POUŽITÍ GEOFYZIKÁLNÍCH METOD PRO ÚČELY OCHRANY MALÝCH VODNÍCH ZDROJŮ A JÍMACÍCH OBJEKTŮ

POUŽITÍ GEOFYZIKÁLNÍCH METOD PRO ÚČELY OCHRANY MALÝCH VODNÍCH ZDROJŮ A JÍMACÍCH OBJEKTŮ Technická studie pro projekt 2810 Praha 14. 12. 2013 G IMPULS Praha spol. s r.o., Přístavní 24, 170 00 Praha 7

2 Odpovědný řešitel: RNDr. Jaroslav Bárta, CSc. Odborná způsobilost projektovat, provádět a vyhodnocovat geologické práce (obor geofyzika). Vydalo MŽP 2925/630/21447/02. pod. čj. Odborná způsobilost projektovat, provádět a vyhodnocovat geologické práce (obor Zkoumání geologické stavby). Vydalo MŽP pod. čj. 63/660/2194/ENN/13.... Jednatel firmy G IMPULS Praha spol. s r.o.: RNDr. Dušan Dostál... G IMPULS Praha spol. s r.o. pracoviště Přístavní 24, 170 00 Praha 7 tel./fax 266712779 Praha 14. 12. 2013 Společnost G IMPULS Praha má certifikovaný systém zabezpečování jakosti podle mezinárodní normy ISO 9001:2008. Certifikát byl udělen certifikačním orgánem 3EC International. Rozdělovník: Výtisk 1.-3.: Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, Podbabská 30, 160 62 Praha 6 Výtisk 4.: Archiv G IMPULS Praha spol. s r.o., Přístavní 24, 170 00 Praha 7, archiv

3 OBSAH: 1. ÚVOD 4 2. GEOFYZIKÁLNÍ METODY 4 2.1 PŘEHLED GEOFYZIKÁLNÍCH METOD NEJČASTĚJI POUŽÍVANÝCH PRO STUDIUM VODNÍCH ZDROJŮ 4 2.1.1 GEOELEKTRICKÉ METODY 4 2.1.2 MĚLKÁ SEISMIKA 12 2.1.3 MAGNETOMETRIE 14 2.1.4 GRAVIMETRIE 14 2.1.5 TERMOMETRIE 15 2.1.6 RADIOMETRIE 15 2.1.7 GEOFYZIKÁLNÍ MĚŘENÍ VE VRTECH (KAROTÁŽ) 16 2.1.8. LETECKÉ METODY A DÁLKOVÉ SNÍMKOVANÍ 17 2.2 KVALIFIKAČNÍ PŘEDPOKLADY ŘEŠITELE GEOFYZIKÁLNÍCH ZADÁNÍ 17 2.3 NÁHLED DO SOUČASNÉ ODBORNÉ LITERATURY A SOFTWARE 18 3. VYHLEDÁVÁNÍ VODNÍCH ZDROJŮ GEOFYZIKÁLNÍMI METODAMI 20 3.1 STRATIFIKACE VRSTEVNÍHO SLEDU 20 3.2 DETEKCE TEKTONICKÝCH LINIÍ ČI JINÝCH GEOLOGICKÝCH STRUKTUR 25 3.3 PRAKTICKÉ PŘÍKLADY PŘI VYHLEDÁVÁNÍ MALÝCH VODNÍCH ZDROJŮ 29 4. DETEKCE A MONITORING OHROŽENÍ VODNÍCH ZDROJŮ 35 5. MALÁ VODNÍ DÍLA A GEOFYZIKÁLNÍ PRŮZKUM 35 6. POTENCIÁLNÍ MOŽNOSTI ŔEŠENÍ HAVARIJNÍCH A NENADÁLÝCH UDÁLOSTÍ GEOFYZIKÁLNÍMI METODAMI 35 LITERATURA 39 PŘEHLED ZKRATEK A SYMBOLŮ 43

4 1. ÚVOD Na základě objednávky Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka, Podbabská 30, 160 62 Praha 6 zajistil G IMPULS Praha spol. s r.o., pracoviště Přístavní 24, 170 00 Praha 7 zpracování technické studie: Použití geofyzikálních metod pro účely ochrany malých vodních zdrojů a jímacích objektů. Práce na studii byla založena tak, aby zejména odborná veřejnost, která se nespecializuje na geofyzikální obor, se mohla v textu snadno orientovat a informace zde podané, umožnily snadnější implementaci geofyzikálních měření do komplexu metod, používaných v hydrogeologickém výzkumu a průzkumu. Text studie se věnuje několika zájmovým okruhům, a to: Vyhledávání vodních zdrojů geofyzikálními metodami. Detekce a monitoring ohrožení vodních zdroj. Malá vodní díla a geofyzikální průzkum. Potenciální možnosti řešeni havarijních a nenadálých událostí geofyzikálními metodami. Studie je doplněna seznamem doporučené literatury. Tento seznam neslouží pouze jako seznam odkazů z textu studie, ale i jako orientace, jaký je zhruba stav oboru u nás i v zahraničí. Seznam je rozdělen na oddělení standardních článků a publikací, oddělení upozorňující na výzkumné úkoly, oddělení upozorňující na některé, z našeho pohledu, zásadní webové stránky a úsek s příklady geofyzikálních zpráv. Obdobně je na konci studie uveden seznam zkratek a symbolů, který opět může pomoci při rychlé orientaci čtenáře, který se nepohybuje pouze v geofyzikální problematice. 2. GEOFYZIKÁLNÍ METODY 2.1 PŘEHLED GEOFYZIKÁLNÍCH METOD NEJČASTĚJI POUŽÍVANÝCH PRO STUDIUM VODNÍCH ZDROJŮ Geofyzikální metody studují prostředí na základě kontrastu jeho fyzikálních vlastností, které ovlivňují měřená fyzikální pole. Charakter studovaného pole určuje metodu geofyzikálního průzkumu. Publikací věnovaných principům a aplikacím geofyzikálních metod je velké množství, jako například viz. lit. Mareš 1996, Mareš 1983, Butler 2005, Kirsch 2009 (uváděno jako odkaz na web), Lehr 1971(uváděno jako odkaz na web). 2.1.1 GEOELEKTRICKÉ METODY Geoelektrické metody patří mezi nejrozmanitější a nejpoužívanější metody geofyzikálního průzkumu, protože využívají různých elektrických umělých i přirozených polí jak stejnosměrných, tak i obecně časově proměnných (elektromagnetických) ke studiu prostředí

5 na základě celé soustavy jeho elektrických a elektromagnetických vlastností. Měří se zejména měrný odpor (rezistivita) či měrná vodivost (konduktivita, tj. převrácená hodnota odporu) hornin. Měrný odpor hornin úzce závisí na obsahu vody v jejich pórech a na kontaminaci porézní vody. Z tohoto důvodu mají odporové metody značný význam při oceňování hydrogeologických podmínek a stupně znečištění prostředí. Dalšími parametry, které je možné zjistit geoelektrickými metodami a mohou mít vztah k studovaným vlastnostem prostředí (litologii, hydrogeologickým parametrům apod.), jsou elektrická permitivita, magnetická susceptibilita a různé projevy komplexních elektrochemických aktivit prostředí (polarizovatelnost spontánní či vyzvaná, oxidačně - redukční, filtrační a difúzní potenciály apod.). Při studiu ekologických zátěží je dávána přednost metodám, které jsou ekonomicky a technologicky méně náročné a mají vysokou informační schopnost. 2.1.1.1 Odporové profilování (OP) Je nejpoužívanější geofyzikální metodou při studiích spojených s hydrogeologií a životním prostředím, protože měrný odpor hornin závisí jednak na litologii a jednak odpor prostředí velmi citlivě obráží obsah a kvalitu vody v pórech horninového prostředí. V odporových metodách (profilování i sondování) se měří a určuje měrný odpor prostředí z měřených hodnot napětí a proudu stejnosměrného elektrického pole vháněného do země. Přístrojové vybavení lze pořídit i v technologicky málo náročných variantách. To je další důvod širokého využívání. Při odporovém profilování se sledují změny měrných odporů v horizontálním směru (v mapě), hloubkový dosah je řízen volbou rozměru uspořádání rozložení zdrojových a měřících elektrod na povrchu země, který je charakterizován tzv. délkou uspořádání. Uspořádání elektrod se většinou pohybuje s pravidelným krokem podél profilů (obr. 2.1). Obr. 2.1 Měření metodou symetrického odporového profilování

6 Charakter řešeného problému určuje typ uspořádání: např. pro mapování strmých tenkých vodivých poloh (vodivá tektonika, poruchové zóny) jsou nejvhodnější nesymetrická uspořádání (kombinované odporové profilování KOP, kombinovaný středový gradient KSG, dipólové odporové profilování DOP), zatímco obecné odporové mapování kontaktů hornin, sledování reliéfů podloží apod. lze efektivněji realizovat symetrickými uspořádáními (Wennerovo WOP či Schlumbergerovo odporové profilování SOP). 2.1.1.2 Vertikální elektrické sondování, resp. odporové sondování (VES) Odporové sondování je principiálně stejné jako profilování, od něhož se liší tím, že sleduje odporové změny vertikálním směrem pod studovaným bodem tím způsobem, že se postupně zvětšuje délka uspořádání jednotlivých měřících elektrod. Sondování slouží k určení subhorizontálních rozhraní odporově kontrastních vrstev a poloh. Nejpoužívanějším sondážním uspořádáním je uspořádání se symetrickým uspořádáním elektrod. 2.1.1.3 Multielektrodové uspořádání (MEU) Pro detailní průzkum vertikálního řezu pod studovaným profilem je možno z odporových metod užít kombinace odporového profilování a sondování. To se dříve provádělo buď profilováním s mnoha rozestupy elektrod nebo měřením VES v krátkých ekvidistantních krocích podél profilu. V obou případech dostaneme podél profilu odporové údaje v mnoha hloubkových dosazích, které umožňují velmi detailní interpretaci vertikálního řezu. Kombinovaná profilově sondážní odporová měření je nyní možné realizovat simultánně pomocí rozložení mnoha elektrod metodikou multielektrodového uspořádání MEU (obr. 2.2, obr. 2.3) - většinou v ekvidistantních bodech profilu, které jsou střídavě používány jako zdrojové a měřicí a jsou napojeny na automatickou multikanálovou odporovou aparaturu. Taková měření se někdy označují odporová tomografie. Rozvoj této metodiky je podporován dostatkem vhodných aparatur české produkce a dostupným interpretačním softwarem (autor Locke, název Res 2D inv). Prezentace výsledků ve formě hloubkových odporových řezů se stala standardem hlavně při detailních pracích lokalizace kontaminovaných oblastí, kde při vhodném rozložení měřených profilů lze kromě klasických plošných 2D interpretací generovat i 3D prostorový obraz sledovaného území (např. kontaminačního mraku). Je třeba upozornit na určitý problém s nejednoznačnosti interpretace všech geoelektrických odporových měření s ohledem na princip ekvivalence a anizotropii, takže automaticky vygenerované hloubkové řezy prezentované počítačem představují jedno z možných řešení. Značné zpřesnění interpretace lze docílit stanovením doplňkových parametrů (měrných odporů, mocnosti nebo hloubky litologických vrstev) podle údajů z ověřovacích vrtů nebo jiné geologické dokumentace.

7 Obr. 2.2: Multielektrodová aparatura Obr. 2.3: Multielektrodový systém, detailní záběr na jednu z měřících elektrod 2.1.1.4 Měření přirozených a umělých elektrických polí Spontánní polarizace (SP): Měření existujících přirozených elektrických stacionárních polí (obr. 2.4) se většinou označuje jako metoda spontánní polarizace (SP). V této metodě bývá měřen potenciální rozdíl (napětí) elektrického pole mezi dvěma či více body na povrchu. Příčin vzniku přirozeného stacionárního elektrického pole v zemi je mnoho a tyto jevy jsou souborně označovány pojmem elektrochemická aktivita prostředí. Z přirozených polí lze jmenovat: - oxidačně redukční potenciály (ORP) v okolí vodivých rudních žil a kovových objektů, které se chovají jako elektroda v elektrolytu (podzemní voda) a zároveň

8 zkreslují přirozený vertikální gradient potenciálu v zemi. - difuzní (DP) a filtrační potenciály (FP), vznikající difúzí iontů v podzemní vodě a filtrací podzemní vody ( s nosiči elektrického náboje ionty) průlinčitým heterogenním geologickým prostředím. Oba tyto typy polí mohou mít i antropogenní původ ORP mohou být spojeny s místy koroze kovových produktovodů, potrubí, podzemních nádrží aj. Objektů, FP mohou být vyvolány prolínáním vody místy porušení ochranných podzemních stěn, hrází, barier apod. Velikost polí FP (1 10 mv) je často výrazně pod úrovní chaotických intenzivních šumů (bludných proudů i přes 100 mv/m), které jsou generovány hlavně elektrifikací, a proto jejich měření je vysoce náročné. Často je nutno měřit opakovaně za různých podmínek. Nejvíce se osvědčuje synchronní simultánní monitorování pole SP celé zájmové plochy pomocí velkého souboru uzemněných nepolarizovatelných elektrod v opakovaných časech se statistickým zpracováním. Metoda SP slouží ke sledování pohybů podzemní vody, určení míst porušení těsnících hydrogeologických bariér, vyhledávání poškozených (zkorodovaných) míst produktovodů apod. Obr. 2.4: Aparatura pro měření přirozených elektrických stacionárních polí (metoda SP). Měření probíhá mezi dvěma nepolarizovatelnými elektrodami. Na obr. je v popředí uzemněna jedna z nepolarzovatelných elektrod. Metoda vyzvané polarizace (VP): Elektrochemickou aktivitu prostředí je možné také vyvolat uměle zavedeným proudem do země - pak hovoříme o metodě vyzvané polarizace (VP). Po vypnutí budícího stacionárního elektrického pulzu (impulzní varianta metody VP) se měří vyvolané napětí na povrchu, které s časem vymizí (řádově v sekundách až minutách). Charakter ubývání pole (dynamika pole VP) závisí na chemických a fyzikálních podmínkách třífázového geologického prostředí a lze proto usuzovat na přítomnost určitých látek. Pole VP je možné registrovat i frekvenčně buzeným polem (frekvenční varianta metody VP). Metoda VP se někdy využívá při sledování

9 vodních zdrojů či při řešení vlivů starých zátěží. Metoda nabitého tělesa (NT) ve variantě pro hydrogeologické účely: V metodě nabitého tělesa se měří potenciál či napětí uměle zavedeného elektrického pole na povrchu v okolí proudové elektrody, uzemněné do vodivě dotované (uměle vodivé - přesolené) zóny v podzemním kolektoru, zastiženém vrtem. Dotovaná zóna je transportována pohybem podzemní vody a proto monitorování pohybu dotované vysoce vodivé, příp. elektricky nabité zóny prostřednictvím změn elektrického pole na povrchu umožňuje určit v optimálních případech směr a rychlost proudění podzemní vody. Úspěch metody NT závisí na přirozené mineralizaci podzemních vod (při malé mineralizaci je solnou dotací vytvářen vyšší vodivostní kontrast) a geoelektrických podmínkách v okolí vrtu (zvláště odporové homogenitě). Pohyb vodivé dotované zóny může být monitorován na povrchu i odporovými metodami, dochází-li k výraznému vodivostnímu kontrastu. 2.1.1.5 Metoda velmi dlouhých vln (VDV) Metoda VDV využívá elektromagnetických polí navigačních radiostanic (10 30 khz). Zkreslení (anomálie) těchto polí souvisí s výskytem vodivostních nehomogenit vodivých hornin a vodonasycených porušených zón, ale i umělých vodičů (inž. sítě: produktovody, elektrická vedení apod.). Metoda VDV (v indukční variantě), v níž se měří pomocí indukčních cívek magnetické složky EM pole (obr. 2.5), patří mezi nejekonomičtější geofyzikální metody. Je efektivní např. při mapování průběhu vodivé tektoniky v podloží, zvláště nevodivého (např. vyvřeliny, karbonáty, pískovce). Poměrně vysoká frekvence pole zajišťuje mělký průzkum do hloubek až prvních desítek metrů v závislosti na vodivosti prostředí. V tzv. odporové variantě metody VDV (VDV-R) se měří pomocí cívky a uzemněných elektrod kromě magnetických i elektrické složky pole radiostanic. Z poměru obou složek se určuje měrný odpor prostředí. Metoda VDV-R je vhodná i pro mapování hornin a nahrazuje v jednodušší formě odporové profilování pro mělký průzkum do hloubek prvních desítek metrů. Nevýhodou metody VDV je silný vliv umělých vodičů (hlavně vysokonapěťových vedení), které často vytváří rozsáhlé a velké anomálie, zastiňující projevy geologických vodičů. Dalším problémem je špatná perspektiva navigačních radiostanic, které v poslední době jsou nahrazovány družicovými navigačními systémy typu GPS (global positioning systém).

10 Obr. 2.5 Měření indukční variantou VDV 2.1.1.6 Aktivní elektromagnetické metody Dipólové elektromagnetické profilování (DEMP): Aktivní elektromagnetické metody tvoří velmi rozsáhlou skupinu metod s vlastním zdrojem (proto aktivní) se střídavým polem (DEMP, konduktometrie atd.) nebo pulzním (přechodové sondování). Metoda DEMP používá dvě cívky (antény) - zdrojovou a měřicí (obr. 2.6). Vzdálenost cívek (řádově l - n.10 m, cívky jsou spojeny kabelem stanovené délky) a frekvence zdrojového pole (100 Hz -10 khz) určují hloubkový dosah. Moderní aparatury jsou multifrekvenční (měří na několika frekvencích a při různých vzdálenostech antén). Orientace os cívek je volena podle charakteru sledované vodivostní nehomogenity (detekce strmých tektonických linií, mapování horninových rozhraní, sledování reliéfu vodivého či nevodivého podloží apod.). Elektromagnetické metody jsou často nepříznivě limitovány elektromagnetickými šumy. V příznivých podmínkách jsou používány zejména pro svou schopnost identifikovat mělce uložené vodivé zóny (například mělké zvodně založené na strukturních prvcích). Rozvoj těchto metod je kromě dostupnosti (i tuzemských) aparatur dán i nástupem nové generace multifrekvenčních aparatur využívajících frekvenční syntézu generovaného signálu a dekonvoluční princip separace jednotlivých složek měřeného signálu. Aparatury pracují v širokém frekvenčním spektru od prvých stovek Hz do 50 khz a umožňují simultánní měření více frekvencí při kontinuálním způsobu měření. Kromě klasických složek elektromagnetického (EM) pole je výstupem přepočet na vodivost, resp. odpor pro jednotlivé frekvence, dalšími užitečnými parametry jsou magnetická susceptibilita a intenzita pole síťové frekvence 50 Hz. Tyto aparatury byly pozitivně testovány při monitorování stavu protipovodňových hrází v komplexu s dalšími geofyzikálními metodami. Elektromagnetická měření lze zařadit i do komplexu leteckých geofyzikálních metod.

11 Obr. 2.6: Příklad měření na protipovodňové hrázi s elektromagnetickou aparaturou GEM-2. Na zádech operátora je zařízení GPS umožňující sledovat pozici přístroje v terénu. Georadar: Georadarová metoda nebo také georadar či radiolokační metoda (GPR-angl. ground penetrating radar) je založena na vyslání EM pulzů o vysoké vlastní frekvenci (20 2 000 MHz) pod povrch a registraci času příjmu po odrazu od podpovrchových reflexních rozhraní, které jsou projevem změny EM vlastností, hlavně elektrické permitivity. Současné aparatury umožňují prakticky spojité sledování průběhu odrazných rozhraní do hloubek až mnoha metrů podél měřeného profilu ve formě tzv. georadarových řezů, v nichž je registrovaný čas odrazu transformován na hloubky reflexních ploch podle zjištěné či odhadnuté rychlosti šíření EM vlny v prostředí (obr. 2.7). Hloubkový dosah metody je nepříznivě ovlivněn vodivostí prostředí. V prostředí o měrném odporu kolem prvních stovek ohmm (obvyklé podmínky mělkého řezu v ČR) nelze očekávat větší hloubkový dosah než několik metrů a větší nabízený dosah je výjimečný. Georadar patří mezi nejpopulárnější metody mělkého průzkumu (zvláště v regionech s mělkým pokryvem či s výchozy nevodivých hornin). Obr. 2.7: Příprava měření geologickým radarem

12 2.1.2 MĚLKÁ SEISMIKA V souvislosti s rozvojem slaboproudé elektrotechniky a výpočetních postupů zaznamenáváme výrazný rozvoj využití seismických metod pro mělký seismický průzkum, tj. i pro problematiku hydrogeologie či životního prostředí. K základnímu standardu patří digitální aparatury, které umožňují záznam dat a vytváření databází, které lze následně na počítačích zpracovávat z více hledisek. Dříve často používané jedno kanálové či šesti nebo dvanácti kanálové aparatury jsou nahrazovány aparaturami s dvaceti čtyřmi až čtyřicet osmi kanály (obr. 2.8). Naměřená data jsou zpracovávána pomocí sofistikovaných výpočetních programů. Jednou s předností profesionálně dodávaných programů je jejich kompatibilita. To znamená, data lze předávat mezi jednotlivými pracovišti a slučovat databáze naměřené více aparaturami dohromady. Pro mělký průzkum má stále základní význam refrakční seismická metoda. Protože moderní interpretační software má většinou komplexní charakter, lze v případě potřeby zpracovat naměřená data i programem pro reflexní seismickou metodu, a tak rozšířit poznatky o studovaném prostředí. V poslední době se věnuje pozornost celému naměřenému vlnovému obrazu, a tak jsou při interpretaci středem pozornosti nejenom refragované a reflexní vlny, ale i vlny povrchové a někdy i difragované. Obr. 2.8: Měření seismickou aparaturou ve verzi 48 seismických kanálů Dobré interpretační programy umožňují nejenom klasickou interpretaci, kdy se využívají seismické rozruchy situované v ose seismického roztahu. Sofistikované metody, které jsou vesměs založeny na postupech seismické tomografie, umožňují podrobně zpracovat i bočně umísťované seismické rozruchy (například na paralelním profilu či ve vrtu). Výsledkem interpretace je pak plošný rychlostní obraz nebo rychlostní řez mezi dvěma vrty apod. Při aplikacích seismiky pro hydrogeologické účely se klade většinou zadání sledovat mocnosti kvartérních sedimentů nebo mocnosti zvětralého skalního podloží. Časté jsou úkoly pro detekci tektonické stavby lokality.

13 2.1.2.1 Mělká refrakční seismika (MRS) Pro sledování stavu horninového masivu a jeho nadloží je u nás nejvíce využívána mělká refrakční seismika (obr. 2.9). Doba příchodu seismických signálů, které jsou většinou na povrchu generovány slabými náložemi nebo údery kladiva, je registrována ve vzdálených bodech, v nichž je pomocí geofonů transformován mechanický vzruch na elektrické napětí registrované seismografy. Seismické vlny procházejí geologickým prostředím, odrážejí se od seismických rozhraní a lámou se na nich a přinášejí informace o mělké stavbě, zvláště pak o reliéfu pevnějšího podloží s vyššími rychlostmi seismických vln (přes 1000 m/s). Nezpevněné pokryvné uloženiny, podobně jako antropogenní uloženiny (např. skládkový materiál) mají nižší rychlosti (stovky m/s). Obr. 2.9: Měření MRS seismickou aparaturou 2.1.2.2 Mělká reflexní seismika (RXS) Mělká reflexní seismika (RXS) se zabývá registrací a analýzou vln odražených od rozhraní pod povrchem. Jedná se metodu široce používanou pro hluboký průzkum naftových ložisek (díky čemuž je vybavena nejkvalitnějším softwarem), je však velmi perspektivní i v mělkém průzkumu. 2.1.2.3 Seismická tomografie (ST) Prozařování horninového bloku mezi vrty či důlními díly a povrchem je možné pomocí seismické tomografie (ST). Seismický signál je generován v řadě bodů na jedné straně zkoumaného bloku a na jeho druhé straně jsou v mnoha bodech měřeny časy příchodu signálu. Jednoduché zpracování využívá předpokladu přímého šíření vln, složitější programy umožňují respektovat skutečné zakřivené dráhy šíření. Výsledkem je řez seismických rychlostí ve studovaném bloku. Metoda ST je využívána zvláště pro speciální a detailní výzkum stavu a porušení horninového masívu, příp. lokalizaci dutin.

14 2.1.3 MAGNETOMETRIE Anomálie geomagnetického pole jsou způsobeny přítomností horninových typů a umělých objektů s kontrastními magnetickými vlastnostmi. Měření se provádí většinou protonovými magnetometry (obr. 2.10) s citlivostí na jednotku gama. Někdy se používají přesnější přístroje, např. cesiové magnetometry, které měří s přesností na desetinu gama. Magnetometrie nebo též (geo)magnetická měření slouží k detekci podzemních objektů s kontrastními magnetickými vlastnostmi magnetickou permitivitou či susceptibilitou (z feromagnetických materiálů, hlavně železných a ocelových), pro mapování magnetických litologických typů apod.. Obr. 2.10: Protonový gradiometr při měření v terénu Vliv časových variací pole, regionálních anomálií a dalších rušivých účinků (inženýrských sítí, konstrukcí atd.) je možno minimalizovat tzv. gradientovým měřením (gradiometry MGM). Magnetická měření se pro lokalizaci kovových podzemních objektů kombinují s měřením detektory kovů (metaldetektorů MTD), které je vhodné pro vyhledání mělce uložených i menších obecně kovových objektů. Pro diferenciaci horninových typů (zvláště na vzorcích) je užitečná kapametrie, kterou je možné rychle zjistit magnetické vlastnosti (magnetickou susceptibilitu kapa). Této vlastnosti lze využít i při orientačním vymezování znečištění půd, resp. zemin. 2.1.4 GRAVIMETRIE Gravimetrie je založena na měření tíhového pole pomocí vysoce přesných gravimetrů (obr. 2.11) a interpretaci rozložení hustot geologického prostředí z tíhových anomálií. Na základě hustotních kontrastů je možné diferencovat různé litologické typy, vyhledávat porušené zóny tektoniku, detekovat podzemní dutiny (umělé i přírodní, prázdné či zaplněné vodou),

15 sledovat reliéf podloží s vyššími hustotami a mapovat rozložení a mocnosti pokryvu a antropogenních uloženin např. skládek s menšími hustotami deponovaného materiálu. Obr. 2.11: Gravimetr při měření v terénu 2.1.5 TERMOMETRIE Tepelné pole Země je produkováno rozpadem radioaktivních prvků, teplo uvolňované při mechanických pohybech zemských ker apod. Lokálními zdroji teplotních anomálií při povrchu jsou jednak výstupové cesty podzemních vod (extremní kontrasty u termálních vod) a chemické procesy a hoření přirozené i v umělých deponiích. Měření se provádí kontaktními termistory nebo bezkontaktními termometry (infračervené snímače). Pro rozsáhlejší oblasti je možné využít i dálkového snímkování (letecky, družice) v intervalu infračerveného záření. Pozemní teplotní měření (Term) je účelné provádět za podmínek kontrastních klimatických změn, pod pokrývkou sněhu apod., kdy se méně projeví sezónní a hloubkové variace teplot. 2.1.6 RADIOMETRIE Určení distribuce přirozených a umělých zdrojů radioaktivního záření umožňuje měření aktivity radiace radiometrie (Rad) na povrchu, ve vrtech a ze vzduchu. Nejčastěji je radioaktivita detekována vhodnými aparaturami na základě svých ionizačních účinků. Registruje se úhrnná aktivita nebo pomocí spektrometrů (obr. 2.12) se diferencují projevy s různou energií jaderného záření. Méně se používá tzv. emanometrie k detekci tektonických linií (měření ionizačních účinků radionuklidů v půdním vzduchu vyčerpaném do komory). Kromě rozlišení některých litologických typů či vymezení tektonických linií slouží radiometrie k určení kontaminace prostředí radioaktivními látkami a ocenění jeho rizika.

16 Obr. 2.12: Gama spektrometr. 2.1.7 GEOFYZIKÁLNÍ MĚŘENÍ VE VRTECH (KAROTÁŽ) Skupina velmi rozmanitých geofyzikálních metod, které měřením ve vrtech stanoví stav a vlastnosti horninového prostředí v blízkém okolí vrtu (do vzdálenosti nejvýše l m), parametry kapaliny ve vrtu a geometrické podmínky vrtu anebo vrstev (sklon vrstev, průměr vrtu apod.), je označována často jako karotáž. Podle principu je rozdělujeme na metody: elektrokarotážní, jaderné, akustické, technické. Méně používaná jsou ve vrtech pro měření tíhová a magnetická jak z důvodů metodických a technologických, tak pro nedostatek a náročnost vhodných aparatur a senzorů. Podle účelu aplikace se karotážní metody člení na: metody pro ověřování litologie a pro stanovení kolektorských vlastností, metody pro kontrolu technického stavu vrtu, metody hydrokarotážní, které umožňují řešit poměrně detailní hydrogeologické podmínky v okolí vrtu na základě komplexní interpretace souboru dat jednak ze standardních, jednak ze speciálních měřících postupů, metody pro určení prvkového složení hornin tvořících stěnu vrtu, metody pro určení stressu tj. napěťových podmínek hornin v okolí vrtu, aj.

17 Pro nezpevněné materiály byly vyvinuty penetrační soupravy umístěné na speciálně karosovaných (někdy i pásových) vozidlech. Tyto soupravy sestávají jednak z penetrační tyče, která je vybavena snímači pro měření mechanického odporu na hrotu při jejím zatlačování a tzv. lokálního plášťového tření, jednak ze zatlačovacího zařízení pomocí úderů kladiva (dynamická verze) nebo hydraulickým tlakem (statická verze). Penetrační sondování lze pro zvýšení objektivity průzkumu a rozšíření možností geotechnických výpočtů doplnit geofyzikálním měřením ve stvolu po penetraci (penetrační karotáž). Toto měření spočívá v zatlačování karotážních sond penetračním soutyčím do otvoru vzniklém po penetračním sondování při průběžné registraci fyzikálních parametrů. Důvodem pro používání penetračních měření je fakt, že v málo zpevněných horninách je neekonomické hloubit vrty, ze kterých bývá špatný výnos jádra a klasická karotáž by byla zatížena velkými chybami. Penetrační měření jsou masivně uplatňována při sledování skládkového materiálu, při průzkumu výsypek apod. 2.1.8. LETECKÉ METODY A DÁLKOVÉ SNÍMKOVANÍ Pro ocenění rozsahu a vlivu skrytých ekologických zátěží či vymapování geologických struktur je možné využít i vyhodnocení dostupného multispektrálního snímkování z výšky (z letadel, družic apod.), které je označováno jako dálkové snímkování. Většinou se provádí registrace či snímkování elektromagnetického záření odraženého nebo vyzařovaného povrchem Země. Pro rozsáhlejší projekty je možné realizovat vlastní dálkový průzkum z balónů či helikoptér, které je možné spojit s fotogrammetrií. Větší geologické jednotky a rozsáhlejší ekologické vlivy v regionálním měřítku lze někdy interpretovat z leteckých geofyzikálních (aerogeofyzikálních) map. 2.2 KVALIFIKAČNÍ PŘEDPOKLADY ŘEŠITELE GEOFYZIKÁLNÍCH ZADÁNÍ Pro přípravu geofyzikálního projektu a pro realizaci měření je nutno využít servisu odborné firmy (odborníka), která má prokazatelné oprávnění v potřebném oboru. Jedná se zejména oprávnění Odborná způsobilost v geofyzice vydané MŽP ČR. (Viz Vyhláška MŽP ČR č. 206/2001 Sb. o osvědčení odborné způsobilosti projektovat, provádět a vyhodnocovat geologické práce, v platném znění). Pro případná řešení závažnějších úkolů spojených s korozitou prostředí doporučujeme vyžadovat oprávnění Způsobilost pro korozní průzkum na komunikacích vydané MD ČR. Geofyzikální práce by měly zajišťovat firmy, které mají vypracovánu politiku jakosti dle platné normy ISO. Připomínáme, že geofyzikální měření prováděná neodbornými firmami jsou z pohledu MŽP ČR nezákonná a hlavně bez zaručené kvality.

18 Obr. 2.13: Pohled na některá zařízení pilota helikoptéry nesoucí geofyzikální přístroje Obr. 2.14: Sestavování elektromagnetické sondy před zahájením leteckých měření 2.3 NÁHLED DO SOUČASNÉ ODBORNÉ LITERATURY A SOFTWARE Pozn: Odkazy na literaturu jsou k dohledání na seznamu literatury, viz níže. Literatura je odkazována příjmením hlavního autora a rokem vydáni uvedeným v závorce (např Lehr(2010)). Pokud jsou autory práce dva či více autorů, je uváděn pouze první, ostatní podrobnosti jsou uvedeny v seznamu literatury. Odkazy jsou vždy doprovázeny poznámkou, zda jde o článek, publikaci, příručku, výzkumný úkol, geofyzikální zprávu nebo web.

19 Současná odborná geofyzikální literatura je značně rozsáhlá. Na konferencích se objevuje řada fundovaných článků, které se věnují zejména aplikacím, při kterých se využívají nové geofyzikální přístroje či nový software. Články jsou často orientovány na hydrogeologickou problematiku spojenou s ekologií (kontaminace). Pro první vhled do problematiky jsou důležité zejména specializované příručky či všeobecněji založené učebnice. Celkový přehled o geofyzikálních metodách lze získat zejména z učebnice geofyziky, viz článek Mareš (1983) nebo v anglické versi Mareš (1984). Učební text orientovaný na hlavně na ekologické problémy je pak o téhož autora vydán na VŠB Ostrava, viz Mareš (1996). Současnou moderní ucelenou geofyzikální publikaci representuje Butler (2005). Řadu užitečných informací o geofyzice ve vodním hospodářství lze získat v publikaci Horský (2008). Pro praxi, zejména v prostředí České republiky je důležité respektovat metodické příručky MŽP, které pro jejich závaznost citujeme níže v plném rozsahu. Bárta J. koordinátor expertů (2009): Možnosti geofyzikálních metod při ověřování nejasných strukturně geologických, popřípadě jiných vztahů na lokalitách při průzkumu a nápravě starých ekologických zátěží. Metodická příručka MŽP ČR. Karous M., koordinátor expertů (2010): Aplikace geofyzikálních metod při ochraně vodních zdrojů. Metodická příručka MŽP. V zahraničí se vyskytují obdobné příručky či komplexní průvodci geofyzikálními metodami pro hydrogeologickou problematiku, například viz odkaz na web Lehr (1971). Tento průvodce je sice staršího data, pro širší odbornou veřejnost však není zatížen módním slangem z výpočetní techniky a soustřeďuje se hlavně fyzikální základy problémů. Hydrogeologická problematika je řešena i v rámci výzkumných úkolů, upozorňujeme zejména na úkol FI-IM5/003 (2008-2010) a Project IMPACT, WP6 geophysical monitoring (2005). V obou případech se na úkolech podíleli autoři Bebeš, Boukalová. Hlavní myšlenkou úkolů je vývoj monitorovacích geofyzikálních komplexů sledujících zejména stav sypaných (protipovodňových) hrází. V posledních letech došlo ke značnému rozvoji technické základny geofyzikálních měření. Digitální aparatury, zápis dat na paměťová media a interpretace pomocí sofistikovaných interpretačních programů je u dobrých geofyzikálních společností samozřejmostí. Jako typický interpretační software, který je často užíván geofyzikálními společnostmi v ČR i v zahraničí, lze uvést: Reflex W, Autor Sandmeier Jedná se o komplexní software umožňující zpracování a vyhodnocování seismické reflexe, refraxe i radarových měření. Res2D inv, autor Locke Jedná se o program pro zpracování a interpretaci odporových dat (odporové tomografie). Radan (společnost GSSI) Jedná se o program pro zpracování a interpretaci radarových dat.

20 Grapher, Surfer, Voxler ( soubor programů společnosti GoldenSoftwaer) Grafické programy a správa databází. Oasis Montaje (interpretační a zpracovatelský balík společnosti Geosoft) Grafické programy, správa databází, interpretace dat. Pro řešení standardních hydrogeologických úkolů se nelze prakticky obejít bez profesionálního software a jeho laciná náhrada amatérskými programy není řešením. Z oblasti aktuálních trendů v geofyzice, zejména zajímavých pro hydrogeologické aplikace lze upozornit na rozvoj elektromagnetických metod měření ve variantě DEMP (dipolové elektromagnetické profilování). Lze doporučit zejména odkaz na článek Bárta (2008), nebo zprávu Bárta (2006). V seismice se postupně začíná prosazovat aplikace mělké reflexní seismiky, lze odkázat například na publikaci Baker G.S. (1999), nebo zprávu Bárta (2011). Poměrně rutinní jsou aplikace s využitím multielektrodových odporových aparatur (odporová tomografie). Nicméně stále zřetelněji se jeví, že chování hydrogeologických struktur má i svou časovou dimensi a že bude účelné sledovat i změny v chování měrných odporů v čase. V tomto směru jsou zajímavá například testovací (monitorovací) měření prováděná ve vodárenské štole v Bedřichově v Jizerských horách, viz např. článek Bárta (2010), nebo zpráva o monitorovacích srovnávacích měřeních ve štole Bedřichov, viz Bárta (2010). Poslední zmíněné články se sice věnují monitoringu puklinových systémů v granitu, vysvětlení změn v naměřených odporových hodnotách lze však vysvětlit změnami v hydrogelogických poměrech lokality. 3. VYHLEDÁVÁNÍ VODNÍCH ZDROJŮ GEOFYZIKÁLNÍMI METODAMI 3.1 STRATIFIKACE VRSTEVNÍHO SLEDU Pod pojmem stratifikace vrstevního sledu si primárně geofyzik představí quasi horizontálně uložené souvrství, nebo souvrství pod mírnějším sklonem vrstev. V příznivých případech jsou vrstvy od sebe odlišeny svými fyzikálními vlastnostmi. Ty vrstvy (horizonty), které se fyzikálně projevují výrazně a jejichž vlastnosti se příliš nemění na větší vzdálenosti se nazývají opěrnými horizonty (opěrnými vrstvami). Vrstvy se fyzikálně mohou od sebe lišit více parametry; z pohledu potřeb pro hydrogeologické průzkumy či výzkumy je možno vyjmenovat následující: a) Měrný odpor hornin [ohmm] [Ωm] b) Relativní permitivita hornin [bez rozměru] c) Rychlost šíření seismických vln [m/s] h) Objemová hmotnost hornin (hustota) [g/cm 3 ] a) Měrný odpor hornin Měrný opor je závislý na iontové a elektronové vodivosti prostředí. Nositeli elektronové vodivosti jsou v zásadě kovové minerály. V hydrogeologii se však setkáváme spíše s vodivosti iontovou. V tomto případě se pod vlivem elektrického pole začne mineralizovaná

21 voda disociovat a kladné ionty putují k záporné elektrodě a naopak. Měrný odpor hornin klesá s rostoucím obsahem vody v hornině a s její mineralizací. To v praxi znamená, že skalní horniny, zcela neporušené, mají téměř nekonečný odpor. Tento odpor je ale snižován množstvím a stupněm mineralizace vody v puklinách. Pro zeminy je potřebné naši představu doplnit o vliv zrnitosti. S růstem zrnitosti odpor prostředí roste. S poklesem velikosti zrn odpor naopak klesá. Měrný odpor jílů se pohybuje v širším pásmu kolem 10 ohmm. Jíly sladkovodní a s průměrným obsahem vlhkosti mají typický odpor kolem 14 ohmm. Jíly mořského původu, tedy slané a se standardní vlhkostí, se vyznačují měrnými odpory kolem 2 ohmm. Štěrky uložené pod hladinou podzemní vody mají měrné odpory vesměs kolem 300 až 500 ohmm. Suché štěrky nad hladinou podzemní vody mají měrné odpory o velikosti i několika tisíc ohmm. Měrný odpor zemin je tedy funkcí zrnitosti, vlhkosti, mineralizace vody a v menší míře i teploty. Na měrný odpor má vliv i orientace zrn. Při měření si musíme uvědomit i existenci odporové anizotropie. Největší hodnoty měrného odporu jsou naměřeny kolmo na vrstevnatost resp. kolmo na orientaci zrn. V následující tabulce 3. 1 je uveden přehled charakteristických měrných odporů hornin. Přehled je pouze orientační, protože, jak jsme již uvedli, je měrný odpor funkcí více parametrů. Tabulka 3.1: Velikost měrného odporu pro různé typy hornin. Předpokládá se přirozené uložení a žádný či minimální vliv zvětráních procesů. Grafit Jíly až hlíny Till (glaciální sediment) Písky a štěrky Jílovité břidlice Pískovec Dolomity, vápence Vyvřelé horniny Slaná voda či obdobně mineralizované roztoky Pitná voda, Pražský vodovod Čistá, horská pramenitá voda 0,1 až 10 ohmm 5 až 100 ohmm 70 až 2000 ohmm 100 až 10 000 ohmm (výrazně závisí na obsahu vody a její mineralizaci) 8 až 15 ohmm 80 až 10 000 ohmm (výrazně závisí na obsahu vody a její mineralizaci) 1000 ohmm a více 1000 ohmm a více 0,2 až 1 ohmm 30 ohmm 100 ohmm b) Relativní permitivita hornin Jako relativní permitivita (dříve dielektrická konstanta) se označuje podíl permitivity daného materiálu a permitivity vakua, tedy Její hodnota závisí na vlastnostech daného materiálu - jde tedy o materiálovou konstantu. Relativní permitivita je bezrozměrná veličina. Velikost relativní permitivity se u běžných hornin pohybuje vesměs kolem 1 až 10. Viz tab. 3.2-

22 Tabulka 3.2: Příklady relativní permitivity (sestaveno z pramenů Wikipedie a vlastních měření) Materiál ε r Vzduch 1,00054 Vakuum 1 Voda 80 Led 4,8 Křemík 12 Slída 7 Sklo 7,6 Porcelán 6,5 Granit 4 Mramor 7-8 Sůl kuchyňská 5,9 Dřevo 2,04-7,3 Typické kvartérní prostředí (písčité hlíny) 4 speciální keramické mat. (pro kondenzátory) až 10 00000 Dielektrika mají relativní permitivitu vždy větší než 1. Hodnota veličiny relativní permitivita je u většiny dielektrik 1-10. Feroelektrické látky mají relativní permitivitu v intervalu 100-1000. c) Rychlost šíření seismických vln [m/s] Rychlost šíření seismických vln je funkcí modulu pružnosti horniny, Poissonova čísla a objemové hmotnosti (hustoty) horniny. Existuje více druhů seismických vln, vlny podelné jsou rychlejší než vlny příčné či povrchové. V zásadě rychlost šíření seismické vlny roste s pevností prostředí, kterým se vlna šíří. V následující tabulce 3.3 jsou uvedeny charakteristické příklady seismických vln (podélných vln): Tabulka 3.3: Příklady velikosti seismických rychlostí Studované prostředí Rychlost šíření podélné seismické vlny [m/s] Vzduch 330 Hlinité prostředí 300 až 500 Jíly nekompaktní 500 až 1000 Jíly kompaktní 1000 až 4000 Neporušená krystalická hornina 5500 i více Lehce porušená krystalická hornina kolem 3000 Navětralá krystalická hornina kolem 2000 Eluvium krystalické horniny kolem 1000 Vápence, dolomity téměř neporušené kolem 4000 Břidlice jílovité, neporušené kolem 4000 Štěrkovité sedimenty pod vodou kolem 2000

23 h) Objemová hmotnost hornin (hustota) Příklady objemových hmotností (hustot) jsou uvedeny v tabulce 3.4. Tabulka 3.4: Příklady objemových hmotnosti pro horniny v přiloženém uložení Studované prostředí objemová hmotnost (hustota) [g/cm 3] Zeminy neulehlé až málo ulehlé 1,5 1,7 Ulehlé či zhutněné zeminy 1,7 2 Ulehlé písky a štěrky 2-2,3 Navětralé či porušené skalní horniny 2,3 až 2,6 Kompaktní nebo málo narušené skalní horniny 2,6 až 2, 8 Pro výběr geofyzikální metodiky při určování quasi horizontálně uložených horninových vrstev používáme geofyzikální metody, které předpokládají změny ve fyzikálních parametrech směrem do hlouby, přičemž je výhodou, aby měření nebylo příliš rušeno změnami (hlavně nenadálými) v horizontálním směru. Mezi metody vhodné pro sledování vrstevného sledu lze zejména zařadit následující: - Metoda vertikálního elektrického sondování (VES) -Odporová tomografie (multielktrodová metoda) -Seismická refrakce -Seismická reflexe -Multikanálová analýza povrchových vln MASW - Gravimetrická měření (zejména pro sledování povrchu skalního podloží) - Radarová měření (pro sledování malých hloubek v jednotkách metrů) Metoda vertikálního elektrického sondování (VES) bývala metodou první volby. Relativně přístrojově, provozně i interpretačně nenáročná metoda. Metoda VES však má určitá omezení. Často se zapomíná, že pokud měření probíhá v oblasti s nehomogenními vlastnostmi připovrchové partie, dochází ke zkreslení naměřených odporových křivek. Obdobně pokud je území tektonicky porušeno, dochází ke změnám na křivkách, které nemusí být na první pohled na VES patrné. Přítomnost odporových nehomogenit v proměřovaném úseku lze zjistit vzájemným porovnáním křivek naměřených s rozestupem elektrod AMNBω BNMAω (tj. měření vždy s jednou proudovou elektrodou v tak zvaném nekonečnu). V současné době je možno dosáhnout většinou spolehlivějšího výsledku pomocí měření multielektrodovou aparaturou (metoda odporové tomografie). Získaný odporový (tomografický) řez poskytuje v zásadě informace o rozložení skutečných měrných odporů v proměřovaném profilu a o hloubce, ve které se příslušné odpory nacházejí. Metoda vyžaduje technologicky složitější aparaturu, ve které jsou elektrody přepínány podle algoritmu řízeného počítačem. Naměřená data jsou interpretována pomocí relativně nákladného software. Na obr. 3.1 je uveden typický výstup měření metodou odporové tomografie. Jedná se o profily vedené povrchovou polohou jezerních sedimentů ve středním Švédsku. Profil 1 je veden po jedné straně a profil 2 po druhé straně železniční trati. Pod povrchovou polohou o sníženém odporu se nachází poloha čistých štěrků či balvanitých sutí (modrá barva, vysoké odpory). Štěrky tvoří čočkovité útvary přerušované vertikálně orientovanými strukturami. V podloží se opět nachází poloha o sníženém odporu.

24 Obr. 3.1: Odporové řezy vedené jezerními sedimenty ve středním Švédsku. Obr. 3.2: Radarogramy, detailní výřez ze studia podloží cyklostezky u Modřan. Horní obrázek je ze září 2012 a dolní z března 2013. Anténa 900 MHz. Horizontální čerchované čáry rozdělují hloubkovou osu po 20 cm (tj. hloubka směrem od horní části řezu dolů 0 cm, 20 cm, 40 cm, 60 cm atd.).

25 Na obr. 3.2 je uveden příklad detekce a následného monitorování uložení vrstev v podloží cyklostezky. Jedná se tedy o velmi detailní průzkum pomocí radarového měření. Na obr. 3.2 je zobrazen výřez z radarogramů provedených v září 2012 a v únoru 2013. Pod povrchovou polohou o mocnosti kolem 40 cm se nachází zhutněná konstrukční vrstva s intenzivním odrazem. Dále vrstevní sled přechází do běžného hlinitého podloží. Zhutněná konstrukční vrstva není ideálně rovná a navíc se její poloha a radarová odrazivost v čase mění (porovnejte oblasti označené čísly 1 či 2). Příčinou tohoto jevu je proměnlivé pronikání povrchové vody do podloží, jinými slovy projevují se tak klimatické změny (viz zpráva Bárta 2013). Některé jiné výzkumy založené na opakovaném vertikálním elektrickém sondování nám potvrdily, že i drobnější klimatické změny (teplota, srážky) se v průběhu roku projevují v povrchové vrstvě do cca 3 až 5 m. Viz publikace, lit Bárta (1975). Vrstevná souvrství sedimentárního charakteru se mohou často vyznačovat malými rozdíly mezi fyzikálními vlastnostmi jednotlivých poloh. V některých případech je pro hlubší průzkum problematické použití refrakční seismiky. Refragované vlny se vytvoří pouze na ostrém rozhraní blízko povrchu (například mezi kvarterními a staršími sedimenty). Do větší hloubky již proniká menší část seismické energie a k hlubším refrakčním odrazům nedochází. V takovém to případě je nutno soustředit pozornost na metodu mělké reflexe nebo na metodu analýzy povrchových vln (MASW). Zde popsaná situace je typická pro studium sedimentárních souvrství v pánevních oblastech. Na obr. 3.3 je uveden interpretační řez z oblasti u Trenčína. Jedná se o souvrství budované kvartérními sedimenty, pod kterými se nachází neogén. Interpretace je založena na existenci vzniku povrchových vln, pro které platí zásada, že polovina jejich vlnové délky odpovídá přibližně hloubce seismického rozhraní. Ve skutečnosti je teorie povrchových vln složitější a je založena na frekvenční analýze vlnového obrazu. Při interpretaci se dají stanovit i velikosti rychlosti šíření příčné vlny i vlny podélné, dále velikost Poissonova čísla a objemová hmotnost hornin. Samozřejmě každá obrácená interpretační geofyzikální úloha může mít více řešení (princip ekvivalence). Je tedy potřebné mít při interpretaci k dispozici správnou geologickou koncepci nebo znát některé parametry (například objemové hmotnosti hornin stanovené laboratorními testy, znalost o typických velikostech seismických rychlostí apod.). Obr. 3.3: Interpretační řez v profilu vedeném poblíž Trenčína. Příklad interpretace metodou MASW. 3.2 DETEKCE TEKTONICKÝCH LINIÍ ČI JINÝCH GEOLOGICKÝCH STRUKTUR Detekce tektonických (poruchových) linií je založena na předpokladu, že horniny jsou v takovéto struktuře porušené a pravděpodobně zvodnělé. V některých případech je jsou

26 poruchy zajílovatělé a působí spíše jako bariéra pro pohyb podzemní vody. Při detekci poruchových zón tedy můžeme předpokládat následující fyzikální vlastnosti prostředí: - Tektonická linie (porucha) se chová jako vodič. - Tektonická linie (porucha) se chová jako struktura se sníženou seismickou rychlostí. - Tektonická linie (porucha) se může chovat jako nositel radonu či kyslíčníku uhličiteho (platí pro minerální vody). - Tektonická linie (porucha) způsobuje deformaci opěrných horizontů (zlomy, poklesy, elevace, deprese). Obdobně u jiných sledovaných struktur, jako jsou stará přehloubená říční koryta, ostrůvky sprašových sedimentů či oblasti se staršími uloženinami organického původu lze očekávat odlišné fyzikální vlastnosti. Stará přehloubená koryta se vesměs projevují depresí skalního podloží a jsou velmi často vyplněny hrubozrnnými sedimenty (vysoké měrné odpory). Sprašové sedimenty se vyznačují nízkými měrnými odpory kolem 15 ohmm. Sedimenty organického původu mají nízké měrné odpory (pod 100 ohmm). Na obr. 3.4 je uveden odporový řez a seismický řez získaný silně svažitém terénu Beskyd. Cílem zadání bylo detekovat a charakterizovat předpokládané místo zlomové linie, u které se předpokládá, že může být významným zdrojem kvalitní podzemní vody. Významná linie byla detekována, měření však bylo relativně náročné. Příklad dokazuje, že nelze vždy jít cestou, kde investor předpokládá, že nejlepší výsledek pro další postup prací bude získán cestou co nejlacinějšího geologického průzkumu. Odporová měření detekovala existenci výrazného odporového rozhraní. Sesimické měření blíže upřesnilo, že charakter zlomu. Obr. 3.4: Interpretační řezy v oblasti významné zlomové linie.

27 V obr. 3.5 (viz Bárta 2008) je uvedeno geofyzikální měření soustředěné na detekci tenkých vodičů (poruchových, zvodnělých linií). Zadání na regionálním profilu bylo řešeno metodou kombinovaného odporového profilování (KOP) s rozestupem elektrod 40-10-40 (v metrech). Metoda KOP je poměrně pracná, protože vyžaduje existenci tak zvaného nekonečna (elektroda cca 2 km od vlastního profilu). Měření lze ale do jisté míry nahradit i expresní metodou DEMP (měření s přístrojem GEM-2, viz snímek přístroje na obr. 2.6), která je schopna detekovat zejména hlavní poruchovou zónu projevující se celkovým poklesem odporu a zachytit i lokální projev malé skládky. Obr. 3.4: Porovnání elektromagnetického měření přístrojem GEM-2 s měřením metodou KOP na profilu P6a. Profil je veden od JZ k SV a na staničení 1010 kříží skládku odpadů. V obr. 3.5 je uveden příklad grafů naměřených metodou VDV (metoda velmi dlouhých vln, viz snímek operátora při měření na obr. 2.5). Měření s přístrojem je velmi rychlé, v současnosti však je k dispozici málo dlouhovlnných vysílacích stanic, jejichž elektromagnetické pole lze sledovat (blíže viz kap. 2.1.1.5.). Měření na obr. 6.5 bylo realizováno s cílem detekce tenkých vodivých poloh (zvodnělé tektonické linie).

28 Obr. 3.5: Měření metodou VDV a jeho interpretace.

29 3.3 PRAKTICKÉ PŘÍKLADY PŘI VYHLEDÁVÁNÍ MALÝCH VODNÍCH ZDROJŮ Dominantními metodami pro vyhledání malých vodních zdrojů jsou metody VDV či DEMP. Viz např. obr. 3.5 nebo 3.4. Měření se v podstatě soustřeďuje na zjištění tenkých vodičů. Tenké vodiče jsou vesměs způsobeny přítomností zvodněných porušených zón. Existují však i jiné způsoby detekce, například seismickou metodou, která se zvláště dobře osvědčuje v místech s přítomností rušivých, vodivých inženýrských sítí. Na obr. 3.6 a 3.7 jsou příklady z rozsáhlejšího geofyzikálního průzkumu, který měl za úkol nalézt nové vodní zdroje pro zásobování obyvatelstva v okolí Heraltic (Vysočina). Viz zpráva Bárta (2008). Průzkum splnil svůj účel. Při měření byl používán komplex geofyzikálních metod, a to metoda seismická, metoda odporové tomografie a částečně i metoda velmi dlouhých vln. Na obr. 3.6 jsou uvedeny seismické řezy z profilu P1 a P2. Jako místa nadějná pro hydrovrt byly vybrány deprese (viz místa označená trojúhelníčky), svědčící o tom, že v nadložní (připovrchové) poloze je větší mocnost zvětralin skalního podloží než v okolí. Úzké deprese často indikují přítomnost porušených zón. Geofyzikální interpretace se prokázala správnou (ověřeno vrtem). Obr. 3.6: Příklad aplikace seismického měření pro vyhledání vodního zdroje. Lokalita Heraltice. V některých případech, pokud jsou sledovány širší vodivé zóny, lze vodní zdroj detekovat jednoduchou metodou symetrického odporového profilování (SOP), při kterém je použit čtyř elektrodový měřící systém AMNB. Jako příklad uvádíme na obr. 3.7 odporový graf, opět

30 lokality Heraltice. Rozestup elektrod byl 20-5-20. Hydrovrty situované na strukturách tohoto typu (viz staničení 95) byly úspěšné. Obr. 3.7: Příklad aplikace metody SOP pro detekci zvodnělé zóny. Na obr. 3.8 je uveden příklad detekce ukloněné zvodnělé porušené zóny pomocí metody odporové tomografie. Proměřovaná lokalita se nachází v rulách poblíž Jihlavy a souvisí s místními rudními ložisky. Obr. 3.8: Příklad aplikace odporové tomografie. Měření detekuje vodivou zónu, viz čerchovaná čára. Na obr. 3.9 je uveden příklad detekce tenkých vodičů pomocí metody kombinovaného odporového profilování. Místa vodičů jsou slibná pro získání nových vodních zdrojů. Lokalita Nový Kostel je známá častým výskytem seismických rojů, které se šíří po hlavních i druhotných tektonických liniích.

31 Obr. 3.9: Příklad aplikace metody KOP. Měření detekuje několik tenkých vodičů, viz charakteristická překřížení odporových grafů označených symbolicky křížky. Lokalita Nový Kostel v západních Čechách. Komplexní příklad průběhu typického geofyzikálního průzkumu pro získání malého vodního zdroje uvádíme v následujícím textu (dle zprávy Hronek (2011): Úkolem geofyzikálních prací v obci Kostelní Myslová (kraj Vysočina) bylo provést geofyzikální práce s cílem nalezení optimálního umístění průzkumného hydrovrtu. Rozsah profilové sítě je zřejmý z obr. 3.10. Obr. 3.10: Mapa profilové sítě. Lokalita Kostelní Myslová