Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Измерение диэлектрических свойств твёрдых и сыпучих веществ на высоких и сверхвысоких частотах в лабораторных условиях с использованием специализированной аппаратуры. Методика экспериментов 10
1.1. Методы, использующие направленные волны 13
1.2.Резонансные методы 19
1.3. Измерения в свободном пространстве (квазиоптические) 28
Выводы 31
Глава 2. Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от их физических свойств и состава 33
2.1.Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред 33
Выводы 44
2.2. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от физических свойств и состава 45
Выводы 55
Глава 3. Методика диэлектрических измерений в лабораторных условиях с использованием полевого прибора 56
3.1. Размеры образца 57
3.2. Измерение динамических характеристик 62
Выводы 67
Глава 4. Измерение диэлектрических свойств двухкомпонентных сред слоистой и дисперсной структуры 68
4.1. Среда 1 (Контрастные свойства компонентов) 75
4.2. Среда 2 (Неконтрастные свойства компонентов) 87
Выводы 96
Глава 5. Результаты экспериментов 98
5.1 .Среда 1. (контрастная) 99
5.2. Среда 2. (неконтрастная) 103
Выводы 115
Заключение 117
Список литературы 119
- Измерения в свободном пространстве (квазиоптические)
- Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от физических свойств и состава
- Измерение динамических характеристик
- Среда 2 (Неконтрастные свойства компонентов)
Введение к работе
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.
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 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:
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.
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:
Состоящих из компонентов с близкими значениями диэлектрической проницаемости.
Состоящих из компонентов с и различающимися в несколько раз значениями диэлектрической проницаемости.
2.3 .Измерения на слоистых средах, состоящих из слоев мощностью от 0,1 до1,5 длин волн.
3. Построение эмпирических зависимостей и их сравнение с широко
используемыми теоретическими:
Построение зависимостей скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов;
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.
Предложенная методика диэлектрических лабораторных измерений с использованием полевого георадара эффективна при измерении как кинематических, так и динамических характеристик геологических сред.
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.
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.
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.
Впервые данная методика применена для измерения динамических характеристик на физических моделях реальных сред.
Впервые проведены эксперименты по изучению влияния структуры на характеристики высокочастотного поля электромагнитных волн.
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.
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.
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 54 источника, 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.
Измерения в свободном пространстве (квазиоптические)
При измерениях значений є диэлектриков с малыми потерями в основном применяется фазовый метод измерений, основанный на том, что при прохождении через диэлектрический лист и при отражении от него изменяется фаза коэффициента прохождения или фаза коэффициента отражения.
В схеме интерферометра изменение фазы определяется по измерению положения минимума при внесении диэлектрика. Сравнивают его сдвиг по отношению к положению минимума в интерференционной картине, в измерительной линии при отсутствии диэлектрика. [17]
Метод измерения диэлектрических характеристик применим в тех случаях, когда невозможно разрушить образец, как отмечалось выше, например, в дефектоскопии [25]; также он применяется в случаях когда есть доступ только к верхней границе образца. [28] К недостаткам метода следует отнести необходимость наличия образцов больших размеров. Выводы. 1. 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. 2. Они имеют ряд недостатков, как то: - отсутствие промышленно выпускаемых специализированных приборов, необходимость самостоятельно изготавливать установки, - образцы много меньше структурных единиц разреза, - необходимость изготавливать образцы определённой формы, - более высокие частоты, чем диапазон георадиолокации. 3. Дисперсионная кривая льда после 100 КГц выходит на асимптоту, воды «стабильна» между ЮКГц и 1ГТц, глинистых разностей выходит на асимптоту после 100 МГц (см. рис. 2.7, глава 2). Таким образом, параметры, измеренные в санти- и миллиметровом диапазонах частот (3-ЗООГГц) не будут соответствовать параметрам, измеренным в полевых условиях мегагерцевыми антеннами. Состояние изученности диэлектрических свойств сред на высоких частотах: теоретические модели, результаты лабораторных измерений. Данная глава поделена на 2 части. В первой рассматриваются теоретическая сторона вопроса: здесь приведены модели диэлектрической проницаемости (действительной части) различных композитных сред. К сожалению, зависимостей комплексной части диэлектрической проницаемости эффективных сред от строения, свойств и содержания компонентов в литературе не встретились. Вторая часть посвящена имеющимся в доступной литературе эмпирическим зависимостям диэлектрических свойств геологических сред. По каждой из частей приведены соответствующие выводы. Эпиграф: Любая сложная научная проблема имеет простое и легкое для понимания, но неправильное, решение. Зависимости диэлектрической проницаемости {Re є) многокомпонентных смесей от диэлектрической проницаемости компонент, а также от содержания и распределений компонентов в смеси достаточно подробно изучены теоретически [20]. Аналогичных зависимостей для параметров поглощения электромагнитной энергии и других динамических характеристик электромагнитных волн в литературе не встретилось. Большинство теоретических моделей є 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). При теоретических исследованиях, цель которых была в получении уравнений, позволяющих оценивать диэлектрическую проницаемость сложной среды (ss) при заданных объемных соотношениях компонентов, их форме и объемном распределении, композит представляли в виде упрощенных 2х-компонентных моделей. Матричные модели представляют собой укладки равномерно распределенных в пространстве одно- и разноразмерных шаров, кубов, эллипсоидов вращения, предельно сплюснутых и вытянутых эллипсоидов вращения, кубоэктаэдров, прямоугольных пластин и других геометрических фигур. Их поровое пространство полностью заполняется другой составляющей среды или эти фигуры разделяются вторым компонентом. Предполагается, что компоненты не взаимодействуют друг с другом. Также многокомпонентная среда представлялась статистический смесью (с равномерным распределением компонентов в пространстве) [20]. 2х-компонентными моделями можно аппроксимировать полиминеральную твёрдую фазу пород и грунтов. Если в породе нет хорошо проводящих рудных включении и глинистого компонента и их твердую фазу представляет в основном агрегат минералов-диэлектриков, а жидкую -растворы природных электролитов в воде, то такие породы также можно считать двухкомпонентными. С известным приближением, группируя подобным образом минералы твёрдой фазы, представим себе в виде 2х компонентной среды и низкопористые электронно-проводящие руды.
Результаты большинства теоретических исследований диэлектрической проницаемости при помощи матричных и статистических моделей сводятся к ряду формул, приведённых в [20] (таб.2.1). Также в [20] отмечено, что все теоретические соотношения годны лишь в отсутствие миграционной и других видов медленной поляризации и некоторые из них не учитывают взаимной поляризации компонентов.
Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от физических свойств и состава
Зависимость от загрязнённости нефтепродуктами - актуальный вопрос, но данные измерений разрозненные и носят точечный характер, и их недостаточно для построения зависимости, даже графической.
С другой стороны, в работе [46] отмечено, что диэлектрические свойства загрязнённых и незагрязнённых грунтов будут незначительно, но всё же отличаться друг от друга. В работе [47] указывается на «маленькое, но значительное» отличие в значениях диэлектрических проницаемостей загрязнённой и незагрязнённой почв (35 и 27 соотв.), а в работе [48] загрязнённые и незагрязнённые сланцы отличаются только по затуханию (4Дб/м и 6-7Дб/м).
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. Мнимой части песчано-глинистых грунтов только от температуры. 2. Таким образом, 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. Традиционные методы диэлектрических измерений в лабораторных условиях имеют ряд недостатков, описанных выше (см. глава 1). Альтернативой этим методам является метод измерения диэлектрических свойств стандартным георадаром, выпускаемым серийно, используемым в полевых работах. 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). Измерения можно вести с помощью самой высокочастотной антенны из набора антенн любого неспециализированного георадара (ОКО-2, Зонд-12Е, Sir-2000). Выбор наиболее высокочастотной антенны продиктован желанием минимизировать размеры образца или модели, а также измерительной установки. Этот способ лабораторных измерений частично описан в работе [49]. Однако здесь нет таких важных оценок как размеры и пропорции используемых образцов (естественных или - чаще всего - искусственно созданных, физических моделей) и измеряется только время прихода отражённого сигнала, другие же его характеристики не рассматриваются. 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. 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. Размер модели определяют: нахождение отражающей границы в волновой зоне (на расстоянии, большем длины волны [2], для правомерности оценки динамических характеристик записи), разрешённость во времени сигнала прямого прохождения и отражённого сигнала (возможность кинематических измерений), размер отражающей площадки, влияние краёв модели (образца) и диаграмма направленности георадара. 3.1.1. Длина пробега отражённого сигнала. При размещении антенны на поверхности реальной геологической среды, номинальная центральная частота антенны смещается в область более низких частот. Для исследуемых сред результирующая центральная частота зондирующего сигнала в среде будет около 1000МГц. Эта величина и принята при дальнейших расчетах. Для предельных оценок рассмотрим воду — самую низкоскоростную среду и лёд — одну из самых высокоскоростных. Длина волны во льду при частоте сигнала 1000МГц — 17см, в воде — 3 см. Длительность сигнала прямого прохождения по уровню в 10% — не больше 2 не (см. рис.3.1). Из этого следует, что для разделения во времени отражённого сигнала и сигнала прямого прохождения расстояние до отражающей границы, если верхняя среда - лёд, должно быть больше 17см (путь туда и обратно займёт 2нс), т.е. высота образца должна превышать 17см; если верхняя среда — вода, то отражение уже будет получено, если высота образца будет более Зсм.
Измерение динамических характеристик
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 SSAA в программе RadexPro.
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).
На рис5.1. представлены экспериментальные зависимости скорости и диэлектрической проницаемости, полученных при измерениях поперёк напластования, от содержания суглинка в среде 1. При увеличении доли суглинка скорость уменьшается, а диэлектрическая проницаемость соответственно увеличивается. Локальных экстремумов не наблюдается. Экспериментальные зависимости скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) от содержания суглинка в среде 1. (контрастные компоненты). Измерения поперёк напластования. Очевидно, что зависимость V и є от пропорции компонентов не линейная. Наиболее точно экспериментальная зависимость скорости в среде 1, измеренная поперёк напластования, методом наименьших квадратов аппроксимируется экспоненциальной зависимостью. Среднеквадратичная погрешность аппроксимации не превышает 0,5 см/нс; максимальное относительное отклонение от тренда - 26%. Измерения вдоль напластования. Вид графиков диэлектрической проницаемости и скорости, построенных по результатам измерений вдоль напластования (рис.5.2.), не отличается от аналогичных, соответствующих измерениям поперёк напластования. Здесь также справедливы вышеприведённые рассуждения и аппроксимация экспоненциальной зависимостью. Среднеквадратичная погрешность аппроксимации для полученных при разных отражателях значений около 0,6 см/нс, максимальное относительное отклонение от тренда - 19%. - отражатель железо . отражатель воздух Экспериментальные зависимости скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДП) от содержания суглинка в среде 1 (контрастные компоненты). Измерения вдоль напластования. «Дисперсная» или статистическая среда. Экспериментальный график зависимости s от содержания суглинка в среде 1 дисперсной структуры (рис.5.3.) лучше всего аппроксимируется линейной зависимостью, скорость рассчитана как скорость света, делённая на корень из є. Среднеквадратичная погрешность аппроксимации для полученных при разных отражателях значений скорости не превышает 0,3 см/нс. Максимальное относительное отклонение от тренда - 19%. Значение погрешности почти в 2 раза меньше, чем в случае слоистой структуры; это объясняется относительной лёгкостью выделения отражённого сигнала (см. главу 4). Соеда 1. контрастная «Дисперсная» среда. Экспериментальные зависимости скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (Дії) от содержания суглинка в среде 1 (контрастные компоненты).
На всех графиках значения, полученные при разных отражателях, отличаются друг от друга, что объясняется погрешностью эксперимента, различием спектральных составов и амплитуд отражённых сигналов; трудностью выделения отражённого сигнала на радарограмме (см. главу 4). Для слоистой среды при измерениях поперёк напластования максимальная разница в скоростях 26% и 27% от среднего значения (модели с 50% и 67% суглинка), при измерениях вдоль напластования разница не превышает 4% от среднего значения, кроме точки соответствующей 20% суглинка, где отличие составляет около 8 см/нс, больше 30% от среднего. Для дисперсной среды отклонение не превышает 14%.
Сводный график всех измеренных значений скорости и диэлектрической проницаемости среды 1 приведён нарис.5.4. 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%. Существенной разницы между скоростями, полученными при измерениях вдоль и поперёк напластования, не наблюдается, максимальное различие достигает 28%, в среднем 12%.
Среда 2 (Неконтрастные свойства компонентов)
На рис.5.11. 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.5.11) 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, среда 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. Сравнение полученных экспериментальных зависимостей скорости и диэлектрической проницаемости в среде 1 и среде 2 с теоретическими. Среда 1 (контрастные компоненты). Сводный график измеренных и теоретических зависимостей скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДІЇ) в зависимости от содержания суглинка в среде 1 (контрастные компоненты) для случаев различной структуры. 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. Полученные V и є среды 1 дисперсной структуры ближе всего к значениям, рассчитанным по аппроксимации параллельным соединением. Среднеквадратичная погрешность — 0,2см/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). При сравнении построенных по результатам эксперимента и теоретических зависимостей скорости от процентного содержания суглинка в среде 2 (рис.5.13.), видно, что все эмпирические зависимости выходят из рамок, определённых формальными оценками. Полученные значения скорости меньше, чем рассчитанные по известным формулам. Наиболее близкой к эмпирическим кривым является аппроксимация параллельным соединением импедансов. Максимальные отклонения экспериментальных линейных зависимостей от «параллельного соединения» - 3%, 5% и 6% соответственно для слоистой среды поперёк и вдоль напластования и дисперсной среды. Среднеквадратичная погрешность — 0,01; 0,2 и 0,3см/нс соответственно. 113 - - - дисперсная среда Рис.5.13. Сводный график измеренных и теоретических зависимостей скорости электромагнитных волн (V) и диэлектрической проницаемости (ДІЇ) в зависимости от содержания суглинка в среде 2 (неконтрастные компоненты) для случаев различной структуры. Результат повторного опыта со средой 2 отличается от предыдущего (рис.5.14.). 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. 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 электромагнитных 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). 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. 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 двухкомпонентнои среды по известным диэлектрическим свойствам компонентов, если известна их пропорция, и пропорцию, если известна скорость.
