فلز تاران

آشنایی با روش های الکتریکی در ژئوفیزیک اکتشافی

۲۵ مهر ۱۳۹۶

روش های الکتریکی در ژئوفیزیک اکتشافی اطلاعات بسیار مفیدی در مورد توزیع جانبی یا عمقی خواص الکتریکی مواد زیر سطح زمین فراهم می نمایند.

اساس کلیه روش های الکتریکی در ژئوفیزیک ، بر اندازه گیری مقاومت زمین در برابر عبور جریان الکتریکی یا میزان قابلیت هدایت الکتریکی آن می باشد.

با توجه به آنکه خواص الکتریکی هر یک از خاک ها و سنگ های روی پوسته زمین تا حدودی شناخته شده است، اطلاع از میزان مقاومت یا هدایت الکتریکی مواد می تواند برای شناسایی جنس آنها به کار برود.

روش های الکتریکی در ژئوفیزیک به دو گروه روش های الکتریکی با چشمه طبیعی و روش های الکتریکی با چشمه مصنوعی، بنا به نوع چشمه یا منبع انرژی (طبیعی یا مصنوعی)، تقسیم می شوند.

یکی از روش های الکتریکی در ژئوفیزیک مبتنی بر چشمه مصنوعی و اندازه گیری مقاومت الکتریکی زمین که به نسبت سایر روش های الکتریکی از کاربرد بیشتری در مطالعات ژئوتکنیک برخوردار است، روش مقاومت سنجی می باشد.

روش مقاومت سنجی از روش های الکتریکی در ژئوفیزیک

اساس کار روش مقاومت سنجی به عنوان یکی از روش های الکتریکی در ژئوفیزیک ، محاسبه مقاومت الکتریکی محیط بین دو الکترود که روی زمین کار گذاشته شده اند، می باشد.

بنابر قانون اهم با داشتن اختلاف پتانسیل و شدت جریان بین دو الکترود مذکور می توان مقاومت الکتریکی آن را محاسبه کرد.

با داشتن مقاومت الکتریکی و استفاده از جداول و اطلاعات مقاومت ویژه الکتریکی انواع خاک ها و سنگ ها، می توان جنس لایه ها را تخمین زد.

از این روش برای مطالعه لایه های زیر سطحی و تعیین سطح آب زیر زمینی استفاده می شود.

در شکل ۱ جانمایی صحرایی ابزارهای مورد استفاده در برداشت مقاومت الکتریکی نشان داده شده است.

روش های الکتریکی در ژئوفیزیک اکتشافی

شکل ۱- جانمایی تجهیزات در برداشت مقاومت الکتریکی

برای محاسبه مقاومت ویژه الکتریکی داریم :

فرمول

که در آن ρ ، مقاومت ویژه الکتریکی محیط، u∆ اختلاف پتانسیل و I شدت جریان بین دو نقطه مورد بررسی و K پارامتری که تابع آرایش الکترود ها می باشد، هستند.

در صورتی که بررسی تغییرات مقاومت ویژه خاک در یک سطح افقی مورد نظر باشد می توان فاصله الکترود ها را ثابت نگه داشته و موقعیت مرکز آن را تغییر داد.

این نحوه بررسی به پروفیل زنی موسوم است.

همچنین در حالتی که بررسی تغییرات عمقی مقاومت ویژه خاک مورد نظر باشد می توان مرکز الکترود ها را ثابت نگه داشته و فاصله بین آن ها را تغییر داد.

با افزایش فاصله بین الکترود ها عمق مورد بررسی نیز افزایش می یابد.

این نحوه بررسی به سونداژ الکتریکی موسوم است.

تغییرات مقاومت ویژه الکتریکی

گستره عملی مقاومت ویژه برای مواد زمین حدود ۰٫۰۱ تا ۱۰۰۰۰۰ اهم متر می باشد.

جنس دانه های سنگ و میزان سیال بین دانه ها در این مقاومت ویژه موثر است.

وجود کانی های مگنتیک، مواد فلزی مانند سولفید های فلزی (بجز گالن و آسفالریت)، اکسید های فلزی، کربن، گرافیت، رس های مرطوب و کانی های رسی که دارای مقاومت ویژه کمی هستند، در داخل توده های سنگی و خاکی اثر قابل ملاحظه ای در کاهش مقدار مقاومت ویژه توده دارند.

برعکس توده های بدون کانی های فرعی فوق، مانند کوارتزیت، دارای مقاومت ویژه زیادی هستند.

تخلخل، پارامتر دیگری است که نقش حائز اهمیتی در مقدار مقاومت ویژه الکتریکی دارد و افزایش تخلخل در محیط اشباع موجب کاهش مقاومت ویژه می شود.

آب جریان الکتریکی را از خود عبور می دهد و مقاومت الکتریکی چندانی ندارد، لذا سبب کاهش مقاومت ویژه محیط های اشباع می شود.

بر همین اساس محیط های اشباع مقاومت کمتری نسبت به محیط های خشک دارند، و در مرز سطح آب زیرزمینی مقاومت ویژه به شدت افت می کند.

فضای خالی بدون آب از مقاومت الکتریکی بالایی برخوردار است.

همچنین وجود نمک و افزایش درجه حرارت نیز باعث کاهش مقاومت می شود.

در جدول ۱ تغییرات مقاومت ویژه برخی از سنگ ها و رسوبات آورده شده است.

جدول ۱- تغییرات مقاومت ویژه الکتریکی برخی از سنگ ها و رسوبات

مقاومت ویژه الکتریکی سنگ ها و رسوبات

مقاومت مکانیکی توده های ژئوتکنیکی به عوامل زیادی بستگی دارد که از جمله این عوامل می توان تخلخل را نام برد.

تخلخل زیاد در یک نمونه خاکی نمایانگر مقاومت مکانیکی پایین آن است.

از طرفی دیگر مقاومت الکتریکی توده به میزان آب موجود در فضا های خالی آن بستگی دارد، لذا می توان فرض کرد که مقاومت توده و مقاومت ویژه الکتریکی به یکدیگر وابسته اند و تخلخل وجه مشترک این دو خاصیت است.

با توجه به رابطه میزان تخلخل و درجه اشباع، می توان ارتباط بین مقاومت مکانیکی و مقاومت ویژه الکتریکی را به دست آورد.

از بررسی جدول ۱ این نتیجه حاصل می شود که با کاربرد روش مقاومت سنجی، مقادیر کیفی و توصیفی برای خواص مکانیکی مصالح به دست می آید و نیز در تفسیر این مقادیر کیفی، میزان تخلخل، درجه اشباع و کیفیت آب در لایه های زیر سطحی باید مورد توجه قرار گیرد.

کارایی و محدودیت های روش مقاومت سنجی

بررسی دقیق روش مقاومت سنجی الکتریکی به عنوان یک روش های الکتریکی در ژئوفیزیک نشان می دهد که اگر این روش تحت شرایط صحیح بکار گرفته شود، با صرف زمان و هزینه اندک نسبت به روش های مستقیم اطلاعات وسیعی را از شرایط زیر سطحی ساختگاه سازه ها به دست می دهد.

در مجموع از این روش می توان در تعیین موقعیت سنگ کف، ضخامت آبرفت ها و طبقات روبار سنگ کف، تشخیص گسل ها ی احتمالی، شناسایی مناطق کارستیک، بررسی کیفیت لایه ها ی زیرین از نظر تخلخل و قابلیت نفوذ، تعیین محل عوارض مدفون شده زیرزمینی، بررسی وضعیت آب های زیرزمینی و نیز در کشف ذخیره های اقتصادی شن و ماسه نزدیک محل احداث سد ها جهت مصرف در بدنه سد، استفاده کرد.

همچنین این روش برای مطالعه مسیر بزرگراه ها و پروژه های مشابه که در آن ها اطلاعات ساختار کلی مسیر مورد نیاز است، کارایی دارد.

از محدودیت های کاربرد این روش میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

۱- در صورتی که ساختگاه از شرایط زمین شناسی پیچیده ای برخوردار باشد، به طوری که لایه ها از نظر روند شیب و امتداد و همچنین از نظر جنس وضعیت ساده ای نداشته باشند، تفسیر داده ها مشکل خواهد بود و کاربرد این روش جای تامل دارد.

۲- در صورتی که لایه های مختلف زیرزمینی در محل ساختگاه سازه از اختلاف بارزی در مقاومت الکتریکی برخوردار نباشند، تشخیص و تفکیک لایه ها میسر نیست.

برخی محققین توصیه می کنند در پروژه های بزرگ قبل از کاربرد گسترده این روش، چند سونداژ الکتریکی به صورت آزمایشی برداشت شود و در صورتی که تفسیر این سونداژ ها کارایی روش مقاومت سنجی را تأیید کردند، این روش به کار برود.

۳- در پروژه های درون شهری وجود کابل های الکتریکی برق در رو یا زیر سطح زمین باعث ایجاد تداخل در اندازه گیری مقاومت شده و لذا در چنین مواردی ممکن است روش مقاومت سنجی کارایی چندانی نداشته باشد.

۴- در برخی موارد، به علت کمبود فضای کافی در یک جهت برای گسترش خط الکترود ها، حداکثر عمق بررسی توسط این روش محدود می گردد.

در این ارتباط می توان به ساختگاه سد های واقع در دره های تنگ و یا مطالعه پروژه های درون شهری در محل هایی که ساختمان ها دارای تراکم زیادی هستند و طول مستقیم چندانی برای کارگذاشتن الکترود ها وجود ندارد اشاره کرد.