Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Автоматический георадар (upGPR) возле швейцарского лагеря ( Гренландия )

Приповерхностная геофизика - это использование геофизических методов для исследования мелкомасштабных объектов на мелководье (десятки метров) под поверхностью. [1] Это тесно связано с прикладной геофизикой или разведочной геофизикой . Используемые методы включают сейсмические методы преломления и отражения , гравитационные , магнитные, электрические и электромагнитные методы. Многие из этих методов были разработаны для разведки месторождений нефти и полезных ископаемых, но в настоящее время используются в самых разных областях, включая археологию , экологию , судебную медицину и т. Д.[2] военная разведка , геотехнические исследования , поиск сокровищ и гидрогеология . Помимо практических приложений, приповерхностная геофизика включает изучение биогеохимических циклов . [3] [4]

Обзор [ править ]

В исследованиях твердой Земли средняя особенность, которая отличает геофизику от геологии, состоит в том, что она включает дистанционное зондирование . Различные физические явления используются для зондирования под поверхностью, где ученые не могут напрямую получить доступ к скале. Проекты прикладной геофизики обычно состоят из следующих элементов: сбор данных, обработка данных, обработка данных, моделирование и геологическая интерпретация. [5]

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

Сбор данных [ править ]

Геофизическое исследование представляет собой набор измерений , выполненных с помощью геофизического прибора. Часто набор измерений выполняется вдоль линии или поперечного сечения . Многие съемки имеют набор параллельных ходов и еще один набор, перпендикулярный ему, чтобы получить хорошее пространственное покрытие. [5] 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 .
  • Магнитная техника , включая аэромагнитную съемку и магнитометры .
  • Электрические методы , включая томографию электрического сопротивления , индуцированную поляризацию и спонтанный потенциал .
  • Электромагнитные методы , такие как магнитотеллурия , георадиолокация и переходные процессы / электромагнетизм во временной области .
  • Скважинная геофизика, также называемая каротажем .
  • Методы дистанционного зондирования , включая гиперспектральную съемку .

Обработка данных [ править ]

Необработанные данные геофизических исследований часто необходимо преобразовывать в более полезную форму. Это может включать исправление данных с учетом нежелательных отклонений; например, гравиметрическая съемка будет исправлена ​​на топографию поверхности. Время прохождения сейсмических волн будет преобразовано в глубины. Часто цель исследования обнаруживается как аномалия , область, значения данных которой выше или ниже окружающей области. [5]

Обработка данных [ править ]

Сокращенные данные могут не обеспечить достаточно хорошее изображение из-за фонового шума . Отношение сигнал / шум может быть улучшено путем повторных измерений одной и той же величины с последующим усреднением некоторого рода, например суммированием или обработкой сигнала . [5]

Моделирование [ править ]

Смотрите также: Сейсмическая томография

После получения хорошего профиля физического свойства, которое непосредственно измеряется, его необходимо преобразовать в модель исследуемого свойства. Например, измерения силы тяжести используются для получения модели профиля плотности под поверхностью. Это называется обратной задачей . Имея модель плотности, можно предсказать измерения силы тяжести на поверхности; но в обратной задаче измерения силы тяжести известны, и плотность должна быть вычислена. У этой проблемы есть неопределенности из-за шума и ограниченного покрытия поверхности, но даже при идеальном покрытии многие возможные модели интерьера могут соответствовать данным. Таким образом, необходимо сделать дополнительные предположения, чтобы ограничить модель.

В зависимости от охвата данных модель может быть только двухмерной моделью профиля. Или набор параллельных разрезов может быть интерпретирован с использованием 2½-мерной модели, которая предполагает, что соответствующие объекты имеют удлиненную форму. Для более сложных объектов 3D-модель может быть получена с помощью томографии . [5] [6]

Геологическая интерпретация [ править ]

Заключительный этап проекта - геологическая интерпретация. Положительная аномалия силы тяжести может быть вулканическим вторжением , отрицательной аномалией - соляным куполом или пустотой. Область с более высокой электропроводностью может содержать воду или галенит . Для хорошей интерпретации геофизическая модель должна сочетаться с геологическими знаниями местности. [5]

Сейсмология [ править ]

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 распространяются быстрее, чем S-волны, и обе имеют траектории, изгибающиеся по мере изменения скорости волны с глубиной. В сейсмологии рефракции используются эти искривленные траектории. Кроме того, при наличии разрывов между слоями в породе или отложениях отражаются сейсмические волны. Сейсмология отражений идентифицирует эти границы слоев по отражениям. [7]

Отражательная сейсмология [ править ]

Сейсмическое отражение используется для построения изображений почти горизонтальных слоев Земли. Этот метод очень 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 идентифицировать эвстатическое повышение уровня моря . [7]

Рефракционная сейсмология [ править ]

Сейсмическое преломление можно использовать не только для идентификации слоев в горных породах по траекториям сейсмических волн, но также для определения скоростей волн в каждом слое, тем самым предоставляя некоторую информацию о материале в каждом слое. [7]

Магнитная съемка [ править ]

Магнитная съемка может быть сделана в планетарном масштабе (например, обзор Марса в Mars Global Surveyor ) или по шкале метров. В приповерхностном слое он используется для картирования геологических границ и разломов, поиска определенных руд , погребенных вулканических дамб [8], определения местоположения погребенных труб и старых горных выработок, а также обнаружения некоторых видов наземных мин . Он также используется для поиска человеческих артефактов . Магнитометры используются для поиска аномалий, создаваемых мишенями с большим количеством магнитотвердых материалов, таких как ферриты . [9]

Микрогравитационная съемка [ править ]

Высокоточные гравитационные измерения могут использоваться для обнаружения аномалий приповерхностной плотности, например, связанных с воронками и старыми горными выработками [10], с повторным мониторингом, позволяющим количественно оценить приповерхностные изменения. [11]

Радиолокационная станция [ править ]

Георадар является одним из наиболее широко используемой приповерхностной геофизики в судебно - медицинской археологии , судебно - медицинской экспертизе геофизики , геотехнической расследовании , сокровищах и гидрогеологии , с типичными глубинами проникновения вплоть до 10 м (33 футов) ниже уровня земли, в зависимости от местного условия почвы и горных пород, хотя это зависит от используемых антенн передатчика / приемника центральной частоты. [1]

Объемная проводимость грунта [ править ]

Объемная проводимость грунта обычно использует 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 зоны сбора зависят от расстояния между антеннами и используемого оборудования. В настоящее время доступны бортовые, наземные и водные системы. Они особенно полезны для начальных наземных разведывательных работ в геотехнических , археологических и судебно-геофизических исследованиях. [1]

Удельное электрическое сопротивление [ править ]

Профиль томографии электрического сопротивления

Измерения удельного электрического сопротивления, обратные проводимости , измеряют сопротивление материала (обычно почвы) между электрическими зондами с типичной глубиной проникновения, в 1-2 раза превышающей расстояние между электродами. Существуют различные конфигурации электродов оборудования, наиболее типичная из которых - 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 действительно испытывают значительные изменения в содержании влаги в почве, что затрудняет большинство исследований участков с неоднородным грунтом и различным распределением растительности. [1]

Приложения [ править ]

Milsom & Eriksen (2011) [12] представляют собой полезное учебное пособие для полевой геофизики.

Археология [ править ]

Основная статья: геофизические исследования (археология)

Геофизические методы могут использоваться для удаленного поиска или картирования археологических раскопок, избегая ненужных раскопок. Их также можно использовать для датировки артефактов.

При обследовании потенциального археологического объекта объекты, вырубленные в земле (например, канавы, ямы и почтовые ямы), могут быть обнаружены даже после засыпки с помощью методов электрического сопротивления и магнитных методов. Заполнение также может быть обнаружено с помощью георадара. Фундаменты и стены также могут иметь магнитную или электрическую подпись. Печи, камины и обжиговые печи могут иметь сильную магнитную аномалию, потому что в магнитных минералах запеклась термоостаточная намагниченность . [13]

Геофизические методы широко использовались в недавней работе над затопленными останками древней Александрии, а также трех близлежащих затопленных городов (Ираклион, Канопус и Менутис). [14] Методы, которые включали гидролокатор бокового обзора , магнитную съемку и сейсмические профили, раскрыли историю плохого местоположения площадки и неспособности защитить здания от геологических опасностей. [15] Кроме того, они помогли найти структуры, которые могут быть потерянным Великим маяком и дворцом Клеопатры , хотя эти утверждения оспариваются. [14]

Криминалистика [ править ]

Судебная геофизика все чаще используется для обнаружения приповерхностных объектов / материалов, связанных либо с уголовным, либо с гражданским расследованием. [16]Наиболее заметными объектами уголовных расследований являются тайные захоронения жертв убийств, но судебная геофизика может также включать обнаружение безымянных захоронений на кладбищах и кладбищах, оружия, использованного в преступлении, или захоронения наркотиков или денежных тайников. Гражданские расследования чаще пытаются определить местонахождение, количество и (что более сложно) время незаконного захоронения отходов, включая физические (например, опрокидывание) и жидкие загрязнители (например, углеводороды). Есть много геофизических методов, которые могут быть использованы в зависимости от целевого и фонового материалов хозяина. Чаще всего используется георадар, но это не всегда может быть оптимальным методом поиска.

Геотехнические исследования [ править ]

В геотехнических исследованиях приповерхностная геофизика используется в качестве стандартного инструмента, как для первоначальной характеристики участка, так и для определения того, где впоследствии проводить интрузивное исследование участка (SI), которое включает скважины и пробные карьеры. [1] В сельских районах могут использоваться обычные 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 действующих кабелей, расчищенных фундаментов зданий, определение типа (ов) почвы и глубины коренных пород ниже уровня земли, загрязнения твердыми / жидкими отходами, шахтных стволов [17] и реликтовых шахт под землей и даже на разных землях условия. [18]Были даже проведены внутренние геофизические исследования. [19] Как упоминалось, методы различаются в зависимости от материалов мишени и хозяина.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Рейнольдс, Джон (2011). Введение в прикладную и экологическую геофизику . Вили-Блэквелл. ISBN 978-0-471-48535-3.
  2. ^ Хансен, JD; Pringle, JK; Гудвин, Дж (2014). «Георадиолокационные и объемные исследования удельного сопротивления грунта на кладбищах: обнаружение немаркированных захоронений в контрастных типах почвы» (PDF) . Международная криминалистическая экспертиза . 237 : e14 – e29. DOI : 10.1016 / j.forsciint.2014.01.009 . PMID 24559798 .  
  3. ^ Parasnis 1997 , Предисловие
  4. ^ Slater et al. 2006 г.
  5. ^ a b c d e f Mussett & Khan 2000 , часть 1
  6. ^ Паркер 1994
  7. ^ a b c Mussett & Khan 2000 , Глава 6
  8. ^ Мозли, D; Pringle, JK; Хаслам, РБ; Иган, СС; Роджерс, SL; Гертиссер, G; Кэссиди, Северная Каролина; Стимпсон, И.Г. (2015). «Геофизические исследования в помощь картированию захороненных вулканических интрузий, Сноудония, Северный Уэльс, Великобритания» (PDF) . Геология сегодня . 31 (3): 149–182. DOI : 10.1111 / gto.12096 .
  9. ^ Mussett & Khan 2000 , Глава 11
  10. ^ Parasnis 1997 , глава 3
  11. ^ Pringle, JK; Стили, P; Хауэлл, CP; Бранстон, штат Массачусетс; Фурнер, Р; Мультяшный, S (2012). «Долгосрочный покадровый микрогравитационный и геотехнический мониторинг реликтовых соляных шахт, Марстон, Чешир, Великобритания» (PDF) . Геофизика . 77 (6): B287 – B294. DOI : 10,1190 / GEO2011-0491.1 .
  12. ^ Милсом, Дж; Эриксен, А (2011). Полевая геофизика, 4-е издание . Вили-Блэквелл. ISBN 978-0-470-74984-5.
  13. ^ Mussett & Khan 2000 , Глава 28
  14. ^ а б Лоулер 2005
  15. ^ Стэнли и др. 2004 г.
  16. ^ Pringle, JK; Раффелл, А; Джервис-младший; Доннелли, Л; МакКинли, Дж; Hansen, J; Морган, Р. Пирри, Д; Харрисон, М (2012). «Использование геолого-геофизических методов для наземных судебно-медицинских поисков» . Обзоры наук о Земле . 114 (1–2): 108–123. Bibcode : 2012ESRv..114..108P . DOI : 10.1016 / j.earscirev.2012.05.006 .
  17. ^ Banham, SG; Прингл, Дж. К. (2011). «Георадарные исследования для характеристики средневековых и римских фундаментов под существующими помещениями магазинов: пример из Честера, Чешир, Великобритания» . Приповерхностная геофизика . 9 (5): 483–496. DOI : 10.3997 / 1873-0604.2011028 .
  18. ^ Таквелл, G; Гросси, Т; Оуэн, S; Стернс, П. (2012). «Использование микрогравитации для обнаружения небольших распределенных пустот и грунта с низкой плотностью». Ежеквартальный журнал инженерной геологии и гидрогеологии . 41 (3): 371–380. DOI : 10.1144 / 1470-9236 / 07-224 .
  19. ^ Pringle, JK; Ленхэм, JW; Рейнольдс, младший (2009). «Георадарные исследования для характеристики средневековых и римских фундаментов под существующими помещениями магазинов: пример из Честера, Чешир, Великобритания». Приповерхностная геофизика . 7 (2): 371–380. DOI : 10.3997 / 1873-0604.2008042 .

Библиография [ править ]

  • Батлер, Дуэйн К. (2005). Приповерхностная геофизика . Исследования по геофизике. Серия No. 13. Общество геофизиков-разведчиков . ISBN 978-1-56080-130-6.
  • Лоулер, Эндрю (2005). «Древняя Александрия появляется по суше и по морю». Наука . 307 (5713): 1192–1194. DOI : 10.1126 / science.307.5713.1192a . PMID  15731421 .CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Mussett, Alan E .; Хан, М. Афтаб (2000). Взгляд в Землю: Введение в геологическую геофизику . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-78085-8.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Параснис, Д.С. (1997). Принципы прикладной геофизики . Чепмен и Холл . ISBN 978-0-412-64080-3.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Паркер, Роберт Л. (1994). Геофизическая обратная теория . Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-03634-2.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Slater, L .; Knight, R .; Singha, K .; Binley, A .; Атеквана, Э. (2006). «Приповерхностная геофизика: новая фокус-группа» . Eos, Transactions, Американский геофизический союз . 87 (25): 249. Bibcode : 2006EOSTr..87..249S . DOI : 10.1029 / 2006EO250008 .CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Стэнли, Жан-Даниэль; Годдио, Франк; Jorstad, Thomas F .; Шнепп, Джерард (2004). «Затопление древнегреческих городов у египетской дельты Нила - поучительная сказка» . GSA сегодня . 14 (1): 4–10. DOI : 10,1130 / 1052-5173 (2004) 014 <4: SOAGCO> 2.0.CO; 2 .CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Телфорд, Уильям Мюррей; Гелдарт, LP; Шериф, Роберт Э. (1990). Прикладная геофизика . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-33938-4.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )

Внешние ссылки [ править ]

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