Nauka a zarządzanie obszarem Tatr i ich otoczeniem, tom I – Zakopane 2010

Słowa kluczowe: wieloletnia zmarzlina, nieciągłazmarzlina górska, sondowanie elektrooporowe, tomogra−fia elektrooporowa, metody indukcyjne, modelowanienumeryczne i inwersja

Keywords: discontinuous mountain permafrost, DCresistivity sounding, resistivity imaging, induction methods,numerical modeling and inversion

Streszczenie

W pracy omawiane są typowe problemy pojawia−jące się podczas stosowania metod geoelektrycznychw badaniach permafrostu górskiego. Pokazano jak moż−na, na drodze modelowania numerycznego, wytłuma−czyć/zinterpretować częste zburzenia krzywych sondo−wań elektrooporowych. Omówiono specyfikę interpreta−cji badań metodą tomografii elektrooporowej w przypad−ku płytkich obiektów wysokooporowych („soczewki” pe−mafrostu). Zwrócono uwagę na ograniczenia metod in−dukcyjnych w przypadku badań w środowisku górskim.

Wstęp

Metody geofizyczne, zwłaszcza geoelektryczne, wy−korzystywane są coraz szerzej w badaniach geomorfolo−gicznych (np. Schrott and Sass, 2008; Hauck and Kneisel,2008). Dotyczy to zwłaszcza metody elektrooporowej, któ−ra w wersji sondowań i tomografii (Dahlin, 1996) jest odwielu lat stosowana w nieinwazyjnych badaniach wielo−letniej zmarzliny górskiej (np. Fisch et al. 1977; Etzelmülleret al. 2003; Hauck and Vonder Mühll, 2003; Kneisel, 2004),również w Tatrach (np. Dobiński et al. 1996, Mościckiand Kędzia, 2001). Ostatnio w badaniach stosowane sąrównież indukcyjne metody elektromagnetyczne (EM)(Vonder Mühl et al. 2001, Dobiński et al. 2008). Wymie−nione metody mają swoje ograniczenia, co nie jest za−wsze uwzględniane w czasie pomiarów, jak i w później−szej, kontekstowej i krytycznej interpretacji wyników.

Sondowania elektrooporowe

W warunkach wysokogórskich krzywe sondowańelektrooporowych często są zaburzone, co wynika z dwu/

Uwagi o stosowaniu geofizycznych metod geoelektrycznychw badaniach nieciągłej, wieloletniej zmarzliny górskiej

Włodzimierz Jerzy Mościcki

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo−Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

trójwymiarowego charakteru budowy ośrodka. Częstymzjawiskiem (Ryc. 1A) jest zbyt duży kąt nachylenia krzy−wej, a czasami krzywe sondowań są specyficznie „gar−bate”, lub/i gwałtownie się „załamują” (Ryc. 1B), cowywołane jest przestrzenna geometrią (2D lub 3D) roz−mieszczenia WZ. Krzywe sondowań mogą być równieżskażone znacznymi, nieregularnymi błędami pomiaro−wymi wymuszonymi charakterem terenu i jego powierz−chni – Ryc. 1C (symbolem X w kółku oznaczono „złe”fragmenty krzywych). W pokazanych przykładach wi−doczne są fragmenty krzywych sondowań nachylonepod kątem większym niż 45°, co uniemożliwia interpretacjękrzywych z wykorzystaniem modelu 1D (Koefoed, 1979).

Występowanie regularnych zaburzeń krzywych son−dowań można wyjaśnić na drodze modelowania nume−rycznego. Między innymi można pokazać, że nachyleniekrzywej przewyższające 45° wywołane może być wpły−wem morfologii powierzchni terenu. Przykładowo, jeżeliWZ występuje w postaci przypowierzchniowej „soczew−ki” ukrytej pod niewielkim morfologicznym wyniesie−niem (Ryc. 2) to wznosząca się gałąź krzywej może byćanomalnie nachylona. Zwróćmy jednocześnie uwagę nagwałtownie, „nienaturalnie” (w sensie modelu 1D) opa−dający końcowy fragment krzywej. Jest to wynikiem tzw.efektu ekranowania następującego w momencie, gdyelektrody prądowe A i B przechodzą poza krawędź po−szukiwanej „soczewki” wysokooporowej (Mościcki, Kę−dzia, 2001). Zjawisko to jest szczególnie silne wówczas,gdy miąższość obiektu jest niewielka i leży on (względ−nie) płytko, a taka sytuacja ma bardzo często miejscew przypadku nieciągłej zmarzliny górskiej.

Przypadek, gdy krzywa sondowania ma „garby”,i nie jest interpretowalna w ramach modelu 1D, równieżjest wywołany efektem ekranowania przy asymetrycz−nym położeniu punktu pomiarowego względem środka„soczewki” – Ryc. 3, albo jej zróżnicowaną (niepłaską)powierzchnią – Ryc. 4.

Tomografia elektrooporowa

Wykorzystanie metody tomografii (ERT) ograniczasię zazwyczaj do wykonania standardowej interpreta−cji geofizycznej (inwersji), bez analizy wieloznaczności

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32103

104

Ryc. 1. Zaburzenia polowych krzywych sondowania elektrooporowego. A. za Ikeda 2006 B. za Kneisel 2004 C. za Dobińskiet al. 1996

Fig. 1. Examples of disturbed DC resistivity sounding curves (field). A. after Ikeda 2006 B. after Kneisel 2004 C. after Dobińskiet al. 1996

i końcowej interpretacji geomorfologicznej („zmarzlino−wej”). Częstym zjawiskiem jest tu nadinterpretacja, wykra−czająca poza możliwości metody (Dobiński et al. 2008).Związane jest to z tym, że „obraz” rozkładu opornościz głębokością, uzyskiwany z typowej inwersji (progra−mem RES2DINV – Loke, 2003), nie musi odpowiadać rze−czywistemu rozkładowi oporności. Ilustruje to teoretycz−ny przykład z Rysunku 5. Mamy tu do czynienia z ideal−nym ośrodkiem 3−warstwowym (rodzajem „kanapki”), nadktórym wykonujemy „pomiary” ERT – Ryc. 5a. Inwersjaotrzymanych (obliczonych numerycznie) danych nie od−twarza pierwotnego, „schodkowego” rozkładu oporności,dając obraz „rozmyty”, bez ostrych granic – Ryc. 5b. Do−datkowo w obrazie tym zauważyć można „fałszywe” ano−malie – artefakty. Rozmycie wyinterpretowanego modeluopornościowego dobrze widać w profilu pionowym PP−PP wypreparowanym z rezultatów inwersji – Ryc. 5c. Po−równano tu rozkład rzeczywisty oporności (M) z dwomametodami inwersji: normalnej (N) i robust (R). Widać że,rozbieżność między modelem, a wynikami inwersji na−

rasta wraz ze zwiększaniem się kontrastu oporności. Na−leży wyraźnie podkreślić, że wyniki inwersji są poprawnepod względem formalnym (błąd inwersji jest bardzo mały).

W przypadku nieciągłej zmarzliny górskiej mamy doczynienia z ograniczonymi rozmiarami permafrostu, cododatkowo, specyficznie odzwierciedla się w wynikachinwersji. Sytuację taką zilustrowano na Rysunku 6. Poka−zano tu dwuwymiarowy, prostokątny w przekroju, obiektwysokooporowy (permafrost), który w obrazie inwersyj−nym zamienia się w, wygiętą ku dołowi soczewkę, bezostrych granic. Również rozkład wyinterpretowanej opor−ności nie odtwarza też rozkładu pierwotnego−modelo−wego, maksymalne oporności są wyraźnie niższe. Wy−niki będą też zależały od „wymiarów” permafrostu (mo−delu) i głębokości jego występowania. Widać więc, żew stosując metodę tomografii elektrooporowej należydo wyników inwersji podchodzić z rozwagą, pamiętająco wieloznaczności wyinterpretowanego rozkładu opor−ności. Ostatecznie rozkład ten należy interpretować kon−tekstowo, w kategoriach geomorfologicznych.

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32104

105

Metody indukcyjne

Metody indukcyjne stosowane są w badaniach gór−skiej WZ „na siłę”, bez uwzględniania ich możliwościprospekcyjnych wynikających z podstaw fizycznych.Metody indukcyjne „wymyślono” dla poszukiwania bar−dzo dobrych przewodników (obiektów o niskiej opor−ności) w ośrodku geologicznym. Możliwe jest też wy−krywanie odpowiednio dużych ciał wysokooporowychw dobrze przewodzącym otoczeniu. W przypadku wielo−letniej zmarzliny, zarówno jej oporność elektryczna, jaki ośrodka, w którym występuje (powstaje) są bardzo wy−

sokie. W takiej sytuacji wtórne pole EM indukowanew ośrodku geologicznym ma bardzo małe natężenie i po−ziom mierzonego sygnału jest skrajnie niski. Jest to nieko−rzystne, gdyż dla wiarygodności danych pomiarowychistotne znaczenie ma stosunek mierzonego sygnału dopoziomu zakłóceń elektromagnetycznych (w tym szu−mu własnego aparatury pomiarowej). W warunkachośrodka wysokooporowego stosunek ten jest bardzoniekorzystny co sprawia, że mierzone „małe anomalie”nie są wywołane przez budowę geologiczną, lecz gene−rowane warunkami technicznymi pomiaru, a mierzo−ne wartości nie są powtarzalne. Tak więc, stosowanie

Ryc. 2. Modelowanie numeryczne. Krzywe sondowania na wyniesieniu morfologicznym

Fig. 2. Numerical modeling. DC sounding curves for not flat terrain

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32105

106

Ryc. 3. Modelowanie numeryczne. Krzywe sondowania nad uproszczonym modelem permafrostu; a. zmienne położeniepunktu sondowania, b. zmienna miąższość permafrostu

Fig. 3. Numerical modeling. DC sounding curves for a simplified permafrost model; a. different location of sounding point,b. different permafrost thickness

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32106

107

metod indukcyjnych do odróżniania jednych skał wy−sokooporowych od innych też cechujących się dużymiopornościami nie znajduje uzasadnienia merytoryczne−go. Jaskrawy przykład ilustrujący omówioną problema−tykę pokazany jest na Rysunku 3, przedstawiającymwyniki badań ze Skandynawii (Vonder Mühl et al. 2001).Profilowanie EM (aparatura Geonics EM31) było powta−rzane dwukrotnie wzdłuż tej samej linii, a wyniki są zde−cydowanie różne (na co wpłynął słaby sygnał oraz dryftprzyrządu). Podanie jako wyniku wartości średniej jestco najmniej wątpliwe. Nie zwraca się często uwagi rów−nież na bezwzględną wartość mierzonej oporności (prze−wodności) ośrodka i grube rozbieżności między warto−ściami tego samego parametru, uzyskiwanymi z różnychmetod geoelektrycznych (Dobiński et al. 2008). Osobnąsprawą jest metodyka pomiarowa. Metoda profilowań

indukcyjnych (Geonics EM31) jest nieinwazyjna, niewymaga kontaktu aparatury z gruntem, a pomiary wyko−nywane są bardzo szybko (podobnie jak w przypadkumagnetometru protonowego). Można więc stosowaćgęsta siatkę pomiarową ograniczoną jedynie dostępno−ścią terenu. Umożliwia to wtedy precyzyjne okonturo−wanie ewentualnych anomalii. Takie podejście, przynaj−mniej w warunkach tatrzańskich, nie jest stosowane (Do−biński et al. 2008, Żogała et al. 2002).

Wnioski

Zastosowanie metod geofizycznych w warunkachgórskich wymaga starannego podejścia, zarówno pod−czas planowania badań, wyboru lokalizacji i wykony−wania w terenie.

Ryc. 4. Teoretyczne krzywe sondowania nad modelem permafrostu ze zmienna miąższością

Fig. 4. Theoretical DC sounding curves for a permafrost model with varying shape

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32107

108

Ryc. 5. Przykład tomografii elektrooporowej dla 1D ośrodka trój−warstwowego; a. model i układ pomiarowy, b. wynik inwersji,c. pionowe profile opornościowe wzdłuż linii PP−PP

Fig. 5. Numerical example. Resistivity tomography for simple three−layer 1D model; a. model and array, b. inversion, c. verticalresistivity profiles along PP−PP line

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32108

109

Interpretacja powinna być prowadzona konteksto−wo, z uwzględnieniem specyficznych warunków wyko−nywania pomiarów, lokalnej morfologii i pokrycia te−renu.

Interpretację należy wspomagać modelowaniem, comoże ułatwić wybór spośród możliwych rozwiązań (ogra−niczyć wieloznaczność) i umożliwi zaproponowaniekońcowej, geomorfologicznej interpretacji badań.

Praca została wykonana w ramach Działalności Sta−tutowej, nr 11.11.140.769, Wydziału Geologii, Geofizykii Ochrony Środowiska AGH.

Ryc. 6. Przykład tomografii elektrooporowej dla madelu „soczewki” pemafrostu; a. model, b. wynik inwersji normalnej (de−fault), c. wynik inwersji robust

Fig. 6. An example of resistivity tomography for the „lens” of permafrost; a. model, b. normal (default) inversion, c. robustinversion

Remarks on application of geophysicalgeoelectric methods in mountaindiscontinuous permafrost studies

In the paper some typical problems occurring whengeoelectric methods are applied to permafrost studiesare discussed. Frequent disturbances observed on DCsounding curves are explained on the basis of numeri−cal modeling. Some aspects of resistivity tomographyinversion for shallow high−resistivity targets (permafrost“lenses”) are discussed. Limitations in applicability ofinduction methods were mentioned.

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32109

110

Literatura

Dahlin T., 1996. 2D resistivity surveying for environmen−tal and engineering applications. FIRST BREAK vol.14, No 7, p. 275–283.

Dobiński W., Gądek B. & Żogała B., 1996. Wyniki geo−elektrycznych badań osadów czwartorzędowych wpiętrze alpejskim Tatr Wysokich. Przegląd Geologicz−ny 44: 259–260.

Dobiński W., Żogała B., Wzietek K. and Litwin L., 2008.Results of geophysical surveys on Kasprowy Wierch,the Tatra Mountains, Poland. In: Applied geophysicsin periglacial environments. Cambridge University Press.

Etzelmüller B., Berthling I., Řdegard R., 2003. One−di−mentional DC−resistivity depth soundings as a tool inpermafrost investigations in high mountain areas ofsouthern Norway. In Zeitschrift für Geomorpholo−gie, Supplement Volume 132, Geophysical Applica−tions in Geomorphology: 19–36.

Fisch W Sen., Fisch W Jun., Haeberli W., 1977. ElectricalD.C. resistivity soundings with long profiles on rockglaciers and moraines in the Alps of Switzerland. Zeits−chrift für Gletscherkunde und Glaziologie 13: 239–260.

Hauck C, Vonder Mühll D., 2003. Inversion and Interpre−tation of Two−dimensional Geoelectrical Measurementsfor Detecting Permafrost in Montanious Regions. Per−mafrost and Periglacial Processes 17: 35–48.

Hauck C., Kneisel C., 2008. Applied geophysics in perigla−cial environments. Cambridge University Press. p. 240.

Ryc. 7. Przykład profilowania metodą indukcyjną (Geonics EM−31) w warunkach górskich. Za Vonder Mühll, 2001

Fig. 7. An example of induction profiling (Geonics EM31) in mountain conditions. After Vonder Mühll, 2001

Ikeda A., 2006. Combination of conventional geophysi−cal methods for sounding he composition of rockglaciers in the Swiss Alps. Permafrost and PeriglacialProcesses 17: 35–48.

Kneisel C., 2004. New Insights into Mountain PermafrostOccurrence and Characteristics in Glacier Forefieldsat High Altitudethrough the Application of 2D Resi−stivity Imaging. Permafrost and Periglacial Processes15: 221–227.

Koefoed O., 1979. Geosounding principles, 1. ResistivitySounding Measurements Elsevier, Amsterdam – Ox−ford – New York.

Loke H., 2003. Rapid 2D Resistivity & IP Inversion usingthe least−squares method. Geotomo Software. Manual.

Mościcki J., Kędzia S., 2001. Investigation of mountainpermafrost in the Kozia Dolinka valley, Tatra Moun−tains, Poland. Norsk Geografisk Tidsskrift 55:1–6.

Schrott L., Sass O., 2008. Application of field geophysicsin geomorphology: Advances and limitations exem−plified by case studies. Geomorphology 93: 55–73.

Vonder Mühll D., Hauck C., Gubler H., McDonald R. andRussill N., 2001. New geophysical methods of investi−gating the nature and distribution of mountain perma−frost with special reference to radiometry techniques.Permafrost and Periglacial Processes 12(1): 27–38.

Żogała B., Dubiel R., Groszczyńska H. i Malina R., 2002.Zastosowanie metod geofizycznych do rozpoznaniapłytkiej budowy geologicznej na przykładzie wybra−nych rejonów Tatr. W: Przemiany środowiska przy−rodniczego Tatr. Kraków – Zakopane, 2002.

Nauka a zarzadzanie_T1_k.p65 2011-11-30, 09:32110