CC BY
182. Справочник по климату СССР. Вып. 24: Якутская АССР. Часть II: Температура воздуха и почвы / Ред. С.А. Изюменко. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 398 с.
3. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 24: Якутская АССР. Книга 1. Серия 3. Многолетние данные. Части 1- 6. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 608 с.
4. Шепелёв В.В. Многолетняя мерзлота // Республика Саха (Якутия). Комплексный атлас. - Якутск: ФГУП «Якутское аэрогеодезическое предприятие», 2009. - С. 26-27.
5. Южная Якутия. Мерзлотно-гидрогеологические и инженерно-геологические условия Алданского горнопромышленного района / Ред. В.А. Кудрявцев. - М.: Изд-во МГУ, 1975. - 444 с.
6. Южная Якутия - краткий экскурс. - http://www. strana-yu-ya.narod.ru/index.files/Other/south-yakutiya-little-bit. html (8.02.2012 г.).
7. Заболотник С.И., Заболотник П.С. Сезонное протаивание и промерзание грунтов в Южной Якутии // Наука и техника в Якутии. - 2010. - № 2 (19). -С. 14-18.
8. Wolfram Stephen. Mathematica: a system for doing mathematics by Computer. Second Edition. - Addi-son-Wesley Publishing Company, 1993. - 961 p.
9. Физическая карта. Масштаб 1 : 5 000 000 // Атлас сельского хозяйства Якутской АССР / Ред. И.А. Матвеев. - М.: ГУГК СССР, 1989. - 115 с.
10. Гляциологический словарь / Ред. В.М. Котляков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 528 с.
11. Общегеографическая карта. Масштаб 1 : 7 500 000 // Республика Саха (Якутия). Комплексный атлас / Ред. О.А. Лазебник. - Якутск: ФГУП «Якутское аэрогеодезическое предприятие», 2009. - С. 16-17.
12. Бологова Г.А. Отчёт о пешем туристском походе V категории сложности по Кодарскому хребту. Дата: 21 июля - 29 августа 2005 г. - http://skitalets.ru/ foot /2007 /kodar_bologova/ (8.02.2012 г.).
13. Становое нагорье / Энциклопедия туриста. -http://outdoors.ru/abc/abc 1730.php (8.02.2012 г.).
14. Ресурсы поверхностных вод СССР. Каталог ледников СССР. Т. 17, Лено-Индигирский район,
УДК 550.837: 551.345
вып. 7, части 2, 4. Т.19, Северо-восток, часть 4. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 88 с.
15. Тронов М. В. Вопросы горной гляциологии. -М.: Государственное издательство географической литературы, 1954. - 276 с.
16. Алексеев В.Р. Наледеведение: словарь-справочник / Ред. А.Н. Антипов и В.П. Мельников. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2007. - 438 с.
17. Алексеев В.Р. О роли геоботанических карт при изучении мёрзлых пород // Доклады Ин-та географии Сибири и Дальнего Востока. - 1968. - Вып. 17. - С. 20-26.
18. Справочник по климату СССР. Вып. 24: Якутская АССР. Метеорологические данные за отдельные годы. Часть VIII. Температура почвы / Ред. С.А. Изюменко. - Якутск: Якутское управление гидрометеорологической службы, 1975. - 570 с.
19. Фотиев С.М. Подземные воды и мёрзлые породы Южно-Якутского угленосного бассейна. - М.: Наука, 1965. - 230 с.
20. Алексеев В.Р. Криология Сибири. - Новосибирск: Академическое изд-во «ГЕО», 2008. - 483 с.
21. Варламов С.П., Скрябин П.Н., Скачков Ю.Б. Геотемпературный мониторинг грунтов долины Туймаада // Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска. - Якутск: ООО «Издательство Сфера», 2010. - С. 97-102.
22. Герасимов Е.Ю. Межгодовая изменчивость мощности сезонноталого слоя // «Спасская падь»: комплексные исследования мерзлотных ландшафтов. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2006. - С. 100-103.
23. Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение / Ред. К.А. Кондратьева. - М.: Изд-во МГУ, 1967. - 404 с.
24. Белокрылов И.Д., Ефимов А.И. Многолетне-мёрзлые породы зоны железорудных и каменноугольных месторождений Южной Якутии. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 76 с.
25. Соловьев П.А. Многолетняя мерзлота (крио-литозона) // Атлас сельского хозяйства Якутской АССР. - М.: ГУГК СССР, 1989. - С. 27.
Поступила в редакцию 07.02.2013
Результаты региональных исследований поверхностного импеданса мерзлых толщ в Центральной Якутии
В.Н. Ефремов
Показаны результаты описательной статистики эффективных параметров поверхностного импеданса, электрического сопротивления и толщины скин-слоя, полученныхрадиоимпедансным зондированием в Центральной Якутии. Анализ показывает значительное различие статистик, полученных в западной и восточной областях региона. Различие объясняется наличием тонкого проводящего
ЕФРЕМОВ Владимир Николаевич - к.т.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН, [email protected].
слоя на небольшой глубине в западной области и большей мощностью мерзлых дисперсных отложений в восточной области.
Ключевые слова: поверхностный импеданс, радиоимпедансное зондирование, статистика, дисперсные отложения, тонкий проводящий слой.
The results of descriptive statistics of effective parameters of surface impedance, electrical resistance and thickness of a skin-layer received by radioimpedance sounding in Central Yakutia are presented. The analysis shows a significant distinction of the statistics, received in western and eastern areas of the region. The distinction is explained by presence of a thin conductive layer on small depth in western area and greater capacity of frozen deposits in eastern area.
Key words: surface impedance, radioimpedance sounding, statistics, frozen deposits, thin conductive layer.
Поверхностный импеданс характеризует электрические свойства подстилающей для радиоволн земной поверхности, соотношение в ней токов проводимости и смещения. В отношении мерзлых толщ, имеющих широкий диапазон изменения значений электрического сопротивления, поверхностный импеданс является весьма информативным параметром, показывающим их геоэлектрическое строение при зондировании на нескольких частотах.
Региональные исследования поверхностного импеданса в Центральной Якутии проводились радиоимпедансным зондированием (РИЗ) на частотах широковещательных радиостанций г. Якутска, работающих в длинноволновом (ДВ) и средневолновом (СВ) диапазонах, а также на частотах дальних станций сверхдлинноволнового (СДВ) диапазона радиоволн. При проведении работ пункты зондирования выбирались так, чтобы получить репрезентативные данные о поверхностном импедансе на участках, представленных основными типами горных пород, геокриологического строения и ландшафтных условий исследуемой территории. Основная часть измерений выполнена вдоль автомобильных трасс с выходом на характерные по ландшафтным условиям участки. Участки располагались с интервалом 7 км вдоль трассы. На каждом из них выполнялось несколько зондирований (4 и более) по профилю. В точках зондирования на каждой частоте измерения выполнялись при ориентации магнитной рамочной антенны и симметричной электрической приемной линии строго по пеленгу на радиостанцию. В задачи работ входило полевое определение величины модуля и аргумента поверхностного импеданса, эффективного сопротивления и толщины скин-слоя мерзлых толщ основных геологических, геоморфологических и геокриологических комплексов пород, выяснение характера изменения частотной зависимости поверхностного импеданса по результатам зондирования.
В настоящей работе использованы данные, полученные по 459 точкам радиоимпедансного зондирования, проведенного по вышеприведен-
ной методике на частотах диапазона 16...549 кГц вдоль автомобильных трасс Центральной Якутии с целью исследования особенностей геоэлектрического строения мерзлых толщ, представленных дисперсными отложениями различной мощности.
В геолого-структурном отношении рассматриваемая территория располагается в зоне примыкания Сибирской кристаллической платформы к Верхояно-Чукотскому складчатому поясу, а также характеризуется наличием Среднелен-ского и Нижнеалданского тектонических прогибов. Здесь наблюдается связь разломов земной коры с рельефом платформенной части Центральной Якутии [1]. Мощность кайнозойских дисперсных отложений изменяется в широком диапазоне: от 0 до 150 м и более [2]. Река Лена, проходящая вдоль Якутского разлома, делит исследуемый регион на две области с характерными мощностями и свойствами дисперсных отложений - западную и восточную. В западной области мощность диперсных отложений преимущественно не превышает 20 м. Здесь преобладают делювиальные отложения. В восточной области дисперсные отложения по мощности достигают последних десятков метров, а в прогибах подошвы четвертичных отложений - сотен и более метров. Дисперсные грунты представлены здесь, в основном, аллювиальными отложениями.
В геоморфологическом отношении западная область, находясь на восточной окраине Среднесибирского плоскогорья, представлена в основном денудационной равниной со среднегодовыми температурами грунтов от -0,5 до -3,5оС [1]. Восточная область включает аллювиально-аккумулятивную равнину со среднегодовыми температурами грунтов от -1 до -4оС, эрозион-но-аккумулятивную Абалахскую равнину с температурами грунтов от -2 до -7оС и денудационную равнину с температурами грунтов от -3 до -4оС [1].
Различие мощности и типов дисперсных отложений, диапазонов изменения среднегодовых температур по данным областям проявилось и в значениях основных эффективных электриче-
Описательная статистика эффективных электрических параметров мерзлых толщ
Параметр Западная область Восточная область
Частота, кГц 22,3 171 549 22,3 171 549
Медиана эффективного сопротивления, Ом 144 265 379 710 482 330
Стандартная ошибка эффективного сопротивления 8,3 13,4 32 29,3 33,2 29
Мода эффективного сопротивления, Ом 70 167 973 1151 482 301
Дисперсия эффективного сопротивления 8233 21640 121659 291435 374345 285375
Стандартное отклонение эффективного сопротивления 90,7 147 349 539 612 534
Эксцесс эффективного сопротивления 0,6 2,0 0,2 0,2 6,3 4,4
Среднее значение фазы, град 61 62 44 47 33 23
Мода фазы, град 60 47 51 48 36 21
Дисперсия фазы 108 104 100 126 70 69
Стандартная ошибка фазы 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
Стандартное отклонение фазы 10 10 10 11 8 8
Эксцесс фазы 0,3 -0,5 -0,2 0,1 0,1 0,5
Среднее значение толщины скин-слоя, м 34,8 18,6 14,8 91 38,6 32
Мода толщины скин-слоя, м 23 19 20 89 49 29
Дисперсия толщины скин-слоя 114 21,7 30,9 1439 269 1550
Стандартное отклонение толщины скин-слоя 10,7 4,66 5,6 37,9 16,1 39,4
Эксцесс толщины скин-слоя -0,045 0,273 0,956 0,0272 0,111 136
ских параметров мерзлых толщ, полученных в результате радиоимпедансного зондирования. К ним относятся эффективное сопротивление, модуль и фаза поверхностного импеданса, толщина скин-слоя.
Для эффективного сопротивления мерзлой толщи, согласно предположению о логнормаль-ном законе его распределения, в качестве ос-редненной величины, характеризующей его как региональный параметр, примем медианное значение, а для остальных параметров - среднее.
По статистическим характеристикам на частотах 22,3 кГц (СДВ-диапазон), 171 кГц (ДВ-диапазон) и 549 кГц (СВ-диапазон), приведенным в таблице, для основных эффективных электрических параметров мерзлых толщ можно выделить следующие особенности.
У эффективного сопротивления для сверхдлинных и длинных радиоволн медианные и модальные значения в восточной области значительно больше, чем в западной (таблица). Отмечается наибольшее различие по величине медианных значений в 5 раз, а модальных значений в 16 раз на частоте 22,3 кГц. Для средних радиоволн медианные значения эффективного сопротивления пород в западной области незначительно больше, чем в восточной, а его модальные значения в западной области больше, чем в восточной в 3 раза. Размах значений эффективного сопротивления пород больше в восточной области и особенно для ДВ (почти в 5 раз).
Другим существенным, но уже качественным различием является то, что с понижением частоты медианные и модальные значения эффективного сопротивления пород в западной области уменьшаются, а в западной - увеличиваются. Поэтому обобщенные типы геоэлектрических разрезов мерзлых толщ для данных областей
будут разными. Характерный для западной области рост эффективного сопротивления с повышением частоты соответствует геоэлектрическому разрезу типа Н, а снижение эффективного сопротивления с повышением частоты - типу А.
В восточной области медианные и модальные значения эффективного сопротивления пород для ДВ и СВ в целом близки. Для СДВ они несколько различаются. При этом чаще встречаются значения больше медианного. Это показывает на распространенность здесь повышенных значений удельного электрического сопротивления (УЭС) коренных пород. В западной области модальное значение меньше медианного для СДВ в 2 раза, для ДВ - в 1,6 раза, а для СВ, напротив, больше медианного в 2,6 раза. Это указывает на распространенность в западной области значений УЭС меньших, чем среднее в нижней части разреза, и больших, чем среднее -в верхней.
Дисперсия и стандартное отклонение значений эффективного сопротивления пород в западной области растут с повышением частоты, а в восточной области находятся примерно на одном уровне для СДВ и СВ, немного возрастая для ДВ.
Изменчивость значений эффективного сопротивления пород в западной области снижается лишь для ДВ-диапазона, где эксцесс на частоте 171 кГц равен 2. В восточной же области изменчивость значений мала и в ДВ- и в СВ-диапазонах, достигая в ДВ-диапазоне на частоте 171 кГц величины эксцесса, равной 6,3. Эта величина более чем в 2 раза превышает эксцесс для нормального распределения. Значительный положительный эксцесс значений на частоте 171 кГц в восточной области указывает на их
меньшую изменчивость, вызванную распространением здесь дисперсных отложений большой мощности.
Средние значения фазы поверхностного импеданса для СДВ имеют сильноиндуктивный характер (фазовый угол больше 45о) в обеих областях, но в восточной области в меньшей степени. Это может быть объяснено пониженным УЭС горизонта мерзлых коренных пород в восточной области по сравнению с УЭС горизонта мерзлых дисперсных отложений. В западной же области отличительно значимый сильноиндуктивный характер имеют средние значения фазы поверхностного импеданса не только для СДВ, но и для ДВ, а также модальное значение фазы для СВ. Объяснением этому может послужить наличие тонкого проводящего слоя в дисперсных отложениях данной области на сравнительно небольшой глубине. В обеих областях средние и модальные значения фазы импеданса близки. Размах значений фазы в западной области больше, чем в восточной только для СВ. Эксцесс значений фазы невелик в обеих областях, что указывает на их малую изменчивость. Отрицательные значения эксцесса в западной области указывают на наличие здесь более сглаженного распределения значений.
Толщина скин-слоя, являясь показателем глубинности зондирования на данной частоте, позволяет оценить число основных горизонтов мерзлой толщи, участвующих в формировании значений эффективного электрического сопротивления и фазы импеданса для данной частоты поля. Средние значения толщины скин-слоя для западной области меньше, чем для восточной в 2 раза для ДВ и СВ, а для СДВ в 2,6 раза. Несколько сходен для обеих областей внутренний характер изменения толщины скин-слоя с изменением частоты. Так, если в восточной области понижение частоты с 549 до 171 кГц приводит к увеличению толщины скин-слоя в 1,2 раза, то в западной в 1,3 раза, а понижение частоты со 171 до 22,3 кГц - к ее увеличению в 2,4 и в 1,9 раза, соответственно. В восточной области средние и модальные значения толщины скин-слоя близки для СДВ и СВ, а для ДВ они различаются. Судя по модам, пониженные значения толщины скин-слоя чаще встречаются на СДВ и СВ, а повышенные - на ДВ. В западной области средние значения больше модальных на СДВ, равны модальным на ДВ и меньше модальных на СВ. То есть пониженные значения толщины скин-слоя встречаются чаще на СДВ, равные средним на ДВ, а повышенные - на СВ. Амплитуда изменения толщины скин-слоя больше в восточной области - почти в 4 раза на СДВ и ДВ. Большой положительный эксцесс в восточной области на СВ, как и у эффективного сопротив-
ления на ДВ, указывает на большую изменчивость значений толщины скин-слоя. Рост асимметричности распределения значений эффективного сопротивления и толщины скин-слоя с увеличением частоты наблюдается в обеих областях.
Иллюстрацией к приведенному анализу являются гистограммы основных эффективных электрических параметров мерзлых толщ. По полученным гистограммам видно, что с повышением частоты, изменения форм распределения значений модуля и фазы поверхностного импеданса, толщины скин-слоя заметно различаются между собой в каждой из областей и по одноименным параметрам в сравнении между областями.
В западной области (рис. 1) на ДВ распределение значений модуля поверхностного импеданса мерзлых толщ становится более остроконечным, чем на СДВ и СВ, а распределение сильноиндуктивных значений фазы импеданса, напротив, - более сглаженным. Распределение толщины скин-слоя становится более остроконечным на СВ.
В восточной области (рис. 2) распределение значений модуля поверхностного импеданса мерзлых толщ также более остроконечно на ДВ и СВ, а распределение фазы импеданса имеет, примерно, одинаковую форму на СДВ и на ДВ, немного более заостряясь на СВ. Остроконечность распределения толщины скин-слоя заметно увеличивается с повышением частоты во всем рабочем диапазоне, но более значимо в СВ-диапазоне.
В сравнении с западной областью в восточной области распределения значений всех электрических параметров более остроконечны в ДВ-диапазоне. Для фазы импеданса это отмечается и в СВ-диапазоне. Для толщины скин-слоя распределение гораздо более остроконечно в СВ-диапазоне.
Отмеченные различия в геоэлектрическом строении дисперсных отложений в восточной и западной областях соответствуют различиям в их геологическом строении.
В западной области сильноиндуктивные (>45о) средние и модальные значения фазы поверхностного импеданса, близкие во всем рабочем диапазоне частот, указывают на наличие тонкого проводящего слоя [3] в подошве дисперсных отложений на небольшой глубине, определяемой сравнительно малой их мощностью. Это подтверждается резким понижением моды эффективного сопротивления пород на ДВ по сравнению с СВ. Подтверждением этому также служат близкие значения толщины скин-слоя на ДВ и СВ в западной области, которые вдвое меньше, чем соответствующие им в восточной
20-1
18-
16-
14-
12
га И 10-
И 8-
«1 6-
4-
2-
0-
оП
f=22.3 кГц
ц
3 4 5 6 7 8 Модуль импеданса, Ом
302520 15-
Т=22,3 кГц
ш
50 60 70 80 Фаза импеданса, град
20-
я 15-
1-
о
й 10-
га
т
5-
0-
л
Г=22,3 кГц
пП
10 20 30 40 50 60 Толщина скин-слоя, м
юП
f=171 кГц
ООН
10 15 20 25 30 Модуль импеданса, Ом
25-
20-
15-
го
о
к 10-
<п
3"
5-
0-
ПП
Т=171 кГц
О
30 40 50 60 70 Фаза импеданса, град
30-1 2520-
га
£ 15-о
£ 1050-
I_ f=171 кГц
□По
10 15 20 25 30 Толщина скин-слоя, м
л
10Н
0
л
f=549 кГц
0 20 40 60 80 Модуль импеданса, Ом
20 15 10
f=549 кГц
0 10 20 30 40 50 60 70 Фаза импеданса, град
20-
18-
16-
14-
01 12-
1-о 10-
I- и 8-
(9 Т 6-
пПп
ш
f=549 кГц
Пглп.
5 10 15 20 25 30 35 Толщина скин-слоя, м
Рис. 1. Гистограммы поверхностного импеданса и толщины скин-слоя мерзлых толщ Центральной Якутии с делювиальными отложениями по 120 точкам зондирования (западная область)
области. Предполагаемые, по эффективным параметрам, типы геоэлектрических разрезов в западной области - это Н, QH и КН. Наличие здесь проводящего слоя в мерзлой толще на малой глубине отчасти экранирует глубже залегающие горизонты и затрудняет оценку их параметров по данным радиоимпедансного зондирования. С другой стороны, это позволяет отслеживать изменения параметров дисперсных отложений при меньшем влиянии параметров коренных пород.
Полученные для восточной области сравнительно высокие значения эффективного электрического сопротивления пород и толщины скин-слоя, наряду со сравнительно малыми значениями фазы поверхностного импеданса, а также соотношения указанных параметров на СДВ, ДВ и СВ характерны для сплошных двухъярусных мерзлых толщ с геоэлектриче-
скими разрезами типа А, К, АА, АК, ААQ и AKQ. В отличие от западной области, более остроконечные распределения модуля поверхностного импеданса на ДВ, его фазы на ДВ и СВ, а также гораздо большее увеличение остроконечности в распределении значений толщины скин-слоя на СВ связаны с большей мощностью дисперсных отложений и соответствуют меньшей неоднородности геоэлектрического разреза.
Большие изменчивость и размах значений эффективного сопротивления на ДВ указывают на возможность успешного применения данного параметра для изучения мерзлых грунтов на частотах ДВ-диапазона (30-300 кГц) при большой мощности дисперсных отложений. Встречающиеся иногда значения толщины скин-слоя, превышающие 200 м, представляют собою уникальную возможность изучения радиоимпе-дансным зондированием геоэлектрического
5-
0
2
9
40
90
20
5
0
5
0
30-
20-
5
0
35 30 25 20 g 15
о
10
5
f=22.3 кГц
Л
□Не
5 10 15 20
Модуль импеданса, Ом
35 30 25 20 15 10 5
ЛИЙ
f=22.3 кГц
20 30 40 50 60 70 Фаза импеданса, град
403530-<я 25° 20-cia 15Т 1050
й
f=22,3 кГц
ö
НТК,
80
50 100 150 200 Толщина скин-слоя, м
0
0
70
60
50
CS 40
ь
к 30
го
20
10
0
ш
f=171 кГц
О
hrtw
0 10 20 30 40 50 60 70 Модуль импеданса, Ом
30-
g
и
f=171 кГц
20 30 40 50 Фаза импеданса, град
щ
f=171 кГц
1ЛпПп
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Толщина скин-слоя, м
0
60-
50-
40-
со 30-
CS 20-
10-
0-
f=549 кГц
nflnillM
Qpc
20 40 60 80 100 Модуль импеданса, Ом
50
40
CS 30
ё
s CS 20
10
f=549 кГц
J flnlTL ™
10 20 30 40 50 Фаза импеданса, град
701 6050-(0 40° 30-ü СО
З- 20100
f=549 кГц
ПЛпГУп.
I I ■—■■—■ ■—I-—■ ■—
0 20 40 60 80 100 Толщина скин-слоя, м
Рис. 2. Гистограммы поверхностного импеданса и толщины скин-слоя мерзлых толщ Центральной Якутии с аллювиальными отложениями по 339 точкам зондирования (восточная область)
0
строения мерзлых толщ Центральной Якутии в полном объеме, включая и оценку мощности мерзлых скальных пород на тех участках, где высоки значения удельного электрического сопротивления дисперсных отложений и отсутствует тонкий проводящий слой. Подобные участки обнаруживаются в результате проведения радиоимпедансного профилирования и экспресс-зондирования [4] по профилям, пересекающим исследуемый район.
Литература
1. Иванов М.С. Криогенное строение четвертичных отложений Лено-Алданской впадины. - Новосибирск: Наука, 1984. - 126 с.
2. Кузьмин Г.П., Яковлев А.В. Подземные резервуары в мерзлых грунтах. - Якутск: ИМЗ СО РАН, 1992. - 152 с.
3. Ефремов В.Н. Радиоимпедансное зондирование мерзлых земных покровов // Наука и образование. -2006. - №4. - С.83-88.
4. Ефремов В.Н. Новые возможности изучения мерзлых грунтов радиоимпедансным зондированием // Проблемы инженерного мерзлотоведения: материалы IX Международного симпозиума (3-7 сентября 2011 г., г. Мирный, Россия). - Якутск: ИМЗ СО РАН, 2011. - С. 469-475.
Поступила в редакцию 01.02.2013
