Metody Geofizyczne - Przegląd i Aparatura

Zbiór pojęć z zakresu geofizyki stosowanej, obejmujący techniki elektrooporowe (ERT, VES), georadarowe (GPR), potencjały samoistne (SP), polaryzację wzbudzoną (IP) oraz konduktometrię (GCM).

Prawo Ohma w ujęciu polowym

Wzór wyrażający gęstość prądu jako iloczyn przewodności właściwej i natężenia pola elektrycznego: $J = \sigma E$

Oporność właściwa (\rho)

Parametr fizyczny, którego jednostką w układzie SI jest omometr: $\Omega \cdot m$

Przewodność właściwa (\sigma)

Odwrotność oporności właściwej, definiowana wzorem $\sigma = \frac{1}{\rho}$

Oporność pozorna (\rho_a)

Oporność, jaką wykazałby ośrodek jednorodny i izotropowy dla uzyskanych w pomiarze wartości $\Delta V$ i $I$ przy danym układzie elektrod.

Obliczanie oporności pozornej

Wzór z wykorzystaniem współczynnika geometrycznego $K$: $\rho_a = K \cdot \frac{\Delta V}{I}$

Układ elektrod Wennera

Układ, w którym odległości między sąsiednimi elektrodami (A-M-N-B) są równe i wynoszą zawsze $a$

Współczynnik geometryczny układu Wennera

Wartość określona wzorem $K = 2\pi a$ dla symetrycznego układu o rozstawie $a$

Układ Schlumbergera

Układ elektrod stosowany w sondowaniach VES, gdzie odległość między elektrodami MN jest znacznie mniejsza niż odległość AB i nie zmienia się przy każdym pomiarze.

Układ dipolowo-dipolowy (Dipole-dipole)

Układ charakteryzujący się największą rozdzielczością poziomą (boczną) oraz szybkim spadkiem amplitudy mierzonego napięcia wraz ze wzrostem odległości między dipolami.

Elektrody A i B

Elektrody służące do wprowadzania prądu (stałego lub niskiej częstotliwości) do ośrodka gruntowo-skalnego w badaniach ERT.

Głębokość penetracji w ERT

Parametr, który wzrasta wraz ze zwiększeniem odległości między elektrodami prądowymi, kosztem spadku rozdzielczości pomiaru.

ABEM Terrameter LS

System pomiarowy dedykowany do wielokanałowych profilowań ERT oraz polaryzacji wzbudzonej (IP).

SuperSting R8/IP

System pomiarowy pozwalający na jednoczesny pomiar na 8 kanałach potencjałowych.

Kable wielordzeniowe (multicore cables)

Okablowanie stosowane w ERT, które pozwala na automatyczne przełączanie funkcji poszczególnych elektrod za pomocą tzw. switchboxa.

Opór uziemienia elektrod (contact resistance)

Zbyt duża oporność na styku metalowej szpilki elektrodowej i gruntu, ograniczająca natężenie wprowadzanego prądu.

Metoda Potencjałów Samoistnych (SP)

Pasywna metoda geoelektryczna należąca do metod pola naturalnego.

Resistivity Imaging

Pojęcie odnoszące się do dwuwymiarowego (2D) lub trójwymiarowego (3D) obrazowania struktur geologicznych metodą ERT.

Głębokość rozpoznania układu Wennera

Teoretyczna wartość wynosząca w przybliżeniu $0.17 \cdot L$, gdzie $L$ to całkowita długość rozstawu.

Anizotropia elektrooporowa

Zjawisko, w którym oporność mierzona równolegle do uwarstwienia jest zazwyczaj mniejsza niż oporność mierzona prostopadle do niego.

Oporność podłużna (S_i)

Parametr definiowany jako stosunek grubości warstwy do jej oporności: $S_i = \frac{h_i}{\rho_i}$

Jednostka oporności podłużnej

Siemens ($S$)

Zjawisko równoważności (equivalence)

Sytuacja w interpretacji 1D, gdzie różne zestawy miąższości i oporności rzeczywistych mogą generować taką samą krzywą oporności pozornej.

Opór poprzeczny (T)

Parametr charakterystyczny dla cienkiej warstwy o wysokiej oporności, określony wzorem: $T = h \cdot \rho$

Modelowanie numeryczne w przód (forward modeling)

Proces obliczania teoretycznego rozkładu oporności pozornej dla zadanego modelu budowy geologicznej (np. w programie RES2DMOD).

Metoda Elementów Skończonych (FEM)

Metoda modelowania pozwalająca na dokładne odwzorowanie topografii terenu dzięki siatkom o trapezoidalnym lub trójkątnym kształcie komórek.

RMS (Root Mean Square error)

Średni błąd kwadratowy będący miarą dopasowania danych obliczonych z modelu do danych pomierzonych w terenie.

Damping factor

Współczynnik regularyzacji kontrolujący kompromis pomiędzy gładkością modelu a dokładnością dopasowania danych w procesie inwersji.

Inwersja Robust (L1-norm)

Typ inwersji dający modele o ostrych, wyraźnych granicach, idealny do mapowania uskoków.

Macierz czułości (jakobian)

Macierz zawierająca pochodne cząstkowe określające wpływ małej zmiany oporności rzeczywistej bloku na oporność pozorną na powierzchni.

Warunek Dirichleta

Warunek brzegowy zakładający, że potencjał elektryczny na zewnętrznych granicach modelu spada do zera.

Warunek Neumanna

Warunek brzegowy przyjmujący, że składowa normalna gęstości prądu na granicy powietrze-grunt wynosi zero (brak przepływu prądu do atmosfery).

Pseudo-sekcja (pseudo-section)

Graficzna prezentacja surowych danych oporności pozornej, gdzie głębokość punktu zależy od rozstawu elektrod.

Metoda georadarowa (GPR)

Metoda wykorzystująca fale elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości (zazwyczaj $10 \text{ MHz} - 1000 \text{ MHz}$).

Względna przenikalność dielektryczna (\varepsilon_r)

Parametr fizyczny decydujący o prędkości rozchodzenia się fali GPR; dla wody słodkiej wynosi około 81.

Współczynnik odbicia fali GPR (R)

Określony wzorem: $R = \frac{\sqrt{\varepsilon_{r1}} - \sqrt{\varepsilon_{r2}}}{\sqrt{\varepsilon_{r1}} + \sqrt{\varepsilon_{r2}}}$

CMP (Common Mid-Point)

Technika pomiarowa GPR polegająca na stopniowym odsuwaniu anteny nadawczej i odbiorczej od wspólnego punktu środkowego.

Fala DGW (Direct Ground Wave)

Bezpośrednia fala gruntowa biegnąca od nadajnika do odbiornika tuż pod powierzchnią gruntu.

Hiperbola dyfrakcyjna

Anomalia generowana na radargramach przez obiekty punktowe, wynikająca z szerokiej charakterystyki promieniowania anteny.

Dewow filter

Filtr służący do usuwania składowej stałej (trendu niskoczęstotliwościowego) z sygnału GPR.

Migracja (GPR)

Procedura matematyczna przemieszczająca pozorne refleksy w ich rzeczywiste położenie i skupiająca energię dyfrakcji w punkty.

Polaryzacja wzbudzona (IP)

Badanie zdolności ośrodka do tymczasowego gromadzenia ładunku elektrycznego (efekt kondensatora) pod wpływem przepływu prądu.

M (polaryzowalność)

Podstawowy parametr w metodzie IP w domenie czasu, wyrażany najczęściej w milisekundach ($ms$).

Streaming potentials

Potencjały elektrofiltracyjne powstające w wyniku przepływu wody porowej w ośrodku, co powoduje mechaniczne przemieszczanie jonów.

Elektroda niepolaryzująca się

Elektroda złożona z naczynia ceramicznego z metalowym rdzeniem w roztworze własnej soli (np. $CuSO_4$), stosowana w metodach SP i IP.

Konduktometria (GCM)

Bezkontaktowa metoda mierząca przewodność właściwą podłoża za pomocą indukcji elektromagnetycznej.

Prądy wirowe (eddy currents)

Prądy indukowane w przewodzącym gruncie pod wpływem pierwotnego pola magnetycznego nadajnika w metodzie GCM.

Składowa kwadraturowa (quadrature-phase)

Fragment pola wtórnego w GCM bezpośrednio proporcjonalny do przewodności pozornej ośrodka ($\sigma_a$).

Efekt naskórkowości (skin effect)

Zjawisko zmniejszania się głębokości wnikania pola elektromagnetycznego wraz ze wzrostem częstotliwości i przewodności ośrodka.

Przeliczanie przewodności na oporność

Zależność określona wzorem: $\rho = \frac{1000}{\sigma}$ (dla $\sigma$ w $mS/m$)

Prawo Archiego

Empiryczne prawo wiążące porowatość utworów piaszczysto-żwirowych z ich opornością właściwą: $\rho_0 = F \cdot \rho_w$

Krzywa typu H (VES)

Krzywa sondowania odpowiadająca układowi warstw o relacji oporności: $\rho_1 > \rho_2 < \rho_3$

Krzywa typu K (VES)

Krzywa sondowania odpowiadająca układowi warstw o relacji oporności: $\rho_1 < \rho_2 > \rho_3$