ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗΣ ΦΙΚΟΣ ΗΛΙΑΣ Γεωλόγος MSc Γεωφυσικός ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΓΕΩΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ: ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΝΘΕΜΟΥΝΤΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ που υποβλήθηκε στο Τμήμα Γεωλογίας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2 ΦΙΚΟΣ ΗΛΙΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΓΕΩΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ: ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΝΘΕΜΟΥΝΤΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στον Τομέα Γεωφυσικής του Τμήματος Γεωλογίας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 5 Ιουλίου 2010 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Παπαζάχος Κωνσταντίνος Αναπ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Τσούρλος Παναγιώτης Επικ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Τσόκας Γρηγόριος Καθηγητής Α.Π.Θ. ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Παπαζάχος Κωνσταντίνος Αναπ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Τσούρλος Παναγιώτης Επικ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Τσόκας Γρηγόριος Καθηγητής Α.Π.Θ. Βαργεμέζης Γεώργιος - Επικ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Βουδούρης Κωνσταντίνος Καθηγητής Πολυτεχνείου Κρήτης Σαββαΐδης Αλέξανδρος Εντεταλμένος Ερευνητής Ι.Τ.Σ.Α.Κ. Παυλίδης Σπυρίδων Καθηγητής Α.Π.Θ. «Η έγκριση της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Γεωλογίας του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2). i

3 Φίκος Ηλίας Α.Π.Θ. ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΓΕΩΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ: ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΝΘΕΜΟΥΝΤΑ ISBN ii

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μέθοδο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, σκοπός της οποίας είναι ο υπολογισμός της κατανομής ( χαρτογράφησης ) των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της γης με κύριο στόχο την αναγνώριση δομών που θα βοηθήσουν στη κατανόηση του γεωλογικού μοντέλου. Ειδικότερα, η διατριβή πραγματεύεται την εφαρμογή της μεθόδου της γεωηλεκτρικής τομογραφίας στην επίλυση γεωλογικών υδρογεωλογικών προβλημάτων με τρεις διακριτούς στόχους. Ο πρώτος είναι η συμβολή στην ανάπτυξη βέλτιστων τακτικών λήψης και επεξεργασίας μεγάλου όγκου γεωηλεκτρικών δεδομένων όταν το ενδιαφέρον βρίσκεται σε μικρά σχετικά βάθη, ενώ ο δεύτερος αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός νέου συστήματος λήψης μετρήσεων γεωηλεκτρικών τομογραφικών δεδομένων, το οποίο να δίνει τη δυνατότητα για έρευνες σε σημαντικά μεγαλύτερα βάθη. Ο τρίτος στόχος είναι η χρήση των παραπάνω εργαλείων στην προσπάθεια μελέτης και διερεύνησης των συγκεκριμένων γεωλογικών και υδρογεωλογικών συνθηκών στην περιοχή της λεκάνης του ποταμού Ανθεμούντα, ανατολικά νοτιοανατολικά του πολεοδομικού συγκροτήματος της Θεσσαλονίκης. Μελετήθηκε συνολικά η γεωλογία και η υδρογεωλογία της υδρολογικής λεκάνης του ποταμού Ανθεμούντα και εντοπίστηκαν πιθανές περιοχές στις οποίες η γεωηλεκτρική διασκόπηση θα μπορούσε να συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση του γεωλογικού υδρογεωλογικού μοντέλου. Διερευνήθηκαν οι δυνατότητες υλοποίησης γεωηλεκτρικής έρευνας σε δυο διαφορετικές κλίμακες και με διαφορετικούς στόχους και εντοπίστηκαν δυο περιοχές, στην Περιστερά και στα Βασιλικά, στις οποίες επικεντρώθηκε παραπέρα η έρευνα. Σχεδιάστηκε ο τρόπος υλοποίησης της έρευνας για τη κάθε περιοχή, έγινε προμήθεια των απαιτούμενων υλικών και κατασκευάστηκαν τα αναγκαία εξαρτήματα για τη λήψη των μετρήσεων στην περίπτωση της έρευνας στην Περιστερά. Παράλληλα σχεδιάστηκε μια νέα μεθοδολογία λήψης των μετρήσεων για την έρευνα στην περιοχή των Βασιλικών, έγινε προμήθεια του απαραίτητου εξοπλισμού (κάρτα ψηφιοποίησης διαφορών δυναμικού) και υλοποιήθηκε το απαραίτητο λογισμικό για τη λήψη των μετρήσεων με τη χρήση αυτού του εξοπλισμού. Το λογισμικό και το σύστημα καταγραφής εξελίχθηκε στη τελική του μορφή μέσα από πλήθος πειραματικών δοκιμών, στη διάρκεια των οποίων εντοπίστηκαν και αντιμετωπίστηκαν τα προβλήματα που ανέκυψαν. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η γεωφυσική έρευνα και στις δύο περιοχές και ακολούθησε η διαδικασία επεξεργασίας των δεδομένων και η ερμηνεία των αποτελεσμάτων της γεωφυσικής έρευνας. Αποδείχθηκε πως η είναι δυνατή η λήψη τομογραφικών δεδομένων ακόμα και για βάθη πολλών εκατοντάδων μέτρων και πως η εφαρμογή της μεθοδολογίας αυτής στην λεκάνη του Ανθεμούντα οδήγησε στην παραγωγή ενός πραγματικού τρισδιάστατου γεωηλεκτρικού μοντέλου για μια περιοχή διαστάσεων 1500 μέτρα επί 3000 μέτρα και για μέγιστο βάθος ίσο με 500 περίπου μέτρα.

5 ABSTRACT In this thesis the method of Electrical Resistivity Tomography is applied for studying geological and hydrogeological problems. The thesis focuses in the application of the ERT with three specific objectives. The first one is to develop best practices for acquiring and working with very large ERT datasets. The second objective is to develop and use a new data acquisition system for performing resistivity measurements with separate current source and voltage meter. This will allow the distance between current to increase without limitations posed by the wires connecting receiver and transmitter and therefore will increase the maximum depth of investigation to many hundreds of meters or even kilometers. The third objective is to apply the methodologies developed for studying specific geological and hydrogeological conditions in the Anthemountas river basin, located ease southeast of Thessaloniki. The geology and hydrogeology of the basin is evaluated and possible areas where the geophysical investigation can offer valuable information are located. The possibility to conduct resistivity survey on two different scales with different targets is evaluated and two areas near Peristera village and near Vasilika village are finally selected. The two surveys are planned and the necessary hardware (cables and connectors) for the survey in Peristera is constructed. For the Vasilika survey, the necessary voltage digitizer was purchased and proper software for acquiring and calculating resistivity value was developed in LabView and Matlab environment. The methodology was tested thoroughly in controlled as well as in real conditions. Finally the resistivity surveys were conducted successfully and the geological interpretation of the geophysical data is presented. The main outcome of the surveys was that for the first time a survey with electrical resistivity tomographies was conducted for an area of three by one and a half kilometers and with maximum depth of investigation of approximately five hundred meters and a geological model was presented revealing significant geological features.

6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Νιώθω βαθιά την ανάγκη να ευχαριστήσω κάποιους ανθρώπους που συνέβαλαν στην ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Ευχαριστώ τον κ. Παπαζάχο Κωσταντίνο, Αναπλ. Καθηγητή του Τμήματος Γεωλογίας του Α.Π.Θ., για την ανάθεση του θέματος, την αδιάκοπη υποστήριξη σε όλα τα προβλήματα, επιστημονικά και όχι μόνο, που ανέκυψαν κατά την εκπόνηση της διατριβής αλλά κυρίως γιατί έδειξε κατανόηση στις προσωπικές μου επιλογές η οποίες πολλές φορές επιβράδυναν την ολοκλήρωση της Επίσης ευχαριστώ τον κ. Τσούρλο Παναγιώτη, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Γεωλογίας του Α.Π.Θ. για το συνεχές ενδιαφέρον του για την εξέλιξη της διατριβής και για τις ουσιαστικές παρατηρήσεις και συμβουλές του. Ευχαριστώ τον κ. Τσόκα Γρηγόρη, Καθηγητή του Τμήματος Γεωλογίας του Α.Π.Θ. για την συνεχή υποστήριξη και ενδιαφέρον του κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής αυτής αλλά και συνολικά για τις εποικοδομητικές επισημάνσεις και προτάσεις σε όλα τα χρόνια των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Θέλω επίσης να ευχαριστήσω πάρα πολύ θερμά τον κ. Βαργεμέζη Γιώργο, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Γεωλογίας του Α.Π.Θ. Οι συμβουλές του σε γεωλογικά και γεωφυσικά ζητήματα που προέκυπταν κατά την εκπόνηση της διατριβής αυτής ήταν καταλυτικές. Ακόμα όμως πιο ουσιαστικός ήταν, και εξακολουθεί να είναι, ο ρόλος του σαν φίλου και δάσκαλου σε όλα τα στάδια των μεταπτυχιακών μου σπουδών αλλά και της επαγγελματικής μου ενασχόλησης με τη γεωλογία. Ευχαριστώ τον Dr. Jung-Ho Kim, κύριο ερευνητή του Ινστιτούτου Γεωφυσικής και Ορυκτών Πόρων της Κορέας, για τις συμβουλές του στην προσπάθεια αντιστροφής του τεράστιου όγκου γεωηλεκτρικών δεδομένων αλλά και για την προσφορά του λογισμικού με το οποίο πραγματοποιήθηκε το σύνολο των αντιστροφών των δεδομένων. Ευχαριστώ όλα τα μέλη της επταμελούς εξεταστικής μου επιτροπής για τις χρήσιμες επισημάνσεις και διορθώσεις που συνέβαλαν στην βελτίωση της διατριβής μου. Ευχαριστώ θερμά όλους τους συναδέρφους- φίλους που με βοήθησαν με μεγάλη διάθεση για την υλοποίηση των μετρήσεων, χωρίς αυτούς η εκπόνηση της διατριβής θα ήταν αδύνατη. Ευχαριστώ επίσης την Δρ. Ρουμελιώτη Ζαφειρία για την συνεχή παρότρυνση αλλά και για τις χρήσιμες συμβουλές της σε διάφορα στάδια εκπόνησης της διατριβής, όλα τα χρόνια της συγκατοίκησης στο ίδιο γραφείο. Τέλος, ευγνωμοσύνη χρωστάω στη Διαλεχτή Κουϊτζόγλου για την αμέριστη ηθική υποστήριξη της, την υπομονή της και την καθημερινή ενθάρρυνση που μου παρείχε.

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΛΟΓΟΣ Μεθοδολογία εκπόνησης της διατριβής Δομή της διατριβής ΛΕΚΑΝΗ ΑΝΘΕΜΟΥΝΤΑ Χαρακτηριστικά της λεκάνης Γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά Γεωλογία ευρύτερης περιοχής λεκάνης Ανθεμούντα Γεωλογικοί σχηματισμοί λεκάνης Ανθεμούντα Τεκτονικά στοιχεία Υδρογεωλογία λεκάνης Υπόγειοι υδροφόροι Γεωθερμία Προηγούμενη γεωφυσική έρευνα στην περιοχή Ερωτήματα προς διερεύνηση ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Γενικά στοιχεία Ειδική ηλεκτρική αντίσταση των πετρωμάτων Θεωρία και μαθηματικές σχέσεις που διέπουν τις βασικές πόσοτητες Φαινόμενη αντίσταση Διατάξεις ηλεκτροδίων Βάθος διασκόπησης Μονοδιάστατες, δισδιάστατες και τρισδιάστατες γεωηλεκτρικές μετρήσεις Ευθύ και αντίστροφο γεωηλεκτρικό πρόβλημα Αντίστροφο γεωηλεκτρικό πρόβλημα Ευθύ γεωηλεκτρικό πρόβλημα Ο αλγόριθμος αντιστροφής γεωηλεκτρικών δεδομένων DC_PRO Επίλυση του ευθέως προβλήματος Επίλυση του αντίστροφου προβλήματος ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΤΕΡΑΣ Παρουσίαση της περιοχής Γεωλογικά χαρακτηριστικά Γεωλογία της θέσης έρευνας Εξοπλισμός Τρόπος υλοποίησης των μετρήσεων Παρελκόμενα εξοπλισμού - ιδιοκατασκευές Πρωτόκολλα μετρήσεων Αποτελέσματα και ερμηνεία 2-διαστάσεων και 3-διαστάσεων Αποτελέσματα 2-διαστατης αντιστροφής Ερμηνεία 2 διαστάσεων Αποτελέσματα 3-διάστατης αντιστροφής Ερμηνεία 3 διαστάσεων Σύνοψη και συμπεράσματα 4 ου Κεφαλαίου ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Αρχές λειτουργίας υφιστάμενων συστημάτων Σύστημα καταγραφής δυναμικού γεωηλεκτρικών μετρήσεων Συνδεσμολογία LABVIEW της National Instruments Ανάπτυξη εφαρμογής για την καταγραφή μετρήσεων με την κάρτα ψηφιοποίησης NI

8 5.3.2 Καταγραφές σε ελεγχόμενο περιβάλλον με ένα διαφορικό κανάλι Παραδείγματα Υπολογισμός των διαφορών δυναμικού Σχεδιασμός εφαρμογής Αλγόριθμος Πραγματοποίηση πραγματικών μετρήσεων μικρής κλίμακας με ένα διαφορικό κανάλι Δοκιμαστικές μετρήσεις πραγματικής κλίμακας Προβλήματα και διαπιστώσεις (hardware & software) Βελτίωση του λόγου σήμα/θόρυβο (S/N) και της αξιοπιστίας των μετρήσεων Xρήση δυαδικών δεδομένων από τρία διαφορικά κανάλια Φορητή συσκευασία του καταγραφικού συστήματος: Ιδιοκατασκευή Σύνοψη και συμπεράσματα 5 ου Κεφαλαίου ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΒΑΣΙΛΙΚΩΝ ΓΑΛΑΡΙΝΟΥ Παρουσίαση της περιοχής Γεωλογικά χαρακτηριστικά Σχεδιασμός μετρήσεων Υλοποίηση Αποτελέσματα και ερμηνεία 2-διαστάσεων και 3-διαστάσεων Αποτελέσματα 2-διάστατης αντιστροφής Ερμηνεία 2 διαστάσεων Αποτελέσματα και ερμηνεία 3-διαστάσεων Αποτελέσματα 3-διάστατης αντιστροφής Ερμηνεία 3 διαστάσεων Σύνοψη και συμπεράσματα 6ου Κεφαλαίου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Γενικά συμπεράσματα διατριβής Προτάσεις για μελλοντική έρευνα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...211

9 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Πρόλογος 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η χρήση των γεωφυσικών μεθόδων για την μελέτη γεωλογικών, υδρογεωλογικών, γεωτεχνικών, περιβαλλοντικών και αρχαιολογικών προβλημάτων είναι ευρύτατα διαδεδομένη εδώ και πολλές δεκαετίες. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μέθοδο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, σκοπός της οποίας είναι ο υπολογισμός της κατανομής ( χαρτογράφησης ) των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της γης με κύριο στόχο την αναγνώριση δομών που θα βοηθήσουν στη κατανόηση του γεωλογικού μοντέλου. Η κύρια ιδέα για την υλοποίηση της διατριβής προέκυψε από τη σύγχρονη τάση για όλο και ευρύτερη χρήση της μεθόδου της γεωηλεκτρικής τομογραφίας για την επίλυση ειδικών γεωλογικών προβλημάτων, αλλά και από τη ραγδαία εξέλιξη των συστημάτων συλλογής γεωηλεκτρικών δεδομένων. Ο συνδυασμός των παραπάνω έφερε τους ερευνητές αντιμέτωπους με την ανάγκη για διαχείριση ολοένα και μεγαλύτερου όγκου δεδομένων, σε συνδυασμό με την επιθυμία για γεωηλεκτρικές διασκοπήσεις σε ολοένα και μεγαλύτερα βάθη και χωρική έκταση. Ειδικότερα, η διατριβή πραγματεύεται την εφαρμογή της μεθόδου της γεωηλεκτρικής τομογραφίας στην επίλυση γεωλογικών υδρογεωλογικών προβλημάτων με τρεις διακριτούς στόχους. Ο πρώτος είναι η συμβολή στην ανάπτυξη βέλτιστων τακτικών λήψης και επεξεργασίας μεγάλου όγκου γεωηλεκτρικών δεδομένων όταν το ενδιαφέρον βρίσκεται σε μικρά σχετικά βάθη, ενώ ο δεύτερος αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός νέου συστήματος λήψης μετρήσεων γεωηλεκτρικών τομογραφικών δεδομένων, το οποίο να δίνει τη δυνατότητα για έρευνες σε σημαντικά μεγαλύτερα βάθη. Ο τρίτος στόχος είναι η χρήση των παραπάνω εργαλείων στην προσπάθεια μελέτης και διερεύνησης των συγκεκριμένων γεωλογικών και υδρογεωλογικών συνθηκών στην περιοχή της λεκάνης του ποταμού Ανθεμούντα, ανατολικά νοτιοανατολικά του πολεοδομικού συγκροτήματος της Θεσσαλονίκης. 1.1 Μεθοδολογία εκπόνησης της διατριβής Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε κατά την εκπόνηση της διατριβής περιελάμβανε τα παρακάτω βήματα στάδια: Αρχικά μελετήθηκε η περιοχή ενδιαφέροντος και συγκεντρώθηκαν τα διαθέσιμα γεωλογικά υδρογεωλογικά στοιχεία, καθώς και οι προηγούμενες μελέτες για την ευρύτερη περιοχή. Από τα στοιχεία αυτά αναγνωρίστηκαν προβλήματα, στην επίλυση των οποίων θα μπορούσε να συμβάλει η γεωφυσική έρευνα. Διερευνήθηκαν οι δυνατότητες υλοποίησης γεωηλεκτρικής έρευνας σε δυο διαφορετικές κλίμακες και με διαφορετικούς στόχους και εντοπίστηκαν δυο περιοχές, στην Περιστερά και στα Βασιλικά, στις οποίες επικεντρώθηκε παραπέρα η έρευνα. 1

10 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Πρόλογος Σχεδιάστηκε ο τρόπος υλοποίησης της έρευνας για τη κάθε περιοχή, έγινε προμήθεια των απαιτούμενων υλικών και κατασκευάστηκαν τα αναγκαία εξαρτήματα για τη λήψη των μετρήσεων στην περίπτωση της έρευνας στην Περιστερά. Παράλληλα σχεδιάστηκε μια νέα μεθοδολογία λήψης των μετρήσεων για την έρευνα στην περιοχή των Βασιλικών, έγινε προμήθεια του απαραίτητου εξοπλισμού (κάρτα ψηφιοποίησης διαφορών δυναμικού) και υλοποιήθηκε το απαραίτητο λογισμικό για τη λήψη των μετρήσεων με τη χρήση αυτού του εξοπλισμού. Το λογισμικό και το σύστημα καταγραφής εξελίχθηκε στη τελική του μορφή μέσα από πλήθος πειραματικών δοκιμών, στη διάρκεια των οποίων εντοπίστηκαν και αντιμετωπίστηκαν τα προβλήματα που ανέκυψαν. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η γεωφυσική έρευνα και στις δύο περιοχές και ακολούθησε η διαδικασία επεξεργασίας των δεδομένων και η ερμηνεία των αποτελεσμάτων της γεωφυσικής έρευνας. 1.2 Δομή της διατριβής Γενικά η δομή της διατριβής αντικατοπτρίζει την ερευνητική μεθοδολογία που περιγράφηκε προηγουμένως. Συνοπτικά τα κεφάλαια που ακολουθούν πραγματεύονται τα ακόλουθα θέματα: Κεφάλαιο 2: Παρουσιάζονται τα γενικά γνωρίσματα της περιοχής της λεκάνης του ποταμού Ανθεμούντα. Συγκεκριμένα, περιγράφονται τα γεωμορφολογικά γνωρίσματα της υδρολογικής λεκάνης. Παρουσιάζονται λεπτομερώς τα γεωλογικά χαρακτηριστικά της ευρύτερης περιοχής και κυρίως τα χαρακτηριστικά των σχηματισμών που εμφανίζονται εντός της λεκάνης του Ανθεμούντα, ενώ αναφέρονται τα σημαντικότερα τεκτονικά γνωρίσματα της. Γίνεται λεπτομερής περιγραφή των υδρογεωλογικών χαρακτηριστικών της περιοχής με έμφαση στην περιγραφή των διακριτών υπόγειων υδροφόρων που αναπτύσσονται σε όλη τη λεκάνη και παρατίθενται πληροφορίες για τα γεωθερμικά γνωρίσματα της. Τέλος γίνεται αναφορά στην προηγούμενη γεωφυσική έρευνα και διατυπώνονται θέματα που παραμένουν ανοιχτά προς διερεύνηση στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης Ανθεμούντα. Κεφάλαιο 3: Παρουσιάζονται οι βασικές αρχές και η θεωρία που διέπουν την μέθοδο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Αναφέρονται γενικά στοιχεία για τις διατάξεις ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται στη γεωηλεκτρική διασκόπηση, για το βάθος διασκόπησης και για τις γεωηλεκτρικές μετρήσεις σε μια, δύο αλλά και τρεις διαστάσεις. Στη συνέχεια ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή για το ευθύ και αντίστροφο γεωηλεκτρικό πρόβλημα, ενώ τέλος παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά του αλγόριθμου αντιστροφής γεωηλεκτρικών δεδομένων DC_PRO, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής. Κεφάλαιο 4: Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η υλοποίηση της έρευνας στην περιοχή της Περιστεράς. Γίνεται αναλυτική περιγραφή των γεωλογικών χαρακτηριστικών της θέσης έρευνας και της σχεδίασης των μετρήσεων. Παρουσιάζεται ο 2

11 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Πρόλογος εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την συλλογή των μετρήσεων. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη ερμηνεία των δεδομένων και παρατίθενται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την ερμηνεία τους. Κεφάλαιο 5: Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των υφιστάμενων συστημάτων γεωηλεκτρικών μετρήσεων και αναφέρονται τα βασικά λειτουργικά τους στοιχεία. Περιγράφεται η ιδέα ανάπτυξης ενός συστήματος καταγραφής γεωηλεκτρικών μετρήσεων, στο οποίο η πηγή ηλεκτρικού ρεύματος θα είναι ανεξάρτητη από το καταγραφικό των διαφορών δυναμικού και παρουσιάζεται η κάρτα ψηφιοποίησης διαφορών δυναμικού της εταιρείας National Instruments που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του προτεινόμενου συστήματος λήψης γεωηλεκτρικών μετρήσεων. Περιγράφεται το λογισμικό LABVIEW και η εφαρμογή που υλοποιήθηκε για τη λήψη και αποθήκευση των χρονοσειρών διαφορών δυναμικού. Στη συνέχεια παρουσιάζεται αναλυτικά η εφαρμογή που υλοποιήθηκε στο περιβάλλον MATLAB για την επεξεργασία των χρονοσειρών δυναμικού και τον υπολογισμό της τελικής διαφοράς δυναμικού για κάθε μια χρονοσειρά μέτρηση. Γίνεται αναλυτική παρουσίαση των δοκιμών και των ελέγχων που οδήγησαν στην εξέλιξη της εφαρμογής στη τελική της μορφή και τέλος, παρουσιάζεται η ιδιοκατασκευή στην οποία τοποθετήθηκε το σύστημα καταγραφής και υπολογισμού των διαφορών δυναμικού γεωηλεκτρικών μετρήσεων. Κεφάλαιο 6: Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η υλοποίηση της έρευνας στην περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού. Γίνεται αναλυτική περιγραφή των γεωλογικών χαρακτηριστικών της θέσης έρευνας και της σχεδίασης των μετρήσεων. Παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την συλλογή των μετρήσεων και τα αποτελέσματα από τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη ερμηνεία των δεδομένων που συλλέχθηκαν. Τέλος το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παράθεση των κύριων συμπερασμάτων που προκύπτουν από την έρευνα στην περιοχή αυτή. Κεφάλαιο 7: Συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της διατριβής και επιπλέον αναφέρονται ορισμένες προτάσεις για μελλοντική έρευνα. 3

12 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα 2 ΛΕΚΑΝΗ ΑΝΘΕΜΟΥΝΤΑ 2.1 Χαρακτηριστικά της λεκάνης Γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά Γεωγραφική τοποθέτηση λεκάνης Ανθεμούντα Η λεκάνη του Ανθεμούντα γεωγραφικά τοποθετείται στο χώρο της Κεντρικής Μακεδονίας και ειδικότερα εντάσσεται στην χερσόνησο της Χαλκιδικής, καλύπτοντας ένα χώρο 318,3 Κm 2 (σχήμα 2.1). Πιο συγκεκριμένα καταλαμβάνει το ΝΑ τμήμα του Ν. Θεσσαλονίκης ενώ οι ορεινές απολήξεις της εντάσσονται στον Ν. Χαλκιδικής. Το δυτικό όριο της λεκάνης απορροής καλύπτει ο κόλπος της Θεσσαλονίκης, ενώ το εκτεταμένο λοφώδες συγκρότημα της Αγίας Παρασκευής Σουρωτής Μονοπηγάδου οριοθετεί την προς νότο προέκταση της. Βόρεια φυσικό όριο της λεκάνης συνιστά η οροσειρά Χορτιάτη Θέρμου μέχρι τις ημιορεινές παρυφές Γαλάτιστας Βάβδου, οι οποίες οριοθετούν την προς τα ανατολικά επέκταση της λεκάνης. Η λεκάνη απορροής του Ανθεμούντα συνιστά την δεύτερη σε μέγεθος υδρολογική λεκάνη της χερσονήσου Χαλκιδικής μετά την λεκάνη του Χαβρία. Στα τμήματα κατάντη της λεκάνης, στα κύρια οικιστικά συγκροτήματα της Θέρμης, Νέας Ραιδεστού και Τριαδίου παρουσιάζεται έντονη οικιστική ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια. Το γεγονός αυτό δείχνει την έντονη τάση για αστικοποίηση σε σχέση με τα ανάντη τμήματα (Βασιλικά, Γαλάτιστα) στα οποία κυριαρχεί ο αγροτικός πληθυσμός. Στο παράκτιο τμήμα της λεκάνης απορροής ανατολικά προς τον Θερμαϊκό κόλπο, λόγω της ύπαρξης σημαντικών υποδομών συγκοινωνίας (αεροδρόμιο Μακεδονία, οδικός άξονας Θεσσαλονίκης - Μουδανιών, οδός Θεσσαλονίκης - Μηχανιώνας), απαντάται πυκνό οδικό δίκτυο. Εσωτερικά και ανάντη της λεκάνης ο παλιός (αλλά αναβαθμιζόμενος) άξονας Θεσσαλονίκης Πολυγύρου αποτελεί την κύρια οδική αρτηρία. Σε γενικά γραμμές η λεκάνη του Ανθεμούντα εμφανίζει πολυποίκιλες γεωγραφικές ενότητες, με διαφορές στις χρήσεις γης, οι οποίες καθορίζουν και την ανθρώπινη δραστηριότητα κυρίως στον πρωτογενή και δευτερογενή τομέα. Ταυτόχρονα η δραστηριότητα αυτή επιδρά σημαντικά και στην εξέλιξη και διαφοροποίηση των χρήσεων γης με διαφορετικό ρυθμό μεταβολής και μορφοποιητικό αποτέλεσμα Γεωμορφολογία Όπως προαναφέρθηκε η περιοχή μελέτης εντάσσεται γεωγραφικά στο Δ-ΒΔ τμήμα της χερσονήσου της Χαλκιδικής. Το σχήμα της λεκάνης απορροής είναι επίμηκες, φυλλόμορφο με μια ελαφριά τάση ασυμμετρίας κατά μήκος του άξονα Β-Ν. Το μήκος του μέγιστου άξονα ανάπτυξης της λεκάνης έχει διεύθυνση ΝΝΑ-ΒΒΔ. Εκτείνεται σε περίπου 33 Κm, από την 4

13 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα περιοχή του Αεροδρομίου της Μίκρας (εκβολές υδατορεύματος Ανθεμούντα) ως την απόληξη της λεκάνης ανάντη, στην περιοχή του ημιορεινού όγκου του Βάβδου. Ο μικρός άξονας ανάπτυξης εμφανίζει μια γενική διεύθυνση ΒΑ-ΝΔ, με μήκος που δεν ξεπερνά τα 15Κm. Η επιφάνεια της λεκάνης απορροής έχει έκταση Km2. Σχήμα 2.1: Γεωγραφική τοποθέτηση της λεκάνης Ανθεμούντα στο χώρο της Κ. Μακεδονίας (δορυφορική εικόνα από Googlemaps, Ιουνιος 2009). Γεωμορφολογικά, η λεκάνη απορροής του Ανθεμούντα εντάσσεται στη ζώνη του εκτεταμένου επιμήκους τεκτονικού βυθίσματος με γενική διεύθυνση ΝΑ-ΒΔ στο χώρο της κεντρικής Χαλκιδικής. Προς βορρά οριοθετείται από το ημιορεινό-ορεινό συγκρότημα του Χορτιάτη-Βάβδου (σχήμα 2.2) ενώ αντίστοιχα το εκτεταμένο λοφώδες συγκρότημα της Αγίας Παρασκευής, Σουρωτής, Μονοπηγάδου οριοθετεί την προς νότο προέκταση της λεκάνης απορροής. Ανατολικά οι εκτεταμένες εξάρσεις του ορεινού κορμού του Βάβδου διακρίνουν τα ανάντη τμήματα της λεκάνης, ενώ προς τα δυτικά, η λεκάνη περιβάλλεται από τον Θερμαϊκό κόλπο. Οι επικρατούσες γεωμορφολογικές τάσεις του αναγλύφου της λεκάνης δεικνύουν μια σταδιακή μετάπτωση σε μορφές επιπέδωσης με γενική διεύθυνση Α-Δ, καλύπτοντας κυρίως την κεντρική περιοχή της λεκάνης. Το ανάγλυφο της λεκάνης απορροής μπορεί να χαρακτηριστεί ομαλό, με μικρές ως μέσες κλίσεις στο μεγαλύτερο τμήμα της λεκάνης απορροής, γεγονός που δεικνύει πως ο χρόνος συγκέντρωσης του πλεονάσματος της βροχής είναι μεγάλος και κατά συνέπεια η πιθανότητα ταχείας κατείσδυσης αυξάνεται σημαντικά. Η επιφανειακή απορροή της υδρολογικής λεκάνης προέρχεται αποκλειστικά από ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα., 5

14 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα εκφορτίζει δε το υδατικό της περιεχόμενο προς τον Θερμαϊκό κόλπο δια μέσου ενός δικτύου υποπαράλληλων υδατορευμάτων που αποτελούν και το υδρογραφικό δίκτυο της λεκάνης απορροής. Η σημασία του είναι ουσιαστική διότι η υδρολογική απόκριση της λεκάνης κρίνεται σε μεγάλο βαθμό από την δραστηριότητα του. Το υδρογραφικό δίκτυο είναι δενδριτικής μορφής μέτρια αναπτυγμένο και αναπτύσσονται λεκάνες μέχρι 3ης τάξης κατά Strahler (1961). Κύριο φυσιογραφικό χαρακτηριστικό της λεκάνης αποτελεί η ύπαρξη κεντρικής μισγάγγειας κοίτης (υδατόρευμα Ανθεμούντα) με τη μορφή τελικού αποδέκτη των ρευμάτων μεγαλύτερης τάξεως. Η παραπάνω υδρολογική εικόνα δεικνύει τον τρόπο με τον οποίο το υδατικό δυναμικό της λεκάνης Ανθεμούντα αποδίδεται ολοκληρωτικά στον Θερμαϊκό δια μέσου πολλαπλών υπολεκανών απορροής (σχήμα 2.2). Η κυρίαρχη γεωμορφολογική εικόνα της λεκάνης δύναται να διακριθεί σε δυο επιμέρους λεκάνες απορροής: 1. Στην υπολεκάνη του άνω ρου (Γαλάτιστας) και 2. Στην υπολεκάνη του κάτω ρου (Βασιλικών). Το μέγεθος της λεκάνης απορροής, παίζει έναν σημαντικό ρόλο αφού επηρεάζει γενικά τόσο τη συνολική συγκέντρωση της απορροής στην έξοδο της λεκάνης, όσο και το χρόνο συγκέντρωσης της απορροής (Grecory & Walling, 1983). Η παραπάνω σχέση δεν είναι γραμμική, αφού κατά κανόνα τα γεωλογικά, εδαφολογικά και τα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της κάθε λεκάνης απορροής διαφέρουν σημαντικά. Η εκτίμηση του μεγέθους της λεκάνης απορροής της λεκάνης Ανθεμούντα βασίστηκε στο εμβαδόν του επιφανειακού υδροκρίτη. Η λεκάνη Ανθεμούντα είναι δυνατό να διακριθεί υδρολογικά, σε επιμέρους υπολεκάνες με στόχο την πληρέστερη και ουσιαστικότερη μελέτη των υδρολογικών της χαρακτηριστικών. Οι κυριότερες των οποίων (βάσει μεγέθους και υδρολογικής απόκρισης) είναι οι εξής: ΥΠΟΛΕΚΑΝΗ ΓΑΛΑΤΙΣΤΑΣ (ΑΝΩ ΡΟΥ) Πρόκειται για την μικρότερη σε μέγεθος υδρολογική υπολεκάνη της λεκάνης Ανθεμούντα. Η υπολεκάνη Γαλάτιστας καταλαμβάνει τα ανάντη τμήματα της κύριας λεκάνης απορροής. Εμφανίζεται με μια γενική διεύθυνση ΝΝΑ-ΒΒΔ με σχήμα φυλλόμορφο, επίμηκες συμμετρικό (σχήμα 2.2). Τα όρια της εκτείνονται, από τις βόρειες παρυφές της εκτεταμένης ορεινής-ημιορεινής ζώνης του Βάβδου, ως τις κεντρικά πεδινές περιοχές της Γαλάτιστας- Γαλαρινού. Στραγγίζει το υδατικό της περιεχόμενο μέσω ενός μέτρια αναπτυγμένου δενδριτικής μορφής, υδατορεύματος (Άνω ρους Ανθεμούντα). Το μήκος του κύριου άξονα ανάπτυξης της υπολεκάνης είναι 17Km περίπου, ενώ ο μικρός άξονας ανάπτυξης εμφανίζει ένα μήκος 6 Km περίπου. Το εμβαδόν της υπολεκάνης είναι 110 Km 2. Τα βόρεια τμήματα της υπολεκάνης, καθώς και το ανατολικό ως νοτιοανατολικό τμήμα αυτής, χαρακτηρίζεται από ημι-ορεινό έως ορεινό ανάγλυφο, με εκθέσεις πρανών ΝΑ 6

15 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα ως ΝΔ. Τα ανατολικά όρια του υδροκρίτη της υπολεκάνης διακρίνουν το μέγιστο υψόμετρο, κατά μήκος του ορεινού όγκου του Βάβδου με μέγιστο υψόμετρο τα 630m. Η έντονη τάση για εκβάθυνση που διακρίνεται επικρατούσα στα βόρεια τμήματα της υπολεκάνης, αποτελεί σημαντική ένδειξη για την τάση ανανέωσης του αναγλύφου (Rejuvanation), μέσω του υδρογραφικού δικτύου. ΥΠΟΛΕΚΑΝΗ ΒΑΣΙΛΙΚΩΝ (ΚΑΤΩ ΡΟΥ) Η υπολεκάνη Βασιλικών (κάτω ρου Ανθεμούντα) αποτελεί την μεγαλύτερη σε μέγεθος λεκάνη μετά την προαναφερθείσα της Γαλάτιστας και καταλαμβάνει τα κεντρικά και κατάντη τμήματα της λεκάνης Ανθεμούντα. Κάνει την εμφάνισή της με μια γενική διεύθυνση ΒΒΔ- ΝΝΑ με σχήμα φυλλόμορφο, επίμηκες ασύμμετρο κατά τη διεύθυνση ΒΑ-ΝΔ. Στις Β-ΒΑ παρυφές της λεκάνης και πλησίον της Νέας Ραιδεστού υπάρχει μιας σαφής τάση για ανάπτυξη ριπιδοειδών σχηματισμών με πηγή τροφοδοσίας το όρος Θερμό. Παρόμοια γεωμορφολογική συμπεριφορά, αναδεικνύεται κατά μήκος της εκτεταμένης λοφώδους σειράς Ταγαράδων-Αγίας Παρασκευής-Γαλαρινού. Η δράση του νεοτεκτονικού ρήγματος του Ανθεμούντα, σε συνδυασμό με την άνοδο του κατώτερου τεμάχους του ρήγματος αυτού, δημιουργεί εκτεταμένα επάλληλα σύνθετα ριπίδια με τη μορφή βεντάλιας. Σχηματισμοί ιδιαίτερης σημασίας στην υδρολογία και υδρογεωλογία. Πίνακας 1:Κωδικοποίηση και εμβαδά των υπολεκανών απορροής της λεκάνης Ανθεμούντα Κωδικός Υπολεκάνης Όνομα Υπολεκάνης Εμβαδόν Υπολεκάνης σε Km 2 1 Υπολεκάνη Γαλάτιστας (άνω ρου) Υπολεκάνη Βασιλικών (κάτω ρου) 208 7

16 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα 2.2: Διάκριση της υδρολογικής λεκάνης Ανθεμούντα στις δύο κύριες υπολεκάνες απορροής μικρότερης τάξης (δορυφορική εικόνα από Googlemaps, Ιουνιος 2009). Τα όρια της λεκάνης εκτείνονται, από τους πρόποδες του όρους Χορτιάτη ως τις νότιες περιοχές της Αγίας Παρασκευής. Στραγγίζει το υδατικό της περιεχόμενο μέσω ενός μέτρια αναπτυγμένου δενδριτικής μορφής υδατορεύματος (Κάτω ρους Ανθεμούντα). Το μήκος του κύριου άξονα ανάπτυξης της υπολεκάνης είναι 18,6Km περίπου, ενώ ο μικρός άξονας ανάπτυξης εμφανίζει ένα μήκος 6,7 περίπου Km. Το εμβαδόν της υπολεκάνης είναι Km2. Τα Β-ΒΑ τμήματα της υπολεκάνης, καθώς και το ανατολικό τμήμα αυτής, χαρακτηρίζεται από ημι-ορεινό έως ορεινό ανάγλυφο σε αντίθεση με τις νότιεςνοτιοανατολικές εκθέσεις της υπολεκάνης προς τον Θερμαϊκό κόλπο. Τα δυτικά όρια του υδροκρίτη της υπολεκάνης εμφανίζουν το μέγιστο υψόμετρο στο όρος Χορτιάτη με μέγιστο υψόμετρο τα 1050m. Η υπολεκάνη βρίσκεται γεωμορφολογικά σε στάδιο γήρατος με μια ελαφρή τάση ανανέωσης του αναγλύφου (Rejuvanation) στα νότια τμήματα της, στη ζώνη των ριπιδοειδών σχηματισμών. Η δράση του νεοτεκτονικού ρήγματος του Ανθεμούντα φαίνεται να ελέγχει τεκτονικά την σαφή τάση του αναγλύφου για ανανέωση, μέσω του υδρογραφικού δικτύου στα τμήματα αυτά της λεκάνης Γεωλογία ευρύτερης περιοχής λεκάνης Ανθεμούντα Στο χώρο της κεντρικής Μακεδονίας η χερσόνησος της Χαλκιδικής, διευθετεί την προς νότο επέκταση της Αλπικής ορογενετικής αλυσίδας. Πιο συγκεκριμένα οι ζώνες της Παιονίας (Pe) και της Περιροδοπικής (CRB) (σχήμα 2.3), καλύπτουν το δυτικό τμήμα της χερσονήσου της Χαλκιδικής, στις ανατολικές παρυφές της Τριτογενούς ηλικίας λεκάνης του Θερμαϊκού 8

17 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα κόλπου. Οι δυο γεωτεκτονικές ζώνες αναπτύσσονται με μια τυπική ΒΔ-ΝΑ διεύθυνση και αποτελούν ένα πολυσύνθετο γεωτεκτονικό πεδίο, στο οποίο συναντώνται ιζηματογενείς φάσεις ποτάμιου, ποταμοχειμάριου ως λιμναίου παλαιοπεριβάλλοντος πάνω σε ένα αλπικής ηλικίας κρυσταλλικό υπόβαθρο. Στο πολυμεταμορφωμένο υπόβαθρο, διεισδύει ο πυριγενής όγκος του γρανοδιορίτη του Μονοπηγάδου, ασβεσταλκαλικού χημισμού και Τριτογενούς ηλικίας. Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα 2.3: Χάρτης των γεωτεκτονικών ζωνών στο χώρο της Κεντρικής Μακεδονίας (Mountrakis et al., 1983). Διακρίνεται η περιοχή της λεκάνης Ανθεμούντα στο όριο μεταξύ Περιροδοπικής ζώνης (CR) και υποζώνης Παιονίας (Pe) Γεωλογία ζώνης Παιονίας Από γεωτεκτονική άποψη η Χαλκιδική τοποθετείται μεταξύ της Ελληνικής Ενδοχώρας και των Εσωτερικών Ελληνίδων. Ειδικότερα στο χώρο της Χαλκιδικής απαντούν πετρώματα που εντάσσονται στις γεωτεκτονικές ζώνες Παιονίας και Περιροδοπικής Ειδικότερα στο δυτικό τμήμα της χερσονήσου της Χαλκιδικής επικρατούν τα μεταϊζηματογενή πετρώματα της υποζώνης Παιονίας (Ζώνη Αξιού) ενώ στο ανατολικό τμήμα της κυριαρχεί η Περιροδοπική ζώνη. Η υποζώνη Παιονίας συνίσταται επί τω πλείστον 9

18 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα από ιζηματογενείς λιθολογικές φάσεις με πολύπλοκους φασικούς χαρακτήρες. Πρόκειται ουσιαστικά για χερσοποτάμιες, ποταμοδελταϊκές, λιμνοδελταϊκές, λιμναίες και χερσαίες αποθέσεις που σχηματίστηκαν κατά την εξέλιξη της ταφρογένεσης στον ευρύτερο χώρο Αξιού-Θερμαϊκού και αποτέθηκαν ασύμφωνα επί του πολυπτυχωμένου ήδη Αλπικού υποβάθρου. Γενικά οι αποθέσεις αυτές περιλαμβάνουν μεγάλη ποικιλία λιθολογικών τύπων όπως: κροκαλοπαγή, ερυθροστρώματα, άμμους, ψαμμίτες, άργιλλους, ιλυούχους άργιλλους, ιλυοαργιλλούχους άμμους, μάργες, μαργαικούς ασβεστόλιθους, τοφφώδεις ασβεστόλιθους, βιογενείς ασβεστόλιθους και τραβερτίνες (Μουντρακης Δ., 1985) Γεωλογία Περιροδοπικής ζώνης Η Περιροδοπική ζώνη (CRB) (σχήμα 2.4) συνίσταται λιθολογικά από μια μεταιζηματογενή ακολουθία πετρωμάτων ηπειρωτικού περιθωρίου σε συνδυασμό με ηφαιστειακά παράγωγα, τα οποία παρουσιάζουν μια χαμηλού βαθμού μεταμόρφωση Μεσοζωϊκής ηλικίας (Άνω Ιουρασικό Κάτω Κρητιδικό) (Kauffmann et al., 1976, Kockel and Mollat., 1977). Η Περιροδοπική ζώνη διακρίνεται κυρίως λιθολογικά και στρωματογραφικά με τρεις κύριες ενότητες (σχήμα 2.4): 1.κρυσταλλοσχιστώδες υπόβαθρο Σερβομακεδονικής 2. Πρασινογνεύσιοι 3. Σχιστολιθοι και φυλλίτες 4. Πυροκλαστικά 5 Μεταψαμμιτες Χαλαζίτες 6. Μετα-κροκαλοπαγή 7. Ασβεστιτικοί Σχιστόλιθοι 8. Αργιλικοί Σχιστόλιθοι και Μάργες 9. Κερατόλιθοι 10. ολισθόλιθοι Τριαδικών Μαρμάρων 11. ανακρυσταλλωμένοι ασβεστόλιθοι 12. μαργαϊκοί ασβεστόλιθοι 13. Ψαμμιτικοί ασβεστόλιθοι 14. Οφειολιθικά 15. Ηφαιστειακά υλικά VS. Ηφαιστειοιζηματογενής σειρά. Σχήμα 2.4: Στρωματογραφικές στήλες των τριών ενοτήτων στις οποίες διαιρείται η Περιροδοπική ζώνη (Μουντρακης Δ., 1985). 10

19 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα α.) Ενότητα Ντεβέ Γκοράν Δουμπιά η οποία λιθολογικά δομείται κυρίως από μια ηφαιστειοιζηματογενή ακολουθία σε εναλλαγές με νηρητικής φάσης Τριαδικής ηλικίας ανθρακικά πετρώματα. β.) Ενότητα Μελισσοχωρίου-Χολομώντα στην οποία κυρίαρχη λιθο-στρωματογραφική ακολουθία αποτελούν τα Τριαδικής ηλικίας ανθρακικά, νηρητικής φάσης πετρώματα. Στην ενότητα αυτή κάνει την εμφάνισή της μια ακολουθία ιζηματογενών πετρωμάτων, τα οποία εμφανίζουν σαφείς χαρακτήρες φλύσχη. Η ακολουθία των Μέσω Ιουρασικών αυτών σχηματισμών είναι γνωστή σαν σειρά Σβούλας (Kockel & Mollat,1977). γ.) Ενότητα Άσπρης Βρύσης-Χορτιάτη, η οποία συνίσταται κατά το πλείστον από ανθρακικά πετρώματα, τα οποία σε αρκετές περιπτώσεις εναλλάσσονται με μαύρους αργίλους, ασβεστο-φυλλίτες, κερατολίθους και ρυολιθικής προέλευσης θραύσματα (Μουντράκης, 1985) Γεωλογικοί σχηματισμοί λεκάνης Ανθεμούντα Ο κυρίαρχοι λιθολογικοί τύποι από τους οποίους συνίσταται το μεγαλύτερο τμήμα της λεκάνης του Ανθεμούντα, αντιπροσωπεύονται κατά κύριο λόγο από τα ιζηματογενή πετρώματα της ζώνης Παιονίας και κατά δεύτερο λόγο από τους μετα-ιζηματογενείς λιθολογικούς σχηματισμούς της Περιροδοπικής ζώνης. Επιπλέον το κρυσταλλικό υπόβαθρο της λεκάνης συνίσταται από οφιολιθικά και γρανοδιοριτικά πετρώματα. Πιο αναλυτικά τα πετρώματα της λεκάνης Ανθεμούντα, διαχωρίζονται στους παρακάτω πετρολογικούς τύπους (σχήμα. 2.5) Τα κρυσταλλοσχιστώδη πετρώματα Βιοτιτικός Γρανοδιορίτης Μονοπηγάδου: Κάνει την εμφάνιση του στο κεντρικό τμήμα της λεκάνης της Ανθεμούντας και πιο συγκεκριμένα στις νότιες παρυφές της λεκάνης κατά μήκος της υδροκριτικής γραμμής. Το σημερινό επίπεδο αποκάλυψης της πλουτωνικής μάζας προσομοιάζει με ένα σχήμα ελλειψοειδές, με γενική διεύθυνση ΒΒΑ-ΝΝΔ και τοποθετείται σχεδόν παράλληλα ως υποπαράλληλα με την γραμμική τοποθέτηση του νεοτεκτονικού ρήγματος του Ανθεμούντα. Μακροσκοπικά εμφανίζεται μεσόκκοκος ως λεπτόκοκκος με αναπτυγμένη έντονη φύλλωση παράλληλα στα S επίπεδα. Κατά θέσεις μετατρέπεται σε μονζονιτικό γρανίτη ως γρανοδιορίτη. Η ηλικία του χαρακτηρίζεται Μεσοζωϊκή. Διμαρμαρυγιακοί γνεύσιοι: Εμφανίζονται στις ΝΑ παρυφές της λεκάνης του Ανθεμούντα τεκτονικά τοποθετημένοι παράλληλα ως υποπαράλληλα με τις οφιολιθικές μάζες του Βάβδου. Γεωτεκτονικά εντάσσονται στη ενότητα Βερτίσκου της Σερβομακεδον ικής μάζας και αντιστοιχού ν στο κρυσταλλοσχιστώδες υπόβαθρο της περιοχής. 11

20 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Οφιόλιθοι: Κάνουν την εμφάνισή τους στις ΒΑ παρυφές της λεκάνης της Ανθεμούντα και αντιπροσωπεύονται κυρίως από γάββρους, πυροξενίτες, δουνίτες, περιδοτίτες και σερπεντινίτες. Σκοτεινότεφρoι ως μαύροι, μεσόκοκκοι ως αδρόκοκκο ι, χωρίς εμφανή σχιστότητα με έντονη κατάκλαση. Μικροσκοπικά η παρουσία του σερπεντίνη (αντιγορίτη και χρυσοτίλη) είναι κυρίαρχη, με έντονη αποικοδόμηση των πρωτογενών ορυκτών του ολιβίνη. Μέσα στους δουνίτες αρκετά συχνά εμφανίζεται μεταλλοφορία schlieren χρωμίτη. Στο Βάβδο εντός της οφιολιθικής ακολουθίας εμφανίζεται μεταλλοφορία λευκολίθου, τάλκη και αμιάντου, με τα γνωστά μεταλλεία της προαναφερόμενης περιοχής. 12

21 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα 2.5: Γεωλογικός χάρτης λεκάνης απορροής Ανθεμούντα (ψηφιοποίηση από φύλλα ΙΓΜΕ κλίμακας 1:50000) 13

22 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Ιζηματογενή πετρώματα ΤΕΤΑΡΤΟΓΕΝΕΣ - ΟΛΟΚΑΙΝΟ Οι λιθολογικοί σχηματισμοί της λεκάνης Ανθεμούντα αντιπροσωπεύονται κυρίως από ιζηματογενείς αποθέσεις. Πρόκειται για σχηματισμούς που καλύπτουν τα πεδινά ως παράκτια τμήματα της λεκάνης με σημαντικό πάχος. Οι κυριότεροι αντιπρόσωποι του Τεταρτογενούς- Ολοκαίνου καλύπτουν ένα στενό φάσμα μεταξύ ποταμοχειμάρρειας ως ποταμολιμναίας παλαιογεωγραφικής δράσης. Κυριότερους αντιπροσώπους αποτελούν οι κάτωθι σχηματισμοί: Αλλουβιακές αποθέσεις (al): Αποτελούν ιζηματογενή υλικά τα οποία καλύπτουν την παράκτια περιοχή της λεκάνης του Ανθεμούντα. Πιο συγκεκριμένα κάνουν την εμφάνιση τους από την περιοχή του υδροβιότοπου της Επανωμής ως τις παράκτιες περιοχές της Μίκρας. Ανάντη των παράκτιων αποθέσεων κατά μήκων των υδατορευμάτων της λεκάνης οι αλλουβιακές αποθέσεις αποτελούν τον πιο εκτεταμένο ιζηματογενή λιθολογικό σχηματισμό. Πλευρικά κορήματα (H,Hl): Χαλαρά, ενίοτε συνεκτικά ιζηματογενή υλικά, αποτελούμενα κυρίως από προϊόντα διάβρωσης πετρωμάτων του κρυσταλλικού υποβάθρου. Εμφανίζονται με την μορφή εκτεταμένων ριπιδιοπαγών σχηματισμών κατά μήκος του νεοτεκτονικού ρήγματος του Ανθεμούντα στο νότιο τμήμα της λεκάνης απορροής. Η σημαντική τους γεωγραφική έκταση αποτελεί ένδειξη της τεκτονικής δραστηριότητας στο νότιο τμήμα της λεκάνης. ΑΝΩ ΜΕΙΟΚΑΙΝΟ ΚΑΤΩ ΠΛΕΙΟΚΑΙΝΟ Οι κυριότεροι λιθολογικοί σχηματισμοί του Πλειστοκαίνου αντιπροσωπεύονται από τους παρακάτω τύπους. Ασβεστόλιθοι γλυκών υδάτων (Μ 4 -Pli,mk): Γαλαζότεφροι, κυρίως μαργαϊκοί. Συνιστούν τον ανώτερο ορίζοντα της ψαμμιτομαργαϊκής σειράς. Συχνά περιέχουν κροκάλες και άλλα υλικά τοπικής προελεύσεως. Ασβεστόλιθοι Γλυκών υδάτων και σκληρές μάργες (M 4- Pli,k,m): Ισότιμος λιθοφασικά σχηματισμός με τον προηγούμενο. Διαφέρει ουσιαστικά μόνο στο χρώμα και στη υφή. Ψαμμιτομαργαϊκή σειρά (M 4 -Plr.st,m): Άμμοι και κίτρινες μάργες εναλλασσόμενες με κροκαλοπαγή και αμμούχες μάργες. Διασταυρωμένες στρώσεις μέσα στην άμμο. Σειρά ερυθρών αργίλων (M 4 -Pli.l): Ερυθρές ως κεραμόχρωμες ιλυώδεις άργιλοι, με μαρμαρυγία και ασβεστιτικά συγκρίματα Τραβερτινοειδείς Ασβεστόλιθοι (M 4.Pti.tv): Περιορισμένης έκτασης και πάχους. Αποτελούν σφηνοειδείς ενστρώσεις στη σειρά ερυθρών αργίλων και των βασικών κροκαλοπαγών, κυρίως στα ανώτερα τμήματα τους. Λόγω φαινομένων διάβρωσης των 14

23 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα ερυθρών αργίλων παρουσιάζονται σήμερα με τη μορφή καλυμμάτων, που επικάθονται σήμερα πάνω στις ερυθρές αργίλους και ορισμένες φορές στα κροκαλοπαγή. Βασική σειρά κροκαλοπαγών (M 4.c): Αναπτύσσεται περισσότερο στις ακραίες περιοχές της λεκάνης (περιοχή χωρίου Αγ. Αντωνίου), στις βάσεις των λόφων που αποτελούνται από Προνεογενή πετρώματα. Συνήθως είναι χαλαρά (περιοχή Αγ. Αντωνίου) και δίνουν εκ πρώτης όψεως την εντύπωση διλουβιακών αναβαθμίδων. Ενίοτε εμφανίζονται αρκετά συνεκτικά (βόρεια του Βάβδου), όπου περιλαμβάνουν αποσφηνωμένες ενστρώσεις του ορίζοντα ερυθρών αργίλων, προς τις οποίες μεταβαίνουν πλευρικά. ΑΝΩ ΙΟΥΡΑΣΙΚΟ - ΚΑΤΩ ΚΡΗΤΙΔΙΚΟ (ΕΝΟΤΗΤΑ ΠΑΙΟΝΙΑΣ) Κυριότεροι αντιπρόσωποι της ενότητας Παιονίας αποτελούν τα στρώματα του Πρινοχωρίου και οι ασβεστόλιθοι των Πετραλώνων. Στρώματα Πρινοχωρίου (Js-ki.ph): Τεφροί ή πρασινωποί, αμμούχοι, αργιλικοί σχιστόλιθοι, ασβεστολιθικές ταινίες και χαρακτηριστικές ταινίες πυριτολίθων. Τοπικά παρατηρούνται μεταβάσεις προς ασβεστιτικούς σχιστόλιθους και κρυσταλλικούς ασβεστολίθους. Απαντούν τυπικά ορυκτά της κατώτερης πρασινοσχιστολιθικής φάσης. Ασβεστόλιθοι (Js.k): Τεφροί ως γαλαζωποί, παχυστρωματώδεις, μερικώς ανακρυσταλλωμένοι. Τοπικά στη βάση απαντούν λεπτά στρώματα ψαμμίτη. Επίσης παρεμβάλλονται μερικοί ορίζοντες βωξίτη, ελαφρά μεταμορφωμένοι Τεκτονικά στοιχεία Η τεκτονική της ευρύτερης περιοχής της κεντρικής Μακεδονίας καθορίζεται από τη τεκτονική του βορείου Αιγαίου, δηλαδή από την συμπεριφορά του δεξιόστροφου ρήγματος της Βόρειας Ανατολίας που ελέγχει την κίνηση της Τουρκίας, αλλά και από τις εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται πίσω από το Ελληνικό τόξο όπου η πλάκα της Μεσογείου βυθίζεται κάτω από την πλάκα της Ευρασίας. στάδια: Η εξέλιξη της ευρύτερης περιοχής του Βορείου Αιγαίου διακρίνεται σε τρία βασικά Μέσο Άνω Μειόκαινο: Κατά τη περίοδο αυτή ο μέσος εφελκυσμός είχε διεύθυνση ΔΒΔ ΑΝΑ (Mercier et al., 1987), ενώ τα ΒΑ ΝΔ ρήγματα ήταν κυρίως κανονικά με μικρή αριστερόστροφη συνιστώσα (Lyberis, 1984) Πλειόκαινο Κάτω Πλειστόκαινο: Κυριαρχεί η επίδραση του ρήγματος της Β. Ανατολίας προκαλώντας εφελκυσμό σε ΒΑ ΝΔ διεύθυνση, δίνοντας γένεση σε κανονικά ρήγματα ΒΔ ΝΑ και δραστηριοποιώντας εκ νέου κάποια παλιότερα (Mercier et al., 1987, Mercier & Carey-Gailhardis, 1989). Μέσο Πλειστόκαινο Σήμερα: Κυριαρχεί εφελκυστικό πεδίο κυρίως Β Ν διεύθυνσης (McKenzie, 1972) το οποίο προκαλεί τη δημιουργία κανονικών ρηγμάτων Α Δ 15

24 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα παράταξης, τα οποία είναι αυτά τα οποία εμφανίζονται ενεργά στις μέρες μας. Φυσικά κάτω από την επίδραση του εφελκυσμού δραστηριοποιούνται και παλαιότερες ρηξιγενείς ζώνες και άλλων διευθύνσεων παρουσιάζοντας συνιστώσα οριζόντιας μετατόπισης. Τα παραπάνω δημιούργησαν μια εξαιρετικά πολύπλοκη τεκτονική όπου, κυριαρχούν κανονικά ρήγματα ΔΒΔ ΑΝΑ μέχρι Α Δ παράταξης σημαντικού μήκους ενώ εμφανίζονται και πολυάριθμα μικρού μήκους ρήγματα ΒΑ ΝΔ παράταξης. Τα κυριότερα ρήγματα της πρώτης ομάδας είναι (α) το ρήγμα του Ανθεμούντα στα νότια της λεκάνης και (β) τα ρήγματα Πυλαίας Πανοράματος, των Πεύκων Ασβεστοχωρίου και του Ασβεστοχωρίου Χορτιάτη, τα οποία αποτελούν τμήματα της ρηξιγενούς ζώνης Θεσσαλονίκης Γερακαρού, η οποία κλίνει προς τα ΒΒΑ (Tranos et al., 2003). Επιπρόσθετα, διαδοχικά αντιθετικά ρήγματα παράταξης Α Δ προκαλούν την ταπείνωση του αναγλύφου στις νότιες πλευρές του Χορτιάτη. Τέλος, εμφανίζονται πολυάριθμα ρήγματα ΒΑ ΝΔ παράταξης τα οποία είναι συνήθως μικρά σε μήκος, με κλίση προς τα ΒΔ και τα σημαντικότερα από τα οποία προκαλούν τις απότομες κλίσεις του αναγλύφου στις δυτικές πλαγιές του Χορτιάτη, αλλά και στη κοιλάδα στη περιοχή της Περιστεράς. Με βάση τις παρατηρήσεις υπαίθρου και τη παράταξη των ρηγμάτων (Tranos et al., 2003) διακρίθηκαν 4 ομάδες ρηγμάτων: (α) ΒΑ-ΝΔ (20 ο -50 ο ), (β) ΔΒΔ-ΑΝΑ έως Α-Δ (80 ο ο ), (γ) ΒΔ-ΝΑ (120 ο -150 ο ) και (δ) ΒΒΔ-ΝΝΑ (155 ο -185 ο ). Τα ρήγματα της πρώτης ομάδας (ΒΑ-ΝΔ) θεωρούνται δομές 2 ης τάξης που δημιουργούν διακριτές ζώνες διάρρηξης σε αποστάσεις περίπου 5 χιλιομέτρων σε διάταξη όπως φαίνεται κοντά στο άξονα Πανόραμα Χορτιάτης και στα χωριά Περιστερώνα Βασιλικά. Αυτές οι δομές δημιούργησαν μεγάλα βυθίσματα με μορφή διαδρόμων τα οποία πληρώνονται με Νεογενείς αποθέσεις. Τέλος εμφανίζουν δεξιόστροφη συνιστώσα οριζόντιας κίνησης (Tranos and Mountrakis, 1998, Tranos et al., 2003). Οι δύο προηγούμενες δομές αναγνωρίζονται ως σύγχρονες (ενεργές) και από την αντιστροφή του πεδίου των τάσεων των μηχανισμών γένεσης των σεισμών (Vamvakaris et al., 2006), η οποία δείχνει ένα μέσο ΒΒΔ ΝΝΑ εφελκυσμό και παρόμοιο ροδοδιάγραμμα επιφανειών διάρρηξης όπως στο σχήμα (2.6). Τα ρήγματα της δεύτερης ομάδας (ΔΒΔ-ΑΝΑ έως Α-Δ) είναι κυρίως ευθύγραμμα όπως το ρήγμα του Ανθεμούντα και το ρήγμα Πεύκα Ασβεστοχώρι Χορτιάτης. Θεωρούνται 1 ης τάξης και αποτελούν μεγάλες ενεργές δομές που αποκαλύπτουν κανονικές (πιθανά και με οριζόντια συνιστώσα) κινήσεις (Tranos et al., 2003). Η τρίτη ομάδα (ΒΔ-ΝΑ) αποτελείται από κανονικά ρήγματα που επαναδραστηριοποιήθηκαν κατά τη περίοδο Μειόκαινο Πλειόκαινο (Pavlides & Kilias, 1987, Tranos and Mountrakis, 1998). 16

25 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα 2.6. Γεωλογικός χάρτης της περιοχής Ανθεμούντα Χορτιάτη (Tranos et al., 2004). Διακρίνονται με A.F.: το ρήγμα του Ανθεμούντα, A-Ch F. το ρήγμα Ασβεστοχωρίου- Χορτιάτη, P-A F. το ρήγμα Πεύκα- Ασβεστοχώρι, P-P F. το ρήγμα Πυλαία-Πανόραμα. Στο σχήμα παρουσιάζεται και ροδοδιάγραμμα των δομών του σχήματος όπου διακρίνονται οι επικρατούσες διευθύνσεις. 17

26 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Η τέταρτη ομάδα (ΒΒΔ-ΝΝΑ) αποτελείται από ελάχιστα ευθύγραμμα ρήγματα που εμφανίζονται συζυγή με αυτά της πρώτης ομάδας, ενώ ως προς τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους και τη κινηματική εμφανίζονται συζυγή με ρήγματα ΒΒΑ-ΝΝΔ παράταξης σε μεσαία (Tranos and Mountrakis, 1998) και μάκρο-κλίμακα (βλέπε σχήμα 2.6 περιοχή Περιστερά Βασιλικά). Ειδικότερα στη περιοχή της λεκάνης Ανθεμούντα οι κυριότερες τεκτονικές δομές είναι: Ενεργό Ρήγμα Ανθεμούντα Βρίσκεται νότια και νοτιοανατολικά της πόλης της Θεσσαλονίκης σε απόσταση περίπου 14 Km, έχει διεύθυνση Α Δ και συνολικό μήκος περίπου 32 Km. Το ρήγμα εκτείνεται από την θαλάσσια περιοχή βόρεια του Αγγελοχωρίου μέχρι και μετά το χωριό Γαλαρινό. Αποτελεί ένα κανονικό ρήγμα, επιμήκες, με μετάπτωση προς το Βορρά. Χωρίζεται σε τρία τμήματα (segments) με βάση την παράταξή τους αλλά και την υποθετική επέκταση του ρήγματος προς την θαλάσσια περιοχή του Θερμαϊκού Κόλπου (σχήμα 2.7). (Zervopoulou et al., 2007). Το πρώτο τμήμα ξεκινάει μετά το Ν. Ρύσιο μέχρι τον Γαλαρινό και έχει διεύθυνση Β ο και μήκος 17km περίπου, το δεύτερο εκτείνεται από το Ακρωτήρι Μεγάλο Έμβολο (Αγγελοχώρι) μέχρι το Ν. Ρύσιο με διεύθυνση Β90 ο και μήκος 15km. Το τρίτο τμήμα είναι υποθετικό και αποτελεί την πιθανή προέκταση του ρήγματος μέσα στον θαλάσσιο χώρο σε μήκος 3km περίπου με διεύθυνση Β90 ο. Το ρήγμα του Ανθεμούντα γίνεται εύκολα αντιληπτό σε δορυφορικές εικόνες (σχήμα 2.7) και αεροφωτογραφίες, ενώ εμφανίζει έντονο μορφοανάγλυφο με κλιμακωτή σε τρία επίπεδα μετάπτωση προς Βορρά. Αποτελεί το νότιο όριο τον Νεογενών με τις Τεταρτογενείς αποθέσεις στην λεκάνη του Ανθεμούντα. Χαρακτηρίζεται ως ενεργό λόγω: (α) του προσανατολισμού του στο σύγχρονο πεδίο των τάσεων (Β-Ν), (β) του έντονου μορφοαναγλύφου με τεκτονικές αναβαθμίδες (περισσότερο έντονες στις τοποθεσίες Μεγάλο Έμβολο, Αγ. Τριάδα, Περαία), (γ) της μικρής ανάπτυξης του υδρογραφικού δικτύου στην νότια πλευρά του ποταμού Ανθεμούντα σε σχέση με την βόρεια, (δ) του ότι επηρεάζει τις πιο πρόσφατες Τεταρτογενείς αποθέσεις και (ε) συνδέεται με μια σειρά μικροσεισμικών δονήσεων (π.χ. 1988), αλλά ίσως και με ιστορικούς σεισμούς. Το συνολικό άλμα του γεωλογικού ρήγματος κατά τη διάρκεια του Τεταρτογενούς εκτιμάται στα 200μ. Συνδέεται με μια σειρά μικροσεισμικών δονήσεων που συνέβησαν στη περιοχή το Φθινόπωρο του 1988 αλλά πιθανόν και με το σεισμό των Βασιλικών το 1677 με μέγεθος Μ=6.2, που καταγράφηκε στη Μονή Βλατάδων της Θεσσαλονίκης και κατέστρεψε τα Βασιλικά αλλά και τα γύρω χωριά. (Παπαζάχος και Παπαζάχου, 2003) Ρήγμα Αεροδρομίου 18

27 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Βρίσκεται νότια της πόλης της Θεσσαλονίκης (απέχει περίπου 10Km από το κέντρο της πόλης), έχει διεύθυνση Α Δ με μήκος 2 Km, (Zervopoulou et al., 2007) παράταξη Β95 ο και κλίση ο προς Νότο. Το δυτικό όριό του επηρεάζει την ακτογραμμή (σχήμα 2.7). Έχει ανιχνευτεί με γεωφυσικές έρευνες και συγκεκριμένα με τη μέθοδο των σεισμικών κυμάτων ανάκλασης (Δρ. Δημητρόπουλος Κ., προσωπική επικοινωνία) Θεωρείται ενεργό λόγω (α) του προσανατολισμού του στο σύγχρονο πεδίο τάσεων, (β) της μετατόπισης που παρουσιάζει μέσα στα σύγχρονα ιζήματα, αλλά και (γ) του επηρεασμού της ακτογραμμής κατά μήκος του Σχήμα 2.7. Δορυφορική εικόνα όπου φαίνεται το ίχνος του ρήγματος Ανθεμούντα και τα επιμέρους τμήματα του ενώ στο ίδιο σχήμα διακρίνονται και τα ρήγματα αεροδρομίου και Θέρμης. Με μαύρο χρώμα φαίνονται τα ανενεργά ενώ με κόκκινο χρώμα τα ενεργά ρήγματα. (Zervopoulou et al.2007 τροποποιημένο) Ρήγματα Θέρμης Η ρηξιγενής ζώνη της Θέρμης βρίσκεται νότια ανατολικά από την πόλη της Θεσσαλονίκης και απέχει από αυτήν από 5 έως και 20 Km. Αποτελείται: a. Από μια ενιαία γραμμή ρήγματος με διεύθυνση ΒΔ ΝΑ ορατού μήκους περίπου 20 Km ενώ υπάρχει πιθανότητα να προεκτείνεται και μέσα στο Θερμαϊκό κόλπο με την ίδια διεύθυνση. Το ρήγμα αυτό αποτελεί το βόρειο όριο της λεκάνης του Ανθεμούντα, αλλά θεωρείται ανενεργό κυρίως λόγω της διεύθυνσης του (Zervopoulou et al.2007). b. Από τέσσερα σχεδόν παράλληλα ρήγματα διεύθυνσης Α Δ με παρατάξεις Β ο και μετάπτωση προς το Νότο. Το μήκος κάθε τμήματος είναι 4, 5, 6 και 3 χιλιόμετρα 19

28 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα αντίστοιχα. Τα ρήγματα αυτά γενικά δεν είναι εύκολα ορατά στη δορυφορική εικόνα, κυρίως λόγω της οικιστικής ανάπτυξης και της έντονης αγροτικής δραστηριότητας στη περιοχής. Αποτελούν όρια με τα Μειοκαινικά και τα Τεταρτογενή χερσαία ιζήματα, ενώ κατά μήκος κυρίως των δυο δυτικότερων τμημάτων (τμήματα 1 και 2) παρατηρούνται αλλουβιακά ριπίδια. Θεωρούνται πιθανά ενεργά λόγω (Zervopoulou et al.2007): (α) του προσανατολισμού τους στο σύγχρονο πεδίο τάσεων, (β) της επαφής τους με τα πρόσφατα ιζήματα και τα αλλουβιακά ριπίδια και (γ) της μεταβολής του υδρογραφικού δικτύου κατά μήκος του πρώτου ρήγματος Υδρογεωλογία λεκάνης Υπόγειοι υδροφόροι Λόγω της γειτνίασης με το πολεοδομικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης, αλλά και της εντατικής υδρομάστευσης που παρατηρείται εδώ και πολλές δεκαετίες, αρκετές μελέτες και έρευνες έχουν εκπονηθεί στη περιοχή. Αποτέλεσμα αυτού είναι να υπάρχει πληθώρα στοιχείων σχετικά με τα υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά της λεκάνης Ανθεμούντα (Θανάσουλας, 1983, Κατιρτζόγλου, 1999, Ναγκούλης, 1998, Λατινόπουλος, 2001, Φίκος, 2000, Fikos et al., 2005, Βαργεμέζης, 2006, Vargemezis and Fikos, 2010). Η υδρολιθολογική συμπεριφορά των γεωλογικών σχηματισμών που συναντώνται στην περιοχή έρευνας ποικίλει με βάση το πρωτογενές πορώδες που τους χαρακτηρίζει και την τεκτονική δράση. Η τελευταία έχει επηρεάσει την γεωλογική δομή που πιθανά έχει συμβάλει στην ροή των υπόγειων νερών. Λεπτομερή στοιχεία για τη γεωλογική δομή της περιοχής προκύπτουν από τις λιθολογικές τομές των υφιστάμενων υδρογεωτρήσεων. Σύμφωνα με τις γεωτρήσεις, στην περιοχή συναντώνται σε εναλλαγές άμμοι, ιλύς, άργιλοι, χαλίκια και κροκάλες, σε σημαντική ποικιλία παχών και κοκκομετρικής σύστασης. Η λιθολογική περιγραφή των σχηματισμών, τους κατατάσσει στα χαλαρά ιζηματογενή πετρώματα, για το οποία η υδροφορία τους οφείλεται σε πρωτογενές πορώδες που συνήθως κυμαίνεται από 20 έως 35% και ο συντελεστής υδροπερατότητας k κυμαίνεται από 10-8 έως 10-2 m/s (Καλλέργης, 1999). Το μεγάλο εύρος της υδροπερατότητας αναφέρεται στο ελάχιστο που αντιστοιχεί σε αργιλοϊλύες και στο μέγιστο που αντιστοιχεί σε αδρομερή υλικά (χαλίκια, κροκάλες). Εντός των ανωτέρω αποθέσεων αναπτύσσονται επάλληλοι υδροφόροι ορίζοντες, ιδιαίτερα στα στρώματα που αποτελούνται από αδρομερή υλικά, κυρίως από άμμο και χαλίκια και λιγότερο από τον σχηματισμό του συνάγματος. Λόγω της λιθολογικής σύστασης οι υδροφόροι αυτοί ορίζοντες χαρακτηρίζονται από ανομοιογένεια και ανισοτροπία. Η τροφοδοσία των υδροφόρων στρωμάτων γίνεται τόσο από απευθείας κατείσδυση των κατακρημνισμάτων, όσο και από πλευρικές διηθήσεις προς το κέντρο της λεκάνης. Τα γενικά 20

29 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά των σχηματισμών που συναντώνται στην περιοχή παρατίθενται στον παρακάτω Πίνακα 2. Πίνακας 2. Υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά μερικών χαλαρών ιζημάτων (Καλλέργης, 1999) Τάξη μεγέθους Συνολικό πορώδες Είδος σχηματισμού Ενεργό πορώδες % % Άργιλος 45 3 <10-9 Άμμος Χαλίκια >10-4 Σύναγμα (άμμος & χαλίκια) υδροπερατότητας k (m/s) Στα πλαίσια του προγράμματος LIFE04/ENV/GR/ WATER AGENDA που υλοποιήθηκε από την Αναπτυξιακή Εταιρεία Ανατολικής Θεσσαλονίκης ΑΝΑΤΟΛΙΚΗ Α.Ε.), έγινε προσπάθεια συγκέντρωσης όλων των διαθέσιμων στοιχείων και μελετών σε συνεργασία με μελετητές γεωλόγους που δραστηριοποιούνται στην περιοχή, για να διερευνηθούν τα ιδιαίτερα υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά που συνθέτουν την εικόνα του υπεδάφους. Ειδικότερα σε ότι αφορά το είδος των υδροφόρων της περιοχής αυτής εμφανίζονται οι ακόλουθοι ορίζοντας. (Fikos et al, 2005): Εκτεταμένος ελέυθερος επιφανειακός υδροφορέας: Ξεκινάει από την ακτή (δυτικό τμήμα) και εκτείνεται προς τα ανατολικά καταλαμβάνοντας το κεντρικό τμήμα της λεκάνης το οποίο είναι πληρωμένο με ιζηματογενής αποθέσεις (άμμο, άργιλο και αμμοχάλικα). Κατά την κατακόρυφη έννοια ο υδροφόρος αυτός εκτείνεται από την επιφάνεια μέχρι λίγες δεκάδες μέτρα βάθος. Στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα πακέτο υδροφόρων σχηματισμών, η υδραυλική συνέχεια των οποίων διακόπτεται κατά θέσεις από αργιλικές ενστρώσεις. Βαθύτερος υδροφορέας: Σε βάθη μεγαλύτερα των μέτρων εντοπίζεται ένα διαφορετικό πακέτο υδροφόρων σχηματισμών. Τα οριζόντια όρια του εκτείνονται από το δυτικό άκρο της λεκάνης του κάτω Ανθεμούντα (ακτή Θερμαϊκού κόλπου) έως τα ανατολικά όρια της (περιοχή Γαλάτιστας) και καταλαμβάνουν επίσης τα κεντρικά τμήματα της λεκάνης. Το κάτω όριο των σχηματισμών αυτών, ειδικά στο δυτικό τμήμα της λεκάνης, παραμένει ερωτηματικό για τους ερευνητές καθώς βαθιές γεωτρήσεις αλλά και γεωφυσικές έρευνες (Savvaidis et al 2000) το εκτιμούν σε βάθος της τάξης των 2,5 χιλιομέτρων στην περιοχή κοντά στο αεροδρόμιο Μακεδονία. Είναι επίσης γνωστό ότι το βάθος αυτό μειώνεται προς τα ανατολικά με αποτέλεσμα σύμφωνα με στοιχεία γεωτρήσεων στο χωριό Γαλαρινό, στο κεντρικό τμήμα της λεκάνης, να είναι περίπου 100 μέτρα με αποτέλεσμα να μην μπορεί να γίνει διάκριση επιφανειακού και βαθύτερου υδροφόρου. 21

30 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Υπό πίεση υδροφορέας: Αναπτύσσεται νότια του άξονα Ταγαράδες Σουρωτή και ειδικότερα νότια του κρασπεδικού ρήγματος και εντοπίζεται από γεωτρήσεις μέσα στα Νεογενή ιζήματα αλλά και στον ασβεστόλιθο. Ελεύθερος υδροφορέας λεκάνης Γαλάτιστας: Στα ανατολικά του Γαλαρινού οι σχηματισμοί του υποβάθρου βυθίζονται και πάλι σε μεγαλύτερα βάθη, δημιουργώντας μια ιζηματογενή λεκάνη όπου αναπτύσσεται ένας ελεύθερος υδροφόρος Γεωθερμία Στη λεκάνη Ανθεμούντα η προκαταρκτική έρευνα άρχισε σταδιακά στην περίοδο με συγκέντρωση και αξιολόγηση πληροφοριακών στοιχείων, συλλογή τομών από υδρογεωτρήσεις κ.τ.λ. Παράλληλα έγιναν έρευνες για εντοπισμό επιφανειακών εκδηλώσεων θερμότητας, δειγματοληψίες νερών και πετρωμάτων, εκτέλεση χημικών αναλύσεων κ.τ.λ. Το ενδιαφέρον των ερευνών εστιάστηκε στο κεντρικό και δυτικό τμήμα της λεκάνης του Ανθεμούντα όπου οι γεωλογικές συνθήκες είναι πιο ευνοϊκές. Όπως προαναφέρθηκε, στο κεφάλαιο της γεωλογίας, η λεκάνη ανήκει στις Νεογενείς Τεταρτογενείς ιζηματογενείς λεκάνες και η δημιουργία της οφείλεται σε τεκτονικό βύθισμα. Όπως είναι γνωστό, στις περιοχές τεκτονικών βυθισμάτων η κυκλοφορία των ρευστών και επομένως η μεταφορά θερμότητας από το βάθος προς την επιφάνεια γίνεται από τα κατακόρυφα ή σχεδόν κατακόρυφα ενεργά ρήγματα. Δημιουργείται με αυτό τον τρόπο ένα μοντέλο προέλευσης των γεωθερμικών ρευστών, το οποίο είναι γνωστό ως μοντέλο χαμηλής ενθαλπίας και στο οποίο απουσιάζει η εστία θερμότητας με τη μορφή λιωμένου μάγματος, οπότε η θερμική ανωμαλία είναι σχετικά ασθενής. Συνολικά στη λεκάνη Ανθεμούντα δεν υπάρχουν παρά ελάχιστες επιφανειακές εκδηλώσεις θερμότητας, οι οποίες εντοπίζονται στα βόρεια και νότια περιθώρια της λεκάνης. Η κύρια αιτία για αυτό είναι η μεγάλη εξάπλωση των ερυθροπηλών, οι οποίοι στεγανοποιούν τους ορίζοντες με υδροφορία. Στο βόρειο τμήμα της λεκάνης βρίσκονται οι ζεστές πηγές των λουτρών Θέρμης, οι οποίες αναβλύζουν μέσα από χαλαρά κροκαλλοπαγή πετρώματα. Στο νότιο τμήμα, στην περιοχή της Αγίας Παρασκευής εμφανίζεται αριθμός πηγών που αναβλύζουν μέσα από ασβεστολιθικές τραβερτινοειδείς αποθέσεις. Οι θερμοκρασίες τους κυμαίνονται από 21 ο -28 ο C και συνοδεύονται από έξοδο CO 2. Στο παρελθόν, τόσο ο θαλάσσιος χώρος όσο και ο χερσαίος χώρος των ανατολικών παρυφών της λεκάνης αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας υδρογονανθράκων και ως εκ τούτου η γνώση της γεωλογικής στρωματογραφικής δομής του χώρου βρίσκεται σε ικανοποιητικό επίπεδο. Η θέση του κρυσταλλικού υποβάθρου και η ποιότητα των ιζηματογενών σχηματισμών (πορώδες και διαπερατότητα) εντοπίζουν την ύπαρξη ενός αποθηκευτικού συστήματος υψηλής ικανότητας στους θαλάσσιους ιζηματογενείς σχηματισμούς μειοκαινικής ηλικίας. Τα μειοκαινικά αυτά ιζήματα αποτελούνται από εναλλαγές χαλαρών ψαμμιτών, 22

31 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα μικροκροκαλλοπαγών και ενστρώσεων αργιλικών οριζόντων, παρουσιάζουν πορώδες που κυμαίνεται από 17% - 30% και πολύ καλή υδροπερατότητα, ενώ αποτελούν τον κύριο ταμιευτήρα γεωθερμικών ρευστών (Μενδρινός κ.α., 2003) 2.2 Προηγούμενη γεωφυσική έρευνα στην περιοχή Η λεκάνη του Ανθεμούντα έχει αποτελέσει κατά καιρούς στόχο αρκετών γεωφυσικών ερευνών που αντικείμενο είχαν την έρευνα των υδρογονανθράκων (Ελληνικά Πετρέλαια) και τον εντοπισμό γεωθερμικών ρευστών. Έρευνες επίσης έχουν πραγματοποιηθεί για τον εντοπισμό και παρακολούθηση του φαινομένου της υφαλμύρωσης στις παράκτιες περιοχές. ( Φίκος, 2000, Γεωργιάδου et al., 2003, Papadopoulos et al., 2004). Κοινό χαρακτηριστικό όλων των ερευνών είναι ότι καλύπτουν μικρή έκταση. Εξαίρεση αποτελούν φυσικά οι έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί για τον αναζήτηση υδρογονανθράκων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης του Θερμαϊκού. Σημαντικής έκτασης επίσης είναι οι έρευνες του ΙΓΜΕ (Θανάσουλας 1983), η εργασία του ΑΠΘ (Savvaidis et al., 2000) αλλά και η έρευνα που υλοποιήθηκε το 2006 από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του ΑΠΘ στα πλαίσια ερευνητικού έργου με επιστημονικό υπεύθυνο τον κ. Γ. Βαργεμέζη (Vargemezis and Fikos, 2010). Αναλυτικότερα, οι Savaidis et al. (2000) πραγματοποίησαν συνδυασμένη ερμηνεία βαρυτικών και αερομαγνητικών δεδομένων για την περιοχή της χερσονήσου της Χαλκιδικής με στόχο την αναζήτηση των οφιολίθων που αποτελούν το υπόβαθρο κάτω από τα ιζηματογενή πετρώματα της περιοχής. Κάποια από τα αποτελέσματα της έρευνας φαίνονται στο σχήμα (2.8) όπου σε σχηματικές τομές έχουν υπολογισθεί τα όρια των σχηματισμών που αποτελούν το υπόβαθρο της περιοχής, αλλά και το πάχος των υπερκείμενων τους ιζηματογενών σχηματισμών. Όπως προκύπτει τα ιζήματα στη λεκάνη εμφανίζουν αυξανόμενο πάχος όσο κινούμαστε δυτικά προς το Θερμαϊκό κόλπο φτάνοντας ένα πάχος της τάξης των 2,5 Km. Η μεγάλης έκτασης έρευνα του ΙΓΜΕ (Θανάσουλας 1983) αποτελείται από περίπου 100 ηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις που πραγματοποιήθηκαν με ανάπτυγμα που έφτασε το ΑΒ=3200 μέτρα. Τα όρια της έρευνας (σχήμα 2.9) εντοπίζονται σε ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με τη μία πλευρά διεύθυνσης ΒΔ-ΝΑ και η οποία εκτείνεται από τις ακτές του Θερμαϊκού δυτικά της Θέρμης μέχρι την Ν. Ραιδεστό. Στην κάθετη διεύθυνση ξεκινάει από το Πανόραμα μέχρι περίπου την κοίτη του ποταμού Ανθεμούντα. Επιπλέον πραγματοποιήθηκαν 28 βυθοσκοπήσεις που εξέταζαν την περιοχή μεταξύ της Ν. Ραιδεστού και της Αγ. Παρασκευής. 23

32 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα 2.8: Αποτελέσματα συνδυασμένης ερμηνείας βαρυτικών και αερομαγνητικών μετρήσεων στη βορειοδυτική Χαλκιδική (Savvaidis et al., 2000) 24

33 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα 2.9: Χάρτης των θέσεων των γεωηλεκτρικών βυθοσκοπήσεων του Θανάσουλα (1983) (όπως επανασχεδιάστηκε από Σέγγης, 2001) Σχήμα 2.10: Παράδειγμα ψευδό-δισδιάστατης γεωηλεκτρικής τομής S4 του Θανάσουλα (1983) (όπως επανασχεδιάστηκε από Σέγγης, 2001) 25

34 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Στα αποτελέσματα της ερμηνείας των παραπάνω γεωηλεκτρικών μετρήσεων παρουσιάστηκαν με τη βοήθεια ψευδοτομών (σχήμα 2.10) οι παρακάτω κύριοι γεωηλεκτρικοί σχηματισμοί, από την επιφάνεια του εδάφους προς τα βαθύτερα στρώματα: α) Επιφανειακοί σχηματισμοί με έντονες πλευρικές μεταβολές στις τιμές της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης και με μικρό πάχος (μερικές δεκάδες μέτρα), που αντιστοιχούν σε χαλαρά υλικό όπως αλλουβιακές αποθέσεις, αμμούχες αργίλους κ.λ.π. Οι σχηματισμοί αυτοί παρουσιάζουν ειδική ηλεκτρική αντίσταση που κυμαίνεται μεταξύ 10 και 100 Ohm-m ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε άμμο, άργιλο, κροκάλες και χάλικες και εντοπίζονται κυρίως προς το κέντρο της λεκάνης. β) Ο αμέσως βαθύτερος γεωηλεκτρικός σχηματισμός παρουσιάζει μια ομοιογένεια κατά μήκος κάθε τομής, αλλά συγχρόνως και σε όλες τις τομές που παρουσιάζεται. Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση που τον χαρακτηρίζει κυμαίνεται μεταξύ στενών ορίων (ρ=8-13 Ohmm), με ελάχιστες εξαιρέσεις με υψηλότερες κατά τόπους τιμές (μέχρι και 25 Ohm-m). Ο γεωηλεκτρικός αυτός σχηματισμός, συμπίπτει με την ύπαρξη των πλειστοκαινικών αποθέσεων της λεκάνης για τα ίδια περίπου βάθη. Το πάχος του κυμαίνεται από λίγα μέτρα στις παρυφές της λεκάνης, μέχρι και μερικές εκατοντάδες μέτρα προς το κέντρο της. γ) Ο επόμενος γεωηλεκτρικός σχηματισμός, που υπόκειται του προηγούμενου, παρουσιάζει ειδική ηλεκτρική αντίσταση μέσης τιμής 30 Ohm-m, πλην ελαχίστων εξαιρέσεων όπου φθάνει έως τα 100 Ohm-m κατά μέγιστο ή τα 20 Ohm-m κατ' ελάχιστο Η γεωλογική φύση του σχηματισμού αυτού είναι αμφίβολη. Οι επικρατέστερες εκδοχές, λαμβάνοντας υπ' όψιν τη γεωλογία και τη στρωματογραφία της περιοχής είναι οι εξής δύο: Είναι πιθανόν να δείχνει την ύπαρξη ψαμμιτομαργαϊκού υλικού, το οποίο είναι γνωστό ότι παρουσιάζει ανάλογες τιμές ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων και ιδιαίτερα η μάργα. Στην υπόθεση αυτή συνηγορεί και η εμφάνιση αυτού του σχηματισμού στις παρυφές της λεκάνης. Είναι πιθανόν να αποτελεί μια ζώνη εξαλλοίωσης των εκρηξιγενών υπερβασικών πετρωμάτων, τα οποία αποτελούν και το βαθύτερο και σκληρό υπόβαθρο της λεκάνης. Αυτό που δεν συμφωνεί με την υπόθεση αυτή είναι μεγάλο πάχος του γεωηλεκτρικού αυτού σχηματισμού, που τοπικά φθάνει και τα μερικές εκατοντάδες μέτρα. δ) Ο τελευταίος και βαθύτερος γεωηλεκτρικός σχηματισμός παρουσιάζει υψηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση (ρ α > 100 Ohm-m) και αποτελεί το υπόβαθρο της λεκάνης. Χαρακτηριστικό του σχηματισμού αυτού είναι ότι χωρίζεται σε τρεις γεωηλεκτρικές ενότητες. Η πρώτη έχει ειδική ηλεκτρική αντίσταση έως 200 Ohm-m και εντοπίζεται στη δυτική πλευρά της περιοχής που ερευνήθηκε (τομή Τ3), η δεύτερη έχει ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ α = Ohm-m και καταλαμβάνει το μεγαλύτερο τμήμα του υποβάθρου της λεκάνης, ενώ η τρίτη ενότητα έχει ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ> 1000 Ohm-m, και 26

35 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα εντοπίζεται στο ΒΑ τμήμα της περιοχής που ερευνήθηκε. Ο διαχωρισμός αυτός του υποβάθρου σε διάφορες ενότητες, οφείλεται σε αλλαγή του γεωλογικού σχηματισμού. Έτσι η τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στην περιοχή των 200 Ohm-m πιθανόν να αντιστοιχεί σε γνευσιακό υπόβαθρο, η τιμή των 1000 Ohm-m είναι βέβαιο ότι αντιστοιχεί στα υπερβασικά πετρώματα που συναντώνται στον ίδιο χώρο (περιδοτίτες-δουνίτες), ενώ τιμές μεταξύ 300 και 600 Ohm-m πιθανόν να αντιστοιχούν σε γάβρους, όπως προκύπτει από την σύγκριση των γεωηλεκτρικών τομών με τους γεωλογικούς σχηματισμούς της ίδιας περιοχής της λεκάνης. Οι ίδιες τιμές για το κέντρο της λεκάνης, δεν μπορούν να αντιστοιχηθούν με συγκεκριμένο γεωλογικό σχηματισμό. Τέλος, η πιο πρόσφατη από τις έρευνες στην περιοχή, που υλοποιήθηκε από το Εργ. Εφ. Γεωφυσικής του ΑΠΘ το 2006, εστίασε στο κεντρικό τμήμα της λεκάνης (σχήμα 2.11). Πραγματοποιήθηκαν 85 γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις σε απόσταση, μεταξύ τους, περίπου ένα χιλιόμετρο στις διευθύνσεις Β-Ν και Α-Δ, ενώ απείχαν περίπου 750 μέτρα στην διαγώνια διεύθυνση (ΒΔ-ΝΑ & ΒΑ -ΝΔ). Στόχος της έρευνας ήταν ο εντοπισμός του βάθους του υποβάθρου σε κάθε βυθοσκόπηση με συνέπεια την χαρτογράφηση της επιφάνειας του και βέβαια ο καθορισμός της στρωματογραφίας σε σχέση με τα υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά των ιζηματογενών αποθέσεων. Σχήμα Παρουσίαση των θέσεων των βυθοσκοπήσεων και της περιοχής που ερευνήθηκε από το Εργ. Εφ. Γεωφυσικής του Α.Π.Θ. (Vargemezis and Fikos, 2010) 27

36 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα της έρευνας προκύπτουν τα παρακάτω κύρια συμπεράσματα (Βαργεμεζης, 2006, Vargemezis and Fikos, 2010): Το υπόβαθρο βυθίζεται προς το κέντρο της λεκάνης όπου το μέγιστο βάθος που συναντάται αντιστοιχεί περίπου σε απόλυτο υψόμετρο -760 μέτρων (σχήμα 2.12). Η βύθιση του υποβάθρου και ειδικότερα ο ρυθμός βύθισης που υπολογίζονται αποδίδονται στην τεκτονική δράση στην περιοχή. Σε ότι αφορά την απόθεση των ιζημάτων παρατηρείται σε μεγάλο βαθμό έντονη πλευρική μεταβολή κατά τόπους στην σύσταση των ιζημάτων. Η πλευρική διαφοροποίηση είναι τόσο σημαντική ώστε δεν δημιουργούνται οι προϋποθέσεις για την δημιουργία ομοιογενούς στρωματογραφίας για μεγάλα τμήματα της περιοχής έρευνας (σχήμα 2.13). Σχήμα 2.12 Κατακόρυφες στρωματογραφικές τομές σε διευθύνσεις Ανατολής-Δύσης και Βορρά-Νότου αντίστοιχα. Φαίνεται ο ρυθμός βύθισης του υποβάθρου προς τα δυτικά (Vargemezis and Fikos, 2010) 28

37 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα Σχήμα Αθροιστικό πάχος σχηματισμών με μέτρια έως πολύ μεγάλη περατότητα μέχρι το βάθος των 300 μέτρων. (Vargemezis and Fikos, 2010) 2.3 Ερωτήματα προς διερεύνηση Αξιολογώντας όλα τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν για τη λεκάνη του Ανθεμούντα επιβεβαιώνεται η πολύπλοκη δομή της περιοχής και αναδεικνύονται ενδιαφέροντα γεωλογικά γεωφυσικά ερωτήματα για τη λεκάνη συνολικά αλλά και για επιμέρους τμήματα αυτής. 1. Το φαινόμενο της υφαλμύρωσης κατά μήκος της ακτογραμμής, η διαχρονική εξέλιξη του και ειδικότερα η έκταση του φαινομένου, τόσο στην οριζόντια διάσταση όσο και στην κατακόρυφη, παραμένει αδιευκρίνιστο. Η Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας, από τις αρχές τις δεκαετίας του 2000, έχει εκδώσει περιοριστικά μέτρα για την αδειοδότηση νέων γεωτρήσεων αλλά και για την χρήση των υφιστάμενων, με σκοπό την επιβράδυνση του φαινομένου, όμως τα αποτελέσματα αυτής της προσπάθειας δεν είναι γνωστά. 29

38 Κεφάλαιο 2: Λεκάνη Ανθεμούντα 2. Το γεωθερμικό ενδιαφέρον στη περιοχή συγκεντρώνεται σε κάποιες περιοχές του δυτικού τμήματος της λεκάνης, όμως ο ακριβής γεωλογικός μηχανισμός που προκαλεί το φαινόμενο δεν είναι γνωστός. Οι δύο υφιστάμενες ερευνητικές γεωθερμικές γεωτρήσεις βρίσκονται πολύ κοντά στη περιοχή του αεροδρομίου Μακεδονία και μας δίνουν σημειακές πληροφορίες οι οποίες δεν αρκούν για τη μελέτη του γεωθερμικού δυναμικού της λεκάνης. 3. Η ανάπτυξη δύο διακριτών υδροφόρων συστημάτων (επιφανειακού και βαθύτερου) από την περιοχή των Βασιλικών και προς τα δυτικά αποτελεί ένα πολύ σημαντικό και κρίσιμο φαινόμενο για την περιοχή. Η ένταση της γεωργικής δραστηριότητας στην περιοχή έχει υποβαθμίσει την ποιότητα του ελεύθερου υδροφόρου που αναπτύσσεται σε μικρά βάθη. Τα αργιλικά στρώματα που αναπτύσσονται σε βάθη μέχρι περίπου 50 μέτρα και τα οποία δεν επιτρέπουν τους ρυπαντές να έρθουν σε επαφή με το βαθύτερο σύστημα υδροφόρων στρωμάτων, των οποίων η ποιότητα παραμένει ανεπηρέαστη, δεν είναι πλήρως χαρτογραφημένα. 4. Η γεωμορφολογική στένωση που παρατηρείται στη περιοχή κοντά στο χωριό Γαλαρινό, λόγω της αναθόλωσης των σχηματισμών του υποβάθρου, δημιουργεί ιδιαίτερες συνθήκες υδραυλικής επικοινωνίας μεταξύ των διαφορετικών υδροφόρων (Γαλάτιστας και Βασιλικών). Η λεπτομερής μελέτη των ιζηματογενών σχηματισμών μπορεί να αναδείξει τις υδραυλικές παραμέτρους και να συμβάλλει στο σχεδιασμό για την καλύτερη διαχείριση του υδάτινου δυναμικού. 5. Η τεκτονική δραστηριότητα έχει διαμορφώσει τη σημερινή εικόνα της λεκάνης του Ανθεμούντα. Η επιφανειακή χαρτογράφηση ρηγμάτων στα κεντρικά τμήματα της λεκάνης, όπου οι τεταρτογενείς αποθέσεις κυριαρχούν, είναι ιδιαίτερα δύσκολη, ενώ η έντονη δραστηριοποίηση του πρωτογενούς και δευτερογενούς τομέα, σε όλη την έκταση της, δυσκολεύει ακόμα περισσότερο τη δουλειά του γεωλόγου. 30

39 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης 3 ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ 3.1 Γενικά στοιχεία Η εφαρμογή των ηλεκτρικών μεθόδων γεωφυσικής διασκόπησης έχει σαν αντικειμενικό σκοπό τον καθορισμό των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των γεωλογικών σχηματισμών των επιφανειακών στρωμάτων της Γης. Αυτό επιτυγχάνεται πραγματοποιώντας μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού είτε στην επιφάνεια της Γης είτε μέσα σε αυτήν με τη βοήθεια γεωτρήσεων για τον προσδιορισμό της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης του εδάφους. Υπάρχουν γενικά δυο μεγάλες κατηγορίες των ηλεκτρικών μεθόδων, οι ενεργητικές και οι παθητικές. Οι τελευταίες βασίζονται στις μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού που προκαλείται από τη ροή φυσικών ρευμάτων ενώ αντίθετα κατά την εφαρμογή ενεργητικών μεθόδων τα μετρούμενα δυναμικά οφείλονται σε τεχνητά ηλεκτρικά πεδία Ειδική ηλεκτρική αντίσταση των πετρωμάτων Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ ενός σώματος με σχήμα κυλίνδρου μήκους L και εμβαδού διατομής S, το οποίο εμφανίζει αντίσταση R (σχήμα 2.1) δίνεται από τη σχέση: L R (3.1) S όπου η αντίσταση R, στο σύστημα S.I., δίνεται σε Ohm, το μήκος L σε μέτρα (m), το εμβαδό της διατομής σε τετραγωνικά μέτρα (m 2 ) και η μονάδα μέτρησης της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης ( η οποία στη συνέχεια θα αναφέρεται απλά με τον όρο αντίσταση) είναι το Ohm-m. Μια άλλη φυσική ποσότητα που χρησιμοποιείται για να περιγραφεί η συμπεριφορά του υπεδάφους κατά την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος είναι η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα, σ, η οποία ορίζεται σαν το αντίστροφο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, (σ=1/ρ) και εκφράζει την ευκολία με την οποία το ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το σώμα. Η μονάδα μέτρησης της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας είναι το Siemens ανά μέτρο (S/m). Σχήμα 3.1. Κύλινδρος μήκους L, διατομής S και αντίστασης R. Ο μηχανισμός που επικρατεί και καθορίζει την ροή του ρεύματος μέσα στα πετρώματα της Γης είναι κυρίως αυτός της ηλεκτρολυτικής αγωγής. Συνεπώς η αντίσταση που συναντάει το 31

40 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης ρεύμα όταν διέρχεται μέσα από το υπέδαφος καθορίζεται κατά κύριο λόγο από την ποσότητα αλλά και το χημισμό του νερού που υπάρχει μέσα στους πόρους του. Επιπλέον σημαντικοί παράγοντες είναι το πορώδες των σχηματισμών, οι πιθανές διαρρήξεις και διακλάσεις, η θερμοκρασία και η πίεση (McNeil, 1980, Tagg, 1964). Το πλήθος των παραγόντων, αλλά και η συχνή μεταβολή κάποιων από αυτούς, έχει σαν αποτέλεσμα η ειδική ηλεκτρική αντίσταση να παρουσιάζει πολύ μεγάλο εύρος τιμών, ακόμα και για τον ίδιο γεωλογικό σχηματισμό ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες (σχήμα 3.2). Για το λόγο αυτό τις περισσότερες φορές κατά την εφαρμογή της μεθόδου δεν ενδιαφέρουν τόσο οι απόλυτες τιμές της ειδικής ηλεκ. αντίστασης για ένα γεωλογικό σχηματισμό, όσο οι σχετικές μεταβολές της σε σχέση με τους σχηματισμούς που τον περιβάλλουν. Τα πυριγενή πετρώματα εμφανίζουν τις μεγαλύτερες τιμές ηλ. αντιστάσεων, όμως η τελική τους τιμή εξαρτάται από το βαθμό καταπόνησης του (τεκτονισμός, αποσάθρωση, κλπ) και το νερό που περιέχουν στο πρωτογενές αλλά και στο δευτερογενές πορώδες τους. Τα ιζηματογενή πετρώματα τα οποία είναι κατά κανόνα περισσότερο πορώδη και περιέχουν υψηλότερο ποσοστό νερού, εμφανίζουν χαμηλότερες τιμές ηλ. αντίστασης. Το νερό που κυκλοφορεί στους πόρους των πετρωμάτων εμφανίζει αντίσταση που ποικίλει από 10 έως 100 Ohm-m, ανάλογα με την περιεκτικότητά του σε διαλυμένα άλατα (Παπαζάχος, 1986). Σχήμα 3.2. Όρια διακύμανσης των τιμών της ηλεκτρικής αντίστασης για διάφορους γεωλογικούς σχηματισμούς. Οι τιμές είναι για συνθήκες κορεσμού με γλυκό νερό, ενώ κορεσμός με αλμυρό νερό προκαλεί μετατόπιση των τιμών, τουλάχιστον κατά μια τάξη μεγέθους προς τα αριστερά (Amer. Soc. Civil Engrs., 1972). Η μέθοδος της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στην επίλυση πολλών γεωλογικών προβλημάτων όπως π.χ. χαρτογράφηση γεωλογικών στρωμάτων (Vandenberghe, 1982, Olesen et al., 1992, Griffiths and Barker, 1993, Çaglar and Duvarci, 2001, Atzemoglou et al., 2003), εντοπισμός υδροφόρων στρωμάτων (Flathe, 1955, Van Dam, 1976, Rijo et al., 1977, Aubert et al., 1984, Olayinka and Barker, 1990, Dahlin and Owen, 1998), ανίχνευση γεωθερμικών πεδίων (Wright et al., 1985, Thanassoulas and Tsokas, 1987), εντοπισμός μολυσμένων υπόγειων υδάτων ( Rodgers and Kean 1980, Fikos et al 2002) και διαρροών αποβλήτων (Van et al., 1992), εύρεση στόχων αρχαιολογικού ενδιαφέροντος (Aitken, 32

41 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης 1974, Hesse et al., 1986, Tsokas and Roka, 1987, Orlando et al., 1987, Szymanski and Dittmer, 1992, Papadopoulos et al., 2006a) καθώς και σε διάφορες άλλες εφαρμογές (Athanasiou et al., 2007, Jones and Cassidy, 2007). 3.2 Θεωρία και μαθηματικές σχέσεις που διέπουν τις βασικές πόσοτητες Στην περίπτωση που ένα μέσο διαρρέεται από συνεχές ρεύμα, η πυκνότητα ρεύματος J και το ηλεκτρικό πεδίο E συνδέονται μέσω του νόμου του Ohm με την σχέση: 1 J E E (3.2) όπου η ένταση του πεδίου είναι σε μονάδες Volt/m, η πυκνότητα ρεύματος σε A/m 2 και η αγωγιμότητα σ σε Siemens/m. Η παράμετρος σ, που συνδέει την πυκνότητα ρεύματος και της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου είναι ένας τανυστής δεύτερης τάξης, ο οποίος χρησιμοποιείται για να περιγράψει την ανισοτροπία του υπεδάφους. Η επίδραση της ανισοτροπίας στις μετρήσεις έχει περιγραφεί εδώ και πολλές δεκαετίες (Maillet, 1947). Αν και έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη την ανισοτροπία, δεν χρησιμοποιούνται συχνά παρά μόνο σε εφαρμογές που η αναμενόμενη γεωλογία είναι εξαιρετικά πολύπλοκη (Yin, 2000, LaBrecque and Casals, 2002, Pain et al., 2003, Herwanger et al., 2004). Ση περίπτωση συνεχούς ρεύματος (ή εναλλασσόμενου πολύ χαμηλής συχνότητας), από τις εξισώσεις του Maxwell (1865) προκύπτει ότι το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να περιγραφεί από την αρνητική βαθμίδα του δυναμικού V (3.2) E V J V (3.3) Εφόσον στο μέσο δεν υπάρχουν πηγές ή καταβόθρες ρεύματος τότε η απόκλιση της πυκνότητας του ρεύματος θα πρέπει να μηδενίζεται παντού, δηλαδή να ισχύει: J 0 V 0 (3.4) Στην περίπτωση όμως που μια σημειακή πηγή ρεύματος, με ένταση ρεύματος I βρίσκεται σε κάποιο σημείο τότε θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η απόκλιση της πυκνότητας ρεύματος, οπότε η σχέση (3.4) γίνεται: V J V I r r όπου η πυκνότητα ρεύματος έχει περιγραφεί με τη βοήθεια μιας συνάρτησης δέλτα (Dirac), η οποία ορίζει τη θέση σημειακής πηγής ρεύματος Ι (Cogon, 1971). Αν x s, y s, z s είναι οι S (3.5) 33

42 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης συντεταγμένες της σημειακής πηγής σε ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων τότε, η εξίσωση (3.5) καταλήγει στην: V I xyz,, ) xyz,, x xs y ys z z S (3.6) Η παραπάνω σχέση αποτελεί την έκφραση της εξίσωσης Poisson στις τρεις διαστάσεις σε καρτεσιανές συντεταγμένες, η οποία καθορίζει την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα σε ένα ανομοιογενές και ισότροπο μέσο και η λύση της θα καθορίσει το δυναμικό κατανομή της αγωγιμότητας σ (x,y,z) σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου. V x, y, z για γνωστή Για έναν ομογενή και ισότροπο χώρο με αντίσταση ρ, το δυναμικό V που προκαλεί μια θετική σημειακή πηγή ρεύματος, που είναι τοποθετημένη μέσα στον ημιχώρο, σε ένα οποιοδήποτε σημείο που απέχει απόσταση r από την πηγή, μπορεί να υπολογιστεί με αναλυτικό τρόπο ολοκληρώνοντας την εξίσωση (3.6) πάνω στη σφαιρική επιφάνεια ακτίνας r, ισούται με I V (3.7) 4 r Στην περίπτωση που η σημειακή πηγή βρίσκεται στην επιφάνεια του εδάφους τότε ολοκληρώνοντας την εξίσωση (3.6) πάνω σε μια αντίστοιχη ημισφαιρική επιφάνεια προκύπτει ότι το δυναμικό θα είναι I V (3.8) 2 r Στην πράξη χρησιμοποιούνται δύο ηλεκτρικοί πόλοι (ηλεκτρόδια), ένας θετικός (ηλεκτρόδιο Α) και ένας αρνητικός (ηλεκτρόδιο Β). Για την περίπτωση του ομογενούς ημιχώρου το δυναμικό σε τυχαίο σημείο Μ, που βρίσκεται σε αποστάσεις r A και r B από τις σημειακές πηγές Α και Β αντίστοιχα, θα προκύψει από το αλγεβρικό άθροισμα των δυναμικών που προκαλούν τόσο ο πόλος Α όσο και ο πόλος Β στο σημείο Μ, αφού το δυναμικό είναι ένα μονόμετρο μέγεθος: V M I I I 1 2 ra 2 r B 2 ra 1 rb (3.9) Φαινόμενη αντίσταση Στις περισσότερες διατάξεις γεωηλεκτρικών μετρήσεων χρησιμοποιούνται τέσσερα ηλεκτρόδια, δύο είναι τα ηλεκτρόδια ρεύματος Α και Β και άλλα δύο τα ηλεκτρόδια δυναμικού Μ και Ν (σχήμα 3.3). Επεκτείνοντας τη σχέση (3.8) προκύπτει ότι η διαφορά δυναμικού V MN, που θα μετρηθεί μεταξύ των ηλεκτροδίων δυναμικού εξαιτίας του ηλεκτρικού ρεύματος I που εισάγεται στο έδαφος μέσω των ηλεκτροδίων Α και Β, με βάση την αρχή της υπέρθεσης θα είναι: 34

43 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης V MN V M V N I AM AN 1 BM 1 BN (3.10) οπότε αναδιατάσσοντας τους όρους της παραπάνω εξίσωσης προκύπτει ότι η αντίσταση ρ του ημιχώρου θα δίνεται από την σχέση: VMN K (3.11) I Όπως φαίνεται από την εξίσωση (3.11), η ειδική ηλεκτρική αντίσταση του εδάφους εξαρτάται από την διαφορά δυναμικού που προκαλεί η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα σε ένα συγκεκριμένο μέσο και από την γεωμετρική θέση που διατάσσονται τα τέσσερα ηλεκτρόδια στον χώρο. Η εξάρτηση αυτή της τιμής της αντίστασης εκφράζεται με τον γεωμετρικό παράγοντα: K AM AN BM 1 BN (3.12), όπου ΑΜ, ΑΝ είναι οι αποστάσεις των ηλεκτροδίων δυναμικού Μ και Ν αντίστοιχα από τον θετικό ηλεκτρικό πόλο Α και ΒΜ, ΒΝ οι αντίστοιχες αποστάσεις του αρνητικού ηλεκτρικού πόλου Β από τις θέσεις των ηλεκτροδίων δυναμικού. I A (+) M (+) V N (-) B (-) Σχήμα 3.3. Βασική διάταξη γεωηλεκτρικών μετρήσεων. Στην περίπτωση που το μέσο είναι ομογενές, ο πολλαπλασιασμός του γεωμετρικού V MN παράγοντα, Κ, με την τιμή του λόγου I, που μετριέται με οποιαδήποτε διάταξη ηλεκτροδίων, θα είναι σταθερός και θα ισούται με την τιμή της πραγματικής αντίστασης ρ. Στην περίπτωση ανομοιογενούς μέσου, όπως κατά κανόνα συμβαίνει στη γη, η ποσότητα που υπολογίζεται από τη σχέση (3.11) δεν είναι η πραγματική ειδική αντίσταση του υπεδάφους, 35

44 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης αλλά μια νέα φυσική ποσότητα, η οποία ονομάζεται φαινόμενη ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρ α. Η τιμή της δεν θα είναι σταθερή, όπως συμβαίνει στην περίπτωση ομογενούς γης, αλλά θα εξαρτάται από τις θέσεις των ηλεκτροδίων και τις μεταξύ τους αποστάσεις. Η εξάρτηση αυτή είναι και ο λόγος για τον οποίο ονομάζεται και φαινόμενη ειδική ηλεκτρική αντίσταση, αφού μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα σταθμισμένος μέσος όρος των πραγματικών τιμών της αντίστασης του εδάφους σε διαφορετικά βάθη Διατάξεις ηλεκτροδίων Όπως αναφέρθηκε η πραγματοποίηση των μετρήσεων της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης πραγματοποιείται με τη χρήση τεσσάρων ηλεκτροδίων Α, Β, Μ και Ν. Ο τρόπος που διατάσσονται αυτά στο χώρο ονομάζεται διάταξη ηλεκτροδίων και μπορεί να πραγματοποιηθούν πλήθος συνδυασμών αποστάσεων μεταξύ τους και θέσεων. Στην πράξη έχουν επικρατήσει οι διατάξεις στις οποίες όλα τα ηλεκτρόδια βρίσκονται πάνω σε μια ευθεία, ενώ συχνή εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση της τετραγωνικής διάταξης. Στο σχήμα (3.4) παρουσιάζονται οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες διατάξεις μαζί με την τελική μορφή του γεωμετρικού παράγοντα για κάθε διάταξη. Διάταξη Wenner. Κατά τη διάταξη αυτή τα ηλεκτρόδια δυναμικού Μ, Ν τοποθετούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων δυναμικού Α, Β (σχήμα 3.4α). Οι αποστάσεις μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι ίσες με α. Αντικαθιστώντας στη σχέση (3.10.) προκύπτει ότι: K=2π = (3.13) α 2α 2α α α και επομένως η φαινόμενη αντίσταση για τη διάταξη Wenner δίνεται από τη σχέση: ΔV ρ α =2πα (3.14) i Διάταξη Schlumberger. Η διάταξη αυτή είναι παρόμοια με τη διάταξη Wenner, αλλά τα ηλεκτρόδια ρεύματος είναι τοποθετημένα σε απόσταση πολύ μεγαλύτερη από την απόσταση των ηλεκτροδίων δυναμικού (σχήμα 3.4β). Αν η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων ρεύματος είναι 2L, η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων δυναμικού είναι 2α και ισχύει L>>α, τότε η φαινόμενη αντίσταση είναι: πl 2 ρ α = 2α ΔV (3.15) i Διάταξη διπόλου-διπόλου. Στη διάταξη αυτή τα ηλεκτρόδια ρεύματος είναι απομακρυσμένα από τα ηλεκτρόδια δυναμικού (σχήμα 3.4γ). Τα δύο δίπολα έχουν ίδια 36

45 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης απόσταση, ίση με α (ΑΒ = ΜΝ = α), ενώ η απόσταση μεταξύ τους είναι nα. Η φαινόμενη αντίσταση για τη διάταξη διπόλου-διπόλου είναι: ΔV ρ α =-πn(n +1)(n + 2)α (3.16) i Διάταξη πόλου-διπόλου. Τα ηλεκτρόδια δυναμικού βρίσκονται μεταξύ των ηλεκτροδίων ρεύματος, αλλά ένα από τα ηλεκτρόδια ρεύματος, λόγου χάρη το Β, είναι τοποθετημένο σε απόσταση πολύ μεγαλύτερη από τα υπόλοιπα τρία ηλεκτρόδια (σχήμα 3.4δ). Με τον τρόπο αυτό, οι αποστάσεις ΒΜ και ΒΝ θεωρούνται άπειρες και συνεπώς οι όροι 1/ΒΜ και 1/ΒΝ στη σχέση (3.10) είναι πρακτικά μηδέν. Αν η απόσταση ΜΝ είναι ίση με α και η απόσταση ΑΜ ίση με nα, τότε η φαινόμενη αντίσταση είναι: ΔV ρ α =2πn(n +1)α (3.17.) i Διάταξη πόλου-πόλου. Η διάταξη αυτή αποτελεί μια επιπλέον διαφοροποίηση της διάταξης πόλου-διπόλου, καθώς λαμβάνεται με μετακίνηση και ενός εκ των ηλεκτροδίων δυναμικού, λόγου χάρη το Ν, σε άπειρη απόσταση από τα υπόλοιπα ηλεκτρόδια Α, Μ (σχήμα 3.4ε). Επομένως, οι αποστάσεις που θεωρούνται άπειρες είναι οι ΒΜ, ΒΝ και ΑΝ. Αν ΑΜ=α, ο γεωμετρικός παράγοντας γίνεται Κ=1/α, (που είναι ίδιος με τον γεωμετρικό παράγοντα της διάταξης Wenner) και η φαινόμενη αντίσταση δίνεται από τη σχέση: ΔV ρ α =2πα (3.18) i α A M N B α α α Wenner β γ A M N B >5α 2α >5α 2L A B M N α nα α Schlumberger διπόλου - διπόλου δ A M N B nα α πόλου - διπόλου ε B A M N α πόλου - πόλου Σχήμα 3.4. Οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες δισδιάστατες διατάξεις ηλεκτροδίων επιφανειακών γεωηλεκτρικών μετρήσεων. 37

46 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Οι διάφορες διατάξεις ποικίλουν όσον αφορά την ποιότητα και ακρίβεια της πληροφορίας που μπορούν να μας δώσουν και η επιλογή της πιο κατάλληλης κάθε φορά εξαρτάται από το πρόβλημα το οποίο καλείται η μέθοδος να επιλύσει. Έτσι διαφορετικές διατάξεις μπορούν να διακρίνουν διαφορετικούς στόχους, παρουσιάζουν διαφορετικό βάθος διασκόπησης, επιδεικνύουν διαφορετική ευαισθησία σε κατακόρυφες ή οριζόντιες μεταβολές, έχουν διαφορετικό λόγο σήματος προς θόρυβο κ.ο.κ. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο συνδέεται άμεσα με τον γεωμετρικό παράγοντα, καθώς οι τιμές του Κ αντανακλούν το εύρος των διαφορών δυναμικού που μπορούν να μετρηθούν με μία συγκεκριμένη διάταξη. Μεγάλες τιμές του Κ δείχνουν ότι χαμηλές τιμές δυναμικού θα καταγραφούν για την ίδια ένταση ρεύματος, με συνέπεια όμως μικρές μεταβολές της μετρούμενης τιμής δυναμικού να οδηγούν σε μεγάλες μεταβολές στην υπολογιζόμενη τιμή της αντίστασης. Είναι προφανές ότι η τελική επιλογή δεν εξαρτάται μόνο από έναν από τους παραπάνω λόγους, αλλά ο συνδυασμός όλων αυτών θα βοηθήσει στην λήψη της βέλτιστης επιλογής για το κάθε γεωλογικό γεωτεχνικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε Βάθος διασκόπησης Το βάθος διασκόπησης αποτελεί ένα εξαιρετικά σημαντικό στοιχείο της μεθόδου ηλεκτρικής διασκόπησης και εκφράζει ουσιαστικά το μέγιστο βάθος για το οποίο μια διάταξη μπορεί να δώσει αξιόπιστες πληροφορίες. Η πρώτη αναφορά στην έννοια έγινε από τους Schlumberger και Schlumberger (1932), αλλά ο καθορισμός του είναι αρκετά δύσκολος γιατί κάθε φορά εξαρτάται και από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υπεδάφους και τον τρόπο που τα διάφορα υλικά αλλάζουν αυτές τις ιδιότητες τους τόσο στο βάθος αλλά και στην οριζόντια έννοια (ανισοτροπία). 38

47 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Σχήμα 3.5. Καμπύλες DIC για τις διατάξεις πόλου διπόλου, διπόλου διπόλου και Wenner, όπου L είναι η μέγιστη απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων και z είναι το βάθος διείσδυσης του ρεύματος (Tsourlos, 1995). Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι υπολογισμού του βάθους διασκόπησης των ηλεκτρικών διασκοπήσεων. Οι περισσότερες από αυτές στηρίζονται στην κατασκευή καμπύλων (σχήμα 3.5), οι οποίες απεικονίζουν την απόκριση ενός λεπτού οριζόντιου στρώματος με μεταβαλλόμενο βάθος και ονομάζονται καμπύλες DIC (Depth of Investigation Characteristic). Σύμφωνα με τους Evjen (1938), Roy and Apparao (1971) και Roy (1972), το βάθος στο οποίο η καμπύλη DIC γίνεται μέγιστη, είναι το βάθος το οποίο συνεισφέρει περισσότερο στο σήμα που λαμβάνεται στην επιφάνεια, δηλαδή το βάθος διασκόπησης (Πίνακας 3.1). Ο Edwards (1977) πρότεινε ότι μέγιστο βάθος διασκόπησης μιας διάταξης, δεν είναι αυτό στο οποίο η καμπύλη DIC γίνεται μέγιστη, αλλά η κεντρική τιμή της καμπύλης DIC, δηλαδή το βάθος στο οποίο η περιοχή που βρίσκεται κάτω από την καμπύλη DIC, χωρίζεται σε δύο μέρη ίσου εμβαδού, γεγονός το οποίο υποστηρίχθηκε και από τον Barker (1989). 39

48 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Πίνακας 3.1. Βάθος διασκόπησης για διάφορες γεωηλεκτρικές διατάξεις (L: Συνολικό μήκος της διάταξης) Διάταξη Βάθος Διασκόπησης (Roy and Βάθος Διασκόπησης (Edwards 1977) Apparao 1971 και Roy 1972) Wenner 0,11 L 0.17 L Schlumberger L L Διπόλου Διπόλου L 0.25 L Πόλου Διπόλου L Πόλου - Πόλου 0.35 L - Άλλοι ερευνητές, για να καθορίσουν το βάθος διασκόπησης, στράφηκαν σε μεθόδους που χρησιμοποιούσαν το ευθύ πρόβλημα και επικεντρώθηκαν στο κατά πόσο οι μετρήσεις που λαμβάνονται στο ύπαιθρο μπορούν να εντοπίσουν ένα σώμα που βρίσκεται σε κάποιο βάθος μέσα στη γη (Van Nostrand, 1953, Apparao et al., 1992). Η μελέτη του βάθους διασκόπησης, σύμφωνα με τους Oldenburg and Li (1999), βασίζεται στον καθορισμό του βάθους μέχρι το οποίο οι μετρήσεις που λαμβάνονται στην επιφάνεια της Γης επηρεάζονται από αντίστοιχες μεταβολές της αντίστασης του υπεδάφους. Η προσέγγιση όμως αυτή δεν προσθέτει κάποια καινούργια γνώση σε σχέση με τις προηγούμενες και αποδεικνύεται ασταθής γιατί δεν μπορεί να υπολογίσει σταθερό βάθος διασκόπησης για κάθε διάταξη ακόμα και για το ίδιο συνολικό μήκος διάταξης (Athanasiou, 2004) Μονοδιάστατες, δισδιάστατες και τρισδιάστατες γεωηλεκτρικές μετρήσεις Ο τρόπος διάταξης των ηλεκτροδίων και συλλογής των δεδομένων καθορίζει το είδος της διασκόπησης που υλοποιείται κάθε φορά. Γενικά, οι βασικές κατηγορίες γεωηλεκτρικών διατάξεων είναι οι ακόλουθες: Γεωηλεκτρική βυθοσκόπηση: Στην περίπτωση αυτή καθορίζεται μόνο η κατακόρυφη κατανομή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Αυτό επιτυγχάνεται με την διαδοχική αύξηση της απόστασης των ηλεκτροδίων από το σταθερό κέντρο της διάταξης σε κάθε μέτρηση, έτσι ώστε να αυξάνεται το βάθος διασκόπησης. Η μέθοδος υποθέτει ότι το υπέδαφος εμφανίζει απόλυτα οριζόντια στρωματογραφία, αποτελείται δηλαδή από οριζόντια ομογενή στρώματα ενώ οι κύριες διατάξεις που χρησιμοποιούνται είναι οι Schlumberger και Wenner, διατάξεις που χαρακτηρίζονται από συμμετρία και διευκολύνουν (ιδιαίτερα η πρώτη) τις μετακινήσεις ηλεκτροδίων στο ύπαιθρο. Οριζόντια χαρτογράφηση: Χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της οριζόντιας κατανομής της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης σε σταθερό βάθος και τον εντοπισμό πλευρικών μεταβολών. 40

49 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Αυτό επιτυγχάνεται με την ταυτόχρονη μετακίνηση όλων των ηλεκτροδίων ρεύματος και δυναμικού σε κάθε καινούργια μέτρηση, διατηρώντας τις μεταξύ τους αποστάσεις σταθερές. Από πρακτική άποψη, όλες οι διατάξεις που αναφέρθηκαν νωρίτερα, μπορούν να εφαρμοσθούν με σχετική ευκολία. Ο τρόπος αυτός χαρτογράφησης αποτελεί την κύρια μεθοδολογία για την αναζήτηση και χαρτογράφηση θαμμένων αρχαιοτήτων Δισδιάστατη διασκόπηση: Συνδυάζοντας τις δυο παραπάνω μεθόδους μπορούμε να πετύχουμε την χαρτογράφηση της μεταβολής της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης σε δυο διαστάσεις, τόσο κατά την οριζόντια έννοια όσο και σε διάφορα βάθη. Με τον τρόπο αυτό συλλέγονται πολλά περισσότερα δεδομένα αφού στην πράξη υλοποιούνται διαδοχικές γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις σε σταθερές αποστάσεις ή αντίστοιχα πολλές μετρήσεις οριζόντιας χαρτογράφησης με διαδοχικά αυξανόμενο βάθος, πετυχαίνοντας έτσι αυξημένη χωρική ανάλυση και διακριτική ικανότητα. Ο τρόπος υλοποίησης των μετρήσεων με τη διάταξη διπόλου-διπόλου φαίνεται παραστατικά στο σχήμα (3.6). Στο κάτω μέρος του σχήματος (3.6) φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο κάθε μέτρηση αντιστοιχίζεται σε διαφορετική θέση στο υπέδαφος χαρτογράφηση που συνθέτει την ψευδοτομή των μετρήσεων. Η μέθοδος είναι γνωστή ως γεωηλεκτρική τομογραφία και η εφαρμογή της διαδόθηκε ευρύτατα τις τελευταίες δεκαετίες λόγω της ανάπτυξης των Η/Υ και των αντίστοιχων λογισμικών για την ερμηνεία των μετρήσεων. Η τομογραφία πλεονεκτεί σημαντικά σε σχέση με τις μονοδιάστατες μεθόδους διότι στην ερμηνεία της δεν υπάρχει ο περιορισμός της οριζόντιας στρωματογραφίας, όμως εξακολουθεί να μην μπορεί να περιγράψει εύκολα τρισδιάστατες γεωλογικές δομές. 41

50 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Σχήμα 3.6. Μετρήσεις δισδιάστατης ηλεκτρικής διασκόπησης με τη διάταξη Διπόλου-Διπόλου για 8 ηλεκτρόδια και μέγιστη απόσταση διπόλων ρεύματος δυναμικού n=4α Τρισδιάστατη διασκόπηση: Το μειονέκτημα της δισδιάστατης ερμηνεία της τυπικής γεωηλεκτρικής τομογραφίας αντιμετωπίζεται με την πραγματοποίηση τρισδιάστατων μετρήσεων της φαινόμενης αντίστασης του υπεδάφους. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται με τη χρήση μεγάλου αριθμού ηλεκτροδίων τοποθετημένων σε κάνναβο και τη λήψη μετρήσεων χρησιμοποιώντας συνδυασμούς ηλεκτροδίων σε όλες τις διευθύνσεις (δηλαδή παράλληλα σε δύο κάθετους άξονες Χ και Y, αλλά και διαγώνια). Η χρήση τέτοιων μετρήσεων περιορίζεται στην πράξη από δυο παράγοντες: 1. Δυσκολία υλοποίησης μετρήσεων στο ύπαιθρο, αφού απαιτούνται πάρα πολλές μετακινήσεις καλωδίων ή πολύκλωνα καλώδια για να υλοποιηθούν όλοι οι απαιτούμενοι συνδυασμοί. 42

51 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης 2. Λόγο του μεγάλου αριθμού δεδομένων και της επίλυσης τρισδιάστατων εξισώσεων απαιτούνται πολύπλοκοι αλγόριθμοι, μεγάλη υπολογιστική ισχύς και αρκετός χρόνος για την πραγματοποίηση της ερμηνείας. Όπως υπολόγισαν οι Xu and Noel (1993) ο μέγιστος αριθμός ανεξάρτητων μετρήσεων που μπορούν να συλλεχθούν με τη διάταξη πόλου πόλου είναι Μ max =P(P-1)/2, όπου P είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτροδίων που τοποθετούνται σε έναν ορθογώνιο κάνναβο και συνδέονται ταυτόχρονα με το όργανο μέτρησης. Έτσι για παράδειγμα για μια περιοχή 15Χ15 τετραγωνικών μονάδων, όπου τα ηλεκτρόδια έχουν τοποθετηθεί σε κανονικές αποστάσεις και 1 μονάδας μεταξύ τους θα χρησιμοποιούνταν 225 ηλεκτρόδια και θα συλλέγονταν μετρήσεις με τη διάταξη πόλου πόλου, που για ένα απλό μονοκάναλο αυτοματοποιημένο όργανο σημαίνει ότι θα χρειάζονταν περίπου 40 ώρες συνεχόμενης λειτουργίας (Παπαδόπουλος PhD 2007). Παρά την ανάπτυξη εξαιρετικά γρήγορων πολυκάναλων μηχανημάτων μέτρησης αντίστασης (Stummer, 2003) αλλά και προτεινόμενων τεχνικών (Dahlin et al., 2002) για τη μείωση του απαιτούμενου εξοπλισμού, ο συνηθέστερος τρόπος υλοποίησης τρισδιάστατων μετρήσεων είναι με την πραγματοποίηση όλων των μετρήσεων παράλληλα στους άξονες X και Y, ενώ πάρα πολλές φορές για λόγους οικονομίας χρόνου λαμβάνονται μετρήσεις μόνο παράλληλα στη μια εκ των δύο διεύθυνση (Tsourlos 2004, Papadopoulos et al 2006b), χωρίς σημαντικές επιπτώσεις στην ποιότητα των αποτελεσμάτων όταν οι μετρήσεις έχουν επαρκή χωρική πυκνότητα. 3.3 Ευθύ και αντίστροφο γεωηλεκτρικό πρόβλημα Η ερμηνεία των μετρήσεων πραγματοποιείται με την επίλυση του αντίστροφου γεωηλεκτρικού προβλήματος είτε με τη χρήση προσεγγιστικών μεθόδων, π.χ. μέθοδος Bristow (Bristow 1966), μέθοδος Zhody-Barker, (Zhody 1989, Barker 1992), μέθοδος οπισθοπροβολής (Tsourlos et al. 1993), είτε με τη χρήση υπαρχόντων μη γραμμικών τεχνικών αντιστροφής (π.χ. Tripp et al. 1984) που προσαρμόζονται στο πρόβλημα της ηλεκτρικής τομογραφίας (Shima, 1990; Tsourlos et al., 1995). Η πλέον δημοφιλής τεχνική για την αποκατάσταση της πραγματικής εικόνας της γεωηλεκτρικής αντίστασης του υπεδάφους είναι αυτή της αντιστροφής. Σκοπός της αντιστροφής είναι να βρεθεί ένα μοντέλο αντίστασης που να δίνει μετρήσεις που είναι όσο το δυνατό πιο κοντά στις πραγματικές. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ύπαρξη μεθόδου επίλυσης του ευθέος προβλήματος, δηλαδή, να βρεθούν οι μετρήσεις (δυναμικό V στη σχέση 3.6), δοθείσης της κατανομής της αντίστασης. 43

52 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Έστω ότι η μεταβλητή x δίνει την κατανομή της αντίστασης στο υπέδαφος και με y συμβολίζονται οι μετρήσεις. Τότε η επίλυση του ευθέος προβλήματος αφορά την εύρεση του μετασχηματισμού T (μη-γραμμικού), που συνδέει τη γνωστή κατανομή της αντίστασης x με τις άγνωστες μετρήσεις y. y T x (3.19) Η επίλυση του αντίστροφου προβλήματος αφορά την εύρεση του αντίστροφου μετασχηματισμού Τ -1, ο οποίος συνδέει το γνωστό διάνυσμα των μετρήσεων y με την άγνωστη κατανομή της αντίστασης x (σχήμα 2.7). 1 x T y (3.20) Σχήμα 3.7. Απεικόνιση επίλυσης ευθέος και αντίστροφου προβλήματος μέσω κατάλληλου τελεστή Τ και Τ -1 αντίστοιχα. Η επιλογή του μετασχηματισμού Τ (δηλαδή της διαδικασίας επίλυσης του ευθέος προβλήματος) έχει φυσική σημασία και για αυτό η επιλογή του δεν είναι εύκολη διαδικασία. Όμως το ουσιαστικό πρόβλημα προκύπτει κατά την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος, αφού είναι αδύνατη η εύρεση του αντίστροφου (μη γραμμικού) μετασχηματισμού Τ -1. Στην περίπτωση αυτή το πρόβλημα επιλύεται με μετατροπή του προβλήματος σε γραμμικού όπως περιγράφεται στη συνέχεια Αντίστροφο γεωηλεκτρικό πρόβλημα Η λύση του αντίστροφου προβλήματος αντιστοιχεί στη διαδικασία όπου από τις μετρήσεις φαινόμενης αντίστασης που προκύπτουν από μια γεωφυσική έρευνα προσδιορίζεται η κατανομή της αντίστασης του υπεδάφους. Οι τεχνικές που συνήθως χρησιμοποιούνται για την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος είναι επιγραμματικά: η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων (Lines και Treitel, 1984), η μέθοδος των ιδιαζουσών τιμών (Lanczos, 1960; Golub και Reinsh, 1970; Lawson και Hanson, 1974; Strang, 1998), η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων απόσβεσης 44

53 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης (Levenberg, 1944; Marquadt, 1963; Franklin, 1970) και η μέθοδος της εξομαλυσμένης αντιστροφής (Tikhonov, 1963; Tikhonov και Glasko, 1965; Constable et al., 1987; degroot- Hedlin και Constable, 1990). Προϋπόθεση επίλυσης του προβλήματος είναι η λύση του ευθέως, δηλαδή της διαφορικής εξίσωσης (3.5) η οποία καθορίζει την κίνηση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα σε ένα ανομοιογενές υλικό, για μια συγκεκριμένη κατανομή υπεδαφών αντιστάσεων και διάταξη ηλεκτροδίων, έτσι ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός των διαφορών δυναμικού. Εφόσον επιτευχθεί ο υπολογισμός των τιμών του δυναμικού, κατόπιν είναι εύκολος ο υπολογισμός των φαινόμενων αντιστάσεων πολλαπλασιάζοντας με τους αντίστοιχους γεωμετρικούς παράγοντες. Το αντίστροφο γεωηλεκτρικό πρόβλημα ανήκει στη κατηγορία των μη-γραμμικών προβλημάτων. Σύμφωνα με την εξίσωση (3.6), γνωστή ως εξίσωση Poisson, ο τελεστής Τ του ευθέος προβλήματος περιλαμβάνει τον πολλαπλασιασμό του μοντέλου (δηλαδή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, σ με την βαθμίδα του δυναμικού V. Έστω το διάνυσμα των παραμέτρων του μοντέλου N x R και M y R το διάνυσμα των δεδομένων. Το διάνυσμα x αποτελείται από Ν παραμέτρους, οι οποίες περιγράφουν την τρισδιάστατη κατανομή των πραγματικών αντιστάσεων του υπεδάφους ενώ στο διάνυσμα y υπάρχουν Μ όροι που αντιστοιχούν στις μετρήσεις τιμών δυναμικού ή φαινόμενης ειδ. ηλεκτρικής αντίστασης. Η σχέση που συνδέει τα δύο διανύσματα είναι η (3.19). Όπως αναφέρθηκε παραπάνω το γεωηλεκτρικό πρόβλημα είναι μη-γραμμικό οπότε το διάνυσμα x δεν μπορεί να βρεθεί με απευθείας αντιστροφή του μη-γραμμικού μετασχηματισμού Τ. Ο κύριος τρόπος επίλυσης είναι με την επαναληπτική λύση, επιμέρους μικρότερων γραμμικών προβλημάτων, με τα οποία θα βελτιώνεται σταδιακά η λύση του προβλήματος. Εάν η συνάρτηση T x αναπτυχθεί σε σειρά Taylor 1 ου βαθμού, ως προς μια μικρή μεταβολή της πραγματικής αντίστασης dx γύρω από μια αρχική λύση x 0 και παραλείψουμε τους όρους μεγαλύτερης τάξης, προκύπτει: όπου J x T T x T x0 dx T x0 x dx... T x0 Jdx (3.21) x T x i ij x 0 xj 0, (i=1, 2,..., Μ, j=1, 2,, N) είναι ο ΜΧΝ Ιακωβιανός πίνακας ή πίνακας ευαισθησίας, που εκφράζει το ποσοστό μεταβολής στην τιμή μιας μέτρησης της φαινόμενης αντίστασης, αν μεταβληθεί η ιδιότητα (πραγματική αντίσταση) μιας παραμέτρου του μοντέλου, στην περιοχή του αρχικού μοντέλου x 0 45

54 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Αν θεωρήσουμε το x 0 ως ένα αρχικό μοντέλο και το x 0 + dx ως το πραγματικό μοντέλο των αντιστάσεων του εδάφους, τότε η απόκριση του νέου μοντέλου Τ(x 0 + dx) μπορεί να θεωρηθεί ως ίση με τα πειραματικά δεδομένα y. Εύκολα από την (3.21) προκύπτει: d d ( ) d d ( ) T x x T x J x y T x J x J x y T x d y, (3.22) δηλαδή dy είναι η διαφορά μεταξύ των πραγματικών και των συνθετικών δεδομένων, που αντιστοιχούν στο αρχικό μοντέλο x 0. Έτσι η επίλυση του αρχικού μη-γραμμικού προβλήματος της εξίσωσης (3.19) ανάγεται στην επαναληπτική επίλυση των επιμέρους γραμμικών προβλημάτων της εξίσωσης (3.22). Το σύστημα (3.22) λύνεται επαναληπτικά επειδή η εξίσωση (3.21) είναι προσεγγιστική, δηλαδή έχουν παραληφθεί όροι ανώτερης τάξης. Η δυσκολία στην επίλυση όλων των αντίστροφων προβλημάτων συνοψίζεται στους παρακάτω τρεις παράγοντες: α) Ύπαρξη λύσης. Είναι δυνατόν να μην υπάρχει κανένα μοντέλο που να επαληθεύει πλήρως τα δεδομένα, γεγονός που μπορεί να οφείλεται στην χρήση προσεγγιστικής μαθηματικής λύσης για την εύρεση του μοντέλου, σε κακής ποιότητας δεδομένα και στο σφάλμα του μοντέλου. β) Μοναδικότητα. Εάν υπάρχει λύση, είναι πιθανό αυτή η λύση να μην είναι η μοναδική που να ικανοποιεί τα δεδομένα. γ) Αστάθεια κακώς ορισμένο πρόβλημα: Η διαδικασία επίλυσης των εξισώσεων σε ένα αντίστροφο πρόβλημα, είναι εξαιρετικά ασταθής, με αποτέλεσμα μια μικρή αλλαγή στα δεδομένα (π.χ. λόγω θορύβου ) μπορεί να προκαλέσει τεράστιες αλλαγές στη λύση του εκτιμώμενου μοντέλου. Τα περισσότερα γεωφυσικά προβλήματα αντιστροφής πρέπει να λάβουν αυτούς τους τρεις παράγοντες υπόψη. Για το σκοπό αυτό, έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνικές για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, οι κυριότερες από τις οποίες είναι: η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων (Lines and Treitel, 1984), η μέθοδος των ιδιαζουσών τιμών (Lanczos, 1960, Golub and Reinsh, 1970, Lawson and Hanson, 1974, Strang, 1998), η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων απόσβεσης (Levenberg, 1944) και η μέθοδος της εξομαλυμένης αντιστροφής (Tikhonov, 1963, Tikhonov and Glasko, 1965, Constable et al., 1987, degroot Hedlin and Constable, 1990). Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιεί τη μέθοδο της εξομαλυμένης αντιστροφής (Constable et al., 1987) γιατί αυτή συγκεντρώνει σημαντικά πλεονεκτήματα. Η τεχνική αυτή προσεγγίζει συντηρητικά την λύση, επιδιώκοντας όχι απαραίτητα την καλύτερη δυνατή λύση (μοντέλο κατανομής αντιστάσεων εδάφους), αλλά εγγυάται πως η λύση θα είναι η απλούστερη δυνατή που θα ικανοποιεί τα δεδομένα με 46

55 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης ρεαλιστικό τρόπο. Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου αποτελεί η ανεξαρτησία της τελικής λύσης από την επιλογή του αρχικού μοντέλου. Αναλυτικότερα με την μέθοδο της εξομαλυμένης αντιστροφής επιλέγονται όλες οι λύσεις που ελαχιστοποιούν το σφάλμα σύμφωνα με τη σχέση 2 T x y (όπου δ παριστά το σφάλμα) και ταυτόχρονα ελαχιστοποιούν το μέτρο του διανύσματος εξομάλυνσης, δηλαδή το συνολικό σύστημα γίνεται min T x y Cx (3.23) όπου C είναι ο πίνακας εξομάλυνσης που ορίζει σχέσεις συνάφειας μεταξύ των γειτονικών παραμέτρων (σχήμα 3.8) Σχήμα 3.8. Σχηματισμός πίνακα εξομάλυνσης C Η λύση της (3.23) με τη βοήθεια των ελαχίστων τετραγώνων για τη διόρθωση του μοντέλου είναι επαναληπτική, ενώ οι διαδοχικές διορθώσεις δίνονται από τη σχέση T T 1 x x dx x J J C C y T x (3.24) i+1 i i i i ή από μια εναλλακτική διαδικασία διόρθωσης 1 x x dx x J J C C y T x C Cx (3.25) T T T i+1 i i i i i Για την επίλυση της εξίσωσης (3.25) είναι απαραίτητη η εύρεση μια τιμής για τον συντελεστή Lagrange ο οποίος συμβολίζεται με λ. Η εύρεση της κατάλληλης τιμής είναι ένα πρόβλημα για όλες τις εξομαλυμένες αντιστροφές. Μεγάλες τιμές οδηγούν σε σημαντική εξομάλυνση της τελικής λύσης, ενώ μικρές τιμές οδηγούν σε ασταθή λύση. Η συνηθέστερη μέθοδος που ακολουθείται είναι η επιλογή μιας αρχικά μεγάλης τιμής, για να αποτραπεί η αστάθεια, ενώ όσο η λύση πλησιάζει την τελική μορφή ο συντελεστής ελαττώνεται. Ο Tsourlos 47

56 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης (1995) προτείνει μια αρχική εμπειρική τιμή ανάλογη με την επιθυμητή εξομάλυνση και σταδιακή ελάττωση σε κάθε επανάληψη, ενώ έχουν προταθεί και άλλες μέθοδοι εύρεσης του συντελεστή Lagrange, που βασίζονται σε ανάλυση των ιδιοτιμών του αντίστροφου πίνακα με τη μέθοδο της ανάλυσης SVD (π.χ. L-Curve, συνθήκη Piccard). Οι τεχνικές αυτές εξασφαλίζουν μια μαθηματική λύση και δεν απαιτείται αρχική εμπειρική τιμή (Karaoulis, 2007). Οι Yi et al. (2003 ) πρότειναν τη μέθοδο της ενεργού εξισορόπησης με περιορισμούς (Active Constrained Balancing, ACB) με την εύρεση διαφορετικού συντελεστή για κάθε παράμετρο, βασιζόμενοι σε μελέτη του πίνακα ανάλυσης του μοντέλου. Σε απλοποιημένη μορφή ένας αλγόριθμος επίλυσης του παραπάνω αντίστροφου προβλήματος περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα: 1. Προσδιορίζεται μια αρχική εκτίμηση της κατανομής της αντίστασης χ o και υπολογίζεται η συνθετική απόκριση του μοντέλου Τ(x o ). 2. Υπολογίζεται ο Ιακωβιανός πίνακας J o που αντιστοιχεί στην αρχική κατανομή αντιστάσεων x o. 3. Έστω στην k επανάληψη, το διάνυσμα διόρθωσης των αντιστάσεων του μοντέλου dx k δίνεται ως: dx J -1 dy όπου dy y G x και J -1 k κατάλληλα αντίστροφος τελεστής k k k k k 4. Υπολογίζονται οι νέες εκτιμήσεις των αντιστάσεων x x dx και υπολογίζεται, μέσω k+1 k k της επίλυσης του ευθέος προβλήματος, η νέα κατανομή των αντιστάσεων του μοντέλου Τ(χ κ+1 ) 5. Εάν ικανοποιείται ένα από τα κριτήρια τερματισμού, η διαδικασία τελειώνει, αλλιώς υπολογίζεται η νέα εκτίμηση του Ιακωβιανού πίνακα J k+1 και η διαδικασία επαναλαμβάνεται (βήματα 3, 4 και 5) Κριτήρια τερματισμού επαναληπτικών αλγορίθμων Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, ο επαναληπτικός αλγόριθμος αντιστροφής τερματίζεται με κάποια προκαθορισμένα κριτήρια σύγκλισης και τερματισμού. Τα κριτήρια αυτά συνήθως στηρίζονται στην έκφραση του μέσου τετραγωνικού σφάλματος RMS μεταξύ των πραγματικών και των συνθετικών δεδομένων, το οποίο υπολογίζεται κάθε φορά που υπολογίζεται το βελτιωμένο μοντέλο αντίστασης και είναι: M obs cal 1 di di % RMS 100 (3.26), M obs 2 i 1 d i 2 48

57 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης όπου Μ είναι ο αριθμός των μετρήσεων και d i obs και d i cal φαινόμενες αντιστάσεις αντίστοιχα. Ο αλγόριθμος τερματίζεται όταν: οι πραγματικές και οι συνθετικές (i) παρατηρείται το φαινόμενο της απόκλισης, δηλαδή το σφάλμα μεταξύ των πραγματικών και των συνθετικών δεδομένων αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει συνήθως στις περιπτώσεις δεδομένων έντονα μολυσμένων με θόρυβο. (ii) Όταν η σχετική μεταβολή των σφαλμάτων μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων της αντιστροφής είναι πολύ μικρή (π.χ. 2% - 5%), διότι η συνέχιση της διαδικασίας δεν προσφέρει πρόσθετη πληροφορία στο τελικό μοντέλο. (iii) Στην περίπτωση που είναι γνωστή η κατανομή των σφαλμάτων των μετρήσεων, τότε η διαδικασία τερματίζεται όταν το σφάλμα γίνει μικρότερο από το σφάλμα παρατήρησης. (iv) Τέλος, στην περίπτωση που κανένα από τα προηγούμενα κριτήρια δεν επιτευχθεί, ο αλγόριθμος σταματάει μετά από προεπιλεγμένο μέγιστο αριθμό επαναλήψεων Ευθύ γεωηλεκτρικό πρόβλημα Όπως προαναφέρθηκε, ο όρος ευθύ γεωηλεκτρικό πρόβλημα αντιστοιχεί στον υπολογισμό των συνθετικών φαινόμενων αντιστάσεων που θα προκαλούσε ένα γεωηλεκτρικό μοντέλο με γνωστή κατανομή των πραγματικών αντιστάσεων, για μια δεδομένη διάταξη ηλεκτροδίων. Αν δηλαδή θεωρήσουμε πηγή ρεύματος I σε σημείο του χώρου με συντεταγμένες x s, y s και z s είναι η προσπάθεια επίλυσης της εξίσωσης Poisson (3.6), με τελικό σκοπό τον υπολογισμό του δυναμικού V σε κάθε σημείο του χώρου, x, y,z. Η επίλυση της εξίσωσης (3.6) μπορεί να γίνει με αναλυτικό ή με αριθμητικό τρόπο: Ο αναλυτικός τρόπος είναι εφαρμόσιμος μόνο για περιπτώσεις απλών μοντέλων, όπως π.χ. δυο οριζόντιων ή κατακόρυφων στρωμάτων, θαμμένης σφαιρικής δομής (Telford et al., 1990). Παρά την πολύ περιορισμένη δυνατότητα χρήσης αυτών των περιπτώσεων, εντούτοις μερικές φορές βοηθούν στην αξιολόγηση αποτελεσμάτων άλλων τεχνικών (π.χ. των αριθμητικών). Ο αριθμητικός τρόπος προσεγγίζει πολύπλοκα προβλήματα επιλύοντας τις διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την ροή του ρεύματος σε ανομοιογενή γη αριθμητικά. Για να γίνει αυτό είναι απαραίτητο να γίνει διακριτοποίηση του προβλήματος, ώστε να είναι δυνατό να υπολογιστεί η τιμή του δυναμικού σε καθορισμένες θέσεις. Οι μέθοδοι αυτής της κατηγορίας μπορούν να διακριθούν σε δυο μεγάλες ομάδες, σε αυτές που βασίζονται σε μεθόδους ολοκλήρωσης (Keller, 1966, Lee, 1975, Furness, 1992) και σε αυτές που βασίζονται σε μεθόδους διαφόρισης. Στις τελευταίες ανήκουν οι μέθοδοι δικτύου αντιστάσεων RNAM (Tripp et al., 1984) 49

58 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης αλλά και οι μέθοδοι πεπερασμένων διαφορών FDM (Mufti, 1976, Dey and Morisson, 1979a,b) και οι μέθοδοι πεπερασμένων στοιχείων FEM (Dey and Morisson, 1979a, Zienkiewicz and Taylor, 1989, Cogon, 1971, Dittmet et al., 1993, Burnett, 1989, Tsourlos, 1995). Όλες οι μέθοδοι μπορούν να ανταποκριθούν στην επίλυση δικτύων που περιέχουν στοιχεία με ποικίλες διαστάσεις, όμως, μόνο η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να επιλύσει περιορισμένες δομές ακανόνιστου σχήματος. Αυτό το πλεονέκτημα είναι πολύ σημαντικό όταν πρέπει να επιλυθούν κατανομές αντίστασης, διότι η αντίσταση είναι ευαίσθητη σε τοπογραφικές ανωμαλίες. Με τη μέθοδο αυτή το δίκτυο των στοιχείων μπορεί να προσαρμοστεί στην τοπική μορφολογία, προσφέροντας έτσι την δυνατότητα εντοπισμού και απομόνωσης του ψευδοθορύβου λόγο τοπογραφικών ανωμαλιών (Fox et al.,1980, Molano et al., 1990) Σχηματισμός των εξισώσεων πεδίου Στις επόμενες παραγράφους θα αναφερθούν περιληπτικά οι βασικές εξισώσεις επίλυσης του ευθέος γεωηλεκτρικού προβλήματος στις τρεις διαστάσεις χρησιμοποιώντας την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Η διακριτοποίηση της γης γίνεται με τη χρήση εξάεδρων στοιχείων, τα οποία αποτελούνται από οκτώ κόμβους. Οι κόμβοι τοποθετούνται στις κορυφές των εξάεδρων στοιχείων ενώ οι πλευρές τους είναι παράλληλες ως προς τους άξονες X, Y, Z και έστω ότι έχουν διαστάσεις 2a, 2b και 2c αντίστοιχα. (σχήμα 3.9). Τα στοιχεία ενώνονται μεταξύ τους έχοντας κοινούς κόμβους και σχηματίζουν με αυτό τον τρόπο ένα τρισδιάστατο πλέγμα, το οποίο προσομοιάζει την περιοχή έρευνας. Οι τρεις διαστάσεις του χώρου καθορίζονται από τις θέσεις των κόμβων κατά τις διευθύνσεις X (x i, i 1,2,..., i max ), Y (y j, j 1,2,..., j max ) και Z (z k, k 1,2,..., k max ). Θέτοντας μεγάλες τιμές για τις παραμέτρους i max, j max, k max και εφαρμόζοντας κατάλληλη διακριτοποίηση του χώρου όταν i 1, i i max, j 1, j j max και k 1, k k max τότε μπορεί να προσομοιωθεί η άπειρη απόσταση ως προς τις τρεις διευθύνσεις. 50

59 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Σχήμα 3.9. (Αριστερά) Εξάεδρο στοιχεία με πλευρές παράλληλες ως προς τους X, Y, Z άξονες και διαστάσεις 2α, 2b και 2c αντίστοιχα. Το εξάεδρο αποτελείται από οκτώ κόμβους (Κ1...Κ8) στις κορυφές του παραλληλεπίπεδου. (Δεξιά) Σύνδεση e διαφορετικών ομογενών και ισότροπων εξάεδρων στοιχείων, με αντιστάσεις ρ 1, ρ 2,..., ρ e, μεταξύ κοινών κόμβων, για την δημιουργία του τρισδιάστατου πλέγματος. (Papadopoulos, 2007) Κάθε ένα από τα τρισδιάστατα στοιχεία αντιπροσωπεύει μια ομογενή και ισότροπη περιοχή του υπεδάφους με σταθερή αντίσταση. Είναι προφανές ότι με τη χρήση αυτών των τρισδιάστατων στοιχείων κάθε κατανομή αντιστάσεων, όσο πολύπλοκη και να είναι, μπορεί να αναπαρασταθεί με μεγάλη πιστότητα. Η προσεγγιστική τιμή του δυναμικού U e a σε κάθε ένα ξεχωριστό στοιχείο e δίνεται από την σχέση U e a 8 niu i=1,2,, 8 (3.27) i 1 i όπου το u i είναι το δυναμικό στους οκτώ κόμβους του εξάεδρου στοιχείου και n i είναι οι συναρτήσεις παρεμβολής (shape functions or trial functions), που χρησιμοποιούνται για την προσέγγιση του δυναμικού στους οκτώ κόμβους του στοιχείου. Οι συναρτήσεις παρεμβολής για την περίπτωση των εξάεδρων στοιχείων έχουν την παρακάτω μορφή (Pridmore, 1978), 1 ni a xxi b yyi c 8abc zz i, i=1,2,,8 (3.28), όπου α, b και c είναι η πλευρές του εξάεδρου στοιχείου. Σύμφωνα με τις συμβάσεις που έχουν θεωρηθεί στην περίπτωση των πεπερασμένων στοιχείων (ομογενή και ισότροπα στοιχεία), τότε για κάθε ξεχωριστό στοιχείο, το δεύτερο μέλος της εξίσωσης (3.6) θα μηδενίζεται όταν δεν εισάγεται στο συγκεκριμένο στοιχείο ηλεκτρικό ρεύμα. 51

60 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Εφόσον καθορίστηκε η μορφή των συναρτήσεων παρεμβολής στην εξίσωση (3.27) απομένει να υπολογιστεί το άγνωστο δυναμικό u i στις κορυφές του εξάεδρου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται ένα κριτήριο βελτιστοποίησης, έτσι ώστε η διαφορά μεταξύ του προσεγγιστικού και του πραγματικού δυναμικού να είναι ελάχιστη. Το πιο διαδομένο κριτήριο που χρησιμοποιείται γενικά στην ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων είναι το κριτήριο Galerkin του σταθμισμένου σφάλματος (Galerkin weighted residual method, Burnet, 1989), σύμφωνα με το οποίο το σφάλμα μεταξύ του προσεγγιστικού και πραγματικού δυναμικού πρέπει να είναι ορθογώνιο προς τις συναρτήσεις παρεμβολής. Τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής του κριτηρίου Galerkin είναι πολύ σημαντικά, καθώς το πρόβλημα της επίλυσης της αρχικής διαφορικής εξίσωσης (3.6), της οποίας η αναλυτική λύση είναι πάρα πολύ δύσκολο να βρεθεί, μετασχηματίζεται σε ένα ισοδύναμο σύστημα γραμμικών εξισώσεων, το οποίο μπορεί να επιλυθεί με συγκεκριμένες αριθμητικές μεθόδους για τον υπολογισμό των δυναμικών σε διακριτά σημεία. Έτσι σύμφωνα με το κριτήριο ελαχιστοποίησης του Galerkin, η εξίσωση για κάποιο στοιχείο e γίνεται, e xyz, i=1,2,,8. (3.29) U n dxdydz f n dxdydz a i 0,, i e Αντικαθιστώντας την σχέση (3.27) στην (3.29) και πραγματοποιώντας ολοκλήρωση κατά μέρη προκύπτει, 8 2 n n n n n n x x y y z z i j i j i j dxdydz u j 2 f xyz,, ni dxdydz (3.30) j 1 e e e i=1,2,,8 Τα τριπλά ολοκληρώματα του αριστερού μέρους μπορούν να υπολογιστούν με αναλυτικό τρόπο (Pridmore, 1978) e e e n n x x i x x a bc j i j dxdydz 3 c b c yiy j b ziz j yiy jziz j BiB j n n y y i y y b ac j i j dxdydz 3 a c a ziz j c xix j xix jziz j CiC j n nj ziz i j dxdydz 3 a b b xix j a yiy j x x yy z z 8c ab DD i j i j i j (3.31) i, j = 1,2,,8 Οι παραπάνω ολοκληρώσεις πραγματοποιούνται ως προς το εξάεδρο στοιχείο που έχει διαστάσεις 2α, 2b και 2c, ως προς τους άξονες X, Y, Z αντίστοιχα. Έτσι η εξίσωση που 52

61 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης αντιστοιχεί σε κάθε ξεχωριστό στοιχείο, μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα στοιχειώδες γραμμικό σύστημα με την μορφή πινάκων e e e k u f (3.32) όπου k (e) είναι ο πίνακας δυσκαμψίας (stiffness matrix), f (e) είναι το διάνυσμα που περιέχει τις πληροφορίες για τις πηγές του ηλεκτρικού ρεύματος και u (e) είναι το διάνυσμα με το δυναμικό στους οκτώ κόμβους του στοιχείου. Τα στοιχεία του πίνακα δυσκαμψίας k (e υπολογίζονται με βάση την επίλυση των τριπλών ολοκληρωμάτων της σχέσης (3.31) και είναι BB 1 2 CC 1 2 DD BB 1 8 CC 1 8 DD B C D 1 8 u1 f B2 C2 D2 B2B8 C2C8 D2D 8 (3.33) e u 2 f B u 8 C8 D 8 8 f 8 Τα στοιχεία του διανύσματος f στο δεξιό σκέλος της εξίσωσης (3.32) θα ισούνται με μηδέν στην περίπτωση που καμιά πηγή ρεύματος δεν συμπίπτει με κάποιον από τους κόμβους του στοιχείου, αλλιώς θα έχουν τιμή 2I, όπου I είναι η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Εφόσον για κάθε ένα τρισδιάστατο στοιχείο, δημιουργήθηκε με την παραπάνω μεθοδολογία ένα στοιχειώδες γραμμικό σύστημα, το επόμενο βήμα είναι να ενωθούν όλα τα στοιχειώδη γραμμικά συστήματα που αντιπροσωπεύουν την λύση του δυναμικού σε κάθε ξεχωριστό στοιχείο σε ένα συνολικό γραμμικό σύστημα. Αυτό γίνεται λαμβάνοντας υπόψιν ότι τα στοιχεία έχουν κοινά σημεία μεταξύ τους και ότι οι συναρτήσεις παρεμβολής ορίστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ίδιες στους κοινούς κόμβους των στοιχείων. Εάν το τρισδιάστατο δίκτυο αποτελείται από E στοιχεία e, τότε E στοιχειώδεις γραμμικές εξισώσεις πρέπει να ενωθούν μεταξύ τους. Ο τρόπος σύνδεσης προκύπτει πολύ εύκολα (Burnett, 1989) προσθέτοντας τον στοιχειώδη πίνακα δυσκαμψίας k (e) στον ολικό πίνακα δυσκαμψίας K και το στοιχειώδη διάνυσμα f (e) στο ολικό διάνυσμα F. Το ολικό σύστημα των γραμμικών εξισώσεων θα έχει τη μορφή K V F (3.34) Μετά την δημιουργία του συνολικού συστήματος γραμμικών εξισώσεων, θα πρέπει να εφαρμοστούν και οι απαραίτητες οριακές συνθήκες που διέπουν την διαφορική εξίσωση Poisson. Οι οριακές συνθήκες Dirichlet και Neumann καθορίζουν την τιμή του δυναμικού και της πρώτης 53

62 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης παραγώγου του δυναμικού αντίστοιχα, στα σημεία που βρίσκονται στα όρια του τρισδιάστατου πλέγματος. Ομογενείς οριακές συνθήκες Dirichlet: Εάν τα τεχνητά όρια του τρισδιάστατου πλέγματος καθοριστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση σε σχέση με τις θέσεις των πηγών του ηλεκτρικού ρεύματος, τότε μπορεί να υποτεθεί ότι το δυναμικό στις οριακές επιφάνειες (Β ) είναι μηδέν, δηλαδή V (i,j,k) =0 για όλους τους κόμβους με i=1, j=1 και i=i max, j=j max και k=k max. Ομογενείς οριακές συνθήκες Neumann: Στην επιφάνεια αέρα εδάφους (Β ε ) η μεταβολή του δυναμικού σε μια διεύθυνση κάθετη στην επιφάνεια αυτή θα ισούται με μηδέν. Δηλαδή V i, j, k w 0 για όλους τους κόμβους του πλέγματος με x i όπου i=1,2, i max, y j με j=1,2,,i max και z k με k=1, όπου το w αντιπροσωπεύει το κάθετο διάνυσμα στη επιφάνεια αέρα/εδάφους. Εκτός από τις οριακές συνθήκες που πρέπει να εφαρμοστούν στις οριακές επιφάνειες του πλέγματος, πρέπει να καθοριστούν και οι οριακές συνθήκες μεταξύ των διαφορετικών στοιχείων, οι οποίες αποτελούνται από την συνέχεια του δυναμικού και την συνέχεια της πρώτης παραγώγου του δυναμικού σε διεύθυνση κάθετη στην επιφάνεια. Έτσι για δύο στοιχεία e 1 και e 2 με αντιστάσεις ρ 1 και ρ 2 αντίστοιχα, τα οποία μοιράζονται μία κοινή επιφάνεια και n είναι το κάθετο διάνυσμα στην κοινή αυτή επιφάνεια, προκύπτει ότι πρέπει να ισχύει 1 V 1 n e1 e2 e1 e2 V n e V 1. Οι συνθήκες αυτές εφαρμόζονται στους όρους του διανύσματος F e2 V και Σχήμα Οριακές επιφάνειες του τρισδιάστατου πλέγματος που προσομοιώνει τον υπό μελέτη χώρο (Papadopoulos, 2007). 54

63 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης 3.4 Ο αλγόριθμος αντιστροφής γεωηλεκτρικών δεδομένων DC_PRO Στην παρούσα διατριβή, για την επεξεργασία όλων των δεδομένων των γεωηλεκτρικών τομογραφιών που περιγράφονται στα επόμενα κεφάλαια, χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος που αναπτύχθηκε από τους Yi et al. (2001) ο οποίος χρησιμοποιώντας τα πεπερασμένα στοιχεία αντιμετωπίζει το πρόβλημα της τοπογραφικής διόρθωσης και στις 3 διαστάσεις. Ο κώδικας χρησιμοποιεί την μέθοδο Active Constraint Balancing (ACB) (Yi and Kim 2003) για να εγγυηθεί μεγάλη διακριτική ικανότητα και σταθερότητα κατά την αντιστροφή. Η μέθοδος ACB υπολογίζει χωρικά και χρονικά μεταβαλλόμενη τιμή για το συντελεστή Lagrange κατά την διάρκεια της επαναληπτικής διαδικασίας της αντιστροφής. Στη συνέχεια θα περιγραφούν συνοπτικά οι βασικές αρχές που διέπουν τον αλγόριθμο Επίλυση του ευθέως προβλήματος Οι Yi et al. (2001) διακριτοποίησαν το τρισδιάστατο χώρο με πλήθος πεπερασμένων εξάεδρων στοιχείων δημιουργώντας ένα ορθογώνιο πλέγμα, το οποίο στη συνέχεια στρεβλώσαν κατά την κατακόρυφη έννοια, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.11 για να προσομοιάσουν την πραγματική τοπογραφία. Στη συνέχεια αφού εφάρμοσαν κατάλληλες οριακές συνθήκες (Dey and Morison, 1979b) κατέληξαν σε μια εξίσωση για το σύστημα της μορφής (3.34) Η εξίσωση του συστήματος (3.34) επιλύεται με τη μέθοδο της ημιτελούς συζυγούς βαθμίδας Cholesky (ICCG) (Dey and Morison, 1979b), η οποία μπορεί να περιγραφεί σαν μια επαναληπτική διαδικασία επίλυσης πινάκων οπότε ελαχιστοποιείται η απαίτηση σε μνήμη και ο υπολογιστικός χρόνος. Στη συνέχεια φυσικά τα δυναμικά μετατρέπονται σε φαινόμενες αντιστάσεις, ανάλογα με τη γεωμετρία της χρησιμοποιούμενης διάταξης ηλεκτροδίων. Ο κώδικας επιτρέπει την χρησιμοποίηση διατάξεων 2 (πόλου πόλου), 3 (πόλου διπόλου) και 4 ηλεκτροδίων (διπόλου διπόλου), παρέχοντας παράλληλα στον χρήστη την δυνατότητα να τοποθετήσει τα ηλεκτρόδια του σε οποιοδήποτε σημείο στον χώρο. 55

64 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Σχήμα Παράδειγμα του 3-διάστατου πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων (Yi et al. 2001) Επίλυση του αντίστροφου προβλήματος Έπειτα από την διακριτοποίηση του χώρου (σχήμα 3.11) το κυριότερο βήμα είναι ο υπολογισμός του Ιακωβιανού πίνακα J, γνωστού και ως πίνακα ευαισθησίας. Για τον υπολογισμό αυτό οι Yi et al. (2001) υιοθέτησαν της αρχή της αντιμετάθεσης (reciprocity), όπως προτάθηκε από τους (Tripp et al., 1984). Με τη βοήθεια του Ιακωβιανού J το πρόβλημα γράφεται (Sasaki, 1994) με τη μορφή της (3.22). Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, dy είναι το διάνυσμα που περιγράφει τις διαφορές μεταξύ των υπολογιζόμενων δεδομένων για το αρχικό μοντέλο x και των πραγματικών μετρήσεων, ενώ dx είναι το διάνυσμα που περιέχει τις διορθώσεις στο αρχικό μοντέλο. Από την παραπάνω εξίσωση το διάνυσμα dx, υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ψευδο-αντίστροφο πίνακα J + (Yi and Kim 2003), dx J + dy ( J T J C T C) J T dy (3.35) όπου C είναι ο δεύτερης τάξης παράγοντας εξομάλυνσης και λ είναι ο χωρικά μεταβαλλόμενος πολλαπλασιαστής Lagrange λ(x,y,z). Η επίλυση του παραπάνω συστήματος πραγματοποιείται με τη βοήθεια γνωστών αλγορίθμων αντιστροφής πινάκων (μέθοδος LU). 56

65 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Ο υπολογισμός του χωρικά μεταβαλλόμενου συντελεστή λ, μέθοδος ACB, (Yi and Kim 2003) γίνεται ως εξής. Αρχικά υπολογίζεται ο πίνακας διακριτικής ικανότητας (resolution) (Menke 1984), R J + J (3.36) ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα φίλτρο με βάρος, το οποίο ασκείται στο διάνυσμα των διορθώσεων dx του μοντέλου, δηλαδή -1 dx RJ dy Rdx (3.37) g Το διάνυσμα dx g εκφράζει τις πραγματικές διορθώσεις που θα έπρεπε να γίνουν στο -1 αρχικό μοντέλο, οι οποίες θα υπολογίζονταν αν υπήρχε ο αντίστροφος του Ιακωβιανού, J. Εφόσον ο πίνακας διακριτικής ικανότητας R είναι το γινόμενο του Ιακωβιανού με τον ψευδοαντίστροφο πίνακα, είναι δυνατό να εκτιμηθεί κατά πόσο, για κάθε συγκεκριμένη παράμετρο η διαθέσιμη από τα αρχικά δεδομένα πληροφορία ορίζει τις ιδιότητες της ικανοποιητικά. Αν για συκεκριμένη παράμετρο η πληροφορία αρκεί για τον απόλυτο καθορισμό της ιδιότητας της, η αντίστοιχη γραμμή - διάνυσμα του πίνακα διακριτικής ικανότητας θα έχει τιμή κοντά στη μονάδα στον όρο που αντιστοιχεί στην παράμετρο αυτή, ενώ θα έχει σχεδόν μηδενικές τιμές στους υπόλοιπους όρους οι οποίοι αντιστοιχούν σε άλλες παραμέτρους. Στην αντίθετη περίπτωση όπου μια παράμετρος δεν ορίζεται ικανοποιητικά από τα δεδομένα, στην αντίστοιχη γραμμή - διάνυσμα καμμιά τιμή δεν θα είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τις άλλες. Για να ποσοτικοποιήσουν την ικανότητα επίλυσης κάθε παραμέτρου χρησιμοποιόντας τον πίνακα parameter resolution matrix, οι Yi et al. (2001), έκαναν χρήση του αναπτύγματος Backus - Gilbert (Menke 1984), η οποία υπολογίζει την χωρική κατανομή κάθε γραμμής - διάνυσμα του πίνακα διακριτικής ικανότητας. Μεγάλη τιμή του αναπτύγματος για μια παράμετρο σημαίνει πως η παράμετρος δεν είναι επαρκώς ορισμένη από τα δεδομένα ενώ μικρή τιμή δείχνει το αντίθετο. Έτσι έστω στην παράμετρο i, το ανάπτυγμα γράφεται: w 2 ij N ij ij j 1 SP 1 i S R (3.38) όπου Ν είναι το πλήθος των παραμέτρων και w ij είναι ένας παράγοντας βάρους, τον οποίο οι Yi et al. (2001) ορίζουν από την τιμή της απόστασης μεταξύ των παραμέτρων i και j. Ο πίνακας S ij έχει κατασκευαστεί ώστε να λαμβάνει υπόψη τους περιοριστικούς παράγοντες ή την όποια άλλη κανονικοποίηση κατά την αντιστροφή. Ο πίνακας αυτός παίρνει τιμή μονάδα όταν ο C ij της εξίσωσης (3.35) είναι διάφορος του μηδέν και γίνεται μηδέν σε όλες τις άλλες περιπτώσεις. Έτσι 57

66 Κεφάλαιο 3: Μέθοδος Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης αυτή η συνάρτηση διασποράς (spread function) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν εργαλείο εκτίμησης της ευαισθησίας του αντίστροφου προβλήματος. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται η μέθοδος Active Constraint Balancing (ACB) (Yi and Kim 2003), η τιμή του λ(x,y,z) καθορίζεται από το παραπάνω ανάπτυγμα και είναι: max log min SP log SP log log i log min log SPi log SPmin (3.39) log όπου max είναι ο συντελεστής Lagrange για την i παράμετρο, min SP i είναι η τιμή της συνάρτησης διασποράς για την i παράμετρο, min και max είναι η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή του συντελεστή Lagrange και SP και SP είναι οι ανώτερη και η κατώτερη τιμή της συνάρτησης διασποράς. Με τον τρόπο αυτό, μια παράμετρος η οποία ορίζεται πάρα πολύ καλά από τα δεδομένα, σχετίζεται με μικρή τιμή της συνάρτησης διασποράς και αντιστοιχεί σε μικρότερη τιμή του συντελεστή Lagrange και αντιστρόφως. min max Αυτή η διαδικασία καθορισμού της τιμής του συντελεστή Lagrange επαναλαμβάνεται σε κάθε επανάληψη του αλγόριθμου επίλυσης του γεωηλεκτρικού προβλήματος διότι ο πίνακας διακριτικής ικανότητας επηρεάζεται από τη γεωηλεκτρική δομή του υπό έρευνα χώρου. Η δομή αυτή τροποποιείται σε κάθε επανάληψη οπότε η χρήση χωρικά αλλά και χρονικά μεταβαλλόμενης τιμής του συντελεστή Lagrange συνεισφαίρει σημαντικά στην επίτευξη καλύτερου συνδυασμού σταθερότητας και εξομάλυνσης κατά την διαδικασία της αντιστροφής. Έχει παρατηρηθεί (Yi et al. 2001) πως η γεωηλεκτρική δομή του μοντέλου διαφοροποιείται σημαντικά στις πρώτες επαναλήψεις, ενώ συγκλίνει προς το τελικό μοντέλο στις τελευταίες επαναλήψεις. 58

67 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς 4 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΣΤΕΡΑΣ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της έρευνας περιοχής Περιστεράς με τη χρήση της μεθόδου της γεωηλεκτρικής τομογραφίας. Στόχος της εφαρμογής ήταν η πραγματοποίηση μιας πολύ λεπτομερούς έρευνας σε κλίμακα ικανή να εστιάζει σε γεωλογικά ερωτήματα που αφορούν στα πρώτα 100 περίπου μέτρα, ώστε να αναδειχθούν οι παράμετροι εκείνες που καθορίζουν τις δυσκολίες ενός τέτοιου εγχειρήματος, τόσο στο στάδιο της λήψης των μετρήσεων, όσο και στο στάδιο της επεξεργασίας ενός πολύ μεγάλου όγκου δεδομένων. Η θέση που επιλέχθηκε για την υλοποίηση της έρευνας προέκυψε μετά από αναζήτηση περιοχών που θα συνδυάζουν σχετικά ήπια γεωμορφολογία (αποφυγή εξαιρετικά απότομων πρανών και ρεμάτων) και όσο το δυνατό λιγότερα τεχνητά εμπόδια (π.χ. περιφράξεις, κτίσματα, ασφαλτοστρωμένους δρόμους), ώστε να είναι δυνατή η ανάπτυξη των καλωδίων για την υλοποίηση των ηλεκτρικών τομογραφιών. Επιπλέον, η πραγματοποίηση της έρευνας έπρεπε να γίνει σε μια περιοχή στην οποία, με βάση τα γεωλογικά δεδομένα, η γεωφυσική έρευνα θα αποκάλυπτε συγκεκριμένες διακριτές δομές (π.χ. υδροφόρα στρώματα, τεκτονικές επαφές κ.α). 4.1 Παρουσίαση της περιοχής Γεωλογικά χαρακτηριστικά Το ενδιαφέρον στράφηκε στις βόρειες πλαγιές της λεκάνης του Ανθεμούντα και ειδικότερα στην ευρύτερη περιοχή κοντά στο χωριό Λακκιά και μέχρι το χωριό Περιστερά. Η συγκεκριμένη περιοχή εμφανίζει αξιόλογες ρηξιγενείς δομές (σχήμα 4.1) που έχουν χαρτογραφηθεί, από το ΙΓΜΕ (χάρτες 1:50000) αλλά και από άλλους ερευνητές, ως βεβαιωμένες ή/και πιθανές, (Tranos et al 2004, Δρ. Α. Χατζηπέτρος, προσωπική επικοινωνία) μέσα στα Νεογενή και Τεταρτογενή ιζήματα που καλύπτουν τους σχηματισμούς του υποβάθρου. Επιπλέον στην ευρύτερη περιοχή εντοπίζονται επιφανειακές εμφανίσεις σχηματισμών του υποβάθρου (δουνίτες, περιδοτίτες, πυροξενίτες, γάββροι κ.α.), οι οποίες αναπτύσσονται σαν υποπαράλληλες ζώνες, με γενικότερη διεύθυνση ΒΔ ΝΑ και πλάτος το οποίο μειώνεται προς τα νότια. Οι τεκτονικές επαφές των σχηματισμών μεταξύ τους, η χαρτογράφηση τους και η εξέτασή των χαρακτηριστικών τους με γεωηλεκτρικές μεθόδους αποτελεί ένα ενδιαφέρον στόχο για έρευνα. Επιλέχθηκε να ερευνηθεί μια περιοχή διαστάσεων σχεδόν 500 Χ 500 μέτρα, ενώ η ακριβής θέση βρίσκεται νότια του χωριού Περιστερά και σε απόσταση περίπου 800 μέτρα νοτιοανατολικά από τον παλιό οικισμό Κάτω Περιστερά, ενώ απέχει περίπου 1700 μέτρα δυτικά από τη Λακκιά. 59

68 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα 4.1. Γεωλογικός χάρτης ευρύτερης περιοχής έρευνας. Διακρίνεται η ακριβής θέση που ερευνήθηκε. 60

69 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: Συμπληρωματικό Υπόμνημα Γεωλογικών Σχηματισμών Κωδικός Περιγραφή Σχηματισμού al Αλλουβιακές αποθέσεις -Ολόκαινο H.l Αμμούχες Αργιλοι - Ολόκαινο. Πλευρικά κορήματα: Συνήθως χαλαρά, προερχόμενα κυρίως από H.sc μεταμορφωμένα - Τεταρτογενές Αργιλικοί σχιστόλιθοι,πρασινωποί αμμούχοι, αδιαβάθμιτοι ψαμμίτες - Κατωτ- Ji-m?ag Μέσο Ιουρασικό M4-Pli.l Σειρά ερυθρών αργίλων - Α.Μειόκαινο -Κατωτ. Πλειστόκαινο M4-Pli.tv Τραβερτινοειδής ασβεστόλιθοι - Νεογενές n,n.q Διορίτης και Χαλαζιακός Διορίτης (Σύμπλεγμα Γερακινής) - Μεσοζωικό Ανώτερο σύστημα αναβαθμίδων.κροκάλες γενικά από μεταμορφωμένα, Pt.t1.c λιγότερο ασβεστολιθικές - Πλειστόκαιν Κατώτερο σύστημα αναβαθμίδων.αποτελείται από χαλίκια και κροκάλες Pt.t3.c ποικίλης προελεύσεως και σύστασης. Κατώτερο σύστημα αναβαθμίδων.χαλίκια και άμμοι κάτω από αργιλώδες Pt.t3.l κάλυμμα. Q.cs1 Ριπίδια προσχώσεων - Τεταρτογενές αδιαίρετο Λευκοκρατικός αλβιτικός-σερικιτικός-μικροκλινικός Γνεύσιος - Μαγματική σειρά sch,gn Χορτιάτη- Μεσοζωικό Tm-s?k Ασβεστόλιθοι ανακρυσταλλωμένοι - Ανώτ. Τριαδικό θ1 Γάββρος π.ο. Δουνίτες και Περιδοτίτες, υπερβασικό πρ Πυροξενίτες, υπερβασική σειρά Γεωλογία της θέσης έρευνας Εξετάζοντας την ευρύτερη περιοχή όπου υλοποιήθηκαν οι μετρήσεις παρατηρούμε ότι πρόκειται για τμήμα της κοιλάδας της Περιστεράς. Όπως προαναφέρθηκε η δημιουργία της οφείλεται στα πολυάριθμα ρήγματα γενικής παράταξης ΒΑ ΝΔ, τα οποία σε συνδυασμό με τα διαδοχικά αντιθετικά ρήγματα παράταξης Α Δ υποβάθρου και τον σχηματισμό της με τη σημερινή μορφή. προκάλεσαν την ταπείνωση του Εξετάζοντας τη συγκεκριμένη περιοχή στην οποία υλοποιήθηκε η γεωφυσική έρευνα, όπως φαίνεται σε μεγαλύτερη κλίμακα στο σχήμα (4.2) μπορούμε να διακρίνουμε ότι η περιοχή κατά κύριο λόγο καλύπτεται από ιζήματα της σειράς των ερυθρών αργίλων (M 4 -Pli.l) ηλικίας Α. Μειόκαινου Κατώτ. Πλειόκαινου. Προς τα νότια οι σχηματισμοί αυτοί καλύπτονται από σχηματισμούς που αποτελούνται από χαλίκια και άμμους κάτω από αργιλώδες κάλυμμα, γνωστούς ως κατώτερο σύστημα αναβαθμίδων. Στα νότια της περιοχής που υλοποιήθηκαν οι 24 τομογραφίες υπάρχει ένα έξαρμα των σχηματισμών του υποβάθρου. Εντοπίζονται δουνίτες και περιδοτίτες οι οποίοι εφάπτονται με γαββρικά πετρώματα προς τα ανατολικά. Οι επαφή των σχηματισμών αυτών περιγράφεται ως τεκτονική. Στα ανατολικά όρια της εικόνας διακρίνουμε την τεκτονική επαφή των γαββρικών σχηματισμών με διορίτες και χαλαζιακούς διορίτες του συμπλέγματος της Γερακινής, αλλά και γνευσίους της μαγματικής σειράς του Χορτιάτη. Η διαδοχή των σχηματισμών αυτών σε τόσο μικρή 61

70 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς απόσταση υποδεικνύει τον έντονο τεκτονισμό που δημιούργησε την λεκάνη της Περιστεράς και επικράτησε γενικότερα στο βόρειο τμήμα της λεκάνης του Ανθεμούντα. Επιπλέον στην περιοχή έχουν χαρτογραφηθεί, πιθανά αλλά και βεβαιωμένα ρήγματα το οποία εκτός από τους βραχώδεις σχηματισμούς έχουν επηρεάσει και τα υπερκείμενα ιζήματα. Το πάχος των ιζημάτων στη θέση που ερευνήθηκε δεν αναμένεται να ξεπερνάει τις μερικές δεκάδες μέτρα, λόγω της γειτνίασης με τις επιφανειακές εμφανίσεις των πετρωμάτων στα νότια ενώ ιδιαίτερες αναμένονται να είναι οι υδρογεωλογικές συνθήκες που δημιουργούν τα διερχόμενα ρήγματα. Σχήμα 4.2. Λεπτομερής γεωλογικός χάρτης της θέσης των 24 γεωηλεκτρικών τομογραφιών. 62

71 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα 4.3. Παρουσίαση της θέσης των 24 γεωηλεκτρικών τομογραφιών σε τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:5000 της Γ.Υ.Σ. 63

72 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς 4.2 Εξοπλισμός Τρόπος υλοποίησης των μετρήσεων Στην περιοχή που επιλέχθηκε για την υλοποίηση της έρευνας σχεδιάστηκε ένας πυκνός κάνναβος 24 παράλληλων ηλεκτρικών τομογραφιών, ενώ η μεταξύ τους απόσταση αποφασίστηκε να είναι 20 μέτρα (βλ. σχήμα 4.3). Για την υλοποίηση των μετρήσεων το όργανο που χρησιμοποιήθηκε έχει μέγιστο αριθμό ηλεκτροδίων μέτρησης ίσο με 48 και έτσι αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί απόσταση ηλεκτροδίων α=10 μέτρα. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παραμέτρους η περιοχή έρευνας είχε διαστάσεις 470 Χ 460 μέτρα με διακριτική ικανότητα 10 μέτρα παράλληλα στον άξονα των τομογραφιών και 20 μέτρα κάθετα σε αυτές. Λαμβάνοντας υπόψη τη γεωλογία και τα τεκτονικά στοιχεία της περιοχής οι τομογραφίες προσανατολίστηκαν στη διεύθυνση ΒΒΑ ΝΝΔ, ώστε η μέγιστη διακριτική ικανότητα να είναι σε περίπου κάθετη διεύθυνση σε σχέση με τα χαρτογραφημένα ρήγματα που διέρχονται εντός της περιοχής έρευνας. Για την λήψη των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε το SYSCAL PRO Resistivity Meter της IRIS. Πρόκειται για ένα πολυκάναλο όργανο καταγραφής εδικής ηλεκτρικής αντίστασης το οποίο συνδυάζει πηγή τροφοδοσίας ρεύματος, καταγραφικό διαφορών δυναμικού και ένα πολυπλέκτη καλώδιων σε μία συσκευασία. Επιπλέον το όργανο έχει τη δυνατότητα παράλληλων μετρήσεων επαγόμενης πολικότητας (Induced Polarisation). Η τροφοδοσία του γίνεται από εσωτερική μπαταρία, ενώ μπορεί να συνδεθεί και με εξωτερική μπαταρία 12 Volt. Οι μετρήσεις γίνονται αυτόματα, εφόσον ο χρήστης έχει τροφοδοτήσει το Syscal Pro με ένα αρχείο που καθορίζει ποιες μετρήσεις θα ληφθούν και έχει καθορίσει τις παραμέτρους λειτουργίας του (μέγιστες τιμές ρεύματος ή διαφοράς δυναμικού, πλήθος επαναλήψεων σε κάθε μέτρηση κλπ ). Το όργανο αυτό έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης μετρήσεων, ενώ διαθέτει 10 κανάλια μέτρησης διαφοράς δυναμικού, με δυνατότητα να τα χρησιμοποιεί ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα η λήψη μετρήσεων να πραγματοποιείται σε χρόνο υποπολλαπλάσιο από ότι με ένα συμβατικό μονοκάναλο όργανο. Τα χαρακτηριστικά του Syscal Pro είναι: Μέγιστο δυναμικό στην πηγή 800 V (switch mode) και 1000 V (manual mode), Μέγιστο ρεύμα εξόδου 2.5 Α Μέγιστη ισχύς 250 Watt Εσωτερική εμπέδηση 100 ΜΩ Εσωτερικό φίλτρο Hz Ακρίβεια μέτρησης δυναμικού 0,2% και διακριτική ικανότητα 1 μv 64

73 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Παρελκόμενα εξοπλισμού - ιδιοκατασκευές Το Syscal Pro περιλαμβάνει, όπως προαναφέρθηκε, έναν εσωτερικό πολυπλέκτη (switch) ο οποίος δίνει τη δυνατότητα σύνδεσης 48 (1 24 και 25 48) ηλεκτροδίων με τη βοήθεια 2 υποδοχών. Για την υλοποίηση των μετρήσεων ήταν απαραίτητο να κατασκευαστούν 2 καλώδια με 24 κανάλια το κάθε ένα. Εφόσον οι αποστάσεις των ηλεκτροδίων θα ήταν 10 μέτρα έπρεπε πλέον να κατασκευαστούν τα αντίστοιχα καλώδια. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 7,2 χιλιόμετρα καλωδίου, τα οποία κόπηκαν στις κατάλληλες αποστάσεις και δέθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργηθούν 2 πολύκλωνα καλώδια μήκους 240 μέτρων το κάθε ένα. Οι 24 κλώνοι καταλήγουν σε ειδικό σύνδεσμο όπως φαίνεται στη φωτογραφία (σχήμα 4.4). Για να συνδεθούν τα καλώδια με τον πολυπλέκτη του Syscal Pro, κατασκευάστηκαν 2 αυτοσχέδια κουτιά τα οποία μετατρέπουν σύνδεσμο στρατιωτικού τύπου σε σύνδεσμο τύπου όμοιο με αυτό του Syscal Pro. Σε κάθε κουτί προστέθηκαν και 24 θηλυκές υποδοχές (μπόρνες) συνδεδεμένες κατάλληλα ώστε να είναι δυνατή η χρήση του κουτιού και με άλλα καλώδια χωρίς τη χρήση ειδικού συνδέσμου. Τέλος, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν ειδικά καρούλια μεταφοράς για να διευκολύνουν το άπλωμα και το τύλιγμα των καλωδίων. Σχήμα 4.4. Φωτογραφίες των παρελκομένων που κατασκευάστηκαν για τις ανάγκες υλοποίησης των μετρήσεων. 65

74 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Πρωτόκολλα μετρήσεων Το Syscal Pro, όπως και όλα τα αυτοματοποιημένα όργανα μέτρησης γεωηλεκτρικής αντίστασης που συνεργάζονται ή περιλαμβάνουν πολυπλέκτη για την υλοποίηση τομογραφικών μετρήσεων, διαβάζουν την σειρά των μετρήσεων που θα υλοποιήσουν από αρχείο το οποίο ο χρήστης έχει κατασκευάσει και τροφοδοτήσει σε αυτό. Στην περίπτωση του Syscal Pro χρησιμοποιείται αρχείο κειμένου με πολύ απλή δομή. Στην αρχή του αρχείου υπάρχουν γενικές πληροφορίες (όνομα, ημερομηνία κ.α) και τιμές παραμέτρων για τη λειτουργία του οργάνου (τύπος δεδομένων, τύπος διάταξης πλήθος δεδομένων που θα ληφθούν κ.α.), ενώ στη συνέχεια ακολουθούν διαδοχικές σειρές, σε κάθε μια από τις οποίες περιέχονται, σε διαδοχικές στήλες, οι αριθμοί-ταυτότητα των ηλεκτροδίων που θα χρησιμοποιηθούν για ηλεκτρόδια ρεύματος (Α & Β) και ηλεκτρόδια δυναμικού (Μ & Ν). Η κατασκευάστρια εταιρεία συνοδεύει το όργανο με μια εφαρμογή (Electre II) που δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να δημιουργήσει ένα τέτοιο αρχείο, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως πρωτόκολλο, προσφέροντας την δυνατότητα οπτικοποίησης του αρχείου αυτού. Όπως είναι η συνήθης τακτική σε τέτοιου τύπου μετρήσεις χρησιμοποιούνται περισσότερες από μια διατάξεις ηλεκτροδίων για να υπάρχει η δυνατότητα εκμετάλλευσης (κυρίως στο στάδιο της ερμηνείας) των διαφορετικών πλεονεκτημάτων της κάθε μιας όπως περιγράφονται και στο σχετικό κεφάλαιο. Οι διατάξεις που προτιμήθηκαν ήταν οι διπόλου διπόλου, πόλου διπόλου και η Wenner Schlumberger. Όπως φαίνεται και στα σχήματα (4.5), (4.6) και (4.7) το πρωτόκολλο των μετρήσεων σχεδιάστηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να εκμεταλλευτεί τη μέγιστη δυνατή διακριτική ικανότητα, που είναι ανάλογη της ελάχιστης απόστασης των ηλεκτροδίων α=10 μέτρα το μέγιστο βάθος διασκόπησης, έχοντας σαν δεδομένο το ότι έχουμε 48 ηλεκτρόδια στη διάταξη μας. Οι μετρήσεις πρώτα περιλάμβαναν όλους τους δυνατούς, για κάθε διάταξη που μετρήσαμε, συνδυασμούς ηλεκτροδίων χρησιμοποιώντας σαν απόσταση ηλεκτροδίων δυναμικού τα 10 μέτρα (α=10μ) και μέγιστη απόσταση μεταξύ ηλεκτροδίων ρεύματος και ηλεκτροδίων δυναμικού n*α=80. Η επιλογή αυτή έγινε γιατί για μεγαλύτερες τιμές της παραμέτρου n ο γεωμετρικός παράγοντας Κ της κάθε μέτρησης μεγαλώνει σημαντικά με αποτέλεσμα μικρές μεταβολές της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού ΔV να μεταφράζονται σε σημαντικά διαφορετικές τιμές ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης και άρα να αυξάνουμε την πιθανότητα σφάλματος στις μετρήσεις μας. Στις αρχικές μετρήσεις προστέθηκαν οι μετρήσεις που μπορούσαν να ληφθούν με απόσταση ηλεκτροδίων ρεύματος και ηλεκτροδίων δυναμικού 2*α, πάλι για μέγιστη απόσταση n*2*α=160 και επιπλέον οι μετρήσεις που μπορούσαν να ληφθούν με απόσταση ηλεκτροδίων ρεύματος και ηλεκτροδίων δυναμικού 3*α. Όπως φαίνεται στα σχήματα το πλήθος των δεδομένων που συλλέχθηκαν για κάθε μια από τις 24 γεωηλεκτρικές τομογραφίες ήταν 2160 ή πιο αναλυτικά: Διάταξη διπόλου διπόλου : 780 μετρήσεις 66

75 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Διάταξη πόλου διπόλου : 828 μετρήσεις και Διάταξη Wenner Schlumberger: 552 μετρήσεις Σχήμα 4.5. Εικόνα από το λογισμικό Electre II στην οποία φαίνεται, με τη μορφή ψευδοτομής, η κατανομή στο χώρο των μετρήσεων ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης χρησιμοποιώντας τη διάταξη Διπόλου Διπόλου. Σχήμα 4.6. Εικόνα από το λογισμικό Electre II στην οποία φαίνεται, με τη μορφή ψευδοτομής, η κατανομή στο χώρο των μετρήσεων ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης χρησιμοποιώντας τη διάταξη Πόλου Διπόλου. 67

76 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα 4.7. Εικόνα από το λογισμικό Electre II στην οποία φαίνεται, με τη μορφή ψευδοτομής, η κατανομή στο χώρο των μετρήσεων ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης χρησιμοποιώντας τη διάταξη Wenner - Schlumberger. Πρώτα μετρήθηκαν οι τομογραφίες Τ01 έως Τ05 που φαίνονται στην ανατολικότερη πλευρά του χώρου που μελετήθηκε (σχήμα 4.3). Η συνέχιση της έρευνας προς τα δυτικά αποφασίστηκε μετά την αρχική ερμηνεία των πρώτων 5 τομογραφιών, αφού εκτιμήθηκε ότι οι γεωλογικές δομές και κυρίως το βάθος των σχηματισμών του υποβάθρου θα γινόταν μικρότερο προς τη δύση. Για την υλοποίηση των μετρήσεων, έγινε προσπάθεια να ελαχιστοποιηθούν στο μέγιστο βαθμό οι μετακινήσεις των καλωδίων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν 48 πρόσθετα (όσα και τα ηλεκτρόδια σε κάθε τομογραφία) μονόκλονα καλώδια μήκους 40 μέτρων, το κάθε ένα τα οποία συνδέονταν με τα δύο 24-κάναλα καλώδια που είχαν ήδη κατασκευαστεί. Σε κάθε μέρα εργασιών υπαίθρου γινόταν προσπάθεια να πραγματοποιηθούν 5 τομογραφίες, χωρίς όμως ο στόχος αυτός να είναι πάντα εφικτός. Εφόσον οι θέσεις των ηλεκτροδίων για κάθε τομογραφία ήταν γνωστές εκ των προτέρων, τα βήματα που ακολουθούσαμε κάθε φορά ήταν τα παρακάτω (βλέπε σχήμα 4.8): i. Συγκέντρωση των μηχανημάτων και των παρελκομένων στο κέντρο της 3 ης από τις 5 προγραμματισμένες γεωηλεκτρικές τομογραφίες (δηλαδή μεταξύ 24 ου και 25 ου ηλεκτροδίου) και άπλωμα των δύο 24-κάναλων καλωδίων με τη χρήση των καρουλιών. ii. Σύνδεση σε κάθε γυμνή έξοδο του βασικού καλωδίου ενός πρόσθετου τμήματος των 40 μέτρων. 68

77 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς iii. Τοποθέτηση των ηλεκτροδίων στην προκαθορισμένη θέση και σύνδεση των αντίστοιχων καλωδίων με αυτά. Έλεγχος της συνέχειας του κυκλώματος και της αντίστασης επαφής των ηλεκτροδίων με το έδαφος iv. Λήψη των μετρήσεων Με την ολοκλήρωση της διαδικασίας λήψης των μετρήσεων, πραγματοποιούνταν ποιοτικός έλεγχος των δεδομένων και έπειτα τα ηλεκτρόδια μετακινούνταν 20 μέτρα παράλληλα στη θέση της διπλανής τομογραφίας και η διαδικασία μέτρησης επαναλαμβάνονταν. Η παραπάνω διαδικασία φαίνεται παραστατικά στα σχήματα που ακολουθούν. Βήμα i Βήμα ii Βήμα iii&iv Επανάληψη iii & iv στην επόμενη θέση Σχήμα 4.8. Γραφική απεικόνιση του τρόπου πραγματοποίησης των μετρήσεων κάθε μέρα (βλέπε κείμενο) 69

78 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς 4.3 Αποτελέσματα και ερμηνεία 2-διαστάσεων και 3- διαστάσεων Στην παρούσα παράγραφο παρουσιάζονται οι γεωηλεκτρικές τομογραφίες που περιγράφηκαν παραπάνω. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν το φθινόπωρο του 2007 και απαιτήθηκαν περισσότερες από 32 εργατο-ημέρες για να ολοκληρωθούν. Για κάθε μία από τις 24 τομογραφίες παρουσιάζονται στο πίνακα 4.2 οι συντεταγμένες του 1 ου, του 24 ου και 25 ου και του 48 ου ηλεκτροδίου (Σύστημα Συντεταγμένων : ΕΓΣΑ-1987). ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2 Συντεταγμένες ηλεκτροδίων σε ΕΓΣΑ 87 ΟΝΟΜΑ X Y ΟΝΟΜΑ X Y ΟΝΟΜΑ X Y T24_ , ,1 T07_ , ,9 T14_ , T23_ ,2 T06_ , T13_ ,1 T22_ , ,2 T05_ , ,1 T12_ , ,2 T21_ , ,3 T04_ , ,2 T11_ , ,3 T20_ , ,4 T03_ , ,3 T10_ , ,3 T19_ , ,5 T02_ , ,4 T09_ , ,4 T18_ ,6 T01_ , ,4 T08_ , ,5 T17_ , ,7 T24_ , ,7 T07_ , ,6 T16_ , ,7 T23_ ,8 T06_ , ,7 T15_ , ,8 T22_ , ,9 T05_ , ,8 T14_ , ,9 T21_ , T04_ , ,8 T13_ , T20_ , ,1 T03_ , ,9 T12_ , ,1 T19_ , ,1 T02_ , T11_ , ,2 T18_ ,2 T01_ , ,1 T10_ , ,2 T17_ , ,3 T09_ , ,3 T16_ , ,4 T08_ , ,4 T15_ , ,5 T07_ , ,5 T14_ , ,6 T06_ , ,6 T13_ , ,6 T05_ ,7 T12_ , ,7 T04_ , ,7 T11_ , ,8 T03_ , ,8 T10_ , ,9 T02_ , ,9 T09_ , T01_ , T08_ , ,1 T24_ , ,5 T07_ , ,1 T23_ , ,6 T06_ , ,2 T22_ , ,7 T05_ ,3 T21_ , ,8 T04_ , ,4 T20_ , ,9 T03_ , ,5 T19_ , ,9 T02_ , ,6 T18_ T01_ , ,6 T17_ , ,1 T24_ , ,2 T16_ , ,2 T23_ , ,3 T15_ , ,3 T22_ , ,3 T14_ , ,4 T21_ , ,4 T13_ ,4 T20_ , ,5 T12_ , ,5 T19_ , ,6 T11_ , ,6 T18_ ,7 T10_ , ,7 T17_ , ,8 T09_ , ,8 T16_ , ,8 T08_ , ,9 T15_ , ,9 70

79 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αποτελέσματα 2-διαστατης αντιστροφής Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την επιλογή των δεδομένων που θα χρησιμοποιούνταν περιλάμβανε την αντιστροφή κάθε μιας ομάδας δεδομένων για κάθε μία από τις τρεις διαφορετικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν κατά την λήψη των μετρήσεων (πόλου διπόλου, διπόλου διπόλου και Wenner Schlumberger). Στη συνέχεια, πάλι για όλες τις τομογραφίες, πραγματοποιήθηκαν αντιστροφές με το σύνολο των δεδομένων της διάταξης πόλου διπόλου και της διάταξης διπόλου διπόλου αρχικά και της διάταξης πόλου διπόλου και Wenner Schlumberger στη συνέχεια. Τέλος, για κάθε μία τομογραφία, δοκιμάστηκε η ταυτόχρονη αντιστροφή των δεδομένων όλων των διατάξεων. Όπως ήταν αναμενόμενο, η διαφορετική ευαισθησία των τριών διατάξεων (Tsourlos, 1995) και κυρίως ο διαφορετικός λόγος σήματος προς θόρυβο (Ward, 1990) είχε σαν αποτέλεσμα σημαντική διαφοροποίηση του τελικού μοντέλου κατανομής ηλεκτρικών αντιστάσεων του υπεδάφους. Στο σχήμα 4.9 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των διαφορετικών διατάξεων και των διαφορετικών δοκιμών αντιστροφής για την περίπτωση της τομογραφίας Τ01. Παρατηρείται η πολύ σημαντική διαφοροποίηση της εικόνας στην περίπτωση των δεδομένων της διάταξης διπόλου διπόλου. Το γεγονός αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τις ιδιαίτερα χαμηλές αντιστάσεις που κυριαρχούν, κυρίως επιφανειακά στην περιοχή, σε συνδυασμό με τις μεγάλες τιμές γεωμετρικού παράγοντα που έχει η διάταξη διπόλου διπόλου. Το αποτέλεσμα είναι, αυτή η διάταξη, να έχει συνολικά μικρότερο λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N) και να μην μπορεί να διακρίνει τις πλευρικές ασυνέχειες που διακρίνονται από τις μετρήσεις της πόλου διπόλου (οι οποίες αναμένονται στην περιοχή). Η παρατήρηση αυτή οδήγησε στο να απορριφθούν τα δεδομένα της διάταξης διπόλου - διπόλου. Η διαδικασία ελέγχου των αποτελεσμάτων της αντιστροφής για όλες τις διατάξεις και τους συνδυασμούς έγινε για όλες τις τομογραφίες και τελικά επιλέχθηκε η συνδυασμένη αντιστροφή των δεδομένων από τις διατάξεις πόλου διπόλου και Wenner Schlumberger ως η καταλληλότερη για να περιγράψει τις δομές στη συγκεκριμένη περιοχή. 71

80 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Πόλου Διπόλου & Wenner Schlumberger (RMS: 3,2%) Διπόλου Διπόλου & Wenner Schlumberger (RMS: 3,2%) Πόλου Διπόλου & Διπόλου Διπόλου (RMS: 4,7%) Wenner Schlumberger (RMS: 3,2%) Διπόλου Διπόλου (RMS: 5,8%) Πόλου Διπόλου (RMS: 3,2%) Σχήμα 4.9. Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ01 από έξι διαφορετικές ομάδες δεδομένων. 72

81 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων γίνεται στα σχήματα έως Η σειρά παρουσίασης είναι ίδια με τη σειρά υλοποίησης και ξεκινάει από τα ανατολικά (τομογραφία Τ-01) προς τα δυτικά (Τ-24). Στο κάτω μέρος κάθε σχήματος παρουσιάζεται το αποτέλεσμα της δισδιάστατης αντιστροφής της κάθε τομογραφίας. Ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στην οριζόντια απόσταση από την αρχή της τομογραφίας, η οποία τοποθετείτε στο δεξιό άκρο του σχήματος ενώ ο κατακόρυφος άξονας δείχνει το βάθος διασκόπησης. Η χρωματική κλίμακα είναι κοινή για όλα τα σχήματα και παρουσιάζει τις μικρές τιμές ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (Ohmm) με μπλε χρώμα ενώ με βαθύ κόκκινο χρώμα παρουσιάζονται οι υψηλές τιμές. Στο πάνω μέρος του κάθε σχήματος παρουσιάζεται, μια κάτοψη του γεωλογικού χάρτη της περιοχής, στην οποία ο αναγνώστης μπορεί να δει την θέση της τομογραφίας που παρουσιάζεται κάθε φορά, ενώ στο δεξιό τμήμα φαίνεται σε τρισδιάστατη απεικόνιση το αποτέλεσμα της κάθε τομογραφίας μαζί με την γεωλογία της περιοχής. Με μαύρες στικτές γραμμές διακρίνονται τα ρήγματα που διέρχονται από την περιοχή ώστε να μπορεί να γίνει πιο εύκολα κατανοητή η σχέση των δομών αυτών με τη γεωηλεκτρική εικόνα. Στον πίνακα 4.3 παρουσιάζονται, το σύνολο των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκε για κάθε μια ηλεκτρική τομογραφία και το τελικό σφάλμα μεταξύ των πραγματικών και των θεωρητικών δεδομένων που υπολογίστηκε κατά την διαδικασία της αντιστροφής. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.3: Στοιχεία για την δισδιάστατη (2D) αντιστροφή των γεωηλεκτρικών τομογραφικών δεδομένων. Ηλεκτρική Τομογραφία Πλήθος δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν (αρχικά δεδομένα: 1840 ) Τελικό Σφάλμα RMS (%) T ,3 T ,9 T ,5 T ,7 T ,4 T ,8 T ,7 T ,4 T ,4 T ,8 T ,9 T ,1 T ,0 T ,6 T ,3 T ,0 T ,7 T ,8 T ,2 T ,5 T ,1 T ,7 T ,4 T ,5 73

82 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ01 (RMS: 3.3%) 74

83 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ02 (RMS: 7.9%) 75

84 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ03 (RMS: 8.5%) 76

85 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ04 (RMS: 8.7%) 77

86 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ05 (RMS: 2.4%) 78

87 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ06 (RMS: 2.8%) 79

88 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ07 (RMS: 2.7%) 80

89 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ08 (RMS: 7.4%) 81

90 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ09 (RMS: 5.4%) 82

91 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ10 (RMS: 5.8%) 83

92 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ11 (RMS: 5.1%) 84

93 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ12 (RMS: 5.1%) 85

94 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ13 (RMS: 7.0%) 86

95 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ14 (RMS: 4.6%) 87

96 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ15 (RMS: 5.3%) 88

97 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ16 (RMS: 4.0%) 89

98 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ17 (RMS: 3.7%) 90

99 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ18 (RMS: 3.8%) 91

100 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ19 (RMS: 3.2%) 92

101 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ20 (RMS: 3.5%) 93

102 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ21 (RMS: 2.1%) 94

103 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ22 (RMS: 3.7%) 95

104 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ23 (RMS: 7.4%) 96

105 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Αποτέλεσμα δισδιάστατης (2D) ερμηνείας της τομογραφία Τ24 (RMS: 6.5%) 97

106 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Ερμηνεία 2 διαστάσεων Οι παραπάνω εικόνες των αποτελεσμάτων μας προσφέρουν τη δυνατότητα να παρακολουθήσουμε τον τρόπο, με τον οποίο διατάσσονται οι γεωλογικοί σχηματισμοί για την περιοχή που ερευνήθηκε διαστάσεων 470 Χ 460 μέτρα. Το βάθος διασκόπησης φτάνει στα 120 περίπου μέτρα, επιτυγχάνοντας να εντοπίσει τους σχηματισμούς που αποτελούν το υπόβαθρο στο μεγαλύτερο τμήμα της περιοχής. Όπως προαναφέρθηκε η διακριτική ικανότητα των μετρήσεων είναι σημαντική και μας επιτρέπει την αναζήτηση δομών ή πακέτων ιζημάτων πολύ περιορισμένης έκτασης (~ 5 μέτρα). Όπως έχει αναφερθεί και νωρίτερα, οι μόνες πληροφορίες που γνωρίζουμε για την συγκεκριμένη θέση προκύπτουν από την επιφανειακή χαρτογράφηση των γεωλογικών σχηματισμών αλλά και από τα χαρτογραφημένα ρήγματα (βεβαιωμένα ή πιθανά). Από την άλλη μεριά, το εύρος των τιμών της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης κυμαίνεται από λίγα Ohmm μέχρι μερικές χιλιάδες Ohm-m. Οι τιμές αυτές αντιστοιχούν σε μια ποικιλία σχηματισμών που μπορεί να είναι καθαρές αργιλικές αποθέσεις έως και συμπαγείς σχηματισμοί του υποβάθρου. Προκειμένου να μπορέσουμε να ερμηνεύσουμε γεωλογικά την γεωηλεκτρική εικόνα έγινε μια προσπάθεια συσχέτισης ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων με γεωλογικούς σχηματισμούς ή ομάδες σχηματισμών βασισμένη στην βιβλιογραφία (Καλλέργης 1999), στην γενικότερη γεωηλεκτρική εικόνα που παρατηρήθηκε στις 24 τομογραφίες αλλά και στις βυθοσκοπήσεις που έχουν υλοποιηθεί στη λεκάνη του Ανθεμούντα (Βαργεμέζης 2006). Η συσχέτιση παρουσιάζεται στο πίνακα 4.4 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.4: Συσχέτιση τιμών ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με λιθοστρωματογραφικές ενότητες Ειδική ηλεκτρική Log(r) Είδος σχηματισμού αντίσταση (Ohmm) 0-10 <1 Αργιλικά στρώματα - A ,30 Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια B ,48 Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων C ,48 1,7 Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία D ,7 1,9 Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F ,9 2,18 Μανδύας αποσάθρωσης F >150 >2,18 Σχηματισμός υποβάθρου G E 98

107 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Χρησιμοποιώντας την χρωματική κλίμακα του πίνακα (4.4) οι 24 γεωηλεκτρικές τομογραφίες (σχήματα έως ΧΧ) μεταφράζονται στις γεωλογικές τομές που παρουσιάζονται στα σχήματα έως Η έντονη διαφοροποίηση που μπορεί να παρουσιάζει η σύσταση, η υγρασία και η τεκτονική καταπόνηση ενός σχηματισμού μπορεί να προκαλέσει μεγάλες μεταβολές στην τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης που αυτός θα παρουσιάσει. Επιπλέον, ιδιαίτερη δυσκολία παρουσιάζουν σχηματισμοί που ανήκουν στη κατηγορία Ε, παρουσιάζουν δηλαδή τιμές αντίστασης από 50 μέχρι περίπου 80 Ohm-m. Οι τιμές αυτές, όπως φαίνεται στον πίνακα (4.4) μπορούν να αποδοθούν σε μαργαϊκούς σχηματισμούς, είναι δυνατό όμως να οφείλονται και σε προσμίξεις υλικών της κατηγορίας D όταν από αυτά απουσιάζει η υδροφορία. Επίσης παρόμοιες τιμές αντιστάσεων μπορεί να εμφανίζουν και σχηματισμοί του υποβάθρου, όταν έχουν υποστεί πολύ έντονο τεκτονισμό και είναι πάρα πολύ καταπονημένοι. Ερμηνεύοντας γεωλογικά τις 24 γεωηλεκτρικές τομογραφίες παρατηρούμε κάποια κοινά χαρακτηριστικά. Το σημαντικότερο από αυτά είναι πως σε όλες εντοπίζεται ο σχηματισμός του υποβάθρου (σχηματισμός G). Ειδικότερα, το μέσο βάθος στο οποίο συναντάται είναι περίπου μέτρα στο βόρειο άκρο ενώ προς τα νότια το βάθος μειώνεται σημαντικά. Δεύτερο κοινό χαρακτηριστικό σε όλες τις τομές είναι η κυριαρχία των αργιλικών υλικών (σχηματισμός Α). Η εικόνα των αργιλικών υλικών σε όλη την επιφάνεια της περιοχής που ερευνήθηκε είναι σε απόλυτη συμφωνία με τα στοιχεία της γεωλογικής χαρτογράφησης, τα οποία δείχνουν πως η σειρά ερυθρών αργίλων επικρατεί στην περιοχή μελέτης. Παρατηρώντας την εικόνα των γεωλογικών τομών από τα ανατολικά προς τα δυτικά φαίνεται πολύ έντονα μια ζώνη με εύρος 40 έως 50 μέτρα, η οποία διακόπτει την συνέχεια του σχηματισμού του υποβάθρου. Η ζώνη αυτή, η οποία αποδίδεται στην ύπαρξη ρηξιγενούς δομής, εντοπίζεται με παρόμοια χαρακτηριστικά στις τομές Τ01 έως Τ06, είναι σχεδόν κατακόρυφη και ταπεινώνει το υπόβαθρο προς τα βόρεια. Το ρήγμα παρουσιάζεται πληρωμένο με υλικά χαμηλής αντίστασης, πιθανότατα αργιλικά Η εικόνα διαφοροποιείται λίγο στην τομή Τ07, όπου η ζώνη του ρήγματος δεν είναι τόσο καλά διακριτή, ενώ στην Τ08 έχουμε και πάλι εικόνα παρόμοια με τις πρώτες 6 τομές. Φαίνεται πως στην περιοχή των τομών αυτών αρχίζει μια διαφοροποίηση της γεωμετρίας των σχηματισμών αφού στις επόμενες τομές, προς τα δυτικά, παραμένει ευδιάκριτο και συμπαγές το βόρειο τέμαχος του σχηματισμού του υποβάθρου, όμως, δεν είναι το ευδιάκριτο το υπόβαθρο προς τα νότια. Συγκεκριμένα φαίνεται μια αύξηση του βαθμού καταπόνησης των σχηματισμών προς τα νότια με αποτέλεσμα σε μερικές τομές να εντοπίζονται περιοχές όπου τα υλικά του υποβάθρου παρουσιάζονται τεκτονισμένα και πιθανά αποσαθρωμένα (τομές 9, 11, 12 κ.α.) ενώ σε κάποιες άλλες φαίνεται να διαγράφεται μια δεύτερη,. νέα ζώνη ρήγματος λίγο νοτιότερα ( τομές 10, 15, 16, 17 κ.α.). Οι συνθήκες στη δεύτερη ζώνη δεν είναι ίδιες με 99

108 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς την βορειότερη, ενώ οι αντιστάσεις δείχνουν ότι τα υλικά που κυριαρχούν φαίνεται να προέρχονται από υλικά αποσάθρωσης του υποβάθρου, με μέτριες πιθανότητες υδροφορίας. Επιπλέον χαρακτηριστικό που υποδεικνύει τον εντονότερο τεκτονισμό προς τα δυτικά, είναι η αυξημένη παρουσία υλικών της κατηγορίας F (υλικά μανδύα αποσάθρωσης). Αξιοπρόσεκτη είναι η παρουσία αργιλικών και αργιλλοαμμώδων υλικών (σχηματισμοί Α και Β) σε μεγάλα βάθη (τομές 16, 17, 18, 19, 20, 21), η οποία συχνά συνδυάζεται με μεγάλα απομονωμένα τμήματα του υποβάθρου τα οποία δείχνουν να βρίσκονται υπερκείμενα ή τοποθετημένα μέσα στα υλικά αυτά. Στο νοτιότερο άκρο των τομών Τ15 έως Τ20 βλέπουμε ότι οι τομές δείχνουν πως το υπόβαθρο βρίσκεται πολύ κοντά στην επιφάνεια, γεγονός που φαίνεται και στο γεωλογικό χάρτη του σχήματος 4.2. Σημειώνεται πως η εμφάνιση σε κάποιες τομές υλικών της κατηγορίας Ε μάλλον δεν θα πρέπει να ερμηνευτεί σαν μαργαϊκά υλικά, αλλά σαν υλικά από τον μανδύα αποσάθρωση (F) τα οποία βρίσκονται ανακατεμένα με υλικά όπως κροκάλες και χαλίκια της κατηγορίας D. 100

109 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς B B B B Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T04 N N N N Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ04 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Όλες οι τομογραφίες παρουσιάζονται από βόρεια προς νότια

110 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς B Γεωλογική τομή T05 N B B B Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T N N N Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ05 Τ08 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Όλες οι τομογραφίες παρουσιάζονται από βόρεια προς νότια

111 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς B B B B Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T12 N N N N Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ09 Τ12 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Όλες οι τομογραφίες παρουσιάζονται από βόρεια προς νότια

112 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς B B B B Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T16 N N N N Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ13 Τ16 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Όλες οι τομογραφίες παρουσιάζονται από βόρεια προς νότια

113 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς B B B B Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T20 N N N N Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ17 Τ20 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Όλες οι τομογραφίες παρουσιάζονται από βόρεια προς νότια

114 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς B B B B Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T Γεωλογική τομή T24 N N N N Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ21 Τ24 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Όλες οι τομογραφίες παρουσιάζονται από βόρεια προς νότια

115 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αποτελέσματα 3-διάστατης αντιστροφής Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την επιλογή των δεδομένων που θα χρησιμοποιούνταν για την τρισδιάστατη (3D) αντιστροφή των 24 τομογραφιών βασίστηκε στα συμπεράσματα της αντίστοιχης διαδικασίας που έγινε για την περίπτωση της δισδιάστατης αντιστροφής και επιλέχθηκαν τα δεδομένα των διατάξεων πόλου διπόλου και Wenner Schlumberger. Το σύνολο των δεδομένων αποτελούνταν από σχεδόν μετρήσεις. Για την διαχείριση του πολύ μεγάλου αριθμού δεδομένων, αποφασίστηκε η διαίρεση του συνόλου των δεδομένων σε υποσύνολα. Πιο αναλυτικά αποφασίστηκε να διαιρεθούν οι 24 τομογραφίες σε τρεις ομάδες των 10 τομογραφιών: (a) τομογραφίες Τ01 έως Τ10, (b) τομογραφίες Τ08 έως Τ17 και (c) τομογραφίες Τ15 έως Τ24. Οι τρεις ομάδες σχεδιάστηκαν με επικάλυψη έτσι ώστε όταν στο επόμενο στάδιο της διαδικασίας, κατά το οποίο θα ενώνονταν με τα διπλανά τους, να μην εμφανίζονταν διαφορές που μπορεί να οφείλονταν σε τεχνίτες ανωμαλίες που μπορεί να εμφανίζονται στα όρια του μοντέλου κάθε φορά. Τα αποτελέσματα της αντιστροφής των τριών υποσυνόλων ενώθηκαν με τη χρήση του λογισμικού DC_3DPRO, απορρίπτοντας για κάθε ένα από αυτά, τις τιμές στα άκρα του. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής, δημιούργησε κάποια ερωτηματικά, αφού εμφανίστηκαν γραμμικές δομές στα σημεία ένωσης των τριών υποσυνόλων. Ειδικά για την επιβεβαίωση της παρουσίας των γραμμικών αυτών δομών έγιναν εκτεταμένες δοκιμές. Οι τομογραφίες χωρίστηκαν εκ νέου σε τρεις, πέντε και έξι ομάδες με αλληλεπικάλυψη και αφού πραγματοποιήθηκαν οι επιμέρους τρισδιάστατες αντιστροφές, ενώθηκαν τα δεδομένα για την παραγωγή του τελικού τρισδιάστατου μοντέλου. Σε όλες τις παραπάνω δοκιμές το τελικό αποτέλεσμα χαρακτηρίζονταν από ικανοποιητικά σφάλματα (RMS: 7% 11%) μεταξύ των συνθετικών και των πραγματικών δεδομένων. Τελικά για την τρισδιάστατη αντιστροφή κρίθηκε απαραίτητη η ταυτόχρονη αντιστροφή του συνόλου των δεδομένων. Για να επιτευχθεί, αυτό τροποποιήθηκε η παραμετροποίηση του υπεδάφιου χώρου που περιείχε τα δεδομένα, μειώνοντας σημαντικά το συνολικό πλήθος των προς επίλυση εξισώσεων. Χρησιμοποιήθηκαν παράμετροι μεγαλύτερων διαστάσεων (1:2) σε σχέση με τις παραμέτρους που χρησιμοποιήθηκαν στις δισδιάστατες αντιστροφές και η τρισδιάστατη αντιστροφή ολοκληρώθηκε. Το αποτέλεσμα επιβεβαίωσε την ύπαρξη των γραμμικών δομών που περιγράφηκαν νωρίτερα ενώ το τελικό σφάλμα μεταξύ των πραγματικών και των θεωρητικών δεδομένων ήταν ίσο με 20% (RMS). Φαίνεται οτι το σχετικά μεγάλο μέγεθος των παραμέτρων δυσκόλεψε την περαιτέρω προσέγγιση του πραγματικού μοντέλου της γης το οποίο χαρακτηρίζεται από τρισδιάστατη ανισοτροπία. Στην παρουσίαση των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης αντιστροφής επιλέχθηκε να γίνει αρχικά χρήση οριζόντιων τομών όπου χαρτογραφείται η κατανομή των αντιστάσεων σε διάφορα βάθη, ξεκινώντας σχεδόν από την επιφάνεια (~2 μέτρα), και φθάνοντας μέχρι το 107

116 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς μέγιστο βάθος διασκόπησης, δηλαδή περίπου 120 μέτρα. Στα σχήματα έως φαίνεται η των αντιστάσεων για διάφορα βάθη. Οι συντεταγμένες της περιοχής που φαίνονται είναι στο προβολικό σύστημα ΕΓΣΑ 87. Η χρωματική κλίμακα είναι κοινή για όλα τα σχήματα και παρουσιάζει τις μικρές τιμές ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (Ohmm) με ψυχρά χρώματα, ενώ με θερμά χρώματα παρουσιάζονται οι υψηλές τιμές. Σε κάθε σχήμα παρουσιάζονται οι θέσεις των ηλεκτροδίων όλων των τομογραφιών. Η εικόνα περιορίζεται κατά την διεύθυνση βορρά νότου όσο αυξάνεται το βάθος, γεγονός που οφείλεται στην τραπεζοειδή μορφή του χώρου που καλύπτουν με μετρήσεις οι δισδιάστατες τομογραφίες που χρησιμοποιήθηκαν για την τρισδιάστατη αντιστροφή. Στις εικόνες τις κατανομής των γεωηλεκτρικών αντιστάσεων παρατηρούμε ότι στα μικρά βάθη κυριαρχούν πολύ χαμηλές αντιστάσεις με εξαίρεση το νότιο τμήμα όπου οι τιμές είναι εμφανώς μεγαλύτερες. Η εικόνα αυτή φαίνεται να διακόπτεται περίπου στα 15 μέτρα βάθος και οι μεγάλες αντιστάσεις εμφανίζονται ξανά σε βάθη μεγαλύτερα από μέτρα. Στα βάθη αυτά οι μικρές τιμές περιορίζονται στο Β και ΒΑ τμήμα της περιοχής, ενώ είναι ευδιάκριτο το όριο που παρατηρείται η διαφοροποίηση με γενική διεύθυνση ΒΔ ΝΑ. Η αυξημένες τιμές των αντιστάσεων εξαπλώνονται σε ολόκληρη την περιοχή σε μεγαλύτερα βάθη, όμως κοντά στο βάθος των 80 μέτρων η κατανομή των αντιστάσεων μεταβάλλεται σημαντικά. Πολύ αυξημένες τιμές εντοπίζονται στο ανατολικό όριο της περιοχής, οι οποίες μέχρι το βάθος των 120 μέτρων εξαπλώνονται και στο βόρειο τμήμα της περιοχής, ενώ στο νότιο σχηματίζεται μια πολύ ευδιάκριτη ζώνη πολύ χαμηλών αντιστάσεων γενικής διεύθυνσης ΑΝΑ ΔΒΔ. Επιπλέον στοιχείο που παρουσιάζει ενδιαφέρον είναι η ανάπτυξη γραμμικών δομών στις μεγάλες αντιστάσεις, φαινόμενο το οποίο διακρίνεται καθαρά σε βάθη μεγαλύτερα των 100 μέτρων. 108

117 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΒΑΘΟΣ : 2m ΒΑΘΟΣ : 7m ρ (ohm-m) Σχήμα Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24 Οριζόντια τομή στα -2 μέτρα (πάνω) και στα -7 μέτρα (κάτω) 109

118 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΒΑΘΟΣ : 14m ΒΑΘΟΣ : 21m ρ (ohm-m) Σχήμα Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24 Οριζόντια τομή στα -14 μέτρα (πάνω) και στα -21 μέτρα (κάτω). 110

119 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΒΑΘΟΣ : 30m ΒΑΘΟΣ : 42m ρ (ohm-m) Σχήμα Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24 Οριζόντια τομή στα -30 μέτρα (πάνω) και στα -42 μέτρα (κάτω). 111

120 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΒΑΘΟΣ : 57m ΒΑΘΟΣ : 72m ρ (ohm-m) Σχήμα Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24 Οριζόντια τομή στα -57 μέτρα (πάνω) και στα -72 μέτρα (κάτω). 112

121 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΒΑΘΟΣ : 87m ΒΑΘΟΣ : 102m ρ (ohm-m) Σχήμα Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24 Οριζόντια τομή στα -87 μέτρα (πάνω) και στα -102 μέτρα (κάτω). 113

122 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς ΒΑΘΟΣ : 120m ρ (ohm-m) Σχήμα Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24 Οριζόντια τομή στα -120 μέτρα Ερμηνεία 3 διαστάσεων Το εύρος των τιμών της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης κυμαίνεται από λίγα Ohm-m μέχρι μερικές χιλιάδες Ohm-m. Οι τιμές αυτές αντιστοιχούν σε μια ποικιλία σχηματισμών που μπορεί να είναι καθαρές αργιλικές αποθέσεις έως και συμπαγείς σχηματισμοί του υποβάθρου. Προκειμένου να μπορέσουμε να ερμηνεύσουμε γεωλογικά την γεωηλεκτρική εικόνα ακολουθήθηκε η ίδια προσέγγιση που περιγράφηκε στην παράγραφο Συσχετίστηκαν, δηλαδή, οι τιμές ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων με γεωλογικούς σχηματισμούς ή ομάδες. Η συσχέτιση παρουσιάζεται στο πίνακα (4.4) και χρησιμοποιώντας αυτή την αντιστοιχία κατασκευάστηκαν τα σχήματα που ακολουθούν και που επιχειρούν να μετατρέψουν τις γεωηλεκτρικές εικόνες των σχημάτων (4.11) σε οριζόντιες γεωλογικές τομές στα αντίστοιχα βάθη. Σε μικρό βάθος, όπως προκύπτει από τις οριζόντιες τομές στα 2 και 7 μέτρα βάθος, κυριαρχούν αργιλικά και αργιλοαμμώδη υλικά των κατηγοριών Α και Β. Εξαίρεση αποτελεί το νότιο τμήμα της περιοχής στο οποίο εντοπίζονται υλικά των κατηγοριών F και G, τα οποία προφανώς αντιστοιχούν στα περιδοτιτικά, δουνιτικά και γαββρικά πετρώματα, τα οποία διακρίνονται και επιφανειακά (βλέπε γεωλογικό χάρτη σχήματος 4.2). Οι διάσπαρτες επιφανειακές εμφανίσεις σωμάτων των κατηγοριών F και G στα κεντρικά και βόρεια τμήματα αποδίδονται σε κροκάλες και αμμοχάλικα με ελάχιστη υγρασία. 114

123 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σε μεγαλύτερα βάθη και μέχρι περίπου τα μέτρα κυριαρχούν κυρίως αργιλικά υλικά και σε μικρότερο βαθμό αργιλοαμμώδη υλικά σε όλη την εξεταζόμενη περιοχή. Η γεωλογική εικόνα διαφοροποιείται περίπου στα 30 μέτρα, όπου εμφανίζονται σχηματισμοί του αποσαθρωμένου υποβάθρου μαζί με πιο υγιές υπόβαθρο. Οι σχηματισμοί αυτοί εντοπίζονται προς τα νότια, ενώ το βόρειο όριο τους εμφανίζεται να έχει ΔΒΔ ΑΝΑ διεύθυνση. Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης μια σημαντική εμφάνιση των ίδιων σχηματισμών βορειότερα, με ανάπτυξη περίπου Β Ν. Η εικόνα δεν διαφοροποιείται βαθύτερα και έτσι στα 40 περίπου μέτρα βάθος ο σχηματισμός του υποβάθρου φαίνεται ακόμα λιγότερο αποσαθρωμένος ενώ το βόρειο όριο του φαίνεται να μετατοπίζεται προς το βορρά. Η απομονωμένη εμφάνιση του αποσαθρωμένου υποβάθρου που αναφέρθηκε νωρίτερα γίνεται ακόμα πιο έντονη ενώ επίσης ενδιαφέρουσα είναι μια δομή με υλικά της κατηγορίας D, η οποία αναπτύσσεται επίσης κατά την διεύθυνση Β Ν και διακόπτει τους σχηματισμούς του υποβάθρου στο νοτιοδυτικό τμήμα της περιοχής. Ίδια εικόνα εντοπίζεται και βαθύτερα, με το όριο των σχηματισμών του υποβάθρου να μετατοπίζεται συνέχεια βορειότερα μέχρι το βάθος των 70 μέτρων περίπου. Στο βάθος αυτό αρχίζει να αναπτύσσεται από τα ΑΝΑ προς τα ΔΒΔ μια ζώνη με ανάμικτα υλικά, αμμοχάλικα, κροκάλες, άργιλο αλλά και υλικά από το αποσαθρωμένο υπόβαθρο. Η ζώνη αυτή συνεχίζεται βαθύτερα και είναι ευδιάκριτη μέχρι το βάθος των 120 μέτρων. Παράλληλα, κάτω από τα 80 μέτρα βάθος και μέχρι τα 120, οι σχηματισμοί του υποβάθρου φαίνονται λιγότερο αποσαθρωμένοι και κυριαρχούν σε όλο το ανατολικό, κεντρικό και βόρειο τμήμα της περιοχής. Στα βάθη αυτά φαίνονται να αναπτύσσονται 2 ζώνες διεύθυνσης περίπου Β Ν, οι οποίες τέμνουν το σχηματισμό του υποβάθρου. Η εικόνα που περιγράφηκε προηγουμένως φαίνεται σε γενικές γραμμές να συμφωνεί με τις τεκτονικές γραμμές που έχουν προταθεί ως πιθανές για την ευρύτερη περιοχή και διέρχονται από την περιοχή που ερευνήθηκε, αφού το όριο των σχηματισμών του υποβάθρου, όπως και η βαθύτερη ζώνη αμμοχάλικων και αποσαθρωμένων υλικών (κάτω από τα 80 μέτρα), αναπτύσσεται παράλληλα με αντίστοιχο πιθανό ρήγμα στο νότιο τμήμα της περιοχής. Επιπλέον το προτεινόμενο ρήγμα διεύθυνσης περίπου Β Ν στο βορειοδυτικό τμήμα φαίνεται παράλληλο με κάποιες από τις δομές που περιγράφηκαν παραπάνω. 115

124 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 2,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 116

125 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 7,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 117

126 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 13,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 118

127 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 21 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 119

128 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 30 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 120

129 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 42,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 121

130 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 57,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 122

131 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 72,5 μέτρα (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 123

132 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 87,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 124

133 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 102,5 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 125

134 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Αργιλικά στρώματα - Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενης κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ή Σχηματισμοί της κατηγορίας D ανάμικτοι με υλικά της κατηγορίας F Μανδύας αποσάθρωσης Σχηματισμός υποβάθρου A B C D E F G Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία της τρισδιάστατης αντιστροφής των γεωηλεκτρικών τομογραφιών Τ01 Τ24. Κάτοψη στο βάθος των 120 μέτρων (κάτω). Στο πάνω μέρος διακρίνεται η τρισδιάστατη απεικόνιση της ίδιας κάτοψης, καθώς επίσης και η περιγραφή των γεωλογικών ενοτήτων που διακρίνονται. 126

135 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα το υπόβαθρο φαίνεται έντονα τεκτονισμένο από ρήγματα ΒΒΑ ΝΝΔ και ΑΝΑ ΔΒΔ διεύθυνσης. Στην απεικόνιση του σχήματος φαίνεται η γενικότερη βύθιση του υποβάθρου προς τα βόρεια, πιθανόν λόγο κάποιου ρήγματος διεύθυνσης ΑΝΑ ΔΒΔ. Επίσης διακρίνεται λίγο νοτιότερα μια ζώνη που διακόπτει το υπόβαθρο σε μεγαλύτερο βάθος και πιθανά οφείλεται σε δεύτερο ρήγμα. Στην απεικόνιση του σχήματος εκτός από την βύθιση του υποβάθρου προς τα βόρεια γίνεται αντιληπτή η ύπαρξη δομών γενικότερης διεύθυνσης Β Ν έως ΒΒΑ ΝΝΔ. 127

136 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Τρισδιάστατη απεικόνιση του σχηματισμού του υποβάθρου σε άποψη από τα ανατολικά. Με στικτές κόκκινες γραμμές διακρίνεται ο υπεδάφιος χώρος που μελετήθηκε, ενώ με μαύρες στικτές γραμμές φαίνονται τα ρήγματα που εντοπίστηκαν από τη γεωφυσική έρευνα. 128

137 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς Σχήμα Τρισδιάστατη απεικόνιση του σχηματισμού του υποβάθρου σε άποψη από τα βόρεια βορειοανατολικά. Με στικτές κόκκινες γραμμές διακρίνεται ο υπεδάφιος χώρος που μελετήθηκε, ενώ με μαύρες στικτές γραμμές φαίνονται τα ρήγματα που εντοπίστηκαν από τη γεωφυσική έρευνα. 129

138 Κεφάλαιο 4: Εφαρμογή Στην περιοχή Της Περιστεράς 4.4 Σύνοψη και συμπεράσματα 4 ου Κεφαλαίου Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε μια πολύ υψηλής ανάλυσης τρισδιάστατη γεωηλεκτρική διασκόπηση σε μια περιοχή διαστάσεων 470 Χ 460 τετραγωνικών μέτρών. Υλοποιήθηκαν 24 παράλληλες γεωηλεκτρικές τομογραφίες και το μέγιστο βάθος διασκόπησης έφτασε στα 120 μέτρα. Για κάθε ηλεκτρική τομογραφία έγινε συλλογή με τρεις διατάξεις ηλεκτροδίων και έπειτα από σχολαστική επεξεργασία χρησιμοποιήθηκε μέρος του συνόλου των δεδομένων για την παραγωγή των αποτελεσμάτων. Η αντιστροφή των γεωηλεκτρικών δεδομένων έγινε με τη χρήση του προγράμματος DC_PRO, (Yi et al., 2001, Yi and Kim, 2003). Πραγματοποιήθηκαν μεμονωμένες δισδιάστατες αντιστροφές για κάθε μία από τις 24 τομογραφίες ενώ στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε και τρισδιάστατη αντιστροφή του συνόλου των δεδομένων. Κατά την διαδικασία λήψης των μετρήσεων προτάθηκε και υλοποιήθηκε με επιτυχία ένας πρωτότυπος τρόπος για την λήψη των μετρήσεων ενώ κατασκευάστηκαν και τα απαιτούμενα παρελκόμενα τα οποία αποτελούν έκτοτε μέρος του εξοπλισμού του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του Γεωλογικού τμήματος του Α.Π.Θ. Επιλέχθηκε μια περιοχή με πολύπλοκη γεωλογική δομή για την οποία η μοναδική διαθέσιμη πληροφορία προερχόταν από την γεωλογική χαρτογράφηση των επιφανειακών εμφανίσεων. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την ύπαρξη έντονου τεκτονισμού με δύο κύριες ομάδες τεκτονικών γραμμών. Η πρώτη παρουσιάζει ανάπτυξη γενικότερης διεύθυνσης Β Ν έως ΒΒΑ ΝΝΔ και μεγάλη σχεδόν κατακόρυφη γωνία βύθισης. Η δεύτερη με διεύθυνση ανάπτυξης ΑΝΑ-ΔΒΔ και με μικρή γωνία βύθισης προς τα βόρεια. Αναδείχθηκε η αναγκαιότητα για τρισδιάστατη αντιστροφή των γεωηλεκτρικών δεδομένων σε περιοχές έντονης μεταβολής των γεωλογικών συνθηκών, αφού οι δομές στη Β - Ν διεύθυνση και οι υποπαράλληλες με αυτήν δεν χαρτογραφήθηκαν επαρκώς με την δισδιάστατη προσέγγιση. Η βύθιση προς τα βόρεια είναι αντίθετη με την γενικότερη εικόνα βύθισης προς νότια, την οποία παρουσιάζουν τα ρήγματα στα βόρεια πρανή της λεκάνης του Ανθεμούντα, αναδεικνύοντας την δράση ενός διαφορετικού μοντέλου που λειτούργησε και δημιούργησε την λεκάνη της Περιστεράς. Η πολυπλοκότητα της γεωλογίας στη θέση που υλοποιήθηκε η έρευνα φαίνεται πως δεν επέτρεψε την διάκριση των διαφορετικών πετρωμάτων του υποβάθρου, τα οποία αναγνωρίζονται στη θέση αυτή. Εξετάζοντας υδρογεωλογικά την περιοχή πρέπει εκτός από τον έντονο τεκτονισμό να παρατηρήσουμε την έντονη εξάπλωση των αργιλικών υλικών, ακόμα και μέσα στις τεκτονισμένες ζώνες γεγονός που περιορίζει τις πιθανότητες υδροφορίας σημαντικά. 130

139 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού 5 ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ 5.1 Αρχές λειτουργίας υφιστάμενων συστημάτων Στην πιο απλή του μορφή σύστημα μέτρησης αντίστασης του εδάφους αποτελείται από μια πηγή ρεύματος, ένα βολτόμετρο και ένα αμπερόμετρο. Η πηγή ρεύματος εφαρμόζει κάποια τάση στα ηλεκτρόδια ρεύματος και διοχετεύει στο έδαφος συνεχές ρεύμα (ή εναλλασσόμενο χαμηλής συχνότητας, π.χ. 0.5 Hz), το οποίο μετριέται από κατάλληλο αμπερόμετρο, ενώ το βολτόμετρο καταγράφει τη διαφορά δυναμικού που παρατηρείται σε δύο άλλα σημεία. Εδώ και πολλές δεκαετίες βέβαια τα όργανα έχουν εξελιχθεί σημαντικά συμπεριλαμβάνοντας πολύπλοκα κυκλώματα και πραγματοποιώντας επεξεργασίες κατά το χρόνο λήψης των μετρήσεων, με σκοπό κατά κύριο λόγο την επίτευξη ακριβέστερης μέτρησης. επιπλέον δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να ελέγχει και να τροποποιεί πλήθος παραμέτρων που αφορούν τόσο την πηγή ρεύματος όσο και τη καταγραφή της διαφοράς δυναμικού. Τέλος, η ενσωμάτωση μικρο-ηλεκτρονικών υπολογιστών στις συσκευές μέτρησης δίνει στο χρήστη την δυνατότητα να υπολογίζει απευθείας την τιμή της φαινόμενης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης για κάθε μέτρηση, καθώς επίσης να έχει και κάποια ένδειξη για την αξιοπιστία της. Σήμερα υπάρχουν διαθέσιμες πλήθος συσκευές μέτρησης από πολλούς κατασκευαστές, οι οποίες προσπαθούν να καλύψουν όλο το εύρος των εφαρμογών της μεθόδου της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Τα όργανα αυτά γίνονται όλο και πιο εξειδικευμένα και πιο προσαρμοσμένα στις ανάγκες που προσπαθούν να ικανοποιήσουν. Μερικά παραδείγματα αυτής της εξειδίκευσης είναι: τα όργανα RM4 και RM15D της Geoscan Research, τα οποία κατασκευάζονται με αποκλειστικό σκοπό την χρήση στην αρχαιομετρία. τα όργανα της σειράς Syscal της IRIS Instruments, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο σε μικρού βάθους αρχαιομετρικές ή γεωτεχνικές έρευνες αλλά και σε μετρήσεις σε σημαντικά μεγαλύτερα βάθη στα πλαίσια υδρογεωλογικών γεωλογικών και μεταλλευτικών ερευνών. τo όργανo ABEM Terrameter LS της ABEM Instruments AB, το οποίο δίνει άμεσα σε εικόνα την ψευδοτομή των μετρήσεων, ενώ καταγράφει και αποθηκεύει το σύνολο της καταγραφής κάθε μέτρησης (χρονοσειρά δυναμικού) επιτρέποντας την περαιτέρω επεξεργασία του σήματος από τον χρήστη Μερικά από τα όργανα αυτά φαίνονται στο σχήμα (5.1). Το κόστος των μηχανημάτων αυτών φυσικά ποικίλει ανάλογα από λίγες χιλιάδες ευρώ έως και αρκετές δεκάδες χιλιάδες ευρώ. 131

140 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα 5.1. Εικόνες εξειδικευμένων συστημάτων λήψης γεωηλεκτρικών μετρήσεων α) αριστερά το RM15-D της Geoscan Research και β) δεξιά το Terrameter LS της ABEM. Παρά την πολύ μεγάλη ποικιλία τα βασικά τμήματα όλων των παραπάνω οργάνων παραμένουν παρόμοια. Το λογικό διάγραμμα του σχήματος (5.2) προσπαθεί να παρουσιάσει με απλουστευμένο τρόπο τα κυκλώματα και τις βασικές αρχές λειτουργίας τους. Τα βασικά βήματα λήψης γεωηλεκτρικών μετρήσεων είναι: Βήμα 1 ο Τα ηλεκτρόδια δυναμικού Μ και Ν μετρούν τη διαφορά δυναμικού που οφείλεται στο φυσικό δυναμικό SP ή σε τελλουρικά ρεύματα σε ένα κύκλωμα το οποίο υπολογίζει την συνολική εμπέδηση του κυκλώματος και κάνει τις απαραίτητες διορθώσεις στο αναλογικό σήμα. Στη συνέχεια το σήμα ενισχύεται, οδηγείται σε μια μονάδα, η οποία ονομάζεται αναλογικός πολυπλέκτης και έπειτα ψηφιοποιείται και καταλήγει στον κεντρικό επεξεργαστή (CPU). Ο κεντρικός επεξεργαστής αποφασίζει την απαιτούμενη διόρθωση για την αντιστάθμιση του Φυσικού Δυναμικού και στέλνει την εντολή σε νέο κύκλωμα, το οποίο είναι έτοιμο να εισάγει την διόρθωση μόλις ξεκινήσει η διαδικασία της μέτρησης. Βήμα 2 ο Η πηγή υψηλής τάσης τροφοδοτεί το σύστημα και αφού γίνει έλεγχος για την αποφυγή υπερβολικά υψηλής τάσης με τη βοήθεια της μονάδας του κεντρικού επεξεργαστή, ρυθμίζεται η γεννήτρια και παράγεται ρεύμα, το οποίο μέσω των ηλεκτροδίων ρεύματος Α και Β διοχετεύεται στη γή. Βήμα 3 ο Το ρεύμα που διοχετεύεται ψηφιοποιείται και περνώντας μέσα από ένα κύκλωμα απομόνωσης, για την προστασία σε περίπτωση βραχυκυκλώματος, οδηγείται σε αναλογικό ενισχυτή και καταλήγει στον αναλογικό πολυπλέκτη. Την ίδια στιγμή γίνεται μέτρηση της παρατηρούμενης διαφοράς δυναμικού στα ηλεκτρόδια Μ και Ν, η οποία διορθώνεται, όπως αναφέραμε και στο 1 ο βήμα, ανάλογα με τη συνολική εμπέδηση του κυκλώματος. Στο αναλογικό σήμα επιβάλλεται η απαιτούμενη αντιστάθμιση για το Φυσικό Δυναμικό και το σήμα μετά από ενίσχυση οδηγείται πάλι στον αναλογικό πολυπλέκτη. Ο αναλογικός πολυπλέκτης οδηγεί πλέον το αναλογικό σήμα της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού και το αναλογικό σήμα του ρεύματος που διοχετεύθηκε στον ψηφιοποιητή και από εκεί το ψηφιακό σήμα καταλήγει στον κεντρικό επεξεργαστή. 132

141 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Βήμα 4 ο Στη μονάδα του επεξεργαστή πραγματοποιούνται διάφορες διεργασίες οι οποίες συμπεριλαμβάνουν και την εφαρμογή φίλτρων για τον καθαρισμό του σήματος από παρεμβολές (π.χ. φίλτρο 50Hz). Τέλος τα δεδομένα καταλήγουν στον αποθηκευτικό χώρο που διαθέτει το σύστημα, ενώ παράλληλα προβάλλονται και στην οθόνη που συνήθως υπάρχει στο σύστημα. Στο δεξί μέρος του διαγράμματος διακρίνονται το πληκτρολόγια και η οθόνη μέσω των οποίων ο χρήστης ενημερώνεται αλλά και καθοδηγεί το σύστημα, ενώ μπορεί να διαβάσει, να γράψει και να διαγράψει στο σκληρό δίσκο/μνήμη. Τέλος σε όλα τα σύγχρονα συστήματα, ο χρήστης επικοινωνεί και μέσω Η/Υ με τη ύπαρξη θύρας τύπου RS232 ή USB. Σχήμα 5.2. Λογικό διάγραμμα βασικών αρχών λειτουργίας σύγχρονων οργάνων μέτρησης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης υπεδάφους 5.2 Σύστημα καταγραφής δυναμικού γεωηλεκτρικών μετρήσεων Η συντριπτική πλειονότητα των υφιστάμενων συστημάτων λήψης γεωηλεκτρικών μετρήσεων έχει ως κοινό γνώρισμα ότι, η γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και η μονάδα καταγραφής των μετρήσεων διαφοράς δυναμικού βρίσκονται τοποθετημένα σε μια συσκευή. Συνέπεια του χαρακτηριστικού αυτού είναι ο πρακτικός περιορισμός της μέγιστης απόστασης των ηλεκτροδίων ρεύματος από τα ηλεκτρόδια δυναμικού ανάλογα με τα διαθέσιμα καλώδια, γεγονός που περιορίζει ανάλογα και το μέγιστο βάθος διασκόπησης. Η κατασκευή καλωδίων σημαντικού μήκους είναι φυσικά εφικτή, όμως συνοδεύεται και από 133

142 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού αντίστοιχο κόστος, ειδικά όταν τα καλώδια που κατασκευάζονται είναι πολύκλωνα. Το σημαντικότερο όμως μειονέκτημα προκύπτει από τη δυσκολία χρήσης των καλωδίων στην ύπαιθρο, δεδομένου ότι δεν είναι εύκολη η υλοποίηση διατάξεων, όταν τα καλώδια έχουν μήκος μερικών χιλιομέτρων. Στην παρούσα διατριβή σχεδιάστηκε ένα νέο σύστημα καταγραφής γεωηλεκτρικών μετρήσεων, στο οποίο το καταγραφικό των διαφορών δυναμικού μεταξύ δύο ή περισσότερων θέσεων στη γή, μπορεί να λειτουργεί ανεξάρτητα από τη γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Στο σύστημα αυτό (σχήμα 5.3), η χρήση των καλωδίων περιορίζεται μόνο μεταξύ των θέσεων καταγραφής των διαφορών δυναμικού και του νέου καταγραφικού και μεταξύ της γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος και των θέσεων εισαγωγής του ρεύματος στη γή. Η γεννήτρια του ρεύματος πρέπει να συνοδεύεται και αυτή από ένα σύστημα καταγραφής της χρονοσειράς του ρεύματος έτσι, ώστε να είναι δυνατός ο υπολογισμός του πλάτους του παλμού που εισάγεται στην γή, κάθε φορά που μετράμε. Συμβατικό Σύστημα ΔI ΔV Α Β Προτεινόμενο Σύστημα Μ Ν Πηγή Ρεύματος Καταγραφικό ΔV Α Β1 Β2 Β3 Μ Ν1 Ν2 Ν3 I(t) p V(t) p Δt Δt p IPP Δt Δt p VPP Σχήμα 5.3. Σχηματική παρουσίαση (α) υφιστάμενων συστημάτων καταγραφής μετρήσεων γεωηλεκτρικής αντίστασης και (β) προτεινόμενου συστήματος. Όπως περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο απαραίτητο και ιδιαίτερα μεγάλης σημασίας τμήμα ενός συστήματος καταγραφής ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης είναι το βολτόμετρο, δηλαδή το τμήμα εκείνο στο οποίο μετρούνται οι διαφορές δυναμικού. Η παρατηρούμενη διαφορά δυναμικού στους ακροδέκτες Μ και Ν καταγράφεται αναλογικά και 134

143 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού στη συνέχεια ψηφιοποιείται για να μπορέσει να γίνει η επεξεργασία της. Για την απαιτούμενη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού χρησιμοποιήθηκε μια κάρτα ψηφιοποίησης διαφορών δυναμικού κατασκευασμένη από την εταιρεία N. I. Η National Instruments είναι μια από τις πιο αναπτυγμένες εταιρίες κατασκευής ηλεκτρονικού εξοπλισμού, η οποία προσφέρει λύσεις για τη σχεδίαση την κατασκευή και υλοποίηση πολυάριθμων απλών αλλά και εξαιρετικά σύνθετων εφαρμογών. Οι απλούστερες από αυτές ξεκινούν από απλό έλεγχο ηλεκτρονικών παιχνιδιών νέας γενιάς και φτάνουν μέχρι τις πολύπλοκες συσκευές που χρησιμοποιούνται στην ιατρική ή ακόμη και στην πλοήγηση αεροσκαφών. Η ίδια εταιρεία έχει κατασκευάσει και αναπτύσσει συνεχώς το πακέτο λογισμικού LABVIEW, με τη χρήση του οποίου μπορεί ο κανείς να διαχειρίζεται το σύνολο του διαθέσιμου εξοπλισμού που προσφέρει η N.I., αλλά και πλήθος άλλων συσκευών και ακόμη να μπορεί να σχεδιάζει τις δικές του εφαρμογές. Αξιολογώντας τις απαιτήσεις της εφαρμογής που θα σχεδιαζόταν για τις ανάγκες τις παρούσας διατριβής, αλλά και τις προοπτικές για επιπλέον εφαρμογές στο πεδίο της Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής, έγινε προμήθεια της κάρτας ψηφιοποίησης διαφορών δυναμικού NI Η κάρτα αυτή σε συνδυασμό με την φορητή κασετίνα NI CompactDAQ μπορεί να συνδεθεί μέσω θύρας USB με οποιοδήποτε Η/Υ. Το κόστος αγοράς της κάρτας και της κασετίνα ήταν περίπου 2300 ευρώ. Τα κυριότερα τεχνικά χαρακτηριστικά της NI 9206 είναι τα παρακάτω: 16 διαφορικά αναλογικά κανάλια 1 ψηφιακό κανάλι εισόδου 1 ψηφιακό κανάλι εξόδου Γείωση (COM) Προγραμματιζόμενο εύρος λειτουργίας 4 επιλογών (Programmable Gain Instrumentation Amplifier) : ±200mV, ±1 V, ± 5V και ± 10V Διακριτική ικανότητα ADC 16 bit που μεταφράζεται (στη κλίμακα του ±1Volt) σε: 1volt / 2 15 = 0.03mV Προστασία από υπέρταση μέχρι 30Volt για κάθε ένα κανάλι Μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας 250 ks/s 135

144 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα 5.4. Φωτογραφία της κάρτας ψηφιοποίησης NI9206 (αριστερό σχήμα) και διάγραμμα των διαθέσιμων υποδοχών (δεξί σχήμα). Η απόλυτη ακρίβεια της κάρτας στις πραγματικές μετρήσεις όπως προτείνεται από τον κατασκευαστή δίνεται στον πίνακα 5.1. Ο υπολογισμός της ακρίβειας υπολογίζεται με βάση σχέσεις που προτείνει ο κατασκευαστής, οι οποίες αναφέρονται αναλυτικά στο εγχειρίδιο χρήσης, ενώ ως ευαισθησία αναφέρεται η μικρότερη μεταβολή δυναμικού που μπορεί να ανιχνευθεί στο σήμα σε σχέση με τον ηλεκτρονικό θόρυβο της κάρτας. ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 Εύρος Λειτουργίας Απόλυτη ακρίβεια στο μέγιστο της κλίμακας (μv) σ τυχαίου θορύβου (μvrms) Ευαισθησία (μv) ± ,0 ± ,4 ± ,4 ±0, ,0 Όπως προαναφέρθηκε η κάρτα διαθέτει συνολικά 16 διαφορικά κανάλια η αντιστοιχία των οποίων με τις διαθέσιμες υποδοχές (σχήμα 5.4) της κάρτας φαίνεται στον πίνακα που ακολουθεί ΠΙΝΑΚΑΣ 5.2 Κανάλι (+) (-) Κανάλι (+) (-) 0 AI0 AI8 16 AI16 AI14 1 AI1 AI9 17 AI17 AI25 2 AI2 AI10 18 AI18 AI26 3 AI3 AI11 19 AI19 AI27 4 AI4 AI12 20 AI20 AI28 5 AI5 AI13 21 AI21 AI29 6 AI6 AI14 22 AI22 AI30 7 AI7 AI15 23 AI23 AI31 136

145 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Συνδεσμολογία Η κάρτα NI9206 προσφέρει επιλογές για την πραγματοποίηση μετρήσεων χρησιμοποιώντας για τον τρόπο αυτό τη δυνατότητα που έχει να πραγματοποιήσει μετρήσεις δυναμικού, καθώς και με μη-διαφορικές μετρήσεις, διπλασιάζοντας ουσιαστικά τα αναλογικά κανάλια σήματος που μπορεί να ψηφιοποιήσει. Ο τρόπος συνδεσμολογίας που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των μετρήσεων περιγράφεται ως διαφορικός με γείωση και σχηματικά φαίνεται στο σχεδιάγραμμα του σχήματος (5.5). Όπως φαίνεται, κάθε διαφορικό ζεύγος δυναμικού μετράται ξεχωριστά (τιμές V 1, V 2 κ.ο.κ.), όμως οι μετρήσεις γίνονται πάντα με αναφορά την εσωτερική γείωση (COM) της κάρτας. Επιπλέον στο διάγραμμα διακρίνονται ο ψηφιοποιητής (ADC), ο ενισχυτής εύρους λειτουργίας (PGIA) και ο πολυπλέκτης που διαχειρίζεται τα διαφορικά ζεύγη δυναμικού. Σχήμα 5.5. Σχεδιάγραμμα συνδεσμολογίας για την πραγματοποίηση των μετρήσεων δυναμικού με τη χρήση της κάρτας NI9206 (από εγχειρίδιο κάρτας NI 9206) 5.3 Το λογισμικό LABVIEW της National Instruments Το LABVIEW είναι μια γραφική γλώσσα προγραμματισμού, η οποία με τη βοήθεια εύχρηστων γραφικών εργαλείων και διαγραμμάτων ροής δίνει την δυνατότητα για την επικοινωνία, διαχείριση και λειτουργία όλων των συσκευών που κατασκευάζει η ίδια και όχι μόνο αυτές. Τα κυριότερα βήματα για τη χρησιμοποίηση οποιασδήποτε συσκευής με τη χρήση του λογισμικού της National Instruments είναι: 1. Αναγνώριση του εξοπλισμού και ρύθμιση των χαρακτηριστικών λειτουργίας του και λήψης των δεδομένων με τη χρήση του πακέτου Measurement and Automation Explorer (MAX) (σχήμα 5.6). 137

146 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού 2. Επεξεργασία των δεδομένων με τη χρήση του γραφικού περιβάλλοντος του LABVIEW. 3. Παρουσίαση των αποτελεσμάτων και αποθήκευση των δεδομένων και πάλι με χρήση του γραφικού περιβάλλοντος του LABVIEW. Σχήμα 5.6. Στιγμιότυπο της εφαρμογής MAX της National Instruments. Η χρήση της κάρτας ψηφιοποίησης NI 9206 προϋποθέτει την ανάπτυξη κατάλληλης εφαρμογής μέσω της πλατφόρμας LABVIEW. Κάνοντας μια σύντομη περιγραφή για το λογισμικό LABVIEW (βλέπε επίσημη ιστοσελίδα της National Instruments θα μπορούσαμε να αναφέρουμε τα παρακάτω κύρια χαρακτηριστικά του: προσφέρει δυνατότητα προγραμματισμού μέσα από ένα γραφικό παραθυρικό περιβάλλον με έτοιμες εντολές, συναρτήσεις και υπορουτίνες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας, χωρίς να είναι απαραίτητο να γράψουμε κώδικα σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού επιτρέπει τον πολύ εύκολο έλεγχο και κατανόηση λειτουργίας της κάρτας (ή άλλης συσκευής), προσφέροντας αναπαράσταση με τη βοήθεια λογικών διαγραμμάτων του προγράμματος μας 138

147 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Παράδειγμα γραφικού προγραμματισμού Λογικό διάγραμμα ροής του προγράμματος Σχήμα 5.7. Στιγμιότυπο λογικού διαγράμματος του λογισμικού LABVIEW επιτρέπει την επικοινωνία με μεγάλο αριθμό οργάνων και αισθητήρων διαθέτοντας πολύ μεγάλο αριθμό από βιβλιοθήκες για το σκοπό αυτό. Μετά την σύνδεση με τον διαθέσιμο εξοπλισμό (π.χ. την κάρτα ψηφιοποίησης), μας επιτρέπει να ρυθμίσουμε τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της, να διαβάσουμε τα δεδομένα, να τα επεξεργαστούμε και να τα αποθηκεύουμε σε πραγματικό χρόνο Βιβλιοθήκη με διαθέσιμα έτοιμα εργαλεία ανάλυσης δεδομένων Επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο Σχήμα 5.8. Απεικόνιση από την επεξεργασία και παρουσίαση δεδομένων στο λογισμικό LABVIEW ( επιτρέπει σύνθετο προγραμματισμό, έχοντας την δυνατότητα να ενσωματώσει και έτοιμο κώδικα γραμμένο σε διάφορες γλώσσες προγραμματισμού ή ακόμα και έτοιμες εφαρμογές της Matlab διαθέτει δυναμικούς διακόπτες και διαγράμματα, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν στο κώδικα του προγράμματος μέσα από το γραφικό περιβάλλον που προαναφέραμε δίνει τη δυνατότητα για χρήση πολλών επεξεργαστών, κατανέμοντας τις εργασίες σε περισσότερες από μια κεντρικές μονάδες επεξεργαστή (CPU) 139

148 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Χρήση κώδικα ή και έτοιμων αρχείων.m της Matlab Δυναμικοί διακόπτες και διαγράμματα ενσωματώνονται στο πρόγραμμα Σχήμα 5.9. Στιγμιότυπο από το γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού LABVIEW ( Ανάπτυξη εφαρμογής για την καταγραφή μετρήσεων με την κάρτα ψηφιοποίησης NI 9206 Για την καταγραφή μετρήσεων σχεδιάστηκε μια εφαρμογή με τη χρήση της πλατφόρμας LABVIEW. Λόγω της μη ύπαρξης προηγούμενης εμπειρίας προγραμματισμού στο LABVIEW και της πολυπλοκότητας του εργαλείου, ο αρχικός στόχος που τέθηκε ήταν να κατασκευαστεί μια όσο το δυνατόν απλούστερη εφαρμογή με τα εξής χαρακτηριστικά: 1. Να προσφέρει τη δυνατότητα για τροποποίηση των παραμέτρων λειτουργίας της κάρτας ψηφιοποίησης. 2. Να προσφέρει τη δυνατότητα οπτικού ελέγχου των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. 3. Να αποθηκεύει τις μετρήσεις σε αρχείο για περαιτέρω επεξεργασία. Στο πρώτο στάδιο κατασκευάστηκε η εφαρμογή ACQUIRE_DV, με την οποία μπορούσαν να υλοποιηθούν τα παραπάνω βήματα. Το πρόγραμμα αποτελείται από μια απλή σχεδιαστικά μάσκα (front panel) που περιλαμβάνει ένα γράφημα από όπου παρουσιάζονται τα δεδομένα ταυτόχρονα με την ψηφιοποίηση τους, Παράλληλα υπάρχει ένας πίνακας όπου ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ένα από τα κανάλια που ψηφιοποιούνται, ώστε να παρατηρεί τις τιμές αριθμητικά παράλληλα με το γράφημα (σχήμα 5.10). Η εφαρμογή ενεργοποιείται και σταματάει με τη χρήση αντίστοιχων πλήκτρων (start και stop). 140

149 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Επιφάνεια εργασίας της εφαρμογής Acquire_DV, η οποία ελέγχεται από τον χρήστη κατά την λήψη των μετρήσεων. Πίσω από τη μάσκα αυτή ο χρήστης μπορεί να ελέγξει τον κώδικα του προγράμματος στο γραφικό περιβάλλον (block diagram) που προσφέρει η LABVIEW (σχήμα 5.11). Σχεδιάστηκε ένας απλός κώδικας στον οποίο, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, εκτός από τη γραφική αναπαράσταση των δεδομένων (waveform chart), τον πίνακα όπου μπορούμε να παρατηρούμε τις μετρούμενες τιμές (voltage) και τον διακόπτη έναρξης και διακοπής λειτουργίας του προγράμματος, δύο είναι τα κύρια τμήματα του κώδικα ACQUIRE_DV: 1. Data Acquisition Assistant (σχήμα 5.11): Αποτελεί το κομμάτι εκείνο του κώδικα το οποίο αναλαμβάνει να επικοινωνήσει με την συσκευή λήψης των δεδομένων και να ορίσει πόσα και ποια κανάλια της κάρτας ψηφιοποίησης θα χρησιμοποιηθούν από την εφαρμογή. Στη συνέχεια αναλαμβάνει να ορίσει για κάθε ένα κανάλι τα στοιχεία που αφορούν τη μέτρηση, δηλαδή το εύρος του αναμενόμενου σήματος ώστε αυτόματα η κάρτα να ορίσει την κλίμακα που θα μετρήσει, τις μονάδες του αναμενόμενου σήματος, τον τρόπο δειγματοληψίας (συνεχόμενο ή ανά κύκλους συγκεκριμένου πλήθους δειγμάτων), αλλά και τη συχνότητα δειγματοληψίας. Εκτός από τα παραπάνω δίνεται επίσης η δυνατότητα να ρυθμιστούν άλλες παράμετροι του τρόπου λειτουργίας της κάρτας ψηφιοποίησης. Δηλαδή οι παράμετροι που δεν χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της εφαρμογής αυτής, και που αφορούν την αυτόματη έναρξη της καταγραφής με βάση κάποια κριτήρια ελέγχου ή σκανδαλισμού, πάνω στο σήμα, αλλά και την δυνατότητα συγχρονισμού της εφαρμογής με άλλα συστήματα (π.χ. εξωτερικό δέκτη GPS). Τέλος, αφού ο χρήστης ολοκληρώσει τις ρυθμίσεις που επιθυμεί μπορεί να δει και τον προτεινόμενο τρόπο συνδεσμολογίας πάνω στις εξόδους της κάρτας. 141

150 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Κώδικας της εφαρμογής Acquire_DV όπως σχεδιάζεται στο block diagram του λογισμικού LABVIEW. 2. Write to Measurement File (σχήμα 5.11): Είναι το κομμάτι του κώδικα που ρυθμίζεται ο τρόπος με το οποίο τα δεδομένα αποθηκεύονται σε ένα ή περισσότερα αρχεία. Ο κώδικα αυτός δίνει στο χρήστη τη δυνατότητα να καθορίσει το είδος των αρχείων (ASCII ή δυαδικά), αλλά και το τι θα καταγράφεται μέσα στο αρχείο, π.χ. κεφαλίδες που θα περιγράφουν λεπτομέρειες για τα δεδομένα και τον τρόπο λήψης τους, πόσες στήλες θα καταλαμβάνουν τα δεδομένα, ποιες πληροφορίες θα καταγράφονται, κλπ Καταγραφές σε ελεγχόμενο περιβάλλον με ένα διαφορικό κανάλι Παραδείγματα Χρησιμοποιώντας την εφαρμογή Acquire_DV πραγματοποιήθηκαν πλήθος δοκιμών σε ελεγχόμενο περιβάλλον με στόχο να επιβεβαιώσουμε την ορθή λειτουργία της εφαρμογής. Αρχικά έγιναν δοκιμές σε ένα διαφορικό κανάλι, ώστε να γίνει κατανοητός ο τρόπος που μέσα από την εφαρμογή μπορούμε να διαχειριστούμε την κάρτα ψηφιοποίησης, παρατηρώντας τη διαφοροποίηση του σήματος ανάλογα με τις επιλογές στα χαρακτηριστικά λειτουργίας. Για την πραγματοποίηση αυτών των πειραματικών μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε μια αναλογική γεννήτρια συχνοτήτων ή οποία (σχήμα 5.12) διαθέσιμη στον εξοπλισμό του σεισμολογικού σταθμού του Α.Π.Θ. 142

151 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Η γεννήτρια HP 3310A της Hewlett Packard που χρησιμοποιήθηκε στις πρώτες δοκιμές της κάρτας ψηφιοποίησης. Κάποια παραδείγματα από τις πολυάριθμες δοκιμαστικές μετρήσεις που υλοποιήθηκαν φαίνονται στα σχήματα που ακολουθούν. Οι δοκιμές αφορούσαν στον τρόπο που μεταβάλλεται το σήμα διαφοροποιώντας τη συχνότητα δειγματοληψίας αλλά και τον τρόπο συνδεσμολογίας της κάρτας NI9206 (βλ. παρ ). Ειδικότερα, στις δύο επάνω εικόνες (a) και (b) του σχήματος (5.13) παρουσιάζεται η διαφορά στην καταγραφή μιας σταθερής διαφοράς δυναμικού με δύο διαφορετικούς τρόπους συνδεσμολογίας της κάρτας ψηφιοποίησης. Η συνδεσμολογία στην περίπτωση της εικόνας (a) έχει γίνει με απλή σύνδεση ενός διαφορικού δίπολου στις εξόδους της γεννήτριας, ενώ στην περίπτωση (b) έχει γίνει παράλληλη σύνδεση του ενός πόλου με την εσωτερική γείωση (COM) της κάρτας NI9206. H συχνότητα δειγματοληψίας είναι σταθερή και ίση με 10kHz. Παρατηρήθηκε πως η καταγραφή στην περίπτωση (b) είναι πολύ πιο σταθερή και περιέχει πολύ λιγότερο θόρυβο από την καταγραφή (a), κάτι το οποίο φαίνεται τόσο στο πάνω διάγραμμα στο οποίο φαίνονται τα αρχικά δεδομένα, όσο και στο κάτω διάγραμμα στο οποίο φαίνεται το αποτέλεσμα της εφαρμογής ενός κινούμενου μέσου όρου 199 σημείων στα δεδομένα. Στις εικόνες (c) και (d) του σχήματος (5.13) παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της καταγραφής της ίδιας σταθερής διαφοράς δυναμικού, με την συνδεσμολογία της περίπτωσης (b), χρησιμοποιώντας όμως διαφορετική συχνότητα δειγματοληψίας. Παρατηρείται πως η μείωση της συχνότητας δειγματοληψίας από τα 10kHZ (σχήμα 5.13b), στα 5kHZ (σχήμα 5.13c) και στα 500Hz (σχήμα 5.13d) έχει εμφανή μείωση στην ποιότητα των δεδομένων (πριν αλλά και μετά την εφαρμογή του κινούμενου μέσου όρου). Το συμπέρασμα των δοκιμών αυτών ήταν ότι η καλύτερη συνδεσμολογία για την πραγματοποίηση μετρήσεων είναι η σύνδεση του διαφορικού δίπολου με την εσωτερική γείωση της κάρτας. Επιπλέον αναδείχθηκε η ανάγκη για την χρησιμοποίηση του μέγιστου δυνατού βήματος δειγματοληψίας για την όσο πιο αξιόπιστη καταγραφή της διαφοράς δυναμικού (στην περίπτωση της κάρτας NI9206 είναι ίση με 10kHZ). 143

152 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού (a) (b) (c) (d) Σχήμα Παραδείγματα της επίδρασης της διαφορετικής συνδεσμολογίας (εικόνες a και b) και παράδειγμα της επίδρασης της διαφοροποίησης της συχνότητας δειγματοληψίας (εικόνες b, c και d). 5.4 Υπολογισμός των διαφορών δυναμικού Σχεδιασμός εφαρμογής Αλγόριθμος Έχοντας επιτύχει την καταγραφή των ψηφιακών μετρήσεων διαφοράς δυναμικού με τη χρήση της κάρτας ψηφιοποίησης, σχεδιάστηκε μια εφαρμογή με την οποία θα ήταν δυνατή ή ανάγνωση αυτών των δεδομένων, ώστε μέσα από την επεξεργασία τους να υπολογίζεται μια μοναδική τιμή διαφοράς δυναμικού, αντιπροσωπευτική για το συγκεκριμένο αρχείο δεδομένων. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, παρατηρώντας τις καταγραφές, ήταν φανερό ότι η εφαρμογή θα έπρεπε να χρησιμοποιεί ένα διαδραστικό γραφικό περιβάλλον, μέσα από το οποίο ο χρήστης θα έχει τη δυνατότητα να παρατηρεί και να επεξεργάζεται τα δεδομένα. Ιδανικό περιβάλλον για την ανάπτυξη μιας τέτοιας εφαρμογής προσφέρει η MATLAB. Τα βασικά βήματα της εφαρμογής αποφασίστηκαν να είναι τα παρακάτω: 144

153 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού I. Αναζήτηση και ανάγνωση των δεδομένων II. Γραφική αναπαράσταση των δεδομένων III. Δημιουργία πρότυπου παλμού IV. Επεξεργασία αρχικών δεδομένων V. Σύγκριση πρότυπου παλμού με τα δεδομένα VI. Υπολογισμός διαφοράς δυναμικού και εκτίμηση λάθους VII. Εγγραφή αποτελέσματος σε αρχείο Η δεύτερη αυτή εφαρμογή σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε μέσα από το αντίστοιχο γραφικό περιβάλλον (GUI) της MATLAB και η εικόνα που παρουσιάζει η τελική έκδοση της εφαρμογής παρουσιάζεται στο σχήμα (5.14). Διακρίνονται δύο τμήματα, το πάνω τμήμα στο οποίο ο χρήστης παρατηρεί σε 4 γραφήματα. Τα αρχικά δεδομένα και τα δεδομένα σε διάφορα στάδια της επεξεργασίας εμφανίζονται στα δύο μεγαλύτερα από αυτά ενώ στα δύο μικρότερα, φαίνεται ο πρότυπος παλμός (κάτω δεξιά) και διάφορα χρήσιμα γραφήματα, όπως τη φασματική ανάλυση των δεδομένων ή τη γραφική παράσταση της συνάρτησης διασυσχέτισης (κάτω αριστερά) δεδομένων και πρότυπου παλμού. Στο κάτω τμήμα της εφαρμογής με τη χρήση πλήκτρων διπλής ή και πολλαπλής επιλογής ο χρήστης τροποποιεί τις παραμέτρους του προγράμματος και δίνει τις επιθυμητές εντολές για εκτέλεση. Σχήμα Στιγμιότυπο της εφαρμογής υπολογισμού της τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού 145

154 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Πραγματοποίηση πραγματικών μετρήσεων μικρής κλίμακας με ένα διαφορικό κανάλι Έχοντας στη διάθεση μας την αρχική εκδοχή του προγράμματος υπολογισμού της διαφοράς δυναμικού, ήταν απαραίτητη η πραγματοποίηση πειραματικών μετρήσεων, οι οποίες θα μας έδιναν την δυνατότητα να ελέγξουμε την μεθοδολογία υπολογισμού της τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού και επιπλέον θα επέτρεπαν την εκτίμηση της διακριτικής ικανότητας της μεθοδολογίας μας σε πραγματικά δεδομένα. Απαραίτητη διαδικασία για να υλοποιήσουμε τα παραπάνω θα ήταν η παράλληλη μέτρηση των διαφορών δυναμικού με τη βοήθεια ενός αξιόπιστου οργάνου υπολογισμού διαφοράς δυναμικού όπως το Syscal Pro της IRIS Instruments Μεθοδολογία επεξεργασία σήματος και υπολογισμού τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού Η μεθοδολογία που ακολουθήσαμε για τον υπολογισμό της τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού ΔV, αξιοποιώντας τη διαθέσιμη καταγραφή των διαφορών δυναμικού για κάθε μια μέτρηση, ακολουθεί τα παρακάτω βήματα: Αφαίρεση της μέσης στάθμης των δεδομένων. Είναι γνωστό πως η διαφορά δυναμικού που μετριέται μεταξύ δυο σημείων παρουσιάζει χρονική μεταβολή και ότι τα ηλεκτρόδια που μπαίνουν μέσα στο έδαφος υφίστανται σταδιακά πόλωση με αποτέλεσμα την δημιουργία πρόσθετης τάσης. Για την αφαίρεση της χρονικά μεταβαλλόμενης τάσης από την χρονοσειρά των δεδομένων μας δοκιμάστηκαν διάφορες συναρτήσεις ξεκινώντας από απλή γραμμική σχέση μέχρι πολυώνυμα 4 ου και 5 ου βαθμού. Τελικά επιλέξαμε τη χρήση πολυωνύμου 4 ου βαθμού, το οποίο φαίνεται να αποδίδει ικανοποιητικά στο σύνολο των δεδομένων που δοκιμάστηκαν κατά την φάση ανάπτυξης της μεθοδολογίας. Τονίζεται ότι στο στάδιο αυτό δεν αποκλείεται, σε ειδικές περιπτώσεις δεδομένων, να πρέπει να τροποποιηθεί η επιλογή πολυωνύμου κάτι το οποίο όμως πρέπει να αποφασιστεί από τον χρήστη μετά από παρατήρηση των δεδομένων στο γράφημα που προσφέρει η εφαρμογή. Επιλογή του τμήματος των δεδομένων για επεξεργασία. Παρατηρήθηκε ότι κατά την διάρκεια της δειγματοληψίας από την κάρτα ψηφιοποίησης συχνά υπάρχει ανεπιθύμητος θόρυβος (κυρίως υψίσυχνος) στα δεδομένα, ο οποίος μπορεί να οφείλεται είτε σε φυσικά αίτια είτε σε απρόσεκτο χειρισμό (π.χ. όχι καλή σύζευξη) σε κάποιο από τα ηλεκτρόδια δυναμικού ή ρεύματος. Στην περίπτωση που το σήμα που μας ενδιαφέρει είναι διακριτό σε μέρος μόνο της καταγραφής μπορούμε να επιλέξουμε να χρησιμοποιήσουμε μόνο το τμήμα αυτό των δεδομένων, ώστε να αποφύγουμε την περίπτωση ο θόρυβος να καθιστά αδύνατο τον σωστό υπολογισμό της ζητούμενης διαφοράς δυναμικού. Επιπλέον με τον τρόπο αυτό 146

155 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού μπορούμε να μειώσουμε το μέγεθος της χρονοσειράς που θα χρησιμοποιήσουμε, μειώνοντας σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για την πρόσθετη επεξεργασία των δεδομένων. Επεξεργασία για την ανάδειξη του τετραγωνικού παλμού εισόδου. Για την πραγματοποίηση μετρήσεων γεωηλεκτρικής αντίστασης με την προτεινόμενη μεθοδολογία ( 5.2) χρησιμοποιείται γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Το παραγόμενο ηλεκτρικό σήμα έχει τη μορφή τετραγωνικού παλμού, σταθερής διάρκεια (Δt) και γνωστού πλάτους (Ι) (σχήμα 5.3). Ένα από τα σημαντικότερα βήματα της επεξεργασίας αποτελεί η διαδικασία για τον εντοπισμό και την ανάδειξη του τετραγωνικού παλμού εισόδου, ο οποίος υπάρχει στα δεδομένα μας. Στο στάδιο αυτό αρχικός στόχος ήταν να αφαιρεθεί από τα δεδομένα ο ανεπιθύμητος θόρυβος για να βελτιωθεί έτσι ο τελικός λόγος σήματος προς θόρυβο (S/N). Δοκιμάστηκαν αρχικά απλά φίλτρα κινούμενου μέσου όρου, τα οποία λειτούργησαν ικανοποιητικά όταν ο παλμός ήταν αρκετά ευδιάκριτος, αλλά όχι και όταν το προς αναζήτηση σήμα δεν είχε σημαντικό πλάτος. Η σχετικά θετική απόκριση του κινούμενου μέσου όρου οδήγησε στην δοκιμή του φίλτρου Savitzky Golay, γνωστού και ως ψηφιακό πολυωνυμικό φίλτρο εξομάλυνσης. (Orfanidis, 1996). Πρόκειται για ένα γενικευμένο φίλτρο κινούμενου μέσου όρου, οι παράμετροι του οποίου υπολογίζονται χρησιμοποιώντας προσαρμογή ελαχίστων τετραγώνων για πολυώνυμο συγκεκριμένου βαθμού. Όσο μεγαλύτερος ο βαθμός του πολυωνύμου τόσο πιο εύκολη είναι η εξομάλυνση των δεδομένων, χωρίς να επηρεαστεί το πλάτος του αρχικού σήματος. Το αποτέλεσμα και στην περίπτωση αυτή δεν είναι επαρκώς ικανοποιητικό όταν ο λόγος S/N μειώνεται. Για την περαιτέρω βελτίωση του λόγου S/N πραγματοποιήθηκε φασματική ανάλυση των δεδομένων, όπου παρατηρήθηκαν συχνά κορυφές σε συχνότητες κοντά στα 50Hz, αλλά και σε πολλαπλάσια τους (ανώτερες αρμονικές) (σχήμα 5.15). Δοκιμάστηκαν φίλτρα αποκοπής στις συγκεκριμένες συχνότητες, όμως και πάλι το αποτέλεσμα δεν ήταν ικανοποιητικό. Οι παραπάνω προσπάθειες ενίσχυσαν την άποψη ότι τα φίλτρα που δοκιμάστηκαν δεν οδήγησαν σε ικανοποιητικά αποτελέσματα επειδή δεν είναι σχεδιασμένα για ανάδειξη τετραγωνικών παλμών. 147

156 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Καταγραφή φυσικού δυναμικού κατά την διάρκεια υλοποίησης των δοκιμαστικών μετρήσεων και φασματική ανάλυση αυτής. Διακρίνονται οι κορυφές κοντά στα 50Hz και στα πολλαπλάσια τους (ανώτερες αρμονικές). Η επόμενη προσπάθεια στηρίχτηκε στα λεγόμενα γραμμικά ψηφιακά φίλτρα, τα οποία παρουσιάζουν πεπερασμένης χρονικής διάρκειας απόκριση σε είσοδο μοναδιαίας κρούσης (FIR), αποτελώντας ουσιαστικά ειδική περίπτωση των φίλτρων άπειρης κρουστικής απόκρισης (IIR). Από τα γραμμικά ψηφιακά φίλτρα, τα FIR προτιμώνται συνήθως έναντι των IIR λόγω της ευστάθειας στη λειτουργία τους και της γραμμικής απόκρισης που παρουσιάζουν στη φάση. Τα βασικά είδη των FIR φίλτρων είναι : α) Χαμηλοπερατά (Low Pass) β) Υψιπερατά (High Pass) γ) Ζωνοδιαβατά (Band Pass) και δ) Απόρριψης Ζώνης (Band Reject) (Μαγκλάρης, 2008). Η γενική δομή ενός FIR φίλτρου φαίνεται στο σχήμα (5.16). Αποτελείται από μία γραμμή καθυστέρησης (delay line), όπου ολισθαίνουν τα δείγματα του σήματος εισόδου x(n), και από τους πολλαπλασιαστές ak. Τα αποτελέσματα των πολλαπλασιασμών προστίθενται για να δώσουν την τελική έξοδο του φίλτρου y(n). 148

157 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Γενική Δομή FIR Φίλτρου (Μαγκλάρης, 2008). Είναι προφανές ότι, η έξοδος y(n) είναι ο γραμμικός συνδυασμός των δειγμάτων εισόδου x(n): N m m 0 y( n) a x( n m). (5.1) Αν το σήμα εισόδου στο FIR φίλτρο είναι η μοναδιαία κρούση δ(n), τότε η έξοδός του (κρουστική απόκριση του φίλτρου ή Impulse Response) θα είναι διαδοχικά ίση με κάθε έναν από τους συντελεστές a k. Αυτό συμβαίνει γιατί η συνάρτηση δ(n) θα πολλαπλασιάζεται κάθε φορά μόνο με έναν από τους συντελεστές a k καθώς ολισθαίνει στη γραμμή καθυστέρησης. Η κρουστική απόκριση του φίλτρου θα μηδενιστεί όταν η μοναδιαία κρούση εξέλθει της γραμμής καθυστέρησης. Επομένως θα λάβουμε την πεπερασμένη σε χρονική διάρκεια κρουστική απόκριση h(n) για τα FIR φίλτρα (Finite Impulse Response). Σύμφωνα με τα παραπάνω είναι προφανές ότι η εξίσωση (5.1) μπορεί να γραφεί ως εξής: N m 0 y( n) h( m) x( n m). (5.2) Μετασχηματίζοντας και τα δύο μέλη της τελευταίας σχέσης στο πεδίο του μετασχηματισμού z (z-transform) θα λάβουμε τη συνάρτηση μεταφοράς του FIR φίλτρου: N N N m m Y() z m Y() z h( m) X() z z Y() z X() z h( m) z H() z h( m) z (5.3) X() z m 0 m 0 Η εξίσωση (5.2) αποτελεί τη σχέση εισόδου-εξόδου του FIR φίλτρου στο πεδίο του χρόνου, ενώ η (5.3) είναι η αντίστοιχη συνάρτηση μεταφοράς στο πεδίο του μετασχηματισμού z. Ο βαθμός N του φίλτρου χαρακτηρίζεται από το πλήθος των όρων της κρουστικής απόκρισης [πλήθος συντελεστών h(m) ]. m 0 149

158 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Για την ανάδειξη του τετραγωνικού παλμού εισόδου χαμηλής συχνότητας, χρησιμοποιήθηκε ένα χαμηλοπερατό Γκαουσσιανό FIR φίλτρο (Gaussian FIR pulse-shaping filter), ώστε να απομακρυνθεί ο υψίσυχνος θόρυβος και να αναδειχθεί το σήμα εισόδου. Η απόκριση του φίλτρου αυτού στη συνάρτηση δ(t) είναι μία συνάρτηση Gauss, δηλαδή μία συνάρτηση της μορφής: 2 2 t 2 ht () e (5.4) Είναι προφανές ότι σε αντίθεση με τη συνάρτηση δ(t), η συνάρτηση h(t) θα έχει πολύ πιο χαμηλόσυχνο περιεχόμενο, λειτουργώντας έτσι ώς ένα χαμηλοπερατό φίλτρο. Στην πράξη η Γκαουσσιανή συνάρτηση h(t) συνελίσσεται με τη χρονοσειρά την οποία θέλουμε να φιλτράρουμε. Η επιλογή του συγκεκριμένου φίλτρου σε σχέση με άλλα FIR φίλτρα βασίστηκε στο γεγονός ότι τα Γκαουσσιανά FIR φίλτρα δεν οδηγούν σε υπερεκτίμηση συναρτήσεων τύπου βήματος (Heavyside), όπως οι τετραγωνικοί παλμοί του σήματος εισόδου, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον χρόνο ανόδου και πτώσης του φιλτραρισμένου παλμού (τετραγωνικού σήματος). Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με το γεγονός ότι τα φίλτρα αυτά εισάγουν την ελάχιστη δυνατή καθυστέρηση ομάδας. Κατά συνέπεια, τα φίλτρα αυτά ήταν κατάλληλα για το φιλτράρισμα του συγκεκριμένου τετραγωνικού σήματος εισόδου, χωρίς να παραλλάσσουν τα χαρακτηριστικά του και κυρίως το μετρούμενο πλάτος της διαφοράς δυναμικού. Στην περίπτωσή μας, λόγω της μεγάλης συχνότητας δειγματοληψίας (10 KHz), χρησιμοποιήθηκε ένα μεγάλου μήκους φίλτρο (200 σημείων), ώστε να μην έχουμε σημαντικά φαινόμενα αποκοπής (λόγω του πεπερασμένου μήκους του FIR φίλτρου). Το μήκος αυτό δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα, αφού είναι αμελητέο (<1%) σε σχέση με τα 4*10 4 σημεία του κάθε παλμού εισόδου, για τη συχνότητα δειγματοληψίας των 10 KHz Στο σχήμα (5.17) φαίνεται η απόκριση πλάτους του συγκεκριμένου φίλτρου (σε μονάδες συχνότητας δειγματοληψίας) το οποίο χρησιμοποιήθηκε, από όπου εύκολα φαίνεται ότι πρακτικά αποκόπτει όλες τις συχνότητας μεγαλύτερες από της συχνότητας δειγματοληψίας, δηλαδή μεγαλύτερες από 5-10Hz, για τη συχνότητα δειγματοληψίας των 10 KHz. 150

159 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Αναπαράσταση της απόκρισης πλάτους του φίλτρου FIR, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην τελική επεξεργασία του σήματος για την ανάδειξη των πρότυπων παλμών εισόδου και τη βελτίωση του λόγου σήματος/θορύβου (S/N). Κατασκευή του πρότυπου παλμού εισόδου. Όπως αναφέρθηκε το ηλεκτρικό ρεύμα που εισέρχεται από την γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος στη γή, έχει μορφή τετραγωνικού παλμού με γνωστά χαρακτηριστικά (πλάτος διάρκεια). Είναι προφανές ότι το ηλεκτρικό πεδίου που δημιουργείται θα μεταβάλλεται με τον ίδιο τρόπο και συνεπώς η χρονοσειρά το δυναμικού που θα μετρηθεί θα έχει τη μορφή τετραγωνικού παλμού όμοιας διάρκειας. Για την ανάδειξη του τετραγωνικού παλμού στα δεδομένα κατασκευάζουμε πρότυπο παλμό με διάρκεια ίση με τη διάρκεια του παλμού που παράγει η πηγή ρεύματος και μοναδιαίο πλάτος (σχήμα 5.14). Σύγκριση του πρότυπου παλμού με τα δεδομένα και υπολογισμός της τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού. Η σύγκριση γίνεται με στόχο να εντοπιστούν με ακρίβεια οι θέσεις των τετραγωνικών παλμών στη χρονοσειρά καταγραφής των διαφορών δυναμικού. Για να επιτευχθεί αυτό υπολογίστηκε η τιμή της συνάρτησης διασυσχέτισης μεταξύ του πρότυπου τετραγωνικού παλμού εισόδου και της χρονοσειράς των δεδομένων. Το 151

160 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού αποτέλεσμα, το οποίο παρουσιάζεται γραφικά στο κάτω αριστερά διάγραμμα της εφαρμογής, (σχήμα 5.14) αποτελεί μια εξαιρετικά αξιόπιστη εποπτική μέθοδο ελέγχου της ποιότητας της καταγραφής, αφού όσο πιο καλοσχηματισμένη είναι η τριγωνική μορφή της συνάρτησης διασυσχέτισης τόσο καλύτερα είναι τα δεδομένα. Για τον υπολογισμό της συνάρτησης διασυσχέτισης χρησιμοποιήσαμε την εντολή xcorr,η οποία είναι διαθέσιμη στις βιβλιοθήκες της MATLAB. Εντοπίζοντας τις στιγμές, πάνω στη χρονοσειρά των δεδομένων, κατά τις οποίες η συνάρτηση διασυσχέτισης παίρνει τις μέγιστες και τις ελάχιστες τιμές της, εντοπίζονται οι δείκτες που καθορίζουν ακριβώς τα τμήματα της χρονοσειράς μας, τα οποία πρέπει να χρησιμοποιήσουμε για τον υπολογισμό της τελικής διαφοράς δυναμικού. Σχηματικά η παραπάνω διαδικασία φαίνεται στο σχήμα (5.18) που ακολουθεί. Προκύπτουν περισσότερες από μια (στο παράδειγμα του σχήματος μας τρεις) τιμές DV, από τις οποίες υπολογίζεται η τελική τιμή, καθώς επίσης και η εκτίμηση λάθους και η τυπική απόκλιση αυτής. Αξίζει να αναφερθεί, ότι για κάθε ένα τμήμα των δεδομένων, η τιμή DV προκύπτει σαν το μισό της διαφοράς του μέσου όρου των μέγιστων και των ελάχιστων τιμών. Κατά τον υπολογισμό αυτό απορρίπτονται τιμές της χρονοσειράς, οι οποίες γειτνιάζουν με τα σημεία που η τιμή αλλάζει από θετική σε αρνητική και αντίστροφα. Ο λόγος που απορρίπτονται αυτές οι περιοχές είναι γιατί σε αυτά τα σημεία παρατηρούνται τιμές, οι οποίες επηρεάζονται από το φαινόμενο της παγωμένης πόλωσης (IP) και φυσικά επηρεάζουν την τελική τιμή της διαφοράς δυναμικού που υπολογίζεται. Παράλληλα με την παραπάνω μεθοδολογία, ο υπολογισμός της τελικής τιμής της διαφοράς δυναμικού είναι δυνατό να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας αποκλειστικά το αποτέλεσμα της συνάρτησης διασυσχέτισης, όπως αυτό προκύπτει από την εφαρμογή της συνάρτησης xcorr. Η μέθοδος αυτή δουλεύει εντελώς ανεξάρτητα με το σκεπτικό που περιγράφηκε νωρίτερα και ουσιαστικά προσφέρει έναν ακόμη τρόπο να ελεγχθεί η ορθότητα του υπολογισμού της τελικής διαφοράς δυναμικού DV. Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται στο ότι η MATLAB εφαρμόζει την διασυσχέτιση στο χώρο των συχνοτήτων. Είναι γνωστό ότι η συσχέτιση δύο διακριτών συναρτήσεων g k και h k με περίοδο/μήκος Ν ορίζεται ως (Press et al., 2007): N 1 Corr g, h g h (5.5) Σύμφωνα όμως με το θεώρημα του διακριτού μετασχηματισμού Fourier ισχύει: j k 0 j k * G H Corr g h, j k k (5.6) όπου G k και H k είναι οι διακριτοί μετασχηματισμοί Fourier των g και h, ενώ ο αστερίσκος, *, συμβολίζει συζυγή μιγαδικό αριθμό. k 152

161 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Βάση των παραπάνω λοιπόν είναι δυνατό να υπολογιστεί η διασυσχέτιση δύο διακριτών ομάδων δεδομένων με τον παρακάτω τρόπο: Πραγματοποιείται ευθύς μετασχηματισμό Fourier (FFT) στις δύο χρονοσειρές δεδομένων (π.χ. g και h). Πολλαπλασιάζεται το αποτέλεσμα του μετασχηματισμού του ενός με το συζυγές αποτέλεσμα του μετασχηματισμού του άλλου και ακολούθως εφαρμόζεται αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier στο γινόμενο. Το αποτέλεσμα είναι ένα διάνυσμα r k, μήκους N, μιγαδικών αριθμών των οποίων όμως το φανταστικό μέρος θα είναι μηδέν εφόσον τα δεδομένα g και h είναι πραγμ ατικοί αριθμοί. Τα στοιχεία του διανύσματος αποτελούν τις τιμές της διασυσχέτισης για διάφορα χρονικά βήματα t. Στην παρούσα διατριβή, η χρονοσειρά των μετρούμενων, από την κάρτα ψηφιοποίησης, διαφορών δυναμικού αποτελεί την μία συνάρτηση (π.χ την g) και ο πρότυπος παλμός την δεύτερη (h). Επειδή η συνάρτηση h έχει τιμές 1 και 0 (σχήμα 5.14), ο πολλαπλασιασμός της σχέσης (5.5) μας δίνει πάλι διαφορές δυναμικού. Επιπλέον η υλοποίηση της διασυσχέτισης στο χώρο των συχνοτήτων έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της επίδρασης των υψηλών συχνοτήτων από το αρχικό σήμα (θόρυβος) στο τελικό αποτέλεσμα. Στην εφαρμογή που κατασκευάστηκε, ο χρήστης έχει την δυνατότητα να υπολογίσει την τελική τιμή DV και με τις δύο μεθοδολογίες, επιλέγοντας τον αντίστοιχο διακόπτη (σχήμα 5.14). Τα αποτελέσματα και στις δύο περιπτώσεις διαφοροποιούνται ελάχιστα στο σύνολο των δεδομένων που μετρήθηκαν και στα πειράματα, αλλά και στις πραγματικές μετρήσεις που περιγράφονται στη συνέχεια. 153

162 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας διασυσχέτισης του πρότυπου παλμού με τα φιλτραρισμένα δεδομένα και επιλογής των τμημάτων που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των διαφορών δυναμικού Έλεγχος ποιότητας αποτελεσμάτων με παράλληλη καταγραφή με το Syscal Pro της IRIS Οι πρώτες πραγματικές δοκιμές έγιναν στην περιοχή έξω από το κτίριο του σεισμολογικού σταθμού του Α.Π.Θ. Η κλίμακα των μετρήσεων επιλέχθηκε έτσι, ώστε να διευκολύνει την πραγματοποίηση τους από πρακτική άποψη, καθώς το ζητούμενο όπως προαναφέρθηκε ήταν να δοκιμαστεί η αποτελεσματικότητα των φίλτρων που περιγράφηκαν 154

163 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού νωρίτερα και να προσδιοριστούν οι ελάχιστες τιμές διαφοράς δυναμικού που μπορεί να εντοπίσει η εφαρμογή που σχεδιάστηκε. Τα ηλεκτρόδια τοποθετήθηκαν σε μια απλή διάταξη διπόλου διπόλου και οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το Syscal Pro της IRIS και με την κάρτα ψηφιοποίησης παράλληλα συνδεδεμένη πάνω στα ηλεκτρόδια δυναμικού. Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται συγκριτικά διαγράμματα μεταξύ των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την εφαρμογή των διαφόρων μεθοδολογιών που αναφέρθηκαν νωρίτερα. Ειδικότερα, στα διαγράμματα των σχημάτων (5.19 έως 5.21) φαίνονται οι διαφορές δυναμικού που μετρήθηκαν από το Syscal Pro της IRIS (με τις πράσινες μπάρες) και ταυτόχρονα οι διαφορές εκφρασμένες σε ποσοστά (%) των τιμών που μετρήθηκαν με την προτεινόμενη μεθοδολογία για ηλεκτρικό σήμα εισόδου αποτελούμενο από δύο, τρεις και τέσσερις παλμούς αντίστοιχα. Παρατηρώντας τα 3 διαγράμματα γίνεται σαφές ότι ο υπολογισμός της διαφοράς δυναμικού με τη χρήση μόνο κινούμενου μέσου όρου δεν δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα όταν η μετρούμενη διαφορά δυναμικού γίνεται μικρότερη από 4mV. Παράλληλα προκύπτει ότι η αύξηση του πλήθους των παλμών που χρησιμοποιήθηκαν στον υπολογισμό από 2 σε 4 δείχνει να βελτιώνει ελάχιστα τα αποτελέσματα. Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) ,4-2,3-2,1-4,1-3,8-5,2 21,5-3,9-8,1-7,8 9,9-3,8-29,1-74,1-238,4-89,5-178,3-56,0-169,7 Vp %diff-iris -711, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Στην επεξεργασία χρησιμοποιήθηκαν 2 παλμοί και απλός κινούμενος μέσος όρος 299 σημείων. 155

164 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) ,0-1,5-2,2-3,0-2,7-4,4 21,5-4,3-7,2-7,5 9,9-4,1-29,1-18,5-238,4-45,2-178,3-27,6-39,6 Vp %diff-iris -711, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Στην επεξεργασία χρησιμοποιήθηκαν 3 παλμοί και απλός κινούμενος μέσος όρος 299 σημείων. Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) ,9-1,5-2,1-2,4-1,9-3,9 21,5-3,9-4,4-5,6 9,9-3,8-29,1-21,8-238,4-37,1-178,3-21,8-42,4 Vp %diff-iris -711, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Χρησιμοποιήθηκαν 4 παλμοί και απλός κινούμενος μέσος όρος 299 σημείων. Στα επόμενα διαγράμματα παρουσιάζονται με παρόμοιο τρόπο, τα αποτελέσματα της εφαρμογής των προηγούμενων μεθόδων σε συνδυασμό με φίλτρο αποκοπής συχνοτήτων (σχήμα 5.22), αλλά και το αποτέλεσμα της εφαρμογής του ψηφιακού πολυωνυμικού φίλτρου εξομάλυνσης Savitzky - Golay (σχήμα 5.23). Τα αποτελέσματα βελτιώθηκαν ως προς την συνέπεια σε σχέση με τις μετρήσεις του Syscal Pro μειώνοντας τη διαφοροποίηση σε ποσοστά μικρότερα του 10% για μετρήσεις διαφορών δυναμικού μεγαλύτερου ή ίσου με 1mV περίπου. Όταν όμως τα μετρούμενα δυναμικά γίνονται μικρότερα του 1mV, τα σφάλματα των μετρήσεων, πάντα σε σχέση με τις μετρήσεις του Syscal Pro γίνονται πολύ μεγάλα, αποδεικνύοντας ότι οι παραπάνω μεθοδολογίες δεν είναι ικανές να πετύχουν αποτελέσματα ανάλογα σε ακρίβεια με τα αντίστοιχα εμπορικά συστήματα. 156

165 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) ,9-1,9-2,5-3,5-2,1-4,3 18,5-4,5 0,1-4,9 8,9-9,5-26,1-22,0-230,3-25,7-156,2-14,8-24,9 Vp %diff-iris -603, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Χρησιμοποιήθηκαν 4 παλμοί και κινούμενος μέσος όρος 299 σημείων, ενώ στα δεδομένα εφαρμόστηκε φίλτρο αποκοπής στα 50, 100, 150 και 200Hz. Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) ,9-1,5-2,2-2,4-1,9-4,0 21,6-3,5-4,5-5,6 9,2-4,3-29,0-25,7-238,4-36,8-178,7-20,6-42,4 Vp %diff-iris -711, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Στην επεξεργασία χρησιμοποιήθηκαν 4 παλμοί και εφαρμογή φίλτρου Savitzky - Golay 4 ης τάξης 599 σημείων. Η εφαρμογή του φίλτρου FIR στα ίδια δεδομένα (σχήμα. 5.24) δείχνει πολύ καθαρά ότι υπερέχει σε σχέση με τα υπόλοιπα που δοκιμάστηκαν, βελτιώνοντας σημαντικά τα αποτελέσματα. Η απόκλιση σε σχέση με τα αποτελέσματα του συστήματος της IRIS γίνεται ελάχιστη και με εξαίρεση τη 15 η μέτρηση διατηρείται μικρότερη του 10% για όλες τις μετρήσεις που δεν είναι μικρότερες από τα 0,3mVolt. 157

166 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) ,2 1,6 2,7-1,1 3,8-2,5-1,4 1,8 3,2-0,8 2,2 5,4 4,9-8,2 2,9 9,1-4,6-12,3 Vp %diff-iris -25,3-31, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Στην επεξεργασία χρησιμοποιήθηκαν 4 παλμοί και εφαρμογή φίλτρου Gaussian FIR. Έχοντας επιλύσει το πρόβλημα της επεξεργασίας των δεδομένων με την κατασκευή ενός ικανοποιητικού φίλτρου, υλοποιήθηκαν πρόσθετες δοκιμές, τροποποιώντας τις παραμέτρους της κάρτας ψηφιοποίησης, μειώνοντας το εύρος λειτουργίας της στα 0,2 Volt, βελτιώνοντας με τον τρόπο αυτό την ευαισθησία της (βλέπε πίνακα 5.1). Τα αποτελέσματα (σχήμα 5.25), συγκρινόμενα με τις τιμές του συστήματος Syscal Pro, δείχνουν και πάλι πολύ μεγάλες αποκλίσεις σε τιμές μικρότερες των 0,3mVolt γεγονός που κυρίως αποδίδεται στο ότι το επίπεδο του φυσικού θορύβου στις μετρήσεις είναι ίδιας τάξης μεγέθους με το ζητούμενο σήμα (παλμό), ακόμα και μετά την επεξεργασία με το χαμηλόσυχνο FIR φίλτρο. Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Vp %diff-iris 2,7-98,9-44,5-41,7-37,3-23,3-11,1-100,2-252,2-105,4 16,8 5,6 32,2 5,7-4,3-0, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Το εύρος λειτουργίας της κάρτας ορίστηκε στα 0,2Volt ενώ για την επεξεργασία χρησιμοποιήθηκαν πάλι 4 παλμοί και εφαρμογή φίλτρου Gaussian FIR. 158

167 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Κατά τη διάρκεια της λήψης των μετρήσεων στα αρχεία που παρουσιάστηκαν, διαφοροποιήθηκε η συχνότητα δειγματοληψίας στην κάρτα μεταξύ 10KHz και 1KHz, σε μια προσπάθεια να εντοπιστεί η κατάλληλη συχνότητα δειγματοληψίας για το σκοπό του πειράματός μας. Η διαφορά στα αποτελέσματα δεν είναι εύκολα διακριτή, όμως η διαφορά στο μέγεθος των αρχείων που δημιουργούνται, σε κάθε μια περίπτωση, είναι σημαντικότατη και φυσικά αντίστοιχος ήταν και ο απαιτούμενος χρόνος για την επεξεργασία με το λογισμικό που αναπτύχθηκε στη MATLAB. Ολοκληρώνοντας λοιπόν τις δοκιμές με τα αρχεία που συλλέχθηκαν, εξετάστηκε η επίδραση που θα είχε στα αποτελέσματα των μετρήσεων εκείνων που πραγματοποιήθηκαν με συχνότητα δειγματοληψίας 10KHz, αν αυτή μειωνόταν στα 1KHz. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης για τα ίδια δεδομένα, πάντα αναφορικά με τα αποτελέσματα του συστήματος της IRIS φαίνεται στο σχήμα (5.26) που ακολουθεί. Όνομα αρχείου Δυναμικό στο Syscal Pro (mv) , ,5 1,0 1,0 0,7 4,1 8,0 3,3-2,3-0,2 1,6 2,7-1,1 3,8-2,5-1,4 1,8 3,2-0,3 7,0-0,8 2,2-0,5 65,5 58,6 5,4 4,9-8,2 2,9-25,3 9,1-5,4-16,4-20,7-0,4-4,6-31,6-12,3-50,7-80,7 Vp 10KHz 1KHz -81, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά (diff IRIS)μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού (V p ), όπως μετρήθηκε με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και της μέτρησης με το Syscal Pro, την οποία βλέπουμε με τις μπάρες. Στο διάγραμμα φαίνονται τα αποτελέσματα για συχνότητα δειγματοληψίας 1KHz και 10KHz. Συμπερασματικά από το σύνολο των μετρήσεων και των δοκιμών προκύπτει ότι: 1) Η εφαρμογή των FIR φίλτρων και ειδικότερα του Gaussian FIR που δοκιμάσαμε είχε πολύ καλά αποτελέσματα, ακόμα και σε πολύ μικρές τιμές διαφοράς δυναμικού (τυπικά μέχρι 0.3mV). 2) Σε συνθήκες αστικού περιβάλλοντος, οι οποίες όπως αποδείχτηκε χαρακτηρίζονται από υψηλό επίπεδο θορύβου, λόγω της ύπαρξης έντονων μεταβολών του φυσικού δυναμικού (SP), το αποτέλεσμα των μετρήσεων με την προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να θεωρηθεί αξιόπιστο για τιμές διαφοράς δυναμικού της τάξης του 0,3mVolt. 3) Η συχνότητα δειγματοληψίας των 10 KHz φαίνεται απαραίτητη για την αξιόπιστη καταγραφή του σήματος. 159

168 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού 4) Από τις 4 δυνατές τιμές εύρους λειτουργίας της κάρτας ψηφιοποίησης NI9206, ως ενδεδειγμένη για την υλοποίηση των μετρήσεων και την εξαγωγή αξιόπιστων τιμών διαφοράς δυναμικού προκρίνεται η τιμή 1Volt. Αξίζει να τονιστεί ότι τα παραπάνω συμπεράσματα προέκυψαν από τη σύγκριση των τιμών που προέκυψαν με την προτεινόμενη μεθοδολογία σε σχέση με τις τιμές που μέτρησε το σύστημα Syscal Pro της IRIS Instruments, το οποίο θεωρήθηκε ως τον πλέον αξιόπιστο όργανο μέτρησης που είχαμε στη διάθεση μας για αυτή τη σύγκριση. Πρέπει όμως να διευκρινίσουμε πως η μεθοδολογία που χρησιμοποιεί η IRIS για τον υπολογισμό της τελικής τιμής μας διαφοράς δυναμικού δεν είναι γνωστή, ενώ η μόνη ένδειξη που παρέχει ο κατασκευαστής για τον έλεγχο της ποιότητας των αποτελεσμάτων είναι η τιμή Q που εκφράζει την τυπική απόκλιση σε %, δηλαδή του σχετικού σφάλματος το οποίο συνοδεύει την κάθε μέτρηση από το όργανο αυτό. Για να προκύψουν επιπλέον συμπεράσματα για την ποιότητα των μετρήσεων έγιναν κι άλλες συγκρίσεις. Πιο αναλυτικά, στο σχήμα (5.27) παρουσιάζονται οι τιμές διαφοράς δυναμικού που μέτρησε το σύστημα της IRIS παράλληλα με την τιμή Q που υπολόγισε για κάθε μια. Για σύγκριση στο ίδια διάγραμμα παραθέτουμε ξανά και την ποσοστιαία διαφορά, αποτέλεσμα της σύγκρισης της τιμής που προέκυψε από την προτεινόμενη μεθοδολογία και από τη τιμή του Syscal Pro. Στο σχήμα (5.28) παρουσιάζονται με ανάλογο τρόπο οι ίδιες τιμές που περιγράφηκαν νωρίτερα με την αντικατάσταση της τιμής της παραμέτρου Q με το υπολογιζόμενο σφάλμα των μετρήσεων, όπως προκύπτει από τον κώδικα της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Δυναμικό στο Syscal Pro (mvolt) & τιμή Q(%) ,2 1,6 2,7-1,1 3,8-2,5-1,4 1,8 3,2-0,8 2,2 5,4 4,9-8,2 2,9 9,1-4, Q-iris Vp %diff-iris -25,3-31,6-12, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και αυτής του Syscal Pro σε σχέση με την τιμή Q (σχετικό σφάλμα) του τελευταίου οργάνου. 160

169 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Δυναμικό στο Syscal Pro (mvolt) & % σφάλμα μέτρησης με τη κάρτα ΝΙ ,2 1,6 2,7-1,1 3,8-2,5-1,4 1,8 3,2-0,8 2,2 5,4 4,9-8,2 2,9 9,1-4, %err Vp %diff-iris -25,3-31,6-1 2, Διαφορά ΔV - % Σχήμα Ποσοστιαία διαφορά μεταξύ της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού με την κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 και αυτής του Syscal Pro σε σχέση με την τιμή του υπολογισμένου σφάλματος από την προτεινόμενη μεθοδολογία. Τέλος στο σχήμα (5.29) παρουσιάζονται τρία διαγράμματα (a, b και c) στα οποία εξετάζεται η σχέση του σφάλματος που εκτιμάται για κάθε μέτρηση, από το προτεινόμενο σύστημα καταγραφής και από το σύστημα Syscal Pro (σχήμα 5.29.a) και η σχέση των σφαλμάτων αυτών με τη διαφορά στη τελική τιμή διαφοράς δυναμικού (σχήμα 5.29.b και 5.29.c). Από το πρώτο διάγραμμα προκύπτει ότι γενικά το σύστημα της Iris υπολογίζει, για τις ίδιες μετρήσεις, μικρότερα σφάλματα σε σχέση με την προτεινόμενη μεθοδολογία, υπάρχει όμως μια σχεδόν γραμμική σχέση μεταξύ των υπολογιζόμενων σφαλμάτων των δύο συστημάτων. Τέλος τα δύο διαγράμματα (σχήμα 5.29.b) και (σχήμα 5.29.c), δείχνουν πως η απόκλιση μεταξύ των μετρήσεων από τα δύο συστήματα δεν μπορεί να αποδοθεί μόνο σε ένα από τα δύο συστήματα, αφού φαίνεται ότι η αύξηση της απόκλισης των δύο, παρατηρείται ταυτόχρονα με αύξηση του εκτιμώμενου σφάλματος Q (Iris) ή %err (προτεινόμενο σύστημα). 161

170 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού 100 Log(Q-Iris) - Log(err-%) 10 Q-Iris %-err 1000 Log(%diff-Iris) - Log(err-%) 100 Log(%diff-Iris) - Log(Q-Iris) %diff-iris 10 %diff-iris %-err Q-Iris Σχήμα Διαγράμματα συσχέτισης των εκτιμώμενων σφαλμάτων και των διαφορών στις μετρήσεις από το προτεινόμενο σύστημα καταγραφής διαφορών δυναμικού της παρούσας διατριβής και από το συστήματος της Iris Δοκιμαστικές μετρήσεις πραγματικής κλίμακας Προβλήματα και διαπιστώσεις (hardware & software) Ολοκληρώνοντας τις αρχικές δοκιμές σε πειραματική κλίμακα και έχοντας πετύχει στη κατασκευή ενός εύχρηστου λογισμικού για την ανάγνωση των μετρήσεων και την εξαγωγή αξιόπιστης τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού για μετρήσεις 0.3mVolts με χρήση της πληροφορίας της χρονοσειράς δυναμικού, σχεδιάστηκε η πρώτη δοκιμή μεγάλης κλίμακας. Οι δοκιμαστικές μετρήσεις επιλέχθηκε να γίνουν στην περιοχή νότια της Περιστεράς, στην ίδια θέση όπου πραγματοποιήθηκαν οι 24 παράλληλες γεωηλεκτρικές τομογραφίες που 162

171 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού περιγράφονται στο 4 ο κεφάλαιο, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση των αποτελεσμάτων. Η απόσταση των ηλεκτροδίων ήταν ίση με 50 μέτρα, ώστε αφενός να διευκολύνει τις εργασίες υπαίθρου και αφετέρου να συλλεχθούν αποτελέσματα που θα ήταν δυνατό, έστω και προσεγγιστικά, να συγκριθούν με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του 4 ου κεφαλαίου. Οι μετρήσεις υλοποιήθηκαν τον Ιούνιο του 2008 και αποδείχτηκαν εξαιρετικά χρήσιμες αφού ανέδειξαν σημαντικές δυσκολίες, που αφορούν κυρίως την πρακτική υλοποίηση των μετρήσεων, αλλά και την ανάγκη για τροποποιήσεις στο λογισμικό λήψης και επεξεργασίας των μετρήσεων. Αναλυτικότερα: Έγινε αντιληπτό ότι ακόμα και με σχετικά μικρές αποστάσεις ηλεκτροδίων (π.χ. α=50 μέτρα), η επικοινωνία μεταξύ των μελών του συνεργείου πρέπει να είναι άμεση διότι ο χρόνος που καθυστερεί η κάθε μέτρηση λόγω αδυναμίας επικοινωνίας είναι σημαντικός. Τα Ascii αρχεία που δημιουργούνται από κάθε μία καταγραφή είναι πολύ μεγάλου μεγέθους και καθυστερούν πολύ την ανάγνωση τους από την εφαρμογή που υλοποιήθηκε στη MATLAB για τη διεξαγωγή των μετρήσεων. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο μειώνεται σημαντικά σε μεγάλες αποστάσεις. Αξιολογώντας τις παραπάνω διαπιστώσεις προτεραιότητα δόθηκε αρχικά στην βελτίωση του λόγου S/N και τον περιορισμό των αβεβαιοτήτων στον υπολογισμό των τελικών διαφορών δυναμικού Βελτίωση του λόγου σήματος προς θόρυβο (S/N) και της αξιοπιστίας των μετρήσεων Έχοντας εξαντλήσει τις δυνατότητες περιορισμού του θορύβου (Noise) από τα δεδομένα, η μόνη διαθέσιμη επιλογή ήταν η αύξηση πλάτους στο σήμα εισόδου. Το σήμα αυτό εξαρτάται απόλυτα από την ένταση του ρεύματος που περνάει από την πηγή στο έδαφος ή αλλιώς από την αντίσταση επαφής των ηλεκτροδίων ρεύματος. Όπως έχει αναφερθεί, ως πηγή ρεύματος στα πειράματά μας χρησιμοποιήθηκε το σύστημα Syscal Pro της IRIS INSTRUMENTS. Η μέγιστη ένταση ρεύματος που μπορεί να δώσει το μηχάνημα είναι τα 2.5A. Ο κατασκευαστής του μηχανήματος δίνει το παρακάτω διάγραμμα (σχήμα 5.30) που περιγράφει τον τρόπο μεταβολής της έντασης του ρεύματος ως προς την αντίσταση επαφής. Στις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, η ένταση του ρεύματος δεν ξεπέρασε το 1 Α, γεγονός που οφείλεται στις αντιστάσεις επαφής των ηλεκτροδίων. Η τεχνική για την μείωση των αντιστάσεων επαφής σε μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης είναι απλή, δηλαδή πρέπει να αυξηθεί η υγρασία γύρω από τα ηλεκτρόδια. Όμως, επειδή αυτό από μόνο του μπορεί να μην έχει πάντα ικανοποιητικά αποτελέσματα, δοκιμάστηκε η επιπλέον μείωση της αντίστασης επαφής με τη δημιουργία ενός μικρού λάκκου στη θέση κάθε ηλεκτροδίου (σχήμα 5.31), μέσα στον οποίο τοποθετήθηκε διάλυμα NaCl (αλατόνερο) σε συνδυασμό με κομμάτι αλουμινόχαρτου, έτσι ώστε και να αυξηθεί η αγωγιμότητα της περιοχής γύρω από το ηλεκτρόδιο, αλλά και να μεγαλώσει η επιφάνεια επαφής του ηλεκτροδίου με τη γή. 163

172 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Σχήμα Διάγραμμα Έντασης (I) Αντίστασης Επαφής (Resistance) για το Syscal Pro της IRIS ( Πραγματοποιήθηκαν δοκιμαστικές μετρήσεις και πάλι στο χώρο δίπλα στο κτίριο του σεισμολογικού σταθμού του Α.Π.Θ. και καταγράφηκε ο τρόπος με τον οποίο η μείωση της αντίστασης επαφής με τον χρόνο αύξησε την ένταση του ρεύματος. Σχήμα Φωτογραφίες από την διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων αντίστασης επαφής. Διακρίνεται το στερεό άλας (NaCl) που χρησιμοποιήθηκε (αριστερά) και το διάλυμα NaCl σε νερό στο οποίο βυθίστηκε το ηλεκτρόδιο (δεξιά). 164

173 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού I (ma) Rab(kOhm) I(mA) χρόνος (minutes) 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 R (kohm) Σχήμα Διάγραμμα Έντασης (I) Αντίστασης Επαφής (Resistance) σε σχέση με το χρόνο όπως παρατηρήθηκε από τις πειραματικές μετρήσεις. Όπως προέκυψε από τις δοκιμές (σχήμα 5.32), η αντίσταση επαφής μειώνεται σημαντικά με την πάροδο του χρόνου από την ώρα εφαρμογής του διαλύματος στον λάκκο του ηλεκτροδίου. Ειδικότερα φαίνεται ότι χρονικό διάστημα τουλάχιστον πέντε ωρών ήταν αναγκαίο και ικανό για να πετύχουμε αύξηση της έντασης του ρεύματος μεγαλύτερη από 50%. Η αναμενόμενη βελτίωση της αξιοπιστίας των μετρήσεων λόγο της βελτιστοποίησης του λόγου σήματος προς θόρυβο (S/N) από την αύξηση της έντασης του ρεύματος σε κάθε μέτρηση, αν και ικανοποιητική, δεν μπορούσε να αποκλείσει τα πιθανά προβλήματα που μπορεί να επηρέαζαν την ποιότητα των μετρήσεων σε μια άγνωστη περιοχή. Για την ύπαρξη ενός επιπλέον ελέγχου ασφαλείας, κρίθηκε απαραίτητο να τροποποιηθεί ο τρόπος υλοποίησης των μετρήσεων και έτσι, αντί για ένα δίπολο δυναμικού να μετρώνται τρία δίπολα σε κάθε μέτρηση. Συγκεκριμένα, αποφασίστηκε να μετρώνται κάθε φορά δύο διαδοχικά δίπολα ΜΝ 1 και Ν 1 Ν 2, καθώς επίσης και το δίπολο ΜΝ 2, κάτι που μας επέτρεπε το πολυκαναλικό σύστημα μέτρησης (σχήμα 5.33). Με τον τρόπο αυτό σχεδόν το σύνολο των μετρήσεων κατά την υλοποίηση μιας τομογραφίας θα έχει μετρηθεί δύο φορές (μια στο δίπολο Ν 1 Ν 2 και ξανά στο δίπολο ΜΝ 1 ) επιβεβαιώνοντας την επαναληψιμότητα της. Επιπλέον σε κάθε μέτρηση μπορεί να εξεταστεί η ισχύς της σχέσης ΔV ΜΝ2 = ΔV MN1 + ΔV N1N2, όποτε θα υπάρχει επιπλέον έλεγχος της ποιότητας των δεδομένων. ΔV MN1 ΔV N1N2 ΔV ΜΝ2 M N1 N2 Σχήμα Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου διάταξης των δίπολων διαφοράς δυναμικού για κάθε νέα μέτρηση. 165

174 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού Xρήση δυαδικών δεδομένων από τρία διαφορικά κανάλια Η προαναφεθείσα αύξηση των δίπολων όπου καταγράφεται το δυναμικό που μετρώνται σε κάθε μέτρηση έκανε επιβεβλημένη την αναζήτηση κάποιας λύσης για τη δημιουργία πιο μικρών (σε μέγεθος) αρχείων από την εφαρμογή για την ανάγνωση και αποθήκευση των δεδομένων στο περιβάλλον του LABVIEW. Ταυτόχρονα έγινε δυνατή η γρηγορότερη ανάγνωση αυτών των δεδομένων από το λογισμικό που κατασκευάστηκε στη MATLAB. Για τον λόγο αυτό καταφύγαμε στην χρήση κατάλληλων δυαδικών αρχείων (binary). Σχήμα Κώδικας της εφαρμογής Acquire_DV όπως σχεδιάζεται στο block diagram της LABVIEW για ανάγνωση και αποθήκευση δυαδικών δεδομένων. Η χρήση των αρχείων αυτού του τύπου μείωσαν σημαντικά τον χρόνο ανάγνωσης των δεδομένων (περισσότερο από 50%), δίνοντας έτσι την δυνατότητα στον χρήστη να μπορεί να εξετάζει όλα τα δεδομένα στην ύπαιθρο χωρίς σημαντική καθυστέρηση. 5.5 Φορητή συσκευασία του καταγραφικού συστήματος: Ιδιοκατασκευή Η υλοποίηση του καταγραφικού συστήματος που περιγράφηκε στο παρόν κεφάλαιο έγινε με απώτερο στόχο την χρησιμοποίηση του για την λήψη μετρήσεων σε πραγματικές συνθήκες. Ήταν δεδομένη λοιπόν η απαίτηση, το σύστημα να συσκευαστεί σε μια σχετικά μικρή, ελαφριά, ανθεκτική και εύχρηστη ιδιοκατασκευή. Η συσκευασία αυτή έπρεπε να προσφέρει στον χρήστη την δυνατότητα να μετακινείται αυτόνομα από τη θέση της μιας μέτρησης στην επόμενη. Για την δημιουργία της ιδιοκατασκευής χρησιμοποιήθηκε μια βαλίτσα μεταφοράς εργαλείων διαστάσεων 45 Χ 30 Χ 15 εκατοστών που μπορεί να βρεθεί εύκολα σε οποιοδήποτε κατάστημα ηλεκτρολογικών υλικών. Στη βαλίτσα τοποθετήθηκαν: 1. Η κασετίνα NI CompactDAQ και η κάρτα ψηφιοποίησης NI 9206, της National Instruments. 2. Φορητός υπολογιστής με οθόνη 12, επεξεργαστή Intel Core2Duo T5450 (1.6GHz), μνήμη 2048MB και σκληρό δίσκο 160GB, συνολικού βάρους 1.83 κιλά μπαταρίες 12Volt, 7.2A, οι οποίες τροφοδοτούν την κάρτα ψηφιοποίησης αλλά και το φορητό υπολογιστή. 166

175 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού 4. Μετασχηματιστής τάσης από τα 12V στα 20V για την τροφοδοσία του φορητού υπολογιστή. 5. Παρελκόμενα καλώδια. Τα υλικά χωροθετήθηκαν έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η ασφάλεια κατά την μεταφορά της συσκευασίας, αλλά και ο επαρκής αερισμός για να αποφευχθούν προβλήματα υπερθέρμανσης (σχήμα 5.35). Τελικά το βάρος της ιδιοκατασκευής δεν ξεπέρασε τα 7 kg, ενώ στην πράξη αποδείχθηκε εξαιρετικά λειτουργική και ανθεκτική. Σχήμα Φωτογραφίες του συστήματος καταγραφής και υπολογισμού διαφορών δυναμικού που κατασκευάστηκε στην παρούσα διατριβή. 167

176 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού 5.6 Σύνοψη και συμπεράσματα 5 ου Κεφαλαίου Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκαν οι βασικές αρχές λειτουργίας των συστημάτων μέτρησης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης και περιγράφηκαν με τη βοήθεια σχηματικού διαγράμματος τα βασικά κυκλώματα ενός τυποποιημένου εμπορικού συστήματος. Περιγράφηκε η ανάγκη για τη δημιουργία ενός συστήματος μέτρησης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, το οποίο να επιτρέπει την ανεξάρτητη μετακίνηση του καταγραφικού της χρονοσειράς των διαφορών δυναμικού από την γεννήτρια του ηλεκτρικού ρεύματος. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάστηκε η κάρτα ψηφιοποίησης NI9206 της εταιρείας National Instruments, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη του συστήματος καταγραφής των χρονοσειρών διαφορών δυναμικού και έγινε μια σύντομη παρουσίαση του λογισμικού LABVIEW της ίδιας εταιρείας. Παρουσιάστηκαν αναλυτικά, τα στάδια της δημιουργίας της εφαρμογής που χρησιμοποιήθηκε για την λήψη των μετρήσεων διαφοράς δυναμικού από την κάρτα ψηφιοποίησης στο λογισμικό LABVIEW, και ακολούθησε η παρουσίαση της επεξεργασίας των δεδομένων για τον υπολογισμό της τελικής τιμής διαφοράς δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων. Η επεξεργασία αυτή έγινε με χρήση της MATLAB, ενώ η εφαρμογή που δημιουργήθηκε για το σκοπό αυτό παρουσιάστηκε αναλυτικά, δείχνοντας βήμα βήμα τις δοκιμές και τα στάδια, μέσα από τα οποία εξελίχτηκε και πήρε την τελική της μορφή. Τελικά η μονάδα καταγραφής που υλοποιήθηκε, συσκευάστηκε σε κατάλληλη βαλίτσα μεταφοράς, μαζί με όλα τα απαραίτητα παρελκόμενα (μετασχηματιστές, μπαταρίες, καλώδια κ.λ.π.). Συμπερασματικά προκύπτει ότι η προτεινόμενη μονάδα καταγραφής υλοποιήθηκε με επιτυχία. Ειδικότερα: Η χρήση της κάρτας ψηφιοποίησης NI9206 της National Instruments έδωσε τη δυνατότητα για πολυκαναλλικές καταγραφές, κάτι που πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού LABVIEW. Τα αρχεία των χρονοσειρών των διαφορών δυναμικού αποθηκεύονται σε δυαδικά αρχεία επιταχύνοντας σημαντικά την διαχείριση τους, σε σχέση με τη χρήση απλών αρχείων ASCII. Κατασκευάστηκε εφαρμογή στη MATLAB με την οποία διαβάζονται οι χρονοσειρές των διαφορών δυναμικού και υπολογίζεται η τελική τιμή της διαφοράς δυναμικού για κάθε μία μέτρηση ηλεκτρικής αντίστασης. Ο έλεγχος της ποιότητας των μετρήσεων συγκρινόμενος με παράλληλες μετρήσεις με το σύστημα Syscal Pro της Iris Instruments έδειξε ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία δίνει αξιόπιστα αποτελέσματα για μετρήσεις δυναμικού της τάξης του 0.3mVolt. Το όριο αυτό 168

177 Κεφάλαιο 5: Σύστημα Καταγραφής Διαφορών Δυναμικού εντοπίστηκε σε μετρήσεις σε δομημένο περιβάλλον, όπου το επίπεδο θορύβου από ανθρωπογενή ηλεκτρικά πεδία είναι αυξημένο. Συνεπώς, εκτιμάται πως το πραγματικό όριο αξιοπιστίας είναι ακόμα μικρότερο. 169

178 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 6 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΒΑΣΙΛΙΚΩΝ ΓΑΛΑΡΙΝΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της έρευνας με τη χρήση της μεθόδου της γεωηλεκτρικής τομογραφίας στο κεντρικό τμήμα της υδρολογικής λεκάνης του ποταμού Ανθεμούντα. Στόχος της εφαρμογής ήταν η πραγματοποίηση μιας εκτεταμένης έρευνας σε κλίμακα ικανή να εστιάζει σε γεωλογικά ερωτήματα που αφορούν στα πρώτα 500 περίπου μέτρα βάθος. Έρευνες σε τέτοια βάθη έχουν γίνει μόνο με τη χρήση 1D γεωηλεκτρικών βυθοσκοπήσεων (Θανάσουλας, 1983, Βαργεμέζης, 2006), ενώ γενικότερα δεν υπάρχουν αναφορές για χρήση 2D ηλεκτρικών τομογραφιών για τόσο μεγάλα βάθη διασκόπησης στον ελληνικό χώρο. Αντίστοιχες έρευνες στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται ελάχιστες και αφορούν εξαιρετικά εξειδικευμένες εφαρμογές (Collela et al., 2004, Tamburriello et al., 2008, Legault et al. 2008), στις οποίες συνδυάζονται και άλλες μεθοδολογίες εκτός από την μέθοδο της ηλεκτρικής τομογραφίας. 6.1 Παρουσίαση της περιοχής Γεωλογικά χαρακτηριστικά Το κέντρο της λεκάνης του Ανθεμούντα επιλέχθηκε για την υλοποίηση των μετρήσεων με σκοπό να διερευνηθεί η δομή των σχηματισμών του υποβάθρου της λεκάνης και ο τρόπος βύθισης τους από τα ανατολικά προς τα δυτικά. H γεωλογία της ευρύτερης περιοχής, όπως περιγράφεται στο αντίστοιχο κεφάλαιο, παρουσιάζει δομές των σχηματισμών του υποβάθρου. Οι δομές αυτές βυθίζονται προς το κέντρο της λεκάνης με τη βοήθεια ρηγμάτων, τα οποία υποθέτουμε από τις γεωλογικές παρατηρήσεις αλλά δεν έχουν εντοπιστεί με ακρίβεια λόγω του πολύ μεγάλου πάχους των ιζημάτων, που έχουν αποτεθεί μετά το σχηματισμό της λεκάνης. Σημειακά, τα βάθη των σχηματισμών του υποβάθρου έχουν εντοπιστεί μόνο με τη βοήθεια γεωηλεκτρικών βυθοσκοπήσεων (Βαργεμεζης, 2006) και φαίνεται πως δείχνουν μια βύθιση αυτού προς τα δυτικά σε βάθη μεγαλύτερα των 600 μέτρων στην περιοχή δυτικά του οικισμού των Βασιλικών (σχήμα 2.12). Στο γεωλογικό χάρτη του σχήματος (6.1) μπορούμε να παρατηρήσουμε τους γεωλογικούς σχηματισμούς της ευρύτερης περιοχής. Το σύνολο σχεδόν της περιοχής που ερευνήθηκε καλύπτεται από χαλίκια και κροκάλες ποικίλης σύστασης και προέλευσης, με εξαίρεση τις θέσεις όπου τα παραπάνω έχουν καλυφθεί από ριπίδια προσχώσεων τεταρτογενούς ηλικίας. Στο σχήμα (6.1) έχουν χαραχθεί επίσης οι γραμμές κατά μήκος των οποίων πραγματοποιήθηκαν οι τομογραφίες. Προς τα νότια και σε μικρή απόσταση από την θέση της τομογραφίας L1 διακρίνεται το ίχνος του ρήγματος του Ανθεμούντα, το οποίο και αποτελεί όριο μεταξύ των παραπάνω σχηματισμών και των παλαιότερων ερυθρών αργίλων. Κοντά στο ανατολικό όριο της L1, νότια του οικισμού Γαλαρινού, εμφανίζονται δουνιτικά και περιδοτιτικά πετρώματα. Στο βόρειο τμήμα της περιοχής (βόρεια της τομογραφίας L5) 170

179 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού εντοπίζονται εκτεταμένες εμφανίσεις γάββρων, δουνιτικών και περιδοτιτικών πετρωμάτων μαζί με πυροξενίτες. Οι σχηματισμοί αυτοί βρίσκονται τοποθετημένοι τεκτονικά ο ένας δίπλα στον άλλο, σε μορφή επάλληλων ζωνών γενικότερου προσανατολισμού ΒΔ-ΝΑ, ενώ η μορφολογία του ανάγλυφου δείχνει την βύθιση των σχηματισμών προς τα νότια Σχήμα 6.1. Γεωλογικός χάρτης ευρύτερης περιοχής έρευνας (βλέπε υπόμνημα στην επόμενη σελίδα). Με μπλε χρώμα διακρίνονται οι θέσεις των 5 τομογραφιών που υλοποιήθηκαν. Στην περιοχή έχουν χαρτογραφηθεί ρηξιγενείς ζώνες (Tranos et al., 2004, Δρ. Χατζηπέτρος προσωπική επικοινωνία), οι οποίες διακρίνονται στο σχήμα (6.1). Η ακριβής θέση των οποίων είναι δύσκολο να εντοπιστεί στο πεδινό τμήμα της λεκάνης. Αυτό οφείλεται στην έντονη αγροτική δραστηριότητα στην περιοχή, η οποία έχει εξαφανίσει τα επιφανειακά ίχνη από τις δραστηριοποιήσεις νεότερων ή επαναδραστηριοποιήσεις, σύγχρονων με τη δημιουργία της λεκάνης, ρηγμάτων. Τα ρήγματα που έχουν εντοπιστεί και χαρτογραφηθεί είναι γενικότερα προσανατολισμένα στη διεύθυνση Α Δ, σχεδόν κάθετα δηλαδή στο εφελκυστικό πεδίο Β Ν που επικρατεί σε όλη τη Σερβομακεδονική ζώνη. Εντούτοις, η βύθιση των σχηματισμών του υποβάθρου προς τα δυτικά, με πολύ έντονους ρυθμούς στην περιοχή που ερευνάται, δημιουργεί υπόνοιες για παρουσία ρήγματος ή ζώνης ρηγμάτων 171

180 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού διεύθυνσης περίπου Β Ν, γεγονός όμως που δεν επιβεβαιώνεται από την επιφανειακή χαρτογράφηση στα ιζήματα της λεκάνης. ΠΙΝΑΚΑΣ 6.1: Συμπληρωματικό Υπόμνημα Γεωλογικών Σχηματισμών Κωδικός Περιγραφή Σχηματισμού al Αλλουβιακές αποθέσεις -Ολόκαινο H.l Αμμούχες Αργιλοι - Ολόκαινο. Πλευρικά κορήματα: Συνήθως χαλαρά, προερχόμενα κυρίως από H.sc μεταμορφωμένα - Τεταρτογενές M4-Pli.l Σειρά ερυθρών αργίλων - Α.Μειόκαινο -Κατωτ. Πλειστόκαινο M4-Pli.tv Τραβερτινοειδής ασβεστόλιθοι - Νεογενές n,n.q Διορίτης και Χαλαζιακός Διορίτης (Σύμπλεγμα Γερακινής) - Μεσοζωικό Ανώτερο σύστημα αναβαθμίδων.κροκάλες γενικά από μεταμορφωμένα, Pt.t1.c λιγότερο ασβεστολιθικές - Πλειστόκαιν Κατώτερο σύστημα αναβαθμίδων.αποτελείται από χαλίκια και κροκάλες Pt.t3.c ποικίλης προελεύσεως και σύστασης. Q.cs1 Ριπίδια προσχώσεων - Τεταρτογενές αδιαίρετο Λευκοκρατικός αλβιτικός-σερικιτικός-μικροκλινικός Γνεύσιος - Μαγματική σειρά sch,gn Χορτιάτη- Μεσοζωικό Διμαρμαρυγιακοί γνέυσιοι, διμαρμαρυγιακοί και μοσχοβιτικοί σχιστόλιθοι και gn2 αμφιβολίτες - Παλαιοζωικό θ1 Γάββρος π.ο. Δουνίτες και Περιδοτίτες, υπερβασικό πρ Πυροξενίτες, υπερβασική σειρά Στην ίδια περιοχή υπάρχουν αρκετές ιδιωτικές και δημοτικές γεωτρήσεις, οι οποίες εξυπηρετούν κυρίως αρδευτικούς σκοπούς. Για 14 από αυτές ήταν διαθέσιμα τα μητρώα των γεωτρήσεων, τα οποία περιλαμβάνουν τη λιθοστρωματογραφική στήλη κάθε μίας. Σύμφωνα με τις περιγραφές, από τις 14 γεωτρήσεις μόνο οι 5 συνάντησαν τους σχηματισμούς του υποβάθρου, ενώ οι υπόλοιπες σταμάτησαν νωρίτερα. Η εικόνα που εξάγεται από την αξιολόγηση αυτών των γεωτρήσεων δείχνει μια πολύπλοκη γεωλογική δομή, με το σχηματισμό του υποβάθρου να εμφανίζεται στο ανατολικό τμήμα της περιοχής που ερευνήθηκε (γεωτρήση GA88) αλλά και στο κεντρικό και νότιο τμήμα (γεωτρήσεις G104, GA94, GA96_new και Gagn001). Αντίθετα, δεν υπάρχουν στη διάθεση μας δεδομένα για το βάθος του υποβάθρου στo δυτικό μέρος, τουλάχιστον μέχρι το βάθος των 120 μέτρων περίπου που φτάνουν οι γεωτρήσεις που ήταν διαθέσιμες. Τα παραπάνω παρουσιάζονται στο σχήμα (6.2), όπου φαίνονται σε τρισδιάστατη απεικόνιση οι 14 γεωλογικές τομές των γεωτρήσεων. Οι σχηματισμοί του υποβάθρου που συνάντησαν οι 5 γεωτρήσεις διακρίνονται με έντονο πράσινο χρώμα (δουνιτικά πετρώματα), με σκούρο μπλε (περιδοτίτες) και με κόκκινο χρώμα (αμφιβολιτικοί σχιστόλιθοι). Τα υπόλοιπα χρώματα αντιστοιχούν κυρίως σε αργιλικούς σχηματισμούς και εναλλαγές χαλίκων με κροκάλες αλλά και μάργες. 172

181 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα 6.2. Παρουσίαση των διαθέσιμων στοιχείων γεωτρήσεων σε τρισδιάστατη απεικόνιση. Για την ίδια περιοχή είναι διαθέσιμα τα αποτελέσματα των βυθοσκοπήσεων που υλοποίησε ο Βαργεμέζης (2006) στο πλαίσιο εκτεταμένης έρευνας στη λεκάνη Ανθεμούντα. Η γενική εικόνα που προτείνεται δείχνει έντονη βύθιση των σχηματισμών του υποβάθρου από τα νότια και από τα βόρεια προς το κέντρο (σχήμα 6.3α) αλλά και από τα ανατολικά προς τα δυτικά. (σχήμα 6.3β) 173

182 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού (α) (b) Σχήμα 6.3. Κατακόρυφες δισδιάστατες γεωηλεκτρικές τομές διεύθυνσης Β Ν (α) και Δ Α (β) (Βαργεμέζης, 2006). Η στικτή ασπρόμαυρη γραμμή δείχνει το πάνω όριο των σχηματισμών του υποβάθρου. 174

183 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 6.2 Σχεδιασμός μετρήσεων Υλοποίηση Ο προσανατολισμός των τομογραφιών επιλέχθηκε να έχει γενική διεύθυνση Α Δ, κυρίως για να διευκολύνει την υλοποίηση των μετρήσεων, αφού η εθνική οδός Θεσσαλονίκης Πολυγύρου, στις βόρειες παρυφές της λεκάνης, δημιουργεί πρακτικές δυσκολίες. Επιπλέον όμως, ο προσανατολισμός αυτός θα μας επέτρεπε να επεκτείνουμε τις τομογραφίες σε μήκος ικανό και αναγκαίο ώστε να μπορέσουμε να αναζητήσουμε τις τεκτονικές δομές γενικής διεύθυνσης Β Ν, οι οποίες προκάλεσαν την σημαντική βύθιση του υποβάθρου προς τα δυτικά στην περιοχή. Με βάση τις γενικότερης κλίμακας πληροφορίες που ήδη αναφέρθηκαν,το μέγιστο βάθος διασκόπησης για τους σκοπούς της έρευνας σχεδιάστηκε στα 500 περίπου μέτρα. Με βάση αυτό το δεδομένο αποφασίστηκε η απόσταση α των ηλεκτροδίων να είναι ίση με 200 μέτρα και η μέγιστη μετατόπιση μεταξύ ηλεκτροδίων ρεύματος και ηλεκτροδίων δυναμικού ίση με 8 Χ α. Για κάθε τομογραφία χρησιμοποιήθηκαν 16 ηλεκτρόδια, καλύπτοντας συνολικό μήκος περίπου 3 χιλιομέτρων. Οι ακριβείς θέσεις των ηλεκτροδίων κάθε τομογραφίας (βλέπε σχήμα 6.1) εντοπίστηκαν επιτόπου και για κάθε μια θέση, η οποία θα χρησιμοποιούνταν και ως θέση ηλεκτροδίου ρεύματος, προηγήθηκε η διαδικασία που περιγράψαμε στο κεφάλαιο 5 για την ελαχιστοποίηση της αντίστασης επαφής, δηλαδή δημιουργία μικρού σκάμματος διαστάσεων περίπου 40Χ40 τετραγωνικών εκατοστών, στο οποίο τοποθετήθηκε διάλυμα NaCL και φύλλα αλουμινόχαρτου. Οι εκσκαφές και οι τοποθετήσεις έγιναν 1 έως 3 ημέρες πριν την προγραμματισμένη επίσκεψη για την υλοποίηση των μετρήσεων. Σχήμα 6.4. Φωτογραφία του εξοπλισμού δίπλα σε ηλεκτρόδιο ρεύματος κατά την λήψη μέτρησης στην τομογραφία L3. Διακρίνεται το ηλεκτρόδιο μέσα σε μικρό σκάμμα (βλ. κείμενο). 175

184 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Οι θέσεις των ηλεκτροδίων για κάθε μια ηλεκτρική τομογραφία παρουσιάζονται στον πίνακα 6.2 ΠΙΝΑΚΑΣ 6.2: Συντεταγμένες ηλεκτροδίων σε ΕΓΣΑ 87 Κωδ. Τομογραφία L1 Τομογραφία L2 Τομογραφία L3 Τομογραφία L4 Τομογραφία L5 ηλεκτρ X Y X Y X Y X Y X Y Για τον καλύτερο έλεγχο της ποιότητας των μετρήσεων, όπως προαναφέρθηκε στο 5 ο κεφάλαιο, χρησιμοποιήσαμε όχι ένα αλλά δύο διαδοχικά δίπολα δυναμικού (ΜΝ1 και Ν1Ν2) έτσι, ώστε στην πράξη να μετράμε 3 δίπολα V ΜΝ1, V Ν1Ν2 και V MN2 (σχήμα 5.33). Στο σχήμα (6.5) παρουσιάζεται σχηματικά ο τρόπος υλοποίησης των διαδοχικών μετρήσεων. Η πηγή συνεχούς ρεύματος τοποθετείται δίπλα στο 2 ο ηλεκτρόδιο (Β) και συνδέεται μέσω καλωδίου μήκους 200 μέτρων με το 1 ο ηλεκτρόδιο (Α). Ο χειριστής της μονάδας καταγραφής των διαφορών δυναμικού βρίσκεται μαζί με τη μονάδα καταγραφής δίπλα στο 5 ο ηλεκτρόδιο (Ν2) και συνδέει το καταγραφικό με το 5 ο, το 4 ο και το 3 ο ηλεκτρόδιο (Ν2, Ν1 και Μ αντίστοιχα), χρησιμοποιώντας 2 καλώδια 200 και 400 μέτρων αντίστοιχα. Σε κάθε ένα από τα ηλεκτρόδια βρίσκεται ένας χειριστής, ο οποίος υλοποιεί την σύνδεση του καλωδίου με το αντίστοιχο ηλεκτρόδιο. Μόλις η συνδεσμολογία ολοκληρωθεί, ο χειριστής του καταγραφικού επικοινωνεί με τον χειριστή της πηγής ρεύματος, ο οποίος διοχετεύει τον επιθυμητό παλμό ρεύματος στα ηλεκτρόδια Α και Β. Πραγματοποιείται η καταγραφή των διαφορών δυναμικού στα δίπολα μεταξύ των 3 ο, 4 ο και 5 ο ηλεκτρόδιο (δηλαδή για n=1 και n=2) και αφού ελεγχθεί η ποιότητα της καταγραφής, με τη βοήθεια του λογισμικού που περιγράφεται στο 5 ο κεφάλαιο, ο χειριστής του καταγραφικού μετακινείται στο επόμενο ηλεκτρόδιο δυναμικού ενώ παράλληλα μετακινούνται και τα άτομα από τα άλλα δυο ηλεκτρόδια δυναμικού. Η νέα μέτρηση γίνεται πλέον για n=2 και n=3 στο 4 ο, 5 ο και 6 ο ηλεκτρόδιο, ενώ η πηγή παραμένει αμετακίνητη. Με τον τρόπο αυτό τα ηλεκτρόδια δυναμικού μετακινούνται μέχρι και n=7 και n=8 (δηλαδή στο 9 ο, 10 ο και 11 ο ηλεκτρόδιο). 176

185 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Στην επόμενη μέτρηση μαζί με τα ηλεκτρόδια δυναμικού, μετακινείται και η πηγή ρεύματος και συνδέεται με το 2 ο και 3 ο ηλεκτρόδιο (καινούργια Α και Β αντίστοιχα), ενώ τα ηλεκτρόδια δυναμικού βρίσκονται στο 10 ο, 11 ο, και 12 ο ηλεκτρόδιο. Λαμβάνονται οι καινούργιες μετρήσεις, οι οποίες αντιστοιχούν πάλι σε n=7 και n=8 και στη συνέχεια η κίνηση των ηλεκτροδίων δυναμικού γίνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή τα ηλεκτρόδια δυναμικού πλησιάζουν προς τα ηλεκτρόδια της πηγής ρεύματος. Όταν τα ηλεκτρόδια δυναμικού πλησιάσουν στα ηλεκτρόδια ρεύματος, δηλαδή έχουμε n=1 και n=2, πραγματοποιείται παράλληλη μετακίνηση όλων των ηλεκτροδίων (Α, Β, Μ, Ν1 και Ν2) και η διαδικασία επαναλαμβάνεται με τα ίδια βήματα. Οι ημέρες δοκιμών υπαίθρου που απαιτήθηκαν μέχρι την επίλυση των τεχνικών δυσκολιών και την επιτυχή λήψη μετρήσεων της πρώτης γεωηλεκτρικής τομογραφίας ήταν περισσότερες από 5, ενώ περίπου άλλες τόσες απαιτήθηκαν για την προετοιμασία των θέσεων των ηλεκτροδίων ρεύματος. Ειδικότερα, για τη συλλογή των δεδομένων των 5 τομογραφιών χρειάστηκαν συνολικά 10 ημέρες και εργάστηκαν 5 άτομα, τα οποία διανύσαν περισσότερα από 65 χιλιόμετρα. 177

186 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 1 η Μέτρηση Δίπολο ρεύματος ΑΒ : 1-2 Δυναμικό ΔV ΜΝ1 :3-4 ΔV Ν1Ν2 :4-5 ΔV ΜΝ2 :3-5 2 η Μέτρηση Δίπολο ρεύματος ΑΒ : 1-2 Δυναμικό ΔV ΜΝ1 :4-5 ΔV Ν1Ν2 :5-6 ΔV ΜΝ2 :4-6 7 η Μέτρηση Δίπολο ρεύματος ΑΒ : 1-2 Δυναμικό ΔV ΜΝ1 :9-10 ΔV Ν1Ν2 :10-11 ΔV ΜΝ2 : η Μέτρηση Δίπολο ρεύματος ΑΒ : 2-3 Δυναμικό ΔV ΜΝ1 :10-11 ΔV Ν1Ν2 :11-12 ΔV ΜΝ2 : η Μέτρηση Δίπολο ρεύματος ΑΒ : 2-3 Δυναμικό ΔV ΜΝ1 :9-10 ΔV Ν1Ν2 :10-11 ΔV ΜΝ2 : η Μέτρηση Δίπολο ρεύματος ΑΒ : 2-3 Δυναμικό ΔV ΜΝ1 :4-5 ΔV Ν1Ν2 :5-6 ΔV ΜΝ2 :4-6 Σχήμα 6.5. Σχηματική αναπαράσταση που αναπαριστά στιγμιότυπα του τρόπου λήψης διαδοχικών μετρήσεων για την υλοποίηση μιας γεωηλεκτρικής τομογραφίας, με τη διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής. 178

187 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 6.3 Αποτελέσματα και ερμηνεία 2-διαστάσεων και 3- διαστάσεων Με την παραπάνω διαδικασία, για κάθε τομογραφία, μετρήθηκαν συνολικά 63 διαφορές δυναμικού για κάθε ένα από τα δίπολα ΜΝ1, Ν1Ν2 και ΜΝ2, οι οποίες αντιστοιχούν σε 189 τιμές ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Η αξιολόγηση των μετρήσεων έγινε σε δύο στάδια. Αρχικά ελέγχθηκαν σε ότι αφορά την επαναληψιμότητα τους, ενώ σε δεύτερο στάδιο οι μετρήσεις αξιολογήθηκαν όσον αφορά την αρχή της υπέρθεσης, Πιο αναλυτικά, επειδή κατά την διαδικασία λήψης των μετρήσεων για κάθε δίπολο δυναμικού ελήφθησαν στην ίδια θέση, δύο καταγραφές της διαφοράς δυναμικού, ήταν δυνατό να ελεγχθεί η επαναληψιμότητα της μέτρησης. Ο έλεγχος αυτός αποδείχθηκε πολύ ωφέλιμος, γιατί αφενός επιβεβαίωσε στο σύνολο των περιπτώσεων, για τις οποίες υπήρχαν περισσότερες από μία καταγραφές στην ίδια θέση, την ορθότητα της υπολογιζόμενης διαφοράς δυναμικού. Αντίθετα, σε περιπτώσεις που κάποιοι εξωγενείς παράγοντες επηρέασαν την μέτρηση (π.χ. προβληματική επαφή στα ηλεκτρόδια, θόρυβος στο σήμα, κ.λ.π.), οι επιπλέον καταγραφές επέτρεψαν εκ νέου τον υπολογισμό της σωστής διαφοράς δυναμικού (σχήμα 6.6). Ο δεύτερος έλεγχος που έγινε στα δεδομένα στηρίχτηκε στο γεγονός ότι για κάθε εισαγωγή ρεύματος στη γή, πραγματοποιούνταν 3 καταγραφές διαφορών δυναμικού (σχήμα 5.33). Όπως είναι γνωστό, για τις διαφορές δυναμικού ισχύει η αρχή της υπέρθεσης, δηλαδή πρέπει να ισχύει, V MN1 + V N1N2 =V MN2. Όταν λοιπόν προέκυπταν αμφιβολίες για τον ορθό υπολογισμό μιας διαφοράς δυναμικού σε ένα δίπολο υπήρχε η δυνατότητα για διπλό έλεγχο και τον ανεξάρτητο υπολογισμό του δυναμικού στη θέση αυτή. Η διαδικασία αυτών των ελέγχων έγινε με τη βοήθεια υπολογιστικών φύλλων (excel). Ένα παράδειγμα δίνεται στο σχήμα (6.6), στο οποίο φαίνεται πως εντοπίστηκε πρόβλημα στο αρχείο 47, στην περίπτωση του υπολογιζόμενου δυναμικού V MN1. Η τιμή διαφέρει σημαντικά από την τιμή του δυναμικού V N1N2 όπως υπολογίστηκε από το προηγούμενο αρχείο 46. Τα δύο δυναμικά αναφέρονται στην ίδια ακριβώς θέση (θέσεις ηλεκτροδίων: Α=800, Β=1000, Μ=1600, Ν1=1800 και Ν2=2000). Παρατηρώντας ότι η μέτρηση δεν επαναλαμβάνεται (γνωρίζοντας πως η τιμή του ρεύματος για τα δυο διαδοχικά αρχεία είναι ίδια) ελέγχεται σε ποιό από τα δύο αρχεία παραβιάζεται η αρχή της υπέρθεσης. Η μεγάλη απόκλιση του αθροίσματος V MN1 + V N1N2 από τη μετρημένη τιμή V MN2, δείχνει πως το αρχείο 47 δεν πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων στις θέσεις 1600 και Όπως φαίνεται στο σχήμα (6.6), η τιμή δυναμικού που χρησιμοποιήθηκε ήταν αυτή που προέκυψε από το αρχείο 46 και αντίστοιχα υπολογίστηκε και η τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης για τη μέτρηση στη θέση αυτή. Στο ίδιο σχήμα (6.6) διακρίνεται η πολύ ικανοποιητική ομοιότητα των μετρήσεων των δυο αρχείων 47 και 48 του δυναμικού 179

188 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού στις θέσεις 1800 και 2000 για τις οποίες το δυναμικό διαφέρει ελάχιστα, ενώ η τελική τιμή της υπολογιζόμενης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης διαφέρει μόνο 5 Ohm-m. Στις περιπτώσεις σαν την τελευταία, η τελική τιμή που χρησιμοποιήθηκε, ήταν αυτή με το μικρότερο σφάλμα στον υπολογισμό της, όπως αυτό εκτιμήθηκε από το λογισμικό που περιγράφεται στο 5 ο κεφάλαιο. NOT OK OK Σχήμα 6.6. Στιγμιότυπο από την αξιολόγηση των δεδομένων με τη βοήθεια φύλλων excel. Με την παραπάνω διαδικασία έγινε διαλογή των πλέον αξιόπιστων μετρήσεων και τελικά για κάθε ηλεκτρική τομογραφία χρησιμοποιήθηκαν κατά μέσο όρο περίπου 110 μετρήσεις Αποτελέσματα 2-διάστατης αντιστροφής Η καλή ποιότητα των δεδομένων οδήγησε και στις πέντε τομογραφίες σε πάρα πολύ μικρά σφάλματα μεταξύ των πραγματικών και των θεωρητικών δεδομένων (RMS<10%). Στον πίνακα (6.3) δίνονται συγκεντρωμένα τα στοιχεία της αντιστροφής για κάθε μια από τις πέντε γεωηλεκτρικές τομογραφίες. ΠΙΝΑΚΑΣ 6.3: Στοιχεία για την δισδιάστατη (2D) αντιστροφή των πέντε γεωηλεκτρικών τομογραφιών. Ηλεκτρική τομογραφία Πλήθος αρχικών δεδομένων Πλήθος δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν Τελικό RMS (%) L L L L L Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων γίνεται με τα σχήματα (6.7) έως (6.11). Η σειρά παρουσίασης είναι αυτή με την οποία αριθμήθηκαν στο σχήμα (6.1), δηλαδή από νότια προς βόρεια. Στο κάτω μέρος κάθε σχήματος παρουσιάζεται το αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας της κάθε τομογραφίας. Ο οριζόντιος άξονας αντιστοιχεί στην οριζόντια απόσταση από την αρχή της τομογραφίας, η οποία για λόγους παρουσίασης τοποθετείτε στο δεξιό άκρο του σχήματος ενώ ο κατακόρυφος άξονας δείχνει το βάθος διασκόπησης. Η χρωματική κλίμακα είναι κοινή για όλα τα σχήματα και παρουσιάζει τις χαμηλότερες τιμές ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (Ohm-m) με μπλε χρώμα, ενώ με βαθύ κόκκινο χρώμα 180

189 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού παρουσιάζονται οι υψηλότερες τιμές. Στο πάνω μέρος του κάθε σχήματος παρουσιάζεται, μια κάτοψη του γεωλογικού χάρτη της περιοχής στην οποία ο αναγνώστης μπορεί να δει την θέση της τομογραφίας που παρουσιάζεται κάθε φορά ενώ στο δεξιό τμήμα φαίνεται σε τρισδιάστατη απεικόνιση το αποτέλεσμα της κάθε τομογραφίας μαζί με την γεωλογία της περιοχής. Στην τρισδιάστατη απεικόνιση διακρίνεται και η περιοχή που ερευνήθηκε κοντά στην περιστερά (κεφάλαιο 4). 181

190 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα 6.7. Αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας της τομογραφίας L1 (RMS: 9.0%) 182

191 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα 6.8. Αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας της τομογραφίας L2 (RMS: 6.9%) 183

192 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα 6.9. Αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας της τομογραφίας L3 (RMS: 9.5%) 184

193 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας της τομογραφίας L4 (RMS: 5.1%) 185

194 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας της τομογραφίας L5 (RMS: 8.1%) 186

195 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Ερμηνεία 2 διαστάσεων Τα παραπάνω αποτελέσματα μας προσφέρουν τη δυνατότητα να παρακολουθήσουμε τον τρόπο, με τον οποίο διατάσσονται οι γεωλογικοί σχηματισμοί του υποβάθρου και τα υπερκείμενα ιζήματα μεταξύ των χωριών Βασιλικά και Γαλαρινός. Η περιοχή έρευνας είναι περίπου 3 Χ 1,5 χιλιόμετρα και το βάθος διερεύνησης φτάνει τα 500 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Για να ερμηνευθούν τα αποτελέσματα, εκτός από τις παραπάνω εποπτικές εικόνες, παρουσιάζονται όλα μαζί στο σχήμα (6.12). Για κάθε τομογραφία έχει γίνει υπέρθεση των γεωλογικών πληροφοριών που έχουμε από τις διαθέσιμες γεωτρήσεις, οι οποίες τυχαίνει να βρίσκονται πάνω ή πολύ κοντά σε αυτήν. Με παρόμοιο τρόπο επίσης παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από τις διαθέσιμες γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις που ερμήνευσε ο Βαργεμέζης (2006). Έτσι με ανοιχτό γαλάζιο χρώμα περιγράφεται η περιοχή στην οποία η γεώτρηση ή η βυθοσκόπηση συνάντησε/εντόπισε ιζήματα, ενώ με σκούρο καφέ χρώμα περιγράφεται η περιοχή όπου συναντήθηκε/εντοπίστηκε σχηματισμός του υποβάθρου. Τονίζεται ότι η διακριτική ικανότητα των συγκεκριμένων γεωηλεκτρικών τομογραφιών, κατά την κατακόρυφη έννοια, δεν μας επιτρέπει να «δούμε» συχνές εναλλαγές ιζηματογενών σχηματισμών παρά μόνο να μιλήσουμε για πακέτα ιζημάτων και σχηματισμούς υποβάθρου. Ομοίως, κατά την οριζόντια έννοια, όπου η διακριτική ικανότητα είναι ακόμα μικρότερη (>100 μέτρα) υπάρχει ανάλογη δυσκολία στον ακριβή εντοπισμό πλευρικών μεταβολών ιζημάτων ή ρηγμάτων στους σχηματισμούς του υποβάθρου. Όπως φαίνετα υπάρχει σχετικά καλή σύμπτωση μεταξύ του βάθους που εντοπίστηκε ο σχηματισμός του υποβάθρου από τις διαθέσιμες γεωτρήσεις, αλλά και τις διαθέσιμες γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις σε σχέση με τα αποτελέσματα από τις γεωηλεκτρικές τομογραφίες, με εξαίρεση την περίπτωση της γεώτρησης GA96_NEW. Το συμπέρασμα αυτό γίνεται πιο σαφές όταν απεικονιστούν τα βάθη του υποβάθρου όπως προκύπτουν από τις δύο ανεξάρτητες πηγές, δηλαδή από τις γεωτρήσεις (ή βυθοσκοπήσεις) και από τις γεωηλεκτρικές τομογραφίες (σχήμα 6.13). Ειδικότερα, παρατηρείται πως η σύγκριση με τα βάθη των βυθοσκοπήσεων είναι ικανοποιητική, με τις βυθοσκοπήσεις συστηματικά να δείχνουν λίγο μικρότερο (<40 μέτρα) βάθος από τις τομογραφίες, Όσον αφορά τα βάθη από τις γεωτρήσεις, οι αποκλίσεις είναι σχετικά μικρές στις δύο από τις τρεις διαθέσιμες. Η περίπτωση της γεώτρησης GA96_NEW στην οποία η απόκλιση είναι της τάξης των 100 μέτρων, δημιουργεί ερωτηματικά. Ένα ερωτηματικό αφορά το εάν η γεώτρηση, η οποία βρίσκεται στη θέση αυτή αντιστοιχεί στη διαθέσιμη γεωλογική τομή, ενώ το δεύτερο αφορά την αξιοπιστία της διαθέσιμης γεωλογικής τομής η οποία υπάρχει στον φάκελο αδειοδότησης της συγκεκριμένης γεώτρησης. Το εύρος των τιμών της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης κυμαίνεται από λίγα Ohmm μέχρι μερικές χιλιάδες Ohmm. Οι τιμές αυτές αντιστοιχούν σε μια ποικιλία σχηματισμών, από καθαρές αργιλικές αποθέσεις έως και συμπαγείς σχηματισμοί του υποβάθρου. Έγινε μια προσπάθεια συσχέτισης ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων με γεωλογικούς σχηματισμούς ή ομάδες (Βαργεμέζης 2006), βασισμένη στην βιβλιογραφία, στην γενικότερη γεωηλεκτρική εικόνα που παρατηρήθηκε, την προηγούμενη εμπειρία, τα στοιχεία από τις γεωτρήσεις της ευρύτερης περιοχής και τις ερμηνείες των βυθοσκοπήσεων. Η συσχέτιση παρουσιάζεται στον πίνακα (6.4) 187

196 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού A Ηλεκτρική Τομογραφία L5 Δ Ηλεκτρική Τομογραφία L A GA106 F68 GA104 Ηλεκτρική Τομογραφία L A GA A A F70 F61 Ηλεκτρική Τομογραφία L2 F69 GA96_NEW Ηλεκτρική Τομογραφία L1 F63 Gagn0009 ΒΛΑ39(G37) Σχήμα Αποτέλεσμα της δισδιάστατης ερμηνείας των τομογραφιών L1 - L5. Οι τομογραφίες παρουσιάζονται από ανατολικά προς τα δυτικά ενώ διακρίνονται οι υπάρχουσες γεωτρήσεις (μαύρη ετικέτα) και οι βυθοσκοπήσεις (μπλε ετικέτα) Δ Δ Δ Δ Log(r) Ohm-m 188

197 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 300 F61 Gagn0009 Βάθος Γεώτρησης Βυθοσκόπησης (m) GA104 F69 F68 F63 F70 GA96_NEW Γεωτρήσεις Βυθοσκοπήσεις Βάθος Τομογραφίας (m) Σχήμα Χαρτογράφηση του βάθους των σχηματισμών του υποβάθρου όπως εντοπίστηκαν από τις διαθέσιμες γεωτρήσεις ή βυθοσκοπήσεις σε συνάρτηση με το βάθος που αναγνωρίστηκε ο σχηματισμός του υποβάθρου από τις γεωηλεκτρικές τομογραφίες. ΠΙΝΑΚΑΣ 6.4: Συσχέτιση τιμών ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης με λιθοστρωματογραφικές ενότητες (Βαργεμέζης, 2006) Ειδική ηλεκτρική Log(r) Είδος σχηματισμού αντίσταση (Ohm-m) 0-10 <1 Αργιλικά στρώματα - A ,30 Αργιλοαμμώδη με πιθανά διάσπαρτα χαλίκια B ,48 Αμμοαργιλώδη με στρώσεις χαλίκων C ,48 1,7 Κροκάλες και χαλίκια με υδροφορία D ,7 1,9 Μαργαϊκοί σχηματισμοί ή Σχηματισμοί της προηγούμενη κατηγορίας χωρίς υδροφορία (κυρίως στα μικρά βάθη) ,9 2,18 Μανδύας αποσάθρωσης F >150 >2,18 Σχηματισμός υποβάθρου G E 189

198 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Χρησιμοποιώντας την χρωματική κλίμακα του πίνακα οι τομογραφίες του σχήματος (6.12) μεταφράζονται στις γεωλογικές τομές που παρουσιάζονται στο σχήμα (6.14). Πρέπει να τονίσουμε πως τα όρια των τιμών που χρησιμοποιήθηκαν δεν μπορεί να θεωρηθούν ως απόλυτα. Η έντονη διαφοροποίηση που μπορεί να παρουσιάζει η σύσταση, η υγρασία και η τεκτονική καταπόνηση ενός σχηματισμού μπορεί να προκαλέσει μεγάλες μεταβολές στην τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης που αυτός θα παρουσιάσει. Επιπλέον, ιδιαίτερη δυσκολία παρουσιάζουν σχηματισμοί που ανήκουν στη κατηγορία Ε, παρουσιάζουν δηλαδή τιμές αντίστασης από 50 μέχρι περίπου 80 Ohm-m. Οι τιμές αυτές, όπως φαίνεται στον πίνακα (6.4) μπορούν να αποδοθούν σε μαργαϊκούς σχηματισμούς. Όμως μπορούν να οφείλονται και σε προσμίξεις υλικών της κατηγορίας D όταν από αυτά απουσιάζει η υδροφορία, όπως επίσης παρόμοιες τιμές αντιστάσεων μπορεί να εμφανίζουν σχηματισμοί του υποβάθρου όταν έχουν υποστεί πολύ έντονο τεκτονισμό και είναι πάρα πολύ καταπονημένοι. Ερμηνεύοντας λοιπόν γεωλογικά τις 5 τομές παρατηρούμε ότι σε όλες διακρίνονται οι σχηματισμοί του υποβάθρου. Το βάθος που τους συναντάμε μεταβάλλεται αφού, στα βόρεια (τομή L5) εντοπίζεται περίπου στα 100 μέτρα ενώ προς το κέντρο της λεκάνης (τομές L3 και L2) αυξάνεται σημαντικά φτάνοντας τα 200 μέτρα στο ανατολικό κομμάτι της περιοχής έρευνας και μέχρι τα 450 περίπου μέτρα προς τα δυτικά. Στη νοτιότερη τομή (L1) το βάθος του υποβάθρου μειώνεται και πάλι στο κεντρικό τμήμα της τομής, και εντοπίζεται κοντά στα 200 μέτρα. Στην τομή αυτή είναι πολύ ευδιάκριτη η βύθιση του υποβάθρου τόσο προς τα δυτικά (μετά το 2000 μέτρο της τομής) όσο και προς τα ανατολικά (πριν το 900 μέτρο της τομής). 190

199 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού A Γεωλογική τομή L5 Δ A Γεωλογική τομή L Γεωλογική τομή L A Γεωλογική τομή L A A Γεωλογική τομή L Σχήμα Αποτέλεσμα της ερμηνείας των γεωηλεκτρικών τομογραφιών L1 - L5 σε γεωλογικούς σχηματισμούς. Οι τομογραφίες παρουσιάζονται από ανατολικά προς τα δυτικά. Δ Δ Δ Δ Η ταπείνωση του υποβάθρου (σχήμα 6.14) στο κέντρο της λεκάνης, μεταξύ των τομών L4 και L3 είναι πολύ έντονη και υποδεικνύει την ύπαρξη ρήγματος γενικής διεύθυνσης Α Δ ενώ το άλμα του, όπως φαίνεται στο ανατολικότερο τμήμα των τομών, εκτιμάται περίπου στα 50 μέτρα. Παρόμοια είναι η εικόνα νοτιότερα μεταξύ των τομών L1 και L2, όπου φαίνεται πως το υπόβαθρο εντοπίζεται ψηλότερα στην L1, ενώ διαφορετική είναι και η εικόνα της βύθισης προς τα δυτικά. Πιθανά και σε αυτή την περίπτωση κάποια τεκτονική δομή γενικής διεύθυνσης Α Δ να διαφοροποιεί την συμπεριφορά του υποβάθρου μεταξύ των τομών L1 και L2. Τα παραπάνω διακρίνονται και στο σχήμα 191

200 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού (6.15), στο οποίο φαίνεται ο ρυθμός βύθισης της επιφάνειας του υποβάθρου και ο προσανατολισμός αυτής, όπως υπολογίστηκαν με τη βοήθεια της πλατφόρμας του Γ.Σ.Π., ArcGIS. Επιπλέον, εξετάζοντας την εικόνα που παρουσιάζει το υπόβαθρο στις τομές L2 και L3 προς τα δυτικά (1500 μέτρο) και προς τα ανατολικά (800 μέτρο), φαίνεται πως η βύθιση ρυθμίζεται από ρήγματα ή ομάδες ρηγμάτων γενικότερης διεύθυνσης ΒΒΑ ΝΝΔ. Πιο συγκεκριμένα διακρίνονται 2 ζώνες όπου ο ρυθμός βύθισης φαίνεται αυξημένος, στο 800 και στο 1500 μέτρο των τομών. Στις ίδιες περιοχές φαίνεται και αντίστοιχη διαφοροποίηση του προσανατολισμού της επιφάνειας του υποβάθρου. Ανάλογη διαφοροποίηση του προσανατολισμού της επιφάνειας του υποβάθρου από τα ρήγματα Α Δ που αναφέρθηκαν νωρίτερα, διακρίνεται μεταξύ των τομών L1 L2 και L3 L4 (σχήμα 6.15). Το πάχος των υπερκείμενων ιζημάτων μεταβάλλεται αντίστοιχα με τη βύθιση των σχηματισμών του υποβάθρου. Επικρατούν οι σχηματισμοί D και C ενώ κυρίως προς το κεντρικό κομμάτι και προς τα νότια και ανατολικά αυξάνεται η συχνότητα των αργιλικών υλικών, ανάμικτα με άμμο και χαλίκια (σχηματισμός B). Ειδικότερα στη τομή L2 και λιγότερο στην L3, οι αυξημένες αντιστάσεις κοντά στην επιφάνεια, περίπου στο 2000 μέτρο των τομών, οφείλεται στην ύπαρξη μαργαϊκών υλικών μαζί με διάσπαρτες κροκάλες, όπως βεβαιώνουν τα ευρύματα της παρακείμενης γεώτρησης ΒΛΑ39. Επιπλέον στην αρχή της L1 οι μεγάλες αντιστάσεις που φτάνουν μέχρι την επιφάνεια οφείλονται στην επιφανειακή εμφάνιση των δουνιτικών και περιδοτιτικών πετρωμάτων που φαίνονται νότια του Γαλαρινού. Ό μανδύας αποσάθρωσης, εντοπίζεται υπερκείμενος των πετρωμάτων του υποβάθρου με κυμαινόμενο πάχος, το οποίο γίνεται αρκετά σημαντικό και αυξάνεται προς τα δυτικά. 192

201 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Παρουσίαση της κλίσης και του προσανατολισμού της επιφάνειας του υποβάθρου όπως εκτιμήθηκε από τις μετρήσεις των τομογραφιών L1 L5. Διακρίνονται περιοχές έντονης μεταβολής της κλίσης (πιθανά ρήγματα) βόρεια της L5 και ανάμεσα στις L3 και L4. Επίσης φαίνεται η έντονη αλλαγή του προσανατολισμού προς τα βόρεια μεταξύ των τομογραφιών L1 και L2, αλλά και η διαφοροποίηση νότια της L3. 193

202 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 6.4 Αποτελέσματα και ερμηνεία 3-διαστάσεων Η επεξεργασία των μετρήσεων που περιγράψαμε νωρίτερα επεκτάθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού DC_3DPro. Χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα από όλες τις τομογραφίες και έγινε ενιαία τρισδιάστατη αντιστροφή για την παραγωγή ενός ενιαίου 3-διάστατου γεωηλεκτρικού μοντέλου της περιοχής που ερευνήθηκε. Οι μετρήσεις κατά την βορρά νότο διεύθυνση καλύπτουν μια απόσταση περίπου 1500 μέτρων, δηλαδή η μέση απόσταση μεταξύ των 5 τομογραφιών είναι περίπου 350 μέτρα. Η ικανότητα του λογισμικού DC_3DPro να διαχειρίζεται δεδομένα τα οποία δεν είναι χωροθετημένα σε κανονικό κάνναβο (σχήμα 6.16), μας πρόσφερε την δυνατότητα να εκμεταλλευτούμε τις προυπάρχουσες γεωηλεκτρικές βυθοσκοπήσεις που βρίσκονται εντός των ορίων της περιοχής που καλύπτουν οι τομογραφίες Αποτελέσματα 3-διάστατης αντιστροφής Τα δεδομένα αντιστράφηκαν αρχικά χωρίς τις βυθοσκοπήσεις και παράχθηκε ένα μοντέλο, το οποίο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο μεταβάλλεται η τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στο χώρο που ερευνήθηκε μέχρι το βάθος των 500 μέτρων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με τη μορφή οριζόντιων τομών κατανομής των αντιστάσεων σε διαδοχικά αυξανόμενα βάθη (σχήματα 6.17Α και 6.17Β). Για να είναι εύκολη η σύγκριση, η χρωματική κλίμακα είναι η ίδια με αυτήν που χρησιμοποιήθηκε στην ανάλογη παρουσίαση των αποτελεσμάτων των δισδιάστατων αντιστροφών των 5 τομογραφιών (σχήμα 6.12). Πριν την εισαγωγή των δεδομένων, για την αντιστροφή τους, στο λογισμικό DC_3DPRO, κρίθηκε σκόπιμη η μετατροπή των πραγματικών συντεταγμένων από ΕΓΣΑ- 87 σε ένα τοπικό αυθαίρετο σύστημα συντεταγμένων. Η αρχή των αξόνων του καινούργιου συστήματος συντεταγμένων είχε πραγματικές συντεταγμένες Χ: και Υ: και ήταν περιστραμμένο αριστερόστροφα κατά θ=22.69 ο. Η αλλαγή σε τοπικό σύστημα συντεταγμένων έγινε με σκοπό την ευκολότερη παραμετροποίηση του προβλήματος της αντιστροφής των δεδομένων από το λογισμικό DC_3DPro, δηλαδή τον περιορισμό του αριθμού των παραμέτρων για τις οποίες δεν υπήρχαν διαθέσιμα δεδομένα (σχήμα 6.16α). Τελικά χρησιμοποιήθηκαν 544 μετρήσεις και το τελικό σφάλμα μεταξύ των πραγματικών και των θεωρητικών δεδομένων εκτιμήθηκε ίσο με 9.8% (RMS). Στη συνέχεια έγινε εισαγωγή των δεδομένων των βυθοσκοπήσεων στο σύνολο των δεδομένων των πέντε τομογραφιών και από κοινού αντιστροφή. Για να γίνει αυτό υπολογίστηκαν αρχικά οι συντεταγμένων των ηλεκτροδίων ρεύματος και δυναμικού για κάθε μέτρηση και για κάθε βυθοσκόπηση. Δηλαδή, γνωρίζοντας το κέντρο της διάταξης και την παράταξη του αναπτύγματος των ηλεκτροδίων ρεύματος, υπολογίσαμε τις πραγματικές θέσεις τους. Όπως περιγράφηκε και νωρίτερα, τα επιπλέον σημεία μεταφέρθηκαν στο ίδιο αυθαίρετο σύστημα συντεταγμένων για την διευκόλυνση της εισαγωγής τους στο λογισμικό DC_3DPRO (σχήμα 6.16β). Τελικά χρησιμοποιήθηκαν 707 μετρήσεις και το τελικό σφάλμα της αντιστροφής εκτιμήθηκε ίσο με 10.5% (RMS). 194

203 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Στιγμιότυπο από τον τρόπο παραμετροποίησης του υπεδάφιου χώρου με τη βοήθεια του λογισμικού DC_3DPro (α) για την αντιστροφή των δεδομένων των γεωηλεκτρικών τομογραφιών και (β) για την αντιστροφή των παραπάνω δεδομένων μαζί με τα δεδομένα από τις προυπάρχουσες βυθοσκοπήσεις. 195

204 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 1800 Βάθος 37 μέτρα 1800 Βάθος 37 μέτρα Βάθος 62 μέτρα 1800 Βάθος 62 μέτρα Βάθος 100 μέτρα 1800 Βάθος 100 μέτρα Βάθος 150 μέτρα 1800 Βάθος 150 μέτρα Βάθος 200 μέτρα 1800 Βάθος 200 μέτρα Σχήμα 6.17Α. Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των τομογραφιών L1-L5 (αριστερά) και συνδυασμένη ερμηνεία μαζί με τα δεδομένα των βυθοσκοπήσεων (δεξιά).με τα μαύρα σύμβολα φαίνονται τα ηλεκτρόδια από όλες τις τομογραφίες και τις βυθοσκοπήσεις. 196

205 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού 1800 Βάθος 250 μέτρα 1800 Βάθος 250 μέτρα Βάθος 300 μέτρα 1800 Βάθος 300 μέτρα Βάθος 350 μέτρα 1800 Βάθος 350 μέτρα Βάθος 400 μέτρα 1800 Βάθος 400 μέτρα Βάθος 460 μέτρα 1800 Βάθος 460 μέτρα Σχήμα 6.17Β. Αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αντιστροφής των τομογραφιών L1-L5 (αριστερά) και συνδυασμένη ερμηνεία μαζί με τα δεδομένα των βυθοσκοπήσεων (δεξιά). Με τα μαύρα σύμβολα φαίνονται τα ηλεκτρόδια από όλες τις τομογραφίες και τις βυθοσκοπήσεις. 197

206 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Τα αποτελέσματα από τις δυο ομάδες δεδομένων παρουσιάζονται παράλληλα για σύγκριση. Σχολιάζοντας τις εικόνες παρατηρούμε πως είναι υπάρχουν αρκετές διαφοροποιήσεις στα μικρά βάθη (<150m) γεγονός που οφείλεται στη μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα που παρουσιάζουν οι βυθοσκοπήσεις σε σχέση με τις ηλεκτρικές τομογραφίες που υλοποιήθηκαν. Σε μεγαλύτερα όμως βάθη, η διακριτική ικανότητα των μονοδιάστατων μετρήσεων είναι ανάλογη με αυτή των ηλεκτρικών τομογραφιών και συνεπώς οι εικόνες είναι παρόμοιες. Ειδικά στα μεγάλα βάθη, για τα οποία (κυρίως στην περίπτωση των αποτελεσμάτων από την αντιστροφή χωρίς τα δεδομένα των βυθοσκοπήσεων) πρέπει να εστιάσουμε στο κεντρικό τμήμα των τομών. Αυτό γιατί τα αποτελέσματα κοντά στην αρχή και στο τέλος του Χ άξονα επηρεάζονται σημαντικά από την απουσία πρωτογενούς πληροφορίας (δεδομένων) λόγω της γνωστής τραπεζοειδούς μορφής που παρουσιάζουν τα τομογραφικά δεδομένα των δισδιάστατων μετρήσεων που χρησιμοποιήσαμε για την τρισδιάστατη αντιστροφή. Οι σημαντικότερες διαφοροποιήσεις εντοπίζονται κυρίως στο βορειοανατολικό τμήμα από τα 100 μέχρι τα 250 μέτρα βάθος. Η συνεισφορά των βυθοσκοπήσεων F68, F76 και F78 είναι ουσιαστική, σε περιοχές όπου η πληροφορία από τις τομογραφίες δεν φτάνει σε σημαντικά βάθη. Φαίνεται πως αποκαλύπτει καλύτερα την συνέχεια των υψηλών αντιστάσεων (σχηματισμών του υποβάθρου) προς τα νοτιοανατολικά. Επιπλέον σε μεγαλύτερα βάθη (>300 μέτρα), οι βυθοσκοπήσεις F52, F61 και F69 δείχνουν καλύτερα την ζώνη χαμηλών αντιστάσεων διεύθυνσης ανατολής δύσης, ενώ ειδικότερα η F52 προσθέτει σημαντική πληροφορία για την προς τα δυτικά συνέχεια των μεγάλων αντιστάσεων στα μεγάλα βάθη στο νοτιοδυτικό τμήμα της περιοχής έρευνας Ερμηνεία 3 διαστάσεων Η γεωηλεκτρική δομή που προέκυψε από την 3-διάστατη αντιστροφή των δεδομένων των τομογραφιών μαζί με τα δεδομένα από τις βυθοσκοπήσεις που είχαμε στη διάθεση μας μπορεί να μας δώσει μια αξιόπιστη γεωλογική δομή. Χρησιμοποιήθηκε η ίδια αντιστοίχιση (βλέπε πίνακα 6.4) γεωηλεκτρικών αντιστάσεων και γεωλογικών σχηματισμών, η οποία χρησιμοποιήσαμε και στην ερμηνεία 2 διαστάσεων νωρίτερα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται και πάλι με τη μορφή οριζόντιων τομών κατανομής αντίστασης σε διάφορα βάθη. Τα σχήματα (6.18) έως (6.22) παρουσιάζουν ταυτόχρονα και την επιφανειακή γεωλογία με σκοπό να μπορεί να γίνει αντιληπτή η γεωμετρική εξέλιξη της θέσης των επιφανειακών δομών στα διάφορα βάθη. Στα πρώτα επιφανειακά στρώματα φαίνεται η κυριαρχία των σχηματισμών C και D, ενώ προς τα ανατολικά αυξάνονται τα αργιλικά υλικά και επικρατούν σχηματισμοί κατηγορίας B. 198

207 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Στα βόρεια της τομής L5 οι σχηματισμοί υποβάθρου που φαίνονται επιφανειακά φαίνεται να βυθίζονται πολύ απότομα αφού εντοπίζονται σε βάθος μεγαλύτερο από μέτρα σε μικρή απόσταση προς τα νότια, επιβεβαιώνοντας το πιθανό ρήγμα που έχει χαρτογραφηθεί εκεί, και σε ότι αφορά την ύπαρξη του, αλλά και το ανατολικό όριο του. Ανάμεσα στα 100 μέτρα και τα 200 μέτρα βάθος, στα βορειοανατολικά της περιοχής οι σχηματισμοί υποβάθρου φαίνονται να αναπτύσσονται προς τα νοτιοανατολικά ενώ ο τρόπος που διακόπτονται προς τα δυτικά πιθανόν να αποκαλύπτει κάποια τεκτονική δομή διεύθυνσης ΒΒΑ ΝΝΔ η οποία και ταπεινώνει τους σχηματισμούς προς τα δυτικά. Η ασυνέχεια αυτή δεν διακρίνεται σε βάθη μεγαλύτερα των 200 μέτρων, όπου μέχρι τα 400 μέτρα κυριαρχεί μια πολύ έντονη ασυνέχεια ΔΒΔ ΑΝΑ διεύθυνσης που διακόπτει τους σχηματισμούς του υποβάθρου και φαίνεται να τους ταπεινώνει με ένα άλμα της τάξης των 200 μέτρων. Τα υλικά που κυριαρχούν σε αυτό το βύθισμα ανήκουν στην κατηγορία B και C ενώ στα μεγάλα βάθη κυριαρχούν τα υλικά της κατηγορίας D. Τελικά στα μεγαλύτερα των 400 μέτρων βάθη χαρτογραφούνται, στο σύνολο της περιοχής που ερευνήθηκε, οι σχηματισμοί του υποβάθρου με αρκετά πιθανή την παρουσία σημαντικού πάχους ζώνης αποσάθρωσης (σχηματισμός F). Η εξάπλωση σχηματισμών ικανών για υδροφορία (κατηγορίες D, C αλλά και B) σε όλη την εξεταζόμενη περιοχή, σε βάθη μικρότερα των 100 μέτρων, αλλά και σε μεγαλύτερα βάθη (έως 250 μέτρα), στο τεκτονικό βύθισμα που εντοπίστηκε δυτικά του Γαλαρινού έχουν ιδιαίτερη υδρογεωλογική σημασία. Αυτό γιατί φαίνεται ότι επιτρέπουν την ελεύθερη υδραυλική επικοινωνία μεταξύ του υδροφόρου της υπολεκάνης της Γαλάτιστας και των υδροφόρων που αναπτύσσονται στην υπολεκάνη Βασιλικών. Τέλος, στο σχήμα (6.23) παρουσιάζονται τρισδιάστατες απεικονίσεις του ενιαίου σχηματισμού του υποβάθρου όπως ερμηνεύτηκε από την τρισδιάστατη επεξεργασία όλων των διαθέσιμων γεωφυσικών δεδομένων. Ειδικά στις απόψεις από δυτικά και βορειοδυτικά, διακρίνεται εύκολα το τεκτονικό βύθισμα της ίδιας διεύθυνσης, το οποίο κυριαρχεί στο κεντρικό τμήμα της περιοχής και το οποίο βυθίζει τους σχηματισμούς του υποβάθρου σε βάθη μεγαλύτερα των 450 μέτρων. 199

208 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης ερμηνείας των δεδομένων των τομογραφιών με τη μορφή οριζόντιων τομών σε διάφορα βάθη. 200

209 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης ερμηνείας των δεδομένων των τομογραφιών με τη μορφή οριζόντιων τομών σε διάφορα βάθη 201

210 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης ερμηνείας των δεδομένων των τομογραφιών με τη μορφή οριζόντιων τομών σε διάφορα βάθη 202

211 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης ερμηνείας των δεδομένων των τομογραφιών με τη μορφή οριζόντιων τομών σε διάφορα βάθη 203

212 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Σχήμα Γεωλογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης ερμηνείας των δεδομένων των τομογραφιών με τη μορφή οριζόντιων τομών σε διάφορα βάθη 204

213 Κεφάλαιο 6: Εφαρμογή Στην Περιοχή Βασιλικών Γαλαρινού Κάτοψη Άποψη από ΝΑ Άποψη από Δ Άποψη από ΒΔ Σχήμα Τρισδιάστατες απεικονίσεις των σχηματισμών του υποβάθρου όπως προέκυψε από την γεωλογική ερμηνεία των αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης ερμηνείας των δεδομένων των τομογραφιών 205