В ИНГГ СО РАН создают новую технологию для мониторинга вечной мерзлоты

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.

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.