Elektromos és elektromágneses módszerek II. (Váltóáramú geofizikai módszerek) Összeállította: dr. Pethő Gábor

Átírás

1 Elektromos és elektromágneses módszerek II. (Váltóáramú geofizikai módszerek) Összeállította: dr. Pethő Gábor

2 Az EM módszer rövid története Faraday: indukciótörvény, 83; EM tér koncepciója, dielektromos állandó bevezetése Maxwell: Faraday elképzeléseit matematikai alakban foglalta össze. Sunberg: indukciós módszer, vízszintes hurok elrendezés, 93 Stern (99): georadar módszerrel jégvastagság mérés az Alpokban Cagniard, Tichonov, Kato, Kikuchi, Rikitake: magnetotellurikus módszerfejlesztés, Magyarországon: Kántás, Ádám, Takács Krajev: mesterséges terű EM frekvenciaszondázás alapgondolata,94 Vanjan(965), Keller(968) mest. EM frekvenciaszondázás elméletének kidolgozása Fokin (97) TEM, Kaufmann, Keller 80-as évek Semenov (978) és Goldman (994) mágneses rezonancia szondázás

3 Az EM terek forrása lehet természetes és mesterséges. Megkülönböztetünk frekvencia és időtartományban működő EM módszereket. A forrástól számított távolság és a hullámszám hányadosától függően a frekvencia tartománybeli elektromágneses módszerek lehetnek távoli, átmeneti és közeli zónában működő EM eljárások, hasonlóan az időtartománybeliekhez, ahol az adó-vevő távolság és a diffúziós mélység aránya határozza meg a zóna határokat. A távoli zónában a tér a síkhullámhoz hasonlóan viselkedik és a mért látszólagos fajlagos ellenállás független az adó-vevő távolságtól.

4 A természetes eredetű MT tér spektruma Napból érkező töltött részecskék és földi mágneses tér kölcsönhatása Ionoszféra- Föld üregrezonátor villámlások A Föld felszínén mérhető mágneses tér spektruma. Schumann-rezonancia frekvenciák: ~8 Hz, ~4 Hz, ~0 Hz, ~6 Hz, ~33 Hz, ~39 Hz, ~45 Hz

5 A felszínen mérve különböző periódus idejű EM terekhez látszólagos fajlagos ellenállás határozható meg. A periódusidő és a frekvencia fordítottan arányos, minél kisebb a frekvencia, annál mélyebbről kapunk információt. T Exo ρ πμ o H yo Cagniard formula: a fajlagos ellenállás az egymásra merőleges elektromos és mágneses tér amplitúdók arányától továbbá a periódus időtől függ. Forrás: Takács E. 987.

6 0 ) ( r r r r r + Δ + Δ E k E E i E ϖμσ t i z z i xo t i ikz xo x e e e E e e E t z E ϖ β α ϖ ), ( α iβ k ϖμσ β αβ α i i k ( ϖμσ ) k i ϖμσ β α t i iz z xo t i z i z xo t i ikz xo x e e e E e e e E e e E t z E ϖ ϖμσ ϖμσ ϖ α β ϖ ), ( A szkín mélység -z s - az a mélység, melyben a felszíni térérték az e-ad részére csökken. e E e E xo z xo s β Ha csak x E komponenst tételezünk fel: ϖμσ β z s Minél nagyobb az elektromos vezetőképesség és a frekvencia, annál jobban nyelődik el az elektromos (mágneses) tér. Ez a jelenség a szkín-effektus. Adott vezetőképesség mellett a nagy frekvenciás tér elnyelődése az erőteljesebb. A SÍKHULLÁMÚ EM módszerek kutatási mélysége a periódus idő növelésével fokozható. λ Az elnyelődő EM tér E x komponensének jellemzése

7 MT szondázási görbék ρ T Exo πμ o H yo Cagniard formula: a fajlagos ellenállás az egymásra merőleges elektromos és mágneses tér amplitúdók arányától (azaz az impedancia abszolút értékétőltovábbá a periódus időtől függ. A látszólagos fajlagos ellenállás fázisa az elektromos és mágneses térkomponens közötti fázisszög.

8 ρ a T Aljzat mélységével arányos Φ E X H Y 45 0 T Fajlagos ellenállás (fent) fázis (lent) terepi szondázási görbék a periódusidő függvényében. Tengelyeken logaritmikus lépték, kivéve fázis amely lineáris léptékű.

9 Tellurikus mérésnél csak elektromos térkomponenst mérnek, ami arányos az áramsűrűség és a vezetőképesség szorzatával. Olyan, relatíve nagy periódusidejű elektromos térváltozásokat vizsgálnak, melyek az alaphegységig lehatolnak. Alaphegység kiemelkedés felett áramsűrűség növekedés, medence részeken áramsűrűség csökkenés jelentkezik. A vizsgált területen a mozgó állomásokhoz tartozó elektromos tér értékeket a bázisállomáson mérthez viszonyítják. Magyarországi medence-területeken a cél a prekainozóos medence domborzati térképének meghatározása.

10 A tellurikus térkép az összegzett vezetőképességet (Siemens egységben) tükrözi, ami arányos az üledékek vastagságával. Így a térkép a medencealjzat mélységviszonyaira is utal. A térképek regionális jellemvonásai törés-vonalakkal, nagyszerkezeti vonalakkal ((Makói- árok, Rába-vonal, Balaton-vonal) esnek egybe. Forrás: ELGI, Madarasi A.

11 Isoarea contour map reflecting basement relief changes in Daqing (China). The less the isoarea value is the deeper the basement depth must be. Az üledékes medence ÉNYról DK-i irányban süllyed. felboltozódás Forrás Takács Ernő, Miskolci Egyetem Geophysical exploration for oil in China between

12 Magyarország egyik legnagyobb vezetőképesség anomáliája. Forrása relatíve felszín közeli (kb. 600 méteres mélységben kezdődő), amely lehet egy nagyméretű antracitos, grafitos rétegösszlet. Forrás: Madarasi A. (ELGI)

13 Forrás: Nagy Zoltán 98 Az MT fajlagos ellenállás és fázis frekvenciaszondázási terepi görbék lehetővé teszik a fajlagos ellenállás mélység függvényében történő megadását. A frekvencia mélység és a mélységhez tartozó látszólagos fajlagos ellenállás megfeleltetést Bostick-transzformációnak nevezzük.

14 Forrás: Nagy Zoltán 98

15 Konduktív gerjesztés (AB) mellett elektromos teret (bal oldali) vagy mágneses teret (jobb oldali ábrarész) lehet mérni. Induktív gerjesztés (T) mellett elektromos teret (bal oldali) vagy mágneses teret (jobb oldali ábrarész) lehet mérni. Mesterséges áramterű frekvenciaszondázásnál az EM teret induktív vagy konduktív módon lehet gerjeszteni. Tekercs, elektromos dipólus vagy hosszú kábel révén történhet a gerjesztés. Az ábrán T: adó-tekercs, t: vevő-tekercs, AB:földelt tápdipólus, MN: mérőelektródák, r : adó-vevő távolság. Forrás: Takács E Ha r lényegesen nagyobb, mint a talajbeli hullámhossz, akkor a távoli, ha r lényegesen kisebb mint a talajbeli hullámhossz, akkor közeli zónában történik a mérés. Távoli zónában a tér síkhullámú.

16 i i e e π αλ / ωμσ π α π λ t i iz z xo t i z i z xo t i ikz xo x e e e E e e e E e e E t z E ϖ ϖμσ ϖμσ ϖ α β ϖ ), ( A hullámhossz az azonos fázisú pontok közötti távolság ϖμσ β α Ez a tényező határozza meg a fázis viselkedést. λ r λ r λ r

17 Távoli zóna, melyre az adóvevő távolság lényegesen nagyobb mint az EM tér hullámhossza: r λ Az átmeneti zónában a két mennyiség közelítőleg megegyezik: r λ A közeli zónában az adó-vevő távolság ( r ) sokkal kisebb mint a hullámhossz: r λ λ

18 VLF (0-30kHz): távoli zónában, frekvenciatartományban működő EM módszer

19 VLF módszer, Szentlélek környékének földtani térképe Felvette és rajzolta: Forián-Szabó Márton, 00.

20 VLF (GBR, ANGOL ADÓ) mérési szelvények

21 VLF mérések értelmezése ( D Mért adatok start modell új számítás Modell eredmények HPOL) ρa /fμ O ( E R / H Φ ) Φ(E R, H Φ ) Jó, a modell közelíti a valóságot Milyen az egyezés? Nem ok. további modellezés Minden egyes mérési állomáson a vizsgált adóhoz tartozó frekvencián a mért látszólagos fajlagos ellenállás és az egymásra merőleges EM térkomponensek közti fázisszög áll rendelkezésre. A modell jellemzőin addig változtatunk, míg a mért és számított eredmények között jó egyezést kapunk.

22 70 Φ fok 6. szelvény VLF fázisszög mért modell szerinti szelvénymenti távolság m

23 7-8. (É-i) szelvény szentléleki út ösvény Köpüs-kõ felé 60-0 ohmm (felszíni málladék) 360 ohmm (bitumenes mészkõ) 40 ohmm (agyagkõ) 90 o 00 m 0 o

24 6. (D-i) szelvény szentléleki út ösvény a Szentléleki-völgybe 60-0 ohmm (felszíni málladék) 360 ohmm (bitumenes mészkõ) 40 ohmm (agyagkõ) 90 o 00 m 0 o A víztározó bitumenes mészkő (Nagyvisnyói mészkő formáció)a bal oldalon egyrészt NY-ról K- re, másrészt D felé is mélyül, benne összegyűlik és a felszínen a csapadék viszonyoktól függő hozammal jelenik meg a karsztvíz az agyagkő (Szentléleki formáció) mint impermeábilis kőzet ( gát fal ) hatására.

25 Eredő mágneses tér kialakulása elektromosan jó vezetőképességű, adóirányban megnyúlt képződmény felett VLF, vertikális mágneses térkomponens mérése Vertikális mágneses térkomponens H z Primér Mágneses tér felszín Jó vezetőben indukált áram mágneses tere

26 Különböző CSAMT (Controlled source audio frequency magnetotellurics ) és CSAET(electortellurics) elrendezések. Mesterséges áramterű audio magnetotellurika, és mesterséges áramterű audio (elektro)tellurika. A távoli zónában a mért fajlagos ellenállásnak nincs r függése. Az átmeneti zónában frekvenciális és r függés is van.

27 Szintetikus Bostick interpretáció CSAMT mérésekből Spichak et. al. 00.

28 MESTERSÉGES ÁRAMTERŰ FAJLAGOS ELLENÁLLÁS ELMÉLETI GÖRBÉK. A felső ábra AB -MN elrendezésre az alsó AB- t elrendezésre vonatkozik. Forrás: Takács E. 987.

29 MELIS EM FREKV. SZOND. MŰSZER MELIS FRSZ rendszer TX000 adója induktív és konduktív gerjesztésre használható (balra fenn) benzinmotoros áramfejlesztővel. A vevő oldalon egymásra merőleges mágneses térkomponensek arányából (jobbra) vagy az impedanciából állapítja meg a műszer a látsz. fajlagos ellenállást. A digitális mérés FFT-t alkalmaz. Mérési frekv. tart. 0.Hz-7600Hz. A tekercsek érzékenysége 50mV/gamma, az elektromos csatorna bemeneti impedanciája Megaohm.

30 MÚCSONY MIOCÉN SZÉN TEKTONIKÁJA távvezeték EM tere & FRSZ(frekvenciaszondázás)

31 MÚCSONY: INDIREKT KUTATÁS FRSZ, ami csak részben VLF tartománybeli szondázás dipól párhuzamos mérés az átmeneti zónában, legyező elrendezés A felső széntelep helyzetére a felszín közeli, a széntelephez képest nagyobb vastagságú kavicsos homoknak mint vezérszintnek a követéséből lehetett következtetni, ui. uaz a tektonika érte a teljes rétegsort (ME, Geofiz. Tanszék) felső szén telep alsó szén telep

32 Tranziens elektromágneses módszer elrendezések Dipól-dipól, közös középpontos (central induction loop [CIL]), TURAM és légi tranziens elrendezések. Az ábrán T az adóra, R a vevőre vonatkozik. Felszíni mérés általában, de van légi változata is. BurVal Working Group, 006

33 Forrás: Takács E TRANZIENS MÓDSZER A gerjesztő áram kikapcsolása miatt a mágneses fluxus időbeli változása a talajban feszültséget indukál, melynek eredményeként a gerjesztő tekercs (v. hurok) alakjához hasonló alakú indukált áramgyűrű jön létre. A talajban ez az áramgyűrű lefelé és kifelé terjed. A diffúzió sebessége a vezetőképesség és az eltelt idő szorzatának négyzetgyökével fordítva arányos. Ezen áramgyűrű által keltett mágneses teret mérik, gyakran a gerjesztő- (adó) tekerccsel. A nagyon gyorsan lecsengő szekunder mágneses teret a vevő egység több időpontban mintavételezi. A kikapcsolás kb. mikrosecundum alatt megtörténik. A kikapcsolást közvetlen követően a mintavételezés sűrűbb mint később, ugyanis kezdetben a lecsengés mértéke nagyobb. A mérés számítógép vezérelt. Egyetlen ponton több ezer lecsengési görbe átlagából adódik a végeredmény. Közeli és távoli zónában egyaránt kapunk földtani információt. Kikapcsolást követően nagy idő elteltével és kis adó-vevő távolság (r) mellett közeli zónabeli a mérés, kis idő elteltével és nagyobb r mellett távoli zónabeli.

34 Indukált áramgyűrű feletti szekunder mágneses tér eloszlás. Tranziens (time domain, idő tartománybeli) elméleti frekvenciaszondázási görbe. A terepi görbét πt függvényében adják meg. A kikapcsolást követően legalább olyan hosszú ideig kell mérni, amelyre a diffúziós mélység meghaladja a legmélyebb, kimutatni kívánt réteg mélység szintjét. Forrás: Takács E. 987.

35 z s ρt ϖμσ δ FEM és TEM összevetése a zónahatárok alapján λ πz s t δ 6 μσ ρt d πδ ahol a diffúziós mélység* (síkhullámú esetet feltételezve) ameddig az áramgyűrű lehatol, és d ennek π -szerese, mely mennyiség a diffúziós mélységhez tartozó maximális áramsűrűségű hely felszíni vetületével is arányos. TEM-nél a közeli zónában r λ r λ r λ *: pl. kör vagy négyzet alakú gerjesztő huroknál a a diffúziós mélység az ittenihez képest kb. a fele (.8) d r. pl. ha 0 Távoli zóna Átmeneti zóna Közeli zóna,akkor B z t B z ρ ( t) a 3 μm π r d r d r d 3 r π ( μσ ) r 5 t μm r 4πr 3 5π μ μm 4πt B 5t t 3 z ( μσ ) 3 t 5 3 3

36 VESZ -A-, TEM -B-, FEM -C- módszerek felbontóképességének összevetése a D ábrán látható modell esetén. A rétegsorok a -es jelű agyag vastagság értékben térnek el egymástól. A modell-számítások szerint a tranziens módszer a legérzékenyebb az agyagréteg vastagságának megváltozására.

37 KUBA, TRAZIENSMÉRÉS ÉS ÉRTELMEZÉS, ELGI. A kis fajlagos ellenállású rétegeket (kék színnel jelölve) sós víz tölti ki. Az interpretáció feltételezi a kikapcsolástól eltelt idő és a mélység kapcsolatának ismeretét.

38 Édes és sós vizes formációk elkülönítése A vizsgált területen a mészkő pad csupán m vastag, alatta törmelékes üledék helyezkedik el. A vízkivétel részben mezőgazdasági célra, részben pedig Havanna ivóvízellátására történt. A tenger a szelvény bal oldalán van, amit a sósvíz szintjének balról jobbra történő regionális süllyedése is tükröz. A sós vizes részt (D) nagyjából a kék szín mutatja, a kevert vizes rész (C) e felett, míg az édes víz (B) a törmelékes üledékes rész legfelsőbb szintjében, a mészkőpad alatt található.

39 Édes és sós vizes formációk elkülönítése Coastal aquifer assessment using geophysical methods (TEM, VES), case study: Northern Crete, Greece KALISPERI et al. 009

40 Édes és sós vizes formációk elkülönítése tranziens módszerrel KALISPERI et al. 009

41 A tranziens áram intenzitás a távolság negyedik hatványával fordítottan arányos, az áramgyűrű terjedési sebessége az idő múlásával homogén féltér esetén lelassul, ugyanakkor a terjedési sebességét a vezetőképesség is befolyásolja: a jó vezetőben az indukált áramgyűrű mozgása szintén lelassul. Lefelé és kifelé terjedve az áramgyűrű végül is a füstkarikához hasonlóan eloszlik. Az ábrán Ziolkowsky et. al. első kísérlete látható a CH (gáz) tároló időbeli változásának TEM módszerrel történő megfigyelésére(00). A két mérés között eltelt idő két év volt. A CH tároló kiterjedésében a változások nyomon követése azért lehetséges, mert a CH helyét a kitermelés során jobb vezető fluidum tölti ki.

42 Geonics Indukciós módszer Frekvenciatartománybeli, közeli zónában mérő eljárás. A közeli zónában az adó-vevő távolság ( r ) sokkal kisebb mint a hullámhossz : r λ, így kisebb a szkín-mélységnél is.

43 VMD és HMD talajban indukált árameloszlása. Geonics

44 Geonics indukciós műszerek adó-vevő távolságai ( r ), frekvenciái( f) és elérhető kutatási mélységek a két elrendezésben (VMD és HMD mód) Műszer típus Adó-vevő távolság (m) Frekvencia (KHz) VMD (m) HMD (m) EM EM Geonics

45 Ezen módszerek közös jellemzője, hogy az elektromágneses tér gerjesztése induktív módon, azaz tekercsbe vezetett váltakozó áram segítségével történik, másrészt csak mágneses térkomponenst mérnek, továbbá az adó-vevő távolságnak a szkín mélységhez viszonyított értéke (ezt a hányadost nevezzük indukciós számnak) lényegesen kisebb mint. A módszer tehát a frekvenciatartományban és azon belül is a közeli zónában a dolgozik. A módszer onnan kapta a nevét, hogy az adó tekercs primer mágneses térváltozása a felszín alatti vezető képződményekben indukció útján áramokat hoz létre, és az indukált áramokhoz tartozó szekunder mágneses tér szuperponálódik a primér ( csak levegőbeli) mágneses térre. A vevő oldalon tehát a primér és szekunder mágneses tér eredőjét mérjük, és az indukció útján keletkező áramtöbblet vagy relatív áramhiány mágneses tere használható fel földtani információ szerzésre.

46 VMD ADÓ VMD VEVŐ H (0) z ISne iϖt M 3 3 4πr 4πr levegőbeli érték H z H z H (0) z H H VMD és HMD elrendezésre egyaránt érvényes z h z (0) z h z H H (0) z H (0) z 8 k r h (0) z z + ikr H (0) z n k r 9 ik ( n )( n 3) ( ikr) n! [ / 4] iϖμσr Im( H ) Im( H ) z S ϖμσr / 4 ( 0) H z H P σ a 4 ϖμ H V S r H P KVADR. KOMP 3 r 3 n e ikr homogén féltér felett ha csak n4-et veszünk figyelembe, akkor A látszólagos vezetőképesség arányos a vevőtekercs sarkain indukált feszültség kvadratúra (az adóköri áram fázisához képest os fáziskésésű) komponensével.

47 Az eredő mágneses tér kialakulása jó vezető képződmény esetén. Az adó tekercs HMD. Forrás: Takács E. 987 VMD elrendezésre az indukciós módszer elvének szemléltetése felül, a vevő tekercs sarkain a primer és a szekunder mágneses térrel arányos feszültség időbeli változása alul Lowrie (007) szerint

48 Ha a felszín alatt elektromosan szigetelő féltér van és ebben helyezkedik el a függőleges helyzetű, jó vezető lemez, akkor a primér tér (a levegőbeli mágneses tér) fázisa megegyezik az adóköri tekercsben folyó áram fázisával lásd (), míg a jó vezetőben indukált áram mágneses tere ehhez képest fázis késést mutat (). A vevő tekerccsel a primér és szekunder tér eredőjét mérjük(3). Minden esetben a mért jel felbontható egy az adóköri árammal megegyező és attól fázisban al eltérő komponens összegére(), (3). I T I sin( ϖ ) H H sin( ϖ ) () T 0 t P P 0 t H S H S 0 H S 0 sin( ϖt Φ) cosφsin( ϖt) H S 0 sin Φ cos( ϖt) () H E ( H H P 0 P + H + H S 0 S H P 0 sin( ϖt) + H cos Φ)sin( ϖt) H S 0 S 0 cos Φ sin( ϖt) sin Φ cos( ϖt) H S 0 sin Φ cos( ϖt) (3)

49 A horizontális síkban lévő tekercspárral (VMD elrendezés) mélyebb behatolás érhető el mint a vertikális síkú tekercspárral (HMD elrendezéssel). Ezért érdemes ugyanazon tekercseket mind a két elrendezésben használni.

50 A kommunális hulladék általában és itt is vezetőképesség növekedést eredményez. Matias (994)

51 Indukciós módszer felhasználási területei földtani térképezés (homok és kavics kutatás, agyag jelenlétének és mélységének meghatározása) felszín közeli vízbázisok kutatása vízbázis szennyezettség vizsgálata ( savak, sók, CH jelenléte) mérnöki alkalmazások ( eltemetett fémtárgyak, fémcső kimutatása, talaj állékonyság, fagyott talaj térképezése, tengeri jégtábla vastagság meghatározása, üreg- és barlang kutatás, édes és tenger víz érintkezése, katódvédelem tervezés szerves és szervetlen talajszennyezés, elfedett kommunális hulladéklerakók lehatárolása régészet (archeogeofizika)

52 Légi geofizika Elektromágneses, mágneses, GPS és lézeres magasságmérés egybeépítve a kb. 9m hosszú, szivar alakú testben. Az EM mérés 6 frekvencián, 0.38Hz és 30KHz között. A helikopterben található a természetes gamma spektroszkópia mérő rendszer, digitális GPS, radar és barométeres magasságmérő. BurVal Working Group, 006

53 ÉNY Németország légi EM mérés, látszólagos fajlagos ellenállás eloszlás és a negyedidőszaki medence topográfiája (világos kék izomélység vonalak). A 8. sz. szelvény helyét fekete folytonos vonal jelöli. BurVal Working Group, 006

54 Vertikális fajlagos ellenállás metszet (középen), mely az 5 frekvencián mért vezetőképesség adatokból lett meghatározva. Az alsó ábra az inverzió jóságát mutatja. BurVal Working Group, 006

55 GEORADAR (GPR GROUND PENETRATING RADAR) GEORADAR (GPR GROUND PENETRATING RADAR) 0 ) ( r r r r r + Δ + Δ E k E E i E ϖμσ μεϖ t i z z i xo t i ikz xo x e e e E e e E t z E ϖ β α ϖ ), ( α iβ k ϖμσ μεϖ β αβ α i i k + + ϖ ε σ με ϖ α + ϖ ε σ με ϖ β A telegráf egyenlet és megoldása A telegráf egyenlet a Maxwell- egyenletekből harmonikus időszerinti változást, a vezetési és eltolódási áram együttes jelenlétét feltételezve vezethető le, a mágneses térre az egyenlet ugyanolyan alakú, mint az itt megadott elektromos térre vonatkozó egyenleté:

56 e E e E xo z xo s β / / + ϖ ε σ με ϖ β z s i i e e π αλ / / + + ϖ ε σ με ϖ π α π λ Szkín-mélység és hullámhossz általános esetben Frekvenciától, vezetőképességtől, dielektromos állandótól, mágneses permeabilitástól függő mennyiségek.

57 v λf λ Τ / / + + ϖ ε σ με v / πμσ π λ f T v f v f με μεϖ π α π λ / / r r o o c v ε ε ε μ με Az EM hullám hullámhossza és sebessége / ωμσ π α π λ / / + + ϖ ε σ με ϖ π α π λ Vezetési áram dominál (eltolódási áram nélküli eset) Általános eset (vezetési és eltolási áram együtt) Eltolási áram a domináns ( nincs vezetési áram)

58 Elektromágneses hullámok spektruma a frekvencia és a levegőbeli hullámhossz megadásával. A gamma sugarak a legnagyobb frekvenciájúak, őket a Röntgen- és UV sugárzás követi. A látható fényhez és a mikrohullámokhoz képest a radar és georadar frekvenciája alacsonyabb. A georadar frekvencia tartománya 5MHz és GHz között van.

59 Egyetlen (vízszintes) határfelület esetén a felszíni vevőhöz beérkező hullámok sorrendje Forrás : Pattantyús-Á. M et. al., 994. vevő elrendezés esetén négy beérkezés van. Az első kettő levegő() és terjedő hullámok közül reflektált hullámot (4). A megtörő levegő hullám esetén a kritikus szög Az ábrán látható adó- részben levegő() hullám, a földben a direkt hullám(3) mindig megelőzi a kritikus szögben nagysága az alábbi feltételből határozható meg: sin υ c v v levegő

60 Vízszintes határfelület esetén kialakuló EM hullám menetidő görbéi. υ c A kritikus távolságon belül ( htgυ c ) csak három beérkezés van. Közvetlenül ezután egy rövid szakaszon a talajban terjedő direkt hullám megelőzi a kritikus szögben megtörő levegő hullámot, majd ezt követően (így a pirossal jelölt helyen is ) már négy beérkezés van, melyek sorrendje az alábbi:. Közvetlen levegőhullám (direct air wave). Kritikus szögben refraktálódott hullám (critically refracted wave) 3. Közvetlen hullám a talajban (direct ground wave) 4. Reflektált hullám (reflected wave),a kutatásban az utóbbit vizsgáljuk... és 3. egyenlete egyenes, a reflektált hullámé (4.) hiperbola.

61 . Közvetlen levegőhullám (direct air wave). Kritikus szögben refraktálódott hullám (critically refracted wave) 3. Közvetlen hullám a talajban (direct ground wave) 4. Reflektált hullám (reflected wave), a kutatásban az utóbbit vizsgáljuk... és 3. egyenlete egyenes, a reflektált hullámé (4.) hiperbola.

62 Annan, Cosway, 99 Reflexiós mérés

63 Forrás:ELGI

64 Reflexiós együttható Z Z Z Z R + r r r r k k k k R ε ε ε ε ϖμ ϖμ ϖμ ϖμ + + Annál jobb reflexiót kapunk, minél nagyobb az egymással kontaktusban lévő kőzetek dielektromos állandói között a különbség.

65 Sebességszelvényezés Átvilágítás Forrás:ELGI

66 Sebességszelvényezés Közös mélységpontos elrendezés mellett különböző offsetekre (x) mérve a t x értékeket a sebesség x, t 0, t x ismeretében számítható. Ha ismerjük a sebességet, akkor a beérkezési időből a reflektáló felület mélységét meg lehet határozni. Forrás:ELGI

67 Forrás Pattantyús-Á. M Sharma 997

68 Vertikális felbontóképesség A legkisebb kimutatható rétegvastagság mértékével egyezik meg. A vertikális felbontás annál jobb, minél nagyobb a frekvencia, minél kisebb a hullámhossz. Elméletileg ha a réteg vastagsága nagyobb mint a kimutatni kívánt rétegben a ¾ hullámhossz értéke, akkor ezen réteg tetejéről és aljáról kapott reflexiók még elkülönülnek. / ωμσ π α π λ / / + + ϖ ε σ με ϖ π α π λ f v f με μεϖ π α π λ / / Kvázistacionárius eset Általános eset Nagy frekvenciás közelítés

69 Horizontális felbontás (Fresnel-zóna) Az a reflektált energia, amely fél hullámhossznál kisebb fáziskéséssel érkezik be mint az első beérkezésű reflektált jel, az a reflexiót erősíti, ezért ez konstruktív interferenciának minősül. Azt a felületrészt melyről konstruktív interferenciával érkeznek be a reflexiók Fresnel zónának nevezzük. A w-nél kisebb horizontális felületről kapott reflexiókat nem lehet elkülöníteni. Az ábrán látható derékszögű háromszögre írható, hogy z + ( w ) ( z + λ / 4) Négyzetre emelést követően (λ /6)- ot a bal oldalon elhanyagolva kapjuk, hogy: w λz A vízszintes felbontás is a hullámhossz csökkentésével fokozható, és romlik a ható mélységnövekedésével.

70 Minél nagyobb a frekvencia, annál jobb a felbontás és erősebb a csillapítás Forrás: Mussett et. al. 000 BurVal Working Group, 006

71 Pincék (Paks, löszbe vájt pincék) és jó vezetőben elhelyezett hordók (műanyag és fém) kimutatása GPR módszerrel. A frekvencia 00MHz volt. Forrás : Pattantyús-Á. M et. al., 994

72 Forrás : Pattantyús-Á. M et. al., 994

73 Budapest, Ferenc-hegyi barlang Forrás : Pattantyús-Á. M et. al., 994

74 Hó fedte gránitban nagyobb repedések kimutatása Lowrie et al. (007) alapján

75 Repedések andezitben Forrás : Pattantyús-Á. M et. al., 994

76

77 Repedezett zónák kimutatása A sebességet warr (wide angle radar reflection) méréssel állapították meg, ennek és a beérkezési idők ismeretében megállapítható, hogy a FZ- repedés zóna ÉNY-ról DK-i irányba lejt kb os szögben 40m és 55m mélységben a felszínheuóz képest. A behatolás limitált, pedig itt 5MHz volt a frekvencia. Az M-0 fúrásban a repedés gyakoriság-mélység eloszlás látható bal oldalon. Forrás:Stevens et.al. 995

78 Pulse-Ekko-II-vel mért szelvény, 400ns-nál a bal oldalon jelentkező határfelület jég-homok kontaktus, a jég vastagsága kb. 0m, felette jég- és homokrétegek vannak. A fagyott zónának a nem fagyott állapothoz képest nemcsak a fajlagos ellenállása nő meg, hanem a dielektromos állandója is markánsan lecsökken. A NY-i rész jégvájta fluvioglaciális rész, míg a K-i részen folyó hordalék terasza található. Mérés 4m-es lépésközönként, f30mhz. Richads sziget, ÉNY Kanada Forrás: Dallimore és Davis, 987

79 Útépítés- alatta barlangok A 60ns-nál jelentkező diffrakciós hiperbolák barlang (cave, cavity) miatt jelentkeznek. Utah állam, USA, f00mhz. (Benson, 995).

80 Archeogeofizika Kanto, Japán. Az őslakók tartózkodási helye kb. 6m széles. Mivel a kétszeres menetidő 30ns és a sebesség kb. 0.08m/ns a felszíntől számított mélysége kb..m. A georadar felvételen lehatárolt rész jól jelentkezik a látszólagos fajlagos ellenállás szelvényen melyet Wennerelrendezéssel m-es elektródaközzel mértek (Imai et. al., 987)

81 A nagy talajnedvességű helyek vízvezető csatornákat jelölnek. A gyökérzóna szintjén és a közvetlenül alatta lévő részen átszivárog a felszínre jutó csapadék, emiatt a csatorna felett nincs olyan jó termés mint attól távolabb. A TALJNEDVESSÉG MÉRTÉKE f900mhz KALIFORNIA, szőlőtermés és talajnedvesség kapcsolata GPR-rel. Ált. cél: öntözés optimalizálás. Geotimes, 004/8

82 Műtárgyak, feltöltés, barlang és réteghatárok kimutatása georadarral Gizzi et al. 00: Georadar investigations to detect cavities, Rionero, 930-as földrengés, nagy szeizmicitás

83 SUMMARY of the GEOELECTRIC and the EM METHODS The electrical properties of the sub-surface can be explored either electrically or electromagnetically. The occurrence of self-potential may be due to electrofiltration, concentration difference (diffusion), additional contact potential and mineral potentials. The object of vertical electrical sounding is to determine the variation of electrical resistivity with depth. The current penetration can be controlled by the geometry of the array. The shape of the sounding curve reflects the resistivity variation with depth. However, widely different resistivity distribution may lead to apparent resistivity sounding curves which, although they are not identical, cannot be distinguished in practice. For this reason the principle of equivalence and layer suppression introduces ambiguity in the interpretation. The electromagnetic methods may utilize natural (MT method) or artificial source field. The latter one may be divided fundamentally into near-field and far field methods based upon the relationship between transmitter- receiver distance and wavelength (in frequency domain ) or transmitter-receiver distance and diffusion depth ( in time domain ). The source field may be exited by grounded dipole or by induction. The measured physical parameters are the EM field components and the phase among them. From these expression for the resistivity can be derived. The penetration depth of the EM field as a source field is characterized by the skin depth (FEM) or by the diffusion depth (TEM).