Повторяемость результатов в процессе проводимых исследований была высока, методы измерения достаточно точными, однако они предполагают необходимость доступа к телу трубы с обязательным удалением защитной изоляции и зачисткой поверхности, что неприемлемо в условиях непрерывной транспортировки продуктов. В этих условиях становится актуальным поиск высокоточных и малотрудоемких методов измерения деформаций, происходящих в локальных разломных зонах, без использования трубы в качестве датчика деформаций.
Весной 2000 г. специалистами ИГД УрО РАН совместно со специалистами НПЦ "Сургутгеоэкология" была рассмотрена возможность использования спутниковой системы GPS геодезического класса для непрерывного мониторинга короткопериодных смещений и деформаций разломных зон. Под непрерывным мониторингом в данном случае понимается длительное (от нескольких часов до нескольких суток) инструментальное наблюдение за изменением пространственных координат реперов наблюдательной станции и пространственно-геометрическими связями между ними во времени, с интервалом между дискретными определениями от нескольких секунд до нескольких десятков минут. В отличие от существующих на сегодняшний день видов геодинамического мониторинга, когда производятся моментные измерения величин смещений и деформаций с периодичностью от одного до нескольких раз в год [8, 9], непрерывный мониторинг позволяет детально изучить кратковременные процессы, протекающие в верхней части земной коры. Период таких процессов составляет от нескольких тысячных герц до десятых герц, что не позволяет производить их изучение традиционными методами, хотя имеется достаточно обширный опыт изучения таких короткопериодных деформаций при помощи наклонометров и других приборов [10-11].
Для непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности целесообразно использование комплексов спутниковой геодезии GPS, так как они имеют ряд преимуществ перед традиционными геодезическими методами. Во-первых, геодезические наблюдения с применением GPS-оборудования можно производить в любое время суток, при любой погоде и при отсутствии прямой оптической видимости между реперами. Во-вторых, мониторинг смещений и деформаций можно производить без непосредственного присутствия оператора, так как в данном случае используются полностью цифровые технологии, и приборы работают в автоматическом режиме. В-третьих, в результате мониторинга в заранее заданный момент времени одновременно определяются все три координаты точки стояния прибора; в случае, когда мониторинг ведется тремя или более GPS-приемниками, образуются жесткие пространственные геометрические связи с другими реперами мониторинговой GPS-сети, на которых производятся измерения.
На первом этапе научно-исследовательской работы намечались создание и апробация методики измерений короткопериодных смещений и деформаций с использованием GPS аппаратуры геодезического класса, а также методики обработки и интерпретации результатов измерений. Данная методика должна обеспечивать долговременное непрерывное измерение смещений и деформаций массива с заданным уровнем дискретности измерений и высокой точностью. При разработке методики измерения короткопериодных деформаций массива была предпринята попытка использования существующих наработок по проблеме непрерывного мониторинга состояния массивов и инженерных сооружений с использованием систем спутниковой геодезии. К этому времени уже были известны работы по мониторингу деформаций как природных объектов, таких как оползни (система GOCA) [12], так и крупных инженерных сооружений, таких как протяженные мосты и другие линейные сооружения [13, 14], при мониторинге которых также были выявлены короткопериодные движения земной поверхности с периодом в сутки и короче, особенно четко проявляющиеся вблизи разломных зон. Эти программно-аппаратные комплексы измеряют смещения и деформации исследуемых объектов и конструкций в системе реального времени (RTK - Real Time Kinematics) и в основном служат для раннего оповещения персонала о критических деформациях, возникающих в них. Конструктивно наблюдательные станции представляют собой сеть стационарно установленных RTK GPS-приемников c постоянными каналами кабельной и радиосвязи, постоянно передающих данные измерений на центральный компьютер, который в автоматическом режиме ведет расчет сдвижений и деформаций. Точность определения величин смещений подобного рода системами составляет 2-10 мм в зависимости от используемого оборудования.
Однако от подобного опыта измерений пришлось отказаться по нескольким причинам. Рассмотренные наблюдательные станции подобной конструкции стационарны на весь период эксплуатации сооружения или существования природного объекта, лишены мобильности, требуют наличия развитой инфраструктуры, систем кабельной и радиосвязи, центрального диспетчерского пункта, что сильно удорожает стоимость проведения мониторинговых работ. В нашем случае для оценки динамики напряженно-деформированного состояния массива нет необходимости получения данных в режиме реального времени, все расчеты и интерпретацию результатов измерений можно производить в постобработке, однако имеется необходимость в мобильности и относительной низкой стоимости выполняемых работ.
В разработанной методике непрерывного мониторинга короткопериодных деформаций массива использовался мобильный комплект GPS-аппаратуры геодезического класса фирмы Trimble Navigation. Характеристика системы GPS и применяемого оборудования кратко дана в работах [9, 15]. Точность автономного определения пространственных координат при использовании одночастотного GPS-приемника составляет в настоящее время около 2-3 метров, что неприемлемо для геодезической практики вообще, а для определения смещений в геомеханических задачах в особенности. Как было отмечено выше, в решаемой задаче точность измерения смещений двух точек друг относительно друга должна быть в пределах 2-3 мм. Требуемую точность определения координат обеспечивает технология дифференциальной GPS, когда одновременно работает 2 или более приемника, установленных на разных точках, ограничивающих измеряемый отрезок. В этом случае один приемник считается базовым (неподвижным), а остальные - определяемыми (движущимися). Одновременная работа минимум двух приемников позволяет определить величину ионосферной и тропосферной поправки, компенсирующей искажение спутниковых радиосигналов при прохождении их через ионосферу и тропосферу Земли. Главным условием работы в режиме дифференциальной GPS является обеспечение одновременного приема сигналов от одних и тех же спутников обоими приемниками. В проводимых исследованиях принимало участие 4 и более приемников Trimble, ведущих одновременную работу на исследуемых интервалах. При последующей попарной обработке это обеспечивает измерение смещений и деформаций одновременно по 6 и более отрезкам на местности. Накопление данных от спутников производилось в один непрерывный файл данных, который при выполнении последующей камеральной обработке соответствующим образом "нарезался". То есть, результаты, выдаваемые на печать через дискретные интервалы, представляли собой усредненные значения смещений за этот промежуток времени. Обеспечение высокой точности определения смещений GPS-технологиями достигалось за счет тщательного планирования спутниковых наблюдений. Выполнение этих требований обеспечивает определение взаимного положения двух приемников с точностью не ниже 2-3 мм. Эта точность подтверждалась на специальных базисах, оборудованных стационарными пунктами с известными координатами.
Камеральная обработка полевых измерений проводится с использованием пакетов фирменного программного обеспечения GPSurvey и TGOffice, поставляемых с GPS приемниками фирмы Trimble Navigation, программного комплекса Gamit, использующего при обработке измерений глобальных GPS-сетей, а также дополнительного пакета авторских программ, значительно расширяющих возможности самого комплекса. На первом предварительном этапе камеральных работ производилось преобразование файлов данных с непрерывными измерениями в файлы данных с дискретными измерениями. То есть непрерывный массив данных принудительно разделялся на точки измерений и каждой точке присваивался собственный уникальный идентификатор. Данное преобразование осуществлялось на основании существующего нормативного документа [16]. По результатам обработки полученных данных вычисляются вектора между точками и их компоненты (длина вектора, превышение, компоненты Север-Юг и Запад-Восток). Также на этом этапе, по результатам внутреннего контроля, производится отбраковка некачественных измерений. По изменениям величин компонент векторов определяются величины смещений и деформаций соответствующих интервалов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, их амплитуды и строятся графики изменения этих величин. В дальнейшем по эти данным производится анализ напряженно-деформированного состояния экспериментального участка. Более подробно методика измерений короткопериодных смещений и деформаций с использование GPS аппаратуры геодезического класса, а также методики обработки и интерпретации результатов измерений приведены в работе [17].
Разработанная методика была впервые опробована летом 2000 г. на сургутском полигонном участке, где ранее специалистами "Сургутгеоэкологии" производились определения короткопериодных деформаций массива контактными способами. Основной целью экспериментальных работ было опробование разработанной методики в полевых условиях, определение величин короткопериодных деформаций разломных зон на эталонном участке и сопоставление их с измеренными ранее величинами деформаций.