Andrzej Kotyrba,
Główny Instytut Górnictwa, Laboratorium Geofizyki Inżynierskiej
Zastosowania metod radarowych w geologii i górnictwie
Idea wykorzystania fal elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości (radiofal) do badania ośrodków geologicznych pojawiła kilka lat po skonstruowaniu pierwszych naziemnych urządzeń do radiolokacji w lotnictwie. W radiolokacji wykorzystuje się zjawisko odbicia fal elektromagnetycznych od samolotów i innych obiektów w jednorodnym ośrodku jakim jest powietrzu. Każdy sygnał, który po wysłaniu z ziemi powraca do anteny odbiorczej jest wywołany obecnością obiektu w wycinku przestrzeni objętej zasięgiem obrazowania radarowego. Obiektami które mogą się znaleźć w polu obrazowania poza samolotami mogą być chmury, ptaki, owady (motyle, szarańcza i inne.) czy też tak drobne cząstki jak pył wulkaniczny czy piasek. Z tego względu współczesne radary naziemne wykorzystywane są zarówno do radiolokacji jak i monitorowania przestrzeni powietrznej w aspekcie meteorologicznym (badania geometrii i przemieszczania się chmur i zawartości w nich wody) czy też przyrodniczo poznawczym.
Pierwsze urządzenia radarowe do badań geologicznych nazwane w języku angielskim Ground Penetrating Radar (GPR) skonstruowano w latach 60-ych ubiegłego wieku. Dla urządzeń stosowanych w tej metodzie powszechnie przyjęła się w Polsce nazwa georadar. Były one wtedy stosunkowo drogie i trudnodostępne. Jedynym komercyjnym producentem była amerykańska firma Geophysical Survey Systems Inc. Od tego czasu systemy radarowe są ciągle udoskonalane. Pojawiło się też kilku innych producentów aparatury radarowej, co znacznie obniżyło jej cenę. Z tego względu obecnie dostępność do systemów radarowych jest powszechna. Liczba użytkowników tych urządzeń na świecie jest bardzo duża. Główny Instytut Górnictwa był jedną z pierwszych instytucji w Polsce wykorzystujących badania radarowe w diagnostyce własności górotworu wdrażając tę metodę do badań obmurzy szybowych w latach 80-ych ubiegłego wieku.
Rozległość zastosowań metody jest tak duża, że znacznie łatwiej można by wymienić zagadnienia w których nie stosowano jeszcze badań radarowych, aniżeli te w których ją już wykorzystano. Podstawową różnicą radarów geologicznych a lotniczych czy meteorologicznych jest rodzaj i wielkość anten nadawczo-odbiorczych oraz moc emitowanych przez nie pól elektromagnetycznych.
Refleksyjna metoda radarowa wykorzystuje zjawisko propagacji fal radiowych o dużej częstotliwości dla odwzorowania zmienności strukturalnej ośrodków materialnych w tym i geologicznych. W szczególności wykorzystywane są zjawiska odbicia i załamania fal na powierzchniach granicznych warstw i obiektów antropogenicznych zalegających w ich obrębie, różniących się wartościami stałej dielektrycznej i przewodności elektrycznej.
W wariancie refleksyjnym metody radarowej impulsy elektromagnetyczne emitowane z anteny nadawczej (T ) przesuwanej po gruncie, przenikają do ośrodka geologicznego i po odbiciu od granic fizycznych powracają do anteny nadawczej (R) w czasie t, który jest parametrem zależnym od sumarycznej drogi przebiegu i prędkości rozchodzenia się fal w ośrodku.
Prędkość propagacji fal radarowych w ośrodkach materialnych zależna jest od wielu ich cech fizykomechanicznych. Generalnie wykazuje ona silną zależność od wilgotności i porowatości. Wynika to z faktu, że woda i powietrze stanowią dla fal elektromagnetycznych dwie graniczne fazy wyznaczające przedział zmienności prędkości propagacji fali w ośrodkach materialnych (km/s). Rzeczywiste wartości prędkości propagacji fal w gruntach oraz skałach zmieniają się w obrębie tego przedziału.
Wykonywane w odpowiedniej siatce profili pomiary metodą georadarową mogą służyć do konstruowania przestrzennych obrazów ośrodków geologicznych i konstrukcji budowlanych. Technika ta wykorzystywana jest do badania budowli ich podłoży oraz diagnostyki defektów dróg samochodowych i mostów. Może być zastosowana również w szeregu innych zagadnień w których ważne jest precyzyjne odwzorowanie przestrzennej struktury ośrodka. Warunkiem zaistnienia odbicia sygnału od granicy pomiędzy warstwami jest różnica wartości stałej dielektrycznej . Może się więc zdarzyć, iż dwie kolejne warstwy geotechniczne będą miały podobne wartości stałej dielektrycznej (np. sucha gleba – piasek suchy) i elektrycznej przewodności właściwej. W takim przypadku pomimo dobrej rozdzielczości anten parametry geometryczne warstw nie zostaną określone. Granice fizyczne w obrębie ośrodków geologicznych czy geotechnicznych, na których występuje znaczny kontrast własności elektrycznych generują na rejestracjach radarowych grupy silnych energetycznie refleksów wielokrotnych grupy potrójnych pasm (faz refleksów) położone nad sobą. Wynika to z faktu, że w procesie rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w ośrodkach materialnych zachodzą nie tylko zjawiska odbicia i załamania fal ale również interferencji i dyfrakcji.
Pomiary metodą radarową wykonywane są na profilach liniowych. Emitowane ze stałą częstotliwością z anteny nadawczej fale elektromagnetyczne przenikają do badanego materiału i w nim propagują. W przypadku napotkania na swojej drodze granic zróżnicowania własności elektrycznych (stała dielektryczna, opór elektryczny) fale ulegają odbiciu i załamaniu. Fala odbita powraca do powierzchni pomiarowej, gdzie jest rejestrowana w postaci sygnału elektrycznego przez anteną odbiorczą. Sygnał ten po digitalizacji jest zapisywany w postaci szeregu amplitudowo- czasowego w stanowiącego pojedynczą trasę przebiegu fali radarowej.
Zbiór tras uzyskany w trakcie przesuwu anteny radarowej wzdłuż profilu pomiarowego tworzy sekcję radarową. Sekcja jest obrazem amplitud sygnałów powracających do anteny odbiorczej w określonym interwale czasu (sekcja czasowa). Po założeniu modelu prędkości rozprzestrzeniania się fal (stała prędkość, zmienna prędkość) w ośrodku sekcja ta może być transformowana na głębokość (sekcja głębokościowa). Sekcja głębokościowa jest już rzeczywistym falowym obrazem przekroju strukturalnego badanego ośrodka (fig.2).
Widoczne na niej płaskie i ukośne horyzonty refleksyjne odpowiadają położeniu granic materiałów konstrukcyjnych lub ich elementów składowych. W przypadku materiałów budowlanych granicami takimi mogą być beton-żelbet, beton-podłoże gruntowe, beton suchy-beton mokry, linia położenia prętów zbrojeniowych itp. Na tle refleksów pochodzących on zróżnicowania struktury danego materiału na sekcjach widoczne są również odbicia lub dyfrakcje na defektach materiału takich jak pęknięcia i szczeliny.
Głębokościowa sekcja radarowa jest dwuwymiarowym przekrojem ośrodka (2D) w linii profilu pomiarowego. Widniejące na niej horyzonty refleksyjne mogą być zdigitalizowane w układzie x, y, z a następnie zapisane w postaci zbiorów cyfrowych. Dysponując siatką linii pomiarowych można utworzyć kilka zbiorów i połączyć je w większy zbiór określający geometrię granic refleksyjnych w przestrzeni. Kształt granic pomiędzy liniami profilowymi może być określony przez zastosowanie odpowiednich algorytmów interpolacyjnych. W powyższy sposób można uzyskać przestrzenny obraz ośrodka z przetwarzania dwuwymiarowych obrazów radarowych. Przykładem takiego zastosowania metody radarowej jest określenie morfologii dna zasypanego stawu na postawie nieregularnej siatki profilowych zdjęć radarowych (fig. 3).
Badania metodą radarową pozwalają na nieinwazyjne obrazowanie struktury górotworu w otoczeniu wyrobisk górniczych (pionowych i poziomych). Pomiary tą metodą mogą być wykonywane praktycznie w każdych warunkach. Są jednak szczególnie użyteczne w takich zagadnieniach w których użycie metod inwazyjnych stwarza ryzyko wystąpienia zjawisk dynamicznych takich jak wdarcie wody, wyrzut gazu czy wyrzut skały.
Przykładem takiego zastosowania techniki radarowej jest okresowa ocena stanu szybu górniczego na odcinku przecinania warstw wodonośnych (fig.4 i 5).
Jednym z najbardziej spektakularnych zastosowań metod radarowych jest detekcja pustek podziemnych (genezy geologicznej lub górniczej) i badania własności skał w ich otoczeniu dla potrzeb oceny stateczności stropów i ociosów. Przykład takiego zastosowania metody radarowej przedstawiony jest na fig. 6 i 7. Jest wynikiem badań wykonanych w rezerwacie zespołu jaskiń krasowych Szachownica.
Rezerwat przyrody „Szachownica” o powierzchni 12,7 hektara Znajduje się on w gminie Lipie, powiat Kłobuck, województwo śląskie i obejmuje zalesione wzgórze wapienne „Krzemienna Góra” z systemem podziemnych 5 fragmentów rozległej jaskini rozciętej kamieniołomem. System jaskiń znajduje się na głębokości do 12 m licząc od powierzchni terenu. Wejście i wyjście z systemu przedstawione są na fotografiach odpowiednio 6a i 6b. Badania radarowe wykonano w siatce profili usytuowanych na zalesionej powierzchni terenu.
Obraz falowy struktury górotworu wraz z jaskiniami w linii profilu podłużnego systemu przedstawiony jest na fig. 7. Widoczny jest na nim układ geometryczny zalegania stropów i spągów poszczególnych jaskiń oraz miejsca spękań i rozwarstwień warstw stropowych.
W obrazie falowym przekroju radarowego widoczne są nawet stożki nasypowe utworzone przez opadające na spąg fragmenty warstw stropowych (piargi).
Metody obrazowania radarowego są ciągle doskonalone zarówno w obszarze rozwiązań aparaturowych jak i oprogramowania do analizy, przetwarzania i prezentacji danych. Obecnie powszechne są narzędzia do tworzenia z pomiarowych danych radarowych w układach przestrzennych 3D i przestrzenno-czasowych (4D).
Przykład zastosowania metody w wariancie 4D przedstawiony jest na fig. 8 i pochodzi z prowadzonych w Głównym Instytucie Górnictwa badań mających na celu opracowanie technologii podziemnego zgazowywania węgla.. Przedstawia obrazy rozkładu amplitudy refleksów zarejestrowane w czterech momentach czasu na zgazowywanej w warunkach modelowych próbie węgla w rejonie wylotowym kanału technologicznego. Strefa maksymalnych amplitud refleksów radarowych wyróżniona jest kolorem czerwonym i odpowiada obszarom silnie przeobrażonej struktury węgla w wyniku działania procesów pirolizy.
Zalety metrologiczne fal radarowych a w szczególności nieosiągalna innymi metodami czułość i rozdzielczość refleksyjnych odwzorowań stwarzają, iż metody te są obecnie i będą w przyszłości jednym z najważniejszych bezinwazyjnych narzędzi diagnostycznych wszelkich ośrodków materialnych (w tym i geologicznych).
Przedstawione w artykule materiały pochodzą z opracowań i publikacji Głównego Instytutu Górnictwa.
