1. ábra. Repedés által okozott változás a szeizmikus hullámképben. Ha a rugalmas hullámokat keltő és az érzékelők a repedés azonos oldalán vannak, a nagyobb frekvenciájú nyíróhullámok is regisztrálhatók, ellenkező esetben ezek a hullámok eltûnnek (a képen a forrás a repedés bal oldalán van) (az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet méréseiből)

-meg kell határozni, milyen kőzetből készült a védmû, mennyire egynemû a gáttest és milyen állapotban van;

-meg kell határozni, hogy a védmûvek altalaja hol tekinthető jó vízzárónak és hol fordulhat elő, hogy hosszabb ideig tartó magas vízállás esetén szivárgás, legrosszabb esetben buzgár keletkezik.

Geoelektromosellenállás-mérés: fizikai alapok és terepi munka

Ezzel a geofizikai módszerrel a kőzetrétegek fajlagos elektromos ellenállását lehet meghatározni, többnyire a felszínen végzett méréssel. Ha sikerül megtudnunk, hogy néhány méter mélységben milyen fajlagos ellenállású kőzet van, következtethetünk arra, hogy ez a kőzet mi lehet, vagy ami sokszor fontosabb, mi nem lehet. Vegyük például az árvízzel veszélyeztetett területeken leggyakrabban előforduló két kőzetet, az agyagot és a homokot. Természetes nedvességtartalom esetén az agyag fajlagos ellenállása 5-40 Wm, a homoké 200-500 Wm [4]. Akavicsé általában még nagyobb és szélesebb határok között változik. Ezek az adatok is elárulják egyrészt azt, hogy a tiszta agyag és a tiszta homok fajlagos ellenállása alapján egyértelmûen megkülönböztethető, másrészt azt, hogy a kőzetek fajlagos ellenállása nem egy meghatározott érték, hanem elég széles sávban változhat. Az sem véletlen, hogy kikötöttük a természetes nedvességtartalmat, ugyanis a kőzetek ellenállása függ a kőzetet átitató folyadéktól, annak mennyiségétől és fajlagos ellenállásától. A természetben többnyire a homok és az agyag különböző keverékei fordulnak elő, ezeknek fajlagos ellenállása a két alkotórész fajlagos ellenállása közé eső érték. Az árvízvédelmi töltések és az alattuk lévő földtani képződmények vizsgálatában a legfontosabb a geoelektromos ellenállás mérése, mert a homok és az agyag fizikai paraméterei közül a fajlagos ellenállás mutatja a legnagyobb különbséget.

2. ábra. Az árvízvédelmi gáton mért földradar szelvény felhívja a figyelmet arra, hogy 65 m körül valamiféle változás van a gát addig eléggé egységesnek látszó felépítésében (a bal oldali lépték ns, a jobb oldali m) (a Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikai Intézet méréseiből)

Attól függően, hogy az elektromos vagy elektromágneses teret miképpen hozzuk létre a talajban és e térnek milyen jellemzőjét és hogyan mérjük, a geoelektromos ellenállás mérésének számos változata alakult ki. A talajban egyenáramú elektromos teret hozunk létre oly módon, hogy a kutatni kívánt mélységtől függően egymástól néhány méter, vagy néhányszor tíz méter távolságban a földbe levert fémrudakon, elektródákon át néhányszor tíz vagy száz mA erősségû egyenáramot vagy kis frekvenciájú váltóáramot vezetünk a földbe. Két másik elektróda közt mérjük az áram hatására kialakuló feszültségkülönbséget. Az áramerősség, a feszültségkülönbség és az elektródák egymáshoz viszonyított helyzetének alapján kiszámítható a fajlagos átlagellenállás. Ezeket szelvényezés esetén a mérési pontoknál ábrázolva képet kapunk a kőzetféleségek vízszintes irányú változásáról, ha pedig az áram bevezetése több elektródatávolság mellett történik - ez határozza meg, milyen mélységû áramtér alakul ki -, akkor több mélységből kapunk ilyen információt.

Szeizmikus mérés: fizikai alapok, szárazföldi munka

A szeizmikus kutatómódszert gyakran összecserélik a szeizmológiával, pedig lényegesek a különbségek. Míg az utóbbi a földrengések által keltett hullámokkal a föld belső felépítését vizsgálja, a szeizmikus módszer mesterséges úton keltett rugalmas hullámaival akár az árvízvédelemben előforduló néhány méteres mélységtartományt is fel tudja deríteni.

A felszínen vagy a felszín közelében keltett rugalmas hullámok a geometriai optika törvényeit követve terjednek a földben. Ahol változnak a hullámterjedést meghatározó fizikai paraméterek, a hullám megtörik, visszaverődik, visszajut a felszínre. Ott az érzékelőkkel és a csatlakozó mûszerrel ezredmásodperc pontossággal meghatározható a különböző utat bejárt hullámok menetideje és a beérkező hullám alakja. Mindebből a felszín alatti földtani képződményekre, azok geometriájára lehet következtetni.

3. ábra. A mérnökgeofizikai szondázások adataiból (a szondázás függőleges tengelye mentén vonalkázással jelölve) szerkesztett szelvény igazolja, hogy az 52 500 m és 53 000 m között bekövetkező „emelkedés" mesterséges eredetû, itt megváltozik a gát felépítése. Az ábrázolás erősen torzított, a mintegy 5 m-es emelkedés 500 m-en következik be (a vízszintes vonalkázás vízzáró, a pontozás vízvezető rétegeket jelöl) (az Elgoscar Kft. méréseiből)

A meghatározó fizikai paraméter a rugalmas hullámok terjedési sebessége. A fajlagos ellenálláshoz képest az árvízvédelmi kutatásokban leggyakrabban előforduló képződmények ezen paramétere kisebb változatosságot mutat: legfeljebb négy-ötszörös különbségek figyelhetők meg (500-2500 m/s). Ez azt is jelenti, hogy a szeizmikus gyakorlatban előforduló 10 vagy 100 Hz frekvenciájú rezgések hullámhossza a 10-100 m nagyságrendbe esik, ez határozza meg a módszer felbontóképességét. Előnye, hogy szilárd közegekben kétféle hullám is terjedhet: a nyomáshullám és a nyíróhullám, folyékony és légnemû közegben viszont csak nyomáshullám. Így egy gátat teljes egészében harántoló egészen kis repedésen keresztül a nyíróhullám nem tud átmenni (1. ábra).

A szeizmikus mérésben a legmunkaigényesebb és legköltségesebb a hullámkeltés. Nagyobb mélységek kutatása esetén a felszínen vagy fúrt lyukban felrobbantott dinamit vagy más robbanóanyag hoz létre rugalmas hullámokat, vagy hatalmas, tíz tonnát is meghaladó tömegû terepjáró vibrátorok keltik a rezgéseket. Azárvízvédelmi célú mérések esetén elegendő egy nagyobb kalapáccsal vagy néhány méter magasságból leejtett súllyal ütést mérni a talajra. Vannak kisméretû vibrátorok is ilyen célokra.

A forrástól különböző távolságokra elhelyezett érzékelőkkel, geofonokkal alakítják át a talaj rezgését elektromos jellé, majd a mûszer rögzíti a beérkező hullámot. Az évtizedek alatt kialakult mérési gyakorlat az, hogy nagyon sok helyen történik a rugalmas hullámok mérése. Mivel a védmûvek mindkét oldalán is el lehet helyezni a rezgéskeltőket és az érzékelőket, a gátak rugalmas hullámokkal átvilágíthatók.

Földradarmérés: fizikai alapok és terepi munka

Gátak esetében lehetőség van az orvosi gyakorlatból ismert tomográfiás mérésre is. Az adóantenna a gát egyik oldalán van, a vevő pedig a másikon és azt vizsgáljuk, hogy a gát anyaga milyen mértékben nyeli el, csillapítja az elektromágneses hullámokat. Mivel a gát méretei rövid távolságon belül általában állandóak, a csillapodás változását túlnyomórészt a gát anyagának változásai okozzák.

A földradarral végzett mérésekben tehát viszonylag kis távolságok szerepelnek. Igaz ugyan, hogy a talajban az elektromágneses hullámok valamivel lassabban haladnak, mint a levegőben, ezeket a távolságokat mégis igen rövid idő alatt teszik meg. Ezért aztán a MHz vagy GHz frekvenciájú hullám kibocsátása és visszaérkezése közt eltelt időt pikoszekundum, azaz 10-12 másodperc pontossággal kell mérni. A leggyakrabban alkalmazott szelvényező mérésben egymástól meghatározott távolságra a földön elhelyezzük az adót és a vevőt, antennáikkal együtt, majd a számítógép elindítja a mérést az előre beállított paraméterekkel, sokszor megismétli és a képernyőn az összegzett jel, a visszavert elektromágneses hullám jelenik meg a kibocsátástól eltelt idő függvényében. Mindez csak néhány másodpercet vesz igénybe és máris továbbléphetünk a következő mérés helyére. Ismerve vagy feltételezve az elektromágneses hullám terjedési sebességét az adott közegben, az időtengely átszámítható mélységtengellyé, így mélységszelvény kapható a vizsgált szakaszról (2. ábra). Lényeges eltérés a szeizmikus módszertől, hogy az elektromágneses hullámkeltés viszonylagos egyszerûsége miatt egyetlen adóhoz egyetlen vevő, egyetlen csatorna tartozik.

Közös viszont a szeizmikus és a radarmódszerben, hogy a mérés vízen is elvégezhető. Szeizmikus mérés akár a víz felszínén, akár jégen is végezhető, radarral inkább csak jégen.

Mérnökgeofizikai szondázás: környezetbarát, fúrást helyettesítő módszer

A védmûveket és az alattuk lévő földtani képződményeket nagy felbontóképességgel kell megismernünk, mert akár csak néhányszor 10 cm-es homokréteg vagy ennél is kisebb repedés is komoly problémákat okozhat. A felszíni geofizikai mérésekre általában az jellemző, hogy felbontóképességük a mélységgel csökken. Ezért az a gyakorlat, hogy felszíni mérésekkel megkeressük azokat a szakaszokat, ahol valamelyik geofizikai mérés szerint valami más van és azt, hogy az ténylegesen mi, szükség esetén mérnökgeofizikai szondázással határozzuk meg. Ezt a fúráshelyettesítő eljárást a hetvenes, nyolcvanas években a Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikai Intézetben többek között árvízvédelmi gátak vizsgálatára fejlesztették ki [5]. Jelenlegi formájában hidraulikus berendezés segítségével 3-5 cm átmérőjû csövet nyomunk le a talajba. Részben a cső végére szerelt érzékelőkkel, részben a belsejében végzett méréssel meghatározzuk a harántolt képződmények törőszilárdságát, sûrûségét, agyagtartalmával arányos természetes g-sugárzását, nedvességtartalmát, fajlagos ellenállását. Ha szükség van egy földtani képződmény vízvezető képességének meghatározására, ez a képződmény eredeti helyén is megvalósítható. A mérnökgeofizikai szondázás felbontóképessége már kielégítő, hiszen akár 5 cm vastag rétegek, idegen anyagok is kimutathatók. Ez az információ, kombinálva a felszíni mérésből meghatározható kiterjedéssel, egyértelmûen megadja, milyen erősítésre, milyen mennyiségû anyag kicserélésére van szükség a gát megerősítése érdekében. A mérnökgeofizikai szondázás jelzi a repedéseket is, amennyiben azokat harántolja. Ez a módszer hátránya: csak a lenyomott cső közvetlen környezetéről ad - igaz, nagyon részletes - információt.

A szondázásnak számos előnye van a fúrással szemben. A legfontosabb, hogy valamennyi mért paraméter azonnal számítógépbe kerül és szinte a legutolsó mérés befejeztével egy időben földtani rétegsort kapunk a mért paraméterek mélység szerinti szelvényével együtt (3-4. ábra).

5. ábra. Akár 960 elektródával dolgozó geoelektromos ellenállásmérő-berendezés vázlatos felépítése. A mérőmûszert és a legfeljebb 16 kapcsolómûvet a számítógép vezérli, egy-egy kapcsolómûhöz pedig 2x30 elektróda csatlakoztatható. A számítógép a mérési programnak megfelelően kapcsolja a kiválasztott elektródákat a mûszerhez, a mérőmûszerrel elvégezteti a mérést, majd újabb elektródákat kapcsol be (a KBFI-Ttriász Kft. fejlesztése)

Esettanulmányok

A geofizikai módszerek használhatóságának bizonyítására az lenne a leghatásosabb eszköz, ha egy, valamennyi fenti módszert bevető kutatást és annak eredményét, egy veszélyes gátszakasz megerősítése után a gátszakadás vagy buzgárképződés lehetőségének megszûnését írhatnánk le. Az Országos Geofizikai Adattárban az ötvenes évektől minden évtizedből találhatók jelentések völgyzárógátak, árvízvédelmi gátak vizsgálatáról, illetve a földtani felépítés kutatásáról tervezett gátak területén. Bár évtizedek alatt a 4200 km-nyi gát mintegy felén végeztek ellenállás-szelvényezést, a geofizikában szinte kötelező, több módszeres kutatásra alig került sor és kevés volt a visszajelzés munkájuk hasznosságáról. Ennek egyrészt az az oka, hogy a pénzhiány miatt vagy csak egyetlen módszerre korlátozódott a megbízás és a legolcsóbb a geoelektromos mérés volt, másrészt tíz-húsz évvel ezelőtt a földradar módszer még nem volt nagyon ismert. Így aztán néhány módszert külön-külön mutattunk be az ábrákon.

A geofizikai módszerek alkalmazásában több évtized alatt összegyûlt tapasztalatot nem lehet egyetlen cikk keretében ismertetni. Mégis érdemes összefoglalni, mit képes nyújtani a roncsolásmentes felszíni vagy tomografikus geofizikai mérés, illetve a nagyon kevés roncsolással járó mérnökgeofizikai szondázás.

A módszerek jelenlegi felbontóképessége mellett nem vállalkozunk arra, hogy egyedi repedéseket kimutassunk, azok irányát és helyét megadjuk. Ha azonban egy gátszakasz erős repedezettsége az építéshez használt anyag eltérő jellegével párosul, akkor ez a „más" szakasz megadható. Általában kijelölhetők azok a szakaszok, amelyek „egyformák" és ha ezen belül a gát minősége megfelelő, ugyanez állítható az egész szakaszról. Nagyobb kimosási üregek valószínûleg kimutathatók. Mind a gáttesten belül, mind annak bolygatatlan altalajában megkülönböztethetők az uralkodóan vízzáró, illetve inkább vízáteresztő, vízvezető anyagokból álló részek. Ha szükséges, a hidraulikus vezetőképesség vagy szivárgási tényező mérnökgeofizikai szondázás segítségével szintén meghatározható. Ebből következik, hogy a geofizikai módszereknek nem árvíz idején lehet elsősorban szerepük a védelemben, hanem a gátak állapotának, a gátak altalajának vizsgálatával a megerősítés tervezési, előkészítési szakaszában.

Az irodalmi leírások rövid ismertetése előtt le kell szögezni, hogy nem elméletben vagy fizikai alapjaiban új eljárásokról van szó, hanem „csak" a mérést meggyorsító, olcsóbbá tevő innovációról. Az eredmények feldolgozása, értelmezése ugyanúgy történhet, mint a hagyományos módon végzett mérések esetében.

Geoelektromos mérés előre telepített elektródákkal

Mivel a gátvizsgálatok esetében mind vízszintes, mind függőleges irányban nagy felbontóképességre, minél több adatra van szükség az altalaj háromdimenziós vezetőképességének meghatározása során, ezért célszerû számítógépvezérelt adatgyûjtő- és kapcsolórendszert, valamint előre telepített elektródákat használni. Ezek segítségével teljesen automatikussá és gyorssá, gazdaságossá tehető a mérés. Egy hazánkban kifejlesztett mérőrendszer segítségével akár 960 elektródát is lehet használni, helyesebben ezekből egyidejûleg bármelyik négyet. Amérési elrendezés az 5. ábránlátható.

Mágneses mérés kerékpárral

Eddig nem esett szó arról, hogy akarattal vagy véletlenül vas- vagy acéltárgyak kerülhetnek a gáttestbe. Ezek kimutatása mindenképpen hasznos lehet. A kerékpárral végezhető mérést két, egymástól elég messze eső fejlesztési eredmény tette lehetővé: a terepjáró kerékpárok alumíniumból és szénszálas mûanyagból készülnek, így nincs a mérést zavaró mágneses terük, felépítésük pedig alkalmas a geofizikai mûszerek, számítógépek rázásmentes szállítására, illetve a mûholdas helymeghatározás (GPS) segítségével a mozgó jármû mindenkori helye akár néhányszor tíz cm pontossággal is meghatározható [6]. A berendezés képes arra, hogy másodpercenként tízszer mérje a mágneses térerősséget céziumgőz magnetométerével, a GPS berendezés pedig másodpercenként végez helymeghatározást.

Geoelektromos és elektromágneses mérések vontatott berendezésekkel

Az elektromos teret létrehozó, illetve az azt mérő berendezés galvanikus vagy kapacitív kapcsolatban van a talajjal. A galvanikus kapcsolatot kerekekből kiálló fémrudakkal lehet megteremteni, amelyek az ember vagy egy jármû által vontatott berendezés előrehaladása során váltakozva nyomódnak bele a talajba [7]. Kapacitív csatolás esetén [8] pl. előre meghatározott hosszúságú szigetelő anyagból készült kötél köti össze az adót és a vevőt. 17 kHz-es elektromágneses teret hoz létre az adó. Tőle meghatározott távolságra van az adó frekvenciájára hangolt vevő. Az egész rendszert egy ember vagy jármû vontatja. Az adó által a vevőben keltett feszültséget másodpercenként kétszer méri a mûszer, és figyelembe véve az elrendezés geometriai méreteit, azokat látszólagos fajlagos ellenállássá alakítja. Ha több mélységből szeretnénk információt kapni, különböző adóvevő távolságokkal meg kell ismételni a mérést. A gyártó cég szerint egyetlen ember ötször több adatot tud mérni azonos idő alatt, mint két ember a hagyományos módszerrel.