Definicja Geofizyki jest to nauka o ziemi jako ciele fizycznym. Przedmiotem jej badań są wszystkie zjawiska i procesy zachodzące wewnątrz ziemi, skorupie ziemskiej oraz hydrostatyce i atmosferze. Do wyjaśnienia tych zjawisk stosuje się prawa i teorię fizyki. Pojęcie pól fizycznych definiując najprościej jest to przestrzeń w której działa pewna siła. Utwory skorupy ziemskiej cechują się różnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi Mają różną gęstość, są w różnym stopniu namagnesowane, przenoszą z różną prędkością fale sprężyste, są lub nie są źródłem z tego punktu widzenia można by traktować jako zlepek różnego rodzaju kształtu i wielkości ciał (obiektów geologicznych o różnych właściwościach). Ciała te są źródłem różnych naturalnych lub sztucznie wzbudzonych zjawisk fizycznych, które mogą oddziaływać również w dalekiej przestrzeni po za tymi ciałami. Procesy geologiczne sprawiły że budowa geologiczna skorupy ziemskie jest bardzo skomplikowana. Skorupa ziemska na kontynentach zbudowana jest głównie z magnezu, żelaza wapnia i metali okolicznych: glinu i wolnej krzemionki SiO₂ Pierwiastki takie jak węgiel, siarka, fosfor, chlor i magnez stanowią około 0,5 dziesiątych masy skorupy ziemskiej. Metale typu: mangan, strąt, chrom, cyrkon występują w dziesiątych częściach procentu Zjawisko pierwszych pól fizycznych zaczęto wykorzystywać dopiero w XVIII w. Dotyczyło to zjawisk magnetyzmu i grawimetrii do poszukiwania rud żelaza z powierzchni ziemi. W Polsce badania geofizyczne zaczęto stosować w latach 30 – tych a ich znaczenie przypadło na lata 1950. Podział geofizyki | _____________________________ | | Geofizyka Geofizyka stosowana ogólna | | | G. górnicza G powierzchniowa | | G wiertnicza Wszystkie rodzaje Geofizyki stosowanej wykorzystując następujące metody badań: sejsmiczne (akustyczne ) grawimetryczne, magnetyczne, geoelektryczne, geotermiczne, radiometryczne. Fizyczne właściwości skał i gruntów Do podstawowych cech fizycznych gruntu zaliczamy: wilgotność, gęstość objętościową i gęstość właściwą. W praktyce geotechnicznej przy wyznaczaniu naprężeń w podłożu gruntowym posługujemy się najprościej ciężarem objętościowym, niekiedy ciężarem właściwym (cechy te ustalamy na podstawie badań laboratoryjnych) Gęstość objętościowa i ciężar objętościowy gruntu m - masa gruntu w Mg ρ = ---- V --- objętość Jest to stosunek masy gruntu pobranej do prób w warunkach neutralnych do jego objętości. Musi być pobrany próbnikiem gwarantującym pobór rdzenia o nieuszkodzonej strukturze (NNs) Gęstość gruntu zależy od składu mineralogicznego. W praktyce stosuje się ciężar objętościowy określany wg wzoru Γ= ρ °g Γ – ciężar objętościowy kN/m³ [ T/m³] Ρ – gęstość Mg/m g – przyśpieszenie ziemskie (m/ s²) Gęstością właściwą gruntu Ρ(ro) nazywamy stosunek masy cząstek gruntu do ich objętości Md Ρ= ----- Vs Md – masa cząstek gruntu (mega gamy i tony ) Vs – objętość samych cząstek skały W obliczeniach technicznych posługujemy się ciężarem właściwym Γs = ρ ° g Γs – ciężar właściwy kN/m³ Ρ – gęstość gruntu [ T/m³] G – przyspieszenie ziemskie Gęstość gruntu zależy od składu mineralogicznego i wynosi średnio od 2,4 do 3,2 [Mg/ m³] natomiast ciężar właściwy od 23 kN/m³, np.: piaski kwarcowe czyste – 2,65 Mg/m³, gliny pylaste zwięzłe – 2,71 Mg/m³ Porowatością (n) nazywamy stosunek objętości poru Vp do objętości V całego gruntu. W obec trudności bezpośredniego pomiaru objętości szkieletu gruntowego i objętości porów stosujemy metodę pośrednią opartą na zależnościach matematycznych. Σ g₁ + ς g₂ + ς g₃ · ….. ς gi (ς sigma) W wyniku sumowania otrzymujemy pomierzony obraz anomalii Δg wzdłuż określonego profilu. Anomalie regionalne są zazwyczaj rozłożone na dużych obszarach i związane przeważnie ze zmienną budową geologoczną, np. płaszczowiny Prognozowanie zagrożeń powierzchni terenu – głównie badania grawimetryczne znalazły zastosowanie przy określaniu miejsc dawnych wyrobisk podziemnych, stwarzających zagrożenie dla prowadzonych prac budowlanych i inżynierskich. Prognozowaniu tych zagrożeń istotną rzeczą jest określenie deformacji ciągłych i nieciągłych tzw. mikkroanomali Bałgera (BOGUERA). Mikrograwimetria pozwala na badanie składowisk odpadów komunalnych. Badania w tym zakresie przydatne są przy projektowaniu lokalizacji wysypisk oraz osadników a w szczególności a) przy ocenie jakości podłoża gruntowego, oraz czaszy składowiska za szczególnym uwzględnieniem warunków hydrogeologicznych b) przy rozpoznawaniu ośrodka skalnego pod kątem występowania nieciągłości i rozwarstwień Badania sejsmiczne wykorzystują właściwości fal sejsmicznych. Są one wzbudzane w przyrodzie w sposób naturalny, np. trzęsienia ziemi lub w sposób sztuczny a) eksplozją materiału wybuchowego b) rzucaniu z pewnej wysokości ciężaru c) uderzeniu młota, najczęściej pneumatycznego. Mikrosejsmy są to słabe drgania przypowierzchniowej części skorupy ziemskiej. Mogą być wywołane w sposób naturalny, np. uderzaniu fal morskich lub sztucznie,np. drgania ciężkich maszyn, samochodów, taboru kolejowego. Charakteryzują się one szybko malejącą amplitudą drgań niewielkim rozprzestrzenieniem źródła drgań. Mikrosejsmy nakładają się na fale sejsmiczne powodując zniekształcenie. Do rozpoznania geodezyjnego stosuje się fale sejsmiczne wzbudzone sztucznie Powstawanie fali sejsmicznej - w najbliższym otoczeniu trzęsienia ziemi lub miejsca eksplozji materiału wybuchowego powstaje największe zagęszczenie substancji skalnej, która ulega skruszeniu i trwałym odkruszeniu. W pewnej odległości maleje intensywność odkształcenia co wiąże się z mniejszym przesunięciem cząstek substancji, które przechodzą w drgania sprężyste. Określenia fal sejsmicznych a) czoło fali sejsmicznej jest to powierzchnia odgraniczająca ośrodek drgający od od nieobjętego jeszcze drganiem b) izochrony – powierzchnia do której czoło fali sejsmicznej dotarło w tym samym czasie c) promienie fali sejsmicznej – linie rozchodzące się do punktu wzbudzenia wzdłuż prostych prostopadłych do czoła fali d) hydrograf fali bezpośredniej – wykres w układzie współrzędnych prostokątnych ilustrujących zależność czasu nadejścia fali od odległości z punktu obserwacji e) fale Rayliegha – są to fale powierzchniowe których cząstki posuwają się wzdłuż torów eliptycznych prostopadłych do powierzchni granicznej f) fale Lovea są to fale rozchodzące się wewnątrz ośrodka skalnego po torach eliptycznych równolegle do powierzchni Amplituda, długość, okres oraz częstotliwość fali Zjawisko przemieszczania fali można przedstawić graficznie rozpatrując drganie pojedynczej cząstki tego ośrodka w płaszczuyźnie poziomej i pionowej Okres – odległość pomiędzy dwoma maksymalnymi wychyleniami. Badania geolektryczne stanowią jedno z głównych dziedzin geofizyki stosowanej. Polegają one na badaniu naturalnych lak wykonanych sztucznie w ziemi pól elektrycznych lub elektromagnetycznych. Polem elektrycznym lub polem elektromagnetycznym nazywamy obszar w którym działają siły elektryczne lub elektromagnetyczne. Pola naturalne są wynikiem rekcji fizykochemicznych zachodzących w ziemi na słońcu lub w kosmosie. W praktyce najczęściej wykorzystuje się pola sztuczne. Rozkład sił naturalnych i sztucznych pól zależy od sposobu wzbudzania pola, od własności elektrycznych i elektromagnetycznych skał. Rodzaje pól elektrycznych i elektromagnetycznych a) pola naturalne dzieli się na stałe i zmienne. Pole stałe nazywa się elektrycznym ponieważ przy ich badaniu wyznacza się główne składniki pola. Pole zmienne – to pole elektromagnetyczne, ponieważ przy ich badaniu wyznacza się zarówno składowe elektryczne jak i również magnetyczne.	Vp n = ------ liczba niemianowana V Md – V ° ρs Md – masa cząstek gruntu ρs (ro) – gęstość cząstek skalnych ρd = (1 - n) · ρs – gęstość γ d(gama) = (1 - n) · ρs – gęstość Prawo powszechnego ciążenia sformułował w drugiej połowie XVII w Newton. Zgodnie z tym prawem wartość siły ciążenia czyli wzajemnego przyciągania jest określona wzorem: m₁ · m₂ F=G · -------- Γ G – stała grawitacji 6,673 · 10 ⁻¹¹ [N · m² · kg ⁻²] Związek jaki istnieje między półokresem T – ruch wahadła matematycznego, a siła ciężkości g i długości wahadła l wyraża się wzorem: l T = x ʏ√ ---- z tego g l g – x ² ---- T² Siła odśrodkowa W skutek ruchu obrotowego ziemi na każde ciało oprócz siły grawitacji działa siła odśrodkowa C którą określamy wzorem. ˄ C = m ω( omega) ² R cos φ( fi) m – masa ciała przyciąganego w kilogramach ω (omega) – prędkość kątowa ziemi ˄ R – odległość położenia rozpatrywanego ciała od środka ziemi φ (fi) – kąt, który jest zawarty pomiędzy położeniem ciała a biegunami na biegunach φ = 90° - siła = 0 na równiku φ = 0° - ruch odśrodkowy Teoria Caliraut’ea (Claro) – Ziemia jest zbudowana z jednorodnych koncentrycznie ułożonych powłok. Uwzględniając spłaszczenie Ziemi wartość normalnej siły ciężkości g n (siła ciężkości) – na biegunach jest największa i wynosi 9,83217 gn – biegun 9, 78039 gn – równik W istocie ziemia jest pod względem budowy zupełnie odmienna, albowiem tworzą ją skały i utwory o różnej gęstości a ich udział procentowy w skorupie ziemskiej jest bardzo różny. W związku z tym w poszczególnych jednostkach objętości występują różne masy: m = ρ · v m – masa, ρ – gęstość, v – objętość Oddziaływanie tych elementarnych mas ziemi na ciało przyciągane czyli wzorcowe – jest różne. Wynika to z faktu że oprócz zmian regularnych siły ciężkości wynikają z położenia geograficznego występują zmiany nieregularne. Anomalie siły ciężkości odzwierciedlają rozkład gęstości w ziemi a poszczególne gęstości utworów budujących dany obszar będą się charakteryzować zmianami wartości siły przyciągania. Krzywa wykreślona i obrazująca wartość ziemi nazywa się anomalią grawitacyjną. Pomiaru anomalii można dokonywać na powierzchni ziemi lub na innej powierzchni obserwacyjnej np.: na pewnej wysokości. Na podstawie otrzymanego obrazu anomalii można wnioskować o wewnętrznej budowie oraz w pewnym zakresie o kształcie ciała zaburzającego, występującego na danym obszarze. Grawimetry Do pomiarów siły grawitacyjnej będziemy stosować metody dynamiczne oraz metody statyczne. Do metod dynamicznych zaliczamy wahadła matematyczne natomiast do metod statycznych grawimetry. Podstawową i największą częścią grawimetru jest element sprężysty, który może być wykonany z metalu lub kwarcu. Element sprężysty wykazuje ściśle liniową zależność odkształcania od obciążenia oraz brak odkształceń stałych i niezależność wskazań od temperatury. Metodyka pomiarów grawimetrycznych Podstawowym elementem pomiaru jest wykonanie zdjęcia grawimetrycznego powierzchniowego. Bardzo często wykonujemy to zdjęcie wzdłuż wyznaczonych profili zakładając sieć punktów tworzących trójkąty. Jest to tzw. grawimetryczna sieć podstawowa. Podstawą pomiaru wykonywanych za pomocą grawimetrów są wartości siły g ustalone w centralnych podstawowych punktach grawimetrycznych Poznań – Kraków – Warszawa. Przenoszenie (nawiązywanie) wartości siły ciężkości z punktów centralnych do punktów pomiarowych jest realizowane za pomocą stałego systemu punktów pomiarowych tworzących wierzchołki trójkątów sieci podstawowej – tzw. osnowy, obejmujące cały kraj. Zasięg głębokościowy badań geoelektrycznych – zależy od źródła wydającego pole geometrii układu pomiarowego częstotliwości prądu użytego jako źródła pola. Zależy także od przewodnictwa elektrycznego w ośrodku geologicznym. Im większa jest moc źródła tym intensywniejsze jest pole i większy w konsekwencji zasięg głębokości pola. Sposoby wzbudzania pól elektromagnetycznych W badaniach geolaktrycznych wykorzystuje się trzy sposoby wzbudzania pól: pole galwaniczne, indukcyjne, mieszane. W badaniach geoelektrycznych mierzonymi parametrami są: wartość amplitud natężenia pole elektrycznego E i magnetycznego a także przesunięcia fazowe. Metoda georadarowa należy do grupy metod radio falowych. Antena radiowa emituje w głąb ośrodka falę elektromagnetyczną, po odbiciu fala ta jest rejestrowana przez antenę odbiorczą. Amplituda fali odbitej zależy od kontrastu, stałej dielektrycznej dwóch ośrodków. Przy pomocy metody georadarowej można rozwiązywać takie zagadnienia geo techniczne jak: Lokalizacja infrastruktury w terenach zabudowanych, określenie płaszczyzny poślizgu na osuwiskach, lokalizacja płytkich granic litologicznych warstw, wyznaczenie nieciągłości pustek litologicznych naturalnych i antropogenicznych mogących mieć znaczenie dla budownictwa. Zalety: szybkość wykonania pomiaru, nieinwazyjny charakter badań, niski koszt jednostkowy pomiaru, natychmiastowa wstępna ocena wyników, Wady: duży koszt urządzenia, niemożliwość pracy w terenach trudnych (błotnistych), w przypadku skomplikowanej budowy trudności interpretacyjne.	Punkty te są lokalizowane w odległościach co 100 km od siebie tworząc sieć punktów pomiarowych klasy pierwszej. W nawiązaniu punktów do kl. I wyznacza się sieć punktów kl. II w odległościach co 25 km. Jeżeli istnieje potrzeba zakłada się sieć pomiarową kl. III w dowolnych odległościach. Zdjęcia grawimetryczne prowadzi się w 2 etapach. W 1 wykonuje się wymiary w punktach sieci podstawowej. Może to być sieć 1,2 lub 3 klasy. W 2 etapie wykonujemy pomiary w punktach sieci wypełniając np.: 1 do 18. Ich liczba zależy od potrzeby. Rodzaje zdjęć grawimetrycznych wypełniających 1 Zdjęcie regionalne – rekonesansowe 2 półszczegółowe 3 szczegółowe rozpoznawcze 4 mikrogrwaimetryczne Regionalne zdjęcie grawimetryczne wykonuje się w celu poznania charakteru anomalii na danym obszarze. Na ich podstawie wnioskuje się o ogólnej budowie geologicznej badanego terenu. W Polsce wykonano je w latach 1950 – 58. Zdjęcia półsczegółowe służą do wykrywania struktur geologicznych ( antykliny, synkliny, zręby, wały, rowy erozyjne, uskoki) Zdjęcia szczegółowe służą do wykrywania struktur mniejszych oraz do bezpośrednich poszukiwań i rozpoznawania złóż kopalin. Odległości pomiędzy punktami pomiarowymi zależą od rozmiaru budowanego obiektu, głębokości jego występowania i rodzaju aparatury. Wahają się w granicach od 10 do 200 m. Interpretacje geofizyczno – geologiczne 1 Interpretacja jakościowa – polega na opisie uzyskanego z pomiarów anomalii delta g obrazu tj. wyznaczaniu obszarów na mapie. Obszary te są wyznaczane linią grubą. 2 Interpretacja ilościowa – zmierza do uszczegółowienia danych w procesie interpretacji jakościowych. Ma ona głównie na celu wyznaczenie głębokości występowania obiektu geologicznego a także określenie wymiarów i kształtu. Podstawę interpretacji stanowią zasady ustalone w sposób teoretyczny dla modeli ciał i przybliżeniu ich do konkretnych figur geometrycznych. Daje to możliwość obliczeń ilościowych dla takich brył jak graniastosłupy lula lub walec. Obrazy anomalii ciał dwuwymiarowych i trójwymiarowych 1 Ciała dwuwymiarowe – z grawimetrycznego punktu widzenia przez dwuwymiarowe ciała zaburzające (obiekt geologiczny) rozumie się takie ciało dla którego anomalia delta g jest niezależna od jednych z trzech współrzędnych. Typowym przykładem jest wydłużony poziomo leżący walec. Gdy jego długość jest znaczna w stosunku do średnicy. Anomalia tego walca (delta g) ma stałą wartość wzdłuż każdej prostej równoległej do osi tego walca. W praktyce dwuwymiarowe uznajemy takie ciała które spełniają warunek l₁ --------- > 5 l₂ l₁ - podłużny wymiar anomalii – delta g l₂ - poprzeczny wymiar anomalii – delta g Do ciał zaburzających dwuwymiarowych występujących w przyrodzie możemy zaliczyć: żyły rudne, poziome stopnie i uskoki wychodnich warstw, rowy erozyjne, wydłużone wały ziemne i skalne. 2 Ciała trójwymiarowe – anomalie dla trójwymiarowych obiektów geologicznych mają na powierzchni ziemi kształt izometryczny. Typowym przykładem ciał trójwymiarowych jest kula, pionowy walec stojący lub prostopadłościan. Podział i działanie grawimetrów Podstawową i najważniejszą częścią układu pomiarowego każdego grawimetru jest jego element sprężysty. Może być wykonany z metalu lub kwarcu. W zależności od tego wykonania rozróżnia się grawimetry metalowe i kwarcowe. Najprostszym układem w konstrukcjach grawimetrów jest obciążona masą sprężyna lub napięta na ramce nić torsyjna obciążona dźwignią. Pomiar sprowadza się do określenia niewielkiego przesunięcia masy lub do określenia kąta skręcenia nici torsyjnej fi. Element sprężysty powinien wykazywać ściśle liniową i niezmienną zależność odkształcenia od obciążenia, brak odkształceń trwałych od temperatury. Z tego względu grawimetry umieszcza się w naczyniach izolowanych termicznie. Mikro grawimetria Badania prowadzone przy użyciu czułych mikrograwimetrów stworzyły możliwości dokładnych oznaczeń deformacji ciągłych i nieciągłych w ośrodkach gruntowych, jak również prześledzenie form antropogenicznych związanych głównie z wyrobiskami górniczymi. Umożliwiają również wyznaczenie małych form geologicznych w obszarach o skomplikowanej tektonice, np. Karpaty flizowe. Pojęcie anomalii lokalnych i regionalnych W badaniach grawimetrycznych rozdzielenie uzyskanego z pomiarów obrazu anomalii Δg jest z reguły procesem wieloetapowym i polega na wyznaczaniu anomalii regionalnych i liokalnych W rzeczywistości obserwujemy na powierzchni obraz siły ciężkości, który jest sumą sił wszystkich obiektów zaburzających.