Alkalmazott földfizika GY.1.

Raáb DonátELTE Geofizikai és Űrtudományi Tanszék,

Fogadóóra: Csütörtök 12:00-14:00, D. 7.208ashivalkoinen@gmail.com

Bevezetés. Földfizikai alapok. Geofizikai alkalmazások

áttekintése

A kurzus tematikája1. gyakorlat: Földfizikai alapok felfrissítése. Geofizikai alkalmazások áttekintése.2. gyakorlat: Gravitációs kutatómódszer.3. gyakorlat: Gravitációs mérések. Mágneses kutatómódszer.4. gyakorlat: Mágneses mérések és archeomágneses alkalmazások.5. gyakorlat: Egyenáramú módszerek.6. gyakorlat: Váltóáramú módszerek7. gyakorlat: félévközi ZH8. gyakorlat: Mélyfúrási geofizika 1.9. gyakorlat: Mélyfúrási geofizika 2.10. gyakorlat: Szeizmika 1.11. gyakorlat: Szeizmika 2. 12. gyakorlat: Geofizikai módszerek együttes alkalmazása13. gyakorlat: év végi ZH

Számonkérés:1. Órák elején röp-ZH, maximum 10 pont.2. Kettő ZH év közben, maximum 45-45 pont.3. Mindkét ZH után 1-1 pótlási/javítási lehetőség.4. Gyakorlat UV: akik pót-ZH-k után is elégtelenre állnak

akiknek nincs legalább 4 pontjuk a röp-ZH-kból.

A Föld és főbb paramétereiAlapvető Föld-adatok Átlagos sugara (RF): 6.372 × 106 m Egyenlítői sugara: 6.378 × 106 m Naptól mért átlagos távolsága: 1,496 × 1011 m Tömege: 5,98 × 1024 kg Közepes sűrűsége: 5050 kg/m3

Keringési periódusideje: 365,25 nap Tengely körüli forgás periódusideje: 23 óra, 56 perc, 4 másodperc Egyenlítő és pályasík hajlásszöge: 23° 27' Egyenlítő nehézségi gyorsulás: 9,78 m/s2

Átlagos felszíni hőmérséklet: 15°C Átlagos felszíni nyomás: 105 Pa Átlagos albedo: 0.39 Mágneses tér indukciója a felszínen: 30,000-

60,000 nT

Földfizikai alapok 1.Föld belső szerkezete - KérdésekKéreg alsó határfelülete?Köpeny-mag határfelület?Külső-belső mag határfelület?

Milyen diszkontinuitási felületeket ismerünk még?Mi alapján tudjuk az övek halmazállapotát megbecsülni?

Miért felelősek a külső mag áramlásai?Miért felelősek a köpenyáramlások?

Földfizikai alapok 2.Lemeztektonika - KérdésekMelyik három alapesetet különböztetjük meg a lemeztektonika kapcsán?Milyen szituációban robbannak ki a mély földrengések?Milyen információt rejtenek az óceánközépi hátságtól távolodó kőzetek?

Földfizikai alapok 3.Föld mágneses tere - KérdésekMi látható a jobb felső ábrán?Egyszerűsítve milyen közelítéssel írhatjuk le a földi mágneses teret?Mennyi a mágneses indukció nagysága Magyarországon?Milyen kapcsolat van a sarki fény és a mágneses tér között?

Földfizikai alapok 4.Tektonika - KérdésekMilyen alapvető tektonikai helyzeteket ismerünk?Miért jönnek létre a vetődések?Mi a sasbérc, mi az árok?Példák?

Földkutatás módszerei 1.A Föld megismerésének módszereiKorábbi adatok, jelentések megismerése: különböző tudományok szakirodalmának feldolgozása. Előnye: ha hozzáférhető, kész tényeket és megállapításokat tartalmaz, hátránya: idővel elévülnek bizonyos ismeretek.Helyszíni szemle: terepi szemle, amely során magunk ismerjük meg egy-egy jelenség tulajdonságait, lefolyását.Közvetlen mérések: Olyan mérések, melyek során egy fizikai paramétert megmérünk, megismerünk. (Vízmélységmérés)Közvetett mérések: Olyan mérések, melyek adatainak későbbi feldolgozásából, közvetett úton nyerünk információt a Föld valamely tulajdonságáról, jelenségéről. (Föld tömegének számítása, Föld belső felépítésének modellje, stb...) → Geofizikai fő módszere!TárstudományokEzen alapul: matematika, fizika, kémia, informatikaEzeket segíti: geológia, geodézia, térképészet, meteorológia, (paleo-)éghajlattan, (paleo-)földrajz, vulkanológia, bolygókutatás...

Földkutatás módszerei 2.Geofizika helye a földkutató tudományokbanGeofizikai alkalmazások kifejlesztéséhez matematikai, fizikai, kémiai, informatikai apparátus kellett.Geofizikai módszerek alkalmazásához szükségeset a vizsgált területhez kapcsolódó alapvető ismeretek: geológia, földrajz, klimatológia, geodinamika...Geofizikai módszerek a vizsgált területhez kapcsolódó tudományág számára produkálnak plusz ismeretet, új eredményeket: geológiai formáció feltérképezése, ősföldrajzi viszonyok megállapítása, paleoklíma feltárása, geodinamikai folyamat rekonstrukciója...Környezettudományi alkalmazásokAlapvetően recens folyamatok szerepelnek ezen alkalmazásokban, melyek kiterjedése időben és térben is lokális. Általában nagy felbontású módszerekre van szükség.Példák: tározók szigetelésének ellenőrzése, csapadékvíz útjának monitorozása, hulladéklerakók ellenőrzése, eltemetett szennyezők felderítése.

Kutatások térben... Mi tartozik a geofizika kutatásai területei közé? Mi a „Föld”? Gyakori hiba, hogy a Föld alatt csak a felszín által határolt anyagtömeget és annak folyamatait értjük. A Földhöz tartozik a felszín feletti anyagtömeg is, ennek változatos folyamai is, néhány geofizikai alkalmazás pedig a bolygóközi térben is értelmezhető „földfizikának”.

Kutatások térben...Kutatási területekFelsőlégkör: szondák, műholdak. Vizsgálhatjuk az ionoszféra összetételét, a földi mágneses teret, a földi áramokat, a napszél részecskefluxusát, stb...Óceáni és tengeri környezetek: tengeráramlások, hőmérséklet, sókoncentráció.„Sekély” geofizika: földfelszín felső pár (tucat) méterét vizsgáljuk. Legjellemzőbbek a régészeti, környezettudományi, mérnökgeofizikai alkalmazások. Lokális kutatások. A feladat általában jól definiált.„Mély” geofizika: a földfelszín felső pár kilométerét vizsgáljuk. Jellemzőek a regionális kutatások. Formációkutatás, szénhidrogénkutatás, vízkutatás. A feladatok többsége jól definiált, de előfordul, hogy előre nem tervezett ismeretekhez jutunk.„Átfogó” geofizika: a Föld, mint kőzetbolygó alapvető tulajdonságaival foglalkozó mérések. Léptékük gyakran az egész Földet érinti. Ilyen vizsgálatok tárgya pl. a Föld belső szerkezetének határfelületei, a köpeny laterális változásai, a Föld belső és külső magjának összetétele és folyamatai.

...és időbenTudunk-e visszamenőlegesen is adatot gyűjteni? Igen, lehetséges. Néhány alkalmazás:Kőzetek mágneses tulajdonságainak vizsgálata → következtetés a pólusfor-dulásokra → összefüggő rétegsor esetén pontos korszakolásMágneses tulajdonságok: mágneses pólus helyzetének rekonstrukciója Kontinensvándorlás bizonyítása.

Jégfuratok: légkör összetevőinek visszamenőleges meghatározása a jégbe fagyott gázok elemzésével. Izotópok alapján hőmérséklet-rekonstrukció.Szeizmikus szelvények értelmezése: egyes felismerhető geometriai alakzatok alapján korabeli self/mélytenger területek elkülönítése → Kárpát-medence története.

Geofizikai módszerek összefoglalása 1.Gravitációs kutatómódszer: A nehézségi gyorsulás abszolút és relatív mérésén alapul. Lokális és regionális léptékben is használjuk, előbbit régészeti vagy mérnöki, utóbbit geológiai és tektonikai kutatásokban. Eötvös Loránd, (ELTE névadója) végzett először ipari célú gravitációs méréseket, igazolva a módszer felhasználhatóságát.Mágneses kutatómódszer: A földi mágneses tér komponenseinek, az indukció nagyságának és vertikális gradiensének mérésén alapul. Mind lokális, mind regionális léptékben használjuk. Előbbit régészetben és környezettudományban, utóbbit a gravitációs módszerhez hasonlóan geológiai és tektonikai kutatásokban használjuk.Egyenáram 1D: VESZ: A mérési pont alatti rétegek látszólagos fajlagos ellenállását mérjük. Elsősorban rétegek mélységének meghatározására jó, de több ponton alkalmazva tektonikai hatást is kimutathatunk vele.Egyenáram 2D-3D: multielektródás mérések: Fajlagos ellenállás meghatározására használjuk. A 20-30 méteres szelvénytől az 500-600 méteresig mérhetünk. Geológiai, tektonikai, újabban régészeti célokra is használható.

Geofizikai módszerek összefoglalása 2.Váltóáram – alacsony frekvencia: MT, VLF: A közeg vezetőképességét mérjük. A kéreg nagyobb formációinak kutatására (magmatestek, Moho-felület) alkalmas, nagy léptékű módszerek.Váltóáram – magas frekvencia: GPR: Az elektromágneses hullámok reflexiója és refrakciója alapján réteghatárok mélységét tudjuk megadni. Talaj felső rétegeinek vizsgálatára alkalmas, pl. régészet, környezettudomány.Szeizmika: Regionális, ipari jellegű kutatások jellemzőek. A közegben terjedő rugalmas hullámok terjedési sebességét, reflexióját, refrakcióját felhasználva tudunk réteghatárokat, formációkat, vetőket kimutatni, ezek mélységét hozzávetőlegesen megadni.Mélyfúrási geofizika: A fentiekhez hasonló módszerekkel mérünk, azonban nem horizontálisan, hanem vertikális a kút fala mentén. A mélyfúrási és felszíni módszerek többsége megfeleltethető egymásnak, ezen felül néhány méréstípus: természetes gamma (TG), porozitás mérések, lyukátmérő-mérések, dőlésmérések. Elsődleges célja a megfúrt rétegek fizikai paramétereinek minél pontosabb feltárása, ezek alapján várható szénhidrogén/vízhozam, illetve ezek minőségének becslése. A fúrásokat általában ipari szeizmikus szelvények alapján jelölik ki.

Fizikai mennyiségekAlapvető fizikai mennyiségek és dimenziójuk

Fizikai mennyiség Jele Mértékegység Geofizikai módszer

nehézségi gyorsulás g m/s2 gravitációs

mágneses indukció B Vs/m2 = T mágneses, váltóáramú

mágneses indukció v. gradiense

dB/dz T/m mágneses

fajlagos ellenállás ρ Ωm egyenáramú, váltóáramú

feszültség V, U V egyenáramú

áramerősség I A egyenáramú

elektromos térerősség E V/m váltóáramú

mágneses térerősség H A/m váltóáramú

porozitás Φ m3/m3 = 1 mélyfúrási

terjedési sebesség v m/s szeizmika

Geofizika a terepen - mérésekElsősorban a lokális, jól definiált feladatok méréseit tárgyaljuk (a félév folyamán később is).Kapott feladat értelmezése, térképi vázlatok áttekintése, mérési terület kijelölése.Terepbejárás, szükség esetén terep megtisztítása. Erőforrások (áram) biztosítása.A mérési terület pontos kijelölése az előzetes feladatmeghatározás alapján (pont, szelvény, rácsháló). Eredményeink szempontjából meghatározó, hogy térben (és bizonyos esetekben időben) helyesen helyezzük el a mérést.Műszerek felállítása, működőképesség, elektromos csatolások tesztelése.Mérés. Egyes mérések folyamatos felügyeletet, mások csak „jelenlétet” igényelnek. Ha bármilyen hiba, gyanús adat merül fel, érdemes jegyzőkönyvbe venni.Mérés végén a szelvény/rácsháló topográfiájának felvétele (vagy mérés közben vagy digitális modellből terepi munka nélkül).Terep megtisztítása, helyszín elhagyása. Mért pontok, szelvények megjelölése későbbi munka esetén (cövek).

Geofizika az irodában: feldolgozásMérési módszertől függően változik a feldolgozás munkaigénye. Jegyzőkönyv áttekintése, mérés során elkövetett esetleges hibák hatásainak becslése.Mérési adatok áttekintése (akár nyers számhalmazként, akár valamilyen vizualizációt használva), kiugró, hibásnak vélt adatok eltávolítása. Sok feldolgozószoftver automatizálható szűrőalgoritmussal is rendelkezik.Szükséges korrekciók elvégzése (lásd. Később az egyes módszerek ismertetésénél).Az adatok megjelenítése valamilyen esztétikus, könnyen értelmezhető formában. A túl sok információt hordozó megjelenítés általában nehezen követhető, a nyilvánvaló hibák is elkerülhetik figyelmünket.A később következő értelmezés „nulladik” lépéseként vessük össze a kapott feldolgozott eredményt az általunk várt/feltételezett eredménnyel. Könnyen előfordulhat, hogy feldolgozási hibára akadunk (helytelenül beállított szűrés, hibás paraméterekkel alkalmazott inverzió/konvolúció, stb...)

Geofizika és más tudományok: értelmezésFeldolgozott mérési eredményeink értelmezés híján haszontalanok.Egyes módszerek eredményei más-más Föld-régióról nyújtanak adatokat, így más-más tudományág segítségével értelmezhetjük azokat.Geológia: nagy léptékű szeizmika, mélyfúrási geofizika, nagy léptékű egyenáramú módszerek. Alapvetően formációkat kutatunk.Tektonika: nagy léptékű szeizmika, nagy léptékű egyenáramú módszerek, gravitációs és mágneses kutatómódszer. Előbbi kettőn jól kivehető vetőket, törési felületeket keresünk, utóbbiak a felszínen indikálhatják az elvetés síkjának felszíni vetületét.Régészet: lokális mágneses és elektromos módszerek. A helyszínen várható objektumok geometriája, sűrűsége alapján értelmezzük a kapott eredményeket.Szekvenciasztratigráfia: nagy felbontású szeizmika.Környezettudomány: lokális mágneses, elektromos, gravitációs mérések. A környezetétől eltérő, kiugró fizikai paraméterrel rendelkező egységeket keresünk.

Példák 1.

Szeizmikus tomográfia

Mágneses anomáliák (CHAMP-műhold)

Példák 2.Gravitációs mérések - anomáliatérkép

Szeizmikus szelvény

Példák 3.Egyenáramú multielektródás mérések

11 héthét

55 héthét

77 héthét

Példák 4.Mélyfúrási szelvények