Георадиолокационные исследования при решении задач инженерной геофизики

Развитие инженерной геофизики, ориентированной на изучение геологического строения малых глубин, оценку воздействия техногенной нагрузки на геологическую среду, обследование состояния инженерных сетей и сооружений, приобретает все большее значение (Огильви, Богословский 1984, Шевнин и др. 1999). Метод георадиолокации, обладающий высокой разрешающей способностью, производительностью и чувствительностью к незначительным изменениям в составе и состоянии рыхлых пород, приобретает значение ведущего геофизического метода при изучении верхней части геологического разреза. Наряду со значительными успехами, достигнутыми в области разработки аппаратуры (Финкельштейн и др. 1994, Золотарев^ 1999) и способов информационного анализа данных (Калинин, Старовойтов, В ладов, Токарев 1997), методика интерпретации материалов метода георадиолокации находится в стадии становления.

Особенность интерпретации данных метода георадиолокации обусловлена тем, что диэлектрические свойства верхней части геологического разреза, определяющие распространение импульсов георадара, изменяются во времени под влиянием разнообразных экзогенных факторов. Высокая чувствительность метода к этим изменениям диэлектрических свойств среды обуславливает в некоторых случаях неустойчивость получаемых результатов (Б. Сотайпа 1997). Неустойчивость проявляется в том, что результаты георадиолокационной съемки, полученные в разное время, могут существенно отличаться.

Интерпретация данных метода георадиолокации, по нашему мнению, должна производится с учетом изменений диэлектрических свойств изучаемого геологического разреза. Для этого необходимо разработать аппарат численного моделирования геоэлектрической структуры разреза и регистрируемых георадаром электромагнитных полей.

В современной научной литературе приводятся в основном результаты физического моделирования диэлектрических свойств пород. Отсутствие разработок в области численного моделирования свойств пород является сдерживающим фактором для создания базовых интерпретационных моделей метода георадиолокации. Это, в свою очередь, ограничивает возможности и эффективность метода при решении задач инженерной геофизики.

Перспективы развития метода георадиолокации связаны также с развитием принципов комплексирования с другими методами инженерной геофизики.

Целью данной работы являлось развитие интерпретационной базы и повышение эффективности метода георадиолокации при решении задач инженерной геофизики.

Для достижения этой цели необходимо:

1. разработать алгоритмы численного моделирования многокомпонентных сред, необходимые для описания диэлектрических свойств объектов инженерной геофизики;

2. исследовать влияние экзогенных факторов на изменения диэлектрических свойств пород зоны аэрации;

3. проанализировать изменения динамических и кинематических характеристик волновых электромагнитных полей, обусловленные воздействием внешних факторов;

4. разработать базовые геоэлектрические модели объектов инженерной геофизики, позволяющие обосновать и оценить эффективность применения метода георадиолокации в различных геоэлектрических условиях;

5. опробовать выполненные разработки при решении инженерно-геологических, геоэкологических и инженерных задач в условиях Санкт-Петербурга.

Диссертация выполнена на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых СПГГИ и базируется на теоретических исследованиях, проводившихся автором в период обучения в аспирантуре, а также на материалах полевых работ, полученных при участии автора. В ходе выполнения работы использовалось созданное автором программное обеспечение для расчета диэлектрических свойств многокомпонентных сред и волновых электромагнитных полей объектов инженерной геофизики, и комплекс программ для трехмерного представления данных георадиолокации, позволяющий анализировать пространственную структуру регистрируемых георадаром волновых электромагнитных полей. Полученные экспериментальные зависимости соответствуют опубликованным результатам физического моделирования, а рассчитанные волновые электромагнитные поля хорошо согласуются с практическими радарограммами. Результаты исследований подтверждены вскрышными работами и бурением.

Были сформулированы следующие загцищаемые положения:

1. Алгоритмы моделирования сложных многокомпонентных сред, основанные на рекуррентной формуле Вильямса и Маддена, обеспечивают оценку диэлектрических свойств дисперсных пород с учетом их инженерно-геологических и гидрогеологических параметров. Гидродинамический режим зоны аэрации обуславливает наличие области нестабильных геоэлектрических параметров, которая характеризуется интенсивными пространственными и временными изменениями •диэлектрических свойств пород верхней части геологического разреза.

2. Характеристики области нестабильных геоэлектрических параметров оказывают существенное влияние на результаты метода георадиолокации и должны учитываться при интерпретации экспериментальных данных и оценке эффективности применения метода георадиолокации для решения задач инженерной геофизики. Разработанные модели волновых электромагнитных полей доказывают принципиальную возможность изучения гидродинамических процессов в пределах зоны аэрации.

3. Комплексное применение метода сопротивлений и георадиолокации обеспечивает оценку состояния монолитных инженерных сооружений. Изменения геоэлектрических свойств бетона инженерных сооружений, прослеживаемые по данным комплексных режимных наблюдений методами электроразведки, позволяют оценить качество и степень достаточности ремонтных работ методом цементных инъекций.

Разработанные принципы моделирования объектов инженерной геофизики и интерпретации данных метода георадиолокации реализованы при решении широкого круга практических задач в следующих организациях: Комитете по благоустройству и дорожному хозяйству Санкт-ПетербургаГосударственном муниципальном предприятии «Мостотрест» — ЗАО «Дорсервис-Нева» — Администрации Курортного района Санкт-ПетербургаНаучно-производственном предприятии «Нейво» — Государственном музее-заповеднике «Царское село» — Отделе архитектурной археологии Государственного ЭрмитажаФонде инж. К. Леричи при Миланском политехническом институте.

Разработанные программы моделирования и трехмерного представления данных георадиолокации применяются для обучения студентов геофизической специальности СПГГИ.

Основные положения и результаты диссертационной работы рассматривались и докладывались на научных конференциях студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые и их освоение» (СПГГИ 1996, 1997, 1998, 1999) — на международной геофизической конференции «Москва-97», SEG-EAGE-EArO (Москва, 1997) — на третьей Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов «Молодые .ученые промышленности и городскому хозяйству» (Санкт-Петербург, 1998) — на семинаре кафедры «Мосты и тоннели» Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщенийна седьмой ежегодной научной конференции «XXI век: молодежь, образование, ноосфера» (Санкт-Петербург, 1999) — на 53-ей международной научно-технической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 1999) — 61-ая EAGE конференция (Хельсинки, 1999) — на 4-ой международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада РФ», на семинаре по итогам архитектурно-археологического и геоархеологического изучения памятников «Золотого кольца» России, (Владимир, 1999), а также отражены в пятнадцати публикациях.

При выполнении исследований и подготовке диссертации автор пользовался неизменной поддержкой, помощью и советами д.т.н. В. В. Глазунова, которому автор приносит благодарность. Автор глубоко признателен за содействие и ценные советы сотрудникам кафедры геофизических и геохимических методов проф. A.A. Молчанову, проф. В. Х. Захарову, проф. О. Ф. Путикову, проф.

A.Н. Телегину, доц. А. Г. Марченко, с.н.с. К. В. Блинову, ст.преп. С. К. Забурдину, инж. С. И. Козыревой, И. Б. Тимохину. Автор благодарен за сотрудничество и консультации д.т.н. K.M. Ермохину, к.т.н. В. П. Золотареву и сотрудникам МГУ проф.

B.А. Шевнину, доц. И. Н. Модину, к.ф.-м.н. Д. К. Большакову, доц. A.B. Старовойтову, доц. M.JI. Владову, доц. М. Ю. Токареву. Автор пользовался помощью многих специалистов, дискуссии и обмен опытом с которыми, нашли отражение в работе. С благодарностью следует упомянуть М. Кукарзи, В. В. Монича, В. Ф. Демина, Е. П. Горецкого, О. М, Иоаннисяна, В. В. Беликова, Г. Г. Бутенко, М. В. Свинина, В. П. Щемелинина, Б. Г. Нового, проф. Д. М. Голицинского, С. З. Дмитриева.

Выводы.

Разработанная методика электромагнитной дефектоскопии обеспечила выполнение непрерывного и неразрушаюгцего обследования дорожного основания Канонерского тоннеля. С помощью электромагнитной дефектоскопии обследовано дорожное основание на всем протяжении тоннеля вдоль двух профилей. В секции IV выполнена детальная площадная съемка до цементации. После первичной цементации детальная площадная съемка секции IV была повторена.

Результаты дефектоскопии помогают выполнять цементацию целенаправленно за счет предварительного определения местоположения дефектных зон в дорожном основании.

На основе данных дефектоскопии дорожного основания, полученных после цементации можно получить информацию о том, какие дефектные зоны заполнялись цементным раствором, и оценить достаточность выполненной цементации.

По данным электромагнитной дефектоскопии выделены участки характеризующиеся нормальным и дефектным состоянием бетона на всем протяжении северной и южной сторон тоннеля. Нормальное состояние бетона характеризуется высокой степенью его монолитности и отражается по данным дефектоскопии повышенными значениями величины рк и слабыми возмущениями электромагнитных волн на радарограммах. Дефектное состояние бетона характеризуется наличием дефектов различной природы. Трещины и пустоты заполнены минерализованной водой, так как отражаются аномалиями низких значений величины рк<10 Омм и интенсивными возмущениями электромагнитных волн на радарограммах.

Полученные материалы позволяют дать обобщенную оценку состояния дорожного основания и секции IV до и после первичной цементации. Дефектные зоны в железобетонной конструкции тоннеля характеризуются обводненными трещинами и пустотами, вероятно образовавшимися в результате выщелачивания бетона под действием фильтрационных процессов и коррозии арматуры. Дефектные участки располагаются в краевых частях секции IV.

Состояние дорожного основания секции IV после первичной цементации значительно улучшилось. Площади аномально низких значений рк, характеризующие области с дефектным состоянием бетона, сократились почти в 3 раза. Цементный камень заполнил вертикальные и наклонные трещины, швы бетонирования, контакт бетона дорожной одежды с несущей конструкцией, каверны, трещины и пустоты в конструкции тоннеля.

Полученные результаты обосновывают третье защищаемое положение: комплексное применение метода сопротивлений и георадиолокации обеспечивает оценку состояния монолитных инженерных сооружений. Изменения геоэлектрических свойств бетона инженерных сооружений, прослеживаемые по данным комплексных режимных наблюдений методами электроразведки, позволяют оценить качество и степень достаточности ремонтных работ методом цементн ых ин ъекций.

5.3.2. Геоэкологические исследования водохранилища «Озеро Сестрорецкий разлив» .

Озеро «Сестрорецкий разлив», на берегу которого расположен город Сестрорецк, занимает особое место в Курортном районе г. Санкт-Петербург. Оно влияет на формирование микроклимата, является зоной массового отдыха горожан и служит источником питьевой воды для жителей г. Сестрорецк и прилегающих к нему населенных пунктов. Кроме того, вода из озера поступает в Финский залив, и то, что она несет, разносится по пляжам залива, растворяется в морской воде, и в конечном итоге, существенно влияет на экологическую обстановку прибрежной морской части Курортного района в целом. После 1917 года регулярная очистка водохранилища перестала производиться, поэтому сейчас «Озеро Сестрорецкий Разлив» представляет собой загрязненный и заболачиваемый водоем. Источниками загрязнения являются питающие водохранилище реки Сестра и Черная (рис. 5.16). Они несут разнообразный терригенный материал, а также биохимические компоненты, наибольшая концентрация и разнообразие которых наблюдается в водах реки Черная [4]. В результате аккумуляции терригенного материала происходит обмеление озера, сопровождающееся ростом камыша и образованием островов. Небольшая глубина водохранилища ослабляет вертикальную конвекцию водных масс, что в сочетании с антропогенной нагрузкой способствует его эвтрофированию. Таким образом, одним из факторов, определяющим экологическую ситуацию является геологический фактор, связанный с осадконакоплением. И под геоэкологической оценкой понимается изучение влияния именно этого фактора.

Для разработки комплекса мероприятий по улучшению экологической обстановки в районе г. Сестрорецка необходимо всестороннее и детальное изучение современного состояния водохранилища. Улучшение экологической обстановки в водоеме возможно прежде всего за счет его углубления и очистки. Оптимизировать выполнение дорогостоящих очистных мероприятий возможно на основе информации о рельефе дна. стратиграфии и мощности песчано-илистых отложений, скорости осадконакоплсния в различных частях водоема.

Традиционный метод обследования дна акваторий (геоакустическое профилирование) фактически непригоден для решения этих задач, так как акустические импульсы поглощаются газонасыщенными песчано-илистыми отложениями. Преодолеть эти ограничения позволяет электромагнитный аналог акустического метода — георадиолокационное подповерхностное зондирование. Обследование акваторий георадаром возможно со льда, что позволяет предельно ускорить выполнение съемки и упростить сопутствующие геодезические работы.

Основной целью работ являлось детальное изучение разреза донных отложений, сформировавшихся за период существования водохранилища с 1723 г. по 1999 г. Поэтому задачи геофизических исследований включали:

1) получение информации о песчано-илистых отложениях водохранилища в среднем до глубины 6 м, а при благоприятном геоэлектрическом разрезе до — 10 м;

2) выбор мест заложения скважин в областях, характеризующихся различными мощностями и составом донных отложений;

3) стратиграфическое расчленение и определение мощности песчано-илистых отложений с учетом данных бурения опорных скважин.

Георадиолокационные исследования были проведены в 1998;1999 гг по инициативе Территориального управления Курортного административного района г. Санкт-Петербурга для изучения рельефа дна и поддонных отложений водохранилища «Озеро Сестрорецкий Разлив». Съемка проводилась с георадаром «7,ОЫО-12С», оборудованным антенной 300 МГц, транспортировка которой осуществлялась снегоходом со скоростью 10 км/час по 22-м профилям субширотного направления.

Рис. 5.18. Схема расположения геофизических профилей при.

ПрОБСДСНИИ ГСОраДИОЛОКаЦИОННЫХ ИССЛСДОВаНИИ аКВаТОрИИ водохранилища «Озеро Сестрорецкий разлив». рис. 5.18). Частота следования зондирующих импульсов (14 имп/сек) обеспечивала практически непрерывную запись информации об исследуемой среде. Пример радарограммы приведен на рис. 5.19.

Анализ полученных радарограмм позволил установить соответствие между принимаемыми антенной электромагнитными сигналами и реальными отражающими границами (рис. 5.17), т. е. перейти от временных разрезов к глубинным.

Обработка и визуализация полученных радарограмм осуществлялась с помощью компьютера класса Pentium II и программы «Prizm v.4.1». Пример радарограммы по профилю 4 приведен на рис. 5.20.

На радарограмм ах отчетливо проявляются отражения от следующих геоэлектрических границ: снег/лед, лед / вода, верхняя кромка илов, вода / дно водоема, поддонные отложения / коренные супеси. Участки, где под слоем снега находилась вода, отмечаются на радарограммах в виде вертикальных зон многократных отражений, затрудняющих выделение полезных сигналов.

Конфигурация осей синфазности воли, отраженных от геоэлектрических границ в донных отложениях и на контакте с коренными супесями, позволяет локализовать на радарограммах местоположение палеодолины р.Сестра. Глубина проникновения волн в отложения западного борта палеодолины больше, чем в отложения восточного борта. Это можно объяснить преобладанием песчаных отложений на правом берету палеодолины р.Сестры. Характер волнового поля здесь позволяет выделить отражения от слоев песка различной мощности. В основании песчаной толщи на всех радарограммах отчетливо выделяется маркирующий геоэлектрический горизонт.

Интерпретация данных георадиолокационного зондирования.

Процедуры обработки данных георадиолокационной съемки включали:

1. выполнение цифровой фильтрации радарограмм с целью выделения полезных волн и подавления помех;

2. анализ и сопоставление результатов фильтрации с данными бурения скважин для уяснения геологической природы геоэлектрических границ, отражающих электромагнитные волны (рис. 5.21);

3. построение коррелирующихся в пределах обследованной площади временных разрезов, отражающих залегание основных разностей песчано-илистых отложений по профилям георадиолокационной съемки;

4. оцифровка осей синфазности временных разрезов с помощью дигитайзера;

5. определение средних скоростей распространения электромагнитных волн в песчано-илистых отложениях на частоте 300МГц на основании данных бурения;

6. выполнение процедур миграции временных разрезов;

7. построение геологических разрезов по линиям профилей.

Геологическое истолкование материалов На геологическом разрезе (рис. 5.21), построенном по данным георадиолокационной съемки и скважин, отражены основные разности донных отложений: пески мелкозернистые и среднезернистые, супеси заторфованные, с прослоями слаборазложившегося торфа. Условные обозначения к геологическим разрезам приведены в таблице 5.1.

Построенные геологические разрезы позволяют сделать выводы о том, что отложения обследованной территории водохранилища, можно условно подразделить на две фациальные группы. Первая группа развита к западу от палеорусла р. Сестры и представлена в основном песчаными разностями. Пески выклиниваются в восточном направлении к палеоруслу р.Сестры. Вторая группа, характеризующаяся преобладанием супесей и илов, занимает восточную часть от палеорусла р. Сестры до верхнего болота.

Маркирующий геоэлектрический горизонт, как показали данные бурения, совпадает с дневной поверхностью 1723 г. Это обстоятельство послужило основой для реконструкции долины р. Сестра, существовавшей в момент создания искусственного водохранилища.

Результаты работ позволили решить следующие практические задачи: построить цифровую карту рельефа дна водохранилища на март 1998 г. и выполнить палеореконструкция низовий рек Сестры и Черной, на которой показано положение русел рек до образования водохранилища (рис. 5.23, 5.24). По полученным данным была выполнена оценка мощности осадков и рассчитана скорость осадконакопления в различных частях озера.

С-4 С-2 С-1 С-3 С-5 расстояние (метры) о 5 о юош.

Рис. 5.22. Геологический разрез по данным георадиолокационного зондирования (профиль 4).

Рис. 5.23. Карты изобат водохранилища «Озеро Сетрорецкий разлив» построенные по данным георадиолокационного зондирования. Рельеф дна водохранилища на 1998 г (а) и предполагаемый палеорельеф низовий рек Сестры и Черной на 1723 г. (б).

Результаты этих работ, наряду с обширными ранее проведенными исследованиями состояния акватории искусственного водохранилища «Озеро Сестрорецкий разлив», легли в основу разработанной главным специалистом по экологии администрации Курортного района г. Санкт-Петербург В. В Беликовым концепции по оздоровлению экологической обстановки водохранилища [4]. Выполненные работы показали, что метод георадиолокации может быть с успехом применен для обследования, как искусственных водоемов, так и естественных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполненные исследования показали, что метод георадиолокационного зондирования обладает высокой производительностью и обеспечивает высокую детальность и разрешающую способность исследований. К основным задачам, решаемым с помощью этого метода, можно отнести изучение инженерно-геологического разреза на суше и акватории, поиск локальных объектов (неоднородностей) естественного или искусственного происхождения и дефектоскопию инженерных сооружений. Выполненные исследования на объектах г. Санкт-Петербург показан и, что к недостаткам этого метода можно отнести сравнительно небольшую глубинность исследований и зависимость результатов георадиолокационной съемки от погодных условий.

2. Объекты инженерной геофизики можно классифицировать по их связи с геологической средой. По этому признак}' можно условно выделить следующие группы объектов. искусственные сооружения и объекты, рассматриваемые отдельно от геологической среды (бетонные и железобетонные конструкции, постройки).. инженерные сооружения для которых геологическая среда является несущим основанием (дороги, наземные постройки и сооружения). объекты, расположенные в подземном, геологическом пространстве (археологические объекты, инженерные сети, трубопроводы). геологический разрез и процессы протекающие в нем под действием природных и техногенных факторов.

3. Для оценки возможностей метода георадиолокации необходимо рассматривать диэлектрические свойства изучаемых объектов. Моделирование диэлектрических свойств возможно в рамках теории многокомпонентных сред. При моделировании электромагнитных свойств дисперсных горных пород и искусственных материалов, они в большинстве случаев представляют собой, как минимум, двухфазные (минеральный скслст — вода), и, как максимум, трехфазные (мин. скелет — водавоздух) среды. Для моделирования диэлектрических свойств таких сред целесообразно использовать рекуррентную формулу, предложенную Мадденом и Вильямсом. Эта формула опирается на теорию эффективной срсды в предположении о дискретном распределении размеров сферических включений. Результирующие свойства сред определяются свойствами индивидуальных компонент и их объемным соотношением. Численное моделирование позволяет выявить основные закономерности и связи диэлектрических свойств рыхлых пород в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических параметров.

4. На основании численного моделирования изучены основные пространственные и временные изменения диэлектрических свойств основных инженерных объектов и инженерно-геологических разрезов. Изменения свойств во времени связаны с изменениями, возникающими в результате эксплуатации инженерных сооружений и гидрогеологического режима зоны аэрации. В диэлектрических моделях инженерно-геологического разреза можно условно выделить зону нестабильных геоэлектрических параметров переменной мощности, которая формируется под действием экзогенных процессов и приурочена к верхней части разреза. В пределах этой зоны вариации действительной части диэлектрической проницаемости могут достигать 300%. Характеристики зоны нестабильных геоэлектрических параметров определяют контрасты диэлектрических свойств верхней части инженерно-геологического разреза и потому влияют на эффективность применения метода георадиолокации. Наличие зоны нестабильных геоэлектрических параметров, мощность и свойства которой определяются гидродинамическим режимом, обуславливает необходимость создания динамической модели ВЧР.

5. Численное моделирование показало, что процессы, которые протекают в бетоне, под воздействием антропогенной нагрузки, и способствуют изменению коэффициента трещинной пустотности и свойств заполнителя трещин, отражаются в изменении электромагнитных свойств бетона и могут быть исследованы с помощью геофизических методов.

5. Разработанные алгоритмы моделирования волновых электромагнитных полей, программно реализованные для одномерной модели с учетом многократных отражений и для двумерной модели, позволяют моделировать радарограммы объектов инженерной геофизики. Результаты численного моделирования волновых электромагнитных полей хорошо согласуются с практическими радарограммами.

6. Наличие зоны нестабильных геоэлектрических параметров влияет на формирование электромагнитного волнового поля верхней части инженерно-геологического разреза, что проявляется в изменении количества отражений, времени.

191 прихода и амплитуды отраженных электромагнитных импульсов. Изменения волновых электромагнитных полей отражающих изменение гидродинамического режима зоны аэрации влияет на эффективность применения метода георадиолокаиии. Учет влияния зоны нестабильных гсоэлсктричсских параметров можно осуществить путем создания динамических моделей объектов инженерной геофизики.

7. Созданные динамические модели типовых объектов инженерной геофизики полезны для интерпретации радарограмм и позволяют прогнозировать наиболее благоприятные условия для изучения инжснсрно-гсологического разреза методом георадиолокации.

8. Предложенный комплекс электромагнитных методов, основанный на георадиолокации и меюде сопротивлений обеспечил выполнение непрерывного и неразрушающего обследования состояния бетона дорожного основания Канонерского тоннеля. На основе режимных геофизических наблюдений возможна оценка достаточности ремонтных работ методом цементных инъекций.