ZASTOSOWANIE METODY TOMOGRAFII ELEKTROOPOROWEJ DO LOKALIZACJI STRUKTUR KRASOWYCH Michał Rudzki Geofizyka Toruń Sp. z o.o.
WSTĘP Szybki rozwój specjalistycznych technik elektronicznych i informatycznych, a zwłaszcza ich coraz większa dostępność, dokonujące się w ciągu ostatnich lat są głównymi przyczynami coraz szerszego ich przemysłowego stosowania w badaniach geofizycznych. Przykładem takiego skoku może być metoda elektrooporowa, w której zastosowanie rejestracji cyfrowej, automatycznej akwizycji danych polowych oraz nowych technik interpretacyjnych doprowadziło do narodzin praktycznie odrębnej już metody badań. Metoda ta znana jest pod różnymi nazwami: resistivity imaging, continuous vertical electrical soundings, electrical resistivity tomography. Metoda tomografii elektrooporowej jest jedną z najbardziej wszechstronnych metod geofizycznych. Dzięki swym unikalnym cechom, takim jak szeroka rozpiętość zasięgu głębokościowego (zależnie od metodyki prowadzenia prac - od kilku metrów do kilku setek metrów), dokładności odwzorowania ośrodka geologicznego, a także szerszemu niż w innych metodach zakresowi stosowalności, metoda ta w krajach wysoko rozwiniętych weszła na stałe do kanonu metod geofizycznych. Do niedawna metoda tomografii elektrooporowej nie była w Polsce stosowana na szerszą skalę. Pomijając prace o charakterze czysto naukowym, po raz pierwszy do wachlarza standardowo stosowanych na skalę przemysłową metod geofizycznych wprowadzona została w firmie GEOFIZYKA-TORUŃ w roku 2000. Od tego czasu datuje się jej zastosowanie do rozwiązywania zagadnień różnorodnej natury - od badań geologicznych na skalę półregionalną, poprzez szeroko rozumiany monitoring środowiska geologicznego oraz do prac szczegółowych. Fot. 1. Widok ogólny kopalni gipsu. Fot. 2. Teren prowadzonych prac. Rys. 1. Układ profili pomiarowych tomografii elektrooporowej na tle mapy terenu badań. Geofizyka Toruń Sp. z o.o. www.geofizyka.pl 2 / 2
Technika prowadzenia prac metodą tomografii elektrooporowej. Zasadniczą cechą pomiarów metodą tomografii elektrooporowej jest rozmieszczenie wzdłuż linii profilu, na którym wykonane mają zostać badania, odpowiedniej ilości elektrod pomiarowych. Elektrody te rozmieszczone są w równych odległościach od siebie. Elektrody te podłączone są kablem wielożyłowym do jednostki centralnej, na którą składa się sterowany komputerem selektor elektrod oraz miernik geoelektryczny, wyposażony w możliwość rejestracji cyfrowej pomiarów. Selektor elektrod umożliwia podłączenie do miernika dowolnej kombinacji czterech elektrod spośród wszystkich podłączonych do kabla wielożyłowego. Dla wybranej kombinacji elektrod wykonywany jest pomiar wartości oporności pozornej, przy uwzględnieniu typu i bieżącej geometrii rozstawu. Po wykonaniu pomiaru następuje automatyczny wybór kolejnej kombinacji elektrod spośród przyłączonych do kabla, na podstawie odpowiedniego ich schematu, uprzednio wprowadzonego do pamięci komputera sterującego. Możliwy jest zatem wybór praktycznie dowolnego układu pomiarowego (a w szczególności najbardziej popularnych - Wennera, Schlumbergera, dipolowy-osiowy, itd.). W pamięci komputera przechowywanych może być wiele takich list, możliwe jest więc wykonanie dla aktualnie rozłożonego układu elektrod kilku serii pomiarowych, przy użyciu różnych układów pomiarowych, dla różnych parametrów rejestracji, itp. Efektem końcowym serii pomiarów są wartości oporności pozornej, odniesione (na podstawie położenia i geometrii odpowiadających im "chwilowych" układów pomiarowych) do konkretnego położenia i głębokości. Zbór uzyskanych w ten sposób wyników może następnie być wizualizowany, przetwarzany, oraz interpretowany jakościowo i ilościowo. Rys. 2. Przekroje oporności elektrycznej ośrodka od P-5 do P-8. Geofizyka Toruń Sp. z o.o. www.geofizyka.pl 3 / 3
Zastosowanie metody tomografii elektrooporowej do lokalizacji struktur krasowych. Poniżej sposób rozwiązania zagadnienia wykrycia i lokalizacji potencjalnych struktur krasowych na obszarze przedpola kopalni gipsu (Fot. 1.). Zadanie to podyktowane było koniecznością zapewnienia bezpieczeństwa oraz odpowiedniego zaprojektowania robót górniczych na obszarze przewidzianym do eksploatacji. Ze względu na zróżnicowany charakter powierzchni terenu w rejonie badań (Fot. 2.), wymagany zasięg głębokościowy, pożądaną szczegółowość wyników, zastosowanie tej właśnie metody okazało się najlepszym rozwiązaniem. Metodyka prac terenowych. Na obszarze przedpola wydzielono dwa fragmenty terenu, w obrębie których linie pomiarowe zostały poprowadzone równolegle do siebie (Rys. 1). Wydzielenie dwóch obszarów było spowodowane koniecznością utrzymania w przybliżeniu prostoliniowej geometrii każdego profilu elektrycznego, ze względu na wymogi dostępnych metod przetwarzania danych. Na obszarze oznaczonym jako "B" wykonano pomiary na 15 profilach (P-1 do P-15), natomiast na obszarze "C" na 14 profilach (P-16 do P29). Odległość miedzy liniami pomiarowymi była stała w obu obszarach i wynosiła 5 metrów. Łączna długość wykonanych profili geoelektrycznych wyniosła ponad 13 km. Rys. 3. Mapa cięcia poziomego oporności elektrycznej ośrodka poziom 20 m ppt. Geofizyka Toruń Sp. z o.o. www.geofizyka.pl 4 / 4
Przetwarzanie danych pomiarowych. Interpretacja ilościowa, wykonana została w formie automatycznej inwersji 2D metodą ZONGE (optymalizacja parametrów przetwarzania w celu minimalizacji błędu). Wynikiem końcowym zastosowania metody inwersji jest model opornościowy ośrodka, czyli przestrzenny rozkład oporności rzeczywistej wzdłuż badanej linii profilowej. Należy podkreślić, że obliczenia wykonywane są w geometrii 2D, co w dużej części eliminuje błąd popełniany przez stosowanie w klasycznej interpretacji SGE modelu płasko-równoległego, a otrzymany rozkład oporności obarczony jest mniejszym błędem subiektywności interpretacji. Procedura ta jest niemal w pełni automatyczna, tak więc uzyskany model opornościowy ośrodka jest najbardziej prawdopodobny w sensie najlepszego dopasowania wyników syntetycznych do danych polowych. Pod pojęciem "wyniki syntetyczne" należy rozumieć tzw. rozwiązanie zadania prostego, czyli obliczenie teoretycznych danych pomiarowych przy założeniu rozkładu oporności rzeczywistej identycznego z rozkładem otrzymanym w trakcie inwersji. Mapy izoomów cięcia poziomego powstały w wyniku interpolacji wartości oporności ośrodka pomiędzy przekrojami na przyjętych, rosnących stopniowo, głębokościach prospekcji. Charakterystyka opornościowa ośrodka geologicznego. Na obszarze przedpola eksploatacyjnego, w zasięgu głębokościowym objętym badaniami geofizycznymi występują trzy kompleksy skalne różniące się opornościami rzeczywistymi. Czwartorzędowe utwory ilasto-gliniaste o zróżnicowanej miąższości od 1 do 4 metrów (w obrębie hałd nadkładu) posiadają niskie oporności z przedziału 10-50 ohmm. Występujące poniżej skały kompleksu gipsowego (gipsy drobno- i grubokrystaliczne, gipsy ilaste) wykazują oporności od 40 do około 400 omometrów. Seria podścielająca złoże gipsów to głównie iły oraz iły piaszczyste poziomu nadlitotamniowego z przewagą kompleksów niskooporowych od 10 do 60 omometrów. Interpretacja wyników badań. Głównym założeniem było poszukiwanie obiektów o strukturze nieciągłej, takich jak pustki, leje krasowe, uskoki czy strefy spękań. Obiektów tych poszukiwano w obrębie złoża gipsów, które jak wcześniej wspomniano, pod względem litologicznym i opornościowym nie jest całkowicie jednorodne. Obiekty takie zaznaczają się na rejestracjach elektrooporowych w dwojaki sposób. W miejscach gdzie mają one charakter pustek wypełnionych powietrzem następuje gwałtowny, skokowy wzrost oporności elektrycznej ośrodka (obecność obiektu typu izolator). Anomalie mają silne gradienty we wszystkich kierunkach a względne zmiany oporności w sąsiedztwie takich form osiągają wartości kilkuset ohmm (co odzwierciedlają czerwone barwy na załącznikach graficznych). Bezwzględne wartości oporności ośrodka bardzo często przekraczają w tych miejscach 600 ohmm. W miejscach gdzie opisane obiekty są wypełnione osadami ilastymi efekt jest dokładnie odwrotny. Anomalie mają charakter ujemny względem otaczającego tła (zimne, niebieskie barwy na załącznikach graficznych). W trakcie interpretacji wyróżniono szereg obiektów tego typu (anomalii), które zaznaczają się w postaci lokalnych, skokowych zmian oporności elektrycznej ośrodka i oznaczono literą (analogicznie do oznaczenia obszaru) oraz kolejnym numerem. Niezależnie od opisanych powyżej form, na przekrojach i mapach zaznaczają się wydłużone strefy gradientowe, wzdłuż których następuje zmiana miąższości Geofizyka Toruń Sp. z o.o. www.geofizyka.pl 5 / 5
kompleksu gipsowego i/lub nadkładu. Takie miejsca odzwierciedlają najprawdopodobniej uskoki lub strefy uskokowe, które są generalnie miejscami podatnymi na rozwinięcie się form krasowych. Rys. 4. Blokdiagram oporności elektrycznej ośrodka dla wybranych płaszczyzn cięcia widoczne są izolowane anomalie wysokooporowe, odpowiadające pustkom krasowym. Rys. 5. Blokdiagram oporności elektrycznej ośrodka wyróżniono objętości o oporności sugerującej istnienie struktur krasowych typu pustek lub spekań. Geofizyka Toruń Sp. z o.o. www.geofizyka.pl 6 / 6