Mapping the boundaries of soil horizons using ground-penetrating radar

В настоящее время методы геофизики уверенно входят в повседневную практику почвоведения и агротехники, обеспечивая решение широкого спектра практических задач от контроля влажности до картирования почв (Allred et al., 2008). При этом объем выполняемых работ в этом направлении значительно меньше в сравнении с поисково-разведочными и инженерными исследованиями. Ограничивающим фактором для геофизических методов при изучении почвенного профиля выступает ряд сложностей, к наиболее значимым из которых относится необходимость выполнять исследования от дневной поверхности на среднюю глубину 2 м, зачастую с сантиметровой точностью. Пространственная неоднородность почвенного покрова и временная изменчивость отдельных его свойств, например влажности, также оказывает значительное влияние на геофизические поля (Allred et al., 2010). Из всего разнообразия геофизических методов широко используются электрические и электромагнитные, такие как: методы сопротивления (Поздняков, 2001; Samouëlian et al., 2005), электромагнитной индукции (James et al., 2003; Doolittle, Brevik, 2014) и георадиолокация (Liu et al., 2016; Zajícováa, Chuman, 2019).

Георадиолокация может служить эффективным способом оценки стратиграфии и внутренних неоднородностей почв (Doolittle, Collins, 1995; Doolittle, Butnor, 2009) . Система генетических горизонтов почв является благоприятным объектом, так как представляет собой набор субгоризонтальных слоев с контрастными свойствами, изменение которых находит отражение в электрофизических характеристиках. В свою очередь, метод георадиолокации предрасположен к изучению горизонтально-слоистых сред, обеспечивая сбор данных с высоким разрешением в горизонтальной и вертикальной проекциях. В подходящих условиях его применение позволяет определять глубину залегания основных почвенных горизонтов (A, B, C), а также других контрастных слоев: плотных и сцементированных, мерзлых, иллювиальных, насыщенных органическим веществом, – тогда как тонкие изменения почвенных свойств и переходные горизонты отражаются в волновом поле слабее (Doolittle, Butnor, 2009) .

В таблице 1 приводятся наиболее актуальные задачи, которые могут быть решены с привлечением георадиолокации. Можно наблюдать, что активно развивается направление по изучению влажности почв. Это связано с существованием прямых эмпирических зависимостей между электрофизическими показателями почвы и степенью ее увлажнения, наиболее известное из которых уравнение Топпа (Topp et al., 1980) . Также существует значительное количество исследований стратиграфии почвенного профиля.

Таблица 1. Актуальные задачи для метода георадиолокации в почвоведении

Table 1. Recent tasks of GPR in soil science

Решаемая задача	Литературный источник
Оценка уровня влажности и ее мониторинг	Huisman et al., 2003; Lunt et al., 2005; Weihermüller et al., 2007; Grote et al., 2010; Minet et al., 2012; Steelman et al., 2012; Ardekani, 2013; Zhang et al., 2014
Изучение строения почвенного профиля и мощности отдельных почвенных горизонтов	Doolittle, Collins, 1995; Simeoni et al., 2009; Winkelbauer et al., 2011; André et al., 2016; Pogosyan et al., 2018; Ikazaki et al., 2018
Картирование областей засоления	Shih et al., 1994; al Hagrey, Müller, 2000; Tsoflias, Becker, 2008
Поиск областей антропогенного загрязнения	Daniels et al., 1995; Cassidy, 2007; Rejšek et al., 2015
Исследование строения и биомассы корневых систем	Hruška et al., 1999; Butnor et al., 2001; Stover et al., 2007; Guo et al., 2013; Borden et al., 2017
Определение степени промерзания почв	Steelman et al., 2010; Butnor et al., 2014; Leger et al., 2017

Наряду с имеющимися позитивными предпосылками, георадиолокация не является универсальным методом. Остро стоит вопрос о ее применимости для разных почвенных условий. Один из существующих подходов предлагает использовать специальный индекс пригодности георадиолокации (GPR suitability index) с целью районирования территорий со значениями от 1 (высокий потенциал) до 6 (неподходящий) (Doolittle et al., 2007). Для расчета такого индекса привлекается целый ряд параметров: процентное содержание глины, электропроводность, коэффициент поглоще- ния натрия, наличие карбоната и сульфата кальция и т. д. В результате строятся тематические карты, которые отражают пригодность данного метода с разной детальностью и масштабом (Doolittle et al., 2010).

Применение георадиолокации особенно эффективно при необходимости обследования больших площадей, так как метод позволяет получить большое количество данных за относительно короткое время. Экономическая оценка, выполненная на примере обследования дренажной системы на 300 га водно-болотных угодий, показала: если выполняется бурение скважин каждые 300 м, георадиолокация обеспечивает 7%-ный рост производительности и 20%-ную экономию средств со средней ошибкой в 16%, тогда как при необходимом шаге скважин в 60 м показатели возрастают до 353% и 406% соответственно (Szuch et al., 2006) .

Цель настоящего исследования заключалась в выполнении комплексного анализа возможностей георадиолокации для решения задач почвоведения, а также в исследовании точности определения морфологии почвенных горизонтов на примере полевых данных.

ПРИНЦИПЫ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ

Метод георадиолокации основывается на излучении наносе-кундных электромагнитных импульсов фиксированной частоты в зондируемую среду с последующей регистрацией и анализом сигнала, отраженного от внутренних границ и локальных неоднородностей (Владов, Судакова, 2017) . К основным характеристикам, определяющим распространение электромагнитной волны в почвах, следует отнести диэлектрическую проницаемость и электрическую проводимость. Данные величины связаны с рядом физических свойств почв: гранулометрическим составом, влажностью, плотностью, содержанием гумуса. Важным параметром в методе георадиолокации является центральная частота зондирующего сигнала, так как она определяет глубину исследования метода и разрешающую способность. Оптимальный диапазон частот для изучения большинства почвенных профилей 250–800 МГц.

Для выполнения полевых наблюдений используется георадар – прибор, состоящий из передающей ( Tx ) и принимающей ( Rx )

антенны с фиксированной центральной частотой сигнала, блока регистрации и обработки. Наземные георадарные измерения проводятся вдоль единичных профильных линий или по системе профилей. Регистрируемый сигнал представляется в виде георадарной трассы – функции изменения амплитуды электромагнитного импульса во времени, то есть несет в себе информацию об отражении сигнала от внутренних неоднородностей при прохождении зондируемой среды. Совокупность трасс, полученных при перемещении георадара, формирует радарограмму, которая представляет собой двухмерное отображение распространения волнового электромагнитного поля в некоторой области. По горизонтальной оси радарограммы отсчитывается перемещение по профилю и учет положения каждой трассы, а по вертикальной – время, начиная от генерации до прихода отражений сигнала. Цветовой градиент характеризует интенсивность (амплитуду) отражений импульса от неоднородностей среды.

Основной способ интерпретации радарограмм заключается в поиске схожих форм импульсов на соседних трассах, составляющих ось синфазности, по которой определяется положение отражающей границы (рефлектора). Наличие рефлектора свидетельствует об изменении электрофизических свойств, и в большинстве случаев это соотносится с реально существующими почвенными границами. Кроме отраженной волны известны и другие типы, например дифрагированная волна, которая формируется на локальных объектах: валунах, корнях и т. д. (рис. 1).

Сочетание на записи волн всех видов формирует волновое поле георадиолокации, именно его необходимо проинтерпретировать для выявления реальных внутренних границ зондируемой среды. Для этого кроме выделения осей синфазности выполняется определение георадарных фаций – областей с определенной волновой картиной. Фации могут иметь разную форму (параллельные, волнистые, хаотические), а также разные протяженность, интенсивность отражений и частотный состав, что является отражением структуры, формы залегания и состава зондируемых почв и грунтов (Старовойтов, 2008) .

Рис. 1. Процесс выполнение георадарной съемки ( A ) и регистрируемая радарограмма ( B ).

Fig. 1. The process of GPR survey ( A ) and resulting radar data record ( B ).

Глубину залегания отражающих границ ( Z ) можно рассчитать следующим образом:

V X t

2 , где V – скорость электромагнитной волны, t – время прихода импульса.

Скорость можно определить исходя из величины относительной диэлектрической проницаемости среды:

V = c ,

V £ где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, c – скорость света в вакууме.

Следует отметить, что относительная диэлектрическая проницаемость является величиной комплексной и включает в себя две части – действительную и мнимую, – первая из которых определяет непосредственное распространение электромагнитной волны в среде, а вторая – электрические потери (затухание волны). Данные величины зависят от частоты, однако для георадарного диапазона частот 20 МГц – 2ГГц влияние мнимой частоты минимально. Если это условие нарушается, георадиолокация становится слабоприменимой (Annan, 2003) . Относительная диэлектрическая проницаемость измеряется в условных единицах.

Для большинства грунтов известны условно-нормальные значения относительной диэлектрической проницаемости, которые для почв составляют 5–20 условных единиц. Наличие такого диапазона связано с изменчивостью содержания компонентов почв (твердая матрица, вода с растворенными солями, воздух), а также с их распределением в пространстве и с внутренними связями (Владов, Судакова, 2017) .

Для образования отраженной волны необходим контраст электрофизических свойств почвенных горизонтов, а параметром, определяющим его интенсивность, служит коэффициент отражения ( K отр ), который рассчитывается как:

K

о тр

где ε 1 – относительная диэлектрическая проницаемость вышележащего горизонта, ε 2 – относительная диэлектрическая проницаемость нижележащего горизонта.

Чем ближе K отр к ± 1 (в зависимости от параметров среды он может быть как положительным, так и отрицательным), тем интенсивность отражения выше и, как следствие, граница контрастнее. На практике рефлекторы могут возникать даже при значениях K отр близких к нулю, что обусловлено влиянием разности электрической проводимости (Владов, Судакова, 2017) .

Условием для выделения отдельных почвенных горизонтов является отношение их мощности к преобладающей длине излучаемой электромагнитной волны в среде. Вертикальная ( Δr ) и горизонтальная ( Δl ) разрешающая способность определяются соотношениями:

∆r≥ V =λ и ∆l≥ 2λh, 4 ⋅ fc 4 , где fc – центральная частота зондирующего сигнала в среде, λ – длина волны в среде. При невыполнении этого условия два маломощных слоя на записи сольются в один, так как сигналы, отраженные от них, интерферируют.

Еще один параметр необходимо учитывать при проектиро- вании работ – коэффициент затухания, который определяется следующим равенством:

где σ – электрическая проводимость (электропроводность) среды, µ – относительная магнитная проницаемость, ε – относительная диэлектрическая проницаемость. Таким образом, в случае изучения почв, обладающих высокой электропроводностью за счет большого содержания глины, засоления, минерализации поровой влаги и т. п., метод георадиолокации может оказаться малоэффективным.

Для относительно низких георадарных частот разрешающая способность составляет десятки сантиметров, тогда как для самых высоких – первые сантиметры. Некоторые средние показатели, которые применимы для большинства производимых георадарных антенных блоков, приводятся в таблице 2. Точность измерений также зависит от шага измерения по профилю и частоты дискретизации сигнала.

Таблица 2. Параметры съемки для антенных блоков с различной частотой зондирования

Table 2. The parameters of antenna units for different sounding frequency

Параметр	Центральная частота, МГц
	150–250	400–700	1000–1500
Глубина зондирования, м	12–8	5–3	1.5–1.0
Разрешающая способность по глубине, см	35–25	15–10	5–3
Пространственная разрешающая способность на глубине 1 м и скорости 5 см/нс, см	26–20	16–12	10–8
Рекомендуемый шаг между трассами, мм	100–50	50–30	30–10
Нормальная временная развертка записи, нс	400–200	100–48	32–16

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

Как уже упоминалось, разнообразие почвенных свойств и их пространственная неоднородность приводит к изменчивости относительной диэлектрической проницаемости и электрической проводимости. На рисунке 2 представлена обобщающая диаграмма, демонстрирующая вариативность электрофизических свойств разных типов почв при выполнении полевых измерений методом георадиолокации. Можно наблюдать, что изменения происходят в широком диапазоне, без выраженной системы.

• •    1) Дерново-позолистые - Retisol (Pogosyan et al., 2018)

• •    2) Чернозем - Chernozem (Bechtel et al., 2019)

• •    3) Бурые - Aridisol (Afshar et al., 2017)

• •    4) Аллювиальные - Entisol (Boll, 1996)

• •    5) Брунизем - Mollisol (McKee, 2008)

• •    6) Серопески - Arenosol (Bechtel et al., 2019)

• •    7) Темные слитые - Vertisol (De Benedetto et al., 2019)

О 8) Криозем - Cryosol (Leger et al., 2017)

О 9) Подзол - Podzol (Igel, 2008)

• •    10) Агрозем - Luvisol (Allred, 2013)

• •    11) Подбур - Entic Podzol (данное исследование)

  диэлектрическая проницаемость

  Рис. 2. Электрофизические свойства некоторых типов почв.

  Fig. 2. Electrical properties of certain types of soils.

  
  

Кроме того, экспериментально доказано, что даже почвы одного типа при нахождении в разных природных обстановках, допустим при разной минерализации воды, будут отличаться в геофизических полях. Этим фактом обусловлена необходимость параметризации почвенного профиля при георадарных исследованиях для предотвращения возможных ошибок.

Следует отметить, что детальное лабораторное изучение электрофизических свойств почв с разными параметрами (содержание глины и гумуса, степень увлажнения и т. д.) и при разных измерительных условиях является отдельным научным направлением, по которому существует целый ряд экспериментальных работ (Чудинова, 2009; Бобров и др., 2019). Особую роль в таких исследованиях занимает метод рефлектометрии во временной области (time domain reflectometry, TDR), основанный на физических принципах во многом схожих с георадиолокацией. Данный метод при помощи специального зонда позволяет определять относительную диэлектрическую проницаемость в конкретной области почвенного разреза, он активно применяется для контроля и мониторинга влажности почв (Robinson et al., 2003).

Далее рассмотрим, как может происходить изменение электрофизических свойств в зависимости от почвенного горизонта. На рисунке 3 представлены значения относительной диэлектрической проницаемости для горизонтов A, B, BC трех разных типов почв, которые были получены методом рефлектометрии во временной области.

диэлектрическая проницаемость

Рис. 3. Наблюдаемая вариативность относительной диэлектрической проницаемости в почвенном профиле.

Fig. 3. Variability of dielectric constant in the soil profile.

Как показал сводный анализ данных, относительная диэлектрическая проницаемость может как увеличиваться, так и уменьшатся с глубиной. В рассматриваемых случаях для каждого отдельного горизонта отклонение наблюдаемых значений от осред-ненного значения всего профиля составляет 10–20%. Это значит, что в ряде случаев при обработке радарограмм можно использовать общую скорость электромагнитной волны для расчета глубин залегания рефлекторов, без присвоения отдельных значений каждому генетическому горизонту.

В свою очередь, рассчитанный коэффициент отражения для границ раздела горизонтов A–B и B–BC в каждом случае достаточно мал, в среднем K отр = ± 0.05. Тем не менее, на радарограм-мах наблюдаются отчетливые рефлекторы. Отсюда можно сделать вывод о том, что, несмотря на схожесть горизонтов, составляющих почвенный разрез, по величинам относительной диэлектрической проницаемости (например, в случае равномерного увлажнения) иные свойства почв горизонтов (электропроводность, плотность) обеспечивают контрастные отражения сигнала.

Важным параметром применимости георадиолокации для изучения почв является разрешающая способность метода, то есть с какой точностью может быть определена глубина или мощность отдельных горизонтов. Как уже отмечалось выше, точность наблюдений зависит от центральной частоты излучаемого электромагнитного сигнала, а также свойства среды, через которую он распространяется.

Ниже представлены результаты георадарного поиска различных почвенных границ (табл. 3), включающие данные о: глубине залегания горизонта (h); центральной частоте сигнала ( f c ); опробованиях буром; расчете погрешности измерений ( Δ ).

Анализ показывает, что использование даже относительно низкочастотных антенн позволяет получить результаты с сантиметровой точностью на глубинах до 1 м и более. В зависимости от частоты зондирований и типа почвенного профиля погрешность составляет ± 2–10 см (определяется как разность глубинных отметок по данным георадара и прямых наблюдений), это обеспечивает прослеживания основных почвенных горизонтов.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Опытно-методические работы по картированию почвенных горизонтов методом георадиолокации выполнялись на площади Заонежского полуострова (Республика Карелия). Данная территория значительно отличается от других районов Карелии и сопредельных территорий по природным условиям почвообразования: разнообразием форм рельефа, присутствием шунгитсодержащих почвообразующих пород, климатическим условиям и большим количеством лиственных пород в составе древостоев (Морозова и др., 2004).

Таблица 3. Точность георадара при определении глубины залегания почвенных горизонтов

Table 3. GPR accuracy in determining the depth of soil horizons

Тип почвы	Отражающий горизонт	h, см	f c , МГц	Пробы, ед.	Δ, см
Подзолы (Podzol), Флорида, США Collins, Doolittle, 1987	Кровля глинистоиллювиального горизонта Вt	100– 178	120	4	± 6
Буроземы (Luvisol), Западная Австралия Simeoni et al., 2009	Граница между горизонтами A и B	20– 120	250	37	± 10
Бурые (Aridisol), Юго-восточный Иран Afshar et al., 2017	Кровля сцементированн ого горизонта Byzm	35–45	250	3	± 6
Криоземы (Cryosol) Аляска, США Léger et al., 2017	Кровля вечной мерзлоты	34–95	400	7	± 7
Подбуры (Cambisol), Альпы, Германия Winkelbauer et al., 2011	Подошва гумусового горизонта Ah	4–30	800	132	± 2
Красно-желтые ферраллитные (Plinthosol), Восточная Африка Ikazaki et al., 2018	Кровля плинтитового горизонта Bmv (PP)	27– 130	300, 800	4	± 3

В таких своеобразных природных условиях сформировался почвенный покров, характеризующийся чрезвычайной пестротой и сложностью, который представляет особый интерес для изучения, в том числе и с привлечением методов геофизики (Рязанцев, Бахмет, 2020) .

Шунгитовые породы как почвообразующий субстрат сильно отличаются от других материнских пород высоким содержанием углерода, гигроскопической влаги, поглотительной способностью. Содержание углерода в таких породах изменяется от 5 до 95%, и чем больше углерода, тем интенсивнее она разрушается и выветривается, обогащая почвы элементами минерального питания (Бахмет, 2012). Гранулометрический состав шунгитсодержащих почвообразующих пород разнообразен: хрящеватые пески, супеси, суглинки, реже глины. Четвертичные отложения района работ сложены главным образом ледниковой мореной, которая формирует обширные равнины, покрывающие до 80% всей площади полуострова. Морена представлена валунной супесью с мощностью варьирующейся от 0.2 до 5 м (Морозова и др., 2004).

На площадях, занятых элюво-делювием шунгитовых пород и шунгитовой мореной, наиболее распространены буроземы и подбуры. Подбуры Заонежского полуострова отличаются от широко распространенных в Карелии подзолов более темной окраской, пониженной кислотностью, железистостью, а также более высоким содержанием элементов минерального питания. Их разделение на генетические горизонты осложнено каменистостью и щебнистостью.

Объектом исследования был участок подбуров с известным и хорошо изученным строением почвенного профиля, сформированных на шунгитовых сланцах, в центральной части Заонежского полуострова (62.48166 с. ш., 34.79749 в. д.) (Разнообразие почв, 2006) . Для описания границ почвенных горизонтов был намечен трансект, проходящий от увлажненных оторфованных почв в низине, через вырубку к малоизмененным подбурам на возвышенностях. При выполнении работ учитывались рельеф и существующие биоценозы. Отдельно выполнена координатная привязка к опорному разрезу.

Почвенный профиль подбуров на участке по данным О.Н. Бахмет и Ю.В. Преснухина имеет следующее строение: А0 (0–6 см) – лесная подстилка; А1В (6–17 см) – темно-бурый, сильно каменистый, песчаный горизонт, присутствует органика; ВС (17–24 см) – бурый горизонт, сложен обломками шунгитовых сланцев, мелкозем песчаного состава (Разнообразие почв, 2006) . Изучаемые почвы суглинистые со значительным процентом крупнозема (см.

табл. 4), имеют бурый достаточно слабо дифференцированный профиль, также отмечается повышенное содержание углерода и азота (Разнообразие почв, 2006) .

Таблица 4. Гранулометрический состав, содержание углерода и азота для исследуемой почвы (Разнообразие почв, 2006)

Table 4. Particle size distribution, carbon and nitrogen content for the test soil (according to Raznoobrazie pochv, 2006)

Горизонт	Гранулометрический состав, %							C, %	N, %
	> 10	10–7	7–5	5–3	3–2	2–1	< 1
A0	-	-	-	-	-	-	-	32.7	1.29
A1B	0.9	1.3	1.3	2.0	3.1	13.3	78.1	4.0	0.27
BC	1.8	1.6	1.6	2.4	2.9	12.0	77.7	3.9	0.27

МЕТОДЫ ПОЛЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

В задачи полевых исследований на рассматриваемом участке входило прослеживание изменения мощности почвы по данным георадиолокации, определение причин и условий формирования георадарных рефлекторов, а также выявление факторов, обуславливающих изменчивость почвенного покрова. Работы проводились с использованием георадара ОКО-2 (Логис-Геотех, Россия), оснащенного антенным блоком с центральной частотой 400 МГц. Наблюдения выполнены вдоль наземного профиля общей длиной 480 м, положение которого на местности определялось GPS навигатором. Учет перемещения осуществлен при помощи штатного датчика ДП-32. Шаг сканирования по профилю составил 5 см, что позволило получить радарограмму, которая включает 9 600 отдельных зондирующих трасс.

Для почв на участке относительная диэлектрическая проницаемость определена с опорой на имеющийся опорный разрез и данные, полученные по гиперболам дифрагированной волны, и составляет в среднем 12 ед. При используемой временной раз- вертке 50 нс получен полезный сигнал с глубины более 1.5 м. Это позволило определить положение отражающих границ и сопоставить их с имеющимся почвенным разрезом. В текущих условиях вертикальная разрешающая способность составила 5 см, а горизонтальная – 2 см на поверхности и до 20 см на глубине в 1 м.

Регистрация и обработка данных выполнялись в программном комплексе GeoScan32 (Логис-Геотех, Россия). Перед выполнением непосредственной интерпретации выполнялась фильтрация. Частотный анализ записи показал, что произошло смещение центральной частоты до 250 МГц, а также возник дополнительный экстремум на 20 МГц. Это свидетельствует о влиянии проводимости почв на регистрируемые данные. Низкочастотная составляющая устранена при помощи полосовой фильтрации. Также выполнена корректировка положения нуля записи и вычитание среднего для удаления сигнала прямого прохождения. С целью повышения контраста отдельных слоев на записи подбирался профиль усиления.

Кроме регистрации основного георадарного профиля, выполнялись отдельные наблюдения антенным блоком 1 700 МГц вдоль почвенных разрезов в сочетании с измерением электрофизических свойств почвенных горизонтов методом временной ре-флектометрии, аппаратурой TDR200 (Campbell Scientific, USA). Для этого после подготовки разреза по его стенке с шагом 4 см втыкался зонд, которым измерялась относительная диэлектрическая проницаемость почвы. Полученные замеры представлены в виде графика, по которому можно точно оценить вариативность электрофизических свойств почвенного разреза. Далее в этом же месте на поверхности выполнен небольшой георадарный профиль. Сбор данных происходил с шагом 3 см и временной разверткой 16 нс. Такая конфигурация обеспечила глубину исследования до 60 см и разрешение порядка 1.5 см. Набор процедур обработки рада-рограмм соответствовал указанному выше.

В результате подобные комплексные наблюдения обеспечивают параметризацию разреза и облегчают финальную интерпретацию. Следует отметить, что большая часть Республики Карелия (в том числе Заонежский полуостров) – благоприятный регион для использования георадаров при изучении почв и четвертичных от- ложений из-за исключительно низкой минерализации грунтовых вод, а также преобладания отложений песчаного состава.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим данные георадиолокации на примере профиля, проходящего с востока на запад, вдоль пологого склона от заболоченной приозерной области в сторону лесного массива. После выполнения первичной обработки на записи определялись признаки границы между горизонтом BC и материнской породой – наличие протяженной оси синфазности, высокие амплитуды отражений, смена картины волнового поля (рис. 4).

Рис. 4. Георадарный профиль на исследуемом участке (вверху) и установленная изменчивость мощности почвенного профиля (внизу).

Fig. 4. GPR transect in the studied area (above) and identified variability of soil profile thickness (below).

В результате была прослежена кровля подстилающей шунгитовой морены и определено, что вдоль профиля почвенный покров имеет дифференцированную мощность. В начальной части на пикетах (ПК) 0–30 отмечается наличие оторфованных почв. Это выражено в развитии характерного покрова сфагновых мхов и в увеличении толщины почв до 32 ± 5.0 см. Далее, между ПК 50– 150 наблюдается равномерное положение нижней границы BC, мощность почвенного покрова вдоль профиля составляет 24 ± 1.9 см. Фрагмент профиля на ПК 150–250 расположен в пределах участка свежей вырубки, что может быть причиной частичной эрозии почвенного покрова до 23 ± 1.6 см. Следующая область ПК 265–365 соотносится с неизмененным лесным массивом и, как следствие, с ненарушенными подбурами с мощностью 29 ± 2.0 см. После чего снова фиксируются условно-нормальные почвы (как на ПК 50–150) мощностью 24 ± 1.3 см.

С опорой на почвенный разрез проводился детальный анализ радарограмм, так как это позволяет выявить георадарные признаки для границ раздела горизонтов A0 и A1B, а также оценить точность измерений. Для реализации такого подхода выделен фрагмент записи в области расположения разреза (рис. 5A) и фрагмент, где мощность почв максимальна (рис. 5B). Время каждой записи составляет 15 нс, а горизонтальная протяженность – 2 м. В качестве первого этапа интерпретации радарограмм необходимо определить, как на записи выглядит отражение от искомых границ. Существует несколько подходов для определения положения рефлектора: по первым вступлениям; пику максимальной амплитуды; фазовому переходу.

В рассматриваемом случае граница между горизонтами определяется по смене фазы импульса с “–” на “+”, так как первый такой переход полностью соответствует глубине раздела между горизонтами А0 и A1B, по данным почвенного разреза; также на этом уровне наблюдается протяженная ось синфазности (рис. 5A). Выявленная граница имеет время записи t = 1.3 нс при значении относительной диэлектрической проницаемости ε = 12, скорость волны составляет V = 8.6 см/нс, расчет глубины залегания Z дает результат в 5.5 см, что на 0.5 см отличается от прямых наблюдений в разрезе. На границе A1B–BC время записи t = 4.2 нс при ε = 12 и V = 8.6 см/нс, глубина Z = 18.1 см, что на 1.0 см отличается от прямых наблюдений. Несколько иная ситуация отмечается для подошвы горизонта BC, в общем виде расчет границы верен: t = 6.0 нс, V = 8.6 см/нс, Z = 25.8 см, при наблюдаемых 24 см в разрезе. Наряду с этим для данной области отмечается нарушение фазы импульса и резкое возрастание амплитуды. Объяснением такого явления может служить повышенное содержание в гори- зонте BC крупных обломков подстилающих шунгитовых сланцев, о чем свидетельствует волнистый характер рефлектора и гиперболы дифрагированной волны. Ниже на записи наблюдается смена характера волновой картины – от параллельной фации, что является нормальным для почвы, к хаотической, соотносимой с подстилающей мореной. Анализ мгновенных амплитуд отражений (энергограммы) показал, что почвенный профиль имеет более высокую энергию отраженного сигнала в сравнении с нижележащими коренными породами.

10- !

А1В

I - 10

15J* О

10-

15J

А1В

I - 60

о 50СМ

JAo_L

А1В

ВС

10'

ю

- 60

15-•—I------1------------1------I-1-

-10000    0     10000

амплитуда, у.е.

0    50СМ

min IZZ^H max

А1В

ВС

10-

7 Ю

7 20

- 30

7 40

7 50

7 60

-2500 0 2500 амплитуда, у.е.

15-1

Рис. 5. Фрагмент радарограммы, отдельная трасса и энергограмма

для

участков почв с разной мощностью на пикете 90 ( А ) и пикете 290 ( B ) по профилю наблюдений.

Fig. 5. Fragment of radargram, a separate trace and Hilbert transformation for sections with different thickness at picket 90 ( A ) and picket 290 ( B ) along GPR profile.

Далее обратимся к фрагменту радарограммы по области, где выявлена максимальная мощность почв (рис. 5B). На записи сразу хорошо различаются интенсивные параллельные оси синфазности, характерные для зондирования горизонтальных сред. При этом отмечается сохранение условия смены фазы на границах горизонтов. Сами границы ровные вследствие отсутствия крупнообломочной фракции. Анализ отдельных почвенных горизонтов показал следующие результаты: раздел А0–A1B имеет среднее t = 1.6 нс, V = 8.6 см/нс, в итоге Z = 6.9 см; A1B–BC t = 4.0 нс, V = 8.6 см/нс, а Z = 17.2 см; кровля материнских пород фиксируется при t = 7.1 нс, V = 8.6 см/нс, а Z = 30.5 см.

Анализ энергограммы также демонстрирует приуроченность интенсивных отражений к почвенной толще. Конфигурация почвенного профиля соответствует имеющемуся разрезу, а рост мощности обусловлен увеличением горизонта BC на 5 см в сравнении с типовым разрезом. В общем виде по результатам детального анализа радарограммы и отдельных фрагментов установлено, что георадар обеспечил определение мощности профиля А0–A1B–BC исследуемого подбура со средней погрешностью ± 3 см.

Влияние влажности на регистрируемую волновую картину демонстрируется на примере перехода от автоморфных почв к по-лугидроморфным, расположенным в районе исследований. Для большей детальности измерения выполнены антенной 1 700 МГц, также привлечены данные промера относительной диэлектрической проницаемости методом рефлектометрии. На рисунке 6 представлены три фрагмента радарограммы длинной 1.5 м, отражающие переход от подбуров, расположенных на возвышенности (рис. 6A), к подбурам на склоне (рис. 6B) и далее к подбурам глеевым в низине (рис. 6C). Соответственно наблюдается переход горизонта BC к BC g . Следы оглеения проявляются в виде сизых и ржавых пятен, прожилок и примазок. Расстояние между записями составляло 30 м, а превышение высот – прядка 5 м.

Первым признаком изменения влажности служит разность времен регистрации известных горизонтов, что связано с изменением скорости электромагнитной волны. Данный факт подтверждается детальными промерами относительной диэлектрической проницаемости. В случае малого увлажнения для горизонта А0 и

A1B ε ср = 9.7 ( V = 9.6 см/нс), а для BC ε ср = 4.4 ( V = 14 см/нс). Переходная зона характеризуется А0 и A1B ε ср = 8.9 ( V = 10.0 см/нс), а для BC ε ср = 9.3 ( V = 9.3 см/нс). При избыточном увлажнении для горизонта А0 и A1B ε ср = 11.2 ( V = 9.0 см/нс), тогда как для горизонта BC g картина резко меняется, происходит градиентный рост ε до 19 условных единиц ( V = 6.8 см/нс).

время, нс диэлектрическая диэлектрическая диэлектрическая проницаемость проницаемость проницаемость

Рис. 6. Фрагменты радарограмм и графики вариации относительной диэлектрической проницаемости для участков автоморфных ( А ), переходных ( B ) и полугидроморфных ( C ) почв.

Fig. 6. Fragments of a GPR profiles and graphs of variations in dielectric constant for sections of automorphic ( A ), transition ( B ) and semihydromorphic ( C ) soils.

Таким образом, можно фиксировать постепенное падение скорости волны от профиля к профилю, что свидетельствует о постепенном увеличении влажности к подножью возвышенности. Можно проследить, как подошва горизонта BC, четко регистрируемая на первой записи, ослабевает на второй и становится слабочитаемой на последней радарограмме при переходе к ВС g . Кроме того, если для подбуров подстилающая шунгитовая морена имеет хаотическую волновую картину, то для глеевых подбуров подошва горизонта ВС g не определяется, а нижележащие не идентифицированные слои имеют параллельные оси синфазности.

Практические примеры показывают возможность определения границ почвенных горизонтов и их прослеживание на значительные расстояния. Получаемая точность наблюдений позволяет оценить пространственную структуру почвенного профиля и выявить участки аномальных изменений. Важным фактором для успешного применения метода георадиолокации является привлечение прямых почвенных наблюдений, что позволяет разработать опорную интерпретационную схему. Так как изучение почв для методов геофизики является крайне сложной задачей с неоднозначным решением, отсутствие подобных данных ограничивает спектр исследований и переводит получаемые результаты в статус оценочных и, зачастую, умозрительных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ продемонстрировал, что метод георадиолокации может успешно применяться для решения целого спектра задач почвоведения. Высокая производительность и точность наблюдений позволяет исследовать маломощные почвенные горизонты с разрешением до 2–3 см, оценивать изменения их электрофизических параметров в горизонтальной проекции и на глубину, а также выполнять поиск и учет локальных неоднородностей. На примере подбуров Заонежского полуострова показана возможность для прослеживания мощности почвенных горизонтов с привлечением опорных почвенных разрезов георадаром с антенной частотой 400 МГц. Непрерывная георадиолокационная съемка обеспечила обследование значительной площади, позволила получить схему мощности почвенного покрова и выявить области из- менения толщины. Получаемые модельные разрезы и карты можно сопоставлять с данными о ландшафтах и биоценозах для выявления наиболее значимых факторов почвообразования. Дальнейшее развитие метода георадиолокации и его адаптация к специфике задач почвоведения зависит от способов комплексного использования данных и интегрирования геофизических и почвенных методов исследований.