Electrical Resistivity Tomography measurements in inclined boreholes = Διατάξεις ηλεκτρικής τομογραφίας σε κεκλιμένες γεωτρήσεις.

Περίληψη

This master thesis proposes a methodology for acquiring electrical resistivity tomography measurements applied in inclined boreholes and combined with the surface or even a second borehole. The existence of the boreholes provides additional information to the surface measurements, and this combined investigation would benefit the findings. However, since the standard resistivity arrays are not directly applicable to these arbitrarily positioned electrodes, the need to investigate alternative electrode arrays for such cases is evident. In this work, schemes for generating full and optimized protocols can be created for these measurement arrangements. For this purpose, an algorithm was designed in Matrix Laboratory (MATLAB) that can produce full and optimized datasets compatible with the resistivity meters. Also, a graphic user interface was designed to render the algorithm more comprehensible and flexible in handling. The basic concept during the development of the code was for it to be as practical and manageable on the field as possible. The algorithm was tested with numerous synthetic models with diverse geometries (i.e., different borehole's inclination, unequal spacing between borehole and surface electrodes etc.) which were created and inverted for both the full and the other optimized datasets. Some of them are presented and discussed in this thesis. Laboratory experiments were also made to assess the algorithm's applicability further. For this purpose, a structure simulating surface and borehole electrodes was inserted into a tank full of water. Some targets with different expected resistivities were tested for the generated protocols. Finally, it was feasible to apply this algorithm to real data. Due to maintenance reasons, some boreholes were drilled in the walls of Rotunda church in Thessaloniki, so the chance to investigate the interior of the walls with the protocols produced by the mentioned algorithm was given. Since the primary purpose was not to evaluate the wall's condition but to verify the algorithm's utility, only some of the results of the investigated boreholes will be presented and discussed. According to the results, the algorithm was deemed capable of coping with any geometry of the electrodes (borehole - surface or borehole – borehole array), and the produced protocols accurately depicted the investigated area.

Σκοπός αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας είναι να προταθεί ένας τρόπος πραγματοποίησης μετρήσεων που να μπορεί να υποστηρίζει την εφαρμογή της ηλεκτρικής τομογραφίας σε κεκλιμένες γεωτρήσεις, συνδυασμένες επιπλέον με περαιτέρω ηλεκτρόδια στην επιφάνεια ή ακόμα και σε άλλη γεώτρηση. Οι γεωτρήσεις προσφέρουν επιπλέον πληροφορία στις επιφανειακές μετρήσεις, κάνοντας τον συνδυασμό τους πιο ωφέλιμο στην ταυτοποίηση των ευρημάτων. Επειδή όμως οι διατάξεις των ηλεκτροδίων που έχουν προταθεί δεν είναι απευθείας εφαρμόσιμες σε αυτή την αυθαίρετη τοποθέτηση των ηλεκτροδίων, εμφανίζεται η ανάγκη να τροποποιηθούν. Με αυτές τις μετατροπές και με κάποιες επιπλέον παρεμβάσεις είναι δυνατό να προταθεί ένα πλήρες και κάποια βέλτιστα πρωτόκολλα για τέτοιου είδους μετρήσεις. Για αυτό τον λόγο δημιουργήθηκε ένας αλγόριθμος, ο οποίος σχεδιάστηκε στο Matrix Laboratory (MATLAB) και παράγει πλήρη αλλά και βελτιστοποιημένα δεδομένα, τα οποία μπορούν να μετατραπούν σε πρωτόκολλα συμβατά με το όργανο μέτρησης. Για να είναι ο αλγόριθμος πιο κατανοητός και εύκολος στον χειρισμό, δημιουργήθηκαν γραφικά παράθυρα αλληλεπίδρασης χρήστη (graphic user interface windows). Κατά την διάρκεια ανάπτυξης του κώδικα, σημαντική έμφαση δόθηκε στο να είναι όσο το δυνατόν πιο πρακτικός και διαχειρίσιμος στο πεδίο. Για να δοκιμαστεί και να αξιολογηθεί το τελικό αποτέλεσμα που παράγεται από τον κώδικα, δημιουργήθηκαν και υποβλήθηκαν στην διαδικασία της αντιστροφής, πολλά συνθετικά μοντέλα με διάφορες γεωμετρίες (π.χ. διαφορετική κλίση γεώτρησης, άνισο άνοιγμα των ηλεκτροδίων της γεώτρησης σε σχέση με της επιφάνειας κ.α.) τόσο για το πλήρες όσο και για διάφορα βελτιστοποιημένα σύνολα δεδομένων. Μερικά από αυτά παρουσιάζονται και σχολιάζονται σε αυτή την μεταπτυχιακή εργασία. Πέρα από τα συνθετικά μοντέλα, για να αξιολογηθεί περαιτέρω η εφαρμοσιμότητα του αλγόριθμου έγινε απόπειρα μέτρησης με πείραμα στο εργαστήριο. Γι’ αυτό το λόγο κατασκευάστηκε μια δομή, ικανή να κρατάει σταθερά τα ηλεκτρόδια της γεώτρησης και τη επιφανείας. Αυτή η δομή εισάχθηκε σε δεξαμενή γεμάτη με νερό και στόχοι με διαφορετικές αναμενόμενες αντιστάσεις βυθίστηκαν και στερεώθηκαν ανάμεσα στα επιφανειακά ηλεκτρόδια και της γεώτρησης, για να εξακριβωθεί αν θα εντοπιζόταν από το παραγόμενο πρωτόκολλο. Τέλος, δόθηκε η δυνατότητα να πραγματοποιηθούν μετρήσεις και σε πραγματική έρευνα. Για λόγους συντήρησης, κάποιες γεωτρήσεις διανοίχθηκαν στους τοίχους του μνημείου της εκκλησίας της Ροτόντα  στην Θεσσαλονίκη, οπότε και ήταν εφικτή η διασκόπηση του εσωτερικού των τοίχων με την αξιοποίηση του εν λόγω αλγορίθμου. Παρόλα αυτά, μιας και ο βασικός σκοπός δεν ήταν καθαυτό η αξιολόγηση της κατάστασης του τοίχου, αλλά η επιβεβαίωση της λειτουργικότητας και χρησιμότητας του αλγορίθμου, μόνο μερικές από της μελετημένες γεωτρήσεις θα παρουσιαστούν σε αυτή την εργασία. Σε γενικές γραμμές, σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, ο αλγόριθμος είναι ικανός όχι μόνο να αναπαράγει την επιθυμητή γεωμετρία (γεώτρηση - επιφάνεια ή γεώτρηση - γεώτρηση), αλλά και να προσφέρει μια καλή εκτίμηση της υπό μελέτη περιοχής.