ژئوالکتریک اکتشافات قنات های ناشناخته با بکارگیری روش

متن اصلی:
قنات های واقع در نزدیک سطح زمین در صورتیکه در روی آنها ابنیه و یا راههای ارتباطی احداث گردند، باعث می شوند که سطح زمین مذکور نشست نماید و در نتیجه ابنیه و راههای یاد شده تخریب گردند. لذا قبل از اقدام به احداث هرگونه بنا و یا راه. می بایستی اول از عدم وجود قنات های فوق الذکر در زیر سطح زمین موردنظر، اطمینان حاصل نمود و بعد نسبت به احداث ابنیه و راههای یاد شده اقدام نمود.
یکی از دقیق ترین و مقرون به صرفه ترین روشهای ژئوفیزیکی برای اکتشاف قنات های مذکور، روش اندازه گیری مقاومت ویژه زمین می باشد ه در این مقاله مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. به منظور این بررسی، یک قنات را با یک استوانه افقی طویل، مشابه فرض می کنیم و توسط مدلهای ریاضی مربوطه، احتمال اکتشاف این قنات را ، برای شعاع ها و اعماق مختلف آن، مورد مطالعه قرار می دهیم.
استفاده از مدلهای ریاضی
فرض می کنیم مطابق شکل (1) در زیر سطح یک زمین همگن و ایزوتروپ که مقاومت ویژه آن می باشد. یک جسم استوانه ای شکل افقی به طول بینهایت و مقاومت ویژه و شعاع ، واقع می باشد. عمق محور استوانه را از سطح زمین مذکور برابر Z فرض می کنیم (Z>r0) . تصویر حور استوانه برسطح زمین خط می باشد. در سطح زمین یاد شده یک آرایش الکتریکی از نوع گرادیان در نظر می گیریم. مطابق شکل (1) ، A و B الکترودهای جریان N و M الکترودهای اندازه گیری اختلاف پتانسیل می باشند.
امتداد خط AB طوری انتخاب شده است که خط عمود منصف آن میباشد. حال اگر تحت شرایط فوق الذکر، در سطح زمین مذکور، در امتداد محور x ها (منطبق برقطعه خط AB یک پروفیل زنی الکتریکی (ترانشه زنی الکتریکی) انجام دهیم، مقاومت ویژه ظاهری از رابطه زیر حاصل می گردد ]1[ :

با تبدیل این رابطه به نرم افزار ]2[ ،‌ و با ثابت اختیار نمودن مقادیر و r0 و با قراردادن استوانه در یک عمق معین، (برای یک Z معین)، می توان منحنی تئوری حاصله از پروفیل زنی الکتریکی مربوط به آنرا برای آرایش گرادیان، رسم نمود. سپس می توان یک عمق معین دیگر را در نظر گرفت و منحنی پروفیل زنی تئوری را برای وضعیت اخیر الذکر رسم نمود و این عمل را هربار برای یک عمق معین جدید، تکرار نمود. در نهایت یک دسته منحنی تئوری (منحنی های راهنما) حاصل می شود که توسط آن می توان حداکثر عمق اکتشاف استوانه مذکور را مشخص نمود.
یک نمونه از این دسته منحنی های تئوری در شکل (2) نشان داده شده است.
در این شکل که توسط نرم افزار فوق الذکر تهیه شده است، پنج منحنی که از روش پروفیل زنی الکتریکی (با آرایش گرادیان) حاصل شده است،‌دیده می شوند. هر منحنی به ترتیب مربوط به یک استوانه کاملاً‌ هادی با مقاومت ویژه صفر اهم متر و شعاع یک متر می باشد که به ترتیب در پنج عمق مختلف، یعنی به ترتیب از عمق یک متری تا عمق پنج متری (به فواصل یک متر به یک متر) در زیر سطح زمین که مقاومت ویژه آن برابر یک اهم متر می باشد، قرار گرفته است.
بطوریکه در این شکل دیده می شود، برای استوانه ایکه در عمق 4 متری از سطح زمین واقع است (منحنی Z=4m) ، حداکثر اختلاف در بین مقاومت ویژه ظاهری اندازه گیری شده و مقاومت ویژه زمین (اهم متر ) ، فقط 12% می باشد و این اختلاف برای استوانه ایکه در عمق 5 متری از سطح زمین قرار دارد (منحنی Z=5m) به 8% کاهش می یابد. این بدین معنی است که استوانه اخیرالذکر ممکن است دیگر قابل اکتشاف نباشد. توسط رابطه فوق الذکر می توان نشان داد که با افزایش مقاومت ویژه استوانه مذکور، عمق اکتشاف باز هم کاهش می یابد.
از بررسی های فوق الذکر نتیجه می شود که اگر ما به جای استوانه مذکور، یک قنات آبدار که دارای قطری معادل 2 متر می باشد و محور آن در عمق پنج متری از سطح زمین قرار دارد را در نظر بگیریم، خواهیم دید که توسط بکارگیری آرایش گرادیان، نمی توان این قنات را اکتشاف نمود. لذا می بایستی آرایش مناسبتری را برای اکتشاف اینگونه قنات ها انتخاب نمود با این هدف که توسط آن بتوان حتی قنات های آبداری که دارای قطر کمتری می باشند و در عمق بیشتری واقع هستند را نیز اکتشاف نمود.
برای دستیابی به این هدف، نخست مقاله آقای گویی گینگ و همکارش ]1[ را مورد بررسی قرار می دهیم. در مقاله مذکور به منظور اکتشاف لوله ها و کابلهای فلزی مدفون، با بکارگیری روشهای مقاومت ویژه و IP ، برروی یک مدل فیزیکی نشان داده شده است که توسط آرایش نیم شلومبرگر متقارن ]3[ می توان به هدف اخیر الذکر دست یافت. در اینجا کافی است که فقط راجع به مدل فیزیکی فوق الذکر و نتیجه حاصله از بکارگیری روش مقاومت ویژه برروی آن، توضیح مختصری داده شود.
استفاده از مدل فیزیکی
مدل فیزیکی مذکور در مقاله نامبرده شده مطابق شکل (3) تشکیل شده از یک ظرف آب با ابعاد که از نظر الکتریکی عایق می باشد و یک سیم مسی لخت به شعاع یک میلیمتر که در ظرف مذکور، به موازات طول ظرف کشیده شده است. عمق محور این سیم از سطح آب سیزده میلیمتر می باشد. سیم مذکور، یک لوله فلزی مدفون در زیر سطح زمین را شبیه سازی می نماید و آب داخل ظرف یاد شده، رول یک زمین همگن و ایزوتروپ را بازی می کند. مقاومت ویژه الکتریکی این آب برابر 20 اهم متر می باشد. در سطح آب این ظرف یک آرایش الکتریکی بکار گرفته شده است که فاصله دو الکترود جریان A و B آن برابر نود سانتیمتر و فاصله دو الکترود اندازه گیری اختلاف پتانسیل آن برابر دو سانتیمتر می باشد. تصویر محور سیم مذکور را بر سطح آب (مطابق شکل (3)) می نامیم. امتداد قطعه خط AB را طوری انتخاب می نماییم که اولاً این قطعه خط در نقطه K بر عمود باشد و دوماً نقطه K در وسط قطعه خط AB واقع نباشد بلکه به اندازه بیست سانتیمتر از وسط این قطعه خط به طرف الکترود جریان A نزدیکتر باشد. دراین صورت، این آرایش را می توان با یک آرایش قطبی- دو قطبی تقریباً‌ مشابه دانست. به آرایش اخیر الذکر در صورت که MN<استفاده از نتایج حاصل از مدل فیزیکی برای اکتشاف قنات های آبدار
ارائه دهنده این مقاله معتقد است که از نتایج حاصل مدل فیزیکی فوق الذکر می توان برای اکتشاف قنات های آبدار ناشناخته نیز استفاده نمود. برای انجام این کار فقط کافی است که در مدل فیزیکی یاد شده (که آنرا حالت اول می نامیم)، بجای یک سیم مسی در زیر سطح آب، یک قنات آبدار را در زیر سطح زمین همگن و ایزوتروپ در نظر بگیریم (که آنرا حالت دوم می نامیم).
به عقیده ارائه دهنده این مقاله، درهریک از این دو حالت، منشاء بوجود آورنده آنومالی در روی نمودار مقاومت ویژه ظاهری حاصل از پروفیل زنی الکتریکی، متفاوت می باشد. توضیح اینکه، درحالت اول، منشاء مذکور، حاصل از پدیده پلاریزاسیون الکترونی در سیم مسی یاد شده می باشد. ولی در حالت دوم، منشاء مذکور حاصل از پدیده پلاریزاسیون الکترولیتی و پدیده دی الکتریک در آب قنات است. ولی در نهایت، نتیجه کار، برای هر دو حالت یکی می باشد و آن بوجود آمدن یک اختلاف شدید در بین مقادیر مقاومت ویژه الکتریکی ظاهری اندازه گیری شده در یک طرف سیم و یا در یک طرف قنات آبدار نسبت به طرف دیگر آنها می باشد. وجود همین اختلاف شدید بین مقادیر اخیر الذکر است که باعث می شود، سیم و یا قنات یاد شده، در اعماق زیادتر حدود سیزده برابر شعاع آنها اکتشاف گردند.
مطالعه موردی
ارائه دهنده این مقاله برای اینکه ادعای فوق الذکر را ثابت نماید تصمیم گرفت که آرایش نیم شلومبرگر را برروی سطح زمینی که در زیر آن یک قنات آبدار شناخته شده وجود دارد، بکار بگیرد. برای این منظور رشته قنات شهرداری شاهرود که در امتداد جاده شاهرود – مجن حفر شده است انتخاب گردید. موقعیت خط اندازه گیری در شکل (6) توسط یک فلش مشخص شده است. بطوریکه در شکل (7) دیده می شود امتداد این قنات شرقی- غربی و عمود منصف خط اندازه گیری می باشد. دراین اندازه گیری به منظور بدست آوردن یک شبه مقطع قائم مقاومت ویژه، از روش ترکیب یافته از حفاری الکتریکی و ترانشه زنی الکتریکی با استفاده از دو آرایش متقارن نیم شلومبرگر بهره گرفته شده است ]5[ و ]6[ و ]7[
دراین اندازه گیری فاصله ایستگاههای اندازه گیری از یکدیگر دو متر به دو متر انتخاب شده است و فاصله MN برابر یک متر می باشد. شبه مقطع فوق الذکر در شکل (8) نشان داده شده است.
تفسیر شبه مقطع حاصله
شبه مقطع قائم مقاومت ویژه ای که از اندازه گیری فوق الذکر (عمود برامتداد قنات آبدار) حاصل شده است، در شکل (8) نشان داده شده است. در این شبه مقطع بطورکلی نحوه توزیع مقاومت ویژه، در زیر سطح زمین بصورت دو بعدی دیده می شود.
دراین شکل، محیط های با مقاومت ویژه پایین با رنگ آبی و اعداد نوشته شده برروی خطوط کانتور (پربند) برحسب اهم متر می باشند. لازم به ذکر است که قبل از شروع به اندازه گیری ژئوالکتریکی، عمق سطح آب اندازه گیری شد. که برابر 8 متر و 30 سانتیمتر بود. لذا به منظور صرفه جویی در وقت، از اندازه گیری پنج متر اول در زیر سطح زمین صرفنظر گردید. بطوریکه دراین شکل دیده می شود، کمترین مقاومت ویژه ظاهری در عمق ده و نیم متر است که به احتمال خیلی زیاد مربوط به آب مرکز قنات می باشد. این مقاومت ویژه کم، از محل مذکور، به طرف پایین و بالا گسترش یافته است. گسترش به طرف پائین می تواند بعلت نفوذ آب از کف قنات بطرف پائین باشد و گسترش به طرف بالا می تواند بعلت خاصیت موئینگی صورت پذیرفته باشد. مقاومت ویژه کمی که بصورت یک نوار در سمنت راست این شکل دیده می شود، به احتمال زیاد مربوط به نفوذ آب از سطح زمین به داخل زمین می باشد. لازم به ذکر است که به منظور حفاظت از قنات مذکور، در سمت شمال آن، در امتداد شرقی- غربی، خاکریزی به ارتفاع تقریباً‌ یک متر ایجاد نموده اند که باعث جمع شدن آب در پشت آن بصورت یک برکه می شود. احتمالاً بوجود آمدن نوار مذکور در اثر نفوذ آب از این برکه به داخل زمین بوده است.
مطلب دیگری که دراین شکل جلب توجه می کند این است که مقاومت ویژه کمی که بعنوان قنات تلقی می گردد، دقیقاً‌ در وسط شبه مقطع واقع نمی باشد. دلیل این جابجایی را می توان احتمالاً انحراف مسیر قنات در فاصله بین دو دهانه ذکر نمود