Zeszyty Studenckiego Ruchu Materiały 20 Sesji Studenckich Naukowego Uniwersytetu Kół Naukowych Uniwersytetu Humanistyczno- Przyrodniczego Humanistyczno- Przyrodniczego Jana Kochanowskiego Jana Kochanowskiego w Kielcach, 2011 w Kielcach, 2011 Mikołaj Łyskowski Ewelina Mazurek Studenci V roku Inżynierii Środowiska, specjalność: Geofizyka Środowiska Studenckie Koło Naukowe Geofizyków Geofon Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie im. Stanisława Staszica Recenzent: dr inż. Jerzy Ziętek Eksperymentalne badania dna oraz osadów jeziorek krasowych na terenie Lasów Golejowskich z wykorzystaniem georadaru. Streszczenie: Eksperymentalne wykorzystanie badań georadarowych podczas badania dna jezior krasowych oraz nieskonsolidowanych osadów dennych przynosi bardzo dobre rezultaty. Wyniki pomiarów są jednoznaczne oraz przynoszą dokładną informację o głębokości jezior, morfologii ich dna oraz miąższości powstających i gromadzących się tam osadów biogenicznych. Zaletą tej metody jest możliwość bezpośredniego nadzoru nad prowadzonymi pomiarami oraz wgląd w otrzymywane wyniki już podczas ich akwizycji. Dzięki temu możliwa jest szybka zmiana parametrów pomiarowych lub też całej metodyki badań w przypadku wystąpienia jakichkolwiek zakłóceń lub komplikacji spowodowanych czynnikami środowiskowymi. Metoda ta przynosi doskonałe rezultaty w każdych warunkach pogodowych, jednak najlepsze rezultaty dla tego typu pomiarów otrzymuje się porą zimową, podczas profilowań na tafli lodu. Jakość uzyskanych wyników jest także efektem wysokiej czystości wody w jeziorkach. Słowa kluczowe: georadar, jezioro, dno, osady, echogram, profile Wstęp Metoda georadarowa we współczesnym, bardzo zaglomeryzowanym świecie jest doskonałym narzędziem badawczym. Bezinwazyjne pomiary, różnorakość dostępnych podzespołów do aparatury oraz konkurencja wśród producentów stawia tą metodę jako jedną z najtańszych metod geofizycznych dostępnych na rynku. Także szybkość uzyskiwanych wyników jest niezwykle duża i bardzo dobrze przedstawiana w postaci kolorowych echogramów (przekrojów czasowych).
Charakterystyka metody Metoda georadarowa GPR (ang. Ground Penetrating Radar) to metoda geofizyczna, w której wykorzystywane są fale elektromagnetyczne o zakresie od 10 do 6000 MHz. Aparatura składa się z jednostki centralnej oraz dwóch anten, z których każda pełni inną funkcję: antena nadawcza wysyła fale, które przenikając przez ośrodek odbijają się od poszczególnych granic zmian właściwości dielektrycznych, antena odbiorcza rejestruje nadany sygnał i przesyła go do jednostki centralnej. (Karczewski 2007) Najczęściej badania wykonywane są jako profilowania refleksyjne, w których zapisywane są wartości zmian właściwości dielektrycznych ośrodka. Penetrująca w głąb fala elektromagnetyczna, wytworzona przez antenę nadawczą, napotykając na granicę zmian tych właściwości odbija się, a urządzenie poprzez antenę odbiorczą oraz jednostkę centralną rejestruje wartość zmiany amplitudy fali oraz czas jej propagacji. Kolejnym elementem, bardzo ważnym, jest wyzwalacz odległościowy, czyli licznik metra bieżącego profilu, może być podłączony bezpośrednio do anteny lub jednostki centralnej. Występują dwa typy tego elementu: pierwszy przypadek: jest to kółko ciągnięte za anteną po powierzchni terenu, zliczające obroty, po czym zamieniane są one na przebytą odległość, drugi przypadek: jest to rolka z bawełnianą nicią, która rozwijając się obraca mechanizm podobny jak w poprzednim przypadku. (Wardas i inni 2011) Niestety jak większość z dostępnych metod badań, ta także ma wady. Jest nią pewny rodzaj kapryśności. Ośrodek teoretycznie doskonały do jej zastosowania brak zasolenia, niskie tłumienie fali - może okazać się całkowicie nieczytelny w echogramie i odwrotnie, zasolony ośrodek może dać czysty i czytelny obraz lecz ograniczony zasięgiem głębokościowym. (Wardas i inni 2011) Poniżej znajduje się schemat działania metody (Rysunek 1.). Rysunek 1. Schemat działania metody georadarowej (autor: M. Łyskowski, opracowano na podstawie: Karczewski 2007). Zapis pomiarów georadarowych nazywany jest echogramem, gdzie na osi pionowej znajduje się czas propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku (jednostka: [ns] nanosekunda), zaś na osi poziomej metr bieżący profilu (dla badań prowadzonych przy
użyciu wyzwalacza odległościowego). W celu przeliczenia osi pionowej na skalę głębokościową wykorzystuje się prędkość propagacji fali odczytaną z danych tabelarycznych lub określoną na podstawie pomiarów prędkości (WARR). Cel pomiarów Celem prowadzonych pomiarów była chęć poznania przebiegu dna oraz miąższości osadów dennych, a także procesów powstawania jezior typu krasowego. Takie badania wymagają zastosowania metod badań z różnych dziedzin nauki o ziemi. Dzięki prostocie zastosowania metody georadarowej, to właśnie ta stała się jedną z kluczowych w prowadzonych badaniach. Okazało się, że jest ona doskonałym wyborem i dzięki rewelacyjnym wynikom z pierwszych pomiarów, które przeprowadzono w zimie 2010 roku, ponowiono je w lecie 2010 roku na większą skalę. W zimie 2011 roku przeprowadzono ponownie wszystkie pomiary, tym razem nie tylko na terenie Lasów Golejowskich, a także w okolicach Miasta Staszowa. Badania te wykonano przy użyciu dwóch najnowszych georadarów produkcji szwedzkiej (Mala Geoscience, model ProEx) i włoskiej (Ingegneria dei sistemi - IDS). Za każdym razem cel pomiarów się nie zmienił: chęć poznania głębokości i morfologii dna jeziorek oraz wyznaczenie miejsc występowania, a także miąższości osadów dennych. Dzięki wielokrotnej i już wieloletniej współpracy z dr Arturem Zielińskim (pracownikiem Uniwersytetu im. Jana Kochanowskiego w Kielcach), który swój czas poświęca badaniom nad jeziorami krasowymi w Lasach Golejowskich, możliwe jest dokładniejsze opisanie procesu ich powstawania oraz przewidywania dalszych zachowań zjawisk krasowych na tym terenie. Metodyka pomiarów Do zaprezentowanych w artykule pomiarów użyto radaru produkcji szwedzkiej firmy MALA Geoscience - modelu RAMAC/GPR. Pomiary ośrodka wodnego przeprowadzono wzdłuż kilku profili dla dwóch różnych anten nieekranowanych. Lokalizację profili przedstawiono na mapie zamieszczonej w artykule (Mapa 1.). Mapa 1. Mapa z wyznaczonymi przebiegami profili pomiarowych - lato 2010 rok
Do pomiarów wykorzystano anteny nieekranowane o dwóch częstotliwościach. Antenę 50MHz (czerwone profile na Mapie 1.) niska częstotliwość powoduje spadek rozdzielczości, jednakże zwiększa zasięg głębokościowy (fala elektromagnetyczna penetruje głębiej). Antena charakteryzuje się także zwiększoną czułością na fale odbite od drzew (fale w powietrzu). Antenę 200MHz (zielone profile na Mapie 1.) antena ta charakteryzuje się wyższą rozdzielczością, mniejszą czułością na fale odbite od drzew oraz zmniejszonym zasięgiem penetracji w głąb ośrodka. Uzyskane wyniki i ich interpretacja W celach prezentacji pokazane zostaną tylko wybrane profile, na których wykonano pomiary, w tym dwa bliźniacze dla dwóch anten o różnych częstotliwościach w celu porównania jakości zapisu. Surowe dane, które aparatura radarowa zapisuje na komputerze koniecznie trzeba poddać skomplikowanej obróbce. Polega ona na przetwarzaniu zapisanego sygnału przy użyciu specjalistycznego oprogramowania, w taki sposób, aby obraz odfiltrować z ewentualnych zakłóceń spowodowanych przez elektronikę, czy też odbicia fali elektromagnetycznej w powietrzu. Ze względu na sposób zapisu oraz na coraz to niższe wartości zapisywanych danych osłabienie wartości sygnału ze wzrostem głębokości, konieczne jest także umiejętne wzmocnienie, tak aby nie zafałszować wyniku i co za tym idzie nie nakreślić sztucznych granic zmian własności dielektrycznych w badanym ośrodku. Słabo widoczne, łagodne hiperbole to odbicia od drzew rosnących w pobliżu badanych jeziorek krasowych. Można je usunąć w trakcie przetwarzania, jednakże może to spowodować także usunięcie refleksów użytecznych. Są one na tyle małe, że nie przeszkadzają w interpretacji założonego celu pomiarów, gdyż refleksy od dna i osadów dennych są znacznie mocniejsze oraz lepiej odzwierciedlają się na echogramach, które zamieszczone są poniżej (Echogramy 1-3.). Ważne jest zaznaczenie, iż pokazane poniżej echogramy charakteryzują się przewyższeniem skali pionowej nad poziomą. Warto dodać także informację o fakcie, iż w celu uzyskania wyników o poprawnej głębokości przyjęto wartość prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodku wodnym. Prędkość powinna być zwiększona, gdy fala elektromagnetyczna przechodzi przez ośrodek skonsolidowany (skały budujące dno jezior), co spowodowałoby rozciągnięcie obrazu, jednakże obecne programy do przetwarzania danych georadarowych nie udostępniają takiej możliwości.
Echogram 1. Echogram z profilu 5 (PROF5) wykonany przy użyciu anteny nieekranowanej 50MHz. Echogram 1. dobrze odwzorowuje przebieg dna stawu. Między 35, a 85 metrem bieżącym profilu przebieg dna staje się trudny do rozróżnienia. Widoczne są natomiast nieskonsolidowane osady denne między 10, a 35; 60, a 100 oraz 120 i 160 metrem bieżącym profilu, których miąższość waha się od 2.5 do nawet 4.5 [m]. Widoczne przewyższenie między 100, a 120 metrem bieżącym profilu jest powodem przepłynięcia blisko cypelka na jeziorku. Echogram 2. Echogram z profilu 2 (PROF2) wykonany przy użyciu anteny nieekranowanej 200MHz.
Echogram 2. przedstawia bliźniaczy profil. Jest przejrzysty, jednakże najgłębsze fragmenty dna zanikają. Zmiana częstotliwości spowodowała zmniejszenie odbieranych odbić od drzew. Mimo mniej wyraźnego przebiegu dna można bez obaw napisać, że miedzy 90, a 10 metrem bieżącym profilu dno stawu sięga 6.5 [m]. Ujawniają się też osady denne między: 10, a 60 metrem o zmiennej miąższości sięgającej do około 1 [m]; 90, a 130 metrem o miąższości do nawet 3 [m]; oraz między 130, a 180 metrem cienkie (do około 0.5 [m]) osady pojawiające się na wywyższeniu dna. Echogram 3. Echogram z profilu 4 (PROF4) wykonany przy użyciu anteny nieekranowanej 200MHz Echogram 3. ukazuje wyraźny i czysty od odbić w powietrzu obraz dna, który przerwany jest między 65, a 115 metrem bieżącym profilu. Powodem tego jest wysokie tłumienie fali elektromagnetycznej nadawanej przez antenę. Mimo to lekki refleks pojawia się więc z pewną dozą ostrożności można powiedzieć, że na 88 metrze pojawia się dno na głębokości około 6.4 [m] między 80, a 90 metrem pojawia się słaby, ciągły refleks od dna. Nie widać osadów dennych, można jedynie do nich jedynie przypisać refleksy na głębokości około 3.8 [m] między 40, a 70 metrem profilu. Podsumowanie Wykorzystanie badań georadarowych w celu określenia głębokości oraz morfologii den jezior jest bardzo skutecznym rozwiązaniem. Minimalny zakres błędu, czy też uzyskanie negatywnych (nieczytelnych) wyników jest bardzo mały. Największy wpływ na to ma częstotliwość anten, czyli ich ewentualny zły dobór przez prowadzącego pomiary oraz warunki w jakich prowadzono pomiary. Dzięki doświadczeniu dr inż. Jerzego Ziętka (pracownika Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie) uniknięto tego typu błędów oraz doprowadzono do finalizacji, a także wzmocnienia współpracy między nim, a dr Arturem Zielińskim z Uniwersytetu im. Jana Kochanowskiego w Kielcach.
Uzyskane wyniki przestawiają jednoznaczny i łatwo interpretowalny obraz badanych ośrodków (jezior) i stawiają metodę georadarową na pierwszym miejscu w kolejności wykorzystania z całej puli metod geofizycznych w tego typu badaniach. Bibliografia J. Karczewski; Zarys metody georadarowej ; Uczelniane Wydawnictwo Naukowo- Dydaktyczne AGH Kraków; Kraków 2007; M. Wardas, J. Ziętek, M. Łyskowski, W. Tabaszewski; Możliwość wykorzystania zanieczyszczenia miedzią i ołowiem osadów w nawarstwieniach archeologicznych Krakowa do wyznaczania lokalizacji historycznych kolektorów ścieków ; artykuł w druku; Noon, D.A., Stickley, G.F. and Longstaff, D.; A frequency-independent characterisation of GPR penetration and resolution performance ; Journal of Applied Geophysics, numer 40(1-3) - 1998, strony: 127-137;