Metoda odporové tomografie a odporového profilování při vyhledávání puklinových zvodní

Use of resistivity tomography and resistivity profiling methods for prospecting of water-bearing fissured zones

Předneseno na XII. národním hydrogeologickém kongresu v Českých Budějovicích 19. - 22. září 2005.

V příspěvku prezentujeme nové možnosti modelování odporového projevu zvodnělých tektonických poruch, které přineslo zavedení metody odporové tomografie. Z výsledků vyvozujeme metodické poznatky zejména pro metodu odporového profilování. Přitom porovnáváme vlastnosti obou metod. Kromě modelování přímé úlohy jsme připravili ukázky lokalizace zvodnělých tektonických poruch obou metod z několika lokalit.

V devadesátých letech u nás nastupuje metoda odporové tomografie (OT), která využitím mnohoelektrodového kabelu v rámci jednoho procesu proměří zkoumaný řez v mnoha patrech podle zadaného hloubkového dosahu. Zavedení odporové tomografie přineslo i velký rozvoj interpretačního aparátu od řešení přímé úlohy až k řešení obrácené úlohy s použitím metody konečných prvků a diferencí.

V našem referátu využíváme přímou úlohu (Loke 2003) pro řešení odporového modelu klínovité tektonické poruchy. Zvolený model představuje spíše méně významnou poruchu. Vychází z představy, že povrchové zvětrávací procesy způsobují zvětšení mocnosti poruchy a naopak do hloubky dochází k rychlému zmenšování mocnosti poruchy. V modelu je pokryv mocný 1,5 m o odporu 40 Wm. Porucha pod pokryvem má do hloubky 3 m mocnost 2,5 m, v hloubce 3-4 m je mocnost 1,5 m a od 4 m je mocná již jen 0,5 m do nekonečné hloubky. Výplň poruchy má odpor 20 Wm, okolní horniny pod pokryvem mají odpor 100 Wm. Vertikální řez modelu uvádíme v obr. 7.

Modelování jsme počítali pro 3 elektrodové modifikace: symetrické profilování (SOP), dipólové profilování osové (DOP-O) a dipólové profilování ekvatoriální (DOP-E). Záměrně jsme vynechali kombinované profilování , které dává sice kvalitní výsledky, ale je pracnější a dražší než uvedené odporové modifikace.

Na obr. 1 je znázorněna elektrodová geometrie SOP, DOP-O a DOP-E. Obrázek zároveň vysvětluje pojmy délka uspořádání L a délka proudového (AB) či napěťového (MN) dipólu a, se kterými dále v textu pracujeme. Poměr délek L mezi jednotlivými modifikacemi je v obr. 1 nakreslen tak, že ač má každé uspořádání jinou délku, jejich hloubkový dosah je stejný. Obrázek je převzat z poněkud kontroverzní práce Edwardse (1977), ale hloubkový dosah je v souladu s běžnými učebnicemi geoelektrických metod (Mareš a kol.,1979).

Z obr. 1 vyplývá, že pro dané L má největší hloubkový dosah DOP-E a nejmenší SOP. Při daném hloubkovém dosahu uspořádání s kratším L má výrazně lepší interpretovatelnost naměřených hodnot, neboť se snižuje možnost integrace anomálií od blízkých anomálních těles a v plošně omezeném prostoru (např. tovární dvory) lze změřit delší profily. Metoda DOP-E není běžně užívána, konkrétní terénní výsledky DOP-E s aparaturou střídavého proudu 5Hz ukážeme níže.

Modelováním jsme nejprve posuzovali, jak se mění projev tektoniky zvětšováním L pro DOP-E.

V obr. 2 jsou porovnány modelové křivky pro L = 6, 10 a 20 m. Je patrné, že dostatečnou rozlišovací schopnost dává již rozestup s L=6 m. Lepší výsledek dává L=10 m a naopak při L=20 m již dochází k mírnému poklesu anomálního projevu modelu. Je zjevné, že dalším zvětšováním L by se odezva poruchy dále snižovala. Prakticky to znamená, že podle výsledků parametrických měření vertikálního elektrického sondování (VES) je užitečné vždy volit optimálně rozestup co nejmenší možný vzhledem ke zjištěným pokryvným poměrům. Je třeba ještě upozornit, že zvolené lineární měřítko odporové osy vylepšuje výsledek nejdelšího rozestupu, v logaritmickém měřítku, které je pro zobrazení profilových křivek vhodnější, by bylo zhoršení anomálního projevu pro L=20 m markantnější. Obr. 2 samozřejmě jasně dokumentuje výhody kratších rozestupů zmíněné výše při hodnocení obr. 1, tj. menší možnost integrace anomálií např. od blízkých poruch a možnost změření delšího profilu v plošně omezeném prostoru. Na obr. 2 je proměřen profil o délce 100 m, Při L=6 m jsou obě větve potřebné pro plnohodnotnou interpretaci získány na délce 88 m, při L= 20 m je to jen na 60 m. U metody OT samozřejmě problém s volbou optimálního rozestupu odpadá, např. v obr. 7 je odporový řez konstruován z 20 rozestupů.

Řešením přímé úlohy pro DOP-E jsme dále zkoumali, jak významný je příspěvek struktury z větší hloubky. V obr. 3 jsme pro L=20 m porovnali projev našeho modelu, který není hloubkově omezen, s modelem shodného klínovitého tvaru, ale ukončeném již v hloubce 10 m. Odezva modelu s neomezenou hloubkou má

V obr. 4 jsme sledovali vliv kroku měření na velikost anomálie v metodě DOP-E. Ukazuje se, že krok 10 m je vhodný jen pro hrubé mapování struktur. Úplně přesnou lokalizaci struktury např. pro umístění vrtu nezajišťuje ani krok 5 m a teprve krok 2,5 m a kratší může určit mocnost struktury ve výchoze. Jen s malým krokem lze pak řešit i úklon struktury. Kroky 5 a 10 m dávají z tohoto pohledu dokonce matoucí výsledky a ani použití více rozestupů problém neřeší, neboť nejlépe je informace o úklonu uložena v optimálně zvoleném rozestupu, jak je definován výše. Metoda OT nemá v tomto bodě problém, používá se vesměs krok měření 2 m a přítomnost optimálního rozestupu je v souboru prakticky vždy zajištěna.

V obr. 5 jsme na základě výpočtu přímé úlohy porovnávali účinek modelované tektoniky pro hloubkovým dosahem porovnatelné rozestupy DOP-O, DOP-E a SOP s krokem 2 m. Výsledek vyznívá jednoznačně pro dipólová uspořádání. Při kroku 5 m nemusí být tektonika v SOP vůbec detekována. V metodě OT je uspořádání SOP nejlépe softwarově propracováno a vzhledem k počtu rozestupů a obvyklému kroku měření 2 m je výsledek vcelku zaručen. V obr. 5 je v legendě uveden u metody DOP-O i parametr OO´, který se u nás častěji uvádí při definování hloubkového zásahu než parametr L. Uvádíme ho i v následujícím obr. 6, ve kterém porovnáváme 2 rozestupy se shodným OO´.

V obr. 6 u metody DOP-O jsme sledovali závislost kvality indikace modelu na poměru L/a. Výsledek dokumentuje zhoršování indikace při zmenšování poměru L/a a také zmenšování hloubkového dosahu. Při zmenšování poměru L/a je interpretací určována mocnost modelu větší, než je ve skutečnosti.

V následujícím přibližujeme jak vypadají výsledky obou modelovaných poruch (nekonečné a uříznuté) ve výstupních materiálech OT.

Účinek poruchy tvaru klínu jsme vypočetli progamem RES2Dmod (Loke M. H. 2002). Kromě bitmapy uvedené v obr. 7 a 8 máme k dispozici i číselné hodnoty měrného odporu pro jednotlivé hloubkové úrovně. Vertikální osa grafu označená Ps.z. udává pseudohloubky podle Edwardse (1977). Je možnost znázornit tuto osu též jako vzdálenost elektrod MN a vzdálenost elektrod AM. Pak se jedná vlastně o vzdálenost AB/2, jak je u nás obvyklejší. Modelování přímé úlohy je užitečné pro výběr optimálního uspořádání, hloubkového dosahu, určení vlivu vrstvy zvětralin, pokryvného útvaru a podobně. Z těchto údajů jsme vycházeli při našich hodnoceních.

Obr. 7. Model tektonické poruchy hloubkově neomezené a její účinek. Uspořádání Wenner-Schlumberger.

Obr. 8. Model tektonické poruchy ukončené v hloubce 10 m a její účinek v dvojrozměrném odporovém řezu.

Rozdíly v účinku hloubkově omezené poruchy a stejné poruchy sahající do velké hloubky jsou analyzovány v předcházejících obrázcích. Při těchto srovnáních jsme používali číselné hodnoty měrného odporu, které jsou přesnější než vyjádření v izočárách.

Výsledky aplikace přímé úlohy OT na zvolený odporový model tektonické poruchy ukazují, že nutnými předpoklady pro aplikaci odporového profilování pro mapování tektoniky je optimální volba hloubkového dosahu a použití vysokých poměrů L/a. Pro detailní průzkum je nutno zkrátit krok měření pod 5 m. Využitím výše uvedených zásad lze efektivně využít metodu dvojrozměrné tomografie i metodu odporového profilování pro splnění požadavků a konkrétních úkoly hydrogeologického průzkumu a výzkumu.

Z popisovaných odporových modifikací vychází nejlépe metoda DOP-E. Metoda DOP-O dává sice o něco výraznější indikace nad tektonikou, ovšem pro stejný hloubkový zásah je nutno použít podstatně větší L. Metoda SOP je pro lokalizaci poruch jednoznačně nejméně vhodná. V OT je využívána nejčastěji, menší výraznost indikací poruch vyrovnává použití kroku 2 m a velkého množství rozestupů, které zajišťují potřebný výsledek. Jednodušší indikace poruch pak usnadňují použití obrácené úlohy pro interpretaci.

Získané metodické poznatky umožňují mj. kritický pohled na používání metody OP v minulosti. V rámci geofyzikální průzkumu na uran bylo např. v minulosti na rozsáhlých plochách aplikováno KOP s rozestupy (podle sovětských předpisů) AB přes 100 m a velmi často i přes 200 m, velikost MN přitom byla 10 a 20 m a krok měření 10 m nebo 20 m. V naměřených hodnotách proto na jedné straně docházelo k integraci blízkých tektonických poruch, na druhé straně pak byla u jednoduchých poruch určována podstatně větší mocnost než byla mocnost skutečná. Při řešení detailu se pak situace řešila tím, že byla upřednostňována metoda TURAM. Je však třeba říci, že situace ani dnes není příliš dobrá. Pro usnadnění a urychlení měření (při používání aparatur stejnosměrného proudu) se např. u metody DOP-O používají délky dipólů (a) 10 m a někdy i 20 m a poměry L/a<5. Rozhodně to výrazně zhoršuje interpretovatelnost naměřených hodnot.

2. Ukázky výsledků terénních prací metodou dvojrozměrné odporové tomografie (OT)

Obrázek 9 ukazuje anomálie sníženého odporu vyvolané zvýšenou puklinatostí. Pukliny mají při povrchu hlinitopísčitou výplň a v hloubce jsou zvodnělé. Řez s izoliniemi zdánlivého odporu (horní část obrázku označená písmenem A) ukazuje několik poloh sníženého odporu skalního podkladu moldanubických rul. V dolní části je model geologického řezu ukazující měrné odpory, hloubky skalního podkladu a stupeň jeho rozpukání a hloubkové rozložení odporových nehomogenit. Vysoké odpory v sz. části řezu ukazují nerozpukané ruly. Ve střední části řezu jsme vyznačili 3 zóny rozpukání a propustnosti skalního podkladu označené A1, A2, A3. V našem případě byla nejdůležitější zóna zvýšené puklinatosti A1, protože navazovala na oblast kontaminace podzemní vody chlorovanými uhlovodíky v sousedním objektu. Předpoklad, že se jedná o preferovanou cestu podzemní vody potvrdil hydrogeologický vrt, který zjistil puklinovou zvodeň s chlorovanými uhlovodíky v hlubší části zvodně. Naše lokalizace zóny zvýšené puklinatosti tak přispěla k úspěšné sanaci kontaminované podzemní vody. Z hlediska vyhledávání vodního zdroje, které však nebylo v tomto případě předmětem zájmu, je možno připomenout, že vydatnějším zdrojem by byla zóna A3 nebo anomálie v okolí metráže 238.

Tento obrázek si můžete prohlédnout zvětšený zde.

3. Ukázky výsledků terénních prací metodou DOP-E

Než uvedeme konkrétní výsledky měření, stručně se zmíníme o technice terénních prací. Měření jsou prováděna střídavým milivoltmetrem FRPA s pracovní frekvencí 0,5555 Hz a 5 Hz (v ukázkách je měřeno s f=5 Hz) a vysílačem proudu GEOVYS, který se skládá z miliampérmetru GEVY 100, geoelektrického časovače a polovodičového komutátoru GEP a stabilizátoru proudu GESTA (vše výroba býv. Geofyzika a.s.). V rámci vývoje aparatury byly provedeny terénní zkoušky, které ověřovaly vlivy rušení (mj. se věnovaly i vlivu skinefektu) a bylo přitom dosaženo velmi dobrých výsledků. Komplet aparatur při zkouškách vykázal vysokou přesnost a rychlost měření a jeho výhody ho vysloveně předurčují pro měření v uspořádání DOP-E, kde je přijímané napětí ještě o polovinu menší než u metody DOP-O se stejným L. Vysoká přesnost měření umožnila zmenšit velikost dipólů na 1- 2 m při zachování potřebného hloubkového dosahu a obsluhu tak bylo možno snížit na dvě osoby. Poznamenáváme, že s aparaturami stejnosměrného proudu je možno měřit větší hloubkové zásahy DOP-E jen s nepolarizovatelnými elektrodami a při značně nižší rychlosti měření.

První ukázka měření je z prostředí křídových pískovců v jímacím území Česká Lípa – jih, z okolí jímacího vrtu ZP-7.

Na obr. 10 jsou porovnány 2 hloubkové zásahy DOP-E. Mělčí zásah (L=10 m) má vyšší odpory než hlubší (L =30 m). Příčinu si vysvětlujeme existencí tzv. suché zóny (ověřeno VES), může jít snad o povrchovou vrstvu nad kapilární hladinou podzemní vody. Nejvyšší odpory jsou na mírné elevaci s výchozy pískovců. Rozhodně se nejedná o sutě, neboť právě mělčí hloubkový zásah zde indikoval 2 výrazné vodivé zóny jako projev velmi úzkých puklin. Zóna v metráži 1010-1020 může být projevem málo magnetických vulkanitů (viz korelace s magnetometrií). V hloubkovém zásahu s L =30 nejsou vodivé zóny jasně indikovány, objevují se jen odporová rozhraní. Je to doklad závěrů z 1. kapitoly, že zvětšování hloubkového zásahu nepřináší žádný efekt, jen zhoršuje interpretační možnosti.

Další ukázka je z měření na stavebním pozemku v kambrických slepencích, kde se hledal zdroj vody. Po předchozích čtyřech neúspěšných vrtech na pozemku byl na poruchové zóně z obr. 11 realizován jímací vrt o vydatnosti cca 0,6 l/sec. Z obr. 11 je zjevné, že při vysokých měrných odporech kompaktních hornin je projev tektoniky podstatně výraznější než je tomu u modelu v kapitole 1, kde jsme záměrně zvolili odporové poměry méně příznivé.

Poslední ukázka je z křídových slínovců s měrnými odpory kolem 20 až 25 Wm. Obr. 12 demonstruje, že při optimálně zvoleném hloubkovém zásahu lze detekovat tektoniku i v horninách o poměrně nízkém odporu. Poznamenáváme, že realizovaný vrt dosáhl vydatnosti cca 0,4 l/sec., i když je zřejmé, že indikace stávající studny je podstatně výraznější.

4. Závěr

Výsledky modelování tektoniky přímou úlohou OT upozorňují na zásady, které je třeba dodržovat při aplikaci OP na vyhledávání tektonických struktur. Je to především optimální volba hloubkového dosahu, kterou lze v podstatě definovat jako nejkratší možnou, kterou již negativně neovlivňuje pokryv. Dále třeba používat uspořádání s vysokými poměry L/a a krok měření u detailních úkolů (lokalizace vrtů) je třeba zkrátit pod 5 m. Výsledky modelování také zpochybňují představu, že zvětšováním hloubkového dosahu (L) lze získat významné a jednoznačné informace o vývoji tektoniky směrem do hloubky.

Je přiblížena uživateli poměrně málo známá metoda OT. V obr. 7 a 8 jsou ukázány grafické výstupy modelování přímou úlohou, jejichž číselný výstup byl rozpracován profilových grafech v kapitole 1. V obr. 9 je pak ukázán výsledek praktické aplikace v terénu.

Již Edwards (1977) upozornil na příznivý poměr mezi hloubkovým dosahem a délkou roztažení u uspořádání DOP-E a kombinovaného profilování. Výsledky modelování i terénní praxe to pro metodu DOP-E plně potvrzují. Dobře to dokumentují i předložené terénní ukázky metody DOP-E.

Naší snahou bylo objasnit obecné metodické zásady OP při zaměření na vyhledávání tektonických struktur. Chtěli jsme tak pomoci odběratelům, aby se mohli lépe orientovat v nabídce na trhu a poskytnout jim určitá kritera, podle nichž by mohli posuzovat nabídky dodavatelů. Doufáme, že se nám to podařilo, neboť metoda OP je poměrně jednoduchá a prosté grafické výstupy naměřených hodnot jsou dobře čitelné a interpretace vodivých struktur není nijak složitá. S určitou nadsázkou by se dalo říci, že indikace tektoniky v grafech není třeba interpretovat, postačí je jen naměřit.

Seznam použité literatury:

Edwards, L. S. (1977): A Modified Pseudosection for Resistivity and IP. Geophysics, Vol. 42, No 5.

Loke, M.H. and Barker, R.D. (1996a): Rapid least–squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, 44, 131-152.

Loke, M.H. (July 2002): Rapid 2D resistivity forward modelling using the finite difference and finite-element methods. Wenner (alpha, beta, gamma), inline & equatorial dipole-dipole, pole-pole, pole-dipole and Wenner-Schlumberger. Geotomo Software.

Loke, M.H. (July 2003): Rapid 2-D Resistivity & IP Inversion using the least squares method. Wenner, dipole-dipole, inline pole-pole, pole-dipole, equatorial dipole, Wenner-Schlumberger and non-conventional arrays. On land, underwater and cross-borehole surveys. Geoelectrical Imaging 2-D & 3-D. Geotomo Software, Penang, Malaysia.

Loke, M.H. (2003): Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. www.geoelectrical.com

Mareš, S. a kol. (1979): Úvod do užité geofyziky