Научно-исследовательская лаборатория диэлькометрии и петрофизики

Историческая справка

В феврале 2016 г. приказом ректора ОмГПУ образована научно-исследовательская лаборатория диэлькометрии и петрофизики. Лаборатория была создана не на пустом месте. В течение нескольких предыдущих лет и особенно в 2015 г. лаборатория была оснащена современным оборудованием для проведения диэлектрических измерений в широком частотном диапазоне от 20 Гц до 20 ГГц. Были разработаны и запатентованы методы измерения почв и горных пород в таком частотном диапазоне. Исследования позволили обнаружить, достаточно подробно исследовать и объяснить ранее неизвестные, либо не связанные между собой явления изменения частотных спектров диэлектрической проницаемости влажных пород во времени и в процессах увлажнения и высушивания. Возникло понимание того, что диэлектрическим методом возможна оценка таких важных характеристик нефтенасыщенных пород, как общая пористость, распределение пор по размерам, удельная поверхность и др. Для параллельного исследования пород методом ядерного магнитного резонанса приобретен ЯМР-релаксометр. Оснащенность лаборатории современным оборудованием позволяет проводить исследования на мировом уровне.

Современные достижения сотрудников лаборатории основаны на богатом опыте радиофизических исследований природных сред.

В 70-е годы прошлого века в СССР по инициативе академика Башаринова начались исследования теплового излучения природных объектов в микроволновом диапазоне с целью дистанционного получения информации об их свойствах. Применение микроволновых радиометров для определения влажности почв впервые было осуществлено в Институте радиотехники и электроники АН СССР. В 1982 коллектив сотрудников этого института получил Государственную премию за разработку радиометрического метода дистанционного определения влажности почв. Оказалось, однако, что далеко не все проблемы были решены, и вплоть до 90-х годов в СССР исследованиями в области микроволновой радиометрии занимались десятки научных коллективов. Широким фронтом развернулись такие исследования и за рубежом. Во многих европейских и в большинстве американских университетов существуют научные подразделения, занимающиеся методами дистанционного зондирования Земли из космоса. Космические агентства Европы, США и Японии имеют на околоземной орбите спутники с микроволновыми радиометрами, работающими в разных диапазонах длин волн. 

К настоящему времени в России радиометрическим методом изучения земной поверхности занимается лишь малое число небольших коллективов. В Институте космических исследований (ИКИ) РАН занимаются исследованием атмосферы водной поверхности, в Институте радиотехники и электроники РАН – снежным покровом, в Читинском институте природных ресурсов, криологии и экологии СО РАН – мерзлотными образованиями и  в Омском педагогическом университете совместно с Институтом физики СО РАН и Институтом нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН  –  почвами и горными породами.

Эти исследования в ОГПИ (название института в то время – Омский государственный педагогический институт) были начаты в 1983 г., когда при содействии заведующего отделом ИКИ РАН профессора В.С. Эткина был заключен хозяйственный договор на проведение исследования радиотеплового излучения почв, покрытых стерней. Руководителем работ от ОГПИ был заведующий кафедрой общей физики П.П. Бобров.

В первое время применялись серийные приемники типа ПК7, мало подходящие для полевых измерений, затем радиометры на длины волн 3,6 и 15 см. были изготовлены собственными силами. Уже в ходе первых полевых измерений было обнаружено, что зенитное излучение почв, покрытых стерней, является поляризованным. Объяснение этому явлению было найдено не сразу. Впоследствии появились теоретические статьи, объясняющие поляризацию зенитного излучения наличием на поверхности почвы периодической структуры.  ворной лаборатории Кульмаметьев Р.А., Павленко В.И. Экспериментальные установки, использовавшиеся в то время, показаны на рис. 1.

Рис.1. Трехканальная передвижная радиометрическая установка (диапазоны 18 см, 3.6 см, 1,5 см), используемая на опытном поле Омского сельскохозяйственного института и смонтированная на автомобиле радиометрическая установка диапазона 2-4 ГГц (1984 г.)

На основе данных, полученных как в этом эксперименте, так и на полях Омской области с помощью автомобильной установки, был разработан способ определения знака градиента влажности и оценки его величины путем измерения степени поляризации излучения периодически неровных почв [1, 2] и методика послойного определения влажности почв с помощью многочастотного радиометрического комплекса [3]. В осенне-зимние сезоны 1986 и 1987 гг. Институт космических исследований предоставлял в наше распоряжение самолет ИЛ-14, на котором мы совместно с Читинским институтом природных ресурсов, криологии и экологии СО РАН размещали свои радиометры.  Полеты на высоте 50-200 м производились над южными районами Омской области. В качестве бортоператоров работали преподаватели и научные сотрудники Омского педагогического института Гидлевский А.В., Щеткин И.М., Павленко В.И. Наземные измерения влажности почв, состояния поверхности и глубины промерзания производились студентами биологического факультета ОГПИ под руководством доцента Пироговой Т.И.

В результате был получен настолько большой объем данных, что их обработка затянулась на годы. Сказался, конечно, и вынужденный перерыв в научных исследованиях в 90- е годы.

Параллельно с полевыми измерениями производились лабораторные исследования диэлектрических свойств разных почв, информация о которых необходима для дистанционного определения влажности. Беляевой (Сологубовой) Т.А. были высказаны интересные идеи [4–6] по модели диэлектрической проницаемости почв, учитывающей диэлектрические свойства воды, связанной на поверхности почвенных частиц. Впоследствии на основе этих идей сотрудниками Алтайского университета и Института физики СО РАН была создана рефракционная модель, используемая в настоящее время в алгоритме обработки данных спутника Европейского космического агентства, запущенного в 2009 г. по программе SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) для исследования влажности почв и солености океана.

Следующий этап исследований уже в изменившихся условиях начался в конце 90-х годов. Из-за уменьшившегося финансирования научная работа стала проводиться только преподавателями физического факультета и аспирантами. Резко уменьшились затраты на приобретение нового оборудования. И хотя ситуация менялась в лучшую сторону, уровень финансирования оставался ниже, чем в советские времена (в сопоставимых ценах). Некоторое время спасал запас оборудования, приобретенного в конце 80-х годов. На этом оборудовании были получены неплохие результаты.

Была показана возможность дистанционного обнаружения почв с повышенным засолением. Испарение в таких почвах замедляется вследствие набухания, и это отражается в динамике коэффициента излучения в сантиметровом диапазоне волн [7, 8].

В начале 2000-х гг. на агростации ОмГПУ был создан полигон для исследования яркостных характеристик разных почв в микроволновом диапазоне (рис. 2). Применение радиометров на разные длины волн позволило определять градиенты влажности в тонком поверхностном слое почв, возникающие при испарении. В почвах с высоким содержанием гумуса из-за особенностей структуры быстро высыхает тонкий поверхностный слой. Разрыв капиллярных связей приводит к резкому замедлению испарения из нижележащего слоя, поэтому в такой почве возникают более сильные градиенты влажности, чем в почвах с низким содержанием гумуса [9 –11]. Этой темой занимались аспиранты Кривальцевич С.В. (ныне зам. директора ОНИИП по науке) и Ивченко О.А (ныне доцент СибГУФК).

Рис. 2. Полигон для исследования радиотеплового излучения почв в диапазоне частот 2,7–8,3 ГГц (агростанция ОмГПУ 2001–2005 гг.) 

Аспиранты Бобров А.П., Галеев О.В., Красноухова (Мандрыгина) В.Н проводили диэлектрические измерения почв с разным содержанием гумуса и впервые обнаружили существенное влияние гумуса на диэлектрическую проницаемость [12].

Рис. 3 Красноухова В.Н. (Мандрыгина) за лабораторной установкой для измерения диэлектрической проницаемости почв в диапазоне 0,1–17 ГГц (2002 г.).

Основные направления исследования

В последнее десятилетие исследования проводятся в сотрудничестве с Институтом физики СО РАН (руководитель лаборатории радиофизического зондирования чл.-корр. РАН Миронов В.Л., г. Красноярск). Генеральное соглашение о сотрудничестве было заключено в 2002 г. и действует до настоящего времени. В 2006 г. для Института физики в ИКИ РАН были изготовлены радиометры нового поколения на частоты 1,4 ГГц (частота спутника SMOS) и 6,9 ГГц с компьютерным управлением и регистрацией данных. 

Исследование излучения замерзающих и оттаивающих почв показало, что возможен дистанционный контроль глубины промерзания [13 -15]. Кроме того, измерения коэффициентов излучения непосредственно перед замерзанием и после замерзания на глубину, превышающую толщину зондируемого слоя, позволяет определить в почве долю связанной влаги и, следовательно, более точно определять влажность почвы радиометрическим методом.  На основе результатов, полученных на полигоне ОмГПУ, а позднее и на полигоне под Красноярском (рис. 4), аспирант Ященко А.С. защитил кандидатскую диссертацию по радиофизике. В настоящее время он занимается обработкой космических снимков с аппаратов SMOS, GCOM-W1, MODIS и производит сопоставление этих данных с наземными, получаемыми на установке, расположенной в с. Гвоздевка Омской области (рис. 5) [16, 17].

Рис. 4. Радиометрическая установка на частоты 1,4 и 6,9 ГГц на полигоне "Погорельский бор" под Красноярском (2007 г.).
Слева направо: П.П. Бобров – ОмГПУ, Д.П. Скулачев – н. с. Института космических исследований РАН, В.Л. Миронов – чл.-корр. РАН, зав. лаб. Института физики СО РАН

В 2007 г. лабораторное оборудование для измерения диэлектрической проницаемости пополнилось прибором нового поколения – векторным анализатором цепей. Вначале это был прибор ZVRE, полученный от Института физики во временное пользование, а в 2012 г. более совершенный прибор ZNB8 был приобретен ОмГПУ. Использование этих приборов позволило значительно повысить точность диэлектрических измерений. Был разработан и запатентован уникальный метод измерения диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих тел в одной ячейке в диапазоне частот от 100 Гц до 8 ГГц [18-20]. С помощью этого метода были получены диэлектрические спектры разных пород в широком частотном диапазоне и созданы диэлектрические модели [21-26].

Рис. 5. Радиометрическая установка в с. Гвоздевка Омской обл. в 2011–12 гг и в 2013–14 гг.

Созданный измерительный комплекс позволял проводить диэлектрические измерения в диапазоне частот 25 Гц – 8 ГГц и диапазоне температур от – 20°С до + 120°С (рис. 6). В  2015 г. измерительный комплекс пополнился двумя новыми приборами, что позволило расширить частотный диапазон от 20 Гц до 20 ГГц (рис. 7). Приобретен также прибор, использующий явление ядерного магнитного резонанса для определения петрофизических характеристик пород (рис.8).

Рис. 6. Вид экспериментальной установки для измерений в диапазоне 42 Гц– 8,5 ГГц.
1 – измеритель LCR 3532-50 HiTESTER;
2 – векторный анализатор параметров цепей Rohde & Schwarz ZNB8;
3 –  климатическая камера TH–ME

Новые измерительные возможности позволили расширить тематику исследований, проводимых в лаборатории. В настоящее время проводятся также диэлектрические измерения нефтенасыщенных горных пород, в которых принимают участие сотрудники Института нефтегазовой геологии и геофизики [27–­37]. Эти исследования поддерживаются Российским фондом фундаментальных исследований, а результаты вызывают интерес геофизиков.

Рис. 7. Вид экспериментальной установки для измерений в диапазоне 20 Гц – 20 ГГц.
1 – векторный анализатор параметров цепей Rohde & Schwarz ZNB20;
2 – анализатор импедансов Keysight Technologies E4990A;
3 – термостат;

Рис. 8. Установка для исследования петрофизических характеристик пород методом
ядерного магнитного резонанса (ЯМР-релаксометр Хроматек Протон 20 М)

Актуальность исследований, выполняемых в лаборатории, подтверждается успешными выступлениями наших сотрудников на всероссийских и международных конференциях молодых ученых. В 2009 г. Родионова (Кондратьева) О.В. и Репин А.В. награждены дипломом III степени на международной конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, НГУ), в 2011 г.  Кондратьева О.В. и Лапина А.С. на такой же конференции награждены дипломом II степени, в 2011 г. Ященко А.С. награжден премией правительства Омской области за научную работу, а в 2012 он же получил первую премию на конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, Институт космических исследований РАН). В 2013 г. Репин А.В. награжден дипломом I степени на конференции «Трофимуковские чтения» (г. Новосибирск, Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН).  В 2015 и 2016 гг.  Лапина А.С. Выступала на международных конференциях в Праге и Флоренции.

Рис. 9. Коллектив лаборатории диэлькометрии и петрофизики ОмГПУ (июнь 2016 г.)

За последние 5 лет получены четыре патента на изобретения.

Тематика исследований, выполняемых при поддержке Российского фонда фундаментальных исследовании и Минобрнауки

1. РФФИ №16-35-50184. Экспериментальное и теоретическое исследование угловых и поляриметрических особенностей радиотеплового излучения почвенного покрова в ходе естественных циклов промерзания и оттаивания на частоте 1,4ГГц. (мол_нр) 2016 г.
2. РФФИ №15-35-50871. Совместная интерпретация данных ЯМР и диэлькометрии о свойствах водо- и нефтенасыщенных горных пород (мол_нр) 2015г.
3. РФФИ № 12-05-00502-а. Исследование диэлектрической релаксации в нефтенасыщенных песчано-глинистых породах 2012– 2013 гг.
4. РФФИ № 14-05-00151. Диэлектрическая релаксация в газо- нефте- водонасыщенных породах 2014– 2016.
5. Госзадание. Исследование влияния органического вещества на комплексную диэлектрическую проницаемость почв и горных пород с различной пористостью в широком диапазоне частот электромагнитных волн. № гос.рег. 01201254111, 2012- 2014-гг.
6. Госзадание. Исследование радиационных, рассеивающих, отражательных и диэлектрических характеристик земных покровов в широком диапазоне частот электромагнитных волн № гос.рег. 01201460173, 2014-2015гг.

Перечень основных публикаций сотрудников лаборатории

1.  Бобров П.П., Кульмаметьев Р.А., Павленко В.И., Сологубова Т.А., Эткин В.С. О возможности распознавания профилей  влажности по данным двухчастотных поляризационных  измерений // Метеорология и гидрология. 1987. № 7. С.102 -106.
2.  Бобров П.П., Беляева Т.А., Шестопалов Ю.К., Щеткин И.М. Особенности сверхвысокочастотного излучения периодически неровных почв // Радиотехника и электроника. 2000. №.10. С.1059-1067.
3.  Бобров П.П., Гидлевский А.В., Кульмаметьев Р.А., Павленко В.И. Повышение точности дистанционного определения влажности  почв в пахотном слое с помощью трехчастотного радиометрического комплекса. /Вопросы создания системы аэрокосмического  мониторинга сельскохозяйственных ресурсов.  М.: ВНИЦ "АИУС - Агроресурсы". 1987. С. 39 - 47.
4. Сологубова Т.А. Эткин В.С.  К  вопросу  об  учете свойств связанной  влаги  при  дистанционном  определении  влажности почвы //Исследование Земли из космоса. 1985. N.4. С.112 - 115.
5. Бобров П.П., Крылов В.В., Кульмаметьев Р.А., Павленко В.И.,  Сологубова Т.А., Эткин В.С. Определение влажности почвы по измеренной радиояркостной температуре с учетом связанной влаги // Исследование Земли из космоса. 1986. № 6. С. 89-91.
6.  Бобров П.П., Масленников Н.М., Сологубова Т.А. и др. Исследование диэлектрических характеристик почв в области перехода влажности из свободной в связанную на сверхвысоких частотах // Доклады Академии наук СССР. 1989. Т.304. №.5. С.1116 - 1119.
7.  Бобров П.П. Влияние различий в структуре засоленных и  незасоленных  почв на собственное СВЧ-излучение //Исследование Земли из космоса. 1999. № 5. С 83-87.
8.  Бобров П.П. Исследование испарения, влажности и структуры поверхностного слоя почв дистанционными микроволновыми методами //Почвоведение. 2000. №5. С.574-578.
9.  Бобров П.П., Галеев О.В. Динамика радиояркостной температуры почв с различным содержанием гумуса // Исследование Земли из космоса, 2001. №4. С 74-80.
10. Бобров П.П., Ивченко О.А., Кривальцевич С.В. Исследование почвенной структуры методом двухчастотной микроволновой радиометрии. //Исследование Земли из космоса. 2005. № 2. С. 82-88.
11. Бобров П.П., Убогов В.И. Галеев О.В. Моделирование динамики почвенной влаги при испарении с учетом влияния гумуса на гидрофизические свойства почв и на динамику собственного радиотеплового излучения //Омский науч. вест. Вып.2 (23). Омск: ОмГТУ. 2003. С.84-87.
12. Беляева Т.А., Бобров А.П., Бобров П.П., Галеев О.В., Мандрыгина В.Н. Определение параметров моделей диэлектрической проницаемости почв с различной плотностью и различным содержанием гумуса по данным экспериментальных измерений в частотном диапазоне 0,1-20 ГГц // Исследование Земли из космоса. 2003. № 5. 28-34.
13. Бобров П.П., Кривальцевич С.В., Миронов В.Л., Ященко А.С Влияние толщины промерзшего почвенного слоя на собственное радиотепловое излучение в диапазоне длин волн 3,6-11см // Известия вузов. Физика, 2006, № 9. С. 5-10.
14. Бобров П.П., Миронов В.Л., Ященко  А.С. Суточная динамика радиояркостных температур почв на частотах 1.4 и 6.9 ГГц в процессах промерзания и оттаивания // Радиотехника и электроника. 2010, № 4. С. 424-431.
15. Бобров  П.П., Кондратьева о. В., Миронов В.Л., Савин И.В., Ященко А.С. Излучательные характеристики почв, покрытых хвойным опадом, при отрицательных температурах //Известия Вузов. Физика. 2010. №9/2. С.255­–256.
16. P. P. Bobrov, A. S. Lapina,, and Yashchenko A. S. Analysis of the SMOS, MODIS and GCOM-W1 Data during the Growing Season in the Southern Part of the Western Siberia //PIERS Proceedings, Prague, July 6-9, 2015. С. 1137 – 1140.
17.  Yashchenko A.S., Bobrov P.P. Impact of the soil moisture distribution in the toplayer on the accuracy moisture retrieval by microwave radiometer data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.  2016. Vol. 54, № 9. Р. 5239 – 5246.
18. Бобров П.П., Кондратьева О.В., Репин А.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости образца в одной ячейке от десятков герц до единиц гигагерц // Известия Вузов. Физика. 2012. № 8/3. С. 23-26.
19. Бобров П.П., Репин А.В., Кондратьева О.В. Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ в широком частотном диапазоне. Патент РФ на изобретение № 2474830 С1 МПК G01R27/26  от 12.08.2011г. Зарегистрирован 10.02.2013 г. Патентообладатель ГОУ ВПУ "Омский государственный педагогический университет".
20. Bobrov P. P., Repin A.V., Rodionova O.V. Wideband Frequency Domain Method of Soil Dielectric Properties Measurements // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.  2015.  Vol. 53, № 5. Р. 2366–2372.
21. Бобров П.П., Миронов В.Л., Ивченко О.А., Красноухова В.Н. Спектроскопическая модель диэлектрической проницаемости  почв, использующая стандартизованные агрофизические показатели // Исследование Земли из космоса. 2008.  № 1. С.15-23.
22.  Беляева Т. А., Бобров П. П., Кондратьева О. В., Репин А. В. Диэлектрические свойства капиллярно-менисковой почвенной влаги //Исследование Земли из космоса. 2011. № 3. С. 55-64.
23. Mironov V.L., Bobrov P.P., Fomin S.V.  Multirelaxation Generalized Refractive Mixing Dielectric Model of Moist Soils //IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2013. Vol. 10, №. 3, Р.603-606.
24. Mironov V.L., Bobrov P.P., Fomin S.V., Karavaiskii A.Yu. Generalized Refractive Mixing Dielectric Model of Moist Soils Considering Ionic Relaxation of Soil Water //Russian Physics Journal, 2013. Vol. 56, No. 3, Р. 319-324.
25. Беляева Т.А., Бобров П.П., Миронов В.Л., Родионова О.В. Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды в бентоните от влажности и температуры // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 3. С. 288–300.
26. Bobrov P. P., Belyaeva T.A., Lapina A. S., Rodionova O.V. The effect of a very small water content on the complex dielectric permittivity of sand and sand-clay rocks // Proceedings of the 11th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances (ISEMA 2016).  Р. 213–219
27. Эпов М.И., Миронов В.Л., Бобров П.П., Савин И.В., Репин А.В. Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в диапазоне частот 0,05–16 ГГц//Геология и геофизика. 2009. Т.50 №5. С. 613-618.
28. Эпов М.И., Бобров П.П., Миронов В.Л., Репин А.В. Диэлектрическая релаксация в глинистых нефтесодержащих породах//Геология и геофизика. 2011. Т. 52.  № 9. С. 1302-1309.
29. Бобров П.П., Лапина А.С., Репин А.В. Влияние связанной воды на комплексную диэлектрическую проницаемость нефте- водонасыщенных песчано-глинистых пород //НТВ “Каротажник”. Тверь: Изд. АИС. 2013. № 8 (Вып. 230). С. 56-68.
30. Бобров П.П., Миронов В.Л., Репин А.В. Спектры диэлектрической проницаемости нефтеводонасыщенных песчано-глинистых пород различного минералогического состава и релаксационные свойства воды в этих породах // Геология и геофизика, 2015. Т. 56.  № 7. С. 1359-1368.
31. P. P. Bobrov, A. S. Lapina, and Repin A. V. Effect of the Rock/Water/Air Interaction on the Complex Dielectric Permittivity and Electromagnetic Waves Attenuation in Water-saturated Sandstones //Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS) Proceedings. Prague, July 6-9, 2015. С. 1877-1879.
32. P. P. Bobrov, A. S. Lapina,, and Yashchenko A. S. Analysis of the SMOS, MODIS and GCOM-W1 Data during the Growing Season in the Southern Part of the Western Siberia //PIERS Proceedings, Prague, July 6-9, 2015. С. 1137 – 1140.
33. Bobrov P. P., Yashchenko A. S., Rodionova O. V., Repin A. V., Lapina A. S. The Electrical Characteristics of the Rocks with Different Texture //PIERS Proceedings. Prague, July 6-9, 2015. С. 1881 – 1884.
34. Лапина А.С., Бобров П.П. Гистерезис диэлектрической проницаемости и эквивалентной удельной электропроводности увлажненных порошков кварцевых гранул разных размеров // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 8/2. С.17-21.
35. Шумскайте М.Й., П.П. Бобров П.П., Лапина А.С. Изменение диэлектрической проницаемости и ЯМР-сигнала влажных порошков кварцевых гранул при увеличении и уменьшении водонасыщенности // НТЖ «Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений». 2016 № 5. С.15-20.
36. Lapina A. S.,  Bobrov P.P. Elecromagnetic Waves Attenuation in the Sandstones with Grains of Different Size at Imbibition and Drying // Progress in Electromagnetics Research M, 2016. Vol. 45, рр. 9–16.
37. Lapina A.S., Bobrov P. P., Golikov N.А., Repin A.V., Shumskayte M.Y. Hysteresis of the NMR response and the complex relative permittivity of sandstones during the water imbibition and drainage // Proceedings of the 11th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances (ISEMA 2016). Р. 205–212.

The scientific laboratory of dielectric methods in petrophysics (PDF, 1.16 Мб)

Положение о научно-исследовательской лаборатории диэлькометрии и петрофизики (PDF, 275.23 Кб)