Построение температурных корреляционных зависимостей между горизонтами почв при проведении исследований с использованием малоглубинных скважин

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью изучения геологических объектов путем прямых геофизических измерений их параметров и применения полученных данных и результатов математической обработки для решения задач рационального природопользования. Эффективное решение этих задач особенно важно при исследовании влияния метеорологических параметров на водно-тепловой режим горных пород в районах с глубоким сезонным промерзанием. Цель: разработать и провести испытания геофизического комплекса для определения пространственного распределения температуры в грунте, динамики изменения этого распределения во времени и корреляционные соотношения его промерзания на различных горизонтах в условиях Сибири и Крайнего Севера. Объекты: федеральная автомобильная дорога «Сургут–Салехард» в пределах Ямало-Ненецкого автономного округа и дорога территориального значения «Коротчаево–Уренгой». Методы: методы анализа статистических данных для изучения взаимосвязей между значениями переменных, включая исследование статистической взаимосвязи двух или более случайных величин (корреляционный анализ), методы функционального анализа для исследования статистических данных в частотно-временном диапазоне (вейвлет-преобразование). Результаты. Показано, что с увеличением глубины грунта, график значений температур промерзания принимает более плоский характер и с увеличением удаленности между горизонтами наблюдений уменьшается температурная корреляционная связь между ними. В частности, в слоях грунта 1,9–2,1 м значения коэффициентов температурной корреляции практически не изменяются на всех временных масштабах выборки. В слоях грунта 0,9–1,2 м, 1,2–1,5 м, 1,5–1,8 м на средних временных масштабах выборки наблюдается незначительное изменение коэффициентов температурной корреляции, а максимальное отклонение коэффициентов корреляции наблюдается на больших временных масштабах выборки. В слоях грунта 0,3–2,1 м, 0,3–1,8 м, 0,6–2,1 м на средних временных масштабах выборки наблюдается значительное отклонение коэффициентов температурной корреляции, а максимальное отклонение коэффициентов температурной корреляции также наблюдается на больших масштабах выборки. На базе полученных температурных рядов были построены спектрограммы вейвлет-преобразований для классических базисных вейвлетов (вейвлет Морле, DOG-вейвлет, вейвлет Пауля), косвенно демонстрирующие волнообразное «продвижение» фронта (фазы) холода в грунте.

The relevance of the research is caused by the need to study geological objects by direct geophysical measurements of their parameters and applications of the obtained data and the results of mathematical processing for solving environmental management problems. Effective solution of these problems is especially important when research the influence of meteorological parameters on the water-thermal regime of rocks in areas with deep seasonal freezing. The main aim of the research is to develop a geophysical complex to determine the spatial distribution of temperature in the ground, to research the dynamics of changes in this distribution over time, to compute correlation of freezing various soil horizons in the conditions of Siberia and the Far North. Objects of researches are the federal highway «Surgut-Salekhard» within the Yamal&Nenets Autonomous District and the road of territorial importance «Korotchaevo-Urengoy». Methods: methods of analyzing statistical data to research the relationship between the values of variables, including the study of the statistical relationship of two or more random variables (correlation analysis), functional analysis methods for the research of statistical data in the time&frequency range (wavelet transform). Results. It was shown that with an increase in soil depth the freezing pattern is more flat and with increasing distance between observation horizons the correlation between them decreases. In particular, in soil layers 1,9-2,1 m the values of the coefficients of temperature correlation practically do not change at all time scales of the sample. In the soil layers 0,9-1,2 m, 1,2-1,5 m, 1,5-1,8 m on the average time scales of the sample, there is an insignificant change in the coefficients of temperature correlation, and the maximum deviation of the correlation coefficients is observed at large sample time scales. In the soil layers 0,3-2,1 m, 0,3-1,8 m, 0,6-2,1 m on the average time scales of the sample, there is a significant deviation of the coefficients of temperature correlation, and the maximum deviation of the coefficients of temperature correlation is also observed at large scales of the sample. On the basis of the obtained temperature series, spectrograms of wavelet transforms for classical basic wavelets (Morlet wavelet, DOG wavelet, Paul wavelet) were obtained, which indirectly demonstrate the wavelike «promotion» of the cold front (phase) in the ground