Радиолокационный метод исследований отложений торфа и сапропеля
5.Применение подповерхностной радиолокации для изучения отложений торфа и сапропеля.
5.1.Методика полевых работ.

Полевые работы 1980-86 гг. по радиолокационному исследованию месторождений торфа и сапропеля проводились при участии автора и по разработанной им методике /23/. За основу был взят опыт радиолокационных профильных съемок, разработанных в РКИИГА, и зондировании , применяемых в ААНИИ.

Методика радиолокационных исследований предусматривает комплексирование двух самостоятельных методов подповерхностной радиолокации, а именно: метод радиолокационного зондирования и метод радиолокационного профилирования. Различия между этими методами состоит в том, что профилирование проводятся вдоль маршрута исследования при неизменном расстоянии между приемной и передающей антеннами. Радиолокационное зондирование предусматривает постепенное увеличение разноса между антеннами в противоположные стороны от точки исследования. Зондирование, по существу, является электроразведочным аналогом МОВ.

Радиолокационное профилирование является основным методом разведки торфяных месторождений. На практике используется две модификации метода: непрерывное и дискретное радиолокационное профилирование. Непрерывное профилирование проводится путем перемещения антенных систем и прибора по маршруту исследования равномерно, без остановок. Для транспортировки обычно используется гусеничный транспортер ГАЗ-71 или снегоход типа "Буран". На небольших, до 500 метров, участках месторождения возможно проведение непрерывного профилирования с использованием носимой модификации георадара С-023. Дискретное профилирование применяется только при невозможности использование транспортных средств, заключается в измерении времен прихода отраженных сигналов и их записи в отдельных точках маршрута исследования. При этом шаг профилирования обычно составляет 10-25метров.

Последовательность работ при разведке торфяного месторождения с применением радиолокационной аппаратуры состоит в следующем.

В начальной точке исследований необходимо максимально точно установить глубину до основной отражающей границы, которой является дно залежи, идентифицировать с ней видимый на экране локатора отраженный сигнал и откалибровать прибор. Для этого необходимо провести механическое зондирование залежи с отборов проб подстилающего грунта, если минеральное дно торфяной залежи сложено плотными песчаными или супесчаными отложениями, а также отсутствует плавный переход от торфа к подстилающему грунту, то за глубину отраженной границы следует принять результат механического зондирования. Если в придонном слое залежи присутствует сапропель, или имеет место плавный переход от торфа к подстилающему грунту, то в начальной точке исследования необходимо провести радиолокационное зондирование.

Радиолокационное зондирование выполняют следующим образом: приемную и передающую антенны устанавливают на поверхности залежи в метру друг от друга. После записи принятых сигналов на магнитную ленту начинают одновременно разносить антенны в противоположное стороны от центра, на расстояние сравнимое с глубиной залегания дна залежи. В начальной и конечной точках измерят время прихода отраженных сигналов.

Скорость распространения электромагнитных волн (V) и глубина (h) отражающей границы вычисляется по формулам:

V = [(x22-x12)/(t22-t12)]1/2
(5.1)
H = 1/2{t12(x22-x12)/(t22-t12) - x12}1/2 = 1/2{t22(x22-x12)/(t22-t12) - x22}1/2
(5.2)

где:
x1 и x2 - расстояние между антеннами,
t1и t2 - время прихода отраженных волн.

При определении t1,2 могут возникать трудности с выявлением сигнала, отраженного от минерального дна. Для предварительной идентификации отражений следует воспользоваться данными ручного бурения и вычислить время прихода отраженной волны по формуле

t=h/1.8

Либо воспользоваться таблицами перевода t(нс) в h(м).

После определения расстояния до отражающей границы и скорости распространения волн в залежи следует откалибровать прибор по глубине и начать работу по методу радиолокационного профилирования торфяной залежи. Во время движения транспорта с установленным на нем георадаром, проводится непрерывная запись принятых сигналов. Места пересечения маршрута следования с характерными формами рельефа, в также плановая привязка фиксируется на магнитной ленте путем кратковременного включения калибровочных меток. Каждое включение меток регистрируется в журнале наблюдений.

Вычисление средней глубину торфяной залежи и запасов сырья по радиолокационным данным требует контроля за изменением скорости распространения электромагнитных волн на различных участках месторождения. Для этого необходимо создать опорную сеть непосредственных измерений глубины залежи или радиолокационных зондирований.

Наиболее удобно совмещать точки опорной сети с пунтками отбора проб. Кроме этого пи создании опорной сети необходимо руководствоваться следующими положениями:

  • на каждой типовой участок торфяного месторождения должно приходиться не менее двух опорных точек.
  • По профилю или магистрали опорные точки должны располагаться не реже чем через 1000м.,
  • Опорные точки должны располагаться в местах с разной глубиной залежи,
  • При сильной изменчивости глубины залежи точки опорной сети должны находиться в местах с горизонтальным положением дна залежи.

Движение вездехода по торфяному месторождению осуществляется по маршрутам, намеченным согласно инструкции по разведке торфяных месторождений.

Методика разведки месторождений сапропеля, осуществляется в зимний период, аналогично методике, описанной выше. В летний полевой период радиолокационное зондирование заменяются импульсным электромагнитным каротажем.

Методика полевых исследований торфа и сапропеля может быть использована практически без изменений для подповерхностной радиолокации других геологических сред. Но прежде чем начинать полевые работы, необходимо оценить возможности имеющейся аппаратуры /3/. Сделать это можно, основываясь на расчетах, приведенных в разделе3. Специально для оценки пределов возможностей радиолокации для геологических исследований автором были разработаны номограммы. На рис.5.1 представлена номограмма, позволяющая, исходя из длительности зондирующего импульса и скорости распространения электромагнитных волн, определить величину "мертвой зону" локатора (Н).

Ни нижней шкале номограммы отложена длительность зондирующего импульса в наносекундах по вертикали - протяженность "мертвой зоны" в метрах. Номограмма построена в билогарифмическом масштабе для различных значений скоростей от 3.35 до 30 см\нсек и охватывают все случаи изменения скорости, которые можно встретить при изучении геологических сред. По основной номограмме (сплошные линии) можно определить Нм для расположения приемных и передающий антенн в одной точке. При применении разнесенных антенн величина "мертвой зоны" увеличивается, т.к. уменьшается разница прихода прямой и отраженной волны. Для ввода поправок за разнос антенн построено дополнительное семейство пунктирных линий. Исправленные значения глубины "мертвой зоны" показаны на верхней шкале.

Пользоваться номограммой следует так. Пусть длительность излучаемого импульса равна 60 нс., исследования ведутся в среде с V=3.35 см/нсек (отн=80) и применены разнесенные антенны на 2 м антенны. На оси ОХ находим точку 60 нс и восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой с V=3.35 см/нсек. Ордината этой точки есть значение Н=1м. Исправленное значение Нм находим по абсциссе пересечения Нм=1м. И пунктирной линии с индексом 2мЮ на верхней шкале номограммы. В рассмотренном примете окончательное значение глубины "мертвой зоны" равно 1.8 м.

Номограмма универсальна и может быть использована для перевода временных разрезов в глубинные. Для этого необходимо вместо имп. Брать время задержки tотр. отраженного сигнала относительно момента излучения. Аналогично определяется разрешающая способность о дальности.

Реальные значения величины мертвой зоны и разрешающей способности по дальности и могут быть ниже, т.к. радиолокационное профилирование более информативно, чем единичные наблюдения волновой картины.

Оценить максимальную дальность подповерхностной радиолокации можно по номограмме на рис.5.2. Для этого необходимо знать величину удельного затухания радиоволн в исследуемой среде (дБ/м). Если отсутствуют измерения на образцах, значение удельного затухания следует оценить по литературным источникам или воспользоваться графиками перевода омм в дБ/м (рис.5.3, 5.4).

Номограмма на рис52 учитывает влияние на дальность локации только затухания и \геометрических потерь и рассчитана для различных величин потенциала локатора в децибелах.

Для примера использования номограммы приведем оценку максимальной глубины радиолокационного зондирования торфяной залежи. Средние значения радиолокационного зондирования торфяной залежи. Средние значения удельного электрического сопротивления верхового торфа колеблются около 100 Омм, что соответствует значению удельного электрического затухания 4 дБ/м. Значения потенциалов разработанных до настоящего времени радиолокаторов составляют 80-100 дБ. Но номограммам получаем глубиность от 5.5 до 15 м, что хорошо согласуется с данными полевых измерений. Для низинных торфов с затуханием больше 5 дБ/м максимальная глубина зондирования составляет менее 5 м. При этом, если учесть наличие плавных переходов от торфа к подстилающим грунтам, характерным для низинных залежей, то можно сделать вывод о том, что радиолокационные исследования торфяных залежей низинного типа, проводимые по существующей методике, возможны лишь в редких случаях.

Подобное ограничение глубинности метода отрицательно сказывается на его практической полезности, т.к. залежи торфа низинного типа и отложения сапропеля. Имеющего аналогичные электрические свойства, как следует из рассмотрения номограммы, возможно двумя путями, а именно? С помощью увеличения потенциала георадара и уменьшением частоты зондирующих импульсов.

Увеличение потенциала локатора возможно прежде всего за счет применения более мощных генераторов наносекундных импульсов. Но это связано с увеличением габаритов генератора и потребляемой им мощности. Хотя генератор мощностью 200квт весит около 1.5 кг и потребляет 30 Вт для носимых модификаций георадара это не пригодно. для возимых на транспортере вариантов аппаратуры вес и габариты не имеют значения, что делает возможным использование мощных генераторов. Разработанные в настоящее время импульсные генераторы могут развивать мощность, измеряемую гигаваттами, и увеличить потенциал локатора более чем на 60 дБ, т.е. проблемы увеличения глубинности исследования можно решить таким способом.

Другим, более предпочтительным, способом является уменьшение средней частоты зондирующего импульса с 80 МГц до 10-20 Мгц. Но это вызывает увеличение "мертвой зоны! И уменьшение разрешающей способности по дальности, которая становится равной 1.5-1 м, Технически частоту зондирующего импульса снизить проще. Как следует из раздела 4, для этого достаточно увеличить эффективную длину антенны. Хотя удлинение антенн несколько ужесточить требования к генератору и потребует проведения специальной обработки сигналов, этот способ более удобен.

Приведенные номограммы позволяют быстро определить возможности применения имеющейся радиолокационной аппаратуры для решения конкретных геологических задач. А при отсутствии положительного решения определить пути модернизации аппаратуры или оценить возможности использования других георадаров.



на первую страницу