Инновационные георадарные технологии изучения подповерхностной структуры и состояния природно-технических систем

Естественные и технические науки

УДК 550.837.76

ИННОВАЦИОННЫЕ ГЕОРАДАРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗУЧЕНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ И СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Н.Н. Мельников, А.И. Калашник

Г орный институт КНЦ РАН

Аннотация

Изложены методические подходы к проведению современных, высокотехнологичных и информативных неразрушающих георадарных определений для целей подконтурного зондирования (профилирования) горно-геологических сред, изучения подповерхностной структуры и состояния природно-технических систем. Приведены результаты георадарных съемок на экспериментальных участках Хибинского и Ковдорского горнорудных районов, на о. Шпицберген, а также в переходной зоне «суша - водоем». Проведенные исследования с применением инновационных георадарных технологий убедительно показали, что георадарные определения для целей подконтурного зондирования (профилирования) участков массивов горных пород (природно-технических систем) являются наиболее современным, высокотехнологичным и информативным средством неразрушающих измерений, позволяющим получать результаты в режиме реального времени и с привязкой данных к GPS. Георадарные определения высокоинформативны как для естественных грунтовых и породных массивов, так и для искусственных грунтовых сооружений, дамб, плотин, оснований (фундаментов) и позволяют осуществлять оценку исходного (первоначального) состояния и структуры, а также мониторинг развития деформационных процессов, развитие трещиноватости, изменения структуры и т.п. природно-технических систем.

Ключевые слова:

инновации, георадарные технологии, природно-технические системы, подповерхностное зондирование, изучение структуры, мониторинг.

Подповерхностное зондирование природно-технических систем с использованием радиолокационных комплексов (в общепринятой терминологии - георадара) основано на использовании классических принципов радиолокации [1]. Антенной георадара излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1.0-1.5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная часть сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью георадара. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжений (ударный метод возбуждения).

Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной (рис. 1), далее усиливается в широкополосном усилителе и преобразуется в цифровой код для обработки. В результате обработки полученная информация отображается в виде волнового или плотностного профиля - радарограммы.

Георадарные определения в настоящее время получают широкое применение в различных областях, среди которых в первую очередь необходимо выделить горное дело, транспортное, промышленное и гражданское строительство, экологию и др.

Применение георадарных определений позволяет строить геологические разрезы; определять положение уровня грунтовых вод, толщину льда, глубину и профиль дна рек и озер; определять границы распространения полезных ископаемых, положение карстовых воронок и пустот; выявлять локальные проявления месторождений полезный ископаемых. Для задач горного дела почвенное

зондирование с помощью георадарных комплексов дает возможность обследовать борты, уступы и бермы в карьерах; кровлю, потолочины и целики в подземных горных выработках; обнаруживать полости и кварцевые гнезда; выявлять природные и техногенные разрывные нарушения в законтурном массиве пород [2]. С применением современных георадарных технологий возможно производить оценку оснований под транспортные сооружения; определять глубину промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях; определять содержание влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях; определять качество и состояние бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.), состояния дамб и плотин; выявлять оползневые зоны, места расположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и других объектов коммунального хозяйства). Специально следует выделить решаемые с помощью георадарных технологий задачи экологии: оценка загрязнения почв; обнаружение утечки из нефте-, продукто- и водопроводов; идентификация мест захоронения экологически опасных отходов и др.

Источник Приемник Источник Приемник

а.

Н

Рис.1. Схема образования отраженной электромагнитной волны от наклонной границы раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями е: а - глубинный разрез; б - временной разрез

Методика георадарных определений включает в себя два основных способа георадарной съемки: профилирование и зондирование [1]. При профилировании георадар перемещается по линии (трассе), и при каждом измерении передающая и приемная антенны находятся в одной точке линии. При зондировании выбирается одна точка и далее приводится ряд регистраций отраженных сигналов при разносе антенн передатчика и приемника в разные стороны на равные расстояния.

В Г орном институте КНЦ РАН развивается инновационное направление георадиолокационных исследований с применением георадарного комплекса Ramac/GPR Х3М, оснащенного экранированными антеннами 100, 500 и 800 МГц, что позволяет получать непрерывную информацию об основных элементах строения участков массивов горных пород на глубину до 30 м с выделением (идентификацией) его аномалий (разрывные нарушения, полости, влагонасыщенные грунты и т.п.).

Задачи, возникающие при освоении горнорудных месторождений полезных ископаемых, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две категории с характерными для каждой приемами исследований, способами обработки, типами отображения объектов и представления результатов исследования.

К первой категории относятся геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи освоения месторождений горнопромышленного комплекса, такие как:

• получение информации об основных элементах строения породных массивов;

• определение состояния массивов пород, наличие зон естественной и техногенной трещиноватости, разрывных зон;

• определение состояния и структуры конструктивных элементов горных выработок: бортов и берм в карьерах, целиков и потолочин рудников.

Вторая категория задач включает в себя инженерные изыскания площадок и оснований для строительства и реконструкции зданий, дорог, котлованов и других сооружений при освоении месторождений полезных ископаемых.

Ниже приведены наиболее характерные примеры проведения полевых георадиолокационных исследований.

1. Предгорье Ковдорского горнорудного массива - природно-техническая система, подвергающаяся периодическим взрывным (волновым) воздействиям (рис. 2). При этом общая длина профилей при угле наклона порядка 30°составила около 160 м.

Анализ волновых картин на радарограммах, полученных при проведении исследований, подтвердил возможность применения методов неразрушающего подповерхностного зондирования в подобных условиях с достаточной достоверностью получения данных и их количественной и качественной интерпретации. Выявлена скрытая в глубине массива представляющая потенциальную опасность трещина скольжения (сдвига) по всей длине профиля. Также установлено, что приповерхностная зона представляет собой сильнотрещиноватые раздробленные породы мощностью до 5 м. О динамике процесса деформирования массивов пород данного участка можно судить по результатам мониторинга в течение предположительно одного-двух лет.

Схема георадиолокационных определений

Рис. 2. Проведение полевых работ

2. На западном склоне горы Айкуайвенчорр Хибинского горнорудного массива (центральная часть Кольского п-ова) георадиолокационные определения проведены на склоне протяженностью 515 м и перепадом высоты от вершины до нижней точки склона приблизительно 300 м. Исследованный участок имел снежный покров с повышенной влажностью и локальными обнажениями грунта. Глубина снега составляла в среднем 80-90 см, а на отдельных участках достигала 1.5 м. По результатам камеральной обработки полевых исследований построена радарограмма (рис. 3), на которой можно выделить несколько слоев. Снежный покров четко прослеживается по длине всего

профиля в виду большой разницы диэлектрической проницаемости на границе сред снег - морена. На участках 0-55, 85-160, 220-230, 305-315 м снежный покров отсутствует. Вторым слоем была выделена морена, мощность которой составляет от 2 м на вершине горы и до 5 м к подножью. При анализе профиля на участке 0-270 м можно увидеть увеличение мощности морены с 2 до 5 м, а на участке 270-515 м - уменьшение с 5 до 3.5 м. Граница морены с коренной породой менее уверенно идентифицируется ввиду суглинистых отложений в составе верхнего слоя и повышенной влажности исследуемой области, обусловленной активным таянием снега.

ИЯапсе $

Рис. 3. Радарограмма по результатам георадиолокационных работ на склоне горы Айкуайвенчорр

Хибинского горнорудного массива

3. По периметру здания ТЭЦ ОАО «Арктикуголь» в пос. Баренцбург (о. Шпицберген) георадиолокационное профилирование было проведено в сентябре 2009 г. Целью работы являлось выявление глубины залегания границы мерзлоты, которая по данным 25-летней давности располагалась на уровне 6.2-6.7 м ниже дневной поверхности. Георадарным определением было установлено, что граница мерзлоты в настоящее время расположена на глубине 6.5-7.5 м (рис. 4).

Оге«апсе. $ І? Ц ? I? ? ? ^ ^

Мерзлый грунт

Рис. 4. Интерпретированная радарограмма профиля периметра здания ТЭЦ ОАО «Арктикуголь»

4. В переходной зоне «береговой склон - крупномасштабный водоем» (полевые определения на

оз. Имандра, центральная часть Кольского п-ова) во внимание принимались три группы основных задач:

1) геологические (уточнение литологии и структуры геологического разреза переходной зоны);

2) фазовые состояния флюидов (насыщенность грунтов, осадков, илов; толщина ледового покрова, мощность промерзания, наличие жидкой фазы, полостей, пор, трещин и т.п.);

3) поисковые (связанные с обнаружением и идентификацией искусственных (техногенных) объектов на дне водоемов, в осадочных слоях, илах и ледовом покрове).

Анализ полученных результатов позволяет выявить следующие особенности флюидосодержащей природной системы: толщина ледового покрова составляет около 1.5 м; на

границе илистых отложений с водой отмечается резкая смена волновой картины, что дает возможность четко определить глубину водоема на исследованном участке, которая составляет порядка 6-8 м; подошва илов идентифицирована по интенсивным осям синфазности более сложной формы по сравнению с донным отражением и поэтому уверенно выделяется; коренные отложения отличаются от современных илов на радарограмме характером осей синфазности; глубина залегания коренных пород составляет от 2-3 м у берега, до 14-16 м при удалении от береговой черты (рис. 5).

ЙО 100 150 ОТО ГМ 300' ДОЗ 400 JW ЬОО |№0| |60С| |ИС| fJOO( 7 5Я ВОО -В30 900 9S

Рис. 5. Радарограмма исследований в переходной зоне «береговой склон - крупномасштабный водоем»

Проведенные исследования с применением инновационных георадарных технологий убедительно показали:

• георадарные определения для целей подконтурного зондирования (профилирования) участков массивов горных пород (природно-технических систем) являются наиболее современным, высокотехнологичным и информативным средством неразрушающих измерений, позволяющим получать результаты в режиме реального времени и с привязкой данных к GPS;

• георадарные технологии высокоинформативны как для естественных грунтовых и породных массивов, так и для искусственных грунтовых сооружений, дамб, плотин, оснований (фундаментов) позволяют осуществлять оценку исходного (первоначального) состояния и структуры, а также мониторинг развития деформационных процессов, развитие трещиноватости, изменения структуры и т.п. природно-технических систем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. МГУ, 2005. 153 с. 2. Калашник А.И., Запорожец Д.В., Дьяков А.Ю., Демахин А.Ю. Подповерхностное георадарное зондирование горно-геологических сред Кольского полуострова // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12. № 4. С. 576-582.

Сведения об авторах

Мельников Николай Николаевич - академик, директор института, e-mail: root@goi.kolasc.net.ru Калашник Анатолий Ильич - к.т.н., зав. лабораторией, e-mail: kalashnik@goi.kolasc.net.ru