Методика георадиолокационного зондирования (PDF, 186КБ)

Методика георадиолокационного зондирования
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ георадара основан на излучении широкополосных
наносекундных импульсов, приеме сигналов, отраженных от границ раздела пород или
иных отражающих объектов, обработке принятых сигналов и последующим измерением
временных интервалов между отраженными импульсами. Формирование зондирующих
сигналов, имеющих 1.5-2 периода колебаний, осуществляется методом ударного
возбуждения антенны перепадом напряжения с фронтом наносекундной длительности.
Идея метода состоит в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации
сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные
электрофизические свойства. Основная цель метода состоит в определении положения
границ раздела в изучаемых отложениях. Такими границами раздела в исследуемых
средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами
(уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава,
между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и рыхлыми породами и т.д.
Модель среды представляется в виде слоистой толщи с постоянными электрофизическими
свойствами внутри каждого слоя и локальных объектов, отличающихся по
электрофизическим свойствам от вмещающей породы.
Наиболее важными параметрами, характеризующими возможности применения метода
георадиолокации в различных средах, являются удельное затухание и скорость
распространения электромагнитных волн в среде, которые определяются ее
электрическими свойствами. Затухание определяет глубинность зондирования, скорость расстояние до отражающей границы.
Скорость распространения электромагнитной волны в среде зависит от ее
диэлектрической и магнитной проницаемости, но для большинства горных пород
значение магнитной проницаемости около 1 и не зависит от частоты поля. Тогда скорость
в среде прямо пропорциональна скорости электромагнитной волны в воздухе и обратно
пропорциональна корню из диэлектрической проницаемости среды. В таблице 1
представлены значения диэлектрической проницаемости и скоростей для некоторых
пород и веществ.
Таблица 1
Eотн
V, см/нс
L (f=100 МГц), м
воздух
1
30
3
лед
3
17
1.7
песок сухой
5
13
1.3
глины
16
7.5
0.75
вода
81
3.3
0.3
Максимальный контраст в диэлектрических проницаемостях между воздухом (1) и водой
(81), их соотношение в породе и будет, в основном, определять диэлектрическую
проницаемость слоя. Не влагонасыщенные, сухие, монолитные, слабо трещиноватые
породы будут иметь низкие значения диэлектрической проницаемости, а
влагонасыщенные, проницаемые, пористые, трещиноватые породы будут иметь высокие
значения диэлектрической проницаемости и низкие значения скорости распространения
электромагнитных волн.
В сейсморазведке скорости определяют по годографам отраженных волн. В радиолокации
таким способом определить скорости очень трудно. Электромагнитные волны быстро
затухают и регистрировать сигналы при большом расстоянии между источником и
приемником практически невозможно. Реальные скорости можно определить либо
используя априорную информацию о строении разреза, либо по дифрагированным
волнам, возникающих на неоднородностях разреза. Таким образом, для пересчета
временного георадиолокационного разреза (разреза в масштабе времени) в глубинный
необходимо использовать либо данные бурения, либо справочные материалы и базы
данных по районам работ с близким геологическим строением, либо значения скорости,
полученные по годографам дифрагированных волн. Распространение электромагнитных
волн в первом приближении подчиняется законам геометрической оптики.
Отражение электромагнитных волн (рис.1) Коэффициент отражения при нормальном
падении волны на границу двух сред 1 и 2 с различной диэлектрической проницаемостью
будет:
Рис. 1 Схема образования электромагнитной волны от наклонной границы раздела
сред с разными диэлектрическими проницаемостями? : а) глубинный разрез; б)
временной разрез.
Дифракция электромагнитных волн (рис.2) Это явление возникает в том случае, когда
электромагнитными волнами облучается объект, размеры которого сравнимы с
преобладающей длиной волны.
Рис. 2. Схема образования дифрагированной электромагнитной волны от провала,
залегающего на глубине Н: а) глубинный разрез; б) временной разрез (пунктиром
показан годограф волны).
Это чрезвычайно важное для георадиолокационных исследований явление, которое
позволяет определить глубину залегания пластов, провалов и скорость распространения
электромагнитных волн в среде над пластами и провалами.
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ГЕОРАДАРНЫХ ДАННЫХ
Волновая картина (радарограмма) представляет собой ансамбль записей сигналов (трасс),
пришедших к приемной антенне в интервал времени от 0 – момента посылки
зондирующего импульса, до конца интервала записи (развертки), выставленного
оператором. Горизонтальная ось X ось профиля в метрах. Начальные точки трасс
располагаются на этой оси с тем шагом, с которым они были записаны на профиле.
Вертикальная ось волновой картины – ось времени с началом t = 0 – моментом посылки
зондирующего импульса и концом tmax, соответствующим концу интервала записи
(развертки). Радарограмма отображена методом переменной плотности, т.е. когда нулю
амплитуды сигнала соответствует серый фон, положительным амплитудам соответствуют
все боле темные тона вплоть до черного, а отрицательным амплитудам сигнала
соответствуют все более светлые тона вплоть до белого.
Ось синфазности – линия равных фаз одинаковых сигналов на соседних трассах.
Например, линия, соединяющая максимумы (минимумы) волны дифракции от
трубопровода и т.д. С помощью выделения таких линий строится изображение объекта
исследований на волновой картине. В случае отражающей границы ось синфазности
практически повторяет ее форму и при знании скорости распространения волн в среде
(или диэлектрической проницаемости) может быть перестроена непосредственно в
отражающую границу в масштабе глубин.
В случае дифракции от локального объекта, например, трубопровода, ось синфазности
имеет форму гиперболы, с помощью которой можно определить глубину до
дифрагирующего объекта и скорость распространения волн в толще пород над объектом.
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ГЕОРАДАРА
Основные задачи, решаемые с помощью георадара, можно разделить на несколько групп:
Обследование зданий и сооружений.
•
•
•
•
•
•
•
•
осуществление поиска в монолитных конструкциях арматуры и электрических
кабелей
определение мощности фундамента, толщины стен, характера армирования
определение состояния фундаментов и строительных конструкций действующих
сооружений (взлетно-посадочных полосы аэродромов, шоссейные дороги, мосты,
фундаменты зданий и т. д.).
определение мест фильтрации и просачивания воды
локализация трещин
поиск свай под фундаментом строящихся зданий
оценки эксплуатационной надежности зданий и сооружений, в т.ч. при
реконструкции
обследование внешних стен здания
Изучение геологических разрезов грунтов.
•
•
•
•
выявление аномальных зон рядом и под зданиями и сооружениями: карстовых
пустот, плывунов, зон локального увлажнения грунта и пр.
выявление пустот, вкрапление менее плотного вещества разуплотнения грунта и
др. в результате геологических изменений или техногенного воздействия
контроль состояния грунта под автомобильными дорогами и железнодорожным
полотном
выявление и оконтуривание участка утечки воды из подземных коммуникаций
Поиск и локализация подземных коммуникаций.
•
•
•
•
поиск и локализация незарегистрированных подземных объектов и коммуникаций
картографирования подземных коммуникационных сооружений (прокладки
кабелей, трубопроводов, тоннелей)
обнаружение полостей, заполненных насыпными грунтами
обнаружение остатков фундаментов коммуникаций и других объектов в зоне
разреза
Обследование бассейнов.
•
•
определение арматуры в стенах и основании бассейна
выявление трещин и повреждений, образовавшихся в результате повреждения
гидроизоляции бассейна
Решение археологических задач.
•
•
•
•
•
•
•
выявление остатков фундамента и стен в грунте
обнаружение локальных объектов в зоне планируемого раскопа
картирование геологических структур - поверхности коренных пород под
рыхлыми осадками;
прослеживание уровня пластов, границ между слоями с различными
характеристиками
определение мощности пластов
определение зон суффозии
выделение русел ручьев, рек и оврагов, заполненных техногенными отложениями и
наносами разрушенных пород
Использование в криминалистике и таможенных органах.
•
•
обнаружение скрытых объектов и тел, локализация пустот в стенах и под полом
обнаружение контрабандных вложений в однородных грузах
Охрана окружающей среды.
•
•
выявления и картографирования подповерхностных зон скоплений нефтепродуктов
в результате утечек из мест их хранения и транспортировки и других
экологических аварий
Обследование полигонов промышленно-технических и бытовых отходов.
Гидроэнергетика.
•
•
контроль уровня грунтовых вод в промышленных и населенных пунктах
(состояния подтопления)
определение толщины льда, глубины и профиля дна рек и озер
АППАРАТУРА МЕТОДА ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ
Георадарная съемка проводится методом профилирования георадаром с нужной
центральной частотой. Георадиолокационное профилирование осуществляется при
непрерывном движении с постоянным расстоянием между источником возбуждения
электромагнитных волн и приемником. Для привязки данных к профилям в процессе
измерений на характерных точках ставятся метки (на компьютере в файле данных) с
определенным периодом.
При производстве работ выбираются следующие параметры:
•
Режим работы аппаратуры:
o центральная частота возбуждаемого сигнала - тип антенны;
o временной интервал записи;
o регулировка усиления;
o фильтрация;
o число накоплений сигналов при записи;
o шаг между трассами для заданного диапазона.
•
Способ перемещения источника и приемника по профилю:
o постоянная или переменная база - расстояние между источником и
приемником;
o антенны перемещаются по поверхности грунта;
o скорость перемещения – зависит от накопления и шага между трассами.