В ИНГГ СО РАН создают новую технологию для мониторинга вечной мерзлоты
05.06.2023
Источник: Наука в Сибири, 05.06.2023, Диана Хомякова
Ученые Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука
СО РАН разрабатывают высокоразрешающую электромагнитную технологию для мониторинга
состояния вечной мерзлоты. Предполагается, что она будет давать более точные
результаты, чем традиционные тепловые методы, и потребует меньшего участия
человека. Результаты исследования опубликованы в журнале «Геология и геофизика».
Вечная мерзлота занимает примерно 65 % территории России. С изменением
климата она тоже меняется, оттаивает — изучать эти процессы критически важно,
чтобы предотвратить антропогенные и экологические бедствия. Деградация вечной
мерзлоты нарушает работу технических систем в Арктике, вызывает потери в добыче
углеводородов и деформацию объектов инфраструктуры. Эта проблема затрагивает
промышленные и гражданские сооружения, дороги, нефтегазопроводы, линии электропередач,
взлетные полосы аэропортов, амбары для хранения техники, резервуары с топливом
и многое другое.
«В августе 2021 года на совещании при президенте РФ отмечались актуальность
и значимость создания комплексной государственной системы мониторинга состояния
криолитозоны. По некоторым данным, более 40 % инфраструктурных объектов Российской
Арктики разрушаются из-за деградации вечной мерзлоты, вследствие чего наша
страна несет многомиллионные убытки. Например, на трассе Чита — Хабаровск есть
так называемые золотые километры — их приходится чинить так часто, что, образно
говоря, проще было бы отлить из золота. По одной из версий, из-за деградации
мерзлоты произошла и экологическая катастрофа в Норильске в мае 2020 года: сваи
накренились, и 20 тысяч тонн дизельного топлива вылились в окружающую среду.
Благодаря своевременному мониторингу и прогнозированию можно попытаться
сократить убытки и избежать катастроф», — рассказывает старший научный
сотрудник ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
Самый известный на сегодня способ наблюдения за состоянием вечной
мерзлоты — это температурный мониторинг. Однако он позволяет получать лишь
локальную информацию — только из тех мест, где пробурены скважины, что может не
отражать реальное состояние многолетнемерзлых пород на исследуемой территории.
Принципиальное ограничение этого метода в том, что тепловая волна достигает
датчика с большим опозданием — через недели или даже месяцы, за которые с
мерзлотой могут произойти дальнейшие изменения.
Многолетняя
мерзлота летом
Ученые Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука
СО РАН впервые разработали метод для мониторинга состояния вечной мерзлоты, который
основан на периодическом измерении сигналов импульсных электромагнитных
зондирований. Проходя через породу, эти сигналы меняются в зависимости от того,
является ли она мерзлой или оттаявшей. То есть на датчики влияет не
температура, а удельное электрическое сопротивление пород, которое, в свою
очередь, зависит от температуры.
Источники и приемники электромагнитного излучения предполагается с небольшим
шагом размещать в скважинах глубиной порядка 20 метров, оставлять их там стационарно
и измерять электромагнитное поле через определенные промежутки времени. Периодически
повторяя эти измерения, можно проследить динамику процессов, происходящих с
вечной мерзлотой. «Изучая диаграммы этих сигналов и производя инверсию данных,
мы делаем выводы, что граница с вечномерзлыми породами поднимается, опускается,
или образуется талик, который может быть опасным для промышленных и гражданских
сооружений», — объясняет ведущий научный сотрудник ИНГГ СО РАН доктор технических
наук Марина Николаевна Никитенко.
Разработанный в ИНГГ геофизический метод не отменяет температурных
способов мониторинга вечной мерзлоты, но позволяет их дополнить. Чем больше
разной информации будет об одном и том же объекте, тем более точно и
разносторонне можно его описать.
Исследование выполняется при поддержке гранта Российского научного
фонда. Проект рассчитан на три года, один из них уже прошел, впереди еще два.
«На сегодня уже в достаточной мере выполнено теоретическое обоснование метода.
Мы показали, как ведут себя сигналы в различных ситуациях, в зависимости от
границы с вечной мерзлотой и наличия таликов. Узнали, какие нам необходимы
расстояния между скважинами, изучили, как могут быть расположены датчики.
Одновременно с этим мы провели первые полевые эксперименты на геофизических
полигонах Новосибирской области по опробованию прототипа измерительной
аппаратуры. Показана работоспособность систем измерения: повторяемость, хороший
уровень сигнала, исследованы основные амплитудно-фазовые характеристики. Однако
до создания реальных скважинных образцов должно пройти еще какое-то время», —
рассказывает Марина Никитенко.
Предполагается также сравнить результаты физического моделирования с
результатами моделирования математического. Это должно показать, насколько
корректно работает теория и что нужно изменить, чтобы ее результаты были еще
больше приближены к реальности.
Для практического применения технологии необходимо создать подходы к
интерпретации данных — когда уже есть зарегистрированные сигналы, а по ним с
помощью специальной компьютерной программы можно восстановить геологическую
среду. Это решение так называемой обратной задачи геофизики. В планах ученых —
испытание электромагнитных датчиков в условиях реальной вечной мерзлоты.
Например, на острове Самойловский в дельте реки Лены. В создании соответствующей
геофизической аппаратуры заинтересован НИИ измерительных приборов —
Новосибирский завод имени Коминтерна. Также будут продолжаться лабораторные
исследования, призванные связать температуру с удельным электрическим сопротивлением,
которое может определять созданный прибор.
Исследование выполняется при поддержке гранта Российского научного
фонда № 22-17-00181 «Импульсное электромагнитное зондирование многолетнемерзлых
пород: теоретическое и экспериментальное развитие высокоразрешающего геофизического
метода, научное обоснование и создание инновационной технологии мониторинга
криолитозоны» (руководитель проекта — директор ИНГГ СО РАН член-корреспондент
РАН В. Н. Глинских).