Приповерхностная геофизика - Near-surface geophysics

Автоматический георадар (upGPR) возле швейцарского лагеря (Гренландия )

Приповерхностная геофизика использование геофизический методы исследования мелкомасштабных объектов на мелководье (десятки метров) под землей.[1] Это тесно связано с прикладная геофизика или же разведочная геофизика. Используемые методы включают сейсмическая рефракция и отражение, сила тяжести, магнитные, электрические и электромагнитные методы. Многие из этих методов были разработаны для масло и разведка полезных ископаемых но сейчас они используются в большом количестве приложений, включая археология, наука об окружающей среде, Криминалистика,[2] военная разведка, геотехническое исследование, охота за сокровищами, и гидрогеология. Помимо практических приложений, приповерхностная геофизика включает изучение биогеохимические циклы.[3][4]

Обзор

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

Все это требует проведения различных видов геофизических исследований. Это могут быть исследования гравитации, магнетизма, сейсмичность, или же магнитотеллурика.

Получение данных

А геофизические исследования представляет собой набор измерений, выполненных с помощью геофизического инструмента. Часто набор измерений проводится вдоль линии или траверс. Во многих съемках есть набор параллельных ходов и еще один набор, перпендикулярный ему, чтобы получить хорошее пространственное покрытие.[5] Технологии, используемые для геофизических исследований, включают:

Сжатие данных

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

Обработка данных

Уменьшенные данные могут не обеспечить достаточно хорошее изображение из-за фона шум. В соотношение сигнал шум могут быть улучшены повторными измерениями одного и того же количества с последующим усреднением, например штабелирование или же обработка сигналов.[5]

Моделирование

Смотрите также: Сейсмическая томография

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

В зависимости от охвата данных модель может быть только двухмерной моделью профиля. Или набор параллельных разрезов может быть интерпретирован с использованием 2 ½-мерной модели, которая предполагает, что соответствующие объекты имеют удлиненную форму. Для более сложных функций можно получить 3D-модель с помощью томография.[5][6]

Геологическая интерпретация

Заключительный этап проекта - геологическая интерпретация. Положительная гравитационная аномалия может быть магматическое вторжение, отрицательная аномалия a соляной купол или недействительно. В области с более высокой электропроводностью может быть вода или галенит. Для хорошей интерпретации геофизическая модель должна сочетаться с геологическими знаниями местности.[5]

Сейсмология

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

Сейсмология использует способность вибраций проходить сквозь скалы как сейсмические волны. Эти волны бывают двух типов: волны давления (Зубцы P ) и поперечных волн (S-волны ). P-волны распространяются быстрее, чем S-волны, и обе имеют траектории, которые изгибаются при изменении скорости волны с глубиной. В сейсмологии рефракции используются эти искривленные траектории. Кроме того, при наличии разрывов между слоями в породе или отложениях отражаются сейсмические волны. Отражательная сейсмология определяет границы этих слоев по отражениям.[7]

Отражательная сейсмология

Сейсмическое отражение используется для построения изображений почти горизонтальных слоев Земли. Метод очень похож на эхо. Его можно использовать для выявления складчатости и разломов, а также для поиска месторождений нефти и газа. В региональном масштабе профили можно комбинировать для получения стратиграфия последовательностей, что позволяет датировать осадочные слои и идентифицировать эвстатическое повышение уровня моря.[7]

Рефракционная сейсмология

Сейсмическая рефракция может использоваться не только для идентификации слоев в горных породах по траекториям сейсмических волн, но также для определения скорости волн в каждом слое, тем самым предоставляя некоторую информацию о материале в каждом слое.[7]

Магнитная съемка

Магнитная съемка может производиться в планетарном масштабе (например, съемка Марс посредством Mars Global Surveyor ) или по шкале метров. В приповерхностном слое он используется для картирования геологических границ и разломов, поиска определенных руды, погребенные магматические дамбы,[8] поиск заглубленных труб и старых горных выработок, и обнаружение некоторых видов наземных мин. Он также используется для искать человеческие артефакты. Магнитометры используются для поиска аномалий, создаваемых целями с большим количеством магнитотвердых материалов, таких как ферриты.[9]

Микрогравитационная съемка

Высокая точность измерения силы тяжести может использоваться для обнаружения аномалий приповерхностной плотности, например связанных с воронки и старые горные выработки,[10] с повторным мониторингом, позволяющим количественно оценить приповерхностные изменения.[11]

Георадар

Георадар является одним из наиболее популярных методов приповерхностной геофизики в судебная археология, судебная геофизика, геотехническое исследование, охота за сокровищами, и гидрогеология, с типичной глубиной проникновения до 10 м (33 футов) ниже уровня земли, в зависимости от местных условий почвы и горных пород, хотя это зависит от используемых антенн передатчика / приемника центральной частоты.[1]

Объемная проводимость грунта

Насыпной грунт проводимость обычно использует пары передатчик / приемник для получения первичного / вторичного ЭМ сигналы из окружающей среды (обратите внимание на потенциальные трудности в городских районах с надземными источниками электромагнитных помех) с зонами сбора в зависимости от расстояния между антеннами и используемого оборудования. В настоящее время доступны бортовые, наземные и водные системы. Они особенно полезны для начальных наземных разведывательных работ в геотехнический, археология и судебная геофизика расследования.[1]

Удельное электрическое сопротивление

Профиль томографии электрического сопротивления

Взаимность проводимость Исследования удельного электрического сопротивления измеряют сопротивление материала (обычно грунта) между электрическими зондами с типичной глубиной проникновения, в 1-2 раза превышающей расстояние между электродами. Существуют различные конфигурации электродов оборудования, наиболее типичная из которых - использование двух токовых и двух потенциальных электродов в диполь-дипольной матрице. Они используются для геотехнический, археология и судебная геофизика исследований и имеют лучшее разрешение, чем большинство обзоров проводимости. Они действительно испытывают значительные изменения в содержании влаги в почве, что затрудняет большинство исследований участков с неоднородным грунтом и различным распределением растительности.[1]

Приложения

Милсом и Эриксен (2011)[12] предоставить полезный полевой журнал для полевой геофизики.

Археология

Основная статья: геофизические исследования (археология)

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

При обследовании потенциального археологического памятника объекты, вырубленные в земле (например, канавы, ямы и почтовые ямы), могут быть обнаружены даже после засыпки с помощью методов электрического сопротивления и магнитных методов. Заполнение также может быть обнаружено с помощью георадара. Фундаменты и стены также могут иметь магнитную или электрическую подпись. Печи, камины и печи могут иметь сильную магнитную аномалию из-за термоостаточная намагниченность был запечен в магнитные минералы.[13]

Геофизические методы широко использовались в недавних работах по подводным останкам древняя александрия а также три близлежащих затопленных города (Ираклион, Канопус и Менутис).[14] Методы, которые включали гидролокатор бокового обзора, магнитная съемка и сейсмические профили раскрыли историю плохого местоположения площадки и неспособности защитить здания от геологических угроз.[15] Кроме того, они помогли найти структуры, которые могут оказаться утерянными. Великий маяк и дворец Клеопатра, хотя эти претензии оспариваются.[14]

Криминалистика

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

Геотехнические изыскания

В геотехнических исследованиях приповерхностная геофизика используется в качестве стандартного инструмента, как для первоначальной характеристики участка, так и для определения того, где впоследствии следует проводить исследование интрузивного участка (S.I.), которое включает скважины и пробные карьеры.[1] В сельских районах можно использовать обычные методы SI, но в городских районах или на сложных участках целевые геофизические методы могут быстро охарактеризовать участок для последующих, интенсивных наземных или приповерхностных методов исследования. Чаще всего это поиск подземных коммуникаций и все еще действующих кабелей, очищенных фундаментов зданий, определение типа (ов) почвы и глубины коренной породы ниже уровня земли, загрязнения твердыми / жидкими отходами, шахтных стволов.[17] и реликтовые мины под землей и даже в различных грунтовых условиях.[18] Были даже проведены внутренние геофизические исследования.[19] Как уже упоминалось, методы различаются в зависимости от материалов мишени и хозяина.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Рейнольдс, Джон (2011). Введение в прикладную и экологическую геофизику. Вили-Блэквелл. ISBN  978-0-471-48535-3.
  2. ^ Hansen, JD; Pringle, JK; Гудвин, Дж (2014). «Георадиолокационные и объемные исследования удельного сопротивления грунта на кладбищах: обнаружение немаркированных захоронений в контрастных типах почвы» (PDF). Международная криминалистическая экспертиза. 237: e14 – e29. Дои:10.1016 / j.forsciint.2014.01.009. PMID  24559798.
  3. ^ Параснис 1997, Предисловие
  4. ^ Slater et al. 2006 г.
  5. ^ а б c d е ж Mussett & Khan 2000, Часть 1
  6. ^ Паркер 1994
  7. ^ а б c Mussett & Khan 2000, Глава 6
  8. ^ Мозли, Д. Pringle, JK; Хаслам, РБ; Иган, СС; Роджерс, С.Л .; Гертиссер, G; Кэссиди, Северная Каролина; Стимпсон, И.Г. (2015). «Геофизические исследования для картирования захороненных вулканических интрузий, Сноудония, Северный Уэльс, Великобритания» (PDF). Геология сегодня. 31 (3): 149–182. Дои:10.1111 / gto.12096.
  9. ^ Mussett & Khan 2000, Глава 11
  10. ^ Параснис 1997, Глава 3
  11. ^ Pringle, JK; Стили, P; Хауэлл, CP; Бранстон, МВт; Фурнер, Р; Мультяшный, S (2012). "Долгосрочный покадровой микрогравитационный и геотехнический мониторинг реликтовых соляных шахт, Марстон, Чешир, США". (PDF). Геофизика. 77 (6): B287 – B294. Дои:10.1190 / GEO2011-0491.1.
  12. ^ Милсом, Дж; Эриксен, А (2011). Полевая геофизика, 4-е издание. Вили-Блэквелл. ISBN  978-0-470-74984-5.
  13. ^ Mussett & Khan 2000, Глава 28
  14. ^ а б Лоулер 2005
  15. ^ Стэнли и др. 2004 г.
  16. ^ Pringle, JK; Раффелл, А; Джервис-младший; Доннелли, Л; МакКинли, Дж; Hansen, J; Morgan, R; Пирри, Д; Харрисон, М (2012). «Использование геолого-геофизических методов для наземных судебно-медицинских поисков». Обзоры наук о Земле. 114 (1–2): 108–123. Bibcode:2012ESRv..114..108P. Дои:10.1016 / j.earscirev.2012.05.006.
  17. ^ Banham, SG; Прингл, Дж. К. (2011). «Георадиолокационные исследования для характеристики средневековых и римских фундаментов под существующими торговыми помещениями: тематическое исследование из Честера, Чешир, Великобритания». Приповерхностная геофизика. 9 (5): 483–496. Дои:10.3997/1873-0604.2011028.
  18. ^ Таквелл, G; Гросси, Т; Оуэн, S; Стернс, П. (2012). «Использование микрогравитации для обнаружения небольших распределенных пустот и грунта с низкой плотностью». Ежеквартальный журнал инженерной геологии и гидрогеологии. 41 (3): 371–380. Дои:10.1144/1470-9236/07-224.
  19. ^ Pringle, JK; Ленхэм, JW; Рейнольдс, младший (2009). «Георадиолокационные исследования для характеристики средневековых и римских фундаментов под существующими помещениями магазинов: тематическое исследование из Честера, Чешир, Великобритания». Приповерхностная геофизика. 7 (2): 371–380. Дои:10.3997/1873-0604.2008042.

Библиография

внешняя ссылка