Elektromágneses módszerek Alkalmazott földfizika
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).
Közegjellemzők j σ E Ohm törvény (vezetőképesség) D B ε E Eltolási áram (dielektromos állandó) μ H Mágneses indukció (mágneses permeabilitás)
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
EM módszerek frekvenciatartománya 10-30 khz VLF VLF 1-10 khz - EM 1 mhz- 1kHz MT Lowrie, 007
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
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
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
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
Güreret et al., 004 Magnetotellurika
VLF Very Low Frequency: 15 30 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.
VLF
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
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
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 4. 5 6. I t I t3 T x I t1i I t I t3 R x Fratta, 007
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)
Barret et al., 005 TEM
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
Ground Penetrating Radar GPR A forrás egy 1 10 10 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. www.geophysical.com USDA