Metody geofizyczne należą do ważniejszych zespołów metod badawczych stosowanych w badaniach hydrogeolog. Są one wyk do: · rozpoznawania budowy geolog w celu lokalizacji stref występowania wód podz, ustalania rejonów perspektywicznych do lokalizacji ujęć i lokalizacji otworów studziennych w określonych warstwach/poziomach wodonośnych, · badania kierunku, prędkości i wielkości przepływu wód, ·oznaczeń wieku skał i wód, ·określania granic między wodami słodkimi i słonymi, ·wyznaczania obszarów zanieczyszczeń wód podziemnych. - ekonomicznych, a często osiągane wyniki są trudne do uzyskania innymi metodami. - nieszkodliwe dla środowiska i szybkie uzyskanie wyników. W badaniach hydrogeologicznych podstawową rolę odgrywają metody geoelektryczne, do których należą: · metoda naturalnego potencjału elektrycznego, · metoda elektrooporowa. - mniej metody geofizyki jądrowej (radiometryczne),metoda sejsmiczna i geotermiczna. Badanie wpływu przeterminowanych środków ochrony roślin(mogilników) na środowisko geologiczne - podstawową rolę odgrywają metody geoelektryczne: tomografia elektrooporowa i georadar • •Cel badań geofizycznych: a) zbadanie budowy geologicznej w otoczeniu składowisk, b) określenie zmienności litologicznej pierwszych kilkunastu-kilkudziesięciu metrów w głąb pod powierzchnią terenu, c) określenie kierunków przepływu wód pierwszego poziomu wodonośnego i parametrów fizycznych wód w istniejących okolicznych studniach kopanych, d) zbadanie zasięgu aureoli najintensywniejszych skażeń. Zasady sporządzania dokumentacji geologiczno-inżynierskiej Celem badań geofizycznych jest dostarczenie informacji o podłożu, w tym o warunkach posadowienia obiektu, warunkach hydrogeologicznych i właściwościach gruntów i skał. Badania te są również bardzo przydatne do rozwiązywania problemów ochrony środowiska. zastosowanie w dokumentowaniu geologiczno-inżynierskim mają metody: > geoelektryczne -metoda potencjałów samoistnych PS -metoda elektrooporowa - akwizycja danych i interpretacja (przekrój geoel. , mapa geoelektryczna) sondowanie SGE (PSE) profilowanie PE tomografii elektrooporowej TE -metoda georadarowa (GPR) > sejsmiczne - Sposoby wzbudzania fal sejsmicznych, Tomografia sejsmiczna - Sejsmika refleksyjna - Sejsmika refrakcyjna - Interpretacja danych: Sejsmograf, Hodografy > geotermiczna, >grawimetryczna, >geofizyki jądrowej >atmogeochemiczne. Badania geofizyczne w kopalniach: -sejsmika -grawimetria

Metoda naturalnego potencjału elektrycznego PS Podstawy fizyczne metody > Przedmiotem obserwacji są własności naturalnych pól elektrycznych Ziemi wywołanych przez różne procesy fizyczne i elektrochemiczne zachodzące w skorupie ziemskiej i otaczającej ją przestrzeni > Wyróżnia się naturalne pola elektryczne - regionalne: ich powstanie wiąże się ze zmianami pola magnetycznego jonosfery są to POLA MAGNETOTELURYCZNE. - METODA TELLURYCZNA - METODA MAGNETOTELLURYCZNA pomiary na powierzchni ziemi; bada się głębokie struktury - lokalne: źródłem ich powstania są obiekty dobrze przewodzące prąd. Ich powstanie wiąże się z procesami: - utleniania i redukcji - dyfuzyjno - adsorbcyjnymi - filtracji (towarzyszące zjawisku filtracji cieczy przez utwory porowate i szczeliny) zachodzącym w płytkim podłożu. - METODA NATURALNEGO POTENCJAŁU ELEKTRYCZNEGO (metoda potencjału samoistnego) PS pomiary na powierzchni ziemi oraz w otworach wiertniczych; bada się płytkie struktury >Naturalne źródła prądu elektrycznego: - Procesy utleniania i redukcji -ogniwo galwaniczne (rudy siarczków metali) OG to urządzenie zmieniające bezpośrednio energię chemiczną na elektryczną prądu stałego, która powstaje w wyniku reakcji elektrochemicznej. Składa się z 2 półogniw (elektrod) połączonych bezpośrednio roztworem elektrolitu lub rozdzielonych półprzepuszczalną błoną Utlenianie zachodzi na elektrodzie zwanej anodą, a utlenianie cząstki uwalniają do niej elektrony. Redukcja zachodzi na drugiej elektrodzie, nazywanej katodą, a cząstki ulegające redukcji pobierają od niej elektrony. Sumaryczna reakcja powoduje przepływ elektronów w zewnętrznym przewodniku łączącym obie elektrody. W efekcie w tak zbudowanym układzie zaobserwujemy przepływ prądu elektrycznego przez włączony w obwód miernik prądu elektrycznego Przykłady ogniw galwanicznych: •ogniwo Leclanchégo (1877) najpopularniejsze ogniwo galwaniczne występujące powszechnie w handlu np. jako popularne tzw. "baterie paluszki" (o napięciu 1,5 V) lub "baterie płaskie" (o napięciu 4,5 V) • •ogniwo Daniella • •ogniwo ołowiowe • •ogniwo Westona Procesy dyfuzyjno - adsorbcyjnymi • Zachodzą w skałach wypełnionych roztworami o różnej mineralizacji. Jony z roztworów w większym stężeniu dyfundują do o mniejszym stężeniu • Na ogół prędkość przemieszczania się anionów jest większa od przemieszczających się kationów. To zjawisko powoduje powstanie w roztworze o mniejszym stężeniu nadmiaru cząstek naładowanych ujemnie i powstanie lokalnej różnicy potencjałów. Mówi wtedy o elektrycznym polu dyfuzyjnym • W obrębie szkieletu gruntowego tworzy się otoczka wody związanej (podwójna warstwa elektryczna) - przyciąga ona kationy. Ruch kationów w warstwei dyfuzyjnej powoduje powstanie elektrycznego pola adsorbcyjnego • •Potencjał dyfuzyjno-adsorbcyjny osiąga max. Zróżnicowanie w otworach wiertniczych wypełnionych płuczką iłową na granicach następujących układów fizyczno-geologicznych: - skała wodoprzepuszczalna - płuczka - skała wodoszczelna - płuczka - skała wodoprzepuszczalna - skała wodoszczelna > Migrację roztworów w gruntach można opisać dwoma procesami: filtracją i dyfuzją. Mówi się wówczas o transporcie adwekcyjno - dyfuzyjnym Proces ten można modelować adwekcyjno-dyspersyjnym równaniem transportu •

Elektryczne pole dyfuzyjne(równanie Nersta) Vd - potencjał pola dyfuzyjnego [mV] kd - współczynnik potencjału pola dyfuzyjnego [mV] (np. kdNaCl=11,6 mV) C1, C2 - stężenie soli w roztworach [mg/dm3] Elektryczne pole adsorbcyjne (potencjał membranowy) Va - potencjał pola adsorbcyjnego [mV] ka - współczynnik potencjału pola adsorbcyjnego [mV] (np. kaPs=-5 do 10 mV) ρ1, ρ2 - opór właściwy roztworów o różnym stężeniu [m] Elektryczne pole filtracji W wyniku procesu filtracji wód podziemnych powstaje lokalne pole elektryczne. Wiąże się to odziaływaniem filtrującej wody na warstwę dyfuzyjną. W efekcie następuje „oderwanie” się części jonów z warstwy dyfuzyjnej do płynącego strumienia. Efektem takiego procesu jest: - powstanie nadmiaru kationów w tej części środowiska, do którego woda płynie - powstanie nadmiaru anionów w tej części środowiska, z której woda wypływa Powstaje pole elektryczne filtracji (przepływu). Wielkość potencjału pola filtracji opisuje się równaniem Hemholtza: gdzie Vf - potencjał pola filtracji [mV] kf - współczynnik potencjału pola filtracji [mV] (np. kfG= 0.5 do 0.7 mV) ρw- opór właściwy płynącej cieczy [m] i - spadek hydrauliczny [-]  - lepkość dynamiczna płynącej cieczy Równanie ruchu. (Prawo Ficka) gdzie C - stężenie substancji [mg/dm3] t - czas [s] Dapp - pozorny współczynnik dyfuzji x, y, z - współrzędne [m] Równanie to jest liniowym równaniem różniczkowym cząstkowym drugiego rzędu ze stałym współczynnikiem. Do jednoczesnego wyznaczania koncentracji c jako funkcji położenia (x,y,z) oraz czasu t potrzebne są odpowiednie warunki brzegowe i początkowe modelujące sytuację na brzegu ośrodka, w którym zachodzi proces dyfuzji w dowolnej chwili t oraz wewnątrz ośrodka w chwili początkowej Sprzęt pomiarowy 1) Elektrody -Do badań PS używa się elektro niepolaryzujących.Zadaniem takiej konstrukcji elektrod jest eliminacja wpływów dodatkowych potencjałów elektrycznych, jakie tworzą się między zmineralizowanym roztworem (wodą podziemna) a metalem elektrody. Potencjały te, powstajace wskutek istnienia różnicy w tzw. szeregu napięciowym metali między metalem elektrody a jonami metali zawartymi w wodzie podziemnej, mogą być przyczyną zakłóceń pomiarów naturalnego potencjału PS -Szereg napięciowy Reakcje elektrodowe uszeregowane według rosnących wartości odpowiadających im potencjałów normalnych noszą nazwę szeregu napięciowego metali METODA GEORADAROWA - GPR Metoda geofizyczna oparta na stosowaniu fal radiowych, najczęściej o częstotliwościach 10 - 1000MHz do kartowania geologicznego warstw przypowierzchniowych i lokalizacji obiektów antropogenicznych pod powierzchnią ziemi. ZALETY METODY GPR Lekka, przenośna aparatura  GPR jest metodą nieniszczącą  Szybka akwizycja danych (w porównaniu z innymi metodami geofizycznymi ) Precyzyjna lokalizacja poszukiwanych obiektów  Wysoka rozdzielczość pomiaru Ograniczenia metody GPR •Zasięg głębokościowy silnie zależy od własności elektrycznych ośrodka. Dobrze przewodzące ośrodki mogą uczynić metodę GPR nieefektywną. • Musi być wystarczający kontrast własności elektrycznych pomiędzy celem poszukiwań a otoczeniem. • Interpretacja danych georadarowych może być subiektywna. Profesjonalne doświadczenie interpretatora jest bardzo ważne. GPR - ZASTOSOWANIA - INŻYNIERSKIE Lokalizacja podziemnej infrastruktury technicznej: rurociągów (metalowych, kamionkowych, betonowych, plastykowych), kabli, pozostałości fundamentów, pustek. Transport: badania dróg, nasypów kolejowych, mostów, pasów startowych. - OCHRONA ŚRODOWISKA Kartowanie zasięgu skażeń, lokalizacja podziemnych składowisk odpadów. GEOTECHNICZNE Badana tam ziemnych, tuneli, lokalizacja poziomu wód gruntowych, badania stratygraficzne, lokalizacja pustek. - ARCHEOLOGICZNO - KONSERWATORSKIE Lokalizacja krypt, grobów, pęknięć murów. - MILITARNE Lokalizacja niewybuchów, min. Podstawy metody GPR Fale elektromagnetyczne wysyłane są w głąb badanego ośrodka Propagacja fal zależy od stałej dielektrycznej i przewodności ośrodka geologicznego. Rejestrowany jest czas pojawienia się fali odbitej. Trzy metodyki pomiarów: refleksyjna, profilowanie prędkości, tomografia GPR metodyka refleksyjna - ok. 95 % badań GPR - Tomografia •Najczęściej wykonywana pomiędzy otworami • Analizowany jest jedynie czas przejścia i amplituda sygnału georadarowego • Rezultatem jest tomogram prędkości lub oporności falowej Własności elektryczne gruntu Elektryczne własności badanego medium decydują o możliwości i ewentualnym sukcesie prowadzonych badań GPR. • Zawartość wody jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na elektryczne własności gruntu istotne dla metody georadarowej •Przewodność - decyduje o zasięgu głębokościowym • Względna stała dielektryczna • kontrast obiekt - tło • prędkość fali e.m. • “foot print”

-Wartość potencjału standardowego jest miarą zdolności utleniająco-redukujących pary utleniacz-reduktor. Na podstawie potencjałów normalnych elektrod można określić znaki elektrod. Na podstawie potencjałów normalnych (tabela) łatwo jest przewidzieć, że w ogniwie zbudowanym z elektrod np. miedzianej i cynkowej, zanurzonych w roztworach swych dwuwartościowych jonów o jednakowych stężeniach molowych, elektrodą dodatnią jest elektroda miedziana, a elektrodą ujemną - elektroda cynkowa. 2)Mierniki -Miliwoltomierze cyfrowe LCD (o dużej czułości) -Miernik ZetaCad do pomiaru potencjału filtracji 3) Akwarium (badania laboratoryjne) Celem badań laboratoryjnych jest: - sprawdzenie czułości urządzeń do pomiarów PS w strefie aeracji i filtracji - modelowania procesów filtracji w skali mikro Metodyka i technika powierzchniowych pomiarów PS Wyróżniamy następujące sposoby wykonywania badań PS: - pomiar potencjału (metoda potencjałowa). Dominuje. Jedna elektroda (N) jest nieruchoma, natomiast druga (M) jest przemieszczana wzdłuż profilu pomiarowego. Pomierzona wartość potencjału odnosi się do elektrody M. - pomiar gradientu potencjału (metoda gradientowa). Elektrody M i N są ruchome ale odległość między nimi jest stała. Pomierzona wartość potencjału odnosi się do punktu leżącego w środku między elektrodami MN. Dla uniknięcia wpływu polaryzacji elektrod na wynik pomiarów zmienia się kolejność elektrod (przy jednym pomiarze M jest pierwsza, przy drugim N) Pomiar tą metoda wykonujemy: - gdy istnieją zakłócenia, - występują bardzo duże anomalie, - przy bardzo dokładnym zdjęciu - wzdłuż profili prostych (met. Potencjałowa, met. Gradientowa) i kołowych (metoda potencjałowa) Interpretacja wyników powierzchniowych badań metodą PS Celem interpretacji pomiarów PS jest zlokalizowanie epicentrum położenia źródła tego pola, określenie przypuszczalnej jego natury oraz, w korzystnych przypadkach, ocena jego głębokości występowania 1. Interpretacja jakościowa - polega na wydzieleniu stref anomalnych w otrzymanym rozkładzie pola PS 2. Interpretacja ilościowa - polega na określeniu głębokości i kształtu ciała wywołującego anomalię PS Interpretacja jakościowa Przykład 1 - strumień wody podziemnej przepływa równolegle do powierzchni ziemi w ograniczonej przestrzennie drodze krążenia Przykład 2 - przepływ wody podziemnej nasypuje z głębi ziemi w stronę jej powierzchni (punktowo) Przykład 3 - przepływ wody podziemnej nasypuje z głębi ziemi w stronę jej powierzchni (liniowo) Przykład 4 - ucieczka wód podziemnych Przykład 5 - kartowanie podłoża przykrytego niewielkim nadkładem osadów aluwialnych lub deluwialnych Przykład 6 - określenie miejsc intensywnej korozji rurociągów Przykład 7 - zmiana potencjału filtracji podczas dopływu wody - badania eksperymentalne w akwarium Przykład 8 - zmiana potencjału filtracji podczas pompowania wody - badania eksperymentalne w akwarium Elektryczne własności gruntu Praktyczna rada dotycząca przewodności gruntu i pomiarów georadarowych: “Gdy przewodność gruntu jest większa niż 10 mS/m (lub oporność mniejsza niż 100  m), GPR możę nie być najlepszą metodą badania danego terenu.” Zależność pomiędzy względną stałą dielektryczną a prędkością propagacji sygnału GPR: v=c/Er v = prędkość fali e.m. w górotworze c = prędkość fali e.m. w powietrzu r = względna stała dielektryczna Metody uzyskania informacji o prękości fali e.m. do konwersji skali czasowej na głębokościową: • Użycie danych tabelarycznych (może być ryzykowne!!!!) • Badanie parametryczne = lokalizacja obiektu o znanej głębokości • Oszacowanie w oparciu o doświadczenie pomiarowe

---