Электроразведка в технической и археологической геофизике

Глава 4. Примеры геофизических поисков подземных объектов и сооружений.

В главе 4 рассматриваются отдельные примеры применения электроразведки для изучения технических объектов и археологических памятников. Представленные в данной работе методические подходы, аппаратура, способы обработки и интерпретации разрабатывались автором в ходе разнообразных полевых исследований и только, исходя из конкретных практических задач. Необходимо отметить, что под руководством автора, используя новые методики подходы и способы интерпретации данных, только за последние 10 лет были выполнены исследования на более чем 150 объектах.

Примеры решения технических задач. Особенностью решения геотехнических задач является большое разнообразие способ и приемов выполнения натурных геофизических измерений, а также способов обработки и интерпретации данных, которые были разработаны автором в течение нескольких лет.

В первой части 4.1 рассматриваются результаты исследований на проблемных участках насыпей Московской железной дороги. Верхняя часть насыпи характеризуется достаточно высокими электрическими сопротивлениями щебня и песка, низкими значениями диэлектрической проницаемости и, соответственно, высокими скоростями распространения электромагнитных волн (ЭМВ). Для щебня скорость ЭМВ принята 0,25 м/нс, а ρ_уд меняется от 5500 до 30000 Ом*м. Для песка скорость ЭМВ падает до 0,17м/нс, а ρ_уд имеет значения от 1500 до 5000 Ом*м. Особенностью железнодорожной насыпи является наличие зоны контакта между слоями с холодным и теплым воздухом, которая ведет к появлению слоя увлажнения, толщина которого составляет от 0,3 до 0,5 м. Эта зона оказывает сильное воздействие на форму кривой ВЭЗ. В георадарных разрезах уверенно прослеживаются две границы. Первая граница проявляется на временах порядка 5-10 нс, что соответствует подошве щебенистого слоя. Наиболее яркая граница на временах 30-50 нс приурочена к контакту песков и основания насыпи.

Во второй части 4.2 рассматриваются комплексные речные геофизические исследования в окрестностях г. Мюльрозе (Германия). С помощью речного электроразведочного комплекса были проведены полевые измерения ЕП (Модин и др., 1985), резистивиметрия и дипольное осевое электрическое зондирование (ДОЗ) в окрестностях города Мюльрозе (Германия). Геофизические исследования системы канал Одер - Шпрее - озеро Катарины показали эффективность аппаратуры при решении гидрогеологических задач. Полученные результаты указывают на сложное взаимодействие резервуаров поверхностных вод через подземные воды (рис.24).

Питание о. Катарины осуществляется перетоком вод из озера Мюльрозе через водопроницаемый перешеек. Дальнейшая разгрузка воды из озера Катарины происходит частично поверхностным стоком через канал, частично с помощью подземных вод. Наличие аномалий ЕП на канале одер-Шпрее свидетельствует об отсутствии или разрушении гидроизолирующего слоя в ложе канала.

В третьей части 4.3 обсуждаются работы на трубопроводах, выполненные автором и его коллегами. Результаты, полученные под руководством автора на трассах магистральных трубопроводов в Западной Сибири и Подмосковье, нашли широкое применение в производстве определения местоположения и состояния действующих трубопроводов. В ходе исследований установлено, что методы измерения постоянных потенциалов катодной защиты и переменной составляющей токов катодной защиты с магнитной антенной могут эффективно решать задачи позиционирования труб в плане по компонентам Нy и по глубине (измерение расстояния между двумя максимумами компоненты Hz или двухуровенное измерение компоненты Hy(z1) и Hy(z2) над осью трубы или измерение по профилю поперек трубы полной аномалии Hy(y)), выявлять места активной утечки тока по ?Uy(х) или измерение по профилю вдоль оси трубы Hy(х), связанные с нарушением изоляции (рис.25) и возврата тока в трубу, что может быть индикатором коррозии металла.

В четвертой части 4.4 рассматриваются вопросы, связанные с применением электромагнитного метода поиска подземных коммуникаций (ЭММППК). ЭММППК включает целый ряд технологий, которые применяются при обнаружении и позиционировании труб, кабелей и других вытянутых технических сооружений, обладающих высокой продольной проводимостью. Несмотря на то, что в промышленности серийно выпускаются трассо- и кабелеискатели в ряде сложных случаев, мы сталкиваемся с необходимостью применения интеллектуальных электроразведочных технологий и прежде всего метода заряженного тела (Модин и Иванова, 2003). На ряде примеров была показана высокая эффективность предложенных автором технологий. При производстве работ приходилось применять различные способы возбуждения тока в трубах и кабелях, включая различные варианты метода заряженного тела и магнитное возбуждение вытянутых проводников полем длинного кабеля и электрическим полем удаленных токовых источников. Точность определения глубины и планового положения кабеля составляла порядка 5-10 см. Такие работы проводились на Демьянском ЛПДС, в г. Мытищи Московской области, на ряде участков в Ярославской и Вологодской областях, а также на опытно-методическом полигоне в Калужской области.

В пятой части 4.5 демонстрируются результаты на одном из рудных месторождений на Южном Урале, где изучалось строение разреза дамбы хвостохранилища до глубин порядка 60 м с выделением тела хвостов, каменной наброски, глинистых экранов и границ подстилающих грунтов. С помощью математического 2D-моделирования для продольной установки с учетом рельефа установлено, что мощность каменной наброски соответствует исполнительной строительной документации. Однако ее сопротивление на всех ярусах разное. Уменьшение сопротивления до 20-30 Ом*м свидетельствует о просачивании воды из водохранилища в борт 5-ой дамбы. Для изучения структуры залегания хвостовых отложений на акватории хвостохранилища была использована методика НАЗ, с помощью которой удалось выполнить сверхдетальные электрические зондирования на акватории хвостохранилища и построить трехмерную модель залегания хвостов (Модин и др. 2006). При этом было выявлено, что залегание хвостовых отложений подчиняется принципу фациальной изменчивости.

В шестой части 4.6 проанализированы результаты электрических зондирований на Куликовском газонефтяном месторождении, где были выполнены исследования с помощью вертикального диполя, помещенного в обсаженную скважину. Автор сделал оценку влияния стальной оболочки на электрическое поле, которое распространяется вне скважины в открытом разрезе. Расчеты сделаны с учетом проводимости слоев вмещающего разреза. По результатам исследований были сделаны следующие выводы. 1) Для большого диполя АВ = 1260 м (А - на поверхности) весь ток стекает во вмещающий разрез. 68% отрицательного тока концентрируется вблизи нижнего электрода В, а 32% выше электрода В на глубинах, соответствующих глинам каменноугольного возраста. 2) Для среднего диполя АВ=950м (А - на поверхности) 3% тока шунтируется в скважине, источники тока распределены вдоль всего ствола скважины; при этом 21% тока отрицательного заряда попадает в скважину через забой, расположенный в нижней терригенной толще; положительный заряд равномерно распределяется по первому слою и нарастает с увеличением глубины, что вызвано высокой проводимостью отложений в основании верхней терригенной толщи. 3)Для малого диполя АВ=300 м только 24.1% тока попадает в разрез, остальная его часть шунтируется обсадной колонной; 5.1% тока положительного заряда достигает верхнего слоя и растекается вдоль поверхности земли. Такие расчеты и оценки необходимо выполнять для оценки функции электрического источника.

Примеры решения археологических задач.

Исследования археологических памятников - сложная задача, требующая комплексного подхода. В настоящее время завершилась многолетняя работа, выполненная автором по созданию оптимального геофизического комплекса для археологии. Комплекс двухэтапный: на первом этапе выполняется электроразведка методом СГ и магниторазведка по сети не реже чем 1х1 м, на втором этапе на участках детализации проводится электротомография, георадарное зондирование и высокоточная съемка поверхности земли. В случае картирования погребенных трехмерных объектов вне площади изучения проводится векторная съемка. Этот комплекс был выполнен на нескольких десятках археологических памятников. В том числе в Египте на территории древней египетской столицы Мемфис, при поисках затонувшего древнегреческого города Элики, на Бородинском поле, в древней крепости Пор-Бажын в Туве (Модин и др., 2010) и др.

В седьмой части 4.7 обсуждаются результаты полученные автором с помощью геофизического комплекса при обследовании древнего городища дьяковского возраста (1-4 в.в. н.э.) на окраине с. Знаменское Одинцовского района Московской области (Модин и др., 2006). Воронежская археологическая экспедиция на участке работ провела тотальные раскопки, которые показали хорошую результативность геофизических методов. С помощью магнитометрии и срединного градиента установлены останки основных сооружений в плане (рвы и основания валов). Георадарное зондирование продемонстрировало этап предподготовки сооружения к строительству крепости, когда были сделаны мощные отсыпки грунта. С помощью георадарной съемки и метода СЭЗ обнаружено основание третьего, внутреннего кольца оборонительных стен, расположенных в настоящее время внутри выровненной крепостной площадки (рис.26).

В восьмой части 4.8 показаны комплексные результаты, полученные на городище Горное Эхо (г.Кисловодск). Исследования выполнены в южной части аланского памятника хазарского времени VII - IX в.в. н.э, не охваченной археологическими раскопками, где предполагалось мощная система оборонительных сооружений. В результате исследований установлено, что нижняя часть культурного слоя заполняет впадины в рельефе поверхности кровли известняков и имеет мощность от 0 до 1.5 -2 м. Верхняя часть культурного слоя равномерно, в виде шлейфа присутствует вдоль всего профиля наблюдений и имеет мощность от 0.5 м до 1 м и сопротивление от 50 до 200 Ом*м. Между верхним и нижкультурными слоями находится слой разрушения, который завершил эпоху хазарского времени.

В девятой части 4.9 обсуждаются результаты комплексных работ в музее Коломенское (г.Москва). Здесь были выполнены исследования по картированию оснований оборонительных стен и стен деревянного дворца царя Алексея Михайловича. Предпосылкой для применения электроразведки было наличие блоков известняков, которые строителями XVII века укладывались в основание фундаментов несущих стен. Ширина известняковых блоков составляла 50-70 см. Поэтому при шаге съемки 50 см с помощью метода срединного градиента удалось практически точно воссоздать планировку первого этажа дворцовой постройки (рис.27).

В десятой части 4.10 обсуждаются результаты СЭЗ и электроразведки на захоронениях. На территории микрорайона Южное Бутово в 1996 году автором и А.А.Горбуновым были выполнены электроразведочные исследования, которые проводились на месте массовых захоронений репрессированных советских граждан. В нашу задачу входило картирование могил. На рис.28 показаны результаты электрических зондирований по технологии СЭЗ. Визуализация результатов выполнена с помощью программы IPI-2D (Модин и др. 1991, 1992; Модин и Горбунов, 1992). Для локализации могил были рассчитаны дифференциально-разностные разрезы , где . В последующем неглубокими археологическими раскопками, удалось полностью подтвердить правильность наших заключений. По настоянию патриарха Алексия для того, чтобы не тревожить могилы усопших, основные исследования проводились с помощью электроразведки. Все работы были выполнены трехэлектродной комбинированной установкой. По результатам геофизических работ было выполнено проектирование мемориальной территории в виде дорожек, домов, памятных досок.

По заказу Главного управления по охране памятников г.Москвы в 1999 - 2001 г.г. на северо-западе столицы выполнены геофизические исследования с целью изучения мест захоронения советских воинов, павших в 1941 г.. Исследования проводились на участках в районе микрорайона Митино, станции Ховрино и Зеленограде (всего 10 участков). Основанием для проведения работ было постановление Правительства Москвы (N993 от 19.12.00) <О подготовке к празднованию 60-й годовщины разгрома немецко-фашистских войск под Москвой>. С помощью геофизики удалось выполнить целенаправленные раскопки и произвести эксгумацию могил, установить точное число погибших и передать памятники на государственную охрану. В частности в д.Малино на братской могиле были выполнены векторные измерения. Нами было спрогнозировано, что под могильным камнем залегает большая плита. Действительно, под бетонной плитой была обнаружена могила трех советских солдат.

В 2003 году в соответствии с Постановлением Правительства Москвы от 26.11.02 за N 962-ПП об увековечивании памяти воинов, погибших в Первой Мировой войне, были выполнены комплексные геофизические исследования на Московском городском Братском кладбище героев (Новопесчаная улица). С помощью метода СЭЗ-ВП, съемки ЕП по сетке 0.5 х 0.5 м были закартированы захоронения воинов, которые покоятся в цинковых гробах, оконтурена общая территория Братского кладбища для определения границы землеотвода и постановки памятника на государственную охрану, определение положения основных подземных коммуникаций для проектирования структуры парковой зоны, показано что под улицей Песчаная расположены могилы погибших летчиков.

Выводы к главе 4. Показана высокая эффективность разработанных автором методик и технологий проведения полевых работ и обработки электроразведочных данных для решения технических, археологических и других задач для повышения производительности, разрешающей способности и точности интерпретации данных.