بخشی از مقاله
خلاصه
ژئوفیزیک به مطالعه خصوصیات فیزیکی زمین و محیط اطراف آن میپردازد. در عمل این مطالعه به دو صورت محض و کاربردی دنبال میشود. در این مقاله با استفاده از روش رادار نفوذی به زمین2 امواج الکترومغناطیسی با فشار بالا به منظور بررسیهای لایه های زیرسطحی کم عمق ساختگاه یک پروژه ساختمانی واقع در استان کرمانشاه منتشر شده و سپس تجزیه و تحلیل داده ها با استفاده از سیگنال های دریافتی صورت گرفته است. جهت بررسی ساختگاه از همین روش جهت شناسایی حفرات و قنات های قدیمی در محل احداث پروژه استفاده شد و محل قرارگیری حفرات، عمق و ابعاد آنها توسط این روش مشخص شد. نتایج بررسی ها و حفاری های پس از اسکن نشان می دهد که این روش به جز پاره ای اختلافات جزیی در عمق، منطبق بر اطلاعات بدست آمده از انجام آزمایش GPR بوده که در انتها به صورت مصور نشان داده شده است. با توجه به مساحت بالای سایت، استفاده از روش های معمول گمانه زنی به دلیل نقطه ای بودن، مناسب نیست و با استفاده از روش GPR یک اسکن کامل از سایت انجام شد.
کلمات کلیدی: ژئوفیزیک، شناسایی زیرسطحی، لایه بندی خاک، GPR
1.مقدمه
ژئوفیزیک را می توان به عنوان بررسی و مطالعه خصوصیات فیزیکی زمین تعریف کرد. با این تعریف ، مطالعاتی نظیز بررسی وضعیت جو ، مطالعه الکتریسیته هوا ،بررسی یونسفر و بسیاری مسائل نظیر آن ، نیز در این علم جای می گیرند.مطالعات ژئوفیزیکی به کشف گیلبرت که میگفت زمین مانند یک مغناطیس غولپیکر عمل میکند، برمیگردد. اما اولین قدم در کاربرد این علم برای اکتشاف مواد معدنی به سال 1843 میرسد و زمانیکه فونورده از تئودولیت مغناطیسی برای اندازهگیری تغییرات میدان مغناطیسی زمین به منظور اکتشاف تودههای آهن استفاده نمود. بدنبال آن در سال 1879 پروفسور رابرت تالن با تالیف کتاب کشف ذخایر آهن بوسیله روشهای مغناطیسی قدم موثری در جهت کاربردی نمودن ژئوفیزیک اکتشافی برداشت.
پس از آن تقاضای روز افزون بازار به فلزات و افزایش بیسابقه استفاده از نفت، گاز و مشتقات آنها در ابتدای قرن بیستم منجر به توسعه بسیاری از روشهای ژئوفیزیکی شد.از آنجا که اکثر ذخایر معدنی و حفرات و بی هنجاری های مدفون در زیر سطح زمین، بوسیله یک روباره پوشیده شدهاند، کشف این عوامل به خواصی که آنها را از محیط اطراف متمایز مینماید بستگی دارد. در صورتیکه تفاوت خواص فیزیکی بین ماده معدنی و سنگ درونآن ، وجود حفره، گسل و ... وجود داشته باشد، میتوان از ژئوفیزیک سطحی برای کشف ماده معدنی مربوطه ، وجود حفره ،گسل و ... استفاده کرد.
ژئوفیزیک کاربردی که عمدتاً در مطالعات زیرسطحی خاک، آبهای زیرزمینی، اکتشاف مواد معدنی و هیدروکربوری مورد استفاده قرار میگیرد، به روش های ثقلسنجی، مغناطیسسنجی، لرزهنگاری، الکتریکی، الکترومغناطیسی، رادیومتری، چاهپیمایی، فیزیکی حرارتی و ... تقسیمبندی میگردند.امروزه روشهای الکترومغناطیسی در بین روشهای ژئوفیزیکی بیشترین کاربرد را در شناسایی های زیرسطحی و اکتشاف موادمعدنی دارد. بهترین پاسخ در این روشها مربوط به تودههای هادی واقع در اعماق کم زیرسطح است. در فعالیتهای مهندسی هم این روشها خیلی استفاده شدهاست.
2. روش رادار نفوذی به زمین
این روش که عمده صاحبنظران آنرا جزو روشهای الکترومغناطیس محسوب مینمایند، عبارتست از انتشار امواج الکترومغناطیسی با فشار بالا به منظور بررسیهای زیرسطحی که این موضوع به تحقیقات هولس میر در سال 1904 برمیگردد. درصورتی که اولین منابع راجع به امکان استفاده از پالسهای الکترومغناطیس به دهه 1920 توسط شرکت آلمانی سایزموس - 1923 - و آقای هولسنبک - 1926 - برمیگردد. اما هیچ یک از این فعالیتها منتهی به ابداع یک سیستم پایدار برای بررسیهای زمینی با امواج الکترومغناطیس فرکانس بالا تا اختراع رادار نشد.رادار یک سیستم استفاده از پالسهای الکترومغناطیس با دوره تناوب کوتاه است که اولین بار توسط وزارت دفاع انگلستان به منظور شناسایی هواپیماهای دشمن در طی جنگ جهانی دوم بکار گرفته شد.
گو اینکه چندین سیستم مشابه قبل از این جنگ در فرانسه، آلمان، امریکا و حتی انگلستان وجود داشت. از این روش در ابتدا برای شناسایی مین، زباله های خطرناک و دیگر مواد زیرزمینی استفاده میشد. اما در حال حاضر استفاده از آن برای کاربرد های مهندسی عمران رو به افزایش است .با توجه به فرکانس زیاد مورد استفاده در این روش، عمق نفوذ در زمین کم است اما در بسیاریاز فعالیتهای مهندسی خصوصاً ژئوتکنیک، بررسی خاک، عمق لایه ها، بررسیهای زمینشناسی، شناسایی حفرهها، بررسیهای باستانشناسی، بررسی منابع آبهای زیرزمینی کمعمق و آلودگیهای زیرسطحی کاربردهای گستردهای به عنوان یک تکنیک غیر مخرب دارد.
اولین کاربردهای آن اختصاص به تعیین موقعیت لوله های آب و فاضلاب و کابل های مدفون داشته است ، از مهمترین کاربردهای بعدی آن می توان به تعیین خلل و فرج و حفره های موجود درزمین ، دال های بتنی روسازی باند فرودگاهها و عرشه پل ها اشاره کرد. [1] در کاربرد های اخیر با توجه به اینکه عیوب و مشخصات فیزیکی مورد نظر است، نیاز به رزولوشن بالاتری وجود دارد و به همین دلیل فرکانس کار باید بسیار بالاتر از کاربردهای زمین شناسی باشد. در کاربردهای زمین شناسی عمق نفوذ امواج فاکتور مهمتری است و به همین دلیل از فرکانس های پایین تری استفاده می شود. در فرکانس های پایین، امواج به دلیل پخش شدگی کمتر ، قابلیت نفوذ بالاتری دارند. استفاده از این روش دارای مزایا و محاسن قابل توجهی است که مهمترین آن ها عبارتست از : غیر مخرب بودن روش ، سرعت بالا ، جمع آوری اطلاعات بدون انسداد ترافیکی و جمع آوری پیوسته اطلاعات.
3. اصول عمومی و مبانی نظری روش رادار نفوذی در زمین
در این روش ثبت اطلاعات مبتنی بر ارسال امواج الکترومغناطیس به داخل لایه های خاک توسط یک آنتن فرستنده و دریافت امواج بازگشتی توسط یک آنتن گیرنده است. انعکاس امواج الکترو مغناطیس زمانی امکان پذیر است که تفاوت قابل قبول در مشخصات الکترومغناطیس لایه ها وجود داشته باشد. لذا در محل تماس 2 لایه با جنس مختلف و یا زمانیکه تفاوت معنا داری در خاصیت الکترومغناطیس تارهای مختلف یک لایه وجود دارد، امواج الکترومغناطیس ارسالی به سمت آنتن گیرنده منعکس می گردند. با توجه به دو خاصیت انعکاس و انتقال امواج در محل تماس 2 لایه ، در هر مرحله بخشی از امواج به لایه ای پایین تر انتقال و بخشی از آنها به سمت بالا و نهاتاًی آنتن گیرنده منتقل می گردند. این رفت و برگشت امواج تا زمان مستهلک شدن انرژی صادره از آنتن فرستنده ادامه دارد.
امواج دریافتی توسط آنتن گیرنده به مغز الکترونیکی سیستم منتقل و پس از تجزیه و تحلیل آنها یک تصویر الکترونیکی از لایه ها ثبت می گردد. در تصویر ثبت شده، لایه های مختلف و محل تماس آنها بر اساس انرژی امواج منعکس شده و یا به عبارت ساده تر ولتاژ آنها مشخص شده است. همچنین در این تصویر، ضخامت لایه ها رابطه مستقیمی با زمان رفت و برگشت امواج در درون آنها دارد.[ 2 ]امروزه سیستم های GPR متنوعی طراحی و تولید شده اند. ولی تمام این سیستم ها بر پایه یک پدیده ساده الکترو مغناطیسی استوار هستند. در این سیستم ها، یک پالس باریک الکترومغناطیسی توسط یک آنتن به سطح جسم تحت آزمایش تابیده می شود. این آنتن در فاصله بسیار نزدیک از سطح قرار دارد. فرکانس مرکزی پالس باید به طور مناسب انتخاب شود و این فرکانس در تعیین رزولوشن مورد نیاز و عمق نفوذ جسم موثر است. استفاده از سیگنال های فرکانس بالا، رزولوشن را افزایش می دهد، در عوض عمق نفوذ موج در ماده کاهش می یابد.[3 ]
یک سیستم GPR از یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده تشکیل شده است که هردو در یک ارتفاع و در فاصله کم از هم قرار دارند و هنگام اسکن، هر دو به طور همزمان و با یک سرعت حرکت می کنند.شکل 1 شمای کلی یک سیستم GPR را نشان میدهد. سیگنال بازگشتی از سطح توسط آنتن گیرنده دریافت و ثبت می شود و در نهایت پس از اتمام یک اسکن افقی، سیگنال های دریافتی در نقاط مختلف اسکن، به صورت یک تصویر با سطوح خاکستری نمایش داده می شود که یک بعد آن زمان و بعد دیگر، طول اسکن شده را نشان می دهد.ثبت اطلاعات و امواج دریافتی توسط آنتن مرکزی، به وسیله سیستم کنترل دستگاه رادار انجام می پذیرد و اطلاعات ذخیره شده توسط رادارگرام1 که عبارتست از تصویر مغناطیسی مقطع قائم لایه، نشان داده می شود.[4]
4.بررسی ساختگاه محل احداث پروژه تجاری – اداری واقع در استان کرمانشاه
جهت شناسایی حفرات و قنات های قدیمی در محل احداث پروژه از روش GPR استفاده شد و محل قرارگیری حفرات، عمق و ابعاد آنها توسط این روش مشخص شد. نتایج بررسی ها و حفاری های پس از اسکن نشان داد که این روش به جز پاره ای اختلافات جزیی در عمق، منطبق بر اطلاعات بدست آمده از انجام آزمایش GPR بوده که در انتها به صورت مصور نشان داده شده است.پروژه مذکور یک مجتمع تجاری - اداری پنج طبقه بوده که دارای یک طبقه زیرزمین است و با توجه به کدهای ارتفاعی پروژه لازم بود به مقدار متوسط 6 متر گودبرداری صورت گیرد. پس رسیدن به مراحل پایانی گودبرداری در ضلع جنوبی سایت به فاصله حدود 50 سانتیمتر مانده به کد اصلی، به یک لایه مقاوم و محکم برخورد شد که بیل مکانیکی قادر به کندن آن نبود و از کمپرسور جهت خرد کردن آن استفاده شد. درشکل 2 نمونه ای از این جنس سنگ نشان داده شده است.
هنگام عملیات حفاری به یکسری حفره برخورد شدکه داخل آن از یک خاک بسیار نرم که بیشتر شبیه رسوب بود پر شده بود. پس از تخلیه مقداری از رسوبات، مشخص شد که یک قنات یا کانال قدیمی آب یا فاضلاب بوده که به مرور زمان پرشده است، اما مشکل این است که این کانال به سمت وسط سایت ادامه پیدا کرده است، با توجه به مقاوم بودن لایه سنگی روی آن تخریب و شکافتن کانال عملا هزینه بسیار زیادی را به دنبال خواهد داشت، همچنین مشخص نیست که این کانال تا کجا ادامه دارد. با توجه به حساس بودن موضوع و جلوگیری از نشست های احتمالی آینده ساختمان تصمیم به به بررسی راداری زمین گرفته شد. مزیت این روش نسبت به سایر روش ها هزینه کمتر، بررسی کل زمین و سرعت بالا می باشد.[5]استفاده از روش های خاکبرداری، گمانه زنی و ... به علت هزینه زیاد و نامشخص بودن محل حفرات جهت گمانه زنی،عملاً مردود است.
5.روش اجرای عملیات اسکن سایت
برداشت ها در این روش به صورت خطی می باشد، جهت انجام اسکن، سطح پلان سایت به صورت 21 پروفیل طولی و عرضی مطابق شکل 3 ، به فاصله
