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:

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:

h_max » D/d _max

Табл.1 Электромагнитные свойства некоторых сред на частоте 100 Мгц.

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.