Ученые разработали радар для контроля вечной мерзлоты

<100 full reads
120 story viewsUnique page visitors
<100 read the story to the endThat's 39% of the total page views
3 minutes — average reading time
Ученые разработали радар для контроля вечной мерзлоты

Минприроды намерено до 2024 года создать единую систему мониторинга вечной мерзлоты. По данным министерства, в России потепление идет в 2,8 раза быстрее, чем во всем мире, и оттаивание мерзлоты угрожает сохранности зданий на Крайнем Севере. Многие такие здания строили в советское время на фундаментах из свай, заглубленных в мерзлоту. Исчезает мерзлота — исчезает и несущая способность фундамента.

Для мониторинга важно быстро, дешево и с высокой точностью выявить зоны протаек и аномалии грунтов, которые угрожают сохранности зданий. Радар умеет сканировать землю на 300 метров вглубь и, помимо выявления оттаявшей мерзлоты, выдает много другой полезной информации. Создатели георадара «Лоза» — российские ученые Андрей Беркут, Владимир Копейкин и Павел Морозов. Подробнее о вариантах использования георадара рассказал представитель разработчиков Нурбулат Дуйсиналиев.

Какие существуют методы георазведки

Сейчас на Крайнем Севере геологи и геофизики используют несколько методов для определения состояния мерзлоты и строения грунта. Вот эти методы.

Бурение. Это самый распространенный, но и самый дорогой способ. В нескольких местах геологи делают скважины и берут образцы грунта для исследования и лабораторного анализа. Чтобы получить достоверные результаты, бурят целую сетку скважин на определенную глубину. Это требует применения тяжелой спецтехники — буровых машин.

Электроразведка. Это определение свойств грунтов за счет разницы их электрического сопротивления. Геологи углубляют в землю электроды, а потом подают на них ток. У скальных пород будет одно сопротивление, у обводненной или сухой глины, песчаных пород и т. д. — другое. Электроды нужно много раз переставить в разные места, измерить сопротивление, построить модели, протестировать их, поэтому электроразведка — не быстрый процесс.

Сейсморазведка. Раньше для этого метода использовали небольшие взрывы: в грунт закладывали взрывчатку, подрывали и регистрировали акустические волны. По ним и определяли строение грунта. Сейчас сейсморазведка изменилась: вместо взрывчатки стали применять специальные устройства для возбуждения упругих волн. Здесь, как и в случае с бурением, нужна тяжелая спецтехника.

Георадары. Они получают информацию неразрушающим методом с поверхности земли: зондируют грунт электромагнитными волнами и по отраженному от границ раздела среды сигналу определяют, что под землей.

Георадар «Лоза» работает так же, но отличается от остальных радаров по глубине исследований и их информативности. Устройства, которые сейчас есть у геофизиков, маломощные: они генерируют импульс от 100 до 250 ватт, а измерения делают очень часто. Из-за небольшой мощности обычные георадары «видят» неглубоко. А высокая частота измерений создает постоянный «звон», который мешает исследованиям.

Так проходит бурение: шурфы делают при помощи буровой машины, которая переезжает с места на место
Так проходит бурение: шурфы делают при помощи буровой машины, которая переезжает с места на место
Так проходит бурение: шурфы делают при помощи буровой машины, которая переезжает с места на место
Это электроразведка: большая машина уже не нужна, но надо ходить, переставлять электроды и десятки раз измерять сопротивление
Это электроразведка: большая машина уже не нужна, но надо ходить, переставлять электроды и десятки раз измерять сопротивление
Это электроразведка: большая машина уже не нужна, но надо ходить, переставлять электроды и десятки раз измерять сопротивление
Один из этапов сейсморазведки: в подготовленные скважины закладывают взрывчатку
Один из этапов сейсморазведки: в подготовленные скважины закладывают взрывчатку
Один из этапов сейсморазведки: в подготовленные скважины закладывают взрывчатку
Сканирование георадаром — один из самых дешевых и понятных способов для определения структуры грунтов. Некоторые такие устройства можно купить в специализированном магазине
Сканирование георадаром — один из самых дешевых и понятных способов для определения структуры грунтов. Некоторые такие устройства можно купить в специализированном магазине
Сканирование георадаром — один из самых дешевых и понятных способов для определения структуры грунтов. Некоторые такие устройства можно купить в специализированном магазине

Как устроен георадар

В основе георадара «Лоза» лежит импульсный разрядник, который, как фотовспышка, выдает краткосрочные импульсы — напряжением до 21 000 вольт. Импульсная мощность прибора достигает 21 мегаватта, то есть в миллионы раз больше, чем у обычного радара.

При такой мощности отраженный сигнал приходит с серьезными помехами, но разработчикам удалось создать алгоритм по его очистке и расшифровке. А за счет мощности увеличили глубину сканирования: например, если обычные георадары во влажных глинистых грунтах сканируют только до 2 метров, то «Лоза» — до 150. В сухих грунтах предел обычных устройств около 25 метров, а «Лозы» — 300 метров.

Георадар представляет собой блок управления и антенну в форме ленты, которую нужно тащить за собой по грунту.

Особенность георадаров в том, что антенна должна прилегать к земле. Теоретически ее можно поместить, например, на дрон, но сигнал большой мощности будет отражаться от земли и вызывать помехи в электронике дрона. При этом глубина сканирования грунта окажется минимальной.

В зависимости от задачи исследования длина антенны может быть до 15 метров. Для проверки строительной площадки достаточно антенны в 1,5 или 3 метра: на частотах 100 и 50 мегагерц соответственно прибор позволит изучить геологические срезы до глубины 40–50 метров.

Точность зондирования определяется скоростью перемещения антенны по поверхности земли: можно делать новое измерение каждые 20 сантиметров, а можно через каждые 1–3 метра. В первом случае объем данных будет максимальным, во втором — усредненным.

Радар работает на щелочных аккумуляторах, одного хватает на 8 часов, за это время можно просканировать участок протяженностью до 10 километров. Вес прибора без антенны — 10 килограммов
Радар работает на щелочных аккумуляторах, одного хватает на 8 часов, за это время можно просканировать участок протяженностью до 10 километров. Вес прибора без антенны — 10 килограммов
Радар работает на щелочных аккумуляторах, одного хватает на 8 часов, за это время можно просканировать участок протяженностью до 10 километров. Вес прибора без антенны — 10 килограммов

Как радар работает на практике

Георадар «Лоза» опробовали при выборе строительной площадки для арктической станции «Снежинка» на Ямале. Устройство позволило избежать серьезной ошибки: после сканирования выяснилось, что строить станцию планировали на разломе скалы.

«Изначально было выбрано место, где глубина залегания скалы 18–20 метров, — рассказывает Нурбулат Дуйсиналиев. — Если сместить площадку чуть-чуть на север, глубина залегания будет всего 2 метра. То есть можно забить сваи на 2 метра, упереться в скалу, и здание будет стоять прочно».

«Второй вариант — заглублять сваи не на 2, а на 18–20 метров, но это совсем другие затраты. Буквально за два дня мы сделали обследование, расшифровали результаты. Сейчас инициаторы этого проекта переделывают документы и сдвигают стройплощадку. То есть результаты наших изысканий позволят создать прочное основание сооружения и обеспечат экономию средств».

«Лозу» использовали для пробных исследований и в других северных городах. Вот некоторые из полученных результатов, их называют радарограммами.

Здесь инженеры планировали проложить трубопровод под рекой. Георадар показал, что прямо под ней идти нельзя: там «пузырь» талой воды, которая может в любой момент замерзнуть и разрушить трубу. Прокол для трубопровода нужно делать не под дном, а в зоне оранжевого цвета, ниже обводнения
Здесь инженеры планировали проложить трубопровод под рекой. Георадар показал, что прямо под ней идти нельзя: там «пузырь» талой воды, которая может в любой момент замерзнуть и разрушить трубу. Прокол для трубопровода нужно делать не под дном, а в зоне оранжевого цвета, ниже обводнения
Здесь инженеры планировали проложить трубопровод под рекой. Георадар показал, что прямо под ней идти нельзя: там «пузырь» талой воды, которая может в любой момент замерзнуть и разрушить трубу. Прокол для трубопровода нужно делать не под дном, а в зоне оранжевого цвета, ниже обводнения
Георадар выявил опасный участок, где в перспективе может образоваться подземное озеро. Строить здесь опасно: здание лучше сместить минимум на 15–20 метров вправо или влево, чтобы оставить талую зону за пределами пятна застройки
Георадар выявил опасный участок, где в перспективе может образоваться подземное озеро. Строить здесь опасно: здание лучше сместить минимум на 15–20 метров вправо или влево, чтобы оставить талую зону за пределами пятна застройки
Георадар выявил опасный участок, где в перспективе может образоваться подземное озеро. Строить здесь опасно: здание лучше сместить минимум на 15–20 метров вправо или влево, чтобы оставить талую зону за пределами пятна застройки
Еще одна чаша протаивания, которая образовалась из-за размораживания вечной мерзлоты. В таких местах всегда будет пучение грунта: зимой вода замерзнет и начнет выдавливать землю, поверхность будет неровной. Строить здания здесь нельзя
Еще одна чаша протаивания, которая образовалась из-за размораживания вечной мерзлоты. В таких местах всегда будет пучение грунта: зимой вода замерзнет и начнет выдавливать землю, поверхность будет неровной. Строить здания здесь нельзя
Еще одна чаша протаивания, которая образовалась из-за размораживания вечной мерзлоты. В таких местах всегда будет пучение грунта: зимой вода замерзнет и начнет выдавливать землю, поверхность будет неровной. Строить здания здесь нельзя
Это исследование фундамента действующего склада в Заполярье. На одном из участков георадар нашел протайку. Оказалось, что бетонные колонны в центре здания фактически стоят в воде. То есть центральные опоры склада, которые держат крышу, потеряли несущую способность
Это исследование фундамента действующего склада в Заполярье. На одном из участков георадар нашел протайку. Оказалось, что бетонные колонны в центре здания фактически стоят в воде. То есть центральные опоры склада, которые держат крышу, потеряли несущую способность
Это исследование фундамента действующего склада в Заполярье. На одном из участков георадар нашел протайку. Оказалось, что бетонные колонны в центре здания фактически стоят в воде. То есть центральные опоры склада, которые держат крышу, потеряли несущую способность
Исследование фундамента одного из зданий в Норильске. По зданию пошли трещины, и его владельцы попросили проверить, что с фундаментом. Оказалось, что мерзлота растаяла. Правую сваю при строительстве заглубили до скалы, а центральную и левую — нет, они держались за счет мерзлоты. Сейчас на ее месте вода. Часть фундамента стоит плотно, а вторая будто висит, поэтому здание тоже «ходит» и в буквальном смысле трещит по швам
Исследование фундамента одного из зданий в Норильске. По зданию пошли трещины, и его владельцы попросили проверить, что с фундаментом. Оказалось, что мерзлота растаяла. Правую сваю при строительстве заглубили до скалы, а центральную и левую — нет, они держались за счет мерзлоты. Сейчас на ее месте вода. Часть фундамента стоит плотно, а вторая будто висит, поэтому здание тоже «ходит» и в буквальном смысле трещит по швам
Исследование фундамента одного из зданий в Норильске. По зданию пошли трещины, и его владельцы попросили проверить, что с фундаментом. Оказалось, что мерзлота растаяла. Правую сваю при строительстве заглубили до скалы, а центральную и левую — нет, они держались за счет мерзлоты. Сейчас на ее месте вода. Часть фундамента стоит плотно, а вторая будто висит, поэтому здание тоже «ходит» и в буквальном смысле трещит по швам

Кому нужны георадары

В 2019 году Минюст рекомендовал георадар «Лоза» для проведения судебных строительно-технических экспертиз, так как другие георадары не могут работать на необходимой глубине. Экспертный совет Минтранса по импортозамещению и повышению инновационности включил устройство в перечень 50 инновационных технологий и рекомендовал георадар к государственным закупкам.

Большой рынок применения георадаров — строительство. Такие устройства позволяют бурить меньше скважин, а значит, снизить затраты на предпроектные изыскания. Бурить все равно придется — чтобы взять грунт на химический анализ, а также выяснить его физико-механические несущие свойства, но вместо 50 скважин сделают две-три.

Георадар эффективен в мониторинге деградации вечной мерзлоты и при разведке твердых полезных ископаемых. Компания намерена предложить технологию Росприроднадзору и Ростехнадзору для оценки ущерба от техногенных аварий.

Георадар позволяет с высокой точностью оценить масштаб загрязнения: например, насколько глубоко проникла в грунт пролитая нефть и попала ли она в грунтовые воды.

«Сейчас оценка ущерба ведется по площади загрязнения, — объясняет Нурбулат Дуйсиналиев. — Иногда бурят пару скважин, но это нельзя назвать точным исследованием. Для загрязнителя такая оценка выгодна: можно быстро ограничить разлив, и его площадь будет небольшой. Но насколько опасная жидкость просочилась в грунт? С помощью георадара мы можем увидеть пятно под землей и оценить загрязнение не в квадратным метрах, а в кубометрах. Это уже совсем другой разговор с нарушителями, и я думаю, они много раз подумают, что сделать, чтобы избежать загрязнения».

Что можно улучшить в «Лозе»

Разработчики георадара видят перспективы его развития в двух направлениях.

1. Автоматизировать обработку данных. Профиль грунта сейчас строит специальная программа, в которую геофизик должен загрузить данные, полученные во время полевой работы. Интерпретирует результаты тоже человек: обычно это занимает от двух до пяти дней. Одна из задач — обеспечить расшифровку данных через облако с применением искусственного интеллекта, чтобы эксперт-геофизик только верифицировал результаты и подключался в сложных случаях. ИИ наиболее эффективен для типовых случаев: например, в системе ЖКХ города. Облачная платформа с ИИ может быстро обработать радарограммы и найти трубы, кабель, коллектор, теплотрассу или протечку.

2. Интегрировать устройство с платформами BIM. BIM — это цифровой двойник здания, его интеллектуальная 3D-модель, которая обеспечивает возможность управления проектом на протяжении всего жизненного цикла сооружения. В рамках BIM пока нет решений, которые позволяют получать достоверные данные о состоянии пространства под фундаментами. Георадар может давать такие данные для платформ BIM, особенно это важно в зонах мерзлоты.

Нурбулат Дуйсиналиев: «Сейчас мы выступаем за то, чтобы такие экспресс-исследования стали обязательными для застройщиков, работающих на Крайнем Севере. Для этого нужно внести изменения в нормативные документы. Хотя многие застройщики и без этого понимают, что с георадаром они сэкономят время и деньги»
Нурбулат Дуйсиналиев: «Сейчас мы выступаем за то, чтобы такие экспресс-исследования стали обязательными для застройщиков, работающих на Крайнем Севере. Для этого нужно внести изменения в нормативные документы. Хотя многие застройщики и без этого понимают, что с георадаром они сэкономят время и деньги»
Нурбулат Дуйсиналиев: «Сейчас мы выступаем за то, чтобы такие экспресс-исследования стали обязательными для застройщиков, работающих на Крайнем Севере. Для этого нужно внести изменения в нормативные документы. Хотя многие застройщики и без этого понимают, что с георадаром они сэкономят время и деньги»

«Мы начали работу над радаром два года назад, когда на проектно-образовательном интенсиве НТИ Дмитрий Песков подвел к руководству нашей компании представителя команды разработчиков георадара „Лоза“ и попросил помочь им, — вспоминает Нурбулат Дуйсиналиев. — У них уже был опыт применения устройства, они выполняли узкие исследования, но системного подхода к внедрению технологии не было. Мы решили создать с разработчиками отдельное направление. В марте 2021 года мы зарегистрировали новую компанию, которая занимается только георадаром. Уверен, это прорывная технология для исследования деградации многолетней мерзлоты и наиболее эффективный из всех известных способов экспресс-анализа мерзлых грунтов».