ΓΕΝΙΚΑ

Ο υδροφόρος ορίζοντας μπορεί να υπάρχει από την επιφάνεια του εδάφους μέχρι και σε πολλές εκατοντάδες μέτρα βάθος. Η ακριβής θέση της επιφανείς αυτής εξαρτάται από την γεωλογία στην περιοχή, την τοπογραφία και την βροχόπτωση. Σε ιζηματογενείς περιοχές η θέση του υδροφόρου ορίζονται εξαρτάτα από το είδος των ιζημάτων, και το μέγεθος του κόκκου των. Σε σκληρά πετρώματα ο υδροφόρος μπορεί να εξελίσσεται μέσα στο επιφανειακό κάλυμμα επάνω από το βραχώδες. Εάν δεν συμβαίνει αυτό τότε μπορεί να εξελίσσεται μέσα σε ρήγματα μέσα στο βραχώδες και να έχει μια ακανόνιστη μορφή.

Γενικά ο υδροφόρος ορίζοντας σχετίζεται με την τοπογραφία σε μια περιοχή αν και έχει πολύ μικρότερες αλλαγές στα υψόμετρα. Κατά συνέπεια, το βάθος του υπογείου νερού σε ένα λόφο είναι κατά κανόνα βαθύτερα από το υπόγειο νερό σε μια κοιλάδα. Τα ρέματα και οι λίμνες δημιουργούνται εκεί όπου ο υδροφόρος τέμνει το τοπογραφικό ανάγλυφο.

Εάν το υπόβαθρο είναι αδιαπέρατο, όπως ο γρανίτης και άλλα μεταμορφωμένα πετρώματα, τότε το υπόγειο νερό μπορεί να συγκρατείται σε κοιλώματα (βυθίσματα) του υποβάθρου.

Οι γεωφυσικές μέθοδοι είναι οι πιό κατάλληλες για να χαρτογραφήσουν την επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα καθώς επίσης και των ζωνών διάρρηξης μέσα σε βραχώδη πετρώματα που περιέχουν νερό.

Οι φυσικές ιδιότητες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βρεθεί η κορυφή του υδροφόρου ορίζοντα είναι οι μέθοδοι ηλεκτρικής αντίτασης καθώς και οι σεισμικές μέθοδοι. Η μέθοδος επίσης του Υπεδαφίου Ραντάρ είναι εφαρμόσιμη σε κάποιες περιπτώσεις.

Γεωηλεκτρικές διασκοπήσεις

Βασική αρχή λειτουργίας: Η χαρτογράφηση της επιφάνειας του υδροφόρου ορίζοντα μπορεί να γίνει σχετικά εύκολα με μεθόδους ηλεκτρικής αντίστασης λόγω της μεγάλης αντίθεσης μεταξύ της ακόρεστης και κορεσμένης ζώνης στο υδροφόρο. Γενικά η αντίθεση είναι μεγαλύτερη στα χονδρόκοκκα υλικά παρά στα λεπτόκοκκα δεδομένου ότι τα δεύτερα κρατούν μεγαλύτερο ποσοστό υγρασίας και επομένως μειώνεται η ηλεκτρική αντίσταση.

Η ηλεκτρική αντίσταση του εδάφους μετριέται με μεθόδους που αναφέρονται αναλυτικά σε άλλα σημεία του ιστοχώρου. Η διάταξη Schlumberger αλλά και η Wenner χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό.

Η γειτονική εικόνα δείχνει την ηλεκτρική αντίσταση όπως μετρήθηκε με μια διάταξη Schlumberger και την αντίστοιχη καμπύλη επάνω από ένα ακόρεστο και μετά ένα αγώγιμο κορεσμένο μέσο. Σε μικρές αποστάσεις ηλεκτροδίων ρεύματος, η ηλεκτρική αντίσταση αφορά το πρώτο στρώμα ενώ σε μεγαλύτερες αποστάσεις η ηλεκτρική αντίσταση αφορά το δεύτερο στρώμα.

Επειδή τελικά η μετρημένη ηλεκτρική αντίσταση είναι ένα άθροισμα ή αποτέλεσμα της σύνθεσης των ηλεκτρικών αντιστάσεων πολλών στρωμάτων, χρησιμοποιείται ο όρος «φαινομένη ηλεκτρική αντίσταση».

Συλλογή δεδομένων: Η διαδικασία είναι απλή. Στην αρχή τα ηλεκτρόδια ρεύματος τοποθετούνται σε μικρές αόστάσεις από το σημείο μέτρησης (κέντρο). Μετά απομακρύνονται προοδευτικά και συμμετρικά από το κέντρο διοχετεύοντας ρεύμα με τον τρόπο αυτό σε όλο και βαθύτερα γεωλογικά στρώματα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται πολύ βαθιά διείσδυση στο έδαφος που μπορεί να φθάσει και εκατοντάδες μέτρα.

Επεξεργασία και αξιολόγηση των δεδομένων: Τα δεδομένα όπως συλλέγονται από το ύπαιθρο εισάγονται σε ένα πρόγραμμα υπολογιστή που τα επεξεργάζεται και δίνει τις διάφορες ηλεκτρικές αντιστάσεις των γεωλογικών στρωμάτων που συνάντησε το ρεύμα στην πορεία του μέσα στη γή καθώς και τα διάφορα βάθη στα οποία βρίσκονται τα στρώματα αυτά. Η καμπύλη μετρήσεων που καταγράφεται στο ύπαιθρο προσομοιώνεται με τον τρόπο αυτό με μια αντίστοιχη τεχνητή και θεωρητική καμπύλη που αφορά τα στρώματα που συναντήθησαν.

Πλεονεκτήματα: Γρήγορη και ακριβής μέθοδος για υπολογισμό βάθους στρωμάτων και εύρεση του υδροφόρου ορίζοντα. Το βάθος διείσδυσης είναι περίπου το 1/3 της απόστασης των ηλεκτροδίων ρεύματος.

Περιορισμοί: Δυστυχώς δεν δίνει εικόνα στο ύπαιθρο. Απαιτεί στρώματα παράλληλα ή λίγο κεκλιμένα ως προς την επιφάνεια του εδάφους. ΔΕΝ ΒΡΙΣΚΕΙ ΡΗΓΜΑΤΑ.

Αυτοματοποιημένα συστήματα μέτρησης ηλεκτρικών αντιστάσεων

Βασική αρχή λειτουργίας: Τα αυτοματοποιημένα συστήματα μέτρησης ηλεκτρικών αντιστάσεων δίνουν μια ακριβή εικόνα του υπεδάφους μετρώντας συγχρόνως οριζόντιες και κατακόρυφες μεταβοές στην ηλεκτρική του αντίσταση.

Συλλογή δεδομένων: Με τα συστήματα αυτά, τα ηλεκτρόδια τοποθετούνται στο έδαφος και μετά συνδέονται με ένα κεντρικό κοντρόλ που εκτελεί τις μετρήσεις και συλλέγει τα δεδομένα.

Επεξεργασία δεδομένων: Η μόνη επεξεργασία που χρειάζεται είναι η αφαίρεση των «λάθος μετρημένων σημείων».

Αξιολόγηση των δεδομένων: Όλα τα δεδομένα επεξεργάζονται σε ειδικό λογισμικό αναστροφής με το οποίο προκύπτει η ακριβής γεωμετρία της ηλεκτρικής αντίστασης κατά μήκος του προφίλ των ηλεκτροδίων με την οποία μετέπειτα μπορεί να κατασκευασθεί μια γεωλογική τομή. Στην  εικόνα, η ζώνη με τις χαμηλές ηλεκτρικές αντιστάσεις είναι μια υδροφόρος ζώνη (Στο σημείο του βέλους).

Πλεονεκτήματα: Μεγάλος αριθμός δεδομένων με αντίστοιχα μεγάλη πληροφορία. Νέες μορφές λογισμικού δίνουν ακριβή εικόνα δύο διαστάσεων για το υπέδαφος.

Περιορισμοί: Δυσκολίες όταν τα ηλεκτρόδια δεν μπαίνουν εύκολα στο έδαφος (βραχώδεις περιοχές). Δυσκολίες όταν το έδαφος είναι στεγνό στην διοχέτευση του ρεύματος που όμως αντιμετωπίζονται εύκολα με βράξιμο του εδάφους στα σημεία των ηλεκτροδίων.

Μέθοδος της σεισμικής διάθλασης

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος της σεισμικής διάθλασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να χαρτογραφήσει την επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα, όμως με κάποιες προϋποθέσεις. Εάν τα υπερκείμενα αλλουβιακά ιζήματα είναι λεπτόκοκκα τότε δεν θα υπάρξει απόδοση δεδομένου ότι η αντίθεση μεταξύ ακόρεστου και κορεσμένου μέσου θα είναι ελάχιστη όσον αφορά στις σεισμικές ταχύτητες. Εν τούτοις εάν τα αλλουβιακά υπερκείμενα είναι χάλικες τότε η μέθοδος θα δουλέψει με κάποια απόδοση.

Η μέθοδος απαιτεί κάποια σεισμική πηγή, συνήθως μία σφύρα για βάθη μικρότερα των 15 μέτρων και πυρίτιδα για βάθη μέχρι και 30 μέτρα. Τα σεισμικά κύματα διαπερνούν το έδαφος και διαθλώνται επάνω στην επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα. Καθώς ταξιδεύουν σε αυτή την επιφάνεια εκπέμπουν διαρκώς σεισμικά κύματα προς την επιφάνεια του εδάφους. Τα κύματα αυτά καταγράφονται από μια σειρά γεώφωνα που έχουν τοποθετηθεί στην επιφάνεια για το σκοπό αυτό.

Συλλογή δεδομένων: Ο σχεδιασμός ενός σεισμικού προφίλ διάθλασης απαιτεί κάποια προυπάρχουσα εμπειρία και κάποια στοιχειώδη πληροφορία για το πιθανό βάθος της επιφάνεια διαχωρισμού κορεσμένης και ακόρεστης ζώνης. Με τα δεδομένα αυτά μπορούν να αντιστοιχισθούν σωστά οι ταχύτητες διάδοσης στα μέσα και να προκύψουν σωστά αποτελέσματα.

Επεξεργασία δεδομένων: Το πρώτο βήμα είναι ο εντοπισμός των πρώτων αφίξεων στα καταγραφέντα σήματα. Μετά γίνεται ένα διάγραμμα που περιέχει τους χρόνους άφιξης σαν συνάρτηση της απόστασης μεταξύ της πηγής και των γεωφώνων, το λεγόμενο διάγραμμα «χρόνου – απόστασης».

Αξιολόγηση δεδομένων: Η επεξεργασία γίνεται με την μέθοδο GRM (Generalized Reciprocal Method –GRM) από όπου και προκύπτουν τα ανάλογα βάθη για τους ορίζοντες.

Μέθοδος του Υπεδαφίου Ραντάρ

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μέθοδος GPR μπορεί να χρησιμοποιηθεί εφ όσον βέβαια εκπληρώνονται κάποιες συνθήκες. Για να δουλέψει η μέθοδος θα πρέπει το κορεσμένο μέσο να δίνει ένα σημαντικό κοντράστ στην διηλεκτρική σταθερά σε σχέση με εκείνη του ακόρεστου. Επιπλέον, οι άργιλοι θα μειώσουν σημαντικά το σήμα και θα μειώσουν το βάθος έρευνας. Ιδεώδεις συνθήκες δημιουργούνται όταν πρόκειται για αμμώδη εδάφη. Στην περίπτωση αυτή το βάθος μπορεί να ξεπεράσει και τα 20 μέτρα.

Το σύστημα GPR συνίσταται από ένα καταγραφέα και δύο κεραίας, μια εκπομπής και μία λήψης. Διαφορετικού τύπου κεραίες δίνουν και διαφορετικά βάθη διείσδυσης. Χαμηλότερες συχνότητες δίνουν μεγαλύτερα βάθη διείσδυσης αλλά μικρότερη ανάλυση. Στην διπλανή εικόνα φαίνεται η αρχή λειτουργίας ενός συστήματος GPR. Ο πομπός στέλνει ηλεκτρομαγνητικά σήματα που διεισδύουν στο έδαφος, και ανακλώνται από σώματα η/και επιφάνειες που έχουν διαφορετική διηλεκτρική σταθερά από το περιβάλλον τους. Τα ανακλώμενα κύματα γίνονται αντλιληπτά από τον δέκτη και καταγράφονται στην μνήμη του καταγραφέα.

Οποιαδήποτε κεραία που υποστηρίζεται από το σύστημα μπορεί να συνδεθεί και να καταγράψει δεδομένα. Στην διπλανή εικόνα φαίνεται μια κεραία 100 ΜΗΖ που καταγράφει δεδομένα σε βάθος 20 μέτρων από την επιφάνεια του εδάφους.

Διαδικασία μετρήσεων: Οι μετρήσεις GPR γίνονται με την κεραία να «σέρνεται» στο έδαφος με ένα σταθερό βήμα. Ο καταγραφέας καταγράφει τα δεδομένα και τα παρουσιάζει σε μια οθόνη.

Επεξεργασία δεδομένων: Συνήθως δεν χρειάζεται επεξεργασία εκτός εάν υπάρχουν κάποιες πηγές θορύβου και πρέπει να χρησιμοποιηθούν κάποια φίλτρα για να καθαρίσει όπως λέμε το σήμα.

Αξιολόγηση των δεδομένων: Για τον υπολογισμό του βάθους στον υδροφόρο ορίζοντα πρέπει να υπολογίζεται η ταχύτητα διάδοσης του ηλμ κύματος μέσα στο μέσο. Όταν αυτή είναι πλέον γνωστή, τότε χαρτογραφείται με ακρίβεια η επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα.

Πλεονεκτήματα: Πολύ απλή και γρήγορη μέθοδος με την δυνατότητα να εξετάζονται κατευθείαν στο ύπαιθρο τα δεδομένα που καταγράφονται. Πολύ μεγάλη ακρίβεια στα αποτελέσματα.

Περιορισμοί: το μόνο πρόβλημα της μεθόδου GPR είναι ότι χρειάζεται να υπάρχει κάποια αντίθεση μεταξύ των οριζόντων που ανιχνεύονται καθώς επίσης και το βάθος διείσδυσης. Η άργιλος μειώνει σημαντικά το βάθος διείσδυσης απορροφώντας την ενέργεια που εκπέμπεται σε μεγάλο βαθμό.

Υπόγεια ροή

Μέθοδος του φυσικού δυναμικού

Βασική αρχή λειτουργίας: Η μοναδική μέθοδος που μπορεί να εξακριβώσει την ύπαρξη υπόγειας ροής νερού είναι η μέθοδος του φυσικού δυναμικού (Self Potential method). Η μέθοδος μετρά τα φυσικά επαγόμενα ηλεκτρικά ρεύματα στο έδαφος που δημιουργούνται από την ροή του υπογείου νερού. Τα δυναμικά αυτά (ως αποτελέσματα των ηλεκτρικών ρευμάτων) οφείλονται σε πολλές αιτίες. Πολλές φορές οφείλονται και στα λεγόμενα τελλουρικά ρεύματα (ρεύματα μέσα στη Γή οφειλόμενα σε ηλεκτρική δραστηριότητα στην ατμόσφαιρα) όμως συνήθως οφείλονται από οξείδωση των υπογείων πετρωμάτων (mineralization).

Στις δύο εικόνες φαίνονται τα φυσικά δυναμικά που προκύπτουν από την ύπαρξη ροής νερού μέσα σε μιά ζώνη ρηγματώσεων. Στην πρώτη περίπτωση μπαίνει νερό στη ζώνη και δημιουργείται αρνητικό δυναμικό και στη δεύτερη το νερός βγαίνει από τη ζώνη και δημιουργείται θετικό δυναμικό.

Ανωμαλίες φυσικού δυναμικού στην περίπτωση όπου το νερό φεύγει από τη ζώνη

Ανωμαλίες φυσικού δυναμικού στην περίπτωση όπου μπαίνει νερό στη ζώνη

Μέθοδοι μέτρησης:  Υπάρχουν δύο τεχνικές για την καταγραφή δεδομένων φυσικού δυναμικού. Η μία απαιτεί ένα ηλεκτρόδιο (συνήθως ένα πορώδες βαζάκι ή ένα ανοξείδωτο ηλεκτρόδιο) καρφωμένο σε ένα σταθερό σημείο και ένα δεύτερο κινούμενο ηλεκτρόδιο. Το δεύτερο αυτό ηλεκτρόδιο μετατοπίζεται σε ευθεία κατά μήκος της επιφάνειας που εξετάζεται και καταγράφονται διαρκώς οι διαφορές δυναμικού σε κάθε ζεύγος μετρήσεων.  Η δεύτερη τεχνική κρατά μια σταθερή απόσταση μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων τα οποία μετατοπίζονται και αυτά ταυτόχρονα κατά μήκος ενός προφίλ μετρήσεων.

Επεξεργασία των μετρήσεων: Δεν χρειάζεται κάποια επεξεργασία στις μετρήσεις φυσικού δυναμικού

Αξιολόγηση των μετρήσεων:  Στην ουσία με τις μετρήσεις καταγράφονται θετικές ή αρνητικές ανωμαλίες εφ όσον υπάρχουν αντίστοιχα ζώνες ροής. Μια στοιχειώδης επεξεργασία μπορεί να γίνει και σε υπολογιστή με στόχο την κατασκευή ενός μοντέλου της υπόγειας δομής.

Πλεονεκτήματα:  Πολύ απλή μέθοδος που χρησιμοποιεί αντίστοιχα ελαχίστου κόστους εξοπλισμό.

Περιορισμοί: Ο πιό σοβαρός περιορισμός της μεθόδου είναι το γεγονός ότι δεν είναι αμφιμονοσήμαντης λύσης. Πολλές άλλες αιτίες μπορούν να δώσουν φυσικά δυναμικά στο έδαφος πλην της ροής του νερού όπως διαρροές σε γραμμές τροφοδοσίας ρεύματος, συρματοπλέγματα που οξειδώνονται στην επαφή τους με το έδαφος ή ακόμα και η βλάστηση. Είναι σκόπιμο η μέθοδος να εφαρμόζεται από πολύ έμπειρο προσωπικό και σε χώρους όπου δεν υπάρχουν ανθρώπινες μεταλλικές κατασκευές.

Μέθοδοι μέτρησης φυσικού δυναμικού