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Georadar
Funktionsweise und Anwendungen in der geologischen und glaziologischen Erkundung
- Unkonventionelle Ansätze -
Norbert Blindow
Geophysicist, Consultant
Airborne GPR, Glaciology Near Surface Geophysics
Former affiliations: University of Münster, Free University Berlin, Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR)
Present: Consultant to GeoEstudios (San José de Maipo, Chile) RST Radar Systems Technology (Salem)
UMAG (Punta Arenas, Chile), FAU (Erlangen), Tauber (Münster), BGR (Hannover) ...
S TR
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Übersicht
Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik
- Materialparameter, Eindringtiefen
- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung
- Bohrlochmessungen
Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche
Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf
- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher
- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)
mit Helikopter-GPR
Literatur
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Übersicht
Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik
- Materialparameter, Eindringtiefen
- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung
- Bohrlochmessungen
Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche
Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf
- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher
- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)
mit Helikopter-GPR
Literatur
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Prinzip des GPR:
Elektromagnetische Wellen(Frequenz je nach Anwendung 3...3000 MHz) werden an Schichtgrenzen bzw. Objekten mit unterschiedlicher Dielektrizitäts-zahl und/oder Leitfähigkeit teils refraktiert, teils reflektiert bzw. gestreut. Laufzeiten und Amplituden dieser Wellen werden aufgezeichnet, dargestellt (″Radargramm″) und ausgewertet.
Georadar auch:
BodenradarGPR (ground penetrating radar) EMR (Elektromagnetisches Reflexionsverfahren)SIR (subsurface interface radar)RES (radio echo sounding)...
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Antennen und Pulsanregung
Abstrahlcharakteristik an einer Grenzfläche
Das Beispiel zeigt, wie die Ankopplung eines Dipols durch Auflegen erzielt wird.Trotzdem ist die Verwendung von ab-geschirmten Antennen in Umgebungen mit reflektierenden Objekten an oder über der Oberfläche anzuraten.
Luft
Boden
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Dielektrische Eigenschaften und Ausbreitungs-Parameter
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Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungs-ParameterGeschwindigkeit und Absorption
Reine Wellenausbreitung ist in den Frequenzbereichen möglich, wo die Geschwindigkeit ein Plateau erreicht hat - hier gilt näherungsweise v ≈ c
0/√ε .
Darunter findet Energietransport durch Diffusion statt (EM-Verfahren).
Mit zunehmender Leitfähiggkeit und Frequenz steigt die Absorption und erreicht ebenfalls ein Plateau. Für Material, das freies Wasser enthält, tritt oberhalb von 100 MHz Debye-Relaxation auf - ein Verlusteffekt, der in der Mikrowelle genutzt wird, beim GPR aber sehr lästig ist.
Wellenlängen
z.B. für v = 0.1 m/ns aus v = λ.f
f = 10 MHz λ = 10 mf = 100 MHz λ = 1 mf = 1GHz λ = 0.1 m
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Elektromagnetische Wellenausbreitung
Näherung: Wellenstrahlen der geometrischen Optik
Laufzeit t(x) der reflektierten Welle bei Schichtdicke h und Geschwindigkeit v:
t = (x² + 4h²)1/2/v (Reflexionshyperbel)
Bestimmung von v durch CMP-Messungen(CMP = common mid point):
x
h
x
R SteilwinkelreflektionWR Weitwinkelreflexion
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Diffraktionen von einzelnen Objekten
Für x0=0 ist die Laufzeit
der Diffraktionshyperbel
t(x) = 2.(x²+z0²)1/2/v
mit der Lotzeit t0= 2.z
0/v.
Auflösungsvermögen
vertikal Δz ≈ λ/2horizontal Δx ≈ (2λz)1/2
bzw. räumlich dichter Messung nach Processing Δx ≈ λ/2
Abb. 6.8: links Ortung verschiedener Leitungen unter einer Asphalt-Oberfläche (GSSI Pathfinder, Mittenfrequenz 400 MHz, Range 50 ns, rechts Ergebnis der Datenbearbeitung (Migration). Kreise markieren hier die Position der Leitungen. GeoHiRes International Ltd, 2003
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Reflexionsmessungen Crosshole-Messungen Bohrloch-Tomographie
Bohrlochmessungen
Abbildungen aus www.boratec.net
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Vertikale Bohrung Horizontale Bohrung
Bohrlochsonde beim Zusammenbau vor einer horizontalen Bohrung in einer Strecke
Radarbohrlochsonden für Reflexionsmessungen
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Kreuzrahmenantenne =
Sensor für orthogonale magnetische Feld-komponenten
Richtungssensitive Bohrlochmessung
DABOR-Sonde (Uni Wuppertal, DMT) Nachfolger des PRAKLA-Modells von 198x
TTxx
RRxx
1989
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Winkelbestimmung bei der richtungssensitiven Bohrlochsonde
Amplituden- und Phasengang des Dipolsund der beiden Rahmenantennen
Richtcharakteristik (Prinzip) der Kreuzrahmenantenne
∑ ∑ ∑ ∑∑∑222222 )(4)-()-(-
2
1tan 2,1 iiiiii
ii
yxyxyxyx
Berechnung des Winkels relativ zur Sonde, Sondenwinkel relativ zu Vertikal oder Nord. => Raumwinkel
X: Amplitude Rahmen 1Y: Amplitude Rahmen 2: Relativer Empfangswinkel
: Drehwinkel der Sonde (Kompass oder Kreisel)
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Messbeispiel: Signale des Dipols und der beiden Rahmen, errechneter Winkel
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Übersicht
Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik
- Materialparameter, Eindringtiefen
- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung
- Bohrlochmessungen
Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche
Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf
- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher
- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)
mit Helikopter-GPR
Literatur
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Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (1)
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Groundwater and geological structures (cross-bedding of Nubian sandstone) mapped by GPR Example: 30 MHz GPR (Great Selima Sand Sheet, Egyptian/Sudanese border), water table at 10 to 60 m depth (DFG cooperative research project 69 "Arid Areas" Subproject B11 1984-1990)
1km
35m512ns
0 00
2km
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Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (2):
Struktur- und Grundwassererkundung in Lockersedimentenhier: Geest mit Übergang zum Moor
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Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (3): Strukturerkundung in gesättigten Lockersedimenten - Insel Spiekeroog (Uni Münster 1997)
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Bessere Daten durch Mehrfachüberdeckung
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Offset 6m
CMP 8-fach überdeckt
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largest amount of ice in southern hemisphere apart from Antarctica
Northern Patagonian Icefield: 4.200km²
Nef and Colonia Glaciers
Southern Patagonian Icefield: 13.000km²
temperate glaciers with large accumulation and ablation rates 8% loss of glacier covered surface in the SPI, 1945 – 2004 (Rivera and Casassa, 2004)
Ice thickness?Internal structure?
Up to the moment only scarce knowledge!
Patagonian Icefields:
Helikopter-GPR zur Eisdicken-Messung
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Glaciar Nef
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Glaciar Nef
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Previous own work: UMAIR / BGR-P30(See IWAGPR2009, IWAGPR2011 and GPR2012
conference proceedings, respectively)
developed as University of Münster Airborne Ice Radar (UMAIR) Center frequency 25 MHz Acquisition velocity 70 km/h, 10 traces/s <> 500 traces/km
Antenna: 2 shielded wideband dipoles, static weight 270 kg overall dimensions: 6m x 4m x 1m
Pulser: MOSFET-switch, UB = 5 kV, PRF 3500 HzReceiver: digitizer 400 MHz (t=2.5ns), on-board FPGA, 256-times stacking, 3 µV sensitivityDGPS: dual frequency L1/L2Laser altimeter: helps keeping approx. 40 m terrain clearance
Fiberoptic cables
Inside the helicopter:Control unit: Embedded PC + trigger unit,
handheld GPS for navigation, laser altimeter display for the pilot (total 20kg)
Design, development, and construction: Norbert Blindow / Münster Geophysical Institute workshops
With AS350-B3 helicopter max. altitude 5200 m!
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Glaciar Nef, Patagonia
Glaciar Colonia, Patagonia
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Bild: Bundesamt für Strahlenschutz
Georadar unter Tage (Salinar)
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Vertical geological section from salt dome Gorleben (Bornemann 1991)
Exploration level
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Shaft measurements
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Perspective view of Perspective view of sections from shaft 1sections from shaft 1
Vertical sectionsVertical sections
500 m
50 MHz
dx=1 m
5 µs
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Reflecting structures in salt
anhydrite Clay layers
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GPR an der Firste
GPR am Stoß
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right side
left side
roof
floor
All around measurement
Principle of measurements in drifts
50 MHz antenna
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Querschlag QS1West
Perspektivische Ansicht: Radargramme Firste + Sohle
Hauptstrecke
500 m
50 MHz
dx=1 m
5 µs
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Vorbereitung einer Bohrlochmessung
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Dipol-Radargramm Dipol-Radargramm aus einer Bohrungaus einer Bohrung
Winkelberechnung aus Winkelberechnung aus Rahmen und Dipol, Rahmen und Dipol, farbcodierte Darstellungfarbcodierte Darstellung
Lageplan und Geologie in der Ebene der Bohrung
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Exploration boreholes for the two shafts
Structures from a vertical borehole
Structures from measurements in drifts 1994-2000
500 m
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Test of 25 MHz helicopter system on the floor in a salt dome
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Radargrams from floorRadargrams from floor
Radargram from Radargram from roof in upper drift roof in upper drift
NorthNorth
Salt tableSalt table
600 m High attenuation
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LANDEANFLUG!
Eine Zusammenfassung würde recht lang werden.
Ein Ausblick noch länger...
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!Fragen?
S TR
![Page 41: Unkonventionelle Ansätze - dfabgmbh.dedfabgmbh.de/wp-content/uploads/FT15/0915.pdf · : Drehwinkel der Sonde (Kompass oder Kreisel) Messbeispiel: Signale des Dipols und der beiden](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022041204/5d5276e288c993021f8b4af8/html5/thumbnails/41.jpg)
Literatur zum Vortrag
1. Neuere Übersicht als Buch:
Harry M. Jol (Editor): Ground Penetrating Radar - Theory and Applications. Elsevier Ltd. 2009
2. Teilweise in diesem Vortrag verwendet:
Norbert Blindow: Ground Penetrating Radar In Reinhard Kirsch (Editor): Groundwater Geophysics - A Tool for Hydrology. Springer 2006
Norbert Blindow, Dieter Eisenburger, Bernhard Illich, Hellfried Petzold & Thomas Richter: Ground Penetrating Radar In K. Knödel, G. Lange, H.-J. Voigt (Editors): Environmental Geology - Handbook of Field Methods and Case Studies. Springer 2007
N. Blindow, C. Salat, G. Casassa, "Airborne GPR sounding of deep temperate glaciers - examples from the Northern Patagonian Icefield", Proc. 14th International Conference onGround Penetrating Radar (GPR2012), pp.670-675, 4-8 June 2012, Shanghai, China. doi: 10.1109/ ICGPR.2012.6254945
V. Gundelach, N. Blindow, U. Buschmann, C. Salat, ″Underground GPR measurements for spatial investigations in a salt dome″ , Proc. 14th International Conference onGround Penetrating Radar (GPR2012), pp.473-476, 4-8 June 2012, Shanghai, China. doi: 10.1109/ ICGPR.2012.6254945