انواع روش‌های اکتشاف ژئوفیزیکی

تقاضای مداوم و فزاینده‌ی بهره‌برداری از فلزات و کانی‌ها و افزایش شدید مصرف هیدروکربورها مانند نفت و گاز طبیعی، در طول دهه‌های گذشته موجب توسعه‌ی بسیاری از روش‌های ژئوفیزیکی با دقت‌های زیاد برای آشکارسازی نهشته‌ها و ساختارهای غیرقابل رؤیت شده است. با توسعه‌ی وسایل الکترونیکی در تجهیزات صحرایی و کاربرد وسیع کامپیوترها در تحلیل داده‌های ژئوفیزیکی، پیشرفت روش‌های کاوش به ویژه در دهه‌ی گذشته بسیار سریع بوده است و امروزه روش‌ها و تجهیزات گوناگون و متنوعی در کاوش‌های صحرایی به کار گرفته می‌شود.

باید افزود که روش‌های ژئوفیزیکی فقط قادرند ناپیوستگی‌های زمین شناسی را آشکار کنند. ناپیوستگی جایی است که محیطی از لحاظ برخی خواص فیزیکی از محیط مجاور خود متمایز می‌شود. معمولاً خواص فیزیکی سنگ‌ها که در مطالعات ژئوفیزیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد شامل خواص کشسانی، چگالی، هدایت یا مقاومت الکتریکی، قابلیت مغناطیس شدگی، هدایت گرمایی و رادیواکتیویته است. با استفاده از همین خواص فیزیکی است که در روش‌های ژئوفیزیکی اساساً می‌توان ناپیوستگی‌های بین دو محیط را تشخیص داد. به طور کلی روش‌های کاوش ژئوفیزیکی را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:

روش لرزه‌ای

این روش بر اساس شیوه‌ی اندازه‌گیری زمان دریافت موج‌های لرزه‌ای به دو صورت بازتابی و انکساری (شکست مرزی) انجام می‌شود. در روش لرزه‌ای بازتابی معمولاً زمان انتشار موج لرزه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که از چشمه‌ی انرژی رها شده و در یک سطح بازتاب کننده بازتابش یافته است و در سطح زمین به گیرنده می‌رسد. در حالی که در روش لرزه‌ای انکساری معمولاً زمان انتشار یک موج لرزه‌ای انکساری که در سطح ناپیوستگی در محیط انکسار یافته است، اندازه‌گیری می‌شود. در این گونه روش‌ها چشمه‌ی تولید موج‌های لرزه‌ای معمولاً انفجار دینامیت یا ضربه‌ی پتک یا چکش است که می‌تواند موج‌های لرزه‌ای از نوع طولی یا برشی را تولید کند. موج‌های لرزه‌ای بازتابی یا انکساری را معمولاً گیرنده‌هایی که در اطراف چشمه‌ی تولید موج لرزه‌ای چیده شده‌اند ثبت و اندازه‌گیری می‌کنند.

روش لرزه‌ای بازتابی عمدتاً برای شناخت ساختار زمین در اعماق زیاد به کار گرفته می‌شود و با ثبت تغییرات زمان‌های دریافت موج‌های بازتابی از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر در سطح زمین، تصویری از ساختار لایه‌های سنگی زیر آن ناحیه مشخص می‌شود. در این روش با معلوم بودن فاصله‌ی بین گیرنده‌ی چشمه‌ی تولید انرژی و اندازه‌گیری انتشار موج لرزه‌ای، سرعت انتشار موج لرزه‌ای و عمق عمق مربوط به سطوح بازتابی قابل محاسبه است.

در روش کاوش لرزه‌ای انکساری، لایه‌های سنگی در مقایسه با روش لرزه‌ای بازتابی، تا اعماق کمتری قابل تشخیص می‌باشند. اما گستردگی جانبی زیادی را در بر می‌گیرد. به بیان دیگر، تا مسافت‌های طولانی می‌توان از لایه‌های زیرسطحی، اطلاعات به دست آورد و عمق دریافت اطلاعات به گستردگی جانبی گیرنده‌های چیده شده در اطراف چشمه‌ی انرژی بستگی کامل دارد. به این ترتیب، هر چه طول گستردگی گیرنده‌ها بیشتر باشد می‌توان از عمق بیشتری اطلاعات به دست آورد. معمولاً موج‌های لرزه‌ای حاصل از چشمه‌ی انرژی، مسافت‌های افقی زیادی را درون زمین می‌پیمایند و با اندازه‌گیری زمان دریافت موج‌های لرزه‌ای از نقطه‌ای تا نقطه‌ی دیگر اطلاعاتی درباره‌ی سرعت موج در سازندهای زیرسطحی و عمق یا ضخامت آن‌ها به دست می‌آید. اطلاعات به دست آمده از روش لرزه‌ای بازتابی اغلب کاملتر و بهتر از روش انکساری است، اما این روش پرهزینه‎تر است.

اگرچه دقت روش لرزه‌ای انکساری در مقایسه با روش بازتابی کمتر است ولی در زمان کوتاه‌تر و آسان‌تر می‌توان آن را انجام داد. روش لرزه‌ای انکساری معمولاً نمی‌تواند از شکل ساختارهای زیرسطحی اطلاعات دقیقی به دست دهد؛ در حالی که از روش کاوش لرزه‌ای بازتابی می‌توان اطلاعات دقیق‌تری در این مورد به دست آورد. در اکتشافات عمیق برای دستیابی به تله‌های نفتی، به طور معمول از روش بازتابی و در اکتشاف‌های کم عمق مهندسی برای به دست آوردن پارامترهای فیزیکی لایه‌های خاک در ساختگاه های مهندسی از روش انکساری بهره گرفته می‌شود. همچنین در کاوش‌های کانساری از روش لرزه‌ای در مقایسه با سایر روش‌های ژئوفیزیکی کمتر و محدودتر استفاده می‌شود.

گرانی سنجی (ثقل سنجی)

در کاوش به روش گرانی سنجی یا ثقل سنجی، تغییرات بسیار جزئی جاذبه‌ی ناشی از سنگ‌ها و کانی‌ها اندازه‌گیری می‌شود. اساس روش گرانی سنجی بر پایه‌ی رابطه‌ی مشهور قانون جاذبه‌ی نیوتون است. طبق قانون جاذبه‌ی نیوتون هر جسمی به جرم M می‌تواند به هر جسم دیگری که از آن فاصله‌ی معینی دارد، نیرویی به نام جاذبه یا گرانش اعمال کند. روشن است که سیاره‌ی زمین نیز به مثابه‌ی یک جرم بزرگ می‌تواند به هر جسم دیگری که روی سطح آن است و یا در فاصله‌ای از آن قرار دارد نیروی جاذبه یا گرانی اعمال کند. طبیعی است که هرچه جرم جسم بزرگتر و یا جرم حجمی (چگالی) آن بیشتر باشد مقدار این نیرو نیز بیشتر است. به بیان دیگر، سنگ‌ها و کانی‌هایی که چگالی بیشتر دارند میزان کشش گرانی آنها زیادتر است. سنگ‌هایی که در مقایسه با سنگ‌های اطراف خود چگالی بیشتری دارند، میدان گرانی زمین روی آنها بیشتر است؛ در حالی که بر روی توده ی سنگ‌هایی که چگالی کمتری دارند کمبود گرانی قابل تشخیص است. این تغییرات میدان گرانی زمین در اثر وجود ناهنجاری‌های محیطی را آنومالی یا ناهنجاری گرانشی می‌گویند. این ناهنجاری‌ها برای تشخیص منابع زیرزمینی از قبیل مخازن نفتی، منابع کارستی، حفره‌های زیرزمینی و تغییرات سنگ شناسی ناشی از ناپیوستگی‌هایی مانند گسل‌ها ابزار مناسبی هستند.

اعمال نیروی ثقل از سوی زمین بر جسمی که روی سطح آن یا بالای آن قرار دارد به آن جسم شتابی می‌دهد که به آن شتاب سقوط آزاد یا شتاب گرانش می‌گویند. تغییرات شتاب گرانی با نیروی گرانی متناسب است. اندازه‌گیری همین تغییرات شتاب گرانی در کاوش‌های ئوفیز۲کی از اهمیت بسزایی برخوردار است. واحد شتاب سقوط آزاد بر حسب سانتی‌متر بر مجذور ثانیه و معادل یک گال است. از آنجایی که تغییرات شتاب گرانی در کاوش‌های ژئوفیزیک بسیار جزئی است، واحد اندازه‌گیری‌های گرانی سنجی معمولاً بر حسب میلی گال یا میکروگال بیان می‌شود. علاوه بر تغییرات چگالی ارتفاع نیز می‌تواند بر میزان گرانی تأثیر بگذارد، به گونه‌ای که افزایش ارتفاع می‌تواند موجب کاهش مقدار گرانی شود. بنابراین انجام دادن عملیات ترازیابی یا ارتفاع سنجی نقاط اندازه‌گیری قبل از شروع عملیات گرانی سنجی ضروری است.

روش‌های مغناطیسی و دیرینه مغناطیسی

اساس روش‌های مغناطیسی، بررسی زمین شناسی زیرسطحی بر پایه‌ی ناهنجاری‌های موجود در میدان مغناطیسی زمین است. این ناهنجاری‌ها، اغلب حاصل خواص مغناطیسی گوناگون سنگ‌های زیر سطح زمین می‌باشند. همانطور که می‌دانید زمین به صورت یک آهنربای بزرگ عمل می‌کند که قطب‌های شمال و جنوب این آهنربای بزرگ تقریباً در حوالی دو قطب جغرافیایی آن قرار گرفته‌اند. واضح است که اگر زمین کره‌ای کامل و همگن بود هم میدان جاذبه و هم میدان مغناطیسی آن یکنواخت بود. از آنجایی که سیاره‌ی زمین کره‌ی کامل نیست و ناهمگن است تغییراتی در میدان‌های جاذبه و مغناطیسی آن مشاهده می‌شود. از سوی دیگر، عوامل کیهانی از قبیل میدان‌های مغناطیسی خارج از کره‌ی زمین موجب تغییراتی در میدان مغناطیسی می‌شود. اگرچه بسیاری از سنگ‌ها و کانی‌های تشکیل دهنده‌ی آن‌ها غیرمغناطیسی هستند، ولی انواع خاصی از سنگ‌ها که حاوی کانی‌های مغناطیسی هستند می‌توانند ناهنجاری‌های شدیدی در میدان مغناطیسی زمین ایجاد کنند. روش‌های مغناطیسی کاربردهای وسیعی دارند. این روش‌ها در مقیاس کوچک، مانند عملیات مهندسی یا باستان شناسی به منظور شناخت پی سنگ زیرین و آشکار کردن دفینه‌ها و در مقیاس بزرگتر برای بررسی ساختارهای زمین شناسی منطقه‌ای به کار گرفته می‌شوند.

موفقیت روش‌های مغناطیسی در اکتشاف ذخایر کانساری به ویژه توده‌های کانساری آهن، کاملاً مشخص و بارز است. برخی از انواع کانی‌ها مانند مگنتیت، ایلمنیت و پیروتیت به دلیل خواص مغناطیسی می‌توانند در میدان مغناطیسی زمین ناهنجاری‌های محلی ایجاد کنند. با داشتن چنین ویژگی‌هایی استفاده از روش‌های مغناطیسی برای تعیین مکان توده‌های کانساری بسیار پر اهمیت است.

اساس مطالعات پارینه مغناطیسی یا مغناطیس دیرینه، مطالعه‌ی مغناطیس شدگی باقی مانده‌ی سنگ‌ها به منظور به دست آوردن اطلاعات قابل اعتماد درباره‌ی میدان مغناطیسی زمین در زمان‌های گذشته‌ی زمین شناسی می‌باشد.

عملیات مغناطیس سنجی می‌تواند در هوا، خشکی و یا دریا انجام شود. سرعت عملیات هوابردی سبب شده است که این روش در پی جویی انواع ذخایر معدنی و بررسی ساختارهای زیرسطحی مانند گسل‌های پی سنگی کارایی زیادی داشته باشد.

روش‌های مغناطیس سنجی و گرانی سنجی نقاط مشترک زیادی دارند. با وجود این، نقشه‌های مغناطیسی عموماً پیچیده‌تر و تغییرات میدان مغناطیسی نابسامان‌تر و محلی‌تر از نقشه‌های گرانی سنجی می‌باشند. تفسیر داده‌های ناهنجاری میدان مغناطیسی نیز بسیار مشکل‌تر از تفسیر داده‌های گرانی است. اندازه‌گیری‌های صحرایی در این روش، در مقایسه با سایر روش‌های ژئوفیزیکی، راحت تر، ارزان‌تر و ساده‌تر است و در قرائت‌ها عملاً به اعمال تصحیح‌های پیچیده نیاز چندانی نیست.

روش الکتریکی

بنیان روش الکتریکی در اکتشافات ژئوفیزیکی، بر اندازه‌گیری خواص الکتریکی سنگ‌ها استوار است. برای بررسی ناهنجاری‌های الکتریکی سنگ‌ها، روش‌های گوناگونی وجود دارد. قابلیت هدایت الکتریکی، پتانسیل خودزا و القا پذیری از جمله خصوصیات مورد مطالعه در این روش هستند. مقاومت ویژه‌ی الکتریکی، یکی از خواص الکتریکی بسیار مهم سنگ‌ها و کانی‌ها است که برای تعیین تغییرات جانبی یا قائم قابلیت هدایت الکتریکی درون زمین به کار می‌رود. در این روش، با اعمال شدت جریانی معین به درون زمین و اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل‌های ایجاد شده، می‌توان به تغییرات مقاومت ویژه‌ی الکتریکی سنگ‌ها و قابلیت هدایت الکتریکی آن‌ها پی برد.

یکی از روش‌های مرسوم در کاوش‌های الکتریکی استفاده از جریان‌های الکتریکی است که به طور طبیعی در زمین وجود دارد. این جریان‌های طبیعی را جریان‌های تلوریک می‌نامند. در این روش، به جای ایجاد و اعمال جریان مصنوعی به درون زمین، از جریان‌های الکتریکی زمین به مثابه‌ی چشمه‌ی انرژی استفاده می‌شود. اندازه‌گیری پتانسیل خودزا یکی دیگر از روش‌های الکتریکی است که برای آشکار کردن وجود برخی از کانی‌هایی به کار می‌رود که به الکترولیت‌های داخل زمین واکنش نشان می‌دهند. مواد سولفیدی اکسید شده عمدتاً در عمق‌های کم پتانسیل‌هایی را ایجاد می‌کنند که به وسیله‌ی الکترودهای تعبیه شده در سطح زمین قابل آشکارسازی هستند.

بین روش‌های گوناگون الکتریکی، عموماً روش مبتنی بر بررسی مقاومت ویژه الکتریکی سنگ‌ها بیشترین استفاده را در حل مسائل هیدروژئولوژی دارد. این روش در عین سادگی و حجم عملیاتی کم برای تعیین منابع آب‌های زیرزمینی از دقت مناسبی برخوردار است. از آنجایی که بین قابلیت هدایت الکتریکی مواد نرم و متراکم اختلاف فاحشی وجود دارد، این روش در اندازه‌گیری عمق پی‌سنگ‌هایی که در طراحی سازه‌ها اهمیت دارند کمک زیادی می‌کند. علاوه بر این، شناسایی توده‌های کانساری که با سنگ‌های اطراف خود خواص الکتریکی متفاوت دارند و همچنین سطوح ناپیوستگی مانند گسل‌ها و غیره کاربرد زیادی دارد.

روش الکترومغناطیسی

اگر توده‌ای هادی در زمین قرار گرفته باشد و این توده تحت تأثیر میدان مغناطیسی متناوب قرار گیرد، جریان القایی در آن ایجاد می‌شود که این جریان به نوبه‌ی خود میدان مغناطیسی ثانویه ایجاد می‌کند؛ متناوباً امکان تعیین محل و حدود این میدان وجود دارد. روش‌های الکترومغناطیسی بر پایه‌ی اندازه‌گیری همین میدان‌های ثانویه استوار است که در زیر زمین توسط یک میدان اولیه ایجاد شده‌اند.

در روش‌های الکترومغناطیسی معمولاً میدان اولیه با اعمال جریان متناوب در زمین ایجاد می‌شود. میدان اولیه در فضا و در زیر زمین گسترش می‌یابد و جریان‌هایی را در توده‌های هادی زیر سطح زمین، مطابق با قوانین الکترومغناطیسی القاء می‌کند. این جریان‌ها میدان‌های الکترومغناطیسی ثانویه‌ای ایجاد می‌کند که میدان اولیه را مغشوش می‌سازد. این میدان‌های ثانویه توسط گیرنده‌هایی ثبت می‌شوند که از نظر کمیت‌هایی مثل شدت، فاز و امتداد از میدان‌های اولیه متفاوت می‌باشند.

هدف اصلی در روش‌های الکترومغناطیسی برای اکتشافات ژئوفیزیکی، آشکار کردن توده‌هایی با هدایت‌پذیری الکتریکی زیاد است. بیشتر این توده‌ها کانسارهای فلزی ویژه سولفیدهای توده‌ای هستند. کانی‌هایی مانند گرافیت، پیروتیت، پیریت، کالکوپیریت، گالن و مگنتیت که دارای قابلیت هدایت پذیری الکتریکی خوب هستند، با روش الکترومغناطیسی به خوبی آشکار می‌شوند؛ در حالی که کانی‌هایی مانند هماتیت، برونیت و کرومیت که تقریباً از نظر الکتریکی نارسانا هستند، زمانی با این روش قابل شناسایی هستند که حاوی مقادیر کافی از کانی‌های رسانا باشند.

روش الکترومغناطیسی در ردیابی انواع گسل‌ها و رگه‌های رسانای نازک و نیز کابل‌ها و خطوط لوله‌ی زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزیت مهم این روش بر روش‌های مقاومت الکتریکی این است که به اتصال دهنده‌های رسانا احتیاج ندارد و به راحتی از طریق هوا قابل انجام است. در این روش، از جریان‌های تلوریک زمین نیز به مثابه‌ی میدان‌های طبیعی اولیه استفاده می‌شود. در این حالت عمق نفوذ در مقایسه با جریان‌های مصنوعی بیشتر است. عمق کاوش در روش‌های الکترومغناطیسی معمولاً تابعی از فاصله‌ی گیرنده تا فرستنده و محدوده‌ی فرکانس مورد استفاده است.

روش تشعشع سنجی

نیاز مبرم به مواد رادیواکتیو برای نیروگاه‌های هسته‌ای در اکتشاف منابع اورانیوم و سایر عناصر رادیواکتیو چنان جهشی ایجاد کرده که در تاریخ کاوش کانی‌ها بی سابقه بوده است.  لازمه‌ی تحقق بیشتر این فعالیت‌ها کاربرد ابزارهای ژئوفیزیکی خاص، یعنی دستگاه‌های کاشف تشعشع است. ارزانی برخی از این دستگاه‌ها باعث شده است که کارهای انجام شده در این زمینه، ضریب موفقیت بالایی داشته باشند.

امروزه با استفاده از شمارنده‌های تشعشع می‌توان به راحتی از راه هوا به اکتشاف مواد رادیواکتیو مانند اورانیوم پرداخت. این روش کمتر از سایر روش‌های ژئوفیزیکی در لایه‌های درون زمین نفوذ دارد؛ و تشعشات رادیواکتیو در پوشش‌های بیشتر از یک متر ضخامت روی منبع تشعشع جذب می‌شوند.

یکی از روش‌های رایج اکتشافات تشعشع سنجی، انجام این کار با استفاده از اشعه‌ی فروسرخ است. بخشی از موج‌های فروسرخ حاصل از تشعشعات خورشیدی در برخورد با سطح زمین بازتاب شده و بخش دیگر در همان سطح به صورت گرما جذب می‌شود. همچنین بخشی از تشعشع جذب شده دوباره به جو برمی‌گردد.

به عبارت دیگر، تشعشع سنجی با اشعه‌ی فروسرخ عبارت است از ثبت الکترونیکی تشعشعات فروسرخ حاصل از مواد مختلف موجود در سطح زمین. عکسبرداری با اشعه‌ی فروسرخ روشی است که در تعیین حدود شبکه‌ی آبراهه‌ها دقت بالایی دارد. این نوع عکسبرداری معمولاً از طریق هوا و در شب انجام می‌گیرد، تا عکس‌ها تحت تأثیر تشعشعات عادی روزانه‌ی خورشیدی قرار نگیرند. دقت دستگاه‌های اندازه‌گیری در این روش حدود ۰٫۰۱ درجه‌ی سانتی گراد است.

روش دماسنجی

گرمای زمین تابعی از دو منشأ تشعشع خورشید و گرمای درون زمین است. بیشترین گرمای خورشید به فضا بازمی‌گردد و تنها بخش کوچکی از آن تا اعماق چند صد متری قدرت نفوذ دارد. بنابراین، اثر حرارتی آن بر درون زمین در مقایسه با گرمای درون زمین ناچیز است.

دماسنجی یا ترمومتری، عبارت از اندازه‌گیری دمای زمین در اعماق کم است. این روش ژئوفیزیکی سعی در آشکارسازی ناهمگونی‌های حرارتی درون زمین جهت شناخت سازندهای زمین شناسی با ویژگی‌های دمایی معین دارد. به عنوان مثالی از این ناهمگونی‌های حرارتی، می‌توان آتشفشان‌ها و چشمه‌های آب گرم را ذکر کرد. فرار گرما از درون زمین گویای یک سری فعالیت‌های زمین شناختی است که به حرکات زمین ساختی، آذرین و دگرگونی مربوط می‌شود.

مطالعات دماسنجی برای شناخت ساختارهای کم عمق نظیر گنبدهای نمکی، طاقدیس‌ها، گسل‌ها و مواردی نظیر آن استفاده می‌شود. مهمترین پارامتری که در مطالعات ترمومتری اندازه‌گیری می‌شود تغییرات دما نسبت به عمق است که به آن تغییرات زمین گرمایی یا گردیان ژئومتریک گفته می‌شود. از این رو دستگاه‌های اندازه‌گیری بایستی به اندازه‌ی کافی دقیق و حساس باشند؛ به طوری که بتوان تغییرات دما را با اختلافی معادل ۰٫۰۵ درجه‌ی سانتیگراد محاسبه کرد.

روش چاه نگاری

این روش کاوش ژئوفیزیکی که در بسیاری از موارد به کار برده می‌شود شامل بررسی درون زمین با ایستگاه‌هایی است که در گمانه‌های اکتشافی به پایین فرستاده می‌شود؛ از جمله خواص سنگ‌ها که به طور معمول به وسیله‌ی این روش اندازه‌گیری می‌شود، مقاومت ویژه‌ی الکتریکی، پتانسیل خودزا، خاصیت تولید اشعه‌ی گاما، چگالی، قابلیت مغناطیسی و سرعت موج صوتی است. اطلاعات حاصل از این روش به صورت گمانه‌های درون چاهی است که بیشتر از سایر روش‌های ژئوفیزیکی مورد توجه و استفاده‌ی زمین شناسان قرار دارد.

منبع: کتاب مبانی ژئوفیزیک، تألیف شهاب توکلی