Felszni s frlyuk geofizikai mdszerek alkalmazsa a hidrogeolgiban

Ferencz Edith, SZTE TTIK Szanyi Jnos, SZTE TTIK Szongoth Gbor, Geo-Log Kft.Szeged, 2009. oktber 21.

TartalomA geofizika meghatrozsaltalnos geofizika Gyakorlati geofizika

Elektromos mdszerekEgyenram mdszerek Vltram mdszerek

Szeizmika Mlyfrsi geofizika

Mi a geofizika?A geofizika, a fldtudomnyok kz tartoz tudomnyg, amely a Fld (s tgabb rtelemben a bolygk) belsejben s krnyezetben zajl fizikai jelensgeket, azok mrhet fizikai jellemzit vizsglja klnbz lptkben.Clja:Trtnete:1687 Newton gravitcis trvnye a fldi nehzsgi tr vizsglata 1600 Gilbert: a Fld gy viselkedik, mint egy mgnes fldmgnessg XIX-XX. szzadforduln els mszeres fldrengs mrsek szeizmolgia 1891 Br Etvs Lornd torzis inga gyakorlati geofizika 1907 az ELGI (Etvs Lrnd Geofizikai Intzet) ltrejtte 1915 nyersanyagkutat geofizika (Morvamez; venezuelai, texasi olajmezk) 1930-as vek szeizmika s elektromos mdszerek sikerei 1949 ELTE Geofizikai Tanszk (Egyed Lszl tanszkvezet) 1960 lemeztektonika elmletnek bizonytsa (paleomgneses mrsek)...

A Fld megismerse a fizika mdszereivel (roncsolsmentes mdszerek)

A) ltalnos geofizikaa Fld s a bolygk alakja s nehzsgi ertere fldmgnessg szeizmolgia (fldrengstan) ltalnos geotermika s radiometria a Fld krli trsg fizikja (ionoszfra, magnetoszfra)

B) Gyakorlati geofizikagravitcis kutatmdszer geomgneses kutatmdszer s paleomgnessg rgszeti geofizika s archeomgnessg. szeizmika gyakorlati geotermika mlyfrsi geofizika (msnven karotzs) geoelektromos kutats mrnkgeofizika (pl. fldradaros vizsglatok)

Geoelektromos mrsi mdszera felszn alatti fldtani kpzdmnyek (szerkezetek) elektromos ellenlls szerkezett trkpezi fel a mrt elektromgneses trjellemz (pl. feszltsg, trerssg, ram) fgg a kzetek elektromos tulajdonsgaitl, illetve a trbeli elhelyezkedsktl

Forrsoktermszetes (elektrokmiai folyamatok, fldi mgnenses tr, lgkri kislsek) mestersges (rambevezets - elektrdk vagy indukci tekercsek; vltoztathat mlysgi behatols ~ tbb 10 km) egyenram vltram

A) Egyenram mdszerek(Ohm trvny - elektromos sszetev - tpelektrdk tvolsga)Termszetes vagy spontn potencil (SP vagy PS) Tlttt test mdszere Fajlagos ellenllst mr mdszerek

B) Vltram mdszerek(Maxwell-egyenletek - mgneses sszetev - frekvencia-vltozs)Tellurikus s magnetotellurikus mdszer Gerjesztett polarizci (GP) Rdifrekvencis mdszerek (radar) Rdifrekvencis elektromgneses mrsek (VLF) Lgi elektromgneses mrsek, stb. A vezets mechanizmusa: elektronos vezets fmek, rcek ionos vezets ledkek

Egyenram mrs elve, kivitelezse leegyszerstve:kt az altalajjal konduktv csatolsban lev elektrda kz ramot bocstunk (A, B ramkibocsjt elektrdk) kt msik elektrda kztt mrjk az inhomogn elektromos vezetkpessg eloszls altalaj ltal ltrehozott potencil klnbsget (M, N mrelektrdk)

Termszetes vagy spontn potencil (SP vagy PS)Helyi jelleg elektromos terek, a fldtani kpzdmnyekben lejtszd fizikai-kmiai jelensgeket: elektromos vezetkpessg rcek kutatsa filtrcis potencil: a prusokban traml vz ramlsi irnya (tektonikai znk), szivrgsok kontakt potencil: kt klnbz tulajdonsg/fzis kzeg rintkezse (mrvny s mszk, fagyott talaj s vzzel teltett talaj)

Mrs: alapponthoz viszonytva mrjk a potencilklnbsget

Tlttt test mdszereKrnyezethez kpest jl vezet, egy vagy tbb pontjn furssal, bnyavgattal vagy kibvssal feltrt kpzdmny terleti kiterjedst kvnja feltrkpeznia kpzdmnyhez csatlakoztatott tpelektrda tert vizsglja (mrelektrdt nagy tvolsgra) Rtegvizek ramlsi sebessgnek mrse, ha a rteget megfrtk valahol (szott vz, elektrda a rteggel szemben, folysirny eltorzuls az izovonalakban)

Fajlagos ellenllst mr mdszerekA fldtani kpzdmnyek felsznrl mrhet ltszlagos fajlagos ellenllsa (tbb rteg egyttes hatsa) => rtegsor felptseVertiklis elektromos szelvnyezs (VESZ az elektrda elrendezs geometriai mreteinek nvelsvel mlysg szerinti vltozst mrnk egy llomson) Horizontlis elektromos szelvnyezs (az elektrda elrendezs mretei s relatv helyzete lland tbb llomson megmrjk)

Vertical Electrical Sounding VES Schlumberger Electrical Sounding

Horizontlis Szelvnyezs(Resistivity profiling) Eltemetett fmtrgyak feldertse

Alkalmazsi terletksznhidrogn kutats antiklinlisok feldertse rtegzett modell vizsglata durvatrmelkes trolk lehatrolsra medenck, trsznk, regek krlhatrolsa vzkutats (talajvzszint megllaptsa), gthibk feldertse ss vizek beramlsa eltemetett fmtrgyak megtallsa szennyezdsek felmrse rgszeti maradvnyok feltrkpezse rckutats

Pldk az elektromos szelvnyezsre

Korrelci frsok ismert rtegsorval

Vertiklis s horizontlis elektromos szelvnyezs egyidej alkalmazsval, megfelel elektrda elrendezs mellett 3 dimenzis tomogrfis kpet alkothatunk a fldtani kpzdmnyekrl.

Gerjesztett polarizci (GP Induced Polarization IP)rgztett elektrdatvolsg mellett mrjk a felszn alatti kzetek tlthetsgnek mlysg szerinti eloszlst, s idsor mentn a lecseng feszltsget (egytt a fajlagos ellenlls mrsekkel)Befolysolja a felsznalatti vizek startalma, sznhidrogntartalma Klnbz szemcse-sszettel rtegekbl ll n. szendvicsszerkezetek kutatsa; agyag-iszap frakci elklntse a homok-kavics frakcitl; krnyezetszennyezsek feldertse Valdi ellenlls (ohmm)

Tlthetsg (msec)

Tellurikus s magnetotellurikus mdszera fldi termszetes elektromgneses tr elektromos ill. elektromos s mgneses komponenseinek mrseSkinhats - minl nagyobb a Fld felsznre rkez elektromgneses hullm peridusideje, annl mlyebbre hatol => medencealjzatot feltrkpez frekvenciasv kivlasztsa Impedancia az elektromos s mgneses sszetev hnyadosa Folyamatos mrs a bzisllomson s egyidejleg 4-5 mrllomson fldtani informci a bzisllomshoz viszonytott vltozsokbl egymsra merleges elektrdkkal; ill. indukcis tekercsekkel, variomterekkel, elektron precesszis vagy teltett vasmagos magnetomterekkel mrik

ledkgyjt medence aljzat mlysgt s szerkezetnek kutatsa => sznhidrognkutat geofizika

Dunntl egysges tellurikus vezetkpessg trkpe (a medencealjzat mlysgviszonyaival arnyos)

SzeizmikaLnyege a rugalmas hullmok keltse felszni vagy felszn kzeli energiaforssal, s a mlybl a felsznre visszajut kis energij hullmok regisztrlsa. A regisztrlt hullmkp feldolgozsbl s a berkezsi idkbl kvetkeztetni lehet a rteghatrok helyzetre s rugalmas paramtereire. Forrsok:A) Mlysgben robbantanak / srtett levegvel vzben B) Vibroszeiz eljrs (felszni dnglses vagy kalapccsal) Mreszkz: geofon, hidrofon (a talajrezgseket elektromos jelekk alaktjk, idben vltoz mdon erstik), kbelek, mszerkocsi, regisztrl egysg (mgnesszalag) Hasznos jel: longitudinlis hullmok

Rugalmas test egy trfogatelemnek elmozdulsakor fellp erky

Terjedsi irnynyrer

nyomer

hzer

Transzverzlis hullm

Longitudinlis hullm

X

Hullmfajtktrhullmok longitudinlis Vl= (+2)/ transzverzlis Vt= /, = Lame-fle rugalmassgi llandk = 0 (folyadkokban s gzokban)

felleti hullmok (Rayleigh, Love)

A rugalmas hullmok alkalmazsi terleteifldrengs s lemeztektonikai kutatsok Fld bels szerkezetnek kutatsa elrejelzsek (vulkni, s fldrengs aktivits) hadszati felhasznls svnyi nyersanyagkutats (CH) infrastruktra tervezs (pletek, hidak, stb.) rgszet regek kutatsaKlnbsg a szeizmolgia s szeizmika kztt: a vizsglt mlysgtartomny. A szeizmika a legfels nhny km-es kzettmeg szerkezett, tulajdonsgait prblja felderteni, clja a kzvetlen pl. frsos megismers elksztse.

szeizmolgia

szeizmika

svnyi nyersanyagkutats a szeizmikus mrs kivitelezsea mrsi vonalak (robbantpontok s geofoncsoportok) helynek kijellse, mestersges hullmkelts (robbantlyukak frsa nhny m-tl nhnyszor 10 m mly, a laza rteg alatt) berkez hullmok rgztse (geofonok, hidrofonok), tovbbtsa a szeizmikus hullmok erstse, rszleges szrs (felleti hullmok eltvoltsa) szeizmikus jelek regisztrcija (digitlis adatok, mgnesszalag) nyers adatok feldolgozsa (statikus korrekci, dekonvolci, sebessganalzis, migrci, stb.) a feldolgozott anyag sztratigrfiai rtelmezse

Eredmny: "idszelvnyek", melyek tkrzik a fldkreg felsrsznek geolgiai felptst

Reflexis s refrakcis kutatsi mdszer v1 v2Snellius-Descartes-fle trsi trvny: reflektlt hullm refraktlt hullm

v2 > v1

sin/sin = v1/v2 = n Sebessgnvekeds, ill. cskkens egyarnt elfordulhat (rszletes rtegsor) Nagy felbontkpessg Kicsiny a forrs-szlels tvolsg Nem szksges robbantani Hatrozott sebessgnvekedst mutat felletek alkalmasak (medencealjzat) Kis felbontkpessg Nagy tvolsg a kvetend hatrfelletek mlysghez kpest nagy energij forrs szksges

A fontosabb rtegsszletek szeizmikus sebessgadataiA porozits nvekedsvel cskken a terjedsi sebessg.

Kbelek letertse a kitztt vonal mentn Geofonok

Robbantlyuk frsa, robbants

Kis energij rugalmas hullm keltse kalapccsal

Szeizmikus tomogrfia

Vzi szeizmika Mrshez szksges: hajsrtett levegt vagy vizet kilvell hidraulikus puska (air-gun, water-gun)

bojk, GPS hidrofonok regisztrl egysg

Hidrofonok, bojk

Vzi szeizmika Forrs:

srtett levegt vagy vizet kilvell hidraulikus puska (air-gun, water-gun) (air-gun, water-gun)

Idszelv ny (kor rekcik a lkalmaz sa utn) Szekven ciahatr a Pannn iai sszle tben

Mrs kzbeni nyers feldolgozs

Kanyarg vz alatti folyDNY K

2 km

Vertiklis szeizmikus szelvnyezs (VSP)forrs: a felsznen (robbants vagy vibroszeiz gpek) mrs: lyukgeofonokkal mrt hullmok: kzvetlen, felfele s lefele halad hullmok (tbbszrs reflexik)

Mlyfrs geofizika (karotzs)Frlyukban alkalmazott geofizikai mdszerek, amelynek sorn a leengedett szondk segtsgvel informcikat szerznk a litolgirl (well logging) vagy a frlyuk, illetve a kt mszaki llapotrl (well diagnostic).

A lyukgeofizikai mrsek cljakzetek fizikai tulajdonsgainak mrse (repedezettsg) kzvetett informciszerzs (startalom, porozits, permeabilits,

vzteltettsg, agyagtartalom, agyag/homok arny, hozamadatok, tereszt kpessg, szemcsemret, stb.)geolgiai cl informciszerzs (trsek, vetk helye, irnytottsguk; a rteghatrok, formcik elklntse; rtegvastagsg, dls ) mszaki vonatkozs informciszerzs (ktszerkezet, llapotfelmrs) a termelsi profil, a hmrskleti s nyoms viszonyok meghatrozsa

A trolkzetek prusaiban lev folyadk minsgi s mennyisgi meghatrozsaPorozits () = egysgnyi trfogatban lev prustrfogat (teljes, effektv) Sznhidrognteltettsg (Sh) = a prustrfogat CH-k ltal elfoglalt rsze (%) Rtegvastagsg (trfogat) Permeabilits (K, teresztkpessg a kitermelhetsg mrszma folyadkvezetkpessg, becslhet) a Darcy fle arnyossgi tnyez (Ksz) kzegre jellemz rsze

Sh a CH-k trfogataegysgnyi trfogatban

K = C d2, ahol C a szemcsk alakja, d a szemcsk tmrjemrtkegysge: 1 darcy = 9,87 x 10-9 cm2

Ksz = K /, ahol Ksz a szivrgsi tnyez, = g a folyadk fajslya, a folyadk viszkozitsa

Mrsek kivitelezseFrt vagy csvezett, 10-3000 mter mly frs, tmr 80-400 mm-ig Megkzelts, lyukralls, fordtkerekek felszerelse, hitelests Szonda leengedse a kvnt mlysgig (rtegsor figyelse) Szonda lass felhzsa, regisztrls, kirtkels, jegyzknyv ksztse Lehet mrni fggleges, ferdtett, vzszintes ktban is

Geophysical logging system a mrberendezs rszei:

szondamlysgrzkel kbel vontat/csrl tp s genertor jelfeldolgoz-egysg adatfelvev-egysg

Mrkocsi

Mlysgrzkel

Regisztrl flke (nyers feldolgozs)

Csrl

Mrs kzvetlenl frs utn/kzben

A mlyfrsi szelvnyezs fajtiRtegbe hatols mlysge szerint kisbehatols < 0,1 m kzepes behatols 0,1-0,4 m mlybehatols 0,4-1,2 m tlagos behatols iszapellenlls mrs folyadk tltszsg mrs vzszint, illetve nyomsmrsek gzszeparls vzmintavtel (felszni, mlysgi) sznes videokamera felvtel

Rteg fajlagos ellenllsnak mrseelektromos ram vezetse a rtegbe (tp- s mrelektrdk) rteghatrok megllaptsa (agyag/homok rtegek, elrasztott zna) rgztett elektrda elrendezs ~ vizsgland behatolsi mlysg rtegvz startalmnak meghatrozsa

Rteg termszetes potencil mrseelektrokmiai folyamat, ahol a friszap az elektrolit (agyag szelektv membrn Na+, Cl- iondiffzi a rtegvzbl az iszapfiltrtum fel) rtegvz startalma, rteghatrok hatrozhatk meg

Akusztikus szelvnyezsa logitudinlis hullm egysgnyi t befutshoz szksges terjedsi id regisztrlsa a mlysg fggvnyben fgg a kzettl, annak porozitstl s prusokat kitlt folyadktl effektv porozits szmthat

Termszetes Gamma mrsea kzet ltal kibocstott TG sugrzst mri ~ a kzetek radioaktv elem tartalma (K40, az U s Th lenyelemei ) lnyegi alkotelemei az agyagsvnyoknak, ltalban fix arnyokban fordulnak el ezekben ~ kzetfgg a gamma sugrzs fnyes felvillansokat okoz a szcintillcis kristlyban agyagtartalom, rteghatrok, radioaktv kivlsok

Spektralog szelvny mrseK40, U, Th, mrse kln-kln (a sugrzs energija alapjn) agyagtartalom, rtegvastagsg, permeabilits becsls, korrelcik

Neutronszelvnyezs

neutronforrs a szondban a kibocstott neutronfelh neutronjai a kzetben tkznek a legersebb neutronfkez a hidrogn a legyenglt neutronok mennyisgt mrik a teljes porozitst jellemz mennyisg (korrekci szksges agyag s gz jelenltben)

Kzetek srsgnek mrsea kzetek elektronsrsgt mri ~ az atomszmmal ~ trfogatsrsggel forrs (Cs 137), a kzet elektronjain szrdik (Compton-effektus) a visszarkez sugrzst mri (szcintillcis detektor) a hidrogn rontja/torztja a mrst rteghatrok, klnbz srsg kzetek, kzet porozits

hmrskletmrs ramlsmrs folyadk tltszsg mrs iszapellenlls mrs

Egyttes rtelmezs => szrk helye, szrk vzhozama

Keresztszelvny elektromos szelvny s TG alapjn (Hdmezvsrhely)

Ksznm a figyelmet!