Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях

Судакова, Мария Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях"

На правах рукописи

Судакова Мария Сергеевна

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЕВОГО ГЕОРАДАРА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2009

1 о ДЕК 2009

003487492

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Владов Михаил Львович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Светов Борис Сергеевич

кандидат физико-математических наук, Капустин Владимир Викторович

Ведущая организация:

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук

Защита состоится 16 декабря 2009 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», Геологический факультет, аудитория 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж)

Автореферат разослан 16 ноября 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

Никулин Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема получения физических свойств и параметров строения сложнопостроенной среды по измеренным эффективным значениям физических полей - это одна из основных проблем геофизики. Яркой иллюстрацией этому может служить положение в сейсморазведке с проблемой определения петрофизических характеристик коллектора по измеряемым параметрам волнового поля. Аналогичные вопросы возникают и в георадиолокации, когда по результатам измерения характеристик поля электромагнитных волн необходимо определить ряд физических параметров геологического разреза, например влажность. Причём простые и широко используемые аналитические зависимости между характеристиками поля и параметрами среды не дают удовлетворительных результатов или дают их только в частных случаях.

Как и сейсморазведка, георадиолокация - волновой метод геофизики, но по сравнению с сейсморазведкой, относительно новый. Если в сейсоразведке с помощью лабораторных измерений, физического моделирования и акустического каротажа уже получено большое количество данных об упругих параметрах сред и их компонент для построения устойчивых корреляционных зависимостей между ними и кинематическими и динамическими характеристиками волновой картины, то в георадиолокации наблюдается острая нехватка данных прямых измерений. Наименее исследованными здесь являются вопросы дифференциации геологических сред по структуре (в частности, слоистых и дисперсных) с помощью георадиолокации. Причём динамическим характеристикам уделено существенно меньше внимания, чем кинематическим; подчас они даже не рассматриваются. Результаты, полученные с помощью методов электроразведки (диэлектрическая проницаемость и проводимость, отвечающая за потери), здесь неприменимы из-за сильной частотной дисперсии электрофизических свойств и в силу того, что у метода георадиолокации более высокий частотный диапазон.

Традиционно в лабораторных условиях диэлектрические свойства измеряются с помощью специализированной аппаратуры, на образцах, много меньших, чем структурные единицы разреза, и зачастую на более высоких частотах, чем диапазон георадиолокации. Отсутствие промышленно выпускаемых специализированных приборов для диэлектрических измерений на образцах геологических сред в лабораториях заставляет исследователей пользоваться разнообразными собственными разработками и действующими макетами устройств.

Альтернативой этим методам является метод измерения диэлектрических свойств стандартным георадаром, выпускаемым серийно и используемым в полевых работах. Причём для минимизации размеров измерительной установки, измерения можно вести с помощью самой высокочастотной антенны из набора антенн любого неспециализированного георадара (ОКО-2, Зонд-12Е, Б1г-2000). Такой способ измерений применялся в зарубежных исследованиях, но методика остаётся

недоработанной: измеряется только время прихода отражённой волны, не обсуждаются размеры образцов.

Таким образом, актуальным вопросом является не только определение диэлектрических характеристик (как кинематических, так и динамических) различных геологических сред, но и разработка методики измерений.

Целью работы является разработка методики лабораторных диэлектрических измерений с использованием полевого георадара и применение этой методики при диэлектрических измерениях на физических моделях дисперсных и слоистых 2х-компонентных сред.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методики:

1.1. Определение оптимальных размеров образцов для измерения кинематических (скорости распространения электромагнитных волн (V) или действительной части

диэлектрической проницаемости (£) и динамических (изменение амплитуды и спектра сигнала; затухания и поглощения в среде) характеристик.

1.2. Разработка способов измерения динамических характеристик: измерения на разных базах, использование кратных волн.

2. Диэлектрические измерения (скорости распространения электромагнитных волн и затухания) на моделях 2х компонентных слоистых (вдоль и поперёк напластования) и дисперсных сред:

2.1. Состоящих из компонентов с близкими значениями Е.

2.2. Состоящих из компонентов с различающимися в несколько раз значениями е.

2.3.Измерения на слоистых средах, состоящих из слоёв мощностью от 0,1 до 1,5 длин волн.

3. Построение эмпирических зависимостей и их сравнение с широко используемыми теоретическими:

3.1. Построение зависимостей V, £ и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов;

3.2. Построение зависимостей К, £ и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой среды в зависимости от мощности прослоев;

3.3. Сравнение эмпирических зависимостей Ки Е (действительной части) с существующими теоретическими.

Защищаемые положения.

1. Предложенная методика диэлектрических лабораторных измерений с использованием полевого георадара эффективна при измерении как кинематических, так и динамических характеристик геологических сред.

позволяют определить скорость электромагнитных волн двухкомпонентной среды по известным диэлектрическим свойствам компонентов, если известна их пропорция, и пропорцию, если известна скорость; для контрастной среды -дифференцировать по структуре.

3. Скорость электромагнитных волн в слоистой среде остаётся постоянной в пределах погрешности 4% при изменении толщины прослоев от 0,15 - до 1,5 длины волны, затухание возрастает с уменьшением толщины слоев. По изменению затухания можно определить изменение мощности прослоев.

4. Для слабоконтрастных сред различия в структуре (слоистая или дисперсная) не отражаются на динамических характеристиках записи в пределах 10% точности измерений.

Научная новизна.

1. Обоснована и доработана методика измерения диэлектрических свойств на высоких частотах с помощью полевого прибора в лабораторных условиях.

2. Впервые данная методика применена для измерения динамических характеристик на физических моделях реальных сред.

3. Впервые проведены эксперименты по изучению влияния структуры на характеристики высокочастотного поля электромагнитных волн.

4. Получены зависимости скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов и мощности прослоев (для случая слоистой структуры).

Практическая значимость.

1. Использованная в данной работе методика открывает возможность массовых диэлектрических измерений с использованием полевого прибора как для физического моделирования, так и для измерений на образцах реальных грунтов.

2. Сделанные выводы о зависимости диэлектрических свойств 2-х компонентного композита слоистой или дисперсной структуры могут быть использованы в дальнейшем как для решения прямой, так и обратной задач.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы. Апробация. Основные результаты работы доложены на научных конференциях: международной научно-практической конференции по инженерной и рудной геофизике «Инженерная и рудная геофизика-2007» (Геленджик, 2007), российской конференции студентов и аспирантов «Планета Земля глазами молодых учёных» (Москва, 2009).

Объём. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литературы. Материалы диссертации изложены на 128 страницах машинописного текста, содержат 56 рисунков, 3 таблицы, 13 фотографий. Список литературы содержит 55 источников, в том числе 11 на иностранных языках.

Благодарности.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, М.Л. Владову, за непрекращающуюся помощь в работе; выражает признательность всему коллективу кафедры сейсмометрии и геоакустики за консультации, поддержку и внимание; а также благодарит свою маму, кандидата геолого-минералогических наук, Судакову Т.А., за ценные рекомендации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены основные научные результаты, отмечена практическая ценность, приведены объем и структура работы. Глава 1 (обзорная). Измерение диэлектрических свойств твёрдых и сыпучих веществ на высоких и сверхвысоких частотах в лабораторных условиях с использованием специализированной аппаратуры. Методика экспериментов.

Знание диэлектрических проницаемостей веществ имеет большое значение не только в геофизике, но и в физике, химии и технике. Измерения диэлектрической проницаемости применяются даже в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности, например, для определения влажности муки или зерна.

В диапазоне высоких и СВЧ-частот для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь твёрдых и сыпучих материалов применяют множество различных методов. Общее для всех методов заключается в том, что тем или иным способом определяется изменение фазовой постоянной распространения при введении в систему испытуемого диэлектрика и устанавливается связь этого изменения с величиной диэлектрической проницаемости вещества. Эти связи могут быть весьма различны в каждом отдельном случае, что и определяет большое количество методов измерения е и tgS.

В общем, существует около 8 различных методов лабораторных измерений диэлектрических характеристик твёрдых и сыпучих образцов, к которым можно отнести естественные грунты и их искусственные модели. Они применяются в диапазоне длин волн от 10 см до 1мм. При этом размеры образцов соответствуют длинам волн.

Обычно в литературе принята следующая классификация методов измерения диэлектрических проницаемостей вещества на высоких и сверхвысоких частотах:

1) методы, использующие направленные волны;

2) резонансные методы;

3) методы, использующие волны в свободном пространстве.

Выбор метода зависит от характера измерений (лабораторные исследования, производственный неразрушающий контроль), диапазона частот, свойств самого материала. В тех случаях, когда нежелательно разрушать изделие или заготовку из диэлектрика, прибегают к измерениям параметров материалов в свободном пространстве. Методы измерений в свободном пространстве находят широкое

применение в миллиметровом диапазоне длин волн. Высота образца должна составлять несколько длин волн, что в данном случае составляет не больше 10 см.

Методы, использующие направленные волны и резонансные методы являются наиболее точными методами в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, но применение этих методов связано с необходимостью изготовления образцов, вписывающихся в поперечное сечение линии или резонатора. Образец измельчают до частиц нужных размеров (много меньше измерительной ячейки, её длина не превышает 10 см для резонансных методов, для волноводных - больше, а площадь основания - 1-2 см2), просеивают через несколько сит с отверстиями различных диаметров; затем, чтобы добиться однородного влагонасыщения (или его нужного значения), его высушивают до нулевой влажности, а потом наполняют дистиллированной водой до нужного значения влажности; если надо исключить влияние минерализации - прокаливают при температуре больше 100°С и несколько раз промывают дистиллированной водой.

Процесс этот сложен и требует применение дополнительных устройств, к тому же требует не только разрушения образца, но и изменения его основных свойств (влажности, дисперсности и минерализации). Ячейка нагревается в процессе измерений, что требует дополнительного теплоотвода при измерениях на мёрзлых образцах.

Таким образом, традиционные методы измерений имеют ряд недостатков, как то:

- специализированная аппаратура,

- образцы много меньше структурных единиц разреза,

- необходимость изготавливать образцы определённой формы,

- более высокие частоты, чем диапазон георадиолокации,

- отсутствие промышленно выпускаемых специализированных приборов, необходимость самостоятельно изготавливать установки,

К тому же, дисперсионная кривая льда после 100 КГц выходит на асимптоту, воды «стабильна» между ЮКГц и 1ГГц, глинистых разностей выходит на асимптоту после 100 МГц. Таким образом, параметры, измеренные в санти- и миллиметровом диапазонах частот (З-ЗООГГц) не будут соответствовать параметрам, измеренным в полевых условиях мегагерцевыми антеннами.

Глава 2(обзорная). Состояние изученности диэлектрических свойств сред на высоких частотах: теоретические модели, результаты лабораторных измерений. Глава состоит их 2 частей. В первой части рассматривается теоретическая сторона вопроса: здесь приведены формулы диэлектрической проницаемости (действительной части) различных моделей композитных сред. Зависимости комплексной части диэлектрической проницаемости эффективных сред от строения, свойств и содержания компонентов в литературе не встретились. Вторая часть посвящена имеющимся в литературе эмпирическим зависимостям диэлектрических свойств геологических сред. По каждой из частей приведены соответствующие выводы.

2.1.Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред.

Зависимости диэлектрической проницаемости (Яе е) многокомпонентных смесей от диэлектрической проницаемости компонент, а также от содержания и распределений компонентов в смеси достаточно подробно изучены теоретически,

Таблица 1. Зависимости для расчёта еъ среды при её различных составе и структуре (£1, £2, £, -диэлектрические проницаемости составляющих,уь у2, У\ - их объёмные концентрации соотв.).

Модель среды Уравнение, определяющее Е^, Автор

Одноразмерные сферы с Е^, распределённые в пространстве. Между ними - заполняющий компоненте Е|. _ 2гг,+г,+2 уг(е,-Ег)^ 2е,+е2+у2(е1-е2) > М.А. Максвелл, 1892

Плотно упакованные сферы 2х сортов с £2. Между ними расположен заполняющий компонент с Е|. Г _ в* - _ ег ~ у 1 Ъег е2 + 2еЕ 2 » К. Бетчер, 1952

Слои компонентов, расположенные вдоль линий поля (параллельное соединение импедансов). е1=1у1е1 , В.В. Ржевский, Г.Я. / Новик, 1978

Слои компонентов, расположенные поперёк линий поля (последовательное соединение импедансов). е. = В.В. Ржевский, Г .Я. 1 г Новик, 1978

Составляющие смеси расположены в пространстве хаотично. Невзаимодействующие компоненты. =Ъу, 1 1 » К. Лихтенеккер, 1926

Неупорядоченная смесь 2х компонентов для невзаимодействующих компонентов. + -, где 1 (3у,-1)г,+(3^-1)с2 4 ? В. Н. Оделевский, 1951

Неупорядоченная смесь 2х компонентов для невзаимодействующих компонентов. „ _ в^ехуг{Ег-ек) Ь1 ~ -р- в, (Ъ-е,) Л.В. Лоренц-Лоренц, 1909

Смесь 2х компонентов. , ш от 1 до 2, В. Н. Дахнов, 1958

Большинство теоретических моделей б учитывают только объёмное содержание и диэлектрические проницаемости компонент; некоторые из них учитывают распределение компонентов в пространстве и форму частиц, И только самая малая часть учитывает связи между компонентами (например, наличие связанной воды, проводимость глинистой составляющей), но требует определения дополнительных величин (в данном случае - содержание и диэлектрическую проницаемость связанной воды, коэффициент глинистости).

Результаты большинства теоретических исследований, цель которых была в получении уравнений, позволяющих оценивать диэлектрическую проницаемость сложной среды (е^) при заданных объемных соотношениях компонентов, их форме и объемном распределении, сведены в таблице 1. Графики зависимостей из таблицы 1 представлены на рис.1. Как видно на рис. 1, наблюдается большой разброс значений Еъ рассчитанных теоретически; предельными оценками являются аппроксимации параллельным и последовательным соединением импедансов.

Теоретические зависимости, в которых рассматриваются дополнительные факторы, например, глинистость и наличие связанной воды, в литературе встречаются редко, что связано с тем, что взаимодействия между различными компонентами грунта и флюидами недостаточно хорошо изучены. Причём существующие зависимости много сложнее вышеприведённых и вследствие этого трудны в использовании.

£г Рис. 1 .Зависимости диэлектрической

Исследователи пытаются создать максимально приближенную к реальности модель грунта, поэтому в зависимости добавляются новые переменные,

проницаемости Еу композита от удельных объёмных содержаний компонентов с низкой и высокой диэлектрической проницаемостями. Зависимости =Ду2), €]=6 и в2 =80, построенные: 1, 2 — В. В. Ржевским и Г. Я. Новиком (слои расположены соответственно параллельно н перпендикулярно к силовым линиям поля); 3, 4 — В. И. Оделевским и Бёттчером: 5 - Л. В. Лоренц-Лоренцем; б — К. Лихтеннекером; 7 —В. Н. Дахновым (т=2); зависимости Еу =Й[у1), £,=6 ие2 =80, построенные: 8— Л. В. Лоренц-Лоренцем; 9 —К. Лихтеннекером; 10, 11 — В. И. Оделевским и К. Бёттчером.

-!-1-1-1_1_I_I ,1 „

0,2 0.4 0,5 0,8 у< 0,6 0,6 С,4 0? уг

характеризующие отдельные свойства композита или взаимодействие между частями, требующие дополнительного определения. С другой стороны, диэлектрическую проницаемость значительной части пород, грунтов и почв можно приближённо оценить по одной из формул, приведённых в таб.1.

В качестве примера приведена одна из формул для расчета диэлектрической проницаемости влажной почвы. Почва представляется воздушной средой, содержащей 3 сферические частицы грунта Зх фракций: песка, алеврита и глины. Частицы грунта покрыты оболочками воды. Гравитационная влага собирается в виде сферических капель в порах почвы. Эффективная диэлектрическая проницаемость влажной почвы определяется из следующего выражения:

Где пС1, пт и и5,— концентрации частиц трёх фракций: глины, песка и алеврита; п„ -

диэлектрических проницаемостей песчаной, алевритовой и глинистой частиц,

покрытых оболочкой воды, соответственно; £„. - диэлектрическая проницаемость

свободной воды; /„,1 , ;/„, ( , /н, ( и ■/„, '•■ - усреднённые по размерам частиц

амплитуды рассеяния вперёд песчаной, алевритовой, глинистой частицы с оболочками воды и капли воды, соответственно.

Данная формула чрезвычайно сложна и «не работает», например, при неизвестных амплитудах рассеяния. Аналогичная формула выведена авторами для мёрзлой породы. С другой стороны, А.Д. Фролов пишет, что «ввиду сложности их (многолетнемёрзлых пород) строения, состава, а также взаимосвязи компонентов, теоретическое моделирование на данном этапе исследований представляется преждевременным» («Электрические и упругие свойства мёрзлых пород и льдов», Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1998). Данный вывод можно экстраполировать практически на все грунты при любых температурах, исключая наиболее простой случай крупно- среднезернистого песка.

Выводы*:

1. Простые формулы не учитывают взаимодействия между составляющими композита, а поэтому верны лишь в частных случаях или описывают реальную ситуацию только в первом приближении.

2. Зависимости, в которых учтены другие факторы, кроме содержания и распределения компонент, слишком сложны даже для теоретического расчёта, при всех известных диэлектрических проницаемостях и концентрациях составляющих.

концентрация капель воды; ¿"с/"'' - эффективные значения

3. В связи с этим большинство исследователей указывают на необходимость построения эмпирических кривых; ввиду большой сложности или невозможности построения адекватных теоретических моделей. *все выводы сделаны для теоретических моделей диэлектрической проницаемости (Яе е).

2.2. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от физических свойств и состава.

Большинство эмпирических зависимостей, встречаемых в литературе, построены для песчано-глинистых пород или грунтов. Возможно, это связано с доступностью этого материала в больших количествах для физических измерений, легкости его использования и простыми условиями хранения. С другой стороны, глубинность метода георадиолокации такова, что работа ведется в самой верхней части разреза, для которой характерны в основном рыхлые песчано-глинистые разности.

Частотная дисперсия. Поляризационные процессы, являющиеся причиной частотной дисперсии диэлектрической проницаемости сред, рассматриваемых в геологии и геофизике, различны для компонент, составляющих агрегат породы.

Обобщающая дисперсионная зависимость для диэлектриков предложена П. Дебаем:

£'(и')=Ею+( £0- £*,)/( 1+^2т2) - действительная часть диэлектрической проницаемости

£"(и>)= т( £0- £ю)/(1+м>2т2) - мнимая часть диэлектрической проницаемости,

где £0 - диэлектрическая проницаемость на частотах много меньше критической, а £я - на частотах много больше критической, т - круговая частота.

Таким образом, е'(иО монотонно уменьшается, а е"(иО имеет максимум при м>-\!

т.

Для агрегатов из нескольких веществ, например, минерального зерна, воды и воздуха, каждое из которых имеет своё время поляризации, построить такую кривую

сложно или невозможно. Поэтому зависимость £' и Е" пород и грунтов от частоты определяется экспериментально. Приведённые в ряде литературных источников

кривые зависимости Е'(м>) и £"(и-') песчано-глинистых разностей от частоты имеют тот же вид, что и рассчитанные теоретически для льда и воды. Кривые зависимостей действительной части диэлектрической проницаемости песчано-глинистых грунтов после частоты 106 Гц выходят на асимптоту и остаются примерно постоянными до частоты 109- Ю10Гц

Таким образом, скорость электромагнитной волны или действительная часть диэлектрической проницаемости, измеренная на частоте 1МГц, будет равна измеренной на частоте 1ГГц и наоборот. Это делает соотносимыми результаты измерений на любых частотах из данного диапазона и, например, позволяет

результаты лабораторных высокочастотных измерений применять в полевых работах, в которых используются более низкочастотные антенны.

Максимум мнимой части диэлектрической проницаемости приходится на критическую частоту, разную для грунтов различного состава (в большинстве

случаев не более 10б Гц); £ " достигает больших значений в окрестности максимума, на других частотах её значение не превышает 15 и при частоте излучения больше 10 МГц песчанистые грунты являются малопоглощающими.

Температурные зависимости диэлектрической проницаемости на различных частотах для пород различного литологического состава, генезиса и влажности имеют один и тот же вид: от 25°С до 0 °С значение диэлектрической проницаемости постоянно, от 0 °С до -3-6 °С резко уменьшается в несколько раз и после -3-6 °С до -

20-25 °С кривая выходит на асимптоту и £'остаётся постоянной. Это связано с очень большим вкладом воды (превращающейся в лёд при отрицательных температурах) в диэлектрические свойства породы, причём физические свойства воды и льда, в том числе диэлектрические, отличаются в разы. Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры имеет довольно простой вид, хотя необходимо отметить, что в области 0 °С детальные измерения не проводились.

Большинство зависимостей Е'от влажности имеет вид квадратного Зх члена с различными коэффициентами. На частотах 1-ЮОМГц зависимость е' мерзлых рыхлых отложений от их объемной влажности для фиксированной температуры описывается уравнением регрессии вида е'=Л \У+В, т.е. линейным уравнением.

Диэлектрическая проницаемость песчано-глинистых грунтов и пород возрастает с увеличением дисперсности грунта или с увеличением содержания глинистого компонента.

Величина диэлектрической проницаемости мерзлых рыхлых отложений уменьшается по мере возрастания их объемной массы и среднего размера частиц.

Зависимость диэлектрических свойств от загрязнённости нефтепродуктами -актуальный вопрос, но данные измерений разрозненные и носят точечный характер, и их недостаточно для построения зависимости, даже графической.

С другой стороны, отмечается, что диэлектрические свойства загрязнённых и незагрязнённых грунтов будут незначительно, но всё же отличаться друг от друга. Выводы:

1. В результате многочисленных исследований, проведённых разными авторами, получены следующие эмпирические зависимости действительной части диэлектрической проницаемости для песчано-глинистых грунтов: от температуры, от влажности, от дисперсности, от глинистости.

Мнимой части песчано-глинистых грунтов только от температуры.

2. Нет зависимостей параметров поглощения от влажности (льдистости), дисперсности, а также зависимости диэлектрической проницаемости и параметров поглощения от загрязнённости нефтепродуктами.

3. В основном измеряется действительная часть диэлектрической проницаемости, т.е. скорость распространения электромагнитной волны в среде, а на динамические характеристики внимание обращается крайне редко.

Глава 3. Методика диэлектрических измерений в лабораторных условиях с использованием полевого прибора.

Традиционные методы диэлектрических измерений в лабораторных условиях имеют ряд недостатков, описанных в главе 1. Альтернативой этим методам является метод измерения диэлектрических свойств стандартным георадаром. В качестве информационного сигнала при таких измерениях могут быть использованы волны, отражённые от противоположной прибору грани образца (при вертикальном расположении установки - от дна, или «подошвы», образца). Этот способ лабораторных измерений применялся в зарубежных исследованиях. Однако не делалось таких важных оценок как размеры и пропорции используемых образцов (естественных или - чаще всего - искусственно созданных, физических моделей) и измерялось только время прихода отражённого сигнала, другие же его характеристики не рассматривались. Данная глава посвящена:

1) оценке минимального размера и необходимых соотношений линейных размеров образцов с учётом размера отражающей площадки, краевых эффектов и особенностей волновой картины, характерной для георадара.

2) Способам измерения динамических характеристик с использованием данной методики.

В эксперименте использовался георадар «ОКО-2» отечественного производства с центральной частотой антенны 1700МГц в воздухе. 3.1. Размеры образца.

Образец (или физическая модель) должен быть достаточно большой, чтобы поле заключалось внутри него, и влиянием краёв и окружающего пространства можно было бы пренебречь. С другой стороны, создание и проведение измерений на слишком большой модели или полученном образце представляются затруднительными в лабораторных условиях.

При расчёте размеров образца учитывалось: нахождение отражающей границы в волновой зоне (на расстоянии, большем длины волны, для правомерности оценки динамических характеристик записи), разрешённость во времени сигнала прямого прохождения и отражённого сигнала (возможность кинематических измерений), размер отражающей площадки (нахождение первой зоны Френеля внутри её). Рассматривались 2 среды: вода (скорость 3,3см/нс) и лёд (17см/нс) -низкоскоростная и высокоскоростная. Т.к. при размещении антенны на поверхности реальной геологической среды, номинальная центральная частота антенны смещается в область более низких частот, то для расчёта была использована центральная частота в 1000МГц.

В результате расчётов был сделан вывод, что при измерении скорости в высокоскоростной среде (например, во льду), размер образца цилиндрической формы 20x20см достаточен для получения отражения от его дна и дальнейшего получения информации о его свойствах, тем более достаточен для измерений в низкоскоростных средах.

3.2.Влияние краёв модели.

Возможно, что для остронаправленных антенн влияние краёв модели будет несущественным, однако для антенн с широкой диаграммой направленности (каковой является ОКО-1700) необходимо провести оценку влияния краёв.

Для того, чтобы отражения от краёв не интерферировали с отражением от «подошвы» и не влияли на полезный сигнал, необходимо найти такое соотношение высоты образца к его ширине, чтобы разрешить эти волны во времени.

Ось синфазности волны, отражённой от нижней границы образца, «пересечётся» на волновой картине с осью синфазности волны, отражённой от боковой границы модели, если расстояния от антенны до границ будут равны. Если высота образца равна половине ширины, то все 3 оси синфазности; отражённая от нижней границы и 2 от боковых границ пересекутся в середине отражения от «подошвы». Значит, чтобы избежать этого, высота образца должна быть либо больше половины ширины, либо меньше. Этих рассуждений достаточно с точки зрения кинематики процесса. Необходимо внести корректировки с учётом длительности и амплитуды полезного сигнала (отражённого от дна) и сигналов - помех (отражённых от краёв).

Рис. 2 иллюстрирует вышесказанное. Здесь в качестве «образца» было взято пластиковый контейнер с водой (высота - 25см, диаметр верхнего основания - 26см, нижнего - 20см, форма - усечённый цилиндр). На рис.3,а) приведена кинематическая схема, построенная исходя их приведённых выше рассуждений. Цифрами обозначены: 1- оси синфазности «боковых» волн, 2- «донная волна», шкала времени рассчитана для льда (скорость 17 см/нс).

а) б)

Расстояние, см

О 2 4 6 S 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 0 so 100 150

о........... . -------

Рис. 2.а) Теоретические годографы волн, отражённых от краёв модели, б) радарограмма, полученная при «проходе» над моделью, и трасса, полученная над центром модели.

Приведённая на рис. 2,6) радарограмма получена при движении антенны по лежащему на контейнере оргстеклу, «метками» показаны границы образца, стрелками - оси синфазности волн, отражённых от внутренней поверхности. Рядом с радарограммой приведена трасса, полученная при положении антенны в центре образца. Прямоугольником выделен сигнал, полученный при интерференции боковых отражений.

Как видно на рис.2, амплитуда краевых отражений в 10 раз меньше амплитуды отражённого сигнала в данном примере, и волновой пакет отражений от краёв не интерферирует с целевым отражением от дна. При несколько других размерах моделей разрешённость боковых отражений и целевого сигнала может быть недостаточной, но полученное соотношение амплитуд сигналов обеспечивает практически неискажённую запись целевого отражения. Во льду волновая картина будет аналогична за исключением другого масштаба временной оси (временная ось для льда приведена на кинематической схеме, рис. 2,а).

Таким образом, для рассмотренной антенны «ОКО-1700», размеры возможной модели в предельной оценке такие: диаметр основания 20см, высота 20-25 см, что достаточно как для высокоскоростных сред, так и для низкоскоростных. Это обеспечивает отсутствие влияния краевых эффектов, достаточный размер отражающей площадки и «работу» в волновой зоне и позволяет решать как кинематические, так и динамические задачи.

3.3. Измерение динамических характеристик. З.ЗЛ.Измерения на разных базах.

Проводятся на образцах различной мощности. Дают возможность рассчитать относительное удельное затухание (т.к. «прямого» сигнала на радарограммах нет, а сигнал «прямого прохождения» - помеха, то рассчитать затухание по определению не представляется возможным). По определению удельное затухание:

Ап

А = 201ё Дб/м Апрош

где А0 - зондирующий сигнал, А„рош - сигнал, прошедший путь, равный 1 метру .

Относительное удельное затухание рассчитывалось по амплитудам отражённых сигналов, полученных от «подошвы» образцов различной мощности. Расчёт проводился по формуле:

А = Дб/м,

А(х + &) &

где А(х) и А(х+&) - истинные амплитуды отражённых сигналов, полученных для образцов различной высоты (х и х+&с соотв.).

Использование разных баз имеет один существенный недостаток - измерения производятся фактически на разных образцах, или, если это искусственная физическая модель, она «надстраивается » для увеличения мощности. Это вносит

дополнительную погрешность при определении как кинематических, так и более чувствительных динамических характеристик отражённого сигнала. Этого можно избежать, используя дополнительные возможности волновой картины, например, наличие кратных волн.

3.3.2.Использование кратных волн.

Относительное удельное затухание можно оценить, используя амплитуды кратных волн по формуле:

А = Дб!м

Ащ, 2 1Х

А0тр1. АотР2 - амплитуда отражённой волны и первой кратной, катр] и котр2-коэффициенты отражения от верхней и нижней границ образца; вычисляются по значениям скорости распространения электромагнитной волны в образце и в среде выше и ниже образца.

Среда выше образца - воздух и скорость в нём известна (30 см/нс). Выбор среды ниже образца остаётся за экспериментатором. Кроме воздуха (если поднять образец) это может быть, например, лист железа - «абсолютный отражатель» в данном случае, когда котрг= 1. Выбор «абсолютного отражателя» удачен с точки зрения получения кратных волн высокой амплитуды и отсутствия отражений от поверхностей и объектов ниже образца.

Аналогично отражениям, полученным при измерениях на разных базах, кратные волны также могут быть использованы для оценки изменения спектра сигнала. Затрудняет это невозможность учёта влияния отражения на спектр. Выводы.

1. Показана принципиальная возможность использования полевого прибора для лабораторных измерений, при физическом моделировании в том числе.

2. Оценен минимальный размер и необходимое соотношение линейных размеров образцов с учётом размера отражающей площадки, краевых эффектов и особенностей волновой картины, характерной для радара.

3. Описанная методика измерений может применяться для определения как кинематических так и динамических характеристик распространения электромагнитных волн в природных образцах и искусственно созданных моделях.

4. Приведены 2 способа измерения динамических характеристик: измерения на разных базах и использование кратных волн.

Глава 4. Измерение диэлектрических свойств двухкомпонентных сред слоистой и дисперсной структуры.

Зависимость диэлектрических свойств от структуры изучаемого на высоких частотах материала рассмотрена только теоретически, а практически никак не подкреплена. Зависимость динамических характеристик георадарной записи (или её отсутствие) от структуры среды не рассматривается вообще. Этот вопрос представляет не только научную, но и практическую ценность.

В связи с этим были поставлены эксперименты (физическое моделирование), целью которых было определить влияние структуры композита на его диэлектрические свойства; построить эмпирические зависимости кинематических и динамических свойств, кинематические результаты сравнить с теоретическими зависимостями. Были смоделированы 2 структуры: слоистая (измерения проводились как вдоль, когда антенна находилась сверху, так и поперёк «напластования», когда антенна находилась сбоку) и среда со статистическим распределением компонентов («дисперсная»). Формулы для теоретического расчёта диэлектрической проницаемости смеси, обладающей вышеназванным строением, приведены в главе 2. Также проводились измерения на слоистых моделях с разной толщиной слоёв и одинаковой пропорцией компонентов (50/50) с целью определить влияние толщины слоя на диэлектрические свойства.

Рассматривались две 2х-компонентные среды: среда 1 («контрастная»), диэлектрическая проницаемость компонентов которой отличается в несколько раз, и среда 2 («неконтрастная»), состоящая из компонентов с близкими значениями диэлектрической проницаемости. В качестве компонентов были взяты:

- моренный суглинок полной влагонасыщенности (скорость распространения электромагнитных волн V=5,9 - 6.1 см/нс, затухание около 70Дб/м)

- среднезернистый песок полной влагонасыщенности (V=6,9 - 7,3 см/нс, затухание около 40Дб/м)

- стеновые панели, представляющие собой поликарбонатную решётку, наполненную воздухом (V=29cm/hc, затухание близко к 0).

Слоистая структура создавалась путём последовательного выкладывания слоёв суглинка и песка (или стеновых панелей); мощность прослоев около 1см. «Дисперсная» или «статистическая» структура в случае среды 1 была сделана из распиленных стеновых панелей размером 4 см х 4,5 см х 0,9 см, которые укладывались в контейнер вместе с суглинистой матрицей; в случае среды 2 слоистые модели из суглинка и песка просто тщательно перемешивались.

Были выполнены следующие серии опытов: Среда 1 и 2 - измерения вдоль и поперёк на слоистых и дисперсных моделях с различной пропорцией компонентов; среда 2 - измерения вдоль и поперёк на моделях одной пропорции 50/50, но различной мощностью слоёв (изменение мощности от 0,1 до 1,5 длин волн).

Глава 5. Результаты измерений.

По результатам измерений были построены графики зависимости скорости распространения электромагнитных волн, диэлектрической проницаемости и затухания сигнала в среде от процентного содержания суглинка.

Скорость рассчитывалась как отношение двойной высоты образца ко времени прихода отражённого сигнала. Диэлектрическая проницаемость модели рассчитывалась как квадрат отношения скорости света к скорости распространения электромагнитных волн в модели. Затухание рассчитывалось по формулам,

приведённым в гл.З. Для расчёта затухания использовались максимальные разносы относительных амплитуд, «снятых» автоматически с помощью модуля ББАА в программе 11а<кхРго.

Ко всем графикам были подобраны аппроксимационные зависимости различного вида, рассчитана среднеквадратичная погрешность аппроксимации, относительное отклонение измеренных значений скорости от зависимостей. Был сделан сравнительный анализ широко используемых теоретических формул расчёта (глава 2) с полученными значениями скорости и диэлектрической проницаемости.

При построении графиков и расчёте использовались значения времени прихода и амплитуды отражённого сигнала, полученные при использовании 2х отражателей: железа и воздуха. Сходимость результатов, полученных при использовании различных отражателей, а значит, при вариации параметров измерительной установки, говорит о хорошей повторяемости опыта. К тому же, при неуверенном выделении отражённого сигнала на фоне помех, как в случае со средой 1, смена отражателя добавляет дополнительные визуальные признаки (например, смена полярности фаз при смене отражателя). 5.1.Среда 1. (контрастная; суглинок - стеновые панели).

Сводный график всех измеренных значений скорости и диэлектрической проницаемости среды 1 приведён на рис.3. Наиболее точно экспериментальная зависимость скорости в среде 1, измеренная вдоль или поперёк напластования, методом наименьших квадратов аппроксимируется экспоненциальной зависимостью вида V = ЗОео п'65у, где у - объёмная концентрация суглинка.

Среда 1. контрастная

30- О 30-

25 - X о 25-

и 20- 20 -

В 15- §15-

>10- . ¿§41 10-

5 - *0 5-

0 - .....,.. . -----. .... , , . ...

20 40 60 80 содержание суглинка, %

100

0 20 40 60 80 100 содержание суглинка, %

| - слоистая среда, поперёк напластования I д. слоистая среда, вдоль напластования I + " дисперсная среда

Аппроксимация:

- - поперёк напластования -- вдоль напластования

- - дисперсная среда

Рис. 3. Сводный график значений скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) в зависимости от содержания суглинка в среде 1 (контрастные компоненты) слоистой и дисперсной структуры.

Среднеквадратичная погрешность аппроксимации не превышает 0,6 см/нс; максимальное относительное отклонение от тренда - 26%. Существенной разницы между скоростями, полученными при измерениях вдоль и поперёк напластования, не наблюдается, максимальное различие достигает 28%, в среднем 12%.

Максимальная разница между аппроксимационными зависимостями скорости электромагнитных волн в среде 1 слоистой структуры, измеренной вдоль и поперёк - около 7%, максимальная разница между скоростью в слоистой и дисперсной средах (линиями аппроксимации) - 45% (поперёк - дисперсная) и 51% (вдоль - дисперсная).

Значения скорости в дисперсной среде в среднем меньше на 20%, чем в слоистой того же состава (19% при измерениях поперёк и 23% вдоль напластования). Максимальная разница достигает 55,1% и 55,2%.

Экспериментальный график зависимости £ от содержания суглинка в среде 1 дисперсной структуры (рис.1.) лучше всего аппроксимируется линейной зависимостью вида £ = 0.27у — 1.2, скорость рассчитана как скорость света,

делённая на корень из Е. Среднеквадратичная погрешность аппроксимации не превышает 0,3 см/нс. Максимальное относительное отклонение от тренда - 19%. 5.2.Среда 2. (неконтрастная; суглинок - песок).

Опыт с различными пропорциями компонентов.

Среда 2. неконтрастная

40-,

30-

с с!

20-

0 20 40 60 80 100 содержание суглинка, %

I I

О 20 40 60 80 100 содержание суглинка, %

С - слоистая среда, поперёк напластования _ □ - слоистая среда, вдоль напластования _ + - дисперсная среда —

Аппроксимация:

— - поперёк напластования - вдоль напластования

— - дисперсная среда

Рис. 4. Сводный график значений скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) в зависимости от содержания суглинка в среде 2 (неконтрастные компоненты) слоистой и дисперсной структуры.

Графики измеренных значений диэлектрической проницаемости и скорости в среде 2 различной структуры представлены на рис.4. Компоненты среды 2 по

значениям скорости электромагнитных волн мало отличаются друг от друга (примерно на 10% от среднего). Поэтому для построения разных аппроксимационных зависимостей для разных структур необходима высокая (много больше 10% от среднего) точность эксперимента. В пределах же 10%-ного отклонения самой простой из подходящих зависимостей является линейная

(обратная квадратичная для е).

Слоистая среда, измерения вдоль напластования У=-0.016у +7.19. Слоистая среда, измерения поперёк напластования ¥= -0.018у +7.16. Дисперсная среда V = -0.019у +6.97.

При этом среднеквадратичная погрешность аппроксимации скорости и максимальное отклонение равны: для случая слоистой среды измерения поперёк напластования 0,08см/нс и 8%, вдоль напластования 0,06 см/нс и 6%, дисперсная структура - 0,07 см/нс и 7%. Погрешности аппроксимации почти в 3 раза меньше, чем в опыте со средой 1. Различия между скоростями в дисперсной и слоистой средах достигают 8-10%, разница между скоростью в слоистой структуре, измеренной вдоль и поперёк не превышает 3% от среднего.

Опыт с различной мощностью слоёв.

Сводный график всех измеренных значений скорости, диэлектрической проницаемости и затухания в зависимости от мощностей прослоев в среде 2 приведён на рис.5. Измерение мощности прослоев в пределах 1-9 см не влияют на значение скорости электромагнитных волн и диэлектрической проницаемости.

Среднее значение скорости - 6, 3 см/нс, Е - 23. Максимальное отклонение от среднего значения скорости при измерениях вдоль - 3%, при измерениях поперёк -4% от среднего.

Графики затухания, рассчитанные по радарограммам, полученным при использовании различных отражателей, отличаются друг от друга (см. рис. 5). Затухание, измеренное с использованием железного листа, линейно убывает с увеличением мощности от значения 50 Дб/м до значения 44,5 Дб/м. Отклонение экспериментальных значений от линейной аппроксимации - не больше 1%. Где в качестве отражателя использовался воздух, значения затухания получились значительно меньше, точки на графике соединяются ломаной линией.

По средним арифметическим значениям между затуханиями, измеренными с железным листом и с воздухом, было рассчитано методом наименьших квадратов линейное приближение (чёрная линия на графике, рис.5.10). Среднеквадратичная погрешность приближения - 1,8 Дб/м. Максимальное отклонение 28% (отражатель железо) и 52% (отражатель воздух). Несмотря на такие большие отклонения, наблюдается общая тенденция: возрастание затухания с уменьшением мощности прослоев.

8-|

7.5 -

7 -

о X 6.5-

2 и 6 -

> 5.5-

5-1

4.5 -

4 Л

п о

мощность прослоев, см

60-

г ¡5 сг

50-

40-

5. 30-

20 •

Среда 2. неконтрастная

с а

353025 4

"20

-п-И-

Ь о

ГЗ

15-)-

ю 4-

мощность прослоев, см

■Ф - отражатель железо, поперёк ♦ - отражатель воздух, поперёк 0 - отражатель железо, вдоль □ - отражатель воздух, вдоль

мощность прослоев, см Рис.5. Сводный график значений скорости электромагнитных волн (V), диэлектрической проницаемости (ДП) и затухания в зависимости от мощности прослоев в среде 1 (контрастные компоненты) слоистой структуры.

Затухание в слоистой и дисперсной модели.

На рис.6 приведены 4 графика зависимости затухания от процентного содержания суглинка в модели 2 слоистой (измерения поперёк напластования) и дисперсной структуры. Для большей наглядности на отдельные графики вынесены значения затухания для слоистой и дисперсной структуры, измеренные с одним отражателем. Видно, что в большинстве случаев, значения затухания, соответствующие одной пропорции компонентов, близки друг другу, независимо от структуры.

Проведены линейные аппроксимации (чёрные линии на рис.6) для затухания в среде 2 разных структур. Максимальный разнос между линиями приближения не достигает 0,3% от среднего значения. Исходя из этого, можно сделать вывод, что различие в структуре не влияет на затухание сигнала в среде.

Среднеквадратичные отклонения от линий трендов - 5,9 Дб/м и 6 для слоистой и дисперсной структур соответственно. Относительные отклонения от трендов в некоторых точках достигают очень больших значений и меняются от 2 до 90%. Хорошая повторяемость результатов для разных структур почти в каждой

точке графика говорит об удачном выборе методики измерения и расчёта, а такой разброс значений связан скорее всего с плохой подготовкой образцов.

.СреАа 2>л$к>нтрастш

^Затухание в дисперсной модели;

120-,

¡Затухание в слоистой модели

20 40 60 ВО содержание суглинка, %

120 -| 100 —| 80—| 6040 20 -О

20 40 60 80 содержание суглинка, %

'.Отражатель воздух!

I ' I I : I 20 40 60 80 содержание суглинка, %

100

| ♦ - отражатель железо, поперёк напластования |

[ ♦ - отражатель воздух, поперёк напластования |

' - отражатель железо, дисперсная среда |

! + - отражатель воздух, дисперсная среда |

Рис.6. Сводный график значений скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) в зависимости от содержания суглинка в среде I (контрастные компоненты) слоистой и дисперсной структуры.

Сравнение полученных экспериментальных зависимостей скорости и диэлектрической проницаемости в среде 1 и среде 2 с теоретическими зависимостями.

Среда 1 (контрастные компоненты).

При сравнении экспериментальных кривых с используемыми теоретическими зависимостями (рис.5.12), видно, что экспериментальные значения скорости и диэлектрической проницаемости в среде 1 слоистой структуры ближе всего к рассчитанным по формуле Лихтенеккера (формула для статистических смесей). Среднеквадратичная погрешность между экспериментальными аппроксимациями и формулой Лихтенеккера - 0.02 см/нс для слоистой среды, измерения поперёк напластования, и 0,12 см/нс, измерения вдоль напластования; максимальное отклонение от графика формулы - 6% и 10% соответственно.

Среда 1. контрастная

О 20 40 60 80 100 содержание суглинка, %

Аппроксимация: -— параллельным соединением .. - - формула Лихтенеккера

—— - слоистая среда, поперёк напластования

____ слоистая среда, вдоль напластования

-дисперснаясреда

Рис.7. Сводный график измеренных и теоретических зависимостей скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) в зависимости от содержания суглинка в среде 1 (контрастные компоненты) для случаев различной структуры.

Полученные V и £ среды 1 дисперсной структуры ближе всего к значениям, рассчитанным по аппроксимации параллельным соединением. Среднеквадратичная погрешность - 0,2 см/нс; максимальное относительное отклонение-51% (10% суглинка).

Данный результат представляется неожиданным, потому что формула Лихтенеккера была выведена для случаев хаотичной или статистической структуры, а формула, аппроксимирующая среду соединением импедансов - для слоистой среды. Результат эксперимента противоположен вышесказанному.

Среда 2 (компоненты с близкими значениями скорости).

Результат сравнения эмпирических зависимостей V и £ в среде 2 отличается от предыдущего (рис.8). Здесь график линейной зависимости, аппроксимирующей скорость в дисперсной среде «ложится» на график формулы Лихтенеккера, а графики скорости в слоистой среде, измеренной вдоль и поперёк напластования, приближаются к «последовательному соединению».

Максимальное относительное отклонение не превышает 2%; среднеквадратичная погрешность 0.03 см/нс.

ОреОа 2, нештра тчю

8-1

2 в

о о

0 20 40 60 80 100 содержание суглинка, %

Аппроксимация:

— - параллельным соединением ——-последовательным соединением

- - - формула Лихтенеккера

—— - поперёк напластования

_____- вдоль напластования

--- дисперсная среда

Рис.8. Сводный график значений скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) в зависимости от содержания суглинка в среде 2 (неконтрастные компоненты) слоистой и дисперсной структуры. Повтор опыта. Выводы:

Среда 1 (контрастные компоненты),

1. Направление распространения зондирующего сигнала вдоль или поперёк напластования не влияет на измеренное значение скорости электромагнитных волн в пределах точности 5%.

2. Зависимость скорости электромагнитных волн в слоистой среде, состоящей из контрастных компонентов, от пропорции компонентов - экспоненциальная, и лучше всего описывается формулой Лихтенеккера.

3. Зависимость скорости электромагнитных волн в дисперсной или статистической среде, состоящей из контрастных компонентов, от пропорции компонентов - обратная квадратичная (диэлектрической проницаемости -линейная), и лучше всего аппроксимируется последовательным соединением импедансов.

Среда 2 (компоненты с близкими значениями скорости).

1. Значения скоростей элекгромагнитных волн, полученные для разных структур, но одной пропорции компонентов, среды 2, не отличаются в пределах 10-15%.

2. Зависимость скорости в среде 2 от пропорции компонентов описывается линейной аппроксимацией с точностью до 10%.

3. Изменение мощности прослоев в пределах 0,15-1,5 длины волны не влияет на скорость распространения электромагнитных волн в среде 2 с точностью до 5%; а затухание возрастает с уменьшением толщины слоев.

4. Затухание электромагнитного сигнала в среде 2 возрастает с увеличением доли суглинка (более поглощающего компонента).

Заключение.

Основные результаты работы можно свести к следующему:

1. Доказана эффективность предложенной методики диэлектрических лабораторных измерений с использованием полевого георадара при измерении как кинематических, так и динамических характеристик геологических сред.

2. Получены зависимости скорости электромагнитных волн (диэлектрической проницаемости) для двухкомпонентных сред, состоящих из контрастных и неконтрастных по диэлектрическим свойствам компонентов. Данные зависимости позволяют определить скорость электромагнитных волн двухкомпонентной среды по известным диэлектрическим свойствам компонентов, если известна их пропорция, и пропорцию, если известна скорость.

3. Для контрастной среды доказана возможность дифференциации по структуре с помощью кинематических характеристик, методом георадиолокации.

4. Показано, что скорость электромагнитных волн в слоистой среде остаётся постоянной в пределах погрешности 4% при изменении толщины прослоев от 0,15 - до 1,5 длины волны, а затухание линейно возрастает с уменьшением толщины слоев. Таким образом, по изменению затухания можно определить изменение мощности прослоев.

5. Не удалось рассчитать формальную аппроксимирующую зависимость затухания электромагнитного сигнала от пропорции компонентов в двухкомпонентной среде. Но определено, что для слабоконтрастных сред различия в структуре (слоистая или дисперсная) не отражаются на динамических характеристиках записи в пределах 10% точности измерений.

6. Показано, что неконтрастные двухкомпонентные среды с точностью меньше 10% не дифференцируются по структуре как по кинематическим, так и по динамическим характеристикам.

Результаты данной работы могут быть использованы в дальнейшем, как при

решении прямой задачи в лабораторных условиях, так и при решении обратной в

условиях полевых.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Владов М.Л., Судакова М.С., Диэлектрические измерения в лабораторных условиях с использованием георадара Н Геофизика, № 3 - 2009 г. М.: 2009, с. 10-19.

2. Владов М.Л., Судакова М.С., Изучение возможностей георадиолокации при расчленении разреза на слои с разной степенью льдистости // Международная научно-практическая конференция «Инженерная геофизика-2007», Тезисы докладов, Геленджик, 2007 г., с. 80-82.

3. Судакова М.С., Сравнение аналитических зависимостей диэлектрической проницаемости сложнопостроенных (слоистых) сред с результатами лабораторного физического моделирования // Российскоя конференция студентов и аспирантов «Планета Земля глазами молодых учёных», Тезисы докладов, Москва, 2009, с. 171-175

4. Владов М.Л., Судакова М.С., Опыт диэлектрических измерений с использованием георадара в лабораторных условиях // Вестник МГУ. Геология. Москва, 2009, №5 (сентябрь-октябрь), в печати.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж |СС экз. Заказ № 4 5

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Судакова, Мария Сергеевна

Разработка и применение методики лабораторных диэлектрических измерений с использованием полевого георадара.

Введение.

Глава 1. Измерение диэлектрических свойств твёрдых и сыпучих веществ на высоких и сверхвысоких частотах в лабораторных условиях с использованием специализированной аппаратуры. Методика экспериментов.

1.1. Методы, использующие направленные волны.

1.2.Резонансные методы.

1.3. Измерения в свободном пространстве (квазиоптические).

Выводы.

Глава 2. Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от их физических свойств и состава.

2.1.Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред.

Выводы.

2.2. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от физических свойств и состава.

Выводы.

Глава 3. Методика диэлектрических измерений в лабораторных условиях с использованием полевого прибора.

3.1. Размеры образца.

3.2. Измерение динамических характеристик.

Выводы.

Глава 4. Измерение диэлектрических свойств двухкомпонентных сред слоистой и дисперсной структуры.

4.1. Среда 1 (Контрастные свойства компонентов).

4.2. Среда 2 (Неконтрастные свойства компонентов).

Выводы.

Глава 5. Результаты экспериментов.

5.1.Среда 1. (контрастная).

5.2.Среда 2. (неконтрастная).

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях"

Актуальность работы. Проблема получения физических свойств и параметров строения сложнопостроенной среды по измеренным значениям эффективным физических полей - это одна из основных проблем геофизики. Яркой иллюстрацией этому может служить положение в сейсморазведке с проблемой определения петрофизических характеристик коллектора по измеряемым параметрам волнового поля. Аналогичные вопросы возникают и в георадиолокации, когда по результатам измерения характеристик поля электромагнитных волн необходимо определить ряд физических параметров геологического разреза, например влажность. Причём простые и широко используемые аналитические зависимости между характеристиками поля и параметрами среды не дают удовлетворительных результатов или дают их только в частных случаях [3; 22; 36; 51].

Как и сейсморазведка, георадиолокация — волновой метод геофизики, но по сравнению с сейсморазведкой, относительно новый. Если в сейсмике с помощью лабораторных измерений, физического моделирования и акустического каротажа уже получено большое количество данных об упругих параметрах сред и их компонент для построения устойчивых корреляционных зависимостей между ними и кинематическими и динамическими характеристиками волновой картины, то в георадиолокации наблюдается острая нехватка данных прямых измерений. Наименее исследованными здесь являются вопросы дифференциации геологических сред по структуре (в частности, слоистых и дисперсных) с помощью георадиолокации. Причём динамическим характеристикам уделено существенно меньше внимания, чем кинематическим, подчас они даже не рассматриваются. Результаты, полученные с помощью методов электроразведки (диэлектрическая проницаемость и проводимость, отвечающая за потери), здесь неприменимы из-за сильной частотной дисперсии электрофизических свойств и в силу того, что у метода георадиолокации более высокий частотный диапазон.

Традиционно в лабораторных условиях диэлектрические свойства измеряются с помощью специализированной аппаратуры, на образцах, много меньших, чем структурные единицы разреза, и зачастую на более высоких частотах, чем диапазон георадиолокации [12; 14; 18]. Отсутствие промышленно выпускаемых специализированных приборов для диэлектрических измерений на образцах геологических сред в лабораториях заставляет исследователей пользоваться разнообразными собственными разработками и действующими макетами устройств.

Альтернативой этим методам является метод измерения диэлектрических свойств стандартным георадаром, выпускаемым серийно, используемым в полевых работах. Причём для минимизации размеров измерительной установки, измерения можно вести с помощью самой высокочастотной антенны из набора антенн любого неспециализированного георадара (ОКО-2, Зонд-12Е, Sir-2000). Такой способ измерений применялся в зарубежных исследованиях, но методика остаётся недоработанной: измеряется только время прихода отражённой волны, не обсуждаются размеры образцов.

Целью работы явилась разработка методики лабораторных диэлектрических измерений с использованием полевого георадара и применение этой методики при диэлектрических измерениях на физических моделях дисперсных и слоистых 2х-компонентных сред.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методики:

1.1. Определение оптимальных размеров образцов для измерения кинематических (скорости распространения электромагнитных волн или действительной части диэлектрической проницаемости) и динамических (изменение амплитуды и спектра сигнала; затухания и поглощения в среде) характеристик.

2.1. Состоящих из компонентов с близкими значениями диэлектрической проницаемости.

2.2. Состоящих из компонентов с и различающимися в несколько раз значениями диэлектрической проницаемости.

2.3.Измерения на слоистых средах, состоящих из слоёв мощностью от 0,1 до 1,5 длин волн.

3. Построение эмпирических зависимостей и их сравнение с широко используемыми теоретическими:

3.1. Построение зависимостей скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов;

3.2. Построение зависимостей скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой среды в зависимости от мощности прослоев;

3.3. Сравнение эмпирических зависимостей скорости и диэлектрической проницаемости (действительной части) с существующими теоретическими.

Защищаемые положения.

2. Полученные зависимости скорости электромагнитных волн для двухкомпонентных сред слоистой и дисперсной структуры, состоящих из контрастных и неконтрастных по диэлектрическим свойствам компонентов, позволяют определить скорость электромагнитных волн двухкомпонентной среды по известным диэлектрическим свойствам компонентов, если известна их пропорция, и пропорцию, если известна скорость; для контрастной среды - дифференцировать по структуре.

3. Скорость электромагнитных волн в слоистой среде остаётся постоянной в пределах погрешности 4% при изменении толщины прослоев от ОД 5 - до 1,5 длины волны, затухание возрастает с уменьшением толщины слоев. По изменению затухания можно определить изменение мощности прослоев.

Научная новизна.

Практическая значимость.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

Апробация. Основные результаты работы доложены на научных конференциях: международной научно-практической конференции по инженерной и рудной геофизике «Инженерная и рудная геофизика-2007» (Геленджик-2007), российской конференции студентов и аспирантов «Планета Земля глазами молодых учёных» (Москва, 2009).

Список литературы содержит 54 источника, в том числе 11 на иностранных языках.

Благодарности.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, M.JI. Владову, за непрекращающуюся помощь в работе; выражает признательность всему коллективу кафедры сейсмометрии и геоакустики за консультации, поддержку и внимание; а также благодарит свою маму, кандидата геолого-минералогических наук, Судакову Т.А., за ценные рекомендации.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Судакова, Мария Сергеевна

Основные результаты работы можно свести к следующему:

1. Доказана эффективность предложенной методики диэлектрических лабораторных измерений с использованием полевого георадара эффективна при измерении как кинематических, так и динамических характеристик геологических сред.

4. Показано, что скорость электромагнитных волн в слоистой среде остаётся постоянной в пределах погрешности 4% при изменении толщины прослоев от 0,15 - до 1,5 длины волны, а затухание линейно возрастает с уменьшением толщины слоёв. Таким образом, по изменению затухания можно определить изменение мощности прослоев.

5. Не удалось рассчитать формальную аппроксимирующую зависимость затухания электромагнитного сигнала от пропорции компонентов в двухкомпонентной среде. Но определена общая тенденция: затухание возрастает с увеличением доли более поглощающего компонента. Измерение затухания может быть дополнительным параметром при определении пропорции компонентов; зависимость затухания может быть оценена как линейная.

Результаты данной работы могут быть использованы в дальнейшем, как при решении прямой задачи в лабораторных условиях, так и при решении обратной в условиях полевых.

Заключение.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Судакова, Мария Сергеевна, Москва

1. Алешкин А.Н., Лабутин С.А. Исследования зависимости диэлектрической проницаемости древесины от влажности резонаторным СВЧ методом // Межвуз. сб.: Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. Нижний Новгород, 1999, вып. 5.

2. Аки К., Ричарде П., Количественная сейсмология, М., Мир, 1993. Том. 1, 104с.

3. Бобров П., Галеев О., Исследование метода определения диэлектрической проницаемости почв по модулям коэффициента отражения и прохождения, Естественные науки и экология, Межвузовский сборник научных трудов, Вып. 6 Омск: Изд-во ОмГГУ, 2001. с.7-10

4. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Влияние связанной воды на диэлектрическую проницаемость влажных и мерзлых почв; М., Ин-т косм, исслед. (ИКИ) РАН, 2003 (Рот. ИКИ РАН)

5. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматлит, 1963. - 400с.

6. Владов М.Л., Судакова М.С., Диэлектрические измерения в лабораторных условиях с использованием георадара // Геофизика, № 3 2009 г. М.: 2009, с. 10-19.

7. Владов М.Л., Судакова М.С., Изучение возможностей георадиолокации при расчленении разреза на слои с разной степенью льдистости // Международная научно-практическая конференция «Инженерная геофизика-2007», Тезисы докладов, Геленджик, 2007 г., с. 80-82.

8. Владов М.Л., Судакова М.С., Опыт диэлектрических измерений с использованием георадара в лабораторных условиях // Вестник МГУ. Геология. Москва, 2009, №5 (сентябрь-октябрь), в печати.

9. Дебай П. Теория электрических свойств молекул / Пер. с нем. М. — Л., 1936.

10. Ю.Достовалов Б.Н. Электрические характеристики мёрзлых горных пород. Тр. Ин-та мерзлот. АН СССР, М. 1947. Т.5. с. 18-35

11. Владов, М.Л.; Старовойтов, А.В. Введение в георадиолокацию, Москва, изд-во МГУ, 2004 г, с. 18-25.

12. Губкин А., Физика диэлектриков, М.: Высшая школа, 1971. Том 2., с. 5356.

13. Ефимов Ю.Н. Диэлектрическая проницаемость мёрзлых рыхлых отложений на частотах 1-100МГц и температурах — 1 -16 градусов С. Автореф. Канд. Дисс.

14. Завьялов А., Измерение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве, Методические указания, Томск-2000, Томский государственный университет, 12с.

15. Иванов, Б. П. Проектирование СВЧ устройств: Сборник лабораторных работ/ Ульяновск: УлГТУ, 2005.

16. Ильин В., Слободчикова С., Эткин В., Лабораторные исследования электрофизических характеристик мёрзлых песчаных почв. М., ИКИД994, с. 8-10.

17. Исследование комплексной диэлектрической проницаемости твёрдых диэлектриков при радиочастотах. Методические рекомендации, ГОУ ВПО ИГУ, Иркутск 2005.

18. Кобранова В. Н., Петрофизика. Учеб. для вузов по спец. «Геофиз. методы поисков и разведки месторождений полез, ископаемых», 2-е изд., М., Недра, 1986. с. 141-185.

19. Лабутин С.А., Лопаткин А.В. Резонаторная система СВЧ измерений комплексной диэлектрической проницаемости материалов // Приборы и техника эксперимента, 1998, №3, с. 166-167.

20. Лещанский Ю., Дробышев А., Электрические параметры песчаноглинистых грунтов в диапазоне УКВ и СВЧ в зависимости от влажности и122температуры, Проблемы распространения и дифракции электромагнитных волн, М, МФТИ, 1995, с. 4-28.

21. Лисовский В. В. Современные методы экспрессного измерения влажности сельсхохозяйственных материалов. Вести национальной академии наук Белоруссии, №2, 2006, стр. 102-107

22. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу электродинамика и антенно-фидерные устройства, Новосибирский технический университет, Новосибрск-2001.

23. Разработка методики определения и экспериментальные исследования диэлектрических параметров газового гидрата в области высоких частот. Нефтегазовое дело, 2006

24. Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. Изд. 3-е. перераб. и доп. М., «Недра», 1978.

25. Семейкин Н., Помозов В., Георадары "ОКО". Сравнение возможностей АБ-1700 и АБ-1700Р (рупорный) по зондированию дорожного покрытия, http://geotech.ru/index.php?page=23

26. Талалов А.Д., Даев Д.С. О структурном механизме частотной дисперсии электрических свойств гетерогенных горных пород. Физика Земли, № 8, 1996, с. 56-66.

27. В.В.Тихонов, Д.А.Боярский, Г.М.Чулкова, А.Р.Макавейнос, Т.В.Башлыкова. Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия микроволнового излучения с гетерогенной средой; М. ИКИ, 2003

28. Федюнин П., Дмитриев Д., Воробьёв А., Чернышов В., Микроволновая термовлагометрия, М., Изд-во машиностроение-1, 2004, стр.4-6.

29. Финкелыптейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация. М., Радио и Связь, 1994.

30. Фролов А., Электрические и упругие свойства мёрзлых пород и льдов, Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1998, с.127-262, 336-367.

31. Шериф Р., Гелдарт JL Сейсморазведка, Том1, Москва, Мир, 1987, с.229 234.

32. Шестопалов В., Яцук П., Методы измерения диэлектрической проницаемости на сверхвысоких частотах. Успехи физических наук, 1961 г. Август Т. LXXIV, вып. 4, стр. 721-755

33. Щербаченко Л., Карнаков В., Марчук С., Исследование комплексной диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков при радиочастотах: Методические рекомендации, Иркутск: ИГУ, 2005. 15 с.

34. ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии», сайт организации, http://sniim.siberia.net/, http://sniim.siberia.net/departs/05/index.html.

35. Эме Ф. Диэлектрические измерения для количественного анализа и для определения химической структуры. М.: Химия, 1967. - 223с.

36. Annan, A. P., 1996, Ground-penetrating Radar: Workshop Notes, Sensors and Software, Inc., Misissauga, Ontario, 106 p.

37. Arcone, S.A.and Delaney, A J., 1982, Measurement of ground dielectric properties using wide-angle reflection and refraction: U.S.Army CRREL Report 82-6, 18p.

38. Arcone S.A., Delaney A.J. Investigation of dielectric properties of some frozen. Materials using cross borehole radiowave pulse transmissions USA CRREL, Rep. 89-4, 1989, 19 p.

39. Daniels J .J., Roberts R., Vendl M. Ground penetrating radar for the detection of liquid contaminants. Journal of applied geophysics 33 pp. 195-207.

40. Delaney A.J., Arcone S.A. Laboratory measurements of soil electric properties between 0,1 and 5 GGz. USA CRREL. Rep. 82-10. 1982. 8p.

41. Hunter L., Delaney A., Lawson D. & Les Davis, Downhole GPR for high-resolution analysis of material properties near Fairbanks, Alaska. Ground prnrtrating radar in Sediments. Geological society, London, Special Publication, 2003, pp.275-285.

42. Jackson Т., O'Neill P. Microwave dielectric model for aggregated soils. //IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1986. V.GE-24. №6. P.920-929

43. Maxwell C. Treatise on electricity and magnetism. Vol. 1. Oxford Univ. press, London, 1892.

44. Martinez A. and Byrnes A., Modeling Dielectric-constant values of Geologic Materials: An Aid to Ground-Penetrating Radar Data Collection and Interpretation, Current Research in Earth Sciences, Bulletin 247, part 1, 2001.

45. Near-Surface Geophysics, ed.Dwain K., Society of exploration geophisycs, Tusla, Oklahoma, U.S.A., 2005.

46. Saintenoy A., Tucholka P., Bailleul J., Costard F., Elie F., Labbeye M., Monitoring permafrost thawing using GPR, IWA GPR 2005, 2-4 mai 2005, Delft, The Netherlands, submitted, 2005.

47. Wang, J.R., The dielectric properties of soil-water mixtures at microwave frequencies: Radio Sci., 1980,v.l5, p.977-985.

Информация о работе

Судакова, Мария Сергеевна
кандидата физико-математических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы