مقاله در مورد کاربرد الکترومغناطیس در ژئوفیزیک

بخشی از مقاله

كاربرد الكترومغناطيس در ژئوفيزيك

مقدمه
هدفهاي يك برداشت ژئوفيزيكي عبارتند از تعيين محل ساختارها يا اجسام زمين‌ساختي زيرزميني و در صورت امكان اندازه گيري ابعاد و ويژگيهاي فيزيكي مربوط به آنها د راكتشاف نفت اطلاعات ساختاري مورد توجه است زيرا نفت با عوارض خاص چون تاقديس در سنگهاي رسوبي ارتباط دارد. در ژئوفيزيك معدن تاكيد بر آشكارسازي و تعيين ويژگهياي فيزيكي مي شود. هر چند كانسارهاي معدني نشانه هاي ژئوفيزيكي متمايز و قابل اندازه گيري از خود بروز مي دهند ولي اغلب شكل

نامنظم دارند و در سنگهايي با ساختار پيچيده روي مي دهند كه تفسيبر كمي دقيق را دشوار يا غيرممكن مي سازد. در بررسيهاي اوليه ساختگاه ممكن است هم ساختار و هم ويژگيهاي فيزيكي مورد توجه مهندسان باشد. در محل ساختمانهاي بزرگ اغلب تغييرات عمقي سنگ كف مودر نياز است ووقتي كه تحمل بارهاي سنگين مورد لزوم باشد ويژگيهاي مكانيكي روبار ممكن است اهميت پيدا كند.
يك برداشت ژئوفيزيكي شامل مجموعه اي از اندازه گيريهاست كه معمولا با طرحي نظم دار بر روي سطح زمين دريا يا هوا به طور قائم در داخل چاه آزمايشي انجام مي شود. اين اندازه گيريها ممكن است از تغييرات فضايي ميدانهاي نيروي ايستا باشد(گراديان هاي پتانسيل الكتريكي گرانشي يا مغناطيسي ) يا از سرشتيهاي ميدانهاي موج بخصوص از زمان سير امواج كشسان (لرزه اي و واپيچش ) دامنه و فاز امواج الكتور مغناطيسي . اين ميدانهاي نيرو و موج تحت تاثير ويژگيهاي

فيزيكي و ساختار سنگهاي زيرزميني قرار مي گيرد. از آنجا كه ويژگيهاي فيزيكي اغلب مربوط به مرزهاي زمينشناختي است و لذا هر گونه مساله ساختاري به تفسير اين ميدانها در روي زمين بر حسب اين ناپيوستگي ها بر مي گردد. آساني انجام اين كار به عوامل بسيار بسته است كه از آن ميان پيچيدگي ساختار و درجه تباين ويژگيهاي فيزيكي سنگهاي سازنده آن ساختار اهميت خاص دارند. واضح است كه در انتخاب تكنيك ژئوفيزيكي كه بايد مطالعه مساله اي بكار رود تباين ويژگيهاي سنگهاي زير زميني وهمگني آنها در يك سازند خاص از عوامل مهمي است كه بايد مورد توجه قرار گيرند. ويژگيهايي از سنگها كه بيش از همه در اكتشافات ژئوفيزيكي از آنها استفاده مي شود

عبارتند از كشساني ، رسانندگي الكتريكي ، چگالي ، خودپذيري مغناطيسي و قطبش پذيري باقميانده والكتريكي . ويژگيهاي ديگري چون درجه راديواكتيويته نيز تا حد كمي به كار مي روند.
همه مواد اثر گرانشي دارند ولذا تغييرات جانبي چگالي در داخل زمين تغييراتي كوچك ولي غلب قابل اندازه گيري در گراني بر روي زمين بوجود مي آورد. همين طور بسياري از سنگها محتوي مقادير كوچكي از ككانيهاي مغناطيسي مي باشند ولذا تا حدي از خودپذيري مغناطيسي يا مغناطيدگي دائم آنهاست سبب تغييرات محلي در ميدان مغناطيسي منتجه مي شود كه باز هم بر روي سطح زمين قابل اندازه گيري است. از روي شكل ميدانهاي گرانشي يا مغناطيسي منتجه مي شود كه باز هم بر روي سسطح زمين قابل اندازه گيري است . از روي شكل ميدانهاي گرانشي يا مغناطيسي منتجه مي شود كه با زهم بر روي سطح زمين قابل اندازه گيري است . از روي شكل ميدانهاي گرانشي يا مغناطيسي سطح زمين ميتوان استنتاجهايي از ساختار زيرزميني بدس

ت آورد هر چند به لحاظ ابهام دروانزادي در اين روشهاي ميدان پتانسيل اگر بخواهيم به حلهاي قابل استفاده برسيم به اطلاعات زمينشناسي يا اطلاعات ژئوفيزيكي ديگر نياز داريم.
در اندازه گيريهاي گرانشي و مغناطيسي از ميدانهاي طبيعي نيرو استفاده مي شود. در بيشتر روشهاي لرزه اي و الكتريكي (شامل الكترومغناطيسي ) كه با ويژگيهاي كشسان و الكتريكي سنگها سركار ودارند لازم است كه به زمين انرژي داده شود. از ا“جا كه چشمه تحت كنترل است فاصله چشمه تا آشكارساز مي تواند متغير باشد. اين باعث مي شود كه تفسير نتايج با ابهامي خيلي كمتر از موقعي صورت مي گيرد كه ميدانهاي گراني و مغناطيسي بكار گرفته مي شوند. در بعضي از روشهاي الكتريكي جريان مستقيم يا جريان با فركانس خيلي كم از طريق الكترودهايي به زمين داده مي شود. شكل ميدان الكتريكي در سطح زمين به ترتيب الكترودها و توزيع رسانندگي الكتريكي در زيرزمين ارتباط دارد. آنچه انداهز گيري مي شود همين ميدان سطحي است. وقتي جريان مستقيم يا جريان متناوب كم فركانس مستقيما به زمين داده شود اندازه گيري در اصل همان گراديان پتانسيل است (يعني اختلاف پتانسيل بين دو الكترود اندازه گيري) ولي اين اندازه گيري ممكن است در دستگاه مربوطه به صورت مقاومت نشان داده شود. وقتي جريان مستقيم در داخل زمين عبور مي كند بعضي كانه هاي فلزي از خود قطبش الكتريكي بروز مي دهند. اين كانه ها از لحاظ الكتريكي باردار مي شوند و وقتي كه جريان قطع شود يك تخليه گذرا به مدت چند ثانيه در آنها مشاهده ميگردد. روش قطبش القايي از اين اثر استفاده ميكند.همچنين ممكن است انرژي

را به صورت القايي با استفاده از يك پيچه كه جريان متناوب با فركانس حدود 1000 سيكل در ثانيه را در خود دارد به زمين ترزيق كرد در حالي كه هيچگونه تماس الكتريكي با زمين وجود ندارد. در اين روشها كه به روشهاي الكترومغناطيسي معروفند ميدان مغناطيسي متناوب حاصل از پيچه فرستنده به رساناهاي خوب زمين جريانهاي پيچكي القا مي كند لذا بر روي سطح زمين به صورت ميدانهاي ثانوي ظاهر شده و ميتوان با يك پيچه جوينده آنها را اندازه گيري كرد.
دوتكنيك لرزه اي مجزا و جود دارد يكي از بازتاب و ديگري از شكست امواج كشسان در سنگها استفاده ميكند. روش بازتاب كه عموما در نفت يابي كاربرد دارد پيشرفته ترين روش اكتشافي اس

ت و اگر در محلي قابل اجرا باشد بيشترين اطلاعات را كسب مي كند. ازآنجا كه سنگهاي زمين

چگاليها و ويژگيهاي كشساني متفاوت دارند امواج كشسان (صوتي) با سرعتهاي متفاوت در داخل ا“ها انتشار يافته و در سطح مشتركها كه ويژگيها تغيير مي كند بازتابيده و شكسته مي شوند. لذا وقتي در يك توالي رسوبي از انفجاري در سطح زمين موجي كشسان انتشار مي يابد جزئي از آن توسط سطح مشتركهاي مختلف بازتابيده و جزئي شكسته (شكست مرزي-م) و به سطح زمين بر مي گردد. از روي زمان عبور موج تا شماري از نقطه ها بر روي سطح زمين شكل و ابعاد ساختار زيرزميني را ميتوان محاسبه كرد.
در انتخاب روش براي يك برداشت خاص عوامل زيادي چون زمينشناختي اقتصادي،‌لجستيكي (مربوط به تداركات، ترابري و افراد) و ژئوفيزيكي دخالت دارند. براي به نقشه دراوردن ساختار سنگهاي رسوبي در عمقهاي چند هزارفوتي (1ft-30/5 cm) هيچ روشي جاي لرزه نگاري بازتابي ران خواهد گرفت . اين روش تا آنجا پيشرفت كرده است كه امروزه اين امكان وجود دارد كه تصوير دقيق و بسيار كاملي از زير زمين بدست آيد حتي اگر اين تصوير بسيار پيچيده باشد. در مسائل كوچك مقياس همچون آنهايي كه در كارهاي مهندسي عمران يا هيدروژئولوژي با آنها روبرو مي شويم انتخاب روش بين روش شكست مرزي لرزه اي و روش مقاومت ويژه الكرتيكي خواهد بود.
در ژئوفيزيك معدن كه در جستجوي كانه هاي فلزي است معمولا زمينشناسي براي استفاده از تكنيكهاي لرزه اي بسيار پيچيده است . در اينجا تباين فيزيكي مشخص بين كانه ها و سنگهاي ميزبان روشهاي الكترومغناطيسي ، مغناطيسي و گاهي حتي گرانشي را قابل اجرا مي سازد. ولي تفسير فقط نيمه كمي است زيرا اين گونه اجسام از لحاظ شكل وناهمگني نامنظم هستند. ب

ا وجود اين شواهدي از اندازه عمق و كيفيت را ميتوان كسب كرد.
در بسياري از موارد در يك برداشت زميني بيش از يك روش بكار گرفته مي شود. نفت يابي ممكن است با كارهاي گراني و مغناطيس هوابرد آغاز شود. اين كار مقدمه اي است بر كارهاي لرزه اي

در محلهايي كه بر اساس تفسير برداشتهاي منطقه اي قبلي انتخاب شده اند.
تركيب داده هاي الكترومغناطيسي ، مغناطيسي و گراني ممكن است اين امكان را به وجود اورد كه معلوم شود آيا بعضي نشانه ها ارزش كانه فلزي بودن را دارند يا صرفا تمركزي از كانيهاي غيراقتصاديند.
پس از انتخاب روش يا روشها و دستگاهها طرح بندي برداشت مي يابست تعيين شود . اين موضوع بيشتر به طرح ريزي ايستگاهها وخطهاي اندغازه گيري و شلوغي آنها ارتباط مي يابد.
براي يك تفسير مناسب چقدر لازم است؟ پاسخ تا حدودي به وضع اقتصادي ارتباط دارد . براي مثال اگر اجسام كانه اي كم عمق بايد آشكارسازي شوند لازم است كه خطوط اندازه گيري از روي آنها عبور كنند يا حداقل نزديك آنها باشند. واضح است كه حداقل فاصله خطهاي مورد استفاده به مقدار زيادي تحت تاثير اندازه و مقدار كانه مي باشد زيرا وقتي فاصله خطها را كاهش دهيم احتمال پيداكردن يك جسم كانه با ارزش افزايش مي يابد ولي مخارج بالا مي رود. مساله اساسي تري به نام نوفه نيز بايد مورد توجه قرا رگيرد. گذشته از محدوديتهاي كاملا دستگاي هر اندازه گيري تحت تاثير تغييرات محلي پيشا در ويژگيهاي زيرزميني مي باشد. اگر لازم است كه بي هنجاري با دقت كافي برداشت شود مي بايد هر چه اين نوفه در مقايسه با بزرگي آشفتگي يا بي هنجاري حاصل از جسم مورد نظر بزرگتر است فاصله داده ها به هم نزديكتر باشد. بنابراين آنچه قابليت آشكارسازي را كنترل مي كند محدوديتهاي نوفه زمين است نه محدوديتهاي دستگاهي. اين نوفه اغلب حضور دارد و به همين دليل تفسيرهاي مبتني بر پيمايشهاي تك يا با فاصله هاي گسترده مي تواند خيلي مشكوك باشد.
در برخي موارد ممكن است ناهمگني آنچنان زياد باشد كه تفسير بدون ابهام غيرممكن شود. در نظر اول ممكن است تعيين عمق يك پر سنگ نسبتا سخت در زير رولايه ماسه اي مساله ساده اي باشد. اين ظاهرا نمونه اي است از يك سطح مشترك بين دو محيط بارسانندگي الكتريكي بسيار متفاوت. ولي اين كار ممكن است به لحاظ طبيعت ناهمگن رو لايه غيرممكن باشد زيرا تغييرات در محتواي رس اندازه دانه ها و محتواي آب تغييرات مشخصي در رسانندگي توليد مي كند. لذا مساله از حالت تنها يك سطح مشترك خارج مي شود. در اين صورت سطح مشتركهاي زيادي داريم كه بعضي از آنها به طور جانبي ماندگار نيستند. بنابراين تفسير مبتني بر فرض ساده تك سطح مشتر

ك اعتباري ندارد و اين پيچيدگي ممكن است به گونه اي باشد كه مساله غيرممكن شود. التكبته هيچ رولايه اي واقعا يكنواخت نيست ولي همه تكنيك هاي تفسير در اين خصوص كمي آزادي عمل دارند و اگر انحراف از همگني زياد نباشد كار خواهند كرد. دشواري كار در اين است كه مي بايد ترجيحا از ابتدا تشخيص دهيم كه آنچه ظاهرا ساده به نظر مي آيد در واقع پيچيده است .همچنين روشها را به كار مي بريم تفسيرهاي رضايتبخش تنها موقعي بدست مي آيد كه ساختارها نسبتا ساده باشند.
آخرين مرحله تصميم گيري در كاوشها و بررسيهاي ساختگاههاي آن است كه حفاري انجام گيرد يا نه و چه وقت. در مهندسي عمران كه عمقهاي بررسي كم و دقت زياد لازم است ممكن است از ژئوفيزيك صرفنظ ر شود و از آغاز حفاري بعمل آيد. وقتي عمقها يا فاصله هايي كه بايد پوشش داده شوند افزايش مي يابد بويژه اگر زمين شناسي ساده باشد ژئوفيزيكي به طور افزاينده اي بكار گرفته مي شود در حالي كه چاههاي آزمايشي دور از هم ولي مناسب اين كار را كنترل مي كند.
در كاوشهاي نفتي ساختارهايي كه بايد كشف شوند در عمق زياد خوابيده اند به طوري كه حفاري قبل از برداشت ژئوفيزيكي در مقايس بزرگ غير ممكن است. به هر حال تكنيك هاي لرزه شناسي بازتابي آنچنان پبشرفته اند كه اين كار كاملا غيرضروري خواهد بود.
به طور كلي در تصميم گيري مربوط به يك برنامه حفاري بايد هر دو عامل اقتصادي و علمي مورد نظر قرار گيرد. هزينه حفاري براي به نقشه در آوردن دقيق سطح موجدار سنگ كف در يك ساختگاه ممكن است نسبت به هزينه به كارگيري ژئوفيزيك بسيار سنگين باشد ولي اگر تاوان اقتصادي حاصل از بي دقتي زياد باشد حفاري ممكن است ارزانتر تمام شود. از طرف ديگر وقتي پهنه بزرگي مي بايد با تفصيل پوشش يابد ولي دقت زياد مورد نظر نيست ژئوفيزيك مي تواندپاسخ بديهي باشد.

روش لرزه اي
كليات
در روش لرزه اي يك تپ (پالس) كشسان يا به عبارت بهتر يك ارتعاش كشسان را در عمق كم ايجاد وحركت حاصله را در نقاط نزديك بر روس سطح زمين با يك لرزه سنج كوچك يا ژئوفون آشكارسازي مي نمايند. اندازه گيري زمان عبور اين پالس تاژئوفون هايي كه در فاصله هاي مختلف قرا ردارند سرعت انتشارپالس را در زمين در اختيار مي گذارد. زمين عموما از لحاظ ويژگيهاي كشسان همگن نيست و لرا اين سرعت هم با عمق و هم به طور جانبي تغيير مي كند. هر جا كه ساختار زمين ساده باشد مقادير سرعت موج كشسان و موقعيت مرزهاي بين مناطق با سرعتهاي متفاوت از روي فاصله زماني اندازه گيري شده ميتوان محاسبه كرد. مرزهاي سرعتي عموما با مرزهاي زمينشناختي مطابقت دارند ولذا سطح مقطعي كه برروي آن سطح مشتركهاي سرعتي رشم شده باشد ممكن است با سطح مقطع زمينشناختي شباهت داشته باشد هر چند كه اين دو لزوما يكي نيستند. كاربرد اين روش به طور گسترده دركاوش نفت يا بهتر است گفته شود در جستجوي ساختارهاي زمينشناختي كه براي انبارش آن مناسبترين هستند در عمقهاي حدود چند كيلومتر مي باشد. آشكارسازي مستقيم نفت بندرت امكانپذير است ولي تاكنون موفقيت هايي در

زمينه محل انبارش گاز بدست آمده است كه به طور قابل توجهي سرعت لرزه اي را در سنگهاي حاوي آن كاهش مي دهد.
روشهاي لرزه اي همچنين اهميت عمده اي در زمينه هاي مهندسي بررسي خاستگاه و

زمينشناسي آب دارند. در اينجا عمق مورد نظر در برد چندده متر تاكمتر از چند متر است و مسائلي كه به حل آنها پرداخته ميشود از تخمين عمق سنگ كف پر سرعت با يك سطح ايستايي مشخص گرفته تا ارزيابي ويژگيهاي مكانيكي و آبشناختي (درجه شكستگي، تخلخل ، درجه اشباع و غيره ) مواد يك پي پوشيده يا آبخوان را شامل مي شود.
روشهاي لرزه اي در اكتشاف كانيهاي غيرفلزي كاربرد كمي دارند . اين بدان خاطر است كه اين گونه نهشته هاي كاني اغلب گسترش كوچكي دارند و سرعت لرزه اي در انها با سرعت در سنگهاي ميزبانشان يكي است و اغلب در شرايط پيچيده زمينشناختي ظاهر مي شود كه منجر به دشواريهايي در تفسير مي شود. هر جا كه كاربرد لرزه شناسي در مسائل كوچك مقياس پيش آيد مهم است به خاطر داشته باشيم كه تفكيك در اين روش يعني قدرت جداسازي ساختارهاي نزديك به هم به ابعادي محدود مي شود كه خيلي كمتر از طول موج امواج لرزه اي نباشند. طل موج از تقسيم كردن سرعت اين امواج بر فركانس آنها پيدا مي شود. گستره سرعتهاي لرزه اي در خاكها و سنگهاي پوسته بين حدود 600 ms , 200 است . و گستره فركانس هايي كه در اكتشافات لرزه اي به كار ميرود بين حدود 10 تا 200 h است به طوري كه ممكن است با طول موجهايي از 600m , 1m برخورد كنيم . طول موجهاي نوعي در اكتشاف نفت در حدود 100m و در بررسي مقدماتي ساختگاه ممكن است 3-30m باشد.
توليد و انتشار امواج لرزه اي
روشهاي مختلف توليد پالس هاي لرزه اي و امواج گسترده اي براي اكتشاف در بخش 3-2 شرح داده شده است. به هر نحوي كه پالس با موج توليد شود حركت ثبت شده در يك آشكارساز (معمولا مولفه قائم سرعت زمين) خيلي در هم آميخته است. قسمتي از اين آميختگي بدان علت است كه انواع مختلف موج كشسان با هم توليد مي شوند و با سرعتهاي متفاوت حركت مي كنند و قسمتي ديگر بدان علت است كه هر يك از اين انواع موج ممكن است از طريق بازتاب و شكست درسطح مشتركها چندين مسير متفاوت تاژئوفون را دنبال كند. بدين ترتيب لرزه نگاشت حاصل از حركت زمين كه توسط يك پالس كوتاه توليد ميگردد در فاصله زماني خيلي طولاني تر از مدت زمان خود پالس گسترده مي شود.

برداشتهاي لرزه اي و تفسير آنها
مقدمه
وقتي سرعت لرزه اي با عمق افزايش مي يابد انرژي از طريق شكست مرزي به سطح زمين بر مي گردد و اندازه گيريهاي زمان-سير برحسب فاصله را ميتوان علي الاصول به نموداري از سرعت نسبت به عمق تبدلي كرد. اين اساس روش شكست مرزي لرزه اي است در حالي كه روش بازتاب ب

ه بازگشت انرژي بازتابيده از ناپيوستگيهاي سرعت استوار است كه مي تواند ازدياد سرعت يا كم شدن آن باشد. در ساده ترين پروفيل پيماهاي بازتابي اين بازتابها بر روي يك آشكار سازد تك در نزديكي چشمه انرژي ثبت و زمان سير تابش قائم t=2h/V اندازه گيري مي شود ولي براي پيدا كردن عمق بازتابنده سرعت V مواد بالاي آن بايد معلوم باشد. ثبت زمان سير بر حسب تابعي از برد افقي از چشمه اين امكان را به وجود آورد كه با استفاده از معادله سرعت v تعيين شود و تفسي

ر كاملي بدست آيد.
روش بازتاب مي تواند آسانتر از روش شكست مرزي براي مواجه با حالتهاي چند لايه اي در حوضه هاي رسوبي معمولي تعميم داده شود و اين روش به طور گسترده اي براي اكتشاف نفت توسعه يافته است. مزاياي اين روش در ارائه مقطعي تفسيري كه بخوبي مي توان آنرا با مقعط زمينشناختي واقعي مربوط ساخت آنچنان آشكار است كه در نظر اول تعجب مي كنيم كه چگونه روش شكست مرزي با ارائه تنها يك مدل زميني ساده معدودي لايه هاي اصلي توانسته است با آن رقابت كند. ولي دو نوع مساله وجود دارد كه در حال حاضر با استفاده از روش شكست مرزي با موفقيت بيشتري حل مي شود : اول آنهايي كه فقط با عمقهاي كم در حدود 100 متر سروكار دارند و از نوع كارهاي بررسي ساختگاه و هيدروئولوژيكي (زميشناسي آب )‌مي باشند و دوم بررسي ساختار عمقي پوسته زمين.
در حالت اول موج بازتابيده آنچنان سريع به سطح زمين مي رسد كه جداسازي آن از ساير رويدادها در بخش ابتدايي لرزه نگاشت دشوار است . بر اين دشواري مي توان با استفاده از چشمهاي بافركانس بالاتر از نرمال فايق آمد واين تنها در مناطق پوشيده از آب عملي ميباشد . دشواري در بررسيهاي پوسته اساسي تر است. تباينهاي سرعت در عمق پوسته اساسي تر است. تباينهاي سرعت در عمق پوسته كوچكند و لايه بندي پيوسته جانبي كه سرشتي حوضه هاي رسوبي است و درامتداد جانبي ماندگار نيست . و اين منجر به قطعه هاي بازتابيده نامربوط كوتاه بجاي افقهاي پيوسته مي شود. در اين فصل فقط شيوه هاي كار شكست مرزي كم عمق (<100m) و اكتشاف بازتابي متعارف با پوشش عمقي بين چند صد تا چند هزار متر مورد توجه قرار ميگيرند.

چشمه هاي لرزه اي
يك چشمه ايده ال بايد پالسي توليد كند كه فاصله زماني آن از چند ملي ثانيه بيشتر نباشد دامنه آن بزرگ باشد و درعين حال بي خطر ارزان وقابل تكرار باشد. همه اين ملزومات در خرج كوچكي از مواد منفجره كه در چاله هايي تا عمق چند ده متري منفجر مي شود. جمع است و در اوايل دوران كاوشهاي لرزه اي تقريبا تنهاوسيله منحصر به فرد بشمار مي آمد.امروزه انواع گسترده اي از چشمه هاي غيرانفجاري به شوت هاي م تعارف اضافه شده است . اي چشمه ها را مي توان

به دو دسته تقسيم كرد :‌آنهايي كه در خشكي و آنهايي كه در مناطق پوشيده از آب به كار گرفته مي شوند.