Geofizyka

Dr Mariusz Grabiec

[e-mail]

16.10.2014

Geofizyka- bada właściwości fizyczne oraz pola (naturalne i sztuczne) występujące we wszystkich warstwach Ziemi i atmosfery ją otaczającej.

Pola fizyczne wykorzystywane w geofizyce	Metody geofizyczne	Mierzone parametry fizyczne
Pole magnetyczne i elektromagnetyczne	Magnetometria	Składowe pole magnetyczne
Pole grawitacyjne	Grawimetria	Gęstość masy
Pole cieplne	Termometria	Przewodność, odporność cieplna
Sejsmiczność naturalna	Sejsmika	Sprężystość
Promieniotwórczość naturalna	Geofizyka jądrowa	Promieniotwórczość
Wzbudzone
Pole magnetyczne i elektromagnetyczne	Metoda elektromagnetyczna i elektrooporowa, magnetometria	Przewodność, odporność własna
Fale sejsmiczne	Sejsmika	Sprężystość
Fale akustyczne	Akustyka	Sprężystość
Promieniotwórczość wzbudzona	Geofizyka jądrowa	promieniotwórczość

Podział geofizyki:

1. Geofizyka podstawowa- bada właściwości fizyczne poszczególnych stref Ziemi w celu kompleksowego poznania ich struktury i procesów w nich zachodzących

   1. Fizyka skorupy ziemskiej i wnętrza Ziemi

   2. Fizyka atmosfery

   3. Oceanologia

   4. Hydrologia i hydrodynamika

   5. Fizyka przestrzeni okołoziemskiej

2. Geofizyka stosowana- zmierza do poznania pól fizycznych Ziemi pod kątem wykorzystania praktycznego poprzez rozpoznanie płytkich warstw litosfery na ograniczonym obszarze:

   1. Geofizyka poszukiwawcza

   2. Górnicza

   3. Środowiska

Podział geofizyki ze względu na metody i sposoby badań:

• Geofizyka powierzchniowa- bada właściwości fizyczne litosfery z powierzchni Ziemi

• Wiertnicza (otworowa)- wykorzystująca badania prowadzone poprzez i w odwiertach

METODY

1. Geoelektryczne- wykorzystują zróżnicowanie cech ośrodków elektrycznych, a w szczególności oporu właściwego (ρ) , przenikalność elektryczna (ε) i przenikalność magnetyczna (μ)

Rodzaje metod geoelektrycznych:
1. Metoda elektrooporowa- opiera się na zróżnicowanej charakterystyce oporu elektrycznego poszczególnych ośrodków w czasie przepływu przez nie stałego prądu elektrycznego.

Prawo Ohma

[Ω]

R- opór [Ω]

U- napięcie [V]

I – natężenie [A]

Opór właściwy

ρ =R*( s/l) [Ωm]

s- przekrój osrodka [m²]

l- długość ośrodka [m]

Rodzaje skały	Opór właściwy [Ωm]
Piaski suche	250-10000
Piaski zwodzione	80-350
lessy	20-60
Gliny	35-80
Iły	<30
Torfy	8-50
(wg Stenzel, Szymanko, 1973)

Sposoby prowadzenia pomiaru elektrooporowego:

1. Sondowanie elektryczne- określa zróżnicowanie oporu właściwości ośrodka w profilu pionowym. Kolejne pomiary wykonuje się przy zwiększonym rozstawie elektrod zasilających przy zachowaniu punktów środkowych.

2. Profilowanie elektryczne- bada opór właściwy warstwy do stałej głębokości wzdłuż wyznaczonej linii profilu. Pomiar wykonuje się przemieszczając zestaw pomiarowy wzdłuż lini profilu.

1. Topografia elektrooporowa- łączy elementy sondowania i profilowania elektrycznego. Elektrody rozlokowane są w stałym interwale odległości wzdłuż linii pomiarowej. Pomiary wykonywane są w różnych konfiguracjach elektrod o zmiennej odległości.

23.10.2014

Zastosowanie metody elektrooporowej:

• Hydrogeologia- określenie parametrów hydrologicznych np. identyfikacja poziomu lustra wody, grubośc warstw wodonośnych, współczynnik infiltracji, porowatość.

• Geotechnika- lokalizacja pustek, zapadlisk, spękań, tuneli, określenie miąższości nakładu, głębokość zalegania podloża

• Ochrona środowiska- identyfikacja i monitoring stref skażonych metalami ciężkimi, drogi migracji zanieczyszczeń

• Badania środowiskowe- archeologia, litologia, tektonika, charakterystyka gruntu i lodu w środowisku peryglacjalnym, badanie osuwisk.

1. Metoda elektromagnetyczna- określa właściwości przewodności ośrodka w oparciu o badanie wzbudzonego w nim pola elektromagnetycznego

Zastosowanie metody:

• Wykrywanie metalowych obiektów

• Detekcja pustyń, jaskiń, szczelin

• Monitoring zanieczyszczeń środowiska, wykrywanie składowisk odpadów

• Inspekcja infrastruktury hydrotechnicznej i przeciwpowodziowej

• Wyszukiwanie i ocena zasobności pokładów surowców skalnych

• Prace archeologiczne

• Badanie nieciągłości i miąższości wieloletnij zmarzliny

1. Metoda grawimetryczna- bada zróżnicowanie siły ciężkości na powierzchni Ziemi

F=G*(m₁*m₂/r²)

F-siła przyciągania

G-stała grawitacji (G+ 6,67384(80)*10¹¹m³/kgs²

M₁,m₂- masy pierwszego i drugiego ciała

r- długość wektora łączącego ośrodki obu ciał

Pomiar bezwzględny siły ciężkości określa wartość przyspieszenia ziemskiego.

30.10.2014 NIE MAM WYKŁADU Z TEGO DNIA

06.11.2014

Fale- regularne zaburzenia propagowane w określonym ośrodku

Fale elektromagnetyczne- radiowe, radarowe, mikrofale, itd.

Fale mechaniczne- sejsmiczne, dźwiękowe, fale na wodzie

Atrybuty fali mechanicznej:

• Amplituda fali (A)

• Długość fali (λ)

• Faza

• Okres

• Częstotliwość (f)

• Prędkość (v)

1. Metoda sejsmiczna-posługuje się rozprzestrzeniającymi się w ośrodkach sprężystych sztucznie wytworzonymi falami mechanicznymi. Metoda określa czas powrotu fali do geofonu, który jest proporcjonalny do drogi jaką przebyła fala oraz prędkość jej propagacji. Metoda wykorzystuje zarówno fale podłużne (ρ) poprzeczne(s-) oraz powierzchniowe (fale Reyleigha i Lova)

Prędkość propagacji i fal sejsmicznych:
Vρ= √E/ρ Vs= √G/ρ

Vρ- prędkość propagacji fali podłużnej

Vs- prędkość propagacji fali poprzecznej

E- moduł sprężystości podłużnej

G- moduł sprężystości poprzecznej

(ro) ρ – gęstość ośrodka

Metody wzbudzenia fali sejsmicznej:

• Uderzeniowe (młot, kafar, vibroseis)

• Eksplozywne( eksplozja materiału wybuchowego, airgun)

Geofon- służy do rejestracji drgań

Sejsmika refleksyjna- rejestruje fale odbite od płaszczyzn oddzielających ośrodki o zróżnicowanych właściwościach sprężystych

Sejsmika refrakcyjna- opiera się o zapis czasu powrotu wytworzonej fali refrakcyjnej

13.11.2014

Wielkokanałowa analiza fal powierzchniowych NASW (Multichannel Analysis of Surface Waves):

• Rejestruje składową wertykalną fal Rayleigha

• Wyznaczanie granic litologicznych

• Głębokości zalegania podłoża

• Lokalizacja nieciągłości

Sejsmika refleksyjna i refrakcyjna

• Badanie struktury wgłębnej przed planowanym odwiertem głębinowym (Szwajcaria)

• Badanie właściwości podłoża przed rozpoczęciem eksploatacji górniczej

Refleksyjna:

• badanie struktury i miąższości osadów glacjalnych ( Półwysep Svelviksand, Norwegia)

Refrakcyjna:

• badanie struktury miąższości osadów rzecznych Harvey Creek (Papua Nowa Gwinea)

• wykorzystanie sejsmiki refrakcyjnej dla analizy struktury stoków alpejskich w rejonie doliny Turtmann w Alpach Szwajcarskich (Otto i Sass 2006)

MASW:

• badanie właściwości podłoża przed rozpoczęciem eksploatacji górniczej

Promieniowanie elektromagnetyczne-zaburzenia pola elektromagnetycznego rozprzestrzeniające się w postaci fali poprzecznej zlożonej z indulujących względem siebie oraz względem kierunku propagacji składowych elektrycznej i magnetycznej.

Prędkość promieniowania elektromagnetycznego:

V= 1/√εμ, gdzie ε – przenikalność elektryczna, μ- przenikalność elektryczna ośrodka

Prędkość promieniowania elektromagnetycznego w próżni wynosi: ε₀= 2,998*10⁸ms^-1

Przenikalność elektryczna (ε)- definiuje właściwości elektryczne ośrodka. Najmniejsza wartość przenikalności elektrycznej w próżni to ε₀= 8,85*10^-12Fm^-1

Przenikalność względna (ε_r)- to bezwymiarowy parametr, określający ile razy przenikalność bezwzględna ośrodka jest większa od przenikalności w próżni

ε_r= ε/ε₀

Przenikalność magnetyczna (μ)- jest parametrem charakteryzującym zdolność określonego materiału do zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego.

Częstotliwość fali (f) i jej długość (λ) są odwrotnie proporcjonalne.

V=λf

Częstotliwość (f) i długość fali (λ) zmieniają się zgodnie z funkcją energii ładunku (E) – Prawo Plancka

E=fh

Stała Plancka h=6,62*10^-34 Js

Prędkość propagacji fali w materiałach niemagnetycznych:

v= c/√ε

20.11.2014

Georadar- urządzenia wykorzystujące fale w zakresie radiowym o częstotliwości najczęściej w zakresie 10-100 Mhz , wykorzystywane dla zidentyfikowania obiektów i struktur przypowierzchniowych warstw skorupy ziemskiej.

Zastosowanie metody sejsmicznej i georadarowej w sondowaniu miąższości lodowców i rzeźby subglacjalnej.

Metoda sondowania refleksyjnego- czynniki wpływające na jakość pomiaru:

• wybór częstotliwości anten (f)

• określenie okna czasowego (w)

• określenie częstości próbkowania (t)

• określenie odległości pomiędzy śladami (d)

• wybór odległości między antenami (s)

• dobór systemu współrzędnych oraz projektowanie przebiegu profili