация таких мегапроектов, как строительство железной дороги Амуро-Якутской магистрали и строительство нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО)». Строительство трубопроводов влияет на состояние пересекаемых ими водных преград, оказывает максимальное воздействие на русла и поймы рек, речной сток. Трубопроводы относятся к объектам повышенной экологической опасности, особо уязвимы подводные речные переходы, где на трубопровод воздействует

ХРИСТОФОРОВ Иван Иванович - вед. инженер ИГДС СО РАН, zodik@mail.ru; ОМЕЛЬЯНЕНКО Александр Васильевич - д.т.н., зав. лаб. ИГДС СО РАН, omepavel@yandex.ru.

водный поток. С другой стороны, русловые и гравитационные процессы на участках подводных переходов создают максимальную опасность для трубопроводов. Возможные последствия с выбросом нефти на речных переходах по степени тяжести несопоставимы с авариями на суше, поскольку зона аварийного поражения охватывает все аспекты среды обитания человека. Поэтому изучение геологических структур дна и донных отложений речных переходов -актуальная задача и особенно на стадии эксплуатации линейных сооружений. Для предотвращения риска повреждения трубопроводов и исключения возникновения аварийных ситуаций необходимо знать динамику активизации этих процессов в пространственно-временной изменчивости, поэтому для безопасной эксплуатации и предотвращения возникновения аварийных ситуаций важна организация систе-

мы наблюдений (мониторинга) за состоянием подводных переходов трубопроводов (ВСН 163-83) [1].

Разработка дистанционных и оперативных методов, позволяющих решать задачу детального изучения структур дна рек и донных отложений водоемов - актуальная задача проектирования, строительства и эксплуатации гидросооружений, и в частности линейных сооружений -мостов, газо- и нефтепроводов, возводимых в водоемах или пересекающих их. К таким методам относится метод георадиолокации, реализующий методику отраженных электромагнитных волн от границ раздела сред с различными электрофизическими свойствами. Следует отметить, что вода, перекрывающие речные наносы, относится к низкоскоростным средам с известными для моделирования физическими свойствами и является физически модельной средой.

Ниже представлены результаты георадиолокационного исследования дна и донных отложений водоемов Якутии, полученные с учетом особенностей разработанной методики георадиолокации обводненных сред [2].

1. Результаты исследований коренных пород дна и донных отложений водоемов

По заказу Проектного института реконструкции и строительства объектов нефти и газа (ЗАО «ПИРС») ИГДС СО РАН проведены георадиолокационные исследования трассы речного перехода р.Лена нефтепровода ВСТО.

Георадиолокационные исследования проведены с целью выявления и уточнения границ простирания, связанных с изменением литологии разреза, выделения участков подземных льдов, нахождения и локализации по глубине и простиранию зон карста по берегам и в русле р.Лена.

Проведенные георадиолокационные исследования позволили оценить геологический разрез на участке перехода трассы нефтепровода через водный переход р.Лена до глубины 25-30м. В результате качественной и количественной интерпретации материалов зондирований выявлены и уточнены границы простирания, связанные с изменением литологии разреза.

По левому берегу выделены границы залегания сезонно-талых грунтов и коренных пород, выявлен участок подземного льда. Профилем, проложенным в 30 м справа по ходу нефти, наличие льда не подтверждено, хотя мелкослои-стость ледяных образований наблюдается. Ледяное образование с одной стороны ограничено и смещается к урезу реки вниз по течению -георадиолокационными зондированиями прослежено увеличение его мощности до 5^10 м и уход верхней кромки льда на глубину от 4 до 7 м от оси створа проектируемой трассы.

По русловой части реки отмечается субгоризонтальное залегание коренных пород с незначительным погружением в сторону правого берега. Породы дна реки детально прослеживаются до глубин 10 м и более.

По правому берегу получен типовой трехслойный разрез мерзлых рыхлых отложений -верхняя граница определена в пределах глубин 8-10 м. По данным бурения, это слой чередования суглинка и супеси, нижерасположенная граница в пределах глубин 15-18 м определяет слой мерзлых песков и в пределах глубин 2330 м уверенно прослеживается кровля коренных пород.

Данными георадиолокации выявлены участки карстовых образований:

- в 40 м от оси трассы по левому берегу реки;

- в русле реки в 80 м от оси трассы по течению в 130 м от левого берега;

- по руслу реки в 132 м от уреза воды правого берега.

На рис.1 изображен георадиолокационный профиль с выявленным подводным карстом. По спектральным характеристикам георадиолокационных сигналов определены критерии, позволяющие определять участки нарушенных и ненарушенных коренных пород. Одним из критериев обнаружения на-рушенности коренных пород может служить изменение центральной частоты спектра сигналов, отраженных от донных отложений.

Рис. 1. Карстовое нарушение коренных пород

В результате проведенных исследований реализован этап совершенствований метода двух-спектральной георадиолокации, расширяющий возможности изучения поглощающих сред в части детализации геологических разрезов на максимальных глубинах. Проведено физическое моделирования на натурном объекте при работе в двух раздельных спектрах. Разделение максимумов спектров частот позволило сохранить максимальную глубинность исследований посредством сдвига спектра в область низких частот на приемном устройстве. Расширение спектра в области высоких частот, за счет сдвига средней частоты генерации, обеспечило высокую разрешающую способность. Снижение эффективности измерений с учетом провала суммарного спектра в области средних частот компенсируется коррекцией спектральных характеристик раздельных трактов генерации в области низких частот и приема. Активный спектр (спектр генерации) высокочастотный, со средней частотой 2Б, пассивный спектр (приемный) низкочастотный, с максимумом Б. Средняя частота суммарного спектра (Р+2Р)/2=1,5Р.

Зоны нарушенности коренных пород обнаружены и азимутально локализованы практическими наблюдениями в нескольких местах по руслу реки вдоль трассы ВСТО, нарушения массива прослеживаются через аллювиальные отложения мощностью до 10 м и с поверхности дна.

2. Результаты исследований речного перехода магистрального газопровода

На рис.2 приведен пример дистанционного обнаружения трубы газопровода диаметром

Рис. 2. Георадиолокационный профиль разреза донных отложений (р.Лена) с детализацией участка пересечения газопровода с технологическим при-грузом

0,55м (с.Хатассы), в виде глубинного разреза, на глубине 11 м. Профиль пройден с правого берега галсом до пересечения трассы и обнаружения трубопровода, далее по оси проложения трубы до выхода на косу. Труба изображена на рисунке в виде гиперболы (рис.3), также по обоим бокам трубы выявлены технологические пригрузы - результат восстановительных работ ООО «СПРУТ» (Иркутск).

По результатам зондирований отслежена конфигурация дна водоема до глубины 12 м. В центральной части реки мощность аллювиальных отложений не превышает 1м, в левой - в пределах 1-7 м.

В результате проведенных исследований решена задача выявления участков трубопровода, заглубленного в донные отложения, проложенного по дну и провисающего над вымытым грунтом.

3. Результаты исследований берегового выхода магистрального газопровода

Одним из самых технологически небезопасных мест является выход трубы газопровода на берег. В качестве задачи выбрано изучение берегового контакта трубы газопровода с береговой линией (правый берег по течению реки), так как в плане изгиба реки берег вымывается. Для решения задачи проведено детальное исследование входа газопровода в правый берег, т.е. 50 м от уреза правого берега к фарватеру реки. На участке всего получено 23 профиля, из них 20 профилей поперечных и 3 профиля продольных оси газопровода, что позволило картировать общую обстановку.

Рис. 3. Параметры прокладки трубопровода по дну реки

Рис. 4. Изучение особенностей выхода трубопровода в песчаные береговые отложения

На рис.4 представлен георадиолокационный разрез входа трубы газопровода в правый берег, который снят вдоль трассы над газопроводом, где четко прослеживаются сама труба и технологическая насыпь. Коренные породы прослеживаются менее отчетливо, так как большие энергетические потери связаны с отражением сигнала от трубы газопровода.

Аналогичная задача решена по правому берегу, т.е. 50 м от уреза правого берега к фарватеру реки. Проведено картирование и получен результирующий георадиолокационный разрез на участке входа трубы газопровода в правый берег. В разрезе прослеживаются труба и технологическая насыпь. Поперечными профилями эта граница технологической отсыпки отчетливо видна по всей протяженности трубопровода.

Установлено, что в месте входа трубы в породу береговых отложений находится зона размыва под трубой. В результате сделан вывод и даны рекомендации о необходимости технологической отсыпки для пригруза трубы вблизи береговой зоны

На рис.5 представлены поперечные оси трубопровода профиля Р007, Р005 и Р006. На рада-раграммах верхней границей прослеживаются рельеф дна реки и граница коренных пород,

P0D7

Р005

Рис. 5. Георадиолокационные исследования участков газопровода в донных отложениях

трубопровод выявляется как локальная неоднородность в виде гипербол. Определены глубины проложенного трубопровода по отношению к коренным породам дна реки. На основе георадиолокационных данных, полученных поперечными и продольными профилями, построена схема расположения газопровода по переходу через реку.

На радараграммах выявляются и другие локальные неоднородности, в виде различных гипербол, при обработке данных по амплитудным и спектральным характеристикам эти помехи фильтруются.

4. Детализация разреза донных отложений по речному переходу проектируемого моста

Проведены георадиолокационные исследования русла р.Лена по трассе перехода проектируемого железнодорожного моста р.Лена в районе п.Табага. Дистанционные исследования проводились георадиолокатором ОКО-2 со спектром частот 30-60 МГц. На участке перехода ширина реки составляет 2150 м.

На участке работ протяженностью 300 м (±150 м от створа трассы и проектируемого мостового перехода) пройдено 11 профилей вдоль створа и 5 профилей по нормали к створу. Все профиля имеют точную GPS привязку.

Для более точного представления в трехмерном виде участка русла реки по створу моста необходима достоверная информация по сходимости профилей.

Исследование сходимости результатов по поперечному профилю и двум продольным оси трассы профилям представлено на рис.6. Точка G - точка пересечения продольных профилей Р003 и Р004, точки А и В - точки пересечения продольных оси трассы профилей Р003 и Р004 с поперечным профилем Р007, соответственно.

Представлены отрезки георадиолокационных профилей длиной 1050 м для Р003, 960 м для Р004 и 180 м для Р007. Сходимость глубины реки и мощности аллювиальных отложений в точке G составила 7,7 м и 2,2 м для Р003 и 7,9 м и 2,2 м для Р004, соответственно, при этом абсолютная ошибка глубины реки равна 0,2 м. Сходимость глубины реки и мощности аллювиальных отложений в точке А составила 7,1 м и 2,3 м для Р003, и 7,3 м и 2,6 м для Р007, соответственно, при этом абсолютная ошибка составила 0,2 м для глубины реки и 0,3 м для мощности аллювиальных отложений. Сходимость глубины реки и мощности аллювиальных отложений в точке В составила 7,4 м и

Труба

Рис.6. Сходимость измерений при триангуляции

2,8 м для Р004 и 7,2 м и 3 м для Р007, соответственно, при этом абсолютная ошибка - 0,2 м для глубины реки и мощности аллювиальных отложений.

На рис.7 представлено трехмерное представление участка реки в районе условного створа моста по р.Лена, построенное по георадиолокационным профилям, пройденным поперек реки по направлению к левому берегу.

Установлено субгоризонтальное залегание коренных пород с незначительным погружением в сторону правого берега. На радарограмме отчетливо прослеживаются рельеф дна и границы слоев донных отложений. По результатам зондирований отслежена конфигурация дна водоема до глубины 9 м. Фарватер реки смещен к левому берегу, при этом средние глубины левой и правой сторон реки составляют 7 и 6 м, соответственно. Мощность аллювиальных отложений увеличивается от центральной части реки до правого берега от 2 до 6 м. В центральной части реки мощность аллювиальных отложений

определена в пределах 1,4-2,2 м, в левой - в пределах 1-3 м. Отмечено увеличение мощности песчаных отложений с последующим выклиниванием и выходом косы.

5. Результаты исследований причин аварийной деформации речного моста

Метод исследований - георадиолокация в модифицикации исследований с поверхности воды. Методика работ - поверхностно-погружные измерения в режиме зондирования по профилям, определенным отметками на курсовых фалах. Поперечные профили снимались с поперечным расположением датчиков по отношению к движению. С поверхности воды профили снимались в режиме непрерывных наблюдений с дискретностью измерений ~ 7 см. Задача исследования - уточнить инженерно-геологическую ситуацию свайной опоры, установленной в русле реки.

Рис.

Трехмерное представление участка реки:

- поверхность коренного дна;

- поверхность аллювиальных

отложений

Рис.8. Георадиолокационный разрез реки, пройденный вдоль опоры моста

На рис.8 представлен георадиолокационный профиль по поверхности воды, пересекающий мост, отмечены границы, характеризующие неоднородный слой нарушенных коренных пород и факт расположения нижней границы ненарушенного массива, на 0,5^1 м ниже уровня заложенных свай. Определена глубина установки сваи в грунт - 5,8 м. Ниже, на отметке 6,5 м, прослежена граница, подтверждаемая параллельными профилями в поперечном сечении, по отметкам мощности грунта 6,1; 6,2; 5,6 м, соответственно. По интерпретации это мощность разрушенных коренных пород, что подтверждается высокой обводненностью пород (по данным измерений скоростей) и неоднородностью массива.

В результате установлена основная причина

деформирования моста - опоры установлены в нарушенные коренные породы.

Результаты проведенных работ по георадиолокационному исследованию рек, водоемов и их донных отложений дают основание утверждать о возможности успешного применения метода георадиолокации для выявления границ подводных геологических структур и зон нару-шенностей рельефа дна.

Практическая ценность исследований заключается в реализации рабочего макета георадиолокационной аппаратуры и апробации методики в процессе полевых работ. Проведенные научные исследования послужат эффективному решению задач в области дистанционного мониторинга донных отложений при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводов на речных переходах.

Литература

1. Омельяненко А.В. Двухспектральная георадиолокация обводненных полигонов россыпных месторождений / А.В. Омельяненко, И.И. Христофоров // Проблемы комплексного освоения георесурсов: материалы III Международной научной конференции (Хабаровск, 16-18 сентября 2009 г.). - Т. 4. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2010. - С.60-66.

2. Христофоров И.И. Особенности георадиолокации обводненных сред / А.В. Омельяненко, И.И. Христофоров // Горн. информ.-аналит. бюл. - 2012. -№9. - С.127-132.

Поступила в редакцию 11.02.2013

УДК 552.11

Генезис кислых магм

В.С. Шкодзинский

В свете современных данных о горячей аккреции Земли кислая кристаллическая кора древних платформ образовалась в основном из кислых остаточных расплавов малобарического фракционирования раннего синаккреционного магматического океана. Магмы гранитных батолитов возникли в результате декомпрессионно-фрикционного переплавления кислых пород кристаллической коры. Субдукционные кислые магмы - результат малоглубинного фракционирования очагов толеитовых магм в мантии.

Ключевые слова: магматический океан, мантия, кристаллическая кора, кислые магмы.

In the light of the modern data on a hot accretion of the Earth the acid crystalline crust of ancient platforms was formed mainly from acid residual melts of low-baric fractionation of early sinaccretion magma ocean. The magmas of Granite batholiths appeared as a result of decompression-friction melting of acid rocks of the crystalline crust. Subduction acid magmas were formed as result of a low-deep fractionation of tholeiite magmas centers in the mantle.

Key words: magma ocean, mantle, crystalline crust, acid magmas.

ШКОДЗИНСКИИ Владимир Степанович - д.г.-м.н., в.н.с. ИГАБМ СО РАН, shkodzinskiy@diamond.ysn.ru.