کاربرد روشهای ژئوالکتریک برای تشخیص گسترش و کیفیت آلودگی خاک و آب زیرزمینی همراه با مثال موردی
| دسته | ژئوفیزیک |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین |
| نویسنده | ابوالقاسم کامکار روحانی |
| تاريخ برگزاری | ۰۲ آبان ۱۳۸۴ |
Abstract
Among geophysical techniques, the electrical methods, especially resistivity, are the best and most suitable methods for investigation of subsurface contaminations. Subsurface contaminated zones have mainly different electrical properties from their surrounding rocks, and therefore, the spread of contamination and somewhat its intensity can often be well determined using the resistivity methods. In this paper, applying processing and interpretation procedures practically on resistivity data from an area, it is shown that the limits and approximate quality of contamination can be obtained.
چکیده
در بین روشهای ژئوفیزیکی، روشهای الکتریکی و به ویژه ژئوالکتریک بهترین و مناسبترین روشها برای بررسی آلودگیهای زیرزمینی هستند. مناطق آلوده زیرزمینی عمدتاً دارای خصوصیات الکتریکی متفاوت از سنگها ولایه های دربرگیرنده خود می باشند و درنتیجه در اغلب موارد با کاربرد روشهای ژئوالکتریک به خوبی می توان گسترش آلودگی زیرزمینی و تا حدودی شدت آلودگی را مشخص نمود. با یک مثال عملی در این مقاله، محدوده و شدت تقریبی آلودگی با پردازش و تفسیر صحیح نتایج حاصل از برداشتهای ژئوالکتریکی در منطقه مورد مطالعه نشان داده شده است..
مقدمه
آلودگی زیرزمینی (آلودگی خاک و آب زیرزمینی) نتیجه فعالیتهای مختلف بشری است که از جمله مهمترین آنها می توان به فعالیتهای کشاورزی، صنعتی (تولیدی، شیمیایی، نفتی وغیره)، معدنکاری، دفن زباله ها (زباله های شهری، شیمیایی، هسته ای، صنعتی و غیره)، دفع پسماندها یا مواد زائد و راه یافتن آنها به فاضلابها و محلهای زیرزمینی، نگهداری مواد (به ویژه مواد شیمیایی) در مخازن یا انبارهای ذخیره، عبور یا انتقال نفت، آب و مواد دیگر از طریق خطوط یا لوله های انتقال و اختلاط یا نفوذ نمک یا آب شور (ویا هر گونه مواد دیگر) به خاک و آب شیرین زیرزمینی اشاره کرد. بعضی از این فعالیتها نظیر نگهداری مواد در مخازن یا انبارهای ذخیره، عبور یا انتقال مواد از طریق خطوط یا لوله های انتقال و دفع پسماندها یا مواد زائد و راه یافتن آنها به فاضلابها و یا لایه های زیرزمینی (مخصوصا" اگر این لایه ها نفوذ پذیر نیز باشند)، مستقیما" می توانند خاک و آب زیرزمینی را آلوده نمایند.
آلودگی زیرزمینی، نه تنها حیات جانداران و موجودات زنده شامل حیوانات و گیاهان در محیط زیست را با خطر مواجه می سازد، بلکه یک عامل تهدید کننده برای حیات بشر نیز محسوب می شود. به همین جهت امروزه تقریبا" در تمامی کشورهای دنیا این مسئله سبب افزایش نگرانی و توجه عموم جامعه به ویژه سیاستمداران و کارشناسان شده است. سرمایه گذاری عظیم و ارائه و اجرای طرحهای جدید ومدرن برای حل یا کاهش سریع این مشکل در کشورهای پیشرفته، خود گویای این توجه و نگرانی می باشد.
در این مقاله توجه ویژه ای به آلودگی آب زیرزمینی شده است. اگر چه آب سطحی در مقایسه با آب زیرزمینی بسیار بیشتر در معرض آلوده شدن قرار دارد (همان طور که در ادوار گذشته نیز چنین بوده)، بسیاری از سفره های آب زیرزمینی (آبخوانها) هم، به ویژه در عصر حاضر، به وسیله آلوده کننده های مختلف آلی و غیر آلی به طور آسان و خطرناکی آلوده می گردند.
اولین قدم در جهت درمان یا رفع آلودگی خاکها و آبهای زیرزمینی، تشخیص وسعت یا محدوده آلودگی ونیز تعیین نحوه توزیع و گسترش آلودگی در زیر سطح زمین است. این آلودگی ممکن است به مرور زمان از نظر عمقی یا جانبی و یا از هر دو نظر وسعت بیشتری در زیر سطح زمین پیدا کند.
روشهای ژئوفیزیکی به ویژه روشهای ژئوالکتریک در طی چند سال اخیر به طور موفقیت آمیزی برای تشخیص
و بررسی خصوصیات مختلف آلودگی خاک و آب زیرزمینی به کار برده شده اند. در این مقاله نیز نحوه عملکرد روشهای ژئوالکتریک در تشخیص گسترش و ارزیابی آلودگی خاک و آب زیرزمینی همراه با یک مثال عملی توضیح داده شده است.
بررسی آلودگی خاک و آب زیر زمینی توسط روشهای ژئوالکتریک
آلودگی در زیر سطح زمین در جهتهای فضایی مختلف ممکن است گسترش یابد. در مطالعه و بررسی مسائل آلودگی توسط ژئوفیزیک، منطقه آلوده زیرزمینی به عنوان یک ساختمان یا توده سه بعدی در یک محیط (یا سنگ) میزبان که معمولا" دارای خواص فیزیکی متفاوت از توده آلوده می باشد، در نظر گرفته می شود.
در بین روشهای ژئوفیزیکی، به طور کلی روشهای الکتریکی (و به ویژه روش ژئوالکتریک) بهترین و مناسبترین روشها برای بررسی آلودگیهای زیرزمینی محسوب می شوند، هر چند که روشهای دیگر ژئوفیزیکی مانند روشهای لرزه ای (یا لرزه نگاری)، گرانی (یا گرانی سنجی) و مغناطیسی (یا مغناطیس سنجی) نیز گاهی برای بررسی مسائل (معمولا" فرعی یا جنبی) آلودگیهای زیرزمینی به کار برده می شوند. منظور از آلودگی زیرزمینی، آلودگی خاک و به ویژه آلودگی آب زیرزمینی است. این آلودگی می تواند از نوع شیمیایی، نفتی، هسته ای و غیره و یا حتی ترکیبی از آنها باشد. یک توده خاک یا آب زیرزمینی آلوده به دلیل داشتن خصوصیات الکتریکی متفاوت از محیط یا سنگها ولایه های دربرگیرنده خود، معمولا" به راحتی توسط روش ژئوالکتریک قابل تشخیص است. روش ژئوالکتریک علاوه بر تشخیص و تعیین محدوده آلودگیهای زیرزمینی، می تواند تا اندازه ای نوع و پارامترها یا خصوصیات آلودگی را تعیین نماید. در این روش معمولا" از یک آرایه یا آرایش چهار الکترودی متشکل از دو الکترود جریان (فرستنده) ودو الکترود پتانسیل (گیرنده) که به فواصل معین از یکدیگر قرار داده می شوند، استفاده می شود. الکترودها عمدتا" میخ های فولادی نسبتا" بزرگ و بلند (بطول حدود 5/0 متر) هستند که معمولا" در موقع کار به اندازه 15-10 سانتیمتر از طول آنها را در داخل زمین فرو می کنند. جریان الکتریکی مستقیم (DC) یا متناوب (AC) با فرکانس بسیار پائین توسط الکترودهای جریان (فرستنده) به داخل زمین تزریق یا فرستاده شده و سپس اختلاف پتانسیل الکتریکی بین الکترودهای دیگر (الکترودهای پتانسیل یا گیرنده) اندازه گیری و توسط دستگاه ژئوالکتریک قرائت یا نشان داده می شود. بیشتر دستگاههای جدید ژئوالکتریک به جای قرائت اختلاف پتانسیل (بر حسب ولت یا میلی ولت)، نسبت اختلاف پتانسیل به شدت جریان را خوانده یا نشان می دهند. با استفاده از روابط ساده موجود بین اختلاف پتانسیل و شدت جریان و فواصل بین الکترودها برای یک آرایه الکترودی معین می توان مقاومت ویژه ظاهری زمین مورد مطالعه را محاسبه نمود. بدیهی است که با تغییر موقعیت الکترودها در روی زمین و افزایش طول آرایه (افزایش فواصل بین الکترودها)، مقادیر جدید مقاومت ویژه ظاهری زمین مورد نظر بدست می آید که با توجه به اصول نظری ژئوالکتریک، مربوط به اعماق پائینتر داخل زمین می گردند. در روش ژئوالکتریک از آرایه های الکترودی مختلفی استفاده می شود که از ذکر نام و توضیح آنها در اینجا خودداری می شود.
یک عملیات یا برداشت ژئوالکتریکی به یکی از دو روش سونداژزنی ((Sounding قائم الکتریکی (VES) یا پروفیل زنی ((Profiling (که گاهی به آن پروفیل زنی افقی یا HP می گویند) انجام می شود. در روش سونداژزنی یا VES، تغییرات عمقی یا قائم مقاومت ویژه مواد یا لایه های زیر سطح زمین مورد بررسی قرار می گیرد. یک برداشت ژئوالکتریکی به روش سونداژزنی با استفاده از یک آرایه الکترودی معین در روی زمین بدین شکل انجام می شود که طول آرایه مرتبا" پس از هر اندازه گیری افزایش داده شده در حالی که مرکز آرایه در تمام اندازه گیریها در یک نقطه روی زمین ثابت نگهداشته می شود. بدین ترتیب برای هر طول آرایه، یک مقاومت ویژه ظاهری برای زمین در آن نقطه به دست می آید که با پردازش و تفسیر این داده های مقاومت ویژه ظاهری می توان ضخامت و مقاومت ویژه لایه های زیر سطح زمین در آن نقطه را تعیین نمود. در روش پروفیل زنی، تغییرات جانبی مقاومت ویژه مواد زیر سطح زمین در طول یک خط پروفیل بررسی می شود. نحوه انجام یک برداشت ژئوالکتریکی به روش پروفیل زنی با استفاده از یک آرایه الکترودی مشخص در طول یک خط پروفیل در روی زمین بدین ترتیب است که فواصل بین الکترودها یا طول آرایه (که با عمق تجسس یا مؤثر آرایه به طور تجربی متناسب است) را در همه اندازه گیریها ثابت نگهداشته و بعد از هر اندازه گیری، تمامی الکترودها با همان آرایه الکترودی مشخص و طول آرایه ثابت در روی خط پروفیل مورد مطالعه نقل مکان داده می شوند تا در نهایت بدین ترتیب برداشت در تمام طول خط پروفیل مورد نظر صورت گیرد.
با بررسی تغییرات جانبی مقاومت ویژه حاصل از اندازه گیریهای ژئوالکتریک به روش پروفیل زنی، می توان نواحی یا مناطق آلوده زیرزمینی و محدوده یا وسعت آنها در زیر سطح زمین را مشخص نمود. همچنین بررسی تغییرات عمقی یا قائم مقاومت ویژه حاصل از اندازه گیریهای ژئوالکتریک به روش سونداژزنی، می تواند عمق و ضخامت توده آلوده زیرزمینی را مشخص نماید..
در اکتشاف و مطالعه آبهای زیرزمینی، روش ژئوالکتریک بیشترین سهم و موفقیت را نسبت به سایر روشهای ژئوفیزیکی داشته و به تنهایی می تواند عمق، محدوده یا گسترش جانبی، ضخامت و حجم تقریبی سفره یا ذخیره آب زیرزمینی در یک محل را تعیین نماید. یک لایه غیر قابل نفوذ رسی، که در زیر یک سفره آب زیرزمینی قرار گرفته و یا دو سفره آب زیرزمینی را از هم جدا می کند، به راحتی در روی منحنیهای حاصل از یک برداشت ژئوالکتریکی به روش سونداژزنی قابل تشخیص بوده و درنتیجه می توان عمق و ضخامت آن لایه را تخمین زد. روش ژئوالکتریک می تواند برای مشخص کردن مناطق حاوی آب زیرزمینی شیرین از نواحی دارای آب زیرزمینی شور و همچنین تعیین فصل مشترک یا مرز بین آنها، منشأ شوری و محل نفوذ آب شور به داخل آب شیرین نیز به کار گرفته شود. علاوه بر این، توسط روش ژئوالکتریک می توان از روی سطح زمین، سرعت و جهت یا مسیر حرکت آبهای زیرزمینی را تعیین نمود. همچنین با استفاده از این روش می توان یک ارزیابی کیفی از آبهای زیرزمینی (مانند برآورد میزان املاح یا شوری آنها) انجام داد. به طور کلی روش ژئوالکتریک در بررسی آبهای زیرزمینی می تواند اطلاعات با ارزشی فراهم نماید که معمولا" نمی توان این اطلاعات را از روشهای دیگر ژئوفیزیکی به دست آورد.
اندازه گیریهای ژئوالکتریک از روی سطح زمین می تواند کمک مؤثری در ارائه یک تصویر سه بعدی از آلودگی زیرزمینی بنماید. یک توده خاک یا آب زیرزمینی آلوده معمولا" دارای خصوصیات الکتریکی متفاوت از محیط یا سنگها ولایه های دربرگیرنده خود می باشد. به همین علت می توان با استفاده از روش پروفیل زنی ژئوالکتریکی، گسترش یا محدوده جانبی آلودگی زیرزمینی و توسط روش سونداژزنی ژئوالکتریکی، گسترش یا محدوده عمقی آن را تعیین نمود. به همین ترتیب می توان جهت و سرعت حرکت آلودگی (یا بعبارت دیگر گسترش جانبی و عمقی آلودگی بر حسب زمان) در زیر سطح زمین را نیز مشخص نمود. همچنین روش ژئوالکتریک می تواند به منظور تشخیص مناطق آلوده (خاک و) آب زیرزمینی از مناطق غیر آلوده (خاک و) آب زیرزمینی، تعیین مرز بین آنها، منشأ و محل نفوذ آلودگی مورد استفاده قرار گیرد.
روش ژئوالکتریک به عنوان یک روش غیر مستقیم برای تعیین خصوصیات مختلف آبهای زیرزمینی و همچنین تعیین پارامترها یا خصوصیات آلودگیهای زیرزمینی به کار می رود و در واقع این روش در مقایسه با روش کلاسیک و معمول که به طور مستقیم می تواند خصوصیات آبها و آلودگیهای زیرزمینی را تعیین یا اندازه گیری کند، ساده تر، سریعتر و بسیار ارزانتر می باشد. در روش کلاسیک و معمول، ابتدا حفاری چاهها و سپس نمونه گیری و در نهایت انجام آزمایشهای لازم بر روی نمونه ها مانند تجزیه شیمیایی آنها صورت می گیرد. هر چه شبکه طراحی شده چاههای حفاری متراکمتر (یا به عبارت دیگر تعداد چاههای حفر شده بیشتر) و به دنبال آن تعداد نمونه های گرفته شده و آزمایشهای مزبور بیشتر باشد، تعیین خصوصیات آبها و آلودگیهای زیرزمینی با استفاده از این روش که یک روش مستقیم است، مؤثرتر و دقیقتر انجام می گیرد. متأسفانه این روش در مقایسه با روش ژئوالکتریک، بسیار گران بوده و انجام آن عملا" مدت زمان مدیدی طول می کشد. این کاربرد روش ژئوالکتریک و مزایای آن نسبت به روش کلاسیک و معمول سبب شده تا روش ژئوالکتریک یک فناوری جدید و پیشرفته و در ضمن غیر تهاجمی به طبیعت محسوب شود چرا که برای تعیین خصوصیات مزبور با استفاده از روش کلاسیک و معمول، تخریب طبیعت، هر چند جزئی، اجتناب ناپذیر است. در برخی مناطق، حفر این چاههای مخرب یا مهاجم ممکن است سبب تشدید مسئله آلودگی زیرزمینی گردد. همچنین در بعضی مناطق (مثل مناطق حفاظت شده محیط زیست)، ضرورت ایجاب می کند تا در جهت رفع یا علاج این تخریب و یا به عبارت دیگر ترمیم دوباره طبیعت اقدام مناسبی صورت گیرد که این کار هزینه و وقت قابل ملاحظه ای را می طلبد. اهمیت و ضرورت این کاربرد ژئوالکتریک وقتی بیشتر نمودار می گردد که ملاحظه شود در صورت استفاده از روش کلاسیک و معمول، به علت وسعت زیاد منطقه نیاز به حفر چاههای بسیاری است. در این حالت، با استفاده از روش ژئوالکتریک می توان به مقدار قابل توجهی از میزان چاهها (یا متراژ حفاریها) کاست و درنتیجه، صرفه جوئی هنگفتی در هزینه و وقت انجام داد. البته در اینجا ذکر این نکته لازم است که معمولا" روش ژئوالکتریک می تواند به طور تقریبی خصوصیات مختلف آبها و آلودگیها را تعیین نماید، و بنابراین در صورت استفاده از روش ژئوالکتریک بدین منظور، باید همیشه تعداد معدودی چاه برای کنترل و تأیید صحت و سقم نتایج حاصل از ژئوالکتریک حفر نمود.
مثال عملی
برای تعیین گسترش و کیفیت آلودگی زیرزمینی ناشی از مصرف بسیار بالای هیدروکسید سدیم (سود سوز) غلیظ و داغ در محدوده یک کارخانه تولید آلومین در ایالت استرالیای غربی، برداشتهای ژئوالکتریکی سونداژزنی و پروفیل زنی توسط نگارنده این مقاله در محدوده مزبور انجام و نتایج مورد پردازش و تفسیر قرار گرفت. لازم به ذکر است که چون عوامل نوفه (Noise) زیادی از قبیل ساختمانها، توپوگرافی نه چندان ملایم و خطوط لوله، برق و تلفن در منطقه مورد مطالعه وجود داشت، به نظر می رسید که روشهای ژئوالکتریک نسبت به روشهای الکترومغناطیس در زمینه برآورد خصوصیات آلودگی نتایج بهتری در بر داشته باشند. چون داده های حاصل از برداشتهای ژئوالکتریکی به روش سونداژزنی تحت تأثیر آلودگی شدید مناطق سطحی یا نزدیک به سطح قرار گرفته بودند، درنتیجه امکان تفکیک لایه های سطحی به خوبی امکان پذیر نبود. با این حال برداشتهای ژئوالکتریکی به روش پروفیل زنی با استفاده از آرایه ونر (Wenner array) با فواصل الکترودی مختلف به خوبی گسترش آلودگی زیرزمینی و تا حدودی میزان کیفی آن را در منطقه نشان داد.
نتیجه گیری
در بررسی مسائل آلودگی توسط روش ژئوالکتریک، منطقه آلوده زیرزمینی به عنوان یک ساختمان یا توده سه بعدی در یک محیط (یا سنگ) میزبان که معمولا" دارای خصوصیات الکتریکی متفاوت از توده خاک یا آب زیرزمینی آلوده می باشد، در نظر گرفته می شود. به همین علت می توان با استفاده از روش پروفیل زنی ژئوالکتریکی، گسترش یا محدوده جانبی آلودگی زیرزمینی و توسط روش سونداژزنی ژئوالکتریکی، گسترش یا محدوده عمقی آن را تعیین نمود. این مورد با برداشتهای ژئوالکتریکی در یک منطقه آلوده زیرزمینی در ایالت استرالیای غربی نشان داده شد.
روش ژئوالکتریک، عمدتاً به دلیل سریع و ارزان بودن، می تواند تا اندازه زیادی جایگزین روش حفاری چاهها که تاکنون بطور معمول برای بررسی آلودگیهای خاک و آب زیرزمینی مورد استفاده بوده، گردد. این کاربرد روش ژئوالکتریک یکی از فناوری های جدید و پیشرفته بشر است که نسبت به روش معمول حفاری از مزایای خاصی برخوردار است.