ژئوفیزیک و روشهای آن:

ژئوفیزیک و روشهای آن:

بطور کلی ژئوفیزیک به مطالعه خصوصیات فیزیکی زمین و محیط اطراف آن می‌پردازد. در عمل این مطالعه به دو صورت محض و کاربردی دنبال می‌شود. مطالعات ژئوفیزیکی به کشف گیلبرت (1600) 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. و در زمینه ابداع و توسعه دستگاههای ژئوفیزیکی نیز از زمان جنگ جهانی دوم پیشرفتهای بسیاری حاصل شد.
از آغاز دهه 1960 با استفاده گسترده از رایانه در پردازش و تفسیر داده‌های ژئوفیزیکی، تحول عظیمی در این شاخه از دانش ایجاد شد.
از آنجا که اکثر ذخایر معدنی مدفون در زیر سطح زمین، بوسیله یک روباره پوشیده شده‌اند، کشف این ذخایر به خواصی که آنها را از محیط اطراف متمایز می‌نماید بستگی دارد. در صورتیکه تفاوت خواص فیزیکی بین ماده معدنی و سنگ درون‌گیر آن وجود داشته باشد؛ می‌توان از ژئوفیزیک سطحی برای کشف ماده معدنی مربوطه استفاده کرد.
با توجه به نوع خواص فیزیکی، روشهای مختلف ژئوفیزیکی ایجاد می‌‌شوند و بر این اساس روشهای ذیل شکل گرفته‌اند.

· روشهای لرزه‌ای مبتنی بر خواص الاستیک (کشسانی) سنگها در محیط مورد مطالعه‌اند.

· روشهای الکتریکی وابسته به خواص الکتریکی زمین مورد مطالعه‌ می‌باشند.
· روشهای ثقل‌سنجی در ارتباط با ویژگیهای چگالی سنگها می‌باشند.

· روشهای مغناطیس‌سنجی با خواص مغناطیس‌پذیری سنگها در ارتباط است.

· روشهای رادیومتری با خاصیت رادیواکتیو سنگها مرتبط‌اند.
با کاربرد این روشها، اطلاعاتی از ساختارهای مدفون زمین‌شناسی بدست می‌آید که می‌توان از آنها به صورت مستقیم یا غیر مستقیم در اکتشاف موادمعدنی، هیدروکربورها، آبهای زیرزمینی، بررسی‌های مهندسی، زیست‌محیطی، باستان‌شناسی و ... استفاده نمود.
امروزه اندازه‌گیریهای ژئوفیزیکی کاربرد و گستره‌ای بسیار وسیع یافته‌اند تا حدی که در حال حاضر این مطالعات در کرات ماه و مریخ نیز انجام می‌شوند.

ژئوفیزیک کاربردی که عمدتاً در اکتشاف مواد معدنی، هیدروکربوری و مطالعات آبهای زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد به روشهای زیر تقسیم‌بندی می‌گردند:

- روشهای ثقل‌سنجی
- روشهای مغناطیس‌سنجی
- روشهای لرزه‌نگاری
- روشهای الکتریک
- روشهای الکترومغناطیسی
- روشهای رادیومتری
- روشهای چاه‌پیمایی
- روشهای فیزیکی حرارتی و ...

ژئوفیزیک عمدتاً نشانگر ویژگیهای زمین‌شناسی ساختارهای مدفون همراه با ذخایر معدنی نفت، گاز و ... است.

انتخاب نوع روش یا روشهای ژئوفیزیکی در عمل به منظور موقعیت‌یابی یک ذخیره معدنی معین وابسته به طبیعت (خواص فیزیکی) ماده‌معدنی مربوطه و نشان‌دهنده مستقیم حضور ماده معدنی مورد مطالعه می‌باشد. مثل روش مغناطیس‌سنجی که برای اکتشاف کانه‌های آهن یا نیکل کاربرد دارد.
در دیگر اوقات روش ژئوفیزیکی ممکن است نشانگر آن باشد که آیا شرایط برای تشکیل ماده‌معدنی مطلوب مساعد است یا خیر؟
به عنوان مثال بهره‌گیری از روش مغناطیس‌سنجی در اکتشاف نفت، به عنوان ابزار تعیین ضخامت رسوبات تا سنگ بستر است و مشخص نماید که آیا رسوبات به اندازه کافی ضخیم هستند که قابلیت نگهداری قابل توجه هیدروکربور را در خود دارا باشند؟
از دیدگاه دیگر، بررسی‌های ژئوفیزیکی در عمل به چهار صورت زمینی، هوایی، دریایی و درون چاهی اجرا می‌شوند.

برداشتهای هوایی:

روشهای مغناطیس، الکترومغناطیس، رادیومتری و اخیراً ثقل‌سنجی هوابرد، سریعترین روشهای ژئوفیزیک اکتشافی می‌باشند. به ویژه اینکه این روشها برای پوشش مناطق وسیع، کم‌‌هزینه‌تر از روشهای زمینی هم هستند و عمدتاً در فاز پی‌جویی موادمعدنی کاربرد دارند. در این روش عملیات برداشت با نصب تجهیزات مناسب در داخل یا بدنبال هواپیما و بالگرد انجام می‌شود.

اکتشاف دقیقتر مناطق امیدبخش شناسایی شده با روشهای هوابرد، توسط روشهای ژئوفیزیک زمینی پیگیری می‌شود.

برداشتهای دریایی:

محیط برداشت در این بخش، محیط آبی است. هدف شناسایی ویژگیهای فیزیکی زمین زیربستر آب است. تجهیزات موردنیاز در این بخش با بخشهای دیگر تفاوتهای ساختاری اندکی دارند؛ ولی تئوری همه این روشها تقریباً یکسان است. این تجهیزات می‌توانند در داخل کشتیها یا بدنبال آنها نصب گردند. عمده روشهای قابل اجرا در این محیط، روشهای لرزه‌نگاری، ثقل‌سنجی، مغناطیس‌سنجی، الکترومغناطیس و ... است.

برداشتهای چاه‌پیمایی:

در این برداشتها، تجهیزات ژئوفیزیکی در یک محفظه استوانه‌ای به نام سوند با قطر کمتر از گمانه، توسط یک رشته کابل متصل به دستگاه اندازه‌گیری سر چاه (سطح زمین)، به داخل چاه (گمانه) فرستاده می‌شود. ثبت پیوسته خصوصیات فیزیکی سازندهای موجود در داخل گمانه از اهداف این بررسی‌هاست. روشهای قابل اجرا در این بخش شامل روشهای صوتی، رادیومتری (پرتو نوترون، پرتو گاما، پرتو گاماگاما و ...)، مقاومت‌سنجی، ‌الکترومغناطیس‌القایی و ... است.

برداشتهای زمینی:

این برداشتها روی سطح زمین توسط دستگاههای مختص این امر انجام می‌شود. متنوع‌ترین برداشتهای ژئوفیزیکی در این بخش صورت می‌گیرد و بیش از سایر بخشها توسعه یافته است.

انواع روشهای ژئوفیزیک زمینی عبارتند از:

روش ثقل‌سنجی:

در این روش اندازه‌گیری تغییرات میدان جاذبه ‌زمین در نقاط مختلف آن انجام می‌شود. با توجه به وابستگی میان میدان جاذبه و چگالی توده‌های مختلف زیرسطحی، با ثبت میدان جاذبه می‌توان مواد معدنی با چگالی بیشتر یا کمتر از سنگهای درونگیر آنها را کشف نمود.
این روش را می‌توان در سطح زمین یا در داخل تونلهای زیرزمینی اجرا نمود. در اکتشافات هیدروکربوری این روش به همراه روش مغناطیس‌سنجی به عنوان یک ابزار شناسایی کاربرد دارد. اجرای این روش ارزان تر از روشهای لرزه‌نگاری و گران قیمت‌تر از سایر روشهای ژئوفیزیکی است. در مطالعات مهندسی و باستان‌شناسی خصوصاً برای کشف حفره‌های زیرزمین کاربرد ویژه دارد.
در روش ثقل‌سنجی، همانند روشهای مغناطیس‌سنجی، رادیومتری و برخی روشهای الکتریکی، اندازه‌گیری میدان با چشمه طبیعی زمینی انجام می‌شود.
اولین بار گالیله در حدود سال 1589 تاثیر شتاب جاذبه زمین بر روی اجسام با وزنهای مختلف را کشف نمود. پس از او نیز کپلر قوانین حرکت سیارات را اثبات کرد و بدنبال او نیوتن قوانین عمومی جاذبه زمین را در سال 1685 گزارش نمود.
پییربوگر طی سالهای 45-1735 بسیاری از روابط اساسی ثقل‌سنجی از جمله تغییرات شتاب جاذبه با ارتفاع، عرض‌جغرافیایی و ... را بدست آورد.
اولین دستگاه اندازه‌گیری میدان جاذبه (آونگ مرکب) در سال 1817 توسط کاپیتان هنری‌کِیتِر ابداع شد.
در سال 1901 اولین برداشت ثقل‌سنجی توسط رونالدفون اوتوس روی دریاچه یخی والاتون انجام شد و به تدریج این روش مطالعاتی گسترش یافت.
اولین اکتشاف ژئوفیزیکی نفت در دسامبر سال 1922 با اندازه‌گیریهای ثقل‌سنجی در میدان نفتی اسپین‌دلتا اجرا شد.

روش مغناطیس‌سنجی:

روش مغناطیس‌سنجی که قدیمی‌ترین روش ژئوفیزیک اکتشافی است؛ در اصول و حتی تعبیر و تفسیر شباهتهای بسیاری با روشهای ثقل‌سنجی دارد. اما به طور معمول این روش پیچیده‌تر است و تغییرات میدان‌مغناطیسی نیز نامنظم‌تر و محلی‌تر از شتاب ثقل زمین است.

در این روش اندازه‌گیری تغییرات میدان مغناطیسی زمین انجام می‌شود. چرا که برخی از مواد مانند مگنتیت در میدان مغناطیسی زمین، آنومالیهای بالای مغناطیسی نشان می‌دهند. کانسارهای آهن، مس‌های اسکارن، نیکل و آزبست به دلیل همراهی با کانه‌های مغناطیسی، با برداشتهای مغناطیس‌سنجی به راحتی قابل اکتشافند. حتی برخی از ژئوفیزیک‌دانان اکتشافی، این روش را برای اکتشاف طلای پلاسری به علت همراهی آن با ماسه‌های سیاه حاوی مقادیر بالای مگنتیت، توصیه می‌کنند.
اولین بار گیلبرت (سال 1600) پزشک مخصوص ملکه الیزابت اول در کتاب مغناطیس، مفهوم میدان مغناطیسی زمین را با تعیین جهت آن در هر نقطه از سطح زمین مشخص نمود.
در حدود سال 1640 به منظور اکتشاف آهن، در سوئد آنومالیهای محلی با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی زمین شناسایی شد. در پایان قرن هفدهم استفاده از این روش مطالعاتی برای اکتشاف کانسارهای آهن امری متداول و معمول بود.
اولین مگنتومتر نسبتاً دقیق اندازه‌گیری میدان مغناطیسی در سال 1873 توسط پروفسور تالن ابداع شد.
روش لرزه‌نگاری
اساس روشهای لرزه‌نگاری بر این حقیقت استوار است که امواج الاستیک با سرعتهای متفاوت در لایه‌های مختلف زیر سطح سیر می‌کنند. لذا در این روشها، امواج در یک نقطه تولید شده و در یک سری نقاط دیگر، زمان رسید انرژی منعکس یا منکسره از ناپیوستگی‌ها یا فصل‌مشترک لایه‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شود. با استفاده از روش لرزه‌نگاری موقعیت و ساختار لایه‌های زیرسطحی مشخص می‌شود. مهمترین مزیت روشهای لرزه‌نگاری نسبت به سایر روشهای ژئوفیزیکی، این است که با بکارگیری مناسب این روش تفسیر دقیق‌تر و با وضوح‌ بیشتری از ساختار زیر سطح حاصل می‌شود.

عمده تئوریهای لرزه‌ای پیش از ساخت دستگاههای اندازه‌گیری آن شناسایی شده بود. پیش از اکتشافات لرزه‌ای، علم زلزله‌شناسی که در تئوری‌، شباهتهای زیادی با روش لرزه‌نگاری دارد؛ توسعه یافت.
در سال 1845، مالِت با ایجاد زلزله‌های مصنوعی، اندازه‌گیری سرعت امواج لرزه‌ای در لایه‌های مختلف زمین را آزمایش نمود.

در سال 1899، نات در یک مقاله علمی، تئوری مربوط به عبور امواج انعکاسی و انکساری از مرز بین لایه‌ها را گزارش نمود.
طی جنگ جهانی اول قوای درگیر در جنگ با انجام تحقیقاتی موقعیت توپخانه‌های سنگین یکدیگر را با ثبت زمان رسید امواج لرزه‌ای مشخص نمودند. اگرچه این تحقیقات خیلی موفق نبود، اما قدم موثری در توسعه لرزه‌نگاری اکتشافی قلمداد می‌شد. چراکه بر اساس نتایج تحقیقات فوق‌الذکر دانش فنی گسترش یافت و تجهیزات لرزه‌نگاری ابداع شد.

شناسایی گنبدنمکی اورچارد تگزاس در سال 1924 طی یک عملیات برداشت لرزه‌نگاری انکساری، اولین موفقیت عملی در کاربرد روشهای لرزه‌نگاری اکتشافی بود. تا سال 1930 اکثر گنبدهای نمکی کم‌عمق ایالت فوق‌الذکر با استفاده از این روش شناسایی شده بود. اما روش انعکاسی برای شناسایی سایر ساختارهای مدفون زمین‌شناسی مناسب‌تر تشخیص داده‌شد.
عمده کاربرد روشهای لرزه‌نگاری در اکتشافات نفت این است که در این بخش این روشها به‌طور وسیعی بکار گرفته می‌شوند. روشهای لرزه‌نگاری در شناسایی ساختارهای زمین‌شناسی بزرگ مقیاس به منظور بررسی‌های ساختگا‌هی و پروژه‌های مهم مهندسی نظیر تعیین عمق سنگ کف، شناسایی ذخایر شن و ماسه، شناسایی مناطق خرد‌شده آبدار و ... نیز کاربرد زیادی دارند.

روش‌های رادیومتری:

عناصر رادیواکتیو در سنگها باعث ایجاد تشعشعات آلفا و بتا و گاما و کا-کپ مختلف می‌شوند. شدت و ضعف این تشعشعات بسته به نوع عنصر رادیواکتیو و مقدار آن در سنگها متغیر است. اگر بتوانیم این شدت و ضعف و نوع تشعشع را ثبت نماییم؛ مقصود که شناسایی عنصر رادیواکتیو و مقدار آن در سازند است، حاصل می‌شود.
در اکتشافات رادیومتری تنها ثبت اشعه گاما قابل اهمیت است؛ چرا که تشعشعات آلفا و بتا تنها با وجود پوشش نازکی از خاک، آب یا هوا قابل آشکارسازی نیستند. البته اشعه گاما نیز تنها تا چند اینچ داخل سنگ و خاک و تا چندصد فوت در هوا نفوذ می‌کند و قابل ثبت است. در نتیجه تنها ذخایر رادیواکتیوی را می‌توان با این روش کشف نمود که رخنمون داشته‌باشند؛ یا در اعماق بسیار کم زمین واقع شده یاشند.
مدت کوتاهی پس از کشف اشعه ایکس در سال 1859 توسط رونتگن، خاصیت رادیواکتیویته توسط بکرل (1896) کشف گردید. بکرل دریافت که کانیهای حاوی اورانیوم مثل نمکهای اورانیوم تشعشعاتی ساطع می‌کنند که از مواد عبور می‌کنند و فیلم عکاسی را مشابه اشعه ایکس تحت تاثیر قرار می‌دهند؛ و احتمالاً قادرند گازها را نیز یونیزه کنند. به دنبال این کشف، عناصر رادیواکتیو دیگری نیز شناسایی شدند. اگرچه تا کنون حداقل بیست عنصر که به صورت طبیعی دارای خاصیت رادیواکتیو هستند، شناخته شده است؛ اما تنها دو عنصر اورانیوم و توریم و یک ایزوتوپ پتاسیم (ایزوتوپ 40 پتاسیم) از اهمیت اکتشافی برخوردارند. از سوی دیگر روبیدیم در تعیین سن سنگها مفید است، اما بقیه عناصر رادیواکتیو یا خیلی نادرند یا از نظر رادیواکتیویته ضعیفند؛ به همین دلیل در ژئوفیزیک اکتشافی اهمیتی ندارند. عناصر اورانیوم و توریم در دنیای امروز به عنوان منابع تولید انرژی قابل اهمیت‌اند.
عمده روشهای رادیومتری، روشهای ژئوفیزیک هوابرد است و روشهای زمینی چندان توسعه نداشته‌اند. چرا که به ازای افزایش هر صد متر ارتفاع، شدت اشعه گامای ساطع شده از کانیها تنها 50% افت می‌کند و از این نظر روشهای هوابرد بسیار مقرون به صرفه‌‌تر از روشهای زمینی است.
روشهای رادیومتری در مقایسه با روشهای دیگر ژئوفیزیکی از اهمیت کمتری برخوردارند. این روش‌ها ابتدا در دهه 1930 برای تطبیق چینه‌شناسی در چاه‌پیمایی نفت بکار برده شد.
در اواخر دهه 1950 اکتشافات رادیومتری هوابرد بطور قابل ملاحظه‌ای با استفاده از شمارشگرهای گایگر با کریستالهای بزرگ انجام شده‌است. البته نتایج برداشتها به دلیل ناتوانی تفکیک زمینه از و آنومالی چندان رضایت بخش نبوده است. پی‌جویی رادیومتری طی دوره 1945- 1957 بسیار پرطرفدار بود و به دنبال آن به دلیل کاهش تقاضای مصرف اورانیوم، کاهش یافت. بازگشت مجدد برای استفاده از اورانیوم در اوایل دهه 1970 به دلیل تحریم نفتی غرب توسط اعراب در زمان جنگ اعراب و اسرائیل و همچنین ابداع نشانگرهای حساس و دقیق اشعه گاما، باعث رشد روشهای اکتشاف مواد رادیواکتیو شد.
لازم به ذکر اینکه عوامل فوق‌الذکر روشهای رادیومتری چاه‌پیمایی را هرگز تحت تاثیر قرار نداد؛ چرا که این روشها بطور معمول از زمان ابداع آنها مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
شمارشگرهای گایگر و سنتیلومترها که از ابزار اندازه‌گیری این روش می‌باشند؛ به سادگی قابل جابجایی می‌باشند و می‌توانند به وسیله فرد، اتومبیل یا هواپیما حمل شوند.

روش‌های الکتریکی:

این روش‌ها که از متنوع‌ترین روشهای ژئوفیزیک اکتشافی محسوب می‌شوند، اطلاعات بسیار مفیدی در مورد توزیع جانبی یا عمقی خواص الکتریکی مواد زیرسطح زمین فراهم می‌نمایند؛ که این اطلاعات بطور مستقیم یا غیرمستقیم می‌تواند به منظور اکتشاف موادمعدنی و یا اهداف دیگر مورد استفاده قرار گیرد. چشمه یا منبع انرژی در روش‌های الکتریکی می‌تواند طبیعی یا مصنوعی باشد.

الف)روشهای الکتریکی با چشمه طبیعی

برخی از مهمترین این روشها عبارتند از:

روش پتانسیل خودزا:

در حدود دهه 1910 اولین بار شلومبرژه دریافت که با قرار دادن دو الکترود به فواصل معین از یکدیگر، اختلاف پتانسیل یا ولتاژی طبیعی بین دو سر الکترودها ایجاد می‌گردد؛ این پدیده به نام پتانسیل خودزا نامیده شد. پس از مدتی، از این روش برای اکتشاف کانه‌های سولفیدی که در اعماق کم واقع شده‌اند؛ استفاده شد. در آن زمان این روش به علت سهولت اجرا، سرعت بالا و هزینه‌های اندک محبوبیت زیادی بین ژئوفیزک‌دانان داشت. اما امروزه به علت کشف ذخایرنزدیک به سطح زمین، استفاده از آن برای تشخیص کانسارهای عمقی به علت محدودیت‌های این روش، عملاً محدود شده است. اندازه‌گیری آنومالیهای پتانسیل‌خودزا به منظور اکتشاف منابع زمین‌گرمایی نیز از اواخر دهه 1970 مورد توجه قرار گرفت.
روش پتانسیل خودزا همانطور که از نام آن پیداست، بر پایه اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل طبیعی که در داخل زمین وجود دارد، بنیان نهاده‌شده است. بخشی از این اختلاف پتانسیل ثابت و بخشی متغیر (پلاریزاسیون‌القایی) است. در عمل اختلاف پتانسیل ثبت شده مربوط به بخش ثابت است که به علت واکنشهای الکتروشیمیایی با مکانیزم‌های مختلف شکل می‌گیرد.
مقدار پتانسیل‌خودزای ثبت شده در سطح زمین از کمتر از یک میلی‌ولت تا صدها میلی‌ولت متغیر است. مقادیر بالای پتانسیل‌خودزا بر روی توده‌های سولفیدی، گرافیتی، مگنتیت و چند کانی هادی دیگر مثل زغالسنگ و منگنز قابل اندازه‌گیری است.

ژئوفیزیک و روشهای آن:

مطالب مشابه :

استخدام زمین شناسی

حوضه های نفتی ایران

استخدام در شرکت نفت

نفت و خواص ان

آماده به کار | زمین شناسی

ژئوفیزیک و روشهای آن: