Комплексное геофизическое изучение инженерно-геокриологического состояния оснований гидро- и горнотехнических сооружений Якутской алмазоносной провинции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, доктор наук Великин Сергей Александрович

• Великин Сергей Александрович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Великин Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Район исследований и его особенности

Инженерно-геофизические исследования (обзор литературы)

Цель работы

Состав выполненных работ

Объект и предмет исследований

Основные защищаемые положения

Основные научные и прикладные результаты работы

Достоверность научных положений и выводов

Научная новизна

Практическая значимость

Личный вклад автора

Апробация и публикации

Благодарности

Объем и структура диссертационной работы

ГЛАВА 1. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, КРИОГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ

1.1. Природно-климатические условия

1.2. Основные элементы геологического строения (северо-восточной часть Сибирской платформы)

1.3. Гидрогеологические условия

1.4. Геокриологические условия

1.4.1 Сезонное протаивание-промерзание и температурный режим в слое годовых колебаний температуры

1.4.2. Мерзлотные процессы и явления

1.4.3. Краткая характеристика исследуемых участков региона

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И МОДЕРНИЗАЦИЯ АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ

2.1. Аппаратурно-методические разработки

2.2. Электроразведочные методы исследования скважин

2.2.1 Электрический каротаж сопротивлений "сухих" скважин

2.2.2 Измерительная аппаратура и оборудование

2.2.3 Скважинные электроды и зонды

2.2.4 Использование активных измерительных электродов

2.2.5 Интерпретация данных электрического каротажа методом кажущихся сопротивлений на постоянном токе

2.3. Технология электрического каротажа обсаженных металлическими ко-

лоннами скважин (ЭКОМС)

2.3.1. Проработка теоретических аспектов интерпретации и применения метода ЭКОМС

2.3.2 Теоретические исследования

2.3.3 Результаты экспериментальных скважинных электроразведочных работ

2.3.4. Выводы по методу ЭКОМС

2.4. Электромагнитные методы каротажа

2.4.1. Волновой диэлектрический каротаж

2.4.2. Высокоточный индукционный каротаж

2.4.3. Каротаж магнитной восприимчивости

2.4.4. Выводы

2.5. Примеры результатов комплексных скважинных исследований

2.6. Современный комплекс использованных геофизических методов и методик изучения состояния оснований сооружений

2.6.1. Профильные методы

2.6.2. Скважинные методы

2.7. Выводы по аппаратурному обеспечению

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ КОМПЛЕКСНОГО НАТУРНОГО ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВАНИЙ ГИДРО- ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

3.1. Природно-технические системы в криолитозоне

3.2. Общие принципы мониторинга и моделирования

3.2.1 Необходимость разработки методологии геофизического мониторинга

оснований сооружений в криолитозоне

3.2.2. Геофизический мониторинг и моделирование

3.3. Физико-геокриологическое моделирование

3.4.Основные методические принципы локального геофизического мониторинга

3.4.1 Автоматизированные системы геофизических измерений и промышленные КИА

3.4.2 Целевые геокриологические интерпретационные объекты

3.5. Комплексная интерпретация комплексирования геофизических методов как методология

3.5.1 О статистическом подходе к интерпретации

3.5.2. Использование ФГКМ в геофизическом мониторинге

3.6. Использование технологий 3D обработки в задачах мониторинга состояния оснований гидротехнических сооружений в криолитозоне

3.6.1. Необходимость использования интерполяционных схем

3.6.2. Модели и моделирование

3.6.3. Неполноценность моделей и способы ее компенсации

3.6.4. Аппроксимация 3Э моделей набором 2Э моделей

3.6.5. Мониторинг геофильтрации методом электротомографии

3.6.6. Определение скоростей геофильтрации методом электротомографии

3.6.7. Экстраполяция и прогноз данных пьезометрии

3.6.8. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОСНОВАНИЙ ГИДРО- И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ ЯАП

4.1. Вилюйская ГЭС 1\2

4.1.1. Общие сведения

4.1.2. Гидротермальный режим плотины

4.1.3. Геофизические методы мониторинга ВГЭС-1\2

4.2. Светлинская ГЭС

4.2.1. Общие сведения

4.2.2. Оценка возможностей комплекса геофизических методов для задач геофизического геокриологического мониторинга состояния оснований сооружений Светлинской ГЭС

4.2.3. Гамма каротаж

4.2.4. Георадиолокация

4.2.5. Скважинный мониторинг

4.2.6. Логгерные температурные и резистивиметрические измерения

4.2.7. Электротомография

4.3. Хвостохранилища-накопители минерализованных вод промышленных отходов алмазной промышленности

4.3.1. Накопитель минерализованных вод Тымтайдах

4.3.2. Задачи и методы исследований

4.3.3. Состав методов и технических средств инженерных геофизических изысканий

4.3.4. Результаты работ

4.4. Сытыканский гидроузел г. Удачный

4.5. Контроль процесса захоронения минерализованных вод отходов алмазной промышленности

4.5.1. Трубка Удачная

4.5.2. Задачи и методы решения

4.5.3. Результаты работ

4.5.4. Георадиолокационные исследования

4.6. Контроль состояния оснований шахтных копров горнодобывающих предприятий сооружений в криолитозоне средствами автоматизированного

температурного мониторинга

4.6.1. Состояние вопроса

4.6.2. Система управления мерзлотной обстановкой

4.6.3. Использование изометрических поверхностей для оценки температурного состояния

4.6.4. Предлагаемый способ термостабилизации оснований копров

4.7. Возможности скважинных логгерных автоматизированных наблюдений

4.8. Трубка Нюрбинская. Контроль состояния бортов карьеров в криолито-зоне

4.8.1. Особенности карьеров в криолитозоне

4.8.2. Инженерно-геологические условия района

4.8.3. Результаты профильных геофизических исследований

4.8.4. Скважинные геофизические методы исследований

4.8.5. Скважинные методы просвечивания

4.8.6. Инклинометрия. Опытные работы по применению трехосной системы контроля внутримассивных смещений

4.8.7. Сводка результатов по разделу

4.8.8. Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Основные сокращения.

Общие:

РФ - Российская Федерация КЛЗ - криолитозона

ЯАП - Якутская алмазоносная провинция

Инженерные сооружения в криолитозоне:

ГТС - гидротехнические сооружения

ГОК - горно- обрабатывающий комплекс и его сооружения

Шахтные стволы:

ВКС - вентеляционно клетьевой; КС -клетьевой; СС -скиповой

КИА - контрольно-измерительная система

ПТС - природно-техническая система

ММП - многолетнемерзлые породы,

МПИ - месторождения полезных ископаемых.

Геоэлектрика:

УЭС - удельное электрическое сопротивление, ВЭЗ - вертикальное электрическое зондирование ЭТ - электротомография

ДИП - дипольное индуктивное профилирование

ЕП - метод естественного поля,

МПП - метод переходных процессов,

КС - метод каротажа сопротивлений,

ЧЗ - методы частотных зондирований,

ГРЛ - метод георадиолокации, ОРЯ

РВП - радиоволновое просвечивания (межскважинное),

Сейсмика:

МОВ - метод отраженных волн, МПВ - метод преломленных волн, КМПВ - корреляционный МПВ СВП - сейсмическое волновое поле.

Методология

ФГКМ - физико-геокриологическая модель

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена изложению результатов комплексных геофизических исследований инженерно-геологическиого окружения крупных промышленных объектов, и грунтов их оснований, в криолитозоне Западной Якутии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексное геофизическое изучение инженерно-геокриологического состояния оснований гидро- и горнотехнических сооружений Якутской алмазоносной провинции»

Актуальность работы

Актуальность диссертационной работы соответствует современным требованиям Федерального закона от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 29.07.2018) "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и Федерального закона от 21.07.1997 N 117-ФЗ О безопасности гидротехнических сооружений (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2017). Она определяется необходимостью решения крупной научной проблемы - совершенствования и развития методологии комплексного геофизического мониторинга природно-технических систем участков территории криолитозоны ЯАП оснований промышленных объектов, имеющих важное государственное и стратегическое значение.

Существующие проблемы региона связаны с созданием и эксплуатацией в пределах развития вечномёрзлых пород крупных инженерных сооружений, что приводит к изменению естественных природных условий и существующих экосистем, в значительной мере определяющих устойчивость оснований этих сооружений. Это в первую очередь основания гидроэнергетических и гидротехнических объектов, а также горнодобывающих предприятий региона и коммунальных объектов городских инфраструктур. В области распространения мерзлых пород, лед является породообразующим минералом, и своеобразие грунтов подчеркивается динамичными изменениями их свойств в зависимости от температуры, давления и других факторов. Это определяет геодинамическое состояние территории и устойчивость оснований конструкций.

Вследствие этого, оценка геокриологических условий с помощью геофизических методов и прогноз возможного их развития является важным компонентом в оценке безопасности и эффективности при проектировании, эксплуатации сооружений и охране окружающей среды. Оперативный контроль состояния крио-литозоны наиболее эффективен на основе использования геофизического монито-

ринга. Однако методология его применения требует определенной разработки и совершенствования теоретической и экспериментальной базы, а также интерпретации мониторинговых геофизических исследований. Развитие и совершенство-ваие методологии геофизического мониторинга позволяет существенно сократить затраты на контроль состояния ПТС криолитозоны и оперативно решать задачи по обеспечению эффективной эксплуатации различных промышленных и инженерных сооружений.

Другими словами, состояние и динамика изменения физических и геометрических характеристик многолетнемерзлых пород, на которые сильнейшим образом влияют не только геология и климат, но и практически любая деятельность человека (техногенное и антропогенное влияние), должны быть известны при контроле состояния оснований крупных промышленных сооружений в условиях криолитозоны ЯАП. Созданием комплекса методов такого мониторинга в течение длительного времени занимается Вилюйская НИМС под руководством и участии автора данной диссертации (далее как автор). Результаты авторских исследований по разработке и применению комплексного натурного мониторинга геокриологической среды и направления дальнейшего развития этой важнейшей темы представлены в диссертации.

Район исследований и его особенности. Развитие промышленного потенциала Западной Якутии играет важную роль в стратегии экономического развития России. В первую очередь это связано с тем, что на ее территории расположена Якутская алмазоносная провинция (ЯАП), в пределах которой уже в настоящее время находится в эксплуатации 10 крупнейших в мире месторождений алмазов и для дальнейшего наращивания алмазодобычи выявлено более 1200 кимберлито-вых алмазосодержащих тел и россыпных месторождений (рис.1). В этой связи, территория интенсивно осваивается в индустриальном плане, строится и эксплуатируется множество сооружений горнодобывающих предприятий различного назначения, а также связанных с ними гидро- и горнотехнических сооружений. В данном регионе также сосредоточены значительные гидроэнергетические объекты: каскад Вилюйских ГЭС-1\2 и Вилюйская (Светлинская) ГЭС-3. Важным при-

родно-хозяйственным объектом является Вилюйское водохранилище. Все без исключения промышленные объекты расположены в пределах многолетнемерзлых пород (ММП), деградация которых под действием техногенных нагрузок трудно предсказуема. Последнее может приводить к негативным изменениям окружающей среды, возможным аварийным ситуациям и экологическим катастрофам.

Республика Саха (Якутия) в настоящее время рассматривается как новый центр нефтегазодобычи на востоке России. На ее территории открыто 34 месторождения углеводородного сырья, в том числе 7 нефтегазоконденсатных, 10 газо-конденсатных, 2 газонефтяных, 9 газовых, 4 нефтегазовых и 2 нефтяных месторождений, часть которых находится в Западной Якутии. Основная добыча природного газа (98 %) сосредоточена в Вилюйском, Кобяйском и Мирнинском районах республики в пределах Лено-Вилюйской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинций. По территории ЯАП проходят трубопроводы крупных нефтегазовых предприятий, - «Восточная Сибирь - Тихий Океан», «Сургутнефтегаз», «Таас-Юрях Нефтегаздобыча», «Сила Сибири» и др. В целом, рассматриваемый регион, отличается уникальным по своим масштабам антропогенным воздействием на природную среду.

Без контроля и прогноза геокриогенного состояния их оснований, эксплуатация всех вышеперечисленных сооружений может приводить к негативным изменениям окружающей среды, возможным аварийным ситуациям и экологическим катастрофам. В первую очередь, это относится к объектам гидроэнергетики, различным водохранилищам для водоснабжения и технических нужд, наземным накопителям и подземным хранилищам техногенных рассолов, создание которых связано с разработкой карьеров кимберлитовых месторождений и многими другими факторами.

Рис.1. Якутская Алмазная провинция (по материалам научно-исследовательского геологоразведочного предприятия НИГП АК АЛРОСА ПАО)

Многолетние исследования автора связаны с криолитозоной Западной Якутии, центральной части Средней Сибири - региона, переживающего самое длительное и непрерывное охлаждение в Азии в течение последних нескольких миллионов лет. Сложившаяся здесь криолитозона представляет собой один из интереснейших объектов геокриологии как область сплошного развития многолетней мерзлоты, достигающей здесь максимальной из известных на Земле глубины -1500 м. Этот феномен обнаружен в верховьях р. Марха, южнее полярного круга.

[Мельников 1976, Иванов 2015]. Одной из проблем геокриологии данного региона является динамика криолитозоны, связанная с чрезвычайно активным характером освоения природных ресурсов Западной Якутии, созданием и эксплуатацией крупных инженерных сооружений в пределах развития вечномёрзлых пород.

Это приводит к изменению естественных природных условий и существующих экосистем, в значительной мере определяющих устойчивость оснований этих сооружений и как следствие мощного проявления различных типов антропогенных нагрузок, связанных с разработкой кимберлитовых и нефтегазовых месторождений, строительством и эксплуатацией гидросооружений, откачкой и захоронением вод и др., что во многом определило направленность проведенных исследований.

Инженерно-геофизические исследования (обзор литературы)

Исследования вне криолитозоны. В ХХ в. методы инженерной геофизики, например [Никитин, 1981; Горяинов,1992], стали использоваться системным образом при многочисленных исследованиях самых разнообразных инженерно-геологических объектов только в 1980-1990 годы. Хронологически, целесообразно указать на сборник работ [Савич и др., 1990] энциклопедического характера. В нем дан обзор инженерной геологии гидрогеологического окружения ГТС РФ и, в целом, описаны геологические, геотехнические и геофизические методы их изучения. К сожалению, данный сборник посвящен в основном скальным основаниям возведенных ГТС, что ограничивает область его использования в разнообразных инженерно-геологических условиях РФ.

В XXI веке круг работ расширился за счет современной элементной базы геофизической аппаратуры, что позволило комплексировать геофизические, геодезические и геотехнические методы. Для контроля напряженно-деформированного состояния (как специфический вид геофизического поля) бортов открытых карьеров и откосов дамб хвостохранилищ используются маркшейдерские наблюдения, основанные на наблюдениях за сетью геодезических реперов [Яковлев, 2002]. К этим работам примыкает метод скважинной инклиномет-рии, позволяющий по деформации скважин, фиксировать смещения массива по-

род и таким образом оценивать напряженно-деформированное состояние массива пород (или его пластов).

В работе [Озмидов, 2002] приведены результаты комплексирования геофизических методов с конечной целью контроля состояния дамб хвостохранилищ ряда ГОК в различных районах РФ. Здесь, из геоэлектрических методов использовались электрическое вертикальное, профильное и круговое азимутальное профилирования, а также метод ЕП, с общей глубинностью до 30м. Из сейсмических методов использовались методы КМПВ (поиск водонасыщенных зон и оползневых участков), метод кругового сейсмического зондирования (контроль изменения упругой анизотропии оползневого тела). По результатам всего цикла работ, автор рекомендует «рациональный комплекс геофизических методов», в котором наиболее информативными методами отмечены инженерные электро и сейсмо-профилирование. По результатам интерпретации автор предлагает геофизический критерий выделения аварийных участков: синхронное увеличение коэффициента круговой анизотропии массива пород, снижение удельного сопротивления в нем, повышение температуры поверхностного слоя, и уменьшение интенсивности естественного радиоактивного излучения. Эта работа представляет собой реальный вклад в решение задачи рационального комплексирования инженерно-геофизических методов при исследовании ПТС вне криолитозоны.

В работе [Костюков, 2005] изложен опыт применения геоэлектрического метода ВЭЗ и электропрофилирования совместно с маршейдерскими работами (напряженно-деформированное состояние) и заверяющими пьезометрическими работами, с использованием кернового анализа и компьютерного моделирования, что позволило охарактеризовать геоэлектрические особенности изучаемого объекта и выявить фильтрационные потоки. Использование геоэлектрических методов по взаимосвязи удельного сопротивления грунтов и их пористостью и влаго-насыщенностью, позволило оценить распределение последней в объеме дамбы.

В работе [Ескин, 2010] приводятся результаты использования комплексирования сейсмических методов, сейсмокаротажа, КМПВ, электроразведочных методов ВЭЗ, ЕП, на единой сети профилей с общей глубинностью до 40м., для оцен-

ки состояния гидротехнических сооружений. Исследования проводились в 19931995 и 2002-2007 гг. Результаты каротажа являлись контрольными для профильных исследований. Система авторских параметров, включая отношение скоростей продольных и поперечных волн (зависящее от литологии, пористости и глинистости участка), построенная по комплексу этих методов, показывает динамику фильтрационных и физических свойств грунтов оснований гидротехнических сооружений Иркутской ГЭС.

Другие исследователи [Колесников и др., 2012; Пригара и др., 2014), при многолетнем изучении оснований ГТС Пермского края, ставили своего рода «обратную» задачу: определение физико-механических свойств грунтов оснований ГТС с помощью комплекса геофизических разрезов (моделей), полученных на основе обработки данных исследований методами ВЭЗ, ЕП, ГРЛ, МОВ, МПВ. Предложенный ими комплекс сформирован по принципу повышения однозначности решения обратной геофизической задачи и физико-геологического истолкования получаемых материалов на основе использования совокупности взаимодополняющих физических параметров. При этом, ими также использовалось компьютерное моделирование сейсмического волнового поля (на основе типовой физико-геологической модели) для подгонки характера модельного волнового поля под наблюденное.

Предполагается, что при правильном подборе физико-механических свойств грунтов аномалии численных геоэлектрических и численных сейсмических разрезов, и их полевых аналогов должны совпадать. Также авторы предложили использовать построение физико-геологической модели оснований ГТС (посредством комплекса геофизических моделей) как элемент методологии. Однако представленные результаты работы имеют скорее качественный характер и не позволяют говорить о реальной технологии.

Исследования криолитозоны и ее участков. В историческом аспекте развитие научных исследований криолитозоны связано с работами А.Ф. Миддендор-фа (1843-1846 г.г), И.В. Мушкетова (1891 г.). М.И. Сумгина (1927 г.) и др. учёных. Геофизические исследования на территории Якутии в целом, на систематической

основе, были предприняты еще в 1928г. в виде термометрических и атмосферных исследований [сб. Геофизические исследования в Якутии, 1928]. Детальное изучение геокриологии Западной Сибири началось в 1956 г., когда была создана Ви-люйская экспедиция ИМЗ АН СССР. Этой экспедицией изучались мерзлотные условия разработки россыпных месторождений алмазов, коренного месторождения алмазов - трубки "Мир" и окружающего ее пространства, а также автомобильной дороги Мухтуя - Мирный.

Исследование физических и др. свойств многолетемерзлых пороод (ММП) криолитозоны проводились с самого начала освоения Севера электромагнитными методами [Акимов 71,73,77; Акимов и др., 1975,1978,1979,1988], сейсмоакустиче-скими методами [Седов, 1988], и керновыми исследованиями [Фролов, 1988]. Были разработаны теоретические и методологические основы электромагнитного зондирования методом МПП и георадиолокации [Ним и др., 1994]. Также был использован метод МПП для исследования таликов криолитозоны [Стогний, 2003]. Электрический каротаж скважин, применительно к условиям криолитозоны Мало-Ботуобинского района Западной Якутии, [Великин, 2006, Снегирев, Вели-кин, 2007], относительно широко использовался в комплексе детальных работ на полигонах кимберлитовых месторождений и переспективных поисковых участках в качестве опорного для применения поисковых наземных электроразведочных методов, а также для разбраковки аномалий сейсмопрозвучивания на участках трапповых полей. Его модификация для обсаженных металом скважин ЭКОМС [Великин, 2009] использовалась на участке захоронения рассолов «Октябрьский» Удачнинского ГОКа с целью контроля геомиграции техногенных рассолов, закачанных в карбонатный коллектор района. В работе [Якупов, 2008] исследовалось строение ММП некоторых районов криолитозоны авторскими модификациями метода ВЭЗ и метода КМПВ, установлены особенности электроразведки разведки в КЛЗ основных типов месторождений полезных ископаемых с учетом ее гидрогеологии. Петрофизические керновые и лабораторные исследования ММП представлены в монографии [Фролов, 1984]. Обзор основ и результатов применения геофизических методов при исследовании свойств ММП КЗ приведены в работе

[Зыков, 2007]. Инженерно-сейсмические методы КМПВ, МПВ использовались для изучения свойств ММП, и в работе [Воронков, 2009] обобщен опыт автора использования инженерно-сейсмических работ в бассейнах рек Лены, Индигирки, Колымы, на Лено-Амгинском междуречье, Камчатке, Чукотке и других районах криолитозоны РФ. Там же приводятся полученные за этот период сведения по пе-трофизике и криолитологии, инженерной геологии, геофизическим моделям пород этих районов и их геофизическому микрорайонированию.

При исследовании гидрогеологического окружения ГТС в условиях криоли-тозоны отмечается [Дмитриев, 2008], что даже тривиальная задача выделения таликов в ММП исследуемого участка может стать весьма неоднозначной, не говоря уже о литологическом расчленении разреза. Диагностика состояния грунтов оснований ГТС возможна только при наличии тесной корреляции между распределениями УЭС и инженерно-геокриологических параметров зондируемой среды [Кошурников и др., 2008]. Согласно наблюдениям этих авторов, методы постоянного тока, как профильные, так и точечные ВЭЗ, информативны в основном в верхней части разреза (ВЧР), поскольку высокоомные прослойки льда ВЧР препятствую проникновению тока в глубокие слои среды. Ниже экранирующего горизонта целесообразно применение низкочастотных модификаций МПП. Для изучения подошвы толщи ММП ими используется метод акусто-магнитотеллурического зондирования (АМТЗ).

Силами ИМЗ СО РАН1 были проведены работы по оценке теплового состояния криолитозоны Якутии методом электромагнитного зондирования, в основном в авторской модификации низко-, среднечастотной георадиолокации [Нера-довский, 2011]. Значительные усилия были вложены в разработку метода радио-кип (радиоимпедансного зондирования) в криолитозоне, использующий многочастотные поля удаленных радиостанций с целью расчленения геокриологического разреза [Ефремов, 2013].

1 Институт мерзлотоведения Земли им. П.И. Мельникова СО РАН

В работах [Скворцов и др., 2011, 2014] предложена методика использования инженерно-сейсмических методов для оценки геокриогенного состояния массивов ММП. В работе [Кузнецов и др., 2014] для решения этой же задачи, применяются полномасштабные площадные сейсмические работы методом многоволновой сейсмики с полноценной камеральной обработкой с построением временных и глубинных разрезов с выделением различных типов волн для оценки сейсмогео-криологического разреза. Отдельно отметим обнаруженную Скорцовым А.Г. «геокриогенную» инверсию сейсмических отражающих слоев.

В работе [Адаров и др., 2014] приводятся результаты применения этого комплекса при поисковых работах на золоторудные объекты в криолитозоне. Получено распределение полных и локальных градиентов, позволяющих классифицировать выявленные геофизические аномалии в контексте поисков залежей этих объектов. Работы методом геоэлектротомографии по обнаружению таликовых зон, участков прямой фильтрации, результаты приведены в [Соловьев, 2015]. В работе [Соловьев и др., 2018] представлены результаты георадиолокационных исследований, криогенных процессов и явлений в грунтах оснований инженерных сооружений, возведенных в ММП на территории республики Саха (Якутия), и направленных на изучение характерных особенностей волновых полей для выработки признаков интерпретации по данным георадиолокации.

Оригинальный и перспективный термо-акустистический эмиссионный метод [Шкуратник и др., 2015] впервые был применен к условиям ММП [Новиков и др., 2016]. Несмотря на то, что в статье не приводятся данные по полевым наблюдениям, необходимо учитывать, что этот метод непосредственно «завязан» на термодинамические свойства ММП и, следовательно, имеет перспективу использования для контроля грунтов оснований ГТС и др. инженерных сооружений в криолитозоне.

В работе [Антоновская, 2018] обобщаются результаты работ, выполненных в пределах Архангельской области различными геофизическими методами по широкому ассортименту инженерных сооружений.

Непосредственно к геофизическим исследованиям свойств криолитозоны примыкают электрофизические и электрохимические исследования ММП [Генна-диник, 1967, 1979; Геннадиник и др., 1976; Мельников, 1977; Шестернев и др., 2003]. В отличие от интегрального характера большинства геофизических исследований, электрохимические исследования существенно используют ионную проводимость массива горных пород, и непосредственно реагируют на изменения состояния пород и грунтов оснований горно-, гидротехнических сооружений в криолитозоне.

Наконец, методология, предлагаемая соискателем, опирается на элементы статистического анализа геофизических полей по А.А.Никитину и А.В. Петрову, которые заложены в основу программного комплекса «КОСКАД 3Б» [Петров, 2007,2008].

Исследования оснований промышленных объектов в криолитозоне

Исследования оснований промышленных объектов в криолитозоне неразрывно свзязано с исследованиемя вляния этих объектов на окружающкю среду. Низконапорные грунтовые плотины и дамбы различных конструкций, их функциональный температурный режим, а также вопросы геокриологической устойчивости, анализируются в [Чжан, 2000]. В монографии [Демченко и др., 2005] детально описаны инженерно-геокриологические условия, в которых эксплуатируются ведущие гидроузлы Чукотки, анализ которых необходим для рационального выбора комплекса геофизических методов их мониторинга. В монографии [Соболь, 2007] описаны высоконапорные гидротехнические сооружения с водохранилищами в криолитозоне и показаны способы их влияния на криолитозону. Анализируются сопутствующие геокриологические процессы, основное внимание уделено исследованию и прогнозированию тепловых и механических процессов в основании и берегах водохранилищ: температурного режима, фильтрации, переформирования берегов и ложа. Использование инженерно-геофизических методов для исследования инженерно-геокриологического окружения ПТС, а также состояния грунтов оснований объектов ГОК и ГТС криолитозоны Западной Якутии, за исключением ВНИМС ИМЗ СО РАН на протяжении периода с 1976 г. по настоящее

время, весьма немногочисленны. Они представлены, в частности, исследованиями [Смилевец 2003; Ескин, 2010; Соловьев Е.Э., 2012, 2015, 2018] преимущественно методами электрозондирования и отчасти сейсморазведочными методами по выявлению талых и ослабленных пород. Кроме упомянутых исследований необходимо отметить работы [Мельников, Калашник 2015; Мельников и др., 2017] которые считают, что для западной части российского сектора Арктики при решении задач геодинамической безопасности горнодобывающих и нефтегазовых природ-но-технических систем обеспечения геодинамической безопасности сооружений обязательным условием должен являться многоуровневый системный мониторинг геологической среды, включающий традиционные сейсмические и сейсмологические методы и георадарное зондирование.

Геотермические исследования состояния массива пород, вмещающие промышленные объекты в криолитозоне (открытые и подземные выработки, фундаменты сооружений ГОК и ГТС и т.д.) являются приоритетными и наиболее распространенными для контроля состояния оснований зданий и сооружений на мерзлых породах, а также грунтовых плотин. Геотермические исследования используются для контроля оснований грунтовых плотин [Чжан, 2000; Konrad, 2006; Lebeau, 2007; Панов и др., 2008; Буряков, 2014; Соболь С.В., Соболь И.С., 2017; Чжан и др., 2019] и оснований поверхностных сооружений алмазодобывающих рудников Якутии, например, [Изаксон и др., 1987; Самохин, 1994; Курилко, 2015]. Естественно, термометрические наблюдения широко использовались в работах автора, и будут освещены ниже.

Цель работы и задачи по ее достижению

Целью работы является развитие методологии (методики и техники) крупномасштабных натурных исследований природно-технических систем криолито-зоны на основе комплексирования геофизических методов, традиционных, модифицированных и новых разработанных методов и способов измерения геофизических полей в динамике их развития в пространстве и во времени на промышленных участках криолитозоны, в зависимости от техногенного прессинга на него, для обеспечения эксплуатации инженерных сооружений на этом участке.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Разработать методологические (теоретические и практические) основы геофизического комплексного мониторинга в зоне интенсивной трансформации геофизических полей криолитозоны Западной Якутии в условиях изменения климата и антропогенного прессинга в границах природно-технических систем различного типа.

2. Предложить новые, высокотехнологические методы и способы исследований трансформации геофизических полей, изменение параметров которых соизмеримо с помехами, для повышения эффективности разработки геолого-геофизических моделей и анализа глубинной деградации криолитозоны в природных условиях и под воздействием антропогенных факторов.

3. Выявить динамику и установить закономерности трансформации геофизических полей в естественных условиях и под воздействием антропогенного прессинга, оценить их воздействия на кинетику криогенных процессов в границах природно-технических систем различного типа.

4. Изучить влияние разномасштабных геологических и антропогенных процессов на формирование и пространственное расположение геофизических аномалий в криолитозоне, определяющих динамику развития неблагоприятных ситуаций функционирования природно-технических систем.

5. Создать натурные, комплексные геофизические мониторинговые модели природно-технических систем криолитозоны Западной Якутии для оперативного контроля и прогноза неблагоприятных ситуаций.

Реализация поставленной цели и решение основных задач диссертационной работы осуществлена на основе использования:

- комплекса современных методов исследований как традиционных, так и модифицированных для условий криолитозоны с применением разработанных новых способов и средств измерения параметров геофизических полей и методик их интерпретации;

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Великин Сергей Александрович, 2020 год

- вес

- диапазон рабочих температур

- тип кабеля

- питание

2 Сим/м-2 мСим/м 43 Мгц ~ 56 мм

2 м 8 кг

(-20оС) -(+30оС)

трехжильный бронированный

наземный пульт 220 В

2.4.2. Высокоточный индукционный каротаж

Геокриологические разрезы ЯАП отличаются крайне широким диапазоном изменения засоленности и разнообразием литологического состава горных пород. Соответственно температура их перехода из мерзлого в талое состояние происходит в значительном спектре температур, что делает затруднительной объективную оценку фазового состояния влаги в них на основе термометрии. С другой стороны, электропроводность пород при отрицательных температурах тесно связана с количеством и составом незамерзшей воды. Это позволяет использовать параметр электропроводности для оценки состояния и динамики изменения геокриологического разреза в скважинах, обсаженных диэлектрическими трубами, на протяжении длительного времени. При проведении геофизических исследований сухих скважин в условиях мерзлых пород эффективной заменой электрических контактных методов за счет высокой производительности и детальности является высокоточный индукционный каротаж.

В связи с исследованием высокоомных сред возникла, в первую очередь, задача разработки макета прибора индукционного каротажа с порогом чувствительности не хуже 1 мСим/м. Решение этой задачи привела к повышению информативности каротажа сопротивлений за счет расширения рабочего диапазона и возможности осуществления непрерывных измерений.

Аппаратура высокоточного индукционного каротажа (ВИК)

Высокие сопротивления мерзлых пород (до 10000 Ом*м) во многих случаях делает неприемлемым использование серийной аппаратуры, диапазон измеряемых величин которой не превышает 200 Ом*м. Совместно с МГРИ (Бабков-Эстеркин С.В.) и ВНИМС (Васильев А.Л.) при участии автора был создан макет аппаратуры высокоточного индукционного каротажа способного работать в высо-коомных средах до 5 000 Омм (научний руководитель разработки профессор Плюснин М.И.)

Использовался трехкатушечный индукционный зонд ЗФО,4 с фокусирующей катушкой (ФК), включенной встречно-последовательно в цепь измерительной катушки (ИК) размещенных на кварцевом сердечнике, жестко соединенном с шасси электронного блока.

В аппаратуре используется зонд ЗФ0,4 с рабочей частотой 250 кГц и параметром фокусировки q = 0,64.

Использованные при разработке технические решения позволили получить аппаратуру со следующими характеристиками:

- диапазон измерения проводимости 0,5-1 *10-4 Сим/м

- абсолютная погрешность [1*10 +3*10 ( 10 )] Сим/м

- выходная информация аналоговая токовая 0,01-10 мА

- рабочая частота 250 кГц

- потребление тока по пульту питания 100, 200 или 300 мА

- диапазон рабочих температур -10- +30оС

- габариты: диаметр * длина 56 * 1600 мм

- вес, не более 7 кг.

2.4.3. Каротаж магнитной восприимчивости

Каротаж магнитной восприимчивости (КМВ) позволяет уточнить особенности литологического строения разреза, идентифицировать зоны выноса магнитных минералов (в качестве показателя измененных пород, например, коры выветривания), оценить возможные окислительно-восстановительные реакции, проходящие на границах мерзлых пород и горизонтов криопэгов. В комплексе с ВИК ВКМВ может использоваться для целей контроля и прогноза изменчивости геокриологической среды и ее палеомерзлотной реконструкции.

Поскольку основная часть геологического разреза сложена верхнекембрийскими карбонатными породами, обладающими малыми значениями магнитной восприимчивости, для их изучения была создана высокоточная аппаратура ВКМВ (разработка МГРИ, изготовитель ВНИМС), позволяющая работать в области малых (до п =10 СИ) значений магнитной восприимчивости. В приборах кажущаяся магнитная восприимчивость является функцией, регистрируемой ЭДС, которая совпадает с истинной магнитной восприимчивостью среды.

Для измерений использовался соленоидный зонд L0,06m4q0,65, состойщий из трех соосных катушек, расположенных на кварцевой трубке, закрепленной на текстолитовом стержне. Длины измерительной (ИК) и генераторной (ГК) катушек равны, расстояние между ними (длина зонда) равно 0,06 м. Между ГК и ИК находится компенсационная катушка (КК), включенная встречно-последовательно в цепь ИК. Отношение длин зондов, образованных парами ИК-ГК и КК-ГК, равно 0,65. Использованные при разработке технические решения позволили получить следующие характеристики аппаратуры:

- диапазон измерения магнитной восприимчивости 1*10 -1*10 СИ

- абсолютная погрешность = +[1*10 +3*10 ( 10 )] СИ

- рабочая частота 900 Гц

- диапазон рабочих температур -10 - +60 оС

- напряжение на головке зонда 27 В

- ток потребления 150 мА

- габариты: диаметр * длина 36 мм * 1700 мм

- вес, не более 8 кг

Геофизическая интерпретация данных КМВ с соленоидными зондами заключается в выделении магнитных пластов в разрезе скважины известными приёмами определения их границ, мощности, глубины залегания и магнитной восприимчивости.

Определение X проводится с учётом поправок за влияние скважины, магнитную восприимчивости бурового раствора, ограниченную мощность пласта и, при необходимости, за влияние удельной электропроводности пласта.

Переносной измеритель магнитной восприимчивости (каппометр)

ПИМВ

В связи с необходимостью оперативной оценки магнитной восприимчивости образцов горных пород в полевых и лабораторных условиях была проведена разработка переносного каппометра, чтобы проводить точную поглубинную привязку образцов керна по диаграммам каротажа магнитной восприимчивости.

Для мерзлых и рыхлых пород, из-за малого выхода керна, сложно привязать полученные оценки к конкретным горизонтам геокриологического разреза. Тем не менее, это существенно повышает достоверность использования данных лабораторных исследований в качестве опорных для интерпретации скважинных данных, т.е. для перехода от изучаемых физических полей к составу и состоянию геокриологических разрезов.

Усовершенствованный прибор, разработанный ВНИМС и названный ПИМВ (переносной измеритель магнитной восприимчивости) имел расширенный диапазон температурных условий работы от -40 оС до +40 оС град., и не уступал по точности чехословацкому прибору КТ-5, который не устраивал исследователей по диапазону рабочих температур от 0 до +40 оС град., и из-за его высокой стоимости (См. приложение 1).

Прибор прошел метрологическую проверку и впоследствии был взят за основу для серийного выпуска ленинградским предприятием «Геологоразведка» и выпускался до недавнего времени с тем же названием ПИМВ.

2.4.4. Выводы

В результате этих работ в начале 2000-х годов был создан геофизический комплекс для исследования мерзлых пород в скважинах. Комплекс включал каротаж сопротивлений на постоянном токе для сухих необсаженных скважин и скважин, обсаженных металлом, индуктивный и диэлектрический каротаж, каротаж магнитной восприимчивости, механический каротаж, каротаж сухих скважин методом скользящих контактов, а также аппаратуру для изучения магнитной восприимчивости образцов керна в полевых и лабораторных условиях.

Область применения комплекса - изучение, контроль и прогноз состояния мерзлых пород криолитозоны под влиянием техногенных нагрузок, инженерная и поисковая геофизика, экологические исследования (Приложение 1).

Отличительными особенностями комплекса являются:

1. возможностью проведения электрокаротажа на постоянном токе в сухих скважинах и скважинах с металическим обсадом, т. е. привлечение для исследований ранее неиспользуемые для этого метода, пройденные «всухую» разведочные скважины и гидрогеологические скважины, обсаженные металлическими трубами.

2. высокая чувствительность индукционного каротажа в области высоких сопротивлений, которыми отличаются мерзлые породы;

3. возможность высокоточной одновременной регистрации амплитудно-фазовых характеристик аппаратурой диэлектрического каротажа;

4. изучение магнитной восприимчивости образцов керна в полевых условиях при низкой температуре (до -50°С) и точная привязка лабораторных данных по каротажу магнитной восприимчивости к конкретным литологическим разностям изучаемых геокриологических разрезов;

5. выделение льда и льдосодержащих горизонтов в разрезе сухих скважин с помощью метода скользящих контактов за счет использования зондов с нагревателями, расположенными в контактных частях;

6. определение мощности скальных рыхлых и полускальных пород, прослоев и пластов в рыхлой толще, выделение льда, выветрелых и трещиноватых зон.

В дальнейшем комплекс исследований, опираясь на полученные сведения о физических свойствах, развивался и расширялся в основном за счет наземных геофизических исследований, в связи с появлением новых современных аппара-турно-методических разработок геофизических исследований, таких как георадиолокация, электротомография, а также индуктивных и импульных методов электроразведки. Скважинные исследования были существенно расширены за счет применения появившихся современных видов аппаратуры межскважинного радиоволнового просвечивания.

2.5. Примеры результатов комплексных скважинных исследований

Использование этих разработок ВИК, КМВ и ВДК значительно опережающих аналогичную серийную аппаратуру того времени по чувствительности и диапазону измеряемых параметров, позволило получить опорные каротажные геофизические разрезы и весьма важные на тот момент сведения о электромагнитных свойствах вмещающих пород и кимберлитов по только что отрытому в 1995 г. кимберлитовому месторождению Боутобинское, где впоследствии был создан Нюрбинский ГОК.

Анализ результатов показывает, что кимберлитам соответствует незначительное повышение магнитной восприимчивости по сравнению с неизмененными карбонатными породами (до 30-35 10 ед.СГС по кимберлитам по сравнению с 2025 и менее по карбонатам). Этим интервалам соответствует повышение диэлектрической проницаемости (до 15 у.ед.) и электропроводности (до 10 мСим). Примеры полученных геофизических разрезов представлены на рис. 2.11, 2.12.

Совместное использование разработанной аппаратуры каротажа электропроводности, диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости позволяет выделять интервалы кимберлитов от вмещающих пород и провести корреляцию вмещающих пород.

Рис. 2.11. Геолого-геофизический разрез по оси трубки по данным каротажа КМВ, ВДК и термометрии

Проведенные исследования с помощью разработанной и усовершенствованной аппарутуры позволил получить первые опорные сведения о электрических свойствах вмещающих пород и кимберлитов участка месторождения, использованные в последствии для решения поисковых и оценочных работ на участке открытого в последствии рудного поля региона см. таблицу 1 [Информационный отчет,1995].

Применение разработанного комплекса вместе с лабораторными исследованиями по керну, позволило получить обширную базу сведений о физических свойствах (в большинстве электрофизических) мерзлых пород криолитозоны Западной Якутии, с учетом их температуры, влажности и ряда других физических характеристик (см. Приложение 4).

Кроме того, следует отметить возможность использования данных ВДК и ВИК для интерпретации наземных и межскважинных электроразведочных методов в качестве опорных, что должно повысить надежность их интерпретации. Эти

Рис. 2.12. Геолого-геофизический разрез по оси трубки по данным каротажа ВИК, ВДК и термометрии

сведения явились основой для последующих интерпретационных оценок геокриологического состояния горных пород и грунтов по данным геофизических исследований. Пример полученных и систематизированных сведений приведен в таблице 2.

В Таблице № 1 приведены сведения об электрических сопротивлениях, диэлектрической проницаемости, температуре, весовой влажности, грансоставе и миниральном составе водных вытяжек мерзлых пород.

Краткая характеристика методов и методик определения физических свойств:

1) Диэлектрическая проницаемость определялась с помощью аппартуры высокочастотного диэлектрического каротажа (ВДК, f = 43 МГц) и методики, разработанной в Московском геологоразведочном институте.

2) Температура горных пород измерялась в скажинах, выстоянных после окончания бурения не менее 30 дней, с помощью гирлянд терморезисторов (ММГ-!; КМТ-!) и цифрового ампервольтметра Ф-30 моста постоянного тока МО-62. Измерения температуры производились спустя сутки и позже установки гирлянд терморезисторов в скавжины.

3) Весовая влажность определялась путем взвешивания образца мерзлой породы, извлеченной из скважины до и после удаления из него влаги (высушивания) и рассчитывалась по формуле:

где gм и gc - вес мерзлого и высушенного образца.

4) Количество незамерзшей воды оценивалось с помощью контактного метода опредления фазового состава влаги в дисперсных породах, разработанного кафедрой Общего мерзлотоведения МГУ. Объем определений небольшой, поэтоиму результаты приводятся лишь в качестве примера.

5) Гранулометрический состав определяется ситовым методом (до 0.1 мм) и по методу Рутковского.

6) Химсостав водных вытяжек определяется по мтандартной общепринятой методике

Следует упомянуть, что созданный комплект аппаратуры электромагнитного каротажа, дополненный аппаратурой гамма каротажем, в связи со своими возможностями был взят автором за основу при составлении программы исследований по теме "Организация скважинного криомониторинга природных и техногенных процессов и их прогноза в пределах Мирнинского улуса Западной Якутии".

Таблица 1

Физические свойства Число наблюдений Среднее арифметич. Среднее по Винзору Минимальное значение Минимальное значение Статистическое отклонение

Карбонаты

диэлек.прониц.усл.ед 1939 11.1 11 1.4 75 6.7

проводимость, мСим 885 7.4 7.3 0.5 25 5.9

Юрские отложения

диэлек.прониц .усл.ед 2275 26.5 26.3 5.4 71.5 14.7

проводимость, мСим 1120 15.5 15.3 1.2 41.5 9.5

Кимберлиты

диэлек.прониц.усл.ед 1102 15.4 15.3 3.2 37 6.4

магн.воспр.,ед.СГС 1045 35.5 33.6 10 196 23

проводимость, мСим 971 11 10.6 1.5 29 5.8

Предлагалось на базе Мирнинского улуса, являющегося уникальным регионом мощного проявления различных типов антропогенных нагрузок (строительство гидросооружений, откачка подземных вод, строительство карьеров, технические ядерные взрывы и др.), разработать основы геофизического и термогидрохимического контроля состояния криолитозоны и ее подземных вод (см. рис. 2).

Основные задачи программы были связаны с оценкой пределов антропогенных вторжений и их допустимых границ на примерах локальных интенсивных техногенных вмешательств в криолитозону. Программа была поддержана академиками Мельниковым П.И. и Страховым В.Н, председателем интернациональной комиссии по тепловому потоку Генри Поллаком и рядом известных ученых и специалистов России, но осуществить ее, на тот момент, так и не удалось в связи с кризисным положением в науке, хотя эта программа актуальна и по сей день и ее значимость для экологически безопасного освоения северных территорий в первую очередь арктических только возросла.

Тем не менее этот комплекс лег в основу программы «Создание долговременной системы геофизических натурных наблюдений (скважинного геофизического мониторинга) для оперативного контроля и прогноза состояния массивов горных пород в примыканиях и приплотинной части водохранилища Вилюйской ГЭС-Ш (Светлинской ГЭС) на период строительства и эксплуатации» утвержденный Ленгидроектом по которому ВНИМС работала до 1997 г.

Созданный каротажный комплекс лег в основу всех последующих исследований автора состояния мерзлых пород и грунтов региона и оснований его горнопромышленных, гидротехнических и инженерных сооружений. Аппаратура выставлялась на ряде выставок и, хотя не получила широкого распространения, использовалась в работе местных геологоразведочных организаций АК АЛРОСА, также для инженерных и поисковых работ в Магаданской области, в Майской экспедиции.

Использованные вышеописанные разработки измерительной аппаратуры ВНИМС в исследованиях были получены во ВНИМС с привлечением разработчиков, ведущих научно-исследовательских оргранизаций МГРИ (РГГУ), Вирг (Рудгеофизика) МГУ, ИКФИА и др. (см. Приложение №1 перечень аппаратуры), по инциативе и участии автора.

Таблица № 2. Сводная таблица - каталог физических свойств мерзлых пород

Эр а Возраст Наименование породы Криотек-стура Р Р/ н Pmin Ртах 1—К о 4 5 öd о в 3 tTrt 3 tTrt 3 X W CN) ш min w max wcp. взв. (N) и (N) M 3. ■ M 3 £

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Kz Супеси Слоистая, линзовид- 2501000 510/. 18 250850 29/ (1)

ная, сетча-

тая

',! \ к ^ог Гравелиты Корковая 30-50 44/1 6 3050 1.1 I

Тз-з Долериты Весьма выветре- лые (до глинистой трухи) Ёлоисто-¿етчатая, Массивная 20-100 2.2 57/7 20100 1.5 2 ,23/ 27 1135

Вывет-релые Трещины о-жильная 100400 7.5 .272/ 252 120400 1.3 6 22/ 12 а 7 17/ (4) 1319; 16/(2 ) 36/ (1)

Pz2 урт, Плотные, Трещиноватые Редкие трещины, частично или полно- 4005000 49. 7 249 8/ 167 0 4505000 1.5 1 12/ 413 8-Ш

+Mz Плотные стью заполненные 500010000 11. 9 721 0/40 0 •5200 1000 0 1.3 0 11/ 152 lOll

Весьма плотные льдом 10000160000 28. 7 398 50/9 70 1050 01600 00 1.3 0 10/ 607 6-12

6,пп Туфы Мелкосетчатая, массивная 10-50 73. 1 20/4 50 1050 - - - - - - - -

100700 Щ 9 380/ 165 105620 - - - - -

РгЬг1 Суглинки Слшсто-линзовид- 35-50 50/2 0 3550 2.1 0 25/ (1)

ная

^ог Р2Ьг1 Порово-трещинная, 100200 11. 1 160/ 305 110200 1.8 3 9/7 5 6-12 15/ (1) 7/ (1) 43/ (6) 40 43

Р2р1 Р,Ы С2-31р Песчаники массивная, поровая с 200500 10. 1 350/ 290 280500 1.7 0 10/ 145 Ш5 19/ (5) '924 2.5/ (1) 39/ (17) 25 55

С2.3с1 отдельными субвертикальны- 5001000 8.4 725/ 230 5301000 1.1 0 8/6 6 4-17 14/ т 1315 52/ (25) 28 10 3

ми прожилками 10010000 70. 4 303 5/ 195 0 1200 1000 0 1.5 0 9/6 8 5-27 19/ (4) 1524 5.8/ (3) 80/ (2) 70 90

2.6. Современный комплекс использованных геофизических методов и методик изучения состояния оснований сооружений

Помимо вышеуказанных разработок (в основном скважинных электроразведочных методов), которые заложили техническую основу дальнейших исследований для изучения состояния оснований сооружений, использовался довольно представительный комплекс наземных и скважинных геофизических методов. Работы проводились в основном с помощью современной серийной цифровой геофизической аппаратуры с использованием скважинных термометрических и пьезометрических режимных наблюдений, которые потребовали доработки измерительных средств автономных наблюдений. Вопросы, связанные с характером использования серийной аппаратуры будут лишь кратко освещены, а результативная часть исследований по объектам занимает отдельный раздел представленной работы.

Далее в кратком виде представлен перечень использованных автором геофизических методов

2.6.1. Профильные методы

1. Метод геоэлектротомографии. Электротомография - высоскоростная многоканальная разновидность метода сопротивлений на постоянном токе.

2. Метод ДИП. Дипольное индуктивное профилирование - низкочастотный метод электроразведки, основанный на использовании в качестве источников возбуждения установившихся гармонических электромагнитных полей частотой не более 10 кГц, а также неустановившихся полей, возбуждаемых последовательностью однополярных или разнополярных импульсов тока.

3. Метод БИЭП. Бесконтактные измерения электрического поля - индуктивный метод, позволяющий изучать сопротивление геологического разреза

3. Метод ЕП. Измерение и изучение электрических полей природного электрокинетического, электрохимического, диффузионного или фильтрационного происхождения.

4. Метод георадиолокации.

5. Инженерно-сейсмические методы.

2.6.2. Скважинные методы

Были использованы следующие виды каротажа.

1. Каротаж методом электрического сопротивления на постоянном токе для обсаженных металлом скважин ЭКС (разработка ВНИМС).

2. Индукционный каротаж электропроводности ВИК (разработка ВНИМС -МГРИ)

3. Высокоточный каротаж магнитной восприимчивости ВКМВ (разработка МГРИ)

4. Метод диэлектрического каротажа для контроля за суммарной влажностью пород и фазовым состоянием воды (разработка МГРИ, модификации ВНИМС для условий мерзлых пород)

5. Радиоволновое просвечивание (РВП) для геоинтроскопии межскважинно-го и околоскважинного пространства.

6. Механический каротаж (АМК) для изучения твердости и предела прочности на одноосное сжатие

7. Термокаротаж - метод оценки температурного поля изучаемых массивов на момент геофизических наблюдений

8. Гамма каротаж (ГК). Гамма-гамма плотностной каротаж (ГГКП)

9. Скважинная резистивиметрия.

2.7. Выводы по аппаратурному обеспечению

Таким образом, для исследований удалось задействовать широкий комплекс современной геофизической аппаратуры, что было весьма непросто в период почти полного отсутствия госфинансирования как технической базы, так и полевых исследований. Состав задействованного технического и программного обеспечения позволил просвести широкомасштабные мониториговые исследования на основных гидро- и горнотехнических сооружениях АЯП, наиболее важных для экономического развити региона и Республики САХА (Якутия).

Следует отметить, что большинство исследованных объектов являлись уникальными пионерными сооружениями, требующими пристального и глубо-

кого изучения, а полученные результаты экспериментальных и теоретических исследований имеют широкий спектр применения (инженерное мерзлотоведение, экологические исследования, поисковая геофизика) поскольку позволяют использовать этот пионерный опыт для рационального и экологически безопасного развития северных и актических регионов страны.

Конкретные результаты комплексных работ приведены в последующих разделах работ, как для конкретных участков, так и для задействованных комплексов.

2.8. Выводы по Главе 2

Использованный автором широкий комплекс скважинных геофизических исследований, в том числе электрический каротаж скважин в авторском варианте, позволил получить базовые характеристики физических свойств мерзлых пород, являющихся основными критериями, как их состояния, так и происходящих в них геокриологических процессов и получить опорные сведения для решения инженерно-геокриологических задач в условиях Якутской алмазоносной провинции. Получаемые с помощью каротажа сопротивлений необсажен-ных скважин сведения о электропроводности очень важны при интерпретации данных, полученных современными геоэлектрическим методами, таких как гео-электротомография, ВЭЗ и др. В частности, этот метод использовался для разбраковки аномалий межскважинного прозвучивания в долеритовых массивах при поисках алмазов, а также для интерпретации ВЭЗ при выявлении участков вялой мерзлоты для их учета при проходке золоторудных шах в Магаданской области.

Метод ЭКОМС может быть методом геоэлектрического трекинга закачиваемых дренажных рассолов оходов алмазной промышленности в массивы мерзлых пород. Результаты отслеживания миграции рассолов подтверждены независимым геофизическим методом МПП.

Аппаратура высокоточного индукционного каротажа была принята Боту-обинской экспедицией для опытно-методических работ при изучении участков месторождений.

Полученные автором обширные данные о физических свойствах основных исследованных мерзлых пород региона с указанием их криотекстур описанных по керну, дополнены данными по влажности (льдистости) и температуре послужили основой дальнейших исследований инженерно-геокриологического состояния оснований сооружений (см. приложение № 4).

Приведенные в настоящем разделе результаты исследований и разработки, приложение № 1, подтверждают защищаемые положения № 1 и № 2. (Введение, стр. 28).

ГЛАВА 3. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ КОМПЛЕКСНОГО НАТУРНОГО ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВАНИЙ ГИДРО-, ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

3.1. Природно-технические системы в криолитозоне

Любой функционирующий промышленный объект, особенно в криолитозоне, представляет собой т.н. природно-техническую систему (ПТС), которые в настоящее время хорошо изучены так, что невозможно не остановиться на этом вопросе.

Промышленное освоение Севера РФ, начиная примерно с 1950г., сопровождалось возведением большого числа индустриальных объектов: горнообрабатывающих, гидротехнических, коммунальных и энергетических комплексов и других сооружений, которые оказали и оказывают сильное воздействие на окружающую среду, и прежде всего на криолитозону (КЛЗ) региона. Наиболее сильным изменением состояния мерзлых пород криолитозоны является переход горных пород из мерзлого состояния в талое и наоборот, вследствие нарушений естественного температурного режима, гидрогеологических и других условий. Имеет место и обратная связь: вызванные возведением и эксплуатацией таких объектов изменения в окружающей среде в дальнейшем влияют на состояние грунтов оснований этих же объектов, и всегда -в сторону потери их устойчивости.

Однако, в первоначальный период возведения пионерных крупных уникальных инженерных сооружений в криолитозоне РФ (в середине 20-го века), возможность реализации негативной обратной связи на практике не рассматривалась и в проектную документацию не закладывалась. Возникает вопрос о научном подходе к проблеме контроля геокриологической безопасности функционирования промышленных предприятий в криолитозоне. В научном плане и по современным представлениям, любой возведенный комплекс горногидротехнических, индустриально- энергетических, коммунальных и т.п. сооружений (независимо от наличия криолитозоны), совместно с вмещающей эти

объекты гидрогеологической средой образует единую (ПТС). Научные основы концепции ПТС закладывались, начиная с середины 20 в., усилиями ученых географов, экологов и геологов, и в настоящее время это - один из наиболее разработанных вопросов геоэкологии [Грязнов, 2015; Иванов, 2015].

Ключевой элемент концепции ПТС - наличие контура обратной связи, в котором реализуется влияние индуцированных изменений в окружающей среде на промышленные объекты, как правило - через изменение геоинженерного состояния грунтов и пород оснований этих объектов. Такие изменения проявляются в геофизических (а также геохимических, деформационных и т.д.) полях, что обусловило интерес к использованию инженерно-геофизических методов разведки применительно к исследованию ПТС.

Начиная примерно с начала 21 в., в РФ стали появляться многоканальные инженерные электроразведочные и сейсмические станции и компактные мобильные георадары, которые позволили экономически рационально изучать площади окружения промышленных объектов ЯАП. Концепция ПТС в криолитозоне в то время имела абстрактно-умозрительный характер, находилась в зачаточном состоянии по причине элементарного отсутствия фактологической базы. Полученные за период исследований данные геофизических исследований позволили автору, независимо от концепции ПТС, обосновать и развивать тезис о том, что негативные инженерно-геокриологические процессы латентно образуются в пределах окружения объекта, а не только непосредственно в их основаниях.

В самом начале 90-х годов 20 в. автор, проводя исследования по разработке комплекса геофизических скважинных и лабораторных методов изучения состояния мерзлых пород береговых примыканий створа ВГЭС-Ш, пришел к выводу, что Регламенты эксплуатации ГТС в криолитозоне нуждаются в серьезной корректировке в сторону введения в них геофизического мониторинга территории геокриологического окружения ГТС как неотъемлемого фрагмента ПТС.

В 20 в. и начале 21 в., в период возведения подавляющего большинства инженерных систем в криолитозоне РФ и их эксплуатации, среди проектировщиков не было понимания геокриологических процессов, возникающих в ходе функционирования ПТС. Считалось, что использование систем охлаждения и замораживания грунтов фундаментов этих сооружений, полностью исчерпывает проблему их многолетней безопасной эксплуатации. Аналогично, считалось, что для всестороннего контроля состояния этих сооружений достаточно использование систем контрольно-измерительной аппаратуры (КИА): термометрическая система для контроля грунтов оснований и геодезическая деформационно- измерительная система для контроля состояния конструкций сооружений, в ряде случаев дополненная пьезометрическими наблюдениями. Данное обстоятельство было зафиксировано в ведомственном законодательстве как регламенты эксплуатации объектов горно-, гидротехнической промышленности в криолитозоне РФ.

Имеющие юридическую силу и обязательные для исполнения технологические Регламенты предусматривают обязательное использование систем КИА только в пределах горно и гидротехнических сооружений, а использование термометрических систем - только в непосредственной близости объектов горно-гидротехнических сооружений, около свай свайного поля фундаментов для объектов ГОК, или непосредственно в береговых примыканиях для объектов ГТС. Тем не менее, более чем 50-летний срок эксплуатации грунтов оснований горно-, гидротехнических сооружений показал значительную статистику аварийного состояния уникальных пионерных горно-, гидротехнических сооружений в КЗ РФ, обусловленную, по нашему мнению, недостаточным знанием законов функционирования ПТС в криолитозоне.

3.2. Общие принципы геофизического мониторинга в криолитозоне

3.2.1 Необходимость разработки методологии геофизического мониторинга

оснований сооружений в криолитозоне

Необходимость разработки таких абстрактных, на первый взгляд, вещей как

методологические принципы геофизического мониторинга (ГФМ) обусловлена целым рядом причин:

а) Негативная многолетняя статистика инженерной аварийности на промышленных объектах в криолитозоне - главная и основная причина.

б) Для устранения причин негативной статистики аварийности необходимо выявить ее причины и указать пути и способы решения этой проблемы. Практика показала, что единственный путь решения - использование геофизиче-ских\геотехнических методов исследования грунтов оснований промышленных объектов в криолитозоне. Но эти методы использовались хотя бы в минимальном объеме практически всегда, на протяжении всей истории промышленного освоения Севера, и территории ЯАП в частности. Однако, это не отразилось на негативной статистике аварийности.

Отсюда следует, что за неимением альтернатив геофизическим методам, необходимо выработать рациональные принципы их использования для решения проблемы снижения аварийности. При этом, развивается и совершенствуется геофизическая и геотехническая аппаратура, сами методы измерений, и варианты их комплексирования. В конечном счете, таким рациональным вариантом геофизических измерений оказался т.н. геофизический мониторинг.

в) Геофизический мониторинг, это такой метод\способ геофизиче-ских\геотехнических измерений, связанный: а) либо с сезонной периодичностью состояния грунтов оснований, б) либо с необходимостью непрерывного отслеживания, средствамси геофизических измерений, инженерно-геологического состояния участка геологической среды, в т.ч. и участок оснований сооружений. Отметим, что атрибутом ГФМ, пусть и необязательным, является использование результатов обработки данных, полученных в результате предыдущих измерений.

г) Поскольку инженерно-геологическая обстановка может быть самой разной, и в процессе мониторинга может меняться непредвиденно, то это может ни-

велировать ценность проведенных геофизических измерений, и, следовательно, необходимо разработать методологию ГФМ как метода геофизических измерений.

д) Изначально, ГФМ - это метод повторяющихся полевых измерений, но выше отмечался его необязательный атрибут - использование результатов обработки данных предшествующих измерений. В общем варианте обязательного использования этого атрибута, ГФМ - это общий интерактивный метод планирования (с использованием компьютерного, и др. видов, моделирования изменения геокриогенного состояния изучаемой среды) и проведения полевых геофизических работ с использованием на каждом шаге результатов предшествующих работ.

Статистика аварийности. В настоящее время антропогенное, техногенное, воздействие на криолитозону Западной Якутии имеет характер преобразование естественной геокриологической обстановки региона и может осложнить функционирование инженерной инфраструктуры региона. В результате, официальные статистические данные, описывающие состояние гидротехнических сооружений, показывают, что 76 % аварийных ситуаций на ГЭС мира связаны с развитием природных и техногенных геологических процессов и лишь 24 % - с дефектами инженерных конструкций и качеством строительства. Общие представления о значимости геологических процессов для обеспечения безопасности гидроэнергетических сооружений дает табл. 3.1. [Харькина и др., 2004].

Такая негативная статистика имеет свое объяснение. При строительстве гидро-, и горнотехнических сооружений активизируются природные геокриологические процессы и возникают новые - техногенные. Строительство горнопромышленных и жилищных комплексов, создание водохранилищ, оказывая отепляющее воздействие, коренным образом меняет температурных режим массивов многолетнемерзлых пород, влияя на их геокриогенное состояние, состав и свойства. Как следствие, имеют место т.н. негативные инженерно-геокриогенные процессы: оттаивание, термокарст, термоабразия, термоэрозия, солифлюкция, нале-

деобразование, пучение, подтопление при постепенном оттаивании пород и другие. Дальнейшая эксплуатация грунтов основания таких объектов только усугубляет эту проблему. В связи с этим, целесообразно и необходимо разработать такой подход к мониторингу криолитозоны, который отвечал бы всем строгим нормативам контроля и прогноза развития чрезвычайных ситуаций.

Исходя из эмпирического опыта геофизики в криолитозоне, «естественным» таким подходом является геофизический мониторинг состояния ММП региона, вмещающего его промышленную инфраструктуру.

Предпосылки статистики аварийности и мониторинг. В настоящее время, за более чем 50 лет промышленного освоения Севера, существующими Регламентами и СНИПами строительных, горнодобывающих и гидротехнических предприятий не предусматривается применение геофизического мониторинга инженерно-геологического окружения на территории Российской Федерации, например, гидротехнических сооружений (ИГО ГТС). Это обстоятельство автором связывается с отсутствием необходимой методологической базы. Существующая нормативная база предусматривает применения только так называемых КИА (контрольно-измерительная аппаратура) в пределах сооружений и их примыканий.

Нужно отметить, что при использовании комплекса КИА, достоверная оценка состояния мерзлых пород только по температурным наблюдениям,

Таблица 3. 1

Инженерные последствия проявления природных, техноприродных

и техногенных процессов при создании гидроэнергетических комплексов

Бетонные плотины Грунтовые плотины Все типы плотин

Процессы Количество Количество Количество

Количество % отказов и аварий, Количество % отказов и аварий, Количество % отказов и аварий,

Природные - паводки - землетрясения - карст - оползни и отвалы 35 14 15 30 12 13 53 35 11 1 30 19 6 1 88 49 26 1 30 16,5 9 0,5

6 5 5 3 12 4

Техноприродные - фильтрация - суффозия и размыв - эррозионныйразмыв - осадка - просадка - деформация сдвига - криогенные процессы 52 12 8 6 9 6 11 44 10 7 5 8 5 9 86 29 14 5 17 4 16 1 48 16 8 3 10 2 9 1 138 41 22 11 26 4 22 12 46 14 7 4 9 1 7 4

Техногенные 31 26 39 22 70 24

- обусловленные

дефектами проекта 17 14 17 10 34 12

- обусловленные де-

фектами 14 12 22 12 36 12

строительства

ВСЕГО 118 100 178 100 296 100

весьма затруднена по двум причинам.

а) Точечности (дискретности) пунктов размещения КИА.

б) Наличием распространенных в криолитозоне ЯАП криопэгов и засоленных пород, фазовые переходы поровой влаги в которых происходят в широком спектре температур в зависимости от литологического состава и засоленности, что не позволяет достоверно определить фазовое состояние мерзлых пород и грунтов.

Преимущество геофизического мониторинга перед КИА (пусть даже и высокотехнологического характера) заключается в следующих обстоятельствах:

- пространственная непрерывность профилирования всего участка, а не отдельных наблюдательных площадок;

- получения дополнительной информации о строении, свойствах и состоянии изучаемой геокриологической среды по совокупности используемых геофизических полей;

- изучения как внешних, так и внутренних, незатронутых строительными работами частей массивов пород, недоступных традиционным геологическим и геомеханическим методам.

- отслеживание границ раздела разнородных по физическим свойствам горных пород;

- дистанционное изучение геокриологической среды без нарушения ее параметров и свойств.

Следует заметить, что даже для таких важных для хозяйственной деятельности сооружений в криолитозоне, как гидротехнические сооружения, к настоящему времени не установлен даже базовый комплекс геофизических методов и методик исследования ММП, а также не отработана до конца методика инженерно-геокриологического прогноза взаимодействия основных элементов гидросооружений. Причем по мнению автора работы это происходит не только из-за сложности и уникальности каждого комплекса ГТС, но и по причине, что этой проблемой в должной мере не занимаются специализированные проектные организации, которые просто не содержат в своем штате достаточно квалифицированные геофизические отделы (службы), занятые разработкой мониторинговых геофизических комплексов для различных типов, проектируемых и уже эксплуатируемых сооружений. Кроме того, ситуация с контролем гидротехнических сооружений (особенно с гидроэнергетическими) обостряется тем, что физическое старение сооружений и их оснований, предъявляет все более жесткие требования к техническим средствам контроля их состояния и режимов эксплуатации. В то же время на многих объектах используемые в настоящее время технические средства контроля состояния сооружений морально устарели, выработали свой ресурс или близки к этому.

По мнению автора, уже устарел и не так давно утвержденный стандарт организации ОАО РАО "ЕЭС РОССИИ" Гидротехнические сооружения ГЭС и ГАЭС. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования (СТО 17330282.27.140.003-2008), поскольку он не учитывает современное состояние измерительной техники и который и так фактически в необходимом объеме не выполняется. Данные положения, по мнению автора, необходимо отне-

сти к методологическим вопросам геофизического мониторинга на ГТС в криоли-тозоне РФ.

Например, п.1.3 распространяющийся на грунтовые плотины мерзлого, талого и тало-мерзлого типов всех классов, указывает, что в специализированное подразделение (группу) наблюдений должна входить мерзлотная служба, которая в период эксплуатации объекта преобразуется в мерзлотную лабораторию. Таких лабораторий в составе известных автору служб ГЭС пока не создано. Также весьма важные пункты этого СТО, приведенные ниже, не являются нормой технического обслуживания, а их выполнение является скорее исключением из правил. Так, на Вилюйской ГЭС 1.2 они выполняются по инициативе ПАО «Якутскэнер-го» силами ИМЗ СО РАН, а на Светлинской ГЭС, - видимо самой сложной по инженерно-геокриологической обстановке в Российской криолитозоне, эти исследования, увы не входят в комплекс работ КИА.

Кроме того, ряд ниже приведенных пунктов стандарта должен проводиться лишь в «случае регистрации в теле плотины аномального развития температурных процессов, не предусмотренных проектом» см. п.3.8.

п.3.5 «Температурные наблюдения по скважинам сети КИА» дают возможность контролировать температурный режим плотины и ее основания лишь в местах заложения скважин. Поэтому для достоверного анализа температурного состояния сооружения (основания) по данным КИА необходимо проведение комплекса дополнительных исследований температурного режима плотины (электрозондирования, профилирование).

п.3.6 «Методы электрозондирования и профилирования» позволяют весьма эффективно выявлять участки талых пород в толще мерзлых. Электроразведочные исследования проводятся по гребню плотины и по низовому ее откосу.

Необходимо отметить, что в условиях ГЭС использование электрозондирования для состояния плотины и ее основания практически бессмысленно из-за промышленных помех, связанных с конструктивными особенностями сооружений, и может использоваться лишь для береговых примыканий.

Уже из этого видно, что СТО нуждается в обновлении. Возвращаясь к вышесказанному, с одной стороны, технологический ассортимент, предписываемый СТО, детерминирован текущим уровнем геотехнических аппаратурных технологий мониторинга оснований инженерных сооружений в криолитозоне. Этот уровень технологий, за 50 лет промышленного освоения Севера, прогрессировал весьма медленно на фоне быстро прогрессирующих негативных геокриогенных процессов, в инженерно-геологическом окружении возведенных промобъектов. С другой стороны, отмечается большое количество выявленных негативных процессов, связанных с деградацией вмещающих мерзлых пород и возникновением фильтрационных процессов, требующих привлечения новых современных технических методов и методик КИА контроля состояния оснований сооружений.

Таким образом, создание и широкое использование, комплекса мониторинговых методов геофизического контроля состояния оснований гидротехнических сооружений, давно назрело и должно необходимым образом внедряться в геотехническую практику (совместно с КИА), чему, собственно, и посвящено большая часть работы автора.

3.2.2 Геофизический мониторинг и моделирование

Выше ГФМ был определен как интерактивный подход к планированию и проведению текущего цикла комплексированных геофизических полевых измерений, в общем случае с использование результатов комплексной обработки предыдущего цикла. Последняя включает в себя также моделирование геокриологических ситуаций по полученным данным, так и интерпретация результатов моделирования. Итого, ГФМ в общем случае предполагает обязательное наличие таких процедур как моделирование и интерпретация, которые не было упомянуты в первоначальном определении. Процедуры моделирования могут быть статистические, петрофизические, геокриологические и др. Процедуры интерпретации, аналогично, могут быть статистическими, геокриологическими и т.п., в зависимости от ракурса интерпретации.

В части комплексных полевых измерений опыт автора многолетних геофизических работ в криолитозоне говорит о том, что характер измеряемых ком-плексированных геофизических полей, их изменчивость во времени, может характеризовать устойчивость природных и природно-техногенных систем по отношению к внешним природным и техногенным воздействиям. Причём наиболее эффективное использование геофизических методов целесообразно проводить только в варианте последовательного изучения инженерно-геокриологического состояния мерзлых пород, структуры геокриологических разрезов, литологического состава и закономерностей чередования их физических свойств и отражении этих составляющих в наблюдаемых геофизических полях на скважинных опорных стационарных разрезах и прилегающим к ним профилям поверхностных съёмок.

Сеть таких разрезов обязательна для мониторинговых (режимных) наблюдений, что представляется единственно возможным вариантом изучения динамики изменения геофизических полей на всех этапах строительства и эксплуатации гидротехнических объектов ЯАП. Эти разрезы должны быть основой натурного физико-геокриологического моделирования, построенными на основе вероятностно- статистических оценок изменчивости геофизических полей при техногенных воздействиях. Кроме того, мониторинговое изучение изменений геокриологической среды под влиянием техногенных воздействий во времени, - одно из средств разработки методики оценки устойчивости инженерной инфраструктуры в криолитозоне.

Следует подчеркнуть, что возможности других видов моделирования весьма ограничены, что, прежде всего, связано с отсутствием формализованной информации при описании состава, строения и свойств геокриологической среды. В отличие от измеряемых числовых, воспроизводимых и кодируемых геофизических параметров, не формализованные и субъективные геологические и геокриологические описания, обуславливают введение существенных допусков

и упрощений, которые приводят к неоднозначной интерпретации полученных результатов.

Одна из основных проблем - получение объективной (достоверной) геокриологической информации, которая содержится в геофизических полях, но полностью не извлекается и однозначно не интерпретируется. Повторяемость (воспроизводилось) эксперимента как суть любого научного метода в условиях деградации мерзлых пород, находящихся под прессом техногенных нагрузок, особенно при режимных геокриологических исследованиях, остается низкой.

Именно это приводит к выводу о необходимости проведения статистического моделирования, позволяющего получать вероятностные оценки состояния грунтов оснований гидротехнических сооружений по результатам измерений геофизических полей и на этой основе осуществлять контроль и прогноз за их состоянием [Великин, Демура, 2010].

Рассмотрим основные предлагаемые принципы систематизированного статистического комплексного геофизического мониторинга геокриологической среды для контроля и прогноза чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях ЯАП.

Моделирование как средство познания закономерностей широко используется в различных областях науки и техники и представляет собой метод исследования сложных природных объектов, динамику процессов или основных особенностей системы. Среди них выделяют «плохо организованные системы», к которым относят геологические, геокриологические объекты, не поддающиеся безупречному количественному описанию. В этих случаях строгое понятие закона заменяется при их изучении более широким понятием - модели, обеспечивающей лишь приближенное представление о строении объекта. Моделирование криогенных пород представляет собой весьма сложную и трудно решаемую проблему. Это обусловлено «многообразием типов контактов геокриологической среды, взаимным проникновением и влиянием друг на друга, содержанием жидкой фазы в различных энергетических состояниях, гетеропористо-

стью и др.» [Фролов, 1998]. Им же подчёркивается, что «изоморфное моделирование мёрзлых пород и льдов вообще практически невозможно, а голоморфное может быть реализовано только для частных образов и состояний, но не одна из них не адекватна гетерогенным многофазным поликристаллическим криогенным породам ввиду гораздо большего числа факторов, влияющих на различные физические свойства».

К настоящему времени наиболее предметным решением этой проблемы являются работы по проведению геофизического геокриологического картирования, где в качестве объекта моделирования выступает верхняя часть геологического разреза (ВЧР). Как показано выше, используемые для этих целей геофизические методы имеют неоспоримое преимущество, поскольку они несут информацию о значительных объёмах горных пород в сравнении с визуальными геологическими наблюдениями.

Известно, что системный подход, позволяет представить в виде системы не только предмет исследования, но и само исследование, процесс и пр. [Веников, 1976]. Методической основой системного подхода является представление о системе как совокупности элементов, выделенных в процессе изучения из окружающей среды и имеющей следующие характеристики:

а) каждый элемент в пределах системы - неделимое целое;

б) система имеет определённую структуру, обусловленную устойчивыми (прямыми и обратными) связями между элементами;

в) система реагирует с окружающей средой как единое целое;

г) свойства системы не сводятся к сумме свойств элементов и в известной мере независимы от них;

д) система имеет иерархическое строение - она делится на элементы, представляющие системы более низкого ранга, которые включаются в качестве элемента в более сложную систему;

е) система развивается (совершенствуется) во времени, причём между ее элементами в разные моменты времени имеется однозначное соответствие.

Системный подход к решению методических задач комплексирования в геологической практике реализуется в виде совокупности логически обоснованных этапов решения проблемы и указанных далее задач:

- постановка общей задачи;

- формирование модели объекта или процесса;

- формулирование конкретных геологических задач;

- выбор альтернативных комплексов методов;

- исследование ресурсов на решение задачи;

- выбор критериев оценки;

- сравнение альтернатив и окончательный выбор комплекса методов.

Автор диссертации считает, что именно отсутствие системного подхода в ряде проведенных исследований при решении геокриологических задач, объясняется недостаточная эффективность геофизических исследований, что приводит к существенной потере геокриологической информации, содержащейся в геофизических данных.

3.3. Физико-геокриологическое моделирование

В данной работе мы выделим несколько видов специального моделирования: геофизический статистический (Г. В. Демура, А. А. Никитин, А. В. Петров), функциональный (С. Е. Гречищев и др), петрофизический (В. А. Шевнин и др), и натурно-геофизический (Г. С. Вахромеев и др). Эти подходы как правило взаимодействуют др. с др. и относятся к разным этапам цикла геофизических работ - получение данных, их обработка, и построение модели, т.е. интерпретация результатов обработки.

Статистический подход

В качестве общей основы предлагается использование статистического подхода к модели геофизических полей [Никитин, Петров, 2008] в верхней части криолитозоны в виде частных физико-геокриологических моделей (ФГКМ), создаваемых по наблюдательной сети скважин и в межскважинном пространстве, дополняемой результатами наземных геофизических съёмок. Обновление ФГКМ

на основе новых данных используется для попутного принятия решения о возможной аварийной ситуации на основе глубокой статистической обработки результатов и согласования с результатами контрольно-наблюдательных данных КИА.

Функциональный подход

Отдельно стоит подход к геокриологическому моделированию, который условно можно назвать как «функциональный подход» [Гречищев и др. 1984], который заключается в построении функциональной модели каждого из известных геокриогенных феноменов: пучение, растрескивание, и т.д. Подход заключается в систематизации известных криогенных процессов и построении функциональной модели каждого из них. Каждый процесс разбивается на конкретные составляющие, которые и персонифицируют этот процесс. Для морозобой-ного растрескивания это один набор его составляющих, для процессов промерзания-оттаивания другой. Функциональная модель, согласно авторам, представляет собой граф, узлами которого являются функциональные блоки, т.е. составляющие процесса, который описывается индивидуальным типом теплообмена в его пределах. Сильной стороной этого подхода является стремление авторов использовать теплофизические формулы при описании каждого блока. Наконец, все блоки снабжаются каузальными связями между собой, внутри данной модели данного геокриогенного процесса.

Петрофизический подход

Петрофизический подход к интерпретации данных промысловой геофизики разрабатывается довольно давно [Шевнин и др., 2017], и весьма целесообразно использовать его приемы для целей геофизического мониторинга геокриологической среды. Поясним принципиальные аспекты.

А.А. Рыжовым были разработаны алгоритм и программа расчетов сопротивления пород по петрофизическим характеристикам слагающих породу компонентов. Основой алгоритма была модель смеси двух компонентов породы, например, песка и глины, каждый компонент со своими петрофизическими

параметрами. В работе [Рыжов, Судоплатов, 1990] приведено описание модели и алгоритм расчета сопротивления грунта (программа Петрофизика). Смысл работы, что если есть работающая программа прямой задачи, то можно реализовать и обратную задачу - оценки петрофизических параметров по геофизической характеристике - сопротивлению грунта. Согласно авторам, для заданной модели и по известному сопротивлению грунта, можно оценить петрофизиче-ские параметры (ПФП) пород, такие как глинистость, пористость, ИОЕ (ионно-обменная емкость) глины и ряд других. Сопротивление грунта может быть измерено на образцах (как функция солености поровой влаги) или получено из интерпретации данных электротомографии. Для оценки петрофизических параметров по данным электротомографического профилирования (или ВЭЗ) на каждом участке работ нужно провести измерения солености подземных вод или сопротивления этих вод для определения солености; отбор представительных образцов грунта данного участка для измерения в лаборатории зависимости сопротивления грунта от солености влаги. Далее, используя петрографические формулы палетки для известных грунтов или программы по значениям сопротивления грунта и солености поровой влаги (для заданной модели среды), вычисляют глинистость, пористость и ИОЕ грунта [Шевнин и др., 2006]. Для мерзлых пород эта задача усложняется т.к. сопротивление пород также зависит еще и от фазового состояния воды (вода-лед). Но, тем не менее, эти идеи и методы, открывают наиболее объективный вариант составления интерпретационных моделей по данным геофизических исследований.

Со своей стороны, автор считает целесообразным использовать на этапе моделирования авторские значения физических свойств мерзлых пород (см. Главу 1).

Натурно-геокриологическое и геофизическое моделирование

В работе [Вахромеев, 1989], обоснована методика и приведены результаты натурного геофизического моделирования, применительно к решению гидромелиоративных задач при сейсмическом микрорайонировании территорий криоли-

тозоны. В этой работе приведены основные этапы построения статических физико-геологических моделей для обоснования комплекса методов и проведения натурного моделирования на территории Южного Приангарья. Для этого авторы выделяют три итерационные процедуры с использованием критериев подобия, типизации геологических разрезов при создании частных ФГМ, затем переходят к натурному моделированию и формированию апостериорной (априорная, дополненная результатами ее анализа и интерпретации) ФГМ. Подобная модель, как утверждает автор, может быть использована в качестве обоснования проекта строительства. Накопленный автором опыт в этой области возможноиспользовать лишь частично для проведения детального геокриологического картирования с использованием геофизических методов на наших площадях ГТС ЯАП. Более поздние работы других авторов по построению и использованию натурных ФГМ указаны во «Введении», обзор литературы.

3.4 Основные методические принципы геофизического мониторинга

3.4.1. Автоматизированные системы геофизических измерений и промышленные КИА

Развитие автоматизированных сетей КИА (термо-, и пьезо) для контроля и прогноза аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях Крайнего Севера требует разработки системных принципов проведения натурного геофизического мониторинга.

Развиваемый нами подход к проведению комплексных геофизических работ при изучении динамики криогенных процессов базируется на создании натурных физико-геокриологических моделей (ФГКМ) в пределах гидротехнических сооружений, которые в общем виде должны использоваться:

а) для контроля и прогноза процессов деградации ММП;

б) для выбора комплекса методов, технологии проведения работ;

в) разработки приёмов обработки и интерпретации полученных результатов;

г) оценке эффективности проведенных исследований.

Такие натурные модели позволят обеспечить получение объёмной информации о состоянии контролируемого сооружения путём изучения скважин-ных разрезов методами ГИС и поверхностными геофизическими съёмками на примыкающих к объекту площадях. Наземные и аквальные работы позволят повысить качество интерпретации комплексных геофизических данных, а использование корреляционно-спектрального анализа даст возможность провести согласование с ФГКМ и провести объёмные построения.

Такие исследования можно отнести к детальному поглубинному геолого-геофизическому картированию верхней части геокриологического разреза, отвечающей зоне активного влияния техногенной деятельности человека. Поглу-бинные карты (срезы) и их трансформация во времени позволяют получить оперативную информацию об изменениях, происходящих в геокриологической среде, с точки зрения их соответствия допустимым нормам, критериям качества и безопасности окружающей среды.

Для таких моделей необходимы знания:

- пространственного положения геологических тел, сложенных различными криогенными горными породами, тектонические взаимоотношения между ними;

- положения поверхностей и зон раздела между горными породами, находящихся в различном состоянии (степень увлажненности, засоленности, уплотненности, трещиноватость, льдистость и т.п.);

- количественные характеристики физико-механических и водно-физических свойств ВЧР в целом и отдельных литолого-генетических комплексов;

- данные об условиях залегания, динамике и минерализации подземных вод;

- характеристику состава и развития геокриологических процессов и явлений;

- распределение природных и промышленных физических полей, и явлений.

Применительно к принятой нами статистической геокриологической модели на начальном этапе формируются частные физико-геокриологические модели (ФГКМ) по каждой опорной скважине, в которых последовательно изучаются:

а) состав пород в натурных условиях и их физические свойства;

б) строение, закономерности их чередования и отражение в комплексных геофизических полях;

в) трансформация геокриологической среды и геофизических полей при природно-техногенных нагрузках.

В нашем случае параметры гидротехнических и горнотехнических сооружений ЯАП и геологической среды до ввода сооружений в эксплуатацию известны. Если ранее имелась геофизическая и геокриологическая информация, то это, несколько упрощает возможность изучения динамики процессов деградации вечной мерзлоты и позволяет использовать в качестве основы апостериорные (ретроспективные) модели и частные ФГКМ для оценки динамики изменчивости аномальных полей при техногенных воздействиях на криогенную среду. При этом ключевыми моделями должны быть те, которые были получены в период подготовки и реализации (проявления) неблагоприятных ситуаций на изучаемых в мониторинговом режиме ГТС.

В конечном итоге наблюдения за состоянием верхних частей геокриологического разреза по геофизическим данным могут привести к формированию динамических, объёмных (4 D - ^ физико-геокриологических моделей.

Основным предметным наполнением частных ФГКМ, кроме геологических, являются, качественные и количественные корреляционно-спектральные характеристики признаков деградации ММП по аномальным и комплексным геофизическим параметрам. Именно в такой последовательности, от постановки задачи до принятия решений о развитии аварийных ситуаций, частные ФГКМ могут использоваться для контроля состояния сооружений и прогноза. Принятие решений о возможной аварийной ситуации необходимо проводить путем согласования временной изменчивости частных моделей с ретроспективно - апостериорными ФГКМ и данными контрольно-наблюдательной сети КИА.

Особое внимание необходимо уделить проблеме выделения и разделения геофизических аномалий и помех различной природы, поскольку при изучении

верхних частей геокриологической среды возможности получения достоверной информации ограничены. Это связано с геологической и петрофизической гетерогенностью зоны гипергенеза, динамикой криогенных и эзогенных процессов, промышленными помехами, и пр. При этом широкий и значительно более резко проявленный в пределах верней части геокриологического разреза по отношению к глубоко залегающим геологическим объектам «спектр помех» является источником содержательной информации, выделение и разделение которой возможно с использованием вероятностно-статистического анализа данных.

3.4.2 Целевые геокриологические интерпретационные объекты

При поглубинном геокриологическом картировании основным элементом методики комплексных геофизических мониторинговых исследований должны стать опорные разрезы (пересечения), которыми могут быть профили на поверхности, скважины, эталонные площадки, жестко и долговременно закрепленные на местности. Сеть пересечений наращивается по мере укрупнения масштабов работ, закладка новых опорных пересечений связывается с участками, где теряются корреляционные связи изучаемых геолого-геофизических параметров. Часто, к участкам с сильно изменчивыми корреляционными связями по геофизическим характеристикам приурочены природно-техногенные процессы хаотично изменяющими криогенную среду.

Геофизические исследования на опорных пересечениях (натурных моделях) включают изучение физических свойств горных пород, опытное опробование различных геофизических методов и определение рационального геофизического комплекса, определение целевых геокриологических задач и возможности трассирования целевых геокриологических объектов в геофизических полях и возможности их использования в качестве маркёров.

Здесь же формируются основные методические принципы картирования целевых объектов по площади и на глубину между опорными пересечениями.

Под целевыми геокриологическими объектами понимаются, подлежащие обнаружению и последующей оценке в геофизических полях аномальные пара-

метры, отвечающие изменчивости состояния ММП, природа которых установлена на опорных пересечениях с заданной точностью и надежностью.

Оценка точности и надёжности любых геофизических полей проводится по результатам проведения мониторинговых (повторных) наблюдений на опорных ФГКМ путём вычисления дисперсий и энергетического отношения сигнал/помеха.

При геокриологическом картировании выделить всю совокупность целевых геокриологических объектов в геофизических полях трудно, поскольку такие поля сложно интерпретировать из-за интерференции аномалий. Выявить в максимальной степени геокриологическую информацию, а также снизить неоднозначность интерпретации можно на основе детального изучения тонкой структуры геофизических полей и подтверждения достоверности выделенных аномалий на опорных пересечениях.

Повысить эффективность выделения таких целевых геокриологических объектов можно, используя точки перегиба и градиентные составляющие полей, интерпретируя их как границы между областями стационарности поля, которые контролируют геологические границы.

Нестационарную изменчивость можно связывать с геокриологическими процессами (объектами) и выделять c помощью различных программных средств, например, корреляционными приёмами обработки данных реализованном в автоматизированной системе КОСКАД-3Dt, позволяющем рассчитывать градиентные характеристики полей и проводить автоматизированное трассирование геофизических аномалий [Петров, 2002; 2007]. За счёт изучения градиентных составляющих повышается эффективность термометрических измерений и других методов в межскважинном пространстве и по площадям поверхностных съёмок.

Таким образом, методически выделяются четыре последовательных этапа изучения ММП:

1. Исследования опорных (эталонных) пересечений с целью изучения петро-физических характеристик криогенных горных пород в естественном залегании.

Для оценок изменчивости физических свойств целесообразно создание натурной петрофизической модели;

2. Создание натурной физико-геокриологической модели (ФГКМ) - включает определение целевых геокриологических объектов, оценку возможностей отдельных геофизических методов по их картированию, выбор их сочетаний (комплекса) для повышения надежности выделения, технологии ведения работ и приёмов обработки и интерпретации данных;

3. Проведение комплексных каротажных и площадных геофизических съёмок с целью геокриологического картирования целевых объектов на основе изучения изменчивости тонкой структуры геофизических полей вероятностно-статистическими методами.

4. Проведение повторных мониторинговых геофизических съёмок (режимных наблюдений) для установления динамики природно-техногенных процессов.

Моделирование проводится на первом и втором этапе при изучении состава горных пород, их взаимоотношений (строения) с учётом природно-техногенных воздействий, и оценкой в петрофизических характеристиках и геофизических полях; а также в процессе мониторингового поглубинного геокриологического картирования.

Объективность геолого-геофизической информации может быть оценена при проведении петрофизического моделирования (ПФМ) в общепринятом варианте. ПФМ развертывается по двум координатам: колонкой состава и физическими свойствами криогенных горных пород. По временной координате учитываются значимые особенности строения геокриологического разреза: трещинова-тость, льдистость, обводнённость, проницаемость, фильтрационная способность, пластичность горных пород и грунтов, изменчивость физических параметров при физико-химических и температурных воздействиях природного и техногенного типа и пр.

Следует особо подчеркнуть факт существенного изменения состава пород и грунтов и их петрофизических свойств именно в ВЧР за счет воздействия при-

родно-техногенных процессов (геокриогенные изменения, гипергенез, механическое и физико-химическое выветривание, воздействия поверхностных и талико-вых вод, их сезонные колебания, и пр.). При этом занижаются параметры магнитной восприимчивости, намагниченности и плотности, значимо варьируют параметры удельного электрического сопротивления и скорости распространения упругих волн, нарушается радиоактивное равновесие и пр., что необходимо учитывать при проведении интерпретации на всех этапах глубинного картирования криогенных пород.

Сведения о петрофизических параметрах получают по данным ГИС, параметрических измерений в естественном залегании и на образцах, при проведении опытно-фильтрационных исследований и инженерно-геологических испытаниях. Уже на этом этапе работ, используя вариационные кривые или гистограммы, можно провести предварительные оценки ожидаемых аномалий, их изменчивость.

ПФМ, связанная с геологической составляющей, совершенствуется последовательным приближением: при малом объеме измерений модель груба, в частных статистических распределениях параметров — полимодальна, что указывает на необходимость изучения причин полимодальности на основе статистически представительных данных. С увеличением детальности изучения статистические распределения становятся близкими к одномодальным, что и является критерием качества модели. Для предварительных количественных оценок приоритета того или иного геофизического параметра по данным петрофизического моделирования рекомендуется рассчитывать надежность разделения изучаемого параметра и вмещающей среды (1-3).

Примером такой модели являются результаты петрофизического изучения горных пород (Приложение № 4). Однако эти данные могут быть ориентировочными, а основное место в изучении динамики изменения физических свойств криогенных образований могут быть получены при скважинных измерениях, а также по данным наземных геофизических съёмок.

Вообще следует отметить, что скважинные измерения наиболее близки к созданию обоснованных ФГКМ для мерзлых пород, поэтому считаем необходимым отметить перспективность пути петрофизического подхода к интерпретации мониторинговых данных, хотя он не нашел пока широкого применения для оценки состояния оснований сооружений в криолитозоне.

3.5. Комплексная интерпретация комплексирования геофизических методов как методология

3.5.1 О статистическом подходе к интерпретации

Интерпретация результатов обработки комплексированных геофизических методов является трудноформализуемой задачей, для которой в настоящее время нет общепринятой идеологии. Причиной этого является как масштаб исследований (земная кора, геоинженерные исследования), так и характер взаимодействия «разнометодных» геофизических полей между собой при зондировании геологической среды, например, геоэлектрических полей и упругих. В зависимости от конкретных геологических, петрофизических, криолитологиче-ских условий, они могут быть полностью независимы, взаимодействовать случайным или частично закономерным образом. В настоящее выделяют три неприводимых типа интерпретационных подходов: детерминированный, стохастический (корреляционный) и эвристический. Большое значение также имеет потенциальность (стационарность) и время-зависимость (частотность) зондирующих полей; по причине, указанной в начале, существуют также нейросете-вые подходы к данной проблеме. Общая схема интерпретации приведена на рис. 3.1.

При наличии эталонных объектов класс алгоритмов комплексного анализа основан на байесовском подходе, подходе математической логики. При отсутствии эталонного объекта класс алгоритмов основан на эвристической классификации, методе главных компонент. Выбор рационального гео физического комплекса, можно проводить на обобщённой физико-геокриологической модели, используя для этого расчёт надежности разделения целевых геокриологических объектов и функции потерь. Схематично рассмотрим эти подходы. Под

надежностью обнаружения объекта понимается вероятность его правильного обнаружения [Никитин и др, 2008]. Для наиболее часто применяемого критерия максимального правдоподобия, при котором вероятности ошибок I рода (ошибка обнаружения ложного объекта) и II рода (ошибка пропуска объекта) полагаются равными, надежность обнаружения объекта у определяется через интеграл вероятности Ф (2.18)

где р - энергетическое отношение сигнал/помеха, равное для некоррелированной и нормально распределенной помехи с нулевым средним и дисперсией о2:

(3.1)

$2т

(3.2)

где

т

(3.3)

) = 1

Целевые геокриологические объекты

I

геофизические поля

I

А но м а л и и

ЗОНИРОВАНИЕ, РАСПОЗНАВАНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ

В И З У А Л Ь Н О Е трассирование аномалий

СТАТИСТИЧЕСКИЕ приемы обработки

Г Е О К Р И О Л О Г И Ч I Е С К А Я И Н Ф О Р М

|е

\ Ц

И Я

Рис. 3.1 Общая схема обр аботки геофизической! информации (Г.С.Демура)

- дисперсия сигнала, т-число значений сигнала (число аномальных значений в пределах объекта). Используя зависимость надежности разделения целевых объектов от энергетического отношения сигнал/помеха, можно оперировать последним параметром в качестве оценочного для установления иерархической

значимости конкурирующего геофизического метода с точки зрения решения геокриологических задач. Увеличение надежности обнаружения этих объектов может быть достигнуто также путем использования данных комплекса различных полей (признаков). Если для каждого независимого физического поля или признака сигнал образован одним и тем же объектом, то его надежность определяется выражением

где р[ - энергетическое отношение сигнал/помеха для 1-го поля (признака), Ь — общее число полей (признаков), Ф - интеграл вероятности.

Примеры выявленных коррелирующих геофизических разрезов при ком-плексировании инженерно-геофизических методов приведены в предыдущем подразделе.

3.5.2. Использование ФГКМ в геофизическом мониторинге.

Геофизический криомониторинг включает определение инженерно -геологических, физических и других параметров мерзлых, талых пород, подземных вод с требуемой точностью, обеспечивающей изучение динамики этих параметров и процессов, протекающих в толще мерзлых и талых пород, а также на их границах.

В целом, информативность комплексного геофизического мониторинга будет зависеть:

А) От достоверности интерпретации и информативности геолого-геофизических данных.

Б) От взаимосвязи данных основного вида геофизических исследований (например, скважинного мониторинга) с результатами наземных и других методов исследований, в том числе с использованием лабораторных определений

(3.4)

физических, инженерно-геологических, геокриологических параметров геокриологической среды.

Следует отметить важность скважинных исследований как для создания объективных ФГМК, так и для самого геофизического мониторинга в качестве опорных данных для интерпретации.

По мнению автора, отраженного в защищаемом положении диссертационной работы, система геофизического мониторинга оснований должна создаваться путем объединения контрольно-наблюдательной сети геофизического мониторинга на ключевых участках с традиционной контрольно-наблюдательной сетью системы КИА, которая предусматривает контроль динамики температурного режима, пьезометрических уровней и напора в основании сооружений и их примыкании. Причем последняя должна позволять проводить эти замеры дистанционно в онлайн режиме. Это повысит ее информативность в целом и сократит объем буровых работ за счет комплексного многоцелевого использования наблюдательных скважин и участков. Пример такой модели приведен на рис. 3.1.

Приведенные на рис.3.2а полученные в результате электротомографии геоэлектрические разрезы в пределах имеющихся скважин дают почти полное соответствие изученным по керну и по каротажу геологическим разрезам скважин (рис. 3.2б), а геоэлектрическое строение (рис. 3.2а) совпадает со строением, построенных с помощью сейсмопрофилирования карт отношения продольных и поперечных скоростей, по которым выделяются ослабленные зоны и возможные трещины бокового отпора.

Причем в систему скважинного мониторинга должны быть включены, как существующая наблюдательная сеть, так и вновь сооружаемые скважины, сеть которых наращивается для предотвращения развития возможных чрезвычайных ситуаций.

Наличие наблюдательных скважин и проведение геофизических скважин-ных измерений позволяет проводить создание частных физико-геокриологических моделей с выделением маркирующих признаков

Рис. 3.2. Сравнение геоэлектротомографии с результатами каротажных исследований: а) электрокаротажа ОРВП; б) гамма-

каротаж

и их изменчивости во временном мониторинговом интервале для последующего использования в качестве апостериорных при контроле и оперативном прогнозе развития чрезвычайных ситуаций на ГТС.

Моделирование в предлагаемом варианте позволит создать объемную, согласованную с результатами наземных и аквальных работ, обобщённую модель и свести к минимуму неоднозначность интерпретации геофизических данных при прослеживании целевых геокриологических объектов по площади и на глубину в межскважинном пространстве.

Таким образом, под физико-геокриологической моделью (ФГКМ) нами понимается максимально приближенное к реальному, систематизированное описание целевых объектов, подлежащих обнаружению и последующей оценке в геофизических полях с заданной точностью и надёжностью. В описание ФГКМ входят: геокриологический разрез и геометрические параметры целевых

объектов, их натурные петрофизические характеристики, наблюдаемые геофизические поля, динамика изменений которых устанавливается мониторинговыми наблюдениями [Великин, Демура, 2010].

При натурном моделировании целесообразно создание альбома маркирующих геофизических признаков по комплексу методов, наблюдаемых в пределах целевых объектов, которые должны быть использованы для установления динамики изменений геокриогенной среды. Выбор рационального геофизического комплекса, можно проводить на обобщённой физико-геокриологической модели, используя для этого расчёт надежности разделения целевых геокриологических объектов и функции потерь, например, (3). Принятие решения о возникновении неблагоприятных (аварийных) ситуаций связывается с заключительным блоком схемы, приведенной на рис 3.1. В этом блоке, находящемся в стадии разработки, должны располагаться частные и ретроспективные ФГКМ.

Полученные апостериорные ретроспективные ФГКМ используются для сравнения с текущими мониторинговыми ФГКМ, а также и с маркирующими признаками с целью прогноза развития неблагоприятных ситуаций на ГТС. Эта проблема может быть решена при развитии геофизических работ в предлагаемом варианте, начальный этап которой обсуждается в следующей главе работы и требует дальнейшего творческого развития.

Еще одним способом создания эффективной ФГКМ, рассмотренное в следующем разделе, является применение пространственно-временных интерполяционных 3D технологий обработки режимных геофизических наблюдений, используя их временную периодичность в качестве дополнительной координаты.

3.6. Использование технологий 3Б обработки в задачах мониторинга состояния оснований гидротехнических сооружений в криолитозоне

3.6.1. Необходимость использования интерполяционных подходов

Пространственное представление временной динамики геофизических разрезов - основа для решения большинства задач долговременных наблюдений для изучения и контроля развития техноприродных процессов в зоне взаимодействия оснований и сооружений, расположенных на территории криолитозоны [Великин,

Шестернев, 2015], которая является наиболее уязвимой для антропогенных (при-родно-техногенных воздействий). Метод геоэлектротомографии, в рамках режимных наблюдений на ГТС (в особенности на линейных грунтовых плотинах), применяли многие авторы [119; 150; 243; 245; 247]. Но для корректной интерпретации геофизических аномалий необходимо учитывать влияние боковых неодно-родностей - рельефа плотины и уровня воды в верхнем бьефе, а также инженерных конструкций в массивах пород береговых устоев сооружений. Хотя теоретически это возможно с помощью математического моделирования, но на практике это мало осуществимо из-за сложности задачи и необходимости учета влияния изменения совокупного влияния динамики поверхностных сезонно-климатических условий мощности и электропроводности сезонно-талого слоя, изменения уровня воды водохранилищ и степени заполнения уже действующих фильтрационных коллекторов. Для случая обходной фильтрации эти обстоятельства усложняются расположением больших по размеру (десятки и сотни метров) линейных измерительных линий вдоль объездных дороги створов сооружений, т.е. вдоль фильтрационных каналов, а не поперек, что резко уменьшает возможности их картирования.

Для уменьшения неоднозначности интерпретационных возможностей, возникающих в силу вышеозначенных обстоятельств, автором предложено применение пространственно-временных интерполяционных 3D технологий для обработки режимных геофизических наблюдений, а также и для площадных режимных гидрогеологических исследований. Их использование позволяет выявлять информативные признаки развития негативных инженерно-геокриологических процессов в условиях природно-технологических помех, неизбежно присутствующих на территории промышленных сооружений в криолитозоне. Применение различных вариантов обработки для мониторинга состояния оснований гидротехнических сооружений дает возможность своевременно выявлять тренды развития геоэлектрических особенностей, связанных с продвижением фильтрационных потоков, за счет учета интерполяции всего блока режимных наблюдений и уменьшения неиз-

бежных отдельных ошибок - выпадение электрода, незначительное смещение установок и другие.

3.6.2. Модели и моделирование

При контроле состояния береговых примыканий гидроэнергетических сооружений, плотин и дамб гидротехнических сооружений (водохранилищ, накопителей жидких промышленных отходов и др.), а также оснований линейных сооружений энергетической и нефтегазовой промышленности, возникает вопрос создания единой инженерно-геофизической объемной модели изученного периода в целом, для оценки и прогноза состояния изучаемых разрезов оснований сооружений.

Будем условно понимать под объемным геологическим моделированием конструирование, и формирование модели на основании геолого-геофизических предпосылок о строении изучаемого пространства такое, что делает возможным проведение корректировки предполагаемого положения геологических границ в связи с появлением новых фактических данных.

Под моделью, в общем понимании подразумевается любой образ (описательный, предметный, графический, математический) какого-либо объекта, процесса или явления. Для конкретизации понятия модели необходимо определить оригинал, ею отображаемый, и способ его отображения. Обычно оригиналом объемной инженерно-геофизической модели является блок земной коры (или процессов в нем протекающих), в плане совпадающий с изучаемым участком. Высота (глубина) этого блока зависит от решаемой инженерно-геологической задачи. Далее, вышеприведенное представление модели заменяется дискретным - линейными или криволинейными профилями, каждый из которых представлен множеством точек (сетью) геофизических измерений.

Графически эту модель можно изображать в виде набора разрезов вдоль отдельных профилей изучаемого объекта. Изменения в результатах одномоментных измерений с течением времени можно назвать динамикой модели и трактовать как временное отображение изучаемого состояния участка земной коры, пред-

ставленного набором геофизических разрезов, отождествляемых с гипотетическими инженерно-геокриологическими структурами.

Если отталкиваться от математического характера используемой модели, то ее качество зависит от полноты и адекватности используемого математического аппарата (системы интегро-дифференциальных уравнений математической геофизики и численных методов их решения). Основные методы интерполяции, такие как интерполяция с помощью скользящего среднего, полиномиальная интерполяция, кусочно-полиномиальная интерполяция методом наименьших квадратов, сплайн интерполяция, кригинг и другие широко применяются в программных комплексах при решении различных двумерных геологических и геофизических задач, поэтому мы не будем останавливаться на их особенностях.

Отметим только, что в варианте эти методы для обработки геофизических данных практически не используются из-за многократного увеличения сложности алгоритмов и длительности процедур обработки. В связи с этим в программах 3Э обработки в большинстве случаев и используются преобразования двумерных данных в трехмерные.

Возможности предлагаемой технологии были опробованы автором на ряде гидротехнических объектов Западной Якутии.

3.6.3. Неполноценность моделей и способы ее компенсации

Во многих производственно значимых случаях невозможно использовать полноценные 3Э модели, но можно применять их аппроксимации совокупностью 2Б моделей. На фотографии (рис. 3.3) показана Вилюйская ГЭС (ВГЭС-1, Зап. Якутия), «встроенная» в скальный массив траппового поля и опорный мониторинговый геофизический профиль (красным), контролирующий предполагаемый

Рис. 3.3. Правобережное примыкание Вилюйской

ГЭС

процесс правобережной обходной геофильтрации. Как видно из рисунка, проведение площадных геофизических работ методом электротомографии затруднительно. Таким образом, при наличии единственного опорного профиля возникает актуальная задача имитации дополнительных площадных электротомографических «псевдоизмерений», как способ компенсации неполноты 3Э модели в данных инженерно-геологических условиях. Также отметим, что инженерно-геофизические исследования зачастую имеют практический интерес только в случае, если они позволяют фиксировать инженерно-геологические процессы различной природы.

В нашем случае речь идет о процессах развития обходной фильтрации вследствие растепления мерзлой толщи в правобережном примыкании ВГЭС-1, которые мы хотим контролировать при помощи только одного опорного геофизического профиля

В геоэлектрических полях, в отличие от упругих полей сейсмических исследований, физическая картина более проста, и 3Э поле может быть аппроксимировано набором 2Э измерений, поэтому автор предпринял попытку использо-

вания режимных измерений по опорному профилю путем введения фиктивных площадных измерений в соответствующих 3D программах электротомографии.

Конечной целью таких построений было получение содержательной (дополнительной) геоинженерной информации, которая не всегда может быть выявлена при помощи только стандартной 2D интерпретации электротомографических данных.

3.6.4. Аппроксимация 3D моделей набором 2D моделей

Как уже упоминалось выше, для необходимой 3D обработки временных режимных наблюдений можно использовать преобразования двумерных данных в трехмерные, для чего существует много алгоритмов (послойной интерполяции, методы кригинга и др.) и прикладных программных средств (например, Surfer, Коскад 3D и др.), выбор которых зависит от характера имеющихся данных [58; 93; 176].

Применение конкретного вида обработки, включающей интерполяцию, фильтрацию или другие математические процедуры, часто связано с трудоемким процессом выбора оптимального решения, а также настройки и подборки параметров обработки.

Для решения подобных задач возможно использовать алгоритмы двумерной линейной интерполяции, двумерной сплайн интерполяции, Фурье интерполяции и другие, хорошо зарекомендовавшие при работе с большими объемами самой разнообразной геолого-геофизической информации.

Двумерная линейная интерполяция является самой простой, но результаты, полученные с ее помощью, базируются исключительно на имеющихся в распоряжении пользователя данных. Сплайн интерполяция широко используется в различных прикладных областях, но ее использование может привести к результатам, которые противоречат общим геологическим закономерностям. Фурье интерполяция позволяет получать гладкие интерполяционные решения, но при определенных значениях шага интерполяции возможны так называемые «биения», которые связаны с особенностями Фурье преобразования. Таким образом,

для качественного решения задачи интерполяции в распоряжении исследователя должны быть несколько различных интерполяционных модулей. То же самое касается задач экстраполяции.

Здесь решается практическая важная задача - выяснить является ли некоторый фрагмент геофизического поля (в некотором заданном, или скользящем окне) аномальным или нет. В частности, используется статистическое оценивание по критерию Хотеллинга (иллюстративно)

Г =

(3.5)

проверки Н0- гипотезы для статистики Р при выборе порога ее срабатывания на фоне помех.

Выявление аномалии на основе критерия правдоподобия основано на формуле

(3.6)

для коэффициента правдоподобия (способа обратных вероятностей).

Ниже приводятся примеры использования 3D программ для оценки состояния участка береговых примыканий Вилюйской ГЭС в период развития процессов обходной фильтрации.

3.6.5 Мониторинг геофильтрации методом электротомографии

Обходная фильтрация изучалась на объектах Вилюйской ГЭС-1 (рис. 3.3, общий вид), правобережное примыкание. С этой целью, на протяжении ряда лет проводятся режимные (мониторинговые) измерения методом электротомографии на фиксированном опорном геофизическом профиле (рис. 3.4). Сам процесс геофильтрации в скальном массиве своим происхождением обязан техногенному талику в правобережных карбонатных ксенолитах.

Рис. 3.4. а) Расположение режимного электротомографического профиля

Последний контролируется температурными наблюдениями правобережного

Рис. 3.5 Томографические разрезы, построенные по технологиям 2D и 3D.

скважинного полигона ВГЭС-1.

Поскольку расширение скважинного полигона на все пространство правобережного примыкания является дорогостоящим мероприятием, то весьма чрез вычайно актуально альтернативное применение геофизических методов контроля динамики ореола геофильтрации.