Диэлектрическая проницаемость замерзающих почв и пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 538.956 + 53.082.722

¹Омский государственный университет, г. Омск, Россия

²Омский государственный педагогический университет, г. Омск, Россия

Диэлектрическая проницаемость замерзающих почв и пород

Е.С. Крошка¹, Т.А. Беляева², П.П. Бобров²

Аннотация

диэлектрический проницаемость почва радиолокация

Комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) почв является важным параметром моделей, используемых в алгоритмах восстановления влажности почв с помощью космических микроволновых сенсоров и при подповерхностной радиолокации с помощью георадаров. В работе приведены результаты экспериментальных измерений КДП увлажняемых дистиллированной водой и солевым раствором почв и порошков кварцевых гранул при температурах от -15 до +25С в частотном диапазоне от 10 кГц до 1-8 ГГц. Показано, что релаксационные процессы, существующие в породах с частичным насыщением при отсутствии перколяции, возникают и в замерзающих почвах и породах. Перколяция, имеющая место в образцах с большой влажностью при положительных температурах, исчезает при замерзании, когда удельная проводимость образцов уменьшается. Возникающий после исчезновения перколяции релаксационный процесс может приводить к резкому возрастанию действительной части КДП. Такое поведение КДП почв может приводить к сложностям при картировании границ промерзания дистанционными микроволновыми методами и при подповерхностной радиолокации.

Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая релаксация, промерзание почв, засоление почв.

Диэлектрические измерения проводились с помощью разработанного в ОмГПУ и запатентованного метода, позволяющего производить измерения одного и того же образца, помещенного в коаксиальную ячейку, в диапазоне частот от десятков герц до 8-20 ГГц [1]. Методика измерений описана в [2,3]. Исследованы два образца луговочерноземной почвы, взятых с разной глубины и различающихся содержанием гумуса и гранулометрическим составом. Характеристики образцов приведены в табл. 1. Гранулометрический состав почв определялся в двух разных сертифицированных лабораториях, в одной из которых использовался традиционный седиментационный метод (по Качинскому) и в другой - современный метод лазерной дифракции. Как видно, в исследуемых образцах от 36% до 56,6 % массы составляют частицы размерами менее 0,01 мм, оставшуюся часть массы составляют более крупные частицы (физический песок).

Кроме того, исследовался порошок сферических гранул плавленого кварца с размерами частиц от 0,9 до 1,8 мкм.

Таблица 1 Характеристики исследованных образцов почв

Почвы содержат четыре основных компонента: твердая фаза, свободная вода; вода, связанная на поверхности твердых частиц, и воздух. На частотах выше 1 ГГц КДП *=' -i" почв моделируют различными формулами смесей (см., например [4]). На частотах ниже 1 ГГц в глинах и на частотах ниже 10 МГц в песчаных почвах на КДП влияют релаксационные процессы, возникающие в результате поляризации двойного слоя на границе раздела твердая поверхность-жидкость [5]. Действительная часть КДП ' песчаных почв, полностью насыщенных водой, остается практически неизменной в области частот от 1-2 ГГц до 1-10 МГц, а на низких частотах вследствие поляризации границы вода-минерал наблюдается резкое возрастание '.

Как показано в работе [6], при уменьшении влажности породы одновременно с уменьшением ' на частотах около 1 ГГц наблюдается ее возрастание в диапазоне частот 0,1-100 МГц. Это возрастание мы объясняем накоплением зарядов на появляющейся границе раздела вода-воздух и возникновением соответствующего релаксационного процесса. Однако при высокой степени насыщенности водой или солевым раствором существующая высокая сквозная проводимость (перколяция) подавляет релаксационный процесс.

На рис. 1 приведены частотные зависимости ' порошка кварцевых гранул при различных значениях влажности и зависимость удельной эквивалентной проводимости _э = ₀" на частоте 15 кГц. Видно, что при объемной влажности большей, чем 0,31 м³/м³, значения _э составляют 0,18-0,23 См/м и релаксационный процесс отсутствует. При уменьшении влажности перколяция исчезает (проводимость _э резко падает до значений порядка 0,01-0,03 См/м). Значения ' на частоте около 1 ГГц, где релаксационные процессы не проявляются, уменьшаются, а в частотной области 1-100 МГц резко возрастают (на частоте 10 МГц от 32 до 107 ед.).

На рис. 2 показаны результаты измерения КДП порошка кварцевых гранул при двух значениях влажности и двух температурах - положительной и отрицательной. При большой влажности (объемная доля воды W = 0,412) все поры насыщены водой и релаксационный процесс отсутствует как при положительной, так и отрицательной температурах, несмотря на то что при замерзании проводимость резко падает. Причина в том, что в образце нет воздуха и нет границы раздела вода-воздух. При меньшей влажности релаксационный процесс проявляется при температуре -15, при которой свободная вода превратилась в лед, о чем свидетельствуют одинаковые значения ' при разных влажностях на частотах выше 100 МГц.

Релаксационный процесс, по-видимому, вызван поляризацией границы воздуха и связанной воды, которая в данном образце присутствует, хотя и в небольших количествах. Известно, что связанная вода не превращается в лед и при температурах до - 40 С. В данном случае при температуре -15С на частотах 10⁵-10⁷ Гц значения ' в образце с меньшей влажностью выше, чем в образце с большей влажностью, но ниже, чем при +25 С.

Рис. 1. Частотная зависимость действительной части КДП (а) и зависимость удельной эквивалентной проводимости на частоте 15 кГц от влажности (б). Образец - порошок кварцевых гранул, насыщаемый солевым раствором концентрацией 4 г/л. Температура 25 С.

Рис. 2. Частотные зависимости действительной части КДП (а) и удельной эквивалентной проводимости (б). Образец - порошок кварцевых гранул, насыщаемый солевым раствором концентрацией 4 г/л. 1, 2 - W = 0,412 м³/м³; 3, 4 - W = 0,301 м³/м³; 1, 3 - температура +25С; 2, 4 - температура -15С.

На рис. 3 приведены частотные зависимости ' и _э в случае, когда при уменьшении температуры значения ' при -1С в диапазоне частот от 1,5 МГц до 100 МГц выше, чем при +25С (на частоте 10 МГц более чем в 2 раза). Такой, на первый взгляд, невероятный результат объясняется возникновением релаксационного процесса при уменьшении проводимости образца. На частоте 10 МГц удельная эквивалентная проводимость при температуре -1С в 5 раз меньше, чем при +25С (см. рис. 3б). При температурах -5С и -10С свободная вода превращается в лед, о чем свидетельствует уменьшение значений ' на частотах около 1 ГГц. Однако релаксационные процессы с меньшей интенсивностью существуют и при этих температурах (см. рис. 3а).

Рис. 3. Частотные зависимости действительной части КДП (а) и удельной эквивалентной проводимости (б) при разных температурах. Образец - порошок кварцевых гранул, насыщаемый солевым раствором концентрацией 4 г/л с объемной долей 0,345 м³/м³.

Исследования релаксационных процессов в естественных почвах показали, что выражены они слабее. Причина этого в том, что почвы содержат значительную долю крупных частиц. Как следует из табл. 1, доля частиц с размерами, превышающими 1 мкм, по разным данным составляет 72-93%. В работе [7] рассмотрено влияние размеров частиц порошков плавленого кварца и степени засоления на интенсивность релаксационных процессов. Показано, что при увеличении концентрации соли в насыщающем растворе и уменьшении размеров частиц релаксационный процесс смещается в область более высоких частот, а в порошках с размерами порядка 100 мкм релаксационные процессы практически не наблюдаются.

На рис. 4 приведены частотные зависимости ' двух почвенных образцов при различных значениях влажности. При объемной доле воды W = 0,4 значения ' обоих образцов практически совпадают. При меньших значениях влажности появляется граница раздела вода-воздух и возникают процессы диэлектрической релаксации, приводящие к возрастанию '. Из-за различий в значениях удельной поверхности твердых частиц эти процессы возникают на разных частотах.

Рис. 4. Частотная зависимость действительной части КДП образцов почв №№ 1 и 2 при разных значениях объемной доли дистиллированной воды W. Температура 25С.

На рис. 5 показано, что слабые релаксационные процессы в замерзающей почве могут существовать даже при полном ее насыщении дистиллированной водой. Здесь приведены частотные зависимости КДП образца №1 (табл. 1). При температурах +25С и -1С проводимость высокая и релаксационные процессы отсутствуют. При уменьшении температуры до -5С и -10С проводимость резко уменьшается (свободная вода замерзает) и в диапазоне частот 10⁵-10⁷ Гц возникают слабые релаксационные процессы.

Рис. 5. Частотные зависимости действительной части КДП (а) и удельной эквивалентной проводимости (б) почвы №1 при разных температурах. Образец насыщен дистиллированной водой, W = 0,496 м³/м³.

Причиной этого, по-видимому, является наличие малой доли защемленного воздуха и существование границы связанная вода-воздух.

Аналогичные исследования, проведённые с такой же, но засолённой почвой (1% соли NaCl от массы сухого образца), показывают, что наличие соли приводит к смещению точки замерзания свободной воды вниз по температуре, уменьшению интенсивности процесса релаксации и к его смещению в область более высоких частот.

Таким образом, в результате проведенных исследований выяснено, что при уменьшении температуры в засоленных мелкозернистых кварцевых песках и почвах при определенных условиях могут возникать релаксационные процессы, сопровождающиеся резким возрастанием действительной части КДП и резким уменьшением проводимости. Следовательно, в области частот, где проявляется влияние этого процесса, резко уменьшается затухание электромагнитных волн и увеличивается максимальная глубина зондирования георадарами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки (проект 5.9513.2017/БЧ).

Библиографический список

1. Пат. 2474830 Российская Федерация, МПК G01R27/26 Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ в широком частотном диапазоне. / Бобров П.П., Репин А.В., Кондратьева О.В. № 2011134175/28; заявл. 12.08.2011; опубл. 10.02.2013, Бюл. № 4.

2. Бобров П.П., Кондратьева О.В., Репин А.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости образца в одной ячейке от десятков герц до единиц гигагерц // Известия Вузов. Физика. 2012. № 8/3. С. 23-26.

3. Bobrov P. P., Repin A.V., Rodionova O.V. Wideband Frequency Domain Method of Soil Dielectric Properties Measurements // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2015. Vol. 53, № 5. Р. 2366-2372.

4. Mironov V.L., Dobson M.C., Kaupp V.H., et al. Generalized Refractive Mixing Dielectric Model for Moist Soils // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2004. Vol. 42, №. 4. Р. 773-785.

5. Chelidze T.L., Gueguen Y. Electrical spectroscopy of porous rocks: a review -I.Theoretical models // Geophysical Journal International. 1999. Vol. 137, no.1. P. 1-15.

6. Bobrov P.P., Lapina A.S., Repin A.V. Effect of the rock/water/air interaction on the complex dielectric permittivity and electromagnetic waves attenuation in water-saturated sandstones // Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS) Proceedings. Prague, July 6-9. 2015. С. 1877-1879.

7. Lapina A.S., Bobrov P.P., Golikov N.A., Repin A.V., Shumskayte M.Y. Hysteresis of the NMR response and the complex relative permittivity of the quartz granules powders and solid sandstones during the water imbibition and drainage // Measurement Science and Technologies. 2017. V. 28, № 1. 014007.

Размещено на Allbest.ru