Teoretyczna analiza wpływu nasycenia gruntu roztworem NaCl na amplitudę fali elektromagnetycznej GPR

• Autorzy: Tomecka-Suchoń, S.

Warianty tytułu

EN

Theoretical Analysis of the Influence of Soil Saturation with NaCl Solution on the Amplitude of Reflected Georadar Waves

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy rozpatruje się, w sposób teoretyczny, wpływ nasycenia gruntu roztworami soli NaCl na amplitudy mierzonych sygnałów elektromagnetycznych GPR. Rozpatruje się przypadek płaskiej fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w jednorodnym, dwuwarstwowym ośrodku. Zmiany przewodności są wynikiem nasycenia gruntu roztworem soli NaCl o koncentracjach zmieniających się w zakresie od 1 g/kg do 240 g/kg. Założono 30 % nasycenie gruntu solanką. Obliczenia własności elektrycznych solanki i gruntów przeprowadzono przy wykorzystaniu znanych empirycznych zależności. Na tej podstawie oszacowano wpływ koncentracji soli NaCl na wartości współczynnika tłumienia, współczynników odbicia i transmisji elektrycznej składowej fali elekromagnetycznej o częstotliwości 800 MHz oraz współczynnika odbicia mocy. Analiza wyników obliczeń doprowadziła do konstatacji, że składowa rzeczywista względnej przenikalności elektrycznej gruntu nasyconego roztworem soli NaCl praktycznie nie zależy od jej koncentracji, natomiast składowa urojona względnej przenikalności elektrycznej gruntu oraz współczynnik tłumienia są prawie liniową funkcją koncentracji soli NaCl aż do koncentracji rzędu 150 g/kg. Przy wyższych koncentracjach obserwuje się zmniejszenie się tego wpływu. Zauważono, że największa czułość zmian współczynnika tłumienia na zmiany koncentracji NaCl w gruncie występuje aż do około 50 g/kg. Przy wyższych koncentracjach soli NaCl czułość wyraźnie obniża się. W konsekwencji stwierdza się, że analiza pomiaru georadarem przy częstotliwościach 800 MHz stwarza możliwość ilościowej oceny koncentracji soli NaCl w gruncie, w zakresie od około 1 g/kg do około 150 g/kg soli NaCl.

EN

The paper discusses in theoretical way the influence of saturation of soil with salt solution NaCl on amplitudes of recorded GPR electromagnetic signals. It considers the case of a plane electromagnetic wave propagating in a homogenous two-layer medium. The research regards an influence of the electric conductivity of second layer on the reflection coefficient for GPR waves. The conductivity changes result from saturation of the soil (the soil saturation with saline was assumed to be 30%) with NaCl solutions of concentrations ranging from 1 to 240 g/kg. The electrical properties of saline NaCl and soil were calculated on the base of known empirical relationships. Basing on it, we estimated the influence of NaCl concentration on the values of GPR attenuation, reflection and transmission coefficients for the 800 MHz frequency. The analysis of results indicated that the real part of the relative dielectric permittivity of the soil saturated with saline is practically independent of NaCl concentration, while its imaginary part and attenuation coefficient are almost linear function of saline concentration up to 150 g/kg. At higher concentration the ratio of increase is smaller. The highest sensitivity of the change attenuation coefficient on soil concentrations NaCl appears less then about 50 g/kg. At higher NaCl concentrations the sensitivity markedly falls. In consequence, it was found that the georadar recording analysis at 800 MHz consents to quantitative assessment of NaCl concentration in the soil in 1 - 150 g/kg range.

Słowa kluczowe

PL

fala elektromagnetyczna; georadar; grunt; mineralizacja

EN

electromagnetic wave; georadar; GPR; mineralization; soil

• Czasopismo: Przegląd Górniczy
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 66, nr 6
• Strony: 45-51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Tomecka-Suchoń, S.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydz. GGiOŚ, Katedra Geofizyki, Kraków

Bibliografia

• 1. Dias C.A.: Developments in a Model to Describe Low-Frequency Electrical Polarization of Rocks, Geophysics, vol. 65, No. 2, March-April 2000.
• 2. Courant R., Friedrichs K., Lewy H.: On the partial difference equations of mathematical physics, IBM Journal, March 1967, pp. 215÷234.
• 3. Davis J.L., Annan A.P.: Ground-Penetrating Radar for High Resolution Mapping of Soil and Rock Stratigraphy. Geophysical Prospecting vol. 37, 1989, pp. 531÷551.
• 4. Landau L., Liszfyc E.: Elektrodynamika ośrodków ciągłych, PWN, 1960.
• 5. Seyfried M.S., Murdock M.D.: Measurement of Soil Water Content with a 50 - MHz Soil Dielectric Sensor, SSSAJ Soil Science Society of America Journal, vol. 68, March-April, 2004.
• 6. Peplinski N.R., Ulaby F.T., Dobson M.C.: Dielectric Properties of Soil in the 0,3-1,3 GHz Range, IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, vol. 33, No. 3, 1995, pp. 803÷807.
• 7. Saarenketo T.: Electrical Properties of Water in Clay and Silty Soils, Journal of Applied Geophysics No. 40, 1998, pp. 73÷88.
• 8. Stogryn A.: Equations for Calculating the Dielectric Constant of Saline Water, IEEE Trans. Microwave Theory Techn., MIT-19, 1071, pp. 733÷736.
• 9. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K.: Microwave Remote Sensing, Active and Passive, Vol. III From Theory to Applications: Appendix E. Microwave Dielectric Properties of Earth Material. Artech House, 1986, pp. 2017÷2119.
• 10. Worthington P.E.: The Evolution of Shally-Sand Concepts in Reservoir Evaluation, The Log Analyst. January-February, 1985, 1985, pp. 23÷40.