Radiotestová metoda a její aplikace ve speleologickém a geologickém výzkumu krasových oblastí

Radiotest-method and its application in speleological and geological investigations of karst areas

Vojtěch Gregor, Miloš Princ

(Časopis Moravského musea, Vědy přírodní / Acta Musei Moraviae, Scientiae naturales 61 (1976), str.53—96; 2 přílohy; Brno 1976)

Oddělení pro výzkum krasu, Moravské museum, Brno

Pracovní skupina TARCUS Komise pro studium fyzikálně chemických pochodů krasu (UIS)

 

 


Úvod

Speleologický výzkum krasových oblastí zaznamenal v období posledních šedesáti let řadu významných úspěchů v mnoha vědních oborech a disciplínách. Tyto úspěchy byly do značné míry podmíněny užitím moderních výzkumných metod. Ve speleologickém průzkumu, zaměřeném na praktické objevování povrchových a podzemních krasových forem, v krasové geologii, geomorfologii a hydrografii se významnou měrou uplatňují geofyzikální metody, zvláště při studiu přikrytého krasu. Aplikace metod užité geofyziky ve výzkumu krasu však není nová, pochází nejméně z počátku našeho století. Během vývoje teorie jednotlivých metod, metodiky měření a během pokusných praktických aplikací v krasových územích se však některé metody ukázaly jako méně, jiné jako více vhodné. Ke druhé z uvedených skupin náležejí metody gravimetrické, magnetické, ale především metody geoelektrické, jmenovitě metoda přirozených proudů, metoda ekvipotenciální, metoda spontánní polarizace, metoda odporová (elektrické odporové profilování a vertikální elektrické odporové sondování), metody elektromagnetické a metody vlnové, založené na principu a způsobech šíření elektromagnetického vlnění.

I když námětem předložené práce není vyčet geofyzikálních metod a jejich charakteristika ze speleologického hlediska, domníváme se, že z mnoha důvodů je vhodné stručně v historickém sledu připomenout geofyzikální prozkoumanost největšího krasového území Moravy – Moravského krasu. V této oblasti, která je z geofyzikálních aspektů patrně nejprozkoumanějším krasovým územím v Československu, nalezly různé geofyzikální metody široké pole působnosti.

Již v roce 1911 referoval Absolon (1911) o hydrofonoskopu, který F. Dienert v r. 1909 úspěšně použil k vyhledávání podzemních toků v krasových územích Francie. Podobného zařízení doporučoval K. Absolon použít i v Moravském krasu k experimentálnímu sledování podzemních toků. Ze zmínek v novější literatuře (Absolon 1970a, 1970b, poznámky mladších autorů ze Speleologického klubu) lze soudit, že hydrogeofonu bylo ojediněle použito na lokálních problémech; výsledky pokusů však nejsou autorům známy. S tématem předložené práce tato speciální geofyzikální metoda ale nesouvisí. V téže práci K. Absolon uvažuje také o metodách magnetických a geoelektrických.

Locker (1934) podává námět aplikovat v Moravském krasu geoelektrické metody, konkrétně metody elektromagnetické. Doporučuje uzavřít elektrický proudový okruh mezi Horním jezírkem v Macoše a ponorovou oblastí některé ze zdrojnic Punkvy ve Sloupě, v Holštejně a u Ostrova a měřičem intenzity elektromagnetických polí z povrchu vysledovat průběh neznámých podzemních toků (princip metody TURAM). Dále se jmenovaný autor zmiňuje, že tuto geoelektrickou metodu dal vyzkoušet již v r. 1929 K. Absolon mezi Macochou a vývěrem Punkvy do Pustého žlebu. Podrobnější zprávy o metodice a výsledcích tohoto výzkumu však neexistují.

V letech 1932—1936 pracoval v Moravském krasu V. Fritsch geoelektrickými, zejména vysokofrekvenčními elektromagnetickými (vlnovými) metodami. Předmětem výzkumu byly macošské a Punkevní jeskyně (Fritsch 1932, 1933, 1949, 1960) a oblast jeskyně Balcarka u Ostrova u Macochy (Fritsch 1935a, 1935b, 1949, 1960). V prvém případě použil speciální metody vysokofrekvenčního elektromagnetického prosvěcování (jindy metoda absorpce, útlumu), ve druhém případě tzv. kapacitní metody (vysokofrekvenční elektromagnetická metoda ekvivalentní kapacity). Resultáty měření byly potvrzeny prakticky – objevem nových jeskynních prostor. Některé práce tohoto autora úzce souvisejí s tématem naší práce a budou citovány i dále.

Ve snaze objevit podzemní toky Punkvy (Jalový 1949a) studovala tzv. Blanenská jeskynní skupina možnosti metod užité geofyziky ve speleologii (Jalový 1949b) a v r. 1946 provedla pokusná lokální gravimetrická a magnetická měření v severní části Moravského krasu, v Hedvábné, v blízkém okolí tzv. Jalového (Meiselova) závrtu severně od Macochy (Jalový 1950). Na podkladě výsledků měření skupina závrt otevřela a v hloubce 11 m narazila na volné jeskynní prostory. Objevitelský postup pracovníků org. Moravský kras Blansko v r. 1971 (Slezák 1973), kteří stávající prostory prolongovali a nalezli propasťovité, v dolní části vodami Punkvy zatopené jeskynní prostory celkového vertikálního rozsahu kolem 136 m, potvrdil výsledky zmíněného geofyzikálního měření: plošný výtěžek gravimetrie je v půdorysu dobře korelovatelný s faktickým průběhem podzemních prostor.

V r. 1956 bylo na Rudické plošině ve střední části Moravského krasu, v okolí obce Rudice, provedeno podrobné geoelektrické měření (Dvořák 1956). Účelem bylo ověřit mocnost pokryvných rudických vrstev – vyplní až 140 m hlubokých depresí pohřbeného fosilního tropického krasu rudického typu – jako surovinových zásob pro potřeby keramického průmyslu na Blanensku. Nevhodně zvolená metodika měření byla hlavní příčinou neúspěchu. Vcelku negativní výsledky zde přinesla i pozdější, shodně motivovaná měření, i když v detailech někde vysledovala skalní reliéf rudických depresí (interpretované výsledky jsou uloženy v archivu oddělení pro výzkum krasu Moravského musea).

V průběhu posledních patnácti let jsme zaznamenali značný rozmach geofyzikálního výzkumu Moravského krasu. Celá oblast byla pokryta základní gravimetrií a letecky provedeným regionálním magnetickým a radiometrickým měřením (Ibrmajer 1963). Tato měření souvisejí se základním geologickým výzkumem Moravského krasu a jeho okolí; k tektonické analýze území a k řešení speleologických problémů však nepřispívají.

V rámci nové etapy mnohaoborového speleologického výzkumu Moravského krasu realizovali pracovníci Geografického ústavu ČSAV v Brně ve spolupráci s n.p. Geofyzika Brno rozsáhlý geofyzikální výzkum severní části Moravského krasu, který v několika etapách proběhl v letech 1964—1971. Dílčí zprávy o výsledcích výzkumu vypracovali Daňko, Váca a Ryšavý (1966), Daňko a Blížkovský (1968) a Džuppa (1971); reinterpretaci výsledků provedl Hašek (1971a). Resultáty celé akce (gravimetrie, symetrického odporového profilování, VES a elektromagnetické metody TURAM) zpracovali Hašek a Štelcl (1972a, 1972b, 1973). Výsledky měření přispěly k řešení problému tektoniky území, k lokalizaci průběhu zkrasovělých pásem a měly i praktický dopad (Gregor 1974).

Řadu geoelektrických měření menšího rozsahu, která pomohla řešit lokální speleologické problémy, provedl v Moravském krasu V. Hašek. Připomínáme práce v ponorové oblasti Sloupského potoka a v oblasti závrtu C13 v Měšinách, na Harbešské plošině v okolí závrtu Společňák, dále u Holštejnské jeskyně, v Lažáneckém žlebu a v jižní části Moravského krasu. Zprávy o těchto výzkumech jsou uloženy v archívech n.p. Geofyzika Brno, Geografického ústavu ČSAV v Brně a Oddělení pro výzkum krasu Moravského musea. Publikovány byly jen některé výsledky (Hašek 1972, Hašek a Mayer 1973a, 1973b, 1973c).

Ze speciálních geofyzikálních metod byla v Moravském krasu vyzkoušena také lokační nízkofrekvenční elektromagnetická metoda v modifikaci ztraceného majáku. Touto metodou, která bude předmětem samostatné studie, pracovali v Moravském krasu již v r. 1966 speleologové P. Březovský a V. Gregor ve Sloupsko-Šošůvských jeskyních a v r. 1967 v Křížových jeskyních pod Kůlnou (Gregor 1975). V letech 1972 až 1973 jí užili pracovníci Hornického a Geografického ústavu ČSAV k upřesnění topografie Amatérské jeskyně v partii za sifonem Povodňové chodby, zvláště v blízkosti Macochy, Koňského spádu a Hlubokého závrtu (Hrdlička 1973). Ve světové speleologii bylo této metody použito již v r. 1956.

Dále, mimo radiotestové metody, použili autoři v Moravském krasu v ponorové oblasti Sloupského potoka, v horní části Pustého žlebu a v přilehlém terénu a ve speleologicky problematické partii Chobotu mezi Skleněnými dómy a Kateřinskou jeskyní ve smyslu V. Fritsche rozvíjené vysokofrekvenční elektromagnetické metody ekvivalentní kapacity. Ta, tak jako speciální metody k průzkumu vodních sifonů, bude předmětem zvláštního sdělení. Ve spolupráci s V. Haškem připravujeme pokusná měření metodou AFMAG a RADIOKIP, z nichž zvláště druhá je vhodná k tektonické analýze území.

Při větších (v Moravském krasu až 220 m) mocnostech karbonátového nadloží nad krasovými dutinami, ležícími často v několika etážích a labyrintickém průběhu, sledujícím tektonickou šablonu území, přinášejí klasické geofyzikální metody někdy těžko řešitelné problémy. Ty vyplývají např. z orientace a hustoty profilů nebo z interpretace zjištěných anomálií v členitém terénu při strmých svazích krasových žlebů nebo v terénu s neznámými mocnostmi a kvalitami pokryvů na zkrasovělé hornině. V takových případech je výhodné použít některou ze speciálních geoelektrických metod, např. zmíněnou vysokofrekvenční metodu ekvivalentní kapacity a zvláště pak metodu radiotestovou.

 

Úloha radiotestové metody ve výzkumu krasu

Radiotestová metoda je jedním ze speciálních příkladů aplikace vysokofrekvenční sdělovací techniky ve speleologickém a geologickém výzkumu krasových oblastí; náleží do oboru vlnových (elektromagnetických, vysokofrekvenčních) geofyzikálních metod. Sdružuje dva hlavní podobory – sdělovací a geofyzikální, které spolu svým principem těsně souvisejí.

První z oborů využívá všech způsobů šíření vysokofrekvenčního (vf) elmg. pole horninou: nosný vf kmitočet je modulován nízkofrekvenčním sdělovacím signálem. V některých případech lze tak navázat jedno- nebo oboustranné spojení mezi povrchem a podzemní dutinou, resp. mezi dvěma nebo více podzemními dutinami, a to jak ve směru vertikálním, tak i horizontálním. Oboustranné bezdrátové telefonní spojení je nutné ke koordinaci větších průzkumných akcí. Zajišťuje rychlý a spolehlivý přenos informací, organizačních pokynů, zpráv o průběhu akcí a současně se podílí na zajištění bezpečnosti účastníků akcí – např. ve vodních jeskyních přenosem hydrometeorologických zpráv a předpovědí. Do uvedeného oboru náleží také bezdrátový vf přenos informací samočinných elektronických měřících přístrojů (teploměrů, vlhkoměrů, limnigrafů, průtokoměrů aj.) z podzemních speleologických laboratoří na povrch, do přijímacího centra. V prvním případě používáme obvykle amplitudové nebo kmitočtové, ve druhém případě kmitočtové, fázové nebo pulsní kódové modulace nosného vf kmitočtu. Pokusy ve sdělovacím oboru, zčásti zaměřené i na speleologickou problematiku, konali v rozsahu dlouhých, středních, krátkých i velmi krátkých vln Joyce (1931), de Joly (1935), Doborzyński (1936a, 1936b, 1938), Burkhardt (1953), McGehee (1955), Gubser (1958), Andrieux a Brondy (1963), Zimic (1965), Pemble (1966), Webb (1970) aj. Zvláštní kapitolu této problematice věnovali Little a Lord (1969), kteří se zaměřili na technické a právní problémy bezdrátové telefonie mezi jeskyněmi a terénem a v jeskyních samých, z hlediska britských speleologů. V oboru pracují také autoři, kteří svůj příspěvek zpracují v samostatné studii.

V oboru geofyzikálním, který je předmětem předložené práce, lze radiotestové metody použít v zásadě ke dvěma účelům:

První modifikace je v principu metodicky a technicky zdokonalenou metodou vysokofrekvenčního elektromagnetického prosvěcování (jindy metoda absorpce, útlumu), tak jak ji definoval a použil Fritsch (1932, 1933, 1935, 1943, 1949, 1960).

Druhá modifikace je ve speleogeologii novem; metodu nezávisle vyvinuli a použili V. Gregor (1967—1975) a R. Burkhardt (1969—1972), referáty o principu a aplikacích metody podali Burkhardt a Nesrsta (1970), Burkhardt (1971), Gregor (1971, 1973a, 1973b, 1975), Burkhardt a Gregor (1974), Gregor a Princ (1975a, 1975b) a Gregor (1977).

Většina klasických geofyzikálních metod, používaných ve výzkumu krasu, náleží do skupiny metod povrchových. Radiotestová metoda patří mezi metody oboustranné a podzemní – napomáhá řešit speleogeologické problémy mezi jeskynními prostorami a povrchem a mezi jeskyněmi vzájemně.

 

Zákony šíření vysokofrekvenčního elektromagnetického pole v karbonátových horninách

Fyzikální procesy šíření vf elektromagnetického pole v horninách jsou velmi složité. Při studiu problematiky z hlediska aplikace radiotestové metody ve speleogeologii karbonátových hornin jsme použili všechna možná stávající řešení zvolených teoretických a praktických úloh: analytické matematické metody, fyzikální model a experiment. Ukázalo se, že experiment je hlavním východiskem k teoretickému i praktickému řešení problému. Základní teoretické poznatky jsme čerpali z moderních prací Fritsche (1960), Petrovského (1971) a Brechovskich (1973). Zde se omezujeme pouze na nejnutnější teoretický výklad, nutný k pochopení principu, ke správné aplikaci metody, ke správné metodice měření a interpretaci změřených parametrů.

Šíření vf elektromagnetického pole ve vodivém resp. quasivodivém prostředí nebo na hranici takového prostředí s jiným je definováno fyzikálními (elektromagnetickými) vlastnostmi tohoto (těchto) prostředí. Obecně lze říci, že v horninách je tlumeno daleko více než ve volném prostoru. Parametry šíření závisejí především na fyzikálních vlastnostech horniny (včetně vlastností pokryvných útvarů a jeskynních výplní) a na kmitočtu pole. Útlum vzrůstá se vzrůstající specifickou vodivostí horniny a se vzrůstající frekvencí pole. Fyzikální vlastnosti (tedy i specifická vodivost) horniny jsou ovlivněny jejím mineralogicko-petrografickým charakterem, chemickým složením, pórovitostí, obsahem vody a geologicko-tektonickou stavbou spolu se stupněm zkrasovění. Homogenní a izotropní prostředí, na které jsou vázány základní teoretické představy, není zde reálné: celky karbonátových hornin, často odlišného chemismu a petrografického složení, jsou tvořeny agregáty různých minerálů, akcesoriemi, jsou vrstevnaté a rozpukány různými systémy a druhy tektonických puklin s rozmanitou výplní. V teorii vf elektromagnetických metod je tedy uvedený pojem degradován na quasihomogenní a quasiizotropní prostředí, pokud parametry uvažovaného elektromagnetického pole konstantního kmitočtu v praxi s jistou danou přesností souhlasí s teoreticky vypočtenými hodnotami parametrů pole v homogenním a izotropním prostředí s danými elektrickými a magnetickými vlastnostmi. Ty popisují tři veličiny: elektrická vodivost σ=1/ϱ (ϱ – specifický odpor horniny – prostředí), dielektrická permitivita prostředí ε a magnetická permeabilita μ. Nejzávažnější úlohu v oboru vlnových metod hraje závislost těchto efektivních prametrů na kmitočtu pole f – tzv. kmitočtová disperze.

V Moravském krasu nebyly fyzikální vlastnosti vápenců (několikačlenné litologicky odlišné souvrství rozdílného chemismu), bazálních devonských klastik a podložních hornin Brněnské vyvřeliny, a mladších pokryvných útvarů prozatím systematicky studovány. Je známa pouze hustota světlešedých vilémovických vápenců ze severní části Moravského krasu, která podle densimetrie na 35 vzorcích je 2,776 ±0,004 g.cm−3 (Daňko, Ryšavý a Váca 1966). V poslední době zde s výzkumem fyzikálních a chemických parametrů hornin, pokryvných útvarů a jeskynních výplní začínají autoři v pracovní skupině TARCUS Komise pro studium fyzikálně chemických pochodů v krasu (UIS).

V rámci těchto prací (Gregor a Princ 1975c) jsme orientačním měřením na 75 vzorcích josefovských, lažáneckých a vilémovických vápenců ze střední a severní části Moravského krasu zjistili zde uváděnou průměrnou hodnotu dielektrické permitivity devonských vápenců Moravského krasu ε=9.ε0 [ε0=8,854.10−12 F.m−1]. Hodnotu magnetické permeability těchto vápenců klademe μ=μ0 [μ0=1,257.10−12 G.m−1].

Hodnoty měrných odporů hornin byly odvozeny převážně z terénních geoelektrických měření (odporové profilování, VES). Výsledky získané v Moravském krasu různými autory uvádějí v již citovaných pracech J. Daňko, P. Džuppa, dále Klablena a Fabík (1968) a Šafránek (1969). Podle výzkumu V. Haška (Hašek a Štelcl 1972b, 1973) jsou tyto hodnoty pouze přibližné, orientační. Proto byly revidovány a konfrontovány s výsledky, získanými při komplexním zpracování geoelektrických materiálů z jihozápadního úseku vnějších Karpat (Hašek 1971). Interpretované a použité hodnoty měrných odporů, zpracované podle údajů parametrických měření VES a EK-měření ve vrtech, jsou spolu s hodnotami zjištěnými v Moravském krasu uvedeny v tab.1:

 

Tabulka 1:

Stratigrafie – litologie EK-měření ϱ
[Ω.m]
Odporové měření ϱ
[Ω.m]
pokryvné útvary kvartér   7—100
jíly 3—25
terciér jíly, písky 15—45 3—40
štěrky 30—90 32—190
mezozoikum rudické vrstvy 140—320
kulm   slepence 200—1300
droby 150—300
břidlice 4—120 300
devon karbonáty nezkrasovělé 1500—15000
rozpukané 60—3800
mírně zkrasovělé 800—1500
intenzivně zkrasovělé 200—800
klastika   19—75 100—600
krystalinikum 11—2400 1000

 

Měrný odpor vápenců závisí na jejich rozpukání a intenzitě zkrasovění, na litologii a chemickém složení, na zvrstvení a úrovni podzemních krasových vod; pohybuje se v rozsahu 60—15000 Ω.m. Měrné odpory kulmských hornin kolísají od 4 do 1300 Ω.m, hodnoty ϱ litologicky značně odlišných rudických vrstev v intervalu 140 až 320 Ω.m. Terciérní a kvartérní sedimenty mají tyto měrné odpory: měrné odpory jílů jsou poměrně konstantní 3—25 Ω.m, jílovce s větším obsahem vápnité složky a písky dosahují hodnot 15—45 Ω.m. Měrný odpor štěrků se pohybuje v rozmezí 30—190 Ω.m, podle velikosti zrna, charakteru tekutiny vyplňující intergraduální póry, dále podle charakteru pojiva a stupně stmelení. Měrné odpory hlín jsou závislé na jejich složení, přítomnosti různých zrnitostních frakcí a na obsahu vody; pohybují se od 7 do 100 Ω.m. Elektrický odpor krasových vod zóny horizontální cirkulace je proměnný: na povrchové Bílé vodě u soutoku s Lipoveckým potokem byla zjištěna hodnota 75 Ω.m, před propadáním u Rasovny 100 Ω.m a u vývěru Punkvy pouze 45 Ω.m (Daňko, Ryšavý a Váca 1966).

Teoretická hodnota koeficientu útlumu šířícího se elektromagnetického pole v prostředí daných vlastností (pro elektrický dipól a šíření průnikem kompaktní, ve směru šíření výrazně nezvrstvenou a tektonicky nerozpukanou horninou) je dána vztahem:

 

/1/

 

kde:

 

Hodnoty ε, μ a ϱ jsou značně proměnné i v oboru karbonátů. Pro vápence obecně uvádí Petrovskij (1971) hodnoty εr=7,3—12,0 [platí ε=ε0r, ε0=8,854.10—12 F.m−1] a ϱ=60—4.105 Ω.m. Parametr μ bývá obvykle položen μ=μ0 [μ0=4π.10−7 G.m−1].

 

Ve volném prostředí, ve vzduchu (ε=ε0, μ=μ0, σ→0, k''→0, jsou kmitočet pole f0 a délka vlny λ svázány vztahem:

 

/2/

 

V obecném prostředí pak platí:

 

/3/

 

Tato závislost pro prostředí ε=9ε0, μ=μ0 a různé hodnoty ϱ (vápence devonu Moravského krasu) je graficky vyjádřena na obr.1a a 1b. Hloubku průniku (dosah), tzv. efektivní mocnost skin-vrstvy vyjádříme vztahem:

 

/4/

 

 

Obr.1a: Hodnoty koeficientu útlumu k" v quasihomogenním a quasiizotropním prostředí; ε=9.ε0, μ=μ0.

Obr.1b: Délka vlny v tomtéž prostředí; ε=9.ε0, μ=μ0.

Fig.1a: Values of the coefficient of attention k" in quasihomogeneous and quasiisotropic media; ε=9.ε0, μ=μ0.

Fig.1b: The wavelenght in the same medium; ε=9.ε0, μ=μ0.

a: ϱ=0,5, b: ϱ=1, c: ϱ=2, d: ϱ=5, e: ϱ=10, f: ϱ=20, g: ϱ=50, h: ϱ=125, i: ϱ=250, j: ϱ=500, k: ϱ=1000, l: ϱ=2000, m: ϱ=4000, n: ϱ=8000, o: ϱ=16000, p: ϱ=32000 [Ω.m].

 

 

Umístíme-li do podzemní krasové dutiny zdroj vf elektromagnetického pole, může k jeho přenosu do jiné dutiny nebo na povrch dojít přirozeně v zásadě třemi způsoby, které se obecně navzájem nevylučují:

1. Průnikem horninou.

Jak již uvedeno, je tento způsob šíření závislý na kmitočtu vf elektromagnetického pole a na stínícím účinku horniny (nadloží nad jeskyněmi včetně pokryvných útvarů), jehož hodnotu určují její fyzikální vlastnosti a mocnost. K fyzikálnímu popisu tohoto způsobu šíření lze použít vztahů /1/, /3/ a /4/.

V r. 1967 konali P. Březovský a V. Gregor v severní části Moravského krasu řadu pokusných měření se dvěma radiostanicemi shodného typu – transceivery vlastní konstrukce. K měření bylo použito nosného kmitočtu 3,7 MHz s možností přeladění obou stanic v rozsahu ±100 kHz od základního kmitočtu. Příkon koncových stupňů vysílačů byl max. 1,8 W. Přijímače v superheterodynovém zapojení se dvojím směšováním a s filtrem soustředěné selektivity měly citlivost lepší než 2,5 μV pro poměr signál/šum 10 dB při šíři propouštěného pásma max. 3,2 kHz a byly vybaveny S-metry. Konstrukce stanic umožňovala tři způsoby provozu – amplitudově modulovaným signálem (radiotelefonií), nemodulovaným signálem (nosnou vlnou) a SSB (provoz postranními pásmy s potlačenou nosnou vlnou). Obě stanice byly vybaveny prutovou teleskopickou anténou max. délky 2,2 m (vysílání) a anténou rámovou (příjem). S popsaným zařízením nebylo možno navázat spojení přes mocnosti vyšší než 30 m (provoz SSB), resp. 50—80 m (provoz nemodulovanou nosnou vlnou). Tento údaj je vztažen na devonské vápence s průměrným obsahem železa menším než 0,5 % (Gregor a Princ 1975c), poměrně kompaktní, bez výrazného zvrstvení a krasověním zdůrazněného rozpukání. Vzhledem k později získaným zkušenostem je zřejmé, že příčinou malého dosahu byla nevhodně zvolená metodika měření a nízká účinnost vyzařovacích anténních systémů.

Ve střední části Moravského krasu jsou k dispozici první poznatky o existenci víceméně dokonalého elektromagnetického stínění, způsobeného zrudněním v až 220 m mocném nadloží nad jeskyněmi podzemního Jedovnického potoka – přítomností limoniticko-hematitických rud přikrytého fosilního tropického krasu Rudické plošiny.

Tento způsob šíření je principem metody vf elektromagnetického prosvěcování; často je komplikován způsobem druhým a třetím. Radiové spojení mezi oddělenými jeskynními systémy nebo mezi jeskyní a povrchem může být za jistých okolností důkazem malé vzdálenosti obou systémů nebo důkazem existence dalších volných prostor mezi oběma známými.

2. Volnými jeskynními prostorami – dómy, chodbami, komíny, trativody apod. Těmi se vf elektromagnetické vlnění šíří přímočaře a odrazy od skalních stěn. U vysokých kmitočtů dochází během přenosové cesty k mnoha odrazům a k silné absorpci okolní horninou. V těsných chodbách jsou odrazy tak časté, že hodnota útlumu většinou přesáhne kritickou hodnotu a spojení na delší vzdálenosti nebo za ohyb chodby nelze navázat. Odrazem vf ektromagnetického vlnění dochází k jeho interferenci, tj. k mizení a vzrůstu intenzity vf signálu v různých bodech příjmu. Interferenční struktura pole je vyvolána současným dopadem vlny přímé a odražené nebo několika odražených s nejrůznější fází do bodu příjmu. Zatím co amplituda jednotlivých vln může být stejná, mění se podstatně jejich fázový úhel. Výsledné složené pole je vektorovým součtem všech komponent – signál v přijímači má místy nulovou hodnotu (rozdíl, různá fáze), jinde maximum větší než může vyvolat vlna přímá (součet, stejná fáze). Oblasti fluktuace signálu se stávají častější a výraznější s rostoucím nosným (sdělovacím) kmitočtem. K dalším složitostem v procesu šíření (Fresnelovy zóny) dochází, jsou-li geometrické rozměry prostor srovnatelné s délkou vlny použitého kmitočtu (Doluchanow 1956, Stránský 1956 a 1959).

V r. 1957 provedli pracovníci OKR v uhelných dolech experimenty s radiostanicemi typu RF-11, pracujícími na frekvenci cca 30 MHz (Adámek 1957). V přímé části překopů se dosah stanic, vybavených prutovými anténami, pohyboval v rozmezí 300—500 m; za touto hranicí se v přijímači projevil rychlý pokles intenzity vf signálu až k jeho úplnému zániku. Za krátkým úsekem spolehlivého spojení se objevila minima a maxima příjmu v intervalech asi 5 m (závislé na vlnové délce, tj. na použitém kmitočtu). Spojení za ohyb chodby bylo možné jen do vzdálenosti 20—60 m. Dosah spojení významnou měrou ovlivňovaly geometrické rozměry štol.

V září r. 1958 se pod vedením J. Fadrny uskutečnila zkouška s radiostanicemi typu A-7-B (36—40 MHz) ve Sloupsko-šošůvských jeskyních v Moravském krasu (obr.2). Oboustrané spojení pokrylo převážnou část turistického okruhu v horní etáži systému. Všech pět zúčastněných radiostanic – stanoviště u I. vchodu jeskyní, u Řezaného kamene, v Hlavním dómu u Stupňovité chodby, ve Stupňovité chodbě pod macošským žebřem, v Trámové chodbě, U třech velkých, u jícnu Černé propasti, v Brouškově síni u Svícnu a v Riegrově síni – navzájem korespondovalo ve slyšitelnosti 4—5 ve stupnici 0—5.

Z pokusů konaných v letech 1967—1968 ve Sloupsko-šošůvských jeskyních bylo úspěšné oboustranné spojení mezi stanovištěm situovaným u V. vchodu Sloupsko-šošůvských jeskyní (vchod za tzv. Brouškovým hotelem) a 550 m vzdáleným stanovištěm v Chodbě u Řezaného kamene, realizované již popsanými transceivery 3,7 MHz s teleskopickými, vertikálně polarizovanými anténami. Úspěch byl podmíněn vhodným nosným kmitočtem 3,7 MHz (pásmo 80 m) a značně lineárním průběhem této jeskynní partie, predisponované tektonikou směrů cca 30—50° (obr.2).

 

Obr.2: Výsledky radiotestů ve Sloupsko-šošůvských jeskyních v Moravském krasu. Zpracoval a sestrojil V. Gregor. I.—V. – vchody do jeskyní, 1—9 – stanoviště radiostanic A-7-B 38 MHz; A, B – stanoviště transceiverů 3,7 MHz; jednoduchým šrafováním je vyznačena zóna příjmu krytá stanicemi A-7-B 38 MHz; dvojitým šrafováním zóna příjmu krytá transceivery 3,7 MHz.

Fig.2: Results of radiotestes in the Sloupsko-šošůvské caves in the Moravian Karst. Compiled and constructed by V. Gregor. I.—V. – cave entrances, 1—9 – positions of radiostations A-7-B 38 MHz, A, B – positions of transceivers 3.7 MHz; simple hatching – the zone of reception covered by radiostations A-7-B 38 MHz, double hatching – the zone of reception convered by transceivers 3.7 MHz.

 

 

Tohoto způsobu šíření lze v řadě případů využít k vyhledávání a lokalizaci zakrytých (např. zassutěných) jeskynních vchodů, chodeb a povrchových ústí komínů (např. v závrtech). Také tento způsob šíření může být komplikován způsobem třetím.

3. Podél tektonických poruch – zkrasovělých puklin, tektonických linií a puklinových zón a podél zkrasovělých vrstevních spár. V tomto případě se jedná o šíření vf elektromagnetického pole na rozhraní dvou nebo více různých fyzikálních prostředí. K popisu tohoto způsobu šíření lze použít vztahů /10/ a /11/. Šíření vf elektromagnetického pole podél tektonických prvků v různém stupni zkrasovění a s různou výplní bylo autory mnohokráte experimentálně ověřeno přes karbonátové celky až 250—350 m mocné. Využití tohoto způsobu šíření má velký význam pro tektonickou analýzu krasového uzemí; blíže o něm pojednává druhá z následujících kapitol.

Poznámka: mimo uvedené tři základní způsoby šíření a jejich možné vzájemné kombinace může k přenosu vf signálu z povrchu do podzemí a naopak nebo z jedné podzemní krasové dutiny do druhé dojít také podél umělé přenosové cesty, zvláště podél souvislých kovových předmětů (telefonní linky, elektrické kabely, kolejnice, zábradlí apod.). Takový způsob přenosu je nutné vzít v úvahu při geofyzikálních měřeních v okolí např. turisticky zpřístupněných jeskyní s elektrickým osvětlením, s podzemní elektrickou dopravou a jinde. Zmíněného způsobu šíření využívají speciální vysokofrekvenční i nízkofrekvenční sdělovací systémy a zařízení, určená např. ke spojení mezi obsluhou vrátku a pracovníkem obsluhujícím těžní okov, dále ke spojení v dolech, na podzemní dráze – v metru atd.

 

Radiotestová metoda – modifikace č.1

Vysílač, umístěný v podzemní krasové dutině vyzařuje vf elektromagnetické pole, které se do místa příjmu (na povrch nebo do jiné dutiny) šíří také podél dráhy s – přímočaré spojnice bodů osazených vysílačem a přijímačem. Na počátku (v místě vysílače) a na konci (v místě příjmu) dráhy s měříme intenzitu pole E0 a E. S jistou přesností můžeme položit:

 

/5/

 

kde:

k'' je vyjádřeno vztahem /1/ a hodnota koeficientu α je závislá na vzdálenosti měřícího vysílače od přijímače; pohybuje se od α=3 (v blízkosti vysílače) do α=1 (vzdálený vysílač). Označíme-li poměr E/E0=Er, pak:

 

/6/

 

Dráha, podél které se šíří vf elektromagnetické vlnění v homogenním a izotropním prostředí je přímá, v nehomogenním a anizotropním prostředí může být velmi komplikovaná.

Způsob měření je poměrně jednoduchý. Měřící vysílač a přijímač jsou umístěny vně prosvěcovaného celku s předpokládanou hledanou podzemní dutinou (stanoviště na povrchu nebo na povrchu a v jiné známé jeskyni resp. ve dvou známých jeskyních).

 

 

Obr.3: Princip 1. modifikace radiotestové metody – metody vysokofrekvenčního elektromagnetického prosvěcování. TX – vysílač, RX – přijímač, C – podzemní krasová dutina.

Fig.3: Principle of the 1st radiotest modification – the method of high frequency electromagnetic sounding. TX – transmitter, RX – receiver, C – underground karst cavity.

 

 

Vf pole vysílače indukuje v přijímací anténě vf napětí (proud), odpovídající intenzitě pole E v bodě příjmu:

 

/7/

 

Teoretická hodnota intenzity pole E' v bodě příjmu (pro ve směru šíření quasihomogenní horninu) tedy bude (viz obr.3):

 

/8/

 

S touto hodnotou je možno sovnat skutečnou změřenou hodnotu intenzity vf elektromagnetického pole E'' v bodě příjmu. Jsou možné tři případy:

 

/9.1/

 

a hodnotou s2 je možno přibližně vyčíslit:

 

/9.2/

kde: E'r=E"/E0.

 

Precizní výpočet velikosti s2 v případě c) je možný pouze teoreticky, proto lze měření hodnotit jen rámcově. Obtíže také vznikají při vyčíslení velikosti dráhy s0, která není vždy totožná s přímkou – spojnicí vysílače a přijímače, zvláště ve vrstevnatých a tektonicky rozpukaných horninách. Tyto problémy lze řešit použitím měřícího zařízení s proměnným (přeladitelným) pracovním kmitočtem. Měřením mezi zvolenými, vysílačem a přijímačem osazenými body získáme tzv. radiogeologické křivky (Fritsch 1960). Z grafu (na osu x vynášíme délku vlny λ pracovního kmitočtu f0 a na osu y hodnotu E'r=E"/E0) můžeme činit závěry o elektromagnetických vlastnostech prosvěcovaného celku hornin, které často umožní vyšetřit jeho speleogeologický charakter. Touto metodou vf elektromagnetického prosvěcování pracoval Fritsch (1932, 1933), P. Březovský a autoři v Moravském krasu i jinde.

 

Radiotestová metoda – modifikace č.2

Princip této modifikace radiotestové metody vychází z experimentálně zjištěné a ověřené zkušenosti, že vf elektromagnetické pole vhodného kmitočtu se v karbonátových horninách šíří přednostně podél zkrasovělých tektonických poruch a puklinových zón, v řadě případů i podél puklin vyplněných např. tektonickou brekcií, primárním kalcitem, jíly, a podél tektonicky zdůrazněných a zkrasovělých vrstevních spár. Jedná se o velmi složité procesy šíření na rozhraní (na kontaktu) různých fyzikálních prostředí; s jistou přesností je lze aproximovat vztahy, popisujícími elektromagnetické pole resp. obecné vlnění ve vrstevnatých prostředích (Petrovskij 1971, Brechovskich 1973). Tento způsob šíření je závislý na geometrii a geologicko-morfologickém charakteru tektonických prvků, na mocnosti vyšetřovaného celku, na kmitočtu pole, na polarizaci elektromagnetického vlnění a úhlu jeho dopadu na rovinu prvku a na elektromagnetických vlastnostech μ, ε a ϱ všech zúčastněných prostředí. Vyšetřovaný způsob šíření je při vhodném kmitočtu jednoznačně odlišitelný od způsobů ostatních, zejména od šíření průnikem horninou (také ve změřených hodnotách E"). Hodnota koeficientu útlumu této přenosové cesty se liší od hodnoty k", vypočítané ze vztahu /1/ pro quasihomogenní, ve směru šíření tektonicky neporušenou horninu stejné mocnosti. Také efektivní mocnost skin-vrstvy β, pro obor vztahu /1/ vyjádřená vztahem /4/, je při stejné hodnotě intenzity pole v bodě E0 a E'' větší.

Na základě výsledků teoretických úvah a praktických experimentů na konkrétních objektech (velký počet srovnávacích měření na mocnostech 15—250 m devonských vápenců Moravského krasu známé geologicko-tektonické stavby, na vybraných kmitočtech v rozsahu 0,5—160 MHz) jsme krasověním postižené tektonické prvky empiricky klasifikovali aproximativními vztahy (platnými v prostředí 1 a 2):

 

/10.1/

 

/10.2/

 

leží-li rovina vlny v rovině sledovaného tektonického prvku nebo je-li s touto rovnoběžná a:

 

/10.3/

 

/10.4/

 

je-li rovina vlny k rovině sledovaného tektonického prvku kolmá.

Veličiny ϰ'01 a ϰ'02 nazýváme koeficienty odrazu; koeficienty průniku ϰ''01 a ϰ''02, které jsou jako předchozí veličinami bez fyzikálního rozměru (číslem), nelze srovnávat s jen obtížně definovatelným koeficientem útlumu přenosové cesty k''ef=F.(k''1,2ef). Faktor D je závislý na geologicko-morfologickém charakteru pukliny (puklinové zóny, tektonické linie resp. pásma) a jeho hodnota se pohybuje v rozmezí 0,90—1,10; ψ – úhel dopadu šířící se vlny na rovinu sledovaného prvku (závisí na polarizaci antény, na jejím tvaru a poloze vůči rovině tektonického prvku) a:

 

/11/

 

Poměrně snadno lze zjistit hodnotu magnetické permeability μ1,2 obou zúčastněných prostředí, kterou lze v řadě konkretních případů položit μ120=4π.10−7 G.m−1. Obtížnější je vyčíslit hodnotu dielektrické permitivity obou prostředí ε1,2ef, která je veličinou komplexní:

 

/12/

 

Nejvyšší hodnoty koeficientů průniku ϰ'' příslušejí zkrasovělým otevřeným puklinám a vrstevním spárám, nižší obvykle puklinám nebo spárám vyplněným např. primárním kalcitem (hrubě krystalické agregáty CaCO3), tektonickou brekcií, jíly apod. Zrudnění na puklinách lze pouze v teoretických resp. jen výjimečných případech srovnat s homogenním vodičem, jehož těleso může pro jisté kmitočty představovat kvalitní přenosovou cestu; v reálných případech však podél nich spojení navázat nelze. V praxi je nejčastějším případem obor vztahu /10.2/ (Gregor a Princ 1975b).

Touto metodou (Gregor 1973a, 1973b, Burkhardt a Gregor 1974, Gregor a Princ 1975a, 1975b), jejíchž možností jsme se v předcházejícím textu již dotkli, byla v krasových územích Moravy, zejména v Moravském krasu, vyřešena řada speleologických a geologických problémů, týkajících se průběhu význačných tektonických prvků, jejich vzájemného vztahu a závislosti na intenzitě zkrasovění (Burkhardt a Gregor 1974, Gregor 1975, Gregor 1977 aj.). Metodika měření a popisy některých terénních experimentů jsou uvedeny v následujících kapitolách.

 

Volba pracovních kmitočtů a anténní systémy

Volba pracovních (nosných) kmitočtů pro radiotestovou metodu je ovlivněna nejen podmínkami fyzikálními, ale také technickými (konstrukce zařízení a vyzařovacích anténních systémů), právními předpisy a povolovacími podmínkami ve smyslu Mezinárodního radiokomunikačního řádu a v neposlední řadě i možnostmi provozovatele.

Je obecně známo, že i poměrně hluboko v krasovém podzemí mohou být přijímány rozhlasové pořady na dlouhých vlnách, pod mělkým nadložím i na středních (Fritsch 1932, 1933, Doborzyński 1930, 1938, Burkhardt 1953, Gubser 1958 aj.). Z teoretických úvah a z pokusných měření na modelech a v terénu vyplývá, že optimální kmitočty ke spojení průnikem horninou leží v pásmu dlouhých vln (100—300 kHz) resp. i níže. Tak např. Little (in Lord 1969), popisuje telekomunikační zařízení pro speleology (vyzařovací a indukční systémy), pracující na kmitočtech okolo 50 kHz, 100 kHz a 160 kHz. Připomínáme, že nízkých frekvencí 1—10 kHz užívá lokační nízkofrekvenční elektromagnetická metoda, s kmitočty 10—100 kHz pracují geofyzikální elektromagnetické indukční rámové metody (Mašín a Válek 1963). Nízké frekvence a kmitočty pásma dlouhých vln však nejsou z mnoha důvodů vhodné pro radiotestovou metodu ve zde uvedeném smyslu; nedovolují rozlišit jednotlivé způsoby šíření a vedou k technickým obtížím při konstrukci elektronických zařízení a antén. Realizaci a provoz dlouhovlnných radiostanic k těmto účelům také vylučují právní a povolovací podmínky.

K měření v oboru první modifikace radiotestové metody používáme zařízení pracující v pásmu středních a v dolní části rozsahu krátkých vln, tj. kmitočtů 0,5—7,5 MHz resp. 0,5—10,0 MHz, jen výjimečně i vyšších – do 20 MHz. Pracovní kmitočty vysílačů 0,5 – 1,0 – 2,5 – 3,5 – 5,0 – 7,5 – 10,0 – 15,0 – 20,0 MHz jsou pevně nastaveny křemennými krystaly.

K měření v oboru druhé modifikace radiotestové metody používáme zařízení pracující v rozsahu krátkých a v dolní části rozsahu velmi krátkých vln, tj. kmitočtů 10—80 MHz, v některých případech i vyšších – do 160 MHz. Pracovní kmitočty vysílačů leží obvykle okolo 10,0 – 15,0 – 20,0 – 25,0 – 30,0 MHz a dále v pásmu 33—35 MHz, 44—46 MHz, 73—84 MHz a 146—174 MHz. Tyto kmitočty dovolují vzájemně rozlišit ve třetí kapitole uvedené způsoby šíření vf elektromagnetického pole, zvláště šíření podél tektonických prvků od šíření průnikem horninou: při větších mocnostech karbonátů jsou kmitočty rozsahu krátkých a velmi krátkých vln při průniku ve směru šíření tektonicky neporušenou horninou prakticky zcela utlumeny (odstíněny).

Výběrem pracovních kmitočtů jsou předloženy problémy řešení a technické konstrukce vyzařovacích anténních systémů. V praxi je většinou nutné řešit je kompromisem mezi účinností antény a jejími geometrickými rozměry, zvláště na nižších kmitočtech. Krátký unipólový zářič je v dolní a střední části rozsahu krátkých vln z hlediska dosažené účinnosti nejméně vhodný, v jeskyních však z technických důvodů nejčastěji používaný. Radiostanice vybavená prutovou anténou délky 1 m je schopna na frekvenci 30 MHz vyzařovat asi 1/10 vf výkonu vysílače, na kmitočtu 3,5 MHz však pouze 1/100—1/500 vf výkonu. Anténa, schopná vyzářit maximum přivedeného vf výkonu vysílače, teoreticky 40—60 %, by musela mít elektrickou délku λ/4 – unipól nebo λ/2 – dipól. Pro kmitočet 30 MHz je tato délka 2,5 (5) m, pro 10 MHz 7,5 (15) m, pro 3,5 MHz 21,5 (43) m a pro 0,5 MHz již 150 (300) m. Dlouhodrátové antény do 45 m lze v jeskyních použít jen výjimečně, delší jsou zpravidla vyloučeny.

Pracujeme-li s rámovými anténami, je na obtíž jejich malá efektivní výška, udávaná vztahem:

 

/13/

kde:

 

Plocha rámové antény je omezena rozměry jeskynních prostor; efektivní výška rámu s plochou 1 m2 při n=3 a λ=80 m (3,75 MHz) je cca 0,12 m.

Nutnou a přirozenou potřebou radiokomunikačního provozu ve volném terénu je všesměrová vyzařovací charakteristika antén základnových a pohyblivých radiostanic v horizontální rovině. Proto se používá pouze vertikální polarizace antén. Ta na kmitočtech horní části krátkovlnného a dolní části rozsahu velmi krátkých vln umožňuje jednoduchou konstrukci antén ve tvaru vertikálních zářičů – tyčových, prutových a bičových (svazkových) antén. V oboru radiotestové metody je však třeba i horizontálně polarizovaných antén – požadavek je odůvodněn potřebou všesměrové vyzařovací charakteristiky antény ve vertikální rovině. Antény s horizontální polarizací jsou konstrukčně složitější a zaujímají větší prostor v horizontální rovině: obvykle je řešíme jako závěsné. Otázky polarizace antén, jejich vzájemné polohy a polohy vůči sledovaným tektonickým prvkům jsou řešeny v následující metodické kapitole.

V oboru první modifikace radiotestové metody používáme na straně vysílače horizontálních unipólových zářičů elektrické délky λ/4, geometrické délky 5,5—45 m, které jsou konstruovány jako výměnné (pro jednotlivé pracovní kmitočty) nebo jako širokopásmové. Na vyšších kmitočtech 10—20 MHz lze použít tyčových teleskopických antén geometrické délky do 5,5 m. Elektrickou délku a tím i účinnost krátkých zářičů lze mírně zvýšit vložením vhodné indukčnosti (cívky, která sama nevyzařuje) do středu zářiče. Na straně přijímače používáme směrových rámových antén s osmičkovou vyzařovací charakteristikou v rovině kolmé k rovině (ploše) rámu.

V oboru druhé modifikace radiotestové metody používáme u vysílačů unipólových zářičů elektrické délky λ/4 – obvykle prutových teleskopických nebo bičových (svazkových) antén max. geometrické délky 2,5 m, někdy opatřených protiváhou. Přijímače jsou vybaveny směrovou kruhovou rámovou anténou s osmičkovým vyzařovacím diagramem v rovině kolmé na rovinu rámu (obr.4). V případě potřeby lze rám kombinovat s prutovou teleskopickou anténou max. délky 2,5 m, takže celý systém má v uvedené rovině vyzařovací charakteristiku ve tvaru cardioidy (obr.4). Prutová anténa může pracovat také samostatně. Ve výbavě zařízení jsou také závěsné antény max. geometrické délky 7,5 m – lze je situovat jako horizontální nebo vertikální zářiče.

V oboru obou modifikací radiotestové metody je nutno mít na zřeteli požadavek všesměrové vyzařovací charakteristiky antény vysílače v rovině kolmé na delší osu zářiče (vertikální nebo horizontální) a směrového vyzařovacího diagramu antény přijímače v rovině kolmé na rovinu vyzařovacího systému – na plochu rámu.

Ve zvláštních případech, kdy je nutné přistoupit k podrobnější analýze vyšetřovaného vf elektromagnetického pole, používáme k měření horizontální a vertikální složky pole pohyblivé soustavy zkřížených rámů, která je umístěna na stativu s měřící radiostanicí.

 

Obr.4: Vyzařovací diagramy antén. 1 – vyzařovací charakteristika (všesměrová) krátkého unipólu v rovině kolmé k jeho dlouhé ose, 2 – vyzařovací charakteristika (osmičková) kruhového rámu v rovině kolmé na jeho plochu, 3 – vyzařovací charakteristika (cardioida) kombinovaného systému rám/krátký unipól v rovině kolmé k ploše rámu a dlouhé ose unipólu, při rovnosti vysokofrekvenčního napětí obou elementů systému – UR=UP, 4 a 5 – vyzařovací charakteristika (všesměrová a osmičková) uvedeného kombinovaného systému v rovině kolmé k ploše rámu a dlouhé ose unipólu, při rozdílném vysokofrekvenčním napětí obou elementů systému – UR<UP a UR>UP.

Fig.4: Radiation diagrams of antennas. 1 – radiation diagram (omnidirectional) of a short unipole in a plane perpendicular to its long axis, 2 – radiation diagram (eight-shaped) of a circular loop in a plane perpendicular to its surface area, 3 – radiation diagram (cardiode) of a combined array loop/short unipole in a plane perpendicular to the surface of the loop and to the long axis of the unipole (for equal h.f. voltage of both elements UR=UP), 4 and 5 – radiation diagram (omnidirectional and eight-shaped) of the combined array in a plane perpendicular to the plane of the loop and the long axis of the unipole (for different h.f. voltage of both elements UR<UP and UR>UP).

 

 

Metodika měření a interpretace výsledků radiotestové metody

Metodika měření (radiotestů) má svoji základní osnovu, platnou pro obě modifikace metody. Z předchozího výkladu však vyplývá, že prováděcí postup je pro jednotlivé modifikace částečně odlišný. Již v úvodu podotýkáme, že projektovat, provádět, vyhodnotit a interpretovat radiotesty často v členitém terénu nad rozsáhlými jeskynními labyrinty je otázkou znalosti místní speleologické problematiky, geologické situace a také otázkou jisté praxe a zkušeností, získaných velkým počtem srovnávacích měření na známých objektech.

Předpokladem pro aplikaci obou modifikací radiotestové metody je v přehledném i podrobnějším měřítku proveden speleotopografický plán známých jeskyní ve vyšetřované oblasti, vynesený do vrstevnicové topografie terénu. K přesné lokalizaci jeskynního systému do topografie povrchu lze použít lokační nízkofrekvenční elektromagnetické metody. Dalším předpokladem je podrobný geologicko-tektonický plán vyšetřované oblasti – známých jeskyní a povrchových výchozů – skreslený do plánu topografického, na překrývající průsvitku. V plánu jsou dokumentovány úložné poměry karbonátů zkoumaného celku (směr a sklon vrstev) a jeho tektonika (směry, úklony a charakter výplní zlomů, puklin a puklinových zón). Autorům se osvědčilo do topografie terénu vynést také předpokládané povrchové průměty v podzemí dokumentovaných tektonických prvků, otevřené a předpokládané zakryté jeskynní vchody a povrchová ústí komínů, dále závrty a další tektonicky predisponované povrchové krasové formy.

V oboru 1. modifikace radiotestové metody skýtá geologicko-tektonický plán představu o úloze tektoniky a úložných poměrů horniny v procesu vf elektromagnetického prosvěcování. V oboru 2. modifikace metody je obraz o tektonické situaci v podzemí, jejíž povrchovou projekci v závislosti na mocnosti nadloží a intenzitě zkrasovění jednotlivých elementů a v závislosti na charakteru výplní puklin v terénu měřené anomálie (zóny příjmu, poslechu) zpravidla směrově kopírují, nutný k představám o dalším průběhu tektonicky predisponovaných, speleologicky neznámých jeskynních prolongací.

 

Obr.5: Vysokofrekvenční elektromagnetigké prosvěcování. Volba fixních bodů 1—n, 1'—n'. Intenzita vf elektromagnetického pole téhož vysílače může být na různých pracovních kmitočtech různá – E0 měříme na každém kmitočtu ve všech vyšetřovaných bodech.

Fig.5: High frequency electromagnetic sounding. Selection of fixed points 1—n, 1'—n'. The intensity of the h.f. electromagnetic field of the same transmitter can be different at different frequencis – E0 is measured for each frequency at all transmitting points.

 

 

Vlastní metodika měření v oboru 1. modifikace radiotestové metody je dostatečně podána v citovaných pracech (Fritsch 1932, 1933, 1934a, 1934b, 1934c, 1943, 1949, 1960) a těsně souvisí s vyloženým principem metody. Na základě speleogeologické úvahy zvolíme ve známých jeskynních prostorách resp. v terénu na povrchu fixní body, které postupně, podle vypracovaného časového plánu, osazujeme měřícími radiostanicemi 0,5—10 MHz resp. 0,5—20 MHz. Každý z bodů proměříme oboustranně proti všem ostatním zbývajícím (obr.5) modulovaným resp. nemodulovaným nosným, na jednotlivých rozsazích pevně nastaveným kmitočtem. Během jednoho cyklu měření nelze měnit vf výkon vysílače. Po kontrole oboustranného spojení pracujeme na straně přijímače s pohyblivou směrovou rámovou anténou; směr a úhel sklonu antény a intenzitu E'' vf elektromagnetického pole v bodě příjmu – její hodnotě úměrnou intenzitu vf signálu odečtenou na S-metru při zvolené vstupní citlivosti přijímače – zapisujeme do předem připravených tabulek, a pak vynášíme do grafu v pravoúhlých souřadnicích. Ve smyslu vztahů /1/, /4/, /8/ a /9.1,2/ je, jak již řečeno, interpretace výsledků otázkou zkušeností, plynoucích z řady srovnávacích měření.

Vývoj metodiky radiotestových měření v oboru 2. modifikace metody není ještě zcela ukončen. Praktické experimenty ukazují, že interpretace výsledků měření je závislá na speleogeologické situaci v jednotlivých konkrétních problémech. Četná měření ukázala, že tvar na povrchu vymezené anomálie (zóny příjmu, poslechu) obvykle směrově kopíruje v podzemí mapované dominantní zkrasovělé tektonické prvky a závisí na jejich geometrii (směr a sklon), na geologických vlastnostech (intenzita zkrasovění, charakter výplně), dále na mocnosti karbonátového nadloží nad jeskyněmi, na charakteru a mocnosti pokryvných útvarů, na pracovním kmitočtu a na polarizaci antén, jejich vzájemné poloze a poloze vůči rovině sledovaného tektonického prvku. Ve většině případů se plocha zóny příjmu zmenšuje se vzrůstající mocností nadloží nad jeskyněmi a se vzrůstajícím nosným kmitočtem.

Vlastní metodika měření je velmi jednoduchá. Popisujeme ji na nejčastějším příkladě měření z podzemí na povrch. V podzemí odkrytý, fyzicky dostupný a na povrchu přikrytý, morfologicky nevýrazný, hledaný tektonický prvek v podzemí osadíme vysílačem, pracujícím na zvolených kmitočtech v rozsahu 10—84 MHz, vyzařujícím nemodulovaný nosný kmitočet nebo kmitočtově resp. amplitudově modulovaný konstantní vf signál. Zónu příjmu na povrchu zaměřujeme přijímačem s prutovou, bičovou resp. směrovou rámovou anténou v konstantní výšce ca 1,0—1,5 m nad terénem.

Radiotesty v ponorové oblasti Sloupského potoka (Gregor 1971, Burkhardt a Gregor 1974), v oblasti Neselova u Sloupu (Gregor 1977), Novoroční jeskyně v horní části Pustého žlebu, v Ochozské jeskyni v Moravském krasu a na Stránské skále u Brna (Burkhardt a Gregor 1974) ukázaly, že při malých hloubkách jeskyní pod povrchem (situace komplikovaná 1. a někdy i 2. způsobem šíření) se získá plošně velmi rozsáhlá anomálie, v tomto stavu málo použitelná ke sledování speleogeologické situace. Tak radiotest s občanskou radiostanicí Tesla VKP 050 (27,120 MHz), umístěnou v trativodech Propástky III. vchodu do Sloupsko-šošůvských jeskyní v hloubce ca 10—15 m pod povrchem poskytl v terénu zónu příjmu do okruhu většího než 85 m (kombinace všech tří způsobů šíření). Tak jako v jiných případech i zde bylo možno vymezit maxima příjmu, vázaná na projekce zkrasovělých puklin směrů 30—50° a 110—140° a na kvartérem přikryté jícny ponorů Sloupského potoka jednak použitím vyšších pracovních kmitočtů 33,650 MHz, 78,650 MHz a 156,250 MHz, jednak (na kmitočtu 27,120 MHz) náhradou povrchové stanice VKP 050 speciálně konstruovaným měřičem intenzity vf elektromagnetických polí se směrovou rámovou anténou a ruční regulací vf citlivosti. Výsledky radiotestů v Amatérské jeskyni, v Punkevních jeskyních a v Býčí skále (mocnost nadloží 100—200 m) naopak dokazují, že i na nižších kmitočtech (13,560 MHz, 27,120 MHz, 33,650 MHz) lze nad povrchovou projekcí tektonických prvků vymezit úzkou, směrově jednoznačně orientovanou zónu příjmu, na křížení puklinových zón někdy téměř bodovou. Z dosud provedených měření soudíme, že povrchová zóna příjmu bývá situována ve směru úklonu tektonického prvku (obr.6).

 

Obr.6: Situace zóny příjmu na povrchu vůči orientaci tektonického prvku. 1 – směr a sklon mapovaného tektonického prvku v podzemí, 2 – skutečná, resp. předpokládaná povrchová projekce téhož prvku, 3 – zóna příjmu na povrchu, 4 – zúžená zóna příjmu na povrchu s maximem příjmu, 5 a 6 – směr a sklon krátkých unipólových antén měřících radiostanic.

Fig.6: The zone of reception on the surface with regard to the orientation of the tectonic element. 1 – direction and inclination of the underground tectonic element, 2 – real or assumed surface projection of the same element, 3 – the zone of reception on the surface, 4 – narrowed zone of reception on a surface with maximum reception, 5 and 6 – direction and inclination of short unipole antennas of measuring radiostations.

 

 

Jak jsme již uvedli, je 2. modifikace radiotestové metody vhodná nejen ke sledování tektonické situace nad známými jeskynními systémy a k vyhledávání tektonicky predisponovaných lokálních, byť i významných komunikací. Metodou lze vyhledávat i dosud neznámé, tektonicky predisponované prolongace jeskyní a sledovat vzájemný vztah zkrasovělých tektonických linií, jejichž styk je situován mimo známé jeskyně. To je možné díky skutečnosti, že vf elektromagnetické pole vhodného kmitočtu se za jistých okolností šíří podél tektonického prvku ve všech směrech jeho roviny – puklinové nebo vrstevní plochy lze tedy i v terénu s pokryvnými útvary na karbonátové hornině uvedeným způsobem sledovat tektonicky predisponované zóny zkrasovění (zkrasovělá tektonická pásma) často na značnou vzdálenost (Gregor 1975, Gregor 1977). V případech, kdy se ve zkoumané oblasti stýká více významných zkrasovělých tektonických prvků, uplatňuje se v procesu 3. způsobu šíření prvek (zóna) nejvíce zkrasovělý – směr protažení anomálie se často mění (Gregor 1975).

Vzhledem k fyzikálnímu charakteru elektromagnetického pole antény (ve výkladu uvažovány krátké unipóly s všesměrovou vyzařovací charakteristikou v rovině kolmé k delší ose zářiče) je v oboru radiotestové metody důležitá polarizace antén měřících radiostanic (vysílače a přijímače), jejich vzájemná poloha a poloha vzhledem ke geometrii přenosové cesty, tj. k delší ose jeskynních chodeb, k rovině vrstevní plochy a k rovině sledovaného tektonického prvku – např. k rovině puklinové plochy. Z praxe víme, že v mnohých bodech zdánlivého minima lze příjem zlepšit pootočením krátkého zářiče o jistý úhel, např. o 90°, z vertikální roviny do horizontální nebo naopak.

Při měření v oboru 1. modifikace radiotestové metody – v oboru metody vf elektromagnetického prosvěcování – (šíření průnikem horninou) volíme polarizaci antén vzhledem ke geometrii spojnice vysílače a přijímače, u obou vždy shodně. Na straně přijímače je však výhodnější pohyblivá směrová rámová anténa resp. pohyblivá soustava dvou zkřížených rámů.

Také při vyšetřování parametrů šíření vf elektromagnetického vlnění volnými jeskynními prostorami (2. způsob šíření) je volba polarizace antén ovlivněna vzájemnou polohou měřících radiostanic vzhledem k delší ose přenosové cesty; pokud jsou vysílač i přijímač vybaveny unipóly, doporučujeme tyto shodně orientovat kolmo na delší osu přenosové cesty, ležící v rovině podélného řezu.

V oboru 2. modifikace radiotestové metody (3. způsob šíření) existují dva pohledy, vyplývající ze vztahů /10.1//10.4/ a z praktických pokusů. V případě vyšetřování povrchové projekce tektonických prvků nad známým jeskynním systémem je účelné používat shodně polarizovaných antén (volba polarizace je závislá na poloze měřících radiostanic), jejichž dlouhá osa leží v rovině vyšetřovaného prvku. Při sledování speleologicky neznámých, tektonicky predisponovaných prolongací za známým zakončením jeskyně, neznámého průběhu zkrasovělých tektonických pásem a vzájemného vztahu zkrasovělých tektonických linií, jejichž zakrytý průběh a styk je situován mimo známé a přístupné lokality, orientujeme dlouhou osu krátkého unipólu obvykle kolmo k rovině (ploše) studovaného prvku. U dlouhých závěsných antén je situace analogická. Použijeme-li u přijímačů směrových (rámových) antén, je nutno přihlédnout k typu a vyzařovacímu diagramu antény, různému v různých uvažovaných rovinách. Také v oboru 2. modifikace radiotestové metody se v některých případech (k měření vertikální a horizontální složky pole) ukázala účelná pohyblivá soustava dvou zkřížených rámů.

V páté kapitole textu jsme uvedli, že při matematickém hodnocení procesu šíření vf elektromagnetického pole podél tektonických prvků bývá obtížné vyčíslit efektivní hodnotu dielektrické permitivity obou zúčastněných prostředí ε1,2ef. V praxi používáme vztahu:

 

/14/

 

V mnoha případech (jeskyně situované nehluboko pod povrchem, v půdorysu ne příliš složitého průběhu, jeskyně s více vchody apod.) mohou být výsledky měření postiženy chybou, vzniklou komplikací 2. způsobu šíření, kdy vf signál proniká z jeskyně na povrch otevřenými komunikacemi. V takových případech je nutné realizovat povrchový radiotest – vyšetřit tvar a intenzitu zóny příjmu, vázané na obvykle vertikálně polarizovanou anténu vysílače, umístěného ve vchodu (ve vchodech) studovaného systému, a její vztah k reliéfu terénu. Výsledky jsou přehledné v tzv. povrchové radiomapě (obr.7), kterou např. v prostoru hlavního vchodu do Ochozské jeskyně a do Býčí skály vyměřili Burkhardt a Nesrsta (1970). Tato měření souvisejí s oborem geoelektrických metod, využívajících zákonů šíření vf elektromagnetického pole zemského povrchu (Fritsch 1960). V průběhu některých experimentů autoři použili umělého stínění – uzeměného hustého měděného pletiva – v jeskynních vchodech s malou světlostí.

 

Obr.7: Ukázka povrchové radiomapy. 1 – jeskynní vchody, stanoviště radiostanice, 2 – údolní síť, 3 – skalní stěny, 4 – závrty, 5 a 6 – povrchové zóny příjmu, vázané na vysílač postupně umísťovaný v obou vchodech jeskyně.

Fig.7: An example of a surface radiomap. 1 – cave entrances, positions of radiostations, 2 – valley pattern, 3 – rock walls, 4 – sinks, 5 and 6 – surface zones of reception for transmitter successively placed at both entrances to the cave.

 

 

Organizační problémy radiotestů (jednotný čas, systém skedů, přepínání pracovních kmitočtů, definice polohy stanoviště a polohy antén při jedno- i oboustranném spojení, druh a způsob provozu popř. i systém retranslace) závisejí na charakteru a náročnosti měření a na zkušenostech provádějících pracovníků. Další metodické pokyny k měření a jeho interpretaci vyplývají z konkrétních úloh, uvedených ve druhé z následujících kapitol.

 

Přístrojová technika

Požadavky, které radiotestová metoda klade na přístrojovou techniku, nedovolují pojímat koncepci měřícího zařízení univerzálně, nýbrž specificky s ohledem na jednotlivé modifikace metody. Pomineme-li obtíže spojené s návrhem a konstrukcí vyzařovacích anténních systémů a právní předpisy omezující zřizování a provoz radiostanic, jsou na měřící zařízení kladeny tyto obecné požadavky:

K vlastnímu měření (radiotestu) používáme obvykle nemodulovaného nosného kmitočtu (provoz A1, přijímač vybaven záznějovým oscilátorem BFO) nebo vf signálu – amplitudově (AM, A3) nebo kmitočtově (FM, F3) modulovaného nosného kmitočtu. Provoz amplitudově modulovaným signálem s omezenou nebo potlačenou vlnou, jedním postranním pásmem (SSB, A3J, A3A) je pro dané účely nejméně vhodný resp. zcela nevhodný.

Měřící radiostanice pro obor 1. modifikace radiotestové metody je nutno specielně konstruovat. V oboru 2.modifikace metody lze za jistých okolností použít i komerčních radiostanic, např. výrobků fy Tesla – VKP 050, VXW 010 (020), VXW 100 (200) a VXN 101 (202). Jejich technická data, schémata zařízení, popisy a návody k obsluze a údržbě jsou publikovány ve firemní dokumentaci, zčásti také v časopisu Amatérské radio (4/1966) a v práci Milenovského a Studničky (1970). Následující krátká charakteristika je hodnotí pouze z hlediska potřeb 2. modifikace radiotestové metody.

VKP 050 – velmi jednoduchá, plně tranzistorovaná občanská radiostanice, pracující amplitudovou modulací na jediném, krystalem pevně nastaveném kmitočtu v okolí 27 MHz. Stanice je vybavena krátkou prutovou teleskopickou anténou. Nemá zdroj konstantního nf modulačního kmitočtu a obvod automatického vyrovnávání vf citlivosti přijímače. Nízký vf výkon vysílače cca 0,04 W a druhá z předchozích uvedených vlastností jsou vhodné k radiotestům v jeskyních ležících v malé hloubce pod povrchem. Tyto testy mají však pouze orientační charakter. Stanice lze vybavit externím (příložným) generátorem nízkofrekvenčního modulačního signálu (tranzistorovaný bzučák) – zásahy do zapojení stanic nejsou přípustné – a doplnit externím měřičem intenzity vf elektromagnetických polí. Pro tyto výrobky hovoří jejich poměrně dobrá finanční a právní dostupnost.

VXW 010 – plně tranzistorovaná kapesní radiostanice, pracující na jediném, krystalem pevně nastaveném kmitočtu v některém z pásem 33—35 MHz, 44—46 MHz, 73—78 MHz, 78—84 MHz, výjimečně i 146—174 MHz. Vysílač má vf výkon 0,1 W. Kmitočtová modulace zaručuje dokonalou srozumitelnost spojení i na větší vzdálenosti (3 až 5 km) ke stanici stejného typu ve volném, rovném terénu. Stanice je vybavena bičovou (svazkovou) anténou a krátkou závěsnou anténou, generátorem konstantního nf modulačního kmitočtu pro signalizaci, kterého lze použít pro radiotest, a sluchátkem. Nevýhodou této stanice, tak jako všech následujících, se kterými může korespondovat, je obvod automatického vyrovnávání vf citlivosti přijímače. Pro účely radiotestové metody je stanici nutno doplnit externím měřičem intenzity vf elektromagnetických polí s ruční regulací vf citlivosti. Je vhodná k radiotestům v jeskyních ležících ve větší hloubce pod povrchem. Ke zřízení a provozu této radiostanice (stejně tak pro další následující) je nutné povolení inspektorátu radiokomunikací, operatér musí vlastnit platné vysvědčení o radiotelefonní operatérské zkoušce.

VXW 100 – vysoce kvalitní, plně tranzistorovaná přenosná vícekanálová radiostanice pracující frekvenční modulací na zvolených, krystaly pevně nastavených kmitočtech v některém z výše uvedených VKV – pásem (viz u VXW 010). Vf výkon vysílače je 1 W. Tak jako předchozí je i tato radiostanice vybavena generátorem nf modulačního kmitočtu, bičovou a závěsnou anténou. Spolu s doplňkem – měřičem intenzity vf elektromagnetických polí – lze těchto stanic použít k náročným radiotestům v jeskyních, ležících hluboko pod povrchem.

VXN 101 – tranzistorovaná vozidlová vícekanálová radiostanice s elektronkovým koncovým stupněm. Na krystaly pevně nastavených zvolených kmitočtech daného pásma může FM korespondovat se všemi uvedenými typy vyjma VKP 050. Vf výkon vysílače 10 W zaručuje dosah ke stanici stejného typu 10—30 km podle povahy terénu, někdy i více. Spolu se zmíněnými doplňky lze stanice použít ve větších a snadno přístupných jeskyních a v elektrifikovaných jeskyních k náročným radiotestům přes velké mocnosti karbonátů.

 

Obr.8: Principiální schéma měřiče intenzity vf elektromagnetických polí, doplňku k CS-radiostanicím TESLA, typu VXW/VXN 33—35 MHz. Vývoj a konstrukce autoři. Měřič je zachycen na fotografiích 1 a 2.

Fig.8: Principal diagram of intensity meter of high frequency electromagnetic field, a complement to CS radiostations TESLA, type VXW/VXN 33—35 MHz. Developed and designed by the authors. The meter is shown on the photographs (1 and 2).

 

 

Stabilita pracovních (nosných) kmitočtů těchto radiostanic je zcela uspokojivá (10−5 v rozmezí teplot −45 °C až −55 °C), vhodné jsou i vf výkony vysílačů 0,1 W, 1 W a 10 W a řada dalších technických parametrů včetně mechanické konstrukce, rozměrů a váhy. Stanice jsou však určeny pro běžnou komunikaci ve volném terénu a je tedy samozřejmé, že nejsou vybaveny ruční regulací vf citlivosti přijímačů (která je u typu VXW 010 ca 1 μV a u typu VXW 100 ca 0,7 μV při odstupu s/š 10 dB) a ručkovým měřičem intenzity vf signálu (S-metr).

Z těchto důvodů autoři vyvinuli a zkonstruovali doplněk ke stanicím řady VXW/N v pásmu 33—35 MHz – plně tranzistorovaný měřič intenzity vf elektromagnetických polí, používaný, k měření v oboru 2. modifikace radiotestové metody. Zjednodušené principielní schéma měřiče je na obr.8, pohled na měřič ukazuje foto 1, práci v terénu foto 2. Měřič je zapojen jako měřící přijímač – tento typ jako superheterodyn s jedním směšováním. Obsahuje vysokofrekvenční předzesilovač (VF), směšovač (SM) a krystalem řízený pomocný oscilátor (XO), mezifrekvenční zesilovač (MF) 10,7 MHz s filtrem soustředěné selektivity (SFC), detektor (FM-DET), zesilovač odvozeného stejnosměrného napětí (SS) s S-metrem s ručkovým indikátorem a zesilovač nízkofrekvenčního signálu (NF). Vysokofrekvenční díl je osazen křemíkovými planárními tranzistory, ostatní stupně integrovanými obvody. Vstupní obvod přijímače je vázán na složený odporový T-článek, sloužící ke stupňovité ruční regulaci vf citlivosti; plynulá ruční regulace citlivosti je zavedena do vf i mezifrekvenčních stupňů. Maximální vf citlivost měřiče, vybaveného volitelnou kombinací směrové rámové antény a krátkého teleskopického prutu, je na frekvenci 33,650 MHz lepší než 1 μV pro s/š = 10 dB.

 

Obr.9: Blokové schéma měřícího zařízení – transceiveru pracujícího na kmitočtech v rozsahu 0,5—20 MHz s vysokofrekvenčním výkonem 1,0/5,0 W provozem A1 a A3.

Fig.9: Block diagram of measuring device – transceiver operating in the frequency range 0.5—20 MHz with high frequency output power 1.0/5.0 W, operation modes A1 and A3.

 

 

Pro práci s občanskými radiostanicemi VKP 050 jsme mimo jednoduchého měřiče intenzity vf elektromagnetických polí zkonstruovali tzv. maják – vysílač 27,120 MHz/0,5 W. Plně tranzistorovaný vysílač (krystalem řízený oscilátor, oddělovací stupeň a koncový stupeň) je vybaven kmitočtově řízeným multivibrátorem (1 kHz bez řídícího napětí) pro telemetrii a automaticky klíčovaným multivibrátorem se dvěma kmitočty 400 a 800 Hz. Interval přepínání obou kmitočtů je 2 sec., na modulační kmitočet 800 Hz lze vázat na 50 % redukovaný vf výkon vysílače. Vysílač je opatřen měřičem vf výkonu a 0,85 m dlouhou prutovou anténou.

K měření v oboru 2. modifikace radiotestové metody jsme vyvinuli i základní přístroje – plně tranzistorované radiostanice – transceivery, pracující na krystaly pevně nastavených kmitočtech 13,560 MHz, 27,120 MHz, 33,650 MHz a 78,650 MHz. Zařízení je vybaveno výměnnými prutovými (bičovými), závěsnými a směrovými rámovými anténami, ruční regulací vf citlivosti přijímačů, S-metry s ručkovým indikátorem a výstupem pro registr, záznějovými oscilátory a generátory automaticky přepínatelného nf modulačního kmitočtu 400 a 800 Hz. Přístroje používají amplitudové nebo kmitočtové modulace resp. pracují s nemodulovaným vf kmitočtem. Vf výkon vysílačů je 0,1/2,5 W, max. 5,5 W. Základní zapojení měřících radiostanic je obdobné zapojení přístrojů, používaných k měření v oboru 1. modifikace radiotestové metody.

Blokové schéma takového zařízení je na obr.9. Vysílače měřících radiostanic pracují na volitelných, krystaly řízených kmitočtech 0,5 – 1,0 – 2,5 – 3,5 – 5,0 – 7,5 – 10,0 – 15,0 – 20,0 MHz, jejich vf výkon je 1,0/5,0 W, max. 10 W, používají amplitudové modulace a provozu A1. Přijímače, vybavené ruční regulací vf citlivosti, S-metrem, záznějovým oscilátorem a generátorem modulačních kmitočtů 400 a 800 Hz jsou zapojeny jako superheterodyny s jedním směšováním a krystalovým filtrem soustředěné selektivity. Vstupní kaskódový vf zesilovač a balanční směšovač přijímače jsou osazeny tranzistory typu MOS FET. Oscilátor – premixer, přeladitelný ±50 kHz od základního kmitočtu, je společný pro vysílač i přijímač. Zařízení používá výměnných závěsných a směrových rámových antén, ve výbavě je i závěsná anténa širokopásmová.

V současné době končí vývoj nového, moderního, plně tranzistorovaného zařízení, vhodného k měření v oboru obou modifikací radiotestové metody. Zařízení sestává ze dvou speciálních transceiverů s širokým rozsahem pracovních kmitočtů. Ty jsou odvozovány v syntetizátoru (na digitální bázi – integrovanými děliči) ze základního kmitočtu 100 kHz; oscilátor, řízený krystalem 100 kHz v termostatu, pracuje ve fázovém závěsu.

Zájemcům o technické konstrukce v tomto oboru doporučujeme prostudovat zapojení vysílače 2 MHz/3 W, určeného pro geologický průzkum (karotáž ve vrtech), jehož zapojení a popis publikuje Syrovátka (1966). K měření v rozsahu 2—4 MHz lze také použít transceiverů s přijímači s přímým směšováním (viz např. Borovička a Klimosz 1972 aj.).

 

Foto 1: Pohled na měřič intenzity vysokofrekvenčních elektromagnetických polí, jehož schéma je na obr.8. Foto M. Princ.

Photo 1: Intensity meter of high frequency electromagnetic field, circuit diagram see Fig.8. Photo by M. Princ.

 


 

Foto 2: Práce s měřičem v terénu – Moravský kras. Foto V. Gregor.

Photo 2: Field measurements with the meter – Moravian Karst. Photo by V. Gregor.

 


 

Foto 3: Měřící stanoviště v jeskyni – 2. modifikace radiotestové metody. Foto V. Gregor.

Photo 3: Measuring device in cave – 2nd radiotest modification. Photo by V. Gregor.

 


 

Foto 4: Soubor přístrojů pro měření v oboru 2. modifikace radiotestové metody. Foto V. Gregor.

Photo 4: Instrumentation for the 2nd radiotest modification. Photo by V. Gregor.

 


 

Výsledky některých radiotestů

Stránská skála u Brna

Ve výhledovém plánu paleontologického výzkumu kvartérních výplní krasových dutin ve Stránské skále u Brna, je jeskyně Ve štole č.6. Téměř 70 m dlouhá jeskyně korozivní geneze, budovaná na vrstevních plochách a tektonických puklinách v jurských vápencích, je vcelku protažena SSZ—JJV směrem. Její SZ zakončení představují těsné chodbičky s nízkými komíny, uzavřené sutěmi severního svahu Stránské skály. V r. 1971 jsme (Burkhardt a Gregor 1974) polygonálním měřením nad jeskyní vytýčili polohu SZ jeskynních partií na povrchu a radiotestem (VKP 50; 27,120 MHz) jsme ověřovali projekci tří hlavních zkrasovělých diakláz na povrchu. Pokusy byly úspěšné na západní z diakláz. Stanice v podzemí, asi 8 m pod povrchem, pracovala v úzké, asi 1,5 m vysoké, na puklině 155/80° JZ založené prostoře. Prutová teleskopická anténa této radiostanice byla plně vysunuta a orientována horizontálně v rovině pukliny. Pomocí druhé radiostanice VKP 050 byly na povrchu vymezeny dvě zóny příjmu – jedna při plně vysunuté, druhá při zkrácené prutové anténě, orientované vždy horizontálně. Druhá z anomálií je stejně jako první situována na JZ od povrchové projekce pukliny 155/80° JZ (viz obr.10), je protažena ve směru 155° a má rozměry ca 7 a 1,5—2 m. Maximum příjmu leží na povrchové projekci pukliny. Radiotestová metoda zde upřesnila místo vhodné pro otvírku dnes zasutěného a dříve otevřeného vchodu do jeskyně, z paleontologického hlediska nadějného jako lokality s neporušenými kvartérními vrstvami pod jeskynním vchodem.

 

Obr.10: Výsledek radiotestu nad SZ-partií jeskyně Ve štole ve Stránské skále u Brna, VKP 050 27,120 MHz. 1 – směr a sklon mapované pukliny v podzemí, 2 – poloha antény radiostanice v podzemí, 3 – zóna příjmu na povrchu s plně vysunutou anténou povrchové radiostanice, 4 – zóna příjmu na povrchu se zkrácenou anténou. Sestavil V. Gregor.

Fig.10: Results of the radiotest above the NW part of the cave Ve štole in the Stránská skála near Brno, VKP 050 27.120 MHz. 1 – direction and inclination of the mapped underground fracture, 2 – position of the antenna of the radiostation underground, 3 – the zone of reception on the surface for fully extended antenna of the surface radiostation, 4 – the zone of reception on the surface for shortened antenna. Compiled by V. Gregor.

 

 

Jižní část Moravského krasu, oblast Ochozské jeskyně

Z mnoha důvodů je vhodné připomenout výsledky radiotestů v oblasti Ochozské jeskyně v údolí Říčky. Zde byly na povrchu, v terénu nad jeskyní, sledovány z hlediska tektonické predispozice pro genezi Ochozské jeskyně významné a zkrasovělé tektonické pukliny, puklinové zóny a dislokace (geologická mapa Ochozské jeskyně je v práci Burkhardta 1969). K měření byly použity radiostanice VKP 050 (27,120 MHz), VXW 010 (33,650 MHz) a Racek (156,250 MHz). Abychom vyloučili komplikace vzniklé eventuálně 3. způsobem šíření, vyměřili jsme nejprve zónu příjmu na povrchu v okolí Ochozské jeskyně, krytou vf polem radiostanice (VKP 050, antény s vertikální polarizací) umístěné v hlavním vchodu Ochozské jeskyně a vynesli ji do povrchové radiomapy (Burkhardt a Nesrsta 1970). Dále byla oboustranně vyšetřena zóna příjmu v jeskynním interiéru, krytá polem téže radiostanice z uvedeného stanoviště. Výsledkem bylo zjištění, že oboustranné spojení lze navázat téměř v celém průběhu těsné, 170 m dlouhé a meandrující vstupní chodby Hadice až po první dóm Staré Ochozské jeskyně, kde došlo k jeho ztrátě asi 25 m za ústím chodby Hadice.

Ani po těchto experimentech ještě stále nebyla vyloučena možnost, že část vf elektromagnetického vlnění, vyzařovaného anténou radiostanice v Nové Ochozské jeskyni, proniká na povrch jeskynními vchody a při vhodném odrazu pokrývá terén nad jeskyní. Ke kontrole testu byla proto vybrána Zadní kaple, odlehlá komínovitá partie Nové Ochozské jeskyně (viz obr.11). Zadní kaple je podle geologického mapování založena na systému křížících se puklin s dominantním uplatněním puklinové zóny VJV-směru 120°. Ta se výrazně projevuje v komínech na jejím jižním zakončení, představujících z genetického hlediska starý vstup do podzemí, bez jakýchkoliv zachovalých geomorfologických stop vyústění na povrchu. Při ověřovacích zkouškách bylo zjištěno, že v žádném případě není možné, aby vf signál (27,120 MHz, 33,650 MHz, 156,250 MHz) pronikal na povrch nad touto lokalitou jinou přenosovou cestou než podél mapované puklinové zóny směru 120°. V terénu nad Zadní kaplí, situovanou v podzemí cca 800 m od hlavního vchodu jeskyně za členitým průběhem jeskynních chodeb, byla vymapována 1—4 m široká a 20 m dlouhá zóna příjmu, protažená ve směru 120°, tj. ve směru mapované dominantní puklinové zóny. Antény obou komunikujících radiostanic pracovaly v horizontální poloze, dlouhá osa antény radiostanice v podzemí byla situována v rovině puklinové plochy 120/90°. Mocnost vápencového nadloží zde, v pravém svahu Kamenitého žlíbku, činí 50—60 m. Pokus prokázal, že záhadné komíny v Zadní kapli souvisejí s neznámými paleoponory a jsou budovány na zkrasovělém tektonickém pásmu směru 120°, významném pro genezi Ochozské jeskyně.

Řada vertikálních komínů Ochozské jeskyně je situována na křížení tektonických puklin dvou i více směrů, které se v závislosti na intenzitě zkrasovění projevují v téměř bodových zónách příjmu, které na kmitočtech 33,650 MHz a 156,250 MHz byly získány nad předpokládaným povrchovým vyústěním komínů nad Tanečním sálem, v blízkosti Beránka (mocnost nadloží 80 m), pod ústím Nové Ochozské jeskyně (69 m) a v oblasti Stříbrných vodopádů (58 m) při jižním zakončení dómů Ochozské jeskyně. Krátké unipóly měřících radiostanic byly situovány v horizontální rovině, kolmo na delší osu přenosové cesty.

Zatím nejvýznamnějším úspěchem v oblasti Ochozské jeskyně je povrchové vysledování důležité, patrně silně zkrasovělé tektonické linie 30/80° SZ a jejího vztahu k puklinové zóně 120/80° JZ ve speleologicky neznámé prolongaci Chodby Zkamenělé řeky až do vzdálenosti ca 250 m k SV, k okraji krasové plošiny, do oblasti periodických vývěrů podzemního Hostěnického potoka v údolí Říčky pod Hádkem. K radiotestu byly použity radiostanice VXW 010, VXW 100 (33,650 MHz, 78,650 MHz) a měřič intenzity vf elektromagnetických polí. Antény radiostanic pracovaly v horizontální poloze, vždy kolmo na rovinu sledovaného tektonického prvku.

 

Obr.11: Výsledky radiotestů v oblasti Ochozské jeskyně v jižní části Moravského krasu, VKP 050 27,120 MHz, VXW 010 33,650 MHz. 1 – směr a sklon vrstev, 2 – směr a sklon vyznamných puklin, poruch a dislokací, 3 – směr a sklon puklinových zón, 4 – jeskyně a jeskynní vchody, 5 – Hostěnické propadání, 6 – periodické vývěry, 8 – povrchový tok Říčky, 9 – stanoviště měřících radiostanic v podzemí, 10 – vymezené zóny příjmu na povrchu, 11 – Zadní kaple, 12 – Zkamenělá řeka. Sestavil V. Gregor.

Fig.11: Results of radiotestes in the Ochozská cave area in the southern part of the Moravian Karst, VKP 050 27.120 MHz, VXW 010 33.650 MHz. 1 – direction and inclination of layers, 2 – direction and inclination of important fractures, faults and dislocations, 3 – direction and inclination of joint zones, 4 – caves and cave entrances, 5 – the Hostěnické propadání-ponor, 6 – periodical points of issue, 8 – surface flow of the Říčka river, 9 – positions of measuring radiostations underground, 10 – limited zones of reception on the surface, 11 – Zadní kaple, 12 – Zkamenělá řeka. Compiled by V. Gregor.

 

 

Střední část Moravského krasu, oblast jeskyně Býčí skála

Také v oblasti Býčí skály byla nejprve vymapována zóna příjmu, vázaná na radiostanici (VKP 050, 27,120 MHz, anténa vertikálně polarizovaná) umístěnou ve vchodu do jeskyně. Výsledky, vkreslené do morfologie terénu, jsou uvedeny v povrchové radiomapě (Burkhardt a Nesrsta 1970). Spojení mezi stanicemi bylo možné pouze v přivrácených svazích: za hranici 800 m jen nad mlýnem, jinak přibližně omezeno rozvodnicí (150—700 m), výjimečné až 900 m na Komárce JZ od Habrůvky. Se stanicí VXW 010 (33,650 MHz) a Racek (156,250 MHz) bylo k protistanici shodného typu realizováno spojení asi 1,1 km přes hřbet Jelence k Františčině huti u Josefova a cca 2 km ke skalkám nad jeskyní Jestřábkou v Křtinském údolí.

Dále byly vyšetřeny přenosové poměry v hlavní tunelovité chodbě jeskyně (vertikální polarizace antén). Se stanicemi VKP 050 bylo realizováno spojení od základny speleologického kroužku ZK ROH Adast Adamov (asi 100 m před skalní stěnou se vchodem do jeskyně) přes vchod do jeskyně po Jižní odbočku (celkem 220 m), se stanicí VXW 010 až k Obřímu komínu (celkem 300 m). Dílčí spojení (VKP 050, VXW 010) byla navázána mezi dnešním vchodem a bývalou dřevěnou bránou (35 m), mezi předchozím stanovištěm a Obřím komínem (ca 160 m) a mezi Jižní odbočkou a rozvodím V hlinách (ca 190 m).

Později jsme realizovali radiotesty mezi jeskynním interiérem a povrchem (terénem nad jeskyní) se stanicemi VKP 050 (27,120 MHz), VXW 010 (33,650 MHz) a měřičem intenzity vf elektromagnetických polí. Při těchto měřeních jsme přihlédli k situaci, definované povrchovým radiotestem. V terénu nad jeskyní jsme sledovali povrchové projekce vybraných význačných puklinových a poruchových zón dle geologického plánu jeskyně (Burkhardt 1971—72), v úvahu byl vzat měřený úklon prvků. Prutová, resp. bičová anténa radiostanice na povrchu pracovala v horizontální poloze, ve směru kolmém na rovinu sledovaných tektonických prvků. Na stanovištích v podzemí jsme použili prutovou resp. bičovou anténu v horizontální poloze, v první polovině prvního poločasu testu v rovině sledovaného prvku, ve druhé polovině prvního poločasu kolmo na tuto rovinu, a stejně orientovanou horizontální závěsnou anténu v příslušných polovinách druhého poločasu testu. Testovány byly tyto partie:

 

Obr.12: Výsledky radiotestů v oblasti jeskyně Byčí skála ve střední části Moravského krasu, VKP 050 27,120 MHz, VXW 010 33,650 MHz. 1, 2 a 3 – viz vysvětlivky u obr.11, 4 – vymezené zóny příjmu na povrchu, 5 – stanoviště radiostanic v podzemí. Sestavil V. Gregor.

Fig.12: Results of radiotest in the cave Býčí skála in the central part of the Moravian Karst, VKP 050 27.120 MHz, VXW 010 33.650 MHz. 1, 2, and 3 – see explanations Fig.11, 4 – limited zones of reception on the surface, 5 – positions of radiostations underground. Compiled by V. Gregor.

 

 

Výsledky radiotestů:

Hodnotíme-li výsledky radiotestů v Býčí skále (obr.12) geologicky, je zřejmé, že k výchozu vf signálu šířícího se 2. a 3. způsobem na povrch, došlo pouze v místech s kvartérními pokryvy na zkrasovělém devonském vápenci (oblast Pohanského komínu a Jižní odbočky). Nekarbonátové nadloží nad dalšími partiemi jeskyně tvoří několik metrů mocný pokryv ostrohranného rohovcového detritu, který vklesává komíny do jeskyně. Jeho odkrytá mocnost v zářezu nové silnice nad Býčí skálou je ca 3,5 m; sporný příjem v tomto areálu se patrně vztahuje k bázi odkryvu, kde je jeho mocnost odtěžením zmenšena. Vápence v terénu nad jeskyní nevystupují, pouze v přilehlých svazích Wiehlova údolí, asi 200 m SV od Přítokového sifonu. V partii nad Obřím komínem a nad Novou Býčí skálou existuje řada opuštěných dobývek – stařin, které patřily k bývalé důlní míře Johann (Burkhardt 1974). Podrobnější stratigrafie pokryvů devonu není zatím známa, ale je pravděpodobné, že více-méně dokonalé stínění vf elektromagnetického pole je způsobeno přítomností limoniticko-hematitických rud na bázi výplní depresí přikrytého fosilního tropického krasu Rudické plošiny. Tomu nasvědčuje i magnetická anomálie v terénu nad Býčí skálou, zjištěná v oblasti předpokládané povrchové projekce JV-zlomu 120/75° SV v Nové Býčí skále; ta vyvolává až 30° odchylku mezi magnetickým a geografickým severem. Anomálii lze vysvětlit předpokládanou akumulací spodnokřídových železných rud ve zkrasovělém pásmu směru 120°. Asi 500 m severně odtud se nalézá nově odkrytá lokalita staroslovanských železářských pecí. Je zřejmé, že zdroj železných rud existoval v těsné blízkosti – stopy po dolování jsou zřetelné ve svahu Wiehlova údolí při rozvodnici nad lokalitou pecí, v prostoru povrchové projekce zmíněné dislokace. Z fyzikálních hledisek je také nepříznivý vliv pokryvu rohovcového detritu.

 

Severní část Moravského krasu, západní větev Punkvy

V severní části Moravského krasu jsme dosud provedli nejvíce geofyzikálních měření – radiotestů, z nichž několik zde popíšeme.

Koncem r. 1975 jsme v rámci speleologického, geologického, hydrografického a hydrogeologického výzkumu území mezi Němčicemi, Žďárem, Petrovicemi a Sloupem v Moravském krasu prováděli rozsáhlá měření v oboru 2. modifikace radiotestové metody na Neselově SZ od Sloupu, zvláště v okolí jeskyně č.5 (Šebelova) a č.8 (Nečasů). K radiotestům jsme použili radiomajáku 27,120 MHz (0,5 W), dále občanských radiostanic VKP 050 (27,120 MHz) a stanic VXW 010 (33,650 MHz) a námi zkonstruovaného měřiče intenzity vf elektromagnetických.....

 

!!! ZDE CHYBÍ STRÁNKA !!!

 

.....lenost 60—65 m jižně od Bílé síně v podzemí mapovaný SSV—JJZ směr 10—20° a dále je protažena JZ směrem 50°, který je také směrem tektonickým a kterého zkrasovění patrně nejvíce využilo. V souladu se závěry geologického a hydrologického výzkumu je tento směr identický se směrem předpokládaného průběhu odtokové cesty podzemních vod.

Výsledky radiotestů v oblasti Macochy (testy mezi jeskyněmi Podmůstkovými, Propasťovitým bludištěm a jeskyní Zazděnou, v Hankensteinově propasti, v jeskyni Pasovského, Erichově, Punkevních a ve Skleněných dómech) budou zpracovány v rámci monografie o Macoše a vývoji jeskyní vývěrové soustavy Punkvy.

V závěru kapitoly ještě připomeneme zkušenosti získané s radiostanicemi VXW 010 (34 MHz) a VXW 100 (80 MHz) v průběhu záchranné akce při speleologické tragédii v Amatérské jeskyni ve dnech 31.srpna až 5.září 1970. Oboustranného spojení mezi podzemním stanovištěm na břehu toku Bílé vody pod Dómem objevitelů (cca 397,5 m n.m.) a na povrchu, asi 50 m severně od vstupu do prostor Cigánského závrtu, bylo dosaženo výhradně podél puklinové zóny 120/90°, na níž je podle geologického mapování založena dolní část Dómu objevitelů. Při nezměněné poloze povrchové radiostanice nad uvedenou VJV-dislokační zónou (na povrchu téměř bodová, max. 2,5 m široká a 7,5 m dlouhá zóna příjmu) bylo možno navázat oboustranné spojení v podzemí SZ-směrem po toku Bílé vody až do vzdálenosti cca 100 m, kde došlo k jeho ztrátě v místě rozšíření chodby v 1.dóm. V podstatě byla sledována SZ prolongace dislokační zóny směru 120°. Severovýchodním směrem 30° proti toku bylo spojení udržováno až do vzdálenosti 180 m, opět po rozšíření chodby v dóm u Kamenného květu. V obou případech se současně stává průběh Amatérské jeskyně v půdorysu komplikovanější (Burkhardt a Gregor 1974, Musil a kol. 1974).

Z těchto a dalších poznatků vyplývá, že pro bezpečné oboustranné bezdrátové spojení mezi povrchem a podzemím (PV—PZ) a v podzemí (PZ—PZ) nejsou vysokofrekvenční sdělovací zařízení nejvhodnější; lze je použít jen za jistých okolností v poměrně omezeném dosahu. Ve sdělovacím oboru jsou radiostanice, pracující v horní části KV a v dolní části VKV rozsahu vhodné speciálně k povrchovému (PV—PV) spojení, druhé z uvedených stanic zvláště ke spojení na přímou viditelnost nebo v rovném terénu. K přenosu vf signálu z povrchu do podzemí jsou ve většině možných případů vhodnější radiostanice pracující v dolní části rozsahu KV (např. 2 až 4 MHz); nejvýhodnější a nejspolehlivější je však spojení pomocí speciálního zařízení (indukční a vyzařovací systémy, modifikace nízkofrekvenční elektromagnetické metody apod.). Problematika oboustranného bezdrátového telefonního spojení v průběhu speleologických průzkumů bude předmětem samostatné práce, kterou autoři zpracují i z hlediska mezinárodně platných konvencí.

 

Náměty k dalším radiotestům v Moravském krasu

Oddělení pro výzkum krasu MM ve spolupráci s pracovní skupinou TARCUS Komise pro studium fyzikálně chemických pochodů v krasu (UIS) připravuje rozsáhlý program měření v oboru radiotestové metody v Moravském krasu i v dalších krasových územích Moravy.

V jižní části Moravského krasu jsou objektem geofyzikálního výzkumu přítokové a odtokové cesty jeskyně Netopýrka, dále jižní prolongace jeskyně Malčina, Pekárny, JZ-prolongace jeskyně Liščí díra a oblast mezi Sifonovou chodbou Nové Ochozské jeskyně, propadáním Hostěnického potoka a periodickými povodňovými vývěry Hostěnického potoka v údolí Říčky pod Hádkem. Také v oblasti Ochozské jeskyně bude řešeno několik problémů, např. pokusné sledování neznámé prolongace tzv. trativodu za vchodem. Do projektu měření byla zahrnuta také oblast velkého (I.) výtoku Říčky.

Ve střední části Moravského krasu, v oblasti Rudické plošiny, budou hlavním předmětem výzkumu jeskyně Jedovnického potoka v Rudickém propadání (Burkhardt, Gregor a Hypr 1975). Radiotesty zde mohou přispět k objasnění genetického vztahu mezi jeskyněmi a povrchovými krasovými jevy Rudické plošiny (viz předchozí cit. práce, Burkhardt 1964, 1974). V programu testů je ověření vztahu ponoru v pravém břehu povrchového toku Jedovnického potoka (asi 30 m před Propadáním) k přítoku v Jedovnické chodbě SV Wankel-Mládkova dómu, dále propast Ve žlíbku – vysoké komíny v Netopýří síni, prolongace tektonického směru 160° přítokové chodby Tipeček a její vztah k periodickému ponoru v lesní trati Horní Rozepř, komíny s přítokem nad krápníkovou Kašnou – suchý žlíbek v severní části lesní trati Soušov, SV-přítoková Chodba Staré řeky – fosilní, kvartérem a anthropogenně přikryté ponory v SZ části jedovnicko-rudického slepého údolí, Rudický dóm – vápencový výchoz na Tumperku, Žegrovský vodopád – fosilní rudické deprese v okolí Žegrova (?), kalcitem vyplněná SZ—JV dislokace Balvanitého dómu – terén nad dómem, Obří dóm (poruchy směru 160°) – terén nad dómem (lesní trať Nad kaplí, bývalé dobývky), Písčitý dóm s přítokem Vyvěračkou – slepý žlíbek v Pivovarce, Vysoký a Gotický dóm (pukliny směru 160°) – závrty při hranici lesních tratí U černých hlin a Chvalkov, komíny v 1.dómu Velikonoční jeskyně – příslušný terén na povrchu. Většina potenciálních lokalit v podzemí byla vytipována během výzkumných exkurzí v letech 1972—1973 (Burkhardt, Gregor a Chaloupka 1973). Zvláště v tomto případě bude ke geofyzikálnímu výzkumu užito více metod, specielně lokační nízkofrekvenční elektromagnetické metody.

V severní části Moravského krasu jsou plánována další rozsáhlá měření v ponorové oblasti Sloupského potoka (Sloupsko-šošůvské jeskyně, Propástka III.vchodu, Kůlna a Křížovy jeskyně, popř. jeskyně šachty za Evropou a Indií), dále v horní části Pustého žlebu mezi Sloupem a Měšinami (oblast Novoroční jeskyně a Vavřineckých paleoponorů), v systému jeskyně Průtoková, Řečiště, Propasťovitého bludiště, jeskyně Zazděná a doplňková měření v oblasti Macochy. Značný přínos od aplikace radiotestové metody očekáváme v oblasti Jedle – Domínka – Císařská jeskyně a v partii Chobotu mezi Skleněnými dómy Punkevních jeskyní a jeskyní Kateřinskou. Je samozřejmé, že široké uplatnění by radiotestová metoda nalezla ve výzkumu největšího podzemního systému Moravského krasu a ČSR – Amatérské jeskyně.

 

 


Summary:

Speleological investigations of karst areas have brought many good results in various scientific branches and lines during the past several decades. The successes are to a certain extent due to the application of up-to-date investigation methods. Geophysical methods have brought good results in speleology, karst geology, geomorphology and hydrography, in particular in covered karst. In the course of the theoretical development of individual methods, the methodics of measurement and interpretation, and in the course of practical application in karst areas, some methods – gravimetric, magnetic and geoelectric – proved more and some less effective. The most frequently used is the resistivity method (resistivity profiling and vertical, electric resistivity sounding). Less frequent are the method of terrestrial currents, the equipotential method and the SP method, electromagnetic and wave methods based on the principle and ways of propagation of electromagnetic waves.

In thick (in the Moravian Karst up to 220 m) carbonate rocks and mantle formations above caves laid often in several floors and in a labyrinthic course, following the tectonic pattern of the area, classical geophysical methods often face serious problems, arising from the orientation and density of profiles or from difficult interpretation of anomalies in diversified terrain (at steep slopes of karst dry valleys). In such a case it is suitable to apply a special geoelectric method, e.g. the method of equivalent capacity, and in particular the radiotest method.

 

The Radiotest Method in Karst Investigations

The radiotest method is a special example of the application of high frequency telecommunications in speleological and geological investigations of karst areas. The method ranges among wave (electromagnetic high frequency) geophysical methods. It is used in two modifications – communication and geophysical, which is the subject of this contribution. In the geophysical modification, the radiotest method is employed for:

The method can also be employed for study of mutual relations of several significant geotectonic elements in dependence on the intensity of karstification, for prognosing further courses of tectonically predisposed, speleologically unknown cave prolongations, and for identification of covered mouths of cave entrances, chimneys, etc. The first modification is in principle the methodically and technically accomplished method of high frequency electromagnetic measurements (the method of absorption, attenuation) as it was defined and applied by Volker Fritsch. The second modification is new in speleology. The method has been developed and applied independently by V. Gregor (1967—75) and R. Burkhardt (1969—72). Miloš Princ designed and constructed several measuring devices, and together with V. Gregor carried out field measurements.

 

Laws of Propagation of High Frequency Electromagnetic Field in Carbonate Rocks

Physical processes of propagation of the high frequency electromagnetic field in rocks are very complicated. In studies of the problems of the application of the radiotest method in speleology of carbonate rocks all available ways of solving the given theoretical and practical tasks were applied: the mathematical-analytical methods, the physical model and the experiment. It was proved that the experiment is the main clue to the theoretical and the practical solution of the problem.

The propagation of the high frequency electromagnetic field in a conductive or quasiconductive medium or on the boundary of two media is defined by physical (electromagnetic) properties of the medium (media). Generally, the propagation is attenauted much more in rocks than in a free space. The parameters of propagation are dependent mainly on physical properties of rocks (including properties of mantle formations and cave fillings), and on the frequency of the field. The attenuation increases with the increasing specific conductivity of rocks and with the increasing frequency of the field. Physical properties of rocks are influenced by their mineralogical and petrographical character, the chemical composition, porosity, content of water, geological-tectonic structure and degree of karstification. Homogeneous and isotropic media, to which the basic theoretical ideas are related, often of different chemical properties formed by aggregates of various minerals, accessories, are layered and fractured by various systems and kinds of fractures with miscellaneous filling. In the theory of electromagnetic methods, such a medium is degraded to quasihomogeneous and quasiisotropic if the parameters of the electromagnetic field of a given frequency agree with a certain accuracy with the theoretical calculation of parameters in a homogeneous and isotropic medium of given electromagnetic properties. They describe three quantities: electric conductivity σ=1/ϱ (ϱ – resistivity) dielectric permitivity ε and magnetic permeability μ. Of prime importance is the dependence of these effective parameters on the frequency of the field – the so called frequency dispersion.

The theoretical value of the coefficient of attentuation of the propagating electromagnetic field in a medium of given properties (plane wave, electric dipole, propagation by penetration through a compact, in the direction of propagation non-layered and tectonically non-fractured rock), expressed by k" (Np.m−1) is given by the relation /1/. In explanations we give general values for limestones according to A.D. Petrovskij: εr=7.3—12.0, ϱ=60—4.105 Ω.m in dependence on the lithology, the intensity of fracturing and karstification, the level of karst waters, etc. The parameter μ is usually μ=μ0.

The frequency of the field f and the wave length λ are in general media connected by the relation /3/. The depth of penetration, the so called effective thickness of skin-layer can be expressed by the equation /4/.

If we place a source of the high frequency electromagnetic field in an underground cavity, the field can be transferred into another cave or to the surface in a natural way basicaily in three ways:

 

The Radiotest Method – Modification 1

The transmitter located in an underground karst cavity emits a high frequency electromagnetic field propagation to the point of reception also along the path s – direct connecting line between the transmitter and the receiver. At the beginning (at the point of the transmitter) and at the end (at the point of the receiver) of the path s the intensity of the field E0 and E is measured. With a certain accuracy, the relation /5/ holds, where k'' is expressed by the equation /1/ and the value of the coefficient α is dependent on the distance transmitter – receiver; it ranges from 1 to 3. If E/E0=Er, then also relation /6/ holds. The path of propagation of high frequency electromagnetic waves in a homogeneous medium is direct. In an unhomogeneous and anisotropic medium it can be rather complicated.

The measurement is comparatively simple. The measuring transmitter and receiver are placed outside the examined complex containing the supposed underground cavity. The high frequency field of the transmitter induces in the receiving antenna high frequency voltage corresponding to the intensity E at the point of reception – /7/. The theoretical value of the intensity of the field E' at the point of reception will be /8/ – see Fig.3. This value can be compared with the really measured intensity of the high frequency electromagnetic field E'' at the point of reception. Three cases may occur:

Such a case is illustrated in Fig.3. If the surrounding rock is in the given direction of propagation quasihomogeneous, the relation /9.1/ holds and s2 can be approximately determined /9.2/. The calculation of s2 can be only theoretical, and the measurement can be evaluated only generally. Also the calculation of s0 which is not always identical with the straight line connecting the transmitter and the receiver, particularly in layered and tectonically fractured rocks, is not without problems. These problems can be solved by using a measuring device with variable frequency. By means of measurements between selected points with the transmitter and the receiver the so called radiogeological curves are obtained. According to a diagram (the wave length of the frequency f0 on the x-axis, E'r=E"/E0 on the y-axis) we can judge electromagnetic properties of the examined complex of the rocks which often indicate its speleological character.

 

The Radiotest Method – Modification 2

The principle of this modification is based on the fact that a high frequency electromagnetic field of a suitable frequency propagates in carbonate rocks mainly along karstified tectonic faults filled with e.g. tectonic breccia, calcite, clays and along karstified layer joints. These are rather complicated processes of propagation on the contact of different physical media. This way of propagation is dependent on the geometrical and geological-morphological character of tectonic elements, on the field frequency, polarization of electromagnetic waves and on the angle of its incidence on the plane of the element, on the thickness of the examined complex and on electromagnetic properties of μ, ε and ϱ of all the media involved. The examined way of propagation can be at suitable frequencies explicitly distinguished from another ways, especially from propagation by penetration through rocks (also in measured values E"). The coefficient of attenuation of this transfer deviates from k" calculated from /1/ for quasihomogeneous, in the direction of propagation undisturbed rock of equal thickness.

The karstified tectonic elements were classified with approximate relations /10.1//10.4/, /11/, /12/ and /14/, which hold in media 1 and 2. The equations /10.1/ and /10.2/ hold of the plane of waves lies within the plane of the examined tectonic elements, or if the planes are parallel. The quantities ϰ'01 and ϰ'02 are the coefficient of reflection. The coefficients of penetration ϰ"01 and ϰ"02 which have no physical dimension cannot be compared with the coefficient of attenuation of the transfer k"ef which can be defined only with difficulty. Factor D is dependent on the geological-morphological character of a joint (joint zone) and its value ranges between 0.9—1.1, ψ – the angle of incidence of the propagating wave on the piane of the examined element. The value p can be calculated from /11/ and ε1,2 from /12/ and /14/.

 

Selection of Operating Frequencies and Loop Systems

The selection of operating frequencies for the radiotest method is influenced not only by physical conditions, but also by technical requirements (construction of the measuring device and loop systems), legal regulations and the conditions of the I.T.U. Radio Regulations, and last but not least by the financial and technical conditions. Optimum frequencies for the communication by penetration through carbonate rocks are within the range of long waves (100—300 kHz) and below. For many reasons, however, they are not suitable for the radiotest method from the mentioned point of view. They do not enable to distinguish individual ways of propagation and cause technical and legal difficulties when electronic devices and antennas are constructed.

For measurements by means of the 1st modification of the radiotest method we use selectable crystal controlled frequencies 0.5 – 1.0 – 2.5 – 3.5 – 5.0 – 7.5 – 10.0 – 15.0 – 20.0 MHz. For measurements by means of the 2nd modification of the radiotest method we usually use operating frequencies 10.0 – 15.0 – 20.0 – 25.0 – 30.0 MHz and further frequencies in the range 33—35 MHz, 44—46 MHz, 73—84 MHz and exceptionally also 146—174 MHz. These frequencies enable to distinguish the mentioned ways of the electromagnetic field propagation, particularly propagation along tectonic elements from propagation by penetration through rock.

By selection of opearting frequencies the problems of technical construction of antenna arrays are predestined. The construction usually requires a compromise between the effectiveness of the antenna and its geometrical dimensions. For the 1st modification of the radiotest method we use on the transmitter usually horizontal unipole radiator of electric length λ/4, of a geometrical length of 5.5—45 m, design either as wideband or rechangeable (for each operating frequency). For the frequency band 10—20 MHz rod telescopic antennas of a geometrical length up to 5.5 m can be used. On the receiver we usually use directional loop antennas of eight-shaped radiation diagram at a plane perpendicular to the plane of the loop.

For the 2nd modification of the radiotest method we use on transmitters a unipole radiator of an electric length λ/4 – usually telescopic or beam antennas of a geometrical length up to 2.5 m. The reeciver is, as a rule, equipped with a directional loop antenna. If necessary the loop antenna can be combined with a unipole of a maximum length of 2.5 m, so that the whole arrav had at a plane perpendicular to the plane of the loop a radiation diagram of the form a cardiode. The unipole radiator can operate also independently.

 

Methods of Measurement and Interpretation of Radiotest Results

The basic principle of the measurements (radiotests) is common for both modifications. But the measuring procedures are slightly different. It should be noted that to project, carry out, evaluate and interpret radiotests often in a complicated terrain over extensive cave labyrinths requires an aquaintance with local speleological and geological situation and experience gained by comparing measurements on known localities.

An assumption for the application of both modifications is a speleotopographic and geological-tectonic plan of the examined area, plotted in the topographic contour plan as well as a surface projection of burried tectonic elements of opened and covered cave entrances and so on.

For the 1st modification the geological-tectonic plan gives an idea about the role of tectonics and deposition fabrics of he rock during high frequency electromagnetic sounding. For the 2nd modification the tectonic plan is important for prognosing the further course of tectonically predisposed and speleologically unknown cave prolongations. The measured anomalies (zones of reception), as a rule, copy the surface projection of the tectonic situation underground in dependence on the thickness of overlying rocks, the intensity of karstification of individual elements and character of filling.

The measuring procedure of the 1st radiotest modification is related to its principle. Based on the speleological knowledge, fixed points are selected in known cave spaces or on the surface; according to a time schedule, measuring radiostations 0.5—20 MHz are successively placed at these points. Each point is measured in both directions with regard to the rest of all (Fig.5) by unmodulated carrier frequency fixed for each individiual range. The output h.f. power of the transmitter cannot be changed within one measuring period. On the receiver we use a moveable directional loop antenna. The direction and the angle of the inclination of the antenna and the intensity E'' of the high frequency electromagnetic field at the point of reception (proportionate to a value read on the S-meter for the selected input sensitivity of the receiver) are written in tables and then plotted in the rectangular coordinate system. According to relations /1/, /4/, /8/ and /9.1,2/ the interpretation of results is a matter of experience obtained in comparing measurements.

The measuring procedure of the 2nd radiorest modification is described on the most frequent case of measurement from the underground to the surface. The sought tectonic element is morphologically insignificant on the surface, but it is uncovered and accessible in an underground cavity. The transmitter, emitting unmodulated carrier frequency or frequency (amplitude-modulated h.f. signal in the range 10 to 84 MHz or 10—174 MHz. Numerous measurements showed that the shape of the anomaly limited on the surface (zone of reception) usually copies the direction of mapped karstified tectonic elements underground and is dependent on their geometry (direction and inclination), on geological properties (intensity of karstification and the character of filling), further on the thickness of carbonate rocks above caves, on the character and thickness of mantle formations, on operating frequency and polarization of antennas, their mutual position and position with regard to the plane of the observed tectonic element. In most cases, the area of the reception zone is reduced with increasing thickness of rocks above caves and with increasing frequency. To find so far unknown, tectonically predisposed, prolongations of caves and to follow the mutual relations of karstified tectonic lines and joint zones with contact outside the known caves is possible due to the fact that the high frequency electromagnetic field of a suitable frequency propagates under certain conditions along tectonic elements in all directions of its plane.

When measuring using the 1st modification, the polarization of antennas (vertical or more frequently horizontal) is set with regard to the geometry of the connecting line transmitter – receiver, identically for both. For the receiver, the directional loop antenna is more suitable (when using a short unipole radiator, an omnidi rectional radiation diagram in a plan perpendicular to its longer axis is always required). When examining the parameters of propagation through free cave spaces, the selection of polarization of antennas is influenced by the geometry of the transfer path.

When measuring using the 2nd radiotest modification, we use, as a rule, unipoles of identical polarization orientated with the long axis perpendicular to the plane of the examined tectonic element.

In many cases (caves at low depth near the surface with more entrances and simple groundplan), results may be influenced by errors caused by signal penetration from the underground to the surface through open ways. In such cases, a surface radiotest is important in order to examine the form and intensity of the zone of reception connected to vertically polarised antenna of the receiver placed at the entrances of the studied cave system, and its relation to the terrain relief.

 

Instrumentation

General requirements for instrumentation are discussed – high stability of all operating and auxiliary frequencies, recommended output h.f. power of transmitters 0.1 – 1 – 5 (10) W, sufficient sensitivity of receivers equipped with manual sensitivity control, their sufficient selectivity, cross modulation rejection, efficient h.f. signail detection and objective measurement of the signal by means of the S-meter with output panel meter or digital display, recommended modes of operation (A1, A3, F3) including requierements for internal or external power supplies and for the design of the device. These requirements are confronted with specifications of frequently used commercial radiostations – products of the Cz. firm TESLA – type VXW 010 (020), VXW 100 (200), VXN 101 (202) and VKP 050. The radiostations operate in frequencies in the ranges 33—35 MHz, 44—46 MHz, 73—78 MHz, 78—84 MHz and 146—174 MHz, with output powers 0.1 W, 1 W and 10 W or in a frequency near 27 MHz with output power of 0.04 W (VKP 050). Further, results of technical development and principal diagrams of devices and instruments (Fig.8 and 9) of our construction are presented.

 

Results of Some Radiotests

The results of some 2nd modification radiotest are presented. The radiotests made on the Stránská skála near Brno (a complex of Jurassic limestones) and in the Devonian of the Moravian Karst (the southern part – the Ochozská cave, the central part – Býčí skála cave, the northern part – the ponor area of the Sloupský brook, the Neselov area, the Novoroční cave, the Macocha abyss and the outspring area of the Punkva river). Further, the experience obtained in work with radiostations TESLA VXW 010 and VXW 100 used during the rescue operation in the Amatérská cave in 1970 is discussed.

 

Suggestions for Further Radiotests in the Moravian Karst

In the last chapter of this contribution, further radiotests in the Moravian Karst are suggested, particularly in the area of the Ochozská cave in the southern part of the Moravian Karst, in the caves of the Jedovnický brook in Rudické propadání in the central and the northern part of the Moravian Karst on the western branch of the Punkva river.

 


Literatura: