Technik_geofizyk_311[11].Z3.03

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1.

Obsługiwanie aparatury do badań grawimetrycznych i magnetycznych

4.1.1.

Materiał nauczania

4.1.2.

Pytania sprawdzające

4.1.3.

wiczenia

4.1.4.

Sprawdzian postępów

4.2.

Obsługiwanie aparatury do badań geoelektrycznych i elektromagnetycznych 21
4.2.1.

Materiał nauczania

4.2.2.

Pytania sprawdzające

4.2.3.

wiczenia

4.2.4.

Sprawdzian postępów

4.3.

Obsługiwanie aparatury do badań sejsmicznych

4.3.1.

Materiał nauczania

4.3.2.

Pytania sprawdzające

4.3.3.

wiczenia

4.3.4.

Sprawdzian postępów

4.4.

Obsługiwanie aparatury do badań w otworach wiertniczych

4.4.1.

Materiał nauczania

4.4.2.

Pytania sprawdzające

4.4.3.

wiczenia

4.4.4.

Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy dotyczącej obsługiwania

aparatury do pomiarów geofizycznych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

−

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do osiągnięcia założonych celów
kształcenia i opanowania umiejętności zawartych w jednostce modułowej,

−

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści,

−

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,

−

literaturę uzupełniającą.
Miejsce jednostki modułowej w strukturze modułu 311[11].Z3 „Badania geofizyczne”

jest wyeksponowane na schemacie zamieszczonym na stronie 4.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp

i instrukcji  przeciwpożarowych,  wynikających  z  rodzaju  wykonywanych  prac.  Wiadomości
dotyczące  przepisów  bezpieczeństwa  i  higieny  pracy,  ochrony  przeciwpożarowej  oraz
ochrony  środowiska  znajdziesz  w  jednostce  modułowej  311[11].O1.01  „Przestrzeganie
przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony środowiska”.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu nauczania jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony środowiska i ochrony
przeciwpożarowej obowiązujące w pracowni i na stanowisku pracy,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

organizować stanowisko pracy zgodnie z wymogami ergonomii,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu fizyki, takimi jak: masa, siła,
prędkość,

−

stosować podstawowe prawa fizyki z zakresu pola grawitacyjnego, elektrostatycznego,
magnetycznego,

−

posługiwać się dokumentacją geodezyjną,

−

posługiwać się dokumentacją geologiczną,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami topograficznymi,

−

stosować i zamieniać jednostki układu SI,

−

interpretować związki wyrażone za pomocą wzorów, tabel,

−

wykonywać proste obliczenia matematyczne,

−

użytkować komputer,

−

współpracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

dokonać analizy schematów blokowych i ideowych aparatów geofizycznych,

−

odczytać schematy blokowe aparatury z użyciem symboli graficznych,

−

wyjaśnić budowę i zasady działania aparatury do pomiarów geofizycznych,

−

ocenić stan techniczny aparatury do pomiarów geofizycznych,

−

dobrać parametry pomiarów geofizycznych,

−

dobrać osprzęt pomiarowy,

−

ocenić stan techniczny osprzętu,

−

zlokalizować i usunąć przerwy w kablach oraz przygotować sondy do badań,

−

wyjaśnić budowę sond, geofonów, elektrod,

−

ocenić wpływ parametrów ustawienia geofonów, sond, elektrod na wyniki pomiarów
geofizycznych,

−

wyjaśnić zasady bezpiecznego użytkowania aparatury i sprzętu,

−

przygotować aparaturę i osprzęt do pomiarów,

−

wykonać pomiary w terenie,

−

wyjaśnić budowę i zasady działania aparatury do pomiarów fizycznych właściwości skał,

−

obsłużyć aparaturę do pomiarów fizycznych właściwości skał,

−

określić sposoby zabezpieczenia otworów do badań geofizycznych,

−

posłużyć się przyrządami elektrycznymi podczas badań geofizycznych,

−

dokonać drobnych napraw sprzętu,

−

wyjaśnić budowę i zasady działania urządzeń i sprzętu do wzbudzania sztucznych pól
fizycznych w Ziemi,

−

zabezpieczyć aparaturę i sprzęt przed uszkodzeniami w czasie pracy, przechowywania
i transportu,

−

zastosować przepisy dotyczące użytkowania materiałów wybuchowych i źródeł
promieniotwórczych,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz
ochrony środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1.

Obsługiwanie aparatury do badań grawimetrycznych
i magnetycznych

4.1.1. Materiał nauczania

Podstawową i najważniejszą częścią układu pomiarowego każdego grawimetru jest

element sprężysty. Może on być wykonany z metalu lub kwarcu. Odpowiednio do tego
wyróżnia się grawimetry metaliczne i grawimetry kwarcowe.
Zasada względnych pomiarów grawimetrami statycznymi

W przypadku pomiaru przyspieszenia siły ciężkości metodą statyczną obserwacje

dotyczą  ustalenia  położenia  masy  znajdującej  się  w  stanie  równowagi  w  systemie
pomiarowym instrumentu, gdzie działanie siły ciężkości na masę systemu równoważone jest
deformacją  sprężyn  pomiarowych  lub  kompensującego  przesunięcie  masy  czujnika  pola
magnetycznego w przypadku grawimetrów nadprzewodnikowych.

Deformację liniową sprężyny

∆

z wywołuje różnica wartości przyspieszenia siły ciężkości

∆

g między punktami pomiarowymi P1 i P2. Jeżeli masa pomiarowa spełnia warunek stałości

m = const, to w liniowym przybliżeniu otrzymuje się:

∆

g = g

– g

= K ·

∆

z = K(z

– z

przy czym K oznacza współczynnik skali, nazywany stałą kalibracyjną lub

współczynnikiem równania grawimetru. Ta idea wagi sprężynowej, służącej do pomiarów
zmian przyspieszenia, wykorzystana została w konstrukcji grawimetrów morskich
i grawimetru marki GS-3 zbudowanego w połowie XX w. przez A. Grafa.

W celu uniezależnienia się od wpływu zmian temperatury na pomiar, układ pomiarowy

umieszcza się w naczyniu Devara albo w termostacie.

Rys. 1. Najprostsze schematy układów pomiarowych grawimetrów: 1 – sprężyna, m – masa obciążająca [9, s. 44]

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego grawimetru: 1 – sztywna ramka, 2 – nić torsyjna, 3 – sztywne ramię,

4 – masa obciążająca ramię 3, 5 – zwierciadło [9, s. 44]

Natomiast zasada stosowania pomiaru kąta obrotu

∆α

ramienia systemu mierzącego przy

zmianie  siły  ciężkości  wykorzystana  została  przy  konstrukcji  grawimetrów  LaCoste
& Romberg.  Elementy  sprężyste  wykonane  są  w  kształcie  sprężyn  płaskich  lub  spiralnych.
Odczyt  skali  grawimetru  wykonywany  jest  na  zasadzie  „zerowania  wskazań”  instrumentu.
Ś

rubą pomiarową licznika grawimetru doprowadza się ramię systemu mierzącego do

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

położenia wyjściowego, najczęściej poziomego, na każdym stanowisku. Skala w okularze
(woltomierza, czujnika elektronicznego) służy do ustalania położenia wskaźnika w położeniu
„zerowym” skali.

Zarówno liniowe, jak i obrotowe systemy mierzące mogą być astatyzowane lub

nieastatyzowane  (ástatos  po  grecku  oznacza  niestały).  W  systemach  „sprężynowo
astatyzowanych”  efekt  zwiększenia  czułości  uzyskuje  się  przez  zainstalowanie  dodatkowej
sprężyny,  która  zwiększa  efekt  zmian  przyspieszenia  siły  ciężkości  we  wskazaniach
grawimetru.

Rys. 3. Grawimetr LaCoste-Romberg [14]

Przy budowie systemu pomiarowego grawimetru marki LaCoste & Romberg

z nieliniowym  momentem  sił  sprężystych  sprężyny  astatyzującej  zastosowano  klasyczną  już
dzisiaj  astatyzację  przez  umieszczenie  nachylonej  (ukośnej)  sprężyny  głównej.  Konstruktor
grawimetru  L.  J.  LaCoste  zastosował  sprężynę  o  „zerowej”  długości,  której  działanie
astatyzujące  znacznie  powiększa  obrót  masy  próbnej.  Produkcja  takiej  sprężyny  polega  na
skręcaniu  nici  w  czasie  nawijania  na  formę  walcową.  Sprężyna  stwarza  możliwość
symetrycznych  obrotów

∆α

ramienia systemu pomiarowego względem położenia

wyjściowego.  Sposób  rejestracji  deformacji  czujnikowych  elementów  systemu  mierzącego
pozwala wyróżnić grawimetry z optycznym urządzeniem do obserwacji wskaźnika położenia
masy  lub  z  systemem  elektrycznym.  Współcześnie  produkowane  grawimetry  precyzyjne
posiadają  fotoelektryczne  systemy  rejestracyjne.  Wykorzystuje  się  przy  tym  zmiany  prądu
z fotokatody wywołane zmianami deformacji systemu pomiarowego.

Od 1987 r. firma Scintrex Co. produkowała grawimetry Autograv CG-3, a od 2004 –

Autograv  CG-5,  sprzężone  z  wbudowanymi  mikrokomputerami.  Jako  przenośny  system
pozyskiwania i kontroli danych zastosowano konsolę sterującą. System pomiarowy wykonany
jest z kwarcu i pracuje w myśl zasady sejsmografu Golicyna. Masa próbna zawieszona jest na
sprężynach  kwarcowych,  przemieszcza  się  przy  zmianie  przyciągania  w  polu  elektrycznym
między  okładkami  kondensatora.  Zmiany  pojemności  elektrycznej  przetwarzane  są  przez
przetwornik  pojemnościowo-przemieszczeniowy  i  rejestrowane  automatycznie.  Przetwornik
ma  rozdzielczość  równą  0,2  nm.  Układ  sprzężenia  zwrotnego  przesuwa  masę  do  pozycji
wyjściowej (zerowej).  Zmiany napięcia –  równoważne zmianom grawitacji – transmitowane
są  do  systemu  zbierania  danych  i  przetwarzane  na  sygnał  cyfrowy  do  licznika.  Jego
wskazania  wyświetlane  są  na  ekranie  z  ciekłego  kryształu  –  w  wersji  CG-3M  (microGal
resolution)  z  precyzją  do  0,01

m·s

-2

. Komputer grawimetru (48kb RAM) może zapamiętać

odczyty na ok. 450 stanowiskach.

Przed pomiarem do pamięci komputera za pomocą klawiatury (14 dwufunkcyjnych

klawiszy)  wprowadza  się  współrzędne  stanowiska.  Komputer  ma  zegar  kwarcowy,  który
wspomaga  automatyczną  eliminację  liniowej  części  dryftu.  Również  automatycznie
uwzględniany  jest  wpływ  przyciągania  Słońca  i  Księżyca.  Szybkość  zmian  czasowych
odczytu  programuje  się  po  zbadaniu  grawimetru  przed  rejsem  pomiarowym.  Można  także

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zaprogramować  korektę  termiczną  wskazań.  Ponadto  naczynie  próżniowe  z  sensorem
grawitacyjnym,  zespół  elektroniczny  i  sensor  pochylenia  instrumentu  umieszczone  są
w podwójnie  termostatyzowanym  pojemniku.  Grawimetr  nie  ma  mechanicznej  kompensacji
zmian  temperatury.  Kompensacja  następuje  za  pomocą  podzespołów  elektronicznych.
Instrument  pracuje  w  zakresie  temperatur  od  -40°  do  +45°C.  Ma  dwie  libele  elektroniczne
o czułości ok. 1˝. Automatyczna korekcja błędów poziomowania jest wykonywana w zakresie
+200˝.  Układ  elektroniczny  ma  własny  system  autokalibracji  wewnętrznej.  Natomiast
wartości współczynników w równaniu grawimetru są wprowadzane do pamięci komputera.

Pomiar odbywa się poprzez rejestrację położenia masy próbnej co sekundę w okresie

zaprogramowanym przez obserwatora. Obserwator może również włączyć elektroniczny filtr
sejsmiczny,  eliminujący  sygnały  znacznie  odbiegające  od  przeciętnej  w  próbkowaniu
grawitacji. Wyświetlona  zostaje średnia ciężkość  referencyjna z całego okresu próbkowania,
poprawiona  ze  względu  na  pływy  grawitacyjne,  nachylenie  systemu  i  liniową  część  dryftu.
Jeżeli  odczyt  i  dziewięć  innych  zmiennych  (średni  moment  obserwacji,  poprawka  pływowa,
nachylenia  w  dwóch  prostopadłych  kierunkach,  nr  stanowiska,  nr  obserwatora,  wskazania
termometru,  liczba  próbek  wziętych  do  średniej,  liczba  próbek  odrzuconych  i  odchylenie
standardowe) zostanie wprowadzonych do pamięci komputera, to po zakończeniu pomiarów
istnieje  możliwość  ich  transmisji  do  PC  przez  telefon  lub  modem  i  wydruku  w  formie
dziennika  obserwacji.  Możliwy  jest  również  wydruk  daty  i  innych  wprowadzonych  danych
o stanowisku. Grawimetr ma zasięg ok. 70 000 µm·s

-2

, nie wymaga przestawiania zakresu na

całym  globie.  Jego  wymiary  to:  0,24×0,31×0,32  m,  a  masa  z  akumulatorem  –  blisko  11  kg.
Nie  ma  aretażu  systemu  pomiarowego.  W  Polsce  (a  także  m.in.  w  Chinach  i  Jordanii)
używano  grawimetru  Autograv  CG-3M  do  pomiaru  części  podstawowej  sieci
grawimetrycznej kraju.

Najszerzej stosowane są obecnie grawimetry z systemem pomiarowym, w którym masa

ma możliwość obrotu wokół osi. System ma więc jeden stopień swobody. W chwili, gdy
system znajduje się w równowadze, suma wszystkich sił równa jest zeru. Jeśli moment inercji
systemu jest M(

), to moment sił zewnętrznych wynosi g·M(

). Moment sił wewnętrznych,

sprężystych, przeciwdziałających zmianom ciężkości wynosi N(

). Równanie równowagi

systemu pomiarowego grawimetru będzie przedstawiało się następująco:

gM(

) + N(

) = 0

Do sił zewnętrznych zalicza się wpływ temperatury t, ciśnienia atmosferycznego B,

zmian przyspieszenia g i kąta

nachylenia osi obrotu ramienia masy próbnej. Moment siły

sprężystości materiału, z którego wykonany jest system mierzący, zależy od stopnia
deformacji układu, od temperatury wewnętrznej, a także od czasu

, który upłynął od

wyprodukowania i uruchomienia grawimetru, czyli od „wystarzenia” systemu.

Grawimetr jest tym wyższej jakości im wyższą posiada czułość i im mniej wskazania

grawimetru zależą od zmian temperatury i ciśnienia atmosferycznego. Obsługę ułatwia mała
zależność wskazań od kąta pochylenia, ponieważ instrument taki wymaga mniej dokładnego
poziomowania i mniej dokładnej rektyfikacji libel.

Opracowanie wyników pomiarów grawimetrami statycznymi jest prostsze niż

w przypadku grawimetrów dynamicznych. Niewątpliwą wadą tego rodzaju grawimetrów jest
większy chód (dryft), czyli zmiana odczytów z upływem czasu (również bez zmiany miejsca
pomiaru),  w  porównaniu  z  chodem  aparatu  dynamicznego.  Wymaga  to  ograniczenia  czasu
trwania  rejsu  pomiarowego  do  kilku  godzin  i  prawidłowego  modelowania  poprawek
chodowych.  Grawimetry  statyczne  wymagają  też  kalibracji  (skalowania,  cechowania).  Mają
zazwyczaj ograniczony zasięg pomiarowy (tzw. zakres). Zależnie od przeznaczenia waha się
on  w  granicach  od  kilkunastu

m·s

-2

(grawimetry małozakresowe) do kilku tysięcy

m·s

-2

(grawimetry szerokozakresowe, geodezyjne). W zasadzie z powiększeniem zakresu
grawimetru maleje dokładność pomiaru

∆

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zmiany równania grawimetru spowodowane są zmianą szerokości geograficznej (ściślej

–  zmianą  przyspieszenia  siły  ciężkości)  i  występują  przede  wszystkim  po  zmianie  zakresu
w grawimetrach  małozakresowych.  Cechowanie  (skalowanie,  kalibrowanie,  komparacja)
grawimetru  polega  na  ustaleniu  związku  między  zmianą  przyspieszenia  siły  ciężkości

∆

a zmianą odczytu

∆

S instrumentu. Przy wyznaczaniu współczynnika (stałej) K grawimetru

statycznego  należy  uwzględnić  temperaturę  przyrządu,  upływ  czasu  między  powtórnymi
obserwacjami  na  stanowisku  wyjściowym  (czyli  chód  grawimetru),  wpływ  sił  pływowych,
nieliniowość  równania  grawimetru,  zmiany  ciśnienia  atmosferycznego  i  inne  systematyczne
czynniki.  W  zależności  od  sposobu  realizacji  wzorcowej  wartości

∆

g służącej do obliczenia

stałej w myśl wzoru:

∆

Rozróżnia się kilka metod skalowania, a mianowicie:

−

cechowanie (kalibracja) na bazach grawimetrycznych,

−

cechowanie przez nachylanie na egzaminatorze,

−

skalowanie przez przybliżanie do ciężaru,

−

kalibracja przez obciążanie dźwigni systemu mierzącego.
Odcinek bazy grawimetrycznej wybrany do skalowania grawimetru powinien rozciągać

się w kierunku południkowym na długości obejmującej badany fragment terenu, by następnie
pomiar różnic przyspieszenia wykonać bez przestawiania zakresu.

W 1968 r. W. Prothero i J. Goodkind zbudowali w San Diego (USA) pierwszy grawimetr

statyczny,  którego  zasada  działania  wykorzystuje  zjawisko  nadprzewodności  metali.
Konstrukcja  instrumentu  polega  na  zamianie  siły  mechanicznej  podtrzymującej  element
pomiarowy grawimetru w położeniu równowagi na siłę pola magnetycznego. Jest to możliwe
wtedy,  gdy  element  ten  wykonany  jest  z  nadprzewodnika  i  umieszczony  zostanie  w  stałym
polu  magnetycznym.  Przebieg  linii  sił  tego  pola  dobierany  jest  w  zależności  od  kształtu
próbnika  w  taki  sposób, by  linie  sił  indukcji  nie przenikały  do  jego  wnętrza.  Oddziaływanie
występujące  między  stałym  polem  magnetycznym  a  prądami  wirowymi  na  powierzchni
elementu  pomiarowego  nosi  nazwę  zjawiska  Meissnera-Ochsenfelda.  Jego  istota  polega  na
tym,  że  prądy  wirowe  na  powierzchni  nadprzewodnika  wytwarzają  pole  magnetyczne,  które
zupełnie kompensuje działanie zewnętrznego pola magnetycznego w elemencie pomiarowym.
Prądy wirowe zanikają, czyli linie sił zewnętrznego pola magnetycznego nie mogą przeniknąć
do wnętrza próbnika. Jeżeli naprzewodzący element pomiarowy umieszczony zostanie w polu
magnetycznym  i  ochłodzony  do  temperatury  krytycznej  (ok.  6°K),  przy  której  następuje
przemiana fazowa w stan nadprzewodności, to pole magnetyczne w tym momencie zaniknie
w bryle próbnika.

We wnętrzu naczynia próżniowego znajduje się próbnik z nadprzewodnika w kształcie

sfery.  Pole  magnetyczne  zewnętrzne  wytwarzane  jest  przez  prąd  elektryczny  przepływający
przez  solenoidy  wykonane  z  nadprzewodnika.  Sfera  lewituje  między  dwoma  magnesami,
umieszczonymi  w  pionie  nad  i  pod  sferycznym  próbnikiem.  Zmiana  siły  ciężkości  wywoła
zmianę  położenia  sfery  i  zmianę  pojemności  elektrycznej  między  sferą  i  magnesami.
Specjalny  czujnik  przetwarza  zmianę  pojemności  na  impuls  elektryczny  i  przesuwa  sferę
w położenie  wyjściowe  przez  elektromagnetyczny  układ  sprzężony  (zwrotny).  Zmiany
natężenia  na  kondensatorze  sprzężenia  zwrotnego  są  miarą  zmian  przyspieszenia  siły
ciężkości. Grawimetr ma dryft ok. 0,01

m·s

-2

na miesiąc i nie wymaga kalibracji. Do połowy

lat 90. wykorzystywano grawimetry nadprzewodnikowe jako instrumenty stacjonarne tylko
do rejestracji pływowych zmian siły ciężkości i wpływu ruchu biegunów Ziemi na grawitację.

Firma amerykańska GWR Instruments z San Diego od 1995 r. produkuje precyzyjne,

przenośne (waga ok 15 kg, rozmiary: 60 cm wysokości, 30 cm średnica) grawimetry

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

nadprzewodnikowe. Pojemnik chłodzący takiego instrumentu zawiera ciekły hel. Wymiana
8 litrów helu musi następować co 7 dni. Dryft instrumentu jest nie większy niż 0,01

m·s

-2

tydzień, a powtarzalność odczytów – ok. 0,001

m·s

-2

. W grawimetry tego typu wyposażone

są liczące się na świecie obserwatoria pływowe. W 1997 r. zainstalowano do monitorowania
pływów ziemskich w obserwatorium satelitarno-geodynamicznym w Wettzell (Niemcy)
grawimetr nadprzewodnikowy GWR marki CD z dwiema sferami lewitującymi. Jego system
pomiarowy posiada dwa nadprzewodzące czujniki grawitacyjne. Średnica każdej ze sfer
wynosi 1 cal = 2,54 cm. Temperatura we wnętrzu termosu jest utrzymywana w granicach do
3,2 K. Dryft tego grawimetru nie przekracza ok. 65 nm·s

-2

/rok.

Zasada pomiarów grawimetrami balistycznymi

Pierwsze precyzyjne pomiary balistycznymi grawimetrami absolutnymi datuje się od lat

60. XX w. Od tego czasu stosuje się w grawimetrii aparaty wykorzystujące rzut pionowy ciała
w próżni.

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego grawimetru balistycznego [14]

Ruch jednostajnie przyspieszony pod działaniem stałego przyspieszenia siły ciężkości g

ujęty jest równaniem ruchu, które przyjmuje postać:

Ruch ciała obserwuje się na odcinku o długości do 1 m, a wymagany współcześnie

względny błąd średni wyznaczenia przyspieszenia to 10

-9

. Dlatego należy uwzględniać

zmiany przyspieszenia ziemskiego wzdłuż całej trajektorii.

Rozróżnia się symetryczne i niesymetryczne sposoby rejestracji. Symetryczny sposób

polega  na  obserwacji  ruchu  ciała  najpierw  pionowo  w górę,  a następnie,  po  osiągnięciu
górnego wierzchołka toru, spadającego swobodnie. Pomiar drogi i czasu wykonywany jest na
symetrycznych  względem  wierzchołka  częściach  trajektorii.  Niesymetryczny  pomiar
absolutnej  wartości  przyspieszenia  to  obserwacje  jedynie  swobodnego  spadku  ciała  w rurze
próżniowej.  Z niezbędną  dokładnością  mierzy  się  odległości  między  poziomami  rejestracji
przy użyciu interferometru laserowego Michelsona.

Do pomiarów balistycznych sposobem niesymetrycznym służył aparat skonstruowany

przez J.E. Fallera i J.A. Hammonda z University Vesli, Princeton, USA. Pomiar pojedynczy

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

rejestrował długości drogi pryzmatu na odcinku ok. 1 m. Aparat ten zbudowany został
w latach 1968–69, uznawany jest obecnie za instrument pierwszej generacji.

W 1981 r. w Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), National Bureau of

Standards and University of Colorado (USA) wykonano pierwsze pomiary aparatem Fallera,
który  jest  aparatem  tzw.  trzeciej  generacji.  Przy  jego  konstrukcji  wykorzystano  zasadę
swobodnego  spadku  pryzmatu.  Źródło  światła  stanowi  w tym  instrumencie  laser
stabilizowany  zaprojektowany  przez  Zeemana.  Kontrola  częstotliwości  zapewniona  jest
w instrumencie  JILA  przez  rubidowy  atomowy  zegar.  Grawimetr  ten  odróżnia  się  od
wcześniejszych konstrukcji nowym urządzeniem próbnika opuszczanego  w rurze próżniowej
oraz  inną  izolacją  od  długookresowych  wibracji  podstawy  i gruntu.  Ciało  spadające,
w kształcie  czworościanu  z kryształu,  umieszczone  jest  w pojemniku  próżniowym,  który
również opada w aluminiowej rurze zewnętrznej. Droga próbnika wynosi ok. 20 cm. Ma on tę
właściwość, że odbija promień padający na podstawę ściśle równolegle. W przypadku obrotu
pryzmatu  wokół  dowolnej  osi,  przechodzącej  przez  punkt  wewnątrz  bryły,  zwany  środkiem
optycznym, nie pojawia się różnica dróg optycznych, czyli tzw. chód optyczny przyrządu.

Pod koniec lat 90. firma amerykańsko-kanadyjska MICRO-g SOLUTIONS Inc.

rozpoczęła  produkcję  małego  grawimetru  absolutnego  FG5-L  z  konstrukcją  podobną  do
uproszczonego  rozwiązania  zastosowanego  w FG-5.  Ma  on  masę  tylko  ok.  60  kg.  Rura
próżniowa  ze  statywem  ma  wysokość  ok.  70 cm.  Z serii  pomiarów  trwającej  10 minut
otrzymuje  się  absolutne  przyspieszenie  ziemskie  z błędem  do  0,5 µm· s

-2

. Powtarzalność

wyników na stanowisku szacowana jest na 0,1 µ m·s

-2

Rys. 5. Uruchamianie grawimetru FG-5 w obserwatorium PW w Józefosławiu pod Warszawą [fot. P. Jakubicka, 14]

Rys. 6. Grawimetr absolutny prof. Zbigniewa Ząbka (fot. archiwum Instytutu Geodezji Wyższej i Astronomii

Politechniki Warszawskiej [14]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przy symetrycznym sposobie obserwacji przyspieszenia ziemskiego w aparacie

balistycznym  rejestruje  się  interwały  T i t między  momentami  przejścia  wyrzucanego
pionowo  ciała  odpowiednio  przez  pary:  dolna  i górna  stacja,  na  częściach  trajektorii
symetrycznych względem jej wierzchołka. Odstęp H między poziomami rejestracji jest ściśle
wyznaczony interferencyjnie.

W 1977 r. przystąpiono przy jego użyciu do pomiarów na punktach podstawowej osnowy

grawimetrycznej w zachodniej Europie. Skala długości w tym instrumencie jest określana na
podstawie długości fali helowo-neonowego lasera kontrolowanej z błędem rzędu 5·10

-9

Licznik prążków interferencyjnych i dwa liczniki sygnałów czasu emitowanych przez
rubidowy wzorzec mają stabilność 10

-10

na 10 dób. Ruch próbnika odbywa się w próżni

o ciśnieniu 0,1 hPa. Masa całego grawimetru wynosi ok. 600 kg. Instrumentem tym
wykonano również pomiary na 17 stacjach europejskiej bazy grawimetrycznej – od
Hammerfestu w Norwegii do Katanii na Sycylii i dalej aż do Nairobi. Na każdym stanowisku
obserwacje trwały 3–4 dni, obejmując od 40 do 140 wyznaczeń. Błąd średni średniej wartości
przyspieszenia wahał się w granicach od 0,02 do 0,04

m·s

-2.

Przewaga metody symetrycznego pomiaru nad obserwacjami niesymetrycznymi wiąże

się przede wszystkim z możliwością eliminacji minimalnego wpływu tarcia cząstek
pozostałego powietrza podczas ruchu próbnika w górę i w dół, które oddziałuje z różnym
znakiem. Wyższa jest także dokładność pomiaru interwałów czasu między przejściami przez
poziomy rejestracji.

Oryginalną konstrukcję posiada grawimetr balistyczny zbudowany przez prof. Zbigniewa

Ząbka  w  Instytucie  Geodezji  Wyższej  i  Astronomii  Geodezyjnej  Politechniki  Warszawskiej
[Ząbek,  1996].  Ruch  symetryczny  masy  próbnej  na  odległości  ok.  20  cm  obserwowany  jest
w tym aparacie na kilkuset poziomach (od 300 do 3000). W kloszu grawimetru utrzymywane
jest  ciśnienie  ok.  0,1  Pa.  Całkowita  masa  aparatu  wynosi  ok.  120  kg.  Trójścienny  reflektor,
o wadze  ok.  80  g,  wykonany  z  płaskich  sklejonych  luster,  katapultowany  jest  za  pomocą
urządzenia  o  podobnej  konstrukcji  jak  w  grawimetrze  Sakumy.  Układ  mierzący  drogę
reflektora  ruchomego  stanowią  oprócz  niego:  reflektor  w  sejsmografie,  fotodiody  i  laser
helowo-neonowy  stabilizowany  z  dokładnością  10

-9

w okresie miesiąca. Jest on

porównywany ze stacjonarnym laserem jodowym AXIS/BIPM ISL 1 o stabilności 10

-10

w dwuletnim interwale czasu. Wzorzec czasu stanowi oscylator kwarcowy Rohde-Schwarz
XSD 2 o stabilności częstotliwości 10

-9

w okresie miesiąca. Impulsy interferometru

z fotodiody odpowiadają odcinkom drogi pryzmatu równym 0,5

fali lasera. Oryginalnie

rozwiązano  konstrukcję  części  mechanicznej  komory  próżniowej.  Jej  osłona  wykonana
została  w  kształcie  przezroczystej  kwarcowej  rury  szklanej,  o  średnicy  200  mm  i  długości
400 mm,  zamkniętej  dwiema  duraluminiowymi  pokrywami.  Podrzucanie  reflektora  odbywa
się  za  pomocą  linki  gumowej,  na  której  jest  on  zawieszony.  Napinanie  tej  linki  wykonuje
silniczek  elektryczny  umieszczony  na  zewnątrz  klosza.  Na  jego  osi  nawijana  jest  struna
metalowa.  Katapulta  zwalniana  jest  po  scentrowaniu  reflektora  za  pomocą  dźwigni
połączonych  z elektromagnesem.  Konstruktor  aparatu  zastosował  wiele  własnych
wynalazków  w  budowie  części  mechanicznej.  Do  najważniejszych  zaliczyć  trzeba
sprężynowy  tłumik  drgań  linki  gumowej  po  podrzuceniu  pryzmatu  oraz  regulator  napięcia
linki.  Zastosowano  odległość  między  poziomami  rejestracji  równą  2000

fali interferencji,

czyli 0,63 mm.

Urządzenia do pomiaru pól magnetycznych

Czujnik magnetometru rezonansu protonowego stanowi naczynie wypełnione cieczą

o dużej zawartości atomów wodoru, na przykład woda. Naczynie umieszczone jest wewnątrz
cewki o osi skierowanej prostopadle do mierzonego pola magnetycznego. W pierwszym
cyklu pomiaru przez cewkę przepuszcza się prąd stały polaryzujący ciecz polem o natężeniu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

rzędu  kilku  kA/m.  Następnie  po  wyłączeniu  prądu  cewkę  podłącza  się  do  wzmacniacza
(rys. 7).  Moment  magnetyczny  protonów  wraca  do  położenia  wyjściowego  (zgodnie
z kierunkiem  mierzonego  pola  magnetycznego)  co  objawia  się  indukowaniem  w  cewce
napięcia  o  malejącej  amplitudzie  i  stałej  częstotliwości.  Częstotliwość  ta  zależy  od  wartości
mierzonego  pola,  przy  czym  współczynnikiem  proporcjonalności  jest  współczynnik
ż

yromagnetyczny równy dla rezonansu protonowego

= 42,576375 MHz/T.

Przy pomiarze pola magnetycznego ziemskiego częstotliwość precesji jest równa

zaledwie  kilka  kHz.  Wystarcza  to  jednak  do  pomiaru  indukcji  pola  magnetycznego
z rozdzielczością  lepszą  niż  1  nT.  Ponadto  dzięki  dokładnej  znajomości  wartości
współczynnika  żyromagnetycznego  możliwy  jest  pomiar  indukcji  z  bardzo  dobrą
dokładnością  nawet  poniżej  0,002%.  Typowe  magnetometry  protonowe  umożliwiają  odczyt
sześciu cyfr z ostatnia cyfrą 1nT lub 0,1 nT.

Rys. 7. Schemat blokowy magnetometru protonowego [19]

Rys. 8. Zasada działania magnetometru protonowego [19]

Magnetometry protonowe są powszechnie stosowane w geofizyce oraz przy

wykonywaniu map rozkładu pola (np. przy wykrywaniu złóż lub łodzi podwodnych). Ich
wada jest stosunkowo duży rozmiar czujnika (naczynie o pojemności 0,5 l lub 1 l). Inną wadą
jest, że w metodzie tej mierzy się tylko moduł wektora indukcji pola magnetycznego.

Nieco bardziej złożone konstrukcyjnie i dokładniejsze są czujniki wykorzystujace zjawisko

Zeemana, tzw. czujniki z pompowaniem optycznym. Spolaryzowane kołowo światło jest
przepuszczane przez naczynie wypełnione parami izotopu cezu, rubidu lub helu. Częstotliwość
zwiększonej absorpcji tego światła zależy od wartości zewnętrznego pola magnetycznego. Tak
na przykład współczynnik żyromagnetyczny dla Rb

wynosi

= 6996 MHz/T.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 9. Magnetometr protonowy PMP – 8: a) w laboratorium, b) sonda, c) PMP-8 w walizce [19]

Rys. 10. Magnetometr PMP-8 – widok ogólny [19]

Tabela. 1. Dane techniczne [12]

Magnetometr

Gradientometr

Zakres pomiarowy

20.000–100.000 nT

Dopuszczalny gradient

2000 nT/m

Dokładność pomiaru

0,1 nT

Dokładność

0,02 nT przy 5s okresie próbkowania

Rozdzielczość

0,01 nT

Próbkowanie

1 to 9999 s

Pojemność pamięci

> 50.000 w trybie AUTO

> 25.000 w trybie GRAD

Sonda (30

Ω

, 115 mH)

Metoda strojenia

automatycznie (specjalny algorytm strojenia), lub z klawiatury

RS-232 interfejs

9600 b/s, 8 bitów danych, 2 bity stopu, brak parzystości

Temperatura pracy

-5°C to 50°C

Stabilność generatora

1 ppm

Pobór prądu

konsola 65 mA sonda 340 mA

Zasilanie

wew. DC-size Cd-Ni 8 ogniw zewnętrzne 8 do 16V DC

Wymiary i waga

konsola – 260 x 90 x 235 mm, 2,5 kg
sonda – 100 x 90 x 90 mm, 1,7 kg
maszt –1800 mm, 0,6 kg

Magnetometr protonowy PMP-8 służy do pomiaru składowej ziemskiego pola

magnetycznego.  Został  on  zbudowany  w  oparciu  o  układy  mikroprocesorowe
z wykorzystaniem algorytmów cyfrowej filtracji sygnału precesji, co umożliwia pomiar pola
z dużą  dokładnością  przy  jednoczesnym  wyznaczeniu  błędu  tego  pomiaru.  Pamięć
wewnętrzna pozwala na zapamiętanie około 25000 wyników pomiarów w trybie SINGLE lub
50000 w trybie AUTO.

Możliwa jest synchronizowana praca dwu lub kilku magnetometrów co daje możliwość

dokonywania pomiarów różnicowych lub redukcji wyników względem magnetometru
bazowego. Magnetometr umożliwia automatyczne oznaczanie współrzędnych punktów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

pomiarowych, co jest szczególnie przydatne w pracach terenowych. Interfejs RS-232 pozwala
na przepisywanie danych pomiarowych z pamięci magnetometru bezpośrednio do komputera
lub podłączenie do magnetometru drukarki albo rejestratora analogowego /ploter/.

Wykonywane są dwie wersje magnetometru: PMP-8 /pomiar pola F/ i PMP8-G

różnicowy  /pomiar  pola  magnetycznego  F  i  gradientu/.  Magnetometr  PMP-8G  pracuje
z dwiema  sondami  zamocowanymi  w  odpowiedniej  odległości  na  wspólnym  maszcie.  Może
on spełniać wszystkie funkcje magnetometru PMP-8, a ponadto umożliwia pomiar gradientu
pola magnetycznego.

Przykład aparatury pomiarowej

System pomiarowy ENVI-MAG jest aparaturą kanadyjskiej firmy Scintrex Ltd. (rys. 11).

„Sercem”  systemu  jest  konsola  magnetometru  (1),  za  pomocą  której  wprowadza  się
ustawienia,  współrzędne  pomiarów  (numer  profilu,  numer  punktu  pomiarowego  na  profilu)
i inne  potrzebne  dane.  Efekty  ustawień  i  pomiarów  można  obserwować  na  wyświetlaczu
ciekłokrystalicznym LCD. Konsola wyposażona jest w gniazda służące do przyłączania sondy
pomiarowej (2) do pomiaru indukcji ziemskiego pola magnetycznego lub przyłączenia 2 sond
pomiarowych  do  pomiaru  gradientu  pola.  Aby  (za  pomocą  odpowiedniego  programu  (9))
sczytać  dane  pomiarowe  do  komputera  PC,  należy  go  połączyć  przewodem  (7)  z  gniazdem
transmisji  danych  konsoli.  Wewnętrzną  baterię  akumulatorów  zasila  się  (ładuje  się)  energią
elektryczną z ładowarki (5) za pomocą przewodu elektrycznego (6).

Drugim ważnym elementem jest sonda pomiarowa (2), którą umieszcza się na tyczce (4)

lub stelażu (3) (rys. 12.). Jest ona zbudowana z pojemnika wypełnionego wodą destylowaną,
spirytusem lub węglowodorem (np. heksanem C

, ropą naftową), który znajduje się

wewnątrz solenoidu (cewki indukcyjnej). Nukleony jąder atomów w takim zbiorniku znajdują
się  w  nieustannym  ruchu  wirowym  i  mają  orientację  w  kierunku  pola.  Gdy  przez  cewkę
popłynie  prąd  elektryczny  polaryzujący,  wówczas  wyindukowane  zostanie  silne  pole
magnetyczne  o  kierunku  zgodnym  z  osią  solenoidu,  które  spolaryzuje  jądra  atomów  w  jego
kierunku.  Po  wyłączeniu  prądu  polaryzującego,  protony  zaczną  precesować  wokół  kierunku
wektora  pola  magnetycznego  Ziemi  z  częstotliwością  Larmora,  wzbudzając  w  cewce  siłę
elektromotoryczną o częstotliwości proporcjonalnej do wielkości pola magnetycznego Ziemi
zgodnie ze wzorem:

⋅

gdzie:
T – indukcja ziemskiego pola magnetycznego
G – stała żyromagnetyczna protonów równa stosunkowi momentu magnetycznego do
momentu mechanicznego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Aparatura pomiarowa służąca do pomiarów podatności magnetycznej skał

Do pomiarów podatności magnetycznej stosowane są 2 typy przyrządów

wykorzystujących prąd zmienny. Są to przyrządy zawierające obwody mostkowe
(kappabridge) oraz obwody zawierające cewki indukcyjne (kappametry). System pomiarowy
MS2 brytyjskiej firmy Bartington, pokazany na rysunku13, jest kappametrem.

Rys. 13. System pomiarowy Magnetic Susceptibility MS2 firmy Bartington: 1 – miernik podatności

magnetycznej, 2 – czujnik do badań laboratoryjnych MS2B, 3 – uchwyt do pomiarów terenowych
z miernikiem, 4 – czujnik do badań terenowych MS2F, 5 – czujnik (pętla) do badań terenowych MS2D,
6 – czujnik do pomiarów podatności magnetycznej rdzeni wiertniczych MS2C (Bartington, 2004) [12]

Urządzenie pomiarowe (rys. 13) wyposażone jest w przełączniki, przyciski, wyświetlacz

cyfrowy oraz gniazdo zasilające wewnętrzną baterię akumulatorów i gniazdo komunikacyjne
z  czujnikiem.  W  mierniku  podatności  magnetycznej  (rys.  14)  przełącznik  (1)  umożliwia
załączenie  i  wyłączenie  urządzenia  oraz  zmianę  jednostek  układu  SI/CGS.  Przełącznik  (2)
pozwala  sprawdzić  stan  baterii  oraz  wybrać  zakres  pomiarowy  i  jednocześnie  dokładność
pomiaru 0.1 lub 1.0. Po naciśnięciu przycisku „M” (5), na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym
LCD  (4)  ukazują  się  wartości  podatności  magnetycznej  objętościowej,  w  zależności  od
pozycji przełącznika (2), w jednostkach SI lub CGS.

Przycisk „Z” (6) pozwala wyzerować przyrząd. Za pomocą przełącznika dwustabilnego

(7)  można  skonfigurować  miernik  tak,  aby  wykonywał  pomiary  po  każdorazowym
naciśnięciu  przycisku  „M”  albo  wykonywał  pomiar  „ciągły”  (serię  pomiarów).  Miernik
połączony jest z czujnikiem za pomocą przewodu koncentrycznego z końcówkami typu TNC.
Aby  to  zapewnić,  zarówno  przyrząd  pomiarowy,  jak  i  sensor  muszą  być  wyposażone
w gniazda  typu  TNC  (3)  jak  na  rysunku  14  oraz  (3)  na  rysunku  15.  Do  wygodnej  obsługi
miernika bardzo przydatna jest podstawka (8).

Rys. 14. Miernik podatności magnetycznej

(Bartington, 2004) [12]

Rys. 15. Czujnik pomiarowy MS2B (Bartington, 2004) [12]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Czujnik pomiarowy (rys. 15) posiada rączkę (1), za pomocą której, umieszczoną

w uchwycie  (2)  próbkę  (5)  wprowadza  się  do  wnętrza  sensora.  Przełącznik  (4)  umożliwia
wybór  częstotliwości  prądu  zasilającego  cewkę  indukcyjną:  niska  LF  (0,465  kHz)  i  wysoka
HF  (4,65  kHz).  Różnica  wyników  pomiarów  dla  poszczególnych  wartości  częstotliwości
wskazuje  na  obecność  i  ilość  minerałów  superparamagnetycznych.  Opcję  LF  stosuje  się  do
zwykłych pomiarów podatności. Sensor zaprojektowany jest tak, że wymiary próbek powinny
być  dobrane  w  zależności  od  ich  kształtu.  Kostka  sześcienna  powinna  być  o  boku  1  cala
(25,4 mm)  lub  7/8  cala  (23  mm),  rdzeń  cylindryczny  mieć  średnicę  1  cala,  buteleczka
cylindryczna objętość 10 i 20 cm (ml).

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jaki dzielimy grawimetry?

Co to są grawimetry statyczne?

Jaka jest zasada wykonywania pomiarów za pomocą grawimetru statycznego?

Na czym polega astatyzacja grawimetru?

W jakie systemy rejestracyjne mogą być wyposażone grawimetry?

Jak kompensowany jest wpływ temperatury na wskazania grawimetru?

Na czym polega kalibracja grawimetru?

Za pomocą, jakiego przyrządu mierzymy pole magnetyczne?

Jakie elementy wchodzą w skład zestawu pomiarowego pola magnetycznego?

10.

Z czego zbudowana jest sonda pomiarowa?

4.1.3. Ćwiczenia

wiczenie 1

Porównaj wady i zalety grawimetrów sprężynowych i balistycznych.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

określić zasadę działania grawimetru sprężynowego i balistycznego,

przeanalizować przykładową dokumentację grawimetrów,

odczytać parametry pracy grawimetrów,

określić sposoby kalibrowania grawimetrów,

zapisać uzyskane informacje w tabeli,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Porównywane cechy

Grawimetr sprężynowy

Grawimetr balistyczny

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna grawimetrów,

–

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wiczenie 2

Wskaż podstawy fizyczne działania grawimetru balistycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

określić, jakie zjawisko fizyczne zostało wykorzystane przy projektowaniu grawimetrów
balistycznych,

przedstawić na rysunku schemat pomiarowy,

zapisać równanie ruchu ciała próbnego w grawimetrze,

określić pomiary jakie należy wykonać w celu wyznaczenia g ziemskiego,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna grawimetrów,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 3

Objaśnij zasadę wykonywania pomiarów pola magnetycznego za pomocą magnetometru

protonowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

określić jakie zjawisko fizyczne zostało wykorzystane w magnetometrze protonowym,

przedstawić na rysunku schemat pomiarowy,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna magnetometru protonowego,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

scharakteryzować

budowę

grawimetrów

sprężynowych

i balistycznych?

wskazać wady i zalety poszczególnych typów grawimetrów?

określić czynniki decydujące o czułości grawimetru?

objaśnić budowę grawimetru nadprzewodnikowego

wymienić elementy czujnika magnetometru protonowego?

określić zakres temperatur pracy magnetometru?

określić, z jakich elementów składa się zestaw do pomiarów pól
magnetycznych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.

Obsługiwanie aparatury do badań geoelektrycznych
i elektromagnetycznych

4.2.1. Materiał nauczania

Rodzaje środków technicznych stosowanych w badaniach geoelektrycznych

Nośnikiem informacji o przekroju geoelektrycznym, a tym samym o przekroju

geologicznym, jest pole elektryczne lub elektromagnetyczne, naturalne albo sztuczne.

W celu realizacji badań geoelektrycznych niezbędne są środki techniczne do wzbudzenia

pola (w wypadku korzystania ze sztucznych źródeł) i pomiarów parametrów pola. Pomiary
tych parametrów sprowadzają się na ogół do rejestracji różnicy napięcia i natężenia prądu
oraz określenia geometrycznych wymiarów układu pomiarowego.

Ze względu na liczne modyfikacje badań geoelektrycznych stosuje się bardzo różnorodną

aparaturę i sprzęt pomocniczy. Elementami urządzeń stosowanych we wszystkich metodach
badań geoelektrycznych są:

−

akumulatory, baterie suche, generatory d agregaty prądotwórcze – źródła prądu do
wzbudzania pola elektrycznego i elektromagnetycznego, zasilania mierników i środków
łączności radiowej,

−

elektrody – uziemienia i nieuziemione kontury do galwanicznego i indukcyjnego
wzbudzania pola elektromagnetycznego,

−

elektrody – uziemienia i prętowe anteny do pomiaru składowych elektrycznych, albo
ramki, pętle i inne czujniki do pomiaru składowych pola elektromagnetycznego,

−

przyrządy pomiarowe i rejestratory, kable, bębny i zwijaki do kabli, taśmy miernicze,
busola i inny sprzęt pomocniczy.
Naturalne pole elektryczne jest badane poprzez pomiar potencjału albo gradientu

potencjału. Pomiary tych parametrów można wykonywać na lądzie, w otworach wiertniczych,
wyrobiskach  górniczych  i  zbiornikach  wodnych.  W  metodzie  potencjałów  własnych
przyrządami  pomiarowymi  są  autokompensatory,  a  sprzętem  pomocniczym  –  elektrody
niepolaryzujące  i  kable.  Osobliwością  badań  metodą  potencjałów  własnych  jest  stosowanie
jako uziemień elektrod niepolaryzujących. Elektroda niepolaryzująca to naczynie ceramiczne
o  małej  porowatości,  wypełnione  roztworem  siarczanu  miedzi  z  umieszczonym  w środku
prętem z czystej elektrolitycznej miedzi (rys. 16).

Rys. 16. Elektroda niepolaryzująca: 1 – naczynie porowate, 2 – pręt miedziany [9, s. 84]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 17. Elektroda służy do pomiaru prądów tellurycznych, jakie występują w skorupie ziemskiej [9, s. 86]

Budowa nowoczesnej elektrody niepolaryzującej

Elektroda składa się z korpusu zbudowanego z grubościennej rury wykonanej z tworzywa

odpornej  na  urazy  mechaniczne,  a  jednocześnie  obojętnej  chemicznie.  W  jej  górnej  części
znajduje  się  „korek”  służący  do  jej  zamknięcia  oraz  jednocześnie  do  zamocowania
wewnętrznej  elektrody  miedzianej  i  wyprowadzenia  przewodu  (izolowana  linka  miedziana
o długości  około  1,5  m)  do  podłączenia  z  aparaturą  pomiarową.  Całość  połączona  jest
z korpusem  w  sposób  zapewniający  szczelność.  Przewód  elektryczny  łączony  jest
z miedzianą elektrodą przez zaciskanie. Taki sposób mocowania eliminuje powstawanie mini
ogniw,  które  tworzyłyby  się  w  przypadku  zastosowania  do  łączenia  przewodu  i  elektrody
miedzianej  np.  spoiwa  cynowo-ołowiowego.  Przewód  elektryczny  zabezpieczony  jest  przed
„wyrwaniem”  z  elektrody  specjalną  końcówką  zaciskową.  Wewnętrzna  elektroda  miedziana
składa  się  z  pręta  miedzianego  oraz  przykręcanej  za  pomocą  miedzianego  wkręta,
perforowanej tarczy.

Z drugiej strony elektroda zamknięta jest półprzepuszczalną płytką ceramiczną dokręcaną

za  pomocą  nakrętki  wykonanej  z  tego  samego  materiału  co  korpus  elektrody.  Płytka
ceramiczna  zabezpieczona  jest  przed  niepożądanymi  wyciekami  elektrolitu  za  pomocą
dwóch, odpowiednio dobranych pierścieni uszczelniających typu „oring”. Materiał „oringów”
dobrany  jest  tak,  aby  nie  wchodził  w  reakcje  z  elektrolitem.  Całość  stanowi  zwartą
konstrukcję, łatwą do stosowania w każdych warunkach. Solidna obudowa zabezpiecza przed
urazami  mechanicznymi,  jakie  mogą  zdarzyć  się  podczas  zakopywania  i  odkopywania
elektrody  w  ziemi.  Łatwość  wymiany  płytek  ceramicznych  oraz  uzupełniania  elektrolitu
w warunkach polowych jest dodatkową zaletą powstałej konstrukcji.

Przy pomiarach, elektrody niepolaryzującej umieszcza się w dołkach o głębokości

10–20 cm, a do prętów miedzianych podłącza się autokompensator. Jako kabli
podłączeniowych używa się przewodów lekkich, elastycznych i dobrze izolowanych. Taki
układ zabezpiecza stałą i znikomą polaryzację własną elektrod (kilka miliwoltów).

Rys. 18. Ogólny widok polowego komutatora elektrod

konstrukcji Przedsiębiorstwa Badań
Geofizycznych w Warszawie [12]

Rys. 19. Kosa pomiarowa [12]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przy badaniach o dużym zasięgu głębokościowym stosuje się specjalny zestaw

aparaturowy składający się z części zasilającej i pomiarowej. Część zasilająca zestawu
zmontowana na samochodzie składa się z dwu generatorów o maksymalnej mocy do 22,5
KW. Część pomiarowa zestawu zapewnia automatyczną galwanometryczną rejestrację

∆

Przykłady zestawów pomiarowych

Aparatura geoelektryczna do badań archeologicznych ADR-97
Aparatura składa się z nadajnika, generującego prąd przemienny o regulowanej

i tabilizowanej  wartości,  wzbudzającego  w  gruncie  pole  elektryczne  oraz  odbiornika
mierzącego  napięcie  pomiędzy  dwoma  punktami  tego  pola.  Odbiornik  jest  sterowany  przez
system mikroprocesorowy, który zapewnia także  obliczenia i akwizycję wyników pomiarów
w wewnętrznej pamięci z podtrzymaniem zasilania. Wyniki mogą być przetransmitowane do
mikrokomputera, gdzie po konwersji stanowią bazę danych dla programów interpretacyjnych.

Konstrukcja i oprogramowanie aparatury są podporządkowane pozyskiwaniu informacji

o przestrzennym rozkładzie rezystancji gruntu – poprzez wykorzystanie wielu typów układów
pomiarowych. Typy te są ujęte w trzy grupy: pomiary metodą środkowego gradientu
(typ „G”), metodą stałego współczynnika K (typ „K”) i pionowe sondowania elektrooporowe
(typ „S”).

Pomiary typu „G” obejmują kwadraty 10 m x 10 m, przy czym jest możliwa regulacja

głębokości penetracji. Zbiory wyników z poszczególnych kwadratów mogą być łączone
w celu sporządzania map rozkładu rezystancji dla całego obszaru badań.

Pomiary typu „K” dotyczą wszelkich układów pomiarowych asymetrycznych

i symetrycznych, dwu-, trój- i czteroelektrodowych z możliwością dowolnego wyboru
głębokości penetracji. Obszar badań może obejmować kwadraty lub prostokąty o wybranych
rozmiarach. Zbiory wyników mogą służyć do sporządzania map rozkładu rezystancji gruntu.

Pomiary typu „S” służą do uzyskania pionowych przekrojów rozkładu rezystancji gruntu.

Mogą to być rozkłady rezystancji pozornej lub rzeczywistej (po uprzednim indywidualnym
zinterpretowaniu poszczególnych sondowań).

Aparatura może być wykonana w dwóch wersjach nadajnika o zróżnicowanej mocy

wyjściowej.

Aparatura do ciągłych badań rezystancji górotworu CRM-94

Aparatura jest przeznaczona do automatycznych pomiarów i rejestracji rezystancji skał

górotworu.  Może  także  mierzyć  elektryczne  przebiegi  wolnozmienne  oraz  temperaturę.
Wyniki  pomiarów  prowadzonych  przy  pomocy  aparatury  służą  do  badania  dynamicznych
zmian  rezystancji  elektrycznej  górotworu  wywołanych  zjawiskami  zmian  naprężeń
mechanicznych w górotworze.

Rezystancja skał jest mierzona metodą elektrooporową przy użyciu prądu zmiennego

o regulowanej częstotliwości. Pomiary są wykonywane z wysoką rozdzielczością
i dokładnością poprzez wykorzystanie algorytmów autokorekcji czułości torów pomiarowych.
Aparatura posiada dwa tryby pracy: pomiary precyzyjne z wysoką rozdzielczością (PREC)
i pomiary szybkie (FAST).

Pomiary w trybie PREC odbywają się w sposób ciągły na wielu stanowiskach

pomiarowych, cyklicznie przełączanych programowo. Liczba stanowisk pomiarowych i krok
repetycji  pomiarów  są  programowo  regulowane.  Długie  okresy  rejestracji,  szeroki  zakres
regulacji  kroku  pomiarowego  i  wysoka  precyzja  pomiarów  pozwalają  śledzić  zjawiska
długookresowe  o  minimalnych  amplitudach  (rzędu  ułamków  promila).  Możliwość  wyboru
wielu  stanowisk  pomiarowych  pozwala  badaniami  obejmować  znaczne  obszary  i  korelować
wzajemnie obserwowane zjawiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pomiary w trybie FAST są prowadzone jednocześnie w czterech kanałach odbiorczych

z dużą repetycją. Umożliwiają one badania zjawisk dynamicznych krótkookresowych.

Wyniki pomiarów elektrycznych przebiegów wolnozmiennych stanowią informację

uzupełniającą, natomiast wyniki pomiarów temperatury pozwalają rozdzielać typy zjawisk.

Wyniki pomiarów są wyświetlane na bieżąco i magazynowane w kasetach pamięci RAM

(z podtrzymaniem napięcia zasilania). Pełna automatyka procesów pomiarowych zapewnia
autonomiczną pracę aparatury w długich okresach czasu.

Wyniki badań są cyklicznie przegrywane do mikrokomputera zewnętrznego.

Oprogramowanie mikrokomputera zapewnia dekodowanie wyników badań ich obróbkę
numeryczną oraz wizualizację graficzną i numeryczną, a także wydruki raportowe.

Aparatura może być instalowana w wyrobiskach podziemnych i na powierzchni. Może

także służyć do prowadzenia badań laboratoryjnych na próbkach skalnych.

Aparatura składa się z następujących bloków:

blok pomiarowy,

nadajnik,

mikroprocesorowy system sterujący,

blok komutacji stanowisk pomiarowych,

kasety pamięci RAM,

blok zasilania.

Blok komutacji stanowisk pomiarowych jest rozproszony i umieszczany w pobliżu

elektrod. Rozwiązanie takie zapewnia minimalizację ilości żył kabli połączeniowych,
minimalizację sprzężeń wzajemnych i możliwość oddalenia aparatury od rejonu badawczego.

Budowa i działanie georadaru

Radar do penetracji gruntu (GPR) nazywany też georadarem, jest wysokiej klasy

elektroniczną  aparaturą  do  badań  geofizycznych  własności  gruntu.  Urządzenie  to  działa  na
zasadzie  zliczania  opóźnień  impulsów  elektromagnetycznych  o  bardzo  wysokiej
częstotliwości (10–1000 MHz) nadawanych przez antenę nadawczą, które odbite od różnych
ośrodków gruntu (granic litologicznych), odbierane są przez antenę odbiorczą i przekazywane
na jednostkę centralną w celu zliczania czasu opóźnień powrotu fali. Przez granice odbijające
sygnał  radarowy  należy  rozumieć  granice  między  ośrodkami  różniącymi  się  wartością  stałej
dielektrycznej  (E).  Różne  skały  i  materiały  charakteryzują  się  różnymi  wartościami  stałej
dielektrycznej  (średnio  E  =  1–8).  Impulsy  wysyłane  przez  antenę  nadawczą  lub  anteny
nadawcze  (T  –  transmiter),  w  głąb  ośrodka,  wracają  z  opóźnieniem  do  anteny  odbiorczej
(R  –  receiver)  i  przez  światłowody  trafiają  do  sterującej  systemem  jednostki  centralnej  (C),
a następnie  są  przetwarzane  i  przesyłane  do  rejestratora  (K  –  np.  dysk  twardy  przenośnego
komputera). Impulsy te, są w terenie obserwowane przez operatora (na monitorze), w postaci
falogramu  czasowego  (F),  tj.  liniowego  (pionowego)  przekroju  zmienności  parametrów
gruntu.  Wykres  taki  można  następnie  przeliczać  np.  na  jednostki  metryczne,  można
wydrukować w kolorach (tzw. filtracja – odrębny kolor dla różnych prędkości przechodzenia
fal)  lub  przetworzyć  w  postaci  plików  GIF  itp.  Uzyskany  obraz  można  porównywać
z wzorcowymi obrazami różnych obiektów ukrytych w  gruncie lub z wzorcowymi obrazami
struktur  geologicznych,  albo  z  dokumentacją  kartograficzną  odsłonić,  a  także  z  danymi
uzyskanymi z wierceń geologicznych, geotechnicznych itp.

Aparatura radarowa (np.: RAMAC/GPR), jako aparatura przenośna zasilana bateriami

12 V,  stosowana  jest  do  terenowych  badań  z  powierzchni  terenu  (bywa  także
wykorzystywana  do  badań  pod  ziemią).  Ostatnio  wprowadzane  są  także  anteny  do  badań
w otworach  wiertniczych.  W  stosunku  do  innych  metod  geofizycznych,  metoda  radarowa
pozwala na liniowe śledzenie budowy geologicznej w terenie, to znaczy na śledzenie litologii
i  płytkich  struktur  geologicznych.  Stosowanie  wymienne  anten  o  mocy:  10  MHz,  50  MHz,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

100  MHz,  200  MHz,  400  MHz  itd.  zależy  od  postawionego  zadania  oraz  od  założonej
głębokości  monitoringu  gruntu  (górotworu).  Im  niższa  częstotliwość  anten  tym  większy
zasięg głębokościowy profilowania, a mniejsza dokładność informacji o warstwach płytszych.
W badaniach  płytkich  struktur  (geologiczno-inzynierskich,  archeologicznych,  kryminalnych)
używa się anten osłoniętych.

Georadar, w najprostszym przypadku, wyposażony jest w dwie anteny: nadawczą

i odbiorczą.  Antena  nadawcza  wysyła  impuls  elektromagnetyczny  o  wysokiej  częstotliwości.
Fala przechodząc przez badany ośrodek ulega tłumieniu, wielokrotnemu rozproszeniu i odbiciu
na  granicach  różnych  materiałów.  Antena  odbiorcza  rejestruje  falę  odbitą  (rys.  20).  W  celu
uzyskania przekrojowego obrazu badanego ośrodka, tak wykonywany  pomiar jest powtarzany
wielokrotnie.  W  czasie  jego  trwania  anteny  georadaru  przemieszczane  są  w jednym  kierunku.
W  efekcie  tak  przeprowadzonej  serii  pomiarów  otrzymujemy  charakterystyczny  obraz  jak  na
rysunku 21, zwany profilem georadarowym lub też echogramem.

Rys. 20. Zasada wykonania pojedynczego pomiaru metodą GPR [17]

Wielkość rejestrowanej anomalii i jej położenie uzależnione są między innymi od

wielkości i lokalizacji obiektu wewnątrz badanego ośrodka.

Uzyskiwany na rejestrowanym obrazie kontrast uzależniony jest natomiast od względnej

różnicy pomiędzy stałymi dielektrycznymi graniczących ze sobą materiałów.

Rys. 21. Sposób tworzenia mapy przekrojowej [17]

Częstotliwość fali w obecnie stosowanych georadarach wynosi od 10 MHz do ponad

2 GHz  i  uzależniony  jest  od  budowy  anten  pomiarowych.  Tak  szeroki  zakres  stosowanych
częstotliwości  wynika  z  potrzeby  dopasowania  parametrów  do  oczekiwanych  wyników
pomiarowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Od częstotliwości pracy anten zależy przede wszystkim wielkość wykrywanych

obiektów im wyższa częstotliwość tym mniejsze obiekty można wykrywać. Nie jest to jednak
prosta  zależność.  Minimalna  wielkość  obiektu  zależy  od  wielu  czynników:  rodzaju  gruntu,
materiału,  z  jakiego  wykonany  jest  poszukiwany  obiekt  ilości  i  ułożenia  anten,  itd.
Jakkolwiek,  dla  rur,  można  podać  promień  krytyczny,  poniżej  którego  znacznie  obniża  się
jakość ich wykrywania. Wartość tego promienia opisuje zależność:

r = 0,1 ·

gdzie:
r – promień krytyczny,

(lambda) – długość fali, równa prędkości rozchodzenia się fali w badanym ośrodku

podzielonej przez częstotliwość.

W tabeli 2 podano minimalne rozmiary dla wybranych częstotliwości pracy georadaru

dla rur umieszczonych w ziemi (szybkość rozchodzenia się fali l = 100 cm/ns).

Tabela 2. Minimalne wielkości wykrywanych obiektów w zależności od częstotliwości pracy anten

pomiarowych [12].

Częstotliwość pracy anten

Minimalna średnica

200 MHz

5 cm

400 MHz

2,5 cm

600 MHz

1,25 cm

Wraz ze wzrostem częstotliwości fali elektromagnetycznej, rośnie również jej tłumienie.

Powoduje to zmniejszenie zasięgu głębokościowego.

Podobnie jak przy ocenie minimalnej wielkości wykrywanych obiektów, również

głębokość  penetracji  fal  elektromagnetycznych  uzależniona  jest  od  właściwości  badanego
ośrodka  (stała  dielektryczna,  przewodność,  wilgotność,  porowatość)  oraz  od  częstotliwości
pracy  anten.  Zatem  nie  jest  możliwe  podanie  głębokości  w  postaci  pojedynczej  wielkości,
która byłaby poprawna we wszystkich sytuacjach.

W praktyce uzyskiwane wielkości mogą się znacznie różnić, np. dla anteny 100 MHz

uzyskiwany zasięg w skałach wapiennych może przekraczać 12 m, podczas gdy przy
pomiarach w gruncie wynosi do 5–6 m.

W praktyce obraz tworzony podczas badań georadarem jest znacznie bardziej

skomplikowany  niż  pokazany  na  rysunku  21,  szczególnie  gdy  złożoność  budowy  badanego
ośrodka  oraz  zagęszczenie  obiektów  jest  znaczna.  Jakość  jego  interpretacji,  zależy  wtedy
w bardzo  dużym  stopniu  od  doświadczenia  osoby  interpretującej.  Aby  poprawić  jakość
lokalizacji  obiektów  podziemnych  pomiary  wykonywane  są  przy  pomocy  systemów
wielokanałowych. Do pojedynczej jednostki rejestrującej podłączane są 2, 3 lub 4 pary anten.
Pomiar wykonywany jest równocześnie wszystkimi antenami (rys. 22). Ponieważ anteny są ze
sobą połączone nie występuje problem korelacji przestrzennej otrzymanych z poszczególnych
anten  danych.  Poprawia  to  znacznie  jakość  lokalizacji  obiektów  podziemnych  i  znacząco
zmniejsza  poziom  błędów  interpretacji.  Przeprowadzone  badania  (Pinelli  1999)  jakości
detekcji

wskazują

jednoznacznie

przewagę

systemu

wielokanałowego.

Jeżeli

prawdopodobieństwo wykrycia obiektu dla systemu z pojedynczą parą anten oscyluje
w okolicy 60%, to dla systemu czterokanałowego można uzyskać już 95%.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 22. Zalety stosowania zespołu złożonego z wielu połączonych anten [14]

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie środki techniczne stosujemy w badaniach geoelektrycznych?

Z czego zbudowana jest elektroda niepolaryzująca?

Do czego służy komutator elektrod?

Z jakich elementów składa się typowa aparatura do badań geoelektrycznych?

Z jakich elementów składa się aparatura do ciągłych badań rezystancji górotworu?

Jak zbudowany jest georadar?

Jaką funkcję spełnia antena georadaru?

Jaki jest związek pomiędzy częstotliwością anten a głębokością penetracji?

Jak obliczmy promień krytyczny dla wykrywanych obiektów?

10.

Jakie zalety posiadają systemy wielokanałowe stosowane podczas badań georadarem?

4.2.3. Ćwiczenia

wiczenie 1

Objaśnij budowę i zastosowanie elektrody niepolaryzującej.

Rysunek do ćwiczenia 1 [10]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wskazać na modelu elektrody elementy, z których jest zbudowana,

określić, do jakich pomiarów geoelektrycznych stosujemy elektrody niepolaryzujące,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

dokumentacja techniczna elektrody niepolaryzującej,

−−−−

model elektrody niepolaryzującej,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 2

Rozpoznaj elementy georadaru.

Rysunek do ćwiczenia 2 [17]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

rozpoznać na schemacie elementy georadaru,

zapisać nazwy lub funkcje wykonywane przez oznaczone literami elementy zestawu,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

schemat budowy georadaru,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 3

Wymień bloki aparatury CRM-94 stosowanej do ciągłych badań rezystancji górotworu.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować dokumentację aparatury stosowanej do ciągłych badań rezystancji
górotworu,

wskazać funkcje poszczególnych elementów aparatury,

podań nazwy bloków z określeniem ich funkcji,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna aparatury CRM-94,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 4

Dobierz częstotliwość pracy anten georadaru do poszukiwań na rozpoznanym stanowisku

archeologicznym.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować dokumentację rozpoznania archeologicznego terenu,

określić rozmiary poszukiwanych elementów,

dobrać częstotliwość pracy anten do wielkości poszukiwanych obiektów,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

dokumentacja rozpoznania archeologicznego terenu,

−−−−

dokumentacja techniczna georadaru,

−−−−

tabele doboru anten,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wymienić środki techniczne stosowane w badaniach geoelektrycznych?

objaśnić jak zbudowana jest elektroda niepolaryzująca?

wymienić elementy których składa się typowa aparatura do badań
geoelektrycznych?

określić przeznaczenie komutatora elektrod?

wskazać elementy typowej aparatury do wykonywania pomiarów
geoelektrycznych?

objaśnić działanie georadaru?

dobrać częstotliwość pracy anten do wielkości poszukiwanego
elementu?

scharakteryzować zalety pomiarów wielokanałowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Obsługiwanie aparatury do badań sejsmicznych

4.3.1. Materiał nauczania

ródła sejsmiczne

ródłem sejsmicznym (sztucznym) nazywamy ograniczony obszar, wewnątrz którego

urządzenie  wzbudzające  powoduje  nagłe  wyzwolenie  energii  prowadzące  do  gwałtownego
wzrostu  naprężeń  w  ośrodku  otaczającym.  Większość  urządzeń  wzbudzających  generuje
w głównej  mierze  fale  kompresyjno-dylatacyjne.  Źródło  sejsmiczne  charakteryzowane  jest
przez  poziom  wyzwalanej  energii  i  widmo  częstotliwościowe  sygnału.  Zwykle  generowane
jest  szerokie  pasmo  częstotliwości  w  zakresie  1  Hz  do  kilkuset  Hz,  chociaż  często  większa
część  energii  emitowana  jest  w  wąskim  przedziale  częstotliwości.  Dobór  źródła  zależy  od
założonego celu pomiarów i wymaganej głębokości rozpoznania.

Eksplozyjne źródła sejsmiczne

Eksplozyjne źródła sejsmiczne są detonowane w płytkich otworach strzałowych w celu

lepszego sprzężenia źródła energii z gruntem i zminimalizowania dewastacji terenu. Źródła
eksplozyjne są stosunkowo tanie i wysoce efektywne, lecz ich użycie wymaga specjalnych
zezwoleń i zabezpieczenia logistycznego (transport, przechowywanie, ochrona).

Sprzęt używany do wiercenia otworów strzałowych jest lżejszy od sprzętu używanego

w wierceniach geologicznych czy hydrogeologicznych, z tego względu nie zawsze pozwala
na wiercenie w skałach twardych. W tym przypadku stosuje się strzelania naziemne lub
nadziemne (powietrzne).

Typowe materiały wybuchowe stosowane w sejsmice

Dynamit – jest najwcześniej stosowanym materiałem wybuchowym. Istnieje kilka

odmian dynamitu wytwarzanego na bazie nitrogliceryny i absorbentów z dodatkami
zmniejszającymi wrażliwość na wstrząsy i ułatwiającymi bezpieczne używanie. Typowymi
dodatkami dynamitów żelatynowych są azotany potasu, sodu lub amonu.

Wadą dynamitu jest jego wrażliwość na wstrząsy lub wysoką temperaturę. W niskich

temperaturach jest on skrajnie czuły na wstrząsy, w wysokich temperaturach wydziela
nitroglicerynę i staje się niebezpieczny w przechowywaniu i przenoszeniu.

Znacznie bezpieczniejszymi materiałami wybuchowymi są mieszanki azotanów

(np. azotanu  amonowego)  z  olejem  napędowym.  Każdy  z  tych  składników  z  osobna  nie  jest
wybuchowy, dlatego można je bezpiecznie przenosić i przechowywać. Połączenie ich ze sobą
w  odpowiedniej  proporcji  daje  materiał  wybuchowy  o  mocy  porównywalnej  z  dynamitem.
Dodatkową  zaletą  takich  materiałów  wybuchowych  jest  ich  niski  koszt,  co  jest  istotne,  gdy
potrzebna jest duża ilość materiału wybuchowego.

Formowanie ładunków wybuchowych

Materiały wybuchowe, które przeważnie ładowane są do otworów o małej średnicy,

formowane są w pręty różnych rozmiarów. Ponieważ otwory wiertnicze wypełnia się wodą dla
zwiększenia ciśnienia w czasie wybuchu, ładunki muszą być umieszczone w wodoodpornej
osłonie, najczęściej w kartonowych lub plastikowych cylindrycznych tubach. Tuby mogą być
łączone ze sobą, pozwalając na tworzenie ładunków zwielokrotnionych. Dodatkową rolą osłon
jest usztywnienie ładunku ułatwiające umieszczanie ich w otworze strzałowym.

Materiały wybuchowe odpalane na powierzchni nie muszą być formowane w pręty.

Przeciwnie, konieczność powiększenia masy materiału wybuchowego sprawia, że umieszcza
się je w różnego rodzaju workach.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 23. Ładunki wybuchowe – sejsmogel [19]

Rys. 24. Zapalniki [19]

Umieszczanie ładunków wybuchowych w otworze strzałowym

Zapalniki i detonatory
Dla potrzeb sejsmiki ładunki muszą być odpalane w czasie określonym z dokładnością do

1 milisekundy. Uzyskuje się to przy użyciu zapalników elektrycznych (rys. 24).

Zapalniki sejsmiczne mają zerowe opóźnienie co oznacza, że czas upływający od

momentu włączenia prądu do eksplozji jest mniejszy od 1 ms.

Rys. 25. Wiercenieotworów strzałowych [19]

Napięcie i moc urządzenia strzałowego muszą zapewnić przepływ przez obwód zapalnika

prądu o natężeniu kilku amperów.

Zapalniki elektryczne nie mogą być składowane w sąsiedztwie pracujących nadajników

radiowych, telefonów komórkowych itp. Uzwojenie zapalnika stanowi rodzaj anteny i fale
radiowe generują w nich napięcie elektryczne. Jest ono także kolektorem elektryczności
statycznej. Oba te czynniki mogą być przyczyną niekontrolowanego uruchomienia zapalnika.

W przypadku słabszych materiałów wybuchowych działanie zapalnika musi być

wzmocnione przez detonator –mały ładunek silnego materiału wybuchowego, który wytwarza
znacznie więcej energii niż zapalnik i ułatwia detonację głównego ładunku.

Przy szeregowym odpalaniu ładunków rozmieszczonych w jednej linii łączy się je lontem

strzelniczym np. prochowym. Pali się on z określoną szybkością powodując wybuch
kolejnych ładunków z określonym odstępem czasowym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Charakterystyka eksplozji

Materiał wybuchowy odpalany jest na dnie otworu strzałowego i znaczna część energii

wybuchu  może  uciec  „w  powietrze”.  Wypełnienie  otworu  strzałowego  wodą  zwiększa
sprzężenie  energetyczne  pomiędzy  ładunkiem  a  skałami  otaczającymi.  Dodatkowo  stratom
energii  przeciwdziała  zaczopowanie  otworu  strzałowego  np.  przez  zasypanie  ładunku
piaskiem.

Rys. 26. Efekt kierunkowy odpalenia ładunku wydłużonego [19]

Nieeksplozyjne źródła sejsmiczne

Rys. 27. Ciężarówka z zamocowanym na wysięgniku obciążnikiem[19]

Urządzeniem mechanicznym używanym do generowania fal sejsmicznych jest pojazd

z zamontowanym  wysięgnikiem,  z  którego  3-tonowy,  stalowy  obciążnik  o  kształcie  walca
może  być  zrzucany  na  ziemię  z  wysokości  nie  przekraczającej  3  m.  Zwolnienia  obciążnika
następuje  na  sygnał  radiowy  z  kabiny  operatora  maszyny.  Moment  uderzenia  w  grunt
i wzbudzenia  fali  sejsmicznej  rejestrowany  jest  przez  akcelerometr  zamocowany  na
wierzchniej stronie obciążnika (rys. 27).

Najpopularniejszą obecnie metodą wzbudzania fal jest Vibrosejs. Wykorzystuje się

w niej zamontowane na samochodzie ciężarowym urządzenia wibratorowe generujące
(rys. 28), drgania o niskiej amplitudzie i zmieniającej się w sposób ciągły częstotliwości.

Rys. 28. Wibrator M-10/601 firmy MertzNomad: a) podczas transportu, b) podczas pracy [19]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ródła wibratorowe są szybkie i łatwe w zastosowaniu, generując znane i powtarzalne

sygnały, potrzebują jednak do działania utwardzonego podłoża i źle działają na miękkim
gruncie.

Działo sejsmiczne Betsy działa na zasadzie opuszczanego ciężaru, lecz energia uderzenia

uzyskiwane  jest  nie  przez  opuszczanie  dużego  ciężaru  z  małą  prędkością,  lecz  przez
wystrzeliwanie  małego  ciężaru  z  dużą  prędkością.  Urządzenie  składa  się  z  karabinu
zamocowanego  pionowo  na  ramie  podtrzymującej  również  stalową  płytę  i  komorę  bazową
otoczoną  oponą  lotniczą.  Cały  zestaw  ma  masę  90  kg  i  może  być  wykonany  w  wersji
przenoszonej na nosidłach lub w wersji przewożonej na czymś w rodzaju taczki (rys. 29).

Rys. 29. Betsy – Elektryczne działo sejsmiczne: a) działo podczas pracy, b) działa podczas transportu [19]

Karabin wystrzeliwuje w kierunku płyty pociski o masie 85 g z prędkością początkową

533  m/s.  Energia  uderzenia  w  płytę  wynosi  12,2  kJ  co  odpowiada  energii  ciężaru  o  masie
3 ton  spadającego  z  wysokości  3  m.  Komora  bazowa  pochłania  gazy  wylotowe  z  lufy
i redukuje odrzut karabinu, jednak fala rozchodząca się w powietrzu wyraźnie zaznacza się na
sejsmogramie.  Zaletą  Betsy  jest  łatwość  jego  przemieszczania.  W  wersji  kołowej  może  być
obsługiwana  przez  jednego  człowieka,  w  wersji  przenośnej  przez  dwóch  do  czterech  ludzi.
Elektroniczne  odpalanie  karabinu  pozwala  dokładnie  zarejestrować  moment  wzbudzenia.
Działo  sejsmiczne  jest  bezpiecznym  dla  środowiska  i  względnie  tanim  źródłem  wzbudzania
fal sejsmicznych (rys. 29).

Działa powietrzne są podstawowymi źródłami wzbudzania fal sejsmicznych w geofizyce

morskiej,  są  jednak  także  konstruowane  w  wersji  lądowej  (rys.  30).  Działo  używane
w geofizyce  lądowej  zamontowane  jest  wewnątrz  masywnego  stalowego  dzwonu
spoczywającego na stalowej płycie. Spód dzwonu zamknięty jest elastyczną przeponą, a jego
wnętrze  wypełnione  wodą.  W  chwili  odpalenia  działa  płyta  uderza  w  grunt,  a  dzwon
odskakuje w górę. Odrzut kontrolowany jest przez masę bezwładną.

Rys. 30. Działo powietrzne a) budowa zestawu z działem powietrznym, b) widok ogólny [19]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku 31 przedstawiono budowę działa powietrznego. Zasada jego działania jest

następująca. Do komory A dostarczane jest sprężone powietrze o ciśnieniu 14 MPa i przez
kanał w zaworze B wpompowywane jest do komory C.

Gdy otwarty zostanie zawór sterujący S wypadkowe parcie zacznie działać na zawór

B unosząc go do góry i otwierając wyloty powietrza P. Sprężone powietrze gwałtownie
opuści komorę C wywołując falę ciśnieniową w wodzie otaczającej działo.

Rys. 31. Budowa działa – opisy w tekście [19]

Urządzenie przewożone jest na samochodzie.

Rys. 32. Działo powietrzne w wersji lądowej [19]

Systemy akwizycji danych

Podstawowym zadaniem w pomiarach sejsmicznych jest zarejestrowanie sejsmogramów,

które  są  analogowymi  funkcjami  lub  cyfrowymi  szeregami  czasowymi  amplitudy  drgań
gruntu  w  chwili  przejścia  impulsu  sejsmicznego.  Zarejestrowanie  sejsmogramu  wymaga
przetworzenia  drgań  gruntu  na  zmienny  sygnał  elektryczny,  wzmocnienia,  przefiltrowania
i zapisania  go  w  pamięci  urządzenia  (pamięć  komputera,  rejestrator  magnetyczny,  pisak
z taśmą  papierową).  Ponieważ  w  czasie  pomiaru  odbierane  są  sygnały  od  dużej  ilości
detektorów drgań system rejestracji zwykle jest wielokanałowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Najbardziej rozpowszechnione są geofony z ruchomą cewką. W geofonie takim

cylindryczna  cewka  (C)  zawieszona  jest  na  sprężynie  w  polu  magnesu  stałego  (M),
przytwierdzonego  trwale  do  obudowy  czujnika.  Jeden  z  biegunów  magnesu  znajduje  się
wewnątrz  cewki,  drugi  biegun  otacza  ją  z  zewnątrz.  Zawieszona  cewka  stanowi  oscylator,
którego  częstotliwość  rezonansowa  określona  jest  przez  masę  cewki  i  współczynnik
sprężystości sprężyny.

Geofony to przetworniki elektromechaniczne drgań.

Rys. 33. Zasada działania geofonu [19]

Rys. 34. Schemat geofonu [19]

Rys. 35. Geofon ustawiony na gruncie [19]

Geofon może być zamocowany w miękkim gruncie przy pomocy szpilkowego supportu,

lub ustawiany bezpośrednio na twardym podłożu.

W czasie przejścia fali sejsmicznej zawieszona na sprężynie cewka porusza się względem

magnesu zamocowanego do obudowy, co powoduje generowanie różnicy potencjału na końcach
uzwojenia cewki. Ruch oscylacyjny cewki jest tłumiony, gdyż płynący przez nią prąd wytwarza
pole magnetyczne oddziałujące z polem magnesu, tak by przeciwstawić się ruchowi cewki.
Dodatkowym źródłem tłumienia jest oddziaływanie pola cewki z metalową obudową czujnika.

Aby zwiększyć tłumienie, w obwód cewki włącza się także opornik kontrolujący

natężenie  prądu  w  cewce.  Dobór  odpowiedniego  tłumienia  pozwala  na  wierne
odzwierciedlenie  drgań  gruntu  przez  generowany  sygnał.  Zbyt  małe  tłumienie  może
doprowadzić  do  wzbudzenia  w  cewce  drgań  rezonansowych,  zbyt  duże  tłumienie  znacząco
wpływa na zmniejszenie czułości urządzenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Typowe tłumienie stanowi 0,7 wartości krytycznej, przy której czujnik nie

zarejestrowałby pobudzenia impulsowego. Charakterystyka amplitudowa geofonu jest płaska
powyżej częstotliwości rezonansowej. Jego widmo fazowe przy częstotliwości rezonansowej
ograniczone jest do przesunięć fazowych bliskich dziewięćdziesiąt stopni i dąży do wartości
bliskich  zero  dla  dużych  częstotliwości.  Dobry  geofon  powinien  mieć  częstotliwość
rezonansową  dużo  poniżej  pasma  częstotliwości  rejestrowanego  sygnału  sejsmicznego.
Częstotliwość rezonansowa większości dostępnych na rynku geofonów zawiera się pomiędzy
4–15  Hz.  Powyżej  częstotliwości  rezonansowej  amplituda  sygnału  jest  proporcjonalna  do
szybkości ruchu cewki.

Rys. 36. Charakterystyka amplitudowa i fazowa geofonu [19]

Czułość geofonu, mierzona w woltach na jednostkę prędkości zależy od ilości zwojów

cewki i natężenia pola magnetycznego, stąd duże czułości osiąga się zwiększając rozmiary
geofonu. Geofony z ruchomą cewką są czułe tylko na składowe drgań wzdłuż osi cewki, więc
geofony z pionową cewką najlepiej rejestrują fale P odbite od granic podpowierzchniowych.
Dla rejestracji fal poprzecznych spolaryzowanych poziomo (SH) niezbędne są geofony
z poziomo zamocowaną cewką.

Rys. 37. Nowoczesny model geofonu: a) widok z boku, b) widok z góry [19]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 38. Wyprowadzenia kabla z obudowy geofonu

[

19]

Rys. 39. Układ 9-ciu geofonów połączonych szeregowo – równolegle [19]

Rys. 40. Wyprowadzenia na kablu sejsmicznym [19]

Rys. 41. Przyłącze do aparatury pomiarowej [19]

Geofony mogą pracować indywidualnie lub w zestawach, połączone szeregowo lub

równolegle (rys. 39).

Kabel sejsmiczny jest wielożyłowym kablem zawierającym po jednej parze przewodów

na  każdy  kanał  transmisyjny.  Na  kablu  znajdują  się  rozmieszczone  w równych  odstępach
parzyste  wyprowadzenia,  służące  podłączeniu  geofonów.  Wyprowadzenia  dla  pojedynczego
geofonu  różnią  się  szerokością,  odpowiednio  do  szerokości  zacisków  geofonowych.
Zapewnia to podłączenie geofonu do właściwej pary przewodów w kablu zawsze w ten sam
sposób (rys. 38).

Wzmacniacze sejsmiczne powinny wzmacniać sygnały w przedziale częstotliwości od

kilku  do  kilkuset  Hz  o  bardzo  szerokim  zakresie  amplitud  rzędu  120  dB
(AMAX/Amin  =  1000000).  Większość  wzmacniaczy  sejsmicznych  zawiera  filtry  dolno-
i górnoprzepustowe  oraz  filtry  wycinające  dla  częstotliwości  zbliżonych  do  częstotliwości
sieci  energetycznych.  Sposób  działania  wzmacniacza  zależy  od  stosowanego  urządzenia
zapisującego  i  musi  być  dostosowany  do  jego  zakresu  dynamicznego,  który  zwykle  jest
niższy niż zakres dynamiczny wzmacniacza. Wzmocnienie najsilniejszych sygnałów powinno
być  mniejsze  niż  słabych.  Stosuje  się  np.  automatyczną  kontrolę  wzmocnienia  –
charakterystyka wzmacniacza jest liniowa tylko do pewnej amplitudy sygnału, a powyżej niej
ulega  spłaszczeniu.  Innym  rozwiązaniem  jest  system  wzmocnienia  zmiennego  w  czasie,
w którym  wzmocnienie  jest  początkowo  niskie  i  rośnie  z  czasem.  Wówczas  sygnały
docierające z geofonów położonych najdalej od źródła są wzmacniane najsilniej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 42. Charakterystyka wzmacniacza sejsmicznego: F – maksymalny poziom sygnału wyjściowego,

L – minimalny odróżniany od zera poziom sygnału wyjściowego, S – maksymalny sygnał wejściowy
AGC – poziom automatycznej regulacji wzmocnienia Wzmocnienie, którego miarą jest nachylenie
prostej łączącej początek układu z pkt M na charakterystyce, zmienia się od dużego (G) dla słabych
sygnałów wejściowych do małego (g) dla dużych sygnałów wejściowych [19]

Rejestratory sejsmiczne

W cyfrowych systemach zapisu sygnałów sejsmicznych stosuje się przetworniki A/C wraz

z urządzeniem przełączającym – multiplekserem. Multiplekser łączy przetwornik kolejno
z wszystkimi kanałami sejsmicznymi. W danej chwili wielkość sygnału w kanale sejsmicznym
jest próbkowana i przetwarzana na postać cyfrową. Szybkość przełączania zależy od ilości
kanałów sejsmicznych i stosowanego czasu próbkowania. Przykładowo, gdy w 50-kanałowym
rejestratorze ustalimy czas próbkowania na 2,5 ms czas przeznaczony na przyłączanie kanału do
przetwornika dla odczytania poziomu sygnału wynosi 2,5/50 = 0,05 ms.

Rys. 43. Multipleksacja [19]

Rys. 44. Głowica zapisująca [19]

Multipleksacja powoduje zapisywanie danych w postaci szeregowej tzn. kolejno

zapisywane są próbki z poszczególnych kanałów, po czym cykl się powtarza (rys. 43). Dla
wyświetlenia sygnałów na ekranie monitora trzeba wówczas zastosować demultipleksację
i przetwornik C/A.

W rejestratorach cyfrowych zapisu dokonuje się na taśmie magnetycznej. Powszechnie

akceptowanym standardem jest 9-ścieżkowy zapis na taśmie o szerokości półcala z gęstością

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zapisu  1600  bitów/cal,  lecz  wzrasta  zastosowanie  gęstości  zapisu  6250  bitów/cal.  Jedynym
ograniczeniem zakresu dynamicznego rejestratora cyfrowego jest długość stosowanego słowa
maszynowego.  Natomiast  ograniczeniem  technicznym  jest  szybkość  przewijania  taśmy,
większa dla zapisu słów maszynowych o większej liczbie bitów. Przeważnie stosuje się zapis
o  długości  16  do  20  bitów.  Jeden  bit  zapisu  musi  być  przeznaczony  na  zapisanie  zwrotu
amplitudy  sygnału.  Zakres  dynamiczny  rejestratora  cyfrowego  można  zwiększyć  przez
stosowanie  zapisu  zmiennoprzecinkowego  (cecha  +  dwubitowa  mantysa).  W  rejestratorach
zapisuje się także chwilowy poziom wzmocnienia w czasie próbkowania sygnału, aby można
było odtworzyć rzeczywiste wartości amplitudy sygnału.

Rys. 45. Układ głowic w rejestratorze [19]

Rys. 46. Przenośny rejestrator magnetyczny [19]

Przykłady różnych systemów akwizycji danych

Czujnik drgań parasejsmicznych CSPBG-3D stanowi głowicę zawierającą 3 pionowe

geofony 10 Hz i układy elektroniczne. Geofony rozstawione są co 120

pochylone względem

płaszczyzny podstawy pod kątem 54,73

co zapewnia wzajemną prostopadłość ich osi

(rys. 47).  Drgania  podstawy  głowicy  powodują  powstanie  sił  elektromotorycznych
w cewkach geofonów. Układ elektroniczny przetwarza otrzymane z geofonów sygnały przez
wprowadzenie  symulacji  ujemnych  oporności  i  filtracji  w  torze  każdego  geofonu  do
wprowadzenia ich do wspólnego układu wagowego transformacji współrzędnych. Na wyjściu
otrzymujemy  trzy  niezależne  od  siebie  sygnały  Z,  N,  E  (w  układzie  prostokątnym),  których
wielkość  zależy  od  kierunku  drgań  podstawy  głowicy.  Warunkiem  poprawnego  działania
czujnika  jest  dokładne  wypoziomowanie  jej  obudowy  (rys.  48).  Głowica  CSPBG-3D
przeznaczona  jest  do  pomiarów  drgań  jej  podłoża  (w  miejscu  zainstalowania)  wywołanych
bliskimi wstrząsami sejsmicznymi, eksplozjami, pracami budowlanymi (kafary, wibrowalce),
ruchem  drogowym  (ciężkie  pojazdy,  pociągi,  metro),  jak  również  maszynami  pracującymi
w pobliskich  fabrykach.  Przez  pomiar  trzech  składowych  sygnału  drgań  możliwe  jest
określenie wielkości tych drgań jak również kierunku, z którego pochodzą.

Do celów dokumentacyjnych głowica powinna współpracować z wielokanałowym

szybkim  rejestratorem  np.  typu  WiRek-HDD  (rys.  49)  lub  Flash  Data  Logger.  Odpowiednie
programy  komputerowe  umożliwiają  odczyt  historii  drgań  i  przetwarzanie  danych.  Bieżącą
ocenę wielkości drgań można dokonać przy pomocy oscyloskopu elektronicznego.

Rys. 47. Czujnik

drgań

parasejsmicznych
CSPBG-3D [20]

Rys. 48. Czujnik na stanowisku

roboczym [20]

Rys. 49. Wirek-HDD

podczas

pomiarów [20]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Aparatura współpracująca

Podgląd sygnałów: oscyloskop elektroniczny.

Rejestracja sygnałów:
A
Rejestrator  cyfrowy  typu  WiRek-HDD  6  kanałowy,  zapis  na  twardym,  wymiennym  dysku
interfejs RS-232, zasilanie12V software do zobrazowania i obróbki rejestrowanych sygnałów
B
Rejestartor  cyfrowy  typu  Flash  Data  Logger  6  kanałowy,  zapis  na  FLASH  MEMORY
interfejs RS-232, zasilanie 12V software do zobrazowania i obróbki rejestrowanych sygnałów
W  obu  typach  rejestratorów  możliwe  jest  sprzęgnięcie  ich  z  odbiornikiem  czasu  GPS  dla
przypisania czasu rejestrowanym zjawiskom.

Tabela. 2 Dane techniczne [20]

Głowica CSPBG-3D

pomiar 3 składowych drgań Z, N-S, E-W

wzajemnie prostopadłych

Czujnik drgań

elektromagnetyczny geofon pionowy 10Hz (prod.

PBG)

Czułość

0,1 mm/Vs

Oporność wyjściowa kanału

20W

Pasmo

0,5–100Hz

Czas nagrzewania wstępnego

minimum 2min

Powiększenie

0,6 Vs

Zakres temperatury pracy

0–35

Zakres

+/- 3 m/s

Poziomowanie

wg. poziomnicy oczkowej na obudowie

rednie napięcie wyjściowe kanału

+2,5V

Orientacja

zgodnie z symbolem na obudowie

Zasilanie

+12V/50mA

Wymiary

f140mm x 120mm

Max. syganał wyjściowy kanału

3V p-p

Ciężar

ca. 2kg

Wyjście

gniazdo DB-9/M

Filtry

Opcja FIR USREDNIANIE włącza filtr będący średnią arytmetyczną liczoną z wartości

sygnału,  próbkowanego  z  częstotliwością  4000  próbek  na  sekundę,  zmierzonych  miedzy
dwoma  kolejnymi  taktami  ustawionego  próbkowania.  Dla  przykładu  dla  ustawionego
próbkowania  1  sekunda  średnia  liczona  jest  z  4000.pomiarów,  a  dla  próbkowania  500  Hz
ś

rednia jest liczona z 8 pomiarów. Rysunek 50 przedstawia odpowiedzi na impuls skoku

jednostkowego dla częstotliwości próbkowania 100 Hz.

Filtr FIR USREDNIANIE nie wycina wystarczająco silnie z sygnału częstotliwości

większych  niż  połowa  częstotliwości  próbkowania.  Jeżeli  sygnał  wejściowy  zawiera  takie
częstotliwości  i  wybrana  jest  opcja  FIR USREDNIANIE  lub  FIR  WYLACZONY  to  nastąpi
zjawisko przeplotu.

Opcja FIR MINIMALNY i FIR LINIOWY włącza cyfrowe filtry antyprzeplotowe typu

FIR  (filtr  o  skończonej  odpowiedzi  impulsowej).  Sygnał  filtrowany  tymi  filtrami  ma
amplitudową  charakterystykę  częstotliwościową  płaską,  aż  do  0,4  częstotliwości
próbkowania, natomiast dla częstotliwości większych niż połowa częstotliwości próbkowania
tłumienie filtru jest większe niż 90dB.

Filtr FIR o liniowej charakterystyce fazowej powoduje najmniejsze zniekształcenie

sygnału, natomiast wnosi największe opóźnienie, jednakowe dla wszystkich częstotliwości
rejestrowanego sygnału. Wartość tego opóźnienia można wyliczyć ze wzoru:
t

=0.25 · (2,5+63) · T

gdzie Tp określa wybrany okres próbkowania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Powstał on jako wynik rozwoju poprzednich wersji rejestratorów WiRek. Niektóre jego

parametry są powieleniem poprzednich jego wersji: Główne z nich to:

−

zastosowanie procesora sygnałowego DSP56002

−

cyfrowa filtracja sygnału filtrami typu FIR i IIR

−

współpraca z zewnętrznym wzorcem czasu (GPS lub DCF)

−

klawiatura , wyświetlacz itp.

Pozostałe różnice są jednak tak istotne, że rejestrator ten należy traktować jako nowe

rozwiązanie. Główne zmiany dotyczą:

−

zapisu danych na pamięciach fleszowych typu CompactFlash lub SmartMedia,

−

przetwornik sigma-delta o rozdzielczości 24 bit,

−

inny format danych zapisywanych na kartach pamięci,

−

inny format danych na wyjściu interfejsu RS232, co powoduje konieczność stosowania
oddzielnego oprogramowania.

Zastosowanie pamięci fleszowych zamiast dysku mechanicznego miało na celu:

−

zmniejszenie zużycia energii i mocy potrzebnej do zasilania rejestratora,

−

zwiększenie niezawodności poprzez zastąpienie dysku mechanicznego, wrażliwego na
wstrząsy, pamięcią elektroniczną, co jest szczególnie istotne w różnego rodzaju
pomiarach terenowych.

Tabela 3. Dane techniczne rejestratora FDL [20]

−

przetwornik A/C

sigma-delta 24bit

−

liczba kanałów

−

zegar ustawiany

ręcznie, z DCF lub GPS

−

filtracja rejestrowanych
sygnałów

analogowa

200 Hz,18 dB/oct – filtr antyaliasyjny

cyfrowa

−

filtr typu FIR – dolnoprzepustowy*

−

filtr typu IIR – górnoprzepustowy**

−

zakres napięć wejściowych

-10Vdo +10V

−

maksymalna

częstotliwość

rejestrowanego

przebiegu

0.35*f

−

oporność wejściowa

Rwej > 20kW

−

okres próbkowania sygnału

1,25 ms,  2,5 ms,  5 ms,  10 ms,  20 ms,  50 ms,  00 ms,
200 ms,  500 ms,  1  sek.,  2  sek.,  5sek.,  10 sek.,  20  sek.,
0.5 min, 1 min,

−

rejestracja danych cyfrowych

na własnej karcie pamięci typu Compact Flash,

−

możliwość obróbki sygnału

filtrami cyfrowymi FIR i IIR

−

zasilanie zewnętrzne

12V DC (11–14,5 V) odizolowane od masy rejestratora,

−

redni pobór prądu

około 300mA

−

temperatura pracy rejestratora

od -5 do +40 oC

−

masa przyrządu

około 3,0 kg

−

wymiary

90x262x260 mm.

* FIR – dolnoprzepustowy,

może

pracować

w następujących trybach

−

wyłączony

−

rednia za okres próbkowania

−

antyprzeplotowy liniowo-fazowy

−

antyprzeplotowy minimalno-fazowy

** IIR – górnoprzepustowy,

może

pracować

w następujących trybach

−

wyłączony

−

włączony, stała czasu: 12,5; 25; 50; 100; 200;
400; 800; 1600; 3200; 6400; 12800; 25600;
51200; 102400; 204800 okresu próbkowania

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie środki techniczne stosujemy do wykonania badań sejsmicznych?

Co to są źródła sejsmiczne?

Jakie typowe materiały wybuchowe stosujemy w sejsmice?

Do czego służą zapalniki?

Jakie mechaniczne urządzenia stosujemy do wzbudzania fal sejsmicznych?

Z jakich elementów składa się działo powietrzne?

Do czego służą geofony?

Jakie funkcje spełniają wzmacniacze sejsmiczne?

Jakie funkcje spełniają rejestratory sejsmiczne?

10.

Z jakich elementów składa się typowa aparatura do badań sejsmicznych?

4.3.3. Ćwiczenia

wiczenie 1

Objaśnij budowę i zasadę działania działa powietrznego.

Rysunek do ćwiczenia 1 [19]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

rozpoznać elementy działa powietrznego przedstawionego na rysunku,

wpisać nazwy elementów działa,

objaśnić sposób generowania wstrząsów przez działa powietrzne,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

dokumentacja techniczna działa powietrznego,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 2

Rozpoznaj przeznaczenie przedstawionych elementów stosowanych do badań

sejsmicznych.

Prezentowany element

Objaśnienie

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

rozpoznać elementy przedstawione na rysunkach,

wpisać nazwy elementów,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wiczenie 3

Przedstaw w postaci schematu blokowego elementy i kolejność działania typowej

aparatury do pomiarów sejsmicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dobrać elementy aparatury,

określić kolejność połączenia elementów,

narysować schemat blokowy,

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

rozpoznać środki techniczne stosowane podczas badań sejsmicznych?

rozróżnić sposoby wzbudzania drgań sejsmicznych?

wyjaśnić działanie działa powietrznego?

objaśnić działanie geofonu?

objaśnić zdania wzmacniaczy sejsmicznych?

scharakteryzować rejestratory drgań sejsmicznych?

rozróżnić pojęcie multipleksacja i demultipleksacja?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

Obsługiwanie aparatury do badań w otworach wiertniczych

4.4.1. Materiał nauczania

Profilowanie akustyczne jest otworową metodą, która opiera się na zmianach własności

sprężystych ośrodka skalnego. Miarą sprężystych własności skał może być prędkość
rozchodzenia się w skałach fal sprężystych. Najczęściej mierzy się prędkości fal podłużnych
V

i poprzecznych V

. Znajomość obu tych wielkości pozwala wyznaczyć sprężyste

własności skał (moduł Younga, stałą Poissona) w warunkach ich naturalnego zalegania.

Przedmiotem pomiaru w trakcie profilowania wykonywanego sondą SAM-60 jest

akustyczny  pełny  obraz  falowy,  czyli  zapis  fal,  które  przychodzą  do  rejestratorów
w określonym  interwale  czasowym,  wynoszącym  w  omawianej  sondzie  2000  ms.  Źródłem
sygnału  akustycznego  w  sondzie  jest  nadajnik  magnetostrykcyjny  emitujący  falę
o częstotlowości  35  kHz,  zaś  odbiornikami  są  dwa  oddalone  od  siebie  o  D  l  =  50  cm
rejestratory  piezoelektryczne.  Odległość  D  l  zwana  jest  bazą  sondy.  Sonda  zasilana  jest
z aparatury  naziemnej  jednożyłowym  kablem  pancernym,  którym  przesyłany  jest  również
sygnał  pomiarowy  odbierany  i  przetwarzany  wstępnie  w  odpowiednim  interfejsie  łączącym
aparaturę  z  mikrokomputerem  (notebook)  sterującym  gromadzeniem  danych  pomiarowych.
Do  gromadzenia  i  wizualizacji  danych  podczas  pomiaru  służy  program  ADL.  Podobny
program o nazwie ADA pozwala wykonywać interpretację danych pomiarowych.

Program ADL umożliwia zapis pełnych obrazów falowych (czyli zmian amplitudy drgań

rejestrowanych przez odbiorniki w funkcji czasu) oraz dodatkowo zapis pojedynczych czasów
prostych T1 i T2 oraz czasu interwałowego D T. Wartość T1 oznacza czas, który upływa od
momentu  wysłania  sygnału  ze  źródła  w  nadajniku  (trzask  w  sondzie)  do  momentu
zarejestrowania  pierwszego  wstąpienia  w  pierwszym  rejestratorze,  wartość  T2  oznacza
analogiczny  czas  dla  drugiego  rejestratora.  Czas  interwałowy  jest  różnicą  obydwu  w/w
czasów:  D  T  =  (T2  –  T1)/D  l.  Czas  interwałowy  D  T  wyrażany  jest  w  [m  s/m]  i  stanowi
wielkość charakterystyczną badanych skał, używaną jako ekwiwalent prędkości rozchodzenia
się fal akustycznych: V = 106/D T [m/s].

Profilowanie średnicy otworu polega na pomiarze zmian średnicy otworu wynikających

z różnej odporności mechanicznej przewiercanych skał.
Kawernomierz, czyli urządzenie do pomiaru średnicy składa się z trzech lub czterech ramion
dociskanych sprężynami do ścian otworu. Wychylenia tych ramion przenoszone są na ruchy
suwaka opornicy umieszczonej w sondzie, co daje możliwość powiązania wielkości
rejestrowanego w spadku napięcia ze średnicą otworu.

Detektory promieniowania jądrowego

Profilowanie

otworów

wiertniczych

odbywa

się

wykorzystaniem

metod

promieniotwórczych, w których w zależności od metody wykorzystuje się różne źródła
promieniowania.

Tabela 4. Ważniejsze źródła promieniowania gamma [14]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 5. Ważniejsze izotopowe i rozszczepieniowe źródła neutronów [14]

Rys. 53. Elementy budowy licznika [14]

Rys. 54. Schemat działania licznika Geigera [14]

Konstrukcja licznika – jak widać na rysunku 53 – sprowadza się do szczelnego szklanego

cylindra  i  umieszczonej  w  nim  rury  metalowej  (z  miedzi  lub  aluminium),  która  stanowi
elektrodę  ujemną  (katodę).  Przez  środek  rury  –  katody  przebiega  cienki  drut  stanowiący
elektrodę  dodatnią  –  anodę.  Cylinder  szklany  wypełniony  jest  mieszaniną  gazów:  ok.  90%
argonu  lub  innego  gazu  szlachetnego  i  ok.  10%  par  alkoholu.  Ciśnienie  mieszaniny  gazów
w cylindrze  wynosi  kilkadziesiąt  hektopaskali,  a  zatem  znacznie  mniej  od  atmosferycznego.
Z elektronicznego  punktu  widzenia  jest  to  zatem  lampa  gazowana  podobna  trochę  do
gazotronu  albo  gazowanej  fotodiody  z  usuniętym  elementem  światłoczułym  i  z  różnicami
wynikającymi z innej zasady działania.

Działanie licznika

Elektrody muszą być spolaryzowane napięciem rzędu kilkuset woltów. Jeśli we wnętrzu

licznika znajdzie się np. cząstka alfa, to wywoła jonizację atomów gazu wzdłuż swojego toru
ruchu.  Powstałe  w  wyniku  jonizacji  elektrony  i  jony  gazu  przyspieszane  są  w  polu
elektrycznym,  a  następnie  zderzają  się  z  innymi  atomami  powodując  dalsze  jonizacje
i w efekcie  wyładowanie  lawinowe.  Wyładowanie  to  objawia  się  w  zewnętrznym  obwodzie
elektrycznym  zamkniętym  rezystorem

R powstaniem impulsu napięcia, będącym skutkiem

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wychwytywania  przez  cylindryczną  katodę  jonów  gazu.  Impuls  ten  przez  kondensator
kierowany  jest  do  układu  pomiarowego  (rys.  54).  Czas  trwania  impulsu,  wywołanego
pojedynczą cząstką, tzn. czas upływający od chwili rozpoczęcia wyładowania lawinowego do
jego  wygaśnięcia  nazywany  jest  czasem  martwym  licznika.  Istotne  jest,  aby  był  on  jak
najkrótszy  (wówczas  możliwe  jest  odróżnienie  od  siebie  kolejnych,  szybko  po  sobie
nadlatujących  cząstek).  Wpływ  na  to  ma  zarówno  konstrukcja  elektrod  (ich  wielkość
i odległość  od  siebie),  ciśnienie  mieszaniny  gazów,  jak  i  skład  tej  mieszaniny:  np.  pary
alkoholu  tłumią  wyładowania,  a  czas  martwy  przeciętnego  licznika  jest  rzędu  stu
mikrosekund.

Za kondensatorem układ pomiarowy typowego licznika zawiera obwody zliczające

pojawiające się impulsy i przekształcające je w sygnały dźwiękowe (trzaski – to najwcześniej
stosowana wersja), błyski, albo na wskazania bądź to wskaźnika wychyłowego, bądź to
wyświetlacza alfanumerycznego.

Detektory scyntylacyjne

Licznik scyntylacyjny – detektor promieniowania jonizującego. Podstawa działania jest

zjawisko  scyntylacji,  zachodzące  w  niektórych  substancjach  pod  wpływem  bombardowania
ich  cząstkami  naładowanymi.  Podczas  przechodzenia  przez  scyntylator  cząstki  jonizującej
wytwarzane  są  jony  i  elektrony,  które  z  kolei  są  źródłem  emisji  fotonów,  obserwowanej
w postaci błysków świetlnych. Ogromny rozwój techniki liczników scyntylacyjnych wiąże się
z  rozwojem  technologii  produkcji  odpowiednich  do  tych  celów  scyntylatorów,  nie
pochłaniających promieniowania „własnego”.

Akt oddziaływania cząsteczki lub kwantu promieniowania jądrowego, będący warunkiem

detekcji promieniowania następuje w scyntylatorze. Zachodzi w nim przetwarzanie części
energii promieniowania na energię świetlną. Wiązka kwantów świetlnych prowadzona
ś

wiatłowodem dociera do fotokatody fotopowielacza i zostaje zaabsorbowana w materiale

fotokatody, wybijając z niej fotoelektrony. Fotoelektrony kierowane są na pierwszą dynodę
fotopowielacza i wyzwalają z niej elektrony emisji wtórnej. Kolejne dynody dołączone są do
coraz wyższego potencjału, toteż elektrony ulegają przyspieszeniu w polu elektrycznym.

Obecnie detektory scyntylacyjne są budowane w postaci sond składających się:

−−−−

kryształu scyntylacyjnego,

−−−−

fotokatody,

−−−−

fotopowielacza,

−−−−

przedwzmacniacza wraz z dyskryminatorem.

Najczęściej wykorzystywanymi kryształami do tych detektorów jest NaJ (Tl) (jodek sodu

aktywowanym  talem),  natomiast  najstarszym  znanym  scyntylatorem  jest  ZnS  (siarczek
cynku),  który  w  początkowym  okresie  służył  również  do  pokrywania  ekranów  lamp
kineskopowych.  Ze  względu  na  znaczne  wzmocnienie  sygnału,  pewność  działania  (w  tym
odporność na wysokie temperatury nawet do 120°C) wykorzystywane są często w badaniach
stosujących  techniki  jądrowe.  Istotną  wadą  liczników  scyntylacyjnych  z  kryształami
scyntylatorów  nieorganicznych  jest  ich  możliwość  stosowania  dla  energii  promieniowania
gamma dopiero od linii ameryku

241

Am (59,5 keV). Przy czym widmo takiego licznika składa

się zazwyczaj z:

−−−−

ogonu comptonowskiego (związany z rozpraszaniem comptonowskim absorbowanego
promieniowania),

−−−−

głównego piuk absorpcji,

−−−−

piku sumacyjnego (w przypadku emisji przez źródło kilku linii promieniowania gamma).

Przy wykorzystywaniu sond scyntylacyjnych należy zwrócić uwagę również na

temperaturę pracy, gdyż widmo licznika przesuwa się (pływa) oraz na starzenie się
kryształów związane głównie z uszkodzeniami radiacyjnymi.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 57. Prezentacja sond do profilowania jądrowego [14]

Procedura prowadząca do określenia związku pomiędzy wskazaniami sondy pomiarowej,

a interesującymi parametrami ośrodka skalnego nazywa się cechowaniem lub kalibracją
sondy. Kalibracja musi uwzględniać nie tylko badany parametr skały, ale także inne czynniki
wpływające na częstość zliczeń, takie jak:
–

związane bezpośrednio z parametrami, do pomiaru których skonstruowana jest sonda
(np. porowatość ośrodka),

–

wypływające z wpływu innych od interesującego nas parametru skały (np. wpływ typu
litologicznego skały na wyznaczenie porowatości),

–

wynikające z wpływu otworu i warstw otaczających np. średnica otworu, własności
płuczki, obecność zarurowania itp.)

Gromadzenie, wizualizacja i kolejne przetwarzanie danych pomiarowych odbywa się

w mikrokomputerze przy użyciu dwóch programów: RAN i RDL. Program RAN spełnia rolę
100  kanałowego  analizatora  amplitud,  dzięki  czemu  możemy  mierzyć  pełne  widma
promieniowania.  Tego  typu  pomiary  mogą  być  jednak  wykonywane  tylko  przy  zatrzymanej
sondzie,  co  wymaga  jej  przesuwania  z  punktu  na  punkt,  najczęściej  ze  stałym  krokiem
głębokościowym  –  jest  to  tzw.  statyczny  wariant  profilowania.  Program  RDL  przeznaczony
jest  do  profilowania  ciągłego  z  rejestracją  4-ch  kanałów  o  ustawianych  zakresach  energii
odpowiadających potasowi, uranowi, torowi i promieniowaniu sumarycznemu (tzw.

total).

Profilowanie gamma wykorzystywane jest najczęściej do określania ilości substancji

ilastej  w  skale  (tzw.  zailenia).  Promieniotwórczość  bowiem  skał  osadowych  jest
proporcjonalna  do  zawartości  w  nich  substancji  ilastej.  Dysponując  zatem  całkowitą  ilością
promieniowania  (

total) możemy ilość substancji ilastej (V

ił

) obliczać wg następującego

wzoru:

ił

= (I – I

min

) / (I

max

– I

min

gdzie przez I oznaczono wskazania kanału sumarycznego w badanej warstwie, przez I

min

analogiczne wskazania w warstwie czystej (niezailonej), a przez I

max

wskazania w łupkach

(maksymalne zailenie). Do wyznaczania zailenia wykorzystywane są na ogół profilowania
niespektrometryczne, dlatego dla omawianej sondy można skorzystać z kanału sumarycznego
(nie rozdzielającego energii).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Profilowanie gamma-gamma gęstościowe polega na wykorzystaniu zjawiska rozpraszania

i absorpcji promieniowania gamma w skale. Promieniowanie to emitowane jest przez źródło
wysokoenergetycznego promieniowania gamma (najczęściej Cs

137

o energii 0,661 MeV)

i kierowane  jest  przez  odpowiedni  układ  kolimatorów  (czyli  specjalnie  uformowanych
ekranów  z  ołowiu  lub  wolframu)  do  skały,  tak  aby  uniemożliwić  bezpośrednie
promieniowanie ze źródła do detektorów umieszczonych w sondzie powyżej źródła.

Jeżeli odległość detektora od źródła przekracza ok. 15 cm to ilość zarejestrowanego

promieniowania rozproszonego w skale maleje ze wzrostem gęstości. Sonda sPGG zestawu
SO-5-90 wyposażona jest w dwa detektory scyntylacyjne umieszczone w odległości ok.
15–40 cm od źródła Cs

137

. Sonda przystosowana jest do pracy w pozycji dociśniętej do ściany

otworu,  dzięki  czemu  zminimalizowany  jest  wpływ  płuczki  wypełniającej  otwór  wiertniczy.
Obecność dwóch detektorów pozwala ocenić jakość docisku sondy do ściany odwiertu. Bliski
detektor  odbiera  promieniowanie  ze  strefy  bliższej  sondy,  podczas  gdy  daleki  ze  strefy
dalszej,  a  zatem  głębiej  penetrującej  ośrodek  skalny.  Obecność  różnic  w gęstości  określonej
dla detektora bliskiego i dalekiego pozwala na wprowadzanie odpowiednich poprawek.

Profilowanie neutronowe wykorzystuje wyjątkowo wysoką zdolność atomów wodoru do

spowalniania neutronów. Ponieważ głównym źródłem wodoru w skałach jest woda, która
wypełnia przestrzeń porową, możemy wiązać wskazania sond neutronowych z porowatością skał.

Sonda neutronowa ODSN-102 składa się ze źródła neutronów szybkich (zakładanego

tylko  na  czas  pomiarów  otworowych),  dwóch  detektorów  rejestrujących  neutrony
nadtermiczne  (detektor  bliski)  oraz  neutrony  termiczne  (detektor  daleki),  elektroniki  oraz
obudowy ciśnienio-odpornej. Szybkie neutrony wysyłane ze źródła mają energię kilku MeV,
która  w  trakcie  poruszania  się  neutronu  w  ośrodku  przekazywana  jest  napotykanym  jądrom
pierwiastków,  głównie  jądrom  wodoru.  Najniższa  energia  osiągana  przez  neutrony  zbliżona
jest  do  energii  termicznych  drgań  ośrodka  skalnego  (0,025  eV  dla  temperatury  20

C).

Neutrony o takiej energii zwane są termicznymi.

Neutrony o nieco wyższej energii (>1 eV) nazywane są nadtermicznymi. Stosowane

detektory promieniowania neutronowego są bardziej czułe na neutrony termiczne – można je
zatem  łatwiej  rejestrować  z  wystarczającą  dokładnością  niż  neutrony  nadtermiczne.
Rejestracja  jednak  neutronów  nadtermicznych  jest  czasem  korzystna,  gdyż  nie  są  one
wrażliwe na tzw. silne absorbenty neutronów termicznych. Asorbenty takie (np. bor i gadolin)
występując nawet w śladowych ilościach, w znaczący sposób zniekształcają krzywe kalibracji
sond  neutronowych,  które  wiążą  ich  wskazania  z  porowatością  i  niektórymi  parametrami
ś

rodowiska pomiarowego (np. średnicą otworu wiertniczego, typem litologii).

Aparatura geoelektryczna do badań penetracyjnych AGP-01

Aparatura AGP-01 jest przeznaczona do badań parametrów elektrycznych ośrodka

w otworach penetracyjnych. Zapewnia pomiary polaryzacji samoistnej, rezystancji uziomów
i rezystancji pozornej, zarówno składowej rzeczywistej jak i urojonej, przy użyciu prądu
zmiennego o regulowanej częstotliwości, natężeniu i czasie trwania pomiarów.

Wybór sposobu pomiarów ich kolejności i czasu trwania jest dobierany przez operatora

umożliwiając pełne rozpoznanie zjawisk fizycznych i elektrochemicznych towarzyszących
badaniom. Badania mogą być prowadzone w funkcji głębokości otworu lub w funkcji czasu
na wybranych głębokościach.

Aparatura współpracuje z mikrokomputerem Notebook w zakresie wprowadzenia nastaw

pomiarowych do aparatury według wybranego programu wykonywania pomiarów,
prowadzenia akwizycji wyników i wstępnego opracowania danych pomiarowych.

W skład zestawu pomiarowego wchodzi aparatura pomiarowa i mikrokomputer.
Aparatura składa się z odbiornika, nadajnika, systemu mikroprocesorowego, zasilacza

nadajnika i komutatora elektrod.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Odbiornik posiada dwa bloki analogowe: stałoprądowy o ograniczonym paśmie

przepustowym i zmiennoprądowy wąskopasmowy o regulowanej częstotliwości środkowej.
Wzmocnione i wyfiltrowane sygnały są przetwarzane na postać cyfrową i przekazywane do
systemu mikroprocesorowego.

Nadajnik służy do generacji prądu przemiennego o regulowanym i stabilizowanym

natężeniu oraz regulowanej częstotliwości. Kształt prądu wyjściowego jest prostokątny bez
składowej stałej. Nadajnik jest wykorzystywany tylko do pomiarów rezystancji.

System mikroprocesorowy zapewnia sterowanie wszystkich bloków wykonawczych

aparatury. Odbiera z Notebooka informacje o nastawach parametrów pomiarowych
i przekazuje je do odbiornika, nadajnika, komutatora elektrod i swoich układów
peryferyjnych. Zapewnia synchronizm pracy nadajnika i przetwornika analogowo-cyfrowego.
Wykonuje odczyty wyników i wysyła je do Notebooka.

Zasilacz nadajnika wytwarza napięcia zasilające elektronikę i obwody wyjściowe

nadajnika. Składa się z przetwornicy napięcia dużej mocy o wysokiej sprawności, która jest
włączana tylko na czas włączenia prądu wyjściowego nadajnika.

Komutator elektrod zapewnia podłączenie wybranych elektrod do układu pomiarowego

(2 dla pomiaru napięcia i rezystancji uziomu lub 4 dla pomiaru rezystancji pozornej). Każda
z elektrod może spełniać dowolną funkcję. Komutacja odbywa się bezprądowo – przy
wyłączonym prądzie wyjściowym nadajnika.

Sonda do wykonywania pomiarów elektromagnetycznych w otworze wiertniczym

Sonda SSW – narzędzie o wysokiej technologii. Zawartość rudy jest mierzona

i rejestrowana  poprzez  obniżenie  sondy  w  otworze  strzałowym.  Profilowanie  drążonych
diamentowymi  wiertłami  otworów  w  kopalni  zaprezentowało,  że  zawartość  rudy  (niklu,
miedzi,  kobaltu,  PGM),  jest  proporcjonalna  do  natężenia  reakcji  elektromagnetycznej  sondy
(EM), prawdopodobnie dlatego, że stosunek niklu do pirotynu jest stały w danym złożu rudy.
Sonda  mierzy  również  przewodnictwo  samoistne  siarczków  i procent  magnetytu.  Wszystkie
odczyty  sondy  są  wyświetlane  i  automatycznie  zapisywane  w pamięci  z  10  cm  odstępem  na
tym samym odczycie. Pomiar 30-metrowego otworu strzałowego zajmuje mniej niż 2 minuty.
Cały  przyrząd  jest  lekki  (12  kg)  i  prosty  w  obsłudze.  Jedna  osoba  może  przenieść  system
SSW  i  zrobić  pomiar  zarówno  dolnych  jak  i  górnych  otworów.  Sonda  pracuje
w temperaturach od -40°C do +50°C.

Sporządzanie wykresu pomiarów otworów strzałowych sondą SSW (2-3-4-6-10 cale

w średnicy)  przed  wystrzałem  pozwala  zdefiniować  dokładny  kształt  złoża  rudy  w  skale
płonnej  oraz  nieekonomiczną  rudę  o  niskiej  zawartości  pierwiastka.  Tak  więc  jedynie  część
otworów,  które  zawierają  rudę,  jest  wysadzana.  W  niektórych  warunkach,  kiedy  sonda
pokazuje,  że  część  bogatej  rudy  nie  została  wybrana,  dodatkowe  otwory  strzałowe  pozwolą
odzyskać  gniazda  bogatej  rudy,  które  w  przeciwnym  razie  pozostałyby  nie  ruszone
w ścianach przodka wybierkowego.

Kompletną sondę przedstawiono na rysunku 58. Składa się z modułu odczytującego,

zainstalowanego na wyciągarce zamocowanej na trójnogu. Wyciągarka może przyjąć kable
o długości od 20 do 80 metrów. Całe urządzenie zostało wymyślone w taki sposób, żeby
mogło być niesione i obsługiwane przez jedną osobę.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 58. Kompletna sonda SSW: a) przenoszenie ręczne, b) rozstawiona do pracy, c) przenoszona na plecach za

pomocą specjalnych szelek, d) zestaw przygotowany do pracy z bliska [14]

Odbiornik będzie pracował z sondami o średnicach odpowiednich dla otworów

strzałowych danej kopalni. Można przymocować ołowiany obciążnik w celu obniżenia sondy
do  otworów  wypełnionych  wodą.  Sonda  ze  wszystkim  elementami  waży  mniej  niż  12  kg
i może  wytrzymać  w  ekstremalnych  warunkach,  od  -40°C  do  +50°C,  nawet  w  bardzo
wilgotnym środowisku. Moduł zasilany przez akumulator wyświetla odczyty i pozycję sondy
na  ekranie  przeciwoświetleniowym  i  kiedy  sonda  jest  opuszczona,  dane  są  automatycznie
zapisywane w pamięci wewnętrznej.

SSW potrafi wykryć i określić od 0,1% do 100% liości wiodących siarczków takich jak:

pirotynu,  chalkopirytu,  pendlandit  i  kilku,  ale  nie  wszystkich  pirytów  lub  galenitów,  nawet
przy  obecności  magnetytu.  Może  również  wykryć  i  określić  ilościowo  występowania  obszar
magnetytu,  ale  precyzja  dla  magnetytu  jest  raczej  niedokładna,  jeśli  są  obecne  silne
przewodniki.

Rys. 59. Wczesny

prototyp

sondy.

Pomiary

mogą

być

prowadzone na stojąco [14]

Rys. 60. Składniki sondy SSW [14]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wieloparametrowa Sonda MPP-EM2S+ z opcjonalnym Bluetooth

Sonda MPP-EM2S+ mierzy jednocześnie, do 10 razy na sekundę podatność magnetyczną

oraz  przewodnictwo  względne  i  bezwzględne.  Łatwa  w  użyciu,  jedna  osoba  może  skanować
rdzenie  wiertnicze,  próbki  terenowe,  stan  wody  w  otworach,  skupiska  rudy.  Operator  może
nagrać  dane  odczytu  jednocześnie  lub  w  trybie  ciągłego  skanowania  (10 razy/sek.),  żeby
stworzyć  profil.  Zarejestrowane  dane  z  jednostki  odczytowej  Dell  Axim  lub  PC  są
przechowywane w pliku ASCII: identyfikacja otworów, głębokości zarejestrowanych wartości,
data,  czas,  etc.  Następnie,  format  ASCII  może  zostać  przekazany  do  oprogramowania
projektującego  (Excel,  Microsation,  Autocad,  etc).  Na  przykład,  wrażliwość  i  przewodnictwo
mogą  być  naniesione  na  mapę  wzdłuż  DDH  z  analiz  laboratoryjnych.  Zaprojektowane
oprogramowanie pomaga końcowemu użytkownikowi szybko nakreślić profile i zinterpretować
właściwości geofizyczne przy zastosowaniu Excel Macro.

Rys. 61. Sonda, z której dane przesyłane są za

pomocą łącza Bluetooth [14]

Rys. 62. Sonda, z której dane przesyłane są

bezpośrednio do komputera [14]

Rys. 63. Zestaw do wykonywania pomiarów własności rdzeni i okolic otworów wiertniczych [14]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Kamera introskopowa do badania struktury skał w otoczeniu otworu wiertniczego

Doświadczenia, które uzyskano w polskim górnictwie w zakresie obudowy kotwiowej

dowodzą, że dysponujemy skutecznymi metodami pozwalającymi na kontrolę pracy obudowy
kotwiowej. Jednym z ciekawszych urządzeń mogących mieć zastosowanie między innymi do
tego typu badań jest kamera introskopowa.

W świetle dotychczasowych doświadczeń, ocena stateczności warstw stropowych może

być dokonana między innymi poprzez pomiar rozwarstwień. Ważnym dla oceny pracy
obudowy kotwiowej jest fakt czy rozwarstwienia powstają przy stropie wyrobiska, czy też
poza pułapem skotwionych skał.

Analizując zebrane dotychczas wyniki rozwarstwień skał stropowych, w warunkach

górotworu karbońskiego można wyróżnić dwie charakterystyczne strefy powstawania
rozwarstwień. Pierwsza obejmuje rozwarstwienia powstające w bezpośrednim sąsiedztwie stropu
wyrobiska tj. do wysokości 1,2 m i te nie stanowią większego zagrożenia dla stateczności.

Druga strefa rozwarstwień, ujawniająca się szczególnie w obszarze wpływu ciśnienia

eksploatacyjnego,  obejmuje  rozwarstwienia  powstające  bezpośrednio  ponad  pułapem
skotwionych  skał.  Rozwarstwienia  w  tej  strefie  są  szczególnie  niebezpieczne  dla  utraty
stateczności i wymagają szczególnej kontroli.

Stwierdzenie

wielkości

rozwarstwień

powstałych

przed

zainstalowaniem

rozwarstwieniomierzy jest także możliwe miedzy innymi przy pomocy introskopowej kamery
w podczerwieni opracowanej w AGH (rys. 64).

Wyższość kamery introskopowej pracującej w podczerwieni nad kamerą światła

widzialnego polega na tym, że przy jej pomocy można stwierdzać także szczeliny
zaszpachlowane zwiercinami.

Zastosowanie:

−

rozpoznanie rodzaju skały,

−

badanie stanu spękań skał od 0.1 mm,

−

pomiar szczelin (rozwarcia, położenia, wypełnienia, nachylenia),

−

lokalizacja rys, pęknięć i płaszczyzn pomniejszonej spoistości (pomiary mogą być
prowadzone również w wodzie do ciśnienia 3 MPa).

Rys. 64.

Przeprowadzenie badań za pomocą kamery introskopowej [20]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wypełnienie szczelin zwiercinami występuje szczególnie często, gdy w trakcie

wykonywania  odwiertów  używa  się  małej  ilości  wody  i  gdy  rozwarcie  szczelin  jest
niewielkie.  Głowicę  kamery  można  wprowadzać  do  otworu  wiertniczego  na  lekkich
bagnetowo  łączonych  rurkach,  lub  też  w  otworach  pionowych  opuszczać  ją  na  kablu
sygnałowym.

Urządzenie samodostrajające układ elektroniczny umożliwia penetrację otworów

o długości do 200 m, nie traci się przy tym na ostrości i jakości obrazu. W skład urządzenia
wchodzi głowica penetrująca składająca się z:

−

obiektywu,

−

przetwornika obrazu,

−

oświetlacza,

−

wzmacniacza odczytu z synchronizacją,

−

konwertera sygnału,
Wymienione elementy umieszczone są w zamkniętej z obu stron metalowej rurze

o długości 150 mm, a jej średnica wynosi od 18 mm.

Sygnał z głowicy do centralnej części urządzenia, w którym znajduje się rejestrator

obrazu  wyprowadzony  jest  specjalnym  kablem  (jego  długość  nie  powinna  przekraczać
200 mb).  Głowicę  wprowadza  się  do  otworu  wiertniczego  na  lekkich  rurkach  wykonanych
z włókna  szklanego,  z  miarą  metrową  umożliwiającą  pomiar  głębokości  pomiaru
introskopowego.

Układ sterowniczy umieszczony jest w metalowej skrzynce, włączany automatycznie po

otwarciu wieka skrzynki (elektroniczny włącznik iskrobezpieczny). Wyłączenie następuje po
zamknięciu wieka.

W skrzynce układu sterowania znajduje się jednostka rejestracji obrazu wraz

z jednoczesnym podglądem na kolorowym ekranie ciekłokrystalicznym. Rejestracja obrazu
i komentarzy odbywa się na kasetach Video Digital 8.

Całość jest zasilana akumulatorami znajdującymi się w głównej skrzynce (wraz

z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym wskazującym stan naładowania akumulatora)

Układ sterujący posiada mikrofon umożliwiający nagrywanie komentarzy do

nagrywanego obrazu (szczególnie pomocne dla rejestracji badanej głębokości).

Do zestawu kamery dołączane są również zasilacze do ładowania akumulatorów oraz

specjalne pokrowce i torby brezentowe do przenoszenia urządzenia w trudnych warunkach.

Na taśmę nagrywa się równocześnie obraz i komentarz słowny, który pozwala między

innymi na bieżące uwagi o oglądanym obrazie, a także zaznaczenie głębokości, na jakiej
w danym momencie znajduje się głowica kamery. W ostatnim czasie opracowano dla potrzeb
kamery także automatyczny sposób pomiaru i zapisu głębokości na taśmie video i aktualnie
prowadzone są próby z tym systemem.

Elementy kamery interoskopowej przedstawiono na rysunku 65, a zasady działania są

następujące.  Głowica  penetrująca  kamery  introskopowej  (1)  składa  się  z:  obiektywu,
przetwornika  obrazu,  oświetlacza,  wzmacniacza  odczytu  z  synchronizacją,  konwertera
sygnału.

Wymienione elementy umieszczone są w zamkniętej z obu stron metalowej rurze

o długości 150 mm i średnicy od 18 mm.

Sygnał z głowicy do centralnej części urządzenia, w którym znajduje się rejestrator

obrazu wyprowadzony jest specjalnym kablem (długość do 200 mb) (3). Głowicę wprowadza
się do otworu wiertniczego na lekkich (bagnetowe łączonych) rurkach z włókna szklanego
(2), z miarą metrową umożliwiającą określenie głębokości pomiaru.

Układ sterowniczy (4) umieszczony jest w metalowej skrzynce, gdzie znajduje się

jednostka rejestracji obrazu wraz z jednoczesnym podglądem na kolorowym ekranie
ciekłokrystalicznym. Rejestracja obrazu i komentarzy odbywa się na kasetach Video Digital

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8.  Całość  jest  zasilana  akumulatorami  (wraz  z  wyświetlaczem  ciekłokrystalicznym
wskazującym  stan  naładowania  akumulatora).  Układ  sterujący  posiada  mikrofon
umożliwiający nagrywanie komentarzy do nagrywanego obrazu (rejestracja głębokości).

Zasilacze (5) do ładowania akumulatorów oraz specjalne pokrowce i torby brezentowe do

przenoszenia urządzenia.

Rys. 65. Elementy zestawu kamery introskopowej – opisy w tekście [20]

Kamerę można wykorzystywać między innymi do pomiarów rozwarcia szczelin i kątów,

pod jakimi przecinają one otwór wiertniczy. Pomiary te mogą być realizowane na monitorze
obrazu, bezpośrednio podczas wykonywania badań na dole kopalni lub w trakcie przeglądania
taśmy już na powierzchni. Dokładność analizy obrazu jest tym większa im większa przekątna
monitora.  Pole  widzenia  obiektywu  współpracującego  z  prezentowaną  kamerą  dla  średnicy
otworu  wiertniczego  równej  45  mm  posiada  wymiary  12  x  12  mm,  takie  też  pole  widzenia
wypełniać  będzie  ekran  monitora.  Używając  monitora  o  przekątnej  17”  można  zapewnić
dokładność pomiaru rozwarcia szczelin przekraczającą 0,l mm.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie urządzenia stosujemy do wykonywania pomiarów w otworach wiertniczych?

Do czego służy sonda akustyczna?

Za pomocą, jakiego urządzenia mierzy się średnicę otworu wiertniczego?

Do czego wykorzystujemy mierniki promieniowania?

Z jakich elementów zbudowany jest licznik Geigera-Mullera?

Jak działa licznik scyntylacyjny?

Jak zbudowane są sondy do profilowania otworów wiertniczych?

Do czego stosujemy sondy SSW?

Gdzie stosujemy kamery introskopowe?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.3. Ćwiczenia

wiczenie 1

Porównaj wady i zalety popularnych detektorów promieniowania.

Rodzaj licznika

Zalety

Wady

Geigera-Mullera

scyntylacyjny

półprzewodnikowy

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z dokumentacją liczników promieniowania,

wyszukać informacje na temat stosowania liczników w gotowych zestawach
pomiarowych,

określić zalety każdego typu licznika,

określić wady każdego typu licznika,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

dokumentacja techniczna liczników promieniowania,

−−−−

katalogi aparatury geofizycznej,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 2

Rozpoznaj elementy zestawu pomiarowego przedstawionego na rysunku.

Zestaw z kamerą introskopową:

…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………

…………………………………………

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

rozpoznać elementy przedstawione na zdjęciu,

zapisać w wyznaczonych miejscach nazwy i przeznaczenie elementów,

zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

katalogi aparatury geofizycznej,

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

wiczenie 3

Dobierz źródła promieniotwórcze do następujących sondowań: profilowanie neutronowe,

profilowanie gamma-gamma.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

określić cel dla którego ma być użyte źródło promieniowania,

dobrać z tablicy źródeł promieniowania takie, które dobrze emituje neutrony,

dobrać z tablicy źródeł promieniowania takie, które emituje promieniowanie gamma
o określonej energii,

utworzyć w zeszycie listę źródeł promieniowania,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

tablice pierwiastków promieniotwórczych,

−−−−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika dla ucznia.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

rozróżnić urządzenia stosowane do pomiarów geofizycznych
w otworach wiertniczych?

objaśnić budowę sondy akustycznej?

dobrać urządzenie do pomiarów średnicy otworów?

rozpoznać liczniki promieniowania?

określić wady i zalety różnych typów liczników promieniowania?

rozpoznać

elementy

zestawu

pomiarowego

pomiarów

geofizycznych w otworach wiertniczych?

dobrać urządzenia do pomiaru właściwości skał w okolicy otworu
wiertniczego?

objaśnić zastosowanie kamery introskopowej?

wymienić podstawowe materiały uszczelniające?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uważnie instrukcję.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

Test zawiera 20 zadań o różnym stopniu trudności. Wszystkie zadania są zadaniami

wielokrotnego wyboru i tylko jedna odpowiedź jest prawidłowa.

Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi – zaznacz prawidłową

odpowiedź znakiem X (w przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć
kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową).

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. Trudności mogą przysporzyć Ci
zadania: 16–20, gdyż są one na poziomie trudniejszym niż pozostałe. Przeznacz na ich
rozwiązanie więcej czasu.

Czas trwania testu – 30 minut.

Maksymalna liczba punktów, jaką można osiągnąć za poprawne rozwiązanie testu wynosi

20 pkt.

Powodzenia

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Grawimetr, którego działanie oparte jest na obserwacji stanu równowagi masy
w systemie pomiarowym nazywamy
a)

balistycznym.

statycznym.

półprzewodnikowym.

nie ma takiego grawimetru.

W grawimetrach elementy sprężyste są
a)

tylko metalowe.

tylko kwarcowe.

metalowe lub kwarcowe.

nadprzewodnikowe.

Dryft grawimetru występuje w grawimetrach
a)

statycznych.

dynamicznych.

nadprzewodnikowych.

w każdym grawimetrze.

Kalibrowanie grawimetru polega na
a)

określeniu wpływu temperatury na zmianą odczytu

∆

S instrumentu.

określeniu wpływu pola magnetycznego na zmianą odczytu

∆

S instrumentu.

włączeniu elektronicznego filtra sejsmicznego podczas pracy grawimetru.

ustaleniu związku między zmianą przyspieszenia siły ciężkości

∆

g a zmianą odczytu

∆

S instrumentu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Czujnik magnetometru rezonansu protonowego stanowi naczynie wypełnione cieczą
a)

o dużej zawartości atomów wodoru.

o małej zawartości atomów wodoru.

o małej zawartości atomów węgla.

o dużej zawartości atomów węgla.

W magnetometrze protonowym wykorzystano zjawisko
a)

rezonansu elektrycznego.

rezonansu mechanicznego.

rezonansu jądrowego.

adne z wymienionych.

Elektrod niepolaryzujących używamy w metodzie
a)

profilowania elektrooporowego.

pionowego sondowania elektrooporowego.

potencjałów własnych.

indukcyjnej.

Komutator elektrod służy do
a)

wytwarzania napięcia zasilającego.

sterowania blokami wykonawczymi aparatury.

pomiarów rezystancji.

podłączenie wybranych elektrod do układu pomiarowego.

W georadarach wykorzystuje się impulsy
a)

sejsmiczne.

elektryczne.

elektromagnetyczne.

magnetyczne.

10.

Im niższa częstotliwość pracy anten
a)

tym większa dokładność odczytu.

tym większa głębokość penetracji.

tym mniejsza głębokość profilowania.

tym większe tłumienie fal.

11.

Anteny w georadarze spełniają funkcje
a)

tylko nadawcze.

tylko odbiorcze.

nadawczą i odbiorczą.

są tylko dodatkiem poprawiającym jakość obrazu.

12.

Georadarowy system wielokanałowych polega na
a)

podłączeniu do pojedynczej jednostki rejestrującej kilku par anten.

badaniach przeprowadzanych w kanałach i wyrobiskach podziemnych.

podłączeniu pojedynczej pary anten do kilku jednostek rejestrujących.

rejestrowaniu obrazów falowych z kilku georadarów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13.

Do nieeksplozyjnych źródeł sejsmicznych zaliczamy
a)

nitroglicerynę.

dynamit.

mieszankę azotanów z olejem napędowym.

działo sejsmiczne Betsy.

14.

Częstotliwość rezonansowa geofonów mieści się w granicach
a)

0–3Hz.

4–15Hz.

1–36Hz.

37–60Hz.

15.

Czułość geofonu rośnie wraz z ilością zwojów
a)

rośnie wraz z jego wielkością.

maleje przy wzroście jego wymiarów.

maleje wraz z ilością zwojów i natężeniem pola magnetycznego.

rośnie wraz z ilością zwojów i natężeniem pola magnetycznego.

16.

Multipleksacja
a)

powoduje zapisywanie danych w postaci szeregowej.

to wyświetlenie sygnałów na ekranie monitora.

to przejście sygnału przez przetwornik c/a.

to zwiększenie szybkości przewijania taśmy rejestratora.

17.

Czujniki drgań parasejsmicznych rejestrują wstrząsy wywołane przez
a)

trzęsienia ziemi.

wybuchowe środki sejsmiczne.

działa powietrzne.

prace budowlane, ruch drogowy.

18.

ródłem neutronów jest izotop

Na.

Co.

252

Cf.

Zn.

19.

Prezentowane zdjęcie przedstawia obraz
a)

sejsmiczny.

georadaeowy.

profilowania otworu wiertniczego.

zmian grawimetrycznych.

20.

Elektroniczny filtr sejsmiczny stosujemy
a)

tylko w aparaturze sejsmicznej.

w niektórych magnetometrach.

w sondach do pomiarów w otworach wiertniczych.

w niektórych grawimetrach.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ................................................................................................

Obsługiwanie aparatury do pomiarów geofizycznych

Zakreśl poprawną odpowiedź

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

Bała M., Cichy A.: Metody obliczania prędkości fal p i s na podstawie modeli
teoretycznych i danych geofizyki otworowej – Program Estymacja. Wydawnictwo AGH,
Kraków 2002

Bolewski. A.: Rozpoznawanie minerałów na podstawie cech zewnętrznych i właściwości
fizycznych. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1981

Dzwinel J.: Geofizyka: metody geoelektryczne. Cz. 4. – dla techników. – Wydawnictwa
Geologiczne, Warszawa 1978

Fajklewicz Z. i in.: Zarys geofizyki stosowanej. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa
1972

Gonet A., Macuda J.: Wiertnictwo hydrogeologiczne. Wydawnictwo AGH, Kraków 2004

Jamrozik J., Mokojnik Z., Patyk M.: Geofizyka: metody sejsmiczne. Wydawnictwa
Geologiczne, Warszawa 1978

Kiełt M.: Geofizyka wiertnicza w poszukiwaniu węglowodorów. Strukturalne
i sedymentologiczne zastosowanie otworowych profilowań geofizycznych – tom II.
Wydawnictwo Adam Marszałek, Toruń 2002

Kowalski W. C.: Geologia inżynierska. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1988

Kozera A., Makojnik Z., Święcicka-Pawliszyn J., Pawliszyn J., Plewa S., Tarkowski H.:
Geofizyka poszukiwawcza. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1987

10.

Stein J. Przewodnik do ćwiczeń z geofizyki geologicznej. Wydawnictwo UW, Warszawa
1983

11.

baza.pgi.gov.pl

12.

home.agh.edu.pl

13.

oen.dydaktyka.agh.edu.pl

14.

www.geofizyka.pl

15.

www.geoforum.pl

16.

www.geo-radar.pl

17.

www.georadary.pl

18.

www.igf.fuw.edu.pl

19.

www.ing.uni.wroc.pl

20.