Методика георадиолокации

Принцип действия аппаратуры подповерхностного радиолокационного зондирования (георадара) основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. 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 осадочными породами и т. д.

При георадарном профилировании на постоянной базе намечается профиль, по которому затем проходит оператор с георадаром, у которого антенна приемника и излучателя находятся на заданном расстоянии друг от друга. С заданным шагом георадар генерирует электромагнитный импульс и регистрирует отклик среды — функцию амплитуды отраженного сигнала от времени запаздывания отраженного импульса.

Глубинность георадиолокационных исследований зависит от мощности антенных блоков, принимающих электромагнитный импульс и от зондируемой среды, влияющей на затухание электромагнитного сигнала. В большинстве случаев георадиолокационные исследования позволяют изучать геоэлектрический разрез в диапазоне глубин от 0,4 до 18 м, при мощности 2500 - 50 МГц соответственно.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ)

Метод вертикального электрического зондирования основан на изучении распределения удельного электрического сопротивления горных пород по глубине путём ввода в землю постоянного или квазипостоянного электрического тока. В грунт устанавливаются питающие электроды, через которые в среду подаётся ток, и приёмные электроды, фиксирующие возникающую разность потенциалов. Изменения электрического поля зависят от электрофизических свойств и строения разреза.

Границами, вызывающими искажение поля, являются контакты между породами с различным сопротивлением: сухие и водонасыщенные грунты, пески и глины, коренные и рыхлые отложения, зоны трещиноватости, карстовые пустоты, мерзлые и талые грунты.

При выполнении ВЭЗ электроды располагаются симметрично относительно центра зондирования, а расстояние между ними постепенно увеличивается. С ростом разнесения электродов увеличивается глубина исследования, что позволяет получать вертикальный разрез геоэлектрических свойств.

Глубинность ВЭЗ определяется максимальным разносом электродов и сопротивлением среды и обычно составляет от нескольких метров до 100–300 м, обеспечивая изучение мощности слоёв, глубины залегания водоносных горизонтов и геологических границ.

Электротомография

Метод электротомографии основан на многократных измерениях электрического сопротивления горных пород с использованием большого количества электродов, расположенных вдоль профиля или по площади. На питающие электроды поочерёдно подаётся электрический ток, а возникающие разности потенциалов регистрируются приёмными электродами, что позволяет получать пространственное распределение электрических свойств среды.

Контрастными объектами являются зоны различной влажности, литологические границы, пустоты, разломы, инженерные сооружения, а также водонасыщенные и химически загрязнённые участки грунта.

При съёмке электроды подключаются к многоканальной системе, которая автоматически перебирает различные схемы питания и измерений, обеспечивая сбор большого объёма данных. По результатам инверсии строится двумерная или трёхмерная модель распределения удельного электрического сопротивления.

Глубинность электротомографии зависит от длины профиля и шага между электродами и обычно составляет от 5 до 100 м, обеспечивая детальное изучение строения верхней части разреза.

Электромагнитное сканирование (ЭМС)

Метод электромагнитного сканирования основан на излучении переменного электромагнитного поля и регистрации вторичных полей, возникающих в результате индукции токов в проводящих объектах и слоях. Параметры вторичного поля зависят от электропроводности и магнитных свойств среды.

Контрастными объектами являются водонасыщенные грунты, зоны трещиноватости, металлические и неметаллические коммуникации, техногенные объекты, а также границы литологических разностей.

При выполнении ЭМС оператор перемещает прибор вдоль профиля или по площади, при этом излучающая и приёмная катушки фиксируют изменения электромагнитного отклика среды. Результатом является карта распределения электропроводности.

Глубина зондирования зависит от частоты сигнала и характеристик среды и обычно составляет от 1 до 10 м, что делает метод эффективным для инженерных и экологических задач.

Частотное зондирование (ЧЗ)

Метод частотного зондирования основан на измерении отклика среды на электромагнитные поля различных частот. Электромагнитные волны разной частоты проникают в грунт на разную глубину, что позволяет исследовать вертикальное распределение электропроводности.

Границы, влияющие на сигнал, соответствуют изменениям влажности, минерализации вод, литологического состава пород и степени их трещиноватости.

В процессе измерений прибор последовательно работает на нескольких частотах, фиксируя амплитуду и фазу вторичного поля. Анализ частотных зависимостей позволяет восстановить глубинное строение разреза.

Глубинность частотного зондирования составляет от первых метров до 30–50 м в зависимости от диапазона частот и электропроводности грунтов.

Метод естественного поля (ЕП)

Метод естественного электрического поля основан на регистрации естественных разностей потенциалов, возникающих в земле вследствие электрохимических, фильтрационных и диффузионных процессов. Источниками поля являются движение подземных вод, окислительно-восстановительные реакции и минерализация.

Контрастными объектами являются зоны фильтрации подземных вод, разломы, водоносные горизонты, зоны рудной минерализации и техногенные нарушения.

При выполнении съёмки измеряются разности потенциалов между неподвижным базовым и перемещаемым электродами вдоль профиля или по площади.

Метод позволяет выявлять зоны активных гидрогеологических процессов и тектонических нарушений на глубинах от нескольких метров до десятков метров.

Эманационная (радоновая и гелиевая) съёмка

Эманационный метод основан на измерении концентраций радиоактивных газов (радона) и инертных газов (гелия), поступающих из глубинных пород по трещинам и разломам в приповерхностные слои. Интенсивность газовыделения зависит от проницаемости среды и глубинных геологических процессов.

Контрастными зонами являются тектонические нарушения, зоны трещиноватости, разломы, карстовые полости и области повышенной фильтрации газов и флюидов.

При съёмке отбираются пробы почвенного воздуха или измеряются концентрации газов непосредственно в скважинах или зондовых отверстиях. Значения наносятся на профиль или карту.

Метод позволяет выявлять активные разломы и зоны повышенной проницаемости на глубинах до сотен метров, косвенно отражая глубинную структуру массива.

Зондирование становлением поля в ближней зоне (ЗСБ, МПП)

Метод ЗСБ основан на регистрации переходного процесса электромагнитного поля после резкого отключения тока в генераторной петле. В породах индуцируются вихревые токи, затухание которых во времени зависит от электропроводности среды и её глубинного строения.

Границами раздела являются контакты между породами с различной электропроводностью: водоносные горизонты, глинистые и песчаные толщи, зоны трещиноватости, рудные тела и т.п.

В ходе измерений фиксируется временная кривая спада электромагнитного поля, которая содержит информацию о распределении геоэлектрических характеристик с глубиной.

Глубинность метода достигает 50–5000 м в зависимости от измерительной установки и мощности источника электромагнитного поля, что делает его эффективным для гидрогеологических, нефтегазопоисковых и прочих геологических задач.

Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ)

Метод магнитотеллурического зондирования основан на регистрации вариаций естественного электромагнитного поля Земли, возникающего вследствие взаимодействия «солнечного ветра» с магнитосферой планеты. Эти поля индуцируют токи в земной коре (теллурические токи), параметры которых зависят от электропроводности пород.

При МТЗ измеряются компоненты электрического и магнитного поля, после чего по частотным характеристикам вычисляется распределение электрического сопротивления по глубине. Контрастными объектами являются глубинные разломы, водоносные и флюидонасыщенные зоны, магматические тела и тектонические границы.

Метод обеспечивает зондирование от ста метров до десятков километров, позволяя исследовать глубинное строение земной коры и верхней мантии.