Interpretation of ground penetrating radar attributes in identifying the risk of mining subsidence

• Autorzy: Tomecka-Suchoń S. , Marcak H.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0042

Warianty tytułu

PL

Użycie atrybutów GPR do wyznaczania rejonów zagrożonych pojawieniem się pustek poeksploatacyjnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Sinkholes which occur in regions of old mine workings increase the risk to building and transport safety. Geophysical surveys, particularly with the use of ground penetrating radar (GPR), can help to locate underground voids which migrate towards the surface before they transform into sinkholes. The mining region in Upper Silesia, Poland was selected to test the method. The test was carried out on the profile at which sinkhole appeared few months after measurements. It can be assumed that the development of deformations in the ground was preceded by hydraulic and geomechanical processes, which directly caused this event. To identify the cause of the sinkhole formation exactly in this place In which it is located we carried out interpretation of GPR measurements through the calculation of GPR signals attributes such as instantaneous phase, instantaneous amplitude envelope, envelope derivative, envelope second derivative. The difference between two similar recorded data can be interpreted as a result of existence of hydraulic channels. On reflection, it appears that GPR signals attributes can be an important tool not only in the location of a cavity voids, but also can help in understanding the mechanisms of formation of the sinkholes.

PL

Osiadające płytkie zroby po wyeksploatowanym węglu mogą być przyczyną rozwoju procesów zapadliskowych na powierzchni ziemi. Takie zapadliska pojawiają się nagle i stanowią duże zagrożenie dla ludzi, zwierząt i obiektów budowlanych. Do lokalizacji „wędrujących pustek” w kierunku powierzchni ziemi można wykorzystać metody geofizyczne, w szczególności metodę georadarową. Przeprowadzono badania testowe w rejonie Sierszy na Górnym Śląsku, gdzie również powstają zapadliska górnicze. Prowadzono badania na profilu pomiarowym w czasie bezpośrednio poprzedzającym pojawienie się zapadliska. Można przyjąć, że obserwacje georadarowe były prowadzone w czasie, kiedy rozwijał się geomechaniczny i hydrauliczny proces przygotowania deformacji zapadliskowej. W interpretacji materiału pomiarowego zastosowano metodę atrybutów sygnałów georadarowych takich jak faza chwilowa, pierwsza pochodna i druga pochodna sygnału analitycznego. Anomalne wartości atrybutów wskazują na rozwój kanałów hydraulicznych, które były bezpośrednią przyczyną powstania zapadliska. Z pracy wynika, że badanie rozkładu atrybutów analitycznego sygnału georadarowego może pomóc w zrozumieniu procesu tworzenia zapadliska i identyfikować istnienie takiego procesu.

Słowa kluczowe

EN

GPR method; sinkholes; GPR attributes; geophysics in mines

PL

metoda georadarowa; pustki wędrujące; atrybut georadarowy

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 2
• Strony: 645--656
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tomecka-Suchoń S.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, Department of Geophysics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Marcak H.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, Department of Geophysics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Alfares W., Bakalowicz M., Guérin R., Dukhan M., 2002. Analysis of the karst aquifer structure of the Lamalou area (Hérault, France) with ground penetrating radar. Journal of Applied Geophysics, 51, 97-106.
• [2] Annan A.P., 1999. Practical Processing of GPR Data. Sensor and Software Inc., Canada.
• [3] Annan A.P., 2001. Ground Penetrating Radar. Workshop Notes, Sensore and Software Inc., Canada.
• [4] Batayneh A.T., Abdelruhman A., Abueladas A., Moumani K.A., 2002. Use of ground-penetrating radar for assessment of potential sinkhole conditions: an example from Ghor al Haditha area, Jordan. Environmental Geology, 977-983.
• [5] Beres M., Luetscher M., Olivier T., 2001. Integration of ground-penetrating radar and microgravimetric methods to map shallow caves. Journal of Applied Geophysics, 46, 249-262.
• [6] Carcione J.M., Schoenberg M., 2000. 3-D ground-penetrating radar simulation and plane wave theory. Geophysics, 65, 1527-1541.
• [7] Carcione J.M., Seriani G., 2000. An electromegnetic modeling tool for the detection of hydrocarbons in the subsoil. Geophysical Prospecting, 48, 2, 231-256.
• [8] Carcione J.M., Gei D., Botelho M.A.B., Osella A., de la Vega M., 2006. Fresnel reflection coefficients for GPR-AVO analysis and detection of seawater and NAPL contaminants. Near Surface Geophysics, 4, 252-263.
• [9] Carcione J.M., 2007. Wave fields in real media. Theory and numerical simulation of wave propagation in anisotropic, anelastic, porous and electromagnetic media. Elsevier.
• [10] Chamberlain A.T., 2000. Cave detection in limestone using Ground Penetrating Radar. Journal of Archaeological Science, 27, 957-964.
• [11] Chopra S., Marfurt K.J., 2007. Seismic Attributes for Prospect ID and Reservoir Characterization. Reservoir Characterization SEG Geophysical Development, 11, 256.
• [12] Coşkun N., 2012. The effectiveness of electrical resistivity imaging in sinkhole investigations. International Journal of Physical Sciences, 7 (15), 2398-2405.
• [13] Daniels D.J., 1996. Surface penetrating radar. London: IEE.
• [14] Dobecki T.L., Upchurch S.B., 2006. Geophysical applications to detect sinkholes and ground subsidence. The Leading Edge, 336-341.
• [15] Fajklewicz Z., 1985. Geneza anomalii siły ciężkości i pionowego gradientu nad pustkami powstającymi w skałach kruchych. Ochrona terenów górniczych 60, rok XIX, 3-13.
• [16] Jeng Yih, Chen Chich-Sung, 2012. Subsurface GPR imaging of a potential collapse area in urban environments. Engineering Geology, 147-148, 57-67.
• [17] Kofman L., Ronen A., Frydman S., 2006. Detection of model voids by identifying reverberation phenomena in GPR records. Journal of Applied Geophysics, 59, 284-299.
• [18] Marcak H., 1999. Powstanie zapadlisk i innych form deformacji nieciągłych powierzchni spowodowanych wystąpieniem pustek. Mat. Sym. Warsztaty 99, 71-84.
• [19] Marcak H., Tomecka-Suchoń S., 2006. Zastosowanie metod georadarowych do lokalizacji pustek. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Miesięcznik WUG, 10-15.
• [20] Marcak H., Gołębiowski T., Tomecka-Suchoń S., 2008. Geotechnical analysis and 4D GPR measurements for the assessment of the risk of sinkholes occurring in a Polish mining area. Near Surface Geophysics, 6, 4, 233-243.
• [21] Marcak H., Tomecka-Suchoń S., 2010. Properties of georadar signals used for an estimation of the mineralization of the soil waters. Archives of Mining Sciences, 55, 3, 469-486.
• [22] McMechan G.A., Loucks R.G., Zeng X., Mescher P., 1998. Ground penetrating radar imaging of a collapsed paleocave system in the Ellenburger dolomite, central Texas. Journal of Applied Geophysics, 39, 1-10.
• [23] Saarenketo T., 1988. Electrical properties of water in clay and salty soils. Journal of Applied Geophysics, 4, 73-88.
• [24] Sheriff R.E., Gebdart L.P., 1995. Exploration Seismology. Cambridge University Press, 286.
• [25] Szymczyk P., Marcak H.,Tomecka-Suchoń S., Szymczyk M., Gajer M., Gołębiowski T., 2014. Zaawansowane metody przetwarzania danych georadarowych oraz automatyczne rozpoznawanie anomalii w strukturach geologicznych. Elektronika, 12, 56-61.
• [26] Tadeusiewicz R., 2011. Introduction to Intelligent Systems, chapter No. 1 in book: Wilamowski B.M., Irvin J.D. (Eds.):The Industrial Electronics Handbook – Intelligent Systems, CRC Press, Boca Raton, 1–1– 1–12.
• [27] Tadeusiewicz R., Chaki R., Chaki N., 2014. Exploring Neural Networks with C#, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton.
• [28] Taner M.T., Koehler F., Sheriff R.E., 1979. Complex seismic trace analysis. Geophysics, 44, 1041-1063.
• [29] Zakolski R., 1974. Określenie nieciągłości górotworu metodami geofizycznymi na obszarze GZW. Praca GIG, Komunikat nr 662.