Использование георадара для исследования профиля грунта в пойме реки. Зарубежный опыт

Введение

Георадиолокация (подповерхностное радиолокационное зондирование от англ. ground-penetrating radar, GPR) – это неразрушающий и экономичный метод исследований и контроля, обеспечивающий достаточно высокое разрешение. Он основан на излучении в исследуемую среду сверхкоротких электромагнитных импульсов радиодиапазона с последующим приемом и фиксацией сигналов, отраженных от границ раздела между материалами с разными электрофизическими свойствами, при расчете промежутка времени между излучением и приемом волн. Исследуемыми средами могут быть грунт, бетон, кирпичная кладка или другие материалы.

Полученные данные регистрируются и обрабатываются с помощью программного обеспечения, которым снабжен прибор, или позже в камеральных условиях. Однако георадиолокационный профиль является лишь волновой картиной, а не непосредственным изображением геологического разреза и требует интерпретации опытным геофизиком. Причем георадарное зондирование обычно выполняют либо в качестве предварительного обследования, либо в комплексе с другими методами, например бурением, сейсморазведкой, электроразведкой или др.

Георадиолокация широко применяется в геологии, археологии, инженерных изысканиях, сельском хозяйстве, строительстве, военном деле, криминалистике, разведке и т.д. В сельском хозяйстве эта технология используется в различных областях, но прежде всего при почвенно-мелиоративных изысканиях для освоения новых земель и строительства мелиоративных систем [1–4].

Здесь рассматривается применение этого метода по материалам статьи «Использование георадара для изучения пространственной изменчивости и стратиграфии почв и подпочвенных грунтов» [5], опубликованной в 2019 году в бразильском журнале Engenharia Agricola. Ее авторы Х.Р.Р. Кампос, П. Видаль-Торрадо и А.Х. Модоло являются бразильскими учеными из Федерального технологического университета штата Парана и Высшего аграрного училища имени Луиса ди Кейроса, однако свое исследование они выполнили в пойме реки Элизабет-Крик в штате Нью-Джерси США.

Район и цели исследований

Районом георадиолокационного зондирования, выполненного авторами статьи [5] в апреле 2013 года, была широкая пойма реки Элизабет-Крик в штате Нью-Джерси США (рис. 1). Пойму при исследованиях разделили на ближнюю (проксимальную) и удаленную от реки (дистальную) части. В дистальной части наблюдаются гидроморфные признаки выхода подземных вод и высокое содержание органических веществ (ОВ) в верхних 20 см почвенного покрова, тогда как проксимальная равнина хорошо дренирована и имеет низкое содержание ОВ.

Рис. 1. Расположение изучаемого района [5]

По всей исследуемой территории ведется постоянное наблюдение за динамикой потоков подземных вод и их химическими и физическими характеристиками. Осуществляется мониторинг с помощью пьезометров и сейсмических датчиков, установленных в почве и подпочвенных грунтах на разной глубине (авторы статьи [5] не уточняют детали проведения этих измерений). Указанные устройства ограничивают возможности рытья шурфов, бурения скважин или использования других инвазивных методов для изучения подземных потоков. И в данном случае георадарное зондирование оказалось наиболее ценным методом для исследований грунтовых разрезов. Целью работы [5] была оценка применимости результатов использования георадара при изучении пространственной изменчивости и стратиграфии почв и подпочвенных грунтов в указанном районе. 

Полевые исследования и обработка результатов

Полевые исследования выполнялись по профилю длиной 79 м, проходящему практически поперек поймы – от берега реки Элизабет-Крик до начала склона холма (рис. 2, а). При этом выполнялись три вида профилирования:

• с антеннами, работающими на частоте 100 МГц, методом общей средней (глубинной) точки, когда антенны последовательно сдвигались от их первоначальных положений относительно фиксированной точки в противоположных направлениях с шагом 5 см (рис. 2, б);
• с разнесенными антеннами, работающими на частоте 100 МГц, с постоянным расстоянием 1 м между ними (рис. 2, в);
• с использованием двух экранированных антенн, работающих на частотах 100, 250 и 500 МГц, с расстоянием между ними 30 см.

Все антенны, использованные в исследовании, были изготовлены компанией Mala Geoscience.

Рис. 2. Георадарное зондирование в бассейне реки Элизабет-Крик в штате Нью-Джерси США [5]: а – место измерений; б – профилирование с использованием метода общей глубинной (средней) точки; б – профилирование с постоянным расстоянием между антеннами

После окончания полевых работ для удаления неинформативных и усиления информативных сигналов георадарограммы были обработаны с использованием ряда стандартных методов цифровой фильтрации, доступных в программном обеспечении Reflex 2D (при этом для топографической коррекции использовались данные, собранные с помощью тахеометра).

На основе обработанных записей с использованием времени запаздывания отраженных сигналов и расстояния между антеннами определялись линейные регрессии, по обратным величинам наклона которых рассчитывались скорости распространения волн в разных слоях грунта. Диэлектрическую проницаемость различных материалов рассчитывали с использованием формулы:

Помимо георадарных измерений были собраны образцы почв и подпочвенных грунтов для стратиграфического описания. Их цвет анализировался с использованием цветовой шкалы Манселла. На основе полученных данных был составлен cтратиграфический разрез по методике, предложенной Бриджем (Bridge, 2006) и Фордом с соавторами (Ford et al., 2007).

Полученные результаты и их обсуждение

На дистальной равнине верхний слой грунта на глубине 0–56 см (отраженная волна на рис. 3, б) показал очень низкую скорость распространения электромагнитного сигнала v (0,035 м/нс) и высокую диэлектрическую проницаемость ε_r (66,35), характерные для гидроморфных (развивающихся при избытке воды) почв с высоким содержанием органических веществ.

Рис. 3. Для дистальной части поймы [5]: а – скоростной разрез; б – георадарограмма, полученная с использованием метода общей глубинной точки; в – стратиграфия, выявленная с помощью зондирования и определения характеристик образцов

Скорость распространения электромагнитной волны v во втором от поверхности (56–110 см) слое была выше, чем в первом, и составила 0,047 м/нс, а диэлектрическая проницаемость ε_r оказалась ниже (39,87). Это свидетельствует о снижении содержания воды и органических веществ.

В третьем слое величина v немного уменьшилась (до 0,041 м/нс), в то время как значение ε_r выросло до 52,41, что указывает на дальнейшее увеличение содержания воды.

Четвертый слой (122–160 см) показал сильное сходство со вторым, потому что параметры v и ε_r в нем имели примерно такие же величины.

Вариации, наблюдаемые в следующих по глубине слоях, были ниже, чем в первых четырех, потому что это уже были коренные породы (алевролиты).

Данные по шести исследованным слоям представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики стратиграфических слоев в пределах дистальной части поймы в бассейне реки Элизабет-Крик (штат Нью-Джерси, США) [5]

Для проксимальной части поймы результаты были схожи с рассмотренными выше, однако первый и второй слои (рис. 3, в) были толще таковых в дистальной части, а третий тоньше. Глубина зондирования не достигла подошвы четвертого слоя.

Скоростной разрез, полученный для проксимальной части поймы с использованием метода общей глубинной точки (рис. 4, а), показал тенденцию к росту скоростей распространения радиоволн v с увеличением глубины. Каждая отраженная волна (рис. 4, б) характеризовала границу раздела между слоями с различными электрофизическими характеристиками.

Рис. 4. Для проксимальной части поймы [5]: а – скоростной разрез; б – георадарограмма, полученная с использованием метода общей глубинной точки; в – стратиграфия, выявленная с помощью зондирования и определения характеристик образцов

Верхний слой грунта (0–40 см, первая отраженная волна на рис. 4, а) показал более низкие величины v (0,036 м/нс) и более высокие значения ε_r (69,44), чем другие слои (таблица 2) из-за большого содержания воды и органики, поскольку высокий электрический заряд и значительная водоудерживающая способность органического вещества оказывают большое влияние на ослабление сигнала георадара.

Таблица 2. Характеристики стратиграфических слоев в пределах проксимальной части поймы в бассейне реки Элизабет-Крик (штат Нью-Джерси, США) [5]

Отсутствие границ раздела между уровнями глубины 40 и 110 см (см. рис. 4, а) показывает, что в этом диапазоне физические и химические характеристики грунтов похожи между собой. По сравнению с вышележащим слоем значения v здесь увеличились (до 0,046 м/нс), а величины ε_r снизились (до 42,53), что свидетельствует об уменьшении содержания органических веществ.

На глубинах между 110 и 150 см (см. рис. 4, б) значения v достигли 0,62 м/нс, что снова говорит об уменьшении содержания органических веществ, а также воды и глины. В этом слое и ниже вплоть до глубины 3,9 м, как указали авторы статьи [5] (на рисунке 4 показаны данные только до глубины 2,5 м – Ред.), не наблюдалось значительных изменений величин v и ε_r, однако все же прослеживались некоторые границы раздела (см. рис. 4, а), что было связано со слоистостью выветрелого мелкозернистого алевролита, преобладающего в этой зоне.

Наблюдения с помощью георадара соответствовали результатам стратиграфических исследований. Верхний слой имел более темный цвет (рис. 4, в) и более мелкозернистую текстуру по сравнению с глубже залегающим грунтом. Второй слой был достаточно однороден, в нем преобладали крупнозернистые пески серого цвета. Третий в основном состоял из крупнозернистого песка и имел включения обломков скальных пород. Четвертый оказался крепкой невыветрелой скальной породой (алевролитом).

Следует подчеркнуть, что выполненные исследования подтвердили: основное ограничение метода георадиолокации в таких случаях состоит в том, что невозможно различить отраженные волны от «органического вещества, глины и воды» (дословно по работе [5] – Ред.), поскольку эти материалы приводят к сильному ослаблению сигналов георадара.

На основе вышеупомянутых скоростных зависимостей и использования георадарограмм, записанных с помощью экранированных антенн (100, 250 и 500 МГц), были получены геолого-геофизические разрезы, которые отражают стратиграфию и ее изменения вдоль профиля (рис. 5). При этом исследования подтвердили следующий известный факт: при увеличении частоты антенн растет разрешение, но уменьшается глубина информативного зондирования; а при снижении частоты антенн, наоборот, увеличивается глубинность, но разрешение становится ниже (см. рис. 5).

Рис. 5. Георадарограммы, полученные в пойме реки Элизабет-Крик (шт. Нью-Джерси, США) с помощью георадарного профилирования [5]: а – с разнесенными антеннами на частоте 100 МГц с постоянным расстоянием между ними; б, в – с экранированными антеннами на 250 и 500 МГц соответственно (с точки зрения рецензента, минусом работы [5] является неоднозначная интерпретация георадиолокационных разрезов, полученных с антеннами разных частот, в результате чего на одном профиле с разными антеннами были получены разные разрезы. – Ред.)

По полученным георадарограммам можно было различить три георадарных комплекса.

Комплекс 1 (E1 на рис. 5) – в начале пологого склона, где преобладают маломощные и слаборазвитые почвы (например, такие типы почв по классификации, принятой в США, как инцептисолы и энтисолы).

В комплексе 2 (E2 на рис. 5) в дистальной части поймы имеется более мощный слой почвы с высоким содержанием воды, органических веществ и глины, что благоприятно для образования моллисолов (по классификации США). Эти особенности типичны именно для дистальной части поймы в изучаемом месте, поскольку ее высотные отметки немного ниже по сравнению с окружающими участками.

Комплекс 3 (E3) в проксимальной части поймы является более многослойным и сформированным в результате отложения различных осадков – от богатых органикой/глиной до песчаных, приносимых рекой. Преобладающими почвами в этой части являются энтисолы (по классификации США).

Заключение

Использованная авторами статьи [5] георадиолокационная система показала достаточно хорошую точность работы при изучении пространственной изменчивости и стратиграфии почв и подпочвенных грунтов в пойме реки Элизабет-Крик в штате Нью-Джерси США. Однако там, где органическое вещество встречалось вместе с глиной, например на дистальных участках поймы, невозможно было четко различать сигналы от каждого из этих разных материалов.

При этом Кампос и соавторы в своей работе [5] подчеркнули, что, хотя в целом полученные результаты были удовлетворительными, они недостаточны. На основе дальнейших подобных исследований георадиолокация могла бы стать еще более применимой, например в таких областях, как ирригация и анализ сельскохозяйственной пригодности земель.

Источники

1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. М.: изд-во МГУ, 2004. 153 с. URL: docplayer.ru/59461270-Vladov-m-l-starovoytov-a-v-vvedenie-v-georadiolokaciyu.html.
2. Основные принципы и применение георадиолокации // Geoinfo.ru. 26.08.2020. URL: geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/osnovnye-principy-i-primenenie-georadiolokacii-43128.shtml.
3. Почвенно-мелиоративные изыскания // РГАУ-МСХА. Дата последнего обращения: 11.08.2010. URL: activestudy.info/pochvenno-meliorativnye-izyskaniya/.
4. Что такое георадар и принцип его действия // Georadar-Service.com. Дата последнего обращения: 10.08.2020. URL: georadar-service.com/index.php?option=com_content&view=article&id=49&Itemid=56.
5. Campos J.R.R., Vidal-Torrado P., Modolo A.J. Use of ground penetrating radar to study spatial variability and soil stratigraphy // Engenharia Agricola. Brazil: Brazilian Association of Agricultural Engineering (SBEA), 2019. Vol. 39. № 3. URL: scielo.br/scielo.php?pid=S0100-69162019000300358&script=sci_arttext.

Список литературы, использованной авторами статьи [5]

Afshar A., Abedi M., Norouzi G., Riahi M. (2015). Geophysical investigation of underground water content zones using electrical resistivity tomography and ground penetrating radar: A case study in Hesarak-Karaj, Iran. Engineering Geology 196: 183–193.

Annan A.P. (2009). Electromagnetic Principles of Ground Penetrating Radar. In: Jol H.M. (ed). Ground Penetrating Radar: Theory and Application. Amsterdam, Elsevier, p. 3–37.

Bradley M.B., Adrian A., Camelia K. (2009). Empirical mode decomposition operator for dewowing GPR data. Journal of Environmental and Engineering Geophysics (14): 163–169. DOI: 10.2113/JEEG14.4.163.

Bridge J. (2006). Fluvial facies models: Recent developments. In: Posamentier HW, Walker R.G. (eds). Facies models revisited. Tulsa, SEPM, p. 85–170.

Campos J.R.R., Silva A.C., Slater L., Nanni M.R., Vidal-Torrado P. (2016). Stratigraphic control and chronology of peat bog deposition in the Serra do Espinhaзo Meridional, Brazil. Catena (143): 167–173.

Ciampalini A., Andre F., Garfagnoli F., Grandjean G., Lambot S., Chiarantini L., Moretti S. (2015). Improved estimation of soil clay content by the fusion of remote hyperspectral and proximal geophysical sensing. Journal of Applied Geophysics 116: 135–145.

Comas X., Terry N., Slater L., Warren M., Kolka R., Kristiyono N., Sudiana N., Nurjaman D., Darusman T. (2015). Imaging tropical peatlands in Indonesia using ground-penetrating radar (GPR) and electrical resistivity imaging (ERI): implications for carbon stock estimates and peat soil characterization. Biogeosciences 12: 2995–3007.

Daniels D.J. (2004). Ground penetrating radar. London, The Institute of Electrical Engineers, 2nd ed. 726 p.

Doolittle J.A., Minzenmayer F.E., Waltman S.W., Benhamd E.C., Tuttle J.W., Peaslee S.D. (2007). Ground-penetrating radar soil suitability map of the conterminous United States. Geoderma 141: 416–421.

Fernandez G.B., Rocha T.B. (2014). Radar de penetracao do solo (GPR) aplicado a geomorfologia costeira: Potencialidades e limitaзхes. Revista Geonorte 10.(1): 129–134.

Ford M., Williams E.A., Malartre F.M., Popescu S. (2007). Stratigraphic architecture, sedimentology and structure of the Vouraikos Gilbert-type fan delta, Gulf of Corinth, Greece, In: Nichols G., Williams E., Paola C. (eds). Sedimentary Processes, Environments and Basins: A Tribute to Peter Friend. Oxford, International Association of Sedimentologists, Blackwell Publishing, p. 53–90.

Forte E., Pipan M. (2017). Review of multi-offset GPR applications: Data acquisition, processing and analysis. Signal Processing. 132: 210–220.

Mount G.J., Comas X., Wright W.J., McClellan M.D. (2015). Delineation of macroporous zones in the unsaturated portion of the Miami limestone using ground penetrating radar, Miami Dade County, Florida. Journal of Hydrology. 527: 872–883.

Olhoeft G. (1998). Electrical, magnetic, and geometric properties that determine ground penetrating radar performance. In: International Conference on Ground Penetrating Radar. Lawrence. Proceedings…

Plado J., Sibul I., Mustasaar M., Joeleht A. (2011). Ground-penetrating radar study of the Rahivere peat bog, eastern Estonia. Estonian Journal of Earth Sciences 60 (1): 31–42.

Rossi M., Manoli G., Pasetto D., Deiana R., Ferraris S., Strobbia C., Putti M., Cassiani G. (2015). Coupled inverse modeling of a controlled irrigation experiment using multiple hydro-geophysical data. Advances in Water Resources 82: 150–165.

Tran A.P., Bogaert P., Wiaux F., Vanclooster M., Lambot S. (2015). High-resolution space-time quantification of soil moisture along a hillslope using joint analysis of ground penetrating radar and frequency domain reflectometry data. Journal of Hydrology. 523: 252–261.

Wijewardana Y.G.N.S., Galagedara L.W. (2010). Estimation of spatio-temporal variability of soil water content in agricultural fields with ground penetrating radar. Journal of Hydrology 391: 24–33.

Рецензии:

Статья посвящена использованию георадиолокации для детального расчленения разреза речных отложений на глубину до 4 м.
Несомненным плюсом статьи является приведённые результаты съёмки с разнесённым источником и приёмником методом общей срединной точки. По мнению рецензента, съёмку по такой методике необходимо проводить всегда, когда в разрезе наблюдается изменение влажности.
Минус данной работы – неоднозначная интерпретация георадиолокационных разрезов, полученных с антеннами разных частот. Интерпретация сделана так, что на одном профиле с разными антеннами получены разные разрезы.

Мария Судакова Старший преподаватель кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, Научный сотрудник института Криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН, к.ф.-м.н.