А.В. Морозов1

1 Ростовский государственный университет путей сообщения (г. Ростов-на-Дону, Россия)

1 geo_pro@mail.ru

Постановка проблемы. Достоверная интерпретация результатов георадиолокационного зондирования подповерхностного пространства предусматривает наличие информации о электрофизических свойствах грунтовых материалов. В практике георадиолокационных исследований достаточно часто приходится сталкиваться с гетерогенными глинистыми геологическими средами. По этой причине актуальными становятся исследования изменений электрофизических свойств образцов глинистых грунтов при добавлении гипса в различном массовом соотношении.

Цель. Исследовать затухание электромагнитного излучения в проводящих гетерогенных грунтах малой влажности с добавлением гипса.

Результаты. Изучены изменения электрофизических свойств образцов глинистых грунтов при добавлении гипса в массовом соотношении 0%, 15% и 30% в диапазонах влажности 0–12% и частот 1200–1700 МГц. Показано, что анализ рассчитанных величин коэффициента затухания позволил оценить диэлектрический эффект от растворенных из гипса ионов при низких влажностях вмещающих минеральных матриц. Установлено, что в глинистых грунтах относительная диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость и коэффициент затухания более чувствительны к влажности и концентрации гипса.

Практическая значимость. Рассмотренные механизмы, объясняющие полученные экспериментальные данные, допускают уменьшение глубинности георадиолокационной диагностики земляного полотна в засушливых районах, где естественная влажность близка к нулю, влиянием эффекта Максвелла-Вагнера. Установлено, что существенное влияние на эффективность применения метода могут оказывать инженерно-геологические условия, определяющие плотность и химический состав грунтов электролита при влажностях до 12%.

Морозов А.В. Затухание электромагнитного излучения в проводящих гетерогенных грунтах малой влажности // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 5. С. 5−14. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202305-01

1. Zhu Z. Experimental study of the rheology of water-kaolinite suspensions // Water Supply. 2022. V. 22. № 2. P. 1781–1795. DOI 10.2166/ws.2021.319.
2. Rommelfanger N., Vowinckel B., Wang Z., Dohrmann R., Meiburg E., Luzzatto-Fegiz P. A simple criterion and experiments for onset of occulation in kaolin clay suspensions // Flocculation in clay suspensions. 2022. P. 1–18.
3. Bunio L.B., Wang J., Kannaiyan R., Gates I.D. Evaporation and crystallization of NaCl-water droplets suspended in air by acoustic levitation // Chemical Engineering Science. 2022. V. 251. № 6. P. 117441. DOI 10.1016/j.ces.2022.117441.
4. Martínez J.J., Villaquirán A.P., Moreno Díaz D.F., García Á.V., Rodriguez A. Polymer adsorption isotherms with NaCl and CaCl2 on kaolinite substrates // Dyna. 2019. V. 86. № 210. P. 66–73. DOI 10.15446/dyna.v86n210.74361.
5. Ibahati S.S. Examining the features of NaCl activated kaolinite nano-layers for use in excipients // Bioceramics Development and Applications. 2018. V. 8. № 1. P. 1000106. DOI 10.4172/2090-5025.1000106.
6. Arcone S.A., Boitnott G.E. Maxwell-Wagner relaxation in common minerals and a desert soil at low water contents // Journal of Applied Geophysics. 2012. V. 81. P. 97–105. DOI 10.1016/j.jappgeo.2011.09.005.
7. Knight R.J., Nur A. The dielectric constant of sandstones, 60kHz to 4 MHz // Geophysics. 1987. V. 52. № 5. P. 644–654. DOI 10.1190/1.1442332.
8. Toumelin E., Torres-Verdin C. Pore-scale simulation of kHz-GHz electromagnetic dispersion of rocks: effects of rock morphology, pore connectivity, and electrical double layers // Transactions of the SPWLA 50th Annual Logging Symposium. The Woodlands. Texas, USA. 2009. Paper RRR
9. Taroo R.K., Patel B.R. Physico-Chemical properties of Kutch bentonite // Crystal Research and Technology. 1986. V. 21. № 1. P. 141–144. DOI 10.1002/CRAT.2170210134.
10. Olsson S., Karnland O. Characterisation of bentonites from Kutch, India and Milos, Greece – some candidate tunnel back-fill materials? Stockholm: Clay Technology AB. 2009. 35 p.
11. Khakiev Z., Kislitsa K., Yavna V. Efficiency evaluation of ground-penetrating radar by the results of measurement of dielectric properties of soils // Journal of Applied Physics. 2012. V. 112. № 12. P. 124909. DOI 10.1063/1.4770470.
12. Khakiev Z.B., Yavna V.A., Sulavko S.N., Kislitsa K. Determination of the complex permittivity and soil moisture by GPR // 12th Conference and Exhibition Engineering Geophysics. Anapa: Curran Associates, Inc. 2016. P. 226–234.
13. Артеменко И.В., Кожевников Н.О. Моделирование эффекта Максвелла-Вагнера в мерзлых крупнодисперсных породах с порфировой структурой // Криосфера Земли. 1999. Т. III. № 1. С. 60–68.
14. American Mineralogist Crustal Structure Database. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/ amcsd.php, database_code_amcsd 0012237, дата обращения 12.07.2023.
15. Bode B.M., Gordon M.S. MacMolPlt: a graphical user interface for GAMESS // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 1998. V. 16. № 3. P. 133–138. DOI 10.1016/s1093-3263(99)00002-9. PMID: 10434252.
16. Granovsky A.A. Firefly Home Page. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html, дата обращения 14.07.2023.
17. Schmidt M., Baldridge K., Boatz J., Elbert S., Gordon M., Jenson J., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K., Su S.J., Windus T., Dupuis M., Montgomery J. General atomic and molecular electronic structure system // Journal of Computational Chemistry. 1993. V. 14. № 11. P. 1347–1363. DOI 10.1002/jcc.540141112.
18. Anbazhagan P., Bittelli M., Pallepati R.R., Mahajan P. Comparison of soil water content estimation equations using ground penetrating radar // Journal of Hydrology. 2020. V. 588. P. 125039. DOI 10.1016/j.jhydrol.2020.125039.
19. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content using TDR. I. Applications to wetting fronts and steep gradients // Soil Science Society of America journal. 1982. V. 46. № 4. P. 672–678. DOI:10.2136/SSSAJ1982.036159 95004600040002X.
20. Даниэль Ф., Явна В.А., Сулавко С.Н., Кочур А.Г., Васильченко А.А. Электрофизические свойства бентонита и каолина в зависимости от засоленности и температуры // 16-я науч.-практич. конф. совместно с семинаром «Инженерная и рудная геология 2020». Пермь: ОАО «ЕАГЕ ГЕОМОДЕЛЬ». 2020. С. 93. DOI 10.3997/2214-4609.202051117.
21. Nazdracheva T., Morozov A., Yavna V., Kochur A. Study of hydration of kaolinite and montmorillonite mixture by IR spectroscopy // Journal of Molecular Structure. 2022. V. 1250. № 3. P. 131871. DOI 10.1016/j.molstruc.2021.131871.
22. Nazdracheva T.F., Kukharskii A.V., Kasprzhitskii A.S., Lazorenko G.I., Yavna V.A., Kochur A.G. Study of the Features of the Formation of Water Films on the Surfaces of Montmorillonite and Kaolinite by Infrared Spectroscopy // Optics and Spectroscopy. 2021. V. 129. №. 2. P. 270–275. DOI 10.1134/S0030400X21020107.