تئوری روش ژئورادار

-کلیات

اصول و مبانی تئوری روش ژئورادار، شباهت­های بسیاری با لرزه­نگاری انعکاسی دارد. موج به­کار گرفته شده در روش لرزه­نگاری مکانیکی و از نوع امواج صوتی است، ولی در GPR از امواج الکترومغناطیس فرکانس بالا استفاده می­شود. در سال ۱۹۰۴ برای اولین بار هولسمیر محقق آلمانی ایده استفاده از امواج الکترومغناطیس فرکانس بالا جهت بررسی­های زیر سطحی را ایجاد کرد. استفاده از این ابزار از سال ۱۹۵۶ آغاز شد و از سال ۱۹۷۰ به بعد توسعه یافت. دستگاهای GPR از دهه ۱۹۸۰ به صورت تجاری در دسترس بوده و به­کارگیری آنها از اواسط دهه ۱۹۹۰ به شدت افزایش یافته است. گستره وسیع کاربردهای این روش به­علاوه قدرت تفکیک بالای آن، سرعت در برداشت داده­ها و همچنین غیر مخرب بودن آن را می­توان از دلایل توسعه آن در این سال­ها نام برد.

ژئورادار برای مکان­یابی پدیده های زیرسطحی و یا پیوستگی جانبی سطح مشترک خاک و سنگ در اعماق کم بکار می­رود. در این روش امواج رادیویی با فرکانس بسیار بالا (انرژی الکترومغناطیس) به درون زمین ارسال میشود و این امواج با برخورد به اشیاء و یا مرز نسبتاً واضح بین لایه­ های زیرزمینی بازتاب می­کند و توسط دستگاه به صورت نگاشت ثبت می­گردد. ­­

بازتابش­های رادار بوسیله تفاوت گذردهی الکتریکی (ثابت دی­الکتریک) بین موادی که امواج الکترومغناطیس را از خود عبور می­دهند، ایجاد می­گردد. امواج الکترومغناطیس هنگام برخورد به ناپیوستگی­های الکتریکی درون لایه­های زمین قسمتی بازتاب یافته و قسمتی به درون لایه­های زیرین نفوذ می­کند تا در نهایت موج مستهلک می­گردد. زمان رفت و برگشت امواج الکترومغناطیس منعکس شده از سطح مشترک اهداف زیر سطحی اندازه­گیری شده و با معلوم بودن سرعت امواج الکترومغناطیس موقعیت هدف در زیر زمین بر روی مانیتور دستگاه به صورت مقطع رادار به نمایش در می­آید. بنابراین مقطع رادار بیش از آنکه چگالی را به نمایش در آورد، ویژگی الکتریکی زمین را نشان می­دهد.

امواج الکترومغناطیس ژئورادار از موادی که هدایت الکتریکی کمی دارند عبور می­کند، اما هنگام عبور از مواد با هدایت الکتریکی بالا مانند رس­ها، خاک­های آلی اسیدی و مواد اشباع با آب شور به شدت جذب می­شود. مقدار نفوذ عمقی GPR به مقدار امواج عبور شده از زمین بستگی دارد. نفوذ امواج رادار توسط آب زیرزمینی و درصد بالای رس کاهش می­یابد. بهترین کارآئی GPR در خاک­های ماسه­ای خشک می­باشد.

امتیاز بالقوه GPR در به نقشه درآوردن شرایط زیر سطحی طبیعت غیر مخرب آن است. در این روش هیچ نیازی به حفاری گمانه و یا سوراخ کردن خاک نمی­باشد، در حالیکه تکنیک­های مخرب، هزینه­بر، زمان بر و اساساً از بین برنده ساختار ناحیه نمونه­گیری و اطلاعات آن می­باشد. علاوه بر آن، پیمایش­های GPR سریعتر و اقتصادی­تر بوده و دقت فضایی بیشتر و بهتری را نسبت به روش­های متداول دیگر فراهم می­کند. این روش قابلیت تهیه اطلاعات زیرسطحی از عمق چند سانتیمتر تا چند ده متر را دارد.

 اجزای دستگاه GPR و نحوی کار

همان­طور که در شکل۲ دیده می­شود، دستگاه GPR دارای یک مولد سیگنال، یک فرستنده و یک گیرنده می­باشد. امواج الکترومغناطیسی توسط فرستنده به داخل زمین فرستاده می­شوند. بخشی از انرژی امواج در برخورد با فصل­مشترک­های زیرسطحی منعکس و یا پخش و بخشی از انرژی در لایه­ها و یا اشیاء مدفون نفوذ می­کند. مؤلفة الکتریکی امواج الکترومغناطیس (E) به عنوان یک تابع پیمایش زمانی توسط گیرنده ثبت می­شود. گیرنده ممکن است توانایی ذخیره و رقمی کردن داده­ها، را داشته باشد. بعضی سیستم­های پیشرفته به همراه یک رایانه بوده که پردازش داده­ها به هنگام برداشت و بعد از آن را ممکن می­سازند. انعکاس (بازتاب) و انکسار امواج الکترومغناطیسی در فصل مشترک­های بین لایه­ها و اهداف، که اختلاف در خواص الکتریکی دارند صورت می­گیرد. گذردهی دی­الکتریکی(ε) و هدایت الکتریکی (σ) پارامترهای فیزیکی تعیین کننده در انعکاس­پذیری امواج از فصل­ مشترک­ها می­باشند.

شکل(۲): اجزاء دستگاه GPR

برای ارسال و دریافت امواج GPR آنتن­های باند گسترده مورد استفاده قرار می­گیرند. انتشار امواج الکترومغناطیس در سنگ مشابه انتشار امواج لرزه­ای می­باشد. با وجود این چندین اختلاف اساسی بین آنها وجود دارد. توجه به این نکات در انجام عملیات صحرائی و پردازش داده­ها، بسیار با اهمیت است.

پردازش داده­های GPR

به­طور کلی پردازش داده­های ژئوفیزیک به منظور غلبه بر محدودیت­های ذاتی و نوفه­های موجود در داده­های خام، صورت می­پذیرد. روش GPR نیز از این قاعده مستثنی نیست و حتی در پاره­ای از مطالعات بدون اعمال پردازش­های مناسب، دستیابی به هدف مورد نظر غیر ممکن به نظر می­رسد. دامنة پردازش­های به کار رفته بر روی داده­ها توسط پارامترهای مختلفی کنترل می­شود. در برخی از مطالعات ممکن است حتی از اعمال پردازش­های ابتدایی بر روی داده­ها خودداری شود و در پاره­ای از آنها دامنة وسیعی از پردازش­ها بر روی داده­ها صورت پذیرد.

 به طور معمول در مرحله اول داده ها ویرایش می­شوند. در این مرحله تصحیح، تصحیح صفر زمانی، معکوس کردن جهت پروفیل­ها، پیوند فایل­ها، حذف ردهای تکراری و اضافه کردن آنها در ایستگاه­هایی که برداشت صورت گرفته، ویرایش پارامترهای برداشت از قبیل فرکانس مرکزی، فاصلة آنتن­ها صورت می­پذیرد.

در مرحله بعدی ویرایش داده­ها، اعمال فیلتر­های مناسب نوفه­ها حذف می­شوند و در نهایت به واسطة اتلاف و پخش هندسی امواج الکترومغناطیس، بازتاب­های در اعماق بیشتر، بسیار ضعیف­تر هستند.

شکل۳: مطالعات ژئورادار توسط دستگاه GPR

شرکت زمین ساخت پویان زمان پروژه های موفقی را در زمینه اکتشاف حفرات و قنوات واکتشاف تاسیسات زیر سطحی در سطح استان خراسان توسط روشهای ژئورادار(GPR) انجام داده است.