آشکارسازی حفـره هـای زیرسـطحی بـه روش Bristow مقاومت ویژه

دسته ژئوفیزیک
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین
تاريخ برگزاری ۰۴ اردیبهشت ۱۳۸۷

     یکى از آرایشهاى مقاومت ویژه براى آشکارسازى حفره هاى زیر سطحى روش بریستو مى باشد . در این روش از آرایش الکترودى Pole-Dipole و یک تکنیک ترسیمى براى تفسیر داده هاى بدست آمده استفاده مى شود
   هدف از این بررسى، ارزیابى توانایى ها و محـدودیت هـاى روش بریسـتو در آشکارسازى حفره هاى زیرسطحى ، در مقایسه با سایر آرایش هاى خطى مقـاومت ویژه مى باشد. مقایسه اندازه گیرى هاى انجام شده بوسیله آرایش هاى الکترودى مختلف تأیید مى کند روش بریستو ، یک راه حل قابل اعتماد و عملى براى اکتشاف حفره هاى زیر سطحى و کارست مى باشد .

     از میان روشهای مختلفی که موفق به آشکار سازی حفره های زیر سطحی شده اند، روش طراحی شده توسط C.M. Bristow1966 توجه بسیاری را به خود جلب کرده است . این روش که عموما بهعنوان روش بریستو (Bristow) شناخته می شود، روش مقاومت ویژه الکتریکی است که ازآرایش الکترودی pole-dipole و یک تکنیک ترسیمی ساده به نام روش کمان های متقاطعبرای تفسیر داده های بدست آمده استفاده می کند .
در این روش یک منبع جریان تکقطبی به کار گرفته می شود و یک الکترود جریان در فاصله بی نهایت ( که در کارهایعملی، فاصله ای بیش از 5 تا 10 برابر فاصله اندازه گیری است ) قرار داده می شود
.
از آنجایی که در آرایش pole-dipole ، اثرات الکترود جریان بی نهایت به حداقلرسیده است، بنابراین محاسبه مقاومت ویژه ظاهری برای این آرایش بصورت زیر درمی آید :

محاسبه مقاومت ویژه ظاهریدر آرایش pole-dipole

 
بعد از اینکه کمان های دایره ای برای تمامنقاطی که مقاومت ویژه نابهنجار نشان میدهند ترسیم شد، محل برخورد کمان های رسم شدهبه عنوان نواحی نابهنجار از لحاظ مقاومت ویژه الکتریکی تعبیر و تفسیر می شوند . ازآنجایی که مقطع قائم با مقیاس مشخصی ترسیم شده است، میتوان اطلاعاتی در مورد عمق واندازه آنومالی بدست آورد.

مدل سازی تجربی حفره ها

برای درک بهتر نقشحفره ها روی منحنی های مقاومت ویژه ، روش مدل سازی در تانک بکار گرفته شد . در اینمدل سازی، از یک لوله عایق پلاستیکی با قطر 9 سانتی متر و طول 150 سانتی متراستفاده شد . این لوله می تواند نشان دهنده یک حفره استوانه ای پر از هوا یا بهعبارت بهتر یک تونل زیرزمینی پر از هوا باشد . در طبیعت، چنین تونلی را میتوان بهشکل یک غار کارستی و یا تونل معادن قدیمی که در زیر زمین مدفون شده است، پیدا کرد. مدل موردنظر در وسط تانک بصورت افقی قرار داده شد و اندازه گیری ها در وسط تانک بهصورت عمـود بر امتداد محور حفره استوانه ای مذکور انجـام گرفت . برای انجام اندازهگیری ها در مرحله اول از آرایش pole-dipole و تفسیر ترسیمی Bristow ، و در مرحلهبعد از آرایش های ونر و شلومبرگر استفاده شد.
نتایج مدل سازی
نتایج بدست آمده از مدل سازی روی حفره ها را میتوان بصورت زیر خلاصه کرد :
1- در حالتی که عمق تدفین حفره استوانه ای کمتر از شعاع استوانه باشد، با استفاده از روش بریستو میتوان با دقت بالایی عمق تدفین را بدست آورد . ضمن اینکه در این حالت هرچه فاصله الکترودهای پتانسیل کمتر باشد دقت اندازه گیری آرایش بیشتر خواهد بود . همچنین در این حالت تخمین نسبتا خوبی از ابعاد آنومالی بدست می آید .
2- در حالتی که عمق تدفین حفره استوانه ای بیشتر از شعاع استوانه باشد، تعیین عمق و ابعاد آنومالی با ابهاماتی همراه است، بطوری که برای اعماق بسیار زیاد ( عمق بیشتر از قطر استوانه ) ، آشکارسازی آنومالی تقریبا غیرممکن به نظر می رسد . در این حالت وقتی که فاصله الکترودهای پتانسیل، بزرگتر باشد دامنه منحنی مقاومت ویژه نیز بزرگتر است .
3- در مطالعه و آشکارسازی حفره های استوانه ای، آرایش شلومبرگر در مقایسه با آرایش ونر نتایج بهتری نشان می دهد . در هر دو آرایش تخمین شعاع حفره بطور تقریبی امکان پذیر است . اما تخمین عمق خطای بیشتری دارد . هردو آرایش در فواصل الکترودی بزرگتر نتایج بهتری نشانمی دهند، اما نتایج آرایش شلومبرگر هم در تخمین شعاع حفره و هم در تخمین عمق آنومالی قابل قبول تر و منطقی تر از روش ونر است . ضمن اینکه در فواصل الکترودی بزرگتر، دامنه مقاومت ویژه بدست آمده در آرایش شلومبرگر، بزرگتر از دامنه بدست آمده از آرایش ونرمی باشد .
4- در مورد مقایسه آرایش شلومبرگر با روش بریستو میتوان گفت که آرایش بریستو بهترین نتایج را هم در تعیین عمق و هم تعیین ابعاد آنومالی نشان می دهد . بعلاوه در شرایط یکسان دامنه آنومالی مقاومت ویژه بدست آمده در آرایش بریستو بزرگتر از آرایش شلومبرگرمی باشد . ضمن اینکه تفسیر نتایج روش بریستو با استفاده از کمان های متقاطع بسیار ساده بوده و براحتی امکان پذیر است.

اندازه گیری های صحرایی

به منظور ارزیابی آرایش pole-dipole و تفسیر روش بریستو در آشکارسازی حفره های زیر سطحی در مناطق کارستی ، یک سری اندازه گیری های صحرایی به روش بریستو روی غار قوری قلعه انجام گرفت . غار قوری قلعه در 86 کیلومتری شهر کرمانشاه در مسیر جاده پاوه و در شمال شهر جوانرود واقع شده است.
برای انجام اندازه گیری ها از دستگاه اندازه گیری مقاومت ویژه زمین محصول شرکت سوئدی ABEM مدل TERRAMETER SAS 4000 استفاده شد.
اندازه گیری های صحرایی در ناحیه بالای غار قوری قلعه انجام شد . در مجموع 9 پروفیل و 27 پیمایش، مقاومت ویژه ظاهری به تعداد 681 بار قرائت شد و کل منطقه موردنظر تحت پوشش قرار گرفت.
در پایان عملیات صحرایی، با استفاده از نتایج بدست آمده از اندازه گیری ها، نقشه غار و شبه مقطع (pseudo section) آن ترسیم شد و با نقشه واقعی غار مقایسه گردید . از مقایسه این نقشه ها با یکدیگر به نتایج زیر میتوان دست یافت :
1- نقشه تفسیری بدست آمده از روش بریستو در بسیاری نقاط با نقشه اصلی غار همخوانی دارد ( شکل4).
2- تفاوت اصلی بین این دو نقشه در ابعاد بدست آمده برای غار می باشد ، بدین صورت که در بعضی نقاط ابعاد بدست آمده در نقشه بریستو بزرگتر از ابعاد غار در نقشه اصلی هستند . علت این مسئله می تواند ناشی از کم بودن تعداد داده های اندازه گیری برای تفسیر به روش بریستو باشد . بنابراین میتوان با افزایش تعداد سونداژهای اندازه گیری، دقت آرایش را افزایش داد ( البته در منطقه قوری قلعه، به دلیل محدودیت های طبیعی زمین، افزایش تعداد سونداژها مقدور نیست).
روش بریستو یک ابزار دقیق و منطقی برای آشکار سازی و بررسی حفره های زیر سطحی در مناطق کارستی می باشد . در اکتشاف حفره ها، آرایش pole-dipole نتایج بهتری نسبت به سایر آرایش های الکترودی نشان می دهد.
بر اساس نتایج بدست آمده، برای دستیابی به موثرترین حالت استفاده از روش بریستو بایستی به موارد زیر توجه کرد :
1- برای کاهش خطا بایستی الکترودهای جریان، بیشترین فاصله ممکن را از یکدیگر دارا باشند . مقدار می نیمم این فاصله در کارهای عملی، 5 برابر عمق مورد نظر برای کاوش در نظر گرفته می شود .
2- در هنگام جابجا کردن الکترودهای پتانسیل در فاصله بین الکترود های جریان ، باید دقت شود که الکترودهای پتانسیل بیش از حد مجاز از الکترود جریان محلی دور نشوند . به جای افزایش این فاصله، بهتر است که تعداد سونداژهای اندازه گیری افزایش یابد، زیرا هرچه تعداد کمان های دایره ای در تفسیر بریستو بیشتر باشد نتایج دقیق تری بدست خواهد آمد .
3- در اندازه گیری های صحرایی، فاصله الکترودهای پتانسیل باید کمتر از شعاع کوچکترین حفره ای باشد که در جستجوی آن هستیم . همچنین فاصله نمونه برداری باید کمتر از شعاع کوچکترین حفره باشد تا از مخفی شدن آنومالی نشان دهنده حفره جلوگیری شود .
در مدل سازی، تعیین یک محدوده قطعی برای عمق آشکار سازی روش بریستو، به دلیل کوچک بودن محدوده تانک و نبود فضای کافی برای جابجا کردن آرایش، بسیار مشکل است . با یک دید کلی میتوان گفت که مقدار خطا های اندازه گیری باعث می شود که حفره های خیلی عمیق تر از شعاع ( در واقع قطر ) حفره آشکارسازی نشوند، در حالی که مطالعات صحرایی نشان می دهند که این روش را میتوان برای یافتن حفره های نسبتا کوچک در اعماق زیاد بکار برد .
نکته دیگری که باید یادآوری شود این است که در آشکارسازی حفره ها به روش مقاومت ویژه، بعد از روش بریستو، بهترین نتایج از آرایش شلومبرگر بدست می آید.
   منابع:
     Daniels, J., 1988, “Locating caves, tunnels and mines”, Geophysics: The Leading Edge of Exploration, March 1988
Habberjam, G. M., 1969, “The location of spherical cavities using a tripotential resistivity technique”,
Geophysics, 34, 780-784
Lowry, T. and Shive, P. N., 1990, “An evaluation of Bristow’s method for the detection of subsurface cavities”, Geophysics, 55, 514-520

Roth, M. S., Nyquist, J. E. and Guzas, B., “Locating subsurface cavities”, Proceedings of symposium on the application of Geophysics to engineering and environmental problems, copyright 2000 EEGS

Smith, D. L., 1986, “Application of the pole-dipole resistivity technique to the detection of solution cavities beneath highways”, Geophysics, 51, 833-837

Smith, D. L., and Randazzo, A. F., 1986, “Evaluation of electrical resistivity methods in the investigation of karstic features”, Engineering Geology, 22, 217-230

Spiegel, R. J., Sturdivant, V. R., and Owen, T. E., 1980, “Modeling resistivity anomalies from localized voids under irregular terrain”, Geophysics, 45, 1164-1183
در اندازه گیری های صحرایی به روش بریستو، یکالکترود جریان در فاصله بی نهایت قرارمی گیرد . این فاصله بی نهایت معمولا معادل 5تا 10 برابر عمـق مورد نظر برای کاوش در نظر گرفته می شود . اندازه گیری اختلافپتانسیل توسط دو الکترود پتانسیل که به فاصله ثابت a از هم قرار دارند انجام میگیرد. برای انجام اندازه گیری ها در راستای خط پیمایش، الکترودهای پتانسیل در مرحلهاول به فاصله a از الکترود جریان محلی قرار داده می شوند ( فاصله بین الکترودهایپتانسیل هم a است ). پس از انجام اندازه گیری اول، الکترود جریان درمحل خود ثابتباقی می ماند و فاصله الکترودهای پتانسیل با الکترود جریان محلی در امتداد خطپیمایش، افزایش داده می شود و الکترودهای پتانسیل به نقطه دوم اندازه گیری یعنیفاصله 2a منتقل می شوند، در حالی که فاصله بین دو الکترود پتانسیل همیشه بطورثابت
برابر a باقی می ماند . این روند اندازه گیری تا فاصله 10a نسبت به الکترودجریان محلی و در دو طرف آن ادامه می یابد . آنگاه کل آرایش جابجامی شود، یعنیالکترود جریان هم در راستای خط پیمایش حرکت داده می شود و در موقعیت جدید، اینپروسه اندازه گیری تکرارمی شود. پس از پایان اندازه گیری ها، منحنی تغییرات مقاومتویژه ظاهری نسبت به فاصله الکترودی، برای هر موقعیت ثابت الکترود جریان محلی ترسیممی گردد . از آنجایی که در هر اندازه گیری، فاصله الکترود جریان محلی نسبت بهالکترود جریان دور دست ثابت می باشد،
بنابراین در هر اندازه گیری، عمق موردبررسی در نقاط مختلف روی خط پیمایش یکسان خواهد بود . در این حالت، هرگونه افزایشیا کاهش ناگهانی مقدار مقاومت ویژه ظاهری را میتوان به وجود آنومالی با مقاومت ویژهظاهری بالا یا پایین نسبت داد. اکنون در راستای خط پیمایش، یک مقطع قائم کلی بامقیاس مناسب ترسیم می شود که روی آن موقعیت الکترود جریان محلی و الکترودهایپتانسیل برای تمام اندازه گیری ها مشخص شده است . سپس برای هر اندازه گیری، الکترودجریان محلی به عنوان مرکز در نظر گرفته می شود و دو کمان دایره ای به مرکزیتالکترود جریان و به شعاع نقاط آغاز و پایان آنومالی در منحنی های بدست آمدهترسیم
می گردد، یعنی در نقاطی که مقاومت ویژه بالا یا پایین نسبت به نقاط اطرافخود نشانمی دهند، یک کمان از نقطه آغاز آنومالی و یک کمان هم از نقطه پایان آنومالیبه مرکزیت الکترود جریان ترسیم می شود.

کلید واژه ها: حفـرههـایزیرسـطحی مقاومتویژه ژئوفیزیک سایر موارد