Библиотека

   Метод Вертикального Электрического Зондирования для исследования почвы

    Источник: http://larisa_pozd.tripod.com/ves/ves.htm

    Авторы: Лариса Позднякава, Антон Поздняков, Рендау Занг

    Автор перевода: Доллинер Павел

Метод Вертикального Электрического Зондирования для исследования почвы.

     Электрические методы интенсивно используются геофизиками для подземной оценки. Измерения электрической проводимости или удельного сопротивления применяются для исследования солености почвы на местности много лет. Большинство применяемых методов электрического профилирования используют четырёх электродную систему Винера. Исследования возможно проводить как на поверхности почвы так и в каротаже скважин. Сегодня стали популярно применятся  такие электрические методы как: Электромагнитное зондирование (ЭЗ) и электромагнитное профилирование (ЭП). Методы все еще применены предпочтительно на орошаемых областях солончака. Об успешном применении данных методов свидетельствует следующие события: заявление относительно качества лесных почв (МакБрид и др., 1990), нанесение на карту пути стока воды (Фриланд и др. 1997a), обнаружения водных местоположения (Фриланд и др., 1997b), и обрисовалась картина в общих чертах, в отношении слоёв вечной мерзлоты (Аркон и др., 1998). Несмотря на многообещающие заявления, у методов с четырьмя электродами, ЭЗ и ЭП есть немного недостатков, когда методы используется для мелких профилей почвы. Методы ЭЗ и исследования с четырьмя электродами не могут непосредственно измерить различные удельные сопротивления или проводимости горизонтов почвы и обеспечить только среднее число или сложить электрическую проводимость профиля почвы (Корвин и Родес, 1984). ЭП оценивает дифференцирование профиля в почве, электрическая проводимость, но ее заявление ограничена на почвах с высокой проводимостью (соленые почвы, почвы глины). ЭП также легко не изменен для мелких глубин измерений (Лайнер и Лайнер, 1997).

    Хотя метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) очень популярен в обычных геофизических исследованиях, таких как поиск газа, нефти и угольное исследование (Верма, 1983), это редко используется на мелких глубинных исследованиях. Вертикальное электрическое зондирование было применено, чтобы оценить гидравлическую проводимость (Мазац и др., 1990) и структура (Бантон и др., 1997) стратифицированных почв и отложений. Баркер (1990) применял ВЭЗ к выделению закапывания мусора в глубине на 40 м.. Однако, множества, используемые в этих исследованиях, не могут точно оценить очень тонкие слои почвы (на 3-30 см). Никакое исследование не было направлено, на то чтобы оценить возможность метода ВЭЗ для исследования почвы для того, чтобы оценить глубины и толщины горизонтов почвы. Цели нашего исследования состоят в том, чтобы изменить обычный метод ВЭЗ для адекватной оценки горизонтов почвы и проверить метод на обзор почвы и другие возможные заявления почвы.

 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

    Вертикальное электрическое зондирование и методы электрического профилирования основаны на принципе с четырьмя электродами как показано на рис. 1. К электрическому току (I) относятся, A и электроды B, а потенциал (ΔU) измерены между М. и электродами N. УЭС почвы (ER) вычисляется по формуле:

[1]

    где К геометрический параметр.

    Небольшая не точность обнаруживается в литературе о почве в вычислении K и оценке имеющей размерами глубины с различными множествами (Кирхам и Тейлор, 1949; Бентонn и др., 1997). Как описывается в обычной геофизике, глубина проникновения электрической области в проводящий слой под влиянием геометрии множества слоёв такая же, как электрической проводимости и организации проводящего слоя( Приветствие, 1981; Грубиян, 1989; Паранис, 1997). Поэтому, глубина проникновения не может быть точно получена из расстояний между электродами во множестве слоёв. Теоретические происхождения и практические тесты показали, что приблизительную глубину проникновения можно рассмотреть как 1/6 [AB] для множеств типов Шлюмберже и Виннера, используемых на широком диапазоне почв и оснований (Грубиян, 1989; Поздняков и др., 1996; Позднякова и др., 1996; Бентон и др., 1997). Однако, коэффициент приближения глубины неправильно использовался (1/3 [AB]) для профилирования с четырьмя электродами со множеством Виннера (Харворсон и Родес, 1976; Родес и Шилфард, 1976).

    Однако в то время как, глубина проникновения для множества изменяется для различных почв вокруг 1/6 [AB], геометрический фактор (K) может быть точно получен из геометрии множества, основанной на законе электрического полевого распределения. Используя лапласовское уравнение в полярных координатах, Кёлер и Фрихнечт (1966) получили электрические потенциальные функции вокруг источника (A и B) и имеющий размеры (М. и N) электроды. Геометрический фактор K может быть получен для множества с четырьмя электродами конфигурации AMNB по формуле

[2]

    здесь [AM], [BM], и [AN],и [BN]  являются расстояниями (m) между соответствующими электродами. Для центрально-симметрического множества, когда [AM] = [BN] и [BM] =[AN], Eq. [2] может быть упрощен к

[3]

    Множество ВЭЗ состоит из ряда комбинаций электрода AMNB с постепенно увеличивающимися расстояниями среди электродов для последовательных комбинаций (рис. 1). Глубина зондирования увеличениями с расстоянием между A и электродами B. Факторы K для комбинаций вычислены с Eq. [3] и используемый, чтобы получить электрическое удельное сопротивление из взвешенного электрического потенциала и потока, используя Eq. [1]. Результат измерений  ВЭЗ  с центрально-симметрическими множествами очевиден (большая часть) электрическое удельное сопротивление как функция половины расстояния между текущими электродами, то есть. ER=f (AB/2) (Приветствие, 1981). Отношения между ER и AB/2 могут быть преобразованы в отношения между электрическим удельным сопротивлением и фактической глубиной почвы через компьютерную интерпретацию. Поздняков и др. (1996) развитые программы для почвы интерпретации  ВЭЗ , основанные на обновленной R-функции. Электрическое удельное сопротивление, измеренное с методом, как показывают, связано с соленостью, структурой и структурой, пористостью, оптовой плотностью, насыщенностью, и гидрологической проводимостью почвы (Поздняков др., 1996; Бентон и др., 1997). Таким образом, профили  ВЭЗ  могут предоставить информацию о геологических структурах, свойствах почвы, и гидрологических условиях в области исследования.

    Мы изменили классическое геофизическое множество  ВЭЗ , чтобы получить детализированные особенности относительно мелкой подповерхности. Две конфигурации множества приспособлены к исследованиям почвы. В первом множестве расстояния [AB/2] установлены как 0.1, 0.15, 0.22, 0.3, 0.45, 0.6, 0.9, 1.2, 1.8, 2.0, 3.6, 4.0, 7.2, 10, и 15 м., чтобы гарантировать полное измерение подповерхности почвы от 0.02 до 5 м. (Поздняков 0.5, 0.63, 0.8, 1, 1.3 м., и т.д. Параллельные электроды МС помещены симметрично в пределах центра [AB] для обоих множеств (рис. 1). Удельное сопротивление измерено различными комбинациями A, B, М., и электродов N с автоматическим выключателем между комбинациями. Так как границы слоев почвы являются часто более распространяющимися чем границы геологических страт, мы насчитываем 2 - 4 ответа с различным [МС] расстояния для расстояния [AB], чтобы обеспечить более высокую точность измерения. Второе множество обеспечивает очень высокую существенную точность, если профиль почвы относительно однороден в электрическом удельном сопротивлении. Точность, предоставленная первое множество, адекватна для большинства заявлений почвы. Другие модификации традиционного метода включают уменьшенный размер и вес электродов, множеств с неподвижными расстояниями среди электродов, и автоматического коммутатора для комбинаций электрода. Оборудование с такими особенностями позволяет измерять детальный профиль  ВЭЗ  в пределах 10 минут, используя первое множество и в пределах 20 минут, используя второе множество.

    Горизонты почвы с очень различными химическими, физическими, и электрическими свойствами развиваются через развитие почвы из-за процессов elluviation-иллювиального-процесса, выщелачивания, удаления известкового вещества отвердения, lessivage, laterization, и т.д. (Вилдинг и др., 1983). Например, профиль зрелого Ferrudalf настоятельно дифференцирован в морфологии, структуре, и химических свойствах, поэтому, в электрическом удельном сопротивлении (рис. 2a). У главного горизонта (A) есть относительно высокое содержание перегноя и способность обмена катиона, следовательно, высокая плотность мобильных электрических обвинений и низкого удельного сопротивления. Основной elluvial (albic) горизонт (E) главным образом состоит из зерен подзола. Плотность мобильных электрических зарядов намного ниже в горизонте E чем это в горизонте, поэтому, удельное сопротивление горизонта E выше. Удельное сопротивление иллювиального (spodic или argillic) горизонт (B) является самым низким в профиле, относящемся к обогащению прекрасным материалом глины и Fe+2 / + 3, Al+3, Mn+5, и другие катионы.

    Поскольку интенсивность процессов elluviation уменьшилась в ряду Ferrudalf-Kandiudalf-Hapludalf-Argialboll-Calciudoll, дифференцирование электрического удельного сопротивления в профиле почвы исчезло (рис. 2). Распределения электрического удельного сопротивления, показанного в рис. 2, были измерены вдоль профилей почвы в открытых ямах почвы в различных областях России. Вертикальное электрическое зондирование, проводимое от поверхности почвы, показало те же самые распределения профиля электрического удельного сопротивления в Typic Ferrudalf, поскольку это получило с исследованием с четырьмя электродами (рис. 3, рис. 2a). Поэтому, наблюдением и интерпретацией ВЭЗ представляет, мы могли получить точные толщины и местоположения горизонтов почвы, основанных на различных электрических удельных сопротивлениях. Ценности электрического удельного сопротивления в E и горизонтах B показали, чтобы быть хорошими индикаторами интенсивности процесса elluviation-иллювиального-процесса в почвах.

Рис. 3. Распределение профиля электрического удельного сопротивления в Typic Ferrudalf измеренный с методом ВЭЗ. Скупые ценности с ошибочными барами показывают для 5 измерений на почвах под родным хвойно-лиственным лесом в Калининской области, Россия.

    Поэтому, ВЭЗ представляет рассмотрение почвы помощи и картографию, особенно в оценке почв с очень выдающимися профилями. Наши исследования показывают подобное распределение с тремя слоями электрического удельного сопротивления в пределах eluvial-иллювиальных профилей почвы во многих почвах, таких как Spodosols, Alfisols, Ultisols, и Oxisols (Pozdnyakov и др., 1996). Во многих других профилях почвы электрические изменения удельного сопротивления в слоях являются относящимися к другим формирующим почву процессам, загрязнению, или различиям в материнских породах.

ССЫЛКИ:

    Arcone, S.A., D.E. Lawson, A.J. Delaney, J.C. Strasser, и J.D. Strasser. 1998. Проникающее через основание радарное отражение, копировальное из грунтовой  воды и основы в области прерывистой вечной мерзлоты. Геофизика. 63:1573-1584.

    Остин, R.S., и J.D. Rhoades. 1979. Компактный, дешевый кругооборот для того, чтобы читать датчики солености с четырьмя электродами. Наука Почвы.    Soc.. J. 43:808-809.

    Banton, O., M.K. Seguin, и M.A. Cimon. 1997. Картография полевого масштаба физические свойства почвы с электрическим удельным сопротивлением. Наука Почвы. Soc.. J. 61:1010-1017.

    Грубиян, R.D. 1989. Глубина исследования коллинеарных симметрических множеств с четырьмя электродами. Геофизика. 54:1031-1037.

    Грубиян, R.D. 1990. Улучшение качества удельного сопротивления, кажущегося данными в исследованиях закапывания мусора. В S.H. Опека (редактор). Геотехническая и экологическая геофизика. V. 2. Экологический и заявления грунтовой воды. 245-251.

    Приветствие, A.E. 1981. Физические принципы методов исследования. John Willey & Sons, Нью-Йорк.

    Corwin, D.L., и J.D. Rhoades. 1984. Измерение перевернутых электрических профилей проводимости, используя электромагнитную индукцию. Наука Почвы. Soc.. J. 48:288-291.

    Dohr, Г. 1981. Прикладная Геофизика. Введение в геофизическую разведку. В H. Beckmann (редактор).. Геология нефти, издание 1. Пресса Halsted, Нью-Йорк, Wiley Ltd., Chichester.

    Fedinsky, V.V. 1967. Геофизика исследования. (На русском языке). Nedra, Москва.

    Freeland, R.S., J.C. Reagan, R.T. Ожоги, и J.T. Амоны. 1997b. Неразрушающее ощущение поверхностной взгроможденной воды, используя проникающий через основание радар. Переход Ежегодной Международной Встречи ASAE. Миннеаполис, Миннесота. 10-14 августа. N 973073.

    Freeland, R.S., J.D. Bouldin, R.E. Yoder, D.D. Страж масонской ложи, и J.T. Амоны. 1997a. Картография льготных путей стока воды ниже ландшафтов лесса, используя проникающий через основание радар. Переход Ежегодной Международной Встречи ASAE. Миннеаполис, Миннесота. 10-14 августа. N 973074.

    Halvorson, нашей эры, и J.D. Rhoades. 1976. Область, наносящая на карту проводимость почвы, чтобы очертить солончак суши, просачивается с техникой с четырьмя электродами. Наука Почвы. Soc.. J. 40:571-574.

    Keller, G.V., и F.C. Frischknecht. 1966. Электрические методы в геофизической разведке. Пресса Pergamon. Оксфорд, Нью-Йорк, Торонто, Сидней, Брауншвейг.

    Kirkham, D., и G.S. Taylor. 1949. Некоторые тесты исследования с четырьмя электродами для измерения влажности почвы. Наука Почвы. Soc. Proc. 14:42-46.

    Лайнер, C. L., и J. L. Лайнер. 1997. Заявление GPR к исследованию участка, вовлекающему мелкие ошибки. Передний край. Ноябрь. 1649-1651.

    Matveev, V.K. 1974. Интерпретация электромагнитного зондирования. (На русском языке)., Nedra, Москва.

    Mazac, O., М. Cislerova, W.E. Ведущая бурильная труба, я. Landa, и D. Venhodova. 1990. Определение гидравлических проводимостей поверхностью geoelectrical методы. В S.H. Опека (редактор). "Геотехническая и экологическая геофизика. V. 2. Экологический и заявления грунтовой воды". 125-131.

    McBride, R.A., утра Гордон, и S.C. Отпустить грехи. 1990. Оценка лесного качества почвы от измерений ландшафта очевидной электрической проводимости. Наука Почвы. Soc.. J. 54:290-293.

    Parasnis, D.S. 1997. Принципы прикладной геофизики. Коробейник & Зал, 2-6 Граничных Рядов, Лондонский SE1 8HN, Великобритания.

    Pozdnyakov, A.I., и K.Y. Канал 1979. Техника электрического зондирования и копировальный в исследованиях почвы. (На русском языке). Vestnik MGU 17. 1:46-54.

    Pozdnyakov, A.I., Лос-Анджелес Pozdnyakova, и нашей эры. Pozdnyakova. 1996. Постоянные электрические области в почвах. (На русском языке). KMK Научная Пресса, Москва.

    Pozdnyakova, Лос-Анджелес, A.I. Pozdnyakov., и L.O. Karpachevsky. 1996. Гидрология исследования долины сельскохозяйственные пейзажи с электрическими методами сопротивления. Продолжаясь XXI Собраний европейское Геофизическое Общество, HS16 Гидрология Маленьких Сельскохозяйственных Дренажей, Гаага, Нидерланды. 341-352.

    Rhoades, J. 1979. Недорогое исследование с четырьмя электродами для того, чтобы контролировать соленость почвы. Наука Почвы. Soc. Amer. J. 43:817-818.

    Rhoades, J.D., и J. van Schilfgaarde. 1976. Электрическая проводимость исследует для того, чтобы определить соленость почвы. Наука Почвы. Soc.. J. 40:647-650.

    Rhoades, J.D., и R.D. Ingvalson. 1971. Определение солености в полевых почвах с измерениями сопротивления почвы. Наука Почвы. Soc. Amer. Proc. 35:54-60.

    Rhoades, J.D., P.G. Shouse, W.J. Alves, N.A. Manteghi, и S.M.Lesch. 1990. Определение солености почвы от проводимости почвы, используя различные модели и оценки. Наука Почвы. Soc.. J. 54:46-54.

    Vanjan, L.L., и G.M. Morozova. 1962. Вычисление кривых теории электрического зондирования. (На русском языке)., Gostoptehizdat, Москва. Практическая Геофизика, 34:135-144.

    Verma, R.K., и T.K. Bandyopadhyay. 1983. Использование метода удельного сопротивления в геологической картографии - истории болезни от месторождения угля Raniganj, Индия. Геофизическая Разведка, 31:490-507.

    Wilding, L.P., N.E. Smeck, и G.F. Зал (редактор).. 1983. Педогенез и таксономия почвы. Я. Понятия и взаимодействия. События в Науке Почвы, 11A. Elsevier. Amsterdan, Оксфорд, Нью-Йорк.

    Znamensky, V.V. 1980. Полевая геофизика. (На русском языке). Nedra, Москва.