Elektromágneses módszerek

Átírás

1 Elektromágneses módszerek Alkalmazott földfizika

2 Maxwell egyenletek Faraday törvény: ( μ H ) B E t t Ampere Maxwell törvény: D ε E H + J tt tt Gauss törvény: D ( ε E ) ρ ( ) + σ E Gauss törvény (forrásmentes): B 0 Lowrie, 007 Az egyes módszerek a Maxwell egyenletek különböző megoldásain alapulnak (közegjellemzők, hullámalak közelítések, egyszerűsítések).

3 Közegjellemzők j σ E Ohm törvény (vezetőképesség) D B ε E Eltolási áram (dielektromos állandó) μ H Mágneses indukció (mágneses permeabilitás)

4 Hullámegyenletek A Maxwell egyenletekből kifejezhető: E E E μσ + εμ t t H H H μσ + εμ t t EM hullámegyenletek (telegráfegyenletek) Frekvenciatartományban (Fourier transzformált): E iμσω E εμω E Helmholtz egyenletek H iμσω H εμω H

5 EM módszerek frekvenciatartománya khz VLF VLF 1-10 khz - EM 1 mhz- 1kHz MT Lowrie, 007

6 Hullámegyenletek alakjai a különböző módszerek esetén Egyenáramú módszerek: E 0 D ρ E εμ t Radar tartomány: f>10 7 Hz GPR μεω >>ωμσ E Indukciós (diffúziós) tartomány: f<10 5 Hz VLF, MT, EM μεω <<ωμσ E μσ E t

7 Hullámegyenletek alakjai a különböző módszerek esetén Indukcióson belül: síkhullámokra: E(z)E () 0e ikz VLF, MT k μεω iμωσ E B t k H x E ωμ k H y E x ωμ y impedancia: Z E H x y E H y x ωμ k ωμ iωμσ ωμ e σ π i 4 ωμ Z a σ Z látszólagos fjl fajlagos ellenállás: ωμρ ρ skin depth ( behatolási (behatolásimélység): A síkhullám amplitúdója ebben a mélységben e ad részére csökken. ωμ δ ωμσ

8 Indukált elektromágneses tér Aprimer tér áramot indukál a Földben lévő vezetőben, amely szekunder teret kelt. A szekunder és primer térjellemző aránya felírható a következő alakban: A s /A p P + iq in phase quadrature (out of phase) Green, 007 Lowrie, 007

9 Magnetotellurika Forrás: tellurikus áramok: ionoszféra és a Föld közötti kölcsönhatás, síkhullámok (rádióállomások, helyi dipólforrás) Vevő: 4 elektróda: N S; E W + 3 komponenses magnetométer E x, E y, H x, H y, H z Felvétel hossza a kutatási mélységtől függ: néhány perc néhány hét Jelfeldolgozás: Z(ω) ρ a + mélység Felhasználás: kéreg /köpenyszerkezet kutatás jól vezető rétegek

10 Güreret et al., 004 Magnetotellurika

11 VLF Very Low Frequency: khz Forrás: távoli katonai adók tengeralattjárók közötti kommunikáció Vevő: adott adóra hangolt tekercs ill. antenna Az primer teret a felszínnel párhuzamosnaktételezzük fel. A két tér eredőjének inklinációját (vagy annak szűrt változatát) ábrázoljuk. Főleg kvalitatív értelmezés: Az inflexiós pont jelöli ki a ható helyét horizontálisan, a görbe meredekségéből a ható tetejének mélységére következtethetünk, az aszimmetria pedig a ható dőlésére utal. Felhasználás: vízbázis vizsgálat, szennyezések lehatárolása, eltemetett jól vezető testek kimutatása.

12 VLF

13 CW FEM Continuous Wave Frequency EM: Az adó folyamatos jelet (ált. szinuszos) sugároz különböző meghatározott frekvenciákon. Az elsődleges jel nagyságrendekkel nagyobb mint a másodlagos kioltás. H p R x T x H S I S H t φ t In Phase H p H s

14 CW FEM Mért és ábrázolt á mennyiségek: ié Amplitúdó valamint in phase és out of phase komponensei a mágneses térnek. Bizonyos tekercselrendezések mellett a látszólagos fajlagos vezetőképesség az out of phase alapján: σ 1 4 H s op a ρ a μ 0ωr H p Feltétel: a tekercsek közötti távolság legyen sokkal kisebb mint a skin depth (δ). Vertikális felbontás a tekercsek közötti távolságtól függ. Feldolgozás: vezetőképesség mélység szelvények/térképek

15 TEM Time EM: 1.) A primér mágneses tér felépül..) Az áram kikapcsolása után a mágneses térben bekövetkezett változás elektromos teret indukál a földben. 3.) Felépül a szekunder mágneses tér. 4.) Az áramrendszer diffúziója. 5.) Időben változó (csökkenő) szekunder mágneses tér. 6.) A vevőtekercsben időben változó feszültség jelentkezik. H p 1.. H p 0 3. T x T x L E T x H p 0 H S I S T x I t1i R E I t I t3 T x I t1i I t I t3 R x Fratta, 007

16 TEM Diffúziós ió sebesség: v(σμt) 1/ Diffúziós mélység: d t μσ Jól vezető rétegekben lassabban cseng le a mágneses tér. Ábrázolt mennyiségek: a) Vevőtekercsben indukált feszültség az idő függvényében. b) látszólagos fajlagos ellenállás az idő függvényében. a) b)

17 Barret et al., 005 TEM

18 Ground Penetrating Radar GPR Nagyfrekvenciás elektromágneses hullámok visszaverődése által l képezzük le a felszín közeli rétegeket. Kis vezetőképességű közegben működik a leghatásosabban. Terjedési sebesség: v 1 με kis veszteséggel jellemzett közegben. A terjedési sebesség a kőzet dielektromos állandójától függ. Csillapítás: μ σ α ε c ε μσv v σ0,, veszteségmentes terjedés, egyébként exponenciális csillapodás. r

19 Ground Penetrating Radar GPR A forrás egy ns időtartamú elektromágneses impulzus. Az antenna a reflektált, refraktált ill. diffraktált hullámokat detektálja. Leggyakrabban egycsatornás, folyamatos üzemmódban történik a szelvényezés (ritkábban CMP). Feldolgozás hasonló a szeizmikához. Nagy vezetőképességű közegben (agyag) gyorsan elnyelődnek a hullámok, fémekről pedig teljesen visszaverődnek, ezért az alattuk lévő rétegek árnyékzónába kerülnek. USDA