Geofizyka inżynierska
Geofizyka inżynierska zajmuje się gospodarczym zastosowaniem badań geofizycznych do rozpoznania budowy geologicznej. Metody geofizyki inżynierskiej są wykorzystywane do badania górotworu w bardzo szerokim zakresie głębokościowym, od powierzchni do kilkudziesięciu kilometrów w głąb. Istotne, żeby nie utożsamiać geofizyki inżynierskiej tylko z głębokością, np. z płytkimi badaniami geofizycznymi typu MASW (analiza fal powierzchniowych) o małym zasięgu głębokościowym, a z jej celem, tj. oceną górotworu do celów inżynierskich, innych niż przemysł naftowy czy rozpoznanie budowy głębokiego podłoża, niezwiązanego z dokumentowaniem złóż kopalin.
Metody obrazowania budowy geologicznej za pomocą geofizyki inżynierskiej zaadaptowano do rozwiązywania zagadnień inżynierskich związanych z szeroko rozumianym budownictwem, urbanizacją i transformacją energetyczną bez względu na ich głębokość.
To czym się zajmujemy na co dzień ma związek gównie z rozpoznaniem warunków geologiczno-inżynierskich, hydrogeologicznych, identyfikacją niekorzystnych procesów i zjawisk, a także oszacowania parametrów fizyczno-mechanicznych ośrodka gruntowo-skalnego na potrzeby budownictwa, planowania przestrzennego oraz zagospodarowania przestrzeni podziemnej.
Dużą część naszej działalności stanowią prace, w których za pomocą badań geofizycznych staramy się rozpoznać lub uszczegółowić budowę geologiczną np. dla opracowania Szczegółowych map geologicznych Polski w skali 1:50 000, Szczegółowych map geologicznych Sudetów w skali 1:25 000, czy Szczegółowych map geologicznych Rejonu Świętokrzyskiego w skali 1: 25 000.
Zajmujemy się także wdrażaniem nowych technik pomiarowych, poprzez prace koncepcyjne i projekty badawcze.
Jesteśmy autorami kilku instrukcji, wytycznych, monografii i artykułów, gdzie staramy się opisywać w sposób praktyczny możliwe zastosowania metod geofizyki inżynierskiej.
Metody badań geofizycznych
Prace geofizyczne które wykonujemy to 5 grup metod badawczych w skład których wchodzą różne techniki pomiarowe.
W obrębie każdej grupy najczęściej występuje kilka metod, a każda metoda może charakteryzować się jeszcze różnego rodzaju kombinacjami, co powoduje, że katalog metod badań jest bardzo szeroki.
METODY GEOELEKTRYCZNE - ELEKTROOPOROWE (GRUPA I)
Ich efektem jest określenie oporności elektrycznej podłoża z zastosowaniem prądu stałego; do tej grupy zaliczono też badania polaryzacji wzbudzonej, ponieważ zawsze są wykonywane z badaniami elektrooporowymi (np. VES, ERT)
Metoda powierzchniowa
- VES - pionowe sondowania elektrooporowe
- VES-IP - pionowe sondowania elektrooporowe z polaryzacją wzbudzoną
- PE - profilowania elektrooporowe
- ERT - tomografia elektrooporowa
- ERT-IP - tomografia elektrooporowa z polaryzacją wzbudzoną
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Głębokosc prospekcji jest zwiążana z długością rozstawu pomiarowego. Maks. głębokosć rozpoznania wynowsi 20-25% odległości między skrajnymi elektrodami zasilającymi. Dokładnosc rozpoznania spada wraz z głębokością. Interpretację wyników badań proweadzi się na bazie przekrojów geoelektrycznych. Opiera się ona o bezpośrednie wyznaczenie wyzanczenie stref o różnych parametrach elektrycznych i przyporządkowanie tych stref do obiektów geologicznych lub geotechnicznych.
Ograniczenia
Metody elektrooporowe są stosunkowo odporne na zakłócenia w stosunku do innych metod geofizycznych. Jednak może zachodzić interferencja między aparaturą pomiarową, a polem elektromagnetycznym pochodzącym z innych źródeł (np. linii elektromagnetycznych). Wiele błędów wiąże się z występowaniem w gruncie i na powierzchni antropogenicznych elementów przewodzących np. metalowe rury, nieizolowane kable.
Metoda otworowa
- EBL - otworowe pomiary elektrooporowe
- VEP - pionowe profilowania elektrooporowe
- XBERT - międzyotworowe prześwietlania elektrooporowe
- BERT - tomograficzne prześwietlanie elektrooporowe
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Prześwietlania elektrooporowe. Badania wykonuje się między otworami wiertniczymi lub między otworem a powierzchnią terenu. Impuls elektryczny generowany przez parę elektrod tworzy pole elektryczne w podłożu. Pozostałe elektrody systemu pomiarowego próbkują powstałe pole elektryczne, mierząc lokalne napięcie i natężenie tego pola. Na podstawie serii pomiarów można odtworzyć rozkład pola elektrycznego i opisać je w kategoriach oporności elektrycznej. Przy możliwości kalibracji wyników z profilem litologicznym z otworów można z dużą dokładnością określić rozkład ciał (warstw, gniazd rud, stref spękań itp.) w płaszczyźnie pomiędzy otworami.
Ograniczenia
Przy wykonaniu prześwietlań elektrooporowych musi zostać zastosowana szczególna konstrukcja otworu. Rury okładzinowe nie mogą być wykonane z przewodnika (metalu), ponieważ dojdzie do zwarć, a równocześnie nie mogą izolować elektrycznie otworu od otoczenia skalnego. W praktyce sprowadza się to do tego, że badania takie mogą być wykonane jedynie w otworach niezarurowanych. Wymagania techniczne w stosunku do konstrukcji otworu faktycznie wykluczają możliwość wykonania takich badań w gruntach sypkich i znacznie ograniczają możliwość badań w gruntach innych niż skały lite.
METODY GEOELEKTRYCZNE - ELEKTROMAGNETYCZNE (GRUPA II)
Ich efektem jest określenie oporności elektrycznej (lub przewodności) podłoża z zastosowaniem zmiennych pól elektromagnetycznych.
Metoda powierzchniowa
- TEM - sondowania elektromagnetyczne
- VLF - profilowania elektromagnetyczne niskich częstotliwości
- GCM - profilowania konduktometryczne
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Pomiary konduktometryczne wykonuje się zwykle wzdłuż linii pomiarowych z założonym krokiem pomiarowym. Zwykle krok ten jest gęsty, nawet poniżej 1 m. Realna głębokość rozpoznania dla metody konduktometrycznej wynosi do kilku metrów. Zastosowanie metod elektromagnetycznych (przede wszystkim konduktometrii) z uwagi na mierzone parametry jest zbliżone do zastosowania metod elektrooporowych. Różnica między zastosowaniami jest związana z płytką penetracją metody konduktometrycznej, oraz znacznie większą szybkością wykonywania badań. Dlatego też badania elektromagnetyczne mają większe zastosowanie do wstępnego mapowania zmienności litologicznej na większych powierzchniach, niż pozyskiwanie informacji wgłębnej.
Ograniczenia
Głównym czynnikiem ograniczającym w badaniach elektromagnetycznych jest występowanie w podłożu i na powierzchni antropogenicznych elementów metalowych.
METODY GEOELEKTRYCZNE - GEORADAROWE (GRUPA III)
Na podstawie odbicia fali elektromagnetycznej określa się względną przenikalność elektryczną warstw, co umożliwia wyznaczenie ich granic.
Metoda powierzchniowa
- GPR - georadar
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Zwykle w badaniach podłoża gruntowego stosuje się częstotliwości w zakresie 100 do 500 MHz, a krok pomiarowy zależy od oczekiwanej dokładności horyzontalnej. Maksymalny zasięg metody przy sprzyjających warunkach gruntowych nie przekracza kilku metrów. Badania nie dają bezpośrednich informacji na temat parametrów fizycznych, a jedynie pozwalają na wyznaczenie granic pomiędzy warstwami o różnej przenikalności elektrycznej, lub określenia położenia obiektów o wysokiej względnej przenikalności elektrycznej – np. metalowych przewodów. Najważniejsze zastosowanie metody koncentruje się na wykrywaniu przebiegu instalacji (przewodów, rur) czy starych fundamentów. Za pomocą metody georadarowej możliwe jest również wykrywanie granic składu ośrodka, jak spągu nasypów, warstwowań sedymentacyjnych czy stref spękań w ośrodku skalnym.
Ograniczenia
Główne ograniczenia wiążą się z ekranującym efektem materiałów o niskiej oporności elektrycznej, zarówno materiałów naturalnych (skał, osadów i zasolonych wód gruntowych), jak i pochodzenia antropogenicznego, przede wszystkim elementów metalowych. Obecność w podłożu glin lub iłów właściwie uniemożliwia badania radarowe nawet na nieznaczną głębokość. Silny wpływ elementów metalowych ogranicza możliwości rozpoznania podłoża pod np. gęsto zbrojonym betonem.
Metoda otworowa
- BGPR - otworowe pomiary georadarowe
- VRP - pionowe profilowania georadarowe
- XBGPR - międzyotworowe prześwietlania georadarowe
- BRT - tomograficzne prześwietlanie georadarowe
Badania georadarowe z wykorzystaniem otworu (otworów) wiertniczego wymagają wykorzystania specjalnych anten przystosowanych do wprowadzania do otworu. Zastosowania georadaru otworowego są ograniczone prawie wyłącznie do otworów w skałach litych, przede wszystkim do określania stref spękań i pustek.
METODY SEJSMICZNE (GRUPA IV)
Wykorzystują pomiar prędkości fal sejsmicznych do określenia położenia granic warstw gruntów i skał oraz wyznaczania parametrów sprężystości ośrodka gruntowo-skalnego.
Metoda powierzchniowa
- MASW - wielokanałowa analiza fal powierzchniowych
- SASW - analiza spektralna fal powierzchniowych
- CSWS - ciągła analiza fal powierzchniowych (wyniki 1D)
- SRP - sejsmiczne profilowania refrakcyjne
- SRT, SRT-P, SRT-S - sejsmiczna tomografia refrakcyjna, fali P, fali S
- SR - sejsmika refleksyjna
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
W badaniach sejsmicznych stosuje się wielokanałowe sejsmografy, o co najmniej 24 kanałach. Aparatury te rejestrują amplitudę drgań w funkcji czasu dla serii czujników (hydrofonów, geofonów niskoczęstotliwościowych) rozmieszczonych wzdłuż linii pomiarowej. Zwykle dla badań przyjmuje się krok pomiarowy (rozmieszczenie odbiorników) od 1 do 5 m. Metody sejsmiczne mają największe zastosowanie przy bezpośrednim określeniu zmienności parametrów mechanicznych podłoża gruntowego, w szczególności parametrów odkształceniowych. Na podstawie badań można wyznaczyć np.strefy rozluźnień w gruncie, zasięg gruntów słabonośnych, czy obecność takich stref zniszczenia struktury skał jak powierzchnia poślizgu w osuwisku.
Ograniczenia
Metody sejsmiczne są stosunkowo czułe na zakłócenia zewnętrzne, szczególnie z zakresu fal akustycznych niskich częstotliwości (poniżej 100–200 Hz). Z tego względu badania w sąsiedztwie dróg, w miastach czy na obszarach przemysłowych są utrudnione i czasami muszą być prowadzone w nocy. Zakłócenia akustyczne mają również źródła naturalne, jak silny wiatr, deszcz czy falowanie. Zwykle można wyeliminować wpływ zakłóceń odpowiednio dobierając rodzaj źródła, odbiorników czy stosowanie procedur filtracji, jednak w niektórych sytuacjach przeprowadzenie badań jest niemożliwe. Odbiorniki używane w badaniach sejsmicznych (geofony) są również czułe na zakłócenia elektromagnetyczne, szczególnie generowane przez linie energetyczne o złym ekranowaniu.
Metoda otworowa
- UH, UH-P, UH-S - pionowe profilowania sejsmiczne UH, fali P, fali S, (ang. up-hole)
- DH, DH-P, DH-S - pionowe profilowania sejsmiczne DH, fali P, fali S, (ang. down-hole)
- CH, CH-P, CH-S - międzyotworowe prześwietlania sejsmiczne CH, fali P, fali S (ang. cross-hole)
- PSL - otworowe pomiary sejsmiczne fali P, fali S (P-S suspension logging)
Sejsmika międzyotworowa (crosshole) W badaniach wykorzystuje się pomiar prędkości fal w warstwie podłoża pomiędzy dwoma punktami w głębi ziemi, przeważnie umieszczonymi na tej samej głębokości między otworami wiertnicznymi. W jednym z otworów umieszcza się źródło fal, w drugim odbiornik fal (geofon wieloskładnikowy). Znając drogę i czasprzejścia fali, można wyznaczyć uśrednioną prędkość przemieszczania się fal sejsmicznych. W badaniach sejsmiki międzyotworowej przyjmuje się założenie o jednorodnym rozkładzie pola prędkości w warstwach i w efekcie otrzymuje się jednowymiarowy profil prędkości dla badanych otworów, pozwalający określić parametry mechaniczne podłoża.
Prześwietlania sejsmiczne (seismic tomography) to metoda będąca rozszerzeniem sejsmiki międzyotworowej, choć badania można wykonywać np. między tunelami, wkopami czy ścianami obiektów inżynierskich. W przypadku prześwietlań sejsmicznych stosuje się rejestrację wielokanałową – punkty wzbudzania fal i punkty odbioru rozmieszcza się z dużym zagęszczeniem na różnej głębokości. Badany obiekt jest pokryty licznymi promieniami sejsmicznymi, także krzyżującymi się. Dla każdego z promieni wyznacza się uśrednioną prędkość fali sejsmicznej i numerycznie dopasowuje się model rozkładu prędkości w przestrzeni 2D lub 3D. Metoda daje precyzyjny obraz rozkładu fali (przeważnie fali P) w badanej przestrzeni.
Pionowe sondowania sejsmiczne, potocznie nazywane up-hole lub down-hole zależnie od konfiguracji układu źródło–odbiornik, jest badaniem z zastosowaniem fal bezpośrednich P lub S, mające na celu określenie rozkładu wartości prędkości w profilu pionowym. W badaniach wykorzystuje się otwory wiertnicze, w których umieszcza się serię odbiorników sejsmicznych, natomiast źródło sejsmiczne (zwykle impulsowe) umieszcza się na powierzchni gruntu. W efekcie badań otrzymuje się wykres prędkości fal dla poszczególnych interwałów głębokości. Badania można wykonać także, umieszczając odbiornik na powierzchni terenu, a źródło – w otworze wiertniczym.
METODY PÓL POTENCJALNYCH (GRUPA-V)
W których w zależności od rodzaju pól potencjalnych na podstawie:
- wartości całkowitego natężenia pola magnetycznego rozpoznaje się obecność ciał o właściwościach ferromagnetycznych – metody magnetometryczne,
- wartości natężenia siły ciężkości określa się zmiany w rozkładzie mas (anomalie rozkładu mas) w ośrodku gruntowo-skalnym – metody grawimetryczne.
Metoda powierzchniowa
- MAG, gMAG - magnetometria (magnetyka), magnetometria radientowa
- GRAV - grawimetria
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Metoda grawimetryczna jest stosowana w rozpoznaniu podłoża gruntowego głównie w celu wyznaczania stref występowania pustek-jaskiń, wymyć sufozyjnych, starych sztolni, lub stref rozluźnień związanych ze szkodami górniczymi. Krok pomiarowy badań grawimetrycznych musi odpowiadać wielkości występujących w podłożu anomalii. Przeważnie stosuje się krok pomiarowy rzędu pojedynczych metrów. Technikę taką określa się zwykle mianem mikrograwimetrii.
Ograniczenia
Badania grawimetryczne są czułe na wibracje docierające z otoczenia. Dodatkowo badania wymagają stosunkowo dużego kontrastugęstościowego, co powoduje, że ich stosowanie w przypadkach rozpoznania podłoża gruntowego o naturalnej ciągłości jest często nieuzasadnione.
Przydatność badań geofizycznych
Do rozwiązywania problemów geologiczno-inżynierskich wskazane jest wykorzystywanie kilku metod geofizycznych opartych na różnych podstawach fizycznych. Przykładem może być wykorzystanie w badaniu fliszu metody elektrooporowej, umożliwiającej określenie litologii oraz metody sejsmicznej, określającej stopień zaangażowania tektonicznego.
Do określenia głębokości stropu skał można zastosować następujące metody:
- sejsmiczne badania refleksyjne – wzrost twardości akustycznej na stropie skał daje silne odbicie fal sejsmicznych,
- sejsmiczne badania refrakcyjne – wzrost prędkości fal sejsmicznych na stropie skał daje w efekcie ostrą granicę refrakcyjną,
- badania elektrooporowe (tomografia elektrooporowa, sondowania elektrooporowe, sondowania elektromagnetyczne) – skały zwykle charakteryzują się wyższą opornością (uwaga na iły starsze niż czwartorzędowe, które będą charakteryzowały się niskimi opornościami),
- badania grawimetryczne – skały zwykle mają większą gęstość objętościową niż grunty czwartorzędowe, płytsze położenie skał o większej gęstości daje dodatni efekt grawitacyjny,
- badania magnetyczne – w przypadku skał krystalicznych zwykle występuje wyższa podatność magnetyczna; płytsze położenie stropu skał krystalicznych spowoduje wzrost amplitud anomalii pola magnetycznego.
W wielu przypadkach korzystniej jest zastosować więcej niż jedną metodę badań geofizycznych w celu ograniczenia niepewności interpretacji, jednak w przypadku badań przemysłowych czynnikami ograniczającymi możliwość stosowania dowolnej liczby badań są koszty oraz czas ich wykonania.
W wyniku analizy kosztów i efektów badań, do rozwiązania danego zagadnienia może zostać użyta metoda, która nie jest najbardziej precyzyjną i optymalną z teoretycznego punktu widzenia. Przykładem może być zadanie polegające na określeniu położenia i rozprzestrzenienia pustek w podłożu. Teoretycznie najlepszą metodą, która pozwala na precyzyjne okonturowanie pustek, jest metoda grawimetryczna. Prawidłowe rozpoznanie strefy anomalii grawimetrycznej wymaga jednak wykonania badań grawimetrycznych w siatce mniejszej niż średnica pustki ibracje wynikające z oddziaływań antropogenicznych ograniczają możliwości pomiaru objęcie badaniami większego obszaru. Kampania pomiarowa, ze względu na pracochłonność jest kosztowna i zwykle stosunkowo długotrwała. Wibracje wynikające z oddziaływań antropogenicznych ograniczają możliwości pomiaru dlatego trudno wyobrazić sobie zatrzymanie budowy na czas badań lub oczekiwanie na efekty badań w sytuacji awarii budowlanej spowodowanej obecnością pustek. W takim przypadku można wykorzystać inne metody geofizyczne, które nie są wrażliwe na oddziaływania antropogeniczne.
Szczegółowe badania elektrooporowe zarejestrują pustą przestrzeń, jako obiekt szczególnie wysokooporowy lub będą to strefy silnych gradientów w rozkładzie wartości oporności, a wysokorozdzielcze badania sejsmiczne, jako strefę dużego, dynamicznego znacznego spadku prędkości fal sejsmicznych. W rzeczywistości linie pola elektrycznego i fale sejsmiczne nie propagują przez pustkę, dopiero na etapie przetwarzania danych jest przygotowywany nieprecyzyjny w sensie fizycznym model geologiczny. Szybkość wykonania badań elektrooporowych lub sejsmicznych i ich relatywnie niższy koszt, mogą uzasadniać zastąpienie nimi badań grawimetrycznych, które dają znacznie dokładniejsze wyniki.
