О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта

Изложены результаты сравнения теоретических моделей диэлектрических свойств пород грунта с данными, непосредственно получаемыми из результатов радиолокационного подповерхностного зондирования. Показано, что частотная дисперсия погонного затухания радиоволн в распространенных породах грунта существен...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Сугак, В.Г., Бондаренко, И.С., Сугак, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2012
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105861
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта / В.Г. Сугак, И.С. Бондаренко, А.В. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2012. — Т. 3(17), № 1. — С. 19-29. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105861
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1058612025-02-23T18:56:34Z О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта Про суперечність даних підповерхневого зондування теоретичним моделям діелектричних характеристик порід ґрунту About discrepancy between data of subsurface sounding and theoretical models of soil dielectric properties Сугак, В.Г. Бондаренко, И.С. Сугак, А.В. Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Изложены результаты сравнения теоретических моделей диэлектрических свойств пород грунта с данными, непосредственно получаемыми из результатов радиолокационного подповерхностного зондирования. Показано, что частотная дисперсия погонного затухания радиоволн в распространенных породах грунта существенно меньше, а фазовой скорости распространения – существенно больше предсказанной в теоретических моделях. Приведены соображения о физическом механизме этих отличий, который, как предполагается, связан с влиянием давления окружающего грунта на его частицы и поровое пространство. Наведено результати порівняння теоретичних моделей діелектричних властивостей порід ґрунтів з даними, що отримуються безпосередньо за результатами радіолокаційного підповерхневого зондування. Показано, що частотна дисперсія погонного затухання радіохвиль в типових породах ґрунту суттєво менша, а фазової швидкості поширення – суттєво більша за передбачувану в теоретичних моделях. Приведено міркування щодо фізичного механізму цих відмін, який, як передбачається, пов’язаний з впливом тиску оточуючого ґрунту на його частинки та поровий простір. Results of comparison of theoretical models of dielectrical properties of soils with data obtained directly from subsurface radar sounding are considered in the paper. It is shown that the frequency dispersion of attenuation factor is less and frequency dispersion of radio wave propagation velocity is more than it is described in theoretical models. A possible physical mechanism of these phenomena is proposed to be concerned with influence of surrounding soil pressure on soil particles and soil pores. 2012 Article О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта / В.Г. Сугак, И.С. Бондаренко, А.В. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2012. — Т. 3(17), № 1. — С. 19-29. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105861 537.226 ru Радіофізика та електроніка application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
spellingShingle	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Сугак, В.Г. Бондаренко, И.С. Сугак, А.В. О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта Радіофізика та електроніка
description	Изложены результаты сравнения теоретических моделей диэлектрических свойств пород грунта с данными, непосредственно получаемыми из результатов радиолокационного подповерхностного зондирования. Показано, что частотная дисперсия погонного затухания радиоволн в распространенных породах грунта существенно меньше, а фазовой скорости распространения – существенно больше предсказанной в теоретических моделях. Приведены соображения о физическом механизме этих отличий, который, как предполагается, связан с влиянием давления окружающего грунта на его частицы и поровое пространство.
format	Article
author	Сугак, В.Г. Бондаренко, И.С. Сугак, А.В.
author_facet	Сугак, В.Г. Бондаренко, И.С. Сугак, А.В.
author_sort	Сугак, В.Г.
title	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта
title_short	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта
title_full	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта
title_fullStr	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта
title_full_unstemmed	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта
title_sort	о противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105861
citation_txt	О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта / В.Г. Сугак, И.С. Бондаренко, А.В. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2012. — Т. 3(17), № 1. — С. 19-29. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT sugakvg oprotivorečiidannyhpodpoverhnostnogozondirovaniâteoretičeskimmodelâmdiélektričeskihharakteristikporodgrunta AT bondarenkois oprotivorečiidannyhpodpoverhnostnogozondirovaniâteoretičeskimmodelâmdiélektričeskihharakteristikporodgrunta AT sugakav oprotivorečiidannyhpodpoverhnostnogozondirovaniâteoretičeskimmodelâmdiélektričeskihharakteristikporodgrunta AT sugakvg prosuperečnístʹdanihpídpoverhnevogozonduvannâteoretičnimmodelâmdíelektričnihharakteristikporídgruntu AT bondarenkois prosuperečnístʹdanihpídpoverhnevogozonduvannâteoretičnimmodelâmdíelektričnihharakteristikporídgruntu AT sugakav prosuperečnístʹdanihpídpoverhnevogozonduvannâteoretičnimmodelâmdíelektričnihharakteristikporídgruntu AT sugakvg aboutdiscrepancybetweendataofsubsurfacesoundingandtheoreticalmodelsofsoildielectricproperties AT bondarenkois aboutdiscrepancybetweendataofsubsurfacesoundingandtheoreticalmodelsofsoildielectricproperties AT sugakav aboutdiscrepancybetweendataofsubsurfacesoundingandtheoreticalmodelsofsoildielectricproperties
first_indexed	2025-11-24T12:05:33Z
last_indexed	2025-11-24T12:05:33Z
_version_	1849673314606252032
fulltext	РРААССППРРООССТТРРААННЕЕННИИЕЕ РРААДДИИООВВООЛЛНН,, РРААДДИИООЛЛООККААЦЦИИЯЯ ИИ ДДИИССТТААННЦЦИИООННННООЕЕ ЗЗООННДДИИРРООВВААННИИЕЕ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17). № 1 © ИРЭ НАН Украины, 2012 УДК 537.226 В. Г. Сугак, И. С. Бондаренко, А. В. Сугак О ПРОТИВОРЕЧИИ ДАННЫХ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИМ МОДЕЛЯМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОД ГРУНТА Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: sugak@ire.kharkov.ua Изложены результаты сравнения теоретических моделей диэлектрических свойств пород грунта с данными, непосредст- венно получаемыми из результатов радиолокационного подповерхностного зондирования. Показано, что частотная дисперсия погонного затухания радиоволн в распространенных породах грунта существенно меньше, а фазовой скорости распространения – существенно больше предсказанной в теоретических моделях. Приведены соображения о физическом механизме этих отличий, который, как предполагается, связан с влиянием давления окружающего грунта на его частицы и поровое пространство. Ил. 11. Библиогр.: 24 назв. Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость, радиолокатор подповерхностного зондиро- вания, грунт. Одной из проблем в подповерхностном радиолокационном зондировании является учет частотных зависимостей погонного затухания и особенно фазовой скорости распространения радио- волн (частотной дисперсии) в грунте, которые обусловлены, в частности, частотными зависимос- ти его электрических характеристик. За счет этих зависимостей возникают значительные искаже- ния зондирующего сигнала, что ограничивает полосу частот зондирующего сигнала. Практиче- ски можно говорить о доминирующем вкладе самой среды на результат зондирования. Даже объекты можно рассматривать в некотором при- ближении как неоднородности подповерхностной структуры грунта. В практике для исследования процессов распространения и рассеяния радиоволн в дис- пергирующих средах используется компьютерное моделирование, в котором основной составной частью является модель зависимости электриче- ских характеристик различных типов грунтов от таких характеристик, как объемная влажность, соленость, текстура, литологический состав грун- та и т. д. Особенно важно иметь адекватную ре- альным грунтам модель при разработке методов и алгоритмов восстановления физических свойств пород грунта по результатам подповерхностного зондирования. В литературе описано множество моде- лей электрических характеристик пород грунта для разных частотных диапазонов. Классические модели, определяющие ди- электрические свойства пород грунта путем рас- смотрения смеси пограничного слоя воды, обво- лакивающего частицу грунта, и воздушной фрак- ции, не описывали адекватно поведение комп- лексной диэлектрической проницаемости различ- ных пород грунта. Относительно недавно J. R. Wang и T. J. Schmugge [1] предложили эмпирическую модель, основанную на смеси связанной с части- цами грунта воды, свободной воды, сухого грунта и воздуха. В этой модели комплексная диэлект- рическая проницаемость смеси определяется ли- нейной комбинацией данных, полученных при двух предельных значениях концентрации влаги: − при концентрации значительно меньшей или равной максимальному значению связанной вод- ной фракции; − при концентрации влаги, существенно пре- вышающей это значение. При этом удельное содержание связан- ной воды рассматривается как свободный пара- метр, который во многом определяется текстурой пород грунта. Второй свободный параметр учи- тывает изменения затухания за счет проводимос- ти в зависимости от содержания воды для каждо- го типа грунта. Несколько другая модель была предло- жена Wang [2]. В ней система грунт−вода описы- вается дебаевским типом релаксации в пределах ограниченного диапазона частот применительно к модели, развитой Schwarz [3]. При выполненных оценках статической диэлектрической проницае- мости sε и ее предельной величине на высоких частотах ∞ε это приближение адекватно описывает данные, измеренные в диапазоне 0,3…1,4 ГГц. При этом используются два свободных парамет- ра, а именно ширина энергии активации почвен- ного раствора и средняя частота релаксации сме- си грунт−вода для заданной концентрации поро- ды грунта и воды. Еще одно приближение, в котором при- знается важность связанной воды, было предпри- нято в работе Wobschall [4]. В этой модели ком- бинируются твердые породы грунта, недисперги- рованная вода (вода в трещинах), диспергирован- ная вода, обволакивающая частицы грунта, не- диспергированная вода, заполняющая более mailto:sugak@ire.kharkov.ua В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 20 крупные поры грунта и воздух. Эти компоненты комбинируются постепенно в 4 стадии, используя двухфазную модель смеси. Для каждого грунта приближение требует трех настраиваемых пара- метров: водную фракцию в «трещинах», прово- димость этой фракции и диспергированную вод- ную фракцию. Модель удовлетворительно согла- суется с экспериментальными данными в диапа- зоне частот 1…100 МГц, которая лежит значи- тельно ниже значения частоты релаксации моле- кул чистой воды. Диэлектрические свойства грунтов и по- род детально обсуждались также в работах [5−7] и др., где авторы теоретически в деталях рассмат- ривали эффект микроскопического распределе- ния жидкости на диэлектрические свойства час- тично насыщенных водой пород. Результаты многочисленных экспери- ментальных исследований грунтов типа бурых суглинков, проведенных в лабораторных услови- ях [8], показали их удовлетворительное совпаде- ние с теоретическими моделями. В работах [9−11] отмечается важность проведения полевых измерений на частотах ниже 1 ГГц, предложены измерительные инстру- менты для этого и приводятся экспериментально измеренные частотные зависимости диэлектриче- ских характеристик насыщенного водой чистого песчаника, показывающие, что пористость не всегда играет доминирующую роль в поведении этих зависимостей; часто существенно больше влияет текстура породы. В работах [12−15] отмечается, что час- тотная зависимость диэлектрической проницае- мости пород, содержащих сланцевую глину и просто глину, может значительно отличаться от ожидаемых теоретических зависимостей, которые удовлетворительно работают применительно к «чистым» фракциям. В этих случаях необходимо учитывать геометрические и текстурные пара- метры пород. В работах [16, 17] также указывается на то, что диэлектрическая проницаемость смеси может существенно возрастать в проводящем остове пород грунта. Однако в мировой литературе практиче- ски отсутствует сравнение теоретических моде- лей с результатами, получаемыми непосредст- венно из данных радиолокационного подповерх- ностного зондирования. Большинство экспери- ментальных данных получены путем измерения диэлектрических характеристик образцов грунта в лабораторных условиях после их извлечения из среды. При этом устраняется влияние давления окружающего грунта на частицы и поровое пространство измеряемого образца. В настоящей работе исследуются вопро- сы, связанные с точностью описания частотных зависимостей электрических характеристик ре- альных грунтов, которые получаются из наиболее распространенных моделей, путем сопоставления модельных результатов с результатами практиче- ского зондирования. Для этих целей применялись разработанные экспериментальные модели гео- радаров, в которых используется зондирующий сигнал со ступенчатым изменением его несущей частоты в заданном диапазоне. Возможности та- кого зондирующего сигнала применительно к оцениванию электрических характеристик грунта и отдельных подповерхностных объектов доста- точно подробно изложены в работах [18, 19]. Особенно интересным является проверка адекватности частотной дисперсии электрических характеристик различных типов грунтов, зало- женных в этих моделях, реальным характеристи- кам, получаемым из данных радиолокационного зондирования. Заметим, что эти дисперсионные зависимости можно получить, используя георадар со ступенчатым изменением частоты зондирую- щего сигнала. Особенно хорошо они выделяются при измерении фазовой структуры отраженных сигналов. Подробно эти вопросы изложены в ра- боте [20], поэтому здесь они не рассматриваются. Как уже указывалось, практически все экспериментальные работы, посвященные оцен- кам электрических характеристик грунтов и их частотным зависимостям, были получены в лабо- раторных условиях на образцах, вынутых из грунта, т. е. не в естественных условиях и осо- бенно не на реальных глубинах, где может сказы- ваться влияние давления верхних слоев грунта. Некоторые литературные данные (например, [21]) свидетельствуют о том, что давление, особенно в напластованных слоях грунта, может приводить к появлению анизотропии электрических характе- ристик, т. е. к отличию этих характеристик в вертикальном и горизонтальном направлениях. Это же давление может менять и частотные зави- симости электрических характеристик грунта, особенно на глубинах более 3…5 м. Рассмотрим вначале основные теорети- ческие модели электрических характеристик раз- личных типов грунтов, которые описывают их зависимость от частоты при различной влажнос- ти, солености, пористости, процентном содержа- нии твердых фракций и т. д. Затем сравним ре- зультаты расчета электрических характеристик и определяемые ими погонное затухание и фазовую скорость распространения радиоволн с данными, получаемыми непосредственно из результатов радиолокационного зондирования. 1. Влияние влажности, степени засо- ленности, пористости на электрические харак- теристики грунта. Существует несколько под- ходов к расчету электрических свойств грунта. В идеале модель должна была бы учитывать В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 21 влияние множества различных факторов на ди- элект-рические свойства грунта. Такими факто- рами являются объемная плотность грунта, тек- стура, композиционные свойства (распределение размера частиц и их минералогия), объемная кон- центрация водных компонентов (обычно в виде свободной и связанной воды), воздух, степень солености и температура. Одной из простых моделей электриче- ских характеристик грунта является рефракцион- ная модель [1], в которой его комплексная ди- электрическая проницаемость (КДП) определяет- ся взвешенной суммой проницаемостей каждой из слагаемых, возведенных в дробную степень (так называемая рефракционная модель). Диспер- сионные свойства смеси в данной модели учиты- ваются зависимостью времени релаксации моле- кул воды от солености и температуры. Данная модель рассчитана на диапазон длин волн короче 0,6 м и является практически полностью эмпири- ческой моделью. В другой модели, по которой производи- лись расчеты в данной работе, в диапазоне частот от нескольких десятков до нескольких сотен мега- герц грунт согласно [22] рассматривается с точки зрения его диэлектрических характеристик как статистическая смесь твердых частиц, воздуха, пленочной влаги и порового электролита. Факти- чески эта модель очень близка к модели, описан- ной в работе [7]. Для выражения эффективной КДП этой смеси через проницаемости и объемные концентрации компонент ip , где ip − отношение объема компоненты к полному объему образца, использовалась формула Беренцвейга (1), которая, как это следует из литературных источников, на- пример [22], является неплохим приближением к экспериментальным данным: , 2 1 2 0 0 ∑ ∑ = = + + − += k i i i k i i i i p p εε εε εε εε (1) где ∑ = = k i iip 0 εε − оценка КДП смеси; k – коли- чество фаз в смеси (k = 2 для трехфазной смеси); n – пористость грунта; 10 pnp −= – объемное содержание воздуха; 1p – объемная влажность; 2p – объемное содержание твердой фазы; 0ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха; 2ε – КДП твердой фазы (кварц, полевой шпат); 1ε – КДП электролита и пленочной влаги, представляющая собой сумму двух слагаемых: .1 cond jεεε ′′+= (2) В выражении (2) dε − диэлектрическая проницаемость воды с учетом солености, опреде- ляемая по формуле Дебая [7] с учетом экспери- ментальной модели зависимости параметров, входящих в выражение, от степени солености и температуры, предложенной в работе [21], а conε ′′ − потери, обусловленные ионной проводимос- тью. В результате: ( ) ( ) , 1 )( 1 0 2 2         + + −+ +         + − += ∞= ∞= ∞ ωε σ ωτ εεωτ ωτ εε εε i s sss s ss sl j (3) где ω – круговая частота; =sε = 81 и ≅∞sε 4,9 – предельные значения диэлектрической прони- цаемости при ω → 0 и ω → ∞; sτ − время релак- сации молекул воды; iσ − ионная проводимость. Указанная модель является разновиднос- тью широкоиспользуемых моделей, основанных на смесях различных пород грунта, в основном песка, глины и ила (осадочных пород), воды в разных состояниях (например, связанной и сво- бодной), воздуха и соляного раствора, так назы- ваемая 4-компонентная модель, которая подробно изложена в работе [7]. Для аппроксимации реаль- но встречающихся пород грунта широко исполь- зуется треугольная диаграмма текстурных клас- сов грунта [23] (рис. 1), которая использовалась для определения процентного состава композит- ных пород для требуемого типа грунта. Рис. 1. Треугольная диаграмма текстурных классов для опре- деления процентного состава композитных пород для требуе- мого типа грунта На длинах волн больше 10 см необходимо учитывать ионную проводимость. В работе [22] приводятся экспериментальные зависимости ион- ной проводимости песка и глины от длины волны. 100 80 60 40 20 0 Процентное содержание песка 60…2 000 мкм 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 22 Ниже приведены скорректированные эм- пирические формулы, описывающие более точно зависимости мнимой части диэлектрической про- ницаемости, определяемой ионной проводимос- тью глины и песка, от длины волны и объемной влажности [19] ),песок(634,8 );глина(/6,306 1,1 5,06,1 λε λε p p =′′ =′′ (4) где р – влажность; λ − длина волны. Таким образом, модель учитывает не- сколько факторов, влияющих на электрические характеристики грунта, а именно: соленость во- ды, температуру, объемную влажность, твердые фракции (песок и глина) и процентное содержа- ние их в смеси. Данная модель электрических характеристик наиболее часто встречаемых на практике грунтов в диапазоне частот до 1 ГГц использовалась, в частности, для оценки искаже- ний радиолокационных сигналов при прохожде- нии их через слои грунта [19]. Для расчета ионной проводимости мож- но использовать модель, описанную в работе [7], в которой грунт рассматривается как смесь песка, глины, ила, воды с растворенной солью и возду- ха, водяная фракция представляется в виде двух слоев. Первый слой располагается в непосредст- венной близости от частицы грунта, ионы воды в котором находятся в связанном состоянии с ионами частицы грунта. Во втором слое вода на- ходится в слабой связи с молекулами частицы грунта. В сухом грунте адсорбированные катио- ны удерживаются поверхностями отрицательно заряженных частиц, образованных в основном частицами глины. Избыточные катионы и связан- ные с ними анионы находятся в соляном осадке. Когда вода попадает в систему, соляной осадок растворяется, и адсорбированные катионы час- тично диффундируют в раствор в непосредствен- ной близости от поверхности частиц. Однако электростатическое поле, определяемое частица- ми, препятствует этой диффузии, и результирую- щее распределение зарядов определяется урав- нениями Пуассона−Больцмана. Согласно модели двойного электрического слоя Штерна−Гуи [5], плотность зарядов на сравнительно больших по- верхностях частиц увеличивает концентрацию ионов в основном объеме раствора. Зависимость распределения ионов от расстояния определяется поверхностной плотностью зарядов, типом ад- сорбированных катионов, соленостью основного объема раствора, температурой и т. д. Предполагается равномерное распреде- ление зарядов, при этом их поверхностная плот- ность σ определяется величиной емкости катион- ного обмена (ЕКО). Под ЕКО понимают общее количество катионов одного рода, удерживаемых почвой в обменном состоянии при стандартных условиях и способных к обмену на катионы взаимо- действующего с почвой раствором. На рис. 2 показано строение двойного ионного слоя Штерна−Гуи. Слой Штерна был введен для того, чтобы уменьшить очень боль- шую концентрацию ионов, которая получалась бы из уравнения Пуассона при рассмотрении модели частицы пород в виде абстрактной точки. Рис. 2. Строение двойного ионного слоя Штерна−Гуи Так как катионы обоих слоев Штерна и Гуи должны компенсировать поверхностную плотность заряда σ, то можно записать следую- щее выражение: ,21 σσσ += (5) где индексы 1 и 2 относятся к слоям Штерна и Гуи соответственно. Полученное уравнение решается итера- ционным методом, в результате чего после соот- ветствующих преобразований удается записать полное выражение для средней удельной прово- димости заданной породы грунта [7]. Макроскопические диэлектрические свойст- ва системы, описывающей грунт, определяются простой смесью четырех компонент: сухих частиц грунта, слабо связанной воды в слое Гуи, сильно связанной воды в слое Штерна и воздуха. В результирующей формуле для КДП смеси только выражение для диэлектрической проницаемости слабо связанной воды в слое Гуи является частотно зависимым, определяемым дебаевским типом релаксации: ( ) ( ) ( ) , 221 2 ; 21 0 2 0 2 0 ff f f mv w www fw w ww wfw πε σ τπ εετπ ε τπ εε εε + + − =′′ + − +=′ ∞ ∞ ∞ (6) 0 12 24 36 48 60 Расстояние от поверхности частиц, А φ 0 Слой Гуи φ σ Слой Штерна Э ле кт ри че ск ий п от ен ци ал , φ Ионы в слое Штерна–Гуи В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 23 где fwε ′ − реальная часть относительной диэлект- рической проницаемости воды; fwε ′′ − мнимая часть относительной диэлектрической проницае- мости воды; ∞wε − предельное высокочастотное значение ;wε 0wε − диэлектрическая проницае- мость воды на постоянном токе; wτ − время ре- лаксации молекул воды; mvσ − эффективная удельная проводимость воды, определяемая двойным электрическим слоем Штерна−Гуи. Следует отметить, что в этой модели удельная проводимость, определяемая двойным ионным слоем, не зависит от частоты, а частотная зависимость обусловлена формулой (6) для мни- мой части КДП водной фракции, в которой удельная проводимость делится на частоту. При комбинировании с другими фракция сум- марная частотная зависимость будет меньше час- тотной зависимости водной фракции. Далеко не всегда теоретические модели адекватно описывают диэлектрические свойства пород грунта. Например, в работе [10] дается обоснование того, что частотная дисперсия элект- рических характеристик содержит больше ин- формации о физических характеристиках пород, чем это предполагалось ранее. Например, из рис. 3, взятого из этой ра- боты, видно, что пористость даже такой породы как песчаник (не содержащей глины), в меньшей степени определяет частотную дисперсию его диэлектрических свойств, чем геометрические и текстурные характеристики породы. В частности, две кривые, соответствующие примерно одинако- вой пористости φ = 12,7 %, радикально отлича- ются по степени частотной дисперсии. Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости насы- щенного водой песчаника при разной пористости от частоты: 1 − φ = 12,9 %; 2 − φ = 24,6 %; 3 − φ = 12,7 % 2. Сравнение данных, получаемых не- посредственно по результатам георадарного зондирования, с данными существующих мо- делей. При выполнении большого количества геофизических изысканий с применением разра- ботанных экспериментальных моделей георада- ров, в которых использовался зондирующий сиг- нал со ступенчатым изменением его несущей час- тоты в диапазонах 90…300 и 500…900 МГц, бы- ли получены результаты, свидетельствующие о большей частотной дисперсии фазовой скорости распространения радиоволн в различных грунтах и существенно меньшей частотной зависимости погонного затухания радиоволн по сравнению с аналогичными расчетными зависимостями, полу- чаемыми из существующих моделей электриче- ских характеристик. Кроме этого, наблюдается несколько меньшее затухание в грунте, чем это предсказывается в теоретических моделях, что требует дальнейшего осмысливания и пересмотра существующих физических представлений об электрических и физических характеристиках типовых грунтов в их естественном состоянии. Методы выделения информации о ди- электрических свойствах грунтов непосредствен- но из радиолокационных данных зондирований описаны достаточно подробно в работах [20, 24]. Они основаны на анализе таких характеристик отраженных сигналов, как скорость изменения фазы сигналов от глубины зондирования, смещений оценок глубины подповерхностных объектов при использовании низкочастотной и высокочастотной частей спектра зондирующего сигнала и т. д. Начнем с данных, касающихся затухания радиоволн при их распространении в реальных грунтах. На рис. 4 приведены типичные обрабо- танные сигналы с выхода фазового детектора гео- радара, которые характеризуют распределение отражений зондирующего сигнала от неоднород- ностей подповерхностной структуры грунта типа суглинок по глубине, при проходе по сравнитель- но длинному (более 70 м) профилю движения георадара. По оси абсцисс отложена глубина, а по оси ординат – относительная амплитуда в лога- рифмическом масштабе. Мы видим, что в реаль- ных слоях грунта всегда происходит отражение в каждом элементе разрешения по глубине, опре- деляемым шириной спектра зондирующего сиг- нала, за счет присутствия токов проводимости и смещения, обусловленных конечной проводимос- тью пород грунта и наличием небольших неодно- родностей (текстуры грунта, объемной влажнос- ти и т. д.). Мы не знаем коэффициент отражения, но статистически он распределен примерно оди- наково в каждом элементе разрешения. Ход всех кривых, как видно из рисунка, примерно подчи- няется степенной зависимости от глубины с пока- 0 10 100 1000 Частота, МГц ε ′ 20 18 16 14 12 10 8 6 Д иэ ле кт ри че ск ая п ро ни ца ем ос ть 1 2 3 В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 24 зателем степени около −13. Для сравнения на этом же рисунке приведены полученные расчет- ным путем две пунктирные прямые, ограничи- вающие область изменений затухания, характер- ные для практически всех типов суглинка, при значениях объемной влажности от 10 до 15 %. Расчеты проводились с использованием выше- описанной модели электрических характеристик грунта, состоящего из смеси песка, глины и воды. Видно, что экспериментальные данные лежат несколько выше теоретических кривых. Так как объемная влажность в реальных суглинках обыч- но выше 15 %, это означает, что мы не должны были бы видеть отражения на глубинах более 10...15 м, что противоречит нашим данным зон- дирования в реальных грунтах. Если учесть, что с ростом глубины растет пятно облучения элемента разрешения, но не пропорционально ,2r где r − глубина в метрах (причиной этого является зату- хание в породах грунта [18]), то это приведет к несколько большему результирующему показате- лю степени затухания сигналов от глубины. Од- нако все равно затухание в грунте, определяемое моделью, существенно больше, чем наблюдаемое в экспериментах применительно к тем же типам грунтов. Рис. 4. Спектры сигналов на выходе фазового детектора при- емника георадара Затухание радиоволн в грунте определя- ется формулой, в которую входят как удельная проводимость, так и диэлектрическая проницае- мость: ,1tg1 2 2/1 2       −+= δ µε ωα (7) где ωε σ ε ε δ = ′ ′′ =tg − тангенс диэлектрических потерь породы. На частотах 0,1…1 ГГц основной вклад в величину затухания вносит удельная проводи- мость. Для того чтобы теоретическая модель более или менее правильно описывала наблюдаемые данные, необходимо уменьшать в 1,5–1,7 раза рас- четные значения удельной проводимости (в част- ности, те значения, которые использовались для рис. 4). Более противоречащим теории фактом является существенно меньшая частотная зави- симость погонного затухания в грунте от частоты в экспериментах по сравнению с данными, пред- сказываемыми теорией. Для проверки этого предположения рас- смотрим сигнал с выхода фазового детектора приемника георадара со ступенчатым изменением его несущей частоты, соответствующий отраже- нию от какой-либо границы между двумя разны- ми слоями грунта, например, между слоем суг- линка и супеси, как на рис. 5. На рисунке вдоль оси абсцисс вместо времени отложено изменение частоты зондирующего сигнала. Подробно такое представление сигналов изложено в работе [24]. Важным является то, что затухание амплитуды сигнала во времени практически совпадает с хо- дом кривой, определяющей зависимость затуха- ния радиоволн от частоты в диапазоне частот сканирования георадара. Для выделения этого временного сигна- ла применялся узкополосный фильтр, настроен- ный на соответствующую компоненту сигнала в окрестности указанной отражающей границы. Этот отфильтрованный сигнал представлен на рис. 5. Рис. 5. Отфильтрованный сигнал, который соответствует отра- жению от границы, отделяющей слой суглинка и песка Видно, что изменение амплитуды сигнала в диапазоне сканирования его несущей частоты составляет около 20 дБ. О тн ос ит ел ьн ая а мп ли ту да 103 101 10–1 10–3 10–5 10–7 0,2 2 20 200 Глубина, м 140 160 180 200 220 240 Частота, МГц 300 200 100 0 –100 –200 А мп ли ту да , м В В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 25 Рассмотрим теперь, что предсказывает теоретическая модель. Задавая параметры грунта (процентное содержание песка и глины, объем- ную влажность, соленость, температуру, диапа- зон частот и т. д.), можно промоделировать про- цесс распространения радиоволн в заданном слое грунта до какой-либо отражающей границы и назад к антенне георадара. Затем над сигналом совершаются те же преобразования, что и в при- емнике георадара (перемножение с опорным сиг- налом и низкочастотная фильтрация). В результа- те можно получить сигнал на выходе фазового детектора в модели, который должен в какой-то мере быть похожим на экспериментально изме- ренный сигнал (см. рис. 5). На рис. 6, а представ- лен рассчитанный сигнал на выходе фазового детектора приемника георадара, соответствую- щий отражению от полностью отражающей гра- ницы, расположенной на глубине 6 м при том же диапазоне частот сканирования зондирующего сигнала, а на рис. 6, б – его амплитуда в логариф- мическом масштабе по обеим координатным осям. Параметры грунта выбраны таким образом, чтобы соответствовать эксперименту (песок 90 %, глина 10 %, объемная влажность 15 %). а) б) Рис. 6. Рассчитанный сигнал на выходе фазового детектора приемника георадара Выделим тот факт, что затухание ампли- туды сигнала даже при небольших концентрациях глины в процессе изменения несущей частоты составляет около 40 дБ, что на 20 дБ больше, чем в экспериментах. Следующим существенно противореча- щим теории фактом является частотная диспер- сия диэлектрической проницаемости, которая вносит доминирующий вклад в частотную зави- симость фазовой скорости распространения ра- диоволн в указанном диапазоне частот, опреде- ляемой выражением .1tg1 2 1 2/1 2       ++= δ µε v (8) Выяснить это можно путем оценки час- тотной дисперсии фазовой скорости распростра- нения радиоволн по результатам эксперимен- тальных зондирований и сравнении их с расчет- ными данными. Существует две методики этой оценки. Первая состоит в том, чтобы оценить глубину залегания какого-либо объекта по результатам зондирования в двух частях спектра зондирую- щего сигнала − в низкочастотной и высокочас- тотной. Смещение залегания объекта по глубине в этом случае будет прямо связано со степенью частотной дисперсии фазовой скорости распрост- ранения радиоволн. Детально этот вопрос рас- смотрен в работе [24]. Затем, используя модель электрических характеристик грунта, можно тео- ретически рассчитать при тех же параметрах зон- дирующего сигнала (ширины спектра) и типа грунта, насколько будет смещаться автокорреля- ционная функция зондирующего сигнала при от- ражении от точечного объекта, расположенного на той же глубине, что и в эксперименте. Вторая методика связана с оценкой фазо- вой структуры отраженных сигналов в тех же частях спектра зондирующего сигнала и после- дующим сравнением с расчетным результатом с использованием той же модели. Эта методика является более точной и позволяет оценивать час- тотную дисперсию фазовой скорости распростра- нения радиоволн не только при наличии ярко- выраженного подповерхностного объекта, но и в любом элементе разрешения. Однако она сравни- тельно громоздка и потребует значительного большего объема для изложения, поэтому мы воспользуемся первой методикой. На рис. 7 приведены изображения двух подповерхностных объектов, один из которых (подземный коллектор) расположен на глубине около 7 м на рис. 7, а, а второй (неизвестный объ- ект) – на глубине около 17 м. Левое изображение соответствует низкочастотной части спектра зонди- рующего сигнала (диапазон частот 140…190 МГц), а правое – высокочастотной части (190…240 МГц). Так как спектр зондирующего сигнала разбит на две половины, разрешающая способность по глу- бине существенно уменьшилась, но зато очень хорошо видно смещение объекта по глубине за счет частотной зависимости фазовой скорости распространения радиоволн в грунте. Так, сме- щение первого объекта (подземный коллектор) составляет около 3 м, а второго – уже 6−7 м за счет накопления искажений с глубиной. Аналогичные результаты получаются и по второй методике. Наблюдаемое смещение глу- бины залегания неоднородностей грунта в двух частях спектра зондирующего сигнала составляет несколько метров на глубинах 7…10 м в зависи- мости от типа грунта и объемной влажности. Амплитуда, В⋅10–11 Амплитуда, В 140 180 220 Частота, МГц 10–11 10–12 10–13 10–14 10–15 10–16 10–17 1,5 1,0 0,5 0 –0,5 –1,0 100 200 300 Частота, МГц В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 26 а) б) Рис. 7. Радиолокационные ииображения двух подповерхност- ных объектов, полученных в низкочастотной (а) и высоко- частотной (б) частях спектра зондирующего сигнала: а) – 140…190 МГц; б) – 190…240 МГц Рассмотрим теперь для сравнения вели- чины смещения глубины залегания объектов, по- лучаемые в результате использования описанной выше модели. Методика моделирования детально изложена в работе [19]. Моделирование проводи- лось при тех же параметрах, характеризующих тип грунта, и для тех же значений ширины низко- частотной и высокочастотной частей спектра, что и для случая затухания радиоволн в грунте. На рис. 8 приведены автокорреляционные функ- ции зондирующего сигнала при отражении от точечного подповерхностного объекта, залегаю- щего на глубине около 7 м. Пунктирная кривая соответствует низкочастотной составляющей спектра зондирующего сигнала (диапазон частот 140…190 МГц), а сплошная кривая – высокочас- тотной части (диапазон частот 190…240 МГц). Рис. 8. Автокорреляционные функции зондирующего сигнала при отражении от точечного подповерхностного объекта, залегающего на глубине около 7 м (пунктирная кривая − вы- сокочастотная часть спектра, сплошная − низкочастотная) Из рисунка видно, что смещение объекта по глубине за счет частотной дисперсии фазовой скорости распространения радиоволн в грунте практически отсутствует. Этот результат сущест- венно противоречит экспериментальным данным, в которых такое смещение достигает значения около 2−3 м при той же глубине залегания подпо- верхностного объекта. Таким образом, мы получили результаты, свидетельствующие о том, что затухание радио- волн в грунте несколько меньше величин, пред- сказываемых существующими моделями элект- рических характеристик типовых грунтов. Также существенно меньше наблюдается частотная за- висимость погонного затухания в грунте, в то время как частотная дисперсия диэлектрической проницаемости – существенно больше. Для того чтобы скорректировать модель с целью получения более адекватных эксперимен- тальным данным дисперсионных зависимостей, мы попытались изменить наклон частотных зави- симостей диэлектрической проницаемости и удельной проводимости таким образом, чтобы результаты были более близкими к наблюдаемым экспериментальным данным. Для этого мы умно- жили получаемую в результате расчета функцию зависимости диэлектрической проницаемости и удельной проводимости грунта от частоты на множители ( ) 1deg 0 r K       = ω ω ω , ( ) 2deg 0 r K       = ω ω ω соответственно, где 0ω − начальная частота зон- дирующего сигнала, 1deg r и 2deg r − показатели степени, величины которых варьируются в пре- делах 0,7…0,9 и 0,5…0,6 соответственно. При этом значения удельной проводимости уменьшались в 1,5…2 раза. В итоге можно было получить для заданного типа грунта расчетные результаты по общему затуханию, частотной за- висимости погонного затухания и частотной дис- персии диэлектрической проницаемости, которые становились похожими на данные, получаемые при экспериментальном зондировании в реаль- ных средах. Чтобы сравнить зависимости проводимос- ти и относительной диэлектрической проницае- мости смеси песка и глины (суглинок) от частоты при разной объемной влажности, рассчитанные по приведенной модели со скорректированными зависимостями, которые более точно описывают экспериментальные данные, мы приводим их на рис. 9 и 10. На рис. 9 приведены зависимости удель- ной проводимости смеси песка и глины (сугли- нок) от частоты при разной объемной влажности, рассчитанные по приведенной модели (кривые 1−3), и по скорректированной модели (кривые 1′−3′). Глубина, м Глубина, м 0,5 1,0 1,5 Расстояние, м 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0,5 1,0 1,5 Расстояние, м Изображение подземного коллектора 0 4 8 12 16 20 Частота, МГц 0,4 0,3 0,2 0,1 0 У де ль на я пр ов од им ос ть , С м /м В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 27 Параметры смеси: грунт – смесь песка (60 %) и глины (40 %), пористость грунта 0,25, объемная влажность – 21 % − кривые 1 и 1′, 14 % − кри-ые 2 и 2′ и 7 % − кривые 3 и 3′; соленость – 0,1 %. На рис. 10 приведены аналогичные зависимости для относительной диэлектрической проницаемос-ти указанной смеси. Рис. 9. Зависимости удельной проводимости суглинка от час- тоты при различной объемной влажности: 1 − p1 = 21 %; 2 − p1 = 14 %; 3 − p1 = 7 %; сплошные линии – исходная мо- дель, пунктирные линии − скорректированная модель Рис. 10. Зависимости диэлектрической проницаемости суг- линка от частоты при различной объемной влажности: 1 − p1 = 21 %; 2 − p1 = 14 %; 3 − p1 = 7 %; сплошные линии – исходная модель, пунктирные линии − скорректированная модель Отметим тот факт, что одна из скоррек- тированных частотных зависимостей диэлектри- ческой проницаемости (кривая 1′) достаточно близка к кривой 1 на рис. 3, что косвенно под- тверждает правильность наших выводов о боль- шей частотной дисперсии диэлектрической про- ницаемости пород грунта по сравнению с теорией. Можно отметить также существенно меньшую частотную дисперсию скорректированной удель- ной проводимости грунта. В данном случае применительно к удельной проводимости лучше работает модель Улаби [7], в которой последняя определяется двойным ион- ным слоем Штерна–Гуи и практически не зависит от частоты. Другими словами слой Штерна–Гуи пра- вильно определяет физику формирования прово- димости в породах грунта и хорошо совпадает с данными измерений электрических характерис- тик пород грунта, проводимых в лабораторных условиях. То, что наши данные свидетельствуют о несколько меньших значениях удельной прово- димости, говорит о том, что нужно искать физи- ческую природу появления этих отличий в естест- венных условиях, когда частицы грунта и воздух в поровом пространстве испытывают давление со стороны окружающего грунта. Выводы. Проведенный анализ сущест- вующих моделей электрических характеристик грунтов и данные экспериментальных зондирова- ний позволяют сделать следующие предположе- ния о механизмах формирования диэлектриче- ских свойств пород грунта и направлениях кор- рекции существующих модельных представлений. Прежде всего, коррекция модели электрических характеристик грунтов должна проводиться с учетом того, что повышенное на больших глуби- нах давление на частицы грунта и на поровое про- странство может деформировать слегка слой Гуи слабосвязанной воды и влиять на концентрацию свободной воды в этом пространстве, которая не учитывается в модели, описываемой уравне- ниями (6). Для решения этой задачи необходимо привлекать уравнения фильтрации жидкости в грунте, в которых необходимо учитывать избы- точное давление в порах грунта и возможную деформацию его частиц. Уравнения фильтрации могут позволить рассчитать эффект перераспре- деления воды из свободного состояния в порах в слой слабосвязанной воды, что может существен- но изменить значения удельной проводимости и повлиять на результирующую КДП смеси в виде сухого грунта, воды в трех состояниях: слабосвя- занной, сильносвязанной и в свободном состоя- нии в порах и воздуха, т. е. необходимо рассмат- ривать 5-компонентную модель смеси. Кроме этого, необходимо искать физиче- ские механизмы появления существенно большей частотной дисперсии диэлектрической проницае- мости пород грунта, чем это следует из теорети- ческих моделей. Можно высказать следующие соображения. У де ль на я пр ов од им ос ть , С м /м 140 160 180 200 220 Частота, МГц 0,15 0,1 0,05 0 1 2 1′ 2′ 3′ 3 140 160 180 200 220 Частота, МГц 20 16 12 8 4 0 3′ 2′ 1′ 3 2 1 О тн ос ит ел ьн ая д иэ ле кт ри че ск ая пр он иц ае мо ст ь В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 28 Как уже упоминалось, на диэлектриче- ские свойства пород грунта существенно влияет геометрия и текстура частиц грунта. В гетероген- ной среде, какой является грунт, его частицы имеют сложную форму – от простых частиц, имеющих кристаллическую структуру разного размера, до небольших включений, которые име- ют волокнистую структуру. При этом диэлектри- ческие свойства композитных материалов зависят от того, как электромагнитное поле ориентирова- но относительно квазислоистой микроструктуры грунта [25]. Если поле ориентировано вдоль этой микроструктуры, то результирующая диэлектри- ческая проницаемость будет определяться выра- жением ,∑= i iir ϑεε (9) где iϑ − объемная концентрация i-й фракции. Если поле ориентировано перпендику- лярно слоям этой микроструктуры, то . 1 ∑ = i i i r ε ϑε (10) Таким образом, комбинация этих формул применительно к определенной микроструктуре грунта может определить по-разному частотную зависимость результирующей диэлектрической проницаемости, хотя исходная частотная зависи- мость водной фракции будет всегда иметь один и тот же вид. И наконец, в некоторых работах, напри- мер, [2], для удовлетворительного описания ди- электрических свойств пород грунта вводится зависимость средней частоты релаксации от со- держания водной фракции (значение этой часто- ты растет с ростом объемной влажности), что может означать, что значение этой частоты также зависит от давления окружающего грунта. 1. Wang J. R. An Empirical model for the complex dielectric permitivity of soils as a function of water content / J. R. Wang, T. J. Schmugge // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. − 1980. − GE-18, N 4. – P. 288−295. 2. Wang J. R. The dielectric properties of soil-water mixtures at microwave frequencies / J. R. Wang // Radio Sci. − 1980. − 15, N 5. – P. 977−985. 3. Schwarz G. A theory of the low-frequency dielectric dispertion of colloidal particles in electrolyte solution / G. Schwarz // J. Phys. Chem. − 1962. − 66, N 12. – P. 2636−2642. 4. Wobschall D. A theory of a complex dielectric permittivity of soil containing water, the themidisperse model / D. Wobschall // IEEE Trans. Geosc. Electron. − 1977. − 15, N 1. − P. 29−58. 5. De Loor G. P. Dielectric properties of heterogeneous mixtures containing water / G. P. de Loor // J. Microwave Power. − 1968. – 3, N 2. – P. 67−73. 6. Microwave dielectric behaver of wet soil. Pt. 1. Empirical models and experimental observations from 1.4 to 18 GHz / M. T. Hallikainen, F. T. Ulaby, M. C. Dobson et al. // IEEE Trans. Geosci. Remote sensing. − 1985. − GE-23, N 1. − P. 25−34. 7. Microwave dielectric behaver of wet soil. Pt. 2. Dielectric mixing Models / M. C. Dobson, F. T. Ulaby, M. T. Hallikai- nen, M. A. El-Rayes // IEEE Trans. Geosci. Remote sensing. – 1985. − GE-23, N 1. – P. 35−46. 8. Hipp J. E. Soil Electromagnetic parameters as a function of frequency, soil density, and soil moisture / J. E. Hipp // Proc. IEEE. – 1974. − 62, iss. 1. − P. 98−103. 9. Poley J. Ph. Use of VHF Dielectric Measurements for Bore- hole Formations Analysis / J. Ph. Poley, J. J. Nooteboom, P. J. de Waal // The Log Analyst. – 1978. – 19, N 3. − P. 8−30. 10. Huchital G. Deep propagation tool. A new electromagnetic logging tool / G. Huchital // Presented at the Louisiana SPE Meeting and references therein. − 1982. − SPE Paper N 10988. 11. Chew W. C. A response of the deep propagation tool / W. C. Chew // Presented at the Louisiana SPE Conf. − 1982. − SPE Paper N 10989. 12. Sen Pabitra N. The Frequency Dependence Dielectric and Con- ductivity Response of Dadimantoty Rocks / N. Sen Pabitra, W. C. Chew // J. of Microwave Power. − 1983. − 18, N 1. − P. 95−105. 13. Hoyer W. A. Dielectric constant of rocks as a petrophysical parameter / W. A. Hoyer, R. C. Rumble // SPWLA 17th An- nual Logging Symp. – 1976. − Paper N 981. 14. Arulandan K. Low frequency dielectric dispersion of clay- water-electrolyte systems / K. Arulandan, J. K. Mitchell // Clay and Clay Minerals. − 1968. – 16, N 5. − P. 337−351. 15. Lockhart N. C. Electrical properties and surface characteristics and structure of clays. I. Swelling clays / N. C. Lockhart // J. Colloid and Interface Sci. − 1980. − 74, iss. 2. − P. 509−519. 16. Sen P. N. Dielectric and acoustic response of rocks / P. N. Sen // Lecture Notes in Physics. – N. Y.: Springer-Veriag, 1982. – Vol. 154. − P. 226. 17. Chew W. C. Dielectric enhancement due to electrochemical double layer: thin double layer approximation / W. C. Chew, P. N. Sen // J. Chem. Phys. − 1982. − 77, N 9. − P. 4483−4491. 18. Сугак В. Г. Особенности обработки сигналов при подпо- верхностном радиолокационном зондировании в диспер- гирующей среде / В. Г. Сугак // Радиофизика и электрон.: cб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украи- ны. – Х., 2006. − 11, № 3. − С. 385−392. 19. Овчинкин О. А. Влияние электрических свойств грунта на характеристики сигнала при подповерхностном зондиро- вании / О. А. Овчинкин, В. Г. Сугак // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. − Х., 2001. − 6, № 2−3. − С. 235−241. 20. Sugak V. G. Phase Spectrum of Signals in Ground Penetrating Radar Applications / V. G. Sugak, A. V. Sugak // IEEE Trans. On Geoscience & Remote Sensing. − 2010. – 48, iss. 4. – P. 1760−1767. 21. Петровский А. Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике / А. Д. Петровский. − М.: Недра, 1971. – 224 с. 22. Лещинский Ю. И. Расчет электрических параметров песчано-глинистых грунтов на метровых−сантиметровых волнах / Ю. И. Лещинский, Н. В. Ульянычев // Изв. вузов. Радиофизика. – 1986. – 23, № 5. – С. 529−532. 23. Danials David J. Ground Penetrating Radar / David J. Danials. – 2nd ed. – London: The Institute of Electrical Engineers, 2004. – 723 p. 24. Сугак В. Г. Восстановление электрических характеристик грунта и глубины залегания объектов по результатам под- поверхностного зондирования / В. Г. Сугак // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. − Х., 2002. – 7, № 3. – С. 491−497. 25. Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гете- рогенных систем. Ч. 1. Матричные двухфазные системы с невытянутыми включениями / В. И. Оделевский // Журн. техн физики. – 1951. − 21, вып. 6. – C. 667−677. Рукопись поступила 15.07.2011. В. Г. Сугак и др. / О противоречии данных подповерхностного… _______________________________________________________________________________________________________________ 29 V. G. Sugak., I. S. Bondarenko, A. V. Sugak ABOUT DISCREPANCY BETWEEN DATA OF SUBSURFACE SOUNDING AND THEORETICAL MODELS OF SOIL DIELECTRIC PROPERTIES Results of comparison of theoretical models of dielec- trical properties of soils with data obtained directly from subsur- face radar sounding are considered in the paper. It is shown that the frequency dispersion of attenuation factor is less and frequency dispersion of radio wave propagation velocity is more than it is described in theoretical models. A possible physical mechanism of these phenomena is proposed to be concerned with influence of surrounding soil pressure on soil particles and soil pores. Key words: dielectrical properties of soil, ground pe- netrating radar, frequency dispertion of soil dielectrical properties. В. Г. Сугак, І. С. Бондаренко, О. В. Сугак ПРО СУПЕРЕЧНІСТЬ ДАНИХ ПІДПОВЕРХНЕВОГО ЗОНДУВАННЯ ТЕОРЕТИЧНИМ МОДЕЛЯМ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРІД ҐРУНТУ Наведено результати порівняння теоретичних мо- делей діелектричних властивостей порід ґрунтів з даними, що отримуються безпосередньо за результатами радіолокаційного підповерхневого зондування. Показано, що частотна диспер- сія погонного затухання радіохвиль в типових породах ґрунту суттєво менша, а фазової швидкості поширення – суттєво більша за передбачувану в теоретичних моделях. Приведено міркування щодо фізичного механізму цих відмін, який, як передбачається, пов’язаний з впливом тиску оточуючого ґрун- ту на його частинки та поровий простір. Ключові слова: діелектрична проникність, питома провідність, радіолокатор підповерхневого зондування, ґрунт. УДК 537.226

О противоречии данных подповерхностного зондирования теоретическим моделям диэлектрических характеристик пород грунта

Institution

Ähnliche Einträge