Charakterystyka metod geofizycznych.

1). Metoda fal sejsmicznych.

a).Istota metody

Polega ona na wysłaniu w kierunku wnętrza Ziemi fal mechanicznych (sejsmicznych) o określonym natężeniu i częstotliwości oraz ich odbiór na powierzchni ziemi. Rozchodząca się fala we wnętrzu Ziemi ulega podstawowym fizycznym zjawiskom falowym takim jak: odbicie, ugięcie, rozproszenie, pochłanianie. Zjawiska te zachodzą na granicach różnych ośrodków, którymi w tym przypadku są różne rodzaje struktur geologicznych oraz skał. Na powierzchni dokonuje się rejestracji czasu powrotu oraz natężenia powracających fal. Na podstawie tych informacji dokonuje się interpretacji, jakie struktury geologiczne znajdują się pod powierzchnią Ziemi. Interpretacji dokonuje się przy wykorzystaniu komputerów, gdyż ilość informacji powracających do detektorów jest bardzo duża.

b).Sposoby pomiarów

- Wzbudzenie fal odbywało się kiedyś za pomocą ładunków wybuchowych umieszczonych w specjalnie do tego celu odwierconych otworach strzałowych.

Obecnie stosuje się wzbudzanie wibracyjne poprzez grupy urządzeń umieszczonych na specjalnych pojazdach. Rejestracja odbywa się przez bardzo czułe na drgania przyrządy zwane geofonami. Urządzenia te rozmieszczane są wzdłuż profili pomiarowych. Z analizy pojedynczego profilu uzyskuje się przekrój, a poprzez analizę wielu sąsiednich profili można uzyskać trójwymiarowy model struktur zalegających pod Ziemią.

c).Zastosowania

Metoda ta jest stosowana głównie do wykrywania i modelowania struktur geologicznych znajdujących się nawet na głębokościach kilku tysięcy metrów. Pomaga ona również w wykrywaniu złóż minerałów, gdyż określonym strukturom towarzyszyć może występowanie określonych minerałów.

2. Metoda elektrooporowa

a). Istota metody

Metoda ta wykorzystuje znany fakt, iż każdy materiał posiada inny opór elektryczny. W czasie badań rejestrowane są zmiany wartości oporu ziemi podczas przepływu prądu elektrycznego. Prąd przepływa pomiędzy wbitymi w ziemię elektrodami, połączonymi ze źródłem prądu elektrycznego. W badaniach elektrooporowych nie są istotne mierzone wartości oporów, lecz ich zmiany w stosunku do tła, czyli wartości względne. Opór-jest on zależny głównie od ilości wody oraz rodzaju skał. Materiały luźne i porowate mają zazwyczaj większą wilgotność.

b). Sposoby pomiarów

W zależności od specyfiki metody używa się różnej ilości i konfiguracji elektrod. Pomiary wykonuje się najczęściej w profilu lub kilku profilach w celu uzyskania modeli przestrzennych. W szczególnych przypadkach dokonuje się także pojedynczych sondowań elektrooporowych. Pomiar polega najczęściej na umieszczeniu w ziemi elektrod odniesienia w znacznej odległości od siebie i kolejnych sondowaniach elektrodą pomiarową wzdłuż wyznaczonego profilu.

c). Zastosowania

W związku z niewielkim zasięgiem (do kilkudziesięciu metrów w głąb Ziemi), metoda ta nadaje się do ustalania różnego granic litologicznych i uskoków znajdujących się na niewielkich głębokościach. Szeroko natomiast stosowana jest w: poszukiwaniu wód podziemnych, monitorowaniu stanu technicznego zapór i wałów przeciwpowodziowych, wykrywaniu i monitorowaniu obszarów skażonych, badaniach archeologicznych.

3. Metoda magnetometryczna

a). Istota metody

Jak wiadomo ziemia posiada własne pole magnetyczne, które jest zmienne w czasie oraz jest inne w różnych miejscach na jej powierzchni. Badania magnetometryczne polegają na rejestracji anomalii i zaburzeń tego pola wewnątrz sondowań geologicznych. Jest to metoda względna, gdyż nieinteresująca jest sama wielkość pola magnetycznego, ale jego różnica w stosunku do pola porównywanego w innym miejscu lub w innym czasie. Należy zwrócić uwagę na to, że nie jest to metoda podstawowa. Stanowi ona uzupełnienie innych metod oraz dostarcza dodatkowych informacji, które można wykorzystać przy różnego rodzaju analizach w szczególności geologicznych.

b). Sposoby pomiarów

Pomiarów kierunku i natężenia pola magnetycznego dokonuje się zarówno na powierzchni jak i wewnątrz Ziemi. Wykonuje się w tym celu odpowiednich wierceń, a do wnętrza otworu spuszcza się sondę, która dokonuje rejestracji parametrów.

c). Zastosowania

Zwiększone natężenie pola magnetycznego może świadczyć o występowaniu wewnątrz Ziemi złóż rud metali, zatem metoda ta może służyć do ich poszukiwania. Inne kierunki pola magnetycznego spowodowane są natomiast występowaniem warstw, które uległy przemieszczeniu. Dzieję się tak dlatego, gdyż pozostające przez długi czas w spoczynku masy skalne przyjmują kierunek pola magnetycznego ziemi, a gdy dojdzie do ich przemieszczenia, zachowują one przez pewien czas swój odmienny od ziemskiego kierunek linii sił pola magnetycznego. Oczywiście czas ten jest długi, mierzony epokami geologicznymi. Metodą tą można zatem badać mobilność powierzchni litosfery. Jednak nie daje ona nam dokładnych wartości mierzalnych, ale jedynie sygnalizuje fakt wystąpienia takiego zjawiska. Można także w pewnym zakresie określić rodzaj utworów geologicznych, gdyż każda skała posiada inne właściwości magnetyczne.

4. Metoda grawimetryczna

Pomiary grawimetryczne znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach wiedzy, a ich zaklasyfikowanie do którejś z nich jest niemożliwe. W geodezyjnych metodach służą m.in. do obliczeń poprawek do systemów wysokości. Poniżej zostanie opisane ich wykorzystanie przez geofizyków.

a). Istota metody

Pomiary grawimetryczne polegają na pomiarze przyspieszenia siły ciężkości. Przyśpieszenie to jest w głównej mierze zależne od masy i od odległości od środka tej masy (Ziemi). Wykonując pomiary na jednym poziomie i porównując otrzymane wielkości z modelem teoretycznym rozkładu przyspieszeń można ustalić różnice w masach skalnych pomiędzy nimi, a dodatkowo znając ich objętość można ustalić ich gęstość, a co za tym idzie ich rodzaj. Metody te są także metodami względnymi, gdyż znajomość przyspieszenia siły ciężkości w jednym punkcie nie niesie ze sobą istotnych dla tych celów informacji, a dopiero ich połączenie ze znajomością ich rozkładu stanowi materiał do dalszych analiz. W połączeniu z innymi metodami (szczególnie z różnego rodzaju sondowaniami) pomiary grawimetryczne mogą dostarczać wielu informacji.

b). Sposoby pomiarów

Pomiary przeprowadzane są najczęściej na powierzchni ziemi wzdłuż zadanych profili lub powierzchniowo. Pomierzone grawimetrami przyspieszenia podlegają obliczeniom, a uzyskane w ich wyniku anomalie grawimetryczne stanowią materiał do interpretacji.

c). Zastosowania

Ponieważ w wyniku tych pomiarów dostarczane są informacje o rozkładzie mas skalnych oraz pośrednio także ich gęstościach metodę tą można wykorzystać do wykrywania rodzaju skał znajdujących się pod powierzchnią Ziemi. W szczególności do: poszukiwania złóż surowców mineralnych, rozpoznanie głębokich struktur geologicznych oraz uskoków tektonicznych, badania dla zagadnień geoinżynierii (wykrywanie podziemnych pustek i rozluźnień w podłożu).

Charakterystyka geodezyjnych metod bezwzględnych:

1. Technika kosmiczna VLBI

Pomiary interferencyjne bardzo długich baz to technika kosmiczna, a nie satelitarna. Różnica polega na tym, że nie biorą w tej technice udziału sztuczne satelity Ziemi, ale wykorzystuje się pozagalaktyczne radioźródła - kwazary. Duży wpływ na dokładność pomiaru ma precyzja rejestracji czasu.

Aby zwiększyć dokładność należy obserwacje prowadzić przez kilka lat. Średnie wartości z takich pomiarów pozwalają na osiągnięcie dokładności rzędu milimetrów. Biorąc pod uwagę błąd względny pomiaru odległości metoda długich baz jest najbardziej dokładna. Pozwala uzyskać błąd kilku milimetrów na odległości kilku tysięcy kilometrów.

2. Technika SLR i LLR

Laserowe pomiary satelitarne nie mają bezpośredniego zastosowania w pomiarach geodezyjnych w celu wyznaczania pozycji punktów geodezyjnych. Odgrywają one dużą rolę w problematyce definiowania i zakładania układów odniesienia oraz w badaniach geodynamiki globalnej.

Układy odbijające promienie lasera stanowią satelity z pryzmatami lub reflektory na Księżycu.

Zebrane wyniki pomiarów z szeregu okresu lat pozwalają określić wartości ruchów poziomych a tym samym ich prędkości.

3. Technika satelitarna GPS

Technika ta odgrywa największą rolę we współczesnych geodezyjnych metodach badania ruchów powierzchni skorupy ziemskiej. Pełni ona dwojaką rolę:

• do wyznaczenia przemieszczeń punktów geodezyjnych podlegających ruchom wraz z powierzchnią skorupy ziemskiej, w której są one utrwalone za pomocą znaków geodezyjnych;

• w celu odniesienia pomiarów geodezyjnych dotyczących ruchów skorupy ziemskiej do odległych obszarów pozostających we względnym bezruchu.

Dzięki tym funkcjom technikę GPS stosować możemy dla lokalnych jak i globalnych badań geodynamicznych. Ważną cechą tego systemu jest to, że wyniki obserwacji to wielkości wektorowe, które odniesione są na całej Ziemi do jednego układu WGS-84. Pomiar techniką satelitarną GPS stanowią uzupełnienie i powiązanie innych metod:

• klasycznych (niwelacja precyzyjna, sieć kątowo-liniowa)

• satelitarnych SLR

• kosmicznych LLR i VLBI

4. Techniki klasyczne

Do klasycznych technik pomiaru zaliczamy powtarzane pomiary:

• sieci niwelacji precyzyjnej do wyznaczania składowych pionowych ruchu skorupy ziemskiej ;

• sieci poziomych kątowo-liniowych do wyznaczenia składowych horyzontalnych.

Zasada tych metod polega na ciągłych lub okresowo powtarzanych pomiarach na punktach jednoznacznie utrwalonych w bryle Ziemi i jednoznacznie odtwarzalnych na czas pomiaru.

- W ostatnich latach pomiary sieci poziomych kątowo-liniowych zostają wypierane przez technikę satelitarną GPS.

- Pomiar metodami klasycznymi wykonujemy w oparciu o sieci geodynamiczne, które stanowią specjalne poligony do badania ruchów skorupy ziemskiej. Lokalizuje się je na obszarach rokujących szczególną aktywność sejsmiczną lub zagrożonych skutkami współczesnych ruchów skorupy (trzęsienia Ziemi). W tych, bowiem rejonach spodziewane są możliwie szybko efekty w postaci zaobserwowanych przemieszczeń punktów.

- Punkty sieci geodynamicznej powinny być rozmieszczone mniej więcej równomiernie na badanym obszarze z uwzględnieniem cech budowy geologicznej. Zasadnicze znaczenie dla punktów sieci geodynamicznej ma ich bezpieczna lokalizacja, trwała i stabilna zabudowa pozwalająca na jednoznaczną identyfikację przy kolejno, okresowo powtarzanych pomiarach. Zabudowa punktów powinna pozwalać na wykonanie pomiarów z użyciem różnych metod tzn: GPS, grawimetrycznych, geomagnetycznych, geodezji klasycznej.

b).Geodezyjne metody względne

Wśród geodezyjnych technik pomiarowych ważne miejsce zajmują techniki względne wyznaczania przemieszczeń elementów budowli inżynierskich. Techniki te z powodzeniem można zastosować w badaniach geodynamicznych. Metody te stosuje się głównie do bezpośredniego względnego określania zmian położenia bloków skalnych, lub konstrukcji inżynierskich poddawanych wpływom sił geodynamicznych. Do podstawowych technik geodezyjnych z tego zakresu można zaliczyć metody oparte na stosowaniu następujących instrumentów pomiarowych:

• ekstensomert

• tensometr

• pochyłomierz

• szczelinomierz

• klinometr

• wahadło

• inklinometr

Charakterystyka geodezyjnych metod względnych:

1. Ekstensometr

Przyrząd ten stosuje się do pomiaru niewielkich zmian długości najczęściej elementów budowli. Główną cecha tych zmian jest ich mała uchwytność ze względu na nieduże wielkości rozłożone na znacznych odległościach. Cecha ta wymusza odpowiednią długość ekstensometru uzależnioną od zastosowań, ale nie powinno się stosować krótszych instrumentów niż 1 m.

Ekstensometr ma duże zastosowanie w badaniach zmian długości budowli pod wpływem zmian temperatury.

2. Tensometr

Przyrząd ten stosuje się do pomiaru zmian długości elementów. Przyrząd ustawia się na badanym elemencie za pośrednictwem dwóch ostro zakończonych nóżek. Zmiana długości elementu powoduje przesunięcie jednej z ostro zakończonych nóżek. Wielkość przesunięcia uwidoczniana jest na skali poprzez system dźwigni. Obecnie stosuje się tensometry elektryczne, których zasada działania oparta jest na pomiarze oporu elektrycznego przewodnika ulegającego zmianom długości wraz ze zmianą dynamiki badanego elementu.

3. Pochyłomierz

Pochyłomierze wykorzystuje się w badaniu zmian nachylenia elementów. Budowa większości pochyłomierzy oparta jest na czułej libeli rurkowej oraz śrubach mikrometrycznych. W momencie gdy nastąpi pochylenie badanego elementu libela wyjdzie z górowania. W praktyce stosowane są różnego rodzaju pochyłomierze. Obecnie wykorzystuje się urządzenia elektroniczne Bazujące na pomiarze przemieszczenia obciążonego wahadła względem obudowy pochyłomierza. Znane są również pochyłomierze hydrostatyczne.

Pochyłomierze mają zastosowanie w badaniu stałości punktów sieci geodynamicznych. Pozwalają one na wyznaczenie pochylenia betonowego znaku punktu geodezyjnego w dowolnym kierunku płaszczyzny poziomej.

4. Klinometr

Zwany również pochyłomierzem bazowym zaliczany jest do grupy przyrządów służących do pomiaru pochylenia. Zasada działania klinometru opiera się na pomiarze różnicy wysokości między główkami trzpieni zastabilizowanymi na badanym obiekcie w odległości 1 m. Główki te stabilizuje się na równym poziomie. Różnicę wysokości wyznacza się poprzez zmiany położenia pęcherzyka precyzyjnej libeli. Zastosowanie bazy dwóch trzpieni powoduje wyznaczenie pochylenia w jednym kierunku. W celu zbadania pochylenia elementu w płaszczyźnie należy zastosować dwie pary trzpieni umiesz względem siebie pod kątem prostym.

5. Szczelinomierz

Szczelinomierze są to urządzenia wyspecjalizowane do mierzenia wzajemnych przemieszczeń bloków skalnych lub elementów budowli inżynierskich. Najczęstsze zastosowanie szczelinomierze mają w pomiarach szczelin dyletacyjnych oraz szczelin powstałych wskutek pęknięć budowli. Budowa najprostszego szczelinomierz ilustrująca zasadę działania opiera się na zastabilizowanych po obu stronach szczeliny metalowych bolcach. Pomiar wykonuje się na przykład przy pomocy suwmiarki wyznaczają wzajemne przysunięcie dwóch bloków skalnych wzdłuż linii zastabilizowanych bolców. Należy pamiętać, że zmiany szerokości szczeliny są wynikiem nie tylko przesunięcia w jednej linii, ale również przemieszczenia w różnym kierunku wraz z obrotem i nachyleniem. Pewnym rozwiązaniem jest stosowanie zespołu szczelinomierzy rozmieszczonych w taki sposób, że można w przybliżeniu określić przestrzenne przemieszczenie bloków skalnych względem siebie. Rozwój techniki spowodował, iż obecnie stosuje się szczelinomierze, które posiadają zintegrowany system pomiaru przemieszczeń bloków skalnych tylko z dwóch punktów.

6. Wahadło

Wahadło pozwala na wyznaczenie liniowych i kątowych wielkości pochylenia i odkształcenia budowli. Budowę wahadła zaprezentowano na rysunku poniżej. Wahadła dzielimy na proste, odwrotne - punkt mocowania na dole i różnicowe - opierają się na pomiarze różnicy pomiędzy systemem drutów wahadła.

- Metoda wahadła jest szeroko stosowana do kontroli bezpieczeństwa budowli inżynierskich takich jak na przykład zapory wodne. Wahadła instaluje się w szybach pomiarowych, gdzie na odpowiednich poziomach następuje pomiar wychylenia ścian konstrukcji zapory względem pionowego drutu wahadła. Pozwala to na szybkie wykrycie ewentualnego zagrożenia bezpieczeństwa obiektu. Wahadła można również stosować w badaniach pochylnia bloków skalnych.

7. Inklinometr

Służy on do pomiaru odkształceń poziomych podłoża określonych przez zmianę kształtu osi kolumny rur pionowych. Wykorzystanie inklinometru wymaga uprzedniego przygotowania. W gruncie podlegającym badaniom instaluje się rury prowadnicze wykonane z aluminium. Pod wpływem działania sił poziomych rury te ulegają odkształceniom. Zniekształcenia rur odpowiadają deformacją terenu, w którym zostały zainstalowane. Badania wykonujemy przy pomocy wodoodpornej sondy opuszczanej do wnętrza rury. Sonda ta zbudowana jest z opornika, który pod wpływem przechylenia sondy dzielony jest na dwa obwody.

- Badania inklinometryczne mają duże zastosowanie w monitorowaniu konstrukcji ziemnych, kopalni, zwałowisk, nasypów, ruchów osuwiskowych i pełzania gruntów w zboczach lub skarpach.

Stosowanie metod względnych do pomiaru nieciągłości litosfery pozwala jedynie w pewnym stopniu określić charakterystykę badanego elementu skorupy ziemskiej. Są to jednak doskonałe metody uzupełniające inne techniki pomiarowe. Występują też sytuacje, w których niemożliwe jest zastosowanie innych sposobów pomiaru ze względu na niedostępności elementów mierzonych. Metody względne pozwalają na badania nawet bardzo niedostępnych fragmentów górotworu. Dużą zaletą technik względnych ze względu na sposób i urządzenia stosowane do pomiaru jest ich dokładność wynosząca do 0,01 mm do 1 mm.

Metody inne

1. Metoda hydrologiczna

Jako podstawowe założenie tej metody przyjęto, że przy pionowych ruchach skorupy ziemskiej występują jednocześnie zmiany względnej głębokości pierwszego poziomu wód gruntowych. W przypadku ruchów podnoszących skorupę ziemską następuje obniżenie poziomu wód gruntowych, natomiast gdy następuje ruch obniżający wysokość skorupy występuje poniesienie poziomu lustra wody gruntowej względem powierzchni terenu. Na skutek wieloletnich badań zauważono, że zmiana wysokości terenu ± 1 m/rok powoduje zmianę głębokości lustra wody ± 1m na 10 lat.

Metoda hydrologiczna opiera się na analizie wahań minimalnych i średnich minimalnych rocznych stanów zwierciadła wód podziemnych. Metoda ta wymaga prowadzenia badań prze okres minimum 10 lat. Badania przeprowadza się w studniach spełniających określone warunki. Przede wszystkim poziom wód w takich studniach nie może być zakłócany przez czynniki antropogeniczne, ani uzależniony od poziomu wody w sąsiednich rzekach. Wyniki badania przeprowadzonych tą metodą porównywalne są z wynikami uzyskanymi na przykład z metod geodezyjnych.

2. INSAR

Metoda z wykorzystaniem INSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) polega na wykonaniu interferencyjnych zobrazowań radarowych terenu powstałych z danych dostarczonych przez satelity w różnym czasie z tych samym punktów na orbicie. Wysokość satelitów wynosi około 480 km. Dane z satelity przesyłane są do stacji naziemnych, gdzie są przetwarzane na obrazy końcowe. Dokładność wyznaczenia ruchów skorupy ziemskiej wynosi poniżej 1 cm pomiędzy dwoma kolejnymi obrazami. Dużym utrudnieniem w stosowaniu tej metody jest szata roślinna Ziemi. Powoduje ona, ze promieniowanie podczerwone wysyłane przez satelitę zostaje raczej pochłonięte niż odbite. Dlatego metoda ta ma ogromną przyszłość na terenach pustynnych lub słabo porośniętych przez roślinność. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest odczytywanie z obrazów punktów w miejscach zurbanizowanych to znaczy w punktach, gdzie przebiegają drogi, chodniki betonowe oraz inne tereny pozbawione roślinności.

INSAR pozwala na szybkie uzyskanie dokładnej informacji o zmianach wysokości gruntu. Może on stanowić doskonałe uzupełnienie do tradycyjnych geodezyjnych technik pomiarowych, zwłaszcza, ze pozwala na prowadzenie częstszych obserwacji.

3. Metoda teledetekcyjna

W metodzie tej wykorzystuje się satelitarne zobrazowanie teledetekcyjne. Zaobserwowano, że fotolineamenty zarejestrowane na takich obrazach pokrywają się z niektórymi strukturami tektonicznymi. Dzieje się to zazwyczaj w przypadku młodych elementów tektonicznych lub starych, które uległy odnowieniu. Wiedza taka jest bardzo istotna w geologii inżynieryjnej i hydrogeologii. Powszechnie ta metodę wykorzystuje się do wyznaczenia terenu pod duże inwestycje inżynierskie jak np.: budowa dużych zakładów, składowisk odpadów, itp. Pozwala ona szybko określić miejsce występowania aktywnych tektoniczne stref mogących mieć wpływ na inwestycje naziemne.

---