Georadiolokaatio (subsurface tutka-luotaus; maanalainen tutka , GPR) on geofyysinen menetelmä, joka perustuu sähkömagneettisten aaltojen pulssien lähettämiseen ja ääniympäristön eri kohteista heijastuneiden signaalien rekisteröintiin. Maatutkan periaatteet toteuttavaa laitetta kutsutaan maatutkaksi . Sen pääelementit ovat pulssigeneraattori, jossa on lähetysantenni, vastaanottoantenni ja ohjausyksikkö.
GPR erillisenä tieteen ja teknologian alana sisältää:
GPR:n sovelluskohteita ovat ympäristöt, joissa sähkömagneettisten aaltojen absorptio on vähäinen ja kohtalainen: graniitti, kvartsiitti, kalkkikivi, kipsi, hiekkamaat, matalakosteiset savet, vesistöjä, jäätiköitä, teknisiä rakenteita (rautatiet ja tiet, tunnelit, betonirakenteet).
Kivien "läpivalaisu" radioaaltojen avulla perustettiin jo vuosina 1910-1911. Saksalaiset tiedemiehet G. Lovi ja G. Leimbach. Vuonna 1912 he ehdottivat myös häiriömenetelmää malmien ja veden etsimiseen radiolähetyksellä.
Myöhemmin menetelmästä löydettiin toinen löytö Etelämanner -tutkimuksen aikana . Kun lentokoneen pinnan kohokuviota kartoitettiin tavallisella paikantimella, jäärajan alapuolelle alettiin jäljittää toinen raja, joka oli samanlainen kuin ensimmäinen, mutta tietyin eroin. Analysoimalla saatua kuvaa asiantuntijat tulivat siihen tulokseen, että ensimmäinen raja on maan pinta ja toinen jääpeiteen pohja. Siitä hetkestä lähtien tuli mahdolliseksi arvioida jään paksuus. Sähkömagneettisten aaltojen alhaisen absorption vuoksi jään paksuudessa tutkimuksen syvyys saavutti useita satoja metrejä. Pian analogisesti luotiin maan päällä oleva georadar -laite, jota käytettiin myös jään paksuuden arvioimiseen. Menetelmä alkoi kehittyä puhtaasti käytännön sovelluksilla, ei teorian tukemaa. Siitä huolimatta se on osoittautunut hyvin ikiroutaolosuhteissa tehdyissä tutkimuksissa.
Viime vuosina menetelmäteoria on kehittynyt nopeasti. Georadaria alettiin käyttää jään lisäksi myös muiden maaperän tutkimiseen. Lisäksi geotutkaa alettiin käyttää ratkaisemaan arkeologisia ongelmia, rakentamisen ongelmia ja monia muita. Yksinomaan GPR:lle omistettuja konferensseja ja seminaareja järjestetään vuosittain .
Maanalaisen tutkan luotauslaitteiston (maatutka) toimintaperiaate perustuu sähkömagneettisten aaltojen mittari- ja desimetrialueen ultralaajakaistaisten (nanosekuntien) pulssien lähettämiseen ja säteilyn kerrosten väliseltä rajapinnalta heijastuneiden signaalien vastaanottamiseen. koetusaine, joilla on erilaiset sähköfysikaaliset ominaisuudet. Tällaisia rajapintoja tutkituissa väliaineissa ovat esimerkiksi kuivan ja kosteudella kyllästetyn maaperän välinen kosketus - pohjaveden taso, kosketukset eri kivikoostumusten välillä, kiven ja keinotekoisen rakenteen materiaalin välillä, jäätyneen ja sulaneen maan välillä, välillä kallioperä ja sedimenttikivet jne. .
Sähkömagneettisten aaltojen etenemistä GPR-menetelmässä kuvataan sähködynamiikan aaltoyhtälöillä , jotka ovat seurausta täydellisestä Maxwellin yhtälöjärjestelmästä .
Käytännön sovelluksissa aallon etenemistä tarkastellaan geometrisen optiikan lakien puitteissa . Fermatin periaate , Huygens-Fresnelin periaate ja Snellin laki ovat voimassa . Näin ollen etenevä aalto kokee seuraavat ilmiöt:
Välineiden tärkeimmät parametrit, jotka kuvaavat sähkömagneettisten aaltojen etenemistä niissä, ovat aallon etenemisnopeus väliaineessa ja ominaisvaimennus.
Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus riippuu yleensä käytetyn kentän suhteellisesta permittiivisyydestä, suhteellisesta magneettisesta permeabiliteetista ja taajuudesta. Useimmille käytännössä kohdatuille medioille suhteellinen magneettinen permeabiliteetti on kuitenkin yhtä suuri kuin yksikkö, ja taajuuden vaikutus voidaan jättää huomiotta. Siksi aallon etenemisnopeus väliaineessa määräytyy kaavalla: V = c/juuri(ε), missä c on valon nopeus, ε on väliaineen suhteellinen permittiivisyys. Nopeus riippuu suuresti kosteudesta.
Erityinen vaimennus vaikuttaa merkittävästi tutkimuksen syvyyteen. Se riippuu käytetyn kentän tiheydestä.
| keskiviikko | Suhteellinen permittiivisyys | Ominaisvaimennus, dB/m | Aallon etenemisnopeus, m/ns |
|---|---|---|---|
| ilmaa | yksi | 0 | 0,300 |
| Hiekka on märkää | 20-30 | 0,5-5 | 0,055 - 0,067 |
| Hiekka kuiva | 4-6 | 0,01 - 1,5 | 0,122 - 0,150 |
| Märkä savi | 10-20 | 0,067 - 0,095 | |
| Savi kuiva | 4-6 | 0,122 - 0,150 | |
| Savi märkä | 19-27 | 25-110 | 0,058 - 0,069 |
| savi kuivaksi | 2-7 | 3-14 | 0,113 - 0,212 |
| Turve | 50-78 | 0,034 - 0,042 | |
| lietettä | 13-27 | 0,058 - 0,083 | |
| Graniitti | 9 | 0,100 | |
| kuiva betoni | 3-7 | 1-7 | 0,090 - 0,113 |
| kuiva asfaltti | 3-6 | 2-15 | 0,122 - 0,173 |
| tuoretta jäätä | neljä | 0,1 - 3,5 | 0,150 |
| Tuore vesi | 81 | 0.10 | 0,033 |
GPR-mittaus voidaan suorittaa kahdessa muunnelmassa: GPR-profilointi kiinteällä pohjalla ( englanniksi common offset profiling ) ja GPR-luotaus muuttuvalla pohjalla ( englanniksi multi-offset profiling ).
Geotutkaprofiloinnin aikana kiinteällä alustalla hahmotellaan profiili, jota pitkin kuljettaja kulkee geotutkalla, jossa vastaanotin- ja lähetinantennit ovat tietyllä etäisyydellä toisistaan. Tietyllä askeleella geotutka generoi sähkömagneettisen pulssin ja rekisteröi väliaineen vasteen - heijastuneen signaalin amplitudin funktiona heijastuneen pulssin viiveajasta.
GPR-luotauksen aikana muuttuvalla pohjalla GPR-akselin sijainti ei muutu, mutta antennien välinen etäisyys kasvaa vähitellen.
Geotutkatutkimuksen tulos on joukko yksittäisiä jälkiä (signaaleja), jotka vastaanottava antenni rekisteröi geotutkan kussakin paikassa. Tyypillisesti tämä jälkijoukko näytetään muuttuvan tiheyden menetelmällä, eli kuvan muodossa - tutkagrammina. Tutkakuvan vaaka-akseli on profiilin akseli (metreinä). Tutkakuvan pystyakseli on aika-akseli, jonka alku on mittauspulssin lähetyshetkellä. Jokaisen pikselin väri vastaa signaalin amplituditasoa.
Tutkagrammien jatkokäsittelyn tarve johtuu useista syistä. Ensinnäkin teknisten ongelmien ratkaisemiseksi tarvitaan signaalin amplitudin riippuvuus sen heijastuksen syvyydestä, kun taas alkuperäinen tutkagrammi on signaalin amplitudin riippuvuus heijastusajasta. Toiseksi on tarpeen päästä eroon erilaisista häiriöistä, jotka piilottavat hyödyllisen signaalin.
Tutkagrammeja käsiteltäessä käytetään seuraavan tyyppisiä muunnoksia:
Tutkagrammien käsittelyn viimeinen vaihe on tulkinta, joka ratkaisee suoraan teknisen ongelman. Tulkinta suoritetaan kahdessa vaiheessa: ensimmäisessä analysoidaan aaltokuvion pääpiirteet ja toisessa sen paikalliset piirteet.
Tutkagrammien käsittely suoritetaan erityisillä ohjelmistojärjestelmillä: GeoScan32 , GEORADAR-EXPERT , Krot , Easy3D , Prism . Tieteellisiin tarkoituksiin käytetään myös äärellisen eron menetelmään perustuvaa GprMax GPR-datamallinnusjärjestelmää ja MATLAB :iin kirjoitettua GNU - lisenssillä vapaasti jaettua MatGPR :ää .
GPR-menetelmän etuja ovat tutkimuksen suhteellisen alhaiset kustannukset, korkea tuottavuus ja valmistettavuus. Maatutka varmistaa mittausten jatkuvuuden ja määrittää varsin selkeästi maaperän osien rajojen sijainnin.
Menetelmää käytettäessä tarvitaan merkittävää tulosten käsittelyä, mikä riippuu geofyysikko-tulkijan kokemuksesta. Usein tutkagrammissa on heijastuksia ja kohinaa (esimerkiksi kontaktiverkon tuista, maanalaisista kaapeleista jne.), jotka vaikeuttavat tulosten tulkintaa. Savimaissa radioaallot vaimenevat melko nopeasti. Lisäksi väliaineiden fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia on käytännössä mahdotonta määrittää GPR-kyselytietojen perusteella.
Siksi menetelmää käytetään pääsääntöisesti joko alustavaan kartoitukseen tai yksittäisten paikallisten ongelmien ratkaisemiseen tai yhdistettynä muihin menetelmiin ( seisminen , sähköinen , perinteinen poraus jne.)
Geotutka koostuu antenniosasta, joka sisältää lähetys- ja vastaanottoantennin, rekisteröintiyksikön ja ohjausyksikön.