АО «ПРИН» Георадиолокационное подповерхностное зондирование

Георадиолокационное подповерхностное зондирование

06.03.2007

Краткое описание и примеры применения метода

Метод георадиолокационного подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии — георадиолокация, в англоязычной литературе этот метод называется «Ground Penetrating Radar» или GPR.) основан на изучении распространения электромагнитных волн в среде. Идея метода в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и рыхлыми породами и т.д.

Схема образования волновой картины

Схема образования дифрагированной электромагнитной волны от трубы, залегающей на глубине Н и волны, отраженной от границы раздела сред с разными диэлектрическими проницаемостями: глубинный (а.) и временной (б.) разрезы.

Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой группы методиками исследований, способами обработки, типами отображения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представления результатов. Первая группа включает в себя геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи, такие как картирование:

поверхности коренных пород под рыхлыми осадками;
уровня грунтовых вод и границ между слоями с различной степенью водонасыщения;
песка, глины, торфа и т.д.;
мерзлых грунтов;
определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений;
толщины льда и снега.

Вторая группа задач включает в себя поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушение штатной ситуации, например:

поиск подземных полостей;
обследование мостов и дорожного покрытия;
картирование коммуникаций(трубопроводов и кабелей);
обследование бетонных конструкций;
засоленных почв;
участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта — рекультивированных земель, засыпанных выемок.

Т.о. в настоящее время георадар широко применяется в исследованиях при относительно небольшой глубине залегания целевых объектов (0.2 — 15 метров) за исключением изучения ледников и мерзлых пород, в которых, благодаря высоким сопротивлениям, глубинность повышается.

Георадар — цифровой, портативный, переносимый одним оператором геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок. Во время зондирования оператор в реальном времени получает информацию на дисплее в виде радиолокационного профиля (называемого радарограммой). Одновременно данные записываются на жесткий диск компьютера для дальнейшего использования (обработка, распечатка на принтере, интерпретация и т.д.).

Набор сменных антенных модулей обеспечивает возможность зондирования в большом диапазоне частот (16 – 2000 МГц). Применение той или иной антенной системы определяется решаемой при зондировании задачей. Повышение частоты зондирования приводит к улучшению разрешающей способности; но при этом увеличивается затухание электромагнитной волны в среде, что приводит к уменьшению глубины зондирования; и наоборот, снижением частоты можно добиться увеличения глубины зондирования, но за это придется заплатить ухудшением разрешающей способности. Кроме того, со снижением частоты увеличивается зона начальной нечувствительности (т.н. мертвая зона) георадара.

Ниже приведена таблица зависимости разрешающей способности, мертвой зоны и глубины зондирования в зависимости от применяемой антенны. Предполагается, что зондируется грунт с относительной диэлектрической проницаемостью равной 4 и удельным затуханием 1-2 дБ/метр. Под глубинностью имеется в виду глубина обнаружения плоской границы с коэффициентом отражения 1. Следует иметь в виду, что эти данные весьма приблизительны, они сильно зависят от параметров зондируемой среды.

Параметр	Центральная частота
Параметр	2 ГГц	900 МГц	500 МГц	300 МГц	150 МГц	75 МГц	38 МГц
Разрешение, м	0.06 — 0.1	0.2	0.5	1.0	1.0	2.0	4.0
Мертвая зона, м	0.08	0.1-0.2	0.25-0.5	0.5-1.0	1.0	2.0	4.0
Глубинность, м	1.5-2	3-5	7-10	10-15	7-10	10-15	15-30

Современные георадары сконструированы для работы в труднодоступных районах с неблагоприятным климатом и могут применяться в любое время года(рабочая температура георадара –20…+40°С).

Ниже приведены примеры применения метода при решении некоторых(очень немногих) задач.

	Обнаружение трех металлических труб, зарытых в землю на глубину 1 — 1.5 метра. Каждая труба дает траекторный сигнал в виде гиперболы, вершина которой соответствует ее местоположению. Частота зондирования 900 МГц. Место зондирования — около г. Даугавпилс, Латвия.
	Обнаружение карстовой полости в известняке под слоем суглинка. Полость(обведена окружностью) видна в левой части профиля в виде чередующихся полос. Суглинок отображен вверху как непрерывный сигнал. Частота зондирования 300 МГц. Место зондирования — берег Мертвого Моря, Израиль.
	Зондирование кирпичной стены. В середине профиля четко виден сигнал от встроенного в стену металлического шкафа. Частота зондирования 2 ГГц. Место зондирования — г.Рига, Латвия.
	Профилирование озера со дна пластиковой лодки. Использовалась 500 МГц экранированная антенна. В иле очень хорошо видны металлические объекты(на рисунке обозначены МО).
	Этот профиль получен при зондировании стены штрека соляной шахты. Хорошо видны сигналы в виде множества гипербол от соседнего штрека. Расстояние между штреками примерно 7.5 метров. Частота зондирования 500 МГц. Место зондирования — г. Мирный, Россия.