Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH
OBIEKTÓW METALOWYCH.
Streszczenie
W artykule przedstawiono główne aspekty zastosowania metod geofizycznych do
detekcji i lokalizacji podziemnych obiektów metalowych. Dokonano krótkiego przeglądu
metod geofizycznych mogących znaleźć zastosowanie w tego typu problematyce. Szczególny
nacisk położono na zalety i ograniczenia poszczególnych metod zarówno wynikające z ich
fizycznych podstaw, jak też i z punktu widzenia ich praktycznego stosowania na skalę
przemysłową. Opisano również niektóre najnowsze osiągnięcia sprzętowe w tej dziedzinie.
1. Wstęp.
Możliwość wykrywania i dokładnego lokalizowania podziemnych obiektów
metalowych częstokroć odgrywa ważną rolę w wielu przedsięwzięciach o charakterze
geotechnicznym, budowlanym, militarnym, w działaniach na rzecz ochrony środowiska, i
wielu innych. Stosowanie w tym celu metod zdalnych jest praktycznie jedyną sensowną z
punktu widzenia ekonomicznego możliwością rozwiązania tego typu problemów, ponieważ
eliminuje konieczność wykonywania w tym celu kosztownych i czasochłonnych wykopów, a
także znacząco obniża czas potrzebny na uzyskanie informacji o obecności przedmiotów
metalowych w ośrodku gruntowym.
Typowe zagadnienia, mieszczące się w kategorii „poszukiwanie podziemnych
obiektów metalowych”, to przede wszystkim:
• kartowanie nieznanego uzbrojenia terenu
• poszukiwania niewypałów/niewybuchów, min
• wykrywanie metalowych pojemników z substancjami toksycznymi, podziemnych
zbiorników itp.
Do nieco mniej typowych problemów tego typu zaliczyć można np. lokalizację
utraconych przyrządów wiertniczych, poszukiwanie złomu żelaznego/nieżelaznego, czy też
badania archeologiczne lub kolekcjonerskie.
Jeśli pominąć zagadnienie lokalizacji kabli energetycznych lub telekomunikacyjnych
aktualnie będących w użyciu (tzn. będących pod napięciem i posiadających z góry znane
właściwości elektromagnetyczne, pozwalające zlokalizować je za pomocą standardowych
metod używanych w telekomunikacji czy energetyce), w pozostałych przypadkach
zastosowanie metod geofizycznych jest jedynym sposobem uzyskania wiarygodnej informacji
w krótkim czasie i przy stosunkowo niewielkich nakładach.
Celem niniejszego artykułu jest ogólne ukazanie problematyki detekcji obiektów
metalowych metodami geofizycznymi, a także dokonanie krótkiego przeglądu tych metod,
które znajdują największe zastosowanie, ze szczególnym uwzględnieniem praktycznego
aspektu ich stosowania.
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
2. Fizyczne i ekonomiczne uwarunkowania stosowania metod
geofizycznych.
Podstawą stosowania metod geofizycznych w celu lokalizacji obiektów metalowych
jest fakt, że stanowią one elementy w zdecydowany sposób różniące się pod względem
właściwości fizycznych od otoczenia, w którym się znajdują. Szczególne znaczenie pod tym
względem mają ich unikalne własności magnetyczne i elektryczne. Dlatego też spośród
szerokiego spektrum metod i technik geofizycznych w poszukiwaniach obiektów metalowych
największe zastosowanie znajdują: metoda magnetyczna oraz różne warianty metod
elektrycznych.
W przyrodzie metale w formie rodzimej występują niezwykle rzadko, toteż można
założyć, że wszelkie obiekty metalowe w ziemi są pochodzenia antropogenicznego. Ze
względu na swe pierwotne przeznaczenie oraz ich historię, obiekty te różnią się między sobą
wieloma parametrami fizycznymi: kształtem, masą, głębokością zalegania, a także
unikalnymi właściwościami metalu, z którego zostały sporządzone. Implikuje to różne
zachowanie się różnych obiektów w obecności tego samego pola fizycznego. Ponadto są one
jedynie elementem swojego otoczenia, a więc również całego zespołu czynników, które w
procesie detekcji mogą okazać się przeszkodą na drodze do ich lokalizacji. Z drugiej strony
każda metoda geofizyczna (czy jej wariant) posiada własne, unikalne przewagi i ograniczenia
w stosunku do innych metod. Tak więc stwierdzić należy, że nie ma jednej, uniwersalnej
metody geofizycznej, która we wszystkich sytuacjach byłaby metodą najbardziej efektywną.
Dlatego też wybór najbardziej odpowiedniej dla danego zagadnienia metody geofizycznej
(czy ich zestawu) zawsze powinien być poprzedzony dogłębną analizą dostępnych informacji
odnośnie celów, warunków prowadzenia prac oraz możliwych przeszkód.
Osobnym, lecz nie mniej ważnym zagadnieniem jest ekonomika prowadzenia prac
geofizycznych. Istniejące metody geofizyczne są bardzo zróżnicowane pod względem nie
tylko cen sprzętu geofizycznego i oprogramowania niezbędnego w procesie interpretacji
(które to elementy, jako wysoce specjalistyczne, z reguły nie są tanie), lecz także pod
względem czasochłonności prowadzenia badań terenowych, co silnie rzutuje na ich
efektywność ekonomiczną. Dlatego też przy projektowaniu prac geofizycznych zawsze
należy zadać sobie pytanie, czy osiągnięcie oczekiwanego efektu nie jest możliwe za pomocą
środków ekonomicznie efektywniejszych.
3. Zagadnienie lokalizacji wykrytych obiektów metalowych.
Istotną kwestią przy doborze metody geofizycznej (czy ich zespołu) oraz metodyki
prac pomiarowych jest również lokalizacja i stabilizacja położenia wykrytych obiektów
metalowych. Z tego punktu widzenia prace zmierzające do wykrycia obiektów metalowych
na określonym terenie można z grubsza podzielić na dwa rodzaje.
W pierwszym przypadku mamy zazwyczaj do czynienia z problemem o charakterze
doraźnym, polegającym zwykle na odnalezieniu na mniej więcej określonym terenie
konkretnego, poszukiwanego obiektu, którego dokładne położenie nie jest znane.
Zasadniczym czynnikiem, warunkującym dobór metody jest wtedy zazwyczaj szybkość
prowadzenia prac, a dokładność określenia położenia obiektu czy nawet wiarygodność
wskazań ma znaczenie drugorzędne, gdyż te kwestie z reguły ulegają szybkiej weryfikacji
przez prace ziemne. W takich przypadkach z reguły nie zachodzi konieczność powrotu na
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
teren badań, tak więc oznaczenie położenia obiektu również może mieć charakter
tymczasowy. Przykładem takiego problemu może być poszukiwanie rury czy kabla o
nieznanym przebiegu, a z określonych względów koniecznego do zlokalizowania.
Częstokroć jednak zadanie geofizyczne ma charakter w pewnym sensie przeciwny -
teren badań jest ściśle określony, a celem prowadzenia prac jest możliwie najdokładniejsza i
najbardziej kompletna inwentaryzacja znajdujących się na nim obiektów metalowych. W
takim przypadku na plan pierwszy wysuwają się zdolności detekcyjne metody (czy zespołu
metod) geofizycznej, jej zdolność do dokładnego lokalizowania wykrytego obiektu, a także
możliwości dokumentacyjne charakteru zapisu danych pomiarowych. Z reguły konieczne jest
wtedy odpowiednie dowiązanie geodezyjne prowadzonych prac, które nierzadko okazać się
może bardziej czasochłonne niż same pomiary geofizyczne. Typowym przykładem takiego
zagadnienia jest prowadzenie prac inwentaryzacyjnych na obszarze przyszłych placów
budów, byłych poligonów czy baz wojskowych.
Można zauważyć, że w ostatnich latach wielu producentów sprzętu geofizycznego
kładzie bardzo duży nacisk (niewątpliwie wymuszony przez praktykę) na możliwość
rejestracji wyników pomiarów w sposób umożliwiający jak najłatwiejsze ich odniesienie do
lokalnej geografii. Praktycznie większość produkowanego obecnie sprzętu geofizycznego
posiada możliwość (lepszą lub gorszą) współpracy z systemami różnicowymi GPS, lub też co
najmniej wbudowaną w sprzęt możliwość rejestracji wyników w uzupełnieniu o ich
lokalizację (kółka miernicze lub inne urządzenia). Znacząco zmniejsza to czas potrzebny na
uzyskanie jak najdokładniejszego obrazu istniejących obiektów metalowych.
4. Praktyczne aspekty stosowania wybranych metod geofizycznych.
4.1 Metoda magnetyczna.
Metoda magnetyczna polega na wykorzystaniu zróżnicowania własności
magnetycznych elementów ośrodka geologicznego w ziemskim polu magnetycznym.
Podstawowym i najpowszechniejszym typem aparatury geofizycznej
wykorzystywanym do badań metodą magnetyczną jest obecnie magnetometr protonowy.
Współcześnie stosowane magnetometry protonowe osiągają dokładność pomiaru rzędu 0.2 do
0.1 nT.
Pomiary
metodą magnetyczną wykonywane są z reguły wzdłuż linii profilowych,
niejednokrotnie stanowiących regularną siatkę. Ogólnie badania magnetyczne prowadzi się w
dwóch zasadniczych wariantach. Przy użyciu magnetometru wyposażonego w jeden detektor
dokonuje się pomiaru całkowitego natężenia ziemskiego pola magnetycznego. Mając do
dyspozycji magnetometr wyposażony w dwa detektory, możliwe jest wykonanie pomiaru
różnicy tego pola na pewnym odcinku i w pewnym kierunku. Przy spełnieniu określonych
założeń różnicę tę można uważać za przybliżoną wartość gradientu całkowitego natężenia
ziemskiego pola magnetycznego, i stosować do niego odpowiednie procedury interpretacyjne.
W praktyce największe zastosowanie ma pomiar gradientu pionowego ziemskiego pola
magnetycznego.
Metale
będące ferromagnetykami odznaczają się dobrymi właściwościami
magnetycznymi (relatywnie duży całkowity moment magnetyczny), tak więc znajdujące się w
gruncie obiekty zbudowane z takich metali generują relatywnie duże anomalie mierzonej
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
wartości natężenia ziemskiego pola magnetycznego. Zależność wielkości anomalii dla kilku
typowych rodzajów obiektów żelaznych w zależności od ich odległości od detektora
pokazana jest na ryc. 1.
Zaletą wykorzystania metody magnetycznej do detekcji obiektów metalowych jest
przede wszystkim jej zasięg głębokościowy, pod tym względem lokujący ją w czołówce
omawianych metod geofizycznych. Doświadczalnie stwierdzono, że np. w przypadku
rurociągów o niewielkich średnicach rur mogą być one wykrywane do głębokości ok. 2-2.5
m, w przypadku rur o większych średnicach zasięg głębokościowy metody znacznie wzrasta
(Antoniuk, 1998). Podobna zależność może być obserwowana również dla obiektów o
charakterze bardziej punktowym. Metoda magnetyczna może być z powodzeniem stosowana
w środowisku wodnym, co częstokroć z przyczyn teoretycznych czy technicznych nie jest
możliwe w przypadku innych metod. Ze względu na niewielkie wymiary współczesnych
magnetometrów prowadzenie prac metodą magnetyczną jest też znacznie łatwiejsze i szybsze
w rejonach o słabej dostępności terenu. Większość dostępnych obecnie na rynku
magnetometrów potrafi współpracować z systemem różnicowym GPS, co jest nie do
przecenienia ze względu na dokładność lokalizacji pomiarów i szybkość prowadzenia prac.
Ryc. 1. Zależność przybliżonej wielkości anomalii całkowitego natężenia pola
magnetycznego od odległości od detektora (magnetometru) dla
przykładowych obiektów żelaznych (wg. S. Breiner, 1973, uproszczony).
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
Metoda magnetyczna ma jednak wiele wad, które w praktyce ograniczają zakres jej
stosowania.
Istotną wadą tej metody jest jej względnie duża wrażliwość na zakłócenia pochodzące
od znajdujących się na powierzchni obiektów metalowych, zewnętrznych zmiennych w czasie
źródeł pola magnetycznego, obecności dużych gradientów pola magnetycznego, a nawet na
rodzaj gruntu w którym prowadzone są badania. Jest to szczególnie widoczne w przypadku
prowadzenia prac w obszarach silnie zurbanizowanych (gdzie z reguły pojawia się problem
poszukiwania podziemnych obiektów metalowych). Czynnikiem ograniczającym użycie
metody magnetycznej może być również niestabilny charakter ziemskiego pola
magnetycznego. Chociaż współczesne techniki pomiarowe, a zwłaszcza coraz szersze
stosowanie metody gradientowej skutecznie eliminują wpływ takich zmian pola
magnetycznego jak wariacje dobowe czy mikropulsacje, to jednak w przypadku wystąpienia
burzy magnetycznej (co zdarzyć się może nawet do kilku razy w miesiącu i trwać nawet do
kilku dni) prowadzenie badań metodą magnetyczną może być wysoce utrudnione.
Interpretacja wyników poszukiwania obiektów metalowych metodą magnetyczną nie
jest również wolna od niejednoznaczności. Po części związane jest to z obecnością w
obiektach żelaznych i stalowych silnego namagnesowania resztkowego (termiczna
pozostałość magnetyczna, związana z historią magnetyczną obiektu), które w przypadku
niekorzystnego ukierunkowania względem namagnesowania indukcyjnego (pod względem
własności magnetycznych podziemne obiekty metalowe ułożone są raczej w sposób
przypadkowy) może doprowadzić do osłabienia generowanej anomalii, zmiany jej kształtu, a
w skrajnym przypadku nawet do jej zaniku. W przypadku obiektów o zróżnicowanych
wymiarach na kształt anomalii ma wpływ ma również orientacja obiektu metalowego
względem ziemskiego pola magnetycznego, co sprawia, że w większości przypadków
położenie ciała wytwarzającego anomalię nie może być określone jednoznacznie. O ile
parametry zalegania (miejsce, głębokość) obiektów o charakterze liniowym (rury, kable)
mogą być dość dokładnie wyznaczone za pomocą siatki równoległych profili, o tyle
określenie tych parametrów dla obiektów zbliżonych do punktowych może być w praktyce
dość trudne, i wymagać bardziej detalistycznych pomiarów w wytypowanych uprzednio
miejscach. Dodatkową wadą metody jest jej względnie słaba rozdzielczość pozioma,
utrudniająca rozróżnienie kilku obiektów metalowych, jeśli są one położone blisko siebie.
4.2 Metoda ciała naładowanego.
Metoda
ciała naładowanego (nazywana także metodą ładunku elektrycznego) należy
do grupy metod geoelektrycznych. Istotą metody jest wykorzystanie zależności rozkładu
potencjału elektrycznego od rozmiarów, położenia i kształtu naelektryzowanego przewodnika
występującego w środowisku geologicznym (Dzwinel, 78). Powierzchnia takiego
przewodnika, włączonego w obwód prądu stałego, staje się powierzchnią ekwipotencjalną.
Powierzchnie ekwipotencjalne, położone na zewnątrz ciała, posiadają zbliżony kształt do
powierzchni przewodnika. Określając wartość potencjału tych powierzchni na powierzchni
ośrodka geologicznego lub w otworze wiertniczym, można określić kształt i miejsce
zalegania badanego przewodnika.
Metoda ta, stosowana w poszukiwaniach geologicznych przede wszystkim do
poszukiwania złóż rud metali, stanowiących zwarte przewodniki galwaniczne. Z oczywistych
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
względów w prosty sposób zaadaptować ją można dla potrzeb wykrywania obiektów
metalowych.
Metoda ta odznacza się wysoką ekonomiką prowadzenia prac i relatywną prostota
pomiarów, jak również względnie niskim kosztem prowadzenia prac terenowych. Istotną
zaletą tej metody jest możliwość śledzenia jednego, wybranego i włączonego w obwód prądu
ciała, spośród wielu położonych blisko siebie, co w sposób zdecydowany upraszcza
interpretację otrzymanych wyników.
Zasadniczą wadą tej metody jest konieczność uzyskania fizycznego dostępu do
przynajmniej jednego fragmentu poszukiwanego ciała, w celu włączenia go w obieg prądu
elektrycznego. Tak więc w praktyce metoda ta najbardziej nadaje się do śledzenia obiektów
metalowych o kształcie liniowym (rury, kable), których dokładny przebieg nie jest znany,
poza odcinkiem, w którym nastąpić może podłączenie. Nie nadaje się ona natomiast do
wykrywania rozproszonych na pewnym obszarze obiektów metalowych, których położenie
jest całkowicie nieznane.
4.3 Metoda VLF.
Metoda VLF jest metodą geofizyczną, wykorzystującą składową magnetyczną pola
elektromagnetycznego, generowanego przez znajdujące się w bardzo dużej odległości
(nierzadko rzędu kilku czy kilkunastu tysięcy kilometrów) nadajników radiowych,
pracujących w zakresie częstotliwości od 10 do 30 kHz. Ze względu na charakter
rozprzestrzeniania się fal radiowych o tak niskiej częstotliwości, a także odległość od ich
źródła, składowa magnetyczna na niewielkim (relatywnie) obszarze badań posiada
jednorodny charakter i jest skierowana poziomo. Obecność na obszarze badań ciał
przewodzących powoduje, na skutek indukowania się w nich prądów wirowych, lokalne
zniekształcenie składowej magnetycznej pierwotnego pola elektromagnetycznego. Pewne
parametry tego zniekształcenia mogą zostać zmierzone, umożliwiając tym samym lokalizację
istniejących w ośrodku geologicznym dobrych przewodników.
Metoda VLF stosowana jest w poszukiwaniach geologicznych do wykrywania
obecności dobrze przewodzących ciał typu złóż rud metali, jak również wypełnionych wodą
pionowych stref szczelinowatych w obrębie skał magmowych. Ze względu na jej charakter
nadaje się ona również do lokalizowania podziemnych obiektów metalowych.
Pomiary w metodzie VLF prowadzi się w wersji profilowań (aparatura pomiarowa
przemieszczana jest wzdłuż linii profilu). Najlepsze rezultaty w lokalizowaniu obiektów
metalowych osiągane są dla prostopadłego przebiegu profilu w stosunku do rozciągłości ciała
przewodzącego. Metoda ta najlepiej nadaje się więc do śledzenia położenia obiektów
metalowych typu rur czy kabli.
Zaletą tej metody jest niewątpliwie duża szybkość prowadzenia prac polowych oraz
łatwość interpretacji otrzymanych wyników pomiarów. Ze względu na bardzo małe rozmiary
stosowanej aparatury, metoda ta może być stosowana również w trudno dostępnych partiach
terenu. Wadą tej metody jest przede wszystkim wrażliwość na zakłócenia
elektromagnetyczne pochodzące od np. linii energetycznych, a także trudności w wykrywaniu
tą metodą obiektów o małych rozmiarach.
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
4.4 Metoda georadarowa.
Historycznie, metoda georadarowa jest jedną z najnowszych, a zarazem najbardziej
skutecznych i uniwersalnych powierzchniowych metod geofizycznych. W zasadzie jest to
metoda elektromagnetyczna, lecz dzięki swym unikalnym cechom bardzo często stosuje się
dla niej odrębna nazwę. Istotą metody jest emisja impulsu elektromagnetycznego w ośrodek
gruntowy, a następnie rejestracja w czasie fali elektromagnetycznej odbitej od granic
geologicznych i obecnych w ośrodku gruntowym obiektów. Efekt odbicia fali
elektromagnetycznej od granicy dwóch różnych środowisk wywołany jest kontrastem
wartości stałej dielektrycznej po obu jej stronach. Amplituda odbitego impulsu
elektromagnetycznego jest proporcjonalna do wielkości współczynnika odbicia na granicy
dwóch różnych środowisk, jest tym większa, im większy jest kontrast wartości stałej
dielektrycznej po obu stronach granicy odbijającej.
Ryc. 2. Zapis profilowania georadarowego anteną 400 MHz prostopadle do układu
kilku rur znajdujących się w gruncie. Położenie rur zaznaczono
strzałkami. Przykład pochodzi z prac wykonanych przez Geofizykę Toruń
Sp. z o.o.
W praktyce pomiar metodą georadarową polega na przemieszczaniu anten: nadawczej
i odbiorczej, z ustaloną prędkością wzdłuż linii profilu, wyznaczonej na powierzchni terenu.
Uzyskiwany w ten sposób obraz wgłębnej budowy ośrodka gruntowego odzwierciedla nie
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
tylko jego budowę geologiczną, lecz także obecność elementów pochodzenia
antropogenicznego, w tym metalowych. Przykład typowego zapisu profilowania
georadarowego nad układem kilku rur pokazany jest na ryc.2. Profilowanie wykonano
poprzecznie do linii przebiegu rur, a ich położenie oznaczone zostało strzałkami. Dobrze
widoczne są tu charakterystyczne dla obiektów liniowych paraboliczne anomalie zapisu
georadarowego. Przykład pochodzi z badań wykonanych przez Geofizykę Toruń Sp. z o.o. w
związku z wykonywaniem tzw. przewiertu poziomego w Toruniu.
Wartość stałej dielektrycznej dla większości typów gruntów i skał zmienia się w
zakresie wartości od 4 do 15, wyjątkowo do 30. Wartość stałej dielektrycznej dla wody
wynosi 81. Metale, będące bardzo dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego,
charakteryzują się wartościami stałej dielektrycznej bliskimi zeru. Tak więc w przeważającej
większości przypadków granica metal - ośrodek gruntowy (nawet nasycony wodą)
charakteryzuje się dużym współczynnikiem odbicia, co sprawia, że obiekty metalowe w
gruncie są relatywnie łatwiejsze do wykrycia niż obiekty niemetalowe.
Istotną zaletą metody georadarowej jest jej rozdzielczość pozioma i pionowa.
Generalnie przyjmuje się (w przypadku obiektów o kształcie cylindrycznym lub zbliżonym),
że rozmiary obiektu metalowego możliwego do wykrycia muszą wynosić tylko ok. 0.1 jego
głębokości zalegania. Inną ważną, wynikającą z dobrej rozdzielczości zaletą metody
georadarowej, w kontekście detekcji obiektów metalowych, jest możliwość dokładnego
określenia parametrów geometrycznych wykrytych ciał (głębokość zalegania, przybliżony
rozmiar, w pewnych przypadkach także kształt obiektu). Spośród wszystkich omawianych
metod geofizycznych, wyniki pomiarów tą metodą umożliwiają relatywnie najskuteczniejsze
wydzielanie i identyfikację poszczególnych obiektów w przypadku ich występowania w
bezpośredniej bliskości siebie. Ma to podstawowe znaczenie na przykład w kartowaniu
podziemnego uzbrojenia terenu na obszarach silnie zurbanizowanych.
Praktycznie wszystkie dostępne obecnie aparatury georadarowe mają możliwość
korzystania z urządzeń, zapewniających dobre dowiązanie przestrzenne danych pomiarowych
(np. kółka miernicze), a możliwość współpracy z systemami różnicowymi GPS z pewnością
w krótkim czasie stanie się standardem.
Podstawową natomiast wadą tej metody wydaje się być zmienna i silnie zależna od
warunków geologicznych głębokość penetracji. W warunkach ośrodka silnie przewodzącego
prąd elektryczny (gliny, iły) zasięg głębokościowy metody może nie przekraczać 1 metra, co
jest głębokością zbyt małą, jeśli porównać ją do typowych w naszych warunkach
klimatycznych głębokości układania rur czy kabli. Inną wadą tej metody jest jej zdolność do
wykrywania nie tylko obiektów metalowych, lecz także zbudowanych z innego rodzaju
materiału. Może to prowadzić do niejednoznaczności na etapie interpretacji otrzymanych
wyników pomiarów - np. odróżnienie obiektów metalowych od fragmentów gruzu czy
większych kamieni (sytuacja powszechna w obszarach zurbanizowanych) w praktyce okazać
się może trudne. Trudność ta do pewnego stopnia może zostać przezwyciężona dzięki
odpowiedniemu doborowi metodyki pomiarów, na przykład stosowaniu gęstej siatki
równoległych profili. Jest to jednak pomocne tylko przy lokalizowaniu obiektów liniowych,
poza tym znacząco zwiększa zakres koniecznych do wykonania prac terenowych, co nie
pozostaje bez wpływu na koszt stosowania tej metody.
Inną z kolei wadą (a raczej niedogodnością) metody georadarowej jest koszt jej
stosowania. Aparatury georadarowe należą do najdroższych rodzajów sprzętu geofizycznego,
stosowanego w badaniach przypowierzchniowych. Otrzymywana w trakcie pomiarów
terenowych ilość informacji jest zdecydowanie większa niż w przypadku innych omawianych
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
metod. Wymaga to z kolei odpowiedniego sprzętu komputerowego oraz wyspecjalizowanego,
a w konsekwencji kosztownego oprogramowania. Istotnym czynnikiem ekonomicznym jest
również czas potrzebny na szczegółowe opracowanie wyników, szczególnie w przypadku
bardziej detalistycznych prac z reguły dłuższy niż w przypadku innych metod (choć należy
stwierdzić, że w nowszych aparaturach georadarowych wbudowany lub będący integralną
częścią systemu pomiarowego komputer klasy PC (laptop) umożliwia dokonanie wstępnej
interpretacji bezpośrednio w terenie).
4.5 Metody elektromagnetyczne.
Wspólną cechą szerokiej rodziny metody elektromagnetycznych jest wykorzystanie
zjawiska indukowania w ośrodku gruntowym, pod wpływem zewnętrznego pola
elektromagnetycznego, zmiennych prądów elektrycznych. Prądy te powodują powstanie
wtórnego pola magnetycznego. Pomiar pierwotnego (zewnętrznego) oraz wtórnego pola
magnetycznego pozwala na wnioskowanie o własnościach elektrycznych ośrodka
gruntowego.
Ogólnie, ze względu na sposób wzbudzania pierwotnego pola elektromagnetycznego,
aparaturę do badań metodą elektromagnetyczną podzielić można na dwa rodzaje: pracującą w
domenie częstotliwości oraz pracującą w domenie czasu. W przypadku aparatury pracującej
w domenie częstotliwości pole elektromagnetyczne wytwarzane jest przez przepływający
przez obwód nadawczy sinusoidalnie zmienny prąd elektryczny o ustalonej częstotliwości.
W aparaturze pracującej w domenie czasu prąd elektryczny w odwodzie nadawczym ma
postać symetrycznego impulsu prostokątnego (bramki). Obydwie techniki pomiarowe
znalazły szerokie zastosowanie w problematyce detekcji obiektów metalowych.
W oparciu o technikę pomiarów domenie częstotliwości skonstruowano szereg typów
wykrywaczy metalu. Ze względu na kompensację wpływu cewki nadawczej na odbiorczą
często określa się je jako wykrywacze typu TR-IB (ang. transmitter-receiver induction
balance). Z reguły są to proste i tanie wykrywacze, powszechnie dostępne na rynku (także
wykrywacze osobiste, używane przez różnego rodzaju służby ochrony). Zaletą tych
wykrywaczy jest możliwość stosowania dyskryminacji sygnału pochodzącego od różnych
rodzajów metalu, co stanowi pewną wygodę przy prowadzeniu np. prac archeologicznych.
Wadą tych wykrywaczy jest ich większa podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (linie
energetyczne, kable telekomunikacyjne). Wykrywacze te wrażliwe są również na wielkość
przewodności elektrycznej gruntu na obszarze prowadzenia badań. Z reguły głębokość
penetracji wykrywaczy tego typu dostępnych na rynku nie jest duża i wynosi ok. 1.5 m. dla
dużych obiektów metalowych.
Technika pomiarowa pracująca w domenie czasu została wykorzystana w konstrukcji
szeregu przyrządów geofizycznych, których głównym przeznaczeniem jest badanie wartości i
przestrzennego rozkładu przewodności elektrycznej ośrodka geologicznego. Składowa w
kwadraturze wyindukowanego na skutek przepływu zmiennych w czasie prądów wirowych
wtórnego pola magnetycznego jest wprost proporcjonalna (w pewnym zakresie wielkości) do
przewodności elektrycznej badanego ośrodka. Składowa w fazie natomiast jest znacznie
bardziej wrażliwa na obecność w ośrodku gruntowym obiektów bardzo dobrze
przewodzących (w praktyce metalowych). Pojawienie się pracujących w domenie czasu
przyrządów elektromagnetycznych do płytkich badań geofizycznych (o głębokości penetracji
rzędu kilku metrów), a co za tym idzie wykonujących pomiary o wymaganej rozdzielczości
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
poziomej i pionowej, spowodowało ich stosowanie również do celów bezpośredniej detekcji
obiektów metalowych.
Przykładem takiego urządzenia może być przyrząd do pomiaru przewodności
elektrycznej EM31-MK2, produkcji kanadyjskiej firmy Geonics Ltd., używanej w firmie
Geofizyka Toruń Sp. z o.o. (ryc. 3). Przyrząd ten przeznaczony jest w zasadzie do
dipolowych profilowań elektromagnetycznych (jest on przemieszczany wzdłuż linii profilu).
Dzięki swoim niewielkim wymiarom (odległości pomiędzy dipolem nadawczym a
odbiorczym wynosi tylko 4 m.) i wystarczająco głębokiemu zasięgowi penetracji (zależnie
od ustawienia dipoli pomiarowych 3 lub 6 m. dla pomiaru przewodności ośrodka),
znakomicie nadaje się do wykrywania obiektów metalowych. Zaletą tego urządzenia (w roli
wykrywacza metali) jest stosunkowo niewielka podatność na zakłócenia od zewnętrznych pól
elektromagnetycznych, dość dobra rozdzielczość pozioma, oraz charakter otrzymywanej
informacji - centrum anomalii zlokalizowane jest bezpośrednio nad obiektem metalowym. Na
uwagę zasługuje także możliwość współpracy z systemem GPS. Wady tego przyrządu to
przede wszystkim niewielka zdolność oceny głębokości zalegania obiektu i trudność w
rozdzieleniu anomalii od leżących blisko siebie obiektów metalowych.
Ryc. 3. Elektromagnetyczny przyrząd do pomiaru przewodności elektrycznej
ośrodka EM31-MK2, produkcji Geonics Ltd., stosowany również do
detekcji obiektów metalowych, będący na wyposażeniu Geofizyki Toruń
Sp. z o.o.
Doświadczenia w użyciu przyrządu skłoniły firmę Geonics, Ltd. do skonstruowania
urządzenia, pracującego na podobnej zasadzie (pomiar w domenie czasu), lecz
zaprojektowanego wyłącznie pod kontem poszukiwania obiektów metalowych. Jest to
wysokoczuły detektor metalu EM61 (ryc. 4). Urządzenie używane jest w firmie Geofizyka
Toruń Sp. z o.o. Ze względu na unikalną wśród aparatury geofizycznej kombinację cech tego
przyrządu, zasługuje on na szersze omówienie.
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
Zasadniczymi elementami przyrządu są dwa uzwojenia: nadawczo-odbiorcze (dolne)
oraz odbiorcze (górne). Uzwojenia te mają kształt kwadratu o boku 1 m., co w połączeniu z
relatywnie dużą mocą emitowanego impulsu zapewnia stosunkowo dużą głębokość penetracji
(zależność wykrywalności obiektu od głębokości jego zalegania dla kilku typowych ciał
pokazana jest na ryc.5.). Ponieważ pomiar napięcia, generowanego w uzwojeniach
odbiorczych przez wtórne pole magnetyczne następuje po względnie długim czasie od
wygaśnięcia impulsu pierwotnego, mierzona wartość jest więc praktycznie niezależna od
przewodności elektrycznej gruntu.
Dzięki odpowiednio dobranemu układowi uzwojeń, obecność obiektu metalowego w
gruncie zaznacza się jako pojedyncze, dobrze widoczne maksimum na wykresie rejestracji, co
w znacznym stopniu ułatwia szybką i dokładną lokalizację obiektu.
Obecność dwóch uzwojeń odbiorczych umożliwia przybliżoną ocenę głębokości
zalegania obiektu na podstawie stosunku mierzonych wartości napięć.
Pomiar
przyrządem dokonywany jest w trybie profilowania w sposób ciągły.
Uzwojenia przyrządu mogą być niesione przez operatora bezpośrednio na sobie, bądź też
przemieszczane ponad powierzchnią terenu na kołach.
Ryc.4. Detektor metalu EM61, produkcji Geonics Ltd., będący na wyposażeniu
Geofizyki Toruń Sp. z o.o.
Aktualne
wartości napięć mierzone w uzwojeniach pomiarowych zapisywane są w
pamięci rejestratora. Rejestracja możliwa jest w jednym z czterech trybów: ręcznym (w
momencie wybranym przez operatora), automatycznym (w określonych interwałach
czasowych), we współpracy z urządzeniem, mierzącym przebytą drogę (zainstalowanym w
kołach przyrządu), bądź przy użyciu licznika biodrowego (wyzwalanie zapisu następuje na
skutek rozwijania się sznurka, umocowanego do początku profilu). W dwóch ostatnich
przypadkach rejestracja następuje po przebyciu przez przyrząd określonego odcinka, zwykle
15-20 cm, a oprócz wartości mierzonych napięć rejestrowana jest także odległość przebyta
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
przez przyrząd wzdłuż linii pomiarowej. Zapewnia to dokładną lokalizację wykrytych
obiektów metalowych.
Oprogramowanie rejestratora umożliwia również współpracę z systemem GPS. W
takim przypadku każda rejestracja uzupełniona jest o dokładny czas jej wykonania, z
dokładnością do 0.01 sekundy.
Ryc.5. Zależność wykrywalności obiektu od jego wielkości oraz głębokości
zalegania dla detektora EM61, dla kilku typowych ciał (wg EM61 Users
Manual, Geonics Ltd.).
Dodatkowe oprogramowanie, pracujące na komputerze typu PC, umożliwia
szybką i łatwą prezentację wyników pomiarów, z reguły w formie map wykrytych anomalii,
łatwych do zinterpretowania. Przykład takiej mapy znajduje się na ryc.6. Dobrze widoczne są
zarówno anomalie punktowe, jak i ich zgrupowania, pochodzące od pogrzebanych obiektów
metalowych typu punktowego, jednoznacznie wskazujące ich miejsce zalegania. Brak jest
natomiast anomalii pochodzących od obiektów liniowych (rury, kable). Przykład pochodzi z
badań wykonanych przez Geofizykę Toruń Sp. z o.o. w celu określenia stopnia ryzyka
prowadzenia prac budowlanych na terenie, na którym w czasie ostatniej wojny toczyły się
walki (północna część Torunia).
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
Ryc.6. Mapa wartości wskazań detektora EM61, obrazująca położenie wykrytych
obiektów metalowych. Widoczne są anomalie typu punktowego oraz ich
grupy (kolor czerwony). Przykład pochodzi z prac wykonanych przez
Geofizykę Toruń Sp. z o.o.
Reasumując, główne zalety tego przyrządu to: wykrywanie wszystkich rodzajów
obiektów metalowych, relatywnie duża głębokość penetracji (przyrząd wykrywa większe
przedmioty metalowe na głębokości do ok. 3 m.), dobra rozdzielczość pionowa ( rozdzielenie
anomalii od blisko położonych obiektów metalowych), w zasadzie wystarczająca dokładność
oceny głębokości zalegania obiektów metalowych (dla obiektów o zbliżonych wymiarach),
minimalna wrażliwość na metalowe elementy infrastruktury powierzchniowej, łatwość
operowania w terenie, prostota interpretacji otrzymanych wyników pomiarów.
6.
Podsumowanie
.
W przedstawionym materiale zwrócono uwagę przede wszystkim na praktyczne
aspekty stosowania metod geofizycznych w celu detekcji podziemnych obiektów
metalowych. Starano się wskazać nie tylko na ich potencjalne możliwości (które wydają się
być bezsporne), czy oczywisty w wielu wypadkach brak jakiejkolwiek dla nich alternatywy,
ale również na ich pewne ograniczenia. Praktycznie wszystkie omówione metody mogą być
używane powszechnie na skalę przemysłową, warunkiem jednak ich efektywnego stosowania
jest odpowiedni do konkretnego zadania i jego warunków dobór zarówno samej metody (lub
ich zestawu), jak i metodyki pomiarów terenowych czy procedur interpretacyjnych.
Konferencja: GEOFIZYKA W INŻYNIERII I OCHRONIE ŚRODOWISKA DLA POTRZEB
SAMORZĄDNOŚCI LOKALNEJ, Dębe, marzec 2001
GEOFIZYCZNE METODY DETEKCJI PODZIEMNYCH OBIEKTÓW METALOWYCH
Postępujący gwałtownie rozwój technologii mierniczych i informatycznych powoduje,
że również postęp w dziedzinie badań geofizycznych dokonuje się obecnie w szybkim
tempie. Zauważalnym trendem jest dążenie do przyspieszenia procesu akwizycji danych,
integracji wyników pomiarów i ich interpretacji dla wielu różnych metod, stosowanych na
tym samym obszarze, oraz do jak najdokładniejszego odniesienia przestrzennego rezultatów
badań. Zauważalny jest również relatywny spadek kosztów prowadzenia tego rodzaju prac.
Wynika to po części z coraz powszechniejszego dostępu do zaawansowanych technologii, a
po części z coraz powszechniejszego stosowania metod geofizycznych do rozwiązania tego
typu problemów. To ostatnie zaś w dużej mierze jest wynikiem wzrastającego przekonania
końcowych odbiorców wyników badań co do wymiernych korzyści, jakie ich stosowanie
może przynieść.
Literatura:
1. Antoniuk J., Koblański A., - Detekcja podziemnych rurociągów i kabli metodami
geofizycznymi. Technika Poszukiwań Geologicznych nr 3/98
2.
Antoniuk J., Koblański A., - Zastosowanie metod geofizycznych do poszukiwań
podziemnej infrastruktury. Mat. Międzynarodowej Konferencji „Trenchless Tech Warsaw
’95, 19-20 kwietnia 1995
3. Breiner S. - Applications Manual for Portable Magnetometers, Geometrics, 1973.
4. Dzwinel J.,- Metody geoelektryczne. Wydawnictwa Geologiczne, 1978.
5. Koblański A. - Zastosowanie gradientowej metody pomiarów magnetycznych w badaniach
inżynierskich i ochronie środowiska. Zesz. Nauk. AGH, Geofizyka Stosowana z. 13, 1993,
s. 81-88
6. Zarys geofizyki stosowanej. - pr. zb. pod red. Z. Fajklewicza, Wydawnictwa Geologiczne
1972.
7. McNeill, J.D. - The Application of Electromagnetic Techniques to Environmental
Geophysical Surveys. W: Ground Conductivity Meters for Environmental, Mine-Waste
and Engeneering Problems, Geonics Ltd. 1996
Michał Rudzki
Michal.Rudzki@geofizyka.pl
Geofizyka Toruń Sp. z o.o.
ul. Chrobrego 50
87-100 Toruń