CONSEILS : Réflexions multiples dans les données GPR
Les multiples dans les données GPR ne sont pas très courants, sauf dans des scénarios très spécifiques tels que le profilage des glaces et l'exploitation minière souterraine, mais ils se produisent dans quelques situations quotidiennes qui peuvent vous surprendre.
La grande majorité des données GPR sont créées lorsque les signaux GPR sont réfléchis une fois après leur voyage depuis l'émetteur GPR avant d'arriver au récepteur GPR (Figure 1).
Figure 1
La plupart des coupes transversales GPR (à droite) montrent des signaux GPR réfléchis une fois par un objet ou une limite souterraine.
Cependant, dans certaines situations, il est possible que les signaux GPR soient réfléchis deux, trois fois ou plus à partir du même objet ou de la même limite avant d'arriver au récepteur GPR. Ces types de réflexions sont appelés « multiples ». L'identification de multiples dans vos données GPR est l'une des interprétations les plus difficiles.
Dans ce TIPS, nous discutons des conditions nécessaires pour que des multiples se produisent dans les données GPR et montrons quelques exemples, y compris un exemple quotidien et d'autres dans des circonstances très particulières.
Ice
L'exemple le plus courant de multiples dans les données GPR est lorsque le signal GPR pénètre dans une couche présentant de grands contrastes de permittivité diélectrique en haut et en bas de la couche. Cela se traduit par des valeurs de réflectivité élevées aux deux interfaces et une grande partie de l'énergie GPR devient essentiellement « piégée » dans la couche et se reflète de haut en bas plusieurs fois. Un bon exemple de ceci peut être vu dans les données sur l’épaisseur de la glace (Figure 2).
Figure 2
La réflectivité élevée aux deux limites au-dessus et au-dessous de la glace produit les conditions parfaites pour que les signaux GPR se réfléchissent plusieurs fois.
La glace a une permittivité diélectrique de 3.2 tandis que l'air au-dessus de la glace a une permittivité diélectrique de 1 et l'eau sous la glace a une permittivité diélectrique de 80. Lorsque le signal GPR se déplace vers le fond de la glace, il rencontre la glace. interface eau avec une réflectivité de 67 %, ce qui signifie qu'environ 2/3 de l'énergie est réfléchie dans la glace. Ensuite, lorsque le signal GPR atteint l'interface glace-air au sommet de la glace, la réflectivité est de 28 %, ce qui entraîne une quantité importante de signal réfléchi vers le bas dans la glace, où le processus peut se répéter plusieurs fois jusqu'à ce que le signal soit renvoyé. atténué.
Bien que les données GPR semblent comporter plusieurs couches (Figure 3), il y a en réalité une couche à partir de laquelle le signal GPR a été réfléchi plusieurs fois avec des temps de trajet de plus en plus longs.
Le fait que les couches s’imitent parfaitement (Figure 3) est une caractéristique d'un multiple à rechercher pour identifier les multiples.
Figure 3
Multiples dans les données sur l’épaisseur de la glace. Les deuxième et troisième réflexions imitent la première réflexion dans le temps, donc une différence de 1 ns dans la première réflexion est de 2 ns dans la deuxième réflexion et de 3 ns dans la troisième réflexion. Cela signifie que les variations d'épaisseur telles que la zone en forme de V dans la boîte deviennent de plus en plus exagérées à mesure que le nombre de réflexions multiples augmente.
Flaques d'eau
Un autre endroit plus courant pour observer une réponse similaire est celui des multiples provenant d'une flaque d'eau (Figure 4). Lorsqu'une flaque d'eau est suffisamment profonde pour submerger les deux antennes GPR dans l'eau, des multiples peuvent se produire.
Figure 4
Les flaques d'eau, avec une réflectivité élevée aux deux limites au-dessus et au-dessous de l'eau, produisent un autre scénario dans lequel les signaux GPR se reflètent plusieurs fois.
L'eau a une permittivité diélectrique de 80 tandis que l'air au-dessus de la flaque a une permittivité diélectrique de 1 et l'asphalte en dessous de la flaque a une permittivité diélectrique de 6. La réflectivité eau-asphalte au fond de la flaque est de 57 % tandis que l'eau à la réflectivité de l'air au sommet de la flaque d'eau est de 80 %, ce qui crée les conditions nécessaires pour produire des multiples.
Figure 5
Le signal GPR se multiplie dans une flaque d'eau. Notez que la profondeur de l’eau est grandement exagérée pour montrer la trajectoire des ondes GPR.
Les multiples lors de la traversée d'une flaque d'eau avec le GPR ont tendance à produire des réponses beaucoup plus complexes que la glace (Figure 6) car les flaques d'eau sont souvent suffisamment petites pour que le GPR collecte des données sur les bords de la flaque d'eau, là où la profondeur de l'eau devient nulle (Figure 5).
Figure 6
Le signal GPR se multiplie dans une flaque d'eau. Bien qu’il semble que la profondeur de pénétration ait augmenté sous la flaque d’eau, le signal GPR est principalement piégé dans la couche d’eau, se réfléchissant plusieurs fois de haut en bas. La profondeur variable de l'eau à travers la flaque et les bords de la flaque génèrent ensemble un modèle complexe de réponses. Notez la diminution de la vitesse lors de l'arrivée directe au sol en raison de la vitesse très lente de l'eau (0.033 m/ns) par rapport à l'asphalte (0.13 m/ns).
Le danger des flaques d’eau multiples pour les opérateurs de GPR est double ; 1) interprétation erronée selon laquelle les multiples représentent une véritable cible souterraine et 2) que ces signaux masquent les réflexions des objets souterrains réels situés sous la flaque d'eau.
Comprenez que cette réponse multiple ne se produira PAS lorsque le sol est simplement mouillé. La profondeur de l'eau doit être suffisante pour immerger les antennes d'émission et de réception dans l'eau.
Nous avons discuté de ce phénomène plus en détail dans la newsletter Subsurface Views d'avril 2011 :
Les mêmes principes décrits ici peuvent provoquer des multiples de tuyaux non métalliques (Figure 7). Étant donné que le tuyau n'est pas métallique, les signaux GPR peuvent pénétrer dans le tuyau et se refléter par le bas. Une partie de cette énergie rencontrera ensuite l’interface à haute réflectivité située en haut du tuyau et se reflétera à nouveau vers le bas. L'énergie GPR peut se refléter une ou plusieurs fois dans le tuyau, produisant des hyperboles qui imitent les réponses hyperboliques du haut et du bas du tuyau. Cet effet est très prononcé dans les conduites remplies d'eau (car les signaux GPR se propagent lentement dans l'eau et donc les temps de trajet dans l'eau sont plus longs).
Figure 7
Multiples signaux GPR dans un tuyau non métallique. La coupe transversale GPR à droite montre les réponses hyperboliques du haut et du bas du tuyau suivies des premier et deuxième multiples. Les hyperboles sont également espacées verticalement car le temps de trajet augmente d'exactement deux diamètres de tuyau pour chaque réflexion.
La différence de temps de trajet entre les réflexions peut être utilisée pour déterminer le diamètre approximatif du tuyau (mais uniquement lorsque le matériau contenu dans le tuyau est connu). Nous en avons discuté dans un article de notre newsletter de janvier 2020 (https://www.sensoft.ca/blog/tips-determining-pipe-diameter-from-gpr-data/).
Mines souterraines
Notre dernier exemple provient de données collectées dans le tunnel d’une mine souterraine. Un client, Compass Minerals, nous a envoyé un formidable exemple de données basse fréquence de 100 MHz collectées dans une mine de sel pénétrant à environ 15 mètres (plus de 50 pieds, Figure 8).
Figure 8
Données de fréquence centrale de 100 MHz collectées dans un long tunnel dans une mine de sel souterraine. Notez le contenu de fréquence plus élevée, les réflecteurs légèrement ondulés à environ 50 et 100 ns (2.5 et 5 m de profondeur). Ce sont des multiples du plafond du tunnel de la mine
Les réflecteurs à environ 50 et 100 ns sont multiples du plafond du tunnel.
Figure 9
Deux multiples réflexions provenant du plafond du tunnel sont annotées dans les coupes transversales GPR des figures 8 et 10.
L’une des raisons pour lesquelles il s’agit probablement de multiples est qu’ils traversent des structures géologiques (encadré rouge sur la figure 10), ce qui serait peu probable si la réflexion était provoquée par une structure géologique.
Figure 10
Mêmes données que la figure 8 mais avec des annotations pour mettre en évidence les détails. Le premier multiple est d'environ 50 ns et le second exactement le double du temps, 100 ns. Un indice démontrant qu’il s’agit de multiples est qu’ils recoupent des caractéristiques géologiques (encadré rouge). Notez le réflecteur faible indiqué en bas de la section, imite le réflecteur fort 50 ns au-dessus.
Puisque la vitesse du signal GPR dans l’air est connue (vitesse de la lumière – 0.30 m/ns), comme les multiples de l’exemple de tuyau non métallique ci-dessus, nous pouvons calculer la hauteur du tunnel :
Un exercice d’interprétation intéressant consiste à déterminer si le réflecteur ondulé plus profond, plus faible à des profondeurs de 12 à 15 mètres, qui imite le réflecteur plus puissant à des profondeurs de 9 à 12 mètres, est un réflecteur réel ou un multiple. Si vous remarquez que la différence de temps est de 50 ns, exactement la même que les multiples plus haut dans la section, vous arrivez rapidement à la conclusion qu'elle est causée par l'énergie GPR réfléchie par le plafond et pénétrant dans le sous-sol pour se réfléchir depuis le réel. réflecteur à une hauteur de 9 à 12 mètres, avec un délai de 50 ns – le temps qu'il fallait pour se refléter depuis le plafond. Ce chemin est animé par les flèches noires sur la figure 11.
Figure 11
Le réflecteur puissant et ondulé de 9 à 12 mètres sur la figure 10 est créé par l'énergie GPR suivant le chemin des flèches bleues dans cette animation. Le réflecteur plus profond et plus faible indiqué au bas de la figure 10 n'est probablement pas un réflecteur réel, mais un réflecteur provoqué par le signal GPR réfléchi depuis le plafond du tunnel avant d'entrer dans le sous-sol et réfléchi par le réflecteur puissant et ondulé à une profondeur de 9. -à-12 mètres (flèches noires). Cette animation montre les chemins des signaux GPR qui se combinent pour générer la section efficace GPR dans les figures 8 et 10.
Les multiples ne sont pas souvent visibles dans les données GPR, mais dans les situations avec une limite de réflectivité élevée, comme dans ces exemples, faites attention à eux et veillez à ne pas les interpréter comme de véritables réflecteurs souterrains.
