الرادار المخترق للأرض (GPR) هو المصطلح العام الذي يُطلق على التقنيات التي تستخدم موجات الراديو، عادة في نطاق التردد 1 إلى 1000 ميغاهرتز، لرسم خرائط الهياكل والميزات المدفونة في الأرض (أو في الهياكل التي صنعها الإنسان). تاريخياً، كان تركيز GPR الأساسي على رسم خرائط للهياكل الموجودة في الأرض؛ لكن مؤخراً تم استخدامه في الفحص غير المدمر للهياكل غير المعدنية.

إن مفهوم استخدام موجات الراديو لاستكشاف الهيكل الداخلي للأرض ليس جديداً. بلا شك، كان العمل المبكر الأكثر نجاحاً في هذا المجال هو استخدام أجهزة صدى الراديو لرسم سماكة الصفائح الجليدية في القطب الشمالي والجنوبي واستكشاف سماكة الأنهار الجليدية. بدأ العمل باستخدام GPR في البيئات غير الجليدية في أوائل السبعينيات، وكان تركيز العمل الأولي على تطبيقات التربة المجمدة.

تُحدد تطبيقات GPR فقط من خلال الخيال وتوافر الأجهزة المناسبة. في الوقت الحاضر، يتم استخدام GPR في العديد من المجالات المختلفة بما في ذلك تحديد المرافق المدفونة، تقييم مواقع المناجم، التحقيقات الجنائية، الحفريات الأثرية، البحث عن الألغام الأرضية غير المنفجرة، وقياس سماكة وجودة الثلوج والجليد لإدارة المنحدرات والتنبؤ بالانهيارات الجليدية، على سبيل المثال.

كيف يعمل؟

GPR يشبه تماماً جهاز تحديد الأسماك وصدى الصوت

ما الذي يجعل GPR صعباً؟

لماذا لا يبدو الأنبوب كأنبوب؟

ما هو عمق الاختراق للرادار المخترق للأرض؟

السؤال "كم العمق الذي يمكنك رؤيته؟" هو السؤال الأكثر شيوعاً الذي يُطرح على مزودي خدمات الرادار المخترق للأرض (GPR). في حين أن الفيزياء معروفة جيداً، فإن معظم الأشخاص الجدد على GPR لا يدركون أن هناك قيوداً فيزيائية أساسية.

يعتقد الكثير من الناس أن اختراق GPR محدود بالأجهزة. هذا صحيح إلى حد ما، لكن عمق الاستكشاف يتحدد بشكل أساسي بالمادة نفسها، ولا يمكن لأي تحسينات في الأجهزة التغلب على الحدود الفيزيائية الأساسية.

ما الذي يتحكم في الاختراق؟

لا تخترق موجات الراديو بعيداً في التربة، والصخور، ومعظم المواد التي صنعها الإنسان مثل الخرسانة. فقدان استقبال الراديو أو اتصال الهاتف المحمول أثناء قيادة السيارة عبر نفق أو في موقف سيارات تحت الأرض يشهد على ذلك.

حقيقة أن GPR يعمل على الإطلاق تعتمد على استخدام أنظمة قياس حساسة للغاية وظروف متخصصة. تتناقص موجات الراديو بشكل أُسِّي وتصبح غير قابلة للكشف قريباً في المواد الممتصة للطاقة، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: إشارات GPR تتلاشى بشكل أُسِّي في التربة والصخور.

معامل التوهين الأُسِّي، α، يتم تحديده بشكل أساسي بواسطة قدرة المادة على توصيل التيارات الكهربائية. في المواد الموحدة البسيطة، يكون هذا عادةً العامل المسيطر؛ وبالتالي فإن قياس التوصيلية الكهربائية (أو المقاومة) يحدد التوهين.

في معظم المواد، تُفقد الطاقة أيضاً بسبب التشتت الناتج عن اختلاف المواد ووجود الماء. للماء تأثيران؛ أولاً، يحتوي الماء على أيونات تساهم في التوصيلية العامة. ثانياً، يمتص جزيء الماء الطاقة الكهرومغناطيسية عند الترددات العالية التي تفوق 1000 ميغاهرتز (وهو نفس الآلية التي تجعل أفران الميكروويف تعمل).

يزداد التوهين مع التردد كما هو موضح في الشكل 2. في البيئات التي تكون ملائمة لاختبار GPR، هناك عادةً منطقة مستقرة في منحنى التوهين مقابل التردد تُعرف بـ "نافذة GPR".

الشكل 2: يختلف التوهين مع تردد الإثارة والمادة. هذا النوع من الرسوم البيانية يوضح الاتجاهات العامة. عند الترددات المنخفضة (< 1000 ميغاهرتز)، يكون الماء ممتصاً قوياً للطاقة.

هل يمكنني تقليل التردد لتحسين الاختراق؟

خفض التردد يحسن عمق الاستكشاف لأن التوهين يزداد بشكل أساسي مع التردد. ومع ذلك، عند تقليل التردد، تظهر جوانب أساسية أخرى لقياس GPR.

أولاً، يؤدي تقليل التردد إلى فقدان الدقة. ثانياً، إذا كان التردد منخفضاً جداً، لا تتحرك الحقول الكهرومغناطيسية كأمواج بل تنتشر، وهو المجال الخاص بقياسات الحث الكهرومغناطيسي أو التيارات الدوامية.

لماذا لا يمكنني فقط زيادة طاقة المرسل؟

يمكن زيادة عمق الاستكشاف عن طريق زيادة طاقة المرسل. لسوء الحظ، يجب زيادة الطاقة بشكل أُسِّي لزيادة عمق الاستكشاف.

الشكل 3: عندما يحد التوهين من عمق الاستكشاف، يجب زيادة الطاقة بشكل أُسِّي مع العمق.

يوضح الشكل 3 كمية الطاقة النسبية اللازمة للاستكشاف إلى عمق معين بالنسبة للتوهينات الموضحة في الشكل 1. يمكن ملاحظة أن زيادة عمق الاستكشاف يتطلب مصادر طاقة كبيرة.

بالإضافة إلى القيود العملية، تنظم الحكومات مستوى الانبعاثات الراديوية التي يمكن إنتاجها. إذا أصبحت إشارات مرسل GPR كبيرة جداً، فقد تتداخل مع الأجهزة الأخرى، مثل التلفزيونات، والراديو، والهواتف المحمولة. (للأسف، عادةً ما تكون هذه الأجهزة نفسها هي المصادر الرئيسية للتشويش على مستقبلات GPR!)

هل يمكنني توقع عمق الاستكشاف؟

نعم، بشرط أن تكون المادة التي سيتم فحصها معروفة من الناحية الكهربائية. تتوفر العديد من برامج الحساب العددي لهذا الغرض. أبسط طريقة للحصول على تقديرات لعمق الاستكشاف هي استخدام تحليل معادلة نطاق الرادار (RRE). هناك برامج متوفرة لإجراء هذه الحسابات والعديد من الأبحاث حول الموضوع. يتم توضيح المفاهيم الأساسية في الشكل 4.

الشكل 4: يوضح نطاق الرادار، في صورة مخطط انسيابي، توزيع الطاقة ويوفر وسيلة لتقدير عمق الاستكشاف.

تحليل RRE قوي جداً للدراسات البارامترية وتحليلات الحساسية.

نطاق الرادار معقد للغاية!

يقول العديد من المستخدمين أن RRE معقدة للغاية للاستخدام الروتيني. إذا كنت لا تحب التعمق في الحسابات التفصيلية، نقترح استخدام القاعدة البسيطة التالية لتقدير عمق الاستكشاف:

D = 35/σ متر، حيث σ هي التوصيلية بوحدة mS/m. بينما لا يُعتمد عليها مثل RRE، إلا أن هذه القاعدة البسيطة مفيدة للغاية في العديد من الظروف الجيولوجية.

نهج أبسط هو استخدام جدول أو رسم بياني لأعماق الاستكشاف المحققة في المواد الشائعة. مثال على جدول المواد الشائعة موضح في الشكل 5.

الشكل 5: جدول أعماق الاستكشاف في المواد الشائعة. تستند هذه البيانات إلى ملاحظات "أفضل الحالات". كما يُظهر الشكل 9، فإن المادة وحدها ليست مقياساً حقيقياً لعمق الاستكشاف.

توضح الأشكال 6 و7 و8 أمثلة تتراوح بين الاستكشاف العميق والضحل. يمكن رؤية أن نوع المادة يتحكم في عمق الاستكشاف. لسوء الحظ، لا يمكن دائماً التنبؤ بالاستكشاف بمجرد معرفة المادة في منطقة الدراسة.

الشكل 6: بيانات من جرانيت ضخم – الانعكاسات هي شقوق. الشكل 7: بيانات تظهر الطبقات في رواسب الرمال الرطبة. الشكل 8: بيانات تُظهر استجابة البراميل في طين رطب يحتوي على غرين.

يوضح الشكل 9 مقطعاً تكون فيه الجيولوجيا متجانسة أساساً، لكن عمق الاستكشاف متغير للغاية. توصيلية مياه المسام متغيرة بينما المادة الجيولوجية ثابتة! في هذه الحالة، توفر معرفة التوصيلية مقياساً أفضل لعمق الاستكشاف من معرفة المادة.

الشكل 9: مقطع GPR من بيئة رملية. يتم تحديد عمق الاستكشاف بواسطة توصيلية مياه المسام - وليس مادة الرمال. الملوثات التي تتسرب من مكب نفايات تسبب توصيلية متغيرة (وعمق استكشاف متغير) حسب الموقع.

كيفية قراءة بيانات GPR؟

ما هي تطبيقات GPR؟

تطبيقات GPR والترددات المناسبة

التطبيق	12.5 MHz	25 MHz	50 MHz	100 MHz	200 MHz	250 MHz	500 MHz	1000 MHz
الجيولوجيا العميقة، الجليد	✓	✓	✓
الجيولوجيا			✓	✓	✓
المرافق، الجيوتقنية				✓	✓	✓
علم الآثار					✓	✓	✓
الطب الشرعي، الثلج والجليد					✓	✓	✓
التعدين، المحاجر								✓
الخرسانة، الطرق، الجسور								✓

الأنظمة والهوائيات حسب التطبيقات