Polecamy najnowszy odcinek naszego podcastu GEOGADKA. Gościem odcinka jest doktor inżynier Szymon Oryński z Zakładu Magnetyzmu Instytutu Geofizyki PAN, który opowiada o zastosowaniu metod elektromagnetycznych.
Dagmara Bożek: Czym są metody elektromagnetyczne i jak ich wykorzystanie wpisuje się w działalność Zakładu Magnetyzmu, którego jesteś pracownikiem?
Dr inż. Szymon Oryński: Część badań, w które jestem zaangażowany, dotyczy obserwacji pola magnetycznego, a także magnetotelluryki, którymi zakład zajmuje się od dawna. Natomiast od dobrej dekady stosujemy pełne spektrum metod elektromagnetycznych, które pozwalają na określenie różnych parametrów na pewnym przedziale głębokości – od bardzo głębokiej magnetotelluryki po płytkie dwumetrowe badania konduktometrem.
D.B.: Które z tych metod są Ci najbliższe?
S.O.: Zależy od dnia (śmiech), staram się je wszystkie wykorzystywać. W zależności od tego, jaka jest potrzeba projektowa, czego poszukujemy, tak dobieramy metody, aby jak najlepiej zobrazować to, co nas interesuje.
D.B. Czyli?
S.O.: Aktualnie prowadzimy badania w dość szerokim spektrum – od degradacji torfowisk wywołanej zmianami kliamatu, przez badania wieloletniej zmarzliny, po monitoring wałów przeciwpowodziowych, obiektów hydrotechnicznych oraz osuwisk. Mamy jeszcze małą, ale dość interesującą działkę, w której zajmujemy się prospekcją geoarcheologiczną.
D.B.: Zacznijmy od badań wieloletniej zmarzliny. Temat może egzotyczny, ale nie dla naukowców pracujących w IGF PAN, który zarządza Polską Stacją Polarną Hornsund na Spitsbergenie.
S.O.: Jeżeli chodzi o sam Instytut, to informacje o naszych badaniach polarnych można znaleźć na kanale IGF PAN na YouTube i w niektórych podcastach. Tu również dokładam swoją cegiełkę. Razem z profesor Marzeną Osuch i doktorem Tomkiem Wawrzyniakiem prowadzimy badania pod kątem rozpoznania wieloletniej zmarzliny w zlewni rzeki. Korzystamy z georadaru oraz metod konduktometrycznej i elektrooporowej z uwzględnieniem polaryzacji wzbudzonej.
D.B.: Dlaczego aż tyle metod jest potrzebnych?
S.O.: Każda daje jakiś obraz, kontrast parametrów. W georadarze jest to przenikalność elektryczna, w metodach elektrooporowej czy konduktometrycznej głównie bazujemy na oporności bądź przewodności na ten sam parametr. Poszukujemy kontrastu. Im jest silniejszy, tym obraz, który uzyskujemy w wyniku danej metody, jest wyraźniejszy. W przypadku konduktometru to jest dość płytka metoda, która bazuje na nadawaniu sygnału w zakresie częstotliwości około 30 kHz jednej cewce nadawczej. Później ten sygnał jest odbierany na kolejnych cewkach odbiorczych w pewnym oddaleniu i im większe oddalenie, tym głębiej sygnał penetruje. W zagadnieniu, którym zajmujemy się m.in. na Spitsbergenie w Arktyce, z uwagi na ograniczenia sprzętowe, na chwilę obecną możemy uzyskać informacje do około 2,5 metra. W rejonach polarnych konduktometr wykorzystujemy do sprawdzenia, jak głęboko zamarza i jak szybko przymarza grunt od powierzchni. Badania prowadzimy głównie we wrześniu, kiedy występują pierwsze przymrozki. Wykonujemy monitoring na niewielkim poletku 3D, ale dość gęsto usianym profilami. Najlepiej w pobliżu koryta rzeki, żeby sprawdzić, jak przepływająca woda i spadająca temperatura zachowują się w gruncie.
Jesteśmy w stanie określić głębokość przypowierzchniowego zamarzania, a także zaobserwować, jak płynąca i jeszcze nie zamarzająca woda powoduje, że przy korycie rzeki zamarzanie zachodzi wolniej. W przypadku metody elektrooporowej, której używamy w formie georadaru, schodzimy nieco głębiej na około 6–10 metrów. Pomiary wykonujemy w tym samym profilu testowym o długości kilometra od 3–4 lat, który zaczyna się na brzegu morza, a kończy się mniej więcej na stoku góry. Częstotliwość pomiaru około trzy razy do roku.
D.B.: Co widać na obrazie z georadaru?
S.O.: Georadar średnio działa w ośrodkach silnie zawodnionych. Wysoka przewodność elektryczna powoduje tłumienie fal elektromagnetycznych, spada amplituda sygnału. Wysokie tłumienie powoduje, że w zasadzie nie ma interpretowalnego sygnału. Czyli tam, gdzie mamy obszary o bardzo silnym tłumieniu, możemy wychodzić z założenia, że są to obszary silnie zawodnione, a więc wysoko przewodzące elektrycznie. To, czego się spodziewamy, co podwyższa nam przewodność ośrodka, to w zasadzie woda. Korelujemy te obserwacje z pomiarami uzyskanymi metodą elektrooporową. Jeżeli mamy wysokie tłumienie w obrazie georadarowym, a przy okazji niską oporność uzyskaną w metodzie elektrooporowej, jesteśmy w stanie z dużym prawdopodobieństwem określić, jaka jest miąższość warstwy wodonośnej i na jakiej głębokości się znajduje.
D.B.: Wspomniałeś o współpracy z profesor Marzeną Osuch, kierownik Zakładu Hydrologii i Hydrodynamiki naszego Instytutu. Jak dane, które pozyskujesz, pomagają kolegom z innych dziedzin nauki?
S.O.: Zawsze pozostaje pytanie, czy to, co im dostarczamy, jest tym, czego od nas oczekują. (śmiech) Przekazujemy kolegom ogólną ocenę ilości wody, która znajduje się w ośrodku w płytszych strefach. Natomiast w zeszłym roku przeprowadziliśmy pomiary elektrooporowe do głębokości około 60–80 metrów, które miały na celu określenie występowania wieloletniej zmarzliny. W tym roku planujemy wykonać powtórny pomiar z uzupełnieniem go o polaryzacją wzbudzoną, która zdecydowanie lepiej oddaje efekt pojawiania się permafrostu, czyli wspomnianej zmarzliny. Sama metoda elektrooporowa, bazująca w zasadzie tylko i wyłącznie na kontraście opornościowym, w przypadku gdy mówimy o zamarzniętej wodzie w ośrodku, która zdecydowanie podnosi oporność, jest w porządku. Ale gdy mówimy o samej skale, która ma temperaturę poniżej zera, to już opornościowo ona się nie do końca dobrze zaznacza. Natomiast zastosowanie dodatkowo polaryzacji wzbudzonej pozwala uzyskać efekty, których oczekujemy, czyli możemy zobaczyć kontrast pomiędzy skałą zmarzniętą lub nie.
D.B.: Co roku bywasz na Spitsbergenie? Czy część wspomnianych przez Ciebie badań można zautomatyzować i dane otrzymywać zdalnie?
S.O.: Chciałbym to zautomatyzować, ale na chwilę obecną na Spitsbergenie muszę się pojawić przynajmniej raz, a najlepiej dwa razy w roku. Aczkolwiek myślimy o zainstalowaniu rekonesansowego na wpół zautomatyzowanego profilu. Staramy się uzyskać na to finansowanie, choć zorganizowanie tego na pewno nie będzie łatwe.
D.B.: Z rejonów polarnych przenosimy się na nasze rodzime podwórko. Wspominałeś o badaniach torfowisk.
S.O.: Te badania realizujemy we współpracy z Wydziałem Geologii Uniwersytetu Warszawskiego. Prowadzimy quasi-monitoring opornościowy, czyli wykonujemy pomiary metodami konduktometryczną i elektrooporową na trzech torfowiskach. Mamy dwa punkty pomiarowe na bagnie Całowanie w okolicy Otwocka. To jedno z największych bagien i torfowisk w Europie. Chcemy uzyskać informację, jak szybko ono wysycha. Same torfowiska mają tendencję do pochłaniania dwutlenku węgla, natomiast gdy przesychają, to ten proces jest zupełnie odwrotny. Więc informacja o tym, jak szybko i w jakiej objętości one przesychają, jest dość istotna.
D.B.: Jak wyglądają tego typu badania?
S.O.: Ośrodek skalny, torfowisko, powinno być dwudzielne – dobrze przewodzące torfy, które mają dość dużą zawartość wody w sobie i pod spodem, to są najczęściej piaski, które będą charakteryzować się znacznie wyższą opornością. Ale w przypadku, gdy torfy przesychają, to od powierzchni pojawia się trzecia warstwa, która także jest wysokooporowa. Tak więc już przeschnięte torfy nie mają charakteru niskooporowego. Chcemy prześledzić, jak na przestrzeni roku zachowuje się ten obraz. Zazwyczaj po zimie jest on dwudzielny. Zeszłej jesieni zaobserwowaliśmy 20–30 centymetrów takiego przeschnięcia przy samej powierzchni, co w mojej ocenie jest ciekawe. Nasz trzeci punkt pomiarowy znajduje się w okolicy Europejskiego Centrum Edukacji Geologicznej koło Chęcin.
D.B.: A jaka jest dynamika zmian w trzech wspomnianych przez Ciebie obszarach? W naszym podcaście rozmawialiśmy ostatnio z dr Emilą Karamuz o zagrożeniu suszą.
S.O.: 2–3 lata temu wykonywaliśmy pomiary elektrooporowe w powiecie skierniewickim, gdzie występowała susza. Staraliśmy się określić głębokość leja hydrologicznego i jego zmian. Na pewno w tamtym przypadku mogliśmy mówić o bardzo dynamicznym procesie. W przypadku osuszania się torfowisk ten proces nie jest aż tak dynamiczny. W omawianym przypadku każdego roku przybywa nam 20–30 centymetrów osuszonego torfu. To są raczej wolniejsze zmiany. Natomiast jeżeli mówimy o miąższości torfu rzędu 2 metrów, to przyrost rzędu 5–10 centymetrów jest już duży.
D.B.: Od torfowisk możemy, nomen omen, płynnie przejść do hydrotechniki i obiektów krytycznych takich jak na przykład zapory. W ocenie ich stanu metody elektromagnetyczne również są przydatne.
S.O.: Razem z profesorem Mariuszem Majdańskim i jego zespołem prowadzimy badania obiektów hydrotechnicznych, głównie zapór, wałów przeciwpowodziowych. Są one różne w zależności od rodzaju budowli. Zupełnie inaczej podchodzimy do zapory, wałów przeciwpowodziowych na rzekach czy obwałowania budowy hydrotechnicznej. Każda z takich budowli ma swój okres przydatności. Na przykład zapora ulega zamuleniu, wypłyceniu, napór na nią się zmienia czy może podciekać. Dzięki badaniom możemy uzyskać informację, gdzie mogą wystąpić obszary niebezpieczne z punktu widzenia utrzymania budowli. Wykonujemy pomiar, który powtarzamy w zależności od pojawiających się zmian. W przypadku wałów jest o tyle łatwiej, że nie ma całej infrastruktury jak na zaporze –spustów wodnych czy turbin. Jest po prostu wał ziemny i w momencie, w którym zaczyna się degradować, oporność, przenikalność elektryczna i parametry sejsmiczne będą się zmieniały. Stąd łatwo jesteśmy w stanie na dużej odległości w całej geometrii budowli określić, co wymaga rewitalizacji i wskazać fragment do naprawy. Zmniejsza to koszty, bo nie ma wtedy potrzeby wymieniać całego wału na odległości pięciu kilometrów. Nie jest to nowość, bo takie badania się wykonuje, ale my chcemy je podnieść na wyższy poziom. Dlatego stosujemy pełne spektrum: metody sejsmiczne, georadar spektralny – tu we współpracy z firmą Widmo z Krakowa – metody elektroporowe, konduktometr. To podejście komplementarne.
D.B.: A jak wygląda taki monitoring? Czy są obiekty, które macie pod stałym nadzorem?
S.O.: W ramach projektu profesora Majdańskiego od trzech lat prowadzimy badania na zaporze Rybniku – Orzechowice. Są schematyczne, powtarzalne; rodzaj timelapse’u. Wykonujemy również czasowe pomiary na wałach przeciwpowodziowych. jak te z wykorzystaniem metody elektrooporowej i konduktometru na Wiśle. Planujemy jeszcze zrobić tam badania sejsmiczne.
D.B.: A co z osuwiskami? One też były na Twojej liście prowadzonych badań.
S.O.: Razem z kolegą, doktorem Arturem Marciniakiem, prowadzimy od 2018 roku badania na osuwisku na stoku narciarskim w Ciścu koło Węgierskiej Górki niedaleko Żywca. Początek był prosty i schematyczny, Artur zaczął od badań sejsmicznych. Potem doszły elektrooporowe. Natomiast obecnie prowadzimy tam szeroko zakrojone badania sejsmiczne, uwzględniając technologię światłowodową DAS, w tym pomiary pasywne. Stosujemy też metodę konduktometryczną, radar standardowy, spektralny, zdjęcia z drona, LIDAR, co pozwala nam uzyskać pełny obraz, jak to osuwisko się zachowuje, określić jego dynamikę w sposób trójwymiarowy. Widzimy, że osuwisko jest dość głębokie, powierzchnia poślizgu wynosi do 35–40 metrów. Dzięki obrazowi w radarze spektralnym jesteśmy w stanie określić, że to nie jest tylko jedna powierzchnia poślizgu, ale tych warstw odspojenia wewnątrz całej struktury jest więcej. Oprócz tego zastosowaliśmy najpłytszy wariant metody magnetotellurycznej, czyli AMT. Dzięki temu poniżej pierwszych 30 metrów, które były średnio rozpoznawalne, zobaczyliśmy piękną płaszczyznę odcięcia i to, co znajduje się pod osuwiskiem – pionowe struktury fliszu karpackiego, przewarstwienie piaskowców i łupków. Mało tego, dołożyliśmy jeszcze we współpracy z Politechniką Wiedeńską metodę polaryzacji wzbudzonej uzupełnioną o metodę procesów przejściowych. Dało nam to unikatowy obraz geoelektryczny, jak zachowuje się osuwisko. Wydaje mi się, że tak dużego zakresu metod geoelektrycznych na jednym osuwisku nie ma nigdzie.
D.B.: Muszę przyznać, że jestem pod wrażeniem! Czy badania, które prowadzicie, dają Wam możliwość prognozowania, jak może zachować się dane osuwisko w przyszłości?
S.O.: Wiemy bardzo dużo o bieżących parametrach osuwiska. Oprócz tego przy takim rozpoznaniu staramy się też modelować, jak się zachowa. Warto też podkreślić, że nie jest to naturalne osuwisko, tylko wywołane działalnością człowieka, bo jest to stok narciarski. Dochodzi tu czynnik, którym jest pokrywa śnieżna, dodatkowa masa, która zalega w zimie po sezonie. Dynamiczne wytopienie i infiltracja sporej ilości wody w grunt, który już jest osuwiskiem, to dodatkowy czynnik wzbudzający. Staramy się modelować, jak to się zachowa. Myślę, że z doktorem Marciniakiem jesteśmy na dobrej drodze do znalezienia takich schematów, które można zastosować do innych osuwisk.
D.B.: Przejdźmy jeszcze do Twoich badań, które roboczo nazwaliśmy geoarcheologicznymi.
S.O.: W tym zakresie współpracujemy z Wydziałem Geodezji Politechniki Warszawskiej, Fundacją Zapomniane i firmą Wykop na Poziomie. Prowadzimy, nazwałbym to, dość specyficzne prace dotyczące archeologii – poszukujemy grobów masowych. Na początku skupialiśmy się na terenie dawnych obozów zagłady: Bełżcu, Treblince, a także Chełmnie nad Nerem. Cała procedura wygląda następująco: zaczynamy od fundacji, która poszukuje żyjących świadków różnych wydarzeń, głównie z okresu drugiej wojny światowej. Następnie koledzy z Politechniki Warszawskiej wykonują analizę archiwalnych zdjęć lotniczych, porównując, jak zmieniał się bezpośredni krajobraz tego miejsca, typując lokalizacje, w których mogło coś wystąpić. Następnie my wykonujemy pomiary głównie przy użyciu georadaru, magnetometru i konduktometru. Szukamy na głębokości 2–3 metrów.
D.B.: A dlaczego te trzy metody?
S.O.: W przypadku, gdzie mamy do czynienia z dużą liczbą zwłok, często przepalonych, efekt magnetyczny będzie niezerowy, więc pojawi się minimalna anomalia magnetyczna. Tak samo w przypadku metody georadarowej i konduktometru. Nawet jeżeli sam materiał, powiedzmy biogeniczny, który się tam znajduje, nie zawsze będzie kontrastował, to wykonanie regularnego wykopu, rowu czy podobnej struktury, spowoduje przerwanie wcześniejszych geologicznych struktur. Na przykład w Treblince zlokalizowaliśmy dodatkowe cztery groby w lesie Maliszewa. Koledzy z Politechniki mniej więcej wyznaczyli obszar, w którym to się mogło znajdować, ja go przemierzyłem konduktometrem i magnetometrem. Geologicznie to była piaszczysta wydma z jednej strony, a z drugiej strony ilaste wypełnienie, bo to było dawne starorzecze i zakole Bugu, czyli mamy dwudzielny obraz. Jeżeli patrzymy z góry na mapę i w jednym miejscu jest ewidentne w miarę regularne przerwanie warstw, znaczy, że coś się tam znajdowało, bo geologia nie jest aż tak regularna. I tu już wchodzą archeolodzy. W tamtym przypadku archeologia się potwierdziła, bo znaleziono 6–7 szkieletów.
D.B.: Można podsumować, że… geofizyka jest wszędzie. Bardzo dziękuję za rozmowę!