Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальные исследования инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов Восточной Сибири

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследования инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов Восточной Сибири"

На правах рукописи

ЮШКИН Виктор Иванович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНО-СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискания ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Иркутск - 2004

Работа выполнена в Институте земной коры СО РАН г. Иркутск

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Джурик Василий Ионович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Дмитриев Александр Григорьевич

кандидат геолого-минералогических наук Татьков Геннадий Иванович

Ведущая организация:

Восточно-Сибирский трест инженерно-строительных изысканий Госстроя России.

Защита диссертации состоится " 26 "октября 2004 г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.022.02 при Институте земной коры СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВосточноСибирского филиала СО РАН (в здании Института земной коры).

Автореферат разослан" 23 " сентября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук

гоо5~ч

/¿2Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Вечномерзлые грунты с разной степенью прерывистости по простиранию, разной мощностью слоев и глубиной их залегания от поверхности, различным температурным режимом и влажностью (льдистостью) наблюдаются в Восточной Сибири повсеместно. Они в большинстве случаев используются в качестве оснований строящихся зданий и сооружений. Инженерно-сейсмологические характеристики грунтов прямым образом влияют на интенсивность их колебаний при землетрясениях, поэтому изучению сейсмических свойств мерзлых и талых грунтов уделяется особое внимание.

В таких условиях, проектирование, строительство и эксплуатация промышленных (ГЭС, ТЭЦ, АЭС, железных дорог и др.) и гражданских объектов для осваиваемых территорий должны проводиться с учетом вновь формирующихся мерзлотно-грунтовых и инженерно-сейсмологических показателей. Поэтому исследование изменений инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов с применением новых методов изучения - одна из наиболее актуальных задач в инженерной геофизике.

В последнее время появилась новая геофизическая аппаратура (с/с «Диоген-24», «Электротест-СТ», «Электротест-С» и др.), позволяющая фиксировать и проводить обработку инструментальных данных с высокой точностью. Это существенно при изучении и уточнении взаимосвязей между физическими параметрами в процессе промерзания и протаива-ния горных пород, которые необходимы для прогноза сейсмической опасности в случае деградации мерзлоты.

Изучение динамики изменения геологической среды в процессе изменения геокриологических условий с помощью комплекса различных геофизических методов и служит предметом исследования данной работы. Кроме того, при исследовании инженерно-сейсмологических характеристик грунтов, более достоверные и с меньшими финансовыми затратами могут быть получены сведения при использовании данных физического и математического моделирования.

Цель работы. Обосновать выбор научно-методических приемов для обеспечения эффективного внедрения геофизических методов и цифровой компьютеризированной аппаратуры при решении инженерно-сейсмологических задач в пределах Восточной Сибири.

Для этого в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Изучить связь геофизических параметров (УрД^, УЭС) с температурой и влажностью грунтов в полевых и лабораторных условиях в процессе их промерзания и оттаивания.

2. Выполнить физическое моделирование для получения сейсмограмм и кривых ВЭЗ в криокамере наиболее вероятных мерзлотно-грунтовых разрезов с целью повышения точности их интерпретации.

3. Используя данные натурных, модельных и лабораторных измерений для определенных районов Восточной Сибири, построить трехмерные физико-геологические модели для естественных и прогнозируемых состояний пород.

Методы исследования. Для проведения натурных измерений использовался комплекс методов малоглубинной геофизики: сейсморазве-дочные - для изучения скоростей распространения продольных (Ур) и поперечных (У?) волн в грунтах; электроразведочные - для изучения удельного электрического сопротивления (УЭС) пород; радиоизотопные и термометрические - для измерения плотности и температуры грунтов в скважинах.

При проведении лабораторных исследований выполнялось физическое моделирование в криокамере. Изучались взаимосвязи физических свойств мерзлых грунтов и их динамика в процессе промерзания и оттаивания слоев горных пород различного состава и влажности.

Научная новизна работы

1. Создана методика и аппаратурный комплекс для проведения физического трехмерного моделирования с целью определения эффективности методов обработки сейсморазведочных и электроразведочных измерений в условиях мерзлоты.

2. Установлены взаимосвязи между упругими, электрическими свойствами и физическим состоянием различных по классификации грунтов.

3. Предложен новый подход к методике построения моделей прогнозных карт приращения балльности, необходимых для оценки изменения сейсмической опасности мерзлых грунтов в результате влияния на них природно-техногенных факторов.

Практическая значимость выполненных исследований заключается в обосновании комплекса эффективных геофизических методов и программ обработки, используемых для оценки инженерно-сейсмологических условий строительных площадок, как для естественного их состояния, так и для прогнозируемого во времени - с учетом при-родно-техногенного воздействия.

Фактический материал получен в результате проведения инженерно-геофизических (сейсморазведка, электроразведка, термометрия и др.) исследований в районах Восточной Сибири и Монголии, начиная с

1981 года, где автор принимал участие как один из ответственных исполнителей. Большой объем комплексных геофизических исследований (1997-2001гг.) с использованием новой цифровой аппаратуры был выполнен автором совместно с коллегами для конкретных объектов: это участок строительства железнодорожного пути от ст. Н.Чара до ст. Чина, расположенного в зоне распространения вечномерзлых грунтов (сейсмический потенциал территории 9-11 баллов); участок строительства щебеночного завода и подъездного железнодорожного пути в районе п. Таксимо (Муй-ская впадина). В районе п. Баяндай (Ирк. обл.) в зоне островного распространения мерзлоты измерения проводились для сравнения сейсмических свойств твердомерзлых и пластично-мерзлых однотипных грунтов и для целевого изучения динамики их физических свойств при годовых колебаниях температур.

Автором получен экспериментальный материал при изучении упругих и электрических свойств различных по классификации грунтов в лабораторных условиях и при физическом моделировании натурных условий в криокамере.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обоснование комплекса рациональных методов инженерно-сейсмологических исследований и моделирование системы обработки полевых измерений при изучении динамики физического состояния территорий с мерзлыми грунтами.

2. Установленные взаимосвязи и закономерности изменений сейсмических и физических параметров грунтов по данным физического моделирования, лабораторных и натурных измерений в процессе их промерзания и оттаивания.

3. Новый подход к методике создания банка данных цифровых трехмерных физико-геологических моделей для решения задач инженерно-сейсмологического прогноза.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались: на П всесоюзной научной конференции" Проблемы геокриологии Забайкалья", г. Чита (1984 г); на всесоюзном совещании" Геокриологический прогноз при строительном освоении территорий", г. Воркута (1985 г.); на международной научной конференции "Город: прошлое настоящее, будущее*1, г. Иркутск (1998 г., 2004 г.); на международной научной конференции, посвященной памяти профессора О.В. Павлова, г. Иркутск (2000 г.); на П конференции геокриологов России, г. Москва (2001 г.); на международной конференции "Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли", Пущино (2001 г); на Ш российско-монгольской конференции по астрономии и геофизике, г. Иркутск (2002 г.); на всероссийском совещании по подземным водам востока России, г.

Красноярск (2003 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 27 работах, включая 2 коллективные монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, объемом 115 страниц машинописного текста, содержит 57 рисунков, 5 таблиц и списка литературы из 108 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлены основные задачи и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе (Краткий обзор изученности инженерно-сейсмологическиххарактеристик грунтов Восточной Сибири) анализируется изученность инженерно- сейсмологических характеристик мерзлых и талых грунтов Восточной Сибири с учетом наших исследований, проведенных в направлении решаемых задач.

При инженерно-сейсмологических исследованиях основной задачей является необходимость выявления роли физического состояния в формировании упругих и электрических характеристик скальных и рыхлых пород, которые прямым или косвенным образом могут определять величину изменения механических свойств оттаивающих мерзлых грунтов при сейсмических воздействиях.

Исследования, проведенные на территории Восточной Сибири рядом ученых (Лещиков, Зарубин, 1968; Солоненко, 1973; Ан и др., 1984; Джурик, 1986; Боголюбов и др., 1987; Павлов, 1987; Вахромеев и др., 1989; Нефедкин и др., 1990; Воронков и др., 1996; Павлов, 1997; Лещиков, 1999; Джурик и др., 2000;), позволяют установить общие закономерности в распространении показателей сейсмической опасности, мерзлотных особенностей и инженерно-сейсмологических свойств грунтов.

Сейсмические характеристики мерзлых и талых грунтов одного и того же гранулометрического состава изменяются в очень широких пределах и зависят от многих факторов, основными из которых являются влажность, льдистость и пористость (Баулин, 1981; Джурик и др., 1985, Зыков, 1992). Изменения параметров естественного состояния грунтов под воздействием природных факторов или техногенного воздействия находят свое отражение в скоростных и электрических характеристиках грунтов (Фролов, 1998). В связи с этим, скорости сейсмических волн и УЭС используются как своеобразные индикаторы, чутко реагирующие на любое изменение физического состояния грунтов (Комплексные инженерно-геофизические исследования..., 1990; Джурик, 1996).

К настоящему времени изучены взаимосвязи электрических, упру-

гих, прочностных и других характеристик криогенных пород, а также выделены основные факторы, определяющие динамику сейсмической опасности территорий Прибайкалья и Восточной Сибири (Джурик и др.,2000; Фролов, 2001).

В отмеченных работах изучались зависимости УЭС, скоростей и затухания сейсмических волн от различных физических параметров: пористости, плотности, температуры, давления, состава и геологического возраста грунтов. Показано, что значения УЭС, скоростей продольных и поперечных волн в грунтах, полностью насыщенных водой и льдом, не всегда совпадают с теоретическими выводами. Из кратко перечисленных выше экспериментальных и теоретических данных можно сделать следующие выводы:

Во-первых, в течение года мерзлотно-геологическая среда способна изменять свое физическое состояние, в том числе, сейсмические и электрические свойства. Особенно сильно изменение физического состояния грунтов происходит при техногенных воздействиях.

Во-вторых, физическое состояние мерзлотно-геологической среды в каждый момент времени описывается набором физических параметров, таких как: температура, влажность (льдистость), пористость и других. Их изменения приводят к изменению сейсмической опасности на 2-3 балла (Солоненко, 1973).

В-третьих, исследовать динамику слоя промерзания и оттаивания, а также контролировать состояние вечной мерзлоты и границы ее распространения при природно-техногенном воздействии, можно, если проводить круглогодичные режимные измерения методами электроразведки, сейсморазведки и термометрии. Это достаточно дорого и трудоемко, но можно удешевить и сократить объемы измерений, если смоделировать эти процессы, зная инженерно-геологический разрез.

Таким образом, обоснована необходимость комплексирования полевых геофизических методов и предложен их рациональный набор для изучения динамики сейсмической опасности мерзлых грунтов в естественных условиях. Для предсказания величин изменений сейсмических свойств мерзлых грунтов от изменения их физических параметров (температуры, льдистости и пористости) показательны результаты физического и математического моделирования натурных условий в криокамере, реализованные на примере конкретных мерзлотно-геологических разрезов.

Во второй главе (Обоснование комплексарациональныхметодов изучения инженерно-сейсмологическиххарактеристикмерзлыхгрунтов и результаты их использования) излагаются: методика полевых и лабораторных работ, основные результаты и их анализ при исследовании инженерно-сейсмологических характеристик грунтов в различных районах Восточной Сибири.

Инженерно-сейсмологические исследования позволяют изучать состояние мерзлотно-геологического разреза через совокупность инстру-ментально-измеряемых упругих, электрических, температурных, плотно-стных и др. параметров. Их изменение во времени в зависимости от режима (оттаивание или промерзание) мерзлотного разреза дает возможность контролировать и осуществлять прогноз сейсмического состояния грунтов.

Сотрудниками ИЗК СО РАН в течение ряда лет для решения поставленных задач, проводились комплексные геофизические исследования в районах развития мерзлых грунтов Восточной Сибири и нами, был использован значительный позитивный опыт применения геофизических методов в сложных мерзлотных и сейсмогеологических условиях, характерных для территории Восточной Сибири.

Сейсморазведочные исследования проводились для изучения продольных (Ур) и поперечных (У?) скоростей распространения упругих волн в мерзлотно-геологических разрезах. Измерения проводились методом преломленных волн (МПВ) и методом отраженных волн (МОВ) (Сейсморазведка, 1981). С 2000 года использовалась специализированная компьютеризованная цифровая 24-х канальная сейсморазведочная станция «Дио-ген-24», работающая по принципу накопления слабых импульсных воздействий с любыми источниками. Скорости сейсмических волн вычислялись по годографам на ПК согласно общепринятым методикам (Никитин, 1981; Ляховицкий и др., 1989) с помощью программ (некоторые процедуры изменены), разработанных в МГУ (Пийп, 1984).

Электроразведочные исследования предназначались для изучения удельного электрического сопротивления р (УЭС) в мерзлотно-геологических разрезах. При электроразведочных измерениях использовался метод вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и симметричное электропрофилирование (СЭП). Работы методами ВЭЗ и СЭП проводились с помощью переносной аппаратуры постоянного и переменного тока «Электротест-С», производства Россия, НТК «Диоген».

Радиоизотопные исследования скважин проводились с целью измерения плотности пород в скважинах. Использовался прибор ППГР-1, предназначенный для скважинных плотностных измерений: диапазон измерений 0,8-2,5 г/см3; погрешность 0,05 г/см3; диаметр скважины 40100мм; глубина до 30м.

Термометрические измерения выполнялись обычными «ленивыми» термометрами с ценой деления 0,1 °С и цифровым прибором «Термометр-БвК-0,03» (Россия). Последний прибор предназначен для измерения температуры в скважинах с накоплением данных в ПЗУ (точность измерений 0,03°С). В основном изучались изменения температуры с глубиной и их годовые колебания для конкретных участков, расположенных в различных районах Восточной Сибири.

Лабораторные исследования были направлены на установление связей между скоростями ультразвука (Vp,Vs), удельным электрическим сопротивлением (УЭС), температурой, влажностью (льдистости) и другими физическими параметрами для конкретных типов грунтов: суглинков, супесей, песков и гравийно-галечных отложений.

В результате экспериментальным путем найдены зависимости геофизических параметров отмеченных разновидностей грунтов от их температуры при фиксированных значениях влажности (льдистости). На примере изучения песков получены следующие результаты (рис.1). При изменении влажности от воздушно-сухого состояния до полного насыщения грунтов скорости сейсмических волн в пределах изменения температур от положительной до -25°С меняются от 500 до 4200 м/с.

Рис. 1. Зависимость скорости продольной волны Vp от температуры песка при различной влажности.

По данным натурных измерений получены изменения величин УЭС и скоростей сейсмических волн, которые вызваны годовыми колебаниями температуры, составом грунтов и мерзлотными особенностями районов.

Скорости сейсмических волн и УЭС в слое сезонного промерзания и оттаивания изучались в различных районах. Измерения проводились в периоды экстремальных температур (максимальные - май, апрель, минимальные - сентябрь). Полученные результаты показывают, что диапазон колебаний скоростей сейсмических волн и УЭС зави-

сят от литологического состава грунта, его влажности и пределов годовых колебаний температур.

Ниже слоя сезонного промерзания физические свойства мерзлых грунтов меняются менее динамично. Изменение свойств обусловлено различными градиентами в верхней зоне разреза: температурой, давлением, влажностью и т.д.,- что ведет к сезонному и длительному изменению физических свойств горных пород.

Совместное использование натурных исследований и лабораторных измерений выявляет новые особенности во взаимосвязях физических и сейсмических состояний оттаивающих грунтов. Они позволили получить достаточно надежные относительные изменения упругих и электрических параметров грунтов в зависимости от их состояния и состава. Такие данные могут использоваться не только для оценки точности и устойчивости величин изменения физических характеристик грунтов, но и с помощью косвенных методов, прогнозировать изменение их сейсмических характеристик во времени.

В третьей главе (Изучение инженерно-сейсмологическиххаракте-ристикмерзлых грунтов с использованием физического и математического моделирования) приведены методика и результаты физического трехмерного моделирования.

Для оценки результатов и эффективности методов интерпретации при изучении инженерно-сейсмологических характеристик мерзлотно-геологической среды методами инженерной геофизики использовалось физическое и математическое моделирование. При выполнении принципа подобия данные моделирования в достаточной степени отражают специфику полевых материалов для любых задач двухмерной - трехмерной интерпретации в геофизике (скоростной и динамический анализ, физическое состояние мерзлотно-геологического разреза и т.д.), при этом формируются физико-геологические модели (ФГМ). Под ФГМ объекта геофизических исследований понимают систему физических полей, возникающих от абстрактных возмущающих тел, обобщенные размеры, форма и физические свойства которых с той или иной степенью приближения аппроксимируют реальные геологические образования, подлежащие обнаружению (Вахромеев и др., 1989). ФГМ также используются для оценки сравнительной эффективности геофизических методов (Тархов и др., 1982). Один и тот же мерзлотно-геологический разрез может для разных геофизических методов интерпретироваться различными ФГМ.

В этом отношении математические цифровые модели, открывают новые возможности для изучения мерзлоты в процессе ее деградации. Изучение наиболее быстро идет тогда, когда создание ФГМ влечет за собой разработку математической цифровой модели, способствующей, в свою очередь, более осознанному изучению природного явления, свое-

временному пересмотру ФГМ и приведению ее в соответствие с математической. В предлагаемой нами цифровой трехмерной физико-математической модели при обработке данных используется триангуляционная сетка. Она задается координатами точек - узлов сетки. Для построения по этим точкам триангуляции мы разбиваем все множество точек на непересекающиеся треугольники в соответствии с каким - либо дополнительным условием. Одним из условий является построение сетки с треугольниками наиболее правильной формы (триангуляция Делоне).

Основываясь на сказанном, нами был разработан аппаратурный геофизический комплекс для проведения лабораторных измерений яа образцах и для реализации физического и математического (трехмерного) моделирования. Основная его цель - определение эффективности того или иного геофизического метода при проведении как инженерно-геофизических изысканий в районах мерзлоты, так и для оценки точности методов обработки.

В свою очередь, реализация физического моделирования потребовала решения ряда методических задач, связанных со следующими этапами работ: изготовление моделей, проведение измерений, выбор и обоснование способов обработки.

Методика изготовления моделей. Физическое моделирование выполнялось на модели размерами 2.0x1.5x1.2 м, изготовленной из специального материала толщиной 50 мм с гидроизоляцией. Конструкция усиливалась металлическим каркасом. В качестве объекта исследований были выбраны песчаные грунты. В зависимости от поставленных задач модель заполнялась воздушно-сухим, водонасыщенным или мерзлым песком, или их переслаиваниями с заранее заданной мощностью. Температура в крио-камере выдерживалась любое длительное время для ее фиксированных значений в интервале от положительных до -15°С. Используя данные, полученные при лабораторных измерениях, выполненных на песке (заполнитель модели), то есть, зная зависимости упругих и электрических свойств песка от влажности и температуры (глава 2), мы можем создавать различные мерзлотно-геологические разрезы с заранее заданными и управляемыми параметрами.

Методика проведения наблюдений. Создавались различные сейсмо-геокриологические условия на моделях и проводились наблюдения различными инженерно-геофизическими методами. В нашем случае это сейсморазведка (МПВ, МОВ, ультразвуковой каротаж), электроразведка (ВЭЗ), плотностной каротаж, а также температурный контроль по всему объему модели. При сейсморазведочных измерениях использовались датчики из пьезокерамики (25 кгц), а также сейсмоприемники СМВ-30№ Расстояние между датчиками было выбрано 0,15 м. Возбуждение сейсмических волн проводилось импульсным электромагнитным источником.

Для электроразведочных измерений использовалась симметричная

четырехэлектродная установка (АМЫВ), с разносами АВ/2 от 0,03 до 0,65 м и МК от 0,01 до 0,03 м (электроды медные диаметром 0.001 м и 0,0015 м). Все электроды были постоянно закреплены на эбонитовую пластину длиной 1,4 м.

Ультразвуковой каротаж выполнялся с помощью каротажного зонда с 10-ю датчиками, которые могут работать как в качестве приемников, так и излучателей.

Выбранным комплексом измерения проводились по всей площади модели, они сгущались или разряжались в зависимости от необходимой точности измерений и решаемых задач.

Методика и способы обработки. Все геофизические измерения регистрировались в цифровом виде и перекачивались в ПК, где обрабатывались с помощью специальных программами и выбранных способов для каждого метода измерений с учетом изучаемых физических параметров (глава 2). Для дальнейшей обработки мы использовали матрицу слоев. Матрица слоев представляет собой нерегулярный массив геофизических значений и регулярный массив системы координат, распределенных по всему объему модели. Процесс построения матрицы слоев можно разделить на два этапа: построение триангуляционной сетки и заполнение элементов матрицы. Триангуляционная сетка есть совокупность непересекающихся треугольников, образующих замкнутый контур. В вершинах треугольников (узлах) могут быть заданы значения геофизических пара-метров(Ур, У?, р и др.).

Создание такой методики и аппаратурного комплекса позволило нам реализовать физическое и математическое моделирование процесса обработки сейсморазведочных и электроразведочных данных согласно работам (Аверко, Максимов, 1984; Джурик и др.,2000). Моделировались разрезы, представленные чередованием плоскопараллельных слоев различного состояния. В лабораторных условиях для них были получены встречные годографы и кривые ВЭЗ. Интерпретация лабораторных измерений, проведение теоретических расчетов и сравнение их с натурными данными показали их хорошую сходимость. Такой подход, в свою очередь, дает возможность оценивать эффективность программ и способов обработки полевых геофизических данных более точно и с меньшими материальными затратами, в особенности, при сложно построенных средах. Это становится весьма актуальным при решении ряда новых задач, стоящих перед современной инженерной геофизикой, а именно: при проведении инженерно-сейсмологических исследований на различных мерзлотно-геологических разрезах, при разработке способов интерпретации площадных систем наблюдений и при изучении динамических характеристик сейсмических волн.

В четвертой главе (Связь экспериментальных, модельных и теоретических исследований при изучении сейсмического состояниямерз-

лотно-геологического разреза) показана связь экспериментальных, модельных и теоретических исследований при изучении сейсмического состояния мерзлотно-геологического разреза.

Проведенные в отмеченном направлении исследования позволили установить многие закономерности и взаимосвязи сейсмических и электрических свойств в мерзлых грунтах в зависимости от состава, строения, температуры и влажности (льдистости). Экспериментальные зависимости можно использовать для оценки сейсмической опасности при строительстве на мерзлых грунтах.

Обоснованный нами комплекс геофизических методов при использовании физико-математического моделирования применяется для определения глубины залегания коренных скальных пород» детального картирования мерзлых и талых грунтов, оценки физико-механических и водно-физических свойств пород в их естественном залегании. Основные задачи комплекса: выявление геодинамических процессов и оценка изменения сейсмической опасности районов, охваченных мерзлотой, при их освоении. В этом направлении для территории Восточной Сибири получен большой экспериментальный материал. Его рациональное использование на современном уровне потребовало совершенствования доступа к накопленным данным, возможности его анализа в направлении решения поставленных задач и, как следствие, планирование дальнейших исследований.

Эта задача решается через разработку и создание банка данных трехмерных физико-геологических моделей, которые, как нам представляется, помогут эффективно и экономично решить эти задачи. Но, в большей степени, с помощью цифровых ФГМ предусматривалась возможность прогнозирования сейсмических свойств мерзлых грунтов Восточной Сибири при нарушении их естественного состояния.

Точность инженерно-сейсмологических прогнозов в немалой степени определяется точностью интерпретации используемых геофизических методов и точностью оценок относительных изменений сейсмических параметров мерзлых грунтов при их оттаивании. Установленные экспериментальные зависимости могут использоваться для предсказания динамики сейсмических свойств при изменении температурного режима мерзлоты с течением времени.

Учитывая сказанное, получены трехмерные графики зависимости приращения балльности (А1) от скорости распространения продольной волны в эталоне (Ур3) и скорости в исследуемом мерзлотно-геологическом разрезе (Ур) с учетом поправки на температуру мерзлого грунта на глубине ее нулевых колебаний (Т°С). Установленные взаимосвязи оценивают возможные пределы изменения сейсмической опасности с изменением величин Ур3, Ур1 и Т0С, а трехмерные графики с использованием цветовой палитры позволяют более наглядно представлять и анализировать резуль-

таты наших исследований для конкретных территорий.

В обобщенном виде получен достаточно большой объем информации, и вся эта информация сохранена в виде электронных таблиц и матриц. Это необходимо не только для визуализации результатов, но и для создания набора скоростных цифровых трехмерных моделей для территорий Восточной Сибири с различными мерзлотными и грунтовыми условиями.

Разработка и создание банка данных скоростных цифровых трехмерных моделей для мерзлотно-геологических разрезов.

При изучении и анализе параметров мерзлотно-геологической среды, изменяющейся во времени, используется четырехмерная пространственная модель (ХУ/Т). Для удобства анализа, данные можно представить в виде набора цифровых трехмерных моделей (ХУ/) при фиксированном параметре X (время). Таким образом, не изменяя структуры хранения данных, появляется возможность анализа параметров, характеризующих состояния мерзлотно-геологической среды и их изменения во времени.

Одним из вариантов блочной трехмерной модели мерзлотно-геологической среды является матрица слоев. Матрица слоев представляет собой нерегулярный массив значений геофизических параметров в слое. В одном элементе матрицы имеется набор значений - геофизических параметров - скорость распространения сейсмической волны, удельное электрическое сопротивление в 1-ом слое, в 2-ом слое,... в №ом слое. Порядок следования слоев задается относительно уровня земной поверхности. Грунты могут изменять свои физические свойства, что ведет к изменению сейсмических и электрических параметров слоя. Такой подход к хранению информации позволяет структурировать данные и получать информацию о мерзлотно-геологической среде и изменении её физических свойств в любой точке грунтового слоя с максимальной эффективностью и точностью.

Отображение на плоскости используется для наглядного представления экспериментальных данных, для выполнения по матрице слоев необходимых расчетов и для решения новых задач. Матрица слоев визуализируется определенной цветовой палитрой и изолиниями, которые несут геофизическую информацию о геологическом строении среды (состав пород, физические свойства и др.).

По изложенной методике сформированы цифровые трехмерные модели для участков, расположенных в районах от островного до сплошного распространения вечномерзлых грунтов, и проведен их анализ. Для примера на рис. 2 показана скоростная цифровая трехмерная модель для мерзлотно-геологической среды (островное распространение вечно-мерзлых грунтов, п. Баяндай Иркутской обл., площадка размером 70х140м). Здесь представлены горизонтальные срезы на разных глубинах, но можно строить вертикальные или наклонные срезы в лю-

бом направлении и месте данной модели. В матрицу слоев заложено значение скорости Р-волн, благодаря чему мы видим, как изменяется скорость распространения продольной волны в горизонтальном (поверхности срезов) и вертикальном направлениях. Для представленной модели они меняются от 500-750 м/с до 20ОО-2250м/с.

Рис. 2. Скоростная цифровая трехмерная модель для мерзлотно-геологического разреза в районе п. Баяндай, Иркутская обл. (сентябрь).

Таким образом, на участках, где были выполнены комплексные инженерно-геофизические работы в различное время года, скоростные и электрические характеристики сформированных цифровых моделей (по их значениям) изменяются значительно, от южных районов к северным, в сторону их увеличения. Эти изменения легко интерпретируются влиянием природных факторов и, в первую очередь, значениями температуры и влажности (льдистости) в верхней, самой динамичной, зоне горных пород.

Разработка и создание банка данных цифровых моделей для прогноза сейсмических свойств грунтов Восточной Сибири.

Выбранный путь изучения мерзлотно-геологической среды с помощью скоростных трехмерных моделей привел к разработке нового подхода к методам прогноза упругих параметров. Это разработка и создание банка данных цифровых моделей для прогноза сейсмических свойств грунтов Восточной Сибири и возможность их трансформации от начального состояния до прогнозируемого или полного оттаивания мерзлоты.

Подход достаточно прост: используется матрица слоев скоростной

цифровой трехмерной модели изучаемого района, производится осреднение скоростных значений всех слоев модели до коренных пород. Далее, подставляя корреляционную зависимость в каждый элемент матрицы, получаем модель прогнозной карты возможных изменений сейсмической опасности для изучаемой территории.

Такой подход реализован нами на примере модели прогнозной карты участка, расположенного в районе п. Таксимо (рис. 3). Верхний рисунок - это прогнозная карта в виде изолиний с изменением цветовой палитры, она показывает вариации приращения балльности (Д1) для этого участка. Нижний рисунок - эта же прогнозная карта представлена в объемном виде, где наглядно отражено изменение Д1 балльности (поднятие - увеличение, опускание - уменьшение).

Рис. 3. Цифровая модель прогнозной карты приращения I бальности в районе п. Таксимо; мерзло - талые грунты.

В заключении подведены итоги диссертации, сформулированы основные результаты работы, описаны физические процессы, которые могут быть ответственны за динамику изменения сейсмических и электрических свойств мерзлых грунтов, отмечена новизна прехтагаемых разработок в направлении изучения динамики физических свойств мерзлоты при нарушении ее естественного состояния, показана практическая значимость внедрения результатов исследований в практику.

Анализ скоростных трехмерных моделей показывает, что зная скорости распространения продольных волн с глубиной и по горизонтали, мы контролируем изменение влажностного и температурного режимов грунтов данных районов, а, следовательно, и прогноз глубины

их промерзания и оттаивания на конкретных участках. Учет глубины промерзания и оттаивания грунтов позволит при строительстве правильно спроектировать заложение фундаментов сооружений, отсыпку насыпей для железнодорожных и автомобильных дорог и, тем самым, исключить их деформацию при эксплуатации и возможных сейсмических воздействиях. Прочностные характеристики мерзлых грунтов определяются показателями их упругих свойств: модуля Юнга, модуля сдвига и модуля всестороннего сжатия (Фролов, 1998). Прогнозно-скоростные трехмерные модели мерзлотно-геологической среды служат косвенным показателем изменения механической прочности грунтов при изменении температуры и дают возможность строителям предусматривать эти изменения при проектировании строительства зданий и сооружений в таких условиях.

Зная интенсивности и вероятность сотрясений на средних грунтах в баллах сейсмической шкалы М8К-64 и используя цифровые модели прогнозных карт приращения балльности, можно строить прогнозные карты интенсивности балльности для конкретных районов с учетом срока службы строящихся сооружений.

На примере строительных площадок, расположенных в районах п. Таксимо и ст. Н.Чара, реализованы все основные приемы методики создания цифровых трехмерных моделей прогнозных карт для инженерно-сейсмологического обоснования условий строительства на мерзлых грунтах. Представление прогнозируемых параметров в виде набора моделей прогнозных карт их значения наиболее наглядно характеризует динамику сейсмических состояний изучаемой территории в процессе ее освоения.

Основные результаты работы;

1. Выбрана методика комплексирования инженерно-геофизических методов, лабораторных измерений и физико-математического моделирования, которая направлена на изучение взаимосвязей между параметрами, описывающими физическое, сейсмическое и электрическое состояние мерзлотно-геологической среды.

2. Для проведения физического моделирования создан аппаратур-но-методический комплекс изучения динамики упругих и электрических свойств мерзлых грунтов в лабораторных условиях на «больших» трехмерных моделях.

3. Изучена динамика упругих и электрических свойств грунтов при их промерзании и оттаивании геофизическими методами (МПВ, ВЭЗ) в натурных условиях. Она подтверждается выявленными в лабораторных условиях взаимосвязями что позволяет более точно контролировать изменение физического состояния и свойств грунтов во времени.

4. Усовершенствована методика обработки и интерпретации сейс-

мических и электрометрических данных для сложных, постоянно изменяющих во времени, сред (алгоритм и процедура цифровой обработки), написаны необходимые макросы обмена данными между программами.

5. Предложен новый подход к построению скоростных трехмерных моделей и цифровых моделей прогнозных карт сейсмической опасности (с использованием методов инженерно-сейсмологического прогноза), который позволяет достаточно точно, в короткие сроки и с минимальными затратами, дать оценку инженерно-сейсмологических условий строительных площадок и реализовать прогноз их изменения во времени с учетом техногенеза.

6. Создан начальный банк данных скоростных цифровых трехмерных моделей и цифровых моделей прогнозных карт, необходимых для инженерно-сейсмологического прогноза конкретных строительных площадок в районах Восточной Сибири.

Можно отметить несколько направлений использования скоростных трехмерных моделей: геокриологический прогноз, изучение гидрологических условий, оценка физико-механических характеристик грунтов, изучение тектонических нарушений и других инженерно-геологических задач.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Юшкин В.И., Копылов Н.И. Экспериментальные исследования сейсмических свойств мерзлых грунтов Забайкалья // Проблемы геокриологии Забайкалья. - Чита: Изд-во Читинская обл. типография. 1984. - С 106-108.

2. Джурик В.И., Юшкин В.И., Попов Л.Г. Исследование изменения геофизических параметров при промерзании и оттаивании грунтов.// Сборник тезисов док. и сооб. Всесоюзное совещание « Геокриологический прогноз при строительном освоении территории»- М.: Изд-во ПНИИИС, 1985.-С 301-302.

3. Нефедкин Ю.А., Михеев А.В., Джурик В.И., Юшкин В.И. Применение скважинной геоакустики в режимных инженерно-геофизических исследований мерзлых грунтов в Восточной Сибири // Исследования по многоволновому акустическому каротажу и сейсмомоделированию/ От. Ред. Л.Д. Гик. Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1990. - С. 144-155.

4. Джурик В.И., Басов А.Д., Рященко Т.Г., Юшкин В.И. Комплексные геофизические исследования сейсмических свойств грунтов в плей-стосейстовой зоне Могодского землетрясения // Глубинное строение и геодинамика Монголо-Сибирского региона. Сб. науч. тр.. Новосибирск: Наука, 1995.-С.171-183.

5. Джурик В.И., Дреннов А.Ф., Басов А.Д., Юшкин В.И. Вопросы расчета сейсмических воздействий и их решение для Байкальской сейсми-

ческой зоны // Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века.- Новосибирск: Изд-во Наука, 1996. - С. 176-184.

6. Сейсмическое микрорайонирование Монголии (авт. Джурик В.И., Дугармаа Т., Потапов ВА, Цэмбэл Б., Кочетков В.М., Балжиням И., Ря-щенко Т.Г., Лхамсурэт Ч., Павлов О.В., Юшкин В.И.) Улаанбаатар: Из-во МАИ, 1998.-248 с.

7. Джурик В.И., Дреннов А.Ф. Юшкин В.И. Оценки сейсмической опасности территорий с учетом неоднородности верхней части литосферы. /Проблемы земной цивилизации. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 1999, ВыпД (ч.1).-С 146-150

8. Джурик В.И., Басов А.Д., Дреннов А.Ф., Юшкин В.И. Режимные геофизические наблюдения за состоянием плотины Иркутской ГЭС // Гидротехническое строительство.-1999. ~№5.-С. 53-57.

9. Джурик В.И., Басов А.Д., Серебренников С.П., Юшкин В.И. Исследования сейсмической опасности золошлакоотвалов ТЭЦ в городах Восточной Сибири и Дальнего Востока // Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий. Труды международной научной конференции 22-24 сентября 1999 года, Томск: Изд-во Томского государственного архитектурно-строительного университета, 199 9.-С. 108-109.

10. Джурик В.И., Басов А.Д., Дреннов А.Д., Серебренников С.П., Юшкин В.И. Исследование особенностей проявления сейсмичности в криолитозоне // Материалы второй конференции геокриологов России//т.З "Региональная и историческая геокриология" Изд-во Московского университета, 2001.- С. 78-90.

11. Джурик В.И., Басов А.Д., Юшкин В.И., Вампилов В.М. Численные исследования изменения параметров сейсмических воздействий на участке газопровода через реку Ангару // Гидротехническое строительство. - 2002. - №9, - С. 10-16.

12. Джурик В.И., Дреннов А.Д., Юшкин В.И.. Влияние структурных неоднородностей литосферы на динамические параметры землетрясений // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания Том 1. М.: ГЕОС, 2002. - С. 170-173.

13. Юшкин В.И., Серебренников СП., Ескин А.Ю. Лабораторное моделирование сейсмических колебаний при изменении геокриологических условий // Материалы международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения». Пущино.2003. - С. 230-231.

14. Джурик В.И., Серебренников С.П., Ескин А.Ю., Юшкин В.И., Баскаков B.C. Геофизический мониторинг устойчивости гидротехнических сооружений // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам востока России. Красноярск. 2003. - С. 178-180.

15. Юшкин В.И., Джурик В.И., Батсайхан Ц., Дугармаа. Изучение геофизическими методами морфоструктурных особенностей разломов Монголии // Труды Всероссийского совещания «Напряженное состояние

литосферы, ее деформация и сейсмичность». - Новосибирск: Изд-во СО РАН. филиал Тео" 2003. - С.478-481.

16. Серебренников СП., Джурик В.И., Юшкин В.И. Оценка техногенной и сейсмической опасности при строительстве железнодорожного пути (Хребет Удокан) // География и природные ресурсы. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - №3. - С.49-55.

17. V.I. Dzhurik, A.D. Basov, A.F.Drennov, V.L Yushkin. Geophysical Control Over the Processes of Technogeneous Variation of Permafrost in Seismic Hazard Areas of East Sibiria/ Proceedings ofthe8-th Congress of the International Association of Engineering Geology: A Global View from the Pacific Rim. Sept. 21-25,1998, Vancouver, Canada 2000 Balkema - Pp. 4023-4026.

18. Complex geophysical and seismological investigations in Mongolia. Editor-in-chief: Dr. ofGeology and Mineralogy V.I. Dzhurik end T. Dugarmaa. Ulaanbaatar-Irkutskl: DDC 551.1, C-73 flSBN 99929-82-30-0.2004.315 pp. (in Mongolia).

Отпечатано в ИЗК СО РАН Заказ № 77 от 20 сентября 2004 г. Объем 18 с. Тираж 100 экз.

11181 19

РНБ Русский фонд

2005-4 16141

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Юшкин, Виктор Иванович

ГЛАВА 1. Краткий обзор изученности инженерно-сейсмологических характеристик грунтов Восточной Сибири

1.1. Анализ изученности сейсмических свойств грунтов и мерзлотных условий Восточной Сибири

1.2 Факторы, влияющие на изменение сейсмических характеристик мерзлотно-геологического разреза

1.3 Изменение электрических характеристик мерзлотно-геологического разреза

1.4 Связь электрических и сейсмических параметров при изменении физического состояния мерзлотно-геологического разреза

ГЛАВА 2. Обоснование комплекса рациональных методов изучения инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов и результаты их использования

2.1.Аппаратура и методика выбранного комплекса полевых и лабораторных исследований

2.2. Результаты комплексных инструментальных измерений инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов

2.2.1 Режимные и полевые исследования

2.2.2 Лабораторные исследования

2.3. Анализ полученных экспериментальных данных и возможностей режимных измерений

ГЛАВА 3. Изучение инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов с использованием физического и математического моделирования

3.1. Физико-геологические модели в сейсмогеокриологии

3.2. Физическое и математическое моделирование

3.3.Аппаратура и методика для проведения комплекса физического и математического моделирования

3.4. Результаты моделирования

ГЛАВА 4. Связь экспериментальных, модельных и теоретических исследований при изучении сейсмического состояния мерзлотногеологического разреза

4.1.Использование сейсмических, электрических и геокриологических параметров при инженерно-сейсмологическом прогнозе на мерзлых грунтах Восточной Сибири

4.2. Разработка и создание банка данных скоростных цифровых трехмерных моделей для реализации инженерно-сейсмического прогноза

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальные исследования инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов Восточной Сибири"

Данная работа посвящена изучению изменений сейсмических, электрических свойств и физического состояния мерзлых горных пород в верхней части геологического разреза (до 30 м) при проведении инженерно-сейсмологических исследований в районах Восточной Сибири, где приходится сталкиваться с целым рядом трудностей, обусловленных сложными геокриологическими условиями.

Актуальность темы. Вечномерзлые грунты с разной степенью прерывистости по простиранию, разной мощностью слоев и глубиной их залегания от поверхности, различным температурным режимом и влажностью (льдистостью) наблюдаются в Восточной Сибири повсеместно. Они в большинстве случаев используются в качестве оснований строящихся зданий и сооружений. Инженерно-сейсмологические характеристики грунтов прямым образом влияют на интенсивность их колебаний при землетрясениях, поэтому изучению сейсмических свойств мерзлых и талых грунтов уделяется особое внимание.

В таких условиях, проектирование, строительство и эксплуатация промышленных (ГЭС, ТЭЦ, АЭС, железных дорог и др.) и гражданских объектов для осваиваемых территорий должны проводиться с учетом вновь формирующихся мерзлотно-грунтовых и инженерно-сейсмологических показателей. Поэтому исследование изменений инженерно-сейсмологических характеристик мерзлых грунтов с применением новых методов изучения -одна из наиболее актуальных задач в инженерной геофизике.

В последнее время появилась новая геофизическая аппаратура (с/с «Диоген», «Электротест-С», «Электротест-СТ» и др.), позволяющая фиксировать и проводить обработку инструментальных данных с высокой точностью. Это существенно при изучении и уточнении взаимосвязей между физическими параметрами в процессе промерзания и протаивания горных пород, которые необходимы для прогноза сейсмической опасности в случае деградации мерзлоты.

Изучение динамики изменения геологической среды в процессе изменения геокриологических условий с помощью комплекса различных геофизических методов и служит предметом исследования данной работы. Кроме того, при исследовании инженерно-сейсмологических характеристик грунтов, более достоверные и с меньшими финансовыми затратами могут быть получены сведения при использовании данных физического и математического моделирования.

Цель работы. Обосновать выбор научно-методических приемов для обеспечения эффективного внедрения геофизических методов и цифровой компьютеризированной аппаратуры при решении инженерно-сейсмологических задач в пределах Восточной Сибири.

Для этого в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Изучить связь геофизических параметров (Vp,Vs, УЭС) с температурой и влажностью грунтов в полевых и лабораторных условиях в процессе их промерзания и оттаивания.

2. Выполнить физическое моделирование для получения сейсмограмм и кривых ВЭЗ в криокамере наиболее вероятных мерзлотно-грунтовых разрезов с целью повышения точности их интерпретации.

3. Используя данные натурных, модельных и лабораторных измерений для определенных районов Восточной Сибири, построить трехмерные физико-геологические модели для естественных и прогнозируемых состояний пород.

Методы исследования. Для проведения натурных измерений использовался комплекс методов малоглубинной геофизики: сейсморазведочные для изучения скоростей распространения продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн в грунтах; электроразведочные - для изучения удельного электрического сопротивления (УЭС) пород; радиоизотопные и термометрические - для измерения плотности и температуры грунтов в скважинах.

При проведении лабораторных исследований выполнялось физическое моделирование в криокамере. Изучались взаимосвязи физических свойств мерзлых грунтов и их динамика в процессе промерзания и оттаивания слоев горных пород различного состава и влажности.

Научная новизна работы

1. Создана методика и аппаратурный комплекс для проведения физического трехмерного моделирования с целью определения эффективности методов обработки сейсморазведочных и электроразведочных измерений в условиях мерзлоты.

2. Установлены взаимосвязи между упругими, электрическими свойствами и физическим состоянием различных по классификации грунтов.

3. Предложен новый подход к методике построения моделей прогнозных карт приращения балльности, необходимых для оценки изменения сейсмической опасности мерзлых грунтов в результате влияния на них при-родно-техногенных факторов.

Практическая значимость выполненных исследований заключается в обосновании комплекса эффективных геофизических методов и программ обработки, используемых для оценки инженерно-сейсмологических условий строительных площадок, как для естественного их состояния, так и для прогнозируемого во времени - с учетом природно-техногенного воздействия.

Фактический материал получен в результате проведения инженерно-геофизических (сейсморазведка, электроразведка, термометрия и др.) исследований в районах Восточной Сибири и Монголии, начиная с 1981 года, где автор принимал участие как один из ответственных исполнителей. Большой объем комплексных геофизических исследований (1997-2001гг.) с использованием новой цифровой аппаратуры был выполнен автором совместно с коллегами для конкретных объектов: это участок строительства железнодорожного пути от ст. Новая Чара до ст. Чина, расположенного в зоне распространения вечномерзлых грунтов (сейсмический потенциал территории 9-11 баллов); участок строительства щебеночного завода и подъездного железнодорожного пути в районе п. Таксимо (Муйская впадина). В районе п. Баяндай (Ирк. обл.) в зоне островного распространения мерзлоты измерения проводились для сравнения сейсмических свойств твердомерзлых и пластично-мерзлых однотипных грунтов и для целевого изучения динамики их физических свойств при годовых колебаниях температур.

Автором получен экспериментальный материал при изучении упругих и электрических свойств различных по классификации грунтов в лабораторных условиях и при физическом моделировании натурных условий в криокамере.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обоснование методов рационального комплекса инженерно-геофизических исследований и моделирование системы обработки полевых измерений при изучении динамики физического состояния территорий с мерзлыми грунтами.

2. Установленные взаимосвязи и закономерности изменений сейсмических и физических параметров грунтов по данным физического моделирования, лабораторных и натурных измерений в процессе их промерзания и оттаивания.

3. Новый подход к методике создания банка данных цифровых трехмерных физико-геологических моделей для решения задач инженерно-сейсмологического прогноза.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались: на II всесоюзной научной конференции "Проблемы геокриологии Забайкалья", г. Чита (1984 г); на всесоюзном совещании "Геокриологический прогноз при строительном освоении территорий" г. Воркута (1985 г.); на международной научной конференции "Город: прошлое настоящее, будущее", г. Иркутск (1998 г., 2004 г.); на международной научной конференции, посвященной памяти профессора О.В. Павлова в г. Иркутске (2000 г.); на II конференции геокриологов России, г. Москва (2001 г.); на международной конференции "Консервация и трансформация вещества и энергии в крио-сфере Земли", Пущино (2001 г); на III российско-монгольской конференции по астрономии и геофизике, Иркутск (2002 г.); на всероссийском совещании по подземным водам востока России, г. Красноярск (2003 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 27 работах, включая 2 коллективные монографии.

Автор выражает благодарность: научному руководителю Джурику Василию Ионовичу за постоянную помощь при написании работы, в начальной и конечной постановке описанных исследований; Потапову Владимиру Антоновичу, всегда помогавшему автору советом и ценными критическими замечаниями; Дреннову Александру Федоровичу за помощь при оформлении результатов работы; Сизых Виталию Иннокентьевичу и Юшкиной Галине, оказавшим неоценимую моральную поддержку автору; Имаеву B.C., Мельникову А.И., Никифорову С.П. за идейную поддержку автора; Басову А.Д., Серебренникову С.П., Баскакову B.C., Ескину А.Ю. за помощь при проведении полевых работ.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Юшкин, Виктор Иванович

Основные результаты работы:

1. Выбрана методика комплексирования инженерно-геофизических методов, лабораторных измерений и физико-математического моделированием, которая направлена на изучение взаимосвязей между параметрами, описывающими физическое, сейсмическое и электрическое состояние мерз-лотно-геологической среды.

2. Для проведения физического моделирования, создан аппаратурно-методический комплекс изучения динамики упругих и электрических свойств мерзлых грунтов в лабораторных условиях на «больших» трехмерных моделях.

3. Изучена динамика упругих и электрических свойств грунтов при их промерзании и оттаивании геофизическими методами (МПВ, ВЭЗ) в натурных условиях. Она подтверждается выявленными в лабораторных условиях взаимосвязями что позволяет более точно контролировать изменение физического состояния и свойств грунтов во времени.

4. Усовершенствована методика обработки и интерпретации сейсмических и электрометрических данных для сложных постоянно изменяющихся во времени сред (алгоритм и процедура цифровой обработки), написаны необходимые макросы обмена данными между программами.

5. Предложен новый подход к построению скоростных трехмерных моделей и цифровых моделей прогнозных карт сейсмической опасности (с использованием методов инженерно-сейсмологического прогноза), который позволяет достаточно точно, в короткие сроки и с минимальными затратами дать оценку инженерно-сейсмологических условий строительных площадок и реализовать прогноз их изменения во времени с учетом техногенеза.

6. Создан начальный банк данных скоростных цифровых трехмерных моделей и цифровых моделей прогнозных карт, необходимых для инженерно-сейсмологического прогноза конкретных строительных площадок в районах Восточной Сибири.

Можно отметить несколько направлений, в которых могут использоваться результаты выполненных исследований: геокриологический прогноз, инженерно-сейсмологический прогноз, изучение гидрологических условий,Оценка физико-механических характеристик грунтов, изучение тектонических нарушений и других инженерно-геологических задач.

Сознавая всю сложность затронутых в диссертации вопросов, особенно некоторых из них, автор будет признателен всем лицам и организациям, которые сочтут возможным сделать полезные замечания по данной диссертации. Замечания будут учтены в дальнейшей работе по совершенствованию методов инженерной геофизики применяемых в нашей работе, физическом моделировании и в разработке банка данных цифровых моделей прогнозных карт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, сформулированы положения, выносимые на защиту, описаны физические процессы, которые могут быть ответственны за изменения сейсмических и электрических свойств мерзлых грунтов, отмечена новизна предлагаемых разработок в направлении изучения динамики физических свойств мерзлоты при нарушении ее естественного состояния, показана практическая значимость внедрения результатов исследований в практику.

Анализ скоростных трехмерных моделей показывает, что, зная скорости распространения продольных волн с глубиной и по горизонтали, мы контролируем изменение влажностного и температурного режимов грунтов данных районов, а, следовательно, и прогнозируем глубину их промерзания и оттаивания на конкретных участках. Учет глубины промерзания и оттаивания грунтов позволит при строительстве правильно спроектировать заложение фундаментов сооружений, отсыпку насыпей для железнодорожных и автомобильных дорог и, тем самым, исключить их деформацию при эксплуатации и возможных сейсмических воздействиях.

Изложена методика и реализовано физическое моделирование на трехмерных моделях в криокамере. Дан анализ выбранному аппаратурному комплексу и методике геофизических измерений на «больших» моделях (Джурик и др, 2001). Показано, что выбранные геофизические методы (в комплексе) и способы их интерпретации с достаточной надежностью работают при моделировании натурных разрезов с мерзлыми слоями в криокамере. стороннего сжатия. Поэтому прогнозные скоростные трехмерные модели служат косвенным показателем изменения механической прочности грунтов при изменении температуры и дают возможность строителям предусматривать эти изменения при проектировании строительства зданий и сооружений в таких условиях.

Показано, что зная интенсивности и вероятность сотрясений на средних грунтах в баллах сейсмической шкалы MSK-64 и используя цифровые модели прогнозных карт приращения балльности, можно строить прогнозные карты сейсмической опасности конкретных районов с учетом срока службы строящихся сооружений.На примере конкретных строительных площадок реализованы все основные приемы методики создания цифровых моделей прогнозных карт для инженерно-сейсмологического обоснования условий строительства на мерзлых грунтах. Представление изучаемых физических параметров в виде набора прогнозных карт позволяет по их значениям наиболее наглядно оценивать динамику сейсмических свойств изучаемой территории в процессе ее освоения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Юшкин, Виктор Иванович, Иркутск

1. Аверко Е.М., Максимов Л. М. Моделирование сейсмических полей и способов их обработки. |- Труды Ин-та геологии и геофизики СО РАН СССР. Вып. 572. Новосибкрск: Наука, 1984. -130 с. С. 3-82.

2. Акимов А.Т. Акустический метод определения физико-механических свойств мерзлых грунтов. ПНИИИС Госстроя СССР. Т. 1. М., 1969.-С. 212-223.

3. Акимов А.Т., Мельников В.П., Фролов А.Д. Геофизические методы изучения мерзлых толЩ в СССР. М.: Изд-во ОНТИ ВИЭМС. 1979.51 с. !

4. Ан В.В., Любомиров А.С., Соловьева Л.Н. Геокриологические условия Байкало-Становой части зоны БАМ. Новосибирск: Наука, 1984. - 140 с.

5. Ананян A.A. Соде)ржание незамерзшей воды в мерзлом суглинке в интервале температур от -10,6 до -40-;—60°С // Мерзлотные исследования. Вып. X. М.: Изд-во МГУ, 1970.- С. 267-270.

6. Анцыферов М.С., Анцыферова Н.Н., Кагер Я.Я. Исследование скоростей распространений и поглощения упругих волн в мерзлом песке // Изв. АН СССР. Сер. геофи^. -1964.- № 1.- С. 85-89.

7. Баулин Ю.И. Основные закономерности изменения сейсмических свойств мерзлых песчано-глинистых грунтов. В кн.: Физические поля и сейсмические свойства пород. - М.: Стройиздат, 1981. - С. 54-61.

8. Баулин Ю.И., Зыков Ю.Д. Режимные геофизические наблюдения как элемент геокриологического мониторинга // Геофизические исследования криолитозоны. Вып. 1. М.? 1995. - С. 186-190.

9. Берзон И.С. Сейсм)оразведка тонкослоистых сред. -М.: Наука, 1976. -224 с.

10. Боголюбов А.Н., Боголюбова Н.П., Мозганова Е.Я. Рекомендации по комплексированию геофизических методов при мерзлотной съемке. М.: Стройиздат, 1987. 86 с.

11. Боголюбов А.Н., Боголюбова Н.П. Экспресс-оценка содержания незамерзшей воды в мерзлой породе по значениям удельного электросопротивления // Геофизические исследования криолитозоны. Вып. 2. М., 1996. -С. 136-141.

12. Богородский В.Вj, Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: ГИМИЗ, 1980. - 384 с.

13. Бойков С.А., Романовский В.Е. Применение методов электроразведки постоянным т0ком при решении задач мерзлотно-гидрогеологических исследований в зоне освоения трассы БАМ// Мерзлотные исследования. Вып. 19> М., 1980. С. 145-153.

14. Бойков С.А., Снегирев A.M. О пространственно-временной изменчивости геокриологического разреза береговой зоны Вилюйской ГЭС-Ш

15. Геофизические исследования криолитозоны. Вып. 2.- М., 1996. С. 70- 82.

16. Васильев, А.Г. Демиденко, О.В. Зеркаль, Р.В. Васильева Применение цифровых моделей при ведении государственного мониторинга состояния недр // Информационней бюллетень №1(28)- М., 2001.- С 56- 60.

17. Вахрамеев Г.С., Щвлов О.В., Джурик В.И., Дмитриев А.Г. Физико-геологическое моделирование верхней части разреза в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1989. - 130 с.

18. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1995.- 187 с. !

19. Вахромеев Г.С., Трофеев Л.Я., Канайкин B.C., Номоконова Г.Г. Петрофизика.- Томск: Изд-во Томского университета, 1997. 264 с.

20. Воронков O.K. Инженерно-сейсмические исследования строения и свойств скальных массивов! в области многолетней мерзлоты. Автореф. докт. дис. Д.: Изд-во ЛГУ, 1987. |- 23 с.

21. Воронков O.K., Фролов А.Д. Физические свойства пород при отрицательных температурах //Штрофизика. Т. 3.- М.: Недра, 1992. С. 43-65.

22. Воронков O.K., Моторин Т.А., Михайловский Г.В., Кунцевич С.П. Скорости упругих волн в мерзлых и талых нескальных основаниях плотин по данным сейсморазведки/ЛГеОфизические исследования криолитозоны. Вып. 2. -М, 1996.-С. 7-25.

23. Воронков O.K., МЬторин Т.А., Михайловский Г.В., Кунцевич С.П. Сейсмогеологические классификации грунтов криолитозоны. // Криосфера Земли. Т. I. № 3. Новосибирск: Изд-во РАН, 1997. - С. 47-54.

24. Вялов С.С. Реологические основы механики мёрзлых грунтов. -М.: Высш.школа,1978. 447 с.

25. Гамбурцев А.Г. Сейсмический мониторинг литосферы.- М.: Наука, 1992.-200 с. !

26. Гальперин Е.И. Be и результаты. М.: Наука,

27. Зртикальное сейсмическое профилирование. Опыт 994.-320 с.

28. Геология и сейсмичность зоны БАМ. Инженерная геология и инженерная сейсмология / Павлов О.В., Джурик В.И., Дренов А.Ф. и др. Новосибирск: Наука, 1985. - 190 с.

29. Геокриологические условия Забайкалья и Прибайкалья / Под ред. И.А. Некрасова. М.: Наука, 1967,- 222 с.

30. Геофизические методы исследования/ Под ред. В.К.Хмелевского. -М.: Недра, 1988. 297 с.

31. Горбачев Ю.И. Геофизические исследования скважин. М.: Недра, 1990.-215 с.

32. Горелик Я. Б., Колунин В. С., Решетников А. К. Простейшие физиявлений // Криосфера Земли Т.1. №3. Новосибирск: Изд-во РАН, 1997. - С. 19-29.

33. Гречищев С.Е., Чйстотинов Л.В., Шур Ю.Л. Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов. М.: Наука, 1984. - 223с.

34. Джурик В.И. Расчет приращений сейсмической балльности по акустическим жесткостям для талых и мерзлых грунтов. В кн.: Сейсмическое микрорайонирование в условиях вечной мерзлоты. - Новосибирск: Наука, 1975.- С. 35-38.

35. Джурик В.И. Прогноз изменения сейсмической опасности мерзлых грунтов при нарушении их температурного режима. В кн.: Долгосрочные прогнозы природных явлений.- Новосибирск: - Наука, 1977. - С. 45-52.

36. Джурик В.И. Прогноз изменения упругих параметров песков при переходе их из мерзлого состояния в талое // Геология и геофизика 1982. -№7. - С. 87-95.

37. Джурик В.И., Басов А.Д. Использование электроразведки при сейсмическом микрорайонировании. В кн.: Сейсмическое микрорайони-ровани. - М.: Наука, 1984. - С. 73-84.

38. Джурик В.И., Юшкин В.И., Попов А.Г. Динамика сейсмических и электрических свойств грунтов при их промерзании и оттаивании // Моделирование и прогнозирование геофизических процессов.- Новосибирск: Наука, 1987. -С.46-52.

39. Джурик В.И. Инженерно-сейсмологический прогноз при нарушении естественного состояния мерзлых грунтов. Автореф. докт. дис. Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 1986. - 37 с.

40. Джурик В. И. Особенности прогноза сейсмических воздействий в условиях криолитозоны // Геофизические исследования криолитозоны. Вып. 2. -М., 1996. -С. 53-59.

41. Джурик В.И., Басов А.Д., Дреннов А.Ф., Юшкин В.И. Режимные геофизические наблюдения за состоянием плотины Иркутской ГЭС // Гидротехническое строительство. 1999. - №5. - С. 53-57.

42. Джурик В.И., Дреннов А.Ф., Басов А.Д. Прогноз сейсмических воздействий в условиях криолитозоны. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. -272 с.

43. Дроговейко И.З. Разрушение мерзлых грунтов взрывом. -М.: Недра, 1981.-238 с.

44. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра, 1990. - 559 с.

45. Епинатьева A.M., Голошубин Г.М., Литвин A.JL и др. Метод преломленных волн. М.: Недра, 1990. - 297с.

46. Жесткова Т.Н., Заболоцкая М.И., Рогов В.В. Криогенное строение мерзлых пород. М.: Изд-во МГУ, 1980. - 135 с.

47. Живая тектоника, вулканы и сейсмичность Станового нагорья / Ред.

48. В .П. Солоненко. М.: Наука, 1966. - 230 с.

49. Зарубин Н.Е. Мерзлотно-инженерно-геологическое обоснования сейсмического микрорайонирования в условиях вечной мерзлоты. / В кн.: Сейсмическое микрорайонирование. Иркутск: Вост. Сиб. кн. изд-во, 1977. -С. 64-71.

50. Зыков Ю.Д., Красовский А.Г., Мозюнова Е.Д., Червинская О.П. Электрические и акустические свойства засоленных мерзлых грунтов // Засоленные мерзлые грунты как основания сооружений/Ред. С.С.Вялов. М.: Наука, 1990.-С. 128-135.

51. Зыков Ю.Д., Червинская О.П. Акустические свойства льдистых грунтов и льда. М.: Наука, 1989. - 133 с.

52. Зыков Ю.Д. Определение физико-механических свойств мерзлых песчано-глинистых грунтов комплексом геофизических методов. Докт. дис. в форме научного доклада. М.: Изд-во МГУ, 1992. - 89 с.

53. Зыков Ю.Д., Червинская О.П., Фролов А.Д. Характерные черты деформируемости мерзлых засоленных грунтов // Криосфера Земли. Т. 1. № 3, Новосибирск: Изд-во РАН, 1997. С. 61-65.

54. Ивакин Б.Н. Методы моделирования сейсмических волновых явлений. М.: Наука, 1969. - 287с.

55. Кригер Н.И., Тулабаев О.А. Энергетика горных пород и сейсмическое микрорайонирование. В кн.: В кн.: Физические поля и сейсмические свойства пород. - М.: Стройиздат, 1981. - С. 4-16.

56. Комплексирование методов разведочной геофизики. Справочник геофизика. М.: Недра, 1984. - 346 с.

57. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений. М.: Недра, 1990. - 287 с.

58. Кочетков В.М., Зорин Ю.А., Джурик В.И., Юшкин В.И. Комплексные геофизические исследования в Монголии // Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века. Новосибирск: Наука, 1996.- С. 1317.

59. Лещиков Ф.Н., Зарубин Н.Е. Многолетняя мерзлота, сезонное промерзание и мерзлотные явления. В кн.: Инженерная геология Прибайкалья. - М.: Наука, 1968. - С. 121-127.

60. Лещиков Ф.Н. Мерзлые породы Прибайкалья и Приангарья. Новосибирск: «Наука». Сиб. отд-ние, 1978. - 196 с.

61. Лещиков Ф. Н. Особенности развития криогенных явлений в сейсмически активных районах юга восточной Сибири. // Криосфера Земли Т.З. №1, Новосибирск: Изд-во РАН, 1999.- С.31-37

62. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Л.: Недра, 1990.- 328 с.

63. Ляховицкий Ф.М., Хмелевской В.К., Ященко З.Г. Инженерная геофизика.- М.: Недра, 1989.- 246 с.

64. Машинский Э. И. Неупругие сейсмические эффекты и расширениевозможностей методики прогнозирования геологического разреза // Геофизика. 1999. - №6. - С.20-23

65. Медведев Н.Н. Метод Вороного-Делоне в исследовании структуры некристаллических систем.- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 214 с.

66. Медведев С.В. Инженерная сейсмология. М.: Стройиздат, 1962. -284 с.

67. Мельников В.П. Электрофизические исследования мерзлых пород.-Новосибирск: Наука, 1977. -108 с.

68. Мельников П.И., Толстижин Н.И., Некрасов И.А., Акимов А.Т. и др. Общее мерзлотоведение. Новосибирск: Наука, 1974. - 291 с.

69. Методические рекомендации по прогнозу развития криогенных физико-геологических процессов в осваиваемых районах Крайнего Севера. / Ред. С.Е. Гречищев.- М.: ВСЕГИНГЕО, 1981. 78 с.

70. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Недра, 1985. -268 с.

71. Михеев О. А., Дядьков П. Г. Хранение, представление и анализ данных тектономагнитного мониторинга: реализация компьютерной системы // Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий, 2000. С. 164-165, С.354-356

72. Назаров Г.Н. Скорости распространения продольных и поперечных волн в грунтовых массивах и основные инженерно-геологические характеристики грунтов. / В кн.: Сейсмическое микрорайонирование.- М.: Наука, 1977. -С. 129-137.

73. Насонов И. Д. Моделирование горных процессов. М.: Недра, 1978. -256 с.

74. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. Л.: Изд-во МГУ, 1981.-176 с.

75. Николаев А.В. Сейсмика неоднородных и мутных сред. М.: Наука, 1973.- 174 с.

76. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. М.: Недра, 1990.

77. Основы геокриологической съемки и прогноза. Тр. II Межд. конф. по мерзлотоведению. Вып. 6.- Якутск, 1973. 112 с.

78. Павлов А.В. Мерзлотно-климатический мониторинг России: методология, результаты наблюдений, прогноз // Криосфера Земли. Т. 1. № 1.- Новосибирск: Изд-во РАН, 1997. С. 47-58.

79. Павлов О.В, Джурик В.И., Павленов В.А. и др. Исследование связей геофизических параметров с параметрами сейсмических колебаний. -В кн.: Сейсмическое микрорайонирование. Кишенев: Штиинца, 1979. -С. 89-97.

80. Павлов О.В, Зарубин Н.Е., Павленов В.А. и др. Инженерно-сейсмологические условия впадин Восточной части Байкальской рифто-вой зоны // Сейсмические исследования в Восточной Сибири. М.: Наука,1981.-С. 110-139.

81. Павлов О.В. Сейсмическая опасность мерзлых грунтов. Новосибирск: Наука, 1987. - 323 с.

82. Пийп В.Б. Новые методы интерпретации сейсмических временных полей в средах с переменными скоростями. Вестник Моск. Ун-та. сер.4 Геология, №3, 1984. С. 83-92.

83. Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, мерзлотных и инженерно-геофизических исследований. М.: Изд-во МГУ,1982.-324 с.

84. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии / Под ред. Н.Н. Горяинова.- М.: Недра, 1992. 203 с.

85. Пузырев Н.Н Методы сейсмических исследований. Новосибирск: Наука, 1992. - 236 с.

86. Ризниченко Ю.В. Сейсморазведка слоистых сред.- М.: Недра, 1985.184 с.

87. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М.: Недра, 1979. -243 с.

88. Серебренников С.П., Джурик В.И., Юшкин В.И. Оценка техногенной и сейсмической опасности при строительстве железнодорожного пути (Хребет Удокан) // География и природные ресурсы. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - №3. - С.49-55.

89. Сейсмическое районирование СССР / Ред. С. В. Медведев. М.: Наука, 1968.-476 с.

90. Сейсмическое микрорайонирование в условиях вечной мерзлоты. -Новосибирск: Наука, 1975.- 89 с.

91. Сейсморазведка: Справочник геофизика. М.: Недра, 1981. - 460 с.

92. Справочник по инженерной геологии. М.: Недра, 1968. - 540 с.

93. Собисевич Jl. Е., Собисевич A. J1. Моделирование сейсмических полей в геофизической среде с учетом наличия локальных резонансных структур. 11 Геофизика на рубеже веков, 1999. С. 170-193.

94. Солоненко В.П. Сейсмичность криолитозоны и проблемы инженерной сейсмогеокриологии В кн.: II Международная конференция по мерзлотоведению. Вып. 6. - Якутск, 1973. - С. 25-31.

95. Тархов А.Г., Бондаренко В.М., Никитин А.А. Комплексирование геофизических методов.- М.: Недра, 1982. 267 с.

96. Физические основы сейсмического метода /Отв. ред. А.В.Николаев, И.Н.Галкин.- М.: Наука, 1991. 240 с.

97. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льда. -Пущино: ОНТИПНЦРАН. 1998. 515 с.

98. Фролов А. Д. Об особенностях и взаимосвязях характеристик упругости и прочности мерзлых грунтов // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. М., 2001. - С. 8690

99. Р. Шерифф, JI. Гелдарт Сейсморазведка: В 2-х т. Т.2. Пер. С англ. М.: Мир, 1987.-400 с.

100. Уломов В. И., Шумилина JI. С. Сейсмогеодинамика и вероятностное сейсмическое районирование Северной Евразии. // Геофизика на рубеже веков, 1999.-С. 216-252.

101. Юшкин В. И., Копылов Н.И. Экспериментальные исследования сейсмических свойств мерзлых грунтов Забайкалья // Тезисы докладов Всесоюзной конференции « Проблемы криологии Забайкалья». Чита. 1984.- С. 106-107.

102. Ю4.Юшкин В.И., Серебренников С.П., Ескин А.Ю. Лабораторное моделирование сейсмических колебаний при изменении геокриологических условий. Материалы международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения».- Пущино, 2003а. С. 230-231.

103. Bouckovalas George D. Prediction of soil effects on seismic motions: a comparative case study // Earthquake Spectra -1997. V.13, №3. - P. 333-361

104. Kidd Gerald D. Fundamentals of 3-D seismic volume visualization // Leading Edge. 1999. - V.18, №6 - P.702-709, 712.

105. Radovich Barbara J., Oliveros R. Burnet 3-D sequence interpretation of seismic instantaneous attributes from the Gorgon Field // Leading Edge. -1998. -V.17, №9. P. 1286-1293.