Электрические свойства черноземных почв Аларской степи

Электрические свойства (электропроводимость σ и диэлектрическая проницаемость ε ) почв и горных пород могут быть изучены как полевыми, так и лабораторными методами. Для практического использования наиболее пригодны значения электропроводимости почв, определенные полевыми методами с учетом структуры и физического состояния почв в условиях их естественного залегания [1-3]. Цель статьи – определить электропроводимость уникальных черноземов Сибири, встречающихся в Аларском районе Иркутской области.

Доминирующим фактором, влияющим на электрические свойства почв, по мнению всех исследователей, является их влагосодержание, зависящее от пористости [1-8]. По сравнению с кристаллическими породами, вла-гонасыщенность большинства почв и осадочных пород значительна и достигает десятков процентов. Вода растворяет содержащиеся в почве кислоты, основания и соли, которые диссоциируют на ионы и увеличивают электропроводимость образовавшегося электролита. Предложен ряд формул [1-8] для оценки электрических свойств почв в условиях естественного залегания, в которых электропроводимость (далее проводимость) почвы σ определяется влажностью почвы W, удельным весом сухой почвы d, проводимостью поровой влаги σв, температурой и пористостью породы П. Например, закон Арчи имеет вид: σ=(σв /а) Пm, где а = 0,6–3,5; m = 1,371,92 – параметры, хорошо коррелирующие с литологией и текстурой почв. Соотношения, приведенные в работах [1-8], полезны при наличии фондовых геолого-почвенных данных по W, d, σв и температуре почвы. Общим недостатком предложенных формул является их приближенность и необходимость проведения параметриче- ских измерений в конкретном районе, чтобы определить расчетные коэффициенты, например а и m в законе Арчи. Более приемлемым представляется непосредственное определение σ и ε одним из локальных методов, например методом радиоимпедансного зондирования (РИЗ).

Краткая почвенная характеристика участка работ

Черноземные почвы встречаются на широких террасах рек Ангары, Куды и их притоков под разнотравнозлаковыми степями и остепненными лугами [9]. Черноземные почвы плодородны, имеют более мощный по сравнению с другими почвами гумусовый горизонт. Формируются на пылеватых суглинках. Содержание гумуса в них колеблется от 5 до 12%. Среди черноземов господствуют выщелоченные, обыкновенные и южные. Выщелоченные черноземы имеют гумусовый горизонт до 50 см с содержанием гумуса 7-12%. Реакция верхних горизонтов нейтральная, нижних – слабощелочная. У обыкновенных черноземов мощность гумусового горизонта несколько меньше, содержание гумуса всего 6–8%. Южные черноземы отличаются признаками солонце-ватости.

Аппаратура и методика радиоимпедансных зондирований

При исследованиях электрических свойств почв и горных пород широкое применение нашел метод РИЗ [3], который использован в наших экспериментах по электромагнитному зондированию и профилированию алар-ских черноземов. Метод РИЗ основан на определении амплитудно-фазовой структуры электромагнитного поля на границе раздела «воздух – земля». Он позволяет проводить непосредственное измерение модуля | δ | и фазы φ σ поверхностного импеданса с использованием полей радиостанций. Поверхностный импеданс δ учитывает совокупное воздействие слоистой структуры на электромагнитное поле на поверхности горизонтальнослоистой структуры: δ = E τ /(H τ · Z 0 ), где E τ , H τ – горизонтальные компоненты электрического и магнитного полей на границе раздела «воздух-земля», Z 0 = √µ 0 / ε 0 = 377 Ом – характеристический импеданс свободного пространства (вакуума).

Для измерения поверхностного импеданса подстилающей среды в полевых условиях методом РИЗ использовался измеритель поверхностного импеданса типа ИПИ-300 [10]. Источниками поля служили радиостанции, работающие на частотах 50 и 279 кГц, характеризующиеся достаточно высоким уровнем поля и стабильным режимом работы. Измерения проведены в июле 2012 г. Модуль и фаза импеданса, измеренные методом РИЗ, позволяют вычислить эффективные значения проводимости σ _~ (сопротивления ρ_~ = 1/ σ _~ ) и относительной диэлектрической проницаемости ε _~ исследуемой слоистой среды по формулам [3]

σ ∼ = -(sin2 ϕ ⁰ δ )/60 λ|δ| ², ε ∼ + 1 = (cos2 ϕ ⁰ δ )/ |δ| ²

Обратная задача для слоистой импедансной среды

К числу наиболее сложных задач, возникающих на этапе количественной интерпретации экспериментальных кривых РИЗ, относится обратная задача восстановления параметров геоэлектрического разреза (удельные сопротивления ρi, диэлектрические проницаемости εi и толщины слоев hi) по частотной зависимости поверхностного импеданса. Интерпретационным параметром при решении обратной задачи является частотная зависимость поверхностного импеданса. Для решения обратной задачи РИЗ для слоистой полупроводящей среды, удовлетворяющей импедансным граничным условиям, Л.Х. Ангархаевой [11] разработан алгоритм метода регуляризации на осно- ве гипотетического разреза. Сглаживающий функционал Тихонова имеет вид: Mα[g]=I[g]+αΩ[g], где I[g]=∑L δl l=1

-

_δ ² – функционал невязки;

N                   ₂ N                    ₂ N - 1                ₂

Ω [ g ] = ∑ p _n \ ε _n - ε _n \ ² + ∑ q _n σ _n - σ _n ⁰ \ 2 _{+ ∑} N 1 _rn \ h n - h n ⁰ \ ²

– стабилизирующий функционал;

n = 1                                 n = 1                                  n = 1

g= ( ε , σ ,h ) – параметры многослойной полупроводящей среды;

α – параметр регуляризации; ( ε ⁰, σ ⁰, h ⁰) – гипотетическое распределение параметров разреза;

p_n, q_n, r_n – веса соответствующих параметров;

δ _l - экспериментальные значения импеданса на l -ой частоте.

Критерием выбора «наилучшего» геоэлектрического разреза служит минимум среднеквадратического отклонения экспериментальных значений импеданса от рассчитанных для модели n -слойной среды.

Результаты измерений и их анализ

По данным интерпретации радиоимпедансных зондирований определены электрические свойства и неоднородно-слоистая структура черноземов Аларской степи на частотах 50 и 279 кГц, построена ее геоэлектрическая модель. Они дополняют известные ныне физико-химические характеристики этих уникальных почв Черемхов- ского Приангарья. На рис. представлены результаты радиоимпедансного зондирования на профиле «Буркаво» длиной 280 м в зоне развития черноземных и лугово-черноземных почв Аларской степи Черемховского Приангарья.

Геоэлектрический разрез по профилю "Буркаво"

Рис. Результаты радиоимпедансного зондирования на профиле «Буркаво» в зоне развития черноземных и лугово-черноземных почв Аларской степи Черемховского Приангарья: а), б), в) – модуль, фаза импеданса и эффективное сопротивление на частотах зондирования 50 и 279 кГц; г) геоэлектрический разрез

На частоте 50 кГц модуль поверхностного импеданса |δ| изменялся в небольших пределах 0,007-0,01. Фаза импеданса принадлежит к индуктивной области от -39° до -44°. На частоте 279 кГц модуль поверхностного импеданса |δ| изменялся также в небольших пределах 0,017-0,02. Фаза импеданса принадлежит к индуктивной области и изменяется от -33° до -41°. Эффективное сопротивление р ~ = 1/ а ~ изменяется в узких пределах от 18 до 43 Ом.м на частоте

50 кГц и от 18 до 32 Ом.м на частоте 279 кГц. Черноземы и лугово-черноземные почвы толщиной до 25-35 см (гумусовый горизонт) имеют очень низкое удельное сопротивление 4-8 Ом.м и подстилаются глинистопесчаными породами с сопротивлением 21-52 Ом.м толщиной до 25 метров, расположенными на валунногалечниковых отложениях поймы р. Аларь с сопротивлением около 100 Ом.м. Геоэлектрический разрез хорошо отражает квазислоистое строение в целом низкоомной толщи.

В большинстве развитых стран проведены систематические определения проводимости подстилающей среды (почв и горных пород) и составлены карты эффективной электропроводимости [12, 13]. На всех картах эффективная электропроводимость попадает в интервал 0,3-100 мСм/м, который разбивают на 5-11 градаций произвольно или в соответствии с логнормальным законом распределения эффективной электропроводимости.

Проведем сравнение полученных результатов с картами, рассмотренными в [12,13]. В [12] геоэлектрический разрез для данного района двухслойный типа ρ 1 > ρ 2 с параметрами (шифр 7.8.6.) : ρ 1 = 147 Ом.м, ρ 2 = 68 Ом.м; толщина первого слоя h 1 =31,6 м. Фактически мы имеем трехслойный разрез типа ρ 1 < ρ 2 < ρ 3 с меньшими параметрами как по ρ, так и по h. Ему более всего соответствует разрез параметрами ρ₁ =6,8 Ом.м, ρ₂ = 31.6 Ом.м, ρ₃ = 68 Ом.м, h₁ = 0,316 м, h₂ = 14,7 м, или в терминах принятой в [12] шкалы параметров ему соответствует шифр 3.2.5.7.6. Следовательно, в карту, рассмотренную в работе [12], следует внести уточнения, так как правильно определено лишь сопротивление нижнего слоя с ρ = 68 Ом.м.

В работе [2] для черноземов и подзолистых почв приводятся наиболее вероятные значения проводимости 25-40 мСм/м (ρ = 25-40 Ом.м), для болотистых почв – 50-80 мСм/м (ρ = 12,5-20 Ом.м) и солончаковатых почв – 50-120 мСм/м (ρ = 8-20 Ом.м). На карте электропроводимостей почв СССР для юга Иркутской области приводится среднее значение 10 мСм/м, что соответствует сопротивлению в 100 Ом.м. Следует отметить близость этих результатов к измеренным нами значениям локальной проводимости черноземных почв.

Заключение

Впервые получены данные по электрическим свойствам и геоэлектрическому разрезу черноземов Аларской степи. Они дополняют известные ныне физико-химические характеристики этих уникальных почв Черемховского Приангарья. Результаты измерений в низкочастотной области радиодиапазона (на частотах 50 и 279 кГц) показывают, что необходимо провести дополнительные измерения в более широком диапазоне частот, в частности в диапазоне работы георадара «ОКО-2» (50-1700 МГц). Применение георадаров в почвоведении представляется актуальным при разработке методов дистанционного зондирования почвенного покрова со спутников. Мы планируем дальнейшие исследования электрических свойств почв в области более высоких частот.