Jeofizikte Elektrik Yöntemler

Jeofizikte Elektrik

Yöntemler

Editor: Beran Gürleme100214050kasım/2010

● Jeofizikte elektrik yöntemleriyle arama; yer içinde doğal ve yapay yolla oluşan elektrik akımlarının meydana getirdiği etkilerin yeryüzünde ölçülerek değerlendirme prensibine dayanır.

Jeofizikte Elektrik Yöntemler

● Elektrik yöntemlerin temel ölçü parametreleri:

● Kayaçların (rezistivite) özelliği

● Elektrik indüklenme ve kapasite özelliği

● Kayaçların potansiyel özelliği

● Elektromanyetik alanı geçirme özelliği

Jeofizikte Elektrik Yöntemler

● Doğru Akım Özdirenç (DAÖ)

- Kayaçların özdirenç (rezistivite) özelliği

● Self Potansiyel (SP)- Kayaçların potansiyel özelliği

● Yapay Uçlaşma (IP)

- Elektrik indüklenme ve kapasite özelliği

Jeofizikte Elektrik Yöntemler

● Doğru Akım Özdirenç (DAÖ)

● Self Potansiyel (SP)

● Yapay Uçlaşma (IP)

Jeofizikte Elektrik Yöntemler

Doğru Akım Özdirenç (DAÖ) Yöntemi

● DAÖ yöntemleri, iki elektrotla yere uygulanan akım ile farklı diğer iki elektrot arasındaki potansiyel farktan yararlanarak yerin derinlik özdirenç yapısının çıkarılmasıdır.

(Özdirenç=Rezistivite = 1 / iletkenlik)

● Temel olarak direnç, verilen akım ile ölçülen potansiyel farkı arasındaki orantıdır.

● Ohm Kanunu :

Direnç = Ohm (sembol = Ω)

Direnç

Direnç

Temel amacımız özdirenci hesaplamaktır.Çünkü:Bu malzemenin fiziksel bir özelliğidir.

Özdirencin tersi İletkenlik σ [Siemens/m] veya [mhos/m] olarak gösterilir.

● Yeraltındaki yapıların özdirenci şunlara bağlıdır:● Bazı metalik cevherlerin varlığına

● Madenler

● Yeraltı sıcaklık değişimleri● Jeotermal Enerji

● Arkeolojik kalıntıların varlığına● Mezar, eski yapı kalıntıları, vb..

● Yeraltı suyunun varlığına● Çözünmüş Tuz miktarı

● % Gözeneklilik ve geçirgenlik değeri

Doğru Akım Özdirenç (DAÖ) Yöntemi

● Elektronik ● Elektronlarla iletim

● Elektrolitik (iyonik)● İyonlarla iletim

● Dielektrik ● Elektronların indüksiyon sırasında hareket etmesi

İletim Tipleri

● Kayaçlarda genel olarak iki tür iletim görülür.

● Elektronik iletim ⇒Metalik (iletken) malzeme

● Elektrolitik (iyonik) iletim ⇒ Akışkanlar

Yer içindeki İletim

Kayaç & Minerallerin Özdirençleri

Kayaç Özdirençleriyle ilgili Genel Kurallar

Yüksek ρ

Düşük ρ

Magmatik kayaçlarNeden? Sıkılık/Boşluk suyunun az olması

Metamorfik kayaçlarNeden? Basıncın fazla olması

Sedimanter kayaçlarNeden? Bol gözenekli ve akışkan muhtevası

Kil: Çok düşük özdirenç değeri

Yaşlı KayaçlarNeden? Gözeneklerin dolması için daha fazla zaman

Genç KayaçlarNeden? Gözenekliliğin fazla olması

Yüksek ρ

Düşük ρ

Kayaç Özdirençleriyle ilgili Genel Kurallar

Yüzeydeki Akım Kaynağı

● Yüzeydeki bir akım noktasından r kadar uzaklıkta oluşturacağı potansiyel:

akım

Akım çizgileriEşpotansiyel

çizgiler

Eşpotansiyel çizgiler (tek akım kaynağı için)

Yüzeydeki Akım Kaynağı

● Genel olarak özdirenç çalışmalarında iki noktadan yere akım uygulanır.

● Akım ve potansiyel yüzeyleri gerçekte üç boyutludur.

Yüzeydeki Akım Kaynağı

C2P1C1 P2

Yeryüzü

Akım (+) Akım (-)

P

r akım + r akım -

Yüzeydeki Akım Kaynağı

C1 C2P1 P2

Eşpotansiyel çizgiler (tek akım kaynağı için)

Yüzeydeki Akım Kaynağı

C2

P1

C1

P2 yeryüzüI

V

r1 r2

r3 r4

● Dört elektrotlu herhangi bir elektrot dizilimi için potansiyel farkı ΔV:

Yüzeydeki Akım Kaynağı

ρ2

ρ1

x

y

● Potansiyel farkı bağıntısında özdirenç terimi yalnız bırakılarak tekrar düzenlenirse:

● Eğer ortam homojen olsaydı bağıntıdan ortamın gerçek özdirenç değeri elde edilecekti. Fakat yer içi homojen olmadığından elde edilen değer «Görünür Özdirenç» değeridir.

Görünür Özdirenç

● Akım elektrotları aralığı üstteki tabaka kalınlığından düşük seçildiğinde…● Tüm akım çizgileri üst tabakanın içinde hareket edecektir

● Alttaki tabakanın etkisi yoktur

● Bu durumda ölçülen görünür özdirenç; gerçekte üst tabakanın özdirencidir.

Fakat akım çizgileri farklı bir özdirenç değerine sahip bir tabaka sınırıyla karşılaştığında ne oluyor?

Tabaka sınırı

Görünür Özdirenç

● Tabakalı yeraltı yapılarında akım dağılımı tabaka özdirençleriyle orantılı olarak değişir. ● V/I oranı değişir

● Görünür özdirenç eğrisinin eğimi değişir ve böylece derinlikle görünür özdirenç değişimini incelenebilir.

Homojen yeraltı yapısı Tabakalı yeraltı yapısı

Tabaka sınırı

Yeryüzü

Akım Çizgileri Dağılımı

Tipik Rezistivite Ölçüm Cihazı

● Rezistivite ölçüm cihazı, basit olarak voltölçer ve akımölçerin her ikisini de içeren sistemdir.

● Çoğu sistemlerde her bir ölçüm noktası için V/I oranı kaydedilir.

● Bu oran direnci verir.

● Elde edilen direnç, kullanılan açılım sistemine bağlı olarak geomretrik parametrelerin kullanılmasıyla özdirence dönüştürülür.

● Wenner-alfa

● Wenner-beta

● Wenner-gama

● Dipole-Dipole

● Wenner-Schlumberger

● Pole-Dipole

● Pole-Poleprofil orta noktası

Elektrot Dizilimleri

Wenner-Alfa

Yeryüzü

Elektrot Dizilimleri

Wenner-Beta

Yeryüzü

[2]

Elektrot Dizilimleri

Wenner-Gama

Yeryüzü

Elektrot Dizilimleri

Dipole-Dipole

Yeryüzü

Elektrot Dizilimleri

Wenner-Schlumberger

Yeryüzü

Elektrot Dizilimleri

Pole-Dipole

Yeryüzü

Elektrot Dizilimleri

Pole-Pole

Yeryüzü

Elektrot Dizilimleri

Açılım Avantajları Dezavantajları

Wenner1. Yatay yapıların iyi haritalanması

2. Ölçü hassasiyeti

3. Kuvvetli sinyal gücü

1. Tüm elektrotların ölçüm sırasında hareket etmesi

2. Sığ değişimlere karşı duyarlı

3. Fazla derinlikler için uzun kablolara ihtiyaç duyulması

4. Düşey çözünürlüğün zayıf olması

Schlumberger1. Hem yatay hem düşey yönde

ortalama duyarlılığın olması

2. Wenner açılımına göre daha derin araştırmaların yapılabilmesi

3. Dipole- dipole açılımına göre daha kuvvetli sinyal gücü

1. Arazide kafa karıştırıcı olabilmesi

2. Daha duyarlı ekipmana ihtiyaç duyması

3. Uzun kablolar gerektirmesi

Dipole-Dipole1. Düşey yapıların iyi haritalanması

2. Wenner açılımına göre daha iyi yatay veri kapsamı

1. Daha fazla akım gereksinimi

2. Düşey çözünürlüğün zayıf olması

3. Geniş açılımlarda daha zayıf sinyal gücü

4. Daha duyarlı ekipmana ihtiyaç duyması

Elektrot Dizilimleri

Veri Toplama

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

DÜŞEY YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

YANAL YÖNDE VERİ TOPLAMA

Alıcı-Verici Ünitesi

Güç Ünitesi

Switcher

Çoklu elektrot

kablosu

ÇOK ELEKTROTLU SİSTEM BİLEŞENLER

Alıcı-Verici Ünitesi

● Dizilim tipi

● Elektrotlar arasındaki mesafe

● Ölçü seviyesi

● Bağlı elektrot sayısı

● Akım uygulama süresi

GEREKLİ PARAMETRELER

Veri Toplama

OTOMATİK ÖLÇÜ ALIMI

Wenner-alfa (Cross-Section)

OTOMATİK ÖLÇÜ ALIMI

Wenner-alfa (Roll-along)

Genel olarak görünür özdirenç değerleri, seçilen elektrot açılım sisteminde elektrot aralıklarının ve yatay pozisyonlarının bir fonksiyonu olarak çizilir.

YAPMA KESİT (PSEUDO SECTION)

● Ölçü noktasının yatay lokasyonu ölçüm sırasındaki elektrot diziliminin orta noktasına verilir.

● Düşey lokasyonu ise elektrotlar arasındaki mesafenin bir oranı olarak verilir.

DİZİLİM TİPLERİNE GÖRE ÖZDİRENÇ HESAPLAMALARI

TEK BLOK MODELİ

Wenner alfa

Wenner beta

Wenner gama

Dipole-dipole

Pole-pole

Schlumberger

Pole-dipole

Wenner alfa

Wenner beta

Wenner gama

Dipole-dipole

Pole-pole

Schlumberger

Pole-dipole

İKİ BLOK MODELİ

DİZİLİM TİPLERİNE GÖRE ÖZDİRENÇ HESAPLAMALARI

Wenner alfa

Wenner beta

Wenner gama

Dipole-dipole

Pole-pole

Schlumberger

Pole-dipole

İNCE DAYK MODELİ

DİZİLİM TİPLERİNE GÖRE ÖZDİRENÇ HESAPLAMALARI

KALIN DAYK MODELİ

DİZİLİM TİPLERİNE GÖRE ÖZDİRENÇ HESAPLAMALARI

Wenner alfa

Wenner beta

Wenner gama

Dipole-dipole

Pole-pole

Schlumberger

Pole-dipole

FAY MODELİ

DİZİLİM TİPLERİNE GÖRE ÖZDİRENÇ HESAPLAMALARI

LİTERATÜRDEKİ ÇALIŞMALAR

YERALTI SUYU ARAMA ÇALIŞMASI

KUZEY GANA

Dizilim tipi : Wenner-alfa

Elektrot sayısı : 64

Elektrot aralıkları :2.5-5 m

Yineleme sayısı : 5-12

Grup-A :

Bölgedeki ana kayaç kumtaşı (150-10000 ohm.m arası)

Hedef değerler 700 ohm.m den az olan bölgeler.

Özdirenç çalışmalarında bu grupta % 90 başarı.

Oklarla gösterilen kuyularda beyaz bölgeler yeraltı suyunu göstermektedir

Dizilim tipi : Wenner-alfa

Elektrot sayısı : 64

Elektrot aralıkları :5 m

Yineleme sayısı : 8-10

Grup-B :

Bölgedeki ana kayaç çamurtaşı, silttaşı (2-200 ohm.m arası)

Hedef değerler 20-80 ohm.m den az olan bölgeler.

Özdirenç çalışmalarında bu grupta % 60 başarı.

Oklarla gösterilen kuyularda beyaz bölgeler yeraltı suyunu göstermektedir.

YERALTI SUYU ARAMA ÇALIŞMASI

KUZEY GANA

LİTERATÜRDEKİ ÇALIŞMALAR

MAĞARA (BOŞLUK) ARŞTIRMASI- KUZEY ALMANYA

Mağara

● Kuzey Almanya- Harz Dağları’nda mağara araştırması yapılmıştır.

● Mağaranın ana hattı büyük geniş odalarla kesilmiştir.

Özdirenç profili

LİTERATÜRDEKİ ÇALIŞMALAR

Dizilim tipi : Wenner-alfaRMS : % 3.2

Elektrot sayısı : 64

Elektrot aralıkları : 5 m

Yineleme sayısı : 7

● A-D-E-F-G BOŞ BÖLGELER

● B SEDİMAN İÇİNDEKİ GÖZENEKLİ BÖLGE

● C SUYA DOYGUN BÖLGE

Boşluk

Sediman

MAĞARA (BOŞLUK) ARŞTIRMASI- KUZEY

ALMANYA

LİTERATÜRDEKİ ÇALIŞMALAR

ÖRNEK ÇALIŞMALARTÜMÜLÜS ÇALIŞMASI- İZNİK

Kocaeli Üniversitesi (Türkiye), Kiel Üniversitesi (Almanya) ve Bratislava Üniversitesi (Slovakya) tarafından ortaklaşa yapılan Uluslararası Arkeojeofizik Kursu (INCA-2008) kapsamında İznik bölgesindeki tümülüs üzerinde doğru akım özdirenç çalışması yapılmıştır.

ABC

TÜMÜLÜS ÇALIŞMASI- İZNİKÖRNEK ÇALIŞMALAR

TÜMÜLÜS ÇALIŞMASI- İZNİKÖRNEK ÇALIŞMALAR

Dizilim tipi :Wenner-alfa

RMS : % 3.1-5.6

Elektrot sayısı : 48

Profiller arası mesafe : 1m

Elektrot aralıkları : 0.5 m

Yineleme sayısı : 4-5

ARKEOLOJİK KALINTI ARAŞTIRMASI- GABII/İTALYA

● Kiel Üniversitesi tarafından Roma kentinin yakınlarındaki Gabii bölgesinde, Roma döneminin ilk çağlarından kalma şehir duvarı kalıntılarının saptanmasıyla iki farklı bölgede doğru akım özdirenç ve manyetik çalışmalar yapılmıştır.

ÖRNEK ÇALIŞMALAR

Özdirenç Kesitleri Manyetik

ARKEOLOJİK KALINTI ARAŞTIRMASI- GABII/İTALYAÖRNEK ÇALIŞMALAR

ARKEOLOJİK KALINTI ARAŞTIRMASI- GABII/İTALYAÖRNEK ÇALIŞMALAR

ARKEOLOJİK KALINTI ARAŞTIRMASI- GABII/İTALYAÖRNEK ÇALIŞMALAR

● Doğru Akım Özdirenç (DAÖ)

● Self Potansiyel (SP)

● Yapay Uçlaşma (IP)

Jeofizikte Elektrik Yöntemler

Self Potansiyel (SP) Yöntemi

Self Potansiyel (SP) yöntemi, yeraltındaki elektrokinetik, elektrokimyasal gibi olaylar sonucu meydana gelen doğal akım akışının oluşturduğu gerilimi kullanan yöntemdir.

Yöntem, yeryüzünde herhangi iki nokta arasındaki gerilim farkının ölçülmesi esasına dayanır.

Yöntemin İşleyişi

● Jeofizik araştırmalarda kullanılan başlıca iki tip doğal potansiyel vardır.

● Elektrokinetik Potansiyel

● Mineralizasyon potansiyeli

Mineralizasyon Potansiyeli

● Maden Jeofiziğinde kullanılır.

● Oksidasyon sonucu oluşan gerilimdir.

Elektrokinetik Potansiyel

● Yeraltındaki suyun hareket etmesiyle oluşur.

● Hidrojeofizik, ve Arama Jeofiziği konularında kullanılır.

Self Potansiyel Ekipmanları

Fincan Elektrod

Self Potansiyel Ölçü Alımı

Self Potansiyel Ölçü Alımı

Self Potansiyel Ölçü Alımı

Mineralizasyon Potansiyeli

Elektrokinetik Potansiyel

Uygulama alanları

● Sülfürlü metalik minerallerin araştırılması

● Yeraltındaki su akışının saptanması

● Tatlı su – tuzlu su dokunaklarının belirlenmesi

● Baraj yada tanklardaki kaçakların görüntülenmesi

● Jeolojik yapıların (Fay, kontak v.b.) araştırılması

● Doğru Akım Özdirenç (DAÖ)

● Self Potansiyel (SP)

● Yapay Uçlaşma (IP)

Jeofizikte Elektrik Yöntemler

Yapay Uçlaşma (IP) Yöntemi

● Yapay uçlaşma yöntemi, yer altına gönderilen akımın aniden kesilmesinden sonra ölçülen gerilim farkının aynı anda sıfıra düşmemesi ve belli bir süre azalarak devam etmesine neden olan yerin uçlaşma etkisini inceler.

Yapay Uçlaşma (IP) Yöntemi

Yapay Uçlaşma (IP) yöntemi, özellikle maden aramalarında çok yaygın olarak kullanılan elektrik yöntemlerindendir.

● Jeofizikte IP, yer içinde yapay elektrik kutuplanma olarak bilinir.

● Minerallerden oluşan bütün kayaçlar elektriksel özellik bakımından hemen hemen yalıtkandır. Bu nedenle kayaçlarda, akım kayacın gözeneklerini dolduran yeraltısuyu içerisinde iyonlar ile taşınır.

● Metalik olan, yani elektriği metallerdeki gibi ileten birkaç mineral vardır. Bunlar genellikle sülfit mineralleridir.

Uçlaşma (Polarizasyon) Tipleri

● Başlıca iki tip polarizasyon tipi vardır.

● Elektrot Polarizasyonu

● Zar Polarizasyonu

Elektrot Polarizasyonu● Elektrik akımı yer içerisinde kayaç

gözeneklerindeki eriyiğin iyonları ile taşınır. Bu iyonlar, mineral parçalarıyla karşılaştıklarında, metal sınırlarında toplanırlar.

● Bu andan itibaren akım mineral içerisindeki elektronlarla taşınmaya devam edecektir.

● Mineral etrafında akımın girdiği tarafta pozitif (+), çıktığı tarafta negatif (-) iyonlar toplanır. Böylece biriken yükler elektrik akımının akışına ters yönde bir voltaj yaratırlar.

● Akım kesildiğinde bu artık voltaj sürekli azalarak söner. Çünkü mineral yüzeyinde toplanan iyonlar tekrar

Zar Polarizasyonu● Kayaç içinde dağılmış ıslak kil

mineralleri negatif yüklü olduklarından üzerinde bir iyon bulutu oluşur.

● Akım uygulandığında, pozitif iyonlar uygulanan akıma ters yönde hareket ederler.

● Akım kesildiğinde ise pozitif iyonlar tekrar kil mineralleri etrafındaki negatif iyonlara doğru hareket ederler. İyonların bu hareketi IP’ yi doğurur.

● Yapay uçlaşma yöntemi, DAÖ yönteminde olduğu gibi yere iki farklı noktadan akım uygulanarak yapılır. Genelde dipol-dipol dizilimi kullanılır. Yapay uçlaşma yönteminin arazi uygulaması iki şekilde yapılır.

● Zaman Ortamı

● Frekans Ortamı

Yapay Uçlaşma (IP) Ölçü Alımı

Zaman Ortamı Ölçü AlımıYer içine DAÖ yönteminde olduğu gibi iki elektrot yardımıyla akım gönderilir. Uygulanan akım kesildiğinde ölçülen gerilim farkı hemen sıfır olmayacak zamanlar sönümlenecektir.

Zaman Ortamı Ölçü Alımı

Akım verildiği andaki voltajın, akım kesildikten belirli bir süre sonraki voltaja oranına IP etkisi denir.

Frekans Ortamı Ölçü Alımı

● Frekans ortamı ölçümlerde farklı frekanslarda akım gönderilerek ölçümler yapılarak Frekans etkisi elde edilir.

Frekans Ortamı Ölçü Alımı

● Frekans ortamı ölçümlerinden elde edilen bir diğer büyüklük ise Metalik Faktör(MF)dür.

● MF değeri, özdirenç değeri ile ters orantılı,

● FE ile doğru orantılıdır

● Maden cevheri özdirencinin yan kayaç özdirencinden düşük olduğu bölgelerde yüksek değerler verir.

● Diğer bir deyişle MF ve FE değerlerinin yüksek olduğu bölgeler iletken bölgelerdir.

Örnek Çalışma

Uygulama Alanları

● Sülfürlü metalik minerallerin araştırılması

● Yeraltı suyu ve Jeotermal alanların saptanması

● Mermer araştırmaları

[0] E-RT-AN PE-KŞ-E-N & T-ÜR-K-ER Y-A-S Ders sunumları

[1] www.appstate.edu/~marshallst/GLY3160/lectures/12_Resistivity.pptx

[2] Loke, D.M. 1996,”Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys”,, Lecture notes, www.geoelectrical.com

[3] http://www.vegvesen.no/_attachment/182049/binary/349345

[4] www.wtsgeo.com

[5] Boonchaisuk, S., 2007,”Two-dimensional direct current resistivity inversion : finite element method”, the degree of master science (physics), faculity

of graduate studies Mahidol University.

[6] Ewusi, A., Kuma, J. S., and Voigt, H. J., 2009,”Utility of the 2-D multi- electrode resistivity imaging technique in groundwater exploration in the

Voltain sedimantary basin, Northern Ghana”, Nat. Resources Res., Vol. 18, No. 4

[7] Kaufman, G. Romanov, D., and Nielbock, R., 2011, “ Cave detection using multiple geophysical method: unicorn Harz Mountains, Germany”,

Geophysics, 76, 3.

[8] http://tomoquest.com/attachments/File/EEG_Electrical_Surveying_SP.pdf

[9] http://esd.lbl.gov/research/projects/ersp/generalinfo/pi_meetings/april10/pdf/Revil.pdf

[10] Gündogdu N.Y. 2005.Zaman Ortami Yapay Uçlasma Verilerinin Mühendislik Jeofiziginde Kullanilabilirliginin Arastirilmasi; Ankara Üniversitesi,

Y.Lisans Tezi (yayinlanmamis).

[11]http://www.epa.gov/esd/cmb/GeophysicsWebsite/pages/reference/methods/Surface_Geophysical_Methods/Electrical_Methods/Induced_Polarizatio

n.htm

[12] Candansayar, M., E., 2009, ‘’Yapay Uçlaşma Yöntemi’’ Elektrik Yöntemler Lisans Ders Notu, Ankara Üniversitesi.

http://80.251.47.220/download/notlar/HID356/Hid356_5_YapayUclasma.pdf

[13] http://jeofizik.comu.edu.tr/egitim/egitim/ders_notlari/jfm304/jfm304_ip

KAYNAKLAR