Osady denne jezior i rzek

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Osady denne jezior i rzek w świetle badań georadarowych (gpr) Możliwość rejestracji miąższości i rozprzestrzenienia osadów dennych rzek i zbiorników wodnych jest ważnym etapem odtwarzania dawnej rzeźby i warunków paleohydrologicznych badanych stanowisk. Informacja o miąższości osadów dennych jest także cenna ze względu na możliwość dokładnego zaplanowania rozmieszczenia wierceń w tych osadach i uzyskania jak najlepszych rdzeni do dalszych badań. Nie bez znaczenia pozostaje też poznanie charakteru powierzchni przykrytej obecnie osadem. Klasycznymi metodami rozpoznania batymetrii i osadów dennych jest sondowanie ręczne lub echosondowanie dna. Do rozpoznania charakteru i miąższości osadów dennych stosuje się różnego rodzaju urządzenia wiertnicze i czerpaki do poboru osadów. Rozpoznanie batymetrii zwykle wykonywane jest przy pomocy sond nawigacyjnych. Urządzenia te emitują fale akustyczne w wodzie o częstotliwościach rzędu khz, które po odbiciu od powierzchni dna powracają do urządzenia rejestrującego hydrofonu i rejestrują głębokość akwenu. Takie standardowe echosondy rejestrują z dużą dokładnością głębokość zbiorników wodnych, jednak nie pozwalają na określenie miąższości i struktury osadów dennych (tab. 1). Do określenia struktury, miąższości i rozciągłości osadów dennych używa się echosond specjalnej konstrukcji (w literaturze anglojęzycznej zwanych subbottom profiler), które wysyłają fale akustyczne o częstotliwościach rzędu 5-10 khz. Badania sejsmoakustyczne osadów dennych mogą sięgać stosunkowo głęboko, jednak ich rozdzielczość nie jest zbyt wysoka. Aparatura akustyczna do sondowania osadów dennych jest w warunkach śródlądowych niewygodna w użyciu i wymaga zwykle kilkumetrowej głębokości wody ponad dnem. Ciekawym połączeniem cech echosondy batymetrycznej i urządzenia typu subbottom profiler jest georadar (ang.: ground penetrating radar) (Delaney i in. 1992). Urządzenie to, w przeciwieństwie do sond akustycznych, wysyła i odbiera fale elektromagnetyczne.

2 254 Tab. 1. Porównanie cech charakterystycznych metody echosondażowej i georadarowej w badaniach batymetrii i rozpoznaniu osadów dennych Pierwsze próby zastosowania metody GPR do poznania batymetrii zbiorników wodnych i rozpoznania osadów dennych miały miejsce w połowie lat siedemdziesiątych i w na początku osiemdziesiątych ubiegłego wieku (Austin, Austin 1974; Ulriksen 1982, Razowski 1985, Piotrowski 1989). Jednak ze względu na ograniczone możliwości sprzętu, miały one charakter sondażowy. Obecnie metoda GPR, stosowana do badań osadów dennych, przeżywa prawdziwy rozwój. Wiąże się on z udoskonaleniem aparatury, polegającym na wdrożeniu do produkcji radarów cyfrowych, ulepszeniu technologii szybkiego przetwarzania danych oraz znaczną miniaturyzacją sprzętu pomiarowego (Moorman 2001). Przechodzenie fal elektromagnetycznych przez warstwę wody, podczas badania struktury i miąższości osadów dennych, zależy od przewodności elektrycznej właściwej σ (mierzonej w Simensach na metr), która w największym stopniu zależna jest od zasolenia wody. Rycina 1 przedstawia wykres osłabienia fal radiowych w zakresach typowych dla środowiska wodnego. Wartości osłabienia sygnału, począwszy od zerowego dla wody destylowanej, poprzez 9 db m -1 dla wody o dużej przewodności, aż po wartości rzędu 500 db m -1 dla wody morskiej (zasolenie ok. 35 ), zależne są również od częstotliwości pracy użytej anteny. W zakresach wysokich zasoleń, również antena o częstotliwości sygnału 35 MHz, nie pozwala na rozpoznanie osadów dennych. Nawet cienka warstwa wody morskiej jest praktycznie nieprzezroczystą dla fal radiowych. Zasolenie wody nie jest jedyną przeszkodą w stosowaniu georadaru do badań osadów dennych. Istotne znaczenie ma również zjawisko odbicia impulsów od powierzchni wody. Na granicy powietrza i wody następuje bardzo silne odbicie fal radiowych (Batson,

3 Osady denne jezior i rzek w świetle badań georadarowych (GPR) 255 Ryc. 1. Osłabienie sygnału w zależności od zasolenia wody dla różnych anten (w zakresie 0-35 ) Glebas 1981). Pod powierzchnię wody trafia poważnie osłabiona porcja energii. Kolejne granice: pomiędzy wodą a dnem, osadem dennym a podłożem itd., dodatkowo osłabiają sygnał (tab. 2). Pomimo tych ograniczeń metoda georadarowa coraz częściej znajduje zastosowanie w badaniach osadów dennych. Obecnie georadary wykorzystuje się zarówno do badania osadów dennych płytkich akwenów (Moorman 2001, Piotrowski 1989), jak i dawnych wypełnień jezior przez delty, (Jol, Smith 1991, 1992; Smith, Jol 1992). Tab. 2. Współczynnik odbicia sygnału radarowego podczas przejścia przez kolejne granice w badaniu osadów dennych (wg Moorman 2001, zmienione) Wyniki badań Pierwsze stanowisko badawcze ilustruje możliwości spenetrowania płytkich zbiorników wodnych przy pomocy georadaru, w celu uzyskania informacji o charakterze i głębokości zalegania powierzchni ich dawnego dna. Badania przeprowadzone na ob-

4 256 Ryc. 2. Fragment profilu georadarowego dna jeziora Dgał Wielki szarze jeziora Dgał Wielki (Mazury, ok. 7 km na pn od Giżycka) ukazały strukturę osadów mułkowych i organicznych przykrywających twarde podłoże piaszczysto-żwirowe i gliniaste z brukiem morenowym. Sondowania prowadzono z dna łodzi wiosłowej, przy pomocy anteny o częstotliwości 300 MHz. Rycina 2 ukazuje strefę kontaktu pierwotnego dna jeziora, zbudowanego z gliny morenowej, z przykrywającymi ją luźnymi osadami mułkowymi. Współczesna powierzchnia dna zaznaczona jest przerywaną linią. Pod nią widoczne są głazy zalegające w stropie gliny morenowej. Dawna powierzchnia dna jest znacznie bogatsza w drobne formy niż obecna. Ponadto profil georadarowy, przedstawiony na rycinie ukazuje fazy depozycji osadów dennych. Pierwsza faza zniwelowała drobne zagłębienia pomiędzy głazami, druga doprowadziła do wyrównania powierzchni dna jeziora i zamaskowania pierwotnej rzeźby misy. Drugie stanowisko badawcze, ilustrujące przydatność metody GPR do sondowania osadów dennych, zlokalizowane jest w okolicach stacji naukowej Instytutu Geografii i PZ PAN w Dobiegniewie, nieopodal Włocławka. W przeciwieństwie do badań jeziora Dgał Wielki, tu warunki środowiskowe były skrajnie niekorzystne. Duże wartości mineralizacji ogólnej wody w Wiśle nie sprzyjają głębokiej penetracji ich przez fale elektromagnetyczne, emitowane przez georadar. Badaniami objęto sondażowe profile georadarowe w poprzek zbiornika włocławskiego, pomiędzy Dobiegniewem a Dobrzyniem n/wisłą. Celem badań była wstępna ocena możliwości pomiaru miąższości osadów dennych wyściełających dno zbiornika włocławskiego przy pomocy georadaru. Zastosowano dwie anteny nadawczo-odbiorcze. Antenę emitującą fale o częstotliwości 35 MHz, oraz antenę o częstotliwości pracy 400 MHz. Obie anteny były umieszczane w różnej konfiguracji: za burtą, przed dziobem lub na dnie łodzi. Najlepsze rezultaty uzyskano przy pomocy anteny 400 MHz, umieszczonej na dnie łodzi. Charakterystyka pracy tej anteny pozwala uzyskać rozdzielczości rzędu 2-3 cm w wodzie i 6 cm w osadzie dennym. Antena 35 MHz, w większości przypadków, nie była zdolna rozdzielić stropu i spągu osadów. Niestety duża mineralizacja wody, nie pozwoliła na uzyskanie miąższości osadów dennych zbiornika włocławskiego w całym przekroju poprzecznym. Uzyskano obraz rozprzestrzenienia osadów przy głębokości wody do około 2-3 m. Rycina 3 pokazuje fragment profilu georadarowego dna zbiornika włocławskiego, uzyskanego przy pomocy anteny 400 MHz, i jego interpretację. Miąższość osadów dennych sięgała maksymalnie 0,3-0,4 m. Rozprzestrzenienie osadów dennych nie zawsze odpowiada pierwotnemu układowi rzeźby dna. W niektórych miejscach, pierwotne drobne wyniesienia zostały wyrównane przez leżące na nich osady. W innych miejscach, wyniesienia obecnego dna mają swoje odzwierciedlenie w podłożu.

5 Osady denne jezior i rzek w świetle badań georadarowych (GPR) 257 Ryc. 3. Georadarowy profil fragmentu dna zbiornika włocławskiego oraz jego interpretacja 1 osady denne, 2 osady podściełające. Metoda georadarowa, stosowana do poznania sekwencji osadów dennych, może być uzupełnieniem bezpośrednich metod badawczych. Z jednej strony dostarcza ona cennych informacji paleogeograficznych na temat akwenu, z drugiej pozwala szybko i celnie wskazać miejsca z dużą miąższością osadów organicznych, przydatnych do poboru prób w celu dalszych analiz. Ponadto zastosowanie metody GPR w skali całego jeziora lub sztucznego zbiornika pozwala ocenić stopień jego wypełnienia osadami oraz tempo tego procesu. Metoda GPR ma również, w zakresie badania osadów dennych, spore ograniczenia. Najważniejszym z nich jest niewątpliwie jakość wody, przez którą dane jest nam prowadzić badania. Literatura Austin G.L., Austin L.B., 1974, The use of radar in urban hydrology, Journal of Hydrology, 22, Batson G., Glebas T., 1981, Investigation of ice conditions in the St. Lawrence river, winter , Clarkson College of Technology, Final Report. Delaney A.J, Sellmann P.V., Arcone S.A., 1992, Sub-bottom profiling: A comparison of short-pulse and acoustic data, Geological Survey of Finland, Special Paper, 16, Espoo, Jol H.M., Smith D.G., 1991, Ground penetrating radar of northern lacustrine deltas, Can. J. Earth Sci., 28, Jol H.M., Smith D.G., 1992, Geometry and structure of deltas in large lakes: A Ground Penetrating Radar overview, [w:] Fourth International Conference on Ground Penetrating Radar June 8-13, 1992, Rovaniemi, Finland, Moorman B.J., 2001, Ground-penetrating radar applications in paleolimnology, [w:] W.M. Last, J.P. Smol (red.), Tracking Environmental Change Using Lake Sediments: Physical And Chemical Techniques, Kluwer Academic Publishers.

6 258 Piotrowski A., 1989, Uwagi o paleogeografii jeziora Dąbie w świetle badań radarowych prowadzonych w systemie SIR, Studia i Materiały Oceanologiczne 56, Geologia Morza (4), Razowski M., 1985, Opracowanie wyników badań radarowych przeprowadzonych w systemie SIR na jeziorze Dąbie i Roztoce Odrzańskiej w Szczecinie, Krak. Przeds. Geodez. Smith D.G., Jol, H.M., 1992, Ground-penetrating radar investigation of a Lake Bonneville Delta, Provo level, Brigham City, Utah, Geology, 20, 12, Ulriksen C.P.F., 1982, Application of impulse radar to civil engineering, Lund, 179. Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania Polska Akademia Nauk ul. Kopernika Toruń