تفسیر مغناطیسی داده¬های الکترومغناطیس هوایی در منطقه

دسته ژئوفیزیک
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین
تاريخ برگزاری ۱۳ اسفند ۱۳۸۶

چکیده:
 
محتوای داده­های یک سیستم الکترومغناطیس هوایی شامل ترکیبی از پاسخ جریان هایگردابی مربوط به رسانایی و پاسخ پلاریزاسیون مغناطیسی است. میدان ثانویه اندازه­گیری شده در پیچه گیرنده، ناشی از جریان­های گردابی، وابسته به فرکانس هستند و شامل هر دو مؤلفه حقیقی و موهومی با مقادیر مثبت زیاد هستند، در مقابل، میدان ثانویه ناشی از پلاریزاسیون مغناطیسی مستقل از فرکانس بوده و فقط شامل مؤلفه حقیقی به شکل مقادیر منفی و نزدیک به صفر است. بنابراین می­توان محتوای مغناطیسی زمین را از مؤلفه حقیقی کاهش یافته برای آرایش پیچه هم صفحه افقی  در کمترین فرکانس محاسبه کرد. نتایج این روش مستقل از مغناطیس باقیمانده، عرض مغناطیسی و اثرات مغناطیسی سنگ بستر می­باشد. نتایج محتوای مغناطیسی حاصل از
داده­های  می­تواند به طور مکمل همراه با نتایج مغناطیس­سنجی برای تعیین بهتر مرزهای مغناطیسی در فواصل نزدیک و بررسی حقیقی و کاذب بودن بی­هنجاری­های مقاومت وی‍‍‍‍‍‍‍‍ژه به کار رود.

داریوش شکری1 ،ابولقاسم کامکار روحانی2 ،علی مراد زاده3 و احمد سمنانی نژاد4
1- دانشجوی کارشناسی ارشد ژئوفیزیک دانشگاه صنعتی شاهرود Dariush_shokri@yahoo.com 
2-  استادیار دانشگاه صنعتی شاهرود
3- دانشیار دانشگاه صنعتی شاهرود
4- دانشجوی کارشناسی ارشد ژئوفیزیک دانشگاه صنعتی شاهرود
مقدمه:
 
به طور کلی سه معادله اصلی که رفتار میدان الکترومغناطیسی را با خواص الکتریکی زمین مربوط می کند عبارتند از]5[:
(1)                                                                    
(2)                                                                    
(3)                                                                   
که در روابط بالا  رسانندگی ( که عکس مقاومت ویژه یا  است)، تراوایی مغناطیسی و  گذردهی دی­الکتریکی می­باشد. رسانایی الکتریکی در اغلب موارد پارامتر ژئوفیزیکی اصلی است که پاسخ الکترومغناطیس هلیکوپتری (HEM) را تحت تاثیر قرار می­دهد، ولی در برخی شرایط تراوایی مغناطیسی و گذردهی دی­الکتریکی نقش مهمی در سیگنال اندازه­گیری شده دارند. تراوایی یا خود پذیری مغناطیسی یک اندازه­گیری از میزان پذیرش برای مغناطیسی شدن است که برای همه فرکانس­ها ثابت است و از آنجا که در کمترین فرکانس اثر رسانایی به واسطه عدد القایی کم، حداقل است این پارامتر اغلب در داده­های فرکانس پایین دیده می­شود.[4] گذردهی دی­الکتریکی نیز یک اندازه­گیری از توانایی ماده برای ذخیره کردن بار الکتریکی است که این اثر تابعی از فرکانس است، به این معنی که چنانکه فرکانس افزایش ­یابد، اثرگذردهی دی­الکتریکی نیز افزایش می­یابد. بنابرابن این اثر اغلب هنگامی که  خیلی زیاد است در داده­های فرکانس بالا دیده می­شود [4]. در اغلب موارد جهت محاسبه مقاومت­ویژه، پارامتر تراوایی مغناطیسی به صورت تراوایی مغناطیسی فضای آزاد و پارامتر دی­الکتریکی را برابر صفر در نظر می­گیرند که این فرض نتایج دور از واقعیت را در شرایط زمین­شناسی مقاوم و مغناطیسی در پی دارد. اثر متقابل از هر سه پارامتر بر روی پاسخ­های دریافت شده مهم است، بنابراین بایستی تهیه نقشه­های EM از زمین ( در نواحی با اینگونه اثرات) با در نظر گرفتن هر سه پارامتر ( رسانایی، تراوایی مغناطیسی و گذردهی دی­الکتریکی ) انجام شود [5].
بحث:
 
با توجه به اینکه آرایش هم صفحه افقی () نسبت به آرایش هم محور قائم (VCX) دارای یک نسبت علامت به نوفه (signal to noise ratio)کمتری است روش تهیه نقشه­های مغناطیسی (Magnetic mapping)بیشترمبتنی بر داده­های مؤلفه همفاز از آرایش هم صفحه افقی انجام می­شود. از آنجا که در کمترین فرکانس اثر رسانایی و گذردهی دی­الکتریکی حداقل است، مؤلفه همفاز در کمترین فرکانس مورد استفاده قرار می­گیرد [3]. یک توده پلاریزه شونده مغناطیسی     (مانند سازند های آهن دار ، دیاباز و یا دیگر سنگ های محتوی مگنتیت) به طور معمول یک پاسخ مؤلفه حقیقی منفی با یک پاسخ مؤلفه موهومی صفر را به دست می دهد. یک مقدار خودپذیری در حدود 0.01 (در سیستم SI) کافی است تا پاسخ مؤلفه حقیقی از سیستم برداشت برای یک ارتفاع 30 متری سنجنده، در حدود  12 کاهش یابد [1]. هنگامی که پلاریزاسیون مغناطیسی باعث کاهش در مقدار مؤلفه حقیقی به صورت مقادیر مثبت نزدیک به صفر می­شود، حضور این پلاریزاسیون می­تواند به وسیله افزایش در مقاومت­ویژه که مربوط به مناطق با خاصیت مغناطیسی زیاد است مشخص شود. مگنتیت و پیروتیت تنها کانی­هایی هستند که با توجه به پلاریزاسیون مغناطیسی بالای آنها بر روی پاسخ اندازه­گیری شده سیستمتاثیر می­گذارند. به دلیل رسانایی پیروتیت و همراهی­اش با دیگر کانی­های سولفیدی رسانا، به طور معمول پلاریزاسیون مغناطیسی آن نادیده گرفته می­شود    (به استثنای ذخایر محتوی پیروتیت­های پراکنده زیاد)، بنابراین فقط مگنتیت به عنوان تنها کانی که باعث ایجاد آنومالی مؤلفه حقیقی منفی می­شود، مد نظر قرار می­گیرد [4]. لازم به ذکر است که سنگ­های محتوی کمتر از  مگنتیت می­تواند باعث منفی شدن مؤلفه حقیقی شود. علاوه بر محتوای مغناطیسی، ارتفاع پرواز و ضخامت روباره نیز باعث تغییرات در مقدار مؤلفه همفاز  می­شود. تغییرات ارتفاعی برای دستگاه گیرنده مغناطیسی (مغناطیس­سنج) جدی نیست، (توان افت در این مورد برای یک توده وسیع صفر و برای یک دایک نازک قائم تقریبا 1 است) در حالی که این تغییرات برای بررسی مغناطیسی توسط روش بسیار جدی است. به طور کلی یک کاهش سریع در دامنه پاسخ  با افزایش فاصله از منبع صورت می­گیرد، این دامنه برای مدل نیم فضای همگن با توان 3 ، برای مدل دایک قائم با توان 4 و برای یک میله قائم با توان 5 کاهش می­یابد. زمانی که سنجنده () در یک ارتفاع 30متری بالای سطح زمین قرار دارد روش  به 4/1 درصد مگنتیت در حجم سنگ حساس می­باشد [6].
با توجه به مطالب گفته شده، برای فراهم کردن پاسخ در یک ارتفاع ثابت (برای مثال 30 متر) بایستی یک ضریب تصحیح با توان سوم به صورت زیر انجام شود:
(4)                                                                 
که در این رابطه  ارتفاع اندازه­گیری شده توسط سیستم و  یک مقدار ارتفاع ثابت جهت جبران تغییرات ارتفاعی می­باشد(در اغلب موارد برابر 30 متر در نظر گرفته می­شود). در نواحی که یک روباره غیر مغناطیسی و غیر رسانا بر روی یک نیم فضای قابل پلاریزه شدن مغناطیسی وجود دارد، اگر ضخامت  از روباره شناخته شده باشد، رابطه بالا به صورت زیر در می­آید:
(5)                                                             
که  ضخامت روباره غیر مغناطیسی است، هر چند به طور معمول ضخامت روباره شناخته شده نیست[3] .
محاسبه درصد حجمی و درصد وزن ظاهری مگنتیت:
 
در ابتدا داده­های مؤلفه همفاز از آرایش پیچه  را برای یک ارتفاع ثابت نرمالیزه می­کنیم. مؤلفه نرمالیزه شده  توسط معادلات 4 و 5 به صورت زیر بدست می­آید  :[3]
(6)                                                       
که در رابطه بالا  مؤلفه همفاز برای آرایش  در کمترین فرکانس و  مؤلفه همفاز نرمالیزه شده است. ممکن است که مستقیمأ مقادیر  به صورت نقشه­های هم مقدار نمایش داده شوند و به عنوان یک مقیاسی برای نقشه­های مغناطیس­سنجی به کار روند. صرفنظر از اثرات وامغناطیسی، می­توان یک رابطه خطی بین درصد حجمی مگنتیت و پاسخ مؤلفه همفاز به صورت زیر ارائه نمود[3]:
(6)                                                                     
در این رابطه  درصد حجمی ظاهری مگنتیت یا محتوای مغناطیسی می­باشد. توسط درصدحجمی مگنتیت و با توجه به رابطه زیر، درصد وزن ظاهری مگنتیت قابل محاسبه است:
(8)                               
که  درصد وزن ظاهری مگنتیت می­باشد. دو فرض اساسی برای محاسبات بالا عدم تغییر ارتفاع (توپوگرافی ملایم) و عدم وجود پاسخ رسانایی در مؤلفه حقیقی می­باشد. توسط رابطه 6 تا حدود زیادی می­توان اثرات تغییرات ارتفاعی را کاهش داد، ولی اثرات ناشی از وجود روباره­های مغناطیسی، ممکن است به طور کامل از روی داده­ها برداشته نشود و بایستی از روش­های
معکوس­سازی استفاده نمود[2] . در مورد فرض رسانایی، می­توان روابط بالا را برای مناطق با مقاومت ویژه بیشتر از 500 اهم­متر به کار برد. جایی که مقاومت ویژه کمتر از 500 اهم­متر است، تخمین محتوای مغناطیسی به درستی انجام نمی­شود. معمولا تخمین محتوای مغناطیسی با یک ضریبی از دو (زمانی که توزیع مغناطیسی یکنواخت است) درست می­باشد [6]. با توجه به روابط 6 و 8 ، یک نیم فضای محتوی 25 درصد وزنی مگنتیت می­تواند یک پاسخ مؤلفه همفاز برابر با 3 را برای یک ارتفاع پرواز 30 متر به دست دهد [3].
به طور کلی در مقایسه با داده­های مغناطیس­سنجی، روش  دارای حساسیت کمتری به محتوای مغناطیسی است، و قادر است که مناطق محلی مغناطیسی در فواصل خیلی نزدیک را مشخص کند. به خاطر اینکه مقادیر محتوای مغناطیسی بدست آمده از    داده­های یک خاصیت فیزیکی اندازه­گیری شده از واحدهای سنگی است (مثل مقاومت ­ویژه)، در حالی که مقادیر مغناطیسی به دست آمده از برداشت­های مغناطیس ­سنجی یک اندازه­گیری از میدان پتانسیل است، بنابراین روش الکترومغناطیسی نسبت به روش مغناطیس­سنجی در مشخص کردن انواع واحد­های سنگی و تعیین مرز آنها، نتایج خیلی بهتر را ارائه می­کند [6]. شکل کلی یک بی­هنجاری مغناطیسی به دست آمده از روش مغناطیس­سنجی، وابسته به شکل و جهت میدان مغناطیسی منبع است، به این صورت که بی­هنجاری­های مغناطیسی میدان کل در عرض­های مغناطیسی مختلف، متفاوت هستند ولی بی­هنجاری­های مغناطیسی به دست آمده توسط داده­های  همان شکل را صرفنظر از عرض مغناطیسی در داخل زمین دارا هستند (یعنی نیاز به فیلتر برگردان به قطب برای نتایج محتوای مغناطیسی نمی­باشد)[3] . علاوه بر این، نتایج مغناطیسی در روش الکترومغناطیس به وسیله پدیده مغناطیس باقیمانده تاثیر نمی­پذیرد. بی­هنجاری­های مغناطیسی حاصل از داده­های
مغناطیس ­سنجی یک برایندی از اثر مغناطیسی در اعماق مختلف است. در حالی که روش (به دلیل عمق نفوذ کم این آرایش) فقط بی­هنجاری­های حاصله از منابع مغناطیسی در اعماق کم را نشان می­دهد (یعنی نیاز به جدا کردن پاسخ­های مغناطیس باقیمانده از پاسخ مغناطیس کل در روش  نمی­باشد) [6].
به طور کلی مواردی که باعث ایجاد خطا در محاسبه درصد حجمی و درصد وزن ظاهری مگنتیت می­شود را می توان به صورت وامغناطیس­شدگی، وجود روباره غیر مغناطیسی، افزایش مؤلفه حقیقی در اثر کاهش مقاومت­ویژه و کاهش ارتفاع عنوان نمود [3].
مطالعه موردی (منطقه کلاته-رشم دامغان):
 
در این مقاله جهت محاسبه مقادیر درصد حجمی مگنتیت و درصد وزن ظاهری مگنتیت از
داده­ های الکترومغناطیس هوایی منطقه کلاته–رشم در 120 کیلومتری جنوب شهر دامغان           (واقع در استان سمنان) استفاده شده است. در این برداشت که توسط سازمان
زمین­شناسی و اکتشافات معدنی کل کشور انجام شده، خطوط پرواز با امتداد E 31.5 N و با فواصل 400 متر در نظر گرفته شده است. فرکانس­های برداشتی برای آرایش  ، 865،4920 و 33000 هرتز و برای آرایش ، 926 و 4490 هرتز می­باشد. به طور کلی زمین­شناسی ناحیه برداشتی شامل واحد­های کربناته دگرگون شده قبل از کرتاسه و واحد­های آتشفشانی- نفوذی ترشیاری
می­باشد. بی­هنجاری­های شدت مغناطیسی بالا در این منطقه اصولا ناشی از واحد­های آندزیتی داسیتی، توفهای آتشفشانی و بازالت­های دگرگون شده می­باشد. مقادیر مقاومت­ویژه به دست آمده برای این واحد­ها نیز در یک محدوده 400 تا بالای 10000 اهم­متر تغییر می­کند. بنابراین به دلیل تراواییمغناطیسی و مقاومت­ویژه بالا در این گونه نواحی، مؤلفه حقیقی در پایین­ترین فرکانس        (865 هرتز) به شدت کاهش یافته است. لازم به ذکر است که در برخی مناطق، به دلیل وجود مناطق دگرسان شده پراکنده بر روی واحد­های بازیک، مؤلفه مذکور به مقدار زیادی افزایش یافته است و بنابراین در این گونه مناطق تخمین درصد محتوای مغناطیسی و وزن ظاهری مغناطیسی ممکن نیست.
با توجه به معادلات 6، 7 و 8 مقادیر ،  و  از داده­های مؤلفه همفاز آرایش     (در فرکانس 865 هرتز) محاسبه شده و سپس این نتایج توسط نرم افزار
    به صورت نقشه در آمده است. نقشه­های مربوطه در شکلهای 3 و 4 دیده می­شود.
شکل 1 نقشه شدت مغناطیس کل برگردان به قطب از منطقه را نشان می­دهد که این نقشه ترکیبی از بی­هنجاری­های مغناطیسی کم عمق و عمیق را نمایان می­سازد. فیلتر روند سطحی درجه 3 برای تهیه مقادیر مغناطیس باقیمانده از مقادیر شدت مغناطیس کل اعمال شده است که نتایج آن به صورت نقشه شدت مغناطیس باقیمانده در شکل 2 آورده شده است.
با مقایسه نقشه های و  (شکلهای 3 و 4) و نقشه­های مغناطیسی              (شکلهای 1 و2) دیده می­شود که مقادیر و تا حدود زیادی بی­هنجاری­های مغناطیسی از نقشه مغناطیس باقیمانده (که برگردان به قطب شده) را نشان می­دهند و به مقدار زیادی متفاوت از نفشه شدت مغناطیس کل (شکل 1) هستند. بیشترین انطباق بین نتایج  و نقشه باقیمانده مغناطیسی در قسمت مرکزی دیده می­شود که در این محدوده واحدهای سنگی مغناطیسی و مقاوم باعث کاهش مؤلفه همفاز شده­اند و در نتیجه محاسبه و  تاحدود زیادی به درستی انجام شده است. در این محدوده مقادیر مقاومت­ویژه کمی توسط نسخه از بسته نرم افزاری  محاسبه شده است که این موضوع با محتوای مغناطیسی محاسبه شده مغایر است. این مقادیر رسانایی کاذب یک نتیجه­ای از ترکیب پاسخ های مؤلفه حقیقی خیلی کم با داده­های مؤلفه موهومی متوسط توسط الگوریتم ضعیف به کار رفته در نرم افزار  می­باشد [1]. بنابراین با مقایسه نتایج محتوای مغناطیسی از روش و نتایج مغناطیس­سنجی می­توان حقیقی و کاذب بودن           بی­هنجاری­های مقاومت­وی‍ژه را بررسی نمود. به طور کلی نتایج روش  نسبت به نتایج مغناطیس­سنجی کمی متفاوت است، به این صورت که نتایج روش  مرزها را بهتر از روش مغناطیس­سنجی نشان داده است ( یعنی در مورد روش مغناطیس سنجی مرزها تدریجی تر است).
در قسمت شمال شرقی منطقه یک بی­هنجاری مغناطیسی بالا وجود دارد که در هیچ یک از نقشه­های و  (شکلهای 3 و 4) وجود ندارد. با توجه به داده های مقاومت ویژه پایین برای این قسمت، مؤلفه همفاز افزایش یافته و بنابراین امکان محاسبه محتوای مغناطیسی در این قسمت توسط روش  وجود ندارد.
به دلیل وجود مناطق دگرسانی و رگه­های کانی­سازی در منطقه مذکور، مقادیر  و  نشان داده شده در نقشه­های زیر برای بعضی نواحی واقعی نیستند، هر چند تخمین محتوای مغناطیسی توسط روشبا یک ضریبی از 2 می­تواند درست باشد [3].
نتیجه گیری:
 
در نواحی مغناطیسی و حاوی سنگ­های مقاوم، مؤلفه همفاز از داده­های الکترومغناطیس به شدت کاهش می­یابد و منفی می­شود. توسط روش ذکر شده در این مقاله می توان از روی داده­های مولفه همفاز از آرایشدر کمترین فرکانس، محتوای مغناطیسی از واحد­های زمین­شناسی را محاسبه نمود. این روش نسبت به روش متداول مغناطیس­سنجی مستقل از مغناطیس باقیمانده، اثرات مغناطیس لایه­های عمیق و عرض مغناطیسی محل می­باشد. این روش دارای حساسیت کمتری نسبت به روش مغناطیس­سنجی است ولی مرز بین واحد­های سنگی را بهتر مشخص می­کند. به طور کلی می­توان نتیجه گرفت که روشدر ابعاد میکرو و روش مغناطیس­سنجی در ابعاد ماکرو عمل می­نمایند. تفسیر نتایج مغناطیس­سنجی و نتایج محتوای مغناطیسی بدست آمده از روشدر نهایت منجر به ارائه یک تفسیر مطلوب از واحد­های سنگی منطقه و بررسی حقیقی یا کاذب بودن مقادیر مقاومت­ویژه می­شود.

کلید واژه ها: الکترومغناطیس هوایی منطقهکلاته رشم دامغان ژئوفیزیک سمنان