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

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, Sir-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 (ε) 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 ε.
2.2. Состоящих из компонентов с различающимися в несколько раз значениями ε. 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, ε и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов;
3.2. Построение зависимостей V, ε и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой среды в зависимости от мощности прослоев;
3.3. Сравнение эмпирических зависимостей V и ε (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.

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 0,15 - до 1,5 длины волны, затухание возрастает с уменьшением толщины слоёв. 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 125 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.