Труды российских конференций

Теоретические предпосылки применения электроразведки для исследования мерзлых грунтов вытекают из особенностей мерзлоты, ее физической модели. В приложении к электроразведке можно выделить несколько моментов, определяющих электрические свойства мерзлоты. По данным Цитовича Н.А. [3] в мерзлых породах даже при температуре -10оС сохраняется определенное количество незамерзшей воды. Также установлена зависимость количества незамерзшей жидкости от ее минерализации и литологического состава грунтов. Для глинистых пород с пресной водой (суглинки, глины) ее количество достигает 8-15%, для супесей 5%, для тонких и глинистых песков до 1-2%. Содержание незамерзающей воды, помимо температуры, определяется глинистостью грунтов (наличием прочно связанной воды, которая не замерзает даже при очень низких температурах) и ее минерализацией. Отмечено также, что при некотором повышении температуры, даже в области отрицательных температур, количество незамерзшей воды увеличивается. В вертикальной плоскости разрез вечномерзлых пород в пределах глубины инженерно-геологического изучения имеет ярко выраженную зональность. Сезонно-талый слой, как правило, с высоким водонасыщением, характеризуется наибольшим промерзанием в зимнее время и полным оттаиванием в летне-осенний период. В этом слое фазовые превращения воды происходят наиболее динамично. Слой вариаций отрицательных температур также характеризуется определенными изменениями содержания незамерзшей воды за счет притока из сезонно-талого горизонта и выделения рыхлосвязанной воды при относительном возрастании температуры. В слое стабильных отрицательных температур изменений в жидкой фазе практически не происходит. Таким образом, мерзлота - это специфическое и динамично меняющееся во времени состояние горных пород.

Результаты исследований Ф.Н. Лещикова [1] показывают, что электропроводность мерзлых пород определяется, главным образом, температурой, количеством незамерзшей воды и ее минерализацией. В области температур значительных фазовых переходов (до -2⁰С) в грунтах сезонномерзлого слоя отмечается скачок сопротивлений в 2-2.5 раза для суглинков, в 3.5-4 раза для супесей и более чем в 6 раз для песков. Относительная дифференциация грунтов сезонномерзлого слоя по электропроводности получается выше, чем в талых.

Однако, в связи с высокой динамикой изменения удельных сопротивлений мерзлоты в течение календарного года, с локальным характером интенсивных физических преобразований и с ее пестрым литологическим составом даже тривиальная задача выделения таликов в мерзлых породах может стать достаточно неоднозначной, не говоря уже о литологическом расчленении разреза. В таких ситуациях геолого-геофизическая интерпретация должна основываться на анализе физической модели мерзлых пород для конкретных условий.

Модель электрических свойств вечной мерзлоты с учетом [3] и [1], а также по данным автора можно сформулировать следующим образом:

1. В сезонноталом слое, характеризующемся, как правило, высокой водонасыщенностью с минерализацией воды до 0.1-0.3г/л, в условиях промерзания отмечаются наиболее высокие сопротивления основных литологических разностей грунтов (пески более 3000-4000 Ом*м, супеси 800-1500 Ом*м, суглинки и глины до 500-700 Ом*м). При оттаивании, сопротивления грунтов можно ожидать в довольно сжатом диапазоне 150-500 Ом*м (по Лещикову). А, учитывая разную скорость оттайки ряда глины–пески, литологическая дифференциация будет существенно размазана. Этот слой характеризуется максимальными изменениями сопротивлений во времени.

2. В слое вариаций отрицательных температур удельные сопротивления грунтов в мерзлом состоянии, как правило, ниже, чем в верхнем слое (на 20-35%) и сезонные изменения проявлены менее контрастно. Более низкий уровень сопротивлений можно связать с меньшим промерзанием. Практически это может привести к тому, что мерзлые глины и суглинки будут иметь сопротивления ненамного выше, чем в талом состоянии, а пески могут дифференцироваться по глинистости заполнителя. В период оттайки сезонноталого слоя в зоне вариаций отрицательных температур проявляются локальные интервалы повышения электропроводности за счет притока талой воды из вышележащего слоя и за счет выделения воды при относительном повышении температуры (по Цитовичу).

3. Слой стабильных отрицательных температур характеризуется слабой изменчивостью электропроводности во времени [3] и должен иметь хорошую литологическую дифференциацию сопротивлений [1]. Однако в реальных ситуациях отмечены случаи отсутствия изменения сопротивлений при смене разреза с песчаного на суглинисто-глинистый. Можно предположить, что при очень длительной заморозке глинистых грунтов происходит полное вымораживание воды, в том числе и прочносвязанной [3]. Аналогичные ситуации отмечены и в сезонноталом слое в период его интенсивного промерзания.

Учитывая сложные условия заземлений, высокую анизотропию среды, интенсивную локальную изменчивость литологического состава и мерзлотного состояния грунтов электроразведочные исследования целесообразно проводить в модификациях без заземления приемной и питающей линий, в частности в варианте зондирований становлением поля в ближней зоне по методике переходных процессов (ЗСБ-МПП). Измерения проводятся как в фиксированных точках с определенной дискретностью (профильные измерения), так и в движении (режим сканирования). На рисунке приводятся результаты ЗСБ-МПП вечномерзлых грунтов в начальный период их оттайки, т.е. при максимальной изменчивости разреза криолитозоны.

Туруханский район. Июнь-июль 2007г, температура воздуха +30^оС. 1 – слой интенсивного промерзания грунтов; 2. талики; 3 –супеси, суглинки мерзлые; 4 – пески пылеватые, тонкие, мерзлые; 5 – пески пластичномерзлые; 6 – пески среднезернистые мерзлые.

На разрезе сопротивлений контрастно отмечаются три слоя вечной мерзлоты: слой интенсивного промерзания, зона вариаций отрицательных температур и слой стабильных отрицательных температур. В верхнем слое хорошо видно, как вблизи дневной поверхности формируются зоны оттайки, которые имеют тенденцию локального погружения в слой вариации отрицательных температур. Из трех вертикальных зон резкого снижения сопротивлений только одна подтверждена бурением как талик, причем данные анализа водных вытяжек не указывают на увеличение минерализации воды. В чем причина снижения сопротивлений? Ответ, по-видимому, необходимо искать в физической модели мерзлых грунтов. В повышении содержания незамерзшей воды за счет притока из сезонноталого слоя и за счет относительного повышения температуры в слое вариаций отрицательных температур (по Цитовичу). Установленные зоны можно рассматривать как потенциальные талики, которые могут полностью проявиться при благоприятных климатических вариациях - это пластичномерзлые грунты с повышенным содержанием свободной воды.

Приведенные материалы затрагивают только часть вопросов исследования мерзлых пород методами электроразведки, но свидетельствуют о достаточно сложном поведении криолито-зоны в различные временные периоды и определенной неоднозначности отображения в электрических полях несмотря на аномальность ее электрических свойств. Современные методы бесконтактной электроразведки, исходя из их высокого пространственного разрешения, позволяют более детально подойти к изучению такого сложного и динамичного природного явления как мерзлота. Понятно, что инженерно-геофизические исследования криолито-зоны должны иметь мониторинговый характер.

Список литературы:

1. Ф.Н. Лещиков. Мерзлые породы Приангарья и Прибайкалья. Сибирское отделение издательства «Наука», Новосибирск, 1978г.

2. Ю.Ю. Дмитриев. Новая технология геофизических исследований криолито-зоны в инженерных изысканиях./Аналитический научно-технический журнал «ГеоИнжиниринг», №1 (3), Краснодар, 2007г.

3. Н.А. Цытович. Механика мерзлых грунтов, «Высшая школа», Москва. 1973г.