Исследователи из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН разработали новый метод быстрого мониторинга мерзлых грунтов. Он позволит оперативно реагировать на изменения в почве и снижать риски разрушений инфраструктурных объектов.
Игорь Михайлов за работой. Автор фото: Ирина Баранова
Сейчас ученые расходятся во мнениях относительно проблемы глобального потепления: одни считают, что оно реально существует, другие сомневаются. Тем не менее большинство современных публикаций подтверждает факт повышения температуры, особенно заметного в Арктической зоне России. Эта тенденция вызывает серьезные опасения, поскольку изменение климата ведет к быстрому таянию многолетней мерзлоты. Если не предпринять меры, последствия окажутся катастрофическими: начнут рушиться дома, дороги, линии электропередач и другие объекты инфраструктуры. Поэтому главная задача ученых — предложить эффективные методы адаптации к новым условиям. Необходимо создавать инструменты мониторинга, позволяющие вовремя выявлять проблемные участки и предотвращать катастрофы.
Обычно мониторинг температурных процессов в грунте осуществляется посредством бурения скважин и размещения в них температурных датчиков. Государственная программа предполагает создание сети наблюдательных точек по всей территории страны. Однако у традиционного метода есть существенный минус: тепловые колебания достигают сенсора довольно медленно, что затрудняет быстрое получение информации.
«Мы совместно с коллегами разработали новую технологию оперативного мониторинга. Суть идеи состоит в следующем: бурятся неглубокие скважины глубиной от нескольких до десятков метров, куда устанавливаются чувствительные датчики. Используются два типа генераторов: традиционные индукционные катушки и менее распространенные токовые линии. Основная концепция — размещение набора передатчиков в одной скважине и приемников в соседней. Таким образом обеспечивается взаимное сканирование пространства между двумя скважинами, позволяя точно определить происходящие изменения. Кроме того, возможен вариант размещения генератора на поверхности, когда просвечивается зона между источником и подземными датчиками. Сигнал подается короткими электромагнитными импульсами, а реакция фиксируется приборами. Особое внимание уделяется состоянию верхнего талого слоя, при этом технология универсальна и пригодна для регионов с разным типом грунта», — рассказывает старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
Метод позволяет следить за состоянием мерзлых грунтов в режиме реального времени. Представьте, что между двумя скважинами находится грунт, который постепенно начинает таять. Используя специальное оборудование, можно отследить изменение электрического сопротивления грунта. По мере увеличения температуры сопротивление уменьшается пропорционально степени протаивания вещества.
«Первоначально идея межскважинного просвечивания возникла в нефтяной отрасли. Специалисты хотели наблюдать за изменениями насыщенности породы нефтью и контролировать движение жидкости в пластах. Особенно это было актуально для месторождений с трудноизвлекаемой вязкой нефтью, которую предварительно нагревают паром, чтобы облегчить добычу. Исследования велись с применением катушек индуктивности — они помогали визуально представить перемещение жидкостей в пористой среде. Геофизические приборы с катушками периодически опускались в соседние скважины и использовались для оконтуривания движения углеводородов и воды, то есть для того чтобы выявить границы их распространения в межскважинном пространстве. Наши ученые пошли дальше и впервые предложили применение импульсных сигналов для аналогичных целей, но уже в области мониторинга мерзлых грунтов с помощью стационарно расположенных в скважинах источников и приемников. Импульсные сигналы позволяют быстро и эффективно оценивать состояние замерзших слоев, что открывает широкие перспективы для строительства и добычи природных ресурсов в экстремально холодных регионах», — отметил Игорь Михайлов.
Благодаря специальным компьютерным программам ученые получают наглядные графики и карты распределения сопротивления. Это дает возможность быстро увидеть зоны риска и принять решение о дальнейших действиях. Например, если дом или другое сооружение становится небезопасным для эксплуатации, рекомендуется срочная эвакуация людей или реконструкция объекта. Таким образом, технология импульсного мониторинга помогает предотвратить аварии и минимизировать возможные потери.
Ученые предлагают передавать собранные данные дистанционно, например через GPS или мобильные сети прямо в рабочую группу. То есть установленные датчики смогут отправлять результаты наблюдений непосредственно в офис, где специалисты их обработают и проанализируют.
«Сейчас мы проводим практические испытания: используем настройки оборудования, подобранные на основании математического моделирования, и одновременно проверяем их на практике физическими экспериментами. Цель экспериментов — выяснить, насколько хорошо сработает идея в реальных условиях. Наши предварительные расчеты подтвердили, что реализация возможна, и сейчас мы хотим удостовериться в эффективности на практике», — подытожил Игорь Михайлов.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова
Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
