Properties of georadar signals used for an estimation of the mineralization of the soil waters

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

Warianty tytułu

PL

Własności sygnałów georadarowych używanych do oceny mineralizacji wody gruntowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Mining operation produces a significant environmental risk. It relates mainly to two factors: - Subsidence of upper layers over the exploited seam. Such subsidence may disturb the hydro-geological system in the soil and result in formation of fens and change the natural ecosystem. - Storing of mineral wastes, including salty waters, on the surface. The mineral waste deposit is a source of contamination of ground waters by various salts and other chemicals damaging the normal ecosystem. In this paper the second problem is considered, particularly the use of the georadar method for assessment contamination distributions in vicinity of mining waste deposits. Georadar measurements carried out for assessment the changes in mineralization of waters polluted by mining wastes require introduction of new techniques of data interpretation. The paper demonstrates such a technique on an example of interpretation of results of investigation in the area of mining waste deposit Buków. The classical interpretation of measurement data did not yield good results owing to two reasons. The area was built of clays and silts that significantly attenuated radar waves. In addition, the structure of aqueous layers caused generation of interference waves that rendered impossible of using the amplitude to determine the parameters describing mineralization of aqueous layers. In such a situation we decided to employ the properties of georadar waves on the reflecting border. The reflected waves under the conditions present in the investigated area must have changed the phase, while no phase change takes place in the refraction waves. After finding the critical angle at which the refractory wave is generated, the wave velocity in the water-containing zone can be calculated, and comparing the differences in wave velocities along the profile the change in mineralization of ground waters could be assessed.

PL

Eksploatacja górnicza powoduje zwiększenie ryzyka destrukcji środowiska naturalnego. Zasadniczo jest to wynikiem rozwoju dwóch procesów wywołanych eksploatacją: - Osiadania nadkładu nad wyeksploatowanym pokładem. Takie osiadanie może zaburzyć system hydrogeologiczny w gruncie i spowodować tworzenie zalewisk, przez co spowodować niszczenie ekosystemu. - Składowanie odpadów mineralnych, również słonej wody, na powierzchni ziemi. Te składowiska są źródłem zanieczyszczenia wód powierzchniowych przez sole i inne składniki chemiczne niszczące środowisko naturalne W tej pracy zajmiemy się drugim z tych problemów a w szczególności możliwością wykorzystania geofizycznej metody georadarowej do oceny rozkładu zanieczyszczeń wywołanych składowiskiem odpadów górniczych. Pomiary georadarowe prowadzone dla oceny takiego zanieczyszczenia wymagają wprowadzenia nowej techniki interpretacyjnej. W artykule została ona zademonstrowania na przykładzie interpretacji wyników uzyskanych w wyniku badania otoczenia składowiska odpadków górniczych "Buków". Klasyczne metody interpretacyjne nie zdały tam egzaminu z dwóch powodów. Grunt jest w otoczeniu składowiska utworzony z glin i mułów, które intensywnie tłumią fale radarowe. Dodatkowo struktura warstwy wodonośnej spowodowała powstanie fal interferencyjnych, przez co okazało się niemożliwe użycie amplitudy fal georadarowych do oceny mineralizacji wody. W tej sytuacji zdecydowano wykorzystać pewne własności sygnałów georadarowych powstałych podczas odbicia od powierzchni strefy saturacji. Fale odbite od spągu tej strefy powinny mieć fazę przesuniętą o […] w stosunku do fali padającej, podczas gdy fala refrakcyjna takiego przesunięcia nie powinna wykazywać. Badając zmianę fazy w sygnałach georadarowych możemy znaleźć kąt krytyczny i obliczyć z niego prędkość fali georadarowej w warstwie zawodnionej. Ponieważ prędkość fali georadarowej w ośrodku porowatym zależy od przewodności elektrycznej wody złożowej, więc możemy na podstawie tak przeprowadzonego rozumowania ocenić rozkład mineralizacji wody gruntowej z pomiarów georadarowych. Pomiary hydrogeologiczne prowadzone na składowisku "Buków" potwierdziły trend zmian mineralizacji wyznaczonych z pomiarów georadarowych.

Słowa kluczowe

EN

georadar method; contamination from waste deposit; GPR-refraction method; wave interference

PL

metoda georadarowa; zanieczyszczenie odpadami górniczymi; metoda refrakcyjnych fal georadarowych; fale interferencyjne

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 3
• Strony: 469--486
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Marcak H.

autor

Tomecka-Suchoń S.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environment Protection, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• Annan A.P., 2001. Ground Penetrating Radar, Workshop Notes. Copyright Sensors and Software Inc., Canada.
• Bradford J., Deeds J., 2006. Ground-Penetrating Radar Theory and Application of Thin-Bed Offset-Dependent Reflectivity. Geophysics 71, no. 3, K47-K57.
• Deparis J., Garambois S., 2009. On the Use of Dispersive APVO GPR Curves for Thin-Bed Properties Estimation: Theory and Application to Fracture Characterization. Geophysics, vol. 74.
• Huisman J.A., Hubbard S.S., Redman J.D., Annan A.P., 2003. Measuring Soil Water Content with Ground Penetrating Radar. A Review, Vadose Zone Journal, Soil Sci. America, p. 476-491.
• Jaworskij B.M., Detlaf A.A., 1968. Physical Handbook. Publishing by „Nauka” (In russian).
• Marcak H., 2001. The Satellite Radar Imagines. Geoinformatyka Polonica, nr3,pp. 29-47
• Marcak H., Tomecka-Suchoń S., 2008. The Georadar Investigations for Assessment the Ground Water. Kwartalnik AGH im. St. Staszica w Krakowie Geologia, t. 35, z. 2/1, p. 445-455 (in polish).
• PainE J.G., Dutton A.R., Hovovka S.D., Blum H.U., Mahoney H.P., Sullivan E.J., 2005. Brine in the Near-Surface Environment Determining Salinization Extent, Identifying Sources and Estimating Chloride Mass Using Surface. Borehole and Airborne EM, Sageep Proceedings.
• Porsoni J.L., Filho W.H., Elis V.R., Schimeles F., Pourado J.C., Moura H.P., 2004. The Use of GPR and VES in Delineating a Contamination Plume in Landfill Site: a Case Study in SE Brazil, Journal of Applied Geophysics, vol. 55, nr 3-4, p. 199-209.
• Sarga-Gaczyńska M., 2007. The Dynamic of Generation of Contamination Load in Waste Deposits and its Influence on the Water Environment, Doctor dissertation, Katedra Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków (in polish).
• Sassen D.S., Everett M.E., 2009. 3D Polarimetric GPR Coherency Attributes and Full-Waveform Inversion of Transmission Data for Characterizing Fractured Rock, Geophysics, vol. 74, no. 3, p. 123-134.
• Stratton J.A.,1941. Electromagnetic Theory. McGraw-Hill Book Company.
• Szczepańska J., Zdechlik R., Knap W., 2009. The use of geophysical methods for the investigation migration of the contamination from the waste deposits. Grant report nr N525 398034 in 2008 9 (in polish).