Διατμηματικό ΠΜΣ ΠΣ ΑΠΘ

Κώστας Κατσάμπαλος

Καθηγητής ΤΑΤΜ

Τηλ: 2310-996123

kvek @ topo.auth.gr

Τεχνικές Διασκοπήσεωνσε θέσεις αρχαιολογικού ενδιαφέροντος

• Μαγνητομετρική (magnetometric survey)– 2006 … νέα τεχνική: SQUID Superconducting Quantum

Inteference Device (200 φορές πιο ευαίσθητο, ιατρικές εφαρμογές, αρχ. εφαρμογές 1-5 μέτρα για ξύλο & δέρμα)

• Ηλεκτρική (resistivity survey)- 2006 … νέες τεχνικές: GEEP / Geophysical Equipment Exploration Platform. Geomatrix/OhmMapper (10μ βάθος)

• Βαρυτημετρική (gravimetric survey)• Ηλεκτρομαγνητική (Ground Probing Radar)

Βιβλιογραφία

• Parasnis, D.S. Principles of Applied Geophysics, Chapman & Hall, 5th edition, 1997, ISBN 0 412 64080 5

[Διαθέσιμο από τη Βιβλιοθήκη του Μεταπτυχιακού]

Σημειώσεις

• http://users.auth.gr/~kvek/Y07_2008.ppt

Μαγνητομετρία

Διπλή Μαγνητομετρία

Γρεβενά (τυπική μαγν. Διασκόπηση)

.

Βαρυτημετρική διασκόπηση (g)

• Βασίζεται στη μέτρηση της επιτάχυνσης (g) του γήινου πεδίου της βαρύτητας (W) και συγκεκριμένα στις μεταβολές της σε γειτονικά σημεία

– Οι μεταβολές του g οφείλονται στην ανομοιογένεια της πυκνότητας των μαζών που έλκουν τα σώματα στην επιφάνεια της γης.

• Απαιτεί τη χρήση οργάνου μέτρησης της σχετικής βαρύτητας (relative gravimeter), τεχνικών επεξεργασίας των αρχικών παρατηρήσεων (pre-processing) και μεθόδων αναγωγών των παρατηρήσεων (gravity reductions)

• Ανήκει στις μή-καταστρεπτικές (non-destructive) μεθόδους διασκοπήσεων όπως είναι και η μαγνητική διασκόπηση, μια και δεν διοχετεύει ούτε εκπέμπει σήμα (όπως συμβαίνει στις ηλεκτρικές διασκοπήσεις και στις ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους - georadar).

G - διασκόπηση: Οι Βάσεις

• Το γήινο πεδίο έλξης : V = GM / r– η πρώτη παράγωγος: dV/dr = - GM / r2

• Το γήινο πεδίο βαρύτητας : W = V + Φυγόκεντρος– η πρώτη παράγωγος dW/dr εχει μονάδες επιτάχυνσης (δύναμη ανά

μονάδα μάζας, από τη γνωστή σχέση F = mg)– Γήινες παλίρροιες, δυνάμεις Coriollis, μεταβολές της γήινης περιστροφής

και άλλες επιδράσεις μεταβάλουν το g από τόπο σε τόπο και από ώρα σε ώρα.

– Η τιμή του g στην επιφάνεια της γης είναι τυπικά 9.81 m/sec2

– 1 cm/sec2 = 1 gal (after G. Gallilei)– 1 μm/sec2 = 1 g.u. (gravity unit)– 1 mgal = 10 g.u.

g - διασκόπηση: Η μέτρηση του g

• Η επιτάχυνση της βαρύτητας μετράται με– σχετικά βαρυτήμετρα (πρόβλημα : η αστάθεια με την ώρα / drift)– απόλυτα βαρυτήμετρα (πρόβλημα : μεγάλο κόστος λειτουργίας)– Η ακρίβεια της μέτρησης με σχετικό βαρυτήμετρο είναι της τάξης

του 0.2 - 0.4 g.u. (20-40 μgal), ικανή στο να εντοπίσει κοιλότητα 100 κυβικών μέτρων σε ένα βάθος 10-20 μέτρων κάτω από τη στάθμη εκτέλεσης των μετρήσεων.

• Διαθέσιμα σχετικά βαρυτήμετρα:– LaCoste-Romberg– Worden

• Κόστος αγοράς: περίπου 60,000 ευρώ

• Friedrich, J. Et al, Gravimetric examination of Hagia Sophia’s subsurface structure. Journal of Geodesy, 70, pp 645-651, 1996.

Ground Probing Radar (GPR)

• Το GPR χρησιμοποιείται στον εντοπισμό και τη «χαρτογράφηση» αντικειμένων τα οποία βρίσκονται

1. θαμμένα μέσα στο έδαφος

2. πίσω από τοίχο

3. μέσα στη μάζα συμπαγούς σκυροδέματος (πχ. oπλισμός beton).

• Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η δυνατότητα εντοπισμού και μη-μεταλλικών αντικειμένων (δηλαδή πλαστικών σωλήνων, οργανικών σωμάτων πάσης φύσεως, ακόμη και του απλού κενού χώρου).

• Η μόνη απαίτηση για την αποτελεσματικότητα της μεθόδου είναι η διαφοροποίηση των φυσικών χαρακτηριστικών του εντοπιζόμενου σώματος σε σχέση με τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος χώρου.

Ground Probing Radar (GPR)

• Τύπος διπλής κεραίας

GPR : εφαρμογές • Εντοπισμός δικτύων κοινής ωφέλειας

– ύδρευση, αποχέτευση, τηλεπ/νίες, φωταέριο

• Εντοπισμός & διασκόπηση αρχαιολογικών χώρων– κτίσματα, θεμέλια, τάφοι, κα

• Μελέτη στατικής επάρκειας κατασκευών– έλεγχος οπλισμού σκυροδέματος

• Μελέτη επιφανειακών εδαφικών & γεωλογικών χαρακτηριστικών – μικροζωνικές μελέτες

• Εντοπισμός υπόγειων έργων, δεξαμενών, (μεταλλικών και πλαστικών), παρανόμων ενεργειών (ταφή τοξικών πάσης φύσεως)

GPR : Βασικές Αρχές

Το GPR περιλαμβάνει πομπό και δέκτη μικροκυμάτων, συνδεδεμένων με ένα ζεύγος κεραιών. Τμήμα του

εκπεμπόμενου σήματος που διεισδύει μια (μικρή) απόσταση μέσα στο έδαφος, επιστρέφει ανακλώμενο σε οποιοδήποτε

αντικείμενο παρουσιάζει διαφορετικά ηλεκτρικά

χαρακτηριστικά σε σχέση με το περιβάλλον (έδαφος).

Μια και οι πλαστικοί σωλήνες, τα μεταλλικά αντικείμενα και τα πάσης φύσης υλικά είναι διαφορετικά από το «χώμα», αντανακλούν το σήμα του GPR. Το σήμα επιστρέφει σε χρόνο ανάλογο του βάθους των

πάσης φύσεως φορέων ανάκλασης.

GPR : Η απλή μέτρηση

Εάν το GPR διαθέτει μία κεραία (monostatic arrangement), το βάθος της ανάκλασης προσδιορίζεται από τη σχέση:

d = c t / 2

όπου c είναι η ταχύτητα μέσα στο έδαφος

Εάν το GPR διαθέτει δύο κεραίες (bistatic arrangement) σε απόσταση x μεταξύ τους, τότε:

d = sqrt (c2 t2 - x2) / 2

GPR: Σχηματισμός της εικόνας

Προκειμένου να συνθέσουμε μια εικόνα του χώρου διασκόπησης, κατάλληλης για ερμηνεία

(interpretation) από τον χειριστή του GPR, πρέπει να σχεδιάζουμε τα

ανακλώμενα σήματα σε κάποιας μορφής ψηφιακή οθόνη.

Καθώς το GPR κινείται κατά μήκος μιας τομής διασκόπησης,

κάθε ανακλώμενο σήμα σχεδιάζεται δίπλα στο προηγούμενο.

‘Ολα τα ανακλώμενα σήματα, σχεδιασμένα δίπλα-δίπλα,

σχηματίζουν μια σαφή εικόνα (pattern)

του κυρίαρχου σώματος ανάκλασης.

GPR : Υπερβολή από πολλά σήματα

Όταν το «αντικείμενο» βρίσκεται έμπροσθεν του GPR,

χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να ανακλαστεί το σήμα πίσω στην

κεραία.

Καθώς το GPR κινείται προς και πάνω από το «αντικείμενο», ο χρόνος

επιστροφής του σήματος μικραίνει και μετά αρχίζει πάλι να μεγαλώνει.

Έτσι, η εικόνα των διαδοχικών σημάτων παίρνει το σχήμα

υπερβολής (hyperbola).

Ο έμπειρος χειριστής αναγνωρίζει αυτό το πρότυπο (pattern) ως κάποιο

«αντικείμενο» στο κέντρο της υπερβολής.

GPR : Απροσδιοριστίες προτύπων

Η υπερβολή που προέρχεται από μια σωλήνα την οποία διασχίζουμε κάθετα, παρουσιάζει στην οθόνη του GPR σαφές σχήμα.

Η ίδια σωλήνα όμως, όταν την παρακολουθούμε με το GPR κατά μήκος, δεν θα δώσει ως εικόνα τίποτα περισσότερο από μια επίπεδη στάθμη, επειδή το βάθος της δεν μεταβάλλεται.

Επιπρόσθετα, υπάρχουν πολλές «δομές» (εδαφικά στρώματα, επιφανειακοί οριζόντιοι γεωλογικοί σχηματισμοί, στάθμη ύδατος κα) που θα παρήγαγαν το ίδιο αποτέλεσμα οδηγώντας σε απροσδιοριστίες προτύπων (ambiguous pattern).

Έτσι, είναι δύσκολο να χαρτογραφήσουμε επιμήκεις δομές παρακολουθώντας τες κατά μήκος. Απαιτείται πληρέστερη (εγκάρσια) διασκόπηση.

GPR : Επίδραση της κεραίας

Υπάρχουν αρκετά είδη κεραιών στα συστήματα GPR με διαφορετικά χαρακτηριστικά.

Κεραίες διπόλου: εκπέμπουν ευρεία δέσμη, επιτρέποντας τη σάρρωση μεγάλης επιφάνειας, αλλά παρέχουν πλατειές υπερβολές των διασκοπούμενων αντικειμένων.

Σπειροειδείς κεραίες: εκπέμπουν στενή δέσμη, προσφέροντας μεγαλύτερη διαχωριστική ικανότητα, αλλά απαιτώντας πυκνότερες επιφανειακές διελεύσεις (περισσότερη εργασία υπαίθρου).

GPR : Πόσο βαθειά μετράει ;;;

Δεν είναι εύκολο να προσδιορίσεις το βάθος του αντικειμένου, χωρίς να γνωρίζεις τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά του εδάφους στην περιοχή της διασκόπησης.

Η ακτινοβολία του GPR έχει στον αέρα ταχύτητα 186000 μίλια το δευτερόλεπτο (1 ft/nsec), αλλά μέσα στο έδαφος η ταχύτητα αυτή είναι συνάρτηση της υφής του εδάφους και κυρίως της εδαφικής υγρασίας.

Ή βαθμονόμηση (calibration) του GPR (με βάση τις μετρήσεις σώματος σε γνωστό βάθος) είναι απαραίτητη, προκειμένου να εξαχθεί πληροφορία της 3ης διάστασης (βάθους) πέρα από τον οριζοντιγραφικό προσδιορισμό της «διαταρακτικής δομής»

GPR : Πότε ΔΕΝ δουλεύει ;;;

Μεταλλικά στοιχεία μπορεί να ανιχνευτούν βαθύτερα από αργιλικά αποθέματα.

Μεγάλα αντικείμενα μπορούν να εντοπιστούν βαθύτερα από μικρά αντικείμενα ίδιας υφής.

Εδάφη καθαρής άμμου είναι ό,τι καλύτερο σε μια GPR διασκόπηση.

Η υγρή άργιλλος είναι ό,τι χειρότερο μπορεί να σου συμβεί σε μια GPR διασκόπηση.

Το καθαρό νερό δεν προκαλεί προβλήματα, αλλά το υφάλμυρο δημιουργεί πολλά προβλήματα.

GPR : σωλήνες και … δεινόσαυροι

GPR : εφαρμογές για όλους !

Κεκλιμένη δομή

κάτω από την επιφάνεια του εδάφους

Ερμηνεία:

δίοδος και φωλιά … αλεπούς !

GPR : Δίκτυα

Αποτύπωση

δικτύων

εντός πόλης

Ερμηνεία

και

επιβεβαίωση

Πεδίο ελέγχου. Σύστημα GPR ευρείας δέσμης

Πεδίο ελέγχου. Σύστημα GPR στενής δέσμης

GPR : Ταφική δομή

Αρχαιολογία

GPR : Γεωλογικά χαρακτηριστικά

Δεξαμενές και σωλήνες

Νάρκες !!!