Experience with the «PYTHON-3» georadar device in the Petropavlovsk-Kamchatsky city (Kamchatka)

Full Text

Введение

В сейсмоактивных регионах при проведении инженерно-геологических изысканий важна достоверность и информативность получаемых результатов об исследуемой среде. Такой подход обеспечивает надежность в сейсмостойком строительстве [1].

Задачи исследования:

1. Оценка применимости и последующая адаптация метода георадиолокации для изучения грунтовых условий в сейсмоактивном регионе.
2. Разработка методики обработки и интерпретации данных георадиолокации применительно к Камчатке.
3. Комплексный анализ данных георадиолокации с учетом геологических, геоморфологических, гидрогеологических особенностей исследуемых объектов на Камчатке.

Объектом исследований являются геологические особенности и грунтовые условия территории города Петропавловска-Камчатского (рис. 1, 2), требующие уточнения и детального изучения [2–4].

 

Рис. 1. Объект исследования на карте (Россия, Камчатка, город Петропавловск-Камчатский)

[Figure 1. The object of study on the map (Russia, Kamchatka, the Petropavlovsk- Kamchatsky city)]

 

Рис. 2. Объекты исследования на территории города Петропавловск-Камчатский: сопка Никольская, Култучное озеро, сопка Мишенная (Россия, Камчатка)

[Figure 2. Object of study in the territory of the city of Petropavlovsk-Kamchatsky city: Mount Nikolskaya, Lake Kultuchnoe, Mount Mishennaya (Russia, Kamchatka)]

 

Камчатским филиалом Дальневосточного треста инженерно-строительных изысканий (КФ ДальТИСИЗ) в 1971–1974 гг. были проведены инженерно-геологические исследования в г. Петропавловске-Камчатском и составлены карты фактического материала, геологическая, геоморфологическая, гидрогеологическая и карта инженерно-геологических условий в масштабе 1:10000. Территория города по инженерно-геологическим условиям разделена на четыре области: А, Б, В и Г. В каждой из выделенных областей были выделены благоприятные, условно благоприятные, условно неблагоприятные и неблагоприятные районы для строительства. Карты микросейсмического районирования г. Петропавловск-Камчатский, составленные в 1974 и 1981 гг., были объединены в единую карту СМР с выделением зон сейсмической интенсивности VIII, IX и X баллов. Разжижение грунтов при сильных землетрясениях в г. Петропавловске-Камчатском происходит, в основном, в зоне с сейсмической опасностью X баллов. Эта зона занимает 30% площади в северной, северо-восточной и центральной частях города в местах распространения обводненных грунтов различного генезиса. В зону с сейсмичностью X баллов отнесены: а) щебенистые, дресвяные и супесчаные грунты средней плотности (объемный вес 2.0 - 2.10 г/см3) с глубиной залегания УГВ 10% обеспеченности менее 3 м; б) менее плотные дресвяные, супесчаные и песчаные грунты (объемный вес менее 2.0 г/см3) с глубиной залегания УГВ до 4 м; в) заилованные, заторфованные и другие слабые грунты; г) склоны круче 15%, сложенные рыхлыми грунтами; д) склоны крутизной 10–20% при наличии других неблагоприятных факторов: повышенной влажности, малой плотности отложений, повышенного содержания в них песка и супеси; е) обрывы и склоны крутизной более 30%, сложенные рыхлыми и коренными породами; ж) насыпные и намывные грунты при глубине залегания подземных вод менее 4–6 м; з) участки повышенной интенсивности сотрясения при землетрясении 1971 г., независимо от инженерно-геологических условий. Участки развития опасных физико-геологических процессов (оползи, обвалы, лавины) также отнесены к X-балльной зоне [5].

Полуостров Камчатка – часть активной Курило-Камчатской островодужной системы, протягивающейся на 2000 км от Японии на юге, до сочленения с Алеутской дугой на севере. Современное единство этой системы проявляется в непрерывном глубоководном желобе, сейсмофокальной зоне и поясе активного вулканизма. [6]. Малко-Петропавловская зона (МПЗ), расположенная на юго-восточном побережье полуостроова Камчатка, простирается в северо-западном направлении от Авачинского залива до реки Быстрая (Малкинская). Она ограничена региональными разрывными нарушениями – Петропавловским и Вилючинским разломами северо-западного простирания – и субмеридиональным разломом, ориентированным вдоль реки Быстрая [7]. Формирование МПЗ связано с историей развития Тихоокеанской плиты и северо-западного обрамления Пацифики и, в частности, с аккрецией Кроноцкой палеодуги к континентальной окраине Камчатки [8–10]. Необходимость исследования проявляется в изучении грунтовых условий строительных площадок для обеспечения безопасности при дальнейшем проектировании инфраструктуры в районах с высокой сейсмической активностью и разнообразным сложным геологическим строением.

Актуальность данных исследований заключается в следующем [11]:

1. Для оптимизации метода георадиолокации необходимо сопоставление и анализ результатов наблюдений в различных геологических условиях.
2. Поскольку метод георадиолокации интенсивно развивается в последние годы, то теоретические исследования в области обработки данных необходимо иллюстрировать многочисленными примерами практического использования георадаров на разных объектах исследования.

Цель исследований заключается в создании научно-методической основы метода георадиолокации применительно к Камчатке, включая методику обработки и интерпретации данных, с учетом практического опыта применения на различных объектах.

Георадар «ПИТОН-3» - геофизическая аппаратура радиолокационного подповерхностного зондирования. Основные области применения: картирование поверхности коренных пород под толщей рыхлых отложений; гляциология; обнаружение карстовых полостей; картирование уровня грунтовых вод в песчаных отложениях; картирование дна и донных отложений пресноводных водоемов; картирование палеорусел рек; археология и криминалистика; обнаружение захоронений промышленных отходов; картирование талых зон в вечномерзлых породах.

Конструкция и принцип действия георадара «ПИТОН-3»

Метод георадиолокации (англ. Ground-penetrating radar, GPR) как метод геофизического обследования основан на излучении широкополосного сигнала радиочастотного диапазона в толщу среды и регистрации отклика – сигнала, являющегося суперпозицией амплитуд прямых, отраженных и преломленных волн, достигших приемной антенны. В результате георадиолокационных исследований получают временные разрезы – радарограммы. Радарограммы – это волновая картина, совокупность трасс вдоль профиля съемки, протяженные по глубине оси синфазности отраженного сигнала, белые (отрицательные полуволны) и черные (положительные полуволны) [12, 13].

Для проведения исследований использовали прибор георадар «ПИТОН-3» (рис. 3).

 

Рис. 3. Оператор с георадаром «ПИТОН-3» (Камчатка)

[Figure 3. Operator with the «PYTHON-3» georadar (Kamchatka)]

 

Глубинный георадар «ПИТОН-3» оснащен одной приемно-передающей антенной. Длина георадара составляет 6.4 м, частота 24 МГц. Этот георадар позволяет получать отражения от границ с залеганием до 100 метров, а при исследованиях на сухих грунтах глубинность может достигать до 200 метров. Управление георадаром осуществляется в режиме реального времени. Прием данных зондирования производится на ноутбук по сети Wi-Fi.

Вся электронная часть георадара вместе с батареями питания размещается внутри небольшого модуля, закреплённого непосредственно на одном из диполей приемо-передающей антенны, смонтированной на пластиковой лыже. Специальный кожух обеспечивает защиту электронного модуля от механических воздействий. Георадар протаскивается по поверхности зондируемой среды вручную или с помощью транспортного средства.

Данные зондирования отображаются на дисплее компьютера в реальном времени. Программное обеспечение «Prism 2.5» позволяет осуществлять обработку поступающей информации и представлять ее на дисплее в удобном для оператора виде.

Конструкция георадара «ПИТОН-3» позволяет в зависимости от решаемых задач изменять частоту зондирующего сигнала в полевых условиях. Это осуществляется путем изменения длины антенны от минимального размера d=1.0м ( МГц) до максимального d=4.0 м ( МГц). Значения частот указаны для антенн, находящихся на поверхности среды с диэлектрической проницаемостью равной 5. Для изменения длины антенны используются дополнительные пластины, прикрепляемые к центральному антенному модулю и друг с другом.

Соединение в различных комбинациях центрального модуля с антенными пластинами обеспечивает различную частоту зондирующего сигнала, максимальную глубину зондирования и разрешающую способность.

Конструкция и длина георадара выбирается в соответствии с решаемой задачей. В пешем варианте георадар транспортирует один человек, протаскивая его по поверхности зондируемой среды с помощью буксировочной штанги с ручкой.

Электронный блок закреплён на центральном антенном модуле и имеет тумблер включения, светодиод, предохранитель и разъем, используемый для заряда встроенного аккумулятора. Внутри электронного модуля находятся передатчик, приемник, антенный переключатель, стробоскопический преобразователь, 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь и Wi-Fi адаптер. Антенны Wi-Fi адаптера находятся внутри блока у передней радиопрозрачной стенки блока, поэтому для надёжной связи с компьютером оператор должен всегда находиться впереди георадара в направлении, указанном стрелкой на внешнем защитном кожухе.

Электронный блок обеспечивает излучение и приём сигналов с частотой повторения 115 кГц, их стробоскопическое преобразование и 16-разрядное оцифровывание для передачи в компьютер по беспроводному каналу связи 28 трасс в секунду, каждая из которых содержит 1024 отсчёта. Максимальный временной интервал приема сигналов установлен равным 2000 наносекунд. Все изменения временного интервала зондирования, усиление и фильтрация сигнала происходят только в компьютере. При этом сигнал сохраняется в компьютере неусиленным и нефильтрованным, а функция усиления и параметры фильтра сохраняются в файле вместе с сигналом. При открытии сигнального файла эти параметры считываются и сигнал на экране отображается точно таким же, каким он был при зондировании. Затем оператор может изменять параметры усиления и фильтрации сигнала для достижения оптимальных значений. Уровень защищённости электронного блока от внешних воздействий – IP67 [14].

Особенности работы с прибором «ПИТОН-3»

Перед началом работы с георадаром необходимо установить конфигурацию компьютера для соединения с георадаром по беспроводной линии связи Wi-Fi. Включение георадара индицируется загоранием светодиода.

Далее запускается программа «Prism 2.5». В меню устанавливается конфигурация антенны (длина), выбирается нужный временной интервал, усиление и настраивается цифровой фильтр. Предварительную настройку цифрового фильтра осуществляет программа «Prism 2.5» сама как Предустановленный (англ. Preset).

Направление движения указано стрелкой на кожухе георадара. Оператор с компьютером должен находиться впереди георадара для устойчивой связи по Wi-Fi интерфейсу.

Важно быть внимательным при поворотах, особенно с длинной лыжей. Рекомендуется при поворотах приподнимать носики антенной лыжи.

При работе георадара «ПИТОН-3» по поверхности исследуемой среды на экран монитора выводится совокупность трасс (радарограмма, или профиль), по которому можно определить местонахождение, глубину залегания и протяженность объектов зондируемой среды (рис. 4).

 

Рис. 4. Пример радарограммы в программе Prism 2.5 (георадар «ПИТОН-3». Сопка Никольская, город Петропавловск- Камчатский)

[Figure 4. For example – radargram in the Prism 2.5 program (georadar «PYTHON-3». Mount Nikolskaya, the Petropavlovsk- Kamchatsky)]

 

Рекомендации по оптимизации проведения работ при использовании георадара «ПИТОН-3»

Перед началом измерительных работ рекомендуется провести пробную запись радарограммы на выбранной территории, с целью идентификации помех (в частности, уровня записи воздушных волн) и определения выбора параметров измерений.

При анализе получаемой информации следует иметь в виду, что скорость распространения электромагнитных волн в зондируемой среде (если это – не воздух) не равна скорости света, а меньше ее в коэффициент замедления раз. Коэффициент замедления равен квадратному корню от диэлектрической проницаемости среды. Учет этого фактора в программе Prism 2.5 делается автоматически [15].

Все параметры настройки георадара программа сохраняет в специальном файле. Причем сохраняются все параметры для всех типов антенн. Если вносишь какие-либо изменения в параметры, то по окончании настройки параметры сохраняются. При последующих запусках программы именно эти параметры и будут установлены. Такая функция удобна при проведении больших работ на одном объекте исследования.

При работе на территории города Петропавловск-Камчатский наиболее информативным видом отображения данных зондирования является, как правило, плотностной профиль в цветовой шкале цветов (рис. 5), поскольку в черной-белой шкале цветов (рис. 6) не отображаются ярко геологические структуры мелкого масштаба (слои, трещинные зоны и т.д.) GPS проводник (англ. GPS tracker) – отображение пройденного пути в процессе зондирования, при позиционировании с помощью GPS.

 

Рис. 5. Радарограмма в цветовой шкале цветов (сопка Никольская, город Петропавловск-Камчатский)

[Figure 5. Radargram in the color scale of colors (Mount Nikolskaya, the Petropavlovsk-Kamchatsky city)]

 

Рис. 6. Радарограмма в черной-белой шкале цветов (сопка Никольская, город Петропавловск-Камчатский)

[Figure 6. Radargram in black and white color scale (Mount Nikolskaya, the Petropavlovsk-Kamchatsky city)]

 

Использование данной функции позволяет отобразить радарограмму с учетом рельефа местности, что помогает при обработке и интерпретации увидеть особенности расположение имеющихся геологических структур (угол наклона слоев, мощность и др.) (рис. 7).

 

Рис. 7. Радарограмма (сопка Никольская, город Петропавловск-Камчатский)

[Figure 7. Radargram (Mount Nikolskaya, the Petropavlovsk-Kamchatsky city)]

 

Заключение

Прибор георадар «ПИТОН» информативен для исследования на большие глубины при решении геологических задач на территории города Петропавловск-Камчатский. Стоит учесть, что теряется информативность верхней части зондируемой среды (более мелкие геологические структуры можно не обнаружить). Для точной интерпретации получаемых радарограмм необходимо использовать сведения о геологическом строении исследуемой территории.

Аббревиатуры

СМР	Сейсмическое микрорайонирование
УГВ	Уровень грунтовых вод

About the authors

Veronika Yu. Pavlova

Vitus Bering Kamchatka State University

Author for correspondence.
Email: verpavlova88@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4753-1928

PhD (Geol. & Mineral.), Assistant Professor of the Department of Biology and Earth Sciences, Leading Researcher at the International Integrative Research Laboratory of Extreme Phenomena in Kamchatka

Russian Federation, 683032, Petropavlovsk-Kamchatsky, st. Pogranichnaya, 4

Rinat R R. Akbashev

Vitus Bering Kamchatka State University; Kamchatsky branch of the Federal Research Center «Unified Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences»

Email: verpavlova88@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0737-9610

PhD (Phys. & Math.), Researcher at the laboratory of acoustic and radon monitoring of the Kamchatka, Researcher at the International Integrative Research Laboratory of Extreme Phenomena in Kamchatka

Russian Federation, 683032, Petropavlovsk-Kamchatsky, st. Pogranichnaya, 4; 683023, Petropavlovsk-Kamchatsky, bul. Piipa, 9

References

Supplementary files