Georadar
Funktionsweise und Anwendungen in der geologischen und glaziologischen Erkundung
- Unkonventionelle Ansätze -
Norbert Blindow
Geophysicist, Consultant
Airborne GPR, Glaciology Near Surface Geophysics
Former affiliations: University of Münster, Free University Berlin, Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR)
Present: Consultant to GeoEstudios (San José de Maipo, Chile) RST Radar Systems Technology (Salem)
UMAG (Punta Arenas, Chile), FAU (Erlangen), Tauber (Münster), BGR (Hannover) ...
S TR
Übersicht
Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik
- Materialparameter, Eindringtiefen
- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung
- Bohrlochmessungen
Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche
Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf
- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher
- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)
mit Helikopter-GPR
Literatur
Übersicht
Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik
- Materialparameter, Eindringtiefen
- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung
- Bohrlochmessungen
Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche
Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf
- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher
- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)
mit Helikopter-GPR
Literatur
Prinzip des GPR:
Elektromagnetische Wellen(Frequenz je nach Anwendung 3...3000 MHz) werden an Schichtgrenzen bzw. Objekten mit unterschiedlicher Dielektrizitäts-zahl und/oder Leitfähigkeit teils refraktiert, teils reflektiert bzw. gestreut. Laufzeiten und Amplituden dieser Wellen werden aufgezeichnet, dargestellt (″Radargramm″) und ausgewertet.
Georadar auch:
BodenradarGPR (ground penetrating radar) EMR (Elektromagnetisches Reflexionsverfahren)SIR (subsurface interface radar)RES (radio echo sounding)...
Antennen und Pulsanregung
Abstrahlcharakteristik an einer Grenzfläche
Das Beispiel zeigt, wie die Ankopplung eines Dipols durch Auflegen erzielt wird.Trotzdem ist die Verwendung von ab-geschirmten Antennen in Umgebungen mit reflektierenden Objekten an oder über der Oberfläche anzuraten.
Luft
Boden
Dielektrische Eigenschaften und Ausbreitungs-Parameter
Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungs-ParameterGeschwindigkeit und Absorption
Reine Wellenausbreitung ist in den Frequenzbereichen möglich, wo die Geschwindigkeit ein Plateau erreicht hat - hier gilt näherungsweise v ≈ c
0/√ε .
Darunter findet Energietransport durch Diffusion statt (EM-Verfahren).
Mit zunehmender Leitfähiggkeit und Frequenz steigt die Absorption und erreicht ebenfalls ein Plateau. Für Material, das freies Wasser enthält, tritt oberhalb von 100 MHz Debye-Relaxation auf - ein Verlusteffekt, der in der Mikrowelle genutzt wird, beim GPR aber sehr lästig ist.
Wellenlängen
z.B. für v = 0.1 m/ns aus v = λ.f
f = 10 MHz λ = 10 mf = 100 MHz λ = 1 mf = 1GHz λ = 0.1 m
Elektromagnetische Wellenausbreitung
Näherung: Wellenstrahlen der geometrischen Optik
Laufzeit t(x) der reflektierten Welle bei Schichtdicke h und Geschwindigkeit v:
t = (x² + 4h²)1/2/v (Reflexionshyperbel)
Bestimmung von v durch CMP-Messungen(CMP = common mid point):
x
h
x
R SteilwinkelreflektionWR Weitwinkelreflexion
Diffraktionen von einzelnen Objekten
Für x0=0 ist die Laufzeit
der Diffraktionshyperbel
t(x) = 2.(x²+z0²)1/2/v
mit der Lotzeit t0= 2.z
0/v.
Auflösungsvermögen
vertikal Δz ≈ λ/2horizontal Δx ≈ (2λz)1/2
bzw. räumlich dichter Messung nach Processing Δx ≈ λ/2
Abb. 6.8: links Ortung verschiedener Leitungen unter einer Asphalt-Oberfläche (GSSI Pathfinder, Mittenfrequenz 400 MHz, Range 50 ns, rechts Ergebnis der Datenbearbeitung (Migration). Kreise markieren hier die Position der Leitungen. GeoHiRes International Ltd, 2003
Reflexionsmessungen Crosshole-Messungen Bohrloch-Tomographie
Bohrlochmessungen
Abbildungen aus www.boratec.net
Vertikale Bohrung Horizontale Bohrung
Bohrlochsonde beim Zusammenbau vor einer horizontalen Bohrung in einer Strecke
Radarbohrlochsonden für Reflexionsmessungen
Kreuzrahmenantenne =
Sensor für orthogonale magnetische Feld-komponenten
Richtungssensitive Bohrlochmessung
DABOR-Sonde (Uni Wuppertal, DMT) Nachfolger des PRAKLA-Modells von 198x
TTxx
RRxx
1989
Winkelbestimmung bei der richtungssensitiven Bohrlochsonde
Amplituden- und Phasengang des Dipolsund der beiden Rahmenantennen
Richtcharakteristik (Prinzip) der Kreuzrahmenantenne
∑ ∑ ∑ ∑∑∑222222 )(4)-()-(-
2
1tan 2,1 iiiiii
ii
yxyxyxyx
Berechnung des Winkels relativ zur Sonde, Sondenwinkel relativ zu Vertikal oder Nord. => Raumwinkel
X: Amplitude Rahmen 1Y: Amplitude Rahmen 2: Relativer Empfangswinkel
: Drehwinkel der Sonde (Kompass oder Kreisel)
Messbeispiel: Signale des Dipols und der beiden Rahmen, errechneter Winkel
Übersicht
Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik
- Materialparameter, Eindringtiefen
- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung
- Bohrlochmessungen
Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche
Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf
- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher
- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)
mit Helikopter-GPR
Literatur
Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (1)
Groundwater and geological structures (cross-bedding of Nubian sandstone) mapped by GPR Example: 30 MHz GPR (Great Selima Sand Sheet, Egyptian/Sudanese border), water table at 10 to 60 m depth (DFG cooperative research project 69 "Arid Areas" Subproject B11 1984-1990)
1km
35m512ns
0 00
2km
Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (2):
Struktur- und Grundwassererkundung in Lockersedimentenhier: Geest mit Übergang zum Moor
Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (3): Strukturerkundung in gesättigten Lockersedimenten - Insel Spiekeroog (Uni Münster 1997)
Bessere Daten durch Mehrfachüberdeckung
Offset 6m
CMP 8-fach überdeckt
largest amount of ice in southern hemisphere apart from Antarctica
Northern Patagonian Icefield: 4.200km²
Nef and Colonia Glaciers
Southern Patagonian Icefield: 13.000km²
temperate glaciers with large accumulation and ablation rates 8% loss of glacier covered surface in the SPI, 1945 – 2004 (Rivera and Casassa, 2004)
Ice thickness?Internal structure?
Up to the moment only scarce knowledge!
Patagonian Icefields:
Helikopter-GPR zur Eisdicken-Messung
Glaciar Nef
Glaciar Nef
Previous own work: UMAIR / BGR-P30(See IWAGPR2009, IWAGPR2011 and GPR2012
conference proceedings, respectively)
developed as University of Münster Airborne Ice Radar (UMAIR) Center frequency 25 MHz Acquisition velocity 70 km/h, 10 traces/s <> 500 traces/km
Antenna: 2 shielded wideband dipoles, static weight 270 kg overall dimensions: 6m x 4m x 1m
Pulser: MOSFET-switch, UB = 5 kV, PRF 3500 HzReceiver: digitizer 400 MHz (t=2.5ns), on-board FPGA, 256-times stacking, 3 µV sensitivityDGPS: dual frequency L1/L2Laser altimeter: helps keeping approx. 40 m terrain clearance
Fiberoptic cables
Inside the helicopter:Control unit: Embedded PC + trigger unit,
handheld GPS for navigation, laser altimeter display for the pilot (total 20kg)
Design, development, and construction: Norbert Blindow / Münster Geophysical Institute workshops
With AS350-B3 helicopter max. altitude 5200 m!
Glaciar Nef, Patagonia
Glaciar Colonia, Patagonia
Bild: Bundesamt für Strahlenschutz
Georadar unter Tage (Salinar)
Vertical geological section from salt dome Gorleben (Bornemann 1991)
Exploration level
Shaft measurements
Perspective view of Perspective view of sections from shaft 1sections from shaft 1
Vertical sectionsVertical sections
500 m
50 MHz
dx=1 m
5 µs
Reflecting structures in salt
anhydrite Clay layers
GPR an der Firste
GPR am Stoß
right side
left side
roof
floor
All around measurement
Principle of measurements in drifts
50 MHz antenna
Querschlag QS1West
Perspektivische Ansicht: Radargramme Firste + Sohle
Hauptstrecke
500 m
50 MHz
dx=1 m
5 µs
Vorbereitung einer Bohrlochmessung
Dipol-Radargramm Dipol-Radargramm aus einer Bohrungaus einer Bohrung
Winkelberechnung aus Winkelberechnung aus Rahmen und Dipol, Rahmen und Dipol, farbcodierte Darstellungfarbcodierte Darstellung
Lageplan und Geologie in der Ebene der Bohrung
Exploration boreholes for the two shafts
Structures from a vertical borehole
Structures from measurements in drifts 1994-2000
500 m
Test of 25 MHz helicopter system on the floor in a salt dome
Radargrams from floorRadargrams from floor
Radargram from Radargram from roof in upper drift roof in upper drift
NorthNorth
Salt tableSalt table
600 m High attenuation
LANDEANFLUG!
Eine Zusammenfassung würde recht lang werden.
Ein Ausblick noch länger...
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!Fragen?
S TR
Literatur zum Vortrag
1. Neuere Übersicht als Buch:
Harry M. Jol (Editor): Ground Penetrating Radar - Theory and Applications. Elsevier Ltd. 2009
2. Teilweise in diesem Vortrag verwendet:
Norbert Blindow: Ground Penetrating Radar In Reinhard Kirsch (Editor): Groundwater Geophysics - A Tool for Hydrology. Springer 2006
Norbert Blindow, Dieter Eisenburger, Bernhard Illich, Hellfried Petzold & Thomas Richter: Ground Penetrating Radar In K. Knödel, G. Lange, H.-J. Voigt (Editors): Environmental Geology - Handbook of Field Methods and Case Studies. Springer 2007
N. Blindow, C. Salat, G. Casassa, "Airborne GPR sounding of deep temperate glaciers - examples from the Northern Patagonian Icefield", Proc. 14th International Conference onGround Penetrating Radar (GPR2012), pp.670-675, 4-8 June 2012, Shanghai, China. doi: 10.1109/ ICGPR.2012.6254945
V. Gundelach, N. Blindow, U. Buschmann, C. Salat, ″Underground GPR measurements for spatial investigations in a salt dome″ , Proc. 14th International Conference onGround Penetrating Radar (GPR2012), pp.473-476, 4-8 June 2012, Shanghai, China. doi: 10.1109/ ICGPR.2012.6254945
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