La georadiolocalización (subsurface radar sounding; ground -penetrating radar , GPR) es un método geofísico basado en la emisión de pulsos de ondas electromagnéticas y el registro de señales reflejadas desde varios objetos del entorno sondeado. Un dispositivo que implementa los principios del radar de penetración terrestre se denomina radar de penetración terrestre . Sus elementos principales son un generador de pulsos con una antena transmisora, una antena receptora y una unidad de control.
GPR como un campo separado de la ciencia y la tecnología incluye:
Los objetos de aplicación de GPR son ambientes con baja y moderada absorción de ondas electromagnéticas: granito, cuarcita, piedra caliza, yeso, suelos arenosos, margas con baja humedad, cuerpos de agua, glaciares, estructuras de ingeniería (ferrocarriles y carreteras, túneles, estructuras de hormigón).
La posibilidad de "transiluminación" de rocas con la ayuda de ondas de radio se estableció ya en 1910-1911. Científicos alemanes G. Lovi y G. Leimbach. En 1912, también propusieron un método de interferencia para buscar minerales y agua mediante transmisión de radio.
Posteriormente hubo un segundo descubrimiento del método, durante el estudio de la Antártida . Al mapear el relieve de la superficie de un avión con un localizador estándar a bordo, se comenzó a trazar un segundo límite debajo del límite del hielo, similar al primero, pero con algunas diferencias. Al analizar la imagen resultante, los expertos llegaron a la conclusión de que el primer límite es la superficie de la tierra y el segundo es la base de la capa de hielo. A partir de ese momento se hizo posible estimar el espesor del hielo. Debido a la baja absorción de ondas electromagnéticas en el espesor del hielo, la profundidad del estudio alcanzó varios cientos de metros. Pronto, por analogía, se creó un dispositivo terrestre, llamado georadar , también utilizado para evaluar el espesor de la capa de hielo. El método comenzó a desarrollarse puramente en la aplicación práctica, sin el apoyo de la teoría. Sin embargo, ha demostrado su eficacia en estudios en condiciones de permafrost.
En los últimos años ha habido un rápido desarrollo de la teoría del método. Georadar comenzó a usarse para estudiar no solo el hielo, sino también otros suelos. Además, el georadar comenzó a usarse para resolver problemas arqueológicos , problemas en la construcción y muchos otros. Anualmente se realizan congresos y seminarios dedicados exclusivamente a GPR .
El principio de funcionamiento de los equipos para el sondeo del radar subterráneo (radar de penetración terrestre) se basa en la emisión de pulsos de banda ultraancha (nanosegundos) del rango de metros y decímetros de ondas electromagnéticas y la recepción de señales reflejadas desde la interfaz entre las capas de el medio sondeado, que tienen diferentes propiedades electrofísicas. Tales interfaces en los medios estudiados son, por ejemplo, el contacto entre suelos secos y saturados de humedad: el nivel de agua subterránea, contactos entre rocas de diferente composición litológica, entre roca y material de una estructura artificial, entre suelos congelados y descongelados, entre lecho rocoso y rocas sedimentarias, etc.
La propagación de las ondas electromagnéticas en el método GPR se describe mediante las ecuaciones de onda de la electrodinámica , que son consecuencia del sistema completo de ecuaciones de Maxwell .
En aplicaciones prácticas, la propagación de ondas se considera dentro del marco de las leyes de la óptica geométrica . Se aplican el principio de Fermat , el principio de Huygens-Fresnel y la ley de Snell . En consecuencia, la onda que se propaga experimenta los siguientes fenómenos:
Los parámetros más importantes de los medios que caracterizan la propagación de las ondas electromagnéticas en ellos son la velocidad de propagación de la onda en el medio y la atenuación específica.
La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas generalmente depende de la permitividad relativa, la permeabilidad magnética relativa y la frecuencia del campo aplicado. Sin embargo, para la mayoría de los medios que se encuentran en la práctica, la permeabilidad magnética relativa es igual a la unidad y el efecto de la frecuencia puede despreciarse. Por lo tanto, la velocidad de propagación de la onda en un medio está determinada por la fórmula: V = c/root(ε), donde c es la velocidad de la luz, ε es la permitividad relativa del medio. La velocidad depende en gran medida de la humedad.
La atenuación específica afecta significativamente la profundidad del estudio. Depende de la frecuencia del campo aplicado.
| miércoles | Permitividad relativa | Atenuación específica, dB/m | Velocidad de propagación de onda, m/ns |
|---|---|---|---|
| Aire | una | 0 | 0.300 |
| la arena esta mojada | 20 - 30 | 0.5 - 5 | 0,055 - 0,067 |
| arena seca | 4 - 6 | 0,01 - 1,5 | 0,122 - 0,150 |
| marga húmeda | 10 - 20 | 0,067 - 0,095 | |
| franco seco | 4 - 6 | 0,122 - 0,150 | |
| Arcilla mojada | 19 - 27 | 25 - 110 | 0,058 - 0,069 |
| arcilla seca | 2 - 7 | 3 - 14 | 0,113 - 0,212 |
| Turba | 50 - 78 | 0,034 - 0,042 | |
| Illinois | 13 - 27 | 0,058 - 0,083 | |
| Granito | 9 | 0.100 | |
| concreto seco | 3 - 7 | 1 - 7 | 0,090 - 0,113 |
| asfalto seco | 3 - 6 | 2 - 15 | 0,122 - 0,173 |
| hielo fresco | cuatro | 0,1 - 3,5 | 0.150 |
| Agua dulce | 81 | 0.10 | 0.033 |
El levantamiento GPR se puede realizar en dos modificaciones: perfilado GPR en una base fija ( perfilado común en inglés ) y sondeo GPR en una base variable ( perfilado multicompensado en inglés ).
Durante el perfilado de georadar en una base permanente, se traza un perfil, a lo largo del cual pasa un operador con un georadar, en el que las antenas receptora y emisora están a una distancia determinada entre sí. Con un paso dado, el georadar genera un pulso electromagnético y registra la respuesta del medio - una función de la amplitud de la señal reflejada en el tiempo de retardo del pulso reflejado.
Durante el sondeo GPR en una base variable, la posición del eje GPR no cambia, pero la distancia entre las antenas aumenta gradualmente.
El resultado del estudio del georadar es un conjunto de trazas individuales (señales) registradas por la antena receptora en cada posición del georadar. Por lo general, este conjunto de trazas se muestra utilizando el método de densidad variable, es decir, en forma de imagen, un radargrama. El eje horizontal del radargrama es el eje del perfil (en metros). El eje vertical del radargrama es el eje del tiempo con el comienzo en el momento de enviar el pulso de sondeo. El color de cada píxel corresponde al nivel de amplitud de la señal.
La necesidad de un mayor procesamiento de los radargramas se debe a varias razones. Primero, para resolver problemas de ingeniería, es necesario tener la dependencia de la amplitud de la señal con la profundidad de su reflexión, mientras que el radargrama original es la dependencia de la amplitud de la señal con el tiempo de reflexión. En segundo lugar, es necesario deshacerse de varios tipos de interferencias que ocultan la señal útil.
Al procesar radargramas, se utilizan los siguientes tipos de transformaciones:
La etapa final del procesamiento de radargramas es la interpretación, que resuelve directamente el problema de ingeniería. La interpretación se lleva a cabo en dos etapas: en la primera, se analizan las características principales del patrón de onda, en la segunda, sus características locales.
El procesamiento de radargramas se lleva a cabo en sistemas de software especiales: GeoScan32 , GEORADAR-EXPERT , Krot , Easy3D , Prism . Para fines científicos, también se utilizan el sistema de modelado de datos GprMax GPR basado en el método de diferencias finitas y MatGPR distribuido libremente bajo la licencia GNU escrito sobre la base de MATLAB .
Las ventajas del método GPR son el costo relativamente bajo de la encuesta, la alta productividad y la capacidad de fabricación. El radar de penetración en el suelo asegura la continuidad de las mediciones y establece claramente la posición de los límites de las secciones del suelo.
Cuando se usa el método, se requiere un procesamiento significativo de los resultados, que depende de la experiencia del geofísico-intérprete. A menudo hay reflejos y ruido en el radargrama (por ejemplo, de los soportes de la red de contactos, cables subterráneos, etc.), lo que complica el proceso de interpretación de los resultados. En suelos arcillosos, las ondas de radio se atenúan bastante rápido. Además, es prácticamente imposible determinar las propiedades físicas y mecánicas de los medios según los datos de la encuesta GPR.
Por lo tanto, como regla general, el método se usa para un estudio preliminar, o para resolver problemas locales individuales, o en combinación con otros métodos ( sísmico , eléctrico , perforación convencional , etc.)
El georadar consta de una parte de antena, que incluye una antena transmisora y receptora, una unidad de registro y una unidad de control.