ژئوفیزیک چیست؟

به علم مطالعه و بررسی خصوصیات فیزیکی زمین، در اصطلاح ژئوفیزیک گفته می‌شود. به علم شناسایی مواد معدنی ژئوفیزیک عملی (applied geophysics) گفته می‌شود.  در این روش یکی از خصوصیات فیزیکی زمین مانند مغناطیس، شتاب جاذبه و .... در نقاط مختلف اندازه گیری و با مقایسه این داده ها با یکدیگر، ساختار داخلی زمین و امکان وجود منابع معدنی تا حدود زیادی شناسایی می‌شود. ژئوفیزیک در شناسایی مخازن نفت و گاز و آبخوان‌ها نیز بسیار کاربرد دارد.

مهم‌ترین روش‌های ژئوفیزیک عملی به شرح زیر است.

1. روش لرزه‌ای انکساری (seismic refraction method) : 

در اين روش، با انفجار مواد منفجره، استفاده از نوسان سازهای الکترونيکی و يا ضربه يک جسم سنگين، امواج لرزه‌ای ايجاد می‌کنند که اين امواج، در داخل زمين منتشر می‌شود. امواج ياد شده به هنگام برخورد با لايه‌های مختلف داخل زمين، منعکس و منکسر می‌شوند و پس از تعدادی انکسار و انعکاس، مجدداً به سطح زمين برمی‌گردند و به وسيله لرزه سنج‌هايی که در سطح زمين نصب شده‌اند ثبت می‌شوند. با تعيين زمان رفت و برگشت موج، می‌توان عمق طبقات منکسر کننده و در نتيجه ساختار داخلی زمين در ناحيه مورد نظر را به دست آورد.
هرچند اين روش دقت روش انعکاسی را ندارد ولی سرعت عمل آن بیشتر است و به سرعت می توان منطقه را شناسايی کرد.

تصویر شماتیک از نحوه کار ژئوفیزیک به روش لرزه‌ای انکساری

2.  روش لرزه‌ای انعکاسی(seismic reflection method): 

در اين روش نيز، همانند روش انکساری، يک دسته امواج لرزه‌ای به داخل زمين می‌فرستند. اين امواج، در اثر برخورد با طبقات مختلف داخل زمين، منعکس می‌شوند و به سطح زمين برمی‌گردند. با اندازه گيری زمان لازم برای رفت و برگشت موج، می‌توان عمق طبقات منعکس کننده و در نتيجه ساختار داخلی زمين در آن ناحيه را مشخص کرد. ثبت امواج برگشتی، به وسيله لرزه سنج‌های مستقر در سطح زمين انجام می‌گيرد و به کمک اين دستگاه‌ها، زمان برگشت موج را ثبت می‌کنند. با تغيير نقطه ايجاد لرزه و لرزه سنج‌ها، نيمرخ زمين در ناحيه مورد نظر مشخص می‌شود.
در روش لرزه‌ای انعکاسی (بازتابی) معمولاً زمان انتشار موج لرزه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که از چشمه‌ی انرژی رها شده و در یک سطح بازتاب کننده بازتابش یافته است و در سطح زمین به گیرنده می‌رسد. در حالی که در روش لرزه‌ای انکساری معمولاً زمان انتشار یک موج لرزه‌ای انکساری که در سطح ناپیوستگی در محیط انکسار یافته است، اندازه‌گیری می‌شود.

3-    روش گرانی سنجی(gravity method): 

در اين روش، شتاب جاذبه زمين در نقاط مختلف ناحيه مورد بررسی، اندازه گيری و در نقشه ناحيه ثبت می‌شود. از آنجا که جرم مخصوص سنگ‌های موجود در زير پوسته زمين در شتاب جاذبه مؤثرند، لذا با بررسی اختلاف شتاب جاذبه در نقاط مختلف، می توان جرم مخصوص مواد موجود در زير سطح زمين را مشخص و در نتيجه جنس آن‌ها را تا حدود زيادی شناسايی کرد. مثلاً هرگاه در زير سطح زمين يک گنبد نمکی وجود داشته باشد، شتاب جاذبه در آن نقطه کمتر از حالت عادی است و در حالتی که ماده معدنی با جرم مخصوص زياد در زيرزمين موجود باشد، شتاب جاذبه، زيادتر از حد عادی خواهد بود.
از آنجا که تغييرات شتاب جاذبه بسيار کم است لذا دستگاه هايی که برای اندازه گيری به کار می‌روند، بايد فوق العاده حساس و قادر به ثبت تغييرات کوچک باشند.
گرانی سنج ها (gravimeters)، متداول‌ترين وسايل اندازه گيری شتاب جاذبه اند.

تصویری از یک دستگاه گرانی سنج مدل 

4-    روش مغناطيس سنجی (magnetic method): 

بعضی از سنگ های زمين، کمابيش خاصيت مغناطيسی دارند و بنابراين، وجود آنها باعث می‌شود که شدت ميدان مغناطيسی زمين در محل تمرکز آنها تغيير کند. در اين روش، با اندازه گيری دقيق ميدان مغناطيسی زمين در نقاط مختلف و مقايسه آنها با يکديگر، می‌توان وجود اين مواد را در ناحيه شناسايی کرد. 
پس از اينکه ناحيه‌ای که بايد در آن کاوش‌های مغناطيس سنجی انجام گيرد، انتخاب شد، ابتدا يک خط مبنا به موازات ساختارهای عمومی زمين شناسی ناحيه انتخاب می‌کنند. اندازه گيری‌ها، در امتداد نيمرخ‌های با فاصله معين که در جهت عمود بر امتداد ساختار توجيه شده‌اند، انجام می‌گيرد. همچنين در ناحيه مورد بررسی، يک نقطه که به اندازه کافی از عوامل مغشوش کننده ميدان مغناطيسی نظير خطوط انتقال برق، راه آهن و نظاير آنها فاصله داشته باشد، انتخاب می کنند. شدت ميدان مغناطيسی در اين نقطه، به عنوان شدت مبنا در نظرگرفته شده و شدت ميدان در ساير ايستگاه ها، نسبت به اين نقطه سنجيده می شود. این روش بیشتر مناسب اکتشاف مگنتیت و سایر کانی‌های آهن‌دار است.

تصویری از اپراتور در حال برداشت ژئوفیزیک به روش مغناطیس سنجی 

5-    روش های الکتريکی (electrical method): 

خواص الکتريکی سنگ‌ها نيز از جمله مشخصات ديگری است که با اندازه گيری آنها، می‌توان مواد موجود در زير سطح زمين را شناسايی کرد.
از جمله مهم‌ترين مشخصات الکتريکی سنگ‌ها، مقاومت الکتريکی آنهاست. مثلاً هرگاه در زير سطح زمين يک کانسار فلزی موجود باشد، مقاومت الکتريکی زمين در آن نقطه، به مراتب کمتر از قسمت هايی است که سنگ های عادی وجود دارند. وجود آب حاوی املاح در خلل و فرج سنگ‌ها نيز باعث تغيير مقاومت الکتريکی آن‌ها می‌شود و بدين ترتيب، با اندازه‌گيری اين مشخصه، می‌توان آب‌های زيرزمينی را شناسايی کرد.
روشهای الکتريکی نسبت به ساير رو شهای ژئوفيزيکی تنوع بيشتری دارند. بعضی از اين روشها نظير روش پتانسيل خودزاد، بر مبنای اندازه‌گيری مشخصات ميدان‌های الکتريکی، که به طور طبيعی وجود دارند، بنا شده‌اند و از اين نظر، مشابه روش‌های گرانی سنجی و مغناطيسی سنجی هستند. در روش‌های ديگر، جريان‌های الکتريکی، به طور مصنوعی به داخل زمين فرستاده شده و آثار آن‌ها اندازه‌گيری می‌شود و از اين نظر مشابه روش‌های لرزه‌ای هستند. این روش بیشتر برای اکتشاف سولفیدهای فلزی مانند مس و نیکل استفاده می‌شود.

از مهم ترین روش های الکتریکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

1-    روش پتانسیل خودزا (SP): روش پتانسیل خودزا یک تکنیک بررسی الکتریکی است که از اوایل قرن بیستم، عمدتاً برای اکتشاف کانسارهای سولفیدی فلزی استفاده می‌شد. به دلیل پیشرفت در مقاومت الکتریکی و روش‌های پلاریزاسیون القایی،  SP به همان اندازه که در گذشته استفاده می‌شد، استفاده نمی‌شود. با این حال، اطلاعات قابل توجه و منحصر به فردی را ارائه می دهد که می تواند در تحقیقات محیطی و هیدروژئولوژیکی مدرن اعمال شود.
در این روش میدان‌های الکتریکی طبیعی ایجاد شده توسط یکی از دو پدیده را اندازه‌گیری می‌کنند: خوردگی یا هوازدگی مواد معدنی آهن دار یا جریان آب‌های زیرزمینی.  میدان پتانسیل الکتریکی بسیار کوچک است، معمولاً در مقیاس میلی ولت، اما می تواند در مناطق کوچک یا بزرگ اندازه گیری شود.
از این روش تقریباً به طور انحصاری برای ترسیم جریان آب زیرزمینی از طریق مواد متخلخل استفاده می شود به طور مثال از این روش برای تشخیص نواحی دارای نشت زیر سدها و خاکریزها استفاده می‌شود.

تصویری از شناسایی کانی زایی فلزی به کمک روش SP

2-    روش جریان های تلوریک و مگنتوتلوریک (MT) : یک روش ژئوفیزیکی الکترومغناطیسی برای بررسی رسانایی الکتریکی زیرسطحی زمین از اندازه‌گیری تغییرات میدان ژئومغناطیسی و ژئوالکتریک طبیعی در سطح زمین است. 
عمق بررسی در این روش از 100 متر زیر زمین تا عمق 200 کیلومتری یا عمیق‌تر می‌باشد.روش MT  در دهه 1940 در ژاپن و در اوایل دهه 1950 در فرانسه و اتحاد جماهیر شوروی پیشنهاد شد، اکنون یک رشته دانشگاهی بین المللی است و در بررسی های اکتشافی در سراسر جهان استفاده می شود. کاربردهای تجاری این روش شامل اکتشاف هیدروکربن (نفت و گاز)، اکتشافات زمین گرمایی، ذخایر کربن، اکتشاف معدن، و همچنین نظارت بر هیدروکربن و آب های زیرزمینی است. کاربردهای تحقیقاتی شامل آزمایش برای توسعه بیشتر روش MT، اکتشاف طولانی مدت پوسته عمیق، کاوش عمیق گوشته، نقشه برداری جریان آب زیر یخبندان ها  و زلزله است.

3-    روش الکترومغناطیس (EM): در این روش از فرستنده‌ها برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی اولیه قوی با متغیر زمان استفاده می‌کنند که جریان‌های الکتریکی را در سنگ‌های رسانا به جریان می‌اندازند. این جریان ها به نوبه خود میدان های الکترومغناطیسی ثانویه ایجاد می کنند که توسط آنتن های گیرنده شناسایی می شوند. به کمک همین جریان های برگشتی جنس لایه های زیرزمینی شناسایی می‌شود.
نیروی الکترومغناطیسی بازگشتی زیرسطحی به دلیل سه ویژگی الکترومغناطیسی ماده منتشر می شود: هدایت الکتریکی، گذردهی دی الکتریک و حساسیت مغناطیسی. 

4-    روش پلاریزاسیون القایی (IP): پلاریزاسیون القایی یک روش ژئوفیزیکی است که با استفاده از واپاشی ولتاژ جریان تولید شده به طور غیرمستقیم میزان شارژپذیری سطح زیرین را اندازه گیری می کند. با تزریق یک جریان مستقیم به زمین و سپس قطع ناگهانی آن جریان، ولتاژ القایی طی مدتی کاهش می یابد. با اندازه گیری ولتاژ فروپاشی به عنوان تابعی از زمان، می توان شارژ پذیری ظاهری را محاسبه کرد. اگر سطح زیرین قابلیت شارژ بالایی داشته باشد، زمان کاهش ولتاژ زیاد خواهد بود (واپاشی کند). از طرف دیگر، اگر سطح زیرین خیلی قابل شارژ نباشد، زمان کاهش ولتاژ بسیار کوتاه خواهد بود (واپاشی سریع). بسیاری از فلزات یا سولفیدها قابلیت شارژپذیری بالایی دارند در حالی که سنگهای آذرین/دگرگونی قابلیت شارژ بسیار پایینی دارند. در نتیجه این روش بیشتر در اکتشاف مواد معدنی مورد استفاده قرار می گیرد.

مدل‌های مقاومت دو بعدی و شارژپذیری و تفسیر زمین‌شناسی در یک بررسی معدنی به روش IP

5.    روش مقاومت ویژه: اساس روش مقاومت ویژه، تعيين مقاومت ويژه الكتريكي زمين است. لايه هاي زمين به دليل اختلاف جنس مواد تشكيل دهنده، مقاومت ويژه الكتريكي متفاوتي دارند و با استفاده از روش هاي مقاومت سنجي مي توان لايه هاي زيرسطحي را مورد مطالعه قرار داد. 
این روش از سه گام مهم پیروی می‌کند:

الف: اندازه گیری مقاومت الکتریکی سطح زیرین در مکان های مختلف با استفاده از ابزار مخصوص (مقاومت سنج)
ب: پردازش این اندازه‌گیری‌ها در توزیع 1 بعدی، 2 بعدی، سه بعدی یا 4 بعدی از خواص الکتریکی زیرسطحی 
ج: شناسایی جنس لایه های زیرزمینی به کمک اطلاعات پردازش شده مرحله قبل
به طور کلی روش مقاومت ویژه به اتصال الکتریکی (جفت گالوانیکی) با زمین نیاز دارند و این با استفاده از الکترودهای فلزی به دست می آید. به طور معمول، منبع تغذیه باتری برای اعمال جریان مستقیم (DC) بین دو الکترود جریان تعیین‌شده کاشته شده در زمین استفاده می‌شود. برای هر اندازه گیری مقاومت، جریان ارسالی و ولتاژ بعدی القا شده در سراسر الکترودهای پتانسیل ثبت می شود. به طور معمول، یک مقاومت سنج (یعنی ترکیبی آمپرمتر-ولت متر) داده ها را جمع آوری می کند و یک خروجی محاسبه شده به عنوان نسبت ولتاژ اندازه گیری شده به جریان القایی نمایش داده می شود. قانون اهم که به صورت V = IR تعریف می شود، داده های جریان (I) و ولتاژ (V) را به مقاومت (R) ماده (های) اندازه گیری شده مرتبط می کند. با این حال، مقاومت یک معیار مواد تشخیصی دقیق نیست، زیرا با نوع و شکل مواد متفاوت است. بنابراین، روش‌های مقاومت معمولاً داده‌ها را به عنوان مقادیر مقاومت ظاهری ارائه و تفسیر می‌کنند. 

تصویری مفهومی از برداشت به روش مقاومت ویژه متشکل از الکترودهای جریان، الکترودهای پتانسیل ، یک ولت متر، یک باتری و یک جریان سنج

مطلب پیشنهادی: اصول و مراحل مغزه گیری اکتشافی معدن

6-    روش راديواکتيو (radioactivity method): 

مواد راديواکتيو از خود اشعه خاصی صادر می‌کنند که اين امواج از بسياری موانع قادر به عبوراند. اگر در زير سطح زمين مواد راديواکتيو وجود داشته باشد، اشعه صادره از آن‌ها را می‌‍توان با دستگاه‌های مخصوصی در سطح زمين شناسايی کرد و به وجود اين مواد پی برد.

7. روش های چاه پيمايی (well logging): 

در بسياری موارد، برای اکتشاف منابع معدنی مختلف، گمانه‌هايی حفر می‌شود. اگرچه غالباً از اين گمانه‌ها نمونه‌گيری می‌کنند و بنابراين با مطالعه آنها می‌توان خصوصيات سنگ‌های زمين را در ناحيه‌ای که گمانه حفر شده است شناسايی کرد، امّا به کمک روش‌هايی که به نام چاه پيمايی معروف است، می‌توان اطلاعات زيادتری از اين گمانه‌ها به دست آورد.