О применимости георадаров в геологии

О применимости георадаров в геологии

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. 

Получение не плохих результатов георадарной съемки возможно при хорошей однородности состава верхней части разреза, отсутствии грунтовых вод, или при УГВ ниже изучаемых объектов.