第五讲 岩土工程介质的电磁学特性

第五讲岩土工程介质的电磁学特性

在工程地球物理研究中将各类岩石、土、混凝土、木材、玻璃、塑料、金属等材料通称为工程介质。雷达探测的基本原理是使用电磁波穿透工程介质，当存在电磁性质差异界面时，电磁波发生反射，根据反射波的时程与动力学特征确定介质的结构。因而研究各类工程介质的电磁性质及差异，是了解电磁波在各类介质中传播、衰减、折射、反射规律的基础，是应用地质雷达的基础，也是资料解释的基础。介质的电磁学性质可用电导率、介电常数和磁导率来表征。

5.1介质的电导率、磁导率与介电常数

★介电常数的物理含义

介电常数是一个无量纲物理量，它表征一种物质在外加电场情况下，储存极化电荷的能力。自然界中物质的介电常数最大的物质是水，介电常数为81，最小的是空气与金属，数值为1。工程状态下的岩土介质，其介电常数的主要差异决定其含水量的大小。介电常数不同的两种介质的界面，会引起电磁波的反射，反射波的强度与两种介质的介电常数及电导率的差异有关。即使介电常数的差异小到1时，也能产生雷达可以检测到反射。

★磁导率的物理含义

磁导率是一个无量纲物理量，它表征介质在磁场作用下产生磁感应能力的强弱。绝大多数工程介质都是非铁磁性物质，磁导率都接近1，对电磁波传播特性无重要影响。纯铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等材料为铁磁性物质，其磁导率很高，达到102-104，电磁波在这些物质中传播时波速和衰减都受到重要影响。

★电导率（电阻率）的物理含义

电导率（电阻率的倒数）是表征介质导电能力的参数，单位为S/m，它对于电磁波的传播有重要影响。

低电导：σ<10-7S/m 满足σ/εω〈〈1，电磁波衰减小，适宜雷达工作；此类介质有：空气，干燥花岗岩，干燥灰岩，混凝土，沥青，橡胶，玻璃，陶瓷等；

中电导：10-7S/m<σ<10-2S/m，电磁波衰减较大，雷达勉强工作；

此类介质有：淡水，淡水冰，雪，砂，淤泥，干粘土，含水玄武岩，湿花岗岩，土壤，冻土，砂岩，粘土岩，页岩等；

高电导：σ>10-2S/m，满足σ/εω»1，电磁波衰减极大，难于传播；

此类介质有：湿粘土，湿页岩，海水，海水冰，湿沃土，含水砂岩，含水灰岩，金属物等；

5.2岩土工程介质的电磁性质

各类岩石、各类土的电磁学性质有了很多的研究和测定。空气是自然界中电阻率最大、介电常数最小的介质，电磁波速最高，衰减最小。水是自然界中介电常数最大的介质，电磁波速最低。干燥的岩石、土和混凝土其电磁参数虽有差异，但差异不大，基本上多数属于高阻介质，介常数在4-9之间，属中等波速介质。但是由于各类岩土不同的孔隙率和饱水程度，显现出较大的电磁学性质差异。这些差异表现在介电常数和电导率方面，决定了不同岩性对应不同的波速和不同的

衰减。下边是一些工程介质电磁学参数测定结果表。

工程介质的电磁参数表

5.3水对工程介质电磁性质的影响

很多工程事故都与水有关，水的存在改变了介质的工程力学性质，这是大家熟知的。但是水的存在还可以大大的改变介质的电磁学性质，为地质雷达检测提供一些便利。

众所周知，水是自然界中介电常数最大、电磁波速最低的介质。纯净水是高足的，并不导电。但水是自然界中最好的溶剂，当水中溶解一定量的矿物质时，水溶液具有很好的导电性，电导较高。如果岩石孔隙、裂隙、断裂破碎带或是松散土中充满水，则充水后的介质的电磁学性质就要受到水的影响，介电常数介与水和岩土之间，电导率也回明显升高。这有利于用雷达检测软弱结构带，水起到了造影剂的作用。干砂的介电常数只有2.6，电导率很低仅为1.4*10-4，但砂充水之后，介电常数升高到25，几乎提高到10倍；电导率升高到6.9*10-3，提高了一倍，或许不算明显，是因为砂中可溶性矿物较少，再看一看粘土，情形回大不相同。

干燥粘土的介电常数是2.4，比较小。电导律是2.710-4，也比较小。当粘土充水后介电常数提高到15，提高了近7倍，电导率升高到5.0*10-2，提高了近两个数量级。粘土的空隙率不高，所以变化还不算太大。有些孔隙率大、可溶成分多或是流动不畅的积水，起电磁常数的变化会更大。

下边有两幅曲线图，用以说明含水量对于电导率和介电常数的影响。一个是淤泥质粘土不同含水量条件下电导率的变化。用2*105HZ频率电磁波测试，含水量由1%增加到30%时，电导率由10-4S/m变化到10-1s/m，升高了3个数量级；另一幅图表示不同含水量的砂和粘土介电常数的变化。含水量由1%增加到60%时，介电常数由2增加到81。这两附图充分的所明了水对工程介质电磁学参数的影响。

介电常数随含水量的变化电导率随含水量的变化

5.4介质电磁特性对电磁波传播的影响

工程介质既不是理想状态的导体，也不是理想状态的绝缘体，它是具有一定电阻率的电介质。因为有一定的电导率，电磁波在工程介质中传播时，在电磁场的作用下会产生传导电流，发热做功，造成电磁波能的损耗。因而在工程介质中电磁波传播的距离是有限的，介质的电导率越高衰减越大，传播距离越近。

大多数的工程介质的介电常数为中等值。自然界中物质的介电常数最小为1，是空气，最大为81，是水。岩石、土、混凝土等常见的工程介质的介电常数在4-9之间。粗略说来，岩土介质的电磁波速是水的3倍，空气的电磁波速又是岩土介质的3倍。因而岩土介质与空气、水有较大的波阻抗差异，其接触界面反射强烈。

工程介质的另一个特点就是其电磁参数与频率有关，电导率、介电常数都与电磁波频率有关。介质的电导率随电磁波频率的升越高而升高，频率不同时介电常数也不同，因而电磁波在工程介质中传播是要发生色散。

通常用σ/εω《1表示电磁波能很好传播的绝缘介质，σ/εω》1表示电磁波强烈衰减的导体介质。干燥岩土和混凝土介质满足前者，金属板、钢架满足后者。饱水的粘土介于两者之间。