Инженерная геофизика 2014 — Геленджик, Россия, 21-25 апреля 2014 г.

Опыт применения георадиолокации для малоглубинных исследований многолетнемерзлых пород. С. С. Бричёва*(СПбГУ) Введение Георадиолокация является наиболее эффективным методом оперативного получения большого объема надёжных геофизических данных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Многолетнемерзлые породы (ММП) имеют достаточно сложную структуру, связанную с наличием в них различных ледяных образований. В ММП часто встречаются пластовые льды, имеющие мощности до десятков метров, криопэги – незамерзающие рассолы. Важной задачей, которую необходимо решать при проведении инженерных изысканий и других геотехнических работ в районах распространения ММП, является контроль состояния приповерхностного сезонно-активного слоя. Этот контроль включает в себя определение мощности сезонного протаивания, выявление и картирование неоднородностей в приповерхностных слоях (криопэгов, ледяных и грунтовых жил, невыраженных в рельефе бугров пучения), исследование динамики процессов изменения физических свойств, в том числе промерзания и протаивания при техногенных процессах. Работа проводилась в рамках научной программы экспедиции «Ямал-Арктика 2013» в августе-сентябре 2013 года на полуострове Ямал и Гыданском полуострове. Программа предусматривала высадки с экспедиционного судна на сушу для проведения ряда исследований, в том числе геофизических. Георадиолокация входила в комплекс геолого-геофизических работ наряду с ВЭЗ и опорным бурением. Основными задачами георадиолокации в ходе работы были:

Малоглубинные исследования в условиях распространения процессов морозобойного пучения и полигональных образований

Исследование неоднородностей (жил, бугров пучения) в верхней части кровли многолетнемерзлых пород

Оценка возможности использования георадара для определения статистических и корреляционных свойств полигональных структур

Методика и аппаратура Для исследований приповерхностного слоя ММП использовался георадар «ОКО-2» с дипольной экранированной антенной с центральной частотой 400 МГц. Для обработки георадиолокационных данных использовалась программное обеспечение GeoScan32, а для спектрального и корреляционного анализа – программы, специально написанные в среде MATLAB. Принцип действия аппаратуры подповерхностного радиолокационного зондирования (в общепринятой терминологии – георадара) основан на излучении широкополосных наносекундных электромагнитных импульсов и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах могут быть, например, контакт талых и мерзлых пород, контакты между породами различного литологического состава или криогенного строения. (Владов М.Л., Старовойтов А.В.[2004]) Основные электрические параметры, несущие информацию о составе, строении и состоянии мерзлых грунтов и льда (удельное электрическое сопротивление и электропроводность) зависят от содержания и качества замерзшей воды – минерализации, пористости, льдистости, криотекстуры, температуры. В процессе работ выполнялось георадарное профилирование на участках, где одновременно проводились геоморфологические исследования с бурением опорных скважин. Общая длина профилей составила около 20 км. Однако не во всех случаях удавалось получить качественную геологическую информацию о строении пород, слагающих разрез. Для определения мощности

Инженерная геофизика 2014 — Геленджик, Россия, 21-25 апреля 2014 г.

сезонно-талого слоя (СТС) применялся обычный геокриологический щуп, расчеты по гиперболическим отражениям дифрагированной волны на радарограммах, данные опорного бурения. Также применялось георадиолокацонное зондирование и данные ВЭЗ. Результаты

Рисунок 1 Фото георадарного профилирования на буграх пучения. На рисунке 2 приведены результаты георадарного профилирования над буграми пучения, выраженными в рельефе (см. Рисунок 1).

Рисунок 2 Радарограмма, полученная при прохождении двух бугров пучения, явно выраженных в рельефе. Красными метками обозначены границы бугров. На рисунке видна граница сезонно-талого слоя, которая имеет явную особенность – уменьшение мощности СТС над бугром пучения, в центре бугра четко отмечаются неоднородности границы («звон»), что может быть связано с наличием нерастаявшего льда в центральной части бугра. По характеру отражений можно сравнить возраст бугров. Так, бугор, отмеченный в правой части радарограммы, является более «старым» уже подвергшимся термоэррозии, а в левой – более «молодым», так как форма бугров связана с их возрастом. Следует также отметить, что подобные выводы можно было бы сделать, используя отражения от центральной части бугра и в случае промерзшего грунта, то есть при работе зимой.

Инженерная геофизика 2014 — Геленджик, Россия, 21-25 апреля 2014 г.

Рисунок 3 Аэрофотоснимок полигональной структуры в районе устья реки Монгочеяха (Гыданский п-ов), где проводилось георадарные исследования.

Рисунок 4 Фрагмент радарограммы, полученной при профилировании над полигональной структурой. Красные метки – точки, где проводились измерения глубины сезонного протаивания геокриологическим щупом. На рисунке 4 приведен фрагмент радарограммы, полученной на полигональной структуре, изображенной на рисунке 3. Суммарная длина профилей над этими структурами составила примерно 5 км. При выполнении этих работ мощность сезонно-талого слоя контролировалась щупом. Сравнение данных измерений щупом, оценок диэлектрической проницаемости по методу гипербол, и результатов георадарных зондирований, выполненных в отдельных точках профилей, показали, что граница СТС находится на глубинах порядка 50 см и недостаточно четко проявляется на радарограммах.

Инженерная геофизика 2014 — Геленджик, Россия, 21-25 апреля 2014 г.

В то же время граница, четко фиксируемая на глубине примерно 1 м, является границей меду заторфованными супесями и засоленными мерзлыми суглинками. При этом на верхней границе мерзлоты наблюдаются отдельные неоднородности, скорее всего связанные с льдистыми образованиями (трещинами, заполненными льдом). Как показали измерения, колебания этой границы коррелируют с визуально наблюдаемыми на поверхности трещинами, образующими полигональную структуру. Наиболее четкие трещины, выраженные на поверхности, соответствуют минимумам глубины залегания суглинков. Этот вывод отчасти совпадает с результатами, полученными в работах Watanabe et al. (2013) и Jeffrey S. Munroe et al. (2007), где было показано, что трещины, отмечаемые на поверхности, проявляются и в радарных данных, соответствующих глубинам порядка одного метра. Это открывает возможности для получения статистики распределения размеров полигональных структур при радарной съемке. В частности спектральный анализ показал, что спектры рядов глубины залегания суглинков спадают по степенному закону с показателем степени, близким к единице. Выводы Георадиолокационные исследования показали достаточно высокую эффективность при изучении подповерхностных структур в районах распространения многолетнемерзлых пород. Результаты сравнения данных о мощности сезонно-талого слоя по радарограммам и по щупу позволяют оценить диэлектрическую проницаемость, связанную с влажностью пород, даже при отсутствии гиперболических отражений. Это является чрезвычайно важной задачей при оценке солифлюкционной опасности района. В то же время следует отметить, что в ряде случаев наиболее существенные отражения могут быть связаны не с сезонно-талым слоем, а с границей заторфованных пород и засоленных суглинков, что характерно для условий Ямала. Пространственные колебания этой границы проявляются на поверхности в виде полигональных структур, что может быть связано с процессами образования ледяных жил. Благодарности Автор выражает признательность С. С. Крылову за помощь в оценке и интерпретации большого объема данных, за ценные советы и замечания. Также я благодарна руководству и участникам экспедиции «Ямал-Арктика 2013» за поддержку и помощь в проведении работ. Библиография Jeffrey S. Munroe, Jim A. Doolittle, Mikhail Z. Kanevskiy, Kenneth M. Hinkel, Frederick E. Nelson, Benjamin M. Jones, Yuri Shur, John M. Kimble [2007] Application of Ground-Penetrating Radar Imagery for Three-Dimensional Visualisation of Near-Surface Structures in Ice-Rich Permafrost, Barrow, Alaska. Permafrost and Periglacial Process, 18, 309–321 Watanabe, T., Matsuoka, N. and Christiansen, H.H. [2013] Ice- and Soil-Wedge Dynamics in the Kapp Linné Area, Svalbard, Investigated by Two- and Three-Dimensional GPR and Ground Thermal and Acceleration Regimes. Permafrost and Periglacial Process, 24, 39-55 Владов М.Л., Старовойтов А.В.[2004] Введение в георадиолокацию. Учебное пособие – М.: Издательство МГУ Контактная информация Бричёва Светлана Сергеевна, svebrich@gmail.com.