Zastosowanie metody elektrooporowej do rozpoznania złóż surowców skalnych

Zwiększenie popularności metody elektrooporowej

Metoda elektrooporowa w ostatnich latach staje się coraz bardziej popularna                          w problematyce  rozpoznawania płytkiej budowy przypowierzchniowej. Ma to bezpośredni związek z ogromnym postępem technologicznym, jaki miał miejsce w ostatnich latach           w dziedzinie aparatur elektrooporowych, przede wszystkim związanych z tomografią elektrooporową. Dynamiczny rozwój urządzeń pomiarowych oraz większa moc obliczeniowa komputerów spowodowały, że metoda ta stała się precyzyjnym, efektywnym i stosunkowo tanim narzędziem, możliwym do wykorzystania w szerokim spektrum poszukiwawczym. Coraz częściej metoda elektrooporowa stosowana jest w zagadnieniach inżynierskich, kształtowaniu i ochronie środowiska, hydrogeologii, archeologii, a także w pracach związanych z poszukiwaniem i eksploatacją złóż kopalin.

Geofizyczne badania, do których zalicza się tomografię elektrooporową czy sejsmikę inżynierską,  dostarczają cennych informacji z zakresu poszukiwań i eksploatacji złóż surowców skalnych. Stosowanie różnych metod geofizycznych pozwala na oszacowanie zasobów złoża oraz ułatwia planowanie eksploatacji. Dzięki ich wykorzystaniu w łatwy             i skuteczny sposób możliwe jest wyznaczenie granicy oraz głębokości potencjalnego złoża, jak  również określenie właściwości fizycznych skał. Powierzchniowe metody geofizyczne są ekonomiczne i szybkie w porównaniu z tradycyjnymi wierceniami. Mogą być prowadzone przed lub w ramach procesu prospekcji. Stanowić mogą metodę komplementarną wysokobudżetowych prac tj. wiercenia.

Firma GeoVolt  przeprowadziła wiele prac nad oceną ilościową złóż surowców skalnych oraz kruszyw naturalnych. Sprzęt oraz oprogramowanie wykorzystywane do tych celów są najnowocześniejszymi na rynku, co w połączeniu z doświadczeniem kadry pracowniczej pozwala efektywnie wyznaczyć granice poziome i pionowe złoża.

Wybrane przykłady zastosowań

Poniżej zostały przedstawione przykłady realizacji badań geofizycznych w wariancie tomografii elektrooporowej, wykonane  w celu ustalenia opłacalności wykupu działek, na których w przyszłości miałaby odbywać się eksploatacja w kopalniach odkrywkowych, określenia głębokości stropu warstwy złożowej czy też zidentyfikowanie stref związanych z działalnością krasową. Dzięki przeprowadzonym badaniom możliwym było rozpoznanie złóż, ze szczególnym naciskiem na określenie głębokości spągu złoża, występowania dyslokacji w postaci uskoków oraz stref zwietrzałych i spękanych.

W przypadku wszystkich przykładów wybór metody pomiarowej uwarunkowany był przede wszystkim korzystnym z punktu widzenia prac geoelektrycznych, bardzo wyraźnym kontrastem opornościowym pomiędzy wysokooporowymi skałami, które docelowo miały być eksploatowane, a niskooporowym nadkładem. Przy projektowaniu pomiarów brano również pod uwagę konieczność uzyskania odpowiedniej rozdzielczości pionowej i poziomej                 (w zależności od postawionego zadania) oraz osiągnięciu zadowalającej głębokości penetracji.

I. Przykłady wykorzystania metody elektrooporowej w badaniach poprzedzających wykup działek pod planowaną eksploatację

Dzięki zastosowaniu tego typu badań, przed rozpoczęciem eksploatacji możliwe jest właściwe ukierunkowanie dalszych badań z wykorzystaniem wierceń. W przypadkach, gdy przeprowadzone pomiary dają jednoznaczne wyniki możliwe jest zaniechanie prowadzenia inwestycji na obszarze nierentownym, czy też rozpoczęcie eksploatacji na terenach, które zostały zdefiniowane jako ekonomicznie korzystne.

Warto również zwrócić uwagę na całkowitą bezinwazyjność oraz szybkość pomiarów elektrooporowych, co może być czynnikiem decydującym w przypadku negocjacji między przyszłym inwestorem  a posiadaczem gruntu.

Określenie zasięgu przestrzennego piaszczysto-żwirowych osadów

Badania przeprowadzono w celu określenia występowania, miąższości oraz głębokości zalegania osadów piaszczysto-żwirowych. W celu prawidłowego rozpoznania geologicznego przeprowadzono dwa profile pomiarowe. Zarejestrowane oporności mieszczą się                    w przedziale 40-160 Ωm. Oporności nieprzekraczające 50Ωm łączone są z występowaniem     w podłożu warstwy gruntów spoistych, wyższe oporności (powyżej 60 Ωm) identyfikowane są z obecnością poszukiwanych osadów piaszczysto-żwirowych.

Fig. 1 Przekrój elektrooporowy P1, osady piaszczysto żwirowe

Fig. 2 Przekrój elektrooporowy P2, osady piaszczysto żwirowe

Na obu przekrojach bardzo wyraźnie zaznacza się granica pomiędzy warstwami piaszczysto-żwirowymi oraz utworami spoistymi. Na pierwszym z profili nad częścią warstwy złożowej znajduje się nadkład, którego grubość waha się od 1 do 9 m. Miąższość poszukiwanych osadów zmienia się w granicach od 4,5 do 25 m.

Poszukiwana warstwa ma większą miąższość na profilu pierwszym. Co więcej, do 160 m jej strop zalega bardzo płytko. Jest to obszar najbardziej korzystny pod względem planowanej eksploatacji. Warto również zauważyć, że oporności zarejestrowane na tym profilu są wyższe, świadczy to o większej procentowej zawartości frakcji najgrubszej lub lepszym wysortowaniu zdeponowanego materiału.

Określenie ciągłości złoża na obszarach przylegających do kopalni bazaltów

Celem badań geofizycznych było rozpoznanie szczegółowej budowy geologicznej działek leżących w bezpośrednim sąsiedztwie kopalni bazaltów. Jako, że bazalty charakteryzują się opornościami elektrycznymi wyraźnie większymi niż utwory czwartorzędowe zastosowanie metody tomografii elektrooporowej okazało się być właściwym wyborem.

Wykonane pomiary elektrooporowe wskazały na brak ciągłości złoża skał bazaltowych           w bezpośrednim sąsiedztwie badanego obszaru. Na żadnym z czterech wykonanych profili nie zarejestrowano obecności skał o oporności odpowiadającej bazaltom (oporność bazaltu zwykle przekracza wartość 1000 Ωm). Wzrost oporności jest zbyt mały, aby mógł być utożsamiany ze skałami magmowymi. Ma on związek z występowaniem piaszczysto-żwirowej warstwy przypowierzchniowej, powstałej w wyniku działalności przepływającej       w pobliżu rzeki. Zalegają one na kompleksie niskooporowym, odpowiadającym gruntom spoistym.

Fig. 3 Przekrój elektrooporowy P2, brak poszukiwanych złóż bazaltowych

Określenie występowania wapienia w ramach planowania otwarcia kamieniołomu

Podobnie jak skały magmowe, wapienie charakteryzują się wysokimi opornościami. Z punktu widzenia badań elektrooporowych jest to sytuacja bardzo korzystna, pozwala bowiem w sposób jednoznaczny wyznaczyć granice występowania złóż.

Na obszarze planowanej eksploatacji zaprojektowano 3 profile elektrooporowe. Uzyskane wartości oporności sklasyfikowano w 3 grupach: kompleks I  – utwory spoiste niskooporowe, kompleks II – utwory średnio i wysokooporowe odpowiadające spękanym, częściowo nasyconym wodą wapieniom, kompleks III – utwory bardzo wysokooporowe, identyfikowane jako wapienie zbite, suche.

Uzyskane wyniki przedstawiono w sposób  następujący:

Fig. 4 Przekrój elektrooporowy P1, złoża wapieni

Fig. 5 Przekrój elektrooporowy P2, złoża wapieni

Fig. 6  Przekrój elektrooporowy P3, złoża wapieni

Powyższe przekroje elektrooporowe wskazują na występowanie wapieni na zbadanym obszarze. Ich ciągłość jest zaburzona, warstwa złożowa nie ciągnie się na całym obszarze, występują liczne wkładki materiału spoistego.

Profile zostały wykonane równolegle do siebie, profil trzeci oddalony był od dwóch pierwszych o znaczną odległość (Fig.7). Wyraźnie widoczna jest korelacja wyników z profilu na profil oraz zanik przypowierzchniowej warstwy złożowej w kierunku południowo-wschodnim.

Fig. 7 Mapa sytuacyjna, złoża wapieni

Obszary związane z występowaniem złoża bezpośrednio p.p.t. znajdują się między profilami P1 oraz P2. Powierzchnia tych obszarów jest niewielka, co w połączeniu z brakiem ciągłości między nimi powoduje, iż  planowana eksploatacja nie będzie ekonomicznie uzasadniona.

Kopalnia odkrywkowa piaskowców

Piaskowce, których zbadanie było celem przeprowadzonych pomiarów na pobliskim terenie zalegają stosunkowo płytko pod powierzchnią. W miejscu prowadzonych prac wykonano       3 profile elektrooporowe, wynik uzyskany na jednym z nich zaprezentowany został na Fig.8.

Przy interpretacji geologicznej otrzymanych wyników przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących na terenie badań:

·       warstwa gruntów przypowierzchniowych – około 20-60 Ωm, oporności
te identyfikowane są z nadkładem pylasto-gliniastym,

·       skała spękana – od 60 do 150 Ωm (skała o różnym stopniu spękania, zwietrzała),

·       skała lita (lub mało spękana)  - od 150 do 500 Ωm.

Fig. 8 Przekrój elektrooporowy P1, kopalnia odrkywkowa piaskowców

Strop skalnego podłoża stanowiący cel poszukiwań łączony jest z występowaniem granicy elektrooporowej pomiędzy niskooporowym kompleksem przypowierzchniowym                      a dominującym kompleksem wysokooporowym. Granica ta przebiega na głębokości               9-12 m p.p.t. Na całej długości profilu obserwuje się rozbudowaną strefę przejściową pomiędzy niskooporowym nadkładem a wysokooporowym podłożem. Jest to strefa                o opornościach na poziomie około 60-150 Ωm i miąższości 7-8 m. Oporności te charakterystyczne są dla skał spękanych lub silnie zwietrzałych.

Najważniejszą z punktu widzenia przyszłej eksploatacji jest warstwa położona najniżej. Charakteryzuje się ona wysokimi opornościami typowymi dla mocno zlityfikowanego podłoża. Podwyższenia oporności w tej warstwie świadczą o obecności w tych miejscach największych, najmniej spękanych formacji skalnych. Obniżenie oporności identyfikować można natomiast z obecnością skały silnie spękanej w obrębie złoża.

II. Przykłady wykorzystania metody elektrooporowej w celu ustalenia miąższości nadkładu oraz identyfikacji stref zwietrzałych

W przypadku gdy eksploatacja na danym terenie ma już miejsce inwestorzy wykorzystują badania geofizyczne w celu szczegółowego rozpoznania złoża. Dzięki zastosowaniu metody elektrooporowej możliwe jest określenie grubości nadkładu, rozpoznanie zmian w obrębie złóż (np. skrasowienia złóż kopalin węglanowych) czy też określenie nieodsłoniętych granic złoża (w szczególności w złożach zakrytych).

Badania mające na celu ustalenie głębokości zalegania stropu złoża oraz wyznaczenia stref związanych z występowaniem zjawisk krasowych w kopalni odkrywkowej dolomitu

W ramach przeprowadzonych badań wykonano 12 profili pomiarowych, dzięki którym udało się wyznaczyć miąższość nadkładu (Fig.13). Ponadto badania miały na celu zlokalizowanie skał w większym stopniu spękania oraz miejsc, w których widoczne jest działanie procesów krasowych. W celu kompleksowego rozpoznania budowy geologicznej badania te zostały zaprojektowane tak, aby linie pomiarowe przebiegały przez punkty, w których wcześniej wykonano otwory wiertnicze. Dzięki temu możliwym było skorelowanie uzyskanych obrazów elektrooporowych z danymi z wierceń.

W przypadku badań geofizycznych złóż węglanowych w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobisk przyjmuję się, że najwyższe zarejestrowane oporności odpowiadają materiałowi skalnemu dominującemu w lokalnych warunkach geologicznych. Najniższe oporności związane są           z obecnością nadkładu (zazwyczaj materiału spoistego), natomiast oporności pośrednie to skały

Rys1. Prace geofizyczne w kopalni odkrywkowej

węglanowe w znacznym stopniu spękane, w kompleksie tym możliwy jest rozwój wietrzenia, przede wszystkim procesów krasowych. Dzięki tego typu uproszczeniom obraz elektrooporowy staje się bardziej czytelny dla osób niezwiązanych z geofizyką. Klasyfikacja ta została również wykorzystana podczas wizualizacji w tym przypadku.

Fragment przekroju elektrooporowego nr 2 został zaprezentowany na Fig.9. Ponadto, naniesiono na nim również profil uzyskany podczas danych archiwalnych z wierceń. Nie trudno zauważyć bardzo dobrą korelację miedzy obiema metodami. W górnej części                  o najniższej oporności występuje nadkład zbudowany z utworów gliniastych, poniżej znajduje się spękana część skały, która częściowo uległa wietrzeniu. W miarę przesuwania się po profilu strefa skał zwietrzałych zanika ustępując miejsca wysokooporowemu podłożu         o charakterze litym, niespękanym.

Fig. 9 Fragment profilu elektrooporowego nr 2 w rejonie otworu archiwalnego nr 0-8

Strefy, w których doszło do bardzo intensywnego wietrzenia zostały zarejestrowane na profilu nr 8, którego fragment zaprezentowany został na Fig.10. Są to dwa niskooporowe ośrodki, które mogą być utożsamiane z dolomitem, w którym występują liczne kawerny          i spękania, ich źródłem są procesy krasowe. W nadkładzie podobnie jak na Fig.9 dominuje glina, jego miąższość nie przekracza 6 m. Również i w tym wypadku zarejestrowane oporności są bardzo dobrze skorelowane z profilem uzyskanym podczas wierceń.

Fig. 10 Fragment profilu elektrooporowego nr 1 z rejonu otworu archiwalnego nr 0-5

Profil nr 4, przedstawiony na Fig.11 wiernie odzwierciedla zapis elektrooporowy nadkładu. Powyżej 130 m. b. profilu nadkład został zdjęty, a strefę przypowierzchniową stanowią tutaj dolomity częściowo zwietrzałe. Pozostawiony na początkowym odcinku profilu gliniasty nadkład jest doskonale widoczny na obrazie elektrooporowym. Jego oporności są znacznie niższe od pozostałych formacji.  Poza granicą 130 m. b. lokalne spadki oporności związane są z wyjątkowo silnym oddziaływaniem procesów krasowych. Ich kształt oraz wartości oporności wskazują na obecność pustek i kawern wypełnionych niskooporowym materiałem gliniastym.

Fig. 11 Profil elektrooporowy nr 4, określenie miąższości nadkładu oraz stref skrasowiałych

Nadkład osiąga dużo większe miąższości - przekraczające miejscami 10 m - między innymi na profilu nr 5, jego fragment przedstawia Fig.12.

Fig. 12 Profil elektrooporowy nr 5, określanie miąższości nadkładu

Końcowym wynikiem wykonanych prac geofizycznych było wytypowanie miejsc objętych krasowieniem oraz mapa miąższości nadkładu.

Fig. 13 Mapa dokumentacyjna, kopalnia wapienia

Wyznaczenie głębokości zalegania stropu wapieni

W celu ustalenia miąższości nadkładu przeprowadzono 6 profili elektrooporowych (pięć          z nich było równoległych, jeden - prostopadły do pozostałych). Wyniki uzyskane na jednym       z nich przedstawiono poniżej. Bazując na znajomości geologii badanego terenu oraz przekrojach uzyskanych podczas wierceń archiwalnych przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących w rejonie badań:

Fig. 14 Typowy profil opornościowy

Jeden z zarejestrowanych przekrojów elektrooporowych zaprezentowano na Fig.15

Fig. 15 Profil nr 4, określanie miąższości nadkładu

Na profilu 4 obecność niskooporowego pakietu stanowiącego nadkład oraz podobnego pakietu podścielającego złoże, sprawia, iż w obrazie elektrooporowym pojawia się wysoki kontrast opornościowy pomiędzy poszczególnymi seriami osadów. Z punktu widzenia badań elektrooporowych jest to sytuacja bardzo korzystna. Miąższość nadkładu na tym profilu nie przekracza 8 m, natomiast spąg warstwy złożowej w miarę przesuwania się po profilu maleje. Na środku zaznaczono oporności zarejestrowane na profilu 6, prostopadłym do profilu 5, który przecina go na 62 m. Wyniki bardzo dobrze się korelują.

Wyznaczanie głębokości leja krasowego oraz jego rozciągłości w złożu wapieni

W celu określenia głębokości oraz rozciągłości leja krasowego, a także kierunku postępu procesu krasowienia wykonano 5 profili. Przedmiotem badań były wapienie dewońskie oraz znajdujący się w ich obrębie lej krasowy wypełniony osadami trzeciorzędowymi takimi jak piaski, muły, iły. Nadkład stanowią utwory czwartorzędowe.

Przy interpretacji geologicznej otrzymanych wyników przetwarzania danych pomiarowych przyjęto następujące założenia dotyczące wartości oporności elektrycznej dla utworów występujących na terenie badań:

·       warstwa gruntów przypowierzchniowych – od  30 do 80 Ωm identyfikowana                z nadkładem piaszczystym lub gliniastym oraz osadami wypełniającymi lej krasowy,

·       skała lita (lub mało spękana) - od 80 do 1500 Ωm.

Dwa z wykonanych profili przedstawione zostały na Fig.16 i Fig.17

Fig. 16 Profil elektrooporowy P1, lej krasowy

Na profilu P1 wyróżnione zostały dwa bloki o odmiennych opornościach. Pierwszy, niskooporowy identyfikowany jest z nadkładem. Blok wysokooporowy odpowiada wapieniom dewońskim. Kontrast elektrooporowy pomiędzy w/w blokami jest bardzo wysoki, a wyinterpretowane granica elektrooporowa utożsamiana ze stropem podłoża skalnego jest  wyraźna.

Na odcinku pomiędzy 30 a 210 m przekroju badawczego obserwuje się spadek oporności do poziomu około 30 Ωm. Obniżenie wartości oporności świadczy o występowaniu w tym rejonie leja krasowego wypełnionego osadami mioceńskimi, którego maksymalna głębokość sięga 48 m.

W stropowej części osadów mioceńskich pomiędzy 70 a 200 m profilu następuje wzrost oporności wywołany obecnością osadów małospoistych, prawdopodobnie piasków trzeciorzędowych. Kompleks ten ma miąższość około 2-9 m.

W końcowym fragmencie przekroju na odcinku pomiędzy 210 a 346,5 metrem przekroju obserwuje się praktycznie płasko-równoległą granicę bloków opornościowych pomiędzy niskooporowym nadkładem, a skałą starszego podłoża. Granica ta zalega na głębokości około 5 m p.p.t.

Fig. 17 Profil elektrooporowy P2, lej krasowy

Profil P2 wykazuje znaczne podobieństwo do profilu  P1. Na obu profilach zaobserwowano zasięg występowania leja krasowego, jednakże na profilu P2 zasięg głębokościowy osadów mioceńskich jest płytszy i osiąga maksymalną głębokość 34 m. Wskazuje to na stopniowe wypłycanie osadów trzeciorzędowych w kierunku północnym.

Wynikiem końcowym przeprowadzonych badań była mapa obrazująca głębokość do stropu skały 

(Fig.18).

Fig. 18 Mapa obrazująca głębokość do stropu skały

Podsumowanie

Rozwój jaki dokonał się w przedmiocie badań elektrooporowych w ostatnich latach spowodował wyraźny wzrost znaczenia tego typu prac w szczegółowym rozpoznaniu geologicznym złóż. Jej zastosowanie pozwala między innymi na określenie miąższości nadkładu czy też identyfikację stref objętych procesami wietrzenia (np. krasowienia).

Tomografia elektrooporowa może z powodzeniem być stosowana nie tylko jako metoda uzupełniająca, ale także jako niezależne źródło danych geologicznych. Użycie tylko tej metody wydaje się być szczególnie atrakcyjne w przypadkach, gdy wykonywane są badania rekonesansowe, przedekspolatacyjne. Skutkuje to znaczną redukcją kosztów jakie należałoby przeznaczyć na wiercenia, które są szczególnie nierentowne w przypadku stwierdzenia braku użytecznej warstwy złożowej.

W sytuacjach, w których stwierdza się obecność użytecznej warstwy złożowej warto oczywiście wykorzystać metodę elektrooporową jako metodę komplementarną dla wierceń. Połączenie wyników badań punktowych (wierceń) oraz liniowych (tomografii elektrooporowej) pozwala na pełne, szczegółowe udokumentowanie złoża.

Literatura

·       Fajklewicz, Z. (1972) Zarys Geofizyki Stosowanej. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa

·       Gruszczyk H., (1984) Nauka o złożach , Wydawnictwa geologiczne, Warszawa

·       Sorokin L., (1956) Geofizyka poszukiwawcza. Wydawnictwa geologiczne, Warszawa

·       Wiatr I., Marczak H. (1989) Geologia Ogólna – Podstawy geologii złóż i hydrogeologii, Wydawnictwa uczelniane, Politechnika Lubelska

·       Ślusarczyk R. (2001) Możliwości zastosowania geofizyki inżynierskiej w problematyce budownictwa lądowego i wodnego. Geofizyka w inżynierii i ochronie środowiska dla potrzeb samorządności lokalnej Dębe marzec 2001

·       Antoniuk J., Mościcki J., (2001) Metody geoelektryczne w badaniach I ochronie środowiska geologicznego poddanego antropopresji. Geofizyka w inżynierii i ochronie środowiska dla potrzeb samorządności lokalnej Dębe marzec 2001

·       Przekroje elektrooporowe z zasobów własnych

           

Hydrogeologia - temat rzeka

Zacznę książkowo: "Hydrogeologia", czyli nauka zajmująca się wodami podziemnymi, a dokładniej pochodzeniem, rozmieszczeniem, dynamiką oraz ustrojem, nauka, która bada  zasoby i właściwości fizyczno-chemiczne wód podziemnych. Można by było napisać wiele na ten temat, gdyż hydrogeologia ma wiele odłamów, kierunków  i dziedzin - ciekawskich odsyłam do mądrych ksiąg.

W tym poście nie będę  pisał o samej hydro, ale o wykorzystaniu geofizyki w badaniach hydrogeologicznych, a dokładniej w poszukiwaniach wody.

Ale czemu właśnie o tym ?? Najprościej - bo jest fajne, może nie aż tak fajne jak uprawianie łomżingu na trawce ale w końcu nie o to na tym blogu chodzi. 

Poszukiwaniem wody za pomocą metod geofizycznych zainteresowałem się dwa lata temu, podczas luźnej rozmowy z moim kolegą, który opowiedział mi o swoich problemach z wysychającą studnią. Nic miłego, brak wody w domku jednorodzinnym może prowadzić do dużych problemów, kłótni a nawet walki na noże. Jednym słowem duży problem (to dwa słowa) nad którym zastanawiałem się jak go rozwiązać.

Trochę faktów : działka zlokalizowana w warunkach geologicznych czwartorzędowych, których warstwą podścielającą są warstwy mioceńskie wykształcone w tym rejonie jako iły krakowieckie. Wg. mapy geologicznej warstwy "Q" reprezentowane są w tym rejonie przez gliny, pyły, piaski. 

Studnia została wykonana w latach 90 tych z 20 kręgów, czyli ma 16m głębokości.

Po tych informacjach, które zebrałem nasuwa się proste stwierdzenie - studnie postawiono w złym miejscu !! Najprawdopodobniej została wykopana w glinie a zakończona w iłach (pewnie ił był tak twardy, że nie było możliwości wykopać więcej), swoją drogą szacun dla ludzi którzy kopią takie studnie, nie wiem czy bym się odważył zejść na 20m i kopać łopatą z myślą że zaraz może zalać mnie woda??!!

Idealne zadanie dla elektrooporówki, zwłaszcza że działka mojego kolegi miała dwa ha, więc można się było pobawić i poszukać lepszego miejsca. 

Zakładam że jeżeli ktoś czyta ten tekst to wie na czym polega i jak w praktyce wygląda elektrooporówka, więc nie będziemy bić nad tym piany, za to napiszę trochę o podstawie zastosowania: 

Podstawą zastosowania metody obrazowania elektrooporowego do rozwiązania zadania geologicznego jest fakt, iż oporność elektryczna warstwy wodonośnej jest znacząco wyższa, niż oporność warstw okalających. Stąd wysoki gradient oporności występujący na granicy warstw jest podstawą do wyznaczenia stropu i spągu warstwy wodonośnej. 

Na podstawie przebiegu granicy elektrooporowej pomiędzy warstwą wysokooporową a warstwami niskooporowymi można wnioskować na temat miąższości warstwy wodonośnej oraz jej przebiegu i zróżnicowania litologicznego.

Już po pierwszym profilu wszystko było jasne, a dokładnie tak jak opisałem powyżej. Istniejąca studnia została wykonana w warstwach niskooporowych, pomiędzy dwoma wysokooporowymi soczewkami. Studnia miała prawo wysychać, gdyż nie została wykonana w warstwach gdzie dopływ wody mógł zasilić ją odpowiednio z warstw piaszczysto żwirowych, a zasilany był z warstw gliniastych uzależnionych od infiltracji wód atmosferycznych.

Po badaniach wskazałem miejsce gdzie miąższość warstwy wysokooporowej jest największa, a oporności świadczą o najlepszym wysortowaniu materiału. Dodatkowo zaproponowałem aby studnia w nowej lokalizacji została wykonana przez wiercenie. Wyniki zostały potwierdzone, kilka butelek niskobudżetowego burbona wypite a sukces odtrąbiony.

Lubię kiedy geofizyka zostaje potwierdzona przez odwierty, czuję wtedy lekkie spełnienie co do zastosowania mojej wiedzy w konfiguracji z geofizyką ;) , bo robienie badań geofizycznych bez potwierdzonego repera jest jak obietnice prezydenckie bronka i jędrka.

Tak oto zaczęła się moja przygoda z lokalizacją warstw wodonośnych która trwa do tej pory. Wykonałem ponad zylion pomiarów w różnych warunkach geologicznych które sie sprawdziły, a najlepsze że nadal się sprawdzają.

Wygrzebane z szuflady .

WYKRYWANIE NIEJEDNORODNOŚCI W OBRĘBIE OBWAŁOWAŃ RZECZNYCH Z WYKORZYSTANIEM METOD SEJSMIKI INŻYNIERSKIEJ

1.     WSTĘP

Od czasu powodzi w 1997 roku zaczęto zwracać większą uwagę na przyczyny takich tragedii oraz podjęto działania mające na celu zapobieganiu im w przyszłości (rys.1). Jedną z wielu przyczyn powodzi jest źle wykonana konstrukcja obwałowań rzecznych, lub niedostateczna ich konserwacja. Duży wpływ na kondycję obwałowań i powstające tam miejscowe strefy rozluźnionego materiału mają głównie: opady atmosferyczne, przemarzanie gruntu, aktywność człowieka, zwierząt itp. Czynniki takie mogą być przyczyną przeciekania lub nawet przerwania ciągłości nasypu.

Do tej pory kontrola stanu technicznego obwałowań rzecznych była prowadzona w sposób inwazyjny, tzn. poprzez nawiercenie otworów i pobranie próbek do badań laboratoryjnych.  Jest to jednak bardzo czasochłonne i dostarcza tylko punktowej  informacji o nasypie.  Dlatego przedstawione poniżej metody sejsmiczne, nie tylko mogą odgrywać ważną rolę w kontroli jakości wałów oraz w wykrywaniu miejscowych osłabień dając nam ciągłą informację na temat ich stanu technicznego, ale też charakteryzują się  nieinwazyjnością tj. nie naruszają ich struktury.

Rys. 1.  Powódź z 1997 roku w Krakowie.

2.     LOKALIZACJA BADAŃ

Pomiary sejsmiczne zostały wykonane w maju i we wrześniu 2008 roku. Rejonem badań był fragment wału Wiślanego zlokalizowany we wschodniej części Krakowa, w okolicy Elektrociepłowni Łęg (rys.2).[2]

           

                   

 Rys. 2. Rejon badań                                                                      Rys. 3. Rozmieszczenie profili

Przeprowadzono 6 profili, wzdłuż lewego wału Wisły, z których każdy miał 47 metrów długości  (rys. 3). W rejonie pierwszego profilu zlokalizowany był otwór geotechniczny WL 14, który wykorzystano do dowiązania wyników badań do budowy geologicznej nasypu. Rozmiar obwałowania w zależności od miejsca pomiaru wynosił ok. 4-6 m wysokości oraz 3-4 m szerokości.

Do rejestracji użyto systemu pomiarowego ABEM Terraloc MK6 (rys.4)[6]. Na każdy profil (o rozciągłości W-E) składa się 48 geofonów, których częstotliwość zróżnicowana była w zależności od używanej metody. Jako źródło sejsmiczne, posłużono się młotkiem o wadze 5 kg, którym uderzając w płytę generowano sygnał o częstotliwości okol 80 Hz(rys.5)[6].

                                                                              

    Rys. 4. System pomiarowy ABEM Terraloc MK6        Rys. 5. Wzbudzanie sygnału sejsmicznego             

3.     Metodyka badań

3.1.   Wykorzystane metody

W badaniach wykorzystano metody refrakcji, tomografii refrakcyjnej, metodę MASW (Wielokanałowa Analiza Fal Powierzchniowych), oraz land streamer.

3.1.1.     Refrakcja

Metoda refrakcyjna, inaczej podłużnych fal załamanych – jest to metoda służąca do kartowania pojedynczych granic sejsmicznych, przy czym prędkość w warstwie leżącej wyżej musi być mniejsza niż w warstwie leżącej niżej[1]. W badanym przypadku warunek ten jest spełniony, tzn. w górnej części wału znajduje się gleba, w której prędkości wynoszą ok. 800 – 900 m/s, poniżej natomiast znajdują się piaski, w których prędkość wynosi ok. 1500-1700 m/s(rys. 6). Głębokość do granicy między warstwami wynosi około 8m.

3.1.2.     Tomografia refrakcyjna

Natomiast powierzchniowa Tomografia refrakcyjna jest metodą pozwalająca na odtworzenie rozkładu prędkości propagacji fal sprężystych warstw przypowierzchniowych,  przy czym musi być spełniony warunek jak dla metody refrakcyjnej tzn. V2>V1[1]. W metodzie tej punkt wzbudzania sygnału przesuwano o krok pomiarowy wynoszący 6 m, zaczynając i kończąc na odsunięciu   12 m.

Podczas pomiaru w wyżej wymienionych metodach rejestrowano fale podłużne przy użyciu 48 geofonów o częstotliwości 100 Hz stosując różne położenie punktu strzałowego. Aby uzyskać informację o granicy refrakcyjnej, należało wzbudzać sygnał na skrajnych geofonach (pierwszy i ostatni geofon) i z odsunięciem wynoszącym 24 m (refrakcja) oraz 12 m (tomografia refrakcyjna) w celu wyeliminowania strefy cienia.

Rys. 6.  Warunek powstawania fali w metodzie refrakcyjnej

Zarejestrowane w ten sposób dane sejsmiczne w postaci sejsmogramu (rys. 7a) zostały następnie odpowiednio przetworzone przez program sejsmiczny Reflexw w celu uzyskania hodografów zbieżnych (rys. 7b), które w kolejnym etapie pozwoliły na odtworzenie głębokości do granicy refrakcyjnej.   Na sejsmogramie wyraźnie została zarejestrowana fala refrakcyjna.

Rys. 7.  Przetwarzanie danych a) rekord sejsmiczny ; b) hodografy zbieżne

3.1.3.      MASW

Metoda MASW (ang. Multichannel Analysis of Surface Waves) – wykorzystuje własności dyspersji fal powierzchniowych rozchodzących się poziomo wzdłuż powierzchni Ziemi, bezpośrednio od źródła energii do odbiorników[4]. W wyniku inwersji krzywych dyspersji fal powierzchniowych uzyskuje się informacje o rozkładzie prędkości fali poprzecznej (V_s) zarówno w postaci modelu 1D (głębokość) jak i 2D. Metoda ta umożliwia określenie modułów dynamicznych w warstwach nadkładu oraz ich zmian z głębokością. W metodzie MASW wzbudzano sygnał z krokiem pomiarowym co 4 m z odsunięciem 12, 8 oraz 4 m (rys.8a)[3], pozostałe parametry (rozstaw, etc.) zastosowano takie jak we wcześniejszych metodach (rys. 8b)[5].

Rys. 8a. Metodyka pomiarów w metodzie MASW

Rys. 8b.  Schemat układu pomiarowego w metodzie MASW

Ze względu na brak dostatecznej ilości jednego typu geofonów, w metodzie posłużono się czterema ich rodzajami (rys. 9)[6].  Zastosowano geofony różnej produkcji, wśród których znalazły się również te polskiego pochodzenia o częstotliwości 4,5 Hz.

Rys. 9. Geofony wykorzystane w metodzie MASW

W następnym etapie przetworzono uzyskane z pomiarów dane sejsmiczne w celu uzyskania krzywych dyspersji, obrazujących zależność prędkości fazowej od częstotliwości. Należy zwrócić uwagę, że w procesie inwersji dla użytej metody wykorzystano tylko główną modę  jako krzywą dyspersji.

3.1.4.      Land streamer

Jako ostatnią zastosowano pionierską w naszym kraju metodę Land Streamer (kabel przesuwny) (rys. 10a)[6]. Należy zaznaczyć, że została ona użyta tylko w celach poznawczych, mających na celu dopracowanie jej oraz wyeliminowanie wszelkich wykrytych wad. Cechuje się on prostą konstrukcją, a zarazem szybkością i efektywnością działania. Podczas pomiaru streamer jest połączony z samochodem (rys. 10b)[6], w którym znajduje się aparatura pomiarowa.

                                     

 

                                                 

   Rys. 10.     a) Land Streamer                                           b) Streamer podłączony z samochodem

Następuje wzbudzenie sygnału - rejestracja i szybka zmiana punktu pomiarowego. Warto wspomnieć, że takie działanie skraca czas pracy i pozwala na częściowe przetwarzanie danych już w terenie(rys. 11a,b)[6]. Metoda ta cały czas jest dopracowywana, aby w przyszłości dawała jak najlepsze rezultaty.

                           

3.2.    NAPOTKANE PROBLEMY

Podczas badań napotkano się na pewne problemy. Głównie chodzi tu o szumy z otoczenia, takie jak: opady atmosferyczne, przebiegająca w pobliżu trakcja kolejowa, maszyny przemysłowe z pobliskich zakładów, ruch samochodowy, a nawet przelatujące samoloty. Innym problemem okazała się słaba jakość zapisu, która mogła wynikać z geometrii wału oraz samego faktu, że jest to konstrukcja sztuczna. Innym powodem takiego stanu rzeczy może być wzajemne znoszenie się fal spowodowane kształtem obwałowania.

4.     ANALIZA WYNIKÓW

Jako wynik refrakcji i tomografii refrakcyjnej uzyskano informacje na temat położenia poziomu wodonośnego (zielona przerywana kreska), który zaznaczył się na głębokości około 5 m oraz otrzymano rozkład prędkości fali P pod wałem, jednak nie uzyskano szczegółowych informacji o budowie samego wału(rys. 12). Głębokość do litego podłoża wyniosła ponad 7 m.

Rys. 12.  Rozkład prędkości fali P

Szczegółowa informacja o budowie nasypu natomiast,  uwidoczniła się w wyniku przetwarzania MASW (rys. 13). Można zaobserwować rozkład prędkości wzdłuż całego profilu. Obraz ten pozwala również na lokalizację poziomu wód gruntowych, który zaznacza się na głębokości około 5 m, co jest zgodne  z wynikiem uzyskanym w metodzie refrakcyjnej. Widoczne zagłębienie na samym początku profilu prawdopodobnie wskazuje na granicę strefy pomiędzy częścią wału utwardzoną i nieutwardzoną.

Rys. 13. Rozkład prędkości fali S

5.     PODSUMOWANIE

Zaprezentowane metody sejsmiki inżynierskiej pozwalają stosunkowo szybko i w sposób bezinwazyjny określić przypowierzchniową budowę nasypów oraz wzajemnie się uzupełniają tworząc razem przejrzysty obraz faktycznego stanu obwałowań. Mogą więc być one wykorzystywane na innych podobnych do obwałowań obiektach inżynieryjnych, takich jak : nasypy kolejowe, tamy, zapory ziemne a także do monitoringu osuwisk, wykrywanie pustek, czy też w badaniach archeologicznych.

LITERATURA :

 [1]       Chao Chen, Jiangping Liu, Jianghai Xia, Zhenyu Li, Integrated geophysical techniques in detecting hidden dangers in river embankments, Journal of Environmental & Engineering Geophysics; June 2006; v. 11; issue. p. 83-94; DOI: 10.2113/JEEG11.2.83

 [2]      www.google.maps.pl

 [3]      http://www.kgs.ku.edu/software/surfseis/masw.html

 [4]       Park C.B., Miller R.D., Xia J. 1999 Multichanel analisis of surface waves, Geophysics, 64, 800-808

 [5]       Siata R., Chodacki J., Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu prędkościowego warstw przypowierzchniowych, Wyższy Urząd Górniczy, 6 (130), 2, Katowice, 2005.

 [6]       Zdjęcia z albumów własnych