Привет, Хабр!

Данная статья будет посвящена рассмотрению метода георадиолокации, его принципам работы и возможностям применения в геологии и инженерных изысканиях, разберем, из чего состоит георадар, как он функционирует, а также какие задачи позволяет решать георадиолокационные исследования при изучении подповерхностных слоев.

Метод георадиолокации (GPR‑ Ground Penetrating Radar) — это геофизический метод, основанный на зондировании грунта с помощью электромагнитных волн, ультравысоких частот (обычно от десятков МГц до нескольких ГГц), он применяется для исследования структуры подповерхностных слоев без их разрушения.

Методом георадиолокации обладает георадар - это высокотехнологичный прибор, разработанный для подповерхностного зондирования, его конструкция сочетает несколько ключевых узлов, которые обеспечивают работу системы:

• Передатчик — генерирует элекромагнитные импульсы и посылает их в грунт;

• Приемник — улавливает отраженные сигналы и преобразует их для последующей обработки;

• Модуль управления — отвечает за синхронизацию излучения и приема сигналов, а также передачу данных в систему обработки;

• Поглотитель — представляют собой материалы с диэлектрическими потерями, предназначенные для подавления нежелательных отражений радиосигналов в корпусе прибора и между компонентами антенной системы, что повышает качество получаемой информации. Их состав включает диэлектрические материалы с включениями ферритов, углеродных волокон или других проводящих частиц, которые поглощают электромагнитную энергию. 

  Основное свойство таких поглотителей – эффективное рассеивание и поглощение электромагнитных волн в заданном диапазоне частот, обеспечивая тем самым улучшение сигнала и разрешение в георадарных данных. 

В геологии георадары применяются для решения следующих задач:

• Картирование геологических структур - восстановление геометрии относительно протяжных границ, поверхности коренных пород под рыхлыми осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений, строительных материалов;

• Определение свойств различных отложений по скорости распространения электромагнитных волн, опираясь на связь этих свойств с диэлектрической проницаемостью пород;

• Определение толщины ледяного покрова;

• Определение мощности водоносного слоя и картирование поддонных отложений;

• Определение мощности зоны сезонного промерзания или оттаивания, картирование границ мерзлых и талых пород.

При проведении георадарных исследований основное внимание уделяется двум параметрам:

время пробега электромагнитной волны — сколько времени требуется сигналу, чтобы пройти от передатчика до отражающей границы и вернуться обратно к приёмнику;

амплитуда отражения — насколько сильным оказался отражённый сигнал.

Отражение возникает на границах раздела разных сред: между сухими и влажными грунтами (уровень грунтовых вод), мерзлыми и талыми породами, коренными и рыхлыми слоями, разными по составу породами, а также на стыке природных и искусственных материалов (например, грунт — бетон, новый и старый асфальт).

Сила отражённого сигнала зависит от коэффициента отражения, который определяется разницей диэлектрических проницаемостей двух соседних слоёв. Чем больше эта разница, тем контрастнее будет отражение.

Амплитуда отраженного сигнала от границы между слоями пропорциональна величине Котр. (коэффициент отражения):

Скорость распространения электромагнитной волны также связана с диэлектрической проницаемостью среды:

где c — скорость света в вакууме, ε — диэлектрическая проницаемость материала. В георадиолокации скорость обычно измеряется в сантиметрах на наносекунду (см/нс). Для удобства формула часто записывается так:

Здесь особенно важно, что воздух имеет диэлектрическую проницаемость 1, а вода — 81. Поэтому именно соотношение воды и воздуха в породе в первую очередь определяет её свойства.

Сухие, плотные и монолитные породы обладают низкой диэлектрической проницаемостью и высокой скоростью распространения сигнала.

Влагонасыщенные, пористые и трещиноватые — наоборот, имеют высокую диэлектрическую проницаемость и замедляют прохождение электромагнитной волны.

Таким образом, измеряя времена пробега сигнала и анализируя его амплитуду, можно определить строение подповерхностных слоёв и физические свойства пород.

Электромагнитный импульс в георадиолокации — это короткий сигнал, состоящий из 1,0–2,0 периодов квазигармонической волны, который излучается в исследуемую среду с помощью антенны. Благодаря своей малой длительности такой импульс имеет широкий спектр частот, что позволяет фиксировать отражения от различных границ между средами — сухими и влажными грунтами, мерзлыми и талыми породами, разными по составу слоями или инженерными конструкциями. Отражённые импульсы улавливаются приёмной антенной, усиливаются и обрабатываются, а время их прохождения используется для восстановления строения подповерхностных слоёв.

Малая временная длительность излучаемого импульса приводит к возникновению достаточно широкого частотного спектра излучения

Квазигармоническая волна — это электромагнитный сигнал, близкий по форме к гармоническому (синусоидальному), но ограниченный во времени и содержащий лишь 1–2 периода колебаний. В отличие от идеальной бесконечной гармонической волны, квазигармоническая имеет широкий спектр частот, что делает её удобной для зондирования: она позволяет выявлять отражения от разных по свойствам границ в грунте и инженерных сооружениях.

Первое отражение на радарограмме называют прямой волной (сигналом прямого прохождения). Прямая волна в большинстве случаев одинаковая для всех трасс профиля. Она определяется конструкцией антенны и поверхностью профиля. Прочие волны на радарограмме являются отраженными от каких либо слоев или локальных объектов в грунте (или другой среде исследования).

Дифрагированная волна возникает из-за явления дифракции — это ситуация, когда электромагнитная волна «огибает» препятствие или рассеивается на нём. Такое происходит в том случае, если размер объекта сравним с длиной волны или меньше её.

В георадиолокации дифракция чаще всего возникает, когда сигнал встречает вытянутые объекты: трубы, кабели, элементы арматуры и другие инженерные конструкции.

На радарограмме дифракция имеет характерный «подпись» — отражение отображается не как прямая линия, а в виде гиперболы. Точка вершины этой гиперболы указывает на реальное местоположение объекта в грунте.

Проще говоря, если на записи появляется гипербола, значит под поверхностью находится небольшой протяжённый предмет, например труба или кабель.

Пример поиска водоносного слоя

Водоносный слой — это природный горизонт горных пород, способный накапливать и проводить подземные воды благодаря своей пористости и проницаемости. Чаще всего такими породами являются пески, гравий или трещиноватые известняки. Эти слои играют ключевую роль в формировании и движении грунтовых вод, выступают естественными резервуарами и источниками питьевой или технической воды.

Для геодезии и инженерной геологии водоносный слой имеет особое значение: он влияет на выбор места строительства, устойчивость фундаментов, проектирование подземных сооружений и коммуникаций. По сути, это скрытая под землёй «водная артерия», от свойств и глубины залегания которой во многом зависит как природная среда, так и деятельность человека.

Амплитуда отражённого сигнала в георадиолокации напрямую связана с контрастом диэлектрических свойств соседних слоёв.

У водоносного слоя ключевая особенность — высокая диэлектрическая проницаемость, так как вода имеет ε ≈ 81 (для сравнения: воздух — 1, сухой песок — 3–5, сухой известняк — 6–8). Когда электромагнитный импульс встречает границу «сухой грунт → водонасыщенный слой», возникает резкий скачок в значении ε.

Это приводит к:

• сильному увеличению амплитуды отражённого сигнала — чем больше разница между слоями, тем ярче отражение на записи;

• появлению чёткой границы на радиолокационном разрезе (обычно в виде яркой горизонтальной линии).

Таким образом, водоносный слой определяется по мощному отражению, возникающему на контакте сухих и влагонасыщенных грунтов.

Таблица значений диэлектрической проницаемости (ε) различных сред

В заключение можно сказать, что метод георадиолокации является эффективным и универсальным инструментом для изучения подповерхностных структур. Он позволяет получать ценную информацию о строении грунтов, глубине залегания водоносных слоёв, границах промерзания и подземных объектах без разрушения исследуемой среды.

Благодаря своей информативности, оперативности и не нарушающему характеру исследований, георадиолокация занимает важное место в геологии, инженерных изысканиях и строительной практике.