Sveuilite u ZagrebuGeotehniki fakultet

SEMINARSKI RADPrimijenjena geofizika

Lokalna geofizika istraivanja: Geoelektrine metode otpornostiCCR metoda

STUDENT: Mario Grubei

Varadin, 2015.

Ime i prezime: Mario Grubei Naslov teme: Broj indeksa: 104 Geoelektrine metode otpornosti CCR metoda

SADRAJ

1.Uvod 12.Geofizika istraivanja .....13.Geoelektrine metode ..24.Fizikalne osnove 25.Tretiranje geofizikih podataka ...36.CCR metoda ..47.Parametri za mjerenje CCR metode ..68.Zakljuak .69.Dodatak ..... 7 10. Literatura ....................7

1.

2. Uvod

4

Geoelektrine metode temelje se na mjerenju povrinskih uinaka toka struje kroz podzemne strukture. U geoelektrine metode ubraja se niz raznih metoda istraivanja elektrinih svojstava stijena. Dijele se na metode koje opaaju prirodna polja u zemlji (metoda spontanog potencijala, telurske metode i magnetotelurske metode) i metode koje koriste umjetna elektrina polja (metoda elektrine otpornosti, metoda ekvipotencijalnih linija, metoda inducirane polarizacije i elektromagnetne metode). Od svih geoelektrinih metoda, najee se koristi metoda elektrine otpornosti. Uglavnom se primjenjuju u pliim istraivanjima kao to su inenjersko-geoloka i hidrogeoloka istraivanja te istraivanja rudnih leita. Mnoga geofizika istraivanja oslanjaju se na mjerenja napona i magnetskih polja povezanih s elektrinim strujama koje teku u zemlji. Kapacitivne geoelektrine metode otpora su suvremene metode za istraivanje plitkih slojeva zemlje. Kapacitivne geofizike metode nude sljedee prednosti: pogodna je za podove s visokim otporima (pustinja, pijesak, snijeg), mogue koritenje u zatvorenim podrujima, brzo prikupljanje podataka, nerazorna metoda, brzo postavljane. Instrument koji se koristi u ovom radu je OhmMapperTm, ureaj izraen od Geometrics (SAD), koji je pokrenut prije 10 godina.

3. Geofizika istraivanja

Postoje razliite vrste geofizikih metoda, a razlikuju se po tome to mjere razliita svojstva tla (elastina, magnetska, elektrina, radioaktivna i dr.). Suvremena dostignua znanosti, a posebice geoznanosti, kao i razvoj novih digitalnih tehnologija, tehnika i informatikih sustava uinili su primjenu geofizike u inenjerstvu jednom od osnovnih i nezaobilaznih metoda istraivanja. Osim o primjeni u naftnom inenjerstvu i rudarstvu, danas se tako moe govoriti i o primjeni geofizike u geotehnici i graevinarstvu ili geofizici u zatiti okolia. Primjena geofizikih metoda je sloen i strukturiran proces koji je sastavljen od nekoliko vanih cjelina: Procjena uoenog problema; Odreivanje vrsta geofizikih metoda; Odreivanje rezolucije istraivanja obzirom na veliinu istraivanog prostora; Oblikovanje naina na koji se podaci prikupljaju, analiziraju, interpretiraju i prezentiraju.

Geofizike metode u geotehnikoj praksi sadre geofizike, a ne izravno geotehnike parametre. Razliite geofizike metode oblikuju sliku podzemnog stanja, esto vrlo razliitu od slike koja se dobiva iz istranog buenja. Geofiziki podaci predstavljaju horizontalne i vertikalne promjene vrijednosti mjerenog parametra. U rjeavanju geotehnike problematike, koja se odnosi na graditeljske ili zahvate zatite okolia, potrebni podaci se odnose na dubine do nekoliko desetaka metara. Relativno male dubine, do svega 50-tak metara, unaprijed ograniavaju podruje istraivanja i time poveavaju uinkovitost primjene povrinske i buotinske tehnike i metodologije geofizikog mjerenja.

4. Geoelektrine metode

Geoelektrine metode su brojnije i raznovrsnije od drugih geofizikih metoda. Najee se primjenjuje galvanska metoda prividnog otpora, koja se zasniva na razlici izmeu elektrinih otpornosti slojeva, odnosno masa u zahvaenom dijelu podzemlja. Geoelektrina ispitivanja imaju znaajne prednosti pred drugim geofizikim metodama ispitivanja podzemlja jer su jednostavna, brza, tona i nisu skupa. U osnovi ovih ispitivanja mjeri se provodljivost naslaga, odnosno otpori stijena prolazu elektrine struje. Otpornost naslaga mijenja se u dosta irokim granicama, a na njenu veliinu posebno utjee niz initelja poput otpora minerala stijene i otopina u njenim porama i pukotinama, poroznost, vlanost i struktura stijene, odnosno sloja.

5. Fizikalne osnove

Elektrina struja u vodnicima odreena Ohmovim zakonom:

I = U / R(1)

I ... elektrina struja u A (amper) U ... elektrini napon u V (volt) R ... elektrini otpor u (ohm)

Elektrina struja je usmjereno kretanje elektriciteta pod utjecajem elektrinog polja ili razlike elektrinih potencijala. SI jedinica za elektrinu struju je amper (A), to je jednako protoku jednog kulona elektriciteta u sekundi. Elektrina struja moe biti istosmjerna ili izmjenina. Struja tee kroz metale, elektrolite, plinove i poluvodie. Nosioci naboja u metalima su slobodni elektroni, u elektrolitima negativni i pozitivni ioni (anioni i kationi), u plinovima ioni i elektroni, a u poluvodiima elektroni i upljine. Dogovorom znanstvenika odreen je tehniki smjer struje kao smjer gibanja pozitivnog naboja (od pozitivnog prema negativnom polu). Kako se elektroni gibaju u suprotnom smjeru to znai da je njihov naboj negativan. Elektroni se u vodiu usmjereno gibaju pod utjecajem elektrinog polja, pa zbog toga na krajevima vodia mora postojati razlika potencijala, tj. napon.

Jaina struje I jednaka je koliini elektriciteta Q koja proe kroz popreni presjek vodia u vremenskom intervalu t:I = dQ / dt(2)

Elektrini napon je mjerna veliina kojom se iskazuje ukupno djelovanje elektrinog polja na nekom putu. esto se pogreno definira kao razlika elektrinog potencijala, meutim ta jednakost vrijedi samo u elektrostatici, tj. kada ne postoji komponenta elektrinog polja nastala zbog elektromagnetske indukcije. Napon je jednak razlici elektrinog potencijala izmeu dvije toke:

U = = 2 - 1(3)

Elektrini otpor (znak: R) je fizikalna veliina kojom se izraava omjer napona i jakosti elektrine struje, to je za mnoge materijale stalna vrijednost (Ohmov zakon). Mjerna jedinica u Meunarodnom sustavu (SI) je om. Suprotan je pojam od elektrine vodljivosti. Materijali sa mnotvom slobodnih elektrona pruaju mali otpor prolasku struje, odnosno imaju mali tzv. specifini otpor. To je ustvari otpor kojega prolasku struje prua ica presjeka 1 mm2 duine 1 m. Biljei se sa znakom (itaj: ro). Vodi presjeka S mm2 duine L m pruat e prolasku struje otpor:

R = * ( l / S )(4)

gdje je specifini otpor zavisan o vrsti materijala vodia

6. Tretiranje geofizikih podataka

Kod veine geoelektrinih metoda nas interesiraju prostorne (horizontalne ili vertikalne) promjene mjerne koliine, koje prouzrokuju razlike u elektrinoj otpornosti stijena, a kod nekih prostorne promjene mjerne koliine, koje odreuje raspodjela lokalnog elektrinog polja spontane ili inducirane polarizacije. Pored faktora, na kojem temelje geoelektrine metode (otpornost ili lokalno polje), uplivaju na izmjerene vrijednosti jo neeljeni faktori, npr. razgibana povrina terena, ometajua polja itd. Upliv ometajuih polja pokuaju odstraniti instrumentalno, a ostali uplivi su sakriveni u izmjerenim vrijednostima.Tretiranje geoelektrinih podataka vrlo rijetko ukljuuju topografske podatke. Obino tretiraju nepopravljene mjerne podatke. Kod nekih metoda treba zbog prostorno promjenljivog izvora polja na podruju istraivanja oduzeti "normalno polje" .Podatke profiliranja i kartiranja prikazuju grafiki s geoelektrinim profilima i kartama, na kojim dolaze do izraza geoelektrine anomalije.

7. CCR metoda

Metoda otpornosti CCR (capacitively-coupled resistivity) ili metoda kapacitivno-spojenih otpora (Slika 1.) je metoda gdje se u tlo uvode alternirajue struje kapacitivnim kontaktom na nain da se sustav elektroda vue du profila. Elektrode su montirane na kota sa iljcima radi kontakta s tlom.

Slika 1. CCR sustav

Metoda CCR omoguava vrlo brzo snimanje terena, ak i na terenu na kojem je kontakt tlo-elektroda teko mogue ostvariti. Profili se mogu pokriti s razliitim razmakom antena, a rezultati su pouzdani samo ako je kontakt antena-tlo zadovoljavajue konstantan. Bolji kontakt se postie optereivanjem antena, ali u tom sluaju je sustav preteak za runo pomicanje. Iz tog razloga najbolji su ravni tereni.Kapacitivni kontakt izmeu tla i sustava CCR metode temelji se na sposobnosti izmjenine struje da prolazi (preskae) kroz kondenzator s jedne ploe na drugu, gdje jedan kraj ploe moe biti uzemljen. U CCR metodi je kabel jedna, a tlo druga ploa kondenzatora. Kada se na kabel prikljui izvor struje onda e tei struja izmeu njega i tla sve dok je potencijal na tlu kao ploi kondenzatora jednak i suprotan potencijalu koji na drugoj ploi stvara izvor (kabel). Sposobnost sustava da se na taj nain pohrani naboj nazivamo elektrini kapacitet.Elektrini kapacitet (znak: C) fizikalna je veliina kojom se izraava sposobnost tijela da na sebe primi elektrini naboj. Definira se kao omjer koliine elektrinog naboja Q i razlike elektrinog potencijala U koja pri tom nastaje. Mjerna jedinica za elektrini kapacitet u meunarodnom sustavu je farad.Kabel kao strujna elektora ,ali izolirana od tla , moe se elektriki nabiti, a to ukazuje na postojanje E polja koje moe pokrenuti elektrine estice u tlu na gibanje. Takva struja e biti kratka i prolazna, a postojat e sve dok postoji jednaki i suprotni potencijali. Ako okrenemo polaritet izvora okrenut e se i strujni tok dok se ne uspostavi ravnotea. Da bi postojao tok struje ploe su naizmjenino nabijene pozitivnim i negativnim nabojem. Takav izmjenini napon dovoljne frekvencije e izazvati tok izmjenine struje u tlo bez obzira na prisutnost izolatora i takav nain uvoenja struje u tlo naziva se kapacitivni kontakt.Najei instrumenti za CCR metodu je Geometrics OhmMapper (Slika 2.). Instrument je kapacitivno spojeni otpor metar koji mjeri elektrina svojstva stijena i tla. Radi na nain da se izmjenina struja od 16.5 kHz dovodi na dipolnu stranu antene koja se standardno proizvodi od 2.5, 10, 20 m kabela. Signal se prima na senzor iste konstrukcije, a vue se ispred transmitera s kojim je povezan nevidljivom vezom.

Slika 2. OhmMapper

Veza je najee n puta dulja od veliine dipola tako da sustav praktino geometrijski predstavlja dipol-dipol raspored. Dipol-dipol je industrijski standard za CCR mjerenja iz praktinog razloga , budui da svaki dio neizolirane ice doprinosi neeljenom kontaktu, dok se strujni tok mora usmjeriti iskljuivo na antene. Dipol-dipol nam osigurava i minimalizira direktan kontakt odailjaa i prijemnika jer su transmiter, resiver i izvor smjeteni u zatvorene gondole u sredini njihovih dipola. Signal iz resiver se dovodi u mjernu jedinicu optikim pulsovima kroz optiki kabel, tako da ni elektrini prijenos podataka ne utjee na mjerni sustav. Mjerenja se izvode u fiksiranom vremenskom intervalu zadane duljine, a operator nosi mjernu jedinicu i vue CCR kabelski sustav. Brzina pomaka treba biti do 5 km/h da bi sustav mogao raditi kontinuirano. Prikaz na ekranu mjerne jedinice prikazuje nam profil otpornosti kako se sustav pomie.

8. Parametri za mjerenje CCR metode

Geometrijski faktor K rasporeda elektroda omoguava konvertiranje izmjerenog otpora u prividnu otpornost, gdje je u CCR metodi faktor K znatno sloeniji, a za linijski izvor izgleda ovako:

K = l / ln G

(5)

G = ( b2 / b2-1 ) 2b * ( b2+2b / (b+1)2 ) b+2 * ( b2-2b / (b-1)2 ) b-2

(6)

Dubina istraivanja galvanskim metodama je uglavnom odreena totalnom duljinom L elektrodnog rasporeda, a to jednako vrijedi i za CCR metodu. Grubo pravilo (palca) je da ako je n 3 tada je dinv = L/5, ali ako je n = 2 onda dubina istraivanja pada na L/5.7, a za n = 1 din = L/7.2.Brzina pomaka CCR sustava utjee na vrijeme za registraciju, ali ne i na rezoluciju koja ovisi o duljini antene i njihovog meurazmaka. Instrument OhmMapper mjeri jedino E polje, dok se magnetsko polje ignorira, jer se pretpostavlja da je korica znatno vea od razmaka odailjaa i prijemnika. Kao koristan podatak iz OhmMappera koristi se samo amplituda EP, ali se moe analizirati i tona razlika izmeu struje u krugovima transmitera i senzora ( odailjaa i prijamnih antena).

9. Zakljuak

Metode CCR ispitivanja elektrine otpornosti temelje se na injenici da distribucija elektrinog potencijala oko strujnih elektroda ovisi o distribuciji samog elektrinog otpora u materijalu. To ispitivanje se u praksi izvodi na nain da se izmeu dvije elektrode uspostavi tok istosmjerne elektrine struje, nakon ega se mjeri razlika potencijala izmeu druge dvije susjedne elektrode. Vertikalne ili horizontalne varijacije u elektrinoj otpornosti materijala podzemlja, uzrokuju promjene u odnosu izmeu primijenjene struje i izmjerene distribucije elektrinog potencijala, to u konanici daje informaciju o kompoziciji, opsegu i fizikalnim svojstvima materijala podzemlja.CCR metoda osim to je sigurna i uinkovita metoda ne iziskuje puno vremena za prikupljane podataka to dovodi do zakljuka da tedimo na vremenu, a u dananjem ivotu vrijeme je novac.

10. Dodatak

Prividna otpornost - se dobije ponderiranjem razliitih otpornosti ispod n elektroda. Ako je podzemlje oko elektroda homogeno, prividna elektrina otpornost jednaka je stvarnoj elektrinoj otpornosti. [2]Elektromagnetska indukcija - je pojava nastanka elektromotorne sile u vodljivoj petlji koja obuhvaa promjenljivi magnetski tok. [3]Inducirana polarizacija - je geofizika slikovna tehnika koja se koristi za identifikaciju podzemnih povrina materijala, kao to su rude. Struja je inducirana u podzemlje putem dvije elektrode, a napon se prati kroz druge dvije elektrode. [4]Specifini otpor - suprotnost je elektrinoj vodljivosti, izraen u mm2/m biljei se sa (ro). To je otpor, koga prolasku struje prua ica presjeka 1 mm2, duine 1 m. Dobre izolatore odlikuje visok specifini otpor. [5]Alternirajue struje - su izmjenine struje (AC ) , gdje protok elektrinog naboja povremeno obre smjer. [6]

Metoda spontanog potencijala (SP) - je prirodno elektrina potencijalna razlika u Zemlji, mjereno od elektrode u odnosu na fiksnu referentnu elektrodu. [7]

Telursko struje - (od latinskog tells, "Zemlja"), ili Zemlja struje, je elektrina struja koja se kree pod zemljom ili preko mora. [8]

Magnetno telurske struje (MT) - je elektromagnetska metoda za mjerenja ispod povrine Zemlje. [9]

Ekvipotencijanalne linije - su linije poput izohipsi na karti koja sadri linije jednake visine. U ovom sluaju "visina" je elektrini potencijal i napon. [10]

11. Literatura

1. John Milsom, Asger Eriksen. Field Geophysics. John Wiley and Sons Ltd, Chichester, 2011.2. http://www.encyclopedia.com/doc/1O13-apparentresistivity.html 3. http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_induction 4. http://en.wikipedia.org/wiki/Induced_polarization 5. http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_12/5.html 6. http://en.wikipedia.org/wiki/Alternating_current 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_potential 8. http://en.wikipedia.org/wiki/Telluric_current 9. http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetotellurics 10. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/equipot.html

Popis URL-ova:URL1: http://geotehnika.eu/info/geoelektricna-istrazivanja/37 (14.12.2014.)URL2: http://www.geometrics.com/files/images/segj-oyo-om-levee.pdf (14.12.2014.)URL3: http://www.terraplus.ca/products/pdf/ohmmapper.pdf (14.12.2014.)URL4: http://hr.wikipedia.org/wiki/Vodi%C4%8Di_i_izolatori (14.12.2014.)