Ситуация с георадиолокацией, или еще называют “подповерхностной радиолокацией”, достаточно неоднозначна. Известный довольно давно, как метод радиолокационного зондирования (РЛЗ), он интенсивно развивается в последнее время, в основном за счет аппаратурной и программной проработки: появляются все больше типов георадаров и программ для них. Теории метод не имеет со времен первых исследований, т.е. более полувека. За основу взята геометрическая модель собственно радиолокации, с некоторыми оговорками. Обработка сигналов скопирована, в основном, из сейсморазведки МОВ, методики нет, как таковой. При всем этом, метод георадиолокации хорош своим визуальным отображением и кажущейся простотой интерпретации, что и снискало ему такую популярность, в основном у кладоискателей и сантехников.
Принцип работы георадара довольно прост:
С помощью ВЧ-излучателя (антенны) создается короткий одиночный (видео), или заполненный радиочастотой, импульс.
Отраженный эхосигнал регистрируется этой же “совмещенной” антенной, либо отдельной приемной.
Глубина до отраженной границы определяется, в первом случае:
| h = (vt)/2 |
во втором: |
h = [(vt)2
-(d/2)2
)]1/2
|
v – скорость распространения волнового сигнала в перекрывающем слое,
t – время прихода эхосигнала,
d – расстояние между приемной и передающей антенной.
Основная проблема в том, что мы не знаем значения v скорости волны !!! Земля - неоднородная среда, скорость распространения волны в ней является сложной функцией от диэлектрической (e ) и магнитной проницаемости (m ), удельного сопротивления (r ) среды, а так же от частоты сигнала (w ):
V = V (w , e , m , r )
Полученный, таким образом, набор эхосигналов по профилю, можно назвать, по аналогии с сейсморазведкой – “временным” разрезом. Для перевода его в глубинный разрез проводят “пристрелку” на известных, по данным бурения, профилях. Однако и это не дает точной информации, т.к. не учитывает изменение перечисленных параметров, а соответственно и скорости с глубиной. Наиболее сильно влияет на скорость волны диэлектрическая проницаемость (e ), порой используют даже приближенную формулу:
V »c /(e отн
)1/2
с = 300 м/мкс (скорость электромагнитной волны в вакууме).
e отн
– относительная диэлектрическая проницаемость.
Учитывая, что e отн
(воздуха) = 1 , а e отн
(воды) = 80 (см. табл.1), можно понять, что в зависимости от влажности грунта можно получить расхождение по скорости (и по определяемой глубине) в несколько раз !!! Например, после дождя.
Вторая проблема заключается в экспоненциальном затухании радиоволн в земле, в зависимости от расстояния r и перечисленных выше параметров:
L = exp [ f(w , r , e , m )r ]
Здесь более существенную роль играет электропроводность среды: чем ниже удельное сопротивление (r ) среды, тем сильнее затухает сигнал и тем меньше глубинность съемки. Надо вспомнить, что первым применением метода радиолокационного зондирования была ледовая разведка. Лед обладает очень высоким r = 105
¸ 108
Ом*м , что позволяет исследовать его на значительную глубину. Для приблизительной оценки ослабления сигнала пользуются таблицами удельного затухания радиоволн d (в дБ/м) заданной частоты, для разных сред (см. табл.1). Зная динамический диапазон (D) георадара можно подсчитать его максимальную глубинность для сред с ожидаемым максимальным затуханием:
hmax
» D/d max
Табл.1 Электромагнитные свойства некоторых сред на частоте 100 Мгц.
| Среда, горные породы |
r , Ом*м |
e отн
|
d , дБ/м |
v, м/мкс |
Воздух
Пресная вода
Морская вода
Лед пресный
Лед морской
Почва сухая
Почва влажная
Почва очень влажная
Торф
Обводненные песчанники
Вулканиты, мерзлые осадочные породы
|
¥
>1000
<0,25
105
-108
<1000
до 6000
100
25
до10
30
>104
|
1
80
80
2,9-3,3
3,5
3-4
9
15
до 60
7
5
|
0
0,2-2
10-300
0,01-0,5
5-40
0,1-0,5
1-2
15-40
2-30
20
< 0,01
|
300
33
33
160-180
130-180
150-170
100
80
35-45
110-120
110-130
|
Другим фактором глубинности является частота сигнала георадара. С повышением частоты, при прочих равных условиях, глубина зондирования снижается (см. табл.2). Для применения в геологии подойдут “низкочастотные” варианты: f = 25 ¸ 150 Мгц, позволяющие исследовать до глубин 10-30 метров, с разрешением 1-2 метра.
Табл.2. Глубина зондирования георадаров, в зависимости от частоты.
Частота георадара
(МГц)
|
Глубина зондирования
до (м)
|
Разрешение
(м)
|
25
50
100
150
250
500
700
900
1500
|
25-30
20-25
15-20
10-12
7-8
4-5
2-3
1-2
0,5-1
|
2-3
2
1-1,5
0,5-1
0,25-0,5
0,15-0,35
0,1-0,25
0,1-0,2
0,05-0,1
|
Контрастность выделения границ в записи определяется коэффициентом отражения сигнала. Наиболее хорошими отражателями электромагнитных волн являются проводники (металлы). Коэффициент отражения границы раздела диэлектрик-проводник может достигать 98%, это обеспечивает высокую амплитуду эхосигнала, и объясняет успех георадаров и их популярность для поиска металлических предметов в археологии, инженерных работах и у военных. Для диэлектриков и полупроводников, какими являются большинство горных пород, при определении коэффициента отражения, можно пользоваться приближенной формулой:
R » [(e 1
/e 2
)1/2
– 1]/ [(e 1
/e 2
)1/2
+ 1]·100%
Из нее следует, что отражение от границы раздела двух сред будет тем выше (и заметнее в записи), чем сильнее объекты отличаются по диэлектрической проницаемости. Применительно к геологии, это могут быть:
- граница коренных пород под осадочными отложениями,
- уровень грунтовых вод (УГВ),
- сульфидная минерализация в скальных породах.
Выводы:
Применение георадаров в геологии сильно ограничено, вследствие неоднородности среды и малых глубин исследования (до 10-30 м).
При использовании георадиолокационной съемки необходимо привлекать всю доступную априорную информацию о разрезе, в комплексе с другими геофизическими методами. Перед началом работ провести тщательные опытно-методические работы, в процессе работ использовать постоянный контроль.
Количественная интерпретация, в большинстве случаев, невозможна. Получаемые материалы носят сугубо качественный характер.
Возможные задачи в геологии, для привлечения георадиолокации:
Картирование поверхности коренных пород под чехлом рыхлых отложений в аридных областях.
Определение границы уровня грунтовых вод (УГВ), поиск воды в засушливых районах, исследование ювенильных вод в скальных массивах.
Прослеживание направления и границ распространения сплошных и вкрапленных сульфидных руд в горных выработках. Выявление неоднородностей массивов.
Исследования мерзлотных разрезов, мониторинг оттайки.
Поиск карстов и зон трещиноватости в известняках.
Поиск пропущенных самородков, после гидромониторной отработки россыпных месторождений.
Поиск палеорусел рек, перекрытых четвертичными отложениями.
|