Подводный вариант комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования для решения изыскательских задач при строительстве намывных территорий

В последнее время во всем мире активно реализуются проекты, связанные с расширением площади города для жилой, деловой и промышленной застройки. Проблему недостатка территорий пытаются решить способом намыва новых земель. В частности, в России в г. Санкт-Петербурге, на намывных территориях запланирован Морской фасад города. На новых территориях формируются фактически целые города с застройкой высокого класса. Размещение на намывных территориях скоростных магистралей будет способствовать улучшению транспортной доступности городских объектов. Кроме того, использование намывных территорий позволяет исправлять недостатки береговой линии, создавать портовые сооружения, строить дамбы и другие необходимые городам объекты.

Вопросы по инженерным изысканиям состояния донных отложений с поверхности моря, как правило, решаются с помощью разведочного бурения. При этом существуют проблемы, связанные, в первую очередь, с наличием над устьем скважины водного пространства и обводненностью разбуриваемых пород, необходимостью применения специальных оснований для размещения бурового оборудования, зависимостью процесса бурения от гидрометеорологических условий.
Предлагаемый подводный вариант комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования способствует повышению качества и экономической эффективности инженерно-геологических комплексных исследований на море и находится в спектре решение задач государственного значения, сформулированных в "Долгосрочной государственной программе изучения и воспроизводства минерально-сырьевой базы на период 2005-2020 годов" и в "Разработке новых технических средств и технологий морских геологоразведочных работ".
ЗАО НПФ «Геодизонд» в 2000 г. были начаты надводные работы по оценке состояния донных отложений при изысканиях под строительство опор метромоста на р. Оке. Использовался метод подповерхностного электромагнитного импульсного (ЭМИ) сверхширокополосного (СШП) зондирования, позволяющий подробно дифференцировать геологические элементы в разрезах горного массива [7] и проводить их идентификацию на основе электродинамических и электрофизических свойств среды. Исследования методом ЭМИ СШП зондирования представляют собой геофизические измерения в фиксированных пунктах дневной поверхности, обозначенных местом “стояния” измерительных антенн комплекса.
Экспериментально установлено [12] наличие ряда особенностей в характеристиках электромагнитного сигнала, известные в диэлектрической спектроскопии, мерзлотоведении, георадиолокации. Например, по данным Института органической и физической химии им. А.Е.Арбузова в диэлектрических характеристиках масляных фракций Нурлатского нефтегазового месторождения присутствуют резонансы на 40.2 МГц и 85.7 МГц [8]. Наличие максимума на конкретных радиочастотах отмечено в мерзлотоведении [6]. Для мёрзлых глинистых грунтов отмечается «дисперсионный переход к динамическим (высокочастотным) значениям на частотах ~ 1¸10 МГц, а максимум выражен достаточно четко» [10]. Появление в отраженном сигнале низкочастотных составляющих (50 ÷ 75 МГц) отмечено в георадарных исследованиях [9].
Общие закономерности поведения грунтов в переменном электромагнитном поле обусловлены тем, что почва любой подстилающей среды является многофазной гетерогенной дисперсной системой. Для неё характерны процессы поляризации, релаксации и электропроводности (пpоводимоcти), которые во многом определяются наличием в ней поверхностей раздела фаз, обуславливающих величину поверхностной проводимости. На этих поверхностях происходит формирование объёмных зарядов и двойных электрических слоёв (Гельмгольц Г. Л. Ф., 1879), в свою очередь определяющих значения напряжённости внутреннего электрического поля среды и контактную разность потенциалов.
Природа низкочастотного диэлектрического резонанса достаточно сложна, поскольку включает в себя как электродинамические свойства среды, так и электрофизические свойства. В числе электродинамических, в частности, выступают киральность среды (Каценелебаум Б. З. и др., 1997), влияние профиля диэлектрической проницаемости (Загоскин В.В. и др., 1999), пространственная анизотpопия как у диэлектpичеcкой воcпpиимчивоcти (поляризуемости), так и у пpоводимоcти (Доpовcкий C.В., Доpовcкий В.Н., 2006) и др. Электрофизические свойства, описываемые комплексной диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь , в подстилающей среде обусловлены всеми видами структурной, дипольно-релаксационной и ионно-релаксационной поляризаций [8].
Опыт работы с надводным комплексом ЭМИ СШП зондирования на руслах многочисленных рек РФ для последующей прокладки нефте- и продуктопроводов[1] показал, что спектральный состав отражённого сигнала содержит признаки всех вышеперечисленных типов поляризаций, что вызвано, очевидно, основной ролью глинистого и илистого материала придонных отложений (илы и глина находятся во взвешенном состоянии).
Для изучения электрофизических свойств морского и речного дна на базе комплекса ЭМИ СШП зондирования создан его подводный вариант.
Отладка (юстировка) аппаратуры комплекса. Поскольку трасса распространения ЭМИ СШП сигнала меняется по отношению к трассе, характерной для комплекса наземного базирования, а именно: вода → глинисто – илистая суспензия→ граница суспензия/дно → подстилающая среда → границы в среде - граница дно/ суспензия → вода, принципиальным моментом является получение сравнительных характеристик сигналов, принимаемых разнесёнными приёмной и передающей антеннами.

Для решения этой задачи передающее устройство на базе ДДРВ генератора с передающей антенной разместили на одном борту бассейна, а приёмную часть комплекса - приёмник (стробоскопический осциллограф) с приёмными антеннами метрового (м-) и дециметрового (дм-) диапазонов длин волн на другом борту. Передающая и приёмные антенны направлены друг на друга. Появление сигнала на экране приемника свидетельствовало о его распространении в воде и “приходе” в раскрыв приемных антенн.

Сигнал с выхода АЦП приёмника непрерывно пишется в компьютер в относительных единицах. В отсутствии сигнала пишется шумовая дорожка.

Подводные работы. Для “пилотных” подводных работ был подготовлен подводный вариант комплекса ЭМИ СШП зондирования: на переднем плане -приёмная антенна дециметрового диапазона, далее генераторная антенна с ДДРВ генератором, на заднем плане - приёмная антенна метрового диапазона. Приёмные антенны относятся к разряду монопольных [11], передающая – к микрополосковым [4].

Внешний вид приёмника и РК-кабель на заданную глубину (~24м).

Вид сверху на приёмо – передающую часть комплекса, погружаемого в воды Финского залива с борта катера, при этом несущий алюминиевый каркас “нагружался” грузами (максимальный –до 40кг) и уравновешивался по периметру для погружения без переворачивания всей конструкции.

Координаты выполняемых работ, место является одним из самых глубоководных на Финском заливе (глубина 24÷32 м).

Результаты измерений – сигналы, распространяющиеся в донных грунтах

Данные измерения принято относить к сверхточным: амплитуда сигнала лежит в пределах ±3 В; число измеренных значений в каждом канале ≥5000; шаг по времени (глубине) τ=0.2·10-9 с; число осреднений для каждого значения N=512.
При построении профиля вдоль дна залива приёмо – передающая часть комплекса отрывалась от дна и перемещалась катером в заданном направлении. Вид изменения сигнала в 3D.

ВЫВОДЫ
1. Представлены результаты натурных испытаний подводного варианта комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования: в бассейне; на Финском заливе - комплекс погружен на глубину 24м.
2. Подводный вариант комплекса отличается от наземного новой геометрией антенн, наличием защитного слоя гидроизоляции, записью электромагнитного сигнала на компьютер.
3. На примере конкретного измерения показано, что большая глубина распространения сигнала обусловлена использованием ДДРВ генератора как источника излучаемого сигнала и проявляющейся в отражённом сигнале сильной низкочастотной дисперсией диэлектрической проницаемости среды.
4. Эффективность применения подводных ЭМИ СШП измерений подтверждена высокоточными измерениями в среде с сильной низкочастотной дисперсией диэлектрической проницаемости влажных грунтов акватории Финского залива.
5. Обследовано геологическое строение донных отложений на глубину до 10м от уровня дна и выделены литологические элементы, представленные, преимущественно, песчаными, алевро-песчаными и алевро-глинистыми осадками.

Проведенные “пилотные” исследования донных отложений в акватории Финского залива подводным вариантом комплекса электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования позволяют заявить о нем как о новом техническом средстве в области морских геологоразведочных работ.

Владимир БОЛТИНЦЕВ, 
Вячеслав ИЛЬЯХИН,
Семён АНДРИАНОВ.
ЗАО «НПФ «Геодизонд» (г. Санкт-Петербург)