Geoelektromos módszerek Összeállította: Pethő Gábor, Vass Péter
Néhány fontos elektromos mennyiség (1) A korpuszkuláris (részecskékből álló) anyag szubatomi tulajdonságainak köszönhetően két különböző elektromos töltés létezik a természetben: pozitív töltés, és negatív töltés. Az elektromos töltés nagyságának mérésére szolgáló mennyiség az elektromos töltés, jele általában Q, és az SI mértékegysége a coulomb (C). 1 C = 1 A s A mérnöki gyakorlatban az amperóra (A h), mint mértékegység, használata is megszokott. 1 A h = 3600 C
Néhány fontos elektromos mennyiség (2) Az elektromos töltés elektromos (erő)teret hoz létre maga körül, ami mező anyag. A töltések az elektromos terük révén képesek erőt kifejteni egymásra. A töltések között ható erőt Coulomb-féle erőnek, vagy elektromos erőnek nevezzük. Két, egymástól r távolságra lévő, pontszerű töltés (Q 1 és Q 2 ) között ható erő vákuumbeli nagyságát és irányát a Coulomb-törvény adja meg: റF E = k Q 1 Q 2 റr r 2 r ahol k, a Coulomb-féle arányossági tényező (értéke k 8,988 10 9 Nm 2 /C 2 ) Az azonos előjelű töltések taszítják, míg az ellentétes előjelűek vonzzák egymást.
Néhány fontos elektromos mennyiség (3) A szuperpozíció elvének érvényesülése következtében, egy test elektromos erőtere a térfogatán belül lévő elektromos töltések egyedi erőtereinek eredőjeként áll elő. Az elektromos erőteret (vagy mezőt) matematikailag egy vektorvektor függvénnyel írhatjuk le, melyet elektromos térerősségnek nevezünk. Az elektromos térerősség megadja az egységnyi pozitív töltésre ható erő nagyságát és irányát az erőtér bármely pontjában. Jele általában E, az SI mértékegysége V/m. A testek általában kifelé semlegesek, mert a bennük lévő pozitív és negatív töltéshordozók azonos mennyiségben és elosztott módon vannak jelen. Egy kifelé semleges testnek nincs eredő elektromos tere, ezért nem mutat elektromos viselkedést.
Néhány fontos elektromos mennyiség (4) Ahhoz, hogy pozitív vagy negatív töltéstöbblet jöjjön létre egy test valamely térrészében, vagy felületrészében energia befektetésre van szükség. Az elektromos tér létrejöttéhez szükséges energia forrása lehet természetes, vagy mesterséges. Legtöbb esetben kémiai vagy mechanikai folyamatok biztosítják ezt az energiát. Az elektromos tér egy speciális esete a sztatikus elektromos tér, amikor a teret létrehozó töltések nem változtatják a helyüket. Amikor a töltéshordozók időben változtatják a helyzetüket, mágneses tér is kialakul, és a két mező egymással szoros összefüggésben fejti ki hatását.
Néhány fontos elektromos mennyiség (5) Az elektromos tér térbeli és időbeli energia viszonyainak jellemzésére szolgál az ún. elektromos potenciál. Az elektromos potenciál tér egy skalár-vektor függvénnyel írható le matematikailag. Az elektromos térerősség az elektromos potenciál tér gradiense. Jele általában V vagy U, és az SI mértékegysége a volt (V). Az elektromos potenciál tér két pontja között fennálló elektromos potenciál különbséget nevezzük elektromos feszültségnek. Az elektromos feszültség jele általában U, SI mértékegysége megegyezik az elektromos potenciállal (volt, V). Ha két pont között nincs elektromos potenciál különbség, akkor az elektromos feszültség zérus.
Néhány fontos elektromos mennyiség (6) Bizonyos anyagokban a töltéshordozók képesek irányított módon elmozdulni, ha két pontjuk között elektromos potenciálkülönbség (azaz elektromos feszültség) áll fenn. Az ilyen anyagokat elektromos vezetőknek nevezzük. A töltéshordozók irányított áramát az elektromos vezető anyagokban, elektromos áramnak nevezzük. Az elektromos áram nagyságát és irányát az elektromos áramerősséggel jellemezzük. Jele általában I, SI mértékegysége ampere (A). Amikor az elektromos áram erőssége nem változik időben, egyenáramról, vagy időben állandó áramról beszélünk. Az időben állandó elektromos áramnak időben állandó mágneses tere van.
Néhány fontos elektromos mennyiség (7) Az elektromos áramerősség és a feszültség közötti összefüggést Ohm törvénye írja le: I = U R ahol R, a vezető közeg geometriai és anyagi tulajdonságaitól függő mennyiség, amit (elektromos) ellenállásnak nevezünk. Az ellenállás az áramvezetést akadályozó hatást jellemzi. SI mértékegysége ohm ( ). Az ellenállás reciproka az ún. vezetőképesség, jele általában C, SI mértékegysége siemens (S).
Elektromos áramvezetés a kőzetekben (1) A kőzetek esetében kétféle áramvezetés fordul elő: elektronos vagy fémes vezetés, és elektrolitos, vagy ionos vezetés. A fémes vezetés főbb jellemzői: elektronok, mint töltéshordozók, mozdulnak el az elektromos tér által meghatározott irányban a szilárd, kristályos szerkezetű anyagon belül, az áramvezetés nem jár együtt anyagárammal, az ellenállás növekszik a hőmérséklettel. A kőzetek esetében a fémes vezetés a fémesen vezető ásványokhoz kapcsolódik.
Elektromos áramvezetés a kőzetekben (2) Az ionos vezetés főbb jellemzői: oldott anyagok ionjai, mint töltéshordozók, mozdulnak el az elektromos tér által meghatározott irányban a folyékony oldaton belül, az áramvezetés anyagárammal jár együtt, az ellenállás csökken a hőmérséklettel. A kőzetek esetében az ionos vezetés a pórustérhez, és a pórusteret kitöltő vizes oldatokhoz kapcsolódik.
Kőzetek fajlagos ellenállása (1) A kőzetek egyik legfontosabb, mérhető fizikai tulajdonsága a fajlagos (elektromos) ellenállás. Az fajlagos ellenállás az anyagnak azt a képességét jellemzi, hogy mennyire akadályozza az elektromos áram folyását rajta keresztül. Jele általában, SI mértékegysége ohm méter ( m). A fajlagos ellenállás reciproka az fajlagos (elektromos) vezetőképesség, ami jellemzi az anyagnak azt a képességét, hogy mennyire engedi meg az elektromos áram folyását rajta keresztül. Jele általában, SI mértékegysége siemens per méter (S/m). Vezetőképesség szempontjából a kőzetalkotó ásványokat három csoportba sorolhatjuk: fémesen vezető ásványok, félvezető ásványok, és szigetelő ásványok.
Kőzetek fajlagos ellenállása (2) Fémesen vezető ásványok főbb jellemzői: nagyszámú lazán kötött vegyértékelektron vesz részt a vezetésben nagyon alacsony fajlagos ellenállásúak (n x 10-8 m), a fajlagos ellenállás a hőmérséklettel nő, a természetben csak a termésfémek (réz, arany, ezüst, platina) és a grafit tartoznak ebbe a csoportba, mivel nagyon ritkán fordulnak elő, a kőzetek fajlagos ellenállását csak különleges esetekben befolyásolják. Félvezető ásványok főbb jellemzői: sokkal kevesebb elektron képes elmozdulni a kristályrácsban, a fajlagos ellenállásuk sokkal nagyobb (n x 10-6 n x 100 m), mint a fémes vezetőké, a fajlagos ellenállás a hőmérséklettel általában csökken, az oxid, szulfid és tellurid ásványok tartoznak ebbe a csoportba (pl. pirit, pirrhotin, ilmenit, magnetit, rutil stb.).
Kőzetek fajlagos ellenállása (3) Szigetelő ásványok (dielektrikumok) főbb jellemzői: nagyon nagy fajlagos ellenállásúak (> 1000 m), a legtöbb kőzetalkotó ásvány ebbe a csoportba tartozik (pl. kvarc, szilikátok, csillámok, kalcit stb.), a kőzetek áramvezetésében elhanyagolható mértékben vesznek részt. A kőzetek fajlagos ellenállása széles tartományban változik. A fajlagos ellenállást befolyásoló legfontosabb tényezők: ásványi összetétel, porozitás, a pórusteret kitöltő fluidum fajlagos ellenállása, agyagtartalom.
Kőzetek fajlagos ellenállása (4) Mivel a kőzetek fajlagos állenállását több tényező együttes hatása befolyásolja, nincs egyértelmű megfeleltetés a fajlagos ellenállás és a kőzet fajtája között. Egy adott kőzetfajtára csak egy fajlagos ellenállás tartomány vagy nagyságrend adható meg. Mivel a legtöbb ásvány szigetelő, a szilárd kőzetváz vezetőképessége általában elhanyagolható. Kisebb fajlagos ellenállású, fémes ásványok (ércek) hatása a kőzet fajlagos ellenállásában csak akkor válik jelentőssé, ha az érctartalom meghaladja az 5-10 %-ot.
Kőzetek fajlagos ellenállása (5) A kőzetek áramvezetése főként ionos, ami a kőzet víztartalmának köszönhetően alakul ki. A víz fajlagos ellenállása rendszerint néhány ohm méteres, de erősen függ a vízben oldott ionok mennyiségétől és fajtájától. Növekvő sótartalom csökkenti a pórusvíz fajlagos ellenállását, és egyben a víztároló kőzet fajlagos ellenállását is. A nagy ionmozgékonyságuk miatt főként a nátrium és klorid ionok mennyisége befolyásolja a víz fajlagos ellenállását. Néhány természetes vízre jellemző fajlagos ellenállás tartomány: esővíz 300 1000 m folyóvíz 20 120 m karsztvíz 15 20 m tengervíz 0.2 0.8 m rétegvíz 0.2 20 m. A rétegvizek sótartalma általában növekszik a mélységgel.
Kőzetek fajlagos ellenállása (6) Azonos porozitás mellett, a pórusteret kitöltő fluidum, ill. fluidumok fajtái és telítettségi viszonyai határozzák meg a kőzet fajlagos ellenállását. Száraz, azaz levegővel telített, pórustér megnöveli a kőzet fajlagos ellenállását. A szénhidrogén tartalom (földgáz, kőolaj) ugyanilyen hatást fejt ki. A vízzel telített pórustér azonban lecsökkenti a porózus kőzet fajlagos ellenállását. A porozitás növekedésével csökken a víztelített kőzet fajlagos ellenállása. Kőzetek fajlagos ellenállásának függése a pórusteret kitöltő fluidum fajtájától: száraz homok 10 2 10 5 m víztelített homok 20 10 3 m száraz kavics 10 2 10 6 m víztelített kavics 50 10 3 m
Kőzetek fajlagos ellenállása (7) A hőmérséklet növekedése is csökkenti a víztartároló kőzetek fajlagos ellenállását, a ionok mozgékonyságának növelése miatt. A hőmérséklet hatása a 20 300 C-os tartományban jelentős. A hőmérséklet növekszik a mélységgel. A termálvizek és tárolókőzeteik esetében tehát figyelembe kell venni a hőmérséklet hatását is. Az agyagásványoknak és a kőzeten belüli arányuknak (agyagtartalom) megkülönböztetett szerepe van a kőzetek fajlagos ellenállásának kialakításában. Az agyagásványok főbb jellemző: nagy fajlagos felület, általában negatív töltéstöbblet a felületük mentén, jelentős mennyiségű vizet és iont képesek megkötni a szerkezetükben, valamint a felületükön, kicsi a fajlagos ellenállásuk (n x m).
Kőzetek fajlagos ellenállása (8) Az agyagtartalom növekedésével a konszolidálatlan üledékek és üledékes kőzetek kötött víztartalma növekszik és a fajlagos ellenállásuk csökken. Az agyagtartalom csökkenti az üledékes kőzetek permeabilitását (fluidum áteresztőképességét) is.
Geoelektromos módszerek csoportosítása A felszín alatti kőzetek eltérő elektromos tulajdonságain alapuló kutató módszerek két nagy csoportját különböztethetjük meg: geoelektromos módszerek, és elektromágneses módszerek. A geoelektromos módszerek esetében, természetes vagy mesterséges egyenáram elektromos terét jellemző potenciál különbségek mérésével igyekszünk a felszín alatti szerkezetekhez kapcsolódó fajlagos ellenállás inhomogenitásokat felderíteni. A felszín alatt, természetesen kialakuló elektromos teret felhasználó geoelektromos módszert természetes potenciál módszernek nevezzük. A mesterséges áramterű geoelektromos módszerek két fő változata: a vertikális elektromos szondázás (VESZ) és a horizontális elektromos szelvényezés (HESZ).
Természetes potenciál módszer A természetben tapasztalható helyi elektromos terek kialakulása bizonyos kőzetformációkban végbemenő fizikai-kémiai és elektrokinetikai folyamatoknak, valamint eltérő kémiai vagy fizikai tulajdonságú felszínalatti közegek érintkezésének köszönhető. A természetes potenciál módszerrel az ilyen természetes eredetű elektromos terek felszíni változásait térképezzük fel két földbe szúrt elektróda között mért feszültség formájában. Az elektróda pár helyzetét megfelelő mérési geometria szerint változtatva a felszínen, természetes elektromos potenciáltérkép készíthető a mért feszültségek alapján. A potenciál térképek kiértékelése alapján lehatárolható anomáliák felszín alatti víz áramlásokhoz vagy kőzetformációk határaihoz kapcsolódnak.
Természetes potenciál módszer Természetes potenciál több különböző folyamat eredményeképpen is létrejöhet. Működésüket tekintve egyikük sem tisztázott még teljes egészében. A legfontosabb természetes potenciált létrehozó folyamatok: filtrációs potenciál, elektrokémiai potenciál, kontakt potenciál, ásványosodási potenciál. Egy adott szituációban több folyamat hatása egyszerre is érvényesülhet ugyanabban az időben, ugyanazon a helyen. Ilyen esetekben a mért potenciál a különböző folyamatok által létrehozott potenciál komponensek eredője.
Természetes potenciál módszer Filtrációs vagy áramlási potenciál felszín alatti vizeknek a kőzetek pórusterén keresztüli áramlása hozhatja létre. Valószínűleg a vízben oldott ionok és a pórusok fala között létrejövő elektrokinetikai kölcsönhatás áll a folyamat hátterében. A filtrációs potenciál nagysága néhány mv és néhány száz mv tartományban változik (n x mv n x 100 mv). Gyakran előfordul: víztároló rétegek repedései mentén elszivárgó vizek zónái felett, víztermelő kutak környezetében, dőlt réteghatárok mentén áramló felszínalatti vizek felett, hévíz feláramlási területeken.
Természetes potenciál módszer Idealizált filtrációs potenciál szelvények és térképek néhány felszín alatti víz áramlási modellre a.) áramlás függőleges kőzethatár mentén b.) víztermelő kút által létrehozott áramlás c.) áramlás vízszintes réteghatár mentén A filtrációs potenciál együttható a közegre jellemző mennyiség, és arányos a filtrációs potenciál nagyságával.
Természetes potenciál módszer Elektrokémiai potenciál két potenciálnak, a diffúziós és az ún. Nernst potenciálnak az összege. A diffúziós potenciál két eltérő koncentrációjó vizes oldat találkozásakor jön létre a kőzetek pórusterében. Az eltérő ion koncentrációk miatt ionok diffúziója indul meg a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé. Azonban a kationok és az anionok ionmozgékonysága eltérő, így egy bizonyos idő elteltével pozitív és negatív töltéstöbblet alakul ki az oldatok határának két oldalán. Ez a töltés szétválasztódás a diffúziós potenciál forrása, melynek nagysága n x 10 mv.
Természetes potenciál módszer Nernst potenciál az elektrokémiai potenciál másik összetevője. Két azonos anyagú fém elektróda, helyileg eltérő ionkoncentrációjú vizes oldatokba merülésekor jön létre. Mivel a természetes potenciál mérésekor két, eltérő helyen földbe szúrt fém elektródát alkalmazunk, a mért potenciál minden esetben tartalmazza a Nernst potenciál komponenst. Az elektrokémiai potenciál nagysága az oldatok ionkoncentrációinak eltérésétől és a hőmérséklettől függ. Előfordulhat: hévíz feláramlási területeken, felszín alatti vizek ionkoncentrációt megnövelő szennyeződéseinek környezetében.
Természetes potenciál módszer Kontakt potenciál két különböző fizikai vagy kémiai tulajdonságú kőzet érintkezési zónája mentén lejátszódó folyamatok hozzák létre (pl. fagyott és vízzel telített talajok érintkezése mentén, vagy eltérő ásványi összetételű, kristályszerkezetű kőzetek érintkezése mentén). Ásványosodási potenciál fémes ásványok (pl. pirit, pirrhotin, kalkopirit, magnetit) telepei vagy grafitos kőzetek felett alakul ki olyankor, amikor az elektronosan vezető kőzettest ionosan vezető víztelített porózus kőzetekkel érintkezik. Az elektronos és ionos vezetőképességű határfelületen elektrokémiai reakciók mennek végbe, és ezek hozzák létre a potenciált. Az összes természetes potenciál komponens közül ennek van a legnagyobb értéke, ami 100 1000 mv tartományban változhat.
Természetes potenciál módszer Ásványosodási potenciál elektronok és ionok áramlása szulfidos ércet tartalmazó kőzettest környezetében
Természetes potenciál módszer A természetes potenciál módszer alkalmazása költséghatékony, egyszerű eszközök felhasználásával megvalósítható. A mérő áramkör részei: két fém elektródából (nem polarizálódó elektródák), egy nagy érzékenységű feszültségmérő az elektródákat a műszerrel összekötő szigetelt vezetékek. Két különböző elektróda elrendezést alkalmaznak a természetes potenciál felszíni térképezésekor: gradiens (vagy dipól) elrendezés, potenciál elrendezés.
Természetes potenciál módszer Gradiens elrendezés szerinti méréskor a két elektróda közötti távolság nem változik. A feszültségmérő pozitív bemenete a mérés haladási irányát tekintve elől lévő elektródához van csatlakoztatva. A mérés felszíni vonatkozási pontja, amire a mért feszültség értéket vonatkoztatjuk, a két elektróda közötti távolság felezőpontjának felel meg. Amikor egy állomásponton megtörtént a mérés, a két elektródát a mérés vonal mentén megfelelő távolsággal elmozdítják, és mérnek az újabb állomásponton is. Az elektródákat a köztük lévő távolsággal azonos mértékben mozdítják el a szomszédos állomáspontok között.
Természetes potenciál módszer Gradiens elrendezés szerinti mérés vázlata
Természetes potenciál módszer Potenciál elrendezés szerinti méréskor az egyik elektróda (bázis elektróda) helye nem változik meg. A másik elektródát (mérőelektróda) minden mérés után azonos távolsággal elmozdítják a mérési vonal mentén. A bázis elektróda a feszültségmérő negatív bementére csatlakozik. Az egyes mérések felszíni vonatkozási pontjai a mérőelektróda aktuális helyzetének felelnek meg. Potenciál elrendezéssel gyorsabban végezhető el a vonalmenti szelvényezés, vagy területi térképezés. Hátránya, hogy a mérőelektróda távolodásával egyre pontatlanabb lesz a mérés, a Föld természetes elektromágneses terének hatására, a felszín alatt kialakuló ún. tellurikus áramok zavaró hatása miatt.
Természetes potenciál módszer Potenciál elrendezés szerinti mérés vázlata
Természetes potenciál módszer A természetes potenciál mérések feldolgozása az alábbi lépéseket foglalja magába: a zajnak minősülő potenciál komponens meghatározása, a zaj értékének eltávolítása a mért természetes potenciál értékéből, az így kapott potenciálokból vonalmenti szelvények és/vagy területi térképek készítése. Zajnak minősülő potenciál komponenst okozó leggyakoribb tényezők: változó talajviszonyok, változó víztelítettségi szintek a felszín alatt, a felszíni magasság változása, oldalirányú fajlagos ellenállás változások és mesterséges elektromos zajforrások (pl. távvezetékek hatása, eltemetett fémtárgyak, földelt elektromos berendezések, természetes tellurikus áramok a föld alatt).
Természetes potenciál módszer Az adatfeldolgozás eredményeképpen megszerkesztett szelvények és térképek ekvipotenciális görbéinek lefutását elemezve, minőségi (kvalitatív) kiértékelés hajtható végre. A minőségi kiértékelés magába foglalja: a természetes potenciál tér anomáliáinak felismerését a szelvényeken, ill. térképeken, az anomáliák esetleges irányítottságához tartozó irányok meghatározása, az anomáliák területi lehatárolása, az anomáliák lehetséges okainak beazonosítása. A módszer néhány fontosabb alkalmazási területe: felszín alatti víz áramlások kimutatása, hévíz áramlások tanulmányozása, szulfidos (vas, réz, nikkel) érctelepek kimutatása, grafit és antracit telepek kimutatása
Természetes potenciál térkép https://www.researchgate.net/figure/231136109_fig1_figure-5-self-potential-sp-mapwith-measured-points-and-interpreted-profiles
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A mesterséges áramterű geoelektromos módszerek fizikai elve azon alapszik, hogy a földbe bevezetett egyenáram térfogati eloszlása a felszín alatti fajlagos ellenállás viszonyoktól függően változik. A kisebb fajlagos ellenállású térfogatrészekben nagyobb áramsűrűség jön létre, mint a nagyobb fajlagos ellenállású kőzettestekben. Az elektromos potenciáltér földfelszíni metszete a felszínalatti áramsűrűség eloszlástól, azaz a felszín alatti fajlagos ellenállás inhomogenitásoktól függő képet mutat. A felszín két különböző pontja között mért elektromos potenciálkülönbséget (feszültség) befolyásoló legfontosabb tényezők: a felszín alatti képződmények alakja, méretei, elhelyezkedésük a mérési helyhez képest, a képződmények és környezetük fajlagos ellenállásai.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A legegyszerűbb geoelektromos modellben a földfelszín egy vízszintes végtelen kiterjedésű felület, és a felszín alatti közeg homogén. Ezt a modellt nevezzük homogén féltérnek. A homogén féltér felszínének egy pontján bevezetett egyenáram sugárirányban terjed szét egyenletesen a felszín alatt. Az áram hatására elektromos potenciáltér alakul ki, melynek ekvipotenciális felületei minden egyes pontjukban merőlegesek az adott pontbeli áramfolyás irányára. A homogén féltér elméleti modelljében a pontszerű áramelektróda által létrehozott elektromos tér ekvipotenciális felületei koncentrikusan elhelyezkedő félgömbök felületeinek felelnek meg.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Pontelektróda áramvonalai és ekvipotenciális felületei homogén féltérben.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A valóságban egyetlen elektródával nem lehet áramot vezetni a felszín alatti féltérbe. A felszín alatti közegen keresztül hatoló zárt áramkör létrehozásához két áramelektróda alkalmazására van szükség. Megállapodás szerint az A -val jelölt elektródát tekintjük az áram behatolási pontjának. A felszín alatt folyó áramvonalak szétterülnek (divergálnak) az A pontból, majd az áram kilépési pontjának tekintett B elektróda felé ismét igyekeznek összetartani (konvergálnak). Az elektromos tér ekvipotenciális felületei merőlegesek az áramvonalakra. Az áramsűrűség egyre csökken a mélységgel, de inhomogén fajlagos ellenállású féltér esetében bonyolult áramvonal rendszer és potenciáltér viszonyok alakulhatnak ki.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Mérőelektródapár által létrehozott áramvonalak és ekvipotenciális felületek homogén féltérben.
A réteghatár hatása a felszín alatti áramfolyásra A baloldali esetben az alsóbb réteg fajlagos ellenállása ( 2 ) nagyobb, mint a felső rétegé ( 1 ). Az áramvonal úgy törik meg a határfelületen, hogy a 2 törési szög kisebb lesz a 1 beesési szögnél. A jobboldali esetben az alsóbb réteg fajlagos ellenállása kisebb a felső rétegénél. Ilyenkor az előző esethez képest fordított áramvonal törési viszony alakul ki.
A réteghatár hatása a felszín alatti áramfolyásra Mérőelektródapár által létrehozott áramvonalak és ekvipotenciális felületek kétréteges, horizontálisan homogén féltérben.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A mesterséges áramterű geoelektromos módszerek mérési rendszerének főbb elemei: egy pár áramelektróda (A, B), egy áramforrás (egyenáramú vagy egyenirányított váltóáramú), egy pár mérőelektróda (M, N), egy feszültségmérő, és szigetelt vezetékek. A mérési rendszer elemeiből két áramkört alakítunk ki: tápáramkör, mérőáramkör.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A mérési rendszer főbb elemei és az elemekből kialakított két áramkör felszíni részei.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Tápáramkör: az A és B tápelektródák szigetelt vezetékeken keresztül csatlakoznak az áramforrás kimeneteihez, a tápelektródák anyaga réz vagy acél, egymástól megfelelő távolságra vannak leütve a talajba, a tápáramkör felszínalatti áramvonalai a tápelektródákon keresztül záródnak. Az áramforrás általában egy akkumulátor, melynek pozitív pólusa vezetéken keresztül csatlakozik az A elektródához, a negatív pólusa pedig a B elektródához van bekötve.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Mérőáramkör: az M és N mérőelektródák szigetelt vezetékeken keresztül csatlakoznak a feszültségmérő műszerhez, a mérőelektródák anyaga réz vagy acél, egymástól megfelelő távolságra vannak leütve a talajba, a mérőáramkör a felszín két pontja közötti potenciálkülönbség (feszültség) mérésére szolgál. A gyakorlatban nem egyenáramot, hanem nagyon alacsony frekvenciájú váltóáramot vezetnek a felszín alatti közegbe. A mérőáramkörben elhelyeznek egy feszültségosztót a különböző nagyságrendű feszültségek mérhetőségének biztosítására (a méréshatár változtatható ezáltal). A mérőáramkör egyenáramú összetevőjét egy kompenzátor beiktatásával választják le. Ezáltal megszabadítjuk a mért feszültséget a természetes potenciál hatásától.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Elektróda elrendezés (elektróda konfiguráció): megadja a különböző elektródák elhelyezkedését egymáshoz képest. A gyakorlatban többféle elektróda elrendezést használnak. Mindegyiknek megvan a maga előnye és hátránya. Alapvetően a kutatás céljától és a fajlagos ellenállás inhomogenitást okozó felszín alatti szerkezetek jellemzőitől függ, hogy melyiket érdemes használni. Leggyakrabban alkalmazott szimmetrikus elektróda elrendezések: a Schlumberger elrendezés, a Wenner elrendezés és a dipól-dipól elrendezés.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Schlumberger elektróda elrendezés: a mérő- és az áramelektródapárok egy vonal mentén helyezkednek el, közös középpontjuk van az elektródapároknak, ami egyben az elrendezés szimmetriapontja, a mérőelektródák közötti távolság (MN) kisebb, mint a tápelektródák közötti távolság (AB) harmada. MN < AB/3
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Wenner elektróda elrendezés: a mérő- és az áramelektródapárok egy vonal mentén helyezkednek el, közös középpontjuk van az elektródapároknak, ami egyben az elrendezés szimmetriapontja, a mérőelektródák közötti távolság (MN) megegyezik a tápelektródák közötti távolság (AB) harmadával. MN = AB/3
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Dipól-dipól elektróda elrendezés: a mérő- és az áramelektródapárok egy vonal mentén helyezkednek el, az elektródapároknak nincs közös középpontjuk, a mérőelektródák közötti távolság (MN) megegyezik a tápelektródák közötti távolsággal (AB). MN = AB a két elektródapár középpontjai közötti távolság (L) nagyobb, mint az elektródák közötti távolságok. MN = AB < L
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A tápelektródákon keresztül bejuttatott áram I erőssége és a mérőelektródák között mért U feszültség alapján, az alábbi általános képlet szerint számítható a közeg fajlagos ellenállása homogén féltér esetében: ρ = K U I, ahol K az ún. geometriai tényező. A geometriai tényező értékének számítási képlete az elektróda elrendezés fajtájától függ. A benne szereplő mennyiségek az adott elrendezést leíró geometriai jellemzők. A fenti összefüggés alapján számított fajlagos ellenállás inhomogén féltér esetében természetesen nem a valódi fajlagos ellenállását adja meg valamely felszín alatti pontnak. A mért érték ugyanis az elektródák alatti térrész integrált hatásaként alakul ki, és erősen függ az inhomogenitás jellemzőitől.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek Emiatt a mért értékekből közvetlenül számítható fajlagos ellenállást látszólagos fajlagos ellenállásnak nevezzük (jele a ). A mér látszólagos fajlagos ellenállás magába foglalja mindazon felszínalatti képződményeknek a hatását, amelyeken keresztül az áram áthalad. Az egyes térrészek hatásának mértéke természetesen függ az elektródákhoz viszonyított távolságaiktól és a valódi fajlagos ellenállásuktól. Egy horizontálisan rétegzett féltérrel modellezhető esetben például a mért látszólagos fajlagos ellenállás az áramerősségen és az elektróda elrendezés paraméterei kívül az alábbi modellparaméterektől függ: az egyes rétegek valódi fajlagos ellenállásai, az egyes rétegek vastagságai és sorrendjük.
Mesterséges áramterű geoelektromos módszerek A mérési adatok feldolgozásának és kiértékelésének célja a felszín alatti valódi szerkezetek közelítéseként alkalmazott földtani modelleket leíró paraméterek értékeinek meghatározása. A mesterséges áramterű geoelektromos módszerek alkalmazásának célja a felszín alatti tér fajlagos ellenállásban bekövetkező változásainak feltárása a mélység és/vagy a felszíni mérési vonal menti távolság függvényében. A fajlagos ellenállás változás nyomon követésének irányától függően két módszert különböztethetünk meg: a vertikális elektromos szondázást (VESZ) és a horizontális elektromos szelvényezést (HESZ). A VESZ módszer alkalmazásával a fajlagos ellenállás mélység szerinti alakulását, a HESZ módszerrel pedig a fajlagos ellenállás oldalirányú (laterális) változásait igyekszünk felderíteni.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) A VESZ módszer gyakorlati megvalósításához szükség van egy olyan technikára, amellyel a méréshez rendelhető behatolási mélység változtatható. A behatolási mélység egy olyan mélységtartományt jellemez, amelyen belül az áramsűrűség elegendően nagy ahhoz, hogy a mérőelektródák között fellépő feszültég értékére befolyással legyen. A behatolási mélységen kívüli térrészekben az áramsűrűség már olyan kicsi, hogy hatása a felszínen már nem mérhető. Szimmetrikus elektróda elrendezések esetében a behatolási mélység a tápelektródák közötti távolság növelésével növelhető. Az elrendezés szimmetria pontjának helyzete a szondázás során nem változik. Ez a pont jelöli ki a különböző áramelektróda távolságokkal mért látszólagos fajlagos ellenállás értékek felszín alatti vonatkozási pontjainak felszíni vetületét.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) A VESZ mérések esetében leginkább a Schlumberger elektróda elrendezést alkalmazzák. A elektródapárok közös középpontjának helyzete nem változik a mérés sorozat alatt. Minden egyes mérés után megnövelik a tápelektródák közötti távolságot. A tápelektróda távolság lépésenkénti növelésével az áram egyre mélyebb felszín alatti részekbe is eljut. A tápelektróda távolságot általában logaritmikusan növelik, legalább 10 pont/dekád felosztás szerint. Egy bizonyos tápelektróda távolság felett már a mérőelektródák közötti távolságot is meg kell növelni annak érdekében, hogy a mért értéket terhelő zajszint ne növekedjen meg túlságosan, és a mért érték nagyságrendileg benne maradjon a feszültségmérő műszer méréstartományában.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) A behatolási mélység növelésének természetesen az alkalmazott áramerősség nagysága, és a felszín alatti szerkezet kialakításában esetlegesen résztvevő nagy fajlagos ellenállású kiterjedt inhomogenitás szab határt. A mért értékeket logaritmikus osztású koordinátarendszerben ábrázoljuk. Az egyik tengely a mérések felszín alatti vonatkozási pontjainak mélysége szerint van skálázva. A Schlumberger elektróda elrendezés esetében egy adott mérés vonatkozási pontjának mélysége a tápelektróda távolság fele (AB/2) A másik tengely pedig a mért látszólagos fajlagos ellenállás szerint van skálázva. A nagyobb mélységű vonatkozási pontokhoz tartozó látszólagos fajlagos ellenállások a mélyebb térrészek hatását nagyobb mértékben tartalmazzák, mint a sekélyebb tartományokét.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) Szintetikus látszólagos fajlagos ellenállás görbe kétréteges féltér esetében. A felvett földtani-geofizikai modell paramétereit a jobboldali litológia oszlop mutatja.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) Szintetikus látszólagos fajlagos ellenállás görbe kétréteges féltér esetében. A felvett földtani-geofizikai modell paramétereit a jobboldali litológia oszlop mutatja.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) Szintetikus látszólagos fajlagos ellenállás görbe kétréteges féltér esetében. A felvett földtani-geofizikai modell paramétereit a jobboldali litológia oszlop mutatja.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) Szintetikus látszólagos fajlagos ellenállás görbe háromréteges féltér esetében. A felvett földtani-geofizikai modell paramétereit a jobboldali litológia oszlop mutatja.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) A mért látszólagos fajlagos ellenállás görbék alakjának és értékeinek tanulmányozása alapján következtethetünk a rétegek számára és fajlagos ellenállás viszonyaikra. A görbe növekvő, vagy csökkenő szakaszai egy újabb réteg hatását jelzik. Növekvő látszólagos fajlagos ellenállás a mélyebb réteg nagyobb fajlagos ellenállására utal, és viszont. Számolnunk kell azonban a kiértékelés során az ún. ekvivalencia jelenségével, ami azt jelenti, hogy eltérő földtani-geofizikai modellek esetén is kaphatunk megegyező szondázási görbéket. A szondázási görbék és a földtani szerkezetek között sajnos nincs kölcsönösen egyértelmű hozzárendelési viszony. További problémát jelenthet a módszer kimutathatósági korlátja. Ennek eredményeképpen bizonyos rétegvastagság és fajlagos ellenállás kontraszt alatt már a réteg nem azonosítható a görbe alapján.
Vertikális elektromos szondázás (VESZ) Ekvivalencia esete háromréteges féltérre számított szintetikus látszólagos fajlagos ellenállás görbék esetében. A felvett földtanigeofizikai modellek paramétereit a jobboldali litológia oszlopok mutatják.
Rétegelnyomás jelensége
Kimutathatóság és rétegelnyomás jelensége
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) Amikor a geoelektromos kutatás célja a felszín alatti földtani szerkezet adott mélységtartományra vonatkozó látszólagos fajlagos ellenállásában mutatkozó oldalirányú (laterális) változások kimutatása, akkor a HESZ módszert alkalmazzák. A leggyakrabban felmerülő, HESZ-el megoldható feladatok : felszín alatti nagyobb fajlagos ellenállású medence aljzat domborzatának szelvénymenti nyomon követése, vetők és egyéb jelentős oldalirányú változások helyeinek kimutatása. A HESZ módszer alkalmazása során az elektródák eltolásra kerülnek a mérési vonal mentén minden egyes mérés után.
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) HESZ esetében az egyik leggyakrabban alkalmazott elektróda elrendezés a Wenner. A Wenner elrendezés számára beállított táp- és mérőelektróda távolságok nem változnak a szelvényezés során. Az elektródák helyzete azonban úgy változik meg minden egyes mérés után, hogy az elrendezés szimmetria pontja eltolódik egy konstans távolsággal a mérési vonal mentén. Mivel a tápelektródák közötti távolság állandó, nincs mélység szerinti szondázás. A behatolási mélység csak a felszín alatti szerkezetek fajlagos ellenállásaiban bekövetkező horizontális változás miatt jöhet létre. A kisebb fajlagos ellenállású kőzetekből álló felszín közeli képződményekben ugyanis kisebb az áram behatolási mélysége.
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) HESZ mérés Wenner elektróda elrendezéssel.
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) Egy másik gyakran alkalmazott elektróda elrendezés a HESZ esetében az ún. gradiens elektróda elrendezés. A gradiens elektróda elrendezés nem szimmetrikus. A tápelektródák helye nem változik a szelvényezés során. A távolságuk elérheti akár a néhány száz métert is. A mérőelektródák mozognak az egyes mérési állomáspontok között. A mérőelektródák közötti távolság sokkal kisebb, mint a tápelektródák közötti távolság. Egy adott mérés felszíni vonatkozási pontja a mérőelektródapár középpontjának felel meg.
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) HESZ mérés gradiens elektróda elrendezéssel.
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) A HESZ méréssorozat eredményeit fél-logaritmikus koordinátarendszerben ábrázoljuk. A vízszintes tengely lineárisan van skálázva a mérési vonalmenti távolságnak megfelelően. A függőleges tengely logaritmikusan skálázott a mért látszólagos fajlagos ellenállások tartományában. A mért szelvénygörbe változások a felszín alatti képződmények fajlagos ellenállásainak oldalirányú változásait tükrözik.
Horizontális elektromos szelvényezés (HESZ) Az ábra egy Wenner elektróda elrendezést alkalmazó HESZ alapelvét mutatja be. A vulkáni kőzet felszín alatti határfelületének megváltozásai módosítják az áramsűrűséget horizontálisan. Mivel az áramvonalak kevésbé képesek behatolni a nagyobb fajlagos ellenállású kőzetbe, inkább a kisebb fajlagos ellenállású térrész felé tartanak össze. Az áramsűrűség oldalirányú változásai a mért feszültségben is változásokat eredményeznek. Mivel a látszólagos fajlagos ellenállást a mért feszültségből és az áramerősségből származtatjuk, értéke szintén változni fog a mérési vonal mentén.
Sárospataki régészeti kutatás látszólagos fajlagos ellenállás térkép (ME Geofizikai Tanszék, 2006) 20 15 10 Az AM=1 m elektródtávolsággal mért látszólagos fajlagos ellenállás térkép ohmméterben 120 110 100 Y [m] 5 0-5 -10 90 80 70 60 50 40 30 20 10-15 -30-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 X [m] 1. melléklet
Sárospatak, ágyú- és harangöntő műhely archeogeofizikai kutatása ME Geofizikai Tanszék
R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 R( ohm) 100 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) AB / 2 ( m) VESZ mérések egy mérési vonal több pontja felett ~ Ny ~K X 908636 Y 307725 0 Tivadar c amping 0 2 58 2 20 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 110 4 6 8 10 125 58 150 58 100 59 58 58 60 120 260 250 275 30 30 23 20 58 59 58 160 127 114 22 6 6 59 18 57 14 4 6 8 10 12 20 18 18 18 20 18 26 19 12 14 14 Háromkő BT. 2006
Különböző elektróda elrendezések alkalmazása ugyanarra a területre (karszton belüli vízátengedés kutatása)
Gerjesztett polarizáció (GP) A gerjesztett (vagy indukált) polarizáció jelenségére már az egyenáramú fajlagos ellenállás mérések alkalmazásának korai szakaszában felfigyeltek (Schlumberger 1920). Azt tapasztalták, hogy a tápáram kikapcsolása után a mérőelektródák között mért feszültség ugyan hirtelen lecsökkent, de nem szűnt meg azonnal, hanem egy bizonyos idő alatt fokozatosan csökkent le az értéke zérusra. A mért feszültségnek a tápáram kikapcsolása után bekövetkező fokozatos lecsökkenését és késleltetett megszűnését nevezzük gerjesztett polarizációnak. A jelenség kialakulása a tápáram hatására a felszín alatti képződményekben végbemenő töltésátrendeződésre vezethető vissza. Az áramfolyás megszűnése után egy bizonyos időnek el kell telnie, amíg a töltések nagyjából visszarendeződnek az áramfolyás előtti egyensúlyi állapotba, és ez késlelteti a feszültség megszűnését.
Gerjesztett polarizáció (GP) A gerjesztés megszűnését követő, gerjesztett polarizációnak köszönhető feszültség lecsengése. A görbe alakja és a lecsengés időtartama információt hordoz azokról a felszín alatti képződményekről, amelyeknek köszönhetően töltésátrendeződés megy végbe az áramfolyás időtartama alatt. V c : a mérőelektródák között fennálló feszültség a kikapcsolás pillanatában, V(t): az idő függvényében változó feszültség.
Gerjesztett polarizáció (GP) A gerjesztett polarizáció két legjelentősebb megnyilvánulási formája: elektróda polarizáció, membrán polarizáció. Elektróda polarizáció elektronosan vezető fémes ásványi szemcséket és ionos vezetést biztosító, vizes oldattal kitöltött pórusteret egyaránt tartalmazó kőzetekhez kapcsolódik, az elektronos vezetésű ásványszemcsék felületén az áram belépésének környezetében pozitív töltésű ionok, a kilépési oldalon pedig negatív töltésű ionok halmozódnak fel az áram folyása során, az áram kikapcsolása után az ionok csak fokozatosan távoznak a szemcsék környezetéből diffúzió révén, és ez késlelteti a feszültség megszűnését. Főként hintett ércesedés esetében lép fel.
Gerjesztett polarizáció (GP) Elektróda polarizáció kialakulása fémes és ionos vezetőképességű tértartományok érintkezési felületei mentén.
Gerjesztett polarizáció (GP) Membrán polarizáció vizes oldattal telített pórusjárataiban agyagásvány szemcséket is tartalmazó kőzetekhez kapcsolódik, a negatív felületi töltésű agyagásvány szemcsék a hidrátburokkal körülvett pozitív ionokat magukhoz vonzzák, és a szűk pórusjáratokban akadályozzák a pozitív ionok áthaladását, az áram azonban képes mozgásba hozni és tartani még ezeket az elektrosztatikusan kötődő pozitív ionok jelentős részét is, az áram megszűnése után azonban a pozitív ionok újra visszarendeződnek az agyagszemcsék környezetébe, mivel ez a folyamat időt vesz igénybe, a feszültség is csak fokozatosan szűnik meg. Diszperz agyageloszlású porózus, permeábilis kőzetekre jellemző ez a polarizáció.
Gerjesztett polarizáció (GP) A kationok elrendeződése áramfolyás előtt Kationok áramlása az áramfolyás alatt
Gerjesztett polarizáció (GP) A gerjesztett polarizáció hatása nem csak a tápáram kikapcsolását követő időben csökkenő feszültség formájában jelentkezik. Növekvő frekvenciájú váltakozó tápáramokat alkalmazva, a gerjesztett potenciál hatása a közeg ellenállásának csökkenését és a feszültség növekvő fáziskésését eredményezi. A közeg frekvenciafüggő ellenállása a mért feszültség, ill. a belőle számítható látszólagos fajlagos ellenállás frekvenciafüggésében nyilvánul meg. A frekvenciafüggés jellege információt hordoz azokról a felszín alatti képződményekről, amelyekhez a gerjesztett polarizáció kapcsolódik. A gerjesztett polarizáció mérésének tehát kétféle lehetősége van: időtartománybeli mérésnél a mérőelektródák közötti feszültség változását kell meghatározni az idő függvényében a tápáram kikapcsolása után, frekvenciatartománybeli mérésnél a mért feszültségből számított látszólagos fajlagos ellenállásnak a tápáram frekvenciájától való függését kell meghatározni (itt nincs áram kikapcsolás, csak frekvencia változtatás).
Gerjesztett polarizáció (GP) GP mérések kivitelezése: ugyanazok az elektróda elrendezések alkalmazhatók, mint a VESZ-nél és a HESZ-nél, a mérést általában egybe kötik a VESZ és/vagy a HESZ mérésekkel, az egyenáramú látszólagos fajlagos ellenállás mérése után mérik a GP-t jellemző mennyiséget, időtartománybeli mérésnél a tápáram kikapcsolása után mérik a feszültség csökkenését, frekvenciatartományban különböző frekvenciájú tápáramok esetében mérik a feszültség változást. Gyakran alkalmazzák a dipól-dipól elektróda elrendezést a GP mérésekhez úgy, hogy a helyben maradó tápdipól (A és B elektródapár) vonalában a mérődipólt (M és N elektródapár) minden mérés után azonos távolsággal eltolva telepítik. Az egyes mérések vonatkozási pontja a dipólok középpontjaihoz húzott, a mérési vonallal 45 -os szöget bezáró egyenesek metszéspontja.
Gerjesztett polarizáció (GP) Dipól-dipól elrendezés szerinti GP mérés vázlata
Gerjesztett polarizáció (GP) A GP-t jellemző mennyiségek Időtartományban az ún. látszólagos gerjeszthetőség értékét határozzuk meg η a = U(t 1) 100 [%] U(t 0 ) ahol U(t 0 ) a kikapcsolás t 0 pillanatában mért feszültség, U(t 1 ) pedig a kikapcsolás után, egy megfelelően megválasztott t 1 időpontban mért feszültség (általában 1 s < t 1 < 60 s). Frekvenciatartományban az ún. frekvenciaeffektust határozzuk meg a mérés alapján PFE = ρ a f1 ρ a f2 100 [%] ρ a f 2 ahol f 2 < f 1 < 10 Hz frekvenciák, a (f i ) pedig az i-edik frekvenciájú tápáram esetében mért feszültségből számított látszólagos fajlagos ellenállás.
Gerjesztett polarizáció (GP) A GP mérések alkalmazási lehetőségei Az érckutatás egyik leghatékonyabb eszköze. Különösen pirit, pirhotin, kalkopirit, galenit, magnetit, piroluzit, bornit és grafit szemcsék esetében jelentős a GP hatás. Az időtartománybeli GP lecsengési görbe alakja az ércesedés típusára (teléres, tömzsös, hintett) vonatkozó információt hordoz Hintett ércesedésnél is alkalmazható (más módszerek nem) Szénhidrogén telepek felett, a záróképződményekben gyakran jelentkező piritesedés GP hatása mérhető, és lehetőséget ad a telep kiterjedésének felszíni lehatárolására. Bauxit kutatásban a bauxithoz kapcsolódó hematittartalom ad lehetőséget a GP alkalmazására. Barnaszenekhez szingenetikus pirittartalom társulhat. Grafitosodott zónák (pl. vetők) kimutatására is alkalmas.
Gerjesztett polarizáció (GP) A GP mérések alkalmazási lehetőségei Vízkutatásban a GP-t az egyenáramú fajlagos ellenállás mérésekkel együtt alkalmazva (VESZ, HESZ) minősíthetők a rétegek: kis gerjeszthetőségű és kis fajlagos ellenállású agyagos rétegek, közepes gerjeszthetőségű és nagy fajlagos ellenállású víztelített, porózus, permeábilis homok rétegek (potenciális víztárolók), nagy gerjeszthetőségű és nagy fajlagos ellenállású kőzetlisztes, agyagos homok rétegek kis porozitással és permeabilitással.
Gerjesztett polarizáció és egyenáramú fajlagos ellenállás mérések együttes alkalmazása vízkutatásban A legjobb vízadó réteg agyagmentes, tehát membránpolarizációt nem mutat. A legjobb vízadó réteget jelen esetben a 2-es fúrás harántolja, míg a 3-as a legrosszabb. Baloldalon látszólagos fajlagos ellenállás, jobboldalon pedig látszólagos gerjeszthetőség térképek. Forrás:Elgi, 2002.