VÍZKUTATÁS GEOFIZIKÁJA (MFGFT720002L) 2013/2014 tanév, 2. félév

Átírás

1 VÍZKUTATÁS GEOFIZIKÁJA (MFGFT720002L) 2013/2014 tanév, 2. félév Elektromos és elektromágneses módszerek Dr. Turai Endre, egyetemi docens Miskolci Egyetem, Geofizikai Tanszék

2 Az elektromágneses módszerek rendszere a tér eredete és frekvenciája szerint: Az elektromágneses módszerek rendszere a tér eredete és frekvenciája szerint: Passzív gerjesztésű (Természetes áramterű) Aktív gerjesztésű (Mesterséges áramterű) Egyenáramú, f=0 (Geoelektromos) Természetes potenciál (SP) ρ a mérő módszerek (VESZ, HESZ), töltött test módszerek Időtartománybeli (TD) - Tranziens módszer (TDEM), időtartománybeli GP (TDIP) Elektromágneses, f 0 (Váltóáramú) Frekvenciatartománybeli (FD) Tellurika (TT), magnetotellurika (MT), VLF Dipól frekvenciaszondázások (DFS): Maxi Probe, CSAMT, Melos, Melis; frekvenciatartománybeli GP (FDIP); indukciós módszerek (EM31, EM34); audiomagnetotellurika (AMT), rádiófrekvenciás módszerek; [VLF], Nukleáris Mágneses Rezonancia módszer (NMR), georadar (földradar)

3 A geofizika alkalmazásának jelentősége a vízkutatásban A földtani kutatási fázis 3D geofizikai felméréssel kezdődik! Ezek eredményei alapján jelölik ki a kutatófúrásokat! Hatékonyságnövelő (költségcsökkentő) eszköz!

4 A földtani kutatás két fő módszere: I. Fúrásos kutatás: Előnye: lokális, pontos. Hátránya: lokális, drága. II. Geofizikai kutatás: Előnye: nem lokális, olcsó. Hátránya: nem lokális, kevésbé pontos.

5 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek Természetes potenciál (SP): U SP [ U SP ]: V, mv, µv Két pont (M,N) között aktív gerjesztés nélkül mérhető potenciálkülönbség.

6 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek Fajlagos elektromos ellenállás : ρ [ ρ ] : ohmm = Ωm. ρ jó minőségű víztározó porózus permeábilis kőzet > ρ környezet ρ szennyezett víztározó porózus permeábilis kőzet < ρ környezet ρ repedezett víztározó kőzet < ρ környezet

7 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek Áramvezetési módok: - Konduktív: -- disszociált ionos (fluidumos), -- elektronos (fémes), - Eltolási: dielektrikumokban (szigetelőkben) Lásd a váltóáramú (elektromágneses) módszereknél!

8 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek Vertikális mágneses térerősség komponens: H z [ H z ] = A/m.!!! Direkt vetőindikátor!!! Csak a laterális ellenállásváltozások felett alakul ki. Ilyenek a vetők és a repedezett zónák.

9 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek GP (Gerjesztett Polarizáció) = IP (Induced Polarization) paraméterei: - polarizálhatóság, - tölthetőség, - Cole-cole spektrum, - Időállandó spektrum. Vízkutatás geofizikája / elektromos és elektromágneses módszerek Turai E., 2013.

10 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek IP jó minőségű víztározó porózus permeábilis kőzet < IP környezet IP diszperz agyaggal szennyezett víztározó kőzet > IP környezet Jó minőségű vizet tartalmazó tároló szakasz kijelölés:!!! IP paraméter KICSI és a ρ NAGY!!! Agyagos záróréteg és agyagos tároló szakasz kijelölés:!!! IP paraméter NAGY és a ρ KICSI!!!

11 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek dielektromos állandó: ε [ ε ] = Asec/Vm. ε = ε 0 ε r, ε relatív víz = 81, ε 0 = Asec/Vm ε relatív víz > ε relatív környezet ε relatív száraz agyag = 4-7, ε relatív nedves agyag = 10-45, ε relatív homokkő = 4-4.7, ε relatív mészkő = 8-8.6, Csak minta méréseknél és karotázs méréseknél használják.

12 A vízkutatásban felhasználható elektromos és elektromágneses paraméterek NMR (Nuclear magnetic resonance Nukleáris Mágneses Rezonancia) paraméter A hidrogén tartalom miatt direkt vízkutatásra használják! Lásd az indukciós módszereknél.

13 Porózus permeábilis kőzetek ρ értékei adott porozitás és szaturáció tényezők esetén: Szénhidrogénnel szennyezett kőzetek fajlagos ellenállása V m V=V m + V p S = V S = V Φ = P V Vo S g = V v V g v o VP P V o Sv + So + Sg = 1 V v V p R = eredő R víz ρ la = ρvla e v l ρ e = ρv A ρ V = e v l A V V v g P ρ V v

14 Porózus permeábilis kőzetek ρ értékei adott porozitás és szaturáció tényezők esetén: ρ Szénhidrogénnel szennyezett kőzetek fajlagos ellenállása ρ V = ρvv e v Példa 1: ρ v = 20 ohmm, Ф= 0,2, S v = 0,5, S o = 0, S g = 0,5. 20 ohmm 0,2 0,5 ρ tiszta e = = e = V ρv ρv ρv ρv = = = V V v v VpVv ΦS V VVP ρv ρe = Φ ( 1 So Sg ) változás [%]: olajos tiszta ρe ρe 100% = tiszta ρ e 200 ohmm ρ 100% v = Φ 20 ohmm 0,2 0,25 ρ v ( 1 So S g Példa 2: olajos e = = ρ v = 20 ohmm, Ф= 0,2, S v = 0,25, S o = 0,25, S g = 0,5. ) 400 ohmm

15 Az olajszennyezések fázisai Az olajszennyezések fázisai 1. Korai fázis 2. Köztes fázis 3. Késői fázis

16 Az olajszennyezések fázisai Korai fázis ρ a (h) [ohmm] Záró réteg (agyag, vagy talajvíz) h [m]

17 Az olajszennyezések fázisai Köztes fázis ρ a (h) [ohmm] Záró réteg (agyag, vagy talajvíz) h [m]

18 Az olajszennyezések fázisai Késői fázis ρ a (h) [ohmm] Záró réteg (agyag, vagy talajvíz) h [m]

19 Olajszennyezések leképezése geoelektromos mérésekkel Olajszennyezés terepi kimutatása: Vízkutatás geofizikája / elektromos és elektromágneses módszerek Turai E., 2013.

20 Pontszerű áramforrás potenciálja homogén izotróp közegben A megoldandó alapegyenlet a Laplace egyenlet: U = 0 Descartes koordináta rendszerben: 2 U( x, y,z x 2 ) + 2 U( x, y 2 y,z ) + 2 U( x, z 2 y,z ) = 0 Henger koordináta rendszerben: 1 U( ρ, ϕ,z ρ ρ ρ ρ ) + 1 U ρ ( ρ, ϕ,z ) U ( ρ, ϕ,z = ϕ z ) 0 Gömbi koordináta rendszerben: U(r, ϕ, Θ) 1 U (r, ϕ, Θ) 1 U (r, ϕ, Θ) 1 U(r, ϕ, Θ) r ctgθ = r r r r sinθ ϕ r Θ r Θ

21 Pontszerű áramforrás potenciálja homogén izotróp teljes térben A szimmetria miatt gömbi koordináta rendszerben célszerű megoldani a Laplace egyenlet U ( r, ϕ, Θ ) =? U=const A I=I(A) I = j I r Gömb = jda M 1 2 U ( ϕ ) = cons tan s U ( Θ ) = U( r ) = U( ram ) = U( M ) =? U( r ) r = 2 r r r E( r ) = Gömb = jda 1 ρ U ( r, ϕ, Θ ) = U( r ) = U( r ) gradu( r ) = r Gömb r 0 C r da =? U( r ) r 2 = r C cons tan s C U = + r r D = 0 1 ρ j Gömb E( r ) = = ρ C r 2 da = 1 U( r ) ρ r 1 C 2 ρ r Gömb D da

22 Pontszerű áramforrás potenciálja homogén izotróp teljes térben π ρ 4 I C = ρ π π ρ C 4 r 4 r C 1 I 2 2 = = r 4 I M ) U( ) r U( π ρ = = 2 r 4 I r ) U( r ) E( r π ρ = = ) r U( 4 I r π ρ = 2 r 4 I ) E( r j π ρ = =

23 Pontszerű áramforrás potenciálja homogén izotróp féltérben A szimmetria miatt gömbi koordináta rendszerben célszerű megoldani a Laplace egyenlet U ( r, ϕ, Θ ) =? U=const A r = r AM M I=I(A) j I I = E( r ) = fé lg ömb jda fé lg ömb U ( ϕ ) = cons tan s U ( Θ ) = U( r ) = U( ram ) = U( M ) =? U ( r, ϕ, Θ ) = U( r ) = U( r ) gradu( r ) = r? U( r ) r 2 = r cons tan s 1 2 U( r ) r = 2 r r r C C U = + r r D = 0 j E( r ) = = ρ 1 U( r ) 1 U( r ) = da da = ρ = r ρ r fé lg ömb 1 U( r ) ρ r 1 C 2 ρ r 2π r 2 D 0

24 Pontszerű áramforrás potenciálja homogén izotróp féltérben π ρ 2 I C = ρ π π ρ C 2 r 2 r C 1 I 2 2 = = r 2 I M ) U( ) r U( π ρ = = 2 r 2 I r ) U( r ) E( r π ρ = = ) r U( 2 I r π ρ = 2 r 2 I ) E( r j π ρ = =

25 Elektródaelrendezések Kételektródás (Pole-Pole) Háromelektródás: Pole-Dipole, Dipole-Pole Négyelektródás: Potenciálgradiens: Schlumberger Wenner Dipole-Dipole: Dipole-Dipole radiális Dipole-Dipole azimutális Dipole-Dipole axiális Dipole-Dipole ekvatoriális Dipole-Dipole paralel Dipole-Dipole ortogonális v. perpendikuláris

26 Elektródaelrendezések Kételektródás (Pole-Pole) B I=I(AB ) U= U(MN ) R = r AM N A M ρ a = k U I = k U( MN I( AB ) )

27 Elektródaelrendezések Háromelektródás Pole-Dipole R B I=I(AB ) r AM U= U(MN) A M N ρ a = k U I = k U( MN ) I( AB )

28 Elektródaelrendezések Háromelektródás Dipole-Pole R I=I(AB) U= U(MN ) r AM N B A M ρ a = k U I = k U( I( MN AB ) )

29 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) R I=I(AB) r AM U= U(MN) B A M N U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB )

30 Elektródaelrendezések Négyelektródás (Potenciálgradiens) Schlumberger R=AB/2 A M O N B h v AB/3 MN<AB/3 Edwards szerint h v AB/(5 10) U U( MN ) ρ a = k = k I I( AB )

31 Elektródaelrendezések Négyelektródás (Potenciálgradiens) Wenner R=AB/2 A M O N B MN=AB/3 U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB )

32 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) Dipole-dipole radiális N U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) R M A B

33 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) Dipole-dipole axális U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) R A B M N h v = R/2

34 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) Dipole-dipole azimutális M U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) R N A B

35 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) Dipole-dipole ekvatoriális M N U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) R A B

36 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) Dipole-dipole perpendikuláris N U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) R M A B

37 Elektródaelrendezések Négyelektródás (dipole-dipole) Dipole-dipole paralel M N U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) R A B

38 A látszólagos fajlagos ellenállás fogalma: U ρ a = k = I k U( MN ) I( AB ) A látszólagos fajlagos ellenállás számértékben megegyezik egy olyan homogén izotróp féltér (helyettesítő féltér) tényleges fajlagos ellenállásával, amely helyettesítő féltér felett, ugyanolyan elektróda elrendezésben, ugyanolyan erősségű betáplált áram mellett, ugyanazt a potenciálkülönbséget mérhetnénk a mérőelektródák között, mint a terepi mérés esetén.

39 A féltér látszólagos fajlagos ellenállásának meghatározása Kételektródás (Pole-Pole) elektróda elrendezés esetén: B I=I(AB ) U= U(MN ) r = r AM N A M U( M ) = U( MN ) ρi 2π r = = ρi( AB 2π r AM ) ρ = 2π ram U( MN I( AB ) ) ρ a = K U( I( MN AB ) ) K = 2 π ram

40 A féltér látszólagos fajlagos ellenállásának meghatározása Háromelektródás pole-dipole elektróda elrendezés esetén: B - I=I(AB ) U= U(MN) r = r AM K = 1 r 2π 1 AM r AN U( MN ) = U( M ) U( A+ M N ρi( AB ) ρi( AB ) U( M ) = U( N ) = 2π 2π N ) = ρ ρi( a = AB 2π K ) 1 r r AM 1 AM r AN U( MN ) I( AB ) ρ = 1 r AM 2π 1 r AN r AN U( MN ) I( AB )

41 A féltér látszólagos fajlagos ellenállásának meghatározása Háromelektródás dipole-pole elektróda elrendezés esetén: I=I(AB) U= U(MN ) r = r AM N B- A+ M 2π K = 1 1 ρ I( AB) U A( M ) = r 2π ram U(MN AM r BM ) = U A (M) + U B (M) = ρ a = ρi(ab) 2π K 1 r AM U( MN I( AB) 1 r BM ) ρ = U B 1 r ( M ) = AM 2π 1 r BM I( AB)ρ 2π r BM U( MN I( AB) )

42 A féltér látszólagos fajlagos ellenállásának meghatározása Négyelektródás elektróda elrendezés esetén: ρi( AB) 1 U( MN ) = U( M ) U( N ) = 2π r A+ r AM r AN M B- r BM r BN ρ = a K AM ρ I( AB) ρi( AB) U( M ) = U A( M ) + U B( M ) = 2π ram 2π rbm ρ I( AB) ρi( AB) U( N ) = U A( N ) + U B( N ) = 2π r 2π r N ρ = 1 r AM U( MN ) I( AB) 1 r BM K 2π = 1 r AN 1 r AM + 1 r BM 1 r BN 1 r BM AN 1 r AN + 1 r BN U( MN ) I( AB) 2π 1 r AN + BN 1 r BN

43 Nullelrendezések A nullelrendezések alkalmatlanok a látszólagos fajlagos ellenállás meghatározására! K =! M N ρ M A+ B- N 1D homogén izotróp féltér esetén az MN elektródák ekvipotenciális felületre esnek. U(MN)=0! a = K M N U( MN ) I( AB) = 0 I( AB) = " határozatlan" Többdimenziós, és/vagy inhomogén anizotróp féltér esetén U(MN) 0! A nullelrendezések a többdimenziósság (többdimenziós szerkezeti torzulások) kimutatására alkalmasak!

44 Egyenáramú ρ a mérő módszerek Egyenáramú ρ a mérő módszerek: HESZ: Horizontális Elektromos Szelvényezés VESZ: Vertikális Elektromos Szondázás Térbeli mérések múltielektródás mérések: VESZ és HESZ kombináció

45 Egyenáramú ρ a mérő módszerek HESZ: Horizontális Elektromos Szelvényezés Konstans elektródaelrendezésben végezzük a látszólagos fajlagos ellenállás méréseket. Az elektródaelrendezéseket a felszínen szelvény mentén, vagy pedig felszíni hálózatban mozgatjuk U HESZ (MN) Az aljzat morfológiájának követése az elektródaelrendezés által megszabott behatolási mélységig! ρ 1 ρ 1 < ρ 2 ρ 2

46 Egyenáramú ρ a mérő módszerek HESZ: Horizontális Elektromos Szelvényezés A látszólagos fajlagos ellenállás laterális (horizontális) eloszlásának az elektródaelrendezés által megszabott behatolási mélységig való térképezésére és aljzatkövetésre használjuk.

47 Egyenáramú ρ a mérő módszerek VESZ: Vertikális Elektromos Szondázás A látszólagos fajlagos ellenállás vertikális (mélységi) eloszlásának a térképezésére használjuk. Felhasználva a geometriai mélységszabályozás elvét: a behatolási mélységet az elektróda elrendezés geometriai jellemzőjének (r) növelésével növeljük. r = AB/2 Schlumberger és Wenner elrendezéseknél, r = R Dipól dipól elektróda elrendezéseknél, R a tápdipól és a mérődipól felezőpontjainak a távolsága.

48 Egyenáramú ρ a mérő módszerek Schlumberger elrendezésben VESZ görbék: Látszólagos fajlagos ellenállás [ ohmm ] Terítési távolság AB/2[ m ] Látszólagos fajlagos ellenállás [ ohmm ] Terítési távolság AB/2 [ m ] Source: T. Ormos/ 2004 EGEC course

49 Egyenáramú ρ a mérő módszerek VESZ görbék inverziójával kapott 2D metszet m] [ g m élysé Szelvénymenti távolság [m] [ ohmm ] Source: T. Ormos/ 2004 EGEC course

50 Multielektródás mérések Dipól-dipól axiális elrendezésben végzett rétegszelvényezés: A1 A2 B1 A3 B2 A4 B3 M2 B4 A5 N2 A6 B5 M4 B6 A7 N4 B7 M6 N6 M1 N1 M3 N3 M5 N5 M7 N7 ρ a (1,1) ρ a (2,2) ρ a (3,3) ρ a (4,4) ρ a (5,5) ρ a (6,6) ρ a (7,7) ρ a (1,2) ρ a (2,3) ρ a (3,4) ρ a (4,5) ρ a (5,6) ρ a (6,7) ρ a (1,3) ρ a (2,4) ρ a (3,5) ρ a (4,6) ρ a (5,7) ρ a (1,4) ρ a (2,5) ρ a (3,6) ρ a (4,7)

51 Sokcsatornás ρ metszet (Miskolc, Hejőpart, ) Múltielektródás mérések Wenner elrendezés

52 Sokcsatornás η metszet (Miskolc, Hejőpart, ) Múltielektródás mérések Wenner elrendezés

53 Miskolc, Bedő hegy, Multielektródás mérések Measured profile

54 Sokcsatornás ρ metszet (Miskolc, Bedő hegy, ) Multielektródás mérések clay-bearing sediment limestone fault Wenner array

55 Sokcsatornás IP metszet (Miskolc, Bedő hegy, ) Multielektródás mérések pipe-line Wenner array fault

56 Egyenáramú ρ a mérő módszerek A ρ a mérő módszerekkel megoldható földtani feladatok: - szerkezetkutatás, vetőkutatás, - alaphegység kutatás, aljzatkövetés, - érckutatás, - üledék kutatás, - rétegsor, földtani szelvény készítés, - vízkutatás, hidrogeológiai feladatok megoldása, - régészeti kutatás, - üregkutatás, - litológiai azonosítás - követés, - környezetvizsgálatok, környezetvédelem, - talajszennyezések kimutatása.

57 Egyenáramú módszerek Töltött test módszer: B M N A ρ a ρ k ρ a << ρ k Töltött test módszert jó vezető (a környezeténél kisebb fajlagos ellenállású) képződmények lehatárolására használják.

58 Egyenáramú módszerek Sózással történő vízáramlási irány és sebesség mérés: B M N A Up t

59 Egyenáramú módszerek B Mélyfúrások közötti rétegkorreláció: N 3 A 1 A 3 1 A 2 A 4 Up M 4 M 2

60 Polarizációk Alap polarizációs hatások: filtrációs polarizáció membrán polarizáció Elektrokémiai, vagy redox polarizáció Kontakt polarizáció, elektróda v. fémes polarizáció

61 Polarizációk Filtrációs polarizáció: SP: - n x 1mV/méter GP: Az időállandó (τ) kicsi!

62 Polarizációk Membrán polarizáció: SP: agyag alapvonal (0) GP: Az időállandó (τ) kicsi!

63 Polarizációk Elektrokémiai, vagy redox polarizáció: SP: - n x 100mV/méter GP: Az időállandó (τ) nagy!

64 Polarizációk Redox polarizáció: GP: Az időállandó (τ) nagy! SP: - n x 100mV/méter

65 Polarizációk Kontakt polarizáció, Elektróda polarizáció: metal fluid SP: + n x 10mV/méter GP: Az időállandó (τ) nagy!

66 Az alap polarizációk forrásai A polarizáció típusa filtrációs polarizáció membrán polarizáció redox polarizáció elektróda (fémes) polarizáció A polarizáció forrása Elektromosan vezető fluidumot tartalmazó porózus talajok és kőzetek Diszperz agyagot és vizet tartalmazó porózus talajok és kőzetek Oxidatív vagy reduktív kémiai komponenseket tartalmazó talajok és kőzetek Fémesen vezető komponensek elektromosan vezető fluidumot tartalmazó porózus kőzetekben

67 Az elektróda polarizáció mint zaj M N M N U(MN) jel U(MN) mért U(MN) mért = U(MN) jel + U(M) elpol + U(N) elpol U(MN) mért = U(MN) jel + U(MN) zaj U(MN) zaj = U(M) elpol + U(N) elpol

68 A nempolarizálódó elektródák Miért használjuk a nempolarizálódó elektródákat? Az polarizálódó MN elektródáknál kialakuló elektródapolarizációs zaj csökkentésére. Mikor használjuk a nempolarizálódó elektródákat? Amikor az MN elektródák polarizációjából adódó zajfeszültség összemérhető a mérendő jellel! Milyen módszereknél kell nempolarizálódó elektródákat használni? - SP módszer, - GP (IP) módszer, - MT módszer.

69 A nempolarizálódó elektródák A nempolarizálódó elektródák felépítése: Fém merül saját sójának telített oldatába és az oldat porózus lapon keresztül disszociált ioncserével biztosítja az elektromos csatolást a talaj felé. ólom 100%-os ólom-klorid oldat réz 100%-os rézszulfát oldat talaj talaj porózus lap

70 Az SP módszer A természetes potenciál (SP): M Két pont (M,N) között aktív gerjesztés nélkül mérhető potenciálkülönbség. N U SP (MN) Mérése: Nagy bemeneti ellenállású érzékeny voltmérővel. Terepi mérési rendszereit (potenciálmérés, gradiens mérés, ekvipotenciális vonalak módszere) lásd részletesen Dr. Takács E. (szerk.): Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzetben.

71 Az SP módszer Potenciálmérés: M + 11 M + 12 M + 13 M + 14 M + 15 U(M ij N) M + 21 M + 22 M + 23 M + 24 M + 25 M + 31 M + 32 M + 33 M + 34 M N M + 41 M + 42 M + 43 M + 44 M + 45

72 Az SP módszer Potenciálmérés: U(M 11 N) U(M 12 N) U(M 13 N) U(M 14 N) U(M 15 N) U(M 21 N) U(M 22 N) U(M 23 N) U(M 24 N) U(M 25 N) U(M 31 N) U(M 32 N) U(M 33 N) U(M 34 N) U(M 35 N) Izovonalas térkép készítés U(M 41 N) U(M 42 N) U(M 43 N) U(M 44 N) U(M 45 N) Több N pontot is lehet használni. Ekkor az N pontok potenciálját összemérik.

73 Az SP módszer Gradiens mérés: U(M 12 M 11 ) Szummázás után Izovonalas térkép készítés

74 Az SP módszer Ekvipotenciális vonalak módszere : A terepen lehet kijelölni az ekvipotenciális izovonalakat U=0

75 Az SP módszer Az SP módszer főbb alkalmazási területei: - érckutatás (felszínközeli szulfidos ércelőfordulások kutatása), - üledék szekvenciák kimutatása (agyag-homok szétválasztás), - hidrogeológia (felszínközeli vizes zónák kimutatása), - szerkezetkutatás, vetőkutatás, - Kontakt zónák és allotróp módosulatok (mészkő márvány, szén grafit) határainak kimutatása.

76 Az SP módszer A filtrációs polarizáció és a redox polarizáció hatásának elkülönítése: Kutatóárok ásásával történik. M U SP (z=0) N h=1 2 méter M U SP (z=h) N Ha U SP (z=0) U SP (z=h), akkor filtrációs polarizáció lép fel. Ha U SP (z=0) < U SP (z=h), akkor redox polarizáció lép fel.

77 Az elektromágneses módszerek rendszere a tér eredete és frekvenciája szerint: Az elektromágneses módszerek rendszere a tér eredete és frekvenciája szerint: Passzív gerjesztésű (Természetes áramterű) Aktív gerjesztésű (Mesterséges áramterű) Egyenáramú, f=0 (Geoelektromos) Természetes potenciál (SP) ρ a mérő módszerek (VESZ, HESZ), töltött test módszerek Időtartománybeli (TD) - Tranziens módszer (TDEM), időtartománybeli GP (TDIP) Elektromágneses, f 0 (Váltóáramú) Frekvenciatartománybeli (FD) Tellurika (TT), magnetotellurika (MT), VLF Dipól frekvenciaszondázások (DFS): Maxi Probe, CSAMT, Melos, Melis; frekvenciatartománybeli GP (FDIP); indukciós módszerek (EM31, EM34); audiomagnetotellurika (AMT), rádiófrekvenciás módszerek; [VLF], Nukleáris Mágneses Rezonancia módszer (NMR), georadar (földradar)

78 GP (IP) módszer! A GP módszer elektromágneses módszer! TDIP - Induced Polarization in Time Domain Fourier Transform Inverse Fourier Transform FDIP - Induced Polarization in Frequency Domain

79 GP (IP) módszer ρ a (t) Fourier Transform Inverse Fourier Transform ρ a (f)

80 GP (IP) módszer Resistivity Methods: ρ a = f(r) IP Method: ρ a = f(r,c,l)

81 GP (IP) módszer Laboratory Electrode Array:

82 GP (IP) módszer Field Electrode Array:

83 GP (IP) módszer Basic Polarization effects: filtration pol. membrane pol. redox pol. electrode pol.

84 A GP módszer A GP módszer főbb alkalmazási területei: - érckutatás, - agyag-homok szétválasztás, - víz- és direkt CH kutatás, - szerkezetkutatás, vetőkutatás, - szén és grafit kutatás, - régészeti (archeológiai) kutatás, - környezetszennyezések és hulladéklerakók vizsgálata.

85 Direct hydrocarbon exploration The Fig. 4. shows this metamorphosis in the soil over the oil reservoirs and over the oil contaminated layers. The product of this process is an ore mineral (FeS 2 - pyrite).

86 Direct hydrocarbon exploration Over several oil and gas reservoirs high IP values were measured (Nagy, 1990.). Near the reservoirs the methane (CH 4 ) and hydrogen sulphide (H 2 S) cause the following chemical processes: methane Calcium sulphate (gypsum) Calcium carbonate CH 4 + CaSO 4 = H 2 S + CaCO 3 + H 2 O hydrogen sulphide 4H 2 S + Fe 2 O 3 = 2FeS 2 + 3H 2 O + 2H+ + 2e- ferric oxide pyrite

87 Szén- és grafit kutatás Relatív GP hatás Filtrációs és membrán polarizáció Elektróda polarizáció Tőzeg Lignit Barnakőszén Antracit Feketekőszén Grafit Gyémánt

88 FDIP Conductive conductive system: ρ ( a f ) = K( f U, geometry( sources, sensors)) I M, N A, B ( ( f f ) ) Frequency interval : 0.1 Hz 10 (20) Hz

89 FDIP Static parameters: PFE: PIP: FDMF: Main parameters: f f 1 = 0,5 Hz ρa ( f1) ρa ( ρ ( f ) 2 a 2 ϕu, I ( f1) f1ϕ U, I ( f2) PFE k ρ f k 2 f 2 dc f 2 = from 1 to 10 Hz f 1 ) 5 = 2π10

90 FDIP Dynamic parameter: Cole-Cole spectra: Main parameters: ρ ( f ) = Re[ ρ ( f )] + j Im[ ρ ( f a a a )] Im Re

91 FDIP Cole-Cole modell: Main parameters: 1 ρ( f ) = ρdc[1 m(1 c 1+ ( j2πfτ ) Cole-Cole parameters: )] m the chargeability, τ the time constant, c the frequency dependence.

92 Conductive conductive system: TDIP ) ( ) ( )),,, (, ( ) (, TG I t U N M B A geometry t K t N M a = ρ Time interval : over (50) 100 msec

93 TDIP TDIP curves: Time interval : over (50) 100 msec

94 TDIP Static parameters: Main parameters: η a (t)[%]: U M, N ( t) 100[%] U ( TG) t is constant! TDMF: η ) k ρ a ( t 5 dc k = 2π10

95 TDIP Dynamic parameter: Main parameters: Time constant spectra: w(τ) w(τ) τ

96 TAU-Transform TAU-Transform: Transform: η a ( t) = w( τ )exp( t / τ ) dτ 0 t is a variable! TAU-Transform: η a (t) w(τ)

97 Szennyezett területek vizsgálata TAU-Transform: Transform: τ n < 1sec filtration, membrane τ n > 1sec redox, metallic!!!

98 Szennyezett területek vizsgálata WAV (Weighted( Amplitude Value) section: τ w( τ n n )! WAV section shows me the dangerous region! - clear < 0,02 [ 2 %] - Low contaminated 0,02 [2 %] - 0,05 [5 %] - Middle contaminated 0,05 [5 %] - 0,1 [10 %] - High contaminated 0,1 [10 %] - 0,2 [20 %] - Very high contaminated > 0,2 [20 %]

99 Szennyezett területek vizsgálata Ráckeve, Tiszavasvári, Nyékládháza, Nagytétény, Kecskemét, Miskolc-Hejőpart, Győröcske, Miskolc-Bedő hegy, Pásztó, Telkibánya, Tokaj, Miskolc-Salakbánya, Balmazújváros, Miskolc-Gózon L. út, Szerencs, Miskolctapolca-Várhegy, Tiszapalkonya, Rudabánya, Berekböszörmény, Felsőtelekes, Nagytárkány, Ózd, Pocsaj,, Darvastó, Almásfüzitő, Ardó,, 2013.

100 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból Győröcske, 1999.

101 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból Results: Győröcske, IP1 IP2 IP3 IP4 1 [ m ] 3.3 AB/ Győröcske, UM, Geophysics lateral distances [ m ] Figure 1.1. Vertical apparent resistivity section. ( apparent resistivity is in ohmm )

102 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból Győröcske, IP1 IP2 IP3 IP4 1 [ m] 3.3 AB/3 10 Győröcske, UM, Geophysics lateral distances [ m ] Figu re 2. Vertical apparent polarizability section. ( t =0.2 sec, polarizabil ity is in percent )

103 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból Győröcske, vh h m s c [ m] AB/3 Győröcske, UM, Geophysics IP1 IP2 IP3 IP lateral distances [ m ] Figure 3. Vertical WAV section. (vh - WAV is higher than 0.2, h - WAV is between 0.1 and 0.2, m - WAV is between 0.05 and 0.1, s - WAV is between 0.02 and 0.05, c - WAV is lower than 0.02.)

104 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból [ m ] Győröcske, Győröcske, UM, Geophysics IP1 IP2 IP3 IP AB/ lateral distances [ m ] Figure 1.4. Area of the filtration polarization. (Time-constants are lower than 0.4 sec.)

105 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból [ m ] AB/3 Győröcske, Győröcske, UM, Geophysics IP1 IP2 IP3 IP lateral distances [ m ] Figure 4. Area of the membrane polarization. (Time-constants are between 0.2 and 0.8 sec.)

106 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból Győröcske, Győröcske, UM, Geophysics IP1 IP2 IP3 IP4 AB/ lateral distances [ m ] Figure 5. Area of the electrochemical polari zation. (Time-constants are between 0.6 and 1.2 sec.)

107 Szennyezett területek vizsgálata / Vízbázis védelmi célokból [ m ] AB/3 Győröcske, IP1 IP2 IP3 IP Győröcske, UM, Geophysics lateral distances [ m ] Figure 6. Area of the metallic polarization. (Time-constants are higher than 1 sec.)

108 Az elektromágneses módszerek rendszere a tér eredete és frekvenciája szerint: Az elektromágneses módszerek rendszere a tér eredete és frekvenciája szerint: Passzív gerjesztésű (Természetes áramterű) Aktív gerjesztésű (Mesterséges áramterű) Egyenáramú, f=0 (Geoelektromos) Természetes potenciál (SP) ρ a mérő módszerek (VESZ, HESZ), töltött test módszerek Időtartománybeli (TD) - Tranziens módszer (TDEM), időtartománybeli GP (TDIP) Elektromágneses, f 0 (Váltóáramú) Frekvenciatartománybeli (FD) Tellurika (TT), magnetotellurika (MT), VLF Dipól frekvenciaszondázások (DFS): Maxi Probe, CSAMT, Melos, Melis; frekvenciatartománybeli GP (FDIP); indukciós módszerek (EM31, EM34); audiomagnetotellurika (AMT), rádiófrekvenciás módszerek; [VLF], Nukleáris Mágneses Rezonancia módszer (NMR), georadar (földradar)

109 Az elektromágneses hullámok Theoretical basis of Electromagnetic field Pointing vector P(r,t) = E(r,t) x H(r,t) Reference point p(r,t) r Electric field vector E(r,t) H(r,t) Magnetic field vector E(r,t) = E 0 (r=0, t=0) e jkr e j2πft H(r,t) = H 0 (r=0, t=0) e jkr e j2πft

110 Primer és szekunder elektromágneses paraméterek Primer paraméterek : E + ( r, t) = E x e x + E y e y Ez e z H ( r, t) = H x e x + H y e y + H z e z E E E x y z jϕ ( E x ) jϕ ( H x ) = Re[ E ] + j Im[ E ] = Abs( E ) e H = Re[ H ] + j Im[ H ] = Abs( H ) e x x x jϕ ( E ) = Re[ E ] + j Im[ E ] = Abs( E ) e y jϕ ( H ) H = Re[ H ] + j Im[ H ] = Abs( H ) e y y y y jϕ ( Ez ) jϕ ( H z ) = Re[ E ] + j Im[ E ] = Abs( E ) e H = Re[ H ] + j Im[ H ] = Abs( H ) e z z z x y z x y z x y z x y z Re [ E ], Im[ ], Abs E x ), ϕ( E ) [ H ], Im[ ] x E x ( x Re, x H x Re [ E ], Im[ ] Abs( E y ), ϕ( E ) Re[ H ], Im[ ] y E y, y y H y Re [ Ez ], Im[ E z ], Abs( E ), ( ) [ H ], Im [ ] z ϕ Ez z H z Abs( H x ), ϕ( H x, Abs( H y ), ϕ( H y Re, Abs( H z ), ϕ( H z ) ) )

111 Primer és szekunder elektromágneses paraméterek Szekunder paraméterek : H H Z Z z x, xy xx = = ϕ E H E H H z x y x H x x ρ ( f ) = xy,,, ϕ ϕ 1 ωµ E x H y E x H x H H 0 z y Z, ω = 2π f xy ϕ 2 H z H y, Z Z H E z x yx yy, = = E H E H ϕ H y x y ρ ( f ) = yx y z E,, x, 1 ωµ = 4π 10 ϕ ϕ 0 E y H x E y H y H E Z z y yx, Vs Am µ ϕ H z E y

112 MT módszer Atmoszféra + Geoszféra:

113 MT módszer Primer (beeső) MT tér: Szekunder (visszavert) MT tér: E P (r,t) H P (r,t) E S (r,t) H S (r,t) Eredő (mért) MT tér: E(r,t) = E P (r,t) + E S (r,t) H(r,t) = H P (r,t) + H S (r,t) A szekunder tér hordozza a földtani információt!

114 MT módszer Behatolási (szkín) mélység: h b = 1 Im(k) 1 ωµσ 2 2 ωµ σ 2ρ 2πf 4π 10 7 ρ10 4π f hb = = = = h b = π 10ρ = f π 10ρT [ m]

115 MT módszer Terjedési sebesség: v = ω Re(k) v = ρ = T ρf m sec Hullámhossz: λ = λ = vt 2π Re(k) λ = 10 10ρT = f 3 3 ρ [ m]

116 MT módszer Karakterisztikus impedancia: Egy rétegre jellemző, a réteg belsejében egymásra merőlegesen mért (számított) E/H viszony. E E x y µω ahol Z Zi = = =, i - az i-edik réteg karakterisztikus H H k impedanciája, i y ρ = Bemeneti impedancia: x 1 2 Z µω i, i k i ρ i - az i-edik réteg hullámszáma, - az i-edik réteg fajlagos ellenállása. Egy rétegsor tetején (felszínen, vagy réteghatáron) egymásra merőlegesen mért (számított) E/H viszony. E E ( 0 ) x( 0 ) y Z0 = Z xy( z = 0 ) = = = Z yx( z = H y( 0 ) H x( 0 ) ρ ( f ) = Z = Z = Z, a µω 0 µω xy µω yx 0 ), ahol Z 0 - a felszínen mért bemeneti impedancia, ρ a (f) - a rétegsor látszólagos fajlagos ellenállása az f frekvencián.

117 MT módszer / Az MT észlelési rendszer Az MT észlelési rendszer:

118 MT módszer / Az MT terepi- és elméleti görbék rendszere Terepi ρ görbe Elméleti ρ görbe Terepi fázis görbe Elméleti fázis görbe

119 MT módszer / Az impedancia tenzor és elemei Az impedancia tenzor : E = Z H + Z H, x y xx E = Z H + yx x x Z xy yy H y y, E E x y = Z Z xx yx Z Z xy yy H H x y, E( f ) = Z ( f ) H( f ). Az impedancia tenzor elemei: Főimpedanciák: Z xy, Z yx Mellékimpedanciák: Z xx, Z yy

120 MT módszer / A szerkezetek dimenzió fokának meghatározása Az 1D szerkezetek: Z xy (α) α Z xx (α)=0

121 MT módszer / A szerkezetek dimenzió fokának meghatározása Az 1D szerkezetek: E = x E = y Z Z xy yx H H y x,. E E x y = 0 Z yx Z 0 xy H H x y, Egydimenziós (1D) a szerkezet, ha az impedancia tenzor elemei közül a főimpedanciák polárdiagramja (Z xy (α)) kör, a mellékimpedanciák pedig minden irányban eltűnnek. Z xx (α)=z yy (α)=0.

122 MT módszer / E polarizáció és a H polarizáció E polarizáció: Legyen x a csapásirány! Ha a beeső (primer) tér elektromos térerősségvektora ( E p ) a csapásirányba esik, akkor megmarad az eredő térben az elektromos ( E ) és a mágneses ( H ) térerősségvektorok merőlegessége. E p = E px e x, E = E e, E y = Ez = 0, x x H = H e y + H e z, H x = 0. H polarizáció: y z Ha a beeső (primer) tér mágneses térerősségvektora ( H p ) a csapásirányba esik, akkor megmarad az eredő térben az elektromos ( E ) és a mágneses ( H ) térerősségvektorok merőlegessége. H p = H px e x, H = H x e x, H y = H z = 0, E = E e y + E e z, E x = 0.! A felszínen az E z is nulla! y z

123 MT módszer / A szerkezetek dimenzió fokának meghatározása A 2D szerkezetek:

124 MT módszer / A szerkezetek dimenzió fokának meghatározása A 2D szerkezetek: E E x y = Z Z xx yx Z Z xy yy H H x y, Kétdimenziós (2D) a szerkezet, ha az impedancia tenzor elemei közül a főimpedanciák polárdiagramja (Z xy (α)) ellipszis és az ellipszis tengelyirányaiban a mellékimpedanciák (Z xx (α)) eltűnnek, vagy kis értéket vesznek fel. Ekkor a 2D szerkezet szerkezeti (dőlés, csapás) irányait a főimpedancia ellipszis kis- és nagytengelyei, ill. a mellékimpedanciák polárdiagramjának minimum tengelyei jelölik ki.

125 MT módszer / A szerkezetek dimenzió fokának meghatározása A 3D szerkezetek:

126 MT módszer / A szerkezetek dimenzió fokának meghatározása A 3D szerkezetek: E E x y = Z Z xx yx Z Z xy yy H H x y, Háromdimenziós (3D) a szerkezet, ha az impedancia tenzor elemei közül a főimpedanciák polárdiagramja ellipszis (Z xy (α)) és az ellipszis tengelyirányaiban a mellékimpedanciák (Z xx (α)) nem tűnnek el.

127 MT módszer Litoszférakutatás MT módszerrel

128 VLF módszer VLF módszer: - EM field of khz radio transmitter (n km) - Aerial vertical electric dipole 1. direct wave - Earth s near surface is more conductive than air current is induced P, E bows down -H φ parallel to surface 2. reflected wave (plane wave, MT) - Horizontal apparent resistivity profiling (phase as well) ρ a (f) = 1 2π fµ - Maximal depth of investigation ~ 100 m 0 E H r ϕ 2

129 VLF módszer VLF ρ a és fázis görbék VLF műszer

130 Váltóáramú dipól-dipól frekvencia szondázás AC dipole frequency sounding Measuring AC EM field components - source: man-made 1. electric field electrodes 2. magnetic field loop - Controlling depth of investigation by frequency - FD measurements: apparent resistivity, phase - EM components depends on f and the distance between the power and potential dipole - Zones of EM field 1. short-range field spherical wave approach 1. r kr = << 1 r << λ λ 2. r kr = >> 1 r >> λ λ k = i2πfµ 0 ρ (wave number) geological information E x more sophisticated mathematics low power demand 2. distant-range field plane wave approach more simple formulas geological information E x, H z high power demand (z~r/5)

131 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás A konduktív és az induktív adók és érzékelők. Konduktív adó: I=I(f) B A Konduktív vevő: U MN (f) M N

132 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás A konduktív és az induktív adók és érzékelők. Induktív adó: I=I(f) Adótekercs Induktív vevő: U ind (f) Vevőtekercs

133 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás A dipól-dipól frekvenciaszondázás négy alapesete és a látszólagos fajlagos ellenállás meghatározások összefüggései: I/1.: Konduktív konduktív rendszer A I AB (f) R M U MN (f) B N ρ ( f ) = a K( f,r, AB,MN ) U I MN AB ( ( f f ) )

134 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás A dipól-dipól frekvenciaszondázás négy alapesete és a látszólagos fajlagos ellenállás meghatározások összefüggései: I/2.: Konduktív induktív rendszer I AB (f) U ind (f) A R B vevőtekercs ρ ( f ) = a K( f,r, AB, N vevő, µ vevő U ) I AB ind ( ( f f ) )

135 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás A dipól-dipól frekvenciaszondázás négy alapesete és a látszólagos fajlagos ellenállás meghatározások összefüggései: II/1.: Induktív konduktív rendszer I adó (f) R M U MN (f) adótekercs N ρ ( f ) = a K( f,r,mn, N adó, µ adó U ) I MN adó ( ( f f ) )

136 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás A dipól-dipól frekvenciaszondázás négy alapesete és a látszólagos fajlagos ellenállás meghatározások összefüggései: II/2.: Induktív induktív rendszer I adó (f) R U ind (f) adótekercs vevőtekercs ρ ( f ) = a K( f,r, N adó, µ adó, N vevő, µ vevő U ) I ind adó ( f ) ( f )

137 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázás Az EM dipólok körül kialakuló zónák Keller szerint: Közeli zóna - Re (kr) < 0.6, Átmeneti zóna Re (kr) < 6, Távoli zóna - 6 Re (kr), Hullám zóna - 10(12) Re (kr). Re( kr ) σ = 1, ρ Az EM tér fázisfelületei a különböző zónákban: Közeli zóna - véges dipól, = R ω = µωσ, 2 2πf Átmeneti zóna - axiális helyzetben gömb, ekvatoriális helyzetben henger, Távoli zóna - gömb, Hullám zóna - sík.

138 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázások speciális módszerei A legyező rendszerű dipól-dipól frekvenciaszondázás: Lásd Dr. Takács E.: Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzet 185. oldala!

139 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázások speciális módszerei A Maxi-Probe elrendezésű frekvenciaszondázás: Lásd Dr. Takács E.: Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzet oldalai!

140 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázások speciális módszerei A CSAMT módszer: Lásd Dr. Takács E.: Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzet oldalai!

141 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázások speciális módszerei A MELOS (MELIS) módszer: Lásd Dr. Takács E.: Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzet oldalai!

142 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázások speciális módszerei Az indukciós módszer: Lásd Dr. Takács E.: Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzet oldalai!

143 Tranziens (TDEM) módszer TD EM tranziens módszer:

144 Váltóáramú dipól-dipól frekvenciaszondázások speciális módszerei A tranziens (TDEM) módszer: Lásd Dr. Takács E.: Bevezetés az alkalmazott geofizikába c. egyetemi jegyzet oldalai!

145 NMR módszer NMR (Nuclear magnetic resonance Nukleáris Mágneses Rezonancia) módszer Az adó egy vertikális tengelyű tekercs vagy hurok, melybe a hidrogénatom rezonanciafrekvenciájára hangolt váltóáramot vezetnek, ami mágneses teret hoz létre. A gerjesztő mágneses tér a hidrogén atomokat rezonanciába hozza, s ezek másodlagos mágneses teret keltenek. A gerjesztés kikapcsolása után a adótekercsben a másodlagos mágneses tér elektromos teret indukál, s ez az indukált elektromos tér, melynek nagysága a víztartalommal arányos, a rezonancia frekvenciára hangolt tekerccsel mérhető. Az adótekercset használják a gerjesztés kikapcsolása után vevőtekercsként is. A víz hidrogén atomjai külső mágneses tér hatására karakterisztikus frekvenciájú mágneses teret hoznak létre, ami a vevőtekercsben elektromos teret indukál. Direkt vízkutatásra használják!

146 Georadar Ground Penetration Radar

147 Georadar Ground-probing radar: Source: T. Ormos/ 2004 EGEC course

148 Georadar Radargram along a road surface

149 Georadar Radargram at a construction site

150 Vége Köszönöm a türelmet és a figyelmet!