Geoelektrika

GEOELEKTRIKAProf. Josip ZanoškiPredavanja + vježbe

ELEKTRIČNA I ELEKTROMAGNETNA POLJA ZEMLJE

U tekućem i provodnoj vanjskoj jezgri su stalna električna strujanja, koja su glavni izvor geomagnetskog polja. Promjene tog polja, koje su posljedica promjenljivih električnih strujanja u ionosferi, induciraju u kori opširna(opsežna) električna strujanja; zovemo ih telurska strujanja. Razelektritve u atmosferi se također odražavaju kao kratkotrajne promjene magnetnog polja Zemlje; također iste induciraju električna strujanja u tlu. Električna strujanja stvaraju novo magnetno polje, koje se nadodaje na primarno. Magnetno polje Zemlje je dakle povezano s električnim poljem, koje je u tvrdoj Zemlji i u atmosferi. – mjesne električne tokove i električna polja prouzrokuju elektrokemijske i neke druge pojave u tlu.

Pored prirodnih električnih strujanja i pripadajućih polja su u tlu i atmosferi strujanja, električna i magnetna polja te elektromagnetni valovi, koje prouzrokuju ljudski faktori (električni vodovi, električne željeznice, radijski i televizijski odašiljači itd.)

(Riječi "elektrika", "električna" i sl. izlaze iz grčke riječi "elektron" = jantar, jer su na jantaru najprije promatrali električne pojave odnosno statički elektricitet.)

2FIZIKALNE OSNOVE

Električna struja u vodnicima određena Ohmovim zakonom:

I = U/R

I ... električna struja u A (amper)U ... električni napon u V (volt)R ... električni otpor u Ω (ohm)

Ohmov zakon vrijedi također za električnu struju u vodenim otopinama kiselina, baza i soli, znači u elektrolitima.

Električni otpor je proporcionalan s dužinom l i obrnuto proporcionalan sa poprečnim prorezom S vodnika:

R = ρ(l/S); ρ = R(S/l); ρ = (U/I)(S/l)

Proporcionalni koeficijent je električna otpornost materije. Njezina mjerna jedinica je Ωm. Obrnuta vrijednost električne otpornosti je električna provodnost.

Umjesto izraza "električna otpornost" upotrebljavaju fizici izraz "specifični električni otpor", u elektrotehnici se je udomaćio izraz "specifična električna otpornost" (jer upotrebljavaju izraz "električna otpornost" za naš "električni otpor"). Izraz "električna provodnost" ima među fizičarima isto značenje kao tu, a u elektrotehnici govore o "specifičnoj električnoj provodnosti".

Električnu otpornost materije možemo odrediti sa mjerenjem napona i struje sa poznatom geometrijom mjerenja. Iz gornjih dviju jednadžbi naime slijedi:

Ρ = K(U/I)

1/33

Geoelektrika

K je geometrijski parametar (u našem primjeru je K = S/l) s mjernom jedinicom 1 m.Obadvije jednadžbe možemo spojiti i na način, da dobijemo Ohmov zakon u obliku:

J = E/ρ; I/S = (U/l)ρ

J = I/S ... gustoća električne struje u A/m,E = U/I ... jakost električnog polja u V/m.

Jakost električnog polja i gustoća električne struje su vektorske količine. Smjer jakosti električnog polja pokazuju silnice, s kojima prikazujemo električno polje. Na slici 1

su nacrtane silnice (pune crte) sa smjerovima jakosti polja električnog dipola (to je par razno imenskih naboja).

Električne silnice pokazuju isto i smjer električne sile.Ako damo u električno polje dobar izolator – dielektrik, se u njemu pod utjecajem

polja nekoliko razmaknu pozitivni i negativni naboji. Ta električna polarizacija oslabi jakost polja u materiji, jer ostvaruje polje, koje je suprotno primarnom polju. Ako je primarna jakost polja E0, je jakost u materiji:

E = E0/ε

Ε je dielektričnost materije. Dielektričnost vakuuma je 1, što vrijedi približno i za zrak. Dielektričnost vode je u običajnim okolnostima 81. Vremensko mijenjanje polja prouzroči u dielektriku stalno micanje naboja, kojeg zovemo pomični tok. Ta je proporcionalan s dielekričnošću.

Ako damo u električno polje neutralan i izoliran provodnik, se na površini provodnika nakupe na jednoj strani negativni, a na drugoj pozitivni naboji. Ova podjela naboja ili influenca izniči jakost polja u provodniku, jer stvara suprotno jednako polje.

Napon na dužinskoj jedinici smo opredijelili kao jakost električnoga polja. Električni napon bilo koje točke polja glede na stalno točku uspoređivanja je električni potencijal (označimo ga sa slovom V). Električni napon među dvije točke polja je dakle razlika

2/33

Geoelektrika

potencijala u tim točkama. Na slici 1 su crtkano prikazane crte jednakoga potencijala ili ekvipotencijalne crte.

Tako kao što promijeni električni naboj prostor u svojoj okolini u električno polje, tako promijeni električna struja svoju okolinu u magnetno polje. Glavna količina za opis magnetnoga polja je njegova gustoća. Elektromagnetno polje treba dakle opisati s jakošću električnog i gustoćom magnetnog polja. Vremensko promjenljivo električno i magnetno polje se širi u prostor kao elektromagnetno valovanje. Jakost električnoga i gustoća magnetnoga polja su međusobno pravokutni i pravokutni na smjer proširenja valovanja (slika 2).

Brzina mijenjanja električne struje, električnog i magnetnog polja te značaj elektromagnetnog valovanja određuje frekvencija. Njezina mjerna jedinica je 1/s = 1 Hz (hertz). Frekvencija omogućuje razlikovanje raznih polja i valovanja, koja se tovare(spremaju) jedno na drugo. Frekvencija bitno utječe na dubinsku raspodjelu električne struje u tlu odnosno u Zemljinoj kori. Što je veća frekvencija, to više prema površini je izgurana električna struja. Ta pojava je poznata kao

kožna pojava ili skin efekt ( prisutan je isto tako kod električnoj struji u žicama).

Uslijed podzemne vode su u tlu razni elektrokemijske i elektrokinetičke pojave, koje prouzrokuju usmjereno razdvajanje pozitivnih i negativnih iona. Geofizičari zovu te pojave spontana polarizacija, a potencijal pripadajućeg električnog polja zovu vlastiti potencijal. Električnu polarizaciju u tlu potiču i polja umjetnog izvora. U tom kontekstu se govori o induciranoj polarizaciji odnosno o induciranom potencijalu.

Spontanu i induciranu električnu polarizaciju je treba razlikovati od električne polarizacije u dielektricima!

3/33

Geoelektrika

3ELEKTRIČNI OTPOR

Od karakteristika stijena, koje bitno utječu na raspodjelu električnog i magnetnog polja te širenje elektromagnetnog valovanja u stijenama, je najbitniji električni otpor.

Elektromagnetno polje je ovisno od električnog otpora, dielektričnosti i magnetne susceptibilnosti odnosno permeabilnosti stijena. Najveći utjecaj ima otpor i uglavnom možemo utjecaj ostalih dviju količina zanemariti. Kod magnetnih ruda sa velikom magnetnom susceptibilnošću je treba uzeti u obzir i nju.

U tvrdinama je električna struja, struja slobodnih elektrona ili iona. Pored metala (npr. elementarnog zlata i bakra) ima još nekih minerala (npr. pirit, galenit i magnetit) koji so prilično dobri elektronski provodnici. Ionski provodnici su npr. minerali silikatnih minerala. Takvo provođenje je bitno u stijenama s velikim udjelom elektronsko provodnih minerala, u potpuno smrznutim stijenama i u stijenama pod velikim tlakom. Uglavnom su kompaktni minerali slabi provodnici električne struje. Suhi minerali su uglavnom neprovodni. Zrna većine minerala imaju veliki električni otpor.

Minerali su u velikom postotku porozni ili raspucani, pore i pukotine su dijelom ili posve popunjene vodom. Rastopljene soli u vodi (npr. natrijev i magnezijev klorid) omogućuju ionsko provođenje. Otpor stijena je zbog toga prije svega ovisan od otpora elektrolita (odn. slanosti vode), među zrnaste i raspucane poroznosti te zasićenosti s elektrolitom (znači od vlažnosti). Na otpor utiče isto tako temperatura. Većina minerala i kamenin je polu provodnih; otpor im pada s rastućom temperaturom.

Prosječni otpor neke stijene odn. kamenine određuju dakle razni prostorno vrlo promjenljivi faktori. Zbog toga moramo govoriti o volumnom otporu.

U grubom dijelimo stijene odn. kamenine na:- nisko otporne (<100 Ωm),- srednje otporne (100-1000 Ωm) i- visoko otporne (>1000 Ωm).

Nisko- do srednje otporne stijene su glinaste zemljine i porozne kamenine. Visoko otporne stijene su kompaktan vapnenac, većina metamorfnih i magmatskih kamenina (npr. granit, bazalt) te suhi pijesak i šljunak.

Tipični rasponi vrijednosti otpora s vodom zasićenih stijena su:- za magmatske i metamorfne stijene 100 – 10000 Ωm,- za konsolidirane sedimentne stijene 10 – 1000 Ωm,- za nekonsolidirane sedimentne stijene 1 – 100 Ωm.

Otpor ruda je vrlo različit. Metalne rude so vrlo provodne; njihov otpor može biti dosta ispod 1 Ωm (npr. masivni sulfidi). Neki nemetali imaju otpor reda veličine 1010 Ωm (gips, kremen, suha kamena sol).

U preglednici 4 su vrijednosti električnog otpora nekih kamenina i minerala.

P r e g l e d n i c a 4Električni otpor minerala i stijena____________________________________________________________________Mineral – Stijena Otpor (Ωm)

____________________________________________________________________ grafit 10-6 – 10-4

pirit 10-4 – 10

4/33

Geoelektrika

magnetit 10-2 – 10 galenit 10-2 – 300 hematit 0.1 – 100 glina 1 – 100 lapor 3 – 70 glinasti škriljevac 30 – 103

pješčenjak 10 – 104

pijesak, šljunak 10 – 105

vapnenac, dolomit 100 – 105

granit 300 – 106

bazalt 10 – 107

kamena sol 106 – 107

kremen 1010-1014

___________________________________________________________________Iz prikazanih podataka očito je, da je raspon vrijednosti električnog otpora ogroman.

Općenito raste otpor od gline i lapora preko pijeska i šljunka do vapnenca i dolomita te magmatskih kamenina. Usprkos velikim razlikama zbog prekrivanja vrijednosti nije moguća jednolično određivanje vrste stijene iz električnog otpora i obrnuto.

Električni otpor stijena određuju sa:- laboratorijskim mjerenjem na uzorcima,- mjerenjem na terenu- mjerenjem u bušotinama (geofizikalna karotaža) i- obradom nekih geoelektričnih mjerenja.

4GEOELEKTRIČNE METODE ISTRAŽIVANJA

Razlike električnih (i magnetnih) osobina materije u Zemljinoj kori prouzrokuju prostorne promjene u raspodjeli električnih i elektromagnetnih polja, a neke geološke sredine su same izvor lokalnih električnih polja. Zato daju mjerenja električne struje odn. električnih i elektromagnetnih polja korisne podatke o geološkoj građi, o vrstama stijena, rudama, podzemnoj vodi, itd. Grana uporabne geofizike, predmet koje su takva istraživanja je uporabna geoelektrika.

Predmet proučavanja su slijedeća prirodna polja:a) mjesna električna polja, koja prouzroče spontana električna polarizacija u tlu, ib) električna i magnetna polja električne struje, koje u tlu odn. u Zemljinoj kori

induciraju (kratko-) vremenske promjene geomagnetnoga polja. (Promjene geomagnetnoga polja prouzrokuju prije svega promjenljive ionosferske struje i razelektritve u atmosferi.)

Strujanja u tlu induciraju i polja ljudskih izvora. Od umjetnih polja geofizici proučavaju prije svega:

a) elektromagnetna polja navigacijskih odašiljača ib) električna i elektromagnetna polja vlastitih uređaja odn. generatora, koje

upotrebljavaju samo za geofizikalna istraživanja.

Zato ima geoelektrika puno različitih istraživačkih metoda. Razvrstavamo ih u slijedeće skupine metoda:

41potencijalne metode:

5/33

Geoelektrika

a) metoda vlastitog potencijala mjerenja mjesnih električnih polja, koje stvara spontana polarizacija u tlu),

b) metoda umjetnog potencijala (mjerenja umjetnog električnog polja vlastitog generatora),

42otporna metoda (mjerenja umjetnog električnog polja vlastitog generatora),2. 421elektromagnetne metode:

a) 4211magnetotelurske metode (mjerenja električnog i magnetnog polja telurskih strujanja, koja u tlu induciraju kratko vremenske promjene geomagnetnog polja),

b) 4212ostale elektromagnetne metode (mjerenja umjetnog elektromagnetnog polja vlastitog odašiljača ili jakog navigacijskog odašiljača),

3. 422metoda inducirane polarizacije (mjerenja nestajućeg električnog polja probuđene električne polarizacije).

Glede na izvor polja razlikujemo pasivne (naravno ili postojeće civilizacijsko polje) i aktivne (polje vlastitog izvora) geoelektrične metode.

Neki tretiraju elektromagnetne metode kao posebno područje uporabne geofizike. Razlikuju dakle električne (potencijalne metode, otporna metoda i metoda inducirane polarizacije) i elektromagnetne metode.

Sve nabrojene metode su prisutne u kopnenoj geofizici i mnoge u geofizikalnoj karotaži. Pored toga su neke elektromagnetne metode najčešće istraživane metode zračne geofizike.

41POTENCIJALNE METODE

411M e t o d a v l a s t i t o g p o t e n c i j a l a

Metoda temelji na mjerenjima prirodnih lokalnih električnih polja u tlu. Električni potencijal tih polja dobio je ime vlastiti potencijal. Lokalna polja prouzročili su razni faktori, među kojima su najbitniji elektrokemijski procesi u okolini rudnih tijela (prije svega sulfidnih, oksidnih i grafitnih).

Ako je rudno tijelo, koje je elektronski provodnik, djelomično potopljeno u podzemnu vodu, koja je ionski provodnik (slika 3 c), dođe u tlu do spontane polarizacije te stalnih električnih strujanja. Ako mjerimo potencijal električnog polja na površini terena iznad rudnim tijela, dobijemo negativnu anomaliju vlastitog potencijala (slika 3 a). Takav mineralizacijski potencijal dostigne ponegdje više 100 mV, iznimno i preko 1 V.

Lokalna električna polja prouzrokuju pored elektrokemijskih procesa, koji su povezani s rudama, još druge elektrokemijske procese. Također gibanje elektrolita (vode) u tlu je izvor slabog polja; potencijali takvog polja su poznati kao strujni potencijali. Potencijali polja, koji nisu povezani s rudama, mogu biti pozitivni ili negativni i dostižu obično samo nekoliko 10 mV, a rijetko preko 100 mV.

Izvedba terenskih mjerenja je vrlo jednostavna. Na području istraživanja električni potencijal mjere na više mjesta s mjernom elektrodom (elektroda M na slici 4), koja je s kablom povezana s voltmetrom. Za električni strujni krug brine pomoćna elektroda, koja je na nekom stalnom mjestu usporedbe (elektroda N na slici 4). Obično s profiliranjem i kartiranjem. Mjerna mjesta su obično razmaknuta 10 do 20 m, razmaci su po potrebi i veći ili manji. Mjesto uspoređivanja je obično na istraživačkom području, a može biti i izvan njega.

6/33

Geoelektrika

Mjerenje potencijalnih razlika između dvije mjerne elektrode, koje su razmaknute na neku stalnu razdaljinu, npr. 10 do 20 m, traži kraći kabel (slika 5). Pri tom načinu je primjereno

7/33

Geoelektrika

prije svega za profiliranje, pomiču se istovremeno obadvije elektrode. Mjerno mjesto je na sredini između obadvije elektrode (pri prijašnjem načinu određuje mjerno mjesto položaj elektrode M). Anomalija ima u tom primjeru drugačiji oblik (slika 3 b).

Mjerne i pomoćne elektrode za mjerenje potencijalom i potencijalnih razlika zovu potencijalne elektrode, a par mjernih elektroda MN mjerni ili potencijalni dipol. Najjednostavnije potencijalne elektrode bile bi metalne palice/štapovi, koje bi za mjerenje uboli u tlo na odgovarajućim mjestima. U kontaktu s tlom metalne se elektrode polariziraju. Nastaje potencijalna razlika, koja izobliči mjerenje. Zbog toga upotrebljavaju za mjerenje potencijalnih razlika posebne nepolarizirane elektrode. (Kod nekih drugih geoelektričnih metoda je upotreba metalnih potencijalnih elektroda dozvoljena).

Obično je upotrebljavana nepolarizirana elektroda porozna posuda sa zasićenom otopinom bakrovog sulfata CuSO4. u nju je potopljen bakreni štap, na kojeg priključe mjerni kabel. Kontakt s tlom omogućuje pronicanje otopine kroz dno (i stijene) posude.

Najvažnija upotreba metode vlastitog potencijala su mjerenja mineralizacijskih potencijala iznad rudnih ležišta. U ugodnim prilikama uspješna su mjerenja strujnih potencijala, prije svega na krasu i na geotermalnih područjima, gdje mogu dostignuti do 1 V. Mjerenja vlastitog potencijala su jednostavna, jeftina i neposredno otkrivaju tražena tijela. Ipak iz anomalije vlastitog potencijala je uglavnom moguće odrediti samo položaj uzročnika, ali ne njegove dubine. Inače uzrok za vlastiti potencijal su samo vrlo plitka tijela (do dubine nekoliko 10 m). Na veličinu tijela moguće je zaključivati samo kod jednostavnih geoloških prilika

412M e t o d a u m j e t n o g a p o t e n c i j a l a

Metoda se temelji na mjerenjima električnog polja kojeg u tlu stvara generator

8/33

Geoelektrika

jednosmjerne struje (slika 6). Polje u tlu pokazuju strujnice (puno izvučene crte; to so crte, koje pokazuju smjer električne struje u tlu; te približno soupadaju sa silnicama električnog polja; ekvipotencijalne crte su izvučene crtkano).

Terensko elektrodno razvrstavanje pokazuje slika 7 strujni krug omogućuju dvije uzemljene napajalne ili strujne elektrode A i B, koje su kablovima povezane s generatorom. U strujnom krugu su još ampermetar i prekidač. Izvor električne struje u tlu je dakle par elektroda AB ili strujni dipol. Ako je područje istraživanja samo okolina jedne strujne elektrode, a druga je od tog područja prilično udaljena i je samo kao pomoćna elektroda za zatvaranje strujnog kruga, možemo govorimo o točkastom izvoru struje. Za neka istraživanja primjeran je linijski izvor struje (primjer takve elektrode je duga neizolirana žica, potopljena u vodu).

9/33

Geoelektrika

Raspoređivanje polja na površini, koje odražava geološke razmjere ispod površine, utvrđuju mjerenjem potencijala na različitim mjestima putujuće elektrode M (njezin položaj je mjerno mjesto). Za strujni krug brine pomoćna elektroda N, koja je na stalnom mjestu uspoređivanja na području istraživanja ili izvan njega. Za potencijalne elektrode su u upotrebi nepolarizirane elektrode.

Mjerene potencijale odn. razlike potencijala treba je ispraviti u odnosu na svako kratnu struju. Zato je mjerna količina U/I. Pored toga je treba iz mjerenja isključiti potencijale prirodnih i civilizacijskih strujanja.

Grafički prikaz mjerenja potencijalne metode je karta potencijala, gdje su jednake vrijednosti povezane u crte jednakih potencijala ili ekvipotencijalne crte. Oblik i gustoća crta pokazuje anomalije polja – potencijalne anomalije, koje otkrivaju geološke promjene i tražena tijela zbog razlika u električnom otpornu. Vrednovanje je najčešće kvalitativno.

S utvrđivanjem nultih potencijalnih razlika između putujuće mjerne elektrode i elektrodom uspoređivanja određuju se na terenu mjesta jednakih potencijala, koji se povezuju u ekvipotencijalnu crtu. Sa biranjem drugog mjesta uspoređivanja određuju drugu ekvipotencijalnu crtu. Tako možemo s utvrđivanjem nultih potencijalnih razlika na više mjesta elektrode uspoređivanja neposredno izrade kartu jednakih potencijala ili ekvipotencijala.

Vrlo upotrebljiva inačica metode umjetnog potencijala je metoda naelektrenog tijela (slika 8). Jedna strujna elektroda je u neposrednom dodiru s istraživanim rudnim tijelom, a druga je vrlo daleko. Raspoređivanje potencijala (polja točkastog izvora) na površini pokazuje približnu sliku odn. rastezanje rudnog tijela. Metoda je primjerna i za istraživanja kraških podzemnih vodenih struja; tu se pored točkastog upotrebljava i linijski izvor struje.

42OTPORNOSNA METODA

Predmet proučavanja je umjetno polje, kojeg stvara generator jednosmjerne struje, prekidajuće jednosmjerne ili izmjenične struje, ili niskofrekventne izmjenične struje. Izvor

10/33

Geoelektrika

struje je obično strujni dipol, a ponekad i točkasti (druga strujna elektroda je daleko od istraživanog ozemlja). Za mjerenja upotrebljavaju dvije mjerne elektrode – potencijalni dipol. Različiti međusobni položaji strujnih i potencijalnih elektroda odn. strujnih i potencijalnih dipola tvore različite elektrodnih razvrstanja. Zbog jednostavnijih mjerenja i lakšeg tretmana podataka su najviše u upotrebi premocrtna razvrstanja. Najpoznatiji su 61Wennerova (slika 9) i 62Schlumbergova (slika 10) simetrična četiri elektrodna razvrstanja.

Za prvu su karakteristični jednaki razmaci elektroda (AM = MN = NB = a odn. AB = 3MN), a kod drugi je strujni dipol dosta veći od potencijalnog (AB >> MN). Kod obadvije je mjerno mjesto sredina razvrstanja.

Otpornostna metoda se temelji neposredno na električni otpornosti stijena odn. njezinim razlikama. U primjeru električno homogenih tla dobijemo iz mjernih podataka električno otpornost tla iz jednadžbe:

ρ = K(U/I)U ... s potencijalnim dipolom izmjerena potencijalna razlikaI ... struja napajanja strujnog dipolaK ... geometrijski parametar razvrstavanja (ovisan je od razdaljine među elektrodama).

U primjeru heterogenih tla rezultat je mjerenje količina, koja ima jedinicu otpornosti; zovemo je prividna električna otpornost:

11/33

Geoelektrika

ρa = K(U/I)To je osrednja količina otpornostne metode.

Geometrijski parametar Wennerovog razvrstavanja je K = 2*a. Za Wennerovo razvrstavanje dakle vrijedi:

ρa = 2*a (U/I)Mjerenje prividne otpornosti na prikladno razmaknutim mjestima na izbranom terenskom profilu je otporno profiliranje. Strujne i potencijalne elektrode su kod profiliranja obično razvrstane uzduž profila (samo iznimno postavljaju dipole poprečno na profil). Graf mjerenja – otpornosni profil (slika 11) odnosno otpornosne anomalije na tom profilu odražavaju ispod površinske geološke promjene uzduž profila.

Dubinski dohvat tretiranih elektrodnih razvrstavanja ovisan je od dužine strujnog dipola. Što veći je dipol, to veći je dubinski dohvat. Dubinski dohvat Wennerjeveg i Schlumbergerjeveg razvrstavanja je otprilike jedna desetina do jedna četvrtina dužine strujnog dipola.

Dubinski dohvat ovisan je i od otpornosti tla i frekvencije struje napajanja. U tlu s većom otpornošću dubinski je dohvat veći. Zbog kožnog pojava ima najveći dubinski dohvat jednosmjerna struja. Jer ima upotreba izmjenične struje određene prednosti (jednostavan energijski izvor, jednostavno ojačanje potencijalne razlike, mogućnost upotrebe metalnih potencijalnih elektroda, jednostavno izlučivanje ometajućih strujanja), više istražuju s izmjeničnim strujom.

Za profiliranje izaberu rasprostranjenost elektrodnih razvrstavanja, koja je najprimjerenija za istraživački zadatak. Po potrebi obave profiliranje s više dubinskih dohvata, znači sa više različito dugim razvrstanjima. Kod profiliranja upotrebljavaju Wennerjevo i Schlumbergerjevo razvrstavanje te još neke druge. Profiliranje je primjereno pogotovo za određivanje okomitih prijeloma i geoloških granica. Vrednovanje otpornostnih profila je uglavnom kvalitativno.

Utvrđivanje vertikalnih odn. dubinskih promjena s otpornostnom metodom je otpornosno sondiranje. Sondiranje su uzastopna mjerenja s uvijek većim dubinskim dohvatom. Za svako slijedeće mjerenje povećava se elektrodno razvrstavanje tako, da se simetrično razmaknu elektrode od središta razvrstavanja. Kod toga ostaje središte razvrstavanja i s tim mjerna točka na istom mjestu. Jer je dubinski dohvat ovisan od veličine strujnog a ne od potencijalnog dipola, je za sondiranje udobnije Schlumbergerjevo razvrstavanje, jer traži u glavnom samo razmakanje strujnih elektroda.

12/33

Geoelektrika

Otpornostno sondiranje upotrebljavaju najviše za istraživanja do nekoliko 10 m ili nekoliko 100 m (dužina strujnog dipola do nekoliko 100 ali nekoliko 1000 m). Otpornosno sondiranje s Schlumbergovim razvrstavanjem upotrebljavaju tu i tamo za istraživanja dubokih struktura (npr. naftnih struktura i geotermalnih područja), gdje je potreban dubinski dohvat nekoliko 1000 m (dužina strujnog dipola do 20 km in više). A za istraživanja kore su već mjerili s strujnim dipolima do 200 km. Vrednovanje geoelektričnog sondiranja je kvantitativno.

Za duboko otpornostno sondiranje često upotrebljavaju umjesto Schlumbergerjeve duplo dipolno razvrstavanje (slika 12). Veličina strujnog dipola je 1000 – 1500 m, veličina a potencijalnog 300 – 500 m. Dubinski dohvat povećavaju s odmicanjem potencijalnog dipola MN od strujnog dipola AB. Mjerno mjesto je na sredini među središtima dipola. Prednost dipolnog sondiranja pred Schlumbergovim su kraći kablovi. Pored toga nije potrebno čuvanje dipola u istom smjeru. Mana je slab signal (mala potencijalna razlika).

Upotreba otpornostne metode je raznovrsna. Najviše je upotrebljavaju za plitka istraživanja za potrebe graditeljstva, vodoopskrbe i rudarstva. Primjerna je za određivanje dubine kameninskih podloga, za istraživanje vodonosnikov, za iskanje podzemnih vodnih struja na krasu i istraživanja arheoloških nalazišta. Mana otpornosne metode je mala razlika i slično kao kod većine drugih geofizikalnih metoda velika različitost vrjednovanja.

13/33

Geoelektrika

7ELEKTROMAGNETNE METODE71

* M a g n e t o t e l u r s k e m e t o d e711

Magnetotelurika

Sve promjene geomagnetnog polja induciraju električne struje u Zemlji. Posebno opsežne struje vrlo niskih frekvencija induciraju u Zemljinoj kori promjene magnetnog polja, koje prouzrokuju promjenljive električne struje u ionosferi (zbog sunčanog elektronskoga strujanja, okretanja Zemlje itd.). ta strujanja su po cijeloj površini Zemlje, a pojedinačni strujni sistemi pokrivaju površine više milijuna km2. zato su dobili ime telurske (= Zemljine) struje.

Posljedica telurskih strujanja, koja neprestano mijenjaju veličinu i smjer, je promjenljivo elektromagnetno polje. Jakost električnog polja i gustoća magnetnog polja telurskih strujanja su na površini Zemlje vodoravni i među sobom pravokutni (slika 13). Njihov omjer je kod

zadane frekvencije f ovisno od otpornosti tla. Zbog toga možemo iz mjerenja jakosti električnog polja E i gustoće magnetnog polja B izračunati prividnu električnu otpornost ρ a za svako mjerno mjesto. Vrijedi naime:

ρa α (1/f)(E/B)2

(Cijela jednadžba jeρa = (μo/2*f)(E/B)2

μo je indukcijska konstanta.)

Istraživanja elektromagnetnog polja telurskih strujanja zovemo magnetotelurika. Mjerenja električnog polja su razmjerno jednostavne, tu gledamo samo mjerenja potencijalnih razlika (mjerenje E na slici 13). Red veličine potencijalnih razlika telurskih električnih polja je 10 mV/km. Promjenljivo polje mjere istovremeno sa dva među sobom pravokutnima potencijalnima dipoloma (dužina dipola je nekoliko 10 m za plitka do nekoliko 100 m za

14/33

Geoelektrika

duboka istraživanja). Jakost električnog polja je količnik potencijalne razlike i dužine potencijalnog dipola: E = U/l.

Mjerenja magnetnog polja su prilično zahtjevne, tu imamo frekvencije od 1 Hz – 0,001 Hz ili čak manje. Za mjerenje polja vrlo malih frekvencija su primjereni neki osjetljivi magnetometri. A inače mjere promjene magnetnog polja induktivno s posebnim svitkom (mjerenje B na slici 13). Inducirana struja u svitku je proporcionalna sa gustoćom magnetnog polja (u smjeru svitka). Takav svitak ima 20 – 30.000 navoja žice i visoko permeabilnu jezgru. Magnetno polje mjere istovremeno u dvije vodoravne među sobom pravokutnim smjerovima i u vertikalnom smjeru.

Električno i magnetno polje mjere u ovisnosti od frekvencije. Tako dobe prividnu otpornost kao funkciju frekvencije. Jer odgovara zbog kožnog pojava svakoj frekvenciji određeni dubinski dohvat, je s magnetotelurikom moguće otpornostno sondiranje. Magnetotelursko sondiranje obeća istraživanje dubina više 10 km i čak nekoliko 100 km.

Mjerenja električnog i magnetnog polja traže na svakom mjestu prilično vremena. Promjenljivo polje je naime potrebno označavati više minuta do više sati.

Magnetotelurika se je u uporabnoj geofizici udomaćila kod istraživanja naftnih nalazišta i geotermalnim područjima, a manje za istraživanja rudnih nalazišta.. Vrednovanje magnetotelurskog sondiranja je kvantitativno, ali mnogolično.

712Telurika

Na magnetno polje uplivaju razlike otpornosti stijena mnogo manje nego na električnu. Kod zanemarivanja promjena magnetnog polja vrijedi kod zadane frekvencije otprilike:

ρa α E2

Promjene polja su praktično istovremene na velikom teritoriju. Zbog toga možemo s istovremenim mjerenjem jakosti električnog polja na dva mjesta dobiti odnos otpornosti ta dva mjesta:

ρa1/ρa0 α (E1/E0)2

Istodobno s mjerenjem električnog polja na bilo kojem mjernom mjestu mjerimo polje još na stalnom mjestu uspoređivanja. A na obadva mjesta je potrebno mjeriti po dvije pravokutne komponente električnog polja. – Vidimo, da već samo mjerenja električnoga polja omogućuju kartiranje relativnih vrijednosti prividne otpornosti. Metoda takvih uspoređivajućih mjerenja telurskog električnog polja je poznata kao telurika. Radno podrućje frekvencija je kod telurike nekoliko uže nego kod magnetotelurici. Obuhvaća samo frekvencije od 0,02 – 0,1 Hz.

Telurika je primjerena za otkrivanje većih geoloških struktura (solnih čokov, gub, hrbata), a daje samo kvalitativnu sliku. Dubinski dohvat telurike je zbog kožnog pojava mali.

713Audio-magnetotelurika

Razelektritve kod oluja stvaraju elektromagnetne smetnje, koje se šire u prostoru među ionosferom i površinom Zemlje. Te smetnje induciraju v tlu slabe struje v frekventnom području od 1 – 20.000 Hz. Promjenljivo magnetno polje takve struje je uglavnom vodoravno, a u blizini vrlo provodnih tijela otkloni se iz vodoravnog smjera. Određivanje smjera polja omogućuje otkrivanje provodnih tijela. Promatranje tih polja je poznato kao audio-magnetotelurika ili kao metoda AFMAG.

15/33

Geoelektrika

(AFMAG = Audio Frequency Magnetic Fields = magnetno polje slušnih frekvencija.)Kod te metode je magnetometar jedan svitak (solenoid) ili sistem dviju među sobom

pravokutnih svitaka te odgovarajući instrument. Vodoravno ležeći svitak vrte okolo vertikalne osi, da potraže smjer, kod koje je u svitku inducirana struja najveća. Zatim vrte svitak oko vodoravne osi (koja je pravokutna na osovinu svitka), da potraže nagib, kod kojeg je inducirana struja najmanja. Mjerenja urade kod dviju različitih frekvencija (150 in 510 Hz).

Audio-magnetotelurika je primjerena za kartiranje prijeloma i razna druga pregledna istraživanja na razgibanom i obraslom terenu. Dubinski dohvat audio-magnetotelurike je zbog kožnog pojava još manji kao kod telurike. Moguće ju je prirediti i za zračna mjerenja.

Pored nabrojenih pasivnih magnetotelurskih metoda, kod kojih proučavaju polja udaljenih prirodnih pojava, postoje i aktivne magnetotelurske metode s jakim vlastitim izvorom polja.

72O s t a l e e l e k t r o m a g n e t n e m e t o d e

16/33

Geoelektrika

Aktivne elektromagnetne metode imaju vlastiti izvor valovanja odn. polja. Neka to bude svitak odašiljanja O na slici 14. magnetno polje tog izvora BP (zovemo ga primarno polje) inducira u provodnim tijelima u tlu električna strujanja, koja stvore vlastito magnetno polje BD (zovemo ga sekundarno polje). Sekundarno polje se taloži na primarno polje; zajedničko polje B je vektorska suma obadviju. (Kod aktivnih elektromagnetnih metoda je predmet proučavanja uglavnom magnetno polje, a električno samo iznimno.)

Upotreba elektromagnetnih metoda kod razrješavanja geoloških problema temelji na činjenici, da inducira elektromagnetno polje prilična električna strujanja samo u većim provodnim tijelima (npr. v masivnim sulfidnim rudama i vrlo provodnoj talnoj vodi), a u poprečnom tlu je indukcija zanemariva. Zbog toga su elektromagnetne metode primjerne za otkrivanje geoloških tijela, koja imaju veliko električno provodnost.

Smjer induciranih strujanja je ovisna od položaja provodnih tijela (i od smjera primarnog polja). Zbog toga ima sekundarno polje obično drugi smjer kao primarno. Vremenska promjena sekundarnog polja obično nije u fazi s vremenskom promjenom primarnog polja.

Zbog toga vektor gustoće zajedničkog polja ne njiše pravocrtno, nego ocrtava elipsu u jednom času njihanja. Kažemo da je zajedničko polje eliptično polarizirano.

Gustoća zajedničkog polja se zbog toga razlikuje od gustoće primarnog polja po veličini, fazi in smjeru (na određenom mjestu i u određenom trenutku). Veličinu, fazu i smjer gustoće zajedničkog ili sekundarnog polja možemo odrediti s mjernim ili prijemnim svitkom (svitak S na slici 14). Prostorne promjene tih parametara – elektromagnetne anomalije, koje otkrivaju položaj provodnih tijela u tlu, utvrđuju se profiliranjem i kartiranjem.

Mjerilna oprema sastoji se iz odašiljača i prijemnika. Glavni sastojci odašiljača su vir energije i izvor polja. Vir energije je generator izmjenične struje odn. oscilator s frekvencijom među nekoliko 10 do nekoliko 1000 Hz, iznimno do nekoliko 10 kHz ili čak više. Izvor polja može biti dug, na oba kraja uzemljen izoliran kabel (dug od 1 do 5 km), velika izolirana pravokutna petlja (dužine od 0,5 do 1 km i širine do nekoliko 100 m) ili svitak. Prijemnik sastoji se iz jednog ili dva prijemnih svitaka i odgovarajućeg mjerilnog instrumenta. Prijemni i odašiljani svici su pravokutni ili kružni okviri s jednim ili više navoja. Prijemni svici mogu biti i solenoidi.

Elektromagnetne metode možemo razdijeliti u odnosu na mjereni parametar na:- metode za određivanje smjera polja i- metode za određivanje veličine i faze polja.

Različne metode se razlikuju u odnosu na upotrebljavane frekvencije te u odnosu na međusobni položaj odašiljača (odn. smjera primarnog polja) i prijemnika (odn. osovine promijenjenog svitka).pored toga razlikujemo:

- metode, kod kojih odašiljač miruje, a prijemnik putuje, i- metode, kod kojih putuju odašiljač i prijemnik.

Među metode, kod kojih odašiljač miruje, pripadaju i pasivne elektromagnetne metode. Predmet tih su mjerenja prirodnih elektromagnetnih polja (magnetotelurske metode) te mjerenja elektromagnetnih polja navigacijskih odašiljača. Zato razlikujemo i aktivne i pasivne elektromagnetne metode.

Elektromagnetne metode najviše upotrebljavaju za kartiranje i profiliranje. Primjerene su za zemaljska i zračna mjerenja, a isto za karotažu.

17/33

Geoelektrika

Dubinski dohvat zemaljskih elektromagnetnih metoda je najviše oko 500 m. Je to veći, što veća je otpornost tla i to manja je frekvencija. A ovisan je i od razmaka odašiljač – prijemnik. Zbog toga je s promjenom razmaka kod stalne frekvencije ili s promjenom frekvencije kod nepromijenjenom razmaku moguće elektromagnetno sondiranje.

Tračna elektromagnetna mjerenja imaju prednost pred zemljanim u brzini izvedbe mjerena na velikih područjima. Mogući su aktivni i pasivni postupci. Kod aktivnih zračnih metoda odašiljač može biti na tlu, može biti u drugom zrakoplovu, a može biti i zajedno s prijemnikom u istom zrakoplovu. Prijemni svitak je ili na zrakoplovu ili u ptici (to je posebna posuda, koja visi sa zrakoplova na dugom kabelu). Dubinski dohvat zračnih elektromagnetnih metoda je do 50 m.

U nastavku razgledavat ćemo nekoliko karakterističnih elektromagnetnih metoda.

721Nagibna metoda

Mjerenja smjera zajedničkog polja su primjerene prije svega za brza pregledna istraživanja. Mjerni parametar je nagibni kut između prijemnog svitka i horizontalne ravnine, kod kojeg je inducirana struja u svitku najmanja.

Pogledajmo si profiliranje nad pokrivenim provodnim tijelom a putujućim sistemom odašiljač – prijemnik (slika 15). Osovina svitka odašiljača O pokazuje u smjeru profila, a početni položaj svitka prijemnika S neka bude horizontalan (osovina svitka je vertikalna). Razmak O-S je kod svih mjerenja jednak. Graf nagibnog kuta uzastopnih položaja prijemnog

18/33

Geoelektrika

svitka, kod kojeg je inducirana struja u svitku najmanja, je u zadanom primjeru karakteristična anomalija.

Nagibne metode sa mirujućim odašiljačem su : aktivne metode, kod kojih je izvor polja horizontalna petlja ili horizontalan kabel, te pasivni metodi AFMAG (prirodan izvor polja) i VLF (navigacijski odašiljač).

722Metoda Slingram

S parom putujućih horizontalnih svitaka sa stalnim razmakom (25-100 m) mjere odnos amplituda sekundarnog i primarnog polja (slika 16). Obično upotrebljavaju jednu ili dvije frekvencije između 400 i 4000 Hz, a ponekad i dosta višu frekvenciju.

Kod elektromagnetnih mjerenja odnosa zapravo određuju dva odnosa: 1. odnos između realne komponente sekundarnog polja i primarnog polja (realna komponenta je u fazi s primarnim poljem) i 2. odnos među imaginarnom komponentom sekundarnog polja i primarnim poljem (imaginarna komponenta je iz faze s primarnim poljem). Zbog toga su na slici 84 dvije anomalije.

723Metoda Turam

19/33

Geoelektrika

Kod te metode je odašiljač velika horizontalna petlja, a prijemnik je sistem dva horizontalna svitka, razmaknutih 5-60 m (slika 17). Obično upotrebljavaju dvije frekvencije, npr. 200 i 800 Hz. Odašiljač miruje, a prijemnik premještaju po terenu po profilima (uglavnom van petlje). Mjerne količine su odnos među amplitudama vertikalnih komponenta magnetnog polja u prijemnim svicima i razlika faza, ako su v tlu provodnici, je odnos veći od 1 a razlika faza različita od nule.

Prednost te metode pred metodama s putujućim odašiljačem je u to,e, da topografija nema značajnog učinka. Metoda je primjerena i za zračna mjerenja. Odašiljač je na tlu, a prijemnik u zrakoplovu.

724Metoda VLF

Pasivna VLF metoda upotrebljava nemodulirano nosivo valovanje jakih mornarskih navigacijskih odašiljača, koji emitiraju u frekventnom pojasu 10-30 kHz. Prijemnik, koji ima jedan ili dva među sobom pravokutna svitka (solenoida), je potrebno prije mjerenja usuglasiti na frekvenciju odašiljača.

Mjerne količine su odnos među amplitudama sekundarnog i primarnog magnetnog polja te smjer zajedničkog polja. Ponekad mjere još električno polje pomoću potencijalnog dipola (dužine 5-10 m) ili duge izolirane žičane antene (stavljene na tla). Mjerenja magnetnog i električnog polja omogućuju određivanje debljine i otpornosti površinskog sloja.

Aktivna VLF metoda ima vlastiti odašiljač. Izvor polja je ili duga (npr. 1 km) uzemljena antena ili velika petlja (npr. 500 m x 500 m).

Metodu upotrebljavaju i za zračna mjerenja, i to za određivanje površinskih promjena provodnosti, jer je dubinski dohvat vrlo mali.

(VLF = Very Low Frequency = vrlo niska frekvencija; niska za radijsku tehnologiju, a za geoelektriku je to visoka frekvencija.)

725Metoda prijelaznog polja

Kada primarno elektromagnetno polje iznenada nestane (kod isključenja izvora energije), sekundarno polje ne nestane odmah. Provodna tijela u tlu su naime pod uplivom primarnog polja električno polariziraju. Poslije isključenja primarnog polja pokrene ta polarizacija nestajuću električnu struju u tlu, a njega prati nestajuće električno i magnetno polje. To nestajuće sekundarno polje možemo promatrati, dok ne nestane, pri čemu primarno polje ne smeta, jer ga nema više.

20/33

Geoelektrika

V neprovodnom tlu sekundarno polje praktično u trenu nestane, a u provodnim tijelima sto sporije, što veća je njihova provodnost. Zbog toga možemo s promatranjem (profiliranjem ili kartiranjem) prijelaznih pola otkrivati provodna rudna tijela u tlu. Najbolje je u tu svrhu upotrijebiti prekidajuću izmjeničnu struju (frekvencije od 0,1 Hz do preko 100 Hz). Jedan vrijeme njihanja obuhvaća: struju u jednom smjeru, prekid, struju u drugom smjeru i prekid. Sekundarno polje bilježe u času prekida.

Odašiljač i prijemnik mogu biti strujni i potencijalni dipol (za promatranje električnog polja) ili neuzemljena petlja i svitak (za promatranje magnetnog polja).

Metoda je vrlo primjerena za zračna mjerenja, gdje je odašiljač oko zrakoplova nategnuta petlja, a prijemni svitak je u ptici, koja visi sa zrakoplova na npr. 150 m dugom kablu.

8METODA INDUCIRANE POLARIZACIJE

81V r e m e n s k a m j e r e n j a

U razbacanim sulfidnim ležištima, sedimentnim ležištima bakra, ležištima olova i cinka, u karbonatnim kameninama, u nekim glinama te u nekim drugim sredinama je prelazno sekundarno polje (po isključenju umjetno stvorenog primarnog električnog polja) zbog jake inducirane polarizacije razmjerno jako i slabljenje razmjerno sporo. Mjerenja takvog nestajućeg polja mogu biti zbog toga uspješna metoda za otkrivanje nabrojenih ležišta.

Za stvaranje primarnog i mjerenje nestajućeg sekundarnog električnog polja upotrebljavaju takve elektrodna razvrstavanja kao kod otpornostne metode. V strujnom dipolu uključe struju, s potencijalnim dipolom i mjere napon. Kod uključenja električne struje (točka A na slici 18) napon (zbog inducirane polarizacije) ne dostigne odmah najviše vrijednosti U0. Uzdržavanje primarne struje traje npr. 20 s (do točke B). Po isključenju struje napon zbog induciranja polarizacije polako nestaje. Poslije određenog vremena poslije isključenja struje izmjere napon UIP (kod točke C). Omjer tih dviju napona je:

η = UIO/UO

To omjer zovemo polariziranost.

(Bolje mjerilo polarizivosti je površina ili dio površine pod krivuljo nestajanja.)

21/33

Geoelektrika

S profilom utvrđuju anomalije polarizivnosti ili anomalije inducirane polarizacije, koje omogućuju otkrivanje rudnih tijela ili gline. S povećanjem elektrodnog razvrstavanja (slično kao kod otpornostne metode) moguće je i sondiranje, iako ga upotrebljavaju samo iznimno.

U razvoju je metoda mjerenja nestajućeg magnetnog polja inducirane polarizacije.

82F r e k v e n t n a m j e r e n j a

Zbog inducirane polarizacije je prividna električna otpornost različita za različite frekvencije struje napajanja. Polarizacija smeta putovanju električnih djelića. Veća polarizacija dakle znači veći električni otpor. Električna struja visoke frekvencije potakne malu polarizaciju, jer prebrzo mijena smjer. A struja vrlo niske frekvencije potakne veliku polarizaciju. (Inducirana polarizacija dođe u potpunosti do izraza kod jednosmjerne struje.) zbog toga izmjere kod nisko frekventnoj struji višu prividnu električnu otpornost kao kod visoko frekventne. Primjereno mjerilo inducirane polarizacije odn. polarizivnosti je omjer:

η = (ρ1 –ρ2)/ρ2

ρ1 ... je prividna otpornost kod niske frekvencije (npr. 0,3 Hz)ρ2 ... je prividna otpornost kod visoke frekvencije (zadovoljava već 5 Hz)

(Sa frekventnim mjerenjima određenu polarizivnost zovu i frekventni učinak.) između polarizivnošću, određenu s vremenskim mjerenjima, i polarizivnošću, određenu s frekventnim mjerenjima, nema bitne razlike. Zbog toga daju frekventna mjerenja inducirane polarizacije praktično jednake rezultate kao vremenske.

5PRIDOBIVANJE PODATAKA

Geoelektrične metode su prije svega kopnene metode, a veliki dio elektromagnetnih metoda pored toga predstavlja bitan dio zračne geofizike. Zemljana geoelektrična ekipa broji s pomoćnim radnicima dva do deset članova.

Oprema za mjerenje aktivne geoelektrične metode sastoji se iz odašiljača i prijemnika elektromagnetnog odn. električnog polja.

Osnovni sastojci odašiljača su generator jednosmjernog, prekidajućeg jednosmjernog, izmjeničnog ili prekidajuće izmjenične struje i izvor struje ili polja. Snaga generatora je obično između 1 W i nekoliko kW, a radi s jednom, dvije ili više frekvencija. Generator je s kablom spojen s izvorom struje ili polja, koje može biti uzemljena elektroda (strujni krug omogućuje polja, koja mogu biti uzemljena elektroda, koja je primjereno udaljena od područja istraživanja), strujni dipol, na krajevima uzemljen dug izoliran kabel, izolirana pravokutna petlja ili svitak. – Kod pasivnih metoda je odašiljač npr. ionosfera, olujno područje, okolina rudnog tijela ili navigacijski odašiljač.

Prijemnik osjeti polje s osjetilom (to je mjerna elektroda, potencijalni dipol ili prijemni svitak), koji je kabelsko spojen s primjerenim mjernim instrumentom. Ta daje pojedinačne vrijednosti ili vremenski zapis mjerne količine. Po potrebi ojačaju mjereni napon odn. struju, a kod nekih elektromagnetnih metoda još ozvuče mjerni signal.

Geoelektrične metode su priređene za profiliranje i kartiranje, a neke i za sondiranje.Kod geoelektričnog kartiranja premještaju od jednog do drugog mjernog mjesta

samo prijemnik odn. njegovo točkasto osjetilo (mjernu elektrodu kod metode vlastitog potencijala i kod potencijalne metode, svitak ili par prekriženih svitaka kod metode VLF, kod metode AFMAG i kod magnetotelurike) ili potencijalni dipol (kod telurike i magnetotelurike).

22/33

Geoelektrika

Pri geoelektričnem profiliranju premještaju po profilu kompletan sistem odašiljač – prijemnik sa stalnim međusobnim razmakom (elektrodno razvrstanje kod otpornostne metode i metode inducirane polarizacije, razvrstanje svitak odašiljanja – svitak prijema kod nagibne metode, kod metode Slingram i kod metode prijelaznog polja) ili samo prijemnik odn. njegovo dvotočkasto osjetilo (potencijalni dipol kod metode vlastitog potencijala i kod potencijalne metode, par prijemnih svitaka kod metode Turam).

Kod geoelektričnog sondiranja razlikujemo:a) geometrično sondiranje, kod kojeg povećaju dubinski dohvat s

povećanjem odn. razmicanjem razvrstavanja odašiljač – prijemnik (otpornostno i elektromagnetno sondiranje) i

b) frekventno sondiranje, kod kojeg primijene dubinski dohvat s mjerenjima kod više različitih frekvencija (magnetotelursko i elektromagnetno sondiranje).

Mjerna količina je pri otpornostnom, magnetotelurskom i elektromagnetnom sondiranju prividna otpornost. U biti možemo govoriti kod sve tri metode za otpornostno sondiranje u širem smislu.

Osnovne ulazne mjerne količine su električni napon i struja. Mjerne količine, koje su iz njih izvedene, su potencijal, prividna otpornost, jakost električnog polja, gustoća magnetnog polja, smjer polja i polarizivnost. Mjerni instrument daje na izlazu trenutnu vrijednost ili zapis osnovnih ili izvedenih mjernih količina.

6TRETIRANJE PODATKA

Kod većine geoelektričnih metoda nas interesiraju prostorne (horizontalne ili vertikalne) promjene mjerne količine, koje prouzrokuju razlike u električnoj otpornosti stijena, a kod nekih prostorne promjene mjerne količine, koje određuje raspodjela lokalnog električnog polja spontane ili inducirane polarizacije. Pored faktora, na kojem temelje geoelektrične metode (otpornost ili lokalno polje), uplivaju na izmjerene vrijednosti još neželjeni faktori, npr. razgibana površina terena, ometajuća polja itd. Upliv ometajućih polja pokušaju odstraniti instrumentalno, a ostali uplivi su sakriveni u izmjerenim vrijednostima.

Tretiranje geoelektričnih podataka vrlo rijetko uključuju topografske podatke. Obično tretiraju nepopravljene mjerne podatke. Kod nekih metoda je treba zbogi prostorno promjenljivog upliva izvora polja na području istraživanja oduzeti "normalno polje" (npr. Kod metode Turam). Podatke profiliranja i kartiranja prikazuju grafički s geoelektričnim profilima i kartami, na kojim dolaze do izraza geoelektrične anomalije. Karakteristične anomalije profiliranja su na slici 19. na abscisu je stavljena razdaljina na profilu, a na ordinatu prividna otpornost (ili neka druga geoelektrična količina).

23/33

Geoelektrika

Vrednovanje geoelektričnih anomalija je često samo kvalitativno. Mjesto anomalije na profilu pokazuje na vjerojatno nalaženje traženog geološkog tijela ispod površine. Prethodno računsko ili laboratorijsko dobivene modelne krivulje (odn. anomalije) za jednostavne geološke razmjere odn. geološka tijela jednostavnih oblika (kugla, valjak, vertikalan kontakt itd.) su korisna pripomoć kod vrednovanja terenskih anomalija.

Kvantitativno rješavanje obrnutog zadatka, rezultat koje je geoelektrični model, teče načelno slično kao kod tretiranja gravitacijskih i magnetnih anomalija.

Podatke sondiranja nanose na dijagram s duplim logaritmičkim mjerilom. Dobiven graf zovu krivulja geoelektričnog sondiranja ili geoelektrična sonda. Primjer geoelektrične sonde otpornostnega sondiranja je na slici 20. Na ordinato je stavljena prividna otpornost, a na absciso pola dužine strujnog dipola.

Kod frekvenčnog sondiranja stave na absciso kvadratni korijen vremena njihanja odn. 1/f.

Geoelektrične sonde vrednuju kvantitativno. Vrednovanje temelji na pretpostavki, da je geološka zgrada sastav usporednih beskonačno rasprostranjenih homogenih slojeva.

24/33

Geoelektrika

Neračunarsko rješavanje obrnutog zadatka radi se uz pomoć matematičnih modela krivulja za dvoslojne i troslojne sustave. Nekoliko karakterističnih primjera takvih krivulja je na slici 21

25/33

Geoelektrika

(za dvoslojni sustav) i na slici 22 (za troslojni sustav). Računarska obrada sondi omogućuje brže i sigurnije rješavanje i se svodi u više koraka slično kao vrednovanje geofizikalnih anomalija. Rješavanje obrnutog zadatka daje mnogo lična rješenja, zato su za zadovoljivo vrednovanje potrebni još dodatni podaci.

Ako se otpornost mijenja samo s dubinom, daje raspodjela električnog potencijala na površini teoretsko jednolično rješenje (u gravimetriji i magnetometriji obrnuti zadatak i teoretski nema jednoličnog rješenja). A zbog raznih stvarnih faktora je geoelektrično vrednovanje mnogo lično.

Napomena: Izraz "geoelektrični profil" upotrebljava i za vertikalni geoelektrični prorez i za mjerni profil, po kojem se svodi geoelektrično profiliranje. Slično upotrebljavaju izraz "geoelektrična sonda" još za geoelektrično sondiranje na zadanom mjernom mjestu.

26/33

Geoelektrika

Na slici 23 je pregled rada geoelektričnih istraživanja.

27/33

Geoelektrika

7UPOTREBA

Dubinski dohvat geoelektričnih istraživanja rijetko prelazi 500 m, a kod profiliranja je uglavnom nekoliko 10 m. Zbog toga upotrebljavaju geoelektrične metode u većem opsegu prije svega za plitka istraživanja za potrebe rudarstva (posredno i neposredno otkrivanje i istraživanje rudnih ležišta), građevinarstva i geotehnike (istraživanja tla za temelje, istraživanja zemaljskih lavina, istraživanja odlagališta radioaktivnih otpadaka), vodne opskrbe (istraživanja vodonosnika slatke, mineralne i termalne vode) te arheologije (istraživanja pokrivenih ostataka gradova i drugih arheoloških objekata). Duboko geoelektrično (prije svega magnetotelursko) sondiranje upotrebljavaju za pregledna strukturna istraživanja za naftu, za istraživanja dubokih sedimentacijskih bazena i studij kore. Najvažnija upotreba geoelektrike je rudna prospekcija, a vrlo primjerena je i za kartiranje prijeloma i za krašku problematiku.

Unatoč razmjerno niskoj cijeni su geoelektrične metode često zapostavljene zbog nepouzdanosti rezultata, slabog odvajanja i mnogoličnog vrednovanja. Zbog toga su pogotovo

28/33

Geoelektrika

na zapadu malo zastupane u naftnih istraživanjima, kod kojih si mogu priuštiti mnogo skuplje, a obično pouzdanije i preciznije metode.

SIGURNOSNI UKREPI

Kod upotrebe visokonaponskih generatora električne struje je treba uvažavati odgovarajuće sigurnosne ukrepe. Uređaji (generator, kablovi, priključci) moraju biti primjerno izolirani. Neizolirani dijelovi (prije svega metalne strujne elektrode) moraju biti povezani u strujni krug, kada u njemu još nema električne struje. Tek kada je osigurano, da nema mogućnosti neposrednog kontakta sa neizoliranim vodičima i kada nema nikog neposredno kod strujnih elektroda (velik pad napona je i u tlu oko elektroda), je moguće uključenje struje. – U olujnom vremenu je treba posao prekinuti (iako nema padalina), jer se u dugih kablovima, koji povezuju elektrode, inducira priličan napon.

PITANJA

1. Što je predmet (uporabne) geoelektrike?

2. Što prouzroči električna strujanja u tvrdoj Zemlji?

3. Opiši električna i elektromagnetna polja Zemlje!

4. Što kaže Ohmov zakon i gdje vrijedi? (Dali i u stijenama?)

5. Što je električni otpor, što električna otpornost i što električna provodnost?

6. Što je potencijal i što jakost električnog polja?

7. Što je električna polarizacija i što influenca?

8. Što je elektromagnetno valovanje i s kakvim količinama ga opisujemo?

9. Opiši kožnu pojavu!

10. Što je spontana i što inducirana polarizacija?

11. Koja osobina materije uglavnom najviše upliva na raspodjelu električnog i magnetnog polja te širenje elektromagnetnog valovanja?

12. Od čega je prije svega ovisna električna otpornost stijena i zašto?

13. Kakva je uglavnom ovisnost električne otpornosti kamenina od temperature?

14. Koje stijene imaju malu i koje veliku električnu otpornost?

15. Kako određuju električnu otpornost stijena?

29/33

Geoelektrika

16. Koja prirodna i koja umjetna električna i elektromagnetna polja proučavaju geofizici?

17. Nabroji osnovne grupne geoelektričnih metoda!

18. Što je vlastiti potencijal?

19. Što mjere kod metode vlastitog potencijala?

20. Što sve prouzrokuju lokalna električna polja u tlu?

21. Kakve su anomalije vlastitog potencijala?

22. Kakve su prednosti, nedostaci i upotreba metode vlastitog potencijala?

23. U čemu se razlikuje metoda umjetnog potencijala od metode vlastitog potencijala?

24. Opiši terenska mjerenja kod metodi naelektrenog tijela!

25. Što je točkast izvor električne struje u tlu kod aktivnih geoelektričnih metoda?

26. Što je potencijalni i što strujni dipol?

27. Opiši mjerenja kod otpornostne metode s premocrtnom četirielektrodnom razvrstanjem!

28. Što je providna električna otpornost?

29. Što je otpornostno profiliranje i što sondiranje?

30. Za što sve upotrebljavaju otpornostnu metodu i kakve su njezina ograničenja?

31. Što su telurska strujanja?

32. Kakav smjer imaju jakost električnog i gustoća magnetnog polja telurskih strujanja?

33. Opiši magnetoteluriku, teluriku i audio-magnetoteluriku (ili metodo AFMAG)!

34. Koja magnetotelurska metoda je primjerena i za zračna mjerienja?

35. Za koje zadatke su primjerene magnetotelurske metode?

36. Što je primarno i što sekundarno elektromagnetno polje?

37. Koje polje uglavnom proučavaju kod elektromagnetnih metoda?

38. Na čemu temelje elektromagnetne metode?

39. Kako možemo dijeliti elektromagnetne metode?

40. Za otkrivanje kakvih geoloških tijela su primjerene elektromagnetne metode?

30/33

Geoelektrika

41. Što su elektromagnetne anomalije i s kojim mjernim načinima ih dobijemo?

42. Opiši nagibnu metodu!

43. Opiši metodu Slingram!

44. Opiši metodu Turam! U čemu je njezina prednost?

45. Opiši metodu VLF!

46. Opiši metodu prolaznog polja!

47. Koje elektromagnetne metode su primjerne za zračna mjerenja?

48. Koje vrste mjerenja su uvažene kod metode inducirane polarizacije?

49. Što je polarizivnost?

50. Kako upliva frekvencija struje napajanja na induciranu polarizaciju?

51. Iz čega sastoji mjerilna oprema aktivnih geoelektričnih metoda?

52. Što su osnovne sastavine odašiljača elektromagnetnog i električnog polja?

53. Što su osnovne sastavine prijemnika elektromagnetnog i električnog polja?

54. Opiši geoelektrično kartiranje!

55. Opiši geoelektrično profiliranje!

56. Koje vrste geoelektričnog sondiranja poznajemo i kako teče sondiranje?

57. Koje su osnovne i koje ispeljane geoelektrične mjerne količine?

58. Što daje kod geoelektrike mjerni instrument na izlazu?

59. Koji nepoželjni faktori uplivaju na geoelektrična mjerenja i kako otklanjaju njihov upliv?

60. Što je geoelektrični profil i što geoelektrična sonda?

61. Kako teče postupak geoelektričnih profila i karti te vrednovanje geoelektričnih anomalija?

62. Na kakvoj pretpostavki temelji postupak odn. vrednovanje geoelektričnih sondi?

63. Opiši tijek geoelektričnih istraživanja!

64. Za što upotrebljavaju geoelektrične istraživačke metode?

65. Koji su nedostaci geoelektričnih metoda?

31/33

Geoelektrika

66. Kada su potrebni kod geoelektričnih mjerenja sigurnosni ukrepi i na što pri tom treba obraćati pažnju?

ZADACI

1. Na kameno jezgro s promjerom 5 cm pritisnemo na oba kraja dvije plosnate metalne elektrode (slika 92). Na sredini jezgre namotamo dva za 6 cm razmaknuta navoja neizolirane žice. (S primjernim nisko otpornim sredstvom pobrinemo se za dobar električni kontakt plosnatih i žičanih elektroda s kameninom.) Plosnati elektrodi povežemo uzastopno s virom električne struje i ampermetrom, a navoje žice s voltmetrom. Uključimo struju i izmjerimo struju i napon.

Slika 92

Utvrdi:a) Kolika je električna otpornost kamenine, ako ampermetar pokazuje 10 mA, a

voltmetar 10 V?b) Kolika je jakost električng polja u primjeru?c) Kolika je gustoća električne struje u primjeru?d) Iz koje kamenine može biti uzorak? (Više mogućnosti! Pomogni si s preglednikom

električne otpornosti!)

2. Imamo terenski zapisnik otpornostnog profiliranja s Wennerjevo razvrstavanjem:

Broj Struja u Napon namjernog mjesta strujnom dipolu potencijalnom dipolu

(mA) (mV)1 19 1102 17 953 15 954 24 1555 38 1806 41 1457 49 1558 51 1959 32 19010 20 12511 37 175

32/33

Geoelektrika

Dužina strujnog dipola je 60 m, mjerna mjesta so razmaknuta po 10 m. (Razmak mjernih mjesta zovemo i mjerni korak.)

a) Nacrtaj otpornostni profil!b) Koliki je otprilike dohvat upotrebljenog elektrodnog razvrstavanja?

Slika 93

3. Na slici 93 je geoelektrična sonda. Iz ogleda grafa utvrdi:a) Najmanje koliko slojeva mora imati geoelektrični model?b) Što možeš reći o električnoj otpornosti pojedinačnih slojeva?

33/33