Ćwiczenia Terenowe z Geofizyki Stosowanej Ryszard DUBIEL Radosława TOMASZEWSKA
Pomiary Geotermiczne
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest określenie zmian temperatury przypowierzchniowej warstwy gruntu badanego obszaru. ZróŜnicowanie temperatury gruntu moŝe wynikać ze zmian litologicznych, a co za tym idzie odmiennych własności termicznych róŝnych typów skał. Wpływ na zmiany temperatury mogą teŝ mieć cechy strukturalne takie jak róŝna porowatość, występowanie szczelin i związany z tym róŝny stopień zawilgocenia, a takŝe głębokość zalegania zwierciadła wód gruntowych. Cel ćwiczenia zostanie zrealizowany poprzez wykonanie pomiarów temperatury w płytkich otworach wiertniczych, zgodnie z opisaną poniŝej metodyką, a następnie prawidłowo przeprowadzoną interpretacją wyników pomiarowych. 2. Aparatura pomiarowa Do przeprowadzenia ćwiczenia potrzebne są: - świdry ręczne do odwiercenia płytkich otworów - geotermometr GTP-2 wraz z sondami pomiarowymi - taśmy miernicze - zapasowy komplet baterii - podręczny zestaw narzędzi (śrubokręt, nóŝ, taśma izolacyjna itp.) - mapa badanego obszaru - notatnik terenowy, ołówek Geotermometr GTP-2 UmoŜliwia dokonanie pomiaru temperatury z dokładnością ±0,01 o C. Sonda pomiarowa geotermometru wyposaŝona jest w precyzyjny termistor. Odczyty temperatury wyświetlane są automatycznie, co około 4,5 sekundy zaraz po włoŝeniu wtyczki sondy do gniazda aparatury,. Po włączeniu przyrządu dopiero trzeci wyświetlany wynik jest precyzyjny i poprawny. NaleŜy pamiętać, Ŝe po włoŝeniu sondy do otworu termistor wymaga pewnego czasu, w którym jego temperatura
zrówna się z temperaturą skał otaczających. Czas ten moŝe wynosić od kilku do kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu minut, w zaleŝności od róŝnicy temperatury, dlatego teŝ, szczególnie w upalne dni, naleŝy unikać wystawiania sond pomiarowych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Skróci to znacznie czas wykonywania pomiarów. Po włoŝeniu sondy pomiarowej do otworu wiertniczego i odczekaniu około pięciu minut dokonujemy pomiaru. Jeśli dwa kolejne wyświetlane odczyty nie róŝnią się o więcej niŝ ±0,01 o C zapisujemy wynik pomiaru. Jeśli róŝnica jest większa musimy poczekać dłuŝej na ustabilizowanie się temperatury sondy. 3. Metodyka pomiarowa Po wykonaniu czynności związanych z wprowadzeniem niezbędnych poprawek (patrz punkt 4 Poprawki) moŝemy rozpocząć właściwe pomiary temperatury. Jeśli przyjęliśmy powierzchniową metodę badawczą, pomiary staramy się wykonywać, gdy tylko to moŝliwe, w regularnej siatce tzn. sąsiednie otwory wiertnicze powinny mieć stałą odległość. W przypadku metody profilowej, stosowanej do wykrywania struktur liniowych (uskoki, granice litologiczne) staramy się, aby profile usytuowane były prostopadle do spodziewanego kierunku poszukiwanej struktury. Wówczas odległości między profilami mogą być większe od odległości pomiędzy poszczególnymi punktami w profilach. Prace rozpoczynamy od prawidłowej lokalizacji badanego obszaru na mapie, następnie wytyczamy profile pomiarowe i wyznaczamy miejsca, w których odwiercone zostaną otwory. Pomiary temperatury dokonujemy na dwóch głębokościach 1 i 2 metrów, tak więc po odwierceniu 1 metra, wkładamy do otworu sondę i po ustabilizowaniu się temperatury, dokonujemy jej odczytu. Następnie pogłębiamy otwór do 2 metrów i ponownie mierzymy temperaturę. W trakcie wiercenia zapisujemy w notatniku obserwacje dotyczące litologii gruntu (jego rodzaj, frakcja, kolor, wilgotność itp.). Informacje te mogą mieć duŝe znaczenie w trakcie interpretacji). Zapisujemy równieŝ godzinę pomiaru temperatury oraz numer sondy, którą został wykonany. Przykładowy dziennik pomiarowy przedstawiony jest poniŝej. Po przeprowadzeniu pomiarów likwidujemy (zasypujemy) otwory.
Dziennik pomiarowy badań geotermicznych przeprowadzonych w... data... Profil Punkt Temperatura na 1 m Godzina Nr Sondy Temperatura na 2 m Godzina Nr Sondy Litologia (uwagi) 4. Poprawki 4.1 Poprawka na wpływ dobowej fali cieplnej w punkcie bazowym wykonujemy pomiary kontrolne np. co godzinę. Sporządzamy wykres zaleŝności temperatury od czasu. Wybieramy poziom wyrównania (np. wartość temperatury z godziny 9.00). Pomiary wykonane w terenie o innych godzinach sprowadzamy do wyznaczonego poziomu wyrównania. 4.2 Poprawka na charakterystykę sondy kaŝdą sondą wykonujemy kilka pomiarów kontrolnych np. w wodzie lub odwierconym otworze. Wyniki dla kaŝdej sondy uśredniamy. Wybieramy jedną sondę jako bazową i do niej sprowadzamy wyniki pomiarów w terenie wykonanych inną sondą (dodajemy bądź odejmujemy róŝnicę między sondą bazową a sondą, którą był wykonany pomiar). 4.3 Poprawka na róŝną głębokość otworu - w punkcie bazowym wykonujemy kilka pomiarów w otworach o róŝnych głębokościach. Sporządzamy wykres zaleŝności temperatury od głębokości. Odczytujemy z wykresu wartość poprawki, którą naleŝy wprowadzić, gdy pomiar wykonany był na innej niŝ załoŝona głębokość. 4.4 Poprawka na wpływ szaty roślinnej wprowadzamy ją, gdy pomiary były wykonywane w terenie o róŝnej szacie roślinnej (np. odkryty i zalesiony). Uśredniamy
wyniki uzyskane dla kaŝdego typu terenu i odejmujemy od siebie. Uzyskana liczba stanowi wartość wprowadzanej poprawki. 5. Interpretacja Po wprowadzeniu wszystkich poprawek, obliczamy dla kaŝdego punktu pomiarowego wartość gradientu geotermicznego: T G = h gdzie: T róŝnica temperatury [ o C] h róŝnica głębokości [m] Następnie przypisujemy kaŝdemu punktowi pomiarowemu współrzędne X, Y np. w doraźnie sporządzonym, lokalnym układzie współrzędnych. Wprowadzamy powyŝsze dane wraz z wynikami pomiarów i obliczonym gradientem geotermicznym do arkusza kalkulacyjnego. Następnym krokiem jest sporządzenie 3 barwnych map izoliniowych: - rozkładu temperatury na głębokości 1 metra - rozkładu temperatury na głębokości 2 metrów - gradientu geotermicznego. Do wykonania map moŝe być zastosowane oprogramowanie Golden Software Surfer. Analizując wykonane mapy, przeprowadzamy interpretację jakościową, a następnie wykorzystując zebrane wcześniej informacje na temat geologii badanego obszaru (mapy geologiczne, materiały archiwalne) oraz własne obserwacje prowadzone w trakcie wykonywania pomiarów podejmujemy próbę łącznej interpretacji geologiczno-geofizycznej.
Pomiary Magnetyczne
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie pomiarów wartości ziemskiego pola magnetycznego (indukcji magnetycznej) na wytypowanym obszarze, a takŝe określenie wpływu lokalnej budowy geologicznej na zmierzone wartości. Ze względu na charakter ziemskiego pola magnetycznego (jego krótkookresową i chwilową zmienność) w trakcie pomiarów konieczne jest ścisłe przestrzeganie metodyki pomiarowej. Głównym czynnikiem wpływającym na wartość pola magnetycznego jest podatność magnetyczna skał wynikająca z róŝnej zawartości minerałów ferromagnetycznych, tak więc pomiary magnetyczne umoŝliwiają, w sposób pośredni, rozpoznanie zróŝnicowania litologicznego i strukturalnego badanego obszaru. Ćwiczenie zostanie zrealizowane poprzez równoległe prowadzenie pomiarów w terenie oraz punkcie bazowym. Po wprowadzeniu poprawek wykonane zostaną mapy oraz przeprowadzona ich interpretacja. 2. Aparatura pomiarowa Do przeprowadzenia ćwiczenia potrzebne są: - 2 magnetometry protonowe PMP-5-2 radiotelefony - taśmy miernicze - zapasowy komplet baterii - podręczny zestaw narzędzi (śrubokręt, nóŝ, taśma izolacyjna itp.) - mapa badanego obszaru - notatniki terenowe, ołówki. Magnetometr protonowy PMP-5 Urządzenie wykorzystuje zjawisko swobodnej precesji neutronów w jednorodnym polu magnetycznym. Jego maksymalna dokładność wynosi 0,1 nt. Przed rozpoczęciem pomiarów naleŝy skręcić elementy masztu, wkręcić maszt do sondy i
podłączyć wtyczkę sondy do urządzenia. Po włączeniu magnetometru, ustalamy zakres pomiarowy i ustawiamy cykl pomiarowy na pojedynczy lub automatyczny (odczyt co 1,5, 3 lub 6 sekund). 3. Metodyka pomiarowa Pomiary mogą być wykonywane, podobnie jak w przypadku prac geotermicznych, metodą powierzchniową lub profilową. Prace rozpoczynamy od prawidłowej lokalizacji badanego obszaru na mapie, a następnie wytyczamy profile pomiarowe. Konieczne jest takŝe wyznaczenie połoŝenia punktu bazowego. Powinien on być usytuowany w miejscu wolnym od źródeł zakłóceń (linie energetyczne, obiekty metalowe, drogi, zabudowania), a takŝe umoŝliwiającym dobrą łączność radiową pomiędzy obiema grupami pomiarowymi. Pomiary wykonywane są w kaŝdym punkcie przy dwóch połoŝeniach sondy: dolnym (na poziomie gruntu) i górnym. UmoŜliwia to późniejsze obliczenie gradientu magnetycznego, którego wartość jest bardziej czuła na płytko zalegające obiekty. Równocześnie wykonywane są pomiary w terenie i punkcie bazowym. Moment ich wykonania naleŝy koordynować przy uŝyciu radiotelefonów. Taki sposób przeprowadzenia pomiarów pozwala na wyeliminowanie wpływu zmian dobowych oraz chwilowych ziemskiego pola magnetycznego. W trakcie realizacji pomiarów w punkcie bazowym naleŝy stale obserwować mierzone wartości. Ich skokowe zmiany mogą być spowodowane zbliŝającą się burzą magnetyczną. W takim przypadku naleŝy przerwać pracę. 4. Poprawki Po zakończeniu prac pomiarowych dla kaŝdego pomiaru odejmujemy wartość uzyskaną w terenie od wartości uzyskanej w tym samym momencie czasu w punkcie bazowym (lub odwrotnie). Dla uproszczenia późniejszej interpretacji lepiej wybrać taki kierunek odejmowania, aby na mapie przewaŝały wartości dodatnie. Przeprowadzona operacja matematyczna eliminuje wpływ zmian czasowych
ziemskiego pola magnetycznego i pozostawia jedynie zmiany wynikające ze zróŝnicowania budowy geologicznej badanego obszaru. 5. Interpretacja Po wprowadzeniu poprawki, obliczamy dla kaŝdego punktu pomiarowego wartość gradientu magnetycznego. Następnie wprowadzamy dla kaŝdego punktu pomiarowego współrzędne X, Y w lokalnym układzie współrzędnych. UmoŜliwi to wykreślenie 3 barwnych map izoliniowych: - wartości ziemskiego pola magnetycznego na poziomie gruntu - wartości ziemskiego pola magnetycznego na wysokości 2 metrów - gradientu magnetycznego. Do wykonania map moŝe być wykorzystane oprogramowanie Golden Software Surfer. Analizując wykonane mapy, przeprowadzamy interpretację jakościową, a następnie wykorzystując zebrane wcześniej informacje na temat geologii badanego obszaru (mapy geologiczne, materiały archiwalne) oraz własne obserwacje prowadzone w trakcie wykonywania pomiarów podejmujemy próbę łącznej interpretacji geologiczno-geofizycznej.
Pomiary Elektrooporowe
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest rozpoznanie pionowego i poziomego zróŝnicowania oporu elektrycznego ośrodka skalnego. Opór elektryczny skał zaleŝy od wielu czynników, z których najwaŝniejsze to: skład mineralny, stopień nasycenia wodą (takŝe mineralizacja wody gruntowej), porowatość i szczelinowatość. Badając zróŝnicowanie oporu elektrycznego jakiegoś obszaru, poznajemy w sposób pośredni jego budowę geologiczną. Pomiary wykonywane będą dwiema metodami: profilowań i sondowań elektrooporowych. W pierwszym przypadku układ pomiarowy zachowuje w kaŝdym punkcie pomiarowym stały rozstaw elektrod, a co za tym idzie stałą głębokość penetracji. Konsekwencją tego jest rozpoznanie zmian oporu elektrycznego w poziomie wzdłuŝ profilu pomiarowego. W przypadku sondowań, w kaŝdym punkcie pomiarowym, zwiększamy stopniowo rozstaw elektrod prądowych, zwiększając tym samym głębokość penetracji. Łączne zastosowanie i interpretacja obu tych metod umoŝliwi dokładne rozpoznanie zróŝnicowania oporu elektrycznego badanego obszaru i późniejszą interpretację geologiczną. 2. Aparatura pomiarowa Do przeprowadzenia ćwiczenia potrzebne są: - geoelektryczna aparatura pomiarowa np. ABEM SAS 300-2 bębny z kablami do podłączenia elektrod prądowych - 2 kable do podłączenia elektrod ptencjałowych - 4 elektrody - taśmy miernicze - młotki - zapasowy akumulator - podręczny zestaw narzędzi (śrubokręt, nóŝ, taśma izolacyjna itp.) - mapa badanego obszaru - notatnik terenowy, ołówek
Wykonanie pomiaru rozpoczyna się od rozłoŝenia taśm mierniczych. Następnie w wyznaczonych miejscach (odległościach od środka układu O) instaluje się elektrody (w razie potrzeby wbija młotkiem). Elektrody łączymy kablami z aparaturą pomiarową umieszczoną w środku (O). Elektrody zewnętrzne są elektrodami prądowymi (oznaczenie C 1, C 2 lub A, B), a wewnętrzne potencjałowymi (oznaczenie P 1, P 2 lub M, N) (patrz poniŝszy rysunek) Schemat podstawowego układu pomiarowego w pomiarach elektroporowych O punkt pomiarowy (środek układu), C 1, C 2 elektrody prądowe, N 1, N 2 elektrody potencjałowe Następnie ustawiamy natęŝenie prądu elektrycznego (najkorzystniej jest stosować największe moŝliwe do uzyskania wartości natęŝenia prądu elektrycznego), ilość cykli (powtórzeń) pomiaru i dokonujemy pomiaru. Wartość oporu pojawia się na wyświetlaczu LCD. Ze względu na moŝliwość poraŝenia prądem elektrycznym, osoba obsługująca aparaturę, dokonuje pomiaru dopiero po otrzymaniu wyraźnego sygnału od pozostałych, Ŝe kable są juŝ podłączone do elektrod. Pomiarów nie wolno prowadzić w trakcie deszczu i wilgotnym środowisku np. mokrej trawie. 3. Metodyka pomiarowa Sondowania elektrooporowe Punkty sondowania wybieramy tak, aby równomiernie były rozmieszczone na badanym obszarze lub zlokalizowane były w miejscach, w których spodziewamy się róŝnej sytuacji geologicznej. Ze względów praktycznych, najwygodniej jest sytuować punkty sondowań wzdłuŝ profili ze stałą odległością pomiędzy punktami na profilu. Sondowania wykonujemy układem pomiarowym Schlumbergera. Wielkość
zastosowanych rozstawów elektrod zaleŝy od lokalnych warunków geologicznych i jest ustalana z osobą prowadzącą ćwiczenie. Sondowanie polega na cyklicznym powtarzaniu pomiarów, przy kaŝdorazowym zwiększeniu odległości pomiędzy elektrodami prądowymi, aŝ do osiągnięcia jej maksymalnej, załoŝonej wcześniej wielkości. Całą procedurę powtarzamy w kaŝdym, kolejnym punkcie. Profilowanie elektrooporowe W przypadku profilowań wykonanie pojedynczego pomiaru jest identyczne jak w sondowaniach. RóŜnica polega na tym, Ŝe po wykonaniu pojedynczego pomiaru przenosimy cały układ pomiarowy wzdłuŝ profilu o określoną odległość (krok pomiarowy) i wykonujemy kolejny, pojedynczy pomiar przy zastosowaniu identycznych jak poprzednio rozstawów elektrod. Profilowania przeprowadzamy układem pomiarowym Wennera. Zastosowany rozstaw elektrod zaleŝy od lokalnych warunków geologicznych (głębokości, na której moŝemy spodziewać się zmian litologicznych) i jest ustalany z osobą prowadzącą ćwiczenie. Profile staramy się wytyczać prostopadle do biegu struktur geologicznych (uskok, oś fałdu, granica litologiczna). 4. Interpretacja Na początku, wszystkie wyniki pomiarów oporu mnoŝymy przez współczynnik geometryczny układu pomiarowego. Otrzymujemy w ten sposób elektryczny opór pozorny. W przypadku sondowania, do interpretacji wykorzystujemy specjalistyczne oprogramowanie (Schlumy, IPI2win, RES1D). Wynikiem interpretacji jest, dla kaŝdego punktu pomiarowego, geoelektryczny, warstwowy model ośrodka. MoŜemy obliczyć miąŝszość i rzeczywisty opór elektryczny poszczególnych warstw. W przypadku profilowania, wartości oporu pozornego dla kaŝdego profilu, zestawiamy na wykresie obrazującym zmiany oporu elektrycznego wzdłuŝ pojedynczego profilu. Jeśli wykonane zostały pomiary na kilku blisko połoŝonych
profilach dodatkowo wykonujemy mapy zmian oporu elektrycznego badanego obszaru. Do wykonania map moŝe być wykorzystane oprogramowanie Golden Software Surfer. Kolejnym krokiem jest stworzenie modelu geoelektrycznego badanego ośrodka oraz jego interpretacja geologiczna.
Pomiary Sejsmiczne
1. Cel ćwiczenia Do badania szczelinowatości masywów skalnych, rozpoznania stopnia spękania, anizotropii oraz orientacji przestrzennej systemów spękań wykorzystana moŝe być z powodzeniem metoda płytkiej sejsmiki refrakcyjnej. W ramach praktyk studenci zapoznają się z aparatura pomiarową, wykonają profilowania/sondowania refrakcyjne, oraz wykonają prostą interpretację zarejestrowanych rekordów sejsmicznych. Przy sondowaniach stosujemy rozstaw 12 (24) geofonów pomiarowych. Prowadzenie profilowań sejsmicznych będzie polegało na wykonaniu wzdłuŝ wytyczonego profilu serii sondowań sejsmicznych w taki sposób, aby moŝliwe było ciągłe śledzenie granicy refrakcyjnej. 2. Aparatura pomiarowa Do przeprowadzenia ćwiczenia wykorzystujemy przenośną aparaturę sejsmicznoinŝynierską. Jest to 12-kanałowa/24-kanałowa aparatura sejsmiczna umoŝliwiająca sumowanie sygnałów z kolejnych wzbudzeń. Moduł rejestrujący aparatury zbudowany jest na bazie komputera. Komputer wyposaŝony jest w duŝy wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Urządzenie moŝe być zasilane ze źródła prądu stałego o napięciu 10-30V. W skład zestawu pomiarowego wchodzi: - aparatura sejsmiczno-inŝynierska - 12-kanałowy/24-kanałowy kabel sejsmiczny z wejściami rozmieszczonymi co 12.5 m, w które moŝna wpinać geofony. - 12 geofonów/24 geofony + 1 geofon startowy - kabel łączący geofon startowy z przyrządem pomiarowym - zasilanie aparatury - 8-kg młot do wzbudzania fali - metalowa płytka
3. Metodyka pomiarowa Wykonanie ćwiczenia, rozpoczynamy od wytyczenia kilku profili, wzdłuŝ których będziemy przeprowadzać profilowanie sejsmiczne. W tym celu rozciągamy taśmę mierniczą. KaŜdy profil sejsmiczny składa się z 12/24 geofonów pionowych. Odstęp między geofonami wynosi 5 m. Geofon startowy umieszczamy kolejno na 5m od pierwszego geofonu, następnie na 0 m (obok pierwszego geofonu startowego), na 27.5/57.5 m profilu pomiarowego, 55/115 metrze oraz 60/120 metrze (5 metrów za ostatnim geofonem). Schemat rozmieszczenia dla 12 geofonów pionowych oraz geofonu startowego przedstawiono na poniŝszym rysunku. PW 1 PW 2 PW 3 PW 4 PW 5 G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 G 7 G 8 G 9 G 10 G 11 G 12 Schemat rozmieszczenia geofonów pomiarowych G 1,2 geofonu startowego - oraz punktów wzbudzania PW 1,2 Dla kaŝdego sondowania sejsmicznego rejestrujemy pięć rekordów pomiarowych wzbudzając falę sejsmiczną odpowiednio na 5 m, 0 m, 27,5/57.5 m, 55/115 m oraz 60/120 metrze. Falę sejsmiczną wzbudzamy za pomocą młota o wadze 8 kg. Rejestrujemy czasy pierwszych wstąpień fali P, na podstawie których sporządzamy hodograf dla pojedynczego sondowania. Następne sondowania wykonujemy przemieszczając rozstaw geofonów tak, aby dwa pierwsze geofony pomiarowe tego sondowania był dwoma ostatnimi geofonem sondowania poprzedniego. Schemat prowadzenia kolejnych sondowań (12 geofonów pomiarowych) wzdłuŝ profilu pokazano na poniŝszym rysunku.
SONDOWANIE 1 SONDOWANIE 2 5m G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 G 7 G 8 G 9 G 10 G 11 G 12 G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 G 6 G 7 G 8 G 9 G 10 G 11 G 12 PW 1 PW 2 PW 3 PW 4 PW 5 Schemat prowadzenia serii sondowań wzdłuŝ wytyczonego profilu sejsmicznego 4. Interpretacja Po zakończeniu prac terenowych, zgraniu rekordów zapisanych w pamięci urządzenia przystępujemy do interpretacji za pomocą jednego z programów np. SEISIMAGER, SEISVIEW. Rezultatem końcowym jest przekrój sejsmiczny obrazujący zmienność własności spręŝystych ośrodka. Opierając się na wyznaczonych głębokościach granicy refrakcyjnej wykreśla się przekroje głębokościowe, które następnie koreluje się z budową geologiczną badanego obszaru.
Zalecana literatura Kearey P., Brooks M., Hill I., 2002, An Introduction to Geophysical Exploration. Blackwell Science Ltd. Lowrie W., 2007, Fundamentals of Geophysics. Cambridge University Press. Milson J., 2003, Field Geophysics. John Wiley&Sons Ltd. Telford W.M., Geldart L.T., Sheriff L.E., 1990, Applied Geophysics. Cambridge University Press.