CC BY
63
*УДК - 556.537
ПЕРРСПЕКТИВЫ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЙМЕННО-РУСЛОВЫХ КОМПЛЕКСОВ (НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА ВЕРХНЕГО ДНЕПРА)
Г.В. Лобанов, Г.В. Бастраков, А.В. Полякова, Б.В. Тришкин
Рассматриваются некоторые методические аспекты использования подповерхностной георадиолокации для изучения пойменных отложений. Показана перспективность метода в исследовании пойменно-русловых комплексов для определения пространственного положения инженерно-геологических и литологических границ.
Ключевые слова: метод георадиолокации, пойменно-русловые комплексы, диэлектрическая проницаемость.
Метод подповерхностного георадиолокационного зондирования заключается в регистрации и интерпретации сигналов вынужденных электромагнитных волн отраженных от литологических или инженерно-геологических границ. Параметры отражённой волны (частота и амплитуда) определяются частотой сигнала и электрофизическими характеристиками грунта, среди которых - относительная диэлектрическая проницаемость, затухание сигнала, скорость волны в среде. Технологический комплекс для георадиолокационных исследований состоит из мобильного или переносного прибора - георадара и программного обеспечения для обработки отражённых сигналов - радарограмм. Конструктивно прибор состоит из источника и преемника электромагнитных волн, блоков управления и обработки сигнала. Конкретная технологическая схема определяется центральной частотой антенны, условиями эксплуатации, характером задач.
Частота излучения изменяется в пределах десятков мегагерц - первых гигагерц, её значение прямо связано с минимальным размером различимых объектов и обратно с глубиной зондирования. [1] Условия эксплуатации влияют на использование для обработки сигналов ноутбука или специального блока, устойчивого к погодным условиям. Характер задач определяет технологическую схему через особенности исследуемой среды и необходимую точность данных.
Обработка радарограмм включает визуальный анализ и использование программных алгоритмов. Границы объектов идентифицируются на радарограмме по изменению изображения волновой картины. Разные средства визуализации позволяют оценить смену амплитуды и частоты сигнала. В отдельных случаях для распознания границ достаточно первичного визуального анализа, в других визуальный анализ используется в сочетании с программными алгоритмами, усиливающими контраст между средами с разными электрофизическими характеристиками на радарограмме.
Использование метода для изучения пойменных отложений предполагает учёт особенностей геологического строения пойменно-русловых комплексов, которые проявляются в разнообразии типов отложений, частой смене литологических и инженерно-геологических границ. Для решения задач по определению электрофизических и иных свойств пойменных отложений, идентификации геологических тел обосновано использование частоты зондирования в сотни мегагерц. [4] Практика
георадиолокационных исследований строится на эмпирических моделях с разной степенью обоснованности. Допускается, что параметры отражённых волн статистически связаны с характеристиками исследуемой среды. Степень связи определяется в свою очередь набором модельных объектов, для которых получены зависимости. [2] Изменчивость физико-механических, геохимических, инженерно-геологических свойств пойменных грунтов определяет необходимость определения региональных и локальных зависимостей между электрофизическими и прочими характеристиками грунта. Актуальной задачей в этой связи представляются систематические георадиолокационные исследования грунтов для оценки степени их характеристик. В настоящее время такие исследования выполнены для небольшого количества грунтов и модельных объектов, с учётом прежде всего гранулометрического состава и солёности. Перспективным направлением развития исследований представляется поиск зависимостей электрофизических и прочностных характеристик грунтов для решения геоэкологических задач.
Изучение пойменно-русловых комплексов в бассейне верхнего Днепра методом георадиолокации является частью программы исследований по влиянию прочностных характеристик пойменных грунтов на интенсивность горизонтальных деформаций русла в долгосрочный период. Предлагается использовать метод для определения прочностных характеристик грунтов на основе эмпирических зависимостей с их электрофизическими свойствами. Возможности традиционных методов оценки прочностных характеристик ограничены высокой стоимостью работ, труднодоступностью модельных объектов. Задачи этапа 2010-11 гг. включали оценку чувствительности метода к изменению в пространстве электрофизических свойств пойменных грунтов и обоснование возможностей поиска
шженерно-геологических и литологических границ.
Исследования проведены в два этапа - зимний (январь - март 2011), и летний - в августе 2011 года. Съемка выполнена георадаром ОКО-2 с антенным блоком АБ - 400 (частота излучения - 400 МГц) и специальным блоком управления и обработки (БУО). Выбор технологической схемы обусловлен компактностью антенного блока и достаточностью характеристик излучаемого сигнала для решения обозначенных задач. Использование БУО объясняется погодными условиями во время измерений -температуры воздуха от - 27°С до + 25°С, высокая влажность воздуха; труднодоступностью модельных объектов.[3] В таких условиях применение ноутбука ограничено, хотя его возможности в обработке сигнала существенно шире. Обработка результатов измерений в лабораторных условиях выполнена программным комплексом Оео8сап 32.
В зимний период проведены 34 георадиолокационных съемки старичных озер в пойме р. Десна для определения мощности льда. Сопоставление результатов георадиолокации и механического измерения толщины позволило оценить точность метода для определения пространственного положения границ раздела сред с разными электрофизическими характеристиками. Среднее значение диэлектрической проницаемости для воды -81, льда - 3,3, снега - от 42 до 75. Выбор модельных объектов обусловлен тем, что лед можно рассматривать как тело относительно однородное в отношении электрофизических характеристик. Измерения выполнены на пикетах - методом точечного зондирования и трассах - в режиме непрерывной съемки.
Съемка на пикетах выполнена для сопоставления результатов измерений толщины льда разными методами. Шнековым ледобуром пробурены лунки, на которых измерена толщина льда и, предварительно, мощность снежного покрова. Радиолокацией получена осреднённая картина прохождения электромагнитных волн через лед на пикете. Использованы осреднённые характеристики диэлектрической проницаемости для льда. Съемка на трассах с перемещением георадара по поверхности льда проведена для оценки влияния движения прибора на величину результатов.
Обработка радарограмм на этом этапе заключалась в поиске границ «лед-снег» и «лед-вода». Граница «снег-лед» хорошо идентифицируется визуально. Визуальное выделение границы «лед-вода» усложняется переотражениями электромагнитных волн (на рисунке серия переотражений выделена скобкой) от границ раздела сред (Рисунок. 1).
КС 0 5 " 10 15 20 25 » 35 4) м
э *: ю 1 5)00* Г, 00м
20 “
3 00м
30 ^
300м
40 “
^00м
50 ’
60 “ 300м
70 “ 400м
80 “
3 00м
90 “
20' ' к ' 5о’ ’ в ' ' ' т 'г оом
М««.»*♦ 1ЭОО(ЮОтМ)
А б
Рисунок 1. Фрагмент радарограммы русла р. Десна с переотраженными волнами-
Явление объясняется разницей диэлектрической проницаемости льда и воды в 24 раза и, соответственно многократным переотражением волн. Средствами Оео8сап 32 удалены сигналы «прямого прохождения», идущие от антенны передатчика к приёмнику, которые увеличивают амплитуду отраженного сигнала в целом, и таким образом сглаживают разницу между сигналами, отраженными от разных сред. Мощность льда, определённая по обработанным радарограммам сопоставлена с её механически определенными значениями (Таблица. 1)
Таблица 1
______________Результаты измерений толщины льда, полученные разными методами___________________
№ измерения
Толщина льда, измеренная механически,
Толщина льда, измеренная
Процентное отклонение
м георадиолокацией, м
1 0,40 0,48 16,7
2 0,40 0,33 21,2
3 0,47 0,50 6,0
4 0,46 0,45 2,2
5 0,47 0,49 4,1
6 0,47 0,39 20,5
7 0,47 0,50 6,0
8 0,47 0,44 6,8
9 0,44 0,47 6,4
10 0,44 0,49 10,2
11 0,39 0,40 2,5
12 0,38 0,41 7,3
13 0,38 0,38 0,0
Величина процентного отклонения указывает на возможность использования метода для определения толщины льда с точностью до 20%. Повысить точность определения позволяет корректировка величины диэлектрической проницаемости, значение которой устанавливается перед измерениями, исходя из ориентировочной для данной среды величины. В дальнейшем предустановленное значение корректируется по результатам съёмки объектов с известным строением. Разброс значений в пределах относительно однородных модельных объектов объясняется, возможно, разной структурой льда, величиной механических напряжений в нём. Изменение величины позволяет получить результаты близкие механически измеренным.
На летнем этапе исследований модельными объектами выбраны участки поймы с разным литологическим строением для оценки возможностей поиска геологических границ. Достоверность результатов подтверждена сопоставлением данных натурных обследований и анализа радарограмм. Поймы рек относятся малоизученным в геологическом отношении территориям, для которых характерно частое чередование литологических и инженерно-геологических границ. Особенности строения пойменно-русловых комплексов (ПРК) проявляются в частой смене в пространстве типов отложений, их прочностных и электрофизических характеристик.
Исследования проведены в поймах рек Болва, Навля, Снежеть, Снов, Судость в пределах Брянской и Калужской областей. Высота поймы ключевых объектов изменяется от 0,5 м. до 4,5 м., максимальная мощность слоёв пойменного аллювия до 2 м. Рамки задачи определяют использование точечного зондирования предварительно зачищенного участка берегового уступа и его литологическое описание. Выполняется серия измерений, в которой антенна георадара последовательно размещается на поверхности поймы и площадках подготовленных на её уступе, которые соответствуют литологическим границам. Методика разработана для сравнения частоты отражённого сигнала от геологической границы определённого типа на разной глубине. Относительное постоянство частоты позволяет использовать её как идентификатор грунта определённого типа. Наиболее вероятной причиной разброса значений частоты является интерференция волн.
Анализ материалов съемки отличается значительно большей трудностью в сравнении с радарограммами, полученными для льда. Главной проблемой представляется достоверная идентификация слоев на радарограмме сигнала прошедшего несколько геологических границ. Интерференция волн искажает отражённый сигнал, что приводит к изменению характерных значений частот для одного слоя на разных глубинах
Методика обработки радарограмм предполагает анализ распределения частот сигнала, которое визуализируется инструментом «полосовая фильтрация». Значения частот для поверхностного положения слоя приняты индикаторами определённого типа отложений. На спектре частот ему соответствует пик с максимальной амплитудой (Рисунок 2).
Рисунок 2. Использование инструмента «полосовая фильтрация»
В дальнейшем задача сводится к поиску близких значений частоты в спектрах радарограмм, полученных для всего вертикального профиля поймы. Достоверность выводов о наличии определённого слоя подтверждается литологическими описаниями. Изменение характерной частоты в зависимости от глубины залегания слоя и характера перекрывающих его отложений указывает на степень устойчивости этой характеристики и оценивается статистическими методами (в данном случае величиной процентного отклонения).
Решение задачи рассмотрено для двух пар случаев: песок в поверхностном залегании - песок перекрытый суглинком и почвой; суглинок в поверхностном залегании - суглинок перекрытый песком и почвой. Выбор объектов анализа объясняется широкой распространённостью именно таких сочетаний в пойменно-русловых комплексах района исследования. Установлены характерные частоты отражённого сигнала для песков и суглинков при поверхностном залегании - соответственно 347 и 263 МГц (средние значения).
Появление на радарограммах пиков со значениями частот близких к таковым для поверхностного залегания указывает на наличие соответствующих слоев на некоторой глубине. При залегании песка под суглинком, пики частот проявляются в диапазоне от 280 до 395 МГц, среднее значение частоты- 366 МГц. Значения частот для суглинка, перекрываемого песком - 205-295 МГц (среднее значение - 253 МГц). Значения для песка и суглинка при поверхностном и подповерхностном залегании хорошо согласуются, что указывает на устойчивость частоты как электрофизической характеристики и обосновывает возможность её использования для идентификации литологических слоёв. Вариационный размах величины, возможно, объясняется влиянием влажности грунта, обратно связанной с характерной частотой отражённого сигнала. Диапазон характерных значений для воды 160-200 МГц. Полученные результаты обосновывают перспективность метода для идентификации слоёв песков и суглинков на разных глубинах.
Some methodical aspects of using GPR method in Hood-plain sediments studying are considered. Method perspectivity in bottomland-river-bedded complexes research to locate a spatial position of geologic-engineering and lithologic borders is shown.
The key words: Ground penetrating radar method, dielectric permeability, bottomland-river-bedded complexes.
Список литературы
1. Старовойтов A.B. Интерпретация георадиолокационых данных. Учебное пособие. М., Изд-во Московского Университета, 2008 г. 187 с
2. Финкельштейн М.И Подповерхностная радиолокация / Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н.; Под ред. М.И. Финкельштейна. - М.: Радио и связь, 1994. - 216 с.
3. Методические рекомендации по обследованию водоемов и болот с использованием георадара «ОКО-2», ООО «Логические системы», 2007
4. Galley, R. J., Trachtenberg, M. et al. Observations of geophysical and dielectric properties and ground penetrating radar signatures for discrimination of snow, sea ice and freshwater ice thickness.// Cold Regions Science and Technology, 2009 - vol. 57(1), P. 29-38.
5. Martin Slowik Changes of river bed pattern and traces of anthropogenic intervention: The example of using GPR method (the Obra River, western Poland) // Applied Geography (2011) - vol 31, P. 784-799
Об авторах
Лобанов Г.В. - кандидат географических наук, зав. НИЛ «Информационные технологии в естественных науках» Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, lobanov grigorii@mail.ru
Полякова A.B. - аспирант Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского
Тришкин Б.В. - кандидат биологических наук, доцент БФ Московского психолого-социально института
