تحقیق در مورد برداشتهای ژئوالکتریکی

بخشی از مقاله

برداشتهای ژئوالکتریکی
پایه ی روشهای متنوع اکتشافات ژئوفیزیکی ظرفیت زمین برای تولید و پاسخ میدانهای الکتریکی است. ایده اکتشافات مواد معدنی با کمک اندازه گیری های الکتریکی در حدود سالهای دهه ی 1800 ارائه شد، اما کاربرد عملی و نتیجه بخش این روش حدود یک قرن بعد مسیر گردید.
در تمام روش های گوناگون الکتریکی برای اکتشافات ژئوفیزیکی از عبور جریان الکتریکی در داخل زمین استفاده می گردد. تمام اجسام باعث کند شدن جریان الکتریکی می شوند، به طوری که انرژی بایستی برای حرکت ذرات مصرف شود. میزان جلوگیری اجسام در برابر عبور جریان با عنوان مقاومت ویژه الکتریکی مربوط جسم توصیف می شود. یکی از اهداف برداشتهای الکتریکی، اندازه گیری این خاصیت فیزیکی که به عنوان پایه ای برای تشخیص لایه بندی و ساختمانهای داخل زمین تلقی می شود.

روشهای برداشت مقاومت ویژه الکتریکی که توسط ایجاد جریان مستقیم در داخل زمین در بین دهها صورت می گیرد، بهترین وسیله برای دقت روی قسمتهای مخصوص در زمین می باشد. نتایج روشها کمترین مشکل برای فهم و تفسیر خواهند داشت. بنابراین ما بحث را با روشهای جریان مستقیم اندازه گیری مقاومت ویژه آغاز خواهیم کرد.

روش برداشت الکتریکی دیگر که پلاریزاسیون القایی نامیده شده گسترش یافته از عمل برداشت مقاومت سنجی است. ورود جریان به داخل زمین میدان الکتریکی تولید کرده که براین زمان کوتاهی بعد منبع جریان ادامه می یابد. تداوم این میدان موقتی بستگی به ظرفیت زمین برای تخلیه تمرکز بار به آمده با جریان ورودی دارد. درباره این که چگونه برداشت پلاریزاسیون القایی تداوم میدان الکتریکی، روشهای برداشت الکتریکی دیگر شکل میدانهای الکتریکی اتفاق افتاده طبیعی را آزمایش می کند.

هدف روشهای معروف پتانسیل خودزا (sp) نقشه برداری میدانهای دایمی است که نزدیک تمرکز بار الکتریکی وجود دارد. عملیات و الکتروشیمیایی همراه با ساختمانها و ذخیره های معدنی این تمرکز را تولید کرده به طوری که ساختمان به صورت یک باطری طبیعی عمل می کند.

گروه ژئوفیزیک سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور در اواخر سال 1379 به سرپرستی آقایان عامری و شاهین برای مطالعه و برداشتهای ژئوفیزیکی به روش IP و RS به منطقه عزیمت کردند. مأموریت در دو منطقه چاه کلپ و چاه زاغو در 3676 ایستگاه انجام شد. برداشتهای ژئوالکتریکی با آرایش مستطیلی با خط جریان 800 متری (AB = 800 m) و آرایش دو قطبی ـ دو قطبی با مشخصه AB = MN = 20 m و دو آرایش سه الکترونی (قطبی ـ دو قطبی) صورت گرفت. همچنین قریب 80 درصد ایستگاهها توسط گروه نقشه برداری سامان زمین شناسی اکتشافات معدنی کشور توسط دستگاه دیستومات، به فاصله 20 متر از یکدیگر و در سیستم UTM پیاده و برداشت گردید.

قبل از توضیح کارهای انجام شده در منطقه چاه کلپ، مبانی برداشتهای ژئوالکتریکی مختصرا بیان می شوند.
روش پلاریزاسیون القایی :
اول بار در اواخر دهه 1940 روش پلاریزاسیون القایی برای اکتشاف توده های کاسنگی، بویژه برای سولفید های پراکنده ( disseminuted) مورد استفاده قرار گرفت. در دهه 1960 از این روش به طور گسترده در اکتشافات ژئوفیزیکی معدنی استفاده گردید. کزاواشلامبرگر احتمالا اولین فردی بود که وجود پلاریزاسیون القایی را گزارش کرد. وقتی که جریان الکتریکی وادار به حرکت در زمین به وسیله الکترودهای منبع و مخزن می شود ممکن است در جاهای مختلف تمرکز بارهای الکتریکی ایجاد شود. پس از قطع جریان ورودی این بارها به توزیع اولیه خود در زمین بر می گردند. در اثنای مدت زمانی که تمرکز بارها از بین می رود پتانسیل الکتریکی تداوم می یابد. این پدیده پتانسیل القایی نامیده می شود.

تجارب آزمایشگاهی نشان داده است هنگامی که جریان الکتریکی او نوع مستقیم (D.C) و یا متناوب (A.C) با فرکانس خیلی کم حدود 1/0 هرتز به زمین فرستاده شود، انرژی الکتریکی در داخل سنگها توسط فرآیندهای الکتروشیمیایی ذخیره می شود. این عمل معمولا به دو طریق صورت می گیرد :
الف : پلاریزاسیون غشایی یا IP غیر فلزی :
که در آن عبور جریان الکترولیتهای موجود در خلل و خرج سنگها صورت می گیرد. این نوع IP در زمینهای رسی دیده می شود و بدین جهت در اکتشاف آب و نواحی رسی کاربرد دارد. علت این نوع IP را می توان چنین توجیه کرد که سطح کانی های رسی دارای بار منفی است و در نتیجه بارهای مثبت را جذب می کند لذا بعد از گسترش جریان بارهای مثبت جا به جا می شوند و پس از قطع به وضع اولیه خود بر می گردد که نتیجه این عمل پدیده IP می باشد.

ب : پتانسیل الکترودی یا IP فلزی :
که در آن عبور جریان الکتریکی توسط یونهای فلزی در سنگها صورت می گیرد. البته در این حالت ممکن است همزمان عبور جریان الکتریکی توسط الکترولیتهای موجود در خلل و خرج آنها نیز انجام شود. هر گاه جریان الکتریکی فرستاده شده به داخل زمین به طور ناگهانی قطع شود یونها به آهستگی پراکنده شده و به سوی تعادل پیش می روند که سبب پیدایش ولتاژ ضعیف و رو به رو زوال IP می شود. طول مدت دوام ولتاژ روبه رو زوال IP در داخل زمین به عواملی مثل بافت سنگها، نفوذ پذیری، قابلیت هدایت الکتریکی، کانی های فلزی و قابلیت الکترولیت موجود در حفرات سنگها بستگی دارد.

هر چه ماده معدنی هادی تر باشد و پراکندگی آن در سنگ میزبان بیشتر باشد IP بزرگتر خواهد بود زیرا در این حالت شعاع تماس جهت تعادل الکترونی ـ یونی به حداکثر خواهید رسید اما در مورد بعضی از عوامل مثل مقاومت سنگ در بر گیرنده نمی توان به طور قطع اظهارنظر کرد زیرا با تجربه ای که ر عملیات زمینی به دست آمده است در اکثر موارد با مقایسه ی نقشه های مقاومت ظاهری و شارژ ابلیته مشخص می شود نواحی که دارای IP قوی است دارای مقاومت ظاهری زیادی بوده و با بررسی سرزمین معلوم می شود که با وجود ماده معدنی با سیلیسی شدن سنگهای درون گیر همراه است.

اختلالات در اندازه گیریها و روشهای حذف آنها :
در این مبحث فرض بر صحت اندازه گیریها بوده و خطاهای دستگاهی در مقایسه با سایر خطاها قابل اغماض فرض می شود. لذا در این قسمت اختلات ناشی از پدیده های زمین شناسی نامطلوب و اثرات شرایط خاص زمین شناسی مورد توجه قرار گرفته است.
پلاریزاسیون غشایی :
این پلاریزاسیون در سنگهایی که درصد ناچیزی از کانیهای رسی در آنها پخش شده باشد ظهور می کند.

خصوصا در سنگهای متخلخلی که رس در قسمتی از مسیر تخلخل مؤثر حاوی الکترولیت قرار می گیرد مقدار پلاریزاسیون غشایی افزایش می یابد. از آنجا که حین اندازه گیری نمی توان اثر پلاریزاسیون غشایی از پلاریزاسیون فلزی تشخیص داد، پلاریزاسیون غشایی در اکتشاف ذخایر معدنی فلزی پاریزیت محسوب می شود. ولی همان طور که قبلا اشاره کردیم این پلاریزاسیون در اکتشاف منابع آبهای زیر زمین که سنگ کف آنها از نوع رس، مفید خواهد بود. برای تشخیص وجود پلاریزاسیون مربوط به رس ها باید از زمین شناسی منطقه مورد مطالعه هم کمک گرفت و با روشهای ویژه پلاریزاسیون الکترودی فلزی را از پلاریزاسیون غشایی تمیز داد.

اثر کوپلینگ القایی الکترومغناطیسی :
اثرات القایی الکترومغناطیسی باعث انحراف اختلاف پتانسیل مربوط به پلاریزاسیون القایی می گردد. این انحراف ناخواسته هنگامی که طول خط جریان زیاد است و زمین هم دارای هدایت ویژه قابل توجهی است محسوس بوده و باعث خطای زیادی در اندازه گیری های پلاریزاسیون القایی می شود. از شناخت چنین انحرافاتی در اندازه گیریهای پلاریزاسیون القایی ضروری است.
راماچانداران (ramachanderan) در سال 1980 با بررسی اثر کوپلینگ الکترومغناطیسی نشان داده که در آرایه های مستطیلی الکترو مغناطیسی دارای علامت منفی بوده، یعنی در خلاف جهت پلاریزاسیون القایی می باشد و در آرایه های دو قطبی ـ دو قطبی و قطبی ـ دو قطبی این اثر دارای علامت مثبت بوده یعنی در جهت موافق پتانسیل پلاریزاسیون القایی است.

روشهای اندازه گیری :
اولین راه اندازه گیری ولتاژ رو به زوال IP در قلمرو زمان (Time-Domain) می باشد که خود به اشکال گوناگون صورت می گیرد که بستگی به نوع دستگاههای اندازه گیری دارد. یکی از روشها اندازه گیری شارژ ابلیته ظاهری بر اساس نسبت ΔVIP/ΔVS می باشند. در این روش کمیت ΔVIP را در یک مان معین (T) پس از قطع جریان، اندازه گیری می کنند و نسبت آن راه به ΔVS (ولتاژ اندازه گیری در زمان 0T) با واحد میلی ولت بر ولت نشان می دهند. در این طریق زمان T درست کمی بعد از جریان 0T انتخاب می شود تا اثر جریان الکترومغناطیسی ثانویه حاصل از بین برود. از سوی دیگر زمان T نباید زیاد طولانی باشد زیرا ممکن است افت پتانسیل IP آنقدر زیاد باشد که به حد پارازیت برسد.

روش دیگر اندازه گیری شارژ ابلیته ظاهری در حوزه فرکانس (Fre quency Domain)است که از این روش تغییرات مقاومت ویژه ظاهری در فرکانسهای مختلف تعیین می گردد. چون جریان حاصله از IP در سنگهای زیر سطحی با جهت جریان تزریقی مخالفت می کند به همین دلیل سبب ایجاد یک مقاومت مازاد بر مقاومت الکتریکی سنگها می شود. این مقاومت مازاد با افزایش فرکانس جریان تزریقی مرتبا کم می شود زیرا افزایش فرکانس سبب کم شدن مقدار ولتاژ IP می شود.

معمولا در سنگهایی که تقریبا فاقد کانی های هادی هستند IP خیلی کم ایجاد می شود و در نتیجه اثر ازدیاد فرکانس در کاهش پارازیت حدود 1% می باشد ولی در سنگهایی که کنی هادی به مقدار قابل ملاحظه ای وجود دارد مقدار IP حاصله نسبتا زیاد و در نتیجه به ازای هر ده برابری که بر فرکانس جریان تزریقی افزوده شود، پارازیت به اندازه 10 تا 20 درصد کاهش نشان می دهد. اندازه گیری های حوزه فرکانسی نسبت به حوزه زمانی دارای این مزیت است که نسبت سیگنال به پارازیت در آنها بیشتر است و برتری اندازه گیریهای حوزه زمانی نسبت به حوزه فرکانسی سرعت بیشتر اندازه گیریها و صرفه جویی در زمان است.
روش مقاومت سنجی :
همان طوریکه قبلا اشاره شد در بیشتر سنگها هدایت جریان الکتریسیته به صورت الکترولیتی توسط ملکولهای سیال موجود در خلل و فرج سنگها و بین دانه ها صورت می گیرد. بنابراین مقاومت ظاهری طبقات زمین تابعی از عواملی چون مواد هادی (آب، مواد رسی، شوری، ...)، درجه تراکم، تخلخل و .... می باشد و با اندازه گیری و تعیین مقدار آن می توان برخی از عوامل زمین شناسی از جمله زون خرد شده، گسل، ساختمان طبقات زیرین و ضخامت رسوبات آبرفت را شناخت. بنابراین با داشتن شدت جریان (I) و اندازه گیری اختلاف پتانسیل با استفاده ا دستگاه IP می توان مقاومت ظاهری طبقات را از فرمول ρ = K ΔV/I محاسبه کرد.

5-2 آرایش های مورد استفاده
1-5-2 آرایش مستطیلی Cradiant Array
همان طور که قبلا اشاره شد در این نوع آرایش ابتدا موازی با روند بی هنجاری یا برون زدگی ماده معدنی بر روی زمین خطی را به عنوان خط مبنا Bose line در نظر می گیریم. سپس با توجه به عمق مورد مطالعه و یکنواختی تشکیلات زمین شناسی منطقه فاصله الکترونهای فرستنده (AB) و همچنین با در نظر گرفتن موقعیت و ابعاد توده مصرفی و پراکندگی آن فاصله الکترونهای گیرنده (MN) را مشخص می کنیم مقدار IP، مقاومت ویژه ظاهری اندازه گیری شده به نقطه وسط MN نسبت داده می شود. شکل زیر وضعیت الکترونهای گیرنده و فرستنده و پروفیل ها را نشان می دهد.

نقاط اندازه گیری در داخل مستطیلی است که مرکز آن منطبق با وسط AB بوده و ابعاد آن AB/3 در جهت عمود بر خط مبنا و AB/2 در امتداد خط مبنا می باشد بزرگترین امتیاز این نوع آرایش ان است که AB ثابت بوده و فقط الکترودهای MN متحرک می باشند و همچنین در طول عملیات شدت جریان ثابت می باشد.

2-5-2 آرایش دایپل ـ دایپل Dipole – Dipole
از این نوع آرایش برای مطالعه و بررسی تغییرات و گسترش بر هنجاری در عمق و بدست آوردن شبه مقطعی از IP و مقاومت ویژه ظاهری در مسیر یک پروفیل استفاده می شود. در این نوع آرایش هر چهار الکترود A,B,M,N در امتداد یک پروفیل قرار داشته و عملا فاصله الکترودهای فرستنده (AB) مساوی فاصله الکترودهای گیرنده (MN) AB = MN = a بوده و در هر اندازه گیری الکترودهای AB ثابت بوده و الکترودهای MN در امتداد پروفیل حرکت می کند

در نتیجه اندازه گیری برای عمق های مختلف انجام می گیرد. فاصله بین نزدیکترین الکترودهای جریان پتانسیل برابر na میباشد ( n = 1,1,3, …) و عمق هر اندازه گیری برابر a[/2(n+1)] = d خواهد بود و عدد اندازه گیری شده برای نقطه ای به محل تلاقی دو خط با زاویه 45 درجه نسبت به سطح زمین از MN و AB و هم شده نسبت داده می شود به این ترتیب از مجموع نقاط اندازه گیری شده با این روش شبه مقطعی از شارژ ابلیته و مقاومت ویژه ظاهری در امتداد یک پروفیل بدست خواهد آمد.