Geofyzikální metody v geomorfologii Zdeněk Máčka Z7551 Metody fyzické geografie Destruktivní v. nedestruktivní průzkumné metody Trench napříč okrajovým sudetským zlomem Vrtný transekt asymetrickým údolím v Moravské bráně Nejpoužívanější geofyzikální metody a jejich aplikace v geomorfologii • Georadar zemní radar ground penetrating radar (GPR) • Geoelektrický průzkum (měrný elektrický odpor) elektrická odporová tomografie 1-D DC resistivity (VES = vertical electrical sounding) 2-D a 3-D DC resistivity • Refrakční seismika Základní úlohy v geomorfologii Rozlišení kontaktu mezi sypkými sedimenty a skalním podložím Studium vnitřní stavby akumulačních tvarů / sedimentárních těles Obecné kroky při geofyzikálním průzkumu • Terénní měření • Zpracování naměřených dat • Interpretace grafického výstupu (hloubkového profilu) posouzení vlastností horninového podloží nastavení měřící aparatury Georadar – princip měření  Opakující se pulsy EM záření, reflexe od rozhraní v podloží  2 antény (vysílač → přijímač), určení tranzitního času vlny Frekvence vysílače: 10 MHz až 1 GHz vyšší frekvence = větší prostorové rozlišení + menší hloubkový dosah pulseEKKO PRO (Sensors & Software) 100 MHz antény o délce 1 m Vliv dielektrických vlastností podloží:  Permitivita (ε) relativní permitivita (εr)  Konduktivita (měrná elektrická vodivost) (σ) (S·m−1) Rostoucí hodnoty těchto veličin → větší pohlcování signálu Vysoké hodnoty ε a σ způsobují: podzemní voda, jíl, zasolení Hloubkový dosah a prostorové rozlišení HLOUBKA PENETRACE Suché zeminy s vyššími hodnotami rezistivity: 30 až 60 m Písčité sedimenty: lze dosáhnou 15 až 30 m Vlhký prach: < 5 m ROZLIŠENÍ Závisí na frekvenci a rychlosti EM záření Při střední rychlosti šíření vln 0,1 m/ns 25 MHz anténa → 1 m 100Mhz anténa → 0,25 m 1 GHz anténa → 2,5 cm Postup měření  Prosvícení (aplikace ve stavebnictví, archeologii, …)  Reflexní profily (geologie, geomorfologie, archeologie, …)  Režimy měření: krokový, kontinuální Elektrické pole se nachází podél antény. PL rovnoběžně, PR kolmo BD příčné vyzařování, EF podélné vyzařování XPOL křížová polarizace Očekávaná hloubka hledaných těles, jejich rozměr, … vzdálenost antén krok měření Způsoby určení rychlosti průchodu EM vln podložím CMP (common mid-point) WARR (wide-angle reflection and refraction) Výhody a nevýhody georadaru  Lepší prostorové rozlišení než jiné geofyzikální metody  Vcelku velká rychlost průzkumu  Nízkofrekvenční antény jsou rozměrné, obtížná manipulace v terénu  Proměnlivost dosažitelné hloubky podle stavu podloží neuspokojivé výsledky při rezistivitě menší než cca 50-100 Ω/m  Drobné rozdíly v obsahu vody a zrnitosti mohou vyvolat výraznější odrazy než rozhraní, která hledáme  Silný šum v signálu při měření v zalesněném terénu Možnosti použití georadaru Těžiště použití leží ve studiu sedimentárních hornin  detekce pohřbených struktur  studium vnitřní stavby sedimentárních těles  určení hloubky a průběhu skalního podloží • Údolní a poříční nivy • Delty • Detekce pohřbených říčních koryt • Sypké sedimenty v periglaciálních oblastech: – Morény (koncové, náporové) – Kamenné ledovce – Suťové svahy (osypy) • Sedimentární struktury v rašelinách • Poloha hloubka sufozních tunelů • Sesuvy • Permafrost a glaciologie: – Mocnost činné vrstvy – Detekce menších ledových těles – Mocnost a vnitřní stavba glaciálního ledu • Geoarcheologie anténa 100 MHz, hloubky 10-20 m podle obsahu jílu a vody Antény 50- 100 MHz, hloubky do 30 m špatné zkušenosti, sesuvy bývají zamokřené (prameny) Příkladové studie Pohřbená římská cesta (1,5-3 m rašeliny a fluviálních sedimentů v nadloží) 200 MHz Suťový svah pod skalní stěnou (sklon svahu 30°) 50 MHz Georadar - shrnutí z hlediska použitelnosti v geomorfologii GEORADAR Využití v geomorfologii Technické aspekty použití Vnitřní stavba akumulačních tvarů Malý hloubkový dosah když pod povrchem vodivé vrstvy Mocnost glaciálního ledu Špatná kvalita dat ve vodivých sedimentech (jílovitých, zasolených) Hloubka aktivní vrstvy Špatná kvalita dat v zalesněných terénech Mocnost permafrostu Náročnost zpracování a interpretace dat Určení hranic masivního ledu v morénách a kamenných ledovcích Žádoucí kontrola pomocí odkryvů či vrtů Puklinové zóny v masivním bedrocku Měrný elektrický odpor – princip měření  Proudové (stejnosměrný proud) a napěťové elektrody → dopočet hodnoty měrného elektrického odporu (ρ) (Ω·m2·m−1,Ω·m)  1-D a 2-D (resp. 3-D) varianty 1-D (VES): zapojení se dvěma proudovými a dvěma napěťovými elektrodami 2-D: kabel s několika desítkami elektrod (40 až 50), možnost propojení více kabelů Způsob spínání elektrod se nazývá uspořádání (array): o Schlumberger (horizontální změny v podloží) o Wenner (vertikální změny, detekce zvrstvení) o Dipól-Dipól (rozpoznání malých těles mělko pod povrchem) Výhody a nevýhody odporového měření • Pestrost uspořádání a rozestupu elektrod • Bez omezení terénem, složením podloží či vegetací • S hloubkou klesá schopnost rozlišit ostrá rozhraní • Velká rozkolísanost hodnot rezistivity u jednoho druhu materiálu (i o několik řádů), např. v závislosti na rozpukání a zvětrání Možnosti použití odporového měření • Prokázání přítomnosti permafrostu • Určení hloubky činné vrstvy permafrostu • Tloušťka masivního ledu v kamenných ledovcích • Horizontální rozsah ledových těles (čoček) v horských kamenných ledovcích a svahových sutích • Hloubka odlučné plochy sesuvů a jejich vnitřní stavba • Časové změny vlhkosti tělesa sesuvu (však srážkové vody) • Časové změny vlhkosti skalních výchozů Příkladové studie Sesuv založený ve flyši, svah v horní části porušen zlomem Niva Veverky, kontrast mezi granodioritovým podložím a fluviálními sedimenty Odporové měření – shrnutí z hlediska použitelnosti v geomorfologii Využití v geomorfologii Technické aspekty použití Určení mocnosti a vnitřní stavby sedimentů Nutné zajistit kontakt elektrod s podložím Hladina podzemní vody Problém s balvanitými a suchými materiály Hloubka odlučné plochy u sesuvů Zapotřebí zkušenost s inverzí zdánlivých odporů Detekce masivního ledu v kamenných ledovcích a morénách Někdy problém odlišit led, vzduch a horniny Rozšíření permafrostu Potřeba korelace odporových dat s odkryvy a vrty Mocnost glaciálního ledu Sezónní variabilita vlhkosti podloží Refrakční seismika – princip měření Šíření seismické vlny prostředím při refrakci  P vlny + S vlny, měření počátečního času příchodu P vln  Rychlost šíření vln závisí na modulu pružnosti a hustotě  Předpokladem je rostoucí hustota hornin do podloží  Velikost refrakčního úhlu je dána Snnelovým zákonem  Pro detekci (sub)horizontálních rozhraní se využívá kritické refrakce  Úhel kritické refrakce 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜃𝜃1 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜃𝜃2 = 𝑣𝑣1 𝑣𝑣2 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃𝑐𝑐𝑐,2 = 𝑣𝑣1 𝑣𝑣2 �  Zdrojem vlnění je úder 5kg kladiva na kovovou destičku  Příchod vlny se detekuje na linii osazené geofony, rozestupy geofonů 1 až 5 m T-x diagramy Geofony hodochrona Výhody a nevýhody seismiky • Určení času příchodu první vlny problematické při špatném kontaktu geofonu se zemí • Vibrace přicházející z okolí (řeka, vítr, déšť) • Je třeba, aby podložní vrstvy měly výrazně kontrastní rychlosti šíření seismických vln • „Skrytá vrstva“ = poloha vrstvy s menší rychlostí mezi vrstvami s většími rychlostmi → podhodnocení skutečné hloubky skalního podloží Možnosti použití seismiky • Detekce rozhraní mezi skalním podložím a zvětralinami či sypkými sedimenty Příkladová studie suťový kužel, sklon povrchu 21°, délka profilu 69 m Refrakční seismika – shrnutí z hlediska použitelnosti v geomorfologii Využití v geomorfologii Technické aspekty použití Mocnost sypkých sedimentů Minimálně 12 geofonů Detekce masivního ledu v kamenných ledovcích a morénách Kladivo postačuje pro mělké sondování do hloubky 30 m Rozlišení ledu, vzduchu a hornin Zapotřebí zkušenost se zpracováním dat a inverzí Mocnost aktivní vrstvy Potřeba korelace odporových dat s odkryvy a vrty Kombinace geofyzikálních metod Metody je třeba vzájemně verifikovat, případně konfrontovat s přímým posouzením podloží (odkryvy, kopané sondy, vrty) • Georadar: schopnost rozlišit detaily; vnitřní stavba sedimentárních sledů • DC rezistivita: permafrost, zamokřené jemnozrnné substráty, zalesněné oblasti • Seismika: rozlišení bedrocku od skalního podkladu Vhodnost různých metod pro detekci skalního podloží a vnitřní stavby sedimentárních těles GEORADAR REZISTIVITA SEISMIKA Osypy, suťové kužely ++/++ ±/+ ++/± Kamenná moře +/+ ±/o +/o Aluviální kužely, nivy +/++ +/+ ++/± Koluvia +/+o +/o ±/- Sesuvy -a/±a +/++ ±/± Krasové jevy ± o o Zmrzlé čočky podloží + ++ ± Mocnost činné vrstvy ± ++ ++ Rozšíření permafrostu + ++ + Kamenné ledovce ±/+ ±/++ ±b Voda ve skalním /zemním prostředí ± + údaj před lomítkem = celková mocnost, hloubka bedrocku údaj za lomítkem = vnitřní stavba ++ doporučená metoda, nejlepší výsledek + doporučená metoda ± lze použít, ale nezaručuje nejlepší výsledek ozatím chybí aplikace této metody - nedoporučená metoda a = vhodné pouze pro suché sedimenty b = pouze u neaktivních kamenných ledovců bez permafrostu