Георадиолокация – это геофизический метод, помогающий исследовать строение подповерхностной среды в таких областях, как геология, сельское хозяйство, строительство, археология и др. Здесь рассматривается применение этого метода по материалам статьи Х.Р.Р. Кампоса, П. Видаль-Торрадо и А.Х. Модоло «Использование георадара для изучения пространственной изменчивости и стратиграфии почв и подпочвенных грунтов» [5], опубликованной в 2019 году в бразильском журнале Engenharia Agricola. Указанные авторы являются бразильскими учеными из Федерального технологического университета штата Парана и Высшего аграрного училища имени Луиса ди Кейроса. Их статья [5] посвящена использованию георадиолокации для детального расчленения разреза речных отложений на глубину примерно до 5 м. С точки зрения рецензента, ее достоинством являются приведенные результаты съемки с разнесенными источником и приемником методом общей средней точки (съемку по такой методике необходимо проводить всегда, когда в разрезе наблюдается изменение влажности).
Георадиолокация (подповерхностное радиолокационное зондирование от англ. ground-penetrating radar, GPR) – это неразрушающий и экономичный метод исследований и контроля, обеспечивающий достаточно высокое разрешение. Он основан на излучении в исследуемую среду сверхкоротких электромагнитных импульсов радиодиапазона с последующим приемом и фиксацией сигналов, отраженных от границ раздела между материалами с разными электрофизическими свойствами, при расчете промежутка времени между излучением и приемом волн. Исследуемыми средами могут быть грунт, бетон, кирпичная кладка или другие материалы.
Полученные данные регистрируются и обрабатываются с помощью программного обеспечения, которым снабжен прибор, или позже в камеральных условиях. Однако георадиолокационный профиль является лишь волновой картиной, а не непосредственным изображением геологического разреза и требует интерпретации опытным геофизиком. Причем георадарное зондирование обычно выполняют либо в качестве предварительного обследования, либо в комплексе с другими методами, например бурением, сейсморазведкой, электроразведкой или др.
Рис. 1. Расположение изучаемого района [5]
По всей исследуемой территории ведется постоянное наблюдение за динамикой потоков подземных вод и их химическими и физическими характеристиками. Осуществляется мониторинг с помощью пьезометров и сейсмических датчиков, установленных в почве и подпочвенных грунтах на разной глубине (авторы статьи [5] не уточняют детали проведения этих измерений). Указанные устройства ограничивают возможности рытья шурфов, бурения скважин или использования других инвазивных методов для изучения подземных потоков. И в данном случае георадарное зондирование оказалось наиболее ценным методом для исследований грунтовых разрезов. Целью работы [5] была оценка применимости результатов использования георадара при изучении пространственной изменчивости и стратиграфии почв и подпочвенных грунтов в указанном районе.
Полевые исследования выполнялись по профилю длиной 79 м, проходящему практически поперек поймы – от берега реки Элизабет-Крик до начала склона холма (рис. 2, а). При этом выполнялись три вида профилирования:
Все антенны, использованные в исследовании, были изготовлены компанией Mala Geoscience.
Рис. 2. Георадарное зондирование в бассейне реки Элизабет-Крик в штате Нью-Джерси США [5]: а – место измерений; б – профилирование с использованием метода общей глубинной (средней) точки; б – профилирование с постоянным расстоянием между антеннами
После окончания полевых работ для удаления неинформативных и усиления информативных сигналов георадарограммы были обработаны с использованием ряда стандартных методов цифровой фильтрации, доступных в программном обеспечении Reflex 2D (при этом для топографической коррекции использовались данные, собранные с помощью тахеометра).
На основе обработанных записей с использованием времени запаздывания отраженных сигналов и расстояния между антеннами определялись линейные регрессии, по обратным величинам наклона которых рассчитывались скорости распространения волн в разных слоях грунта. Диэлектрическую проницаемость различных материалов рассчитывали с использованием формулы:
Рис. 3. Для дистальной части поймы [5]: а – скоростной разрез; б – георадарограмма, полученная с использованием метода общей глубинной точки; в – стратиграфия, выявленная с помощью зондирования и определения характеристик образцов
Скорость распространения электромагнитной волны v во втором от поверхности (56–110 см) слое была выше, чем в первом, и составила 0,047 м/нс, а диэлектрическая проницаемость εr оказалась ниже (39,87). Это свидетельствует о снижении содержания воды и органических веществ.
В третьем слое величина v немного уменьшилась (до 0,041 м/нс), в то время как значение εr выросло до 52,41, что указывает на дальнейшее увеличение содержания воды.
Четвертый слой (122–160 см) показал сильное сходство со вторым, потому что параметры v и εr в нем имели примерно такие же величины.
Вариации, наблюдаемые в следующих по глубине слоях, были ниже, чем в первых четырех, потому что это уже были коренные породы (алевролиты).
Данные по шести исследованным слоям представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики стратиграфических слоев в пределах дистальной части поймы в бассейне реки Элизабет-Крик (штат Нью-Джерси, США) [5]
Рис. 4. Для проксимальной части поймы [5]: а – скоростной разрез; б – георадарограмма, полученная с использованием метода общей глубинной точки; в – стратиграфия, выявленная с помощью зондирования и определения характеристик образцов
Верхний слой грунта (0–40 см, первая отраженная волна на рис. 4, а) показал более низкие величины v (0,036 м/нс) и более высокие значения εr (69,44), чем другие слои (таблица 2) из-за большого содержания воды и органики, поскольку высокий электрический заряд и значительная водоудерживающая способность органического вещества оказывают большое влияние на ослабление сигнала георадара.
Таблица 2. Характеристики стратиграфических слоев в пределах проксимальной части поймы в бассейне реки Элизабет-Крик (штат Нью-Джерси, США) [5]
Рис. 5. Георадарограммы, полученные в пойме реки Элизабет-Крик (шт. Нью-Джерси, США) с помощью георадарного профилирования [5]: а – с разнесенными антеннами на частоте 100 МГц с постоянным расстоянием между ними; б, в – с экранированными антеннами на 250 и 500 МГц соответственно (с точки зрения рецензента, минусом работы [5] является неоднозначная интерпретация георадиолокационных разрезов, полученных с антеннами разных частот, в результате чего на одном профиле с разными антеннами были получены разные разрезы. – Ред.)
По полученным георадарограммам можно было различить три георадарных комплекса.
Комплекс 1 (E1 на рис. 5) – в начале пологого склона, где преобладают маломощные и слаборазвитые почвы (например, такие типы почв по классификации, принятой в США, как инцептисолы и энтисолы).
В комплексе 2 (E2 на рис. 5) в дистальной части поймы имеется более мощный слой почвы с высоким содержанием воды, органических веществ и глины, что благоприятно для образования моллисолов (по классификации США). Эти особенности типичны именно для дистальной части поймы в изучаемом месте, поскольку ее высотные отметки немного ниже по сравнению с окружающими участками.
Комплекс 3 (E3) в проксимальной части поймы является более многослойным и сформированным в результате отложения различных осадков – от богатых органикой/глиной до песчаных, приносимых рекой. Преобладающими почвами в этой части являются энтисолы (по классификации США).
Использованная авторами статьи [5] георадиолокационная система показала достаточно хорошую точность работы при изучении пространственной изменчивости и стратиграфии почв и подпочвенных грунтов в пойме реки Элизабет-Крик в штате Нью-Джерси США. Однако там, где органическое вещество встречалось вместе с глиной, например на дистальных участках поймы, невозможно было четко различать сигналы от каждого из этих разных материалов.
При этом Кампос и соавторы в своей работе [5] подчеркнули, что, хотя в целом полученные результаты были удовлетворительными, они недостаточны. На основе дальнейших подобных исследований георадиолокация могла бы стать еще более применимой, например в таких областях, как ирригация и анализ сельскохозяйственной пригодности земель.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку