Geofizikai-, geotechnikai szolgáltatások
és geoelektromos műszerek
Tel: 36-1-271-0047, 271-0048
Fax: 36-1-306-3158
E-mail:

Mérési módszer

Elméleti alapok

A geoelektromos kutatómódszerek olyan geofizikai eljárások, amelyek a földfelszínen végzett elektromos, illetve elektromágneses mérések alapján a felszín alatti földtani képződmények (szerkezetek) felderítését, megismerését teszik lehetővé. A különböző geológiai formációkat alkotó kőzetekben természetes eredetű elektromágneses terek keletkeznek, illetve mesterségesen gerjesztett terek hozhatók létre. Ezen terek jellemzői függnek a különböző kőzettartományok elektromos tulajdonságaitól és a különböző tulajdonságú részek térbeli elhelyezkedésétől. A geoelektromos méréseksorán az altalajt alkotó, inhomogén elektromos ellenállás eloszlású kőzetek által kialakított elektromágneses tér egyes jellemzőit (pl.: feszültség, térerősség, áram) a felszínen mérjük meg. A terepi mérési eredményekből alkalmas kiértékelési és értelmezési eljárások segítségével a felszín alatti földtani szerkezetek elektromos tulajdonságaira és mélybeni helyzetére lehet következtetni és az így kapott információkat lehet földtanilag értelmezni, interpretálni.

A geoelektromos kutatás részben azon alapszik, hogy a kőzetek különböző elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek közül legfontosabb a fajlagos ellenállás. A gyakorlatban ohmméter (ohmm) egységben szokás megadni. Definició szerint a fajlagos ellenállás a vizsgált anyagból készült, egy méter élhosszúságú kocka két szemben fekvő lapja között mérhető ellenállás. A kőzetek ellenállása a következő tényezőktől függ:

  • Az alkotórészek (kőzetalkotó ásványok) fajlagos ellenállásától
  • A kőzetszemcsék alaki tulajdonságaitól
  • A kőzet szerkezeti sajátságaitól
  • A porozitástól
  • A nedvességtartalomtól
  • Az oldott sók minőségétől és koncentrációjuktól
  • A hőmérséklettől

Tájékoztatásul néhány kőzetalkotó ásvány fajlagos ellenállását tartalmazza a következő táblázat:

  • földpát 1011 - 1012 ohmm
  • kvarc 1012 - 1014 ohmm
  • kalcit 107 - 1012 ohmm
  • csillám 1014 - 1015 ohmm
  • muszkovit 107 - 1010 ohmm
  • szfalerit 105 - 107 ohmm

Megállapítható tehát, a főbb kőzetalkotó ásványok fajlagos ellenállása több millió ohmm, ami gyakorlatilag szigetelő jelent, áram szinte kizárólag a kőzetrepedéseket kitöltő oldatokban folyik, amelynek az ellenállása nagyságrendekkel kisebb, mint az ásványoké, tehát a kőzet, tehát a kőzet eredő ellenállását a repedéseket kitöltő folyadék határozza meg. Kivételek csak azok a kőzetek, amelyek fémesen vezető ásványokból épülnek fel. A fémesen vezető ásványok ellenállása rendkívül kicsiny 10-4 - 1 ohmm között változik.

A fajlagos ellenállás alapján való földtani azonosítás közvetett értelmezés. Nem az ásványok fajlagos ellenállása alapján történik, hanem azt a tapasztalat által igazolt tényt használja fel, miszerint a kőzet elektrolitikus vezetőképessége természetes állapotban és nagy tömegben nem változik, bizonyos kőzettípusokra jellemzően állandó érték. Ez az állandóság természetesen csak viszonylagos, azonos kőzetféleségeknél is változhat a mélység, kor, települési viszonyok függvényében. A következőkben néhány jellemző ellenállás tartományt sorolunk fel:

  • gránit 200 - 10000 ohmm
  • mészkő, dolomit 100 - 5000 ohmm
  • bazalt, andezit 200 - 10000 ohmm
  • harmadkorú mészkő 100 - 1000 ohmm
  • homokkő 100 - 2000 ohmm
  • száraz kavics 100 - 10000 ohmm
  • vizes kavics 50 - 1000 ohmm
  • száraz homok 50 - 1000 ohmm
  • vizes homok 15 - 100 ohmm
  • agyagmárga, márga 5 - 50 ohmm
  • agyag 5 - 30 ohmm
  • bentonit, kaolin 1 - 10 ohmm

A porózus kőzetek fajlagos ellenállásának kialakításában fontos szerepe van a talajvíz sókoncentrációjának, valamint a szemeloszlásnak is. Sós vízzel elárasztott homok fajlagos ellenállása 0,5 - 5 ohmm-re is lecsökkenhet. Azonos sókoncentrációjú vízzel elárasztott kavics és homok között 2-10 -szeres ellenállásviszony léphet fel, az eltérő szemnagyság következményeként.

 

A geoelektromos mérésekről általánosságban elmondható, hogy egy mérés során kettő elektródán keresztül áramot vezetünk a talajba, másik kettő elektróda között pedig mérjük az áram hatására keletkező feszültségkülönbséget. A geoelektromos gyakorlatban az árambevezető elektródákat "A" és "B" - vel jelöljük, míg a mérőelektródákat "M" és "N" -nel jelöljük.

Mind az áram-, mind pedig a potenciálelektródák nem csak a föld felszínén, hanem az alsó féltérben, pl. fúrólyukakban, bányavágatokban, folyók, tavak felszínén ill. azok medrében, stb. elhelyezkedhetnek, ilymódon rendkívül nagyszámú elektróda-elrendezést lehet kialakítani, amelyek közül mindig a megoldandó feladathoz és a mérési lehetőségekhez leginkább illeszkedőt kell használni. A gerjesztéshez egyaránt lehet egyenáramot vagy váltóáramot használni. Mindkét gerjesztési módnak vannak előnyei és hátrányai, de nagy tömegű, mind horizontális, mind pedig vertikális irányban nagy felbontóképességet biztosító mérési adatot csak alacsonyfrekvenciás váltóáramot használó műszerrel lehet produkálni. Az általunk kifejlesztett műszerrel a mérési terület zajosságától függően egy méréshez 0,2-1,6 sec időre van szükség. Műszereink esetében az előre telepített elektródákat 60-as egységekben (jelenleg max. 5 egységet, tehát 300 elektródát tudunk használni) csatlakoztatjuk a műszerhez.

A geoelektromos mérés elvi vázlata

A műszer egyidejűleg méri a kibocsátott áram erősségét és a kialakuló potenciálkülönbséget, majd a mért adatokból és az elektróda-elrendezés geometriai paraméterekből meghatározza az un. látszólagos fajlagos ellenállást. A mért adatokat a számítógép megjeleníti és eltárolja a későbbi feldolgozás számára.
 

A mérési adatok feldolgozása, értelmezése:

A kimutatandó felszínközeli inhomogenitások (hatók) általában csak kis változásokat okoznak a mért mennyiségekben, viszont sokszor igen durva topográfiájú területen kell végezni a méréseket. A topográfia hatása sokszor nagyobb mint a keresett hatóké, ezért először ezt a hatást kell eltávolítani. Ehhez egy speciális, a geodéziai adatokat felhasználó, háromdimenziós numerikus modellezési eljárást használunk.
A mért és topografikusan korrigált szondázási görbéket először mérési pontonként egydimenziós geoelektromos szerkezetet feltételezve értelmezzük, és az így kapott eredményeket ellenállás pszeudo-szelvények formájában jelenítjük meg, ill. több szelvény mérése esetén a különböző mélységekre vonatkozó ellenállástérképeket szerkesztünk.
Az értelmezés során felhasználjuk az egyéb forrásokból pl. fúrásokból, más módszerrel végzett geofizikai mérésekből, stb. származó információkat is. Az ilymódon kapott két- vagy háromdimenziós ellenálláseloszlás modelleket azután speciális többdimenziós inverziós eljárással tovább lehet finomítani.

A terepi mérések gyakorlata:

A terepi méréseket egy számítógépvezérelt, alacsony frekvenciás geoelektromos mérőberendezéssel végezzük. A számítógép egyben adatgyűjtőként is funkcionál. A mérőberendezés a KBFI-TRIÁSZ Kft. saját fejlesztésű és építésű geoelektromos mérőberendezése, amelyet 1989. óta fejlesztenek a társaság szakemberei.
E fejlesztés eredményeképpen társaságunk rendelkezik egy sekély és közepes behatolású, nagy felbontású, számítógépvezérelt, több műszercsaládból álló egyedi és multielektródás geoelektromos rendszerrel, amely vonalas létesítmények illetve területek nagy pontosságú részletes geoelektromos felmérésére alkalmas . A rutinszerűen használt elektródatávolság mindössze 50 centiméter. A számítógépes vezérlés, és a rendkívül rövid mérési idő miatt, két ember egy nap alatt több ezer szondázási görbét tudunk lemérni.

A mérőberendezésünk alacsony frekvencián működik, így egyesíti magában a váltóáram használata által biztosított gyorsaságot és a kvázi egyenáramú mérések eredményeinek "viszonylag egyszerű" kiértékelhetőségét.  A mérésekhez szükséges táp és mérőáramot HONDA aggregátorokkal táplált 10 - 400 Watt teljesítményű tápegységek biztosítják. A mérőáram a felszínközeli térrész átmeneti ellenállásától függően 50 - 300 mA között váltakozik, amely biztosítja a mérések optimális jel/zaj arányát. A mérések során a lehető legjobban földelt rozsdamentes acélból vagy rézből készült elektródákat használunk azért, hogy a talaj és az elektródák közötti átmeneti ellenállást minimalizálni tudjuk.

A műszer terepi ellenőrzése műfölddel történik. A műfölddel történő ellenőrzést a mérést végrehajtó szakembernek minden mérési nap kezdetén végre kell hajtani. A mérések végrehajtása során amennyiben a mérési adat minősége az észlelő szakember véleménye szerint nem felel meg a minőségi elvárásoknak akkor a műszer műföldes ellenőrzését szintén el kell végezni azért, hogy el lehessen dönteni az anomália valódiságát. Az ellenőrzés során a szakember ha megállapította a műszer hibátlanságát, az észlelt minőségi eltérést a geológiai eltéréseknek kell tulajdonítani, ami egyébként a mérések természetes velejárója.

 

1.) A geofizikai monitoring rendszer ellenőrző mérések

A monitoring rendszer működésének elve:

A hulladéklerakó helyeken alkalmazott szigetelő-fólia állapotának vizsgálatára már több mint tizenöt éve alkalmaznak geofizikai méréseket. Magyarországon is működik már jó néhány érzékelő rendszerrel ellátott szigetelt hulladéklerakó. Társaságunk a KBFI-Triász Kft. 1999-óta több mint egymillió m2 kiépített és működő referenciával rendelkezik.

A monitoring rendszereknél használt geoelektromos módszer azt használja ki, hogy a mechanikailag szigetelő polietilén vagy polivinilklorid (PVC) fólia elektromosan majdnem tökéletes szigetelő, ezért a fólia két oldalára (alá és fölé) elhelyezett árambevezető elektróda-pár esetében a hibátlan szigetelő-fólián keresztül nem folyhat áram.

Ehhez az kell, hogy az egyik áramelektróda a szigetelő-fóliával a környezetétől teljesen elzárt térrész fölé kerüljön, a másik pedig azon kívülre. Ebben az elrendezésben hibátlan fólia esetén nem tud záródni az áramkör, ezért nem folyik áram, tehát a mindig mérhető, különböző intenzitású zajon kívül potenciálkülönbség nem mérhető a szigetelő fólia alatt vagy felett elhelyezkedő (pontszerű vagy vonal) mérőelektródák között.

Amennyiben hiba van a fólián, akkor átfolyik az áram az árambevezető elektróda-pár között és ennek megfelelően a mérőelektródákon az átfolyó áram nagyságának megfelelő potenciálkülönbséget mérünk.

Amennyiben a fólia alá beépítünk egy, az egész területet lefedő elektróda rendszert, akkor a rendszeresen elvégzett mérésekkel a fólián jelentkező hibahelyet detektálni tudjuk.
A hibahely meghatározásán túl a rendszeresen elvégzett mérések adataiból a környezetvédelmi geofizikában használt értelmezési eljárások felhasználásával meghatározható a szennyeződés terjedésének iránya és sebessége is.

Ennek azért is nagy jelentősége van, mert a lerakók üzemelése során egy több méteres vastagságú hulladék alatt a mai ismereteink szerint nehezen -vagy egyáltalán nem- javíthatók a fólián az üzemeltetés során keletkezett sérülések, még abban az esetben is ha a hiba helye pontosan ismert. Ilyen esetben kis terjedési sebesség esetén, vagy veszélytelen irányban történő áramlás esetén, hosszú évekig nem jelent veszélyt a fólia meghibásodása. Veszélyes irányban történő áramlás estében pedig időben meg lehet tenni a szükséges óvintézkedéseket.
Mind a fólia, mind a fólia alatti talaj állapotának a vizsgálatához speciális, szigorú technológiai szabályok betartása mellett telepített érzékelő rendszerre, pontos, gyors, számítógéppel vezérelt mérőberendezésre és a mérési adatok értelmezéséhez, interpretálásához egyedi fejlesztésű hatékony számítógépes programokra van szükség.

A monitoring rendszer az alábbi elemekből áll:

  • A mérést vezérlő és az adatgyűjtést végző (tetszőleges IBM kompatibilis) számítógép.
  • A két kiválasztott elektróda közé áramot kibocsátó és az áram hatására kialakult potenciáltér két másik kiválasztott elektróda közötti mérését végző egyenáramú geoelektromos mérőműszer.
  • A mérőműszer és az elektródák közötti kapcsolatot biztosító kapcsolórendszer és szekrény.
  • A különböző helyeken elhelyezkedő pont és vonalelektródák.

Érzékelő rendszer egy fóliaréteg esetében, és kettő fóliaréteg esetében egyaránt telepíthető. A két fólia réteg sérülése így külön-külön regisztrálható.
A monitoring rendszer üzemeltetése során a rendszeres mérések egymással történő összehasonlításából azonnal lehet következtetni a szigetelőréteg meghibásodására, hiszen a monitoring rendszer méréseiből származtatott fajlagos ellenállás lokális megváltozását csak a tározóból kifolyt anyag okozhatja.

 

2.) A VESZ mérések:

A mérés végrehajtása során az árambevezető elektródákat (A-B) a mérőelektródák (M-N) helybenhagyása mellett, a VESZ mérés vonatkoztatási pontjától - ami az M-N elektródák távolságának felezőpontja - fokozatosan távolítjuk, így kapunk egyre mélyebb rétegekből információt a talaj látszólagos fajlagos ellenállás értékére. Miközben távolítjuk egymástól az árambevezető elektródákat, ügyelnünk kell arra, hogy a terítés egy egyenes mentén történjen, tehát az A-M-N-B elektródák egy egyenesbe essenek és lehetőleg egy síkon legyenek. Az előbbiek szerint végrehajtott mérés eredménye egy szondázási görbe.

A Vertikális Elektromos Szondázási (VESZ) méréseknél az elektródákat Schlumberger féle gradiens elektróda elrendezésben telepítjük. A Schlumberger féle gradiens elektróda elrendezés fő jellemzői, hogy az elektródák a mérés viszonyítási pontjára szimmetrikusan helyezkednek el, A-M-N-B sorrendben és az árambevezető elektródák (A-B) egymástól mért távolságát meghatározott módon, logaritmikus léptékben mérve egyenközű lépésekkel kell növelni. Az árambevezető elektródák egymástól mért távolsága a mérőelektródák egymástól mért távolságához viszonyítva sokkal nagyobb. Az egyidejűleg mért feszültségkülönbség és áram hányadosából az elektródák térbeli helyzetét is figyelembe véve tudjuk a talaj látszólagos fajlagos ellenállását kiszámítani, amely az A-B elektródák által meghatározott vizsgált térrész integrált ellenállására jellemző.

Ezzel a módszerrel jól feltérképezhető a talajszerkezet mélybeni változása, akár szelvény mentén, akár egy vizsgálandó helyszín  teljes területén egyenletesen elosztott VESZ mérési pontokkal, vízbázisok vizsgálata, homok-kavicsvagyon felmérése, kutató fúrások helyének kijelölése, geológiai kutatások kiegészítése,  céljából.

 

3.) A multielektródás terepi mérések:

A multielektródás méréseket olyan feladatok esetén használjuk amikor sekélybehatolású és nagyfelbontású feladatot kell megoldani. Az elektródákat 0,5m, 1m, 2m távolságra, tehát nagyon sűrűn telepítjük a vizsgálandó szelvények mentén. A sűrű elektróda kiosztásnak megfelelően az ellenállás eloszlást nagy felbontással tudjuk meghatározni. Az elektródákat pontosan mérőszalaggal kijelölve telepítjük pontosan a minőségtervben meghatározott távolságra és előreszerelt kábelkorbácsokkal vezetjük be a mérőkocsiba egy kapcsolórendszeren keresztül. A kapcsolórendszert a számítógép párhuzamos portján keresztül vezéreljük, a mérőműszer vezérlését a számítógép soros portján keresztül végezzük. A számítógép egyben adatgyűjtőként is funkcionál.  A multielektródás mérések során a mérési pontok jellemzően 1-5 méter távolságra vannak egymástól.

Ez a mérési módszer pl. vonalas létesítmények, gátak töltések vizsgálatára kiváló, alkalmazásával optimalizálható a javítandó töltésszakaszok kijelölése.

 

4.) A talajvíz áramlási irányát meghatározó terepi mérések

A talajvíz áramlási irányának meghatározását egy talajvízszint észlelő kút környezetében geoelektromos eljárással, az ekvipotenciális vonalak ("MISE-A-LA-MASSE") módszere alapján végezzük. A módszer azon alapul, hogy egy pontforrás potenciáltere homogén vezető közegben megadható, s ha a közegben inhomogenitások vannak, akkor a kialakuló potenciálkép torzul az inhomogenitásoknak megfelelően.
Az inhomogenitást jelen esetben mi állítjuk elő a közegben úgy, hogy túltelített konyhasó oldatot juttatunk egy kúton keresztül a víztároló rétegbe. A konyhasó azért különösen jó inhomogenitás, mert az átlagos talajokhoz, talajvizekhez viszonyítva nagyságrendekkel kisebb az ellenállása, ebből következően jelenléte jól kimutatható. A vizsgálandó talajvízkút köré sugárirányban hat elektródasort telepítünk, a mérések már a sózás előtt megkezdődnek, és addig folytatódnak (akár napokig is), amíg van változás a mérési adatokban. A változás irányának és sebességének meghatározása a talajvíz áramlásának irányát és sebességét adja meg.

Ezek szennyezés vizsgálatoknál, vízbázisok vizsgálatánál nagyon fontos, és más módszerrel nehezen meghatározható adatok.