Опыт изучения мёрзлой грунтово-геологической среды методом георадиолокации в криолитозоне Южной Якутии (на примере г. Нерюнгри)

АННОТАЦИЯ

Методом георадиолокации в криолитозоне Южной Якутии на территории г. Нерюнгри эксперимен6тально изучено строение грунтово-геологической среды, слагающей основание проспекта Дружбы Народов. Анализ радарограммы показал, что мощность насыпного слоя грунтов равна 1,3–1,7 м. По этим слоем и слоем делювия-элювия на глубине 1,9–4,7 м залегает структурная граница – кровля коренных пород, представленных преимущественно песчаниками. Ниже, на глубине 10,4–13,4 м расположена петрофизическая граница – кровля относительно сохранных прочных песчаников. Знание положения этой границы представляет практический интерес для проектно-изыскательских и строительно-эксплуатационных работ. Научный интерес вызывает неравномерное повторение в слое делювия-элювия участков глинистых и крупнообломочных образований с почти вертикальными границами. Природа такого явления предположительно объясняется особенностями прочностного состояния песчаников, обусловленного действием тектонических процессов.

ABSTRACT

The structure of the subsoil-geological environment forming the basis of the prospect Drujbi Narodov has been experimentally studied by the method of georadiolocation in the cryolithozone of South Yakutia on the territory of Neryungri. The analysis of the radarogram has showed that the thickness of the bulk soil layer is 1.3–1.7 m.  The structural boundary-the roof of bedrock, represented mainly by sandstones lies along these layers and the deluvium-eluvium layer at a depth of 1.9–4.7 m. Below, at a depth of 10.4-13.4 m, there is a petrophysical boundary-the roof of relatively preserved strong sandstones. Knowledge of the position of this boundary is of practical interest for design and survey and construction and maintenance works. The uneven repetition of clay and large-block formations with almost vertical boundaries in the deluvium-eluvium layer is of scientific interest. The nature of this phenomenon is presumably explained by the peculiarities of the strength state of sandstones caused by the action of tectonic processes.

Ключевые слова: георадиолокация, радарограмма, глубина залегания, радиоотражающие границы, скорость, делювий-элювий, коренные породы.

Keywords: georadiolocation; radarogram; cover thickness; radio-reflective borders; speed; deluvium-eluvium; solid rocks.

Среди методов инженерной геофизики метод георадиолокации наряду с методом электротомографии занимает заслуженное первенство по своим геолого-экономическим характеристикам и, прежде всего, по высокой детальности и производительности изучения горно-геологической и грунтовой среды. Работ в этой области  очень много, но более всего, в последние годы метод георадиолокации стал применяться при изучении приповерхностной части Земли до глубины в первые единицы метров в таких областях наук и производства, как мерзлотоведение, почвоведение, археология, транспортное строительство и строительные материалы. В инженерной геологии и грунтоведении работ по георадиолокации существенно меньше и, в особенности, в криолитозоне Восточной Сибири и Дальнего Востока.

В настоящей работе отчасти восполняется этот недостаток в части экспериментального изучения инженерно-геокриологических возможностей метода георадиолокации на примере хорошо изученной грунтово-геологической среды, слагающей мёрзлое основание одного из инженерных сооружений в криолитозоне Южной Якутии на территории её административного центра г. Нерюнгри. Таким инженерным сооружением, представляющим собой объект исследования методом георадиолокации, являлся проспект Дружбы Народов протяжённостью 1465 м, ориентированный с запада на восток.

Эксперимент на этом объекте предусматривал решение 2-х важных для проектно-изыскательских и строительно-эксплуатационных работ инженерно-геологических задач в условиях широко развитой деятельности тектонических и криогенных процессов [3], а также  влияния индустриальных помех в городской инфраструктуре. Первая задача – определение мощности рыхлых отложений и глубины залегания кровли коренных пород. Вторая задача – определение глубины залегания кровли относительно сохранных прочных коренных пород.

Решение этих задач было спланировано на весенний период года (апрель-месяц), когда сезонноталый слой грунтово-геологической среды был полностью проморожен и находился в твёрдомёрзлом состоянии. Благодаря этому потери энергии электромагнитной волны были минимальными, что, в свою очередь, обеспечивало максимально возможную глубину изучения мёрзлой грунтово-геологической среды. При применении георадара ОКО-2 с антенным блоком АБДЛ («Тритон»), работающем на центральной частоте спектра излучения электромагнитной волны в воздухе, равной 50 МГц, глубина изучения грунтово-геологической среды оказалась действительно большой и составила около 30 м.

Полевые измерения георадаром ОКО-2 были сделаны Д.В. Савиным и Г.А. Куляндиным – сотрудниками лаборатории георадиолокации Института горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (ИГДС, г. Якутск). Математическая обработка с помощью программы Geoscan32, геологическая интерпретация результатов георадиолокации, написание и оформление рукописи статьи сделано её автором.

Записи сигналов георадиолокации выполнялись до двойного времени задержки 500 наносекунд (нс) с интервалом 0,78 нс в непрерывном движении антенн георадара, прикреплённых к автомобилю. Расстояние или шаг записи между трассами был принят равным 0,1 м. После корректировки к истинной длине проспекта Дружбы Народов шаг уменьшился до 0,065 м.

Результат георадарных исследований, состоящий из 22468 записей трасс сигналов георадиолокации, представлен в виде радарограммы на рис. 1 в сером тоновом изображении.

Рисунок 1. Радарограмма мёрзлой грунтово-геологической среды в основании проспекта Дружбы Народов в апреле 2021 года

Из визуального анализа волновой картины радарограммы следует, что она выражает радиофизический образ сложнопостроенной мёрзлой неоднородной грунтово-геологической среды. Неоднородности в ней проявляют себя по-разному в зависимости от их конфигурации, размеров и материала, из которого они состоят или которым они заполнены (в случае полостей). В общем случае полости, заполненные воздухом, формируют интенсивные многократные отражения, которые зачастую в литературе по георадиолокации образно называют «звоном». Локальные неоднородности, размер которых соизмерим с длиной электромагнитной волны, формируют дифракционные отражения гиперболического типа. В иных случаях, как это видно на рис. 1 (дистанции 0–620 и 1060–1120 м), мелкие неоднородности, образующие систему хаотично расположенных рефлекторов – трещин, приводят к рассеянию энергии электромагнитных волн с помутнением волновой картины. Вместе с другими признаками этот визуальный эффект указывает на присутствие в коренных породах зон тектонического дробления и трещиноватости. Однако эта интересная тема применительно к объекту исследований выходит за рамки настоящей работы.

Нередки случаи, когда разного размера вертикально ориентированные неоднородности в виде единичных трещин размером в несколько сантиметров или системы трещин и иных разуплотнений, например, карстово-суффозионной природы размеров в несколько метров частично или полностью нарушают фазовую корреляцию отражений волн от плоских протяжённых и в разной степени радиоконтрастных горизонтально-наклонных границ.

Несмотря на все перечисленные помехи на радарограмме достаточно хорошо визуально распознаются и устойчиво прослеживаются в латеральном (горизонтальном) направлении три радиоотражающих границы. Их природа установлена на основании большого количества изученного в технических отчётах фактического материала, полученного по результатам инженерно-геологических изысканий, выполненных Южно-Якутским трестом инженерно-строительных изысканий (ЮжЯкутТИСИЗ) и материалов строительства инженерных сооружений на территории г. Нерюнгри. Кроме этого, принимались во внимание общие геологические и криогенные закономерности, установленные в криолитозоне Южной Якутии учёными МГУ (г. Москва) [3].

Первая хорошо коррелируемая синфазная радиоконтрастная граница №1 фиксируется по двойному времени отражения волны, равному 23–30 нс. Природа границы состоит в разделе грунтовой песчано-гравийной и армированной металлической решёткой насыпи полотна по проспекту Дружбы Народов и поверхности геологической среды.

Вторая также хорошо коррелируемая, но уже местами нарушаемая синфазная и в меньшей степени радиоконтрастная граница №2 зарегистрирована на двойном времени задержки, равном 70–100 нс. Природа этой структурной границы уже чисто геологическая. Граница разделяет слой мёрзлых и в разной степени льдистых верхнечетвертичных делювиально-элювиальных образований от мёрзлой многолетнемёрзлой толщи мезозойских коренных пород осадочного генезиса, сложенной преимущественно песчаниками разной зернистости и прочности.

Ну, и наконец, граница №3. Она уже, не так отчётливо прослеживается и наблюдается на двойном времени задержки, равном 144–186 нс. Природа этой границы также геологическая, но уже не структурная, а петрофизическая и представляет собой кровлю относительно сохранных песчаников. Сам факт существования этой границы свидетельствует о том, что на ней происходит резкий переход от выветренной части песчаников к существенно более плотной их части. По точечному опробованию керна колонковых скважин положение этой границы по глубине установить весьма затруднительно. Однако, как показывает опыт проведения геофизических работ в криолитозоне Южной Якутии и на территории г. Нерюнгри, кровля сохранных коренных пород уверенно выделяется по объёмным данным метода вертикального электрического зондирования на постоянном токе (ВЭЗ) и сейсмического метода преломленных волн (КМПВ). По этим данным в геоэлектрическом и сейсмическом разрезе переход от выветренных разностей к прочным разностям коренных пород всегда сопровождается, хотя и в разной мере ростом удельного электрического сопротивления (УЭС) и скорости распространения упругих продольных волн. Эта петрофизическая особенность чаще всего, наблюдается на глубине около 10 м. Именно эта особенность в конкретных инженерно-геокриологических условиях была положена в основу идентификации геологической природы №3.

Анализ наклона ветвей гипербол дифракционных отражений от локальных неоднородностей в разном количестве расположенных в верхней и нижней части грунтово-геологической среды дал возможность без данных контрольного бурения скважин с помощью программы Geoscan32 получить количественную оценку вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости (далее, проницаемости), а через неё и скорости распространения электромагнитной волны.

В первом нерасчленённом по генезису горизонте, объединяющем мёрзлые слои насыпных грунтов и делювиально-элювиальных образований  проницаемость изменялись от 3,5 до 16,9 отн. ед., а скорость от 0,161 до 0,073 м/нс при средних значениях равных 6,94 отн. ед. и 0,114 м/нс. Интегральная изменчивость по коэффициенту вариации этих электро-радиофизических характеристик в первом горизонте составляет 54,8 %. Во втором горизонте – массиве коренных пород проницаемость изменялась от 3,13 до 5,34 отн. ед., а скорость от 0,160 до 0,148 м/нс при средних значениях равных 3,79 отн. ед. и 0,154 м/нс. В этом консолидированном горизонте горных пород вариативность проницаемости и соответствующей ей скорости, как и ожидалось, существенно меньше и составляет 16,6 %.

Учёт проводимости в виде априорных оценок среднего значения УЭС первого и второго горизонта (700 и 1000 омметра), взятых из технических отчётов ЮжЯкутТИСИЗ, не изменяет скорректированные значения средних интервальных скоростей после её вычислений по формуле, приведённой в работе М.Л. Владова и М.С. Судаковой [1, с. 42]. Скорости остаются равными 0,114 и 0,154 м/нс.

При полученных средних значениях проницаемости первого-второго горизонта и теоретическом допущении нормального падения фронта плоской электромагнитной волны на границу второго горизонта коэффициент отражения от неё составляет 0,15. При таком небольшом значении границу раздела первого и второго горизонта следует считать, как и отмечалось выше, слабоконтрастной в электрофизическом отношении.

С учётом предельной мощности первого горизонта, равной около 5 м и мощности второго горизонта равного 22,5 м, средневзвешенные по этим мощностям для всей изученной толщи мёрзлой грунтово-геологической среды значения проницаемости и скорости, равны 4,40 отн. ед. и 0,146 м/нс. По этой общей оценке скорости радарограмма была преобразования из масштаба времени в масштаб глубины. В этом масштабе был выполнен стандартный описательный статистический анализ изменчивости глубины залегания 1-3 границ. Значения глубин считывались с радарограммы через 50 м.

Глубина залегания первой границы или, что то же самое, мощность насыпного слоя грунтов песчано-гравийного состава изменялась от 1,3 до 1,7 м.

Результаты анализа по 2-3 границе представлены в табл. 1 и 2, а график изменчивости глубины по латерали показан на рис. 2.

Таблица 1.

Глубина залегания кровли коренных пород

Таблица 2.

Глубина залегания кровли относительно сохранных коренных пород

Из табл. 1 следует, что значения средних показателей глубины мало чем отличаются друг от друга и равны 2,8–3,4 м. Небольшая интегральная изменчивость по коэффициенту вариации, равная 20 % (от 1,9 до 4,7 м), наблюдается и по дистанции (латерали). Близость показателей средних значений и результаты тестовой проверки по критериям Колмогорова, омега-квадрат и хи-квадрат с помощью программы «Стадия» [2] доказывают, что при небольшом, но достаточном для корректного статистического анализа количестве определений значения глубины распределены по нормальному закону со средним арифметическим значением 2,8±0,3 м.

Среди локальных вариаций наблюдается небольшой, но существенный и статистически значимый линейный тренд уменьшения средних значений глубины от 4,3 до 3,6 м в направлении от начала к концу проспекта Дружбы Народов, т.е. с запада на восток (рис. 2, а).

Рисунок 2. Графики латеральной изменчивости глубины залегания кровли выветренных (а) и относительно сохранных (б) коренных пород

На закономерном фоне линейной изменчивости наблюдается аномалия (дистанция 100–600 м) с повышенными значениями глубины 3,9–4,7 м. Такой структурный признак – повышение мощности зоны выветривания дополняет и усиливает интерпретационную надёжность других неструктурных признаков (петрофизических), по которым на этом же участке проспекта была выделена тектоническая зона дробления и трещиноватости коренных пород. Результаты исследований в этом направлении в статье не приводятся.

Результаты статистического анализа вероятностной изменчивости по латерали (дистанции) значений глубины залегания кровли относительно сохранных коренных пород представлены в табл. 2. Из неё следует, что, несмотря на близость значений средних показателей, единичные значения глубины залегания кровли относительно сохранных коренных пород по результатам тестовой проверки распределены не по нормальному закону. В 58 случаях они сконцентрированы в виде максимума гистограммы (в статье она не приводится) возле среднего модального значения 11,2 м.

В отличие от кровли коренных пород такое вероятностное постоянство порождает важное для проектно-изыскательских и строительно-эксплуатационных работ следствие – незначительную латеральную изменчивость рассматриваемой границы с коэффициентом вариации 5,5 %. На этом спокойном фоне отмечаются три аномалии неизвестной геологической природы с локальным погружением границы до 12,2 и 12,9–13,4 м (см. рис. 2, б). Вероятность появления таких событий невелика и оценивается в 10 %.

Кроме выше рассмотренных структурных закономерностей представляет научный интерес явление неравномерного, но всё же, упорядоченного появления в слое делювия-элювия, сложенного преимущественно глинистым материалом (супесями, суглинками и реже, песками) участков с крупнообломочным материалом, представляющих собой высыпки камней разного размера (дресвы, щебня, гравия и глыб разборной скалы). Такая особенность нестрогой периодичности в изменчивости гранулометрического состава делювиально-элювиальных отложений установлена в обнажении одной из строительных канав на участке гаражей. Эта канава длиной 120 м глубиной до 3 м, расположена на юго-западной окраине г. Нерюнгри в 950 м от начала георадиолокационного профиля по пр. Дружбы Народов. Фото обнажения с отчётливым и почти вертикальным контактом крупнообломочного и глинистого материала показано на рис. 3.

Рисунок 3. Фото обнажения слоя рыхлых делювиально-элювиальных отложений по стенке строительной канавы:

 1 – глинистые образования (супеси, суглинки); 2 – высыпка камней с глинистым заполнителем и примесью углистых веществ.

Фото Л.Г. Нерадовского

Статистический анализ, сделанный по 19 замерам рулеткой расстояний вдоль строительной канавы между границами рыхлых отложений разного гранулометрического состава, показывает, что средняя ширина участков, сложенных глинистым и крупнообломочным материалом, по показателю медианы равна 7,9 и 3,9 м. По коэффициенту вариации более сильной интегральной изменчивостью ширины (53,3 %) отличаются участки крупнообломочного материала. Изменчивость ширины участков глинистого материала в 1,4 раза меньше (37,6 %).

В процентном отношении (к длине канавы 120 м) преобладание в слое делювия-элювия глинистого материала над крупнообломочным материалом составляет 63,3 %. На долю крупнообломочного материала остаётся 36,7 %.

В целом, по всей изученной строительной канаве границы смены глинистого материала на крупнообломочный материал, повторяются в латеральном направлении через 6,5–8,0 м.

Возникает вопрос, какой причиной или совокупностью каких причин вызвана эта необыкновенная повторяемость? Казалось бы, в условиях действия в прошлом геологическом времени общих экзогенных процессов верхняя часть массива песчаников, слагающих водораздел, на котором построен г. Нерюнгри, должна разрушаться в одинаковой степени. Причём, с равномерным распределением по латерали гранулометрического состава выветренных коренных пород, но этого не наблюдается.

Вероятнее всего, это явление отражает в себе результат неодинакового сопротивления неоднородного по своей внутренней структуре и свойствам массива песчаников на мощное воздействие тектонических процессов. В результате этого действия с разнонаправленным и разновременным механическим напряжением образовалась вертикально ориентированная блочно-ячеистая структура песчаников с каналами дробления и трещиноватости. Эти каналы с максимальной степенью тектонического разрушения песчаников были благоприятной геологической средой для последующего разрушения процессами физико-химического выветривания и криогенного метаморфизма до состояния дисперсного материала (песка, супеси, суглинка). Более устойчивые блоки и ячейки песчаников разрушались этими процессами в меньшей степени, т.е. до состояния разборной скалы (глыб), гравия, щебня и дресвы.

Благодарность

Приношу благодарность и признательность заведующей лабораторией георадиолокации Института горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН (ИГДС, г. Якутск) Л.Л. Фёдоровой и её научным сотрудникам Д.В. Савину и Г.А. Куляндину за проведённые в г. Нерюнгри работы методом георадиолокации и любезное предоставление записи радарограммы для написания статьи.

Список литературы:

1. Владов М.Л, Судакова М.С. Георадиолокация. От физических основ до перспективных направлений. Учебное пособие. – М.: Изд-во «ГЕОС», 2017. – 240 с.
2. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. – 512 с.
3. Южная Якутия: мерзлотно-гидрогеологические и инженерно-геологические условия Алданского горнопромышленного района / под ред. В.А. Кудрявцева. – М.: Изд-во МГУ, 1975. – 444 с.