סקרים גיאופיסיים

ראדאר (מכ"ם) חודר קרקע-GPR

כללי

שיטה

יתרונות ומגבלות

יישומים

ציוד

• כללי
• ראדאר חודר קרקע הוא האמצעי היעיל ביותר למיפוי מפורט של החלק הרדוד של תת הקרקע או לסריקת חלקם הפנימי של מבנים שונים, באמצעות בדיקה בלתי פולשנית (NDT- Non Destructive Testing).
• הראדאר מאפשר מדידות על פני השטח, בקרקע, על משטח כמו בטון, מדידות בקידוחים, וכן מדידות בין קידוחים (טומוגרפיה), מדידות בדו-מימד, בתלת מימד ובארבעה מימדים.
• איסוף הנתונים בשטח מהיר ומפורט וברזולוציה הגבוהה ביותר הניתנת להשגה.

 

·       שיטה א.     מערכת הראדאר חודר קרקע מתבססת על שידור גלים אלקטרומגנטים לתווך הרצוי (אדמה, בטון וכו') וקליטת הגלים המוחזרים חזרה לפני השטח. ב.     השיטה רגישה לשינויים בתכונות החשמליות של חומרים שונים בתת הקרקע (כלומר, לקבוע הדיאלקטרי ולמוליכות החשמלית). התכונות החשמליות של הקרקע תלויות בסוג ומבנה החומר ותכולת המים. ג.      כאשר קיים קונטרסט בתכונות הדיאלקטריות של חומרים שונים, חלק מהאנרגיה האלקטרומגנטית תוחזר חזרה. ד.     על מנת למפות את תת הקרקע, יש למדוד את האמפליטודה (משרעת) וזמן המעבר של הגלים המוחזרים. ה.     הגלים האלקטרומגנטיים משודרים על ידי אנטנה, בתחום התדירות המרכזית שהוגדרה, ונקלטים חזרה על ידי אותה האנטנה (מערכת מונו-סטטית) או לחילופין אנטנה נפרדת (מערכת בי-סטטית). קיימות מערכות ראדאר המסוגלות לתפעל מספר אנטנות שידור וקליטה. ו.       תדירות הגלים המשודרים נבחרת בהתאם לגודל ועומק המטרה המבוקשת. ז.      בין העומק והתדירות יש יחס הפוך; ככל שתדר השידור נמוך יותר, כך עומק החדירה גדול יותר ברזולוציה נמוכה ולהיפך, שידור בתדירויות גבוהות מאפשר חדירה לעומק רדוד יותר וברזולוציה גבוהה יותר. ח.     תחום תדרי השידור של אנטנות הראדאר נעים בין 25 מגהרץ ל2.5 גיגהרץ. ט.     בתום סקר הראדאר מתקבלת סדרת חתכים של תת הקרקע (מקביל לחתך סייסמי), שמוצגים במונחים של זמן כנגד מרחק אופקי. הזמן הוא למעשה זמן המעבר של הגל בקרקע הלוך וחזור מן המטרה (TWTT). י.       מהירות גל הראדאר באוויר היא כמהירות האור (0.2998 מטרננושניה), מהירותו בכל תווך אחר נמוכה יותר, במים תהיה מהירותו הנמוכה ביותר. מהירות הגל האלקטרומגנטי בתווך תלויה בקבוע הדיאלקטרי של התווך.  יתרונות הראדאר   § הרזולוציה הגבוהה ביותר ביחס לכל יתר השיטות הגיאופיסיות  § סקר שקט ולא פולשני  § כיסוי מהיר יחסית של שטחים גדולים.  § פענוח מהיר של הנתונים.  § מיושם במגוון תחומים רחב  מגבלות הראדאר § איסוף הנתונים איטי בתנאי שטח לא מיושרים.  § עומק חדירה מוגבל בתווך בעל מוליכות חשמלית גבוהה (חרסיות כבדות).  טבלה מספר 1:  דוגמאות לערכי קבועים דיאלקטרים יחסיים והמהירות המתאימה, בסוגי תווך שונים.  תווך מקדם דיאלקטרי מהירות (מטרמיקרושנייה) אוויר 1 300 מים שפירים 80 33 אבן גיר 7-10 75-113 גרניט 5-7 113-134 שיסט 5-15 77-134 בטון 4-9 95-150 חרסיות 4-16 74-150 סילט 10-22 63-100 חול 2-30 55-150 קרח 3-4 150-173 מי ים 81-88

 

סקרים סייסמיים

 סקר סייסמי מתבסס על מקור אנרגיה, היוצר עירור של גלים סייסמים (גלים אלסטיים) בתת הקרקע. הגלים הסייסמים מתפשטים בתת הקרקע ומוחזרים (רפלקציה) או נשברים (רפרקציה) באזורי המעבר בין תווך בעל מהירות סייסמית אחת לתווך בעל מהירות סייסמית אחרת. הגלים החוזרים נקלטים בפני השטח על ידי מערך קולטים (גיאופונים). מדידת זמן המעבר של הגלים הסייסמים מן המקור לקולטים, והגיאומטריה של מערך הקולטים והמקור, מאפשרים קבלת מידע המעובד ומפוענח לתמונה של תת הקרקע. אנו מציעים מגוון מדידות בשיטות סייסמיות שונות. גיאוטק מבצעת מגוון מדידות סייסמיות: 

רפרקציה הרפרקציה מתבססת על העיקרון בו גל סייסמי הפוגע בגבול בין שתי שכבות בהן יש ניגודיות (קונטרסט) במהירויות הסייסמיות (ולמעשה בעכבה, אימפדנס, שהיא מכפלת מהירות ההתקדמות בתווך בצפיפותו), ישנה את כוון התפשטותו בעת כניסתו לשכבה החדשה. גודל השינוי בכוון ההתפשטות של הגל תלוי ביחס הניגודיות בין המהירויות בהתאם לחוק סנל. תנאי הבסיס לרפרקציה הוא שמהירות השכבה התחתונה תמיד תהיה גדולה מזו שמעליה.

רפרקציה טומוגרפית לקבלת התפלגות המהירויות הסייסמיות בתת הקרקע.

רפלקציה שיטת הרפלקציה מתבססת על העיקרון בו הגל הסייסמי פוגע בגבול בין שתי שכבות בעלי ניגודיות באימפדנס הסייסמי (כאמור, מכפלת המהירות בצפיפות). הגל מוחזר מהגבול הנ"ל אל הקולטים שבפני השטח.

סקרים עם גלי שטח מדידות של מהירות ונפיצה (דיספרסיה) של גלי שטח. שיטה זו מאפשרת מדידה באופן אקטיבי של גלי שטח מסוג ריילי ומסוג לאב- מתוכם בהליך מורכב לקבל את החתך החד מימדי של מהירויות גלי הגזירה האנכיים SV והאופקיים SH ועובי השכבות. ממדידות מרובות וממערך מדידות כאלה ניתן לקבל סקרים דו ותלת מימדיים. מדידה בציר הזמן מאפשרת גם את המימד הרביעי.

סקרים בתוך קידוחים ובין קידוחים מדידות בעזרת ציוד יעודי בתוך קידוחים (מקור או קולט) ומדידה בפני השטח או בתוך הקידוח. מדידות טומוגרפיות בין קידוחים, מדידות UPHOLE, DOWNHOLE, CROSSBOREHOLE, VSP. מדידות טומוגרפיות בין הקידוח לפני השטח או חמתקנים תת קרקעיים (מנהרות וכו').

מדידות של גלי שטח, גלי לחיצה וגלי גזירה

סקרים אלקטרומגנטיים

כללי

שיטה

יישומים

כללי

שיטות אלקטרומגנטיות- Electromagnetic methods 
השיטות האלקטרומגנטיות (FDEM, TDEM ) פותחו לצורך מדידת התנגדות חשמלית בתת הקרקע. בשיטות אלו נעשה בעולם שימוש לצורך פתרון בעיות הנדסיות ובעיות בתחום איכות הסביבה. המדידות בשיטות אלו מסוגלות לחדור לעומקים גדולים יחסית (עד מאות מטרים), ברמת דיוק גבוהה מאוד של הנתונים. בישראל, מוכרות השיטות האלקטרומגנטיות בעיקר לצורך ניטור שינויי מליחות במי התהום ואיתור מתכות. הציוד האלקטרומגנטי קל לנשיאה ולתפעול, והמדידות ניתנות לפענוח מהיר יחסית. 

שיטה-

שיטות אלקטרומגנטיות (EM methods) משמשות בתחומי איכות הסביבה, גיאולוגיה וארכיאולוגיה, ובשנים האחרונות - גם חקלאות. שיטות אלו פותחו לצורך מדידת המוליכות החשמלית של תת הקרקע. כיוון שהמוליכות החשמלית משתנה עם השתנות הרכב התווך, לדוגמא, תכולת המים והמינרלים, חללים, סדקים ופרמטרים שונים נוספים, ניתן לקבל מפת התפלגות של המוליכות החשמלית בתת הקרקע. השיטות מבוססות על השראה מגנטית ואינן מצריכות מגע ישיר עם קרקע, דבר המקל על עבודת השדה. 

השיטות האלקטרומגנטיות פותחו לראשונה בשנות העשרים של המאה ה-20 בסקנדינביה, בארה"ב ובקנדה כשיטות למיפוי מרבצי מתכות. עד שנות השישים של המאה הקודמת בוצעו מדידות באמצעות מכשירי EM על ידי שידור וקליטה באופן רציף בתדירות אחת. בהמשך, פותחו מערכות המשדרות במספר תדירויות במקביל, וקולטות במספר חיישנים במקביל, על מנת לאפשר שיחזור חתך עומק של תכונות הקרקע הנמדדת. מערכות EM המשדרות וקולטות בו זמנית, ומאפשרות קבלת חתך עומק בעזרת שינוי תדירות העבודה, נקראות מערכות, FEM, FDEM-Frequency Domain ElectroMaegnetic . בשנות השישים נעשו ניסיונות ראשונים (בברית המועצות) לבנות מערכות הקולטות את תגובת תת הקרקע בין הפסקות בשידור של המכשיר. גישה זו החלה לצבור תאוצה מאז שנות השבעים. מערכות EM המודדות את שינוי הערך הנמדד בזמן נקראות TEM, TDEM- Time Domain ElectroMagnetic. היתרון הבולט של שיטה זו הוא שהאות הנקלט הינו תגובת הקרקע בלבד, ללא הפרעת השדה האלקטרומגנטי הראשוני שמשדר המכשיר.

שיטות הפועלות בתחום התדירות (FDEM) 
מכשירי FDEM פועלים לרוב בתדירויות של עשרות הרץ עד עשרות קילוהרץ, ומשמשים לסקרים בטווח גדול של עומקים ומטרות בתת הקרקע הרדוד. המדידה נעשית בקווים (לרוב מקבילים), כאשר מבצעים מספר קווי מדידה במקביל לכיסוי השטח . התוצר הסופי הינו מפות מוליכות חשמלית, המציגות תופעות שונות בתת הקרקע. כאשר משתמשים במכשיר הפועל בתדירות אחת ובמרחק ממנו נמצא מקלט-משדר קבוע, הקריאה המתקבלת במכשיר היא אינטגרל על התווך הנמדד, כלומר קריאת מכשיר מייצגת מוליכות ממוצעת של תווך, שלרוב הינו הטרוגני. כאשר למכשיר מספר תדירויות עבודה, או כאשר המרחק משתנה בין מקלט למשדר, המכשיר יכול "לראות" עומקים שונים, וניתן לשחזר את חתך העומק בעזרת תוכנות אינברסיה (פתרון הבעיה ההפוכה). חדירותם של מכשיריFDEM  מוגבלת לרוב לעומקים רדודים של מטרים עד כמה עשרות מטרים. לעומת זאת, מכשירים אלה, בהשוואה לשיטות אחרות, מאפשרים, רכישת נתונים מהירה וכיסוי שטחים גדולים בזמן קצר, ולפיכך הינם זולים לתפעול. 

מכשירי FDEM כוללים סליל משדר וסליל מקלט במרחק מה זה מזה. הסלילים עשויים להיות מחוברים במרחק קבוע או נפרדים, כך שהמרחק ביניהם ניתן לשינוי. הסליל המשרה (המשדר) משדר באופן רציף ויוצר שדה מגנטי משתנה, המשרה זרם חשמלי בקרקע. הזרם החשמלי המשתנה בקרקע יוצר שדה מגנטי משני, שעוצמתו היא פונקציה של המוליכות החשמלית של הקרקע. המקלט קולט את השדה המגנטי המשני, משווה אותו לשדה הראשוני ומחלץ מתוך היחס בין השדה הראשוני למשני את המוליכות החשמלית (איור 1). 

איור 1. סכמה המתארת את פעולת המכשיר בחצי מרחב הומוגני. 

 

המכשיר ניתן לנשיאה בשני אופנים. כשהוא אופקי (איור 2), אז סלילי המשדר (Tx) והמקלט (Rx) אופקיים והשדה הראשוני (המשרה) אנכי. צורת הפעלה זו נקראת מוד אנכי. אפשרות שנייה כאשר המכשיר מוטה על צידו, סלילי המשדר והמקלט אנכיים והשדה הראשוני אופקי. צורת ההפעלה השנייה נקראת מוד אופקי. עומק החדירה במוד אופקי הוא כמחצית מזה של מוד אנכי. בנוסף, שדה אופקי רגיש פחות לשינויים אופקיים מאשר שדה אנכי (Goldstein et al., 1990), 

איור 2. מימין: מוד אנכי- שדה ראשוני אנכי (בכחול ), סלילי משדר ומקלט אופקיים. משמאל: מוד אופקי- שדה ראשוני אופקי, סלילי משדר ומקלט אנכיים. 

שיטות הפועלות בתחום הזמן (TDEM)
שיטות אלה מבוססות על מקור אנרגיה המייצר זרם חילופין חשמלי (בדרך כלל פונקצית מדרגה) בלולאת זרם מקור גדולה (איור 3). הזרם הראשוני במקור יוצר על פי חוק ביו-סבר, שדה מגנטי ראשוני מסביב ללולאת זרם המקור. המשדר (המחובר למקור האנרגיה וללולאת הזרם), מפסיק את זרם המקור ומחדשו בקצב מסויים. למעשה צורת גל הזרם מורכבת מהפסקות והפעלות חוזרות ונישנות של זרם המקור. 



הפסקת הזרם הפתאומית והחדה יוצרת על פי חוק ההשראות של פראדיי כוח אלקטרומניע (כא"מ) בגלל השינוי בשטף השדה המגנטי הראשוני. הכא"מ יוצר בתווך זרמים חשמליים מישניים מושרים (המשתנים בזמן). זרמים אלה תלויים בעוצמתם בכל זמן (עומק), בהתנגדות החשמלית של תת הקרקע. הזרמים מתפשטים בצורה דיפוזיבית לתת הקרקע, וככל שמתארך הזמן מהפסקת זרם המקור, נקבל חדירה עמוקה יותר, הטומנת בחובה אינפורמציה עמוקה יותר. הזרמים המישניים המושרים יוצרים שדה מגנטי משני משתנה בזמן. השתנות השדה המגנטי המשני בזמן יוצרת כא"מ (מתח), הנמדד בסליל המקלט. המדידה מתבצעת בהיעדרו של השדה המגנטי הראשוני. האינפורמציה מהעומק תלוייה בזמן המדידה שחלף לאחר הפסקת זרם המקור.  (רונן עמית 1991) 

שיטת TDEM ניתנת לחלוקה בסיסית לשתי שיטות איסוף נתונים: 

Profiling-  המשמשת לאיסוף ההתפלגות בהתנגדות החשמלית בצורה לטרלית על מנת לזהות אנומליות לאורך קו הסקר. 
Sounding- מדידה אנכית (מדידות עומק). שיטה המודדת את שינויי ההתנגדות החשמלית עם העומק ושקולה, מבחינה זו, לקידוח. 

בשיטת הלולאה המרכזית הנפוצה, לולאת המשדר היא בצורת ריבוע (לעיתים גם מלבן) שאורך הצלע שלו עשרות עד מאות מטרים, בהתאם לעומק המטרה והרזולוציה הנדרשת. ניתן למדוד סדרה של נקודות, היוצרות חתך עומק של המוליכות החשמלית (איור 4). כיום ישנן מערכות TDEM הפועלות לעומק רדוד מאוד, וחלקן משמשות לגילוי מתכות. המערכות הן קטנות, וניתנות להפעלה ע"י אדם בודד. 


איור 4. מספר מדידות TDEM היוצרות חתך מוליכות חשמלית המתאר את מבנה תת הקרקע. 

מקורות: 
• רונן עמית, ינואר 1991; מיפוי חדירת מי- ים לאקויפר החוף בישראל (הפן הביני) בשיטת TDEM חיבור לקבלת תואר מוסמךM.Sc.  באונ' ת"א החוג לגיאופיסיקה ומדעים פלנטריים.

יישומים 

הידרולוגיה איתור חדירת מים מלוחים, מיפוי מי תהום 

תשתיות איתור מתכות, צנרת ותשתית קבורה 

חקלאות מדויקת מיפוי הרכב קרקע ומליחות קרקע לצורך דישון מיטבי ושיפור יבולים 

ארכיאולוגיה איתור חללים, מערות ומבנים קבורים. מיפוי גבולות אתרים ארכיאולוגיים 

איכות סביבה איתור דליפות ממטמנות פסולת ומאגרי מים ודלק 

גיאולוגיה מבנה גיאולוגי של החתך הרדוד ואיתור מרבצי מתכות

 

סקרים גיאוחשמליים

כללי

שיטה

יישומים

כללי

התנגדות חשמלית- דימות חד/דו/תלת ממדי- VES,CVES, ERT 

שיטת מדידת ההתנגדות החשמלית של תת הקרקע (VES-Vertical Electrical Sounding), היא מהשיטות הגיאופיסיות הותיקות ביותר. שיטה ותיקה זו עברה שיפורים במהלך סוף שנות השמונים ותחילת שנות ה- 90 של המאה ה-20 לשיטת דימות חשמלית למיפוי התפלגות ההתנגדויות בתת הקרקע. שיטת ההתנגדות החשמלית מאפשרת דימות בשניים ושלושה ממדים CVES-Continuous Vertical Electrical Sounding או ERT-Electrical Resistance Tomography.  השיטה יעילה למיפוי החלק הרדוד של תת הקרקע ברזולוציה טובה. יתרונה המובהק הינו אדישותה לרעשים אלקטרומגנטים של הסביבה העירונית. 

שיטה

שיטת ההתנגדות החשמלית (VES) התפתחה בתחילת המאה ה-20 הודות לעבודתם של האחים Schlumberger, שביקשו לחקור את התפלגות ההתנגדות החשמלית של תת הקרקע עם העומק. זרם ישר (DC) מוחדר לקרקע דרך זוג אלקטרודות הזרם- AB והפרש הפוטנציאל שנוצר בקרקע נמדד בין זוג אלקטרודות פוטנציאל MN. ישנן מגוון צורות פריסה של האלקטרודות (איור 1) שכל אחת מהן יכולה לשמש לחקר התפלגות התנגדויות חשמליות בתת הקרקע כפונקציה של עומק או השתרעותן הלטרלית. מדידת פרופיל עומק (Sounding) מתבצע על ידי הגדלת המרווחים בין האלקטרודות באופן שיטתי, סביב נקודת מרכז קבועה מראש. למדידת שינויים לטרליים (profiling) משתמשים בפרופיל אורכי, על ידי קיבוע המרווחים והזזת המערך כולו לאורך קו מסוים בשטח.

איור 1. למעלה, מערך Wenner בו המרווחים בין האלקטרודות שווים. באמצע, מערך Schlumberger  המאופיין במרווחים בין אלקטרודות הזרם הגדולים פי שלושה, לפחות, מאשר בין אלקטרודות הפוטנציאל. למטה, מערך Dipol-dipol בו קיים מרחק משמעותי בין אלקטרודות הפוטנציאל ואלקטרודות הזרם. 

עומק החדירה של השיטה הוא פונקציה של המרווח בין אלקטרודות הזרם ואלקטרודות הפוטנציאל ולכן משתנה בהתאם לאופן פריסת האלקטרודות בשטח. אופני הפריסה המגוונים של האלקטרודות עונים על צרכים שונים של מבנה הקרקע הנחקר ורמת רעש הרקע. לדוגמא, למערך Wenner יתרון באזורים בעלי רעש רקע רב, ברזולוציה טובה אך לעומקים רדודים. לעומתו, למערך Schlumberger, סיגנל חלש יותר אך חודר לעומק גדול יותר. 

מלכתחילה, נמדד הפוטנציאל החשמלי בקרקע ומומר להתנגדות חשמלית בעזרת חוק אוהם (כאשר E  הוא מפל הפוטנציאל, J ,צפיפות הזרם ו-R ההתנגדות החשמלית) התנגדות זו היא פונקציה של המרחק בין האלקטרודות והיא מותאמת לכל מערך על ידי הכפלה בקבוע גיאומטרי, לקבלת התנגדות מדומה. היא נקראת כך כיוון שהיא מייצגת ממוצע התנגדויות של כל השכבות בתווך הנחקר. כל אחד מערכי ההתנגדות המדומה מוצג על גרף לוגריתמי כנגד המרחק בין האלקטרודות. חישוב ההתנגדויות החשמליות האמיתיות של השכבות מתוך המדומות, כרוך בבניית מודל של מבנה הקרקע הנחקר והשוואתו לגרף הלוגריתמי שהופק מן הנתונים. תהליך זה מבוצע בתוכנות מתקדמות (Resix etc.) בעזרת אינברסיה (איור 2). 

אחד החסרונות של השיטה הוא קבלת פתרונות אקוויוולנטיים, כלומר ריבוי פתרונות לאותם הנתונים. מודל הפענוח אינו יחיד וניתן לקבל מספר מודלים, העשויים להיות שונים משמעותית האחד מהשני. 

Continuous Vertical Electrical Sounding - CVES  (תיאור זה זהה ל- ERT)
במטרה לקבל מודל מדויק יותר של תת הקרקע, מחתך עומק נקודתי (כמו ב-(VES שיתחשב בשינויי התנגדות חשמלית בעומק כמו גם בכוון האופקי, מבצעים profiling. שיטה זו פותחה למערך של 25 אלקטרודות ויותר, המחוברות לכבל רב ערוצי, כאשר מכשיר המדידה מאפשר בחירה אוטומטית של ארבע אלקטרודות הרלבנטיות לכל מדידה (איור 3). התוצאה המתקבלת היא חתך דו ממדי המתאר בצורה טובה יותר את התפלגות ההתנגדויות בתת הקרקע (איור 4). 

איור 2. מודל חד ממדי אופייני לפענוח נתונים עבור מערך Wenner. בצבע ורוד, מודל מחושב. הסימן + מציין את נתוני ההתנגדות המדומה שהתקבלו במדידה. קו שחור רציף מייצג את ההתנגדות המדומה המחושבת. (After Loke, 2004). 

איור 3. מיקום האלקטרודות בסקר CVES ומאסף המדידות המשמשות לבניית החתך-המדומה. הכפלת המרווח בין האלקטרודות (a) ב-3, נותנת מדידה ברמה     (n=3) עמוקה יותר מקודמותיה. (After Loke 2004) 

איור 4. חתך בחוף אשדוד. למעלה חתך התנגדות מדומה מדוד. באמצע, פסאודו-חתך מדומה מחושב שנבנה על בסיס הנתונים. למטה חתך התנגדויות אמיתיות שחושב באינברסיה. בעומק כ-40 מטרים נראית שכבת מי תהום. (אחרי אביבי.ט.א., 2005) 

מקורות: 
אביבי, ט.א., 2005. מיפוי חדירת מי ים לאקויפר החוף בעזרת מדידות CVES. חיבור לשם קבלת תואר מוסמך, אוניברסיטת תל אביב. (הנתונים נאספו על ידי צוות המכון הגיאופיסי לישראל, בהנחיית ד"ר מרק גולדמן). 

Loke.M.H., 2004. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys.    

יישומים

איכות סביבה: איתור ומיפוי תנועת נוזלים/מזהמים בתת הקרקע שמקורם במכלי דלק ובאתרי סילוק פסולת ואיתור ומיפוי חדירת מים מלוחים למי תהום.
 
הנדסה אזרחית: איתור ומיפוי חללי אוויר 

גיאולוגיה: מיפוי מבנה גיאולוגי רדוד