Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование распространения сверхширокополосного импульсного сигнала в диэлектрике с дисперсией 23
1.1. Постановка задачи 23
1.2. Модели параметризации диэлектрической проницаемости 27
1.3. Преобразование Лапласа исходной системы уравнений 32
1.4. Распространение сигнала в однородном диэлектрике 33
1.5. Результаты численного моделирования 37
1.6. Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными 43
Выводы главы 1 51
Глава 2. Исследование взаимодействия сверхширокополосного импульсного сигнала с диэлектриком, имеющим проводимость 54
2.1. Параметризация функции диэлектрической проницаемости с учётом проводимости 54
2.2. Поляризация, учитывающая только проводимость 57
2.3. Поляризация, учитывающая проводимость и инерцию 66
2.4. Примеры экспериментальных работ 74
Выводы главы 2 81
Глава 3 Сравнение результатов, полученных различными способами зондирования одних и тех же сред, с георадиолокационными данными 85
3.1. Конструктивные особенности георадаров «ГРОТ» 85
3.2. Технические характеристики георадаров ГРОТ 12 и ГРОТ 12Е 86
3.3. Сравнение результатов георадарного зондирования с результатами зондирования другими способами и области эффективного применения георадарного зондирования 88
3.3.1. Экспериментальное сопоставление методов георадиолокации и сейсмоакустического зондирования 88
3.3.2. Сопоставление георадиолокации с методами электротомографии и становления поля 94
3.3.3. Натурные эксперименты по обнаружению и идентификации трещинных неоднородностей грунта 100
Выводы главы 3 117
Заключение 119
Список литературы
- Модели параметризации диэлектрической проницаемости
- Распространение сигнала в однородном диэлектрике
- Поляризация, учитывающая только проводимость
- Сравнение результатов георадарного зондирования с результатами зондирования другими способами и области эффективного применения георадарного зондирования
Введение к работе
Актуальность проблемы
Повышение глубины зондирования и увеличение разрешающей способности методов дистанционного исследования природных и техногенных сред, их внутренней структуры и включений не теряет своей актуальности много лет. Среди известных геофизических методов наиболее универсальными, информативными, экологически чистыми и определяющими перспективу развития морской, сухопутной и скважинной геологоразведки являются волновые методы: сейсмическое и электромагнитное зондирование. От других геофизических методов оба эти метода отличаются высокой пространственной информативностью и структурой получаемых данных.
На практике, в георадиолокации, в исследуемую среду передающей антенной посылается электромагнитный импульс, а приемной антенной воспринимается отклик среды - совокупность волн, отличающихся друг от друга временами пробега, интенсивностью и формой. В характеристиках этих волн и содержится практически вся существенная информация о среде, которую можно получить с помощью электромагнитного зондирования. Для георадиолокации это удвоенные времена пробега электромагнитных волн до границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью, информация о потерях, связанных с токами проводимости, информация о дисперсии фазовых скоростей в среде.
Кинематика и динамика волнового поля и для электромагнитных волн, и для упругих волн описывается волновым уравнением. При интерпретации результатов наблюдений часто применяются одни и те же кинематические
модели среды. В процессе измерений определяется время задержек, которое для упругих волн, используемых в сейсмическом зондировании измеряется и имеет порядок миллисекунд, а для георадиолокации - наносекунд. Временные масштабы процессов получения информации сейсмического и георадиолокационного зондирования отличаются примерно в миллион раз и требуют разной по быстродействию элементной базы для регистрации и обработки сигналов. Вместе с прогрессом в силовой электронике и микроэлектронике в последние десятилетия быстро развивается наиболее информативный среди всех методов электромагнитного зондирования, обеспечивающий получение наиболее полной и качественной информации о среде - метод георадиолокации.
Объектами приложения современных технологий электромагнитного зондирования являются практически все природные и искусственные среды с низким, умеренным и значительным поглощением электромагнитных волн: гранит, кварцит, известняк, гипс, песчаные грунты, базальты, граниты, суглинки с низкой влажностью, влажные глины, водные объекты, ледники. Также инженерные сооружения (железные и автомобильные дороги, тоннели, бетонные и железобетонные конструкции, жилые и промышленные здания); месторождения твёрдых и флюидообразных полезных ископаемых (нефти, газогидратов и пр.) находящиеся в различных климатических зонах и гидрогеологических условиях, включая вечную мерзлоту.
Важнейшее значение для расширения применения георадиолокации в практике имеет гарантированная глубина зондирования для всех, встречающихся в практике, гидрогеологических условий. Современные георадары позволяют зондировать на глубину 50-150 метров даже высокопроводящие среды.
Амплитуда и форма отраженного импульса зависят от многих факторов, среди которых можно выделить амплитуду и форму начального импульса,
излучаемого антенной, изменение амплитуды и формы сигнала при распространении и изменение амплитуды и формы при отражении импульса. Вопросам изменения амплитуды и формы сигнала при распространении и отражении посвящено большое число работ [1,2,3], в которых учитывается, в частности, трехмерная геометрия реальной ситуации, однако в них не учитывается сверхширокополосность импульса. Работы по учёту диэлектрической проницаемости реальных сред, обладающих частотной дисперсией на процессы отражения и рассеяния сверхширокополосных импульсных сигналов проводились в Институте нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука СО РАН [4] применительно к слоистой среде нефтегазового коллектора. При этом механизм формирования диэлектрической проницаемости среды под действием импульсного источника не рассматривался.
В георадиолокации развиваются два подхода к формированию зондирующего импульса. В одном используются различные квазимонохроматические сигналы, в другом короткие, сверхширокополосные импульсы. Сверхширокополосным считают сигнал, полоса частот которого сопоставима с максимальной частотой его спектра. Описание процессов распространения квазимонохроматических сигналов в приближении геометрической оптики проще и нагляднее и, в абсолютном большинстве опубликованных работ, среда распространения сигнала описывается комплексной диэлектрической проницаемостью с простой зависимостью от частоты излучения со [5]:
є{о),г) = є0(г) + іа(г)/а (1)
где а(г) - проводимость среды в точке с координатами r={x,y,z}. Для описания распространения коротких сверхширокополосных импульсов такой подход представляется слишком упрощённым по многим причинам. Одна из них связана с тем, что в сверхширокополосной импульсной георадиолокации
характерные времена поляризации часто оказываются близкими к характерным временам зондирующих импульсов [6]. Тем не менее, ранее не было дано даже приближенных (модельных) оценок возможного влияния формирующейся дисперсии на свойства электромагнитных импульсов. Поэтому актуальной является проблема учета дисперсии реальных сред в задачах сверхширокополосной импульсной георадиолокации с целью повышения ее точности и информативности. Стоит отметить, что использование сверхширокополосных импульсов достаточно перспективно, так как технически такой импульс легче возбуждать, при этом амплитуда сверхширокополосного импульса может в 10-1000 раз превышать достигаемые на практике амплитуды квазимонохроматических сигналов [7,8].
Цели и задачи диссертационной работы
Основными целями диссертационной работы являются исследование свойств эволюции зондирующего сверхширокополосного импульса в диспергирующих средах для различных приближенных моделей электрической поляризации этих сред, получение первых обоснований важности учета этой дисперсии на основе качественного сопоставления результатов моделирования с экспериментом, оценка эффективности метода сверхширокополосной импульсной георадиолокации на конкретных экспериментальных данных.
Для достижения этих целей ставились следующие задачи:
1. На основе моделирования оценить изменения амплитуды и формы
сверхширокополосного импульсного сигнала в идеальном диэлектрике для трех
распространенных в природе видов диэлектрической поляризации
(электронной, дипольной (ориентационной) и дипольной с инерцией) и в
диэлектрике с учетом проводимости.
2. Выполнить качественное сопоставление этих оценок с
экспериментальными данными для получения первых результатов о
целесообразности учета дисперсии в задачах сверхширокополосной импульсной георадиолокации.
3. Оценить возможности использования современных импульсных георадаров для анализа реальных сред в различных гидрогеологических условиях на основе сопоставления данных георадаров с данными, полученными другими методами.
Научная новизна
Основные результаты диссертации получены впервые. К ним относятся:
1. Получены точные решения задачи распространения
сверхширокополосного импульсного сигнала в однородном диэлектрике в
одномерном приближении для трех распространенных в природе моделей
диэлектрической проницаемости. Они представлены в виде интегралов от
параметров среды и начальных характеристик сигнала, которые решались
численно.
2. На основе этих решений и качественного сопоставления с
экспериментальными данными даны первые оценки важности учета дисперсии
в задачах сверхширокополосной импульсной радиолокации для конкретных
природных сред.
-
Экспериментально показана возможность применения импульсной георадиолокации до глубин 100 и более метров, в том числе на основе сравнения результатов дистанционных методов электроразведки, сейсморазведки и импульсной георадиолокации на одних и тех же объектах, как в условиях полупустынных сухих грунтов, так и вечной мерзлоты.
-
Показано, что резкий передний фронт импульса обеспечивает повышение информативности георадиолокационных данных и улучшает их качество для исследования малоконтрастных объектов. Эта рекомендация по формированию зондирующего импульса получена на основе сопоставления
результатов моделирования и экспериментальных данных для различных природных и техногенных сред.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Показана важность учета дисперсии анализируемых сред в задачах
сверхширокополосной импульсной радиолокации как на основе
моделирования, так и качественного сопоставления результатов моделирования
с данными импульсных георадаров, включая эксперименты в соляных шахтах с
очень низкой проводимостью, которые показали зависимость ослабления
импульса от его длительности.
2. Выявлены особенности вклада проводимости в характеристики
зондирующего сверхширокополосного импульса в средах с дисперсией и дано
качественное подтверждение существования этих особенностей.
3. Показаны возможности импульсного подповерхностного
радиозондирования до глубин 100 и более метров в различных
гидрогеологических условиях на основе анализа экспериментальных данных,
полученных разными методами.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации
Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обоснована с помощью расчетов, сравнением с экспериментальными данными и с исследованиями других авторов. Обоснованность основных результатов подтверждается публикациями в российских и зарубежных журналах, их апробацией на российских и международных конференциях и отзывами российских и зарубежных компаний, активно применяющих аппаратуру и методику интерпретации данных в практической работе.
Практическая значимость работы
Полученные результаты диссертации использовались и могут быть использованы для решения широкого круга задач импульсной георадиолокации. Рекомендации по формированию зондирующего импульса для увеличения разрешающей способности и глубины зондирования могут способствовать созданию импульсных георадаров с улучшенными характеристиками.
В рамках проведенных экспериментов в различных геологических и гидрологических условиях получены данные георадиолокационного импульсного зондирования сред со средним и сильным поглощением с глубин в десятки и сотни метров, подтверждённые другими геофизическими методами и, в том числе, заверенные результатами бурения. Тем самым значительно расширена сфера практического применения метода георадиолокационного зондирования в шахтах и с земной поверхности. Аппаратура и методика интерпретации данных активно используется на многих объектах в России и за рубежом.
Апробация работы
Основные результаты, включенные в работу, докладывались лично и обсуждались на следующих общероссийских и международных конференциях: Генеральная ассамблея Европейского союза геофизических исследований 2013 (EGU General Assembly 2013), Вена, Австрия, 2013; X Международная научная конференция «Информационные технологии в науке, технике и образовании», посвященная 80-летию со дня рождения первого космонавта планеты Ю.А. Гагарина, Пицунда, Абхазия, 2014; Научная конференция «Освоение Арктики -новый виток в развитии отечественной науки и инноваций», Салехард, 2014г.; Всероссийская конференция с международным участием «Арктика - нефть и газ 2015», г. Москва, 2015; V Всероссийские Армандовские чтения, V Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», Всероссийская научная конференция
«Практическая радиолокация», Муром, 2015; Международная конференция по водным ресурсам и окружающей среде (WRE2015), Пекин, Китай, 2015.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 работ, в числе которых 5 статей в реферируемых журналах (4 из списка, рекомендованного ВАК, 1 в зарубежном журнале), 1 монография, созданная в соавторстве, 9 работ в трудах конференций, 1 патент.
Личный вклад автора
Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии. Публикации по теме диссертации написаны в соавторстве. Автор проводила расчёты распространения импульса в модельных средах, принимала участие в экспедиционных работах, получении экспериментальных результатов и их интерпретации, формулировании выводов и обобщений.
Структура и объем диссертации
Модели параметризации диэлектрической проницаемости
Из всех реализаций, лучшие для практической инженерной геофизики и геологоразведки результаты в настоящее время обеспечивают георадары, излучающие и принимающие мощные короткие импульсы без несущей, с длительностью переднего фронта, измеряемого наносекундами. Такой сверхширокополосный моноимпульсный сигнал обладает теоретически оптимальными характеристиками для наземного георадиолокатора. Крутизна переднего фронта такого импульса формирует широкий спектр излучаемых частот, обеспечивая одновременно максимальную глубину зондирования, и максимальное разрешение. Такой импульс, его еще называют видеоимпульсом, можно рассматривать как предельный случай трансформации обычного, квазимонохроматического сигнала из классической, «воздушной» радиолокации: уменьшение частоты несущей увеличивает глубину зондирования, и, одновременно, уменьшение длительности огибающей обеспечивает максимальное разрешение. Несмотря на впечатляющие результаты, достигнутые в зондировании с использованием наносекундных импульсов, теория взаимодействия таких импульсов с реальными природными средами практически не развита. Численные эксперименты, проводимые при существенных упрощениях модели исследуемой среды и математического описания зондирующего сигнала, кардинально не приближают к пониманию процессов взаимодействия зондирующих сигналов со средой и, в конечном итоге, не позволяют формализовать, а, следовательно, и автоматизировать процесс интерпретации экспериментальных результатов. Это затрудняет и значительно замедляет внедрение перспективной технологии импульсного сверхширокополосного электромагнитного зондирования.
Современные теория, методика и способы интерпретации результатов георадиолокации верхней части разреза земной поверхности в основном базируются на макроскопической электродинамике. Это предполагает, что в обозримом будущем, основным инструментом улучшения и развития технологии георадиолокации, будет адекватная физическая интерпретация получаемых результатов на основе решений уравнений Максвелла при условиях максимально приближенных к реальной ситуации.
Перед решением задачи в новой, более широкой постановке, с целью её упрощения, без потери сути, необходимо наложить определенные ограничения на пространственные и временные масштабы изучаемых явлений. Будем предполагать, что минимальные размеры областей пространства настолько больше атомных и молекулярных размеров, что параметры, описывающие среду, являются статистически осредненными. Такими параметрами являются проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемость, с помощью которых формулируются материальные связи с электромагнитным полем. В георадиолокации ограничения, накладываемые на размеры изучаемых сред, определяются размерами неоднородностей и параметрами георадара, формирующими источник электромагнитного излучения и его регистрацию. Атомно-молекулярные размеры определяют в пределах 10"10-10"7м. Минимальные размеры кристаллических включений 10 6 м. Наряду с размерами, ограничивающую роль в макроскопической электродинамике играет время. Различные виды диэлектрической поляризации устанавливаются за время 10"15-10"7 с. Предполагается, что при более медленных процессах взаимодействия диэлектрическая проницаемость совпадает со своими статическими значениями.
В проводящих средах, в растворах электролитов - главных проводниках электричества в горных породах минимальные времена: 10 9- 10"7с.
Следует учитывать и присутствие неоднородностей в реальных геологических средах, наличие жидких и твердых фаз, проводников и т.д., которые приводят к эффектам вызванной поляризации, времена установления которой намного превышают атомно-молекулярные и достигают миллисекунд и секунд [8].
Очевидно, что для адекватной интерпретации георадарных данных, в частности, да и вообще для данных любых систем электромагнитного зондирования, необходимо учитывать характерные времена взаимодействия полей с исследуемой средой и возникающие при этом эффекты, подобные явлениям, сопровождающим взаимодействие электромагнитных импульсов с плазмой.
В работе обсуждается влияние параметров, характеризующих распространение сверхширокополосных сигналов на основе классических представлений об электрофизических параметрах вещества и теории распространения электромагнитных волн в средах под земной поверхностью на характеристики георадара и качество георадиолокационных данных, в частности на глубину зондирования и разрешающую способность. Для иллюстрации теоретических результатов и результатов численного моделирования представлены экспериментальные данные георадарного исследования подповерхностных грунтов в различных областях промышленности: геологоразведки месторождений твёрдых полезных ископаемых, экологического мониторинга, инженерной геологии и т. д. с помощью георадаров модельного ряда «ГРОТ».
Рабочий диапазон частот различных моделей георадаров «ГРОТ» обычно лежит в пределах 15-2000 МГц (МГц = 106Гц), что соответствует во временном диапазоне периодам электромагнитных волн 10 6- 10"9с. При этом характерные длительности импульса передающей системы составляют 1-50 не (1нс=10"9с). Очевидно, что для реальных горных пород диэлектрическая проницаемость для таких частот не будет совпадать со своим стационарным значением [8] и все характерные значения, определяющие амплитуды, крутизну фронтов, длительность импульсов и частоту их следования, находятся во временном
Распространение сигнала в однородном диэлектрике
Именно это представление считается общепринятым и используется в большинстве моделей. Но оно не может объяснить экспериментального факта повышения доли высоких частот в отраженных сигналах.
Попытаемся оценить частоту соударений теоретически. Воспользуемся моделью идеального газа. Поскольку в газе молекулы движутся хаотически, а в жидкости и твердом теле - более упорядоченно, то реальная частота соударении должна быть меньше этой оценки. Для газа / , где п - число сталкивающихся частиц в единице объема, v - средняя скорость заряженных частиц, s - эффективное сечение соударений. Эффективный диаметр молекул порядка 10 [26], соответственно сечение соударений с нейтральными частицами «10 см2 Средняя скорость v-л/kl /т где -1.4-10 Дж/К (постоянная Больцмана), = 200 К т = 20 -1.7-10 кг (будем считать характерный атомный вес равный 20). Тогда kT/m 105 м2 /сек2 и v 300м/сек=3 104 см/сек - примерно скорость звука в воздухе. Число частиц при плотности 1г/см3 равно примерно 3 1022 см"3. Отсюда для частоты соударений получим верхнюю оценку / сек . Однако насколько эта оценка уменьшится при учете упорядоченности движения молекул в жидких и твердых телах совершенно неясно. Можно попытаться использовать представление (2.1.5) в качестве эмпирической параметризации ДП, как наиболее простое и естественное расширение общепринятой модели на основании экспериментальных данных о спектрах отраженных сигналов.
Зависимость действительной (сплошная линия) и мнимой (точки) частей ДП от частоты ш = Ьпр при Є =А, 0- = 0.25 (j)u(T = 4 (2). л =0 Обратим внимание, что в этом случае особая точка при s не является существенно особой точкой подынтегральной функции V(t,x) = - [J—e - p & 9 (2.2.1) 7ГІІІ + П П если понимать под существенно особой точку, в любой окрестности которой можно найти любые значения функции. Это связано с тем, что при F показатель экспоненты Р . Подынтегральная функция стремится к / 4-1/2 Р) и интеграл по окрестности особой точки стремится к нулю при стягивании контура интегрирования к точке. Таким образом, интеграл (2.2.1) сводится к интегралу по разрезу. Отсутствие вычета в нуле является математическим следствием того обстоятельства, что проводник качественно иначе реагирует на статическое поле, чем диэлектрик.
Для монохроматической волны пространственное распределение поля описывается множителем \ ) (2.2.1). Поэтому наиболее адекватной характеристикой, описывающей затухание волны, является удельное затухание Г = -й Ьпл(рис2.2).
При пх истинное значение поля оказывается меньше, чем в УТ приближении. С точки зрения уравнения теплопроводности коэффициент Со определяется тепловым потоком, вошедшим через границу в начале процесса. Однако при малых временах уравнение теплопроводности не справедливо и теоретическое определение Со затруднительно. Он определяется численно, из сравнения УТ приближения с точным решением.
Далее, при графическом представлении результатов используется логарифмическая шкала. В представлении результатов в георадарах ГРОТ-10 и ГРОТ-11 использовалась квазилогарифмическая шкала, которая соответствовала оцифровке данных [27]. Границы значений функции показаны штриховыми линиями, соответствующими интервалам (0,1) для чисто положительных полей или (-1,1) для знакопеременных полей. t=A
На рисунках 2.3, 2.4 показано поле в однородном диэлектрике при падении на него "ступеньки" (функции Хевисайда). Это поле описывается функцией Рис.2.2.4 соответствует значению = 0.25 рис.2.2.5 - значению с = 4 Однако для определения функции при всех значениях G достаточно рассчитать ее при каком-нибудь одном значении, например при 7 = . Это следует из инвариантности (2.2.1) (или (2.2.2), (2.2.3)) относительно линейных преобразований переменных t, х, р, сохраняющих безразмерные величины , ох а Р постоянными. Если обозначить функцию \ рассчитанную при заданном значении & как J \ то указанную инвариантность можно сформулировать соотношением V(o; t, х) = V(l, ох,ох) (2.2.8) Например, У(4;Щх) = У(\А0Ах) = У(025,ШЛ6х) чт0 чт0 график на рис.2.2.5 изображающий при = Ю совпадает при наложении с графиком ,х) при = 1о0 на рис.2.2.4. Можно сказать, что при изменении масштаба t и х в 16 раз рис.2.2.5 является продолжением рис.2.2.4 вплоть до значений t = 1600 _
Поляризация, учитывающая только проводимость
Рассмотрим экспериментальные данные, полученные с учетом эффекта сильной проводимости. Для исследования применялись георадары с оцифровкой полноволновой формы в собственном спектре сигнала без частотного стробирования модельного ряда «ГРОТ».
Рассмотрим экспериментальные данные, полученные в средах с различной проводимостью.
На рис. 2.4.1 представлена схема георадиолокационного исследования золоторудного месторождения Hargraves, Австралия. Рудная зона сложена кварцевой стволовой жилой, занимающей центральную часть, которая на флангах переходит в зону развития мелких жил и прожилков того же состава. Зоны перехода постепенные. Околорудные изменения представлены аргиллизацией (глинизацией) с ожелезнением. Вмещающие породы -углеродистые сланцы с тонкораспылёнными сульфидами. Рудная формация -золотокварцевая. Профили, пройденные с георадаром, пересекают жилу.
Видно, что сигнал с 10 по 30 метр профиля, где расположена кварцевая жила, прослеживается в глубину приблизительно до 80 метров при выбранной усредненной величине диэлектрической проницаемости є=8, после чего затухает. Если взять є=3, т.е. величину стационарной диэлектрической проницаемости соответствующей кварцу, то жила прослеживается до глубины более 100 метров. Суглинистый увлажненный грунт, вмещающий жилу, имеет существенно большую величину проводимости чем кварц, что сказывается на поведении отраженного сигнала и является косвенным признаком, позволившим локализовать кварцевую жилу в подповерхностном пространстве.
В задачах обнаружения загрязнения грунта нефтепродуктами полученный результат позволяет решать важную экологическую проблему. Действительно, во многих случаях решение задачи загрязнения грунта нефтепродуктами с помощью георадарного обследования существенно затрудняется тем, что значение ДП нефтепродуктов не слишком сильно отличается от ДП грунта. В результате отражение зондирующего сигнала от границы раздела между загрязненными и незагрязненными участками оказывается слабым. В связи с этим представляют интерес данные, полученные при исследовании георадаром «ГРОТ-10» участка с утечкой нефтепродуктов из резервуарных емкостей на территории хранилища нефтепродуктов.
Радарограмма получена при исследовании участка с протечкой нефтепродуктов на территории хранилища (г. Лиски Воронежской обл.) [29]. На рисунке 2.4.3 изображена радарограмма профиля, снятого с использованием георадара ГРОТ-12 и волновые формы сигнала, соответствующие зоне протечки нефти (справа) и без загрязнения (слева). протечка нефти
Радарограмма профиля, полученная с использованием георадара ГРОТ-10 и волновые формы сигнала, соответствующие зоне протечки нефти (справа) и без загрязнения (слева) Данный пример интересен тем, что область загрязнения грунта нефтепродуктами была легко обнаружена по косвенным признакам, а именно, по изменению влажности грунта. Измерения проводились весной, вскоре после того, как сошел снег, и грунт практически везде имел повышенную влажность. Как отмечалось выше, в этих условиях на волновой форме принимаемого сигнала появляется «хвост». Однако в грунт, пропитанный нефтепродуктами, вода не проникает. Более того, если дожди не выпадали достаточно долго, более сухим оказывается также незагрязненный грунт над областью протечки, поскольку его увлажнение грунтовыми водами, поднимающимися из глубины за счет капиллярных эффектов, оказывается невозможным из-за наличия на пути вод грунтов, пропитанных нефтепродуктами. В результате над областью нефтяного загрязнения волновая форма принимаемого сигнала будет иметь вид, типичный для сухих грунтов, а в зоне отсутствия загрязнения импульсный сигнал принимает форму типичную для электроразведки.
В работе [30] экспериментально исследована структура поля на поверхности разреза для разных по мощности передатчиков, объединенных одним конструктивным решением, использованном в георадарах серии «ГРОТ». Полученные зависимости напряженности поля от мощности передатчика, длительности импульса и его частоты следования в сопоставлении с расчетными данными позволяют определить оптимальную конфигурацию георадара и необходимые параметры оцифровки данных в приемнике.
Рассмотрим изменение в волновой форме сигнала при разных ослаблениях мощности передатчика. На рисунке 2.4.4. представлены графики волновой формы от передатчика с амплитудой импульса 50кВ и дипольной антенны длиной 30 метров в одной точке профиля при ослаблении сигнала на входе приёмника ОдБ (а), ЮдБ (Ь), 20дБ (с), ЗОдБ (d), 40дБ (е) и 50дБ (f) соответственно. Видно, что сигнал зашкаливает до временных задержек 900нс без ослабления мощности. В то же время, при ослаблении на 20дБ сигнал на временных задержках более 900нс малоинформативен без дополнительных процедур обработки. Таким образом, для получения наиболее полной информации о подповерхностной среде необходимой опцией при работе с георадаром является возможность управления уровнем принимаемого сигнала.
Волновая форма сигнала для разных передатчиков с разными длительностями импульсов с нулевым ослаблением. Антенны 30 метров, а-50кВ,25-30нс, в-15кВ,10нс, с - ЮкВ, 5нс, д- 5кВ, 20нс. Прямоугольник выделяет область временных задержек, где разрешающая способность для более коротких импульсов лучше.
Сравнение волновой формы от передатчика 15кВ с длительностью импульса 10 не (рис. 2.4.5.в) с волновой формой от передатчика 5кВ с длительностью импульса 20нс (рис. 2.4.5.д) показывает влияние длины импульса и мощности на разных временных задержках сигнала. При малых временных задержках возрастает влияние поверхностной волны [31], которое определяется мощностью и длиной импульса передатчика. Эксперимент показал, что при использовании сверхмощных передатчиков и длинных антенн большой площади с резистивной нагрузкой удается получить радарограмму с глубин 450 метров на увлажненных глинах [32].
Сравнение результатов георадарного зондирования с результатами зондирования другими способами и области эффективного применения георадарного зондирования
Метод георадиолокации (ГРЛ) позволил [52] провести разделение слоев разреза с различными электрофизическими параметрами до глубин 140-150 метров и выделить зоны тектонических нарушений. Вертикальная разрешающая способность метода ГРЛ оказалась выше традиционных методов электроразведки, потому что в методе используется более широкий диапазон частот и, сравнительно малые пространственные и временные усреднения экспериментальных данных в процессе проведения измерений. Латеральное изменение проводимости горных пород установленное по данным ЗСБ и ЭТ, отражается и в характеристиках сигнала ГРЛ. На рисунке 3.3.4 представлены геоэлектрические модели модели по данным методов ЗСБ (а) и ЭТ (в) и волновая форма сигнала ГРЛ (б), полученная после обработки, проявляющей границы неоднородностей ДП, с помощью метода вычитания огибающей [28].
По данным ГРЛ был выделен малоконтрастный слой с отметок 600 не (отмеченный красными штрихпунктирными линиями на рис. 3.3.4), который содержит неоднородные включения, создающие переотражения сигнала, и характеризуется слабым затуханием. Этот горизонт характеризуется аномально высоким УЭС по данным ЗСБ, что может быть связано с повышенной льдистостью грунтов. Анализируя малое ослабление сигнала внутри слоя, можно предположить существование в нем прослоев песка с газогидратными включениями, наличие которых в этом регионе и на этой глубине зафиксировано ранее другими исследователями [53]. По изменению затухания отраженного сигнала по профилю съемки, прослеживается линзовый характер слоев, включая предполагаемый газогидратный.
В результате сопоставления методов было установлено, что комплексирование георадиолокации с электроразведочными методами существенно повышает общую информативность исследований за счёт высокой разрешающей способности сверхширокополосной георадиолокации. Такой комплекс методов можно использовать в целях выделения в разрезе на глубину до 200-500 м реликтовых газогидратных скоплений, представляющих опасность при проходке разведочных скважин и обустройстве добычных скважин.
На рис. 3.3.5 представлены исходные волновая форма сигнала и радарограмма профиля, полученного при обследовании территории, прилегающей к кратеру, с помощью георадара ГРОТ 12 с антеннами 10 метров, передатчиком 15кВ и длиной импульса 20нс без ослабления. Движение по профилю от точки Ом к точке 240м соответствует движению в радиальном направлении от края бруствера кратера в восточном направлении. Видно, что ближняя к кратеру зона до отметок 112-115 метров характеризуется меньшей контрастностью ДП до границ ММП, чем зона от 120 до 240 метров по профилю, что может быть косвенным признаком произошедших при формировании кратера процессов, изменивших электрофизические характеристики среды в прилегающих слоях. Такая же картина наблюдается на других профилях, пройденных по поверхности вблизи кратера.
В сотрудничестве с работниками Донского горно-обогатительного комбината (ГОК) компании «Казхром» (г. Хромтау, Казахстан) исследования неоднородностей приконтурного массива горных пород были проведены на одних и тех же профилях методом сейсмического спектрального профилирования (ССП) и методом ГРЛ с использованием георадара ГРОТ 12 [42]. Качественное совпадение данных обоих методов получено на десятках профилей в течение всего цикла измерений на разных горизонтах. Применение приборов и интерпретация результатов исследований (с взаимной верификацией данных, полученных двумя методами) существенно осложнялись наличием действующего в шахте оборудования, в том числе для работ по укреплению свода забоя. Сейсмоприемники закреплялись в стенах шахты, антенны георадара перемещались вдоль заданных профилей. Общей целью исследований было установление зон повышенной трещиноватости и, следовательно, повышенной опасности вывала грунта при продвижении проходческого щита.