Úvod Gravimetrie Magnetometrie Geoelektrika Radiometrie Seismika Karotáž Kontakt

Geoelektrické elektromagnetické metody

Konduktometrie (DEMP - dipólové elektromagnetické profilování)

Metoda je založena na vysílání elektromagnetických pulzů do země. Přístroj je většinou složen z jedné budící a tří příjímacích cívek. Různá vzdálenost budící-přijímací cívka umožňuje získat v případě tří přijímacích cívek zdánlivou vodivost ze tří různých hloubkových úrovní. Vysílač pracuje jako zdroj harmonického magnetického pole B_p s vertikálně orientovaným dipólem. Primární magnetické pole indukuje vířivé proudy ve vodivém prostředí pod povrchem země. Smyčky vířívých proudů indukují sekundární magnetické pole. Přijímač je orientován v tomtéž (vertikálním) směru jako vysílač a přijíma vertikální složku sekundárního magnetického pole B_z. Ta reprezentuje komplexní veličinu s reálnou a imaginární částí. Imaginární část ImB_z je úměrná vodivosti země. Reálná část ReB_z (označována také jako Inphase) je určena komplikovaným nelineárním vztahem a závisí na permitivitě a permeabilitě prostředí.

CMD mini explorer
CMD-MiniExplorer od firmy GF Instruments (max. vzdálenost cívek 1,2 m), ve výřezu řídící jednotka.
Zdroj: Vlastní foto.

Frekvence budícího pole je 10²- 10⁴ Hz. Údaje o vodivosti země davají napříkald informaci o druhu horniny nebo o znečištění horniny vodivými látkami. Naměřené hodnoty reálné části přináši selektivní informace jako je výskyt magnetických objektů pod povrchem země. Zdánlivá vodivost vychází v S/m a reálná část v relativních jednotkách.

CMD Explorer od firmy GF Instruments (max. vzdálenost cívek 4,49 m), ve výřezu řídící jednotka.
Zdroj: Vlastní foto.

TURAM a SLINGRAM

Tyto metody byly vyvinuty pro potřeby rudní prospekce ve třicátých letech 20. století ve skandinávských zemích. Využívají zákonů elektromagnetické indukce - umístíme-li na zemském povrchu zdroj střídavého elektromagnetického pole, poté ve vodičích pod zemí budou protékat indukované elektrické proudy. Ty vyvolají druhotné elektromagnetické pole, které na zemském povrchu s primárním vytvoří pole výsledné. Elektromagnetickými metodami obvykle sledujeme intenzitu magnetického pole H. Výsledné magnetické pole lze měřit absolutně nebo relativně. Při relativním měření se měří poměr vertikálních složek a jejich fázový rozdíl ve dvou blízkých bodech. Při absolutním měření se sleduje totální vektor a fázové zpoždění za primárním polem.

Zdrojem elektromagnetického pole je nejčastěji většinou "nekonečný" kabel, kdy na zemi máme rozložený kabel v délce 1 až 5 km. Kabel je rozložen ve směru hledaných struktur, měří se na profilech kolmých ke kabelu. Dalším možným zdrojem je pravoúhlá obdélníková smyčka např. 1 krát 2 km. Měří se vně smyčky v profilech kolmých k delší straně obdélníka.

V metodě TURAM výsledné pole měříme relativně dvěma vertikálními cívkami. Sledujeme poměr vertikálních složek magnetického pole ve dvou bodech a fázový rozdíl mezi těmito složkami.

V metodě SLINGRAM se pohybujeme po profilu s generátorem, a přijímačem. Přijímač měří vertikální složku a je spojen s generátorem takže můžeme měřit intenzitu pole a fázové zpoždění výsledného pole za primárním.

Metoda velmi dlouhých vln (VDV)

VDV-R

Metoda velmi dlouhých vln (VDV)

Tato metoda využívá elektromagnetického pole speciálních dlouhovlných stanic (frekvence 15-30 kHz). Měří se indukované proudy ve vodičích. Primární magnetické pole radiostanic má v určité vzdálenosti od zdroje pouze horizontální složku, která je při správné volbě stanice rovnoběžná s profilem. Pokud je pod zemí přítomné vodivé těleso, koncentrují se v něm proudy z okolního prostředí a indukují se v něm tzv. vířivé proudy. Měří se reálná (sklon elipsy polarizace) a imaginární (poměr poloos elipsy polarizace) část vertikální složky výsledného magnetického pole. Největší anomálie je registrovatelná, pokud je těleso protažené ve směru kolmém ke zdroji. Metoda je velmi levná a jednoduchá na provedení, čímž vděčí za svoje rychlé rozšíření po svém objevení v padesátých letech.

Metoda má variantu nazývanou VDV-R, která dovoluje přímo zjišťovat odpor z poměru elektrické a magnetické složky pole. Při měření se registruje přístrojem magnetická složka H_y a pomocí elektrod elektrická složka E_x. Měření lze realizovat ve dvou geometriích - při E polarizaci je hledaná struktura ve směru E složky, při H polarizaci ve směru H složky.

VDV Geonics EM 16
Aparatura pro měření metody VDV - Geonics EM 16. Přístroj funguje jako radiopřijímač, dle akustické odezvy hledáme minimum signálu a odečítáme reálnou a imaginární složku. Ve výřezu samotný přístroj.
Zdroj: Vlastní foto.

Georadar

Metoda je založena na vysílání EM pulzů o vysoké vlastní frekvenci (50-1000 MHz) do země a registraci času příchodu signálu po odrazu od podpovrchových reflexních rozhraní, který jsou projevem změny EM vlastností, hlavně elektrické permitivity popřípadě elektrické vodivosti. Rychlost šíření EM vlny v horninách se pohybuje zhruba od 0,07 m/ns po 0,15 m/ns. V horninovém prostředí samozřejmě dochází k útlumu vlnění, který má dvě příčiny: geometrické rozšiřování a absorpci. Geometrickým rozšiřováním se rozumí to, že energie vlnění se rozprostírá po povrchu stále větší koule, velikost energie se vzdáleností tedy klesá jako 1/r². Absoprci vlnění lze popsat jako exponenciální úbytek vlny se vzdáleností v závislosti na vodivosti a permeabilitě prostředí: e^-αr. Absorpce závisí především na vodivosti, čím vyšší je vodivost prostředí tím dochází k větší absorpci: proto má georadar velice špatný hloubkový dosah nad vysoce vodivými horninami jako jsou třeba jíly.

Zdrojem EM pulzu může být u georadaru buď polovodičový zesilovač (výkon do 50 W) nebo jiskřiště (výkon až 20 MW). Současné aparatury umožňují prakticky spojité sledování průběhu odrazných rozhraní. Hloubkový dosah je dán typem použitého zdroje a horninovým složením. Dosah polovodičových zesilovačů se pohybuje do cca 10 metrů, zatímco pulzy generované jiskřištěm můžou mít dosah až 200 metrů. Samotných 200 metrů dosahuje pouze georadar LOZA ruské výroby. V České republice se vyskytuje jeden exemplář - více ZDE. Konstrukce georadarů jsou velice různorodé v závislosti na řešeném úkolu. Některé georadary mají antény fixně spojené a stíněné, jiné oddělené a nestíněné. Někdy jsou antény taženy přímo po zemi, jiné georadary jsou například na kolečkách a anténa se země přímo nedotýká. Výsledkem georadarových měření jsou tzv. georadarové řezy podél měřeného profilu.

Švédský georadar Mala X3M, sada antén, napájení a monitoru s řídící jednotkou.
Zdroj: http://pokladypodnami.cz/georadary-jako-nastroj-pro-hledace-a-archeology/

Georadar.
Zdroj: Vlastní foto.

Výstup z měření georadarem: radarogram. Zde příklad typického měření pro archeologii, šipka ukazuje na pravděpodobný hrob nebo jámu.
Zdroj: http://georadar.rtg-tengler.cz/hana

Metoda přechodových jevů

Tato geoelektrická induktivní metoda využívá na rozdíl od většiny ostatních metod přechodové pole. Primární pole bývá do země zavedeno induktivně, nejčastěji pomocí neuzemněné smyčky. Přechodové pole je na rozdíl od harmonických buzeno prudkými změnami zdrojových sil ve zdrojové smyčce - vypnutím/zapnutím proudu, impulsy různého tvaru. Při měření probíhá generujícím obvodem proudový puls I, při jehož vypnutí dochází po velmi krátkou dobu k velké změně primárního magnetického pole, které indukuje dle Faradayova zákona ve vodičích vířivé proudy. Velikost těchto vířivých proudů je úměrná elektrické vodivosti a rozměrům vodivého tělesa. Vzniklé vířivé proudy se po ukončení příčiny vzniku začnou vybíjet (u dobře vodivých těles se tlumí pomalu a naopak). Měří se sekundární magnetické pole vířivých proudů pomocí měřící cívky. Metodu lze použít pro vyhledávání vodičů.

CSEM (Controlled Source Electromagnetic)

Jedná se o mořskou elektromagnetickou metodu, která se používá zejména při vyhledávání ropných ložisek. Při měření za sebou táhne loď v určité vzdálenosti cca 30 metrů nad mořským dnem vysílač - dipól, pomocí kterého je generováno elektromagnetické pole o frekvenci 0,1 - 10 Hz. Elektromagnetické pole se následně šíří vodou do sedimentů pod vodou, přičemž na mořském dně jsou rozmístěny v síti (gridu) přijímače, které registrují radiální elektrickou složku. Metoda je podobná magnetotelurické metodě, ale je více citlivá na nevodivé struktury - pole není buzeno induktivně, ale galvanicky (dipól je galvanicky propojen s vodivou mořskou vodou). Některá moderná měření lze realizovat i pomocí streamer kabelu, na němž je mnoho přijímačů EM pole. Loď v takovém případě táhne zdrojový dipól a v určité vzdálenosti za ním i kabel s přijímači.

CSEM
CSEM měření, loď za sebou táhne vysílač (Tx), na mořském dně jsou v síti přijímače. Ropa se ve výsledku projevuje oproti sedimentům vysokými odpory.
Zdroj: Převzato a upraveno - http://acceleware.com/csem-forward-modeling

Magnetotelurická metoda

Magnetotelurická metoda (MT)

Magnetotelurická metoda je pasivní geoelektrickou induktivní metodou, která využívá široké spektrum přírodních geomagnetických variací jako plošný energeticky vydatný zdroj elektromagnetické indukce v zemském tělese. To je hlavní rozdíl od užívaných metod elektromagnetického indukčního sondování, u nichž je pole v zemi buzeno indukcí od konečných zdrojů, které nejsou v přímém galvanickém spojení se zemí (cívky, smyčky, antény). Metodou zjišťujeme zdánlivý měrný odpor, ten je určován z impedance Z - poměru vzájemně kolmé horizontální elektrické a magnetické složky pole. Široký frekvenční rozsah přírodních zdrojů magnetotelurického pole umožňuje sondovat odpor v Zemi od mělkých struktur (krátké periody) až po velké hloubky ve svrchním plášti (dlouhé periody). V ojedinělých experimentech bylo dosaženo hloubek blížících se až k 600 kilometrům.

Při samotných měřeních se registrují variace magnetického a elektrického pole. V případě magnetického pole se registrují tři složky pole: H_x, H_y, H_z. Pro kratší periody se využívají indukční cívky (periody do řádu hodin), pro delší periody se měří pomocí fluxgate magnetometru (periody 10 s až 100 000 s). Variace elektrického pole se určují z rozdílu pontenciálu U mezi párem elektrod, které jsou spojeny krytým kabelem a tvoří dipól. Vzhledem k tomu, že se registrují dvě složky elektrické pole E_x a E_y, je nutné mít dva dipóly, které jsou vzájemně uspořádány ortogonálně.

Problémem všech měření je závislost metody na přirozeném elektromagnetickém poli Země, které je v porovnání s civilizačními zdroji velmi slabé. Veškerá měření v obydlených oblastech jsou proto silně kontaminována civilizačním šumem. Typicky se jedná o šum z elektrických rozvodných sítí, od napájecích soustav střídavých elektrických železnic (dominantní 16,7 Hz a 50 Hz) nebo o šum způsobený nevyvážeností trojfázové sítě. Metodu lze dobře využívat v neobydlených oblastech jako je Afrika, Latinská Amerika nebo nad oceány. V industrializovaných oblastech metodu v podstatě kvůli šumu nelze využít k interpretačním účelům. Šum lze do určité míry naštěstí odstranit různými matematickými nebo statistickými postupy.
Chcete-li se o tomto tématu dozvědět více, můžete si ZDE přečíst moji bakalářskou práci zabývající se touto problematikou.

magnetotelurika
Testovací magnetotelurické měření. Na zemi se nacházejí dvě cívky ve směru S-J a Z-V, při normálním měření jsou zakopány v zemi. Elektrody jsou mimo obraz, v boxu uprostřed se nachází data logger ADU-06 (ve výřezu).
Zdroj: Vlastní foto.

magnetotelurika_schéma