Опыт работы с прибором георадар «Тритон-М» на территории города Петропавловск-Камчатский (Камчатка)

Полный текст

Введение

Определение возможностей применения метода георадиолокации, относящегося к методам малоглубинной геофизики, в сейсмоактивных районах позволит повысить информативность и достоверность результатов, особенно при инженерно-геологических изысканиях для обеспечения сейсмостойкого строительства в геодинамических активных областях, к которым относится Камчатка [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 (оползни, обвалы, лавины) также отнесены к X-балльной зоне [5].

Для оптимизации метода георадиолокации необходимо сопоставление и анализ результатов геофизических наблюдений в различных геологических условиях. 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 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.

Конструкция и принцип действия георадара «Тритон-М»

Для проведения исследований используем прибор георадар «Тритон-М» (рис. 3).

 

Рис. 3. Оператор с георадаром «Тритон-М»

[Figure 3. Operator with the «Triton-M» georadar]

 

Глубинный георадар «Тритон-М» оснащен одной приемно-передающей антенной. Длина георадара составляет 2 м, частота 100 и 50 МГц. Этот георадар позволяет получать отражения от границ с залеганием до 50 метров. Управление георадаром осуществляется в режиме реального времени. Прием данных зондирования производится на ноутбук по сети Wi-Fi.

Георадар «Тритон-М» представляет собой портативный радиолокатор, который, в отличие от классического, направляет зондирующие электромагнитные импульсы в исследуемую среду, а не в свободное пространство. Исследуемой средой может быть земля (отсюда наиболее распространенное название - георадар), вода, стены зданий и т.п.

Передающая антенна изделия излучает электромагнитные импульсы, которые для получения высокой разрешающей способности имеют очень малую длительность (единицы наносекунд) и достаточно широкий спектр излучения.

Выбор длительности импульса является компромиссом между необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора – чем короче импульс, тем выше разрешающая способность, но меньше глубина зондирования.

Излученный передающей антенной в исследуемую среду электромагнитный импульс отражается от находящихся в ней предметов или любых неоднородностей, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость. Такими неоднородностями могут быть локальные объекты, пустоты, границы раздела слоев различных пород, участки с различной влажностью и т.д.

В итоге на вход приемной антенны поступает сигнал, представляющий собой комбинацию сигнала, излученного передающей антенной и попавшего непосредственно в приемную антенну (сигнал прямого прохождения или прямая волна), и сигналов, отраженных от различных неоднородностей исследуемой среды (отраженная волна). Этот результирующий сигнал называется трассой. Очевидно, что любые подповерхностные неоднородности дадут отклик в волновой структуре принимаемого сигнала. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, преобразуется в цифровой вид и запоминается для дальнейшей обработки [12–14].

Особенности работы с прибором «Тритон-М»

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

 

Рис. 4. Пример радарограммы в программе (георадар «Тритон-М». Город Петропавловск- Камчатский)

[Figure 4. For example – radargram in the CartScan program (georadar «Triton-M». The Petropavlovsk- Kamchatsky) ]

 

Из-за широкой диаграммы направленности георадара локальные объекты наблюдаются не только в точке непосредственно под ним, но также на некотором удалении в обе стороны. При этом расстояние до объекта описывается характерной гиперболой, образую так называемую дифрагированную волну. Объект, от которого возникла дифрагированная волна, находится в точке, соответствующей вершине гиперболы (рис. 5 и 6).

 

Рис. 5. Радарограмма 1, полученная в прибрежной зоне Култучного озера (город Петропавловск- Камчатский)

[Figure 5. Radarogram 1 (Kultuchnoye Lake, the Petropavlovsk- Kamchatsky city) ]

 

Рис. 6. Радарограмма 2, полученная в прибрежной зоне Култучного озера (город Петропавловск- Камчатский)

[Figure 6. Radarogram 2 (Kultuchnoye Lake, the Petropavlovsk- Kamchatsky city) ]

 

С практической точки зрения самыми важными параметрами георадара являются глубина зондирования (глубинность) и разрешающая способность по глубине.

Разрешающая способность по глубине – это минимальное расстояние по вертикали между двумя объектами, при котором возможно раздельное наблюдение этих объектов. Разрешающая способность зависит от длительности зондирующего импульса – чем меньше длительность импульса, тем выше разрешающая способность.

Рекомендации по оптимизации проведения работ при использовании георадара «Тритон-М»

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.

Глубина зондирования георадара «Тритон-М» зависит как от технических характеристик георадара (излучаемой мощности, чувствительности и т.д.), так и от электрических свойств исследуемой среды. При распространении электромагнитной волны в среде, отличной от вакуума, происходит растекание токов проводимости в объёме среды, приводящее к затуханию электромагнитной волны. Поэтому важнейшей характеристикой, влияющей на глубину зондирования, является удельное затухание в среде. Соответственно, чем больше удельное затухание в среде, тем меньше достижимая глубина зондирования.

Особенностью практически всех природных и искусственных сред является значительное увеличение удельного затухания с ростом частоты. Поэтому для увеличения глубинности стоит использовать как можно более низкие частоты. Но при уменьшении частоты ухудшается разрешающая способность георадара. Поэтому выбор центральной частоты георадара (100 МГц или 50 МГц) является компромиссом между требуемой разрешающей способностью (необходимо уменьшать длительность импульса, т.е. повышать частоту) и глубиной зондирования (необходимо понижать частоту). С учетом противоречия между глубиной зондирования и разрешающей способностью задание одного из этих параметров практически однозначно определяет центральную частоту спектра зондирующего сигнала.

Обнаружение локальных объектов на радарограммах, полученных при проведении зондирования возможно по наличию отраженных от них сигналов, как в реальном времени, так и в постобработке сохраненных файлов. Сигналы, отраженные от обнаруженных объектов, отрисовываются на радарограммах в зависимости от направления перемещения антенного блока относительно оси объекта при проведении зондирования. При движении антенного блока перпендикулярно оси объекта или под острым углом объект отображается как одиночная гипербола. При движении антенного блока вдоль оси объекта отрисовка отраженных сигналов на экране монитора радара-обнаружителя происходит, как показано на рис. 7.

 

Рис. 7. Радарограмма 3, полученная в прибрежной зоне Култучного озера (город Петропавловск-Камчатский)

[Figure 7. Radarogram 3 (Kultuchnoye Lake, the Petropavlovsk- Kamchatsky city) ]

 

Если перемещение антенного блока происходит вдоль оси протяженного объекта (труба, кабель), то велика вероятность того, что оператор может пропустить или не заметить объект [15, 14].

Некоторые рекомендуемые значения параметров измерений для проведения работ на территории города Петропавловск-Камчатский с помощью георадара «Тритон-М»:

• количество точек по глубине – 511 (максимальное качество на большие глубины, можно использовать 255, но только при оперативной поисковой работе);
• развертка по глубине – 100-200 нс (изменяется ступенчато, если в нижней части радарограммы отсутствует область шумов, можно увеличить значение);
• режим сканирования – “Непрерывно”;
• эпсилон – 7 (значение диэлектрической проницаемости “Сухо”-7, “Влажно”-20, “Вода”-80) - можно выбрать желаемое значение диэлектрической проницаемости из типовых стандартных значений, или задать произвольное значение, исходя из априорной информации зондируемой среды; более точно можно рассчитать по полученной радарограмме).

Заключение

Прибор георадар «Тритон-М» активно используется для решения геологических задач на территории города Петропавловск-Камчатский, при этом оптимально подобранные значения параметров измерений минимизируют запись помех и дают более точную полезную информацию о зондируемой среде. Для точной интерпретации радарограмм необходимо использовать сведения о геологическом строении исследуемой территории.

Аббревиатуры

СМР	Сейсмическое микрорайонирование
УГВ	Уровень грунтовых вод

Об авторах

Вероника Юрьевна Павлова

ФГБОУ ВО «Камчатский государственный университет имени Витуса Беринга»

Автор, ответственный за переписку.
Email: verpavlova88@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4753-1928

кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры биологии и наук о Земле факультета естественных и технических наук, ведущий научный сотрудник международной интегративной научно-исследовательской лаборатории экстремальных явлений Камчатки

Россия, 683032, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Пограничная, 4

Список литературы

Дополнительные файлы