ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών Τομέας Μεταλλευτικής Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΥΠΕΔΑΦΟΥΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΑΝΟΙΓΜΑΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΟΡΦΑΝΟΣ ΧΡΗΣΤΟΣ Περίληψη Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή έχει ως θέμα την επίλυση ενός σύνθετου προβλήματος το οποίο σχετίζεται με το επιστημονικό πεδίο των μηχανικών και το οποίο αποτελεί τον εντοπισμό υπόγειων ανοιγμάτων στο υπέδαφος μέσω της συνδυαστικής γεωφυσικής διερεύνησης. Η παρουσία υπόγειων ανοιγμάτων στο υπέδαφος αποτελεί σημαντικό και ιδιαίτερο πρόβλημα, σε διάφορες γεωτεχνικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές. Για παράδειγμα η παρουσία υπόγειων ανοιγμάτων μπορεί να προκαλέσει αστοχίες σε κατασκευές, στη χάραξη δρόμων και διάφορων γεωτεχνικών έργων αλλά και να συντελέσει στην απορροή ρύπων στον υδάτινο ορίζοντα, δημιουργώντας προβλήματα από περιβαλλοντική άποψη. Επιπλέον, ένα υπόγειο κενό μπορεί να αποτελεί το ζητούμενο στόχο σε μια αρχαιολογική έρευνα. Κύριο πρόβλημα όλων των μεθόδων της εφαρμοσμένης γεωφυσικής αποτελεί η αβεβαιότητα της τελικής ερμηνείας και η ανάγκη επαλήθευσης με άμεσους τρόπους παρατήρησης του υπεδάφους όπως π.χ. οι γεωτρήσεις. Ένας τρόπος μείωσης του ποσοστού της αβεβαιότητας αποτελεί η χρησιμοποίηση περισσότερων από μιας γεωφυσικής μεθόδου στην ίδια περιοχή έρευνας και η συνδυαστική αξιοποίηση των αποτελεσμάτων τους. Όμως, η αξιοπιστία της τελικής ερμηνείας ακόμα και στην περίπτωση της συνδυαστικής γεωφυσικής έρευνας εξαρτάται από τη σωστή και βέλτιστη ερμηνεία κάθε μεθόδου. Διάφοροι παράγοντες, όπως η γεωλογία της περιοχής έρευνας, η δομή του ίδιου του υπόγειου ανοίγματος (φυσικό κενό ή ανθρώπινη κατασκευή), το βάθος και το μέγεθος του στόχου, επιφανειακές και τοπογραφικές ανομοιογένειες, ύπαρξη ελεύθερου χώρου για τη λήψη των μετρήσεων κ.α., επιδρούν καθοριστικά στην επιτυχία εφαρμογής κάθε μεθόδου. Επιπλέον, εκτός από τους παραπάνω παράγοντες, οι οποίοι εξαρτώνται κάθε φορά από την περιοχή και το στόχο της έρευνας, υπάρχουν κομβικά στάδια τα οποία επηρεάζουν την επιτυχία μιας γεωφυσικής μεθόδου και τα οποία είναι: 1. H στρατηγική λήψη των μετρήσεων 2. H επεξεργασία των μετρήσεων 3. H ερμηνεία των μετρήσεων. Επομένως, με την πραγματοποίηση ενός πειράματος σε πραγματικές άλλα ελεγχόμενες συνθήκες (εντοπισμός υπόγειου αγωγού γνωστών διαστάσεων), με την ανάλυση συνθετικών μοντέλων αλλά και επιπλέον με την πραγματοποίηση δύο πειραμάτων σε πραγματικές συνθήκες, όπου δεν ήταν γνωστές οι παράμετροι του στόχου (εντοπισμός αρχαίας στοάς στο Λαύριο, εντοπισμός υπόγειων εγκοίλων σε γεωτεχνική εφαρμογή) διερευνήθηκαν διάφορες πτυχές των τριών
παραπάνω σταδίων, για τέσσερις διαφορετικές γεωφυσικές μεθόδους: διδιάστατη και τριδιάστατη ηλεκτρική τομογραφία, μικροβαρυτομετρία, μέθοδος πολυκάναλης ανάλυσης επιφανειακών κυμάτων, μαγνητομετρία. Περαιτέρω στόχος της συγκεκριμένης διατριβής αποτελεί η συνδυαστική αξιοποίηση των αποτελεσμάτων των διαφόρων μεθόδων. Κάθε μέθοδος και στα τρία πειράματα που πραγματοποιήθηκαν ερμηνεύτηκε χωριστά και μετά πραγματοποιήθηκε η συνδυαστική ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Πράγματι, επιβεβαιώθηκε μέσα από τη διερεύνηση και των τριών περιπτώσεων, ότι σε μια γεωτεχνική, περιβαλλοντική, αρχαιολογική ή κάθε είδους έρευνας, εάν ζητούμενο είναι ο εντοπισμός και η οριοθέτηση πιθανών υπόγειων ανοιγμάτων, η Συνδυαστική Γεωφυσική Διερεύνηση του Υπεδάφους αυξάνει κατά πολύ την εξαγόμενη πληροφορία σχετικά με το στόχο έρευνας, σε σχέση με την εφαρμογή μιας και μόνο μεθόδου. Η συγκριτική αξιολόγηση, όλων των μοντέλων ερμηνείας, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή κάθε μεθόδου και τα οποία αλληλοκαλύπτουν την περιοχή έρευνας, δίδει τη δυνατότητα της δημιουργίας ενός τελικού γεωφυσικού μοντέλου, το οποίο να περιγράφει και να απεικονίζει, όσο το δυνατόν καλύτερα, τη δομή του υπεδάφους και φυσικά να οριοθετεί τα όρια και τη θέση πιθανών υπόγειων ανοιγμάτων. Διάφοροι παράγοντες, όπως η γεωλογία της περιοχής έρευνας, η δομή του ίδιου του υπόγειου ανοίγματος (φυσικό κενό ή ανθρώπινη κατασκευή), επιφανειακές και τοπογραφικές ανομοιογένειες, επιδρούν καθοριστικά στην επιτυχία εφαρμογής κάθε μεθόδου, καθιστώντας δύσκολη την εξ αρχής επιλογή της καταλληλότερης γεωφυσικής μεθόδου, δηλαδή της μεθόδου αυτής η οποία θα παρέχει το βέλτιστο αποτέλεσμα. Εκτός από τη συγκριτική αξιολόγηση των γεωφυσικών μοντέλων ερμηνείας που προέρχονται από τη μεμονωμένη επεξεργασία διαφορετικών γεωφυσικών μεθόδων και τα οποία αλληλοκαλύπτουν την περιοχή έρευνας, μια διαφορετική προσέγγιση, όσον αφορά στο συνδυασμό μοντέλων ερμηνείας διαφορετικών γεωφυσικών μεθόδων αποτελεί η στατιστική πολυπαραμετρική ανάλυση (multivariate statistics). Για να μειωθούν κυρίως προβλήματα, τα οποία σχετίζονται με την υποκειμενικότητα του ερευνητή κατά την τελική ερμηνεία που προκύπτει από τη συγκριτική αξιολόγηση των διάφορων μεθόδων, είναι δυνατή η εφαρμογή της διαδικασίας της πολυπαραμετρικής ανάλυσης των μοντέλων ερμηνείας των διαφόρων μεθόδων, με σκοπό τη δημιουργία ενός Ενοποιημένου Γεωφυσικού Μοντέλου Υπεδάφους (Ε.Γ.Μ.Υ.), το οποίο συνδυάζει την πληροφορία όλων των γεωφυσικών μοντέλων ερμηνείας. Συγκεκριμένα αναλύεται η δημιουργία ενός τελικού Ενοποιημένου Γεωφυσικού Υπεδαφικού Μοντέλου (Ε.Γ.Μ.Υ), που παρουσιάζει την κατανομή των διάφορων μετρούμενων παραμέτρων του υπεδάφους, συνδυάζοντας όλα τα γεωφυσικά μοντέλά ερμηνείας, που προκύπτουν από τις διάφορες γεωφυσικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται κάθε φορά. Για να επιτευχθεί η δημιουργία του Ε.Γ.Μ.Υ χρησιμοποιείται η τεχνική συσταδοποίησης «fuzzy c means». Με το όρο συσταδοποίηση (clustering) εννοούμε τη στατιστική διαδικασία με την οποία προσπαθούμε να οργανώσουμε διάφορα δεδομένα σε ομάδες (clusters), οι οποίες δεν είναι από πριν γνωστές, αλλά προκύπτουν δυναμικά. Η εφαρμογή της πολυπαραμετρικής ανάλυσης σε συνθετικά δεδομένα, σε πραγματικά δεδομένα ελεγχόμενων συνθηκών άλλα και σε δεδομένα, τα οποία αφορούσαν ένα πραγματικό γεωτεχνικό πρόβλημα, διερεύνησαν και ανέδειξαν επιτυχή τη δυνατότητα εφαρμογής της δημιουργίας του Ε.Γ.Μ.Υ., όσον αφορά τις μεθόδους οι οποίες αναλύθηκαν. Επιπλέον, με την εφαρμογή διαδικασίας η οποία αναπτύχθηκε και προτείνεται στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, είναι δυνατή η βέλτιστη επιλογή και απεικόνιση ενός Τελικού Ενοποιημένου Γεωφυσικού Μοντέλου Υπεδάφους (Τ.Ε.Γ.Μ.Υ.), όσον αφορά στον εντοπισμό και την οριοθέτηση υπόγειων ανοιγμάτων. Κύρια πλεονεκτήματα της διαδικασίας συνδυαστικής ερμηνείας των διαφόρων γεωφυσικών μεθόδων με την πολυπαραμετρική ανάλυση αποτελεί το γεγονός ότι: 1. είναι δυνατή η ανταλλαγή «πληροφορίας» μεταξύ των διάφορων μεθόδων, χωρίς την ανάγκη ύπαρξης συγκεκριμένων σχέσεων-συναρτήσεων για την αλληλοσυσχέτιση των παραμέτρων των διαφόρων ερμηνευμένων μοντέλων και 2. αποτελεί μια αντικειμενική διαδικασία συνδυαστικής ερμηνείας σε σχέση με την απλή συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των διάφορων μεθόδων, δίδοντας τη δυνατότητα σύγκρισης της ερμηνείας, η οποία προκύπτει από τις δύο προσεγγίσεις 3. η απεικόνιση και η κατανόηση του Τελικού Ενοποιημένου Γεωφυσικού Μοντέλου του Υπεδάφους (Τ.Ε.Γ.Μ.Υ.), μπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτή, σε μελετητές και ερευνητές διάφορων ειδικοτήτων για την περαιτέρω αξιοποίηση της παρεχόμενης πληροφορίας, χωρίς να είναι απαραίτητη εξειδικευμένη τεχνογνωσία σχετικά με την Εφαρμοσμένη Γεωφυσική. Φυσικά, η ανάλυση και η αξιοπιστία του Τ.Ε.Γ.Μ.Υ εξαρτάται σημαντικά από τη διακριτική ικανότητα και τους περιορισμούς που προκύπτουν από τα μοντέλα ερμηνείας των γεωφυσικών μεθόδων που συνδυάζονται. Επιπλέον, η χρήση του Τ.Ε.Γ.Μ.Υ ως αρχικό μοντέλο για την αντιστροφή δεδομένων διάφορων γεωφυσικών δεδομένων, σε συνθετικά δεδομένα έδειξε ότι μπορεί να βελτιώσει την τελική ερμηνεία, με την ανταλλαγή πληροφορίας μεταξύ των διαφόρων γεωφυσικών μεθόδων κατά τη διάρκεια αντιστροφής, χωρίς την ανάγκη άμεσης σύνδεσης των μετρούμενων δεδομένων με καθορισμένη σχέσησυνάρτηση.
NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF ATHENS School of Mining and Metallurgical Engineering Applied Geophysics Laboratory Εικόνα 1 : Εντοπισμός Υπόγειου Ανοίγματος με την Εφαρμογή διάφορων γεωφυσικών μεθόδων INTEGRATED GEOPHYSICAL INVESTIGATION FOR THE DETECTION OF UNDERGROUND OPENINGS PhD THESIS ORFANOS CHRISTOS
Summary This thesis tries to solve a complex engineering problem that related with the detection of underground openings in the subsurface, using the integration of different surface geophysical methods. The presence of openings in the subsurface is an important problem in various geotechnical and environmental applications. For example, the presence of underground openings can cause failures in heavy constructions, roads and various geotechnical projects. Moreover, they can create environmental problems due to run off pollutants to the water table. In addition, an underground opening can be the target of an archaeological survey. Main problem of all geophysical methods is the uncertainty of final interpretation and the need for verification of the results by direct observation methods such as boreholes. One way to reduce the percentage of uncertainty is to use more than one geophysical method in the same study area and take the results of all methods into account. However, the reliability of the final interpretation depends on the correct and optimal process of each method. Several factors such as geology, the kind of underground opening (natural or human construction), the depth and size of the target, surface and topographical irregularities, availability of space for taking measurements, etc., influence decisively the successful implementation of each method. Apart from these factors, which depend every time on the characteristics of the study area and target, there are crucial steps that affect the success of a geophysical method, which are : Acquisition strategy Process of measurements Interpretation of measurements. Therefore, carrying out an experiment in real and controlled site conditions (locating an underground pipeline of known dimensions), using the analysis of synthetic models but also by carrying out two experiments in real site conditions, it was possible to study various aspects of four different geophysical methods: two-dimensional and three-dimensional resistivity tomography, microgravity, multichannel analysis of surface waves, magnetic method. A further objective of this thesis is the optimized integration of the results of the different methods. Each method in all three experiments were firstly interpreted separately and then carried out an integrated interpretation. In all three cases, confirmed that Combined Geophysical Investigation of Subsurface greatly increases the exported information. A comparative evaluation of the interpreted models, arising from the application of each method and which overlapped the study area, enables the creation of a final geophysical model, which describes and illustrates, as well as possible, the subsurface and delineate the boundaries of possible underground openings. Apart from the comparative evaluation of interpreted geophysical models derived from the individual processing of different geophysical methods, which overlapped the same study area, a different approach of integration is the statistical multiparametric analysis (multivariate statistics). In order, to reduce specific problems associated with the subjectivity of the researcher, it is possible to apply multiparametric analysis on the interpreted models of the various geophysical methods and as a result to create a Unified Subsurface Geophysical Model (U.S.G.M). Specifically, it is presented the creation of a final Unified Geophysical Subsurface Model, which shows the distribution of various measured parameters of the subsoil, which combines all models arising from the various geophysical methods. In order to achieve the creation of U.S.G.M «fuzzy c means» clustering technique is used. Clustering technique is the statistical process by which we try to organize various data in groups (clusters), which are not known in advance, but generated dynamically. The application of multiparametric analysis to synthetic data, real data in controlled site conditions and other data, derived from a real case study, study the applicability of the creation of U.S.G.M. Furthermore, a specific process which was developed and proposed in this thesis is presented. The main target is the optimum selection and display of a Final Unified Subsurface Geophysical Model (F.U.S.G.M) in regard to the identification and delineation of underground openings. Main advantages of this procedure are that: 1. allow the exchange of "information" between the various methods, without the need of specific-function for the interrelationship of the parameters of various interpreted models 2. is an objective process in comparison to the common method of integration 3. The presentation and understanding of the Final Unidied Geophysical Model of the Subsoil (U.S.G.M.) can be easily understood, from researchers of various fields, for further exploitation of the information provided, without the need for specialized expertise on Applied Geophysics. Of course, the analysis and reliability of the T.E.G.M.Y depends greatly on the resolution and the limitations arising from models of interpretation of the various geophysical methods
Furthermore, the use of T.E.G.M.Y as a starting model for inversion of geophysical data, carried out on synthetic data, showed that it can improve the final interpretation. This is achieved by the exchange of information between various geophysical methods during inversion without the need for direct connection of the measured data with a fixed-function. Figure 1: Detection of underground opening using various geophysical methods.