Ученые из Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН создали инновационную методику экспресс-мониторинга мерзлых грунтов. Благодаря ей станет возможной быстрая реакция на изменения, происходящие в почве, и уменьшение вероятности повреждений объектов инфраструктуры.
В настоящее время научное сообщество не имеет единой точки зрения на проблему глобального потепления: некоторые ученые уверены в ее реальности, другие выражают сомнения. Однако, большинство современных исследований подтверждают рост температуры, наиболее выраженный в Арктике России. Данная тенденция вызывает серьезную тревогу, так как изменение климата приводит к ускоренному таянию вечной мерзлоты. Без принятия соответствующих мер последствия могут быть разрушительными: будет происходить разрушение жилых зданий, дорог, линий электропередач и других объектов инфраструктуры. Поэтому приоритетной задачей для ученых является разработка действенных способов приспособления к меняющимся условиям. Требуется создание систем наблюдения, которые позволят своевременно определять проблемные зоны и избегать бедствий.
Как правило, контроль за температурными изменениями в грунте осуществляют с помощью бурения скважин и установки в них датчиков температуры. Согласно государственной программе, планируется создание сети пунктов наблюдений на всей территории страны. Тем не менее, у данного подхода есть значительный недостаток: тепловые колебания воздействуют на сенсор с некоторой задержкой, что усложняет оперативное получение данных.
«Вместе с коллегами нами была разработана новая технология оперативного мониторинга. Идея заключается в следующем: бурятся неглубокие скважины, глубина которых варьируется от нескольких до десятков метров, и в них устанавливаются чувствительные датчики. Применяются два типа генераторов: традиционные индукционные катушки и менее распространенные токовые линии. Ключевая концепция заключается в размещении набора передатчиков в одной скважине и приемников в соседней. Это обеспечивает взаимное сканирование пространства между двумя скважинами, что позволяет с высокой точностью определять происходящие изменения. Также предусмотрена возможность размещения генератора на поверхности, при которой просвечивается зона между источником и подземными датчиками. Сигнал формируется посредством коротких электромагнитных импульсов, а реакция регистрируется приборами. Особое внимание уделяется состоянию верхнего талого слоя, при этом технология универсальна и подходит для регионов с различным типом грунта», — отмечает старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
Данный метод обеспечивает мониторинг состояния мерзлых грунтов в реальном времени. Допустим, между двумя скважинами находится участок грунта, который начинает постепенно таять. С помощью специализированного оборудования можно фиксировать изменения в электрическом сопротивлении грунта. С повышением температуры сопротивление снижается, и это изменение прямо пропорционально степени оттаивания.
«Изначально концепция межскважинного просвечивания была разработана для нужд нефтедобывающей отрасли. Эксперты стремились отслеживать изменения в насыщенности породы нефтью и контролировать перемещение жидкостей в пластах. Эта задача была особенно важна для месторождений с трудноизвлекаемой вязкой нефтью, предварительный нагрев которой паром необходим для облегчения добычи. Для визуализации движения жидкостей в пористой среде применялись катушки индуктивности. Геофизические приборы, оснащенные такими катушками, периодически опускались в соседние скважины, чтобы определить границы распространения углеводородов и воды в межскважинном пространстве. Наши ученые расширили возможности данной технологии, впервые предложив использовать импульсные сигналы для аналогичных целей, но уже в области мониторинга мерзлых грунтов посредством стационарных источников и приемников, расположенных в скважинах. Импульсные сигналы позволяют оперативно и результативно оценивать состояние замерзших слоев, что открывает широкие возможности для строительства и добычи природных ресурсов в зонах с экстремально низкими температурами, — подчеркнул Игорь Михайлов.
С помощью специализированного программного обеспечения ученые получают понятные графические представления и карты, отображающие распределение сопротивления. Это позволяет оперативно выявлять опасные участки и определять дальнейшие шаги. К примеру, в случае, если здание или иное сооружение признается непригодным для использования, настоятельно рекомендуется немедленная эвакуация людей или проведение ремонтных работ. Таким образом, технология импульсного мониторинга способствует предотвращению аварийных ситуаций и снижению потенциальных потерь.
Предлагается использовать дистанционные каналы связи, такие как GPS или мобильные сети, для передачи собранных данных непосредственно в рабочую группу. Это позволит датчикам отправлять результаты наблюдений в офис, где специалисты смогут обработать и проанализировать полученные сведения.
«В настоящее время проводятся практические испытания, в ходе которых применяются настройки оборудования, определенные с помощью математического моделирования, и одновременно проверяются физическими экспериментами. Задача экспериментов состоит в том, чтобы оценить, насколько успешно будет реализована задуманное в реальных условиях. По словам Игоря Михайлова, предварительные расчеты показали возможность реализации, и теперь необходимо убедиться в её практической эффективности.
Данный материал создан при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова
Материалы и фотографии предоставлены Управлением СО РАН по пропаганде и популяризации научных достижений