Sammanfattning (Scroll down for English version)
Komponenter och metodik tänkta att ingå i ett fungerande seismoelektriskt system har inskaffats och utvärderats. Den fundamentala idén, att man kan mäta smalbandigt och omvandla data från stegade frekvensmätningar till en tidsdomänsignal verkar ha visats experimentellt. De smalbandiga mätningarna gör att störkänsligheten blir väsentligt mindre än om bredbandig mätning utförs, dvs transienta mätningar. Projektet var ursprungligen helt inriktat på mätningar från markytan ner i berggrunden. Det har emellertid visat sig finnas stort intresse för mätningar även från befintliga tunnlar och därför har utrustning för sådana mätningar utvärderats och intressanta resultat inhämtats.
Projektets syfte är att lokalisera vattenförande zoner ner till ett djup av c:a 100 m i syfte att underlätta planering av undermarksarbete som t ex tunnelbyggnad. . För detta utnyttjas omvandling av mekaniska tryckvågor till elektriska signaler i vattenförande sprickor.
De seismoelektriska signalerna är mycket svaga och medför ett betydande detekteringsproblem. Det är känt inom andra discipliner att smalbandig detektion medger möjlighet att detektera mycket svagare signaler än bredbandig detektion gör. Anledningen är att bakgrundsstörningarna blandas med signalerna när man mäter bredbandigt.
Vid smalbandsdetektion mäter man frekvens för frekvens och vet exakt vilken frekvens man söker. Därför kan alla störningar av annan frekvens uteslutas. Genom att stega sig igenom det önskade frekvensbandet erhåller man samma resultat som vid bredbandig mätning, dock i frekvensplanet. Genom en Fouriertransform kan man sedan omvandla signalen till tidsdomän.
Den tredje etappens mål är att utveckla lätthanterlig utrustning som kan användas för att genomföra smalbandiga seismoelektriska mätningar. I den ursprungliga etapplanen ingick också fältprov med den utvecklade utrustningen, men då finansieringen varit lägre än planerat utesluts detta moment och fokus är lagt på att sätta samman och tillverka ett fungerande system.
I syfte att förstå problematiken har fältförsök med laboratorieutrustning genomförts. Dessa fältförsök är utförda med en enkanalig lock-in-förstärkare, en hydrauliskt driven vibrator och en specialprogrammerad laptop som styr vibratorn och lock-in-förstärkaren. En 32-kanalig lock-införstärkare, som avses användas i fältutrustningen, har också testats. Mjukvaran till dessa försök har utvecklats inom etappens ram.
Under etappens gång har det också framkommit att det finns ett stort intresse att kunna göra seismoelektriska mätningar från befintliga tunnlar. Därför har ett test med laboratorieutrustning gjorts i en tunnel för att inhämta erfarenheter från vad den annorlunda miljön där har för betydelse för systemets utformning. I en tunnel har man direkt kontakt med bergmassan och då kan transient mätning av signalerna vara effektiv därför att man undviker den starka dämpningen i jordlagren. De elektriska bakgrundsstörningarna är sannolikt likartade.
Systemkonceptet framgår av följande beskrivning: Som källa för mätningen från markytan används en hydrauliskt driven vibrator. Denna kontrolleras av en funktionsgenerator som också levererar referenssignal till en 32 kanal lock-in-förstärkare. Mottagarna är jordade eller ojordade (antenner) elektriska dipoler kopplade till en differentialförstärkare per kanal. Differentialförstärkare har den fördelen framför single-ended förstärkare att störningar som kommer in via kablarna utjämnas, då de är likadana i båda ledarna.
En kopplingsbox medger att två 16-kanal kabelstammar kopplas ihop med lock-in-förstärkaren. Kopplingsboxen försörjer också ingångssteget, differentialförstärkarna, med drivspänning. Funktionsgenerator och lock-in-förstärkare styrs av programvara som är utvecklad inom projektets ram.
Således kan man ansluta antingen 32 dipoler som mäter det elektriska fältet differentiellt eller 16 dipoler och 16 geofoner. I det senare fallet kan man alltså samutvärdera seismiska och seismoelektriska mätdata. Systemet bör, som en bieffekt, också kunna användas för reflektionsseismiska mätningar i 32 kanaler. Detta kan vara av intresse när signal/brusförhållandet är för dåligt för att medge de vanliga mätningarna i tidsdomän.
Nyckelord: Geofysik, Seismik, Vattenföring, Mätutrustning
SUMMARY
Components and methods considered for a working seismoelectric field system have been acquired and evaluated. The fundamental idea, that it is possible to make narrowband measurements with stepped frequency and convert the data to time domain seems to have been confirmed experimentally. The narrowband measurements are much less susceptible to noise than wideband, i.e. transient measuremts. Originally the project was focused only on measurement from the ground surface, through the soil and into the bedrock. It has, however, turned out that there is considerable interest in making seismoelectric measurements from existing tunnels and for that reason we have also evaluated equipment and methods suitable for that kind of measurement.
The purpose of this project is to locate waterbearing zones in bedrock from the surface down to a depth of about 100 m, facilitating planning of underground constructions like e.g. tunneling. To do this the conversion of mechanical waves to electromagnetic waves in fractures is used.
The seismoelectric signals are very weak and constitute a serious detection problem. It is known from other disciplines that narrowband detection can operate in much lower signal to noise ratios than wideband detection. The reason is that background noise is mixed with the signals in wideband detection.
In narrowband detection only one frequency is measured at each instant and consequently the only parameters available are the phase and the amplitude of the signal relative a stable reference signal. By stepping through a frequency range the same information can be gained as with wideband detection, i.e high temporal/range resolution. That is achieved by an inverse Fourier transform.
The goal of the third project part is to develop a manageable system for performing narrowband seismoelectric measurements.
To familiarize ourselves with the measurement problems field tests with laboratory equipment has been performed. These test were performed with a single channel lock-in amplifier, a hydraulically driven vibrator and a laptop with software that controls the vibrator and the lock-in amplifier. A 32-channel lock-in amplifier has also been tested. The software for these tests has beeb developed within the framework of the project.
During the third project part it has also occured to us that there is considerable interest in using the seismoelectric approach for measurements from tunnels. For that reason measurements have also been performed in a tunnel to gain experience from the different environment as compared to surface measurements. In a tunnel there is direct contact with the rock mass and the transient signals may also be used, since the strong attenuation of the soil layer is avoided. The electrical background disturbances are similar however.
The system concept: The source of mechanical waves is anhydraulically driven vibrator. This is controlled by a function generator which also provides the reference signal to a 32 channel lock-in amplifier. The receivers are grounded electrodes or antennas connected to differential amplifiers, one per channel. Differential amplifiers have the advantage to single-ended amplifiers, that noise entering through the cables is eliminated.
A connection box makes it possible to connect two 16 channel cable stems to the 32 channel lock-in amplifier. This box also provides electrical supply to the differential amplifiers.
Consequently it is possible to attach either 32 electrical dipoles measuring the seismoelectric field differentially or 16 dipoles and 16 geophones. The latter alternative permits co-evaluation of reflection seismics and seismoelectrics data. It should also be possible to use the system for seismic reflection measurement with 32 geophones. This may be of interest when the signal to noise ratio is unfavourable for conventional measurements.
Keywords: Geophysics, Seismics, Waterflow, Seismoelectrics, Equipment