Приповерхностная геофизика

Автоматический георадар (upGPR) возле Свисс Кэмп ( Гренландия )

Приповерхностная геофизика - это использование геофизических методов для исследования мелкомасштабных объектов на неглубокой (десятки метров) недрах. Она тесно связана с прикладной геофизикой или разведочной геофизикой . Используемые методы включают сейсмическое преломление и отражение , гравитационные , магнитные, электрические и электромагнитные методы. Многие из этих методов были разработаны для нефти и разведки полезных ископаемых , но в настоящее время используются для самых разных приложений, включая археологию , экологию , судебную медицину , военная разведка , геотехнические исследования , кладоискательство и гидрогеология . Помимо практических приложений, приповерхностная геофизика включает изучение биогеохимических циклов .

Обзор

В исследованиях твердой Земли главной особенностью, отличающей геофизику от геологии, является использование дистанционного зондирования . Различные физические явления используются для исследования глубин, где учёные не могут получить прямой доступ к породе. Проекты прикладной геофизики обычно состоят из следующих элементов: сбор данных, обработка данных, обработка данных, моделирование и геологическая интерпретация.

Все это требует проведения различных видов геофизических исследований. Они могут включать исследования гравитации, магнетизма, сейсмичности или магнитотеллурии .

Сбор данных

Геофизическая съемка – это комплекс измерений, выполняемых геофизическим инструментом. Часто набор измерений проводится вдоль линии или поперек . Многие съемки включают в себя набор параллельных ходов и еще один набор, перпендикулярный ему, для получения хорошего пространственного охвата. Технологии, используемые для геофизических исследований, включают:

• Сейсмические методы , такие как сейсмология отражения , сейсмическая рефракция и сейсмическая томография .
• Сейсмоэлектрический метод
• Геодезия и гравитационные методы , включая гравиметрию и гравитационную градиентометрию .
• Магнитные методы , включая аэромагнитные исследования и магнитометры .
• Электрические методы , включая электротомографию , наведенную поляризацию и спонтанный потенциал .
• Электромагнитные методы , такие как магнитотеллурика , георадиолокация и переходная/временная электромагнетика .
• Скважинная геофизика, также называемая каротажем скважин .
• Методы дистанционного зондирования , включая гиперспектральную визуализацию .

Сокращение данных

Необработанные данные геофизических исследований часто необходимо преобразовать в более полезную форму. Это может включать исправление данных на предмет нежелательных отклонений; например, данные гравиметрической съемки будут исправлены с учетом топографии поверхности. Время сейсмического распространения будет преобразовано в глубину. Часто объект исследования обнаруживается как аномалия — регион, значения данных которого выше или ниже окружающего региона.

Обработка данных

Уменьшенные данные могут не обеспечить достаточно хорошее изображение из-за фонового шума . Отношение сигнал/шум можно улучшить путем повторных измерений одной и той же величины с последующим усреднением, например суммированием или обработкой сигнала .

Моделирование

Смотрите также: Сейсмическая томография.

Как только получен хороший профиль физического свойства, которое измеряется непосредственно, его необходимо преобразовать в модель исследуемого свойства. Например, гравитационные измерения используются для получения модели профиля плотности под поверхностью. Это называется обратной задачей . Имея модель плотности, можно предсказать гравитационные измерения на поверхности; но в обратной задаче измерения силы тяжести известны, и необходимо определить плотность. Эта задача имеет неопределенности из-за шума и ограниченного покрытия поверхности, но даже при идеальном покрытии многие возможные модели интерьера могут соответствовать данным. Таким образом, для ограничения модели необходимо сделать дополнительные предположения.

В зависимости от покрытия данных модель может быть только 2D-моделью профиля. Или набор параллельных разрезов можно интерпретировать с использованием 2½D-модели, которая предполагает, что соответствующие объекты имеют удлиненную форму. Для более сложных функций 3D-модель можно получить с помощью томографии .

Геологическая интерпретация

Заключительным этапом проекта является геологическая интерпретация. Положительная гравитационная аномалия может быть вулканическим вторжением , отрицательная аномалия – соляным куполом или пустотой. Область более высокой электропроводности может содержать воду или галенит . Для хорошей интерпретации геофизическая модель должна сочетаться с геологическими знаниями местности.

Сейсмология

Верхний рисунок: сейсмический профиль, показывающий зависимость интенсивности от времени прохождения туда и обратно. Нижний рисунок: интерпретация результатов.

Сейсмология использует способность вибраций проходить сквозь горные породы в виде сейсмических волн . Эти волны бывают двух типов: волны давления ( P-волны ) и поперечные волны ( S-волны ). P-волны движутся быстрее, чем S-волны, и обе имеют траектории, которые изгибаются по мере изменения скорости волн с глубиной. Рефракционная сейсмология использует эти изогнутые траектории. Кроме того, если между слоями породы или осадка имеются разрывы, сейсмические волны отражаются. Сейсмология отражений идентифицирует границы этих слоев по отражениям.

Отраженная сейсмология

Сейсмическое отражение используется для получения изображений почти горизонтальных слоев Земли. Этот метод во многом похож на эхо-зондирование . Его можно использовать для выявления складчатости и разломов, а также для поиска месторождений нефти и газа. В региональном масштабе профили можно комбинировать для получения стратиграфии последовательностей , что позволяет датировать осадочные слои и определять эвстатическое повышение уровня моря .

Рефракционная сейсмология

Сейсмическую рефракцию можно использовать не только для идентификации слоев горных пород по траекториям сейсмических волн, но также для определения скорости волн в каждом слое, тем самым предоставляя некоторую информацию о материале в каждом слое.

Магнитная съемка

Магнитная съемка может производиться в планетарном масштабе (например, съемка Марса Mars Global Surveyor ) или в метровом масштабе. В приповерхностных слоях он используется для картирования геологических границ и разломов, поиска определенных руд , погребенных магматических даек, обнаружение закопанных труб и старых горных выработок, а также обнаружение некоторых видов наземных мин . Его также используют для поиска человеческих артефактов . Магнитометры используются для поиска аномалий, создаваемых объектами с большим количеством магнитотвердых материалов, таких как ферриты .

Микрогравитационная съемка

Высокоточные гравитационные измерения могут использоваться для обнаружения аномалий плотности вблизи поверхности, например, связанных с воронками и старыми горными выработками. с повторным мониторингом, позволяющим количественно оценить приповерхностные изменения.

Геолокационный радар

Георадиолокация является одним из наиболее популярных методов приповерхностной геофизики в судебной археологии , судебной геофизике , геотехнических исследованиях , охоте за сокровищами и гидрогеологии , с типичной глубиной проникновения до 10 м (33 фута) ниже уровня земли, в зависимости от местных условий. состояние почвы и горных пород, хотя это зависит от используемых антенн передатчика/приемника центральной частоты.

Объемная проводимость грунта

земли Для объемной проводимости обычно используются пары передатчик/приемник для получения первичных/вторичных электромагнитных сигналов из окружающей среды (обратите внимание на потенциальные трудности в городских районах с надземными источниками электромагнитных помех), при этом области сбора зависят от расстояния между антеннами и используемого оборудования. В настоящее время существуют системы воздушного, наземного и водного базирования. Они особенно полезны для первоначальной наземной разведки при геотехнических , археологических и судебно-геофизических исследованиях.

Электрическое сопротивление

Профиль электротомографии

, обратные Исследования электросопротивления проводимости, измеряют сопротивление материала (обычно почвы) между электрическими зондами, при этом типичная глубина проникновения в один-два раза превышает расстояние между электродами. Существуют различные конфигурации электродов оборудования, наиболее типичным является использование двух токовых и двух потенциальных электродов в диполь-дипольной решетке. Они используются для геотехнических , археологических и судебно-геофизических исследований и имеют лучшее разрешение, чем большинство исследований проводимости. Они испытывают значительные изменения в зависимости от влажности почвы, что затрудняет большинство исследований участков с неоднородным грунтом и различным распределением растительности.

Приложения

Милсом и Эриксен (2011) предоставить полезный полевой справочник по полевой геофизике.

Археология

Основная статья: геофизические исследования (археология)

Геофизические методы можно использовать для удаленного поиска или нанесения на карту археологических памятников, избегая ненужных раскопок. Их также можно использовать для датировки артефактов.

При обследовании потенциального места археологических раскопок элементы, вырезанные в земле (например, канавы, ямы и ямы для столбов), могут быть обнаружены даже после засыпки с помощью электросопротивления и магнитных методов. Заполнение также можно обнаружить с помощью георадара. Фундаменты и стены также могут иметь магнитную или электрическую сигнатуру. Печи, камины и печи для обжига могут иметь сильную магнитную аномалию, поскольку термоостаточная намагниченность заложена в магнитные минералы.

Геофизические методы широко использовались в недавних работах над затопленными руинами древней Александрии, а также трех близлежащих затопленных городов (Гераклеон, Канопус и Менутис). Методы, включающие гидролокатор бокового обзора , магнитные исследования и сейсмические профили, выявили историю неудачного расположения объекта и неспособности защитить здания от геологических опасностей. Кроме того, они помогли найти сооружения, которые могут быть утраченным Большим маяком и дворцом Клеопатры , хотя эти утверждения оспариваются.

Криминалистика

Судебная геофизика все чаще используется для обнаружения приповерхностных объектов/материалов, связанных с уголовным или гражданским расследованием. Наиболее громкими объектами уголовных расследований являются тайные захоронения жертв убийств, но судебная геофизика может также включать в себя обнаружение безымянных захоронений на кладбищах и кладбищах, оружия, использованного при совершении преступления, или закопанных тайников с наркотиками или деньгами. Гражданские расследования чаще пытаются определить местонахождение, количество и (что более сложно) время незаконного сброса отходов, которые включают физические (например, опрокидывание мухи) и жидкие загрязняющие вещества (например, углеводороды). Существует множество геофизических методов, которые можно использовать в зависимости от целевых и фоновых материалов. Чаще всего используется георадар, но это не всегда может быть оптимальным методом поиска.

Геотехнические исследования

Геотехнические исследования используют приповерхностную геофизику в качестве стандартного инструмента как для первоначальной характеристики площадки, так и для определения того, где впоследствии следует провести интрузивное исследование площадки (SI), которое включает бурение скважин и пробных ям. В сельской местности можно использовать традиционные методы SI, но в городских районах или на сложных участках целевые геофизические методы могут быстро охарактеризовать участок для последующих интенсивных наземных или приповерхностных методов исследования. Чаще всего это поиск подземных коммуникаций и все еще активных кабелей, расчистка фундаментов зданий, определение типа(ов) почвы и глубины коренной породы ниже уровня земли, загрязнение твердыми/жидкими отходами, шахтные шахты. и реликтовые мины под землей и даже в различных грунтовых условиях. Были даже предприняты внутренние геофизические исследования. Как уже упоминалось, методы различаются в зависимости от целевых и исходных материалов.

Библиография

• Батлер, Дуэйн К. (2005). Приповерхностная геофизика . Серия «Исследования по геофизике» №1. 13. Общество геофизиков-разведчиков . ISBN  978-1-56080-130-6 .
• Лоулер, Эндрю (2005). «Древняя Александрия возникает по суше и по морю» (PDF) . Наука . 307 (5713): 1192–1194. дои : 10.1126/science.307.5713.1192a . ПМИД   15731421 . S2CID   178178452 .
• Массетт, Алан Э.; Хан, М. Афтаб (2000). Взгляд в Землю: Введение в геологическую геофизику . Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-78085-8 .
• Параснис, Д.С. (1997). Основы прикладной геофизики . Чепмен и Холл . ISBN  978-0-412-64080-3 .
• Паркер, Роберт Л. (1994). Геофизическая обратная теория . Издательство Принстонского университета . ISBN  978-0-691-03634-2 .
• Слейтер, Л.; Найт, Р.; Сингха, К.; Бинли, А.; Атеквана, Э. (2006). «Приповерхностная геофизика: новая фокус-группа» . Эос, Транзакции, Американский геофизический союз . 87 (25): 249. Бибкод : 2006EOSTr..87..249S . дои : 10.1029/2006EO250008 .
• Стэнли, Жан-Даниэль; Годдио, Франк; Йорстад, Томас Ф.; Шнепп, Джерард (2004). «Затопление древнегреческих городов у дельты Нила в Египте — поучительная история» . ГСА сегодня . 14 (1): 4–10. doi : 10.1130/1052-5173(2004)014<4:SOAGCO>2.0.CO;2 .
• Телфорд, Уильям Мюррей; Гелдарт, LP; Шериф, Роберт Э. (1990). Прикладная геофизика . Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-33938-4 .

Внешние ссылки

• Фокус-группа по приповерхностной геофизике (AGU)
• Секция приповерхностной геофизики Общества геофизиков-разведчиков (SEG)
• Приповерхностная геофизика: ресурс по всем геофизическим вопросам
• Подгруппа специалистов по приповерхностной геофизике Лондонского геологического общества