ΓΕΝΙΚΑ

Τα ρήγματα στο υπόβαθρο συμβαίνουν πολλές φορές σε βραχώδη υλικά τα οποία δεν είναι ικανά να προσαρμοσθούν στις τάσεις που τους επιβάλλονται από τα υπερκείμενα στρώματα. Οι άργιλοι ρηγματώνονται πολύ λιγώτερο από τους σκληρούς σχηματισμούς όπως είναι οι ασβεστόλιθοι και τα μεταμορφωμένα πετρώματα. Οι ασβεστόλιθοι επιπλέον μπορούν να δημιουργήσουν κοιλότητες και ρωγμές στον όγκο τους από διάλυση, πλην των ρηγματώσεων που μπορούν να έχουν.

Επειδή  με γεωφυσικές μεθόδους είναι μάλλον αδύνατο ή σπάνιο να εντοπισθούν μεμονωμένες διαρρήξεις εκτός εάν έχουν πολύ μεγάλο μέγεθος, οι γεωφυσικοί στόχοι επικεντρώνονται σε περιοχές διαρρήξεων που καλούνται συνήθως ζώνες διάρρηξης. Ασθενείς ζώνες μέσα στο υπόβαθρο είναι εκείνες οι περιοχές όπου η βραχομάζα δεν μπορεί να υποστηρίξει σημαντικές δυνάμεις συμπίεσης χωρίς να παραμορφωθεί. Ασθενείς ζώνες μπορούν να εμφανισθούν εκεί όπου η επιφάνεια του υποβάθρου αποτελείται από μια σειρά από κεκλιμένα στρώματα και μέσα σε αυτά υπάρχουν κάποιες αδύναμες στρώσεις. Τα μεταμορφωμένα πετρώματα εμφανίζουν ασθενείς ζώνες λόγω της διαφοράς στην διάβρωση. Επιπλέον, αργιλλικά στρώματα κάτω από βραχομάζα μπορούν να αποτελέσουν ασθενείς ζώνες. Περιπτώσεις τέτοιων στρωμάτων παρουσιάζονται στα γειτονικά σχήματα.

  (a) Επιφάνεια υποβάθρου που αποτελείται από μια σειρά από κεκλιμένα στρώματα

                              (b) Ασθενής ζώνη που περιλαμβάνει ένα λεπτό στρώμα ασβεστολίθου που υπέρκειται ενός ασθενούς αργιλλικού στρώματος

Οι γεωφυσικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται συχνά στον εντοπισμό ρηγμάτων ή ασθενών ζωνών στο υπόβαθρο. Γενικά τα ρήγματα περιέχουν υγρασία σε σχέση με τον περιβάλλον συνεκτικό βραχώδες και κατά συνέπεια είναι ηλεκτρικά αγώγιμα, καθώς επίσης έχουν και χαμηλώτερη ταχύτητα διάδοσης των σεισμικών κυμάτων. Οι ζώνες ρηγμάτων μπορούν να παρουσιάζουν τις εξής διαφορές στις φυσικές παραμέτρους σε σχέση με το μητρικό συνεκτικό βραχώδες στο οποίο ανήκουν:

1. Χαμηλώτερη ηλεκτρική αντίσταση (υψηλώτερη αγωγιμότητα)

2. Χαμηλώτερη σεισμική ταχύτητα  Lower seismic velocity.

3. Τοπογραφικά «βυθίσματα» που έχουν προκληθεί από την ρηγμάτωση ή τη διάβρωση.

Επιπλέον, η ρηγμάτωση μπορεί να προκαλέσει διάχυση (scattering) του σεισμικού ή ηλεκτρομαγνητικού (GPR) κύματος. Είναι επίσης πιθανόν αυτές οι περιοχές να έχουν χαμηλώτερες τιμές πυκνότητας που θεωρητικά προκαλούν βαρυτικές ανωμαλίες.  Ας σημειωθεί όμως ότι η επεξεργασία με βαρυτικές μεθόδους είναι αρκετά επίπονη και δύσκολη.

Αυτές οι παράμετροι ισχύουν επίσης και στις περιπτώσεις ασθενών ζωνών. Στην περίπτωση ασθενών ζωνών, η χαρτογράφηση απαιτεί την μέτρηση της κατακόρυφης μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης ή σεισμικής ταχύτητας παρά την οριζόντια μεταβολή όπως γίνεται στην περίπτωση των ζωνών διάρρηξης. Παρακάτω περιγράφονται οι συνήθεις μέθοδοι χαρτογράφησης των ζωνών αυτών.

Μέθοδος της Σεισμικής διάθλασης

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος της σεισμικής διάθλασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αναγνώριση ρηγμάτων και ασθενών ζωνών στο υπόβαθρο. Η μέθοδος απαιτεί μια σεισμική πηγή, συνήθως σφύρα για τα πρώτα 15 μ ή πυρίτιδα για βάθη μέχρι 30 μ. Τα σεισμικά κύματα διεισδύουν στο επιφανειακό κάλυμμα και διαθλώνται επάνω στην επιφάνεια επαφής του καλύμματος με το υπόβαθρο. Καθώς ταξιδεύουν επάνω στην επιφάνεια επαφής στέλνουν διαρκώς κύματα προς την επιφάνεια του εδάφους. Τα κύματα αυτά καταγράφονται από τα γεώφωνα που τοποθετούνται στην επιφάνεια του εδάφους. P και S κύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην μέθοδο σεισμικής διάθλασης αν και κατά κανόνα χρησιμοποιούνται τα P κύματα.

Στο διπλανό σχήμα φαίνεται η διάταξη, τα κύρια σεισμικά κύματα που δημιουργούνται και το διάγραμμα χρόνου – απόστασης που προκύπτει.

Προφίλ για ζώνες ρηγμάτων είναι κατά τι διαφορετικά από τις κλασσικές εφαρμογές διάθλασης. Οι ζώνες ρηγμάτων στο υπόβαθρο αλλοιώνουν την μορφή των πρώτων αφίξεων στα σεισμογράμματα δημιουργώντας χρονικές μετατοπίσεις όπως εξ άλλου φαίνεται και στην διπλανή εικόνα. Σε αυτή φαίνεται ότι τα πλάτη κυματομορφών των γεωφώνων 2 και 3 έχουν μειωθεί λόγω της ύπαρξης του κενού στην ζώνη του υποβάθρου.

Σεισμική διάθλαση επάνω σε ζώνη ρηγμάτων.

Επιπλέον, εκτός από τα Ρ, τα S κύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την  εξακρίβωση ζωνών ρηγμάτων.

Συλλογή δεδομένων: Ο σχεδιασμός μιας τομής διάθλασης με χρήση Ρ κυμάτων απαιτεί πολύ καλή αντίληψη του αναμενομένου υποβάθρου και καλύμματος. Με την πληροφορία αυτή, ταχύτητες μπορούν να αντιστοιχισθούν στα στρώματα αυτά και να κατασκευασθεί ένα μοντέλο πριν γίνουν οι μετρήσεις (συνθετικό σεισμογράφημα).

Επεξεργασία δεδομένων: Σε πρώτη φάση πρέπει να απομονωθούν οι πρώτες αφίξεις από τα σεισμογράμματα. Οταν γίνει αυτό, τότε τα στοιχεία μπαίνουν σε λογισμικό προς επεξεργασία.

Αξιολόγηση αποτελεσμάτων:Η αξιολόγηση είναι κυρίως οπτική (παρατήρηση).

Πλεονεκτήματα: Πολύ καλή ανάλυση στις ζώνες ρηγμάτων

Περιορισμοί: Πρέπει να θεωρηθεί αυτονόητο ότι βασική προϋπόθεση είναι να φθάσουν τα κύματα στην διεπιφάνεια ιζημάτων – υποβάθρου. Ο υδροφόρος ορίζοντας μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα αν είναι πάνω από την επιφάνεια αυτή.

Μέθοδος του υπεδαφίου ραντάρ

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος του υπεδαφίου ραντάρ μπορεί να χρησιμοποιηθεί στηναναγνώριση ρηγμάτων στο υπόβαθρο εάν οι τοπικές συνθήκες το επιτρέπουν. Για να υπάρξουν αποτελέσματα θα πρέπει το υπόβαθρο και η ασθενής ζώνη μέσα σε αυτό να έχει διαφορετική διηλεκτρική σταθερά από το περιβάλλον της γεγονός που κατά κανόνα συμβαίνει.

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.

Σύστημα Ground Penetrating Radar

Τρόπος εφαρμογής: Οι μετρήσεις GPR γίνονται με την κεραία να σέρνεται επάνω στο έδαφος με ένα κανονικό βήμα. Ο καταγραφέας καταγράφει τα δεδομένα στη μνήμη και τα παριστά συγχρόνως και σε μία 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. Επιπλέον εάν η ζώνη διαρρήξεων είναι κορεσμένη με νερό τότε αυτό αμέσως θα φανεί στις καταγραφές σαν μια σημαντική μείωση του πλάτους του σήματος λόγω της απορρόφησης του στη ζώνη αυτή.

Στην διπλανή εικόνα φαίνεται ένα προφίλ GPR επάνω σε μια ζώνη διάρρηξης. Στην περίπτωση αυτή το βάθος υποβάθρου είναι σχετικά μικρό και οι ρωγμές φαίνονται σε μια τομή της οδού. Εδώ η διάρρηξη είναι υπο-οριζοντία και φαίνεται σαν ένας ανακλαστήρας.

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 θωρακισμένεςς 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.

Η ηλεκτρομαγνητική μέθοδος VLF (πολύ χαμηλής συχνότητας)

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος VLF είναι μια ηλεκτρομαγνητική τεχνική που χρησιμοποιεί ισχυρότατους σταθμούς εκπομπής στρατιωτικών σημάτων στις ζώνες μεταξύ 15 και 30 ΚΗΖ. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθούν κορεσμένες ζώνες σε κάποια κλίση ως προς το έδαφος στις οποίες το πρωτογενές ηλεκτρομαγνητικό πεδίο «επάγει» ένα ηλεκτρικό ρεύμα χαμηλής έντασης. Το πεδίο που εκπέμπεται από ένα πομπό VLF επάνω σε ένα ομογενές έδαφος συνίσταται από δύο συνιστώσες, μία κάθετη στο έδαφος ηλεκτρική συνιστώσα και μια οριζόντια μαγνητική συνιστώσα. Οι μετρήσεις VLF μετρούν τις δύο αυτές συνιστώσες, την κάθετη και την οριζοντία οι οποίες ονομάζονται tilt και ellipticity. Οποιαδήποτε παραμόρφωση στις σταθερές τιμές των δύο αυτών μεγεθών (συνήθως μηδενικές όταν δεν υπάρχει επηρρεασμός από την φύση του υπεδάφους) ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική ανωμαλία και υπονοεί την ύπαρξη κάποιας υπόγειας δομής.

Το βάθος έρευνας μπορεί να φθάσει και τα 100 μέτρα.

Συλλογή δεδομένων: Η μετρήσεις που κάνει η GEOSERVICE είναι πλήρως αυτοματοποιημένες και οργανώνονται από το ειδικό όργανο που διαθέτει (ABEM WADI). Γίνονται κατά μήκος προφίλ δύο διαστάσεων (κάνναβος) με βήμα μετρήσεων συνήθως 10 μέτρα. Τα δεδομένα καταγράφονται στο όργανο και εξάγονται για επεξεργασία μέσω σειριακής σύνδεσης (RS232) με ΗΥ.

Επεξεργασία δεδομένων: Τα δεδομένα δεν χρειάζονται ιδιαίτερη επεξεργασία αφού αυτή γίνεται μέσα στο ίδιο το όργανο. Εάν βρεθούν ρήγματα ή δομές, το όργανο δίνει με ειδική υπορουτίνα που διαθέτει την κλίση και το βάθος των ως προς την επιφάνεια του εδάφους.

Η μορφή μιας ηλεκτρομαγνητικής ανωμαλίας όπως καταγράφεται στο όργανο, η οποία σημειωτέον προκαλείται από μια αγώγιμη δομή μέσα στο έδαφος, φαίνεται στο διπλανό σχήμα.

Πλεονεκτήματα: Πολύ γρήγορη και οικονομική μέθοδος για προσδιορισμό ρηγμάτων

Περιορισμοί: Προβληματική όσον αφορά τις διευθύνσεις των προφίλ. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου δεν γίνεται να μετρηθούν προφίλ λόγω ανυπαρξίας σταθμών εκπομπής στην θέση μέτρησης.

Μέθοδοι για χαρτογράφηση των ρηγμάτων

Όπως σε κάθε γεωφυσική μέθοδο, τα ρήγματα θα πρέπει να παρουσιάζουν κάποια φυσική ιδιότητα που να μπορεί να εξακριβωθεί (μετρηθεί) από την επιφάνεια του εδάφους έτσι ώστε να γίνονται αντιληπτά. Συνήθως τα ρήγματα στο υπόβαθρο περιέχουν περισσότερη υγρασία από τον συνεκτικό όγκο του βραχώδους και επομένως είναι ηλεκτρικά περισσότερο αγώγιμα. Εμφανίζονται επίσης με χαμηλή σεισμική ταχύτητα σε σχέση με το συνεκτικό βραχώδες. Σε κάποιες περιπτώσεις, δεδομένου του ότι οι ρηγματωμένες περιοχές υφίστανται πιό εύκολα την διάβρωση (ή διάλυση) , εμφανίζονται και σαν τοπογραφικά «βυθίσματα» μέσα στο συνολικό περιβάλλον. Η εικόνα δίπλα εξηγεί κάποιες από τις παραπάνω έννοιες.