ΓΕΝΙΚΑ

Αυτό το τμήμα του ιστοχώρου αναφέρεται στον προσδιορισμό των βαθών υποβάθρου, θεμελίων καθώς και της δομής του. Το πρώτο τμήμα του χώρου αναφέρεται σε μεθόδους για την χαρτογράφηση του βάθους του υποβάθρου ενώ το δεύτερο αναφέρεται κυρίως σε τρόπους χαρτογράφησης ρηγμάτων μέσα σε αυτό.

Δυστυχώς καμμία γεωφυσική μέθοδος εκτός από το Υπεδάφιο Ραντάρ δεν μπορεί να δώσε μια ακριβή και αναλυτική εικόνα της εσωτερικής δομής του υποβάθρου. Γενικά, μόνο διαδοχικά στρώματα μπορούν να χαρτογραφηθούν με την γεωφυσική. Εν τούτοις, γεωφυσικές μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την χαρτογράφηση ρηγμάτων, κοιλοτήτων και άλλων γεωφυσικών στόχων οι οποίες και αναφέρονται αναλυτικά σε αυτό τον ιστοχώρο.

Πολλές από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στην χαρτογράφηση του βάθους υποβάθρου μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την χαρτογράφηση ρηγμάτων αφού η γενική θεωρία ισχύει και για τις δύο εφαρμογές. Είναι λοιπόν χρήσιμο να χωρισθεί αυτή η ενότητα σε δύο τμήματα. Το πρώτο τμήμα αναφέρεται στην βασική θεωρία κάθε μεθόδου και παρουσιάζει επιπλέον την εφαρμογή της στην περίπτωση του προσδιορισμού του βάθους υποβάθρου.

Το δεύτερο τμήμα αυτής της ενότητας θα αναφερθεί σε μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εντοπισθούν ρήγματα αλλά δεν θα αναφερθεί και πάλι στην θεωρία των μεθόδων αφού αυτή θα έχει παρουσιασθεί στο πρώτο τμήμα.

Μέθοδοι για την χαρτογράφηση της τοπογραφίας του υποβάθρου

Ο προσδιορισμός του βάθους υποβάθρου είναι ένας αρκετά κοινός γεωφυσικός στόχος. Καλό είναι πριν την εκλογή της μεθόδου να γίνεται μια εκτίμηση για το πιθανό βάθος έτσι ώστε να εκλέγεται σωστά η μέθοδος. Πολλές γεωφυσικές μέθοδοι είναι πιθανόν να μην μπορούν να διεισδύσουν στα επιθυμητά βάθη.

Συνήθως ως αποτέλεσμα των μεθόδων προκύπτει ένα προφίλ ισοβαθών υποβάθρου. Οι μέθοδοι που μπορούν να δώσουν το αποτέλεσμα αυτό είναι οι ακόλουθες:

• 1.       Μέθοδος του Υπεδαφίου Ραντάρ

• 2.       Μέθοδος της Σεισμικής διάθλασης

• 3.       Μέθοδος της Σεισμικής Ανάκλασης

• 4.       Γεωηλεκτρική μέθοδος

Μέθοδος του υπεδαφίου ραντάρ (GPR)

Bασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος του υπεδαφίου ραντάρ μπορεί να χρησιμοποιηθεί εκεί που το βάθος υποβάθρου αναμένεται να είναι χαμηλό και το επιφανειακό κάλλυμα να μην περιέχει σημαντικά ποσοστά αργίλου. Εάν ισχύουν τα παραπάνω, τότε η διείσδυση μπορεί να είναι της τάξης κάποιων μέτρων ή δεκάδων μέτρων.  

Το όργανο μέτρησης αποτελείται από ένα καταγραφέα και δύο κεραίες, μια εκπομής και μια λήψης. Διάφορες κεραίες αντιστοιχούν και σε διαφορετικές συχνότητες. Χαμηλότερες συχνότητες δίνουν βαθύτερη διείσδυση αλλά μικρότερη ανάλυση ενώ συμβαίνει το αντίθετο με τις υψηλότερες συχνότητες. Παρακάτω φαίνεται η σύνθεση ενός συστήματος GPR.

Ο πομπός (transmitter) στέλνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα υψηλής συχνότητας που εισέρχονται μέσα στο έδαφος και ανακλώνται από τις διάφορες επιφάνειες ή σώματα με διαφορετική ιηλεκτρική σταθερά από το περιβάλλον τους. Τα ανακλώμενα κύματα συλλέγονται από τον δέκτη (receiver) και αποθηκεύονται στην μνήμη του καταγραφέα.

Σχήμα 2. Σύστημα Ground Penetrating Radar

Σχήμα 3. Σάρωση μιας περιοχής με κεραία 100 ΜΗΖ

Συλλογή δεδομένων: Οι μετρήσεις με γεωραντάρ γίνονται σύροντας την κεραία στην επιφάνεια του εδάφους με ένα κανονικό βήμα. Ο καταγραφέας (συνήθως PC) αποθηκεύει τα δεδομένα και παρουσιάζει επίσης μια εικόνα της καταγραφής σε μια οθόνη.

Επεξεργασία δεδομένων: Τα δεδομένα επεξεργάζονται σχεδόν σαν εκείνα ενός μονοκάναλου σεισμικού προφίλ ανάκλασης. Πολλών ειδών επεξεργασίες είναι δυνατές όπως φίλτρα για το θόρυβο, οριζόντια και κάθετη βαθμονόμηση, διορθώσεις ταχύτητας και πολλές άλλες. Πολλές φορές όμως δεν χρειάζεται και ιδιαίτερη επεξεργασία γιατί το υπόβαθρο φαίνεται αμέσως στα δεδομένα που καταγράφονται.

Πλεονεκτήματα: Η μέθοδος GPR είναι σχετικά γρήγορη μέθοδος και παρουσιάζει δεδομένα κατευθείαν στο ύπαιθρο.

Περιορισμοί: Ο μόνος περιορισμός της μεθόδου είναι το βάθος διείσδυσης το οποίο εξαρτάται ισχυρά από την περιοχή των μετρήσεων. Αργιλλικά υλικά στην επιφάνεια μειώνουν το βάθος διείσδυσης επειδή απορροφούν σημαντικά την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που εκπέμπεται. Χρήση κεραιών με μικρότερη συχνότητα, αυξάνει το βάθος, μειώνεται όμως και η ανάλυση. Οι θωρακισμένες κεραίες δίνουν καλύτερα αποτελέσματα γιατί η ενέργεια είναι κατευθυνόμενη και δεν λαμβάνονται ανακλάσεις παρά μόνο από το έδαφος. Αντίθετα οι μη θωρακισμένες κεραίες δίνουν πολλές ανακλάσεις από το χώρο και πρέπει να γίνεται πολύ προσεκτική ερμηνεία όταν χρησιμοποιούνται τέτοιου είδους κεραίες.

αρχή

ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος της σεισμικής διάθλασης είναι μια από τις πλέον χρησιμοποιούμενες σήμερα μεθόδους για να βρεθεί το βάθος του υποβάθρου, ιδιαίτερα για βάθη μικρότερα των 30 μέτρων. Η μέθοδος απαιτεί την ύπαρξη μιας σεισμικής πηγής, συνήθως μια σφύρα για βάθη μικρότερα των 15 μέτρων ή πίπτον βάρος ή καψύλια για βάθη μέχρι 30 μέτρα. Τα σεισμικά κύματα που παράγονται από τη σεισμική πηγή διασχίζουν το επιφανειακό κάλυμμα και διαθλώνται κατά μήκος της επιφανείας του υποβάθρου. Κατά την διαδρομή τους στην επιφάνεια επαφής ιζημάτων – υποβάθρου, εκπεμπουν διαρκώς κύματα προς την επιφάνεια τα οποία καταγράφονται από ειδικούς αισθητήρες (γεώφωνα). Στην εικόνα φαίνεται η διάταξη υπαίθρου, η καταγραφή καθώς και ένας σεισμογράφος που καταγράφει τα σήματα.

Σχήμα 4. Σεισμική διάθλαση: διάταξη υπαίθρου και καταγραφέας

Συλλογή δεδομένων: Ο σχεδιασμός ενός προφίλ μετρήσεων σεισμικής διάθλασης απαιτεί μια καλή πληροφόρηση σχετικά με τις αναμενόμενες ταχύτητες διάδοσης των κυμάτων μέσα στα δύο μέσα (ιζήματα – υπόβαθρο). Με τον τρόπο αυτό, οι ταχύτητες μπορούν να αντιστοιχισθούν σωστά στα αντίστοιχα μέσα. Ακόμη, ανάλογα με τα ζητούμενα, θα πρέπει να αποφασισθεί η αόσταση μεταξύ των γεωφώνων καθώς και οι καλύτερες θέσεις για την δημιουργία των εκρήξεων.

Επεξεργασία των δεδομένων: Το πρώτο βήμα στην επεξεργασία δεδομένων σεισμικής διάθλασης είναι να μετρηθούν οι λεγόμενες «πρώτες αφίξεις». Μετά από αυτό ένα φτιάχνεται διάγραμμα με τους χρόνους άφιξης συναρτήσει της απόστασης μεταξύ γεωφώνων και σημείου έκρηξης. Αυτό λέγεται διάγραμμα χρόνου – απόστασης.  Στο σχήμα φαίνεται το διάγραμμα αυτό. Το κόκκινο τμήμα του διαγράμματος αντιστοιχεί στα κύματα που φθάνουν απευθείας από το σημείο έκρηξης στα γεώφωνα. Το πράσινο τμήμα αντιστοιχεί στα διαθλώμενα κύματα. Υπόψη ότι τα διαθλώμενα κύματα είναι πιό γρήγορα από τα ανακλώμενα που φτάνουν τελικά τελευταία. Αυτό συμβαίνει γιατί τα διαθλώμενα κύματα ταξιδεύουν με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα στην επιφάνεια επαφής ιζημάτων – υποβάθρου. Η επεξεργασία γίνεται με υπολογιστή με διάφορους τύπους λογισμικού.

Πλεονεκτήματα: Η μέθοδος της σεισμικής διάθλασης είναι πολύ αποτελεσματική για να δώσει το βάθος υποβάθρου γιατί κατά κανόνα υπάρχει μεγάλη διαφορά στις ταχύτητες διάδοσης των δύο μέσων. Επίσης η τοπογραφία του υποβάθρου δίνεται με σημαντική ακρίβεια (εξαρτάται βέβαια πάντοτε από την απόσταση μεταξύ γεωφώνων).

Περιορισμοί: Το πιό μεγάλο μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι απαιτεί τα διαδοχικά εις βάθος στρώματα να έχουν και προοδευτικά αυξανόμενες ταχύτητες διάδοσης. Αυτό όμως δεν συμβίνει πάντα με αποτέλεσμα μερικές φορές, στρώματα χαμηλών ταχυτήτων να μην γίνονται αντιληπτά στο προφίλ.

αρχή

ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ

Βασική αρχή λειτουργίας: Στην μέθοδο αυτή , μια σεισμική πηγή παράγει ένα σεισμικό κύμα το οποίο ταξιδεύει μέσα στο υπέδαφος. Σε επιφάνειες που έχουν μια διαφορά στην ταχύτητα διάδοσής του, ένα μέτρος του κύματος αυτού ανακλάται και επιστρέφει στην επιφάνεια και ένα άλλο μέρος ταξιδεύει βαθύτερα. Με τον τρόπο αυτό διαδοχικές ανακλάσεις εκπέμπονται από τα διαδοχικά γεωλογικά στρώματα από βαθιά σημεία προς την επιφάνεια και καταγράφονται σε ειδικούς αισθητήρες τα «γεώφωνα». Στην εικόνα φαίνεται η αρχή λειτουργίας της μεθόδου.

Η αρχή λειτουργίας της σεισμικής μεθόδου ανάκλασης

Συλλογή δεδομένων: Μια σειρά γεωφώνων απλώνεται στο έδαφος. Με εκρήξεις (σφύρα ή εκρηκτικά) σε τακτά διαστήματα κατά μήκος της γραμμής καταγράφονται οι αφίξεις των σειμσικών κυμάτων σε ένα καταγραφέα (σεισμογράφος). Τα προφίλ σεισμικής ανάκλασης απαιτούν συγκεκριμένη επιλογή του διαστήματος μεταξύ γεωφώνων και εκρήξεων ανάλογα με το πρόβλημα που ερευνάται. Ο αριθμός των καναλιών που χρειάζεται επιλέγεται ανάλογα με το επιθυμητό βάθος και την μορφή της υπόγειας πληροφορίας που πρόκειται να ανακτηθεί.

Επεξεργασία δεδομένων: Τα δεδομένα σεισμικής ανάκλασης μπορούν να επεξεργασθούν με πολλές τεχνικές. Αυτές πριλαμβάνουν φίλτρα, διορθώσεις ταχυτήτων καθώς και άθροιση (stacking) των καταγραφών που προέρχονται από ένα κοινό σημείο βάθους (Common Depth Point – CDP) της ανακλωμένης επιφανείας. Ο κύριος στόχος των τεχνικών αυτών είναι να δώσουν ένα σύνολο σεισμικών καταγραφών που να δίνουν όσο το δυνατόν πιό καθαρή την εικόνα της ανακλωμένης επιφανείας. Το αποτέλεσμα μιας σεισμικής επεξεργασίας είναι η γεωμετρία διαφόρων γεωλογικών οριζόντων  συναρτήσει του βάθους, μια ακριβής δηλαδή γεωλογική τομή του εδάφους.

Πλεονεκτήματα:  Η σεισμική ανάκλαση δεν χρειάζεται τόσο ισχυρή σεισμική πηγή όπως η σεισμική διάθλαση. Μπορεί επομένως να δώσει πληροφορία για μεγαλύτερα βάθη από εκείνα της διάθλασης.

Περιορισμοί: Η σεισμική ανάκλαση χρειάζεται συνήθως πολύ μεγάλο όγκο επεξεργασίας δεδομένων (processing time) και ισχυρούς υπολογιστές για τα αντίστοιχα λογισμικά.

αρχή

ΓΕΩΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ

Βασική αρχή λειτουργίας:Η μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθούν τα βάθη υποβάθρου εάν αυτό παρουσιάζει διαφορετική αντίσταση από τα υπερκείμενα υλικά, γεγονός που κατά κανόνα συμβαίνει. Υπάρχουν δύο κοινές μέθοδοι ηλεκτρικής αντίστασης. Κατακόρυφες διασκοπήσεις και προφίλ ηλεκτρικής αντίστασης. Τα προφίλ ηλεκτρικής αντίστασης χρησιμοποιούνται συνήθως για να βρεθούν οριζόντιες μεταβολές στην ηλεκτρική αντίσταση και όχι τόσο για να βρεθεί το βάθος υποβάθρου.

Συλλογή δεδομένων: Στην εικόνα φαίνεται η διάταξη που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης του εδάφους. Ηλεκτρικό ρεύμα διοχετεύεται με την χρήση δύο ηλεκτροδίων στα σημεία Α και Β. Η τάση που προκαλείται λόγω αυτού του ρεύματος μετράται στα ηλεκτρόδια Μ και Ν. Χρησιμοποιώντας το ποσοστό του ρεύματος που πέρασε μέσα από τα ηλεκτρόδια στο έδαφος, την τάση που μετρήθηκε και ένα γεωμετρικό συντελεστή που αλλάζει διαρκώς, υπολογίζεται η αντίσταση του εδάφους. Τα ηλεκτρόδια μετά, μετατοπίζονται μακρύτερα από το κέντρο και μια γίνεται μια νέα μέτρηση. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται με διαρκή αύξηση της απόστασης των ηλεκτροδίων Α και Β και παράλληλο υπολογισμό κάθε φορά της αντίστασης που αντιστοιχεί. Οι τιμές απόστασης – αντίστασης παρίστανται σε  ένα διάγραμμα όπως φάινεται και στην εικόνα. Σε μικρές αποστάσεις ηλεκτροδίων, η αντίσταση αντιστοιχεί σε εκείνη των ιζημάτων αφού το ρεύμα δεν έχει ακόμη φθάσει στο υπόβαθρο. Σε μεγαλύτερες αποστάσεις ηλεκτροδίων, η αντίσταση αντιστοιχεί σε εκείνη του υποβάθρου. Με ειδικό λογισμικό, οι πραγματικές αντιστάσεις και τα βάθη δίνονται σε διάγραμμα κατακόρυφης μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης (γεωηλεκτρική στρωματογραφία).

Πλεονεκτήματα: Η μέθοδος ηλεκτρικής αντίστασης δεν αοαιτεί τα διαδοχικά στρώματα να έχουν και αντίστοιχα αυξανόμενες ηλεκτρικές αντιστάσεις όπως η σεισμική μέθοδος διάθλασης. Η διαδικασία μέτρησης στο ύπαιθρο είναι πολύ εύκολη και πολύ γρήγορη.

Περιορισμοί: Η μέθοδος παρουσιάζει δυσκολία στις περιοχές όπου είναι δύσκολο να καρφωθούν τα ηλεκτρόδια στο έδαφος (κατοικημένες περιοχές, άσφαλτος, σκυρόδεμα). Επίσης σε στεγνά εδάφη, η επαφή των ηλεκτροδίων με το έδαφος πρέπει να ενισχύεται με νερό για να διοχετεύεται όσο το δυνατόν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια μέσα σε αυτό. Γενικά, για ένα βάθος Χ, η απόσταση των ηλεκτροδίων πρέπει να φθάσει τουλάχιστον στο 3Χ. Οριζόντιες μεταβολές της ηλεκτρικής αντίστασης μπορεί να επηρρεάσουν αυτό τον τύπο των κατακορύφων μετρήσεων, φαίνονται όμως κατά την επεξεργασία.

αρχή