Описание метода ЭМИ СШП зондирования

В отличие от региональных геологических исследований инженерная геология располагает весьма ограниченным количеством методов исследования. Это обусловлено тем, что решение инженерно-геологических задач тесно увязано с проблемами градостроительства, а это требует использовать методы, эффективно работающие в городских условиях. Например, большой перепад высот от зданий к мостовым в городской черте полностью исключает возможность использования методов гравиметрии; высокий уровень шума городского транспорта и каких-либо строительных работ исключает возможность использования сейсмоакустики; наличие большого количества металлических конструкций существенно затрудняет использование методов, основанных на применении постоянного тока и токов НЧ; высокий уровень электромагнитных помех из-за городского электротранспорта и городских ЛЭП исключает применение методов, использующих радиочастотный диапазон. Из-за указанных причин, в условиях города инженерная геология вынуждена использовать специфические методы разведочной геофизики, к которым относится и метод ЭМИ СШП зондирования.

Метод электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования (ЭМИ СШП) основан на синтезировании изображения структуры геологического разреза или инженерного сооружения по отраженному сигналу при распространении электромагнитного импульсов наносекундной длительности. Аналогом данного метода можно считать сейсмозондирование акустическими волнами. Благодаря использованию широкого спектра частот - от 80 МГц до 1 ГГц и изменению длительности импульса от 0,5 нс до 10 нс при пиковой мощности до 10⁶ Вт, становится возможным прохождение сигнала через чугунные тюбинги, железобетонные конструкции, размытые литологические слои, в том числе через глину, воду и проч., позволяет сканировать любые инженерно-геологические объекты до глубины 150 м, получать информацию об имеющихся в разрезах нарушенных структурах и прогнозировать развитие физико-механических нарушений в пространстве, что способствует предотвращению разрушений объектов. Сверхширокополосное подповерхностное зондирование по своей сути представляет прямой аналог процесса изучения свойств диэлектрика, помещенного в широкополосное электромагнитное поле.

Электромагнитная волна, распространяясь сквозь среду, испытывает поглощение и отражение. Два этих процесса зависят от большого количества параметров среды, таких как диэлектрическая проницаемость, проводимость, однородность, влажность, поляризуемость, время релаксации собственных колебаний и других. Любая среда обладает своим специфическим набором подобных характеристик. Теоретически можно провести идентификацию среды, измерив характеристики поглощения и отражения ею искусственного электромагнитного поля . Если при этом известно время и скорость прохождения сигнала от объекта до приемника, то легко вычисляется и расстояние до объекта. Однако в реальной жизни в любой точке зондирования идет чередование геологических пород, при этом границы разделов произвольно ориентированы в пространстве и могут иметь вкрапления других пород или пустот. В результате принимаемый сигнал является суперпозицией многочисленных отражений и затуханий, что делает процесс идентификации инженерно-геологических разностей и определение расстояния до них крайне сложным. В таких условиях достижение результата определяется возможностями решения нескольких задач: генерации электромагнитного импульса с оптимальной полосой частот и достаточной мощности, качеством приемно-передающих антенн, динамическим диапазоном принимающей аппаратуры, фактически определяющим глубину зондирования, алгоритмом обработки принятого сигнала. 

Все эти условия решены в аппапатно-программных измерительных ЭМИ СШП комплексах "Геодизонд". Ниже приведена схема работы такого комплекса:

Комплекс ЭМИ СШП зондирования это сочетание:

• Генератора на базе дрейфовых диодов с резким восстановлением, обеспечивающего глубины контроля структуры подстилающей среды до 130 м.

• Широкополосных антенн подповерхностного зондирования (3 типа), сконструированных под линейку генераторов. Для проведения работ используются монопольные, неоднородные микрополосковые либо тонкопроволочные (струнные) модификации. Все антенны согласованы с подстилающей средой в полосе от 1 МГц до 500 МГц при коэффициенте стоячей волны по напряжению менее 1.85

• Приемно-регистрирующего аппарата - осциллографа. За счет реализации в приемниках режима накопления информационно - измерительная система комплекса обладает повышенной помехоустойчивостью. Это стало возможным благодаря отказу от использования сигнала синхронизации, формируемого в генераторе излучаемых импульсов и подверженного воздействию синхропомехи, и переходу в аппаратном комплексе к синхронизации от времени прихода максимального сигнала из подстилающей среды.

Комплекс ЭМИ СШП зондирования представляет собой мобильную систему небольшого размера, весом порядка 10 кг. Оборудование комплектуется необходимыми элементами в зависимости от задач обследования (глубины и детальности). Все узлы измерительного комплекса полевой аппаратуры питаются от постоянного напряжения 12 В. Потребляемая мощность - не более нескольких сот ватт. 

Весь процесс зондирования одной точки занимает несколько секунд. По одной точке зондирования можно построить разрез среды в данном месте. Для получения протяженного разреза необходимо произвести зондирование в нескольких точках. Количество необходимых точек зондирования определяется следующими условиями: необходимой детальностью разреза, разновидностью исследуемого объекта (площадная геологическая съемка, фундамент здания или сооружения, свая и т.д.), глубиной зондирования. Например, для получения профиля залегания водоносного горизонта длиной 1000 метров на глубине порядка 100 метров достаточно произвести зондирование через 20-50 метров. Если на профиле 1000 метров и глубине около 100 метров необходимо определить точное расположение слоя породы, наиболее выгодного для прокладки тоннеля или коллектора, потребуется зондирование через 10-20 метров. При определении контура фундамента или при выявлении свай под фундаментом на глубине порядка 10 метров потребуется зондирование уже через 1-2 метра. Таким образом, число необходимых точек зондирования определяется решаемой задачей. Возможно зондирование через слой воды.

Ведется разработка (тестовый период) аэровоздушной, подводной модификаций аппаратуры, а также ЭМИ СШП комплекса непрерывного сканирования

•  Программного обеспечения

Преобразования временных сигналов основаны на информационно – энтропийных критериях, позволяющие литологически разделять подстилающую среду по результатам измерений в каждой отдельной пространственной точке. Обработка сигналов, построение изображения объекта происходит, как правило, в лабораторных, стационарных условиях и является наиболее сложной и трудоемкой процедурой метода ЭМИ СШП зондирования. Записанный отраженный сигнал подвергается компьютерной математической обработке. Время обработки одной точки зависит от глубины зондирования и может достигать от одной до нескольких десятков минут. Далее обработанный сигнал сравнивается с имеющейся базой данных различных сред и проходит предварительную идентификацию компонентов, входящих в данный разрез. Окончательную идентификацию среды и построение разреза осуществляет геофизик, имеющий опыт работы с комплексом при использовании базы данных исследовавшихся ранее сред. После обработки сигналов по точкам, ведется построение линейного или объемного профиля объекта с выделением особенностей строения объекта. Существенное ускорение и повышение точности работы происходит при наличии калибровочной скважины вблизи исследуемого объекта. Это позволяет откалибровать комплекс с учетом особенностей пород, характерных для данной местности.

 Основные области применения метода ЭМИ СШП зондирования

• Проведение геофизических исследований для выполнения строительных работ, сооружения тоннелей, мостов, мостовых переходов, коллекторов и т.д.
• Выявление дефектов в сложных гидротехнических сооружениях, сваях, фундаментах и других бетонных сооружениях.
• Определение расположения подземных инженерных сооружений и коммуникаций.
• Археологические работы.
• Определение расположения месторождений полезных ископаемых (твердых, жидких, газообразных).
• Определение мест загрязнения окружающей среды (нефтью и т.д.).
• Контроль подземного пространства  вперед забоя при горной проходке,  контроля качества инъекционного закрепления подземного массива, контроля состояния массива в режиме «заморозка ― оттайка» и т.д.