Geofizyka inżynierska
Geofizyka inżynierska zajmuje się gospodarczym zastosowaniem badań geofizycznych do rozpoznania budowy geologicznej. Metody geofizyki inżynierskiej są wykorzystywane do badania górotworu w bardzo szerokim zakresie głębokościowym, od powierzchni do kilkudziesięciu kilometrów w głąb. Istotne, żeby nie utożsamiać geofizyki inżynierskiej tylko z głębokością, np. z płytkimi badaniami geofizycznymi typu MASW (analiza fal powierzchniowych) o małym zasięgu głębokościowym, a z jej celem, tj. oceną górotworu do celów inżynierskich, innych niż przemysł naftowy czy rozpoznanie budowy głębokiego podłoża, niezwiązanego z dokumentowaniem złóż kopalin.
Metody obrazowania budowy geologicznej za pomocą geofizyki inżynierskiej zaadaptowano do rozwiązywania zagadnień inżynierskich związanych z szeroko rozumianym budownictwem, urbanizacją i transformacją energetyczną bez względu na ich głębokość.
To czym się zajmujemy na co dzień ma związek gównie z rozpoznaniem warunków geologiczno-inżynierskich, hydrogeologicznych, identyfikacją niekorzystnych procesów i zjawisk, a także oszacowania parametrów fizyczno-mechanicznych ośrodka gruntowo-skalnego na potrzeby budownictwa, planowania przestrzennego oraz zagospodarowania przestrzeni podziemnej.
Dużą część naszej działalności stanowią prace, w których za pomocą badań geofizycznych staramy się rozpoznać lub uszczegółowić budowę geologiczną np. dla opracowania Szczegółowych map geologicznych Polski w skali 1:50 000, Szczegółowych map geologicznych Sudetów w skali 1:25 000, czy Szczegółowych map geologicznych Rejonu Świętokrzyskiego w skali 1: 25 000. Wykonujemy prace związane z rozpoznaniem płytkich złóż.
Zajmujemy się także wdrażaniem nowych technik pomiarowych, poprzez prace koncepcyjne i projekty badawcze.
Jesteśmy autorami kilku instrukcji, wytycznych, monografii i artykułów, gdzie staramy się opisywać w sposób praktyczny możliwe zastosowania metod geofizyki inżynierskiej.
Metody badań geofizycznych
W podręcznikach i przeglądowych publikacjach naukowych z zakresu geofizyki można zapoznać się z różnorodnymi klasyfikacjami i podziałami geofizyki. Podziały te prezentują różne podejścia autorów, które są uzależnione od zakresu tematycznego publikacji.
My dokonaliśmy swojego podziału metod geofizycznych (z zakresu geofizyki inżynierskiej), który oparliśmy na charakterze mierzonych pól fizycznych oraz wartości fizycznych ośrodka gruntowo-skalnego. Podział ten został dostosowany do zagadnień najczęściej wykorzystywanych w geologii inżynierskiej w związku z tym metody geofizyki inżynierskiej podzielono na pięć głównych grup:
- Metody geoelektryczne elektrooporowe (GR-I), których efektem jest określenie oporności elektrycznej podłoża z stosowaniem prądu stałego. Do tej grupy zaliczono również badania polaryzacji wzbudzonej, ponieważ zawsze wykonywane są z badaniami elektrooporowymi (np. VES, ERT),
- Metody geoelektryczne elektromagnetyczne (GR-II), których efektem jest określenie oporności elektrycznej (lub przewodności) podłoża z zastosowaniem zmiennych pól elektromagnetycznych,
- Metody geoelektryczne georadarowe (GR-III), w której na podstawie odbicia fali elektromagnetycznej określa się względną przenikalność elektryczną warstw, co umożliwia wyznaczenie ich granic,
- Metody sejsmiczne (GR-IV), które wykorzystują pomiar prędkości fal sejsmicznych do określenia położenia granic warstw gruntów i skał oraz wyznaczania parametrów sprężystości ośrodka gruntowo-skalnego,
- Metody pól potencjalnych (GR-V), w których w zależności od rodzaju pól potencjalnych na podstawie:
- wartości całkowitego natężenia pola magnetycznego rozpoznaje się obecność ciał o właściwościach ferromagnetycznych – metody magnetometryczne,
- wartości natężenia siły ciężkości określa się zmiany w rozkładzie mas (anomalie rozkładu mas) w ośrodku gruntowo-skalnym – metody grawimetryczne.
A tak to wygląda na infografice:
Przeanalizowaliśmy również nazewnictwo poszczególnych metod, dokonując ich usystematyzowania i dostosowania do terminologii anglosaskiej. W poniższej tabeli umieściliśmy nazwy i skróty dla poszczególnych metod geofizyki inżynierskiej.
METODY GEOELEKTRYCZNE - ELEKTROOPOROWE (GRUPA I)
METODY POWIERZCHNIOWE
- VES - pionowe sondowania elektrooporowe, pozwalające na analizę pionowego rozkładu oporności.
- VES-IP - pionowe sondowania elektrooporowe z uwzględnieniem polaryzacji wzbudzonej.
- PE - profilowania elektrooporowe, służące do badania poziomego rozkładu oporności.
- ERT - tomografia elektrooporowa, umożliwiająca szczegółowe obrazowanie podłoża w 2D lub 3D.
- ERT-IP - tomografia elektrooporowa z polaryzacją wzbudzoną, stosowana w bardziej zaawansowanych analizach geologicznych i geotechnicznych.
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Głębokość prospekcji w badaniach powierzchniowych jest związana z długością rozstawu elektrod pomiarowych. Maksymalna głębokość rozpoznania wynosi zazwyczaj 20-25% odległości między skrajnymi elektrodami zasilającymi. Dokładność interpretacji maleje wraz z głębokością, co stanowi ograniczenie dla bardzo głębokich badań.
Interpretację wyników prowadzi się na podstawie przekrojów geoelektrycznych, które przedstawiają strefy o różnej oporności elektrycznej. Strefy te są następnie przypisywane do konkretnych obiektów geologicznych (np. warstw skalnych) lub geotechnicznych (np. stref osłabienia czy spękań).
Ograniczenia
Metody elektrooporowe są stosunkowo odporne na zakłócenia w porównaniu z innymi metodami geofizycznymi, jednak nie są ich całkowicie pozbawione. Mogą wystąpić interferencje między aparaturą pomiarową a polami elektromagnetycznymi pochodzącymi z linii energetycznych lub urządzeń przemysłowych. Dodatkowo obecność przewodzących elementów antropogenicznych, takich jak metalowe rury czy nieizolowane kable, może wprowadzać znaczące błędy w interpretacji danych.
METODY OTWOROWE
- EBL - otworowe pomiary elektrooporowe
- VEP - pionowe profilowania elektrooporowe w otworach wiertniczych
- XBERT - międzyotworowe prześwietlenia elektrooporowe, obejmujące pomiary między dwoma otworami
- BERT - tomograficzne prześwietlanie elektrooporowe, pozwalające na uzyskanie obrazu 2D lub 3D w obszarze pomiędzy otworami
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Prześwietlenia elektrooporowe realizuje się między otworami wiertniczymi lub pomiędzy otworem a powierzchnią terenu. Para elektrod zasilających generuje impuls elektryczny, który tworzy pole elektryczne w podłożu. Pozostałe elektrody rejestrują zmiany napięcia i natężenia w polu elektrycznym, co umożliwia odtworzenie rozkładu oporności elektrycznej.
Przy możliwości kalibracji wyników z profilami litologicznymi z otworów wiertniczych, metoda ta pozwala na precyzyjne określenie rozkładu ciał geologicznych, takich jak warstwy, gniazda rud czy strefy spękań, w płaszczyźnie pomiędzy otworami.
Ograniczenia
Badania otworowe wymagają spełnienia specyficznych warunków technicznych dotyczących konstrukcji otworów. Rury okładzinowe nie mogą być wykonane z materiałów przewodzących (np. metalu), aby uniknąć zwarć, ale jednocześnie nie mogą izolować elektrycznie otworu od otaczającego podłoża skalnego. Oznacza to, że badania takie mogą być wykonywane wyłącznie w otworach niezarurowanych, co ogranicza ich zastosowanie w gruntach sypkich oraz niektórych innych rodzajach podłoża nieskalnego.
METODY GEOELEKTRYCZNE - ELEKTROMAGNETYCZNE (GRUPA II)
METODY POWIERZCHNIOWE
- TEM - sondowania elektromagnetyczne, które umożliwiają pomiary zmian pola elektromagnetycznego w funkcji czasu
- VLF - profilowania elektromagnetyczne niskich częstotliwości, używane głównie do badania struktur geologicznych o większej głębokości
- GCM - profilowania konduktometryczne, stosowane do płytkiego rozpoznania warunków gruntowych
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Metoda TEM jest techniką punktową, podobnie jak sondowania elektrooporowe, co pozwala na dokładne badanie warunków gruntowych w wybranych lokalizacjach. Charakteryzuje się dużą głębokością prospekcji, umożliwiającą rozpoznanie struktur geologicznych sięgających nawet kilkuset metrów w głąb podłoża. Jednocześnie metoda ta jest bardzo wrażliwa na zakłócenia elektromagnetyczne, zarówno naturalne, jak i antropogeniczne, co wymaga prowadzenia pomiarów w możliwie "czystym" elektromagnetycznie środowisku.
Pomiary metodą konduktometryczną (GCM) wykonuje się zwykle wzdłuż wyznaczonych linii pomiarowych, z zachowaniem założonego kroku pomiarowego. Krok pomiarowy jest często bardzo gęsty, czasami poniżej 1 m, co pozwala na dokładne odwzorowanie zmienności parametrów geofizycznych w przestrzeni.
Metody elektromagnetyczne, takie jak GCM i TEM, mogą stanowić cenne uzupełnienie badań elektrooporowych (ERT), szczególnie w kontekście budowy modeli geologicznych. Metoda konduktometryczna (GCM) pozwala na szybkie rozpoznanie ośrodka w płytkiej strefie, zazwyczaj do kilku metrów głębokości, co czyni ją przydatną do wstępnego mapowania zmienności litologicznej na dużych obszarach. Z kolei metoda TEM umożliwia badania znacznie głębsze niż ERT, sięgające nawet kilkuset metrów, co pozwala na analizę struktur podpowierzchniowych o większej skali. Budując kompleksowy model geologiczny, można stosować różne kombinacje tych metod, aby uzyskać zarówno szczegółowe dane dla płytkich warstw, jak i informacje o głębszych strukturach, co zapewnia pełniejsze i bardziej wiarygodne rozpoznanie.
Ograniczenia
Podstawowym ograniczeniem metod elektromagnetycznych jest obecność metalowych elementów antropogenicznych w gruncie i na powierzchni terenu. Takie obiekty, jak rury, kable czy inne przewodzące elementy, mogą zakłócać wyniki pomiarów, wprowadzając istotne błędy interpretacyjne. Dlatego dokładność badań w terenach zurbanizowanych lub obszarach o intensywnych zakłóceniach antropogenicznych może być znacznie obniżona.
METODY GEOELEKTRYCZNE - GEORADAROWE (GRUPA III)
Na podstawie odbicia fali elektromagnetycznej określa się względną przenikalność elektryczną warstw, co umożliwia wyznaczenie ich granic.
METODY POWIERZCHNIOWE
- GPR - georadar
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
W badaniach georadarowych podłoża gruntowego najczęściej wykorzystuje się anteny pracujące w zakresie częstotliwości od 100 do 500 MHz. Dobór częstotliwości zależy od oczekiwanej głębokości prospekcji oraz rozdzielczości horyzontalnej i pionowej. Krok pomiarowy jest dostosowany do wymagań dokładności odwzorowania horyzontalnego i wynosi zwykle od kilku do kilkunastu centymetrów. Maksymalny zasięg metody, przy sprzyjających warunkach gruntowych (suche, nieskażone środowisko), wynosi zazwyczaj kilka metrów.
Badania georadarowe dostarczają informacji o granicach warstw o różnych wartościach względnej przenikalności elektrycznej oraz o lokalizacji obiektów o wysokiej przenikalności, takich jak metalowe przewody czy rury. Metoda nie daje jednak bezpośrednich informacji o innych parametrach fizycznych, takich jak skład mineralny czy wilgotność.
Najczęstsze zastosowania georadaru obejmują:
- wykrywanie infrastruktury podziemnej (np. rur, kabli, fundamentów),
- wyznaczanie granic litologicznych, takich jak spąg nasypów czy warstwowania sedymentacyjne,
- lokalizację stref spękań, pustek oraz innych anomalii w ośrodku gruntowym lub skalnym.
Ograniczenia
Głównymi ograniczeniami metody georadarowej są efekty ekranowania, które występują w materiałach o niskiej oporności elektrycznej. Dotyczy to zarówno środowisk naturalnych (np. podłoże gliniaste, iłowe lub zawierające zasolone wody gruntowe), jak i antropogenicznych (np. obecność gęsto zbrojonego betonu). Materiały takie mogą całkowicie uniemożliwić przenikanie fal, ograniczając zasięg metody nawet do kilku centymetrów. Ponadto silny wpływ elementów metalowych w podłożu może prowadzić do zniekształceń wyników i ograniczać skuteczność badań w obszarach zurbanizowanych.
METODY OTWOROWE
- BGPR - otworowe pomiary georadarowe, stosowane do szczegółowego rozpoznania warunków w otworach wiertniczych
- VRP - pionowe profilowania georadarowe, pozwalające na określenie przenikalności elektrycznej warstw wzdłuż osi otworu
- XBGPR - międzyotworowe prześwietlania georadarowe, umożliwiające obrazowanie stref pomiędzy dwoma lub więcej otworami
- BRT - tomograficzne prześwietlanie georadarowe, wykorzystywane do uzyskania szczegółowych przekrojów 2D i 3D w obszarze pomiędzy otworami
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Badania georadarowe z wykorzystaniem otworów wiertniczych wymagają zastosowania specjalistycznych anten, które można wprowadzać do otworów. Dzięki tej technologii możliwe jest obrazowanie stref spękań, pustek lub innych nieciągłości w podłożu, szczególnie w skałach litych. Metody te są używane głównie do badań:
- charakterystyki stref spękań i pustek w skałach litych,
- lokalizacji podziemnych pustek i kanałów,
- szczegółowego rozpoznania struktur w obrębie masywów skalnych.
Ograniczenia
Zastosowanie metod georadarowych w otworach jest ograniczone niemal wyłącznie do skał litych. Wymagają one otworów niezarurowanych, ponieważ obecność metalowych rur osłonowych całkowicie uniemożliwia przeprowadzenie badań. Ograniczenia te sprawiają, że metody georadarowe w otworach są rzadko stosowane w gruntach nieskalistych lub w obszarach o wysokim stopniu antropogenicznych zakłóceń.
METODY SEJSMICZNE (GRUPA IV)
Metody sejsmiczne wykorzystują pomiar prędkości fal sejsmicznych do określania położenia granic warstw gruntów i skał oraz wyznaczania parametrów sprężystości ośrodka gruntowo-skalnego. Są one niezastąpionym narzędziem w badaniach geotechnicznych i geologicznych, pozwalającym na szczegółową analizę parametrów mechanicznych podłoża.
METODY POWIERZCHNIOWE
- MASW - wielokanałowa analiza fal powierzchniowych
- SASW - spektralna analiza fal powierzchniowych
- CSWS - ciągła analiza fal powierzchniowych (dane 1D)
- SRP - sejsmiczne profilowania refrakcyjne
- SRT, SRT-P, SRT-S - sejsmiczna tomografia refrakcyjna dla fal P i S
- SR - sejsmika refleksyjna
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
W badaniach sejsmicznych stosuje się wielokanałowe sejsmografy, zazwyczaj o co najmniej 24 kanałach. Aparatura ta rejestruje amplitudę drgań w funkcji czasu dla serii czujników (geofonów lub hydrofonów), rozmieszczonych wzdłuż linii pomiarowej. Krok pomiarowy, zwykle od 1 do 5 m, jest dostosowany do oczekiwanej rozdzielczości horyzontalnej.
Metody sejsmiczne są szczególnie efektywne przy wyznaczaniu parametrów mechanicznych podłoża gruntowego, takich jak moduły odkształcalności i sztywności. Na podstawie analizy prędkości fal można określić strefy rozluźnień w gruncie, granice gruntów słabonośnych czy strefy zniszczenia struktury skał, takie jak powierzchnie poślizgu w osuwiskach.
Ograniczenia
Metody sejsmiczne są wrażliwe na zakłócenia zewnętrzne, szczególnie w zakresie fal akustycznych o niskich częstotliwościach (poniżej 100–200 Hz). Zakłócenia te mogą pochodzić z otoczenia antropogenicznego (ruch uliczny, maszyny przemysłowe) lub naturalnego (wiatr, deszcz, falowanie gruntu). W niektórych przypadkach badania muszą być prowadzone w godzinach nocnych, aby zminimalizować wpływ zakłóceń. Dodatkowo, geofony stosowane w badaniach są czułe na zakłócenia elektromagnetyczne, zwłaszcza w pobliżu słabo ekranowanych linii energetycznych.
METODY OTWOROWE
- UH, UH-P, UH-S - pionowe profilowania sejsmiczne (up-hole), fale P i S
- DH, DH-P, DH-S - pionowe profilowania sejsmiczne (down-hole), fale P i S
- CH, CH-P, CH-S - międzyotworowe prześwietlania sejsmiczne (cross-hole), fale P i S
- PSL - otworowe pomiary sejsmiczne (P-S suspension logging)
- Sejsmika międzyotworowa (Cross-hole)
W badaniach międzyotworowych mierzy się prędkość fal w warstwie podłoża pomiędzy dwoma otworami wiertniczymi, które znajdują się na tej samej głębokości. W jednym otworze umieszcza się źródło fal, a w drugim odbiornik (wieloskładnikowy geofon). Na podstawie pomiarów drogi i czasu przejścia fali można wyznaczyć uśrednioną prędkość fal sejsmicznych, co umożliwia szczegółowe określenie parametrów mechanicznych ośrodka.
Prześwietlania sejsmiczne (Seismic tomography)
Metoda tomograficzna jest rozwinięciem sejsmiki międzyotworowej, umożliwiającym obrazowanie 2D i 3D badanej przestrzeni. Źródła i odbiorniki fal są rozmieszczane z dużym zagęszczeniem na różnych głębokościach, co pozwala na rejestrację licznych promieni sejsmicznych, w tym promieni krzyżujących się. Numeryczna analiza pozwala na precyzyjne odwzorowanie przestrzennego rozkładu prędkości fal sejsmicznych (najczęściej fal P), co jest szczególnie przydatne w badaniach obiektów inżynierskich, takich jak tunele, wykopy czy ściany.
Pionowe sondowania sejsmiczne (Up-hole, Down-hole)
Metody te polegają na badaniu rozkładu prędkości fal w profilu pionowym. W konfiguracji up-hole źródło fal znajduje się na powierzchni terenu, a odbiorniki w otworze wiertniczym. W metodzie down-hole konfiguracja jest odwrotna. Wyniki badań pozwalają na sporządzenie wykresu prędkości fal P i S dla różnych głębokości, co umożliwia szczegółową ocenę parametrów mechanicznych podłoża.
Ograniczenia
Podobnie jak w metodach powierzchniowych, badania sejsmiczne w otworach są wrażliwe na zakłócenia akustyczne i elektromagnetyczne. Dodatkowo wymagają precyzyjnie wykonanych otworów wiertniczych, które muszą być odpowiednio rozmieszczone i skalibrowane względem siebie. W przypadku sejsmiki międzyotworowej warunki jednorodności podłoża są kluczowe dla uzyskania wiarygodnych wyników.
METODY PÓL POTENCJALNYCH (GRUPA-V)
Metody potencjałowe wykorzystują pomiary pól potencjalnych do rozpoznania warunków geologicznych i anomalii w podłożu gruntowo-skalnym. W zależności od rodzaju mierzonego pola wyróżnia się:
- Metody magnetometryczne – oparte na pomiarze wartości całkowitego natężenia pola magnetycznego. Służą do rozpoznawania obecności ciał o właściwościach ferromagnetycznych, takich jak skały magnetyczne czy metalowe obiekty antropogeniczne.
- Metody grawimetryczne – wykorzystujące pomiar wartości natężenia siły ciężkości. Służą do określania zmian w rozkładzie mas w podłożu, co umożliwia identyfikację anomalii, takich jak pustki, jaskinie, strefy rozluźnień czy szkody górnicze.
METODY POWIERZCHNIOWE
- MAG, gMAG – magnetometria (w tym magnetometria gradientowa)
- GRAV – grawimetria
Technika pomiarów, zastosowanie i interpretacja
Magnetometria: Badania magnetometryczne pozwalają na szybkie i efektywne wykrywanie obiektów ferromagnetycznych, takich jak metalowe konstrukcje czy skały bogate w minerały magnetyczne. Metoda ta jest szczególnie przydatna w lokalizacji starych fundamentów, wraków czy zbiorników metalowych, a także w badaniach archeologicznych i militarnych. Rozmieszczenie punktów pomiarowych zależy od oczekiwanej rozdzielczości, zwykle krok pomiarowy wynosi od kilku centymetrów do kilku metrów.
Grawimetria: W badaniach grawimetrycznych, zwłaszcza w mikrograwimetrii, stosuje się kroki pomiarowe rzędu pojedynczych metrów, co umożliwia wykrywanie drobnych anomalii grawitacyjnych. Metoda ta znajduje zastosowanie w:
- lokalizowaniu pustek (jaskinie, strefy wymyć sufozyjnych),
- określaniu stref rozluźnień gruntu (np. związanych z szkodami górniczymi lub osuwiskami),
- wykrywaniu starych sztolni lub podziemnych wyrobisk.
Interpretacja wyników opiera się na analizie przestrzennego rozmieszczenia anomalii magnetycznych lub grawitacyjnych, które są następnie wiązane z konkretnymi cechami geologicznymi bądź strukturami antropogenicznymi.
Ograniczenia
Magnetometria: Badania magnetometryczne mogą być zakłócane przez obecność metalowych elementów na powierzchni terenu, takich jak ogrodzenia, rury czy inne obiekty antropogeniczne. Ponadto, metoda ta jest mniej skuteczna w środowiskach, gdzie obiekty magnetyczne znajdują się na dużych głębokościach lub są otoczone materiałami o słabych właściwościach magnetycznych.
Grawimetria: Badania grawimetryczne są wyjątkowo czułe na wibracje, co sprawia, że ich wykonywanie w pobliżu dróg, zakładów przemysłowych czy na obszarach o wysokiej aktywności mechanicznej może być utrudnione. Dodatkowo metoda ta wymaga występowania dużego kontrastu gęstościowego między badanymi obiektami a otaczającym podłożem. W przypadku gruntów o jednorodnej strukturze i naturalnej ciągłości zastosowanie grawimetrii często nie przynosi satysfakcjonujących wyników, przez co jej użycie w takich warunkach jest nieuzasadnione.
Przydatność badań geofizycznych
Określenie odpowiednich metod badawczych stosowanych do rozwiązywania konkretnych zagadnień z zakresu geologii inżynierskiej jest wyzwaniem, głównie z uwagi na trudność w stworzeniu zamkniętego katalogu problemów i zagadnień, z którymi można się spotkać w praktyce inżynierskiej. Różnorodność warunków geologicznych, celów badawczych oraz ograniczeń technicznych i ekonomicznych sprawia, że dobór metod wymaga indywidualnego podejścia. Kluczowe może być również doświadczenie osoby wykonującej badania i dokumentację, a także dostępność narzędzi w postaci różnych metod geofizycznych. Dobór metod musi być wykonany tak, aby rozkład mierzonych pól fizycznych możliwie dokładnie i jednoznacznie odwzorowywał badane struktury oraz formacje geologiczne.
Wykorzystanie kilku metod geofizycznych
Zaleca się stosowanie kilku metod geofizycznych opartych na różnych zasadach fizycznych, co pozwala na wzajemne uzupełnianie wyników i zmniejszenie niepewności interpretacji. Przykładowo, w badaniach fliszu zastosowanie metody elektrooporowej umożliwia określenie litologii, natomiast metoda sejsmiczna pozwala ocenić stopień zaangażowania tektonicznego. Podobnie w przypadku określenia morfologii stropu podłoża skalnego znajdującego się pod osadami czwartorzędowymi na głębokości kilkunastu–kilkudziesięciu metrów, zastosowanie kombinacji metod daje bardziej wiarygodne wyniki.
Generalnie należy przyjąć zasadę, że większość celów badawczych zostanie osiągnięta, jeśli istnieje kontrast parametrów mierzonych w badanym ośrodku. Innymi słowy, jeśli mamy dwie warstwy zbudowane z osadów o podobnych wartościach oporności, np. gliny leżące na marglach, lub o podobnych wartościach prędkości, trudno będzie wyznaczyć granicę między tymi warstwami.
Drugim istotnym czynnikiem jest rozdzielczość metod. Trzeba pamiętać o podstawowej zasadzie: rozdzielczość metody musi być większa niż np. miąższość warstwy lub rozmiar poszukiwanego obiektu. Należy również mieć na uwadze, że wraz z głębokością rozdzielczość każdej metody ulega obniżeniu.
Ograniczenia stosowania metod geofizycznych
Choć zastosowanie kilku metod w badaniach geofizycznych pozwala na uzyskanie bardziej kompletnych danych, to w praktyce przemysłowej wybór metod często ograniczają koszty i czas wykonania badań. Na przykład w przypadku badań grawimetrycznych i magnetometrycznych efekty uzyskane z analizy pól potencjalnych mogą być niewielkie, a koszt badań wysoki. W takich sytuacjach, szczególnie gdy efekt grawitacyjny lub magnetyczny generowany przez zmienność podłoża jest znikomy, stosowanie tych metod jest ekonomicznie nieuzasadnione.
Przykład: Badania pustek w podłożu
W przypadku zadania polegającego na określeniu położenia i rozprzestrzenienia pustek w podłożu, teoretycznie najlepszym rozwiązaniem jest metoda grawimetryczna. Pustki w skałach generują silny negatywny efekt grawitacyjny, co umożliwia precyzyjne wyznaczenie ich kształtu i lokalizacji.
Jednak prawidłowe rozpoznanie wymaga bardzo gęstej siatki pomiarowej obejmującej obszar większy niż średnica pustki, co znacząco podnosi koszty i wydłuża czas trwania badań. Dodatkowo wibracje wywołane oddziaływaniami antropogenicznymi, takimi jak ruch drogowy czy prace budowlane, mogą zakłócać pomiary i uniemożliwić uzyskanie dokładnych wyników. W sytuacjach awaryjnych, takich jak ujawnienie pustek podczas budowy, trudno sobie wyobrazić wstrzymanie prac na czasochłonne badania grawimetryczne. W takich przypadkach lepszym rozwiązaniem może być zastosowanie metod mniej wrażliwych na zakłócenia antropogeniczne. Należy pamiętać, że fale sejsmiczne i linie pola elektrycznego nie propagują się bezpośrednio przez pustki. Dopiero na etapie przetwarzania i interpretacji danych tworzony jest model geologiczny, który odzwierciedla rzeczywiste struktury w podłożu.
Poniżej przedstawiono kilka istotnych ograniczeń dla każdej z metod badań geofizyki inżynierskiej. Nie jest to zbiór zamknięty, dane ograniczenie nie wyklucza też użycia danej metody, bo w szczególnych przypadkach można np. wykonać pomiary ERT po wybetonowanym placu (np. poprzez przewiercenie powierzchni twardej i wbicie elektrod), ale istotą zestawienia jest wskazanie, co faktycznie może w dużej mierze utrudnić prace terenowe lub zakłócić pomiary.
Należy zwrócić uwagę na dwa bardzo istotne aspekty badań geofizycznych, które są często pomijane i nie przykłada się do nich należytej wagi.
Pierwszy dotyczy wykonywania badań geofizycznych w obszarach, dla których naturalny układ geologiczny jest zakłócony. Mowa tu zarówno o zmianie budowy geologicznej (np. grunty antropogeniczne lub obiekty nienaturalne znajdujące się w badanej przestrzeni geologicznej), zanieczyszczeniach gruntów, mineralizacji wód, zakłóceniach od obiektów infrastruktury naziemnej i podziemnej, obszarach silnych pół elektromagnetycznych, ruchu itp. Na terenach tych, większość otrzymywanych wyników badań geofizycznych jest nieprawidłowa. Wyniki są mało wiarygodne i trudne do prawidłowej interpretacji. Uogólniając należy stwierdzić, że wyżej opisana przestrzeń jest bardzo niekorzystana do stosowania metod geofizycznych.
Drugi aspekt dotyczy wykonywania badań geofizycznych w obszarach o zmiennej morfologii terenu (często nakłada się na to duża zmienność w budowie geologicznej). Pomiary geofizyczne realizowane są w przestrzeni trójwymiarowej, natomiast standardowy sposób ich przetwarzania i późniejszej wizualizacji to przestrzeń 2D (lub 1D). Przedstawione na przekrojach wyniki badań są dwuwymiarowe. Często zapomina się o tym przestrzennym aspekcie budowy geologicznej. Przejawia się to często tendencją do interpretacji wyników badań na płaszczyźnie pionowej, prostopadłej do powierzchni terenu pod linią pomiarową. Jest to źródło częstych błędów interpretacyjnych. Szczególnym przypadkiem są np. wyniki badań, gdzie przekroje geofizyczne przecinają się i oczekuje się od interpretatora, iż w miejscu przecięcia wyniki pomiarów powinny być identyczne. Jeśli rozpatrujemy przestrzeń 3D z dużą zmiennością, to wyniki często mogą się różnić.
Zasięg głębokościowy i rozdzielczość badań
Wykorzystanie metod geofizycznych w geofizyce inżynierskiej wiąże się z dwoma aspektami.
- zasięg głębokościowy,
- rozdzielczość metod.
Rozdzielczość przestrzenna i rozdzielczość pomiaru spadają wraz z głębokością rozpoznania ośrodka gruntowo-skalnego dlatego różne metody geofizyczne będą miały zastosowanie do różnych przedziałów głębokości, zaś wykonywana na ich podstawie interpretacja geologiczna lub parametryzacja podłoża budowalnego będzie bardziej lub mniej dokładna, a także obarczona różną niepewnością. Przy czym należy zauważyć, że często na potrzeby budownictwa lub zagospodarowania przestrzeni podziemnej, model geologiczny wraz z głębokością jest coraz bardziej zgeneralizowany i nie wymaga zastosowania metod o wysokiej dokładności i rozdzielczości.
Kwestie rozdzielczości i głębokości rozpoznania podłoża rozpatruje się odmiennie dla metod aktywnych i metod pasywnych. Trudno zdefiniować głębokości dla jakich daną metodę można stosować. Zarówno głębokość, oczekiwana rozdzielczość pozioma jak i pionowa oraz cel badań powinny zdefiniować metody, które należy zastosować do rozwiązania problemu geologiczno-inżynierskiego.
Do planowania badań geofizycznych przyjmuje się zasadę, że im głębokość prospekcji (rozpoznania) większa, tym zagęszczenie badań jest mniejsze. W związku z tym zaproponowano następujący podział głębokościowy w skali geofizyki inżynierskiej:
- badania płytkie obejmują prospekcję w zakresie głębokości do 5 m p.p.t.,
- badania średniej głębokości obejmują prospekcję w zakresie głębokości 5 – 30 m p.p.t.,
- badania głębokie obejmują prospekcję w zakresie głębokości 30 – 50 m p.p.t.,
- badania bardzo głębokie obejmują prospekcję w zakresie głębokości > 50 m p.p.t.
W poniżej tabeli zestawiono metody badań geofizyki inżynierskiej w zależności od wyżej zaproponowanych przedziałów głębokościowych.
Metody badań geofizyki inżynierskiej podzielono na metody uniwersalne, które można stosować dla każdej głębokości oraz metody z ograniczeniami, których nie można wykorzystywać w pełnym zakresie głębokościowym. Często wybór metody jest determinowany przez czas i koszt pracy. Na przykład chcąc zbadać z dużą rozdzielczością obszar dla celów archeologicznych, gdzie głębokość prospekcji będzie wynosić 1-2 m, najlepiej wykorzystać do tego celu profilowania konduktometryczne (GCM), zamiast tomografii elektrooporowej (ERT). Przedstawiony w powyższej tabeli zakres głębokościowy metod geofizyki inżynierskiej został opracowany w oparciu o dane literaturowe oraz o wieloletnie doświadczenia autorów w wykonywaniu badań geofizycznych.
W badaniach geofizycznych dla celów inżynierskich, jak w każdej innej dziedzinie badań stosowanych, konieczne jest uwzględnienie czynnika ekonomicznego. Badania geofizyczne muszą być prowadzone tak, żeby uzyskać jak najwyższy stosunek efektu do ceny. Osoby projektujące badania stoją przed zadaniem określenia, jaki zakres głębokości i jaka rozdzielczość badań jest konieczna, a jakie badania byłyby nadmiarowe. Wykonawcy badań dysponują też aparaturą pomiarową (zwłaszcza do badań metodami aktywnymi) dostosowaną do typowych zadań z zakresu geologii inżynierskiej - aparatura pomiarowa może rejestrować sygnał dla ograniczonej liczby odbiorników, a wykorzystywane akcesoria (zwykle kable sygnałowe) pozwalają na ograniczoną maksymalną separację czujników. Zakres elastyczności w dostosowaniu procedury pomiarowej jest zwykle ograniczony, a zwiększenie tej elastyczności zwykle wiąże się z bardzo dużym wzrostem kosztów. Dlatego w planowaniu badań geofizycznych konieczna jest ścisła współpraca między osobą zlecającą, której zadaniem jest sprecyzować problem do rozwiązania i osobą projektującą badania, posiadającą doświadczenie w zakresie badań geofizyki inżynierskiej.
Jako pewne przybliżenie dotyczące zasięgu głębokościowego i rozdzielczości badań można przyjąć następujące zasady praktyczne:
- zasięg głębokościowy badań jest proporcjonalny do długości stosowanego układu pomiarowego,
- zasięg głębokościowy jest proporcjonalny do mocy zastosowanego źródła,
- zasięg głębokościowy jest odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości fal wykorzystanych w badaniach,
- rozdzielczość badań jest odwrotnie proporcjonalna do separacji elementów układu pomiarowego,
- rozdzielczość badań jest proporcjonalna do częstotliwości fal wykorzystanych w badaniach,
- rozdzielczość badań geofizycznych zmniejsza się wraz z głębokością.
