CC BY
32
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПОЧВЕННОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ
О.Ф. Таныгин
Аннотация. Определены перспективы использования геофизических методов: дистанционной радиометрии из космоса, наземной электрометрии и эманацион-ного метода для оценки свойств почв.
Ключевые слова: почва, геофизические методы, электрометрия, радиометрия, эманационный метод.
Эффективное и рациональное земледелие требует постоянного наблюдения за динамикой состояния почвы. Состояние почвы в данной точке поверхности можно считать известным, если известно распределение плотности, пористости, структурного состава, влажности, засоленности и других свойств по глубине. На практике в полевых или лабораторных условиях проводят исследования нескольких типичных точек данного поля, и по ним судят о свойствах почвы на всем поле. В 80-е годы начались работы по дистанционному контролю свойств почвенного слоя из космоса [1]. Для эффективного космического мониторинга пока еще необходимо проводить лабораторные и полевые исследования почв, так как использование сантиметрового электромагнитного диапазона дает информацию только о самом верхнем слое почвы - до 10 см. Увеличение же длины волны электромагнитного излучения с целью проникновения на большую глубину приводит к существенному ухудшению разрешающей способности метода.
Перспективным представляется комплексирование космических исследований с наземными геофизическими методами. Физической предпосылкой применения электрометрического метода контроля свойств почв является зависимость удельного электрического сопротивления от плотности сложения, структурного состава, пористости, влажности и засоленности. Величина удельного электрического сопротивления является интегральной характеристикой, поэтому она рассматривается в зависимости от отдельных факторов. В частности, при одной и той же влажности удельное электрическое сопротивление возрастает с увеличением дисперсности, так как это приводит к ухудшению условий электрического контакта структурных элементов почвы. При этом культивация почвы способствует уменьшению удельного сопротивления.
Удельное электрическое сопротивление необработанной земли в естественных условиях зависит от глинистости, которая закономерно уменьшается в ряду глин, суглинков, супесей и песков и от пористости. Необходимо учитывать, однако, что оценка пористости по результатам электрических измерений будет достоверной при постоянной влажности на всем участке измерений. Существенным для определения способности почвы удерживать влагу является не столько значение коэффициенте общей пористости, сколько соотношение горизонтальных и вертикальных пор, которое может привести к анизотропии удельного электрического сопротивления. Использование методики вертикальных электрических зондирований позволяет определять величину анизотропии электрических свойств верхнего слоя земли. При сравнительной оценке качества земель по электрическим измерениям необходимо учитывать, кроме перечисленных, зависимость удельного электрического сопротивления от минерализации насыщающей почву свободной влаги.
Широкие возможности данного метода обусловлены в значительной степени относительно недорогой аппаратурой и его глубокой теоретической разработанностью [2,3], в частности применением метода конеч-
ных разностей (МКР) для расчета электрического поля постоянного тока в неоднородном полупространстве [4,5], аппроксимирующем реальные слои почвы и нижележащие породы.
На практике это позволит одновременно с обработкой почвы произвести необходимый комплекс измерений и оперативно получить распределение физико -механических свойств по глубине и по площади. При следующей обработке этого же поля по той же схеме измерений будет уточнен первичный материал и получена динамика свойств. Оперативность и точность обработки полевых измерений обеспечивается предварительным конечно - разностным моделированием данного поля с получением предполагаемой картины полевых измерений. Для этого моделирования необходимо задать размеры дискретных элементов, на которые разбивается все неоднородное полупространство, и значения удельного электрического сопротивления в этих элементах, которое может быть получено либо по результатам каротажа геологических скважин, либо в лабораторных условиях на образцах почв и пород.
Другим геофизическим методом, имеющим большие возможности, является эманационный метод. Его сущность заключается в том, что механическое состояние подпахотного слоя почвы зависит от склонности данного участка поля к сдвижению пород. Там, где это есть, почва находится в деформированном состоянии, которое определяется по концентрациям радиоактивных газов (изотопов радона и торона). Радиоактивность почвы, плотность и пористость меняются незначительно, особенно по сравнению с колебаниями концентрации радона и торона. Последняя определяется способностью почвы отдавать растворенные в ней радон и торон в межпоровое пространство. Проведенные опыты и исследования позволяют сделать вывод о том, что в зоне горизонтальных сдвижений слабосвязанные почвы подвергаются действию разрушающих напряжений растяжения. Это приводит к увеличению внутренней поверхности, и как следствие, резкому возрастанию концентрации радона и торона [6]. Пористость, т.е. относительный объем пор, при этом увеличивается незначительно, и по нему практически невозможно судить о границе сдвижения.
Для измерения концентрации радиоактивных газов в почвенном воздухе применяется стандартная аппаратура "Радон". Измерения проводятся в полевых условиях, для чего бурятся короткие, до 1 метра скважины в почве для отбора воздуха. Пробоотборник представляет собой трубку с боковыми отверстиями, переходящую в конус, с ручками для заглубления в скважину и штуцером для присоединения насоса. Профили измерений прокладываются перпендикулярно предполагаемой границе зоны оползня. Так как метод не требует обработки полученных данных, границы сдвижения устанавливаются прямо в процессе работы с точностью до 1 метра.
Наиболее эффективным представляется комплекс дистанционных исследований почвы из космоса и электрометрического метода, как самого производительного, экономичного и информативного для данных задач из наземных геофизических методов. Эманаци-онный метод очень эффективен для точного определения границ сдвижения подпахотного и более глубоких слоев, но из-за трудоемкости его обычно применяют после обработки данных электрометрии и предварительного прогноза зон сдвижения.
Список использованных источников
1 Сологубова Т.А., Эткин В.С. К вопросу об учете свойств связанной влаги при дистанционном определении влажности почвы // Исслед. Земли из космоса. - 1985. - № 4. -С. 112-115.
2 Шкуратник В.Л., Таныгин О.Ф., Таныгин М.О. Расчет аномалии от обводненного карста в подземной электрометрии угольного пласта // Горный информационно - аналитический бюллетень МГГУ. - 2002. - № 5. - С. 9- 10.
3 Шкуратник В.Л., Таныгин О.Ф., Таныгин М.О. Сравнение установок подземного электропрофилирования на карст с помощью метода конечных разностей // Горный информационно - аналитический бюллетень МГГУ. - 2004. - № 6. - С. 74-76.
4 Таныгин О.Ф. Расчёт аномалии магнитного поля в шахтной электрометрии // Маркшейдерский вестник. - 2005.
5 Шкуратник В.Л., Таныгин О.Ф., Таныгин М.О. Определение погрешностей при использовании низкочастотной аппаратуры в электроразведке на постоянном токе // Горный информационно - аналитический бюллетень МГГУ. - 2009. -№ 1. - С. 142- 144.
6 Ямщиков В.С., Шкуратник В.Л., Соболев Е.Г., Вер-бин В.П., Таныгин О.Ф. Способ контроля положения и направления фронта перемещения огневого забоя при подземном горении. Авторское свидетельство № 1466247 от 15.11.88.
Информация об авторе Таныгин Олег Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры математики, физики и технической механики ФГБОУ ВО Курская ГСХА, тел. (4712)53-13-70.
- № 4. - C. 65-67.
GEOPHYSICAL METHODS OF CONTROL SOIL EARTH O.F. Tanygin
Abstract. The prospects of the use of geophysical methods: remote radiometry from space, ground electrometry and emanation method for estimating soil properties.
Keywords: soil, geophysical methods, electromettry, radiometry, emanation method.
