تولیدات علمی حوزه ژئوفیزیک همانند سایر رشته های علمی بخشی از تولیدات علمی کشور را تشکیل می دهد.
ژئوفیزیک در مفهوم عام علاوه بر فیزیک زمین (به معنای مطالعه ساختار درون زمین) ژئوفیزیک فضا و اتمسفر و ژئوفیزیک کاربردی را نیز شامل می گردد. ژئوفیزیک کاربردی ارزش عملی زیادی در مطالعات پوسته زمین، اکتشاف ذخایر و منابع معدنی، سفره های آب زیرزمینی اکتشاف نفت و گاز، تعیین هندسه محیط و ویژگیهای فیزیکی- مکانیکی خاک دارد.
ژئوفیزیک زیست محیطی را می توان قسمت دیگری از ژئوفیزیک کاربردی دانست. از روش های لرزه شناسی، گرانی سنجی، مغناطیس سنجی، ژئوالکتریک، زلزله شناسی و روش های چاه پیمایی می توان به عنوان روش های ژئوفیزیک کاربردی نام برد. در تقسیم بندی دیگر، ژئوفیزیک کاربردی را می توان به ژئوفیزیک صحرایی و درون چاهی تقسیم نمود.
دانش ژئوفیزیک
دانش ژئوفیزیک، بررسی پارامترهای گوناگون فیزیکی کره زمین است. پیدایش این دانش به کشف ژیلبرت در نیمه دوم سده شانزدهم میلادی مبنی بر اینکه زمین همانند یک مغناطیس بزرگ عمل میکند و نیز به نظریه گرانش نیوتون در نیمه دوم سده هفدهم میلادی برمی گردد.
براساس نیاز و ضرورت توسعه دانش ژئوفیزیک، اتحادیه بین المللی شورای تحقیقات و اتحادیه بین المللی علوم از 1957 ژوئیه تا دسامبر سال 1958 سال ژئوفیزیک نامید و از همه ملل گوناگون برای همکاری جهانی در توسعه و پیشبرد این دانش دعوت نمود. بیش از 60 کشور جهان ازجمله ایران پژوهش درزمینه ژئوفیزیک (مصادف با 1336هجری خورشیدی) در این سال، را آغاز کردند، در این سال به کوشش دکتر ایرج کشی افشار موسسه ژئوفیزیک در دانشگاه تهران تأسیس شد.
روش ها
اگرچه روشهای لرزه نگاری متنوع هستند، ولی روش های شکست مرزی، بازتابی و پراکنش امواج سطحی بیشترین کاربرد را در مطالعات اکتشافی دارند. از روش شکست مرزی بیشتر برای مطالعات کم عمق، تعیین عمق سنگ کف، تعیین سرعت امواج طولی و عرضی، مطالعات سدها و تونلها و مواردی از این قبیل استفاده می گردد.
روش بازتابی کاربرد زیادی در شناسایی ساختارهای نفت و گاز دارد و ازنظر شیوه اجرا و پردازش داده ها توسعه فراوانی پیدا کرده است. روش های الکتریکی و الکترو مغناطیسی کاربرد زیادی در مطالعات پوسته زمین و اکتشافات مواد معدنی دارند. از ویژگی های پتروفیزیکی مهم مواد معدنی که بر میدانهای مغناطیسی و الکترومغناطیسی تأثیر دارد، می توان به مقاومت الکتریکی ویژه، فعالیت الکتروشیمیایی، تراوایی دی الکتریکی، تراوایی مغناطیسی و قطبش القایی اشاره کرد. همچنین گرانی سنجی روش ژئوفیزیکی است که در اندازه گیری تغییرات بسیار کوچک شتاب گرانش زمین دارای کاربرد است.
مغناطیس سنجی
مغناطیس سنجی قدیمی ترین روش ژئوفیزیک کاربردی است که در مطالعه میدان مغناطیسی طبیعی طمین، ویژگی مغناطیسی مواد معدنی و مقاطع زمین شناسی کاربرد دارد.
چاه پیمایی به چه معنایی است؟
مجموعه ای از روش های ژئوفیزیکی که در مطالعه لایه های زیرسطحی در مجاور چاه ها و فضای بین آنها استفاده می گردد را چاه پیمایی می نامند.
در بسیاری موارد به علت وجود لایه های فاقد تحکیم همانند: رس و شیل و ماسه وغیره مغزهای از حفاری حاصل نمی شود و از روش های چاه پیمایی استفاده می شود.
در ژئوفیزیک عمدتا دو نوع نگرش حل مسأله وجود دارد. در روش حل مسأله مستقیم ویژگی ها و ساختار هندسی محیط معلوم فرض می گردد و با ارسال میدان اولیه سعی می شود اثر محیط بر میدان محاسبه شود. اگرچه این روش از نظر ریاضی پیچیده است، ولی جواب قطعی و واحد دارد.
روشهـای چاه پیمایـی بر اسـاس میدان های فیزیکی بـه روشهای:
- الکتریکـی
- الکترومغناطیسـی
- هسـته ای
- صوتـی، گرانـی
- مغناطیسـی
- حرارتـی و غیره تقسـیم می شـوند.
روش چاه پیمایی هسته ای
روشهـای چاه پیمایـی هسـته ای، مجموعـه روشهایی می باشند که بـرای اندازه گیـری پرتوهـای گامـای طبیعی سـنگها، پرتوهـای گامای ثانویـه، نوترونهـای پراکنـده و حرارتـی اسـتفاده میشـوند. چاه پیمایـی هسـته ای بـه روش هـای طبیعـی و مصنوعـی تقسـیم می گردند.
چاه پیمایی صوتی
در چاه پیمایـی صوتـی از زمـان حرکـت، سـرعت انتشـار و تغییـرات دامنـه نوسـان امـواج کشسـان بـرای مطالعـه لایه هـای زیـر سـطحی اسـتفاده می شـود. سـرعت مـوج در لایه هـای زیر سـطحی بـه تخلخل، عمـق، فشـار و دمـا، نـوع کانی هـای تشـکیل دهنده سـنگ، سـاخت و بافـت، وجـود و یـا عـدم وجـود سـیال در خلـل و فـرج وابسته است.
ژئوالکتریک
ژئوالکتریـک یکـی از روشهـای ژئوفیزیکـی اسـت کـه بـه طـور گسـترده در مطالعـات پوسـتۀ زمیـن و اکتشـاف مـواد معدنـی دارای کاربـرد می باشد.
در ایـن روش معمـولا پتانسـیل الکتریکـی، گرادیـان پتانسـیل و شـدت میدانهـای الکتریکـی و مغناطیسـی اندازه گیـری می شـوند کـه می تواننـد در سـطح زمیـن، درون چـاه، معـادن و یـا داخـل تونل هـا بـرای حـل ابهامـات مختلـف زمیـن شناسـی و اکتشـافی مورد استفاده قرار گیرند.
روشهـای ژئوالکتریکـی را می تـوان بـه:
- چشـمه طبیعـی و مصنوعـی
- جریـان ثابـت و متغیـر
- فلـزی و غیرفلزی
- ساختاری و غیرسـاختاری تقسـیم بندی نمود.
روش هـای ژئوالکتریکـی غیـر سـاختاری
ایـن روشها بیشـتر در شناسـایی مواد فلـزی، مطالعات زیسـت محیطی، آلودگیهـای نفتـی و صنعتـی و مطالعـات ناحیـه ای به صـورت هوابردی اسـتفاده می شوند.
روش های سـاختاری
در روش های سـاختاری با اسـتفاده از مجموعـه روش هـای ژئوالکتریکـی بـا چشـمه های مصنوعی و یـا طبیعـی سـاختار زمیـن را از سـطح تـا عمـق و حتـی تـا هسـته زمیـن می توان مطالعه نمود.
لرزه نگاری
در لرزه نـگاری ویژگی هـای حرکتـی و دینامیکـی امـواج بررسـی می شـوند. علاوه براین، در بسـیاری از مسـائل عملـی در لرزه نـگاری میتـوان از ویژگی هـای هندسـی امـواج اسـتفاده کـرد. از مهم تریـن ایـن ویژگی هـا جبهـه موج، پرتو لرزه ای زمـان سـیر اسـت. معادلـه زمان سـرعت ایکانـال، اصل هویگنـس، و اصـل فرمـا از پرکاربردترین معادلات این موضوع به شـمارمی روند.
مقایسـه وبررسی زمان هـای حرکت مجموعـه امواج لـرزه ای برای شـناخت قانونمنـدی موجـود در ثبـت امـواج و انتخـاب و طبقـه بنـدی روش هـای مناسـب لرزه نـگاری اهمیـت زیـادی دارد.
مـدت زمانـی کـه طـول می کشـد تـا امواح لـرزهای از چشـمه به ژئوفون برسـد بـه عوامل متعـددی از جملـه:
- نـوع موج
- سـرعت حرکت موج
- شـکل هندسـی مرز لایه ها و سیسـتم اندازه گیـری دارد.
مغناطیس سنجی
امروزه مغناطیس سنجی جایگاه ویژه ای در ژئوفیزیک کاربردی پیدا کرده است.همچنین، مغناطیس سنجی قدیمی ترین روش ژئوفیزیکی است که در مطالعات میدان معناطیسی طبیعی زمین، شناخت ویژگی مواد معدنی و مقاطع زمین شناسی دارای کاربرد می باشد.
- آنومالی مغناطیسی در اثر مغناطیسی سنگهای پوسته زمین در دوران جدید و قدیم ایجاد می گردد.
- پدیده هیسترزیس نشان دهنده ی رفتار مغناطیسی مواد را در میدان مغناطیسی خارجی است.
- وقتی مواد مغناطیسی در میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند، مغناطیسی شده و میزان مغناطیسی آنها با شدت میدان خارجی متناسب است.
- همچنین، میدان مغناطیسی که در سطح زمین اندازه گیری می شود شامل میدان ثابت با منشأ داخلی و میدان متغیر یا منشاء خارجی است.
- میدان مغناطیسی زمین دارای تغییرات قرنی و آرام است.
مغناطیس سنج چیست؟
مغناطیس سنجها ابزارهایی هستند که برای اندازه گیری مولفه های میدان مغناطیسی زمین استفاده می شوند. هر مغناطیس سنج برای اندازه گیری یکی از مولفه های میدان مناسب است.
مغناطیس سنج ها می توانند:
- شدت میدان کل
- مؤلفه های قائم
- مؤلفه های افقی
- و دیگر مولفه های میدان مغناطیسی زمین را اندازه گیری کنند.
بعلاوه، در مغناطیس سنجی از روشهای برداشت زمینی، روش های هوابردی و برداشت دریایی استفاده می شود.
گرانی سنجی
اگر زمین حول محور قطبی خود دوران کند، سطحی را در فضا ایجاد می کند که به آن شبه کره یا اسفرویید می گویند. در زمین شناسی و گرانی سنجی سطح تئوری زمین پیچیده تر از اسفرویید است و به آن ژئویید می گویند.همچنین، ژئویید یکی از سطوح هم پتانسیل است که بر سطح آب های آزاد منطبق است.
تصحیحات شتاب گرانی شامل تصحیح هوای آزاد، تصحیح بوگه، و تصحیح توپوگرافی است.
بی هنجاری جاذبی بوگه
بیهنجاری جاذبی بوگه به شکل تفاوت در بررسی های ژئودزی و ژئوفیزیک محاسبه و تعریف شده است. به طور عام کمیتهای جاذبی حاصل از تفاضل میدان گرانی زمین از یک میدان گرانی (نرمال) بی هنجاری نامیده می شوند. بیهنجاری جاذبی پرکاربردترین کمیت قابل مشاهده در ژئودزی و ژئوفیزیک است.
علاوه براین، بیهنجاری جاذبی بوگه یکی از مهمترین کمیت های مورد استفاده در ژئوفیزیک اکتشافی است. همچنین هدف از بیهنجاری جاذبی بوگه حذف اثر جاذبی جرم های بالای ژئوئید (شامل توپوگرافی و جو) است.
از جمله مهمترین ابهامات موجود در تعریف بیهنجاری جاذبی بوگه می توان به موارد زیر اشاره نمود.
- انتخاب میدان گرانی مرجع و نحوه محاسبه مقدار شتاب گرانی نظری
- اختلاف بین بیهنجاری گرانی و نوسان گرانی به اثر غیرمستقیم در ژئوفیزیک موسوم است.
- مدل هندسی تقریب کننده توپوگرافی اعم از صفحه ای و یا کروی.
- نحوه محاسبه اثر جاذبی جو.
- نحوه محاسبه اثر ناهمواری توپوگرافی.
امکان تعیین ارتفاع ژئودتیکی نقاط بادقت کافی GPS به خصوص، امروزه با وجود سامانه های موقعیت یاب فضایی، فراهم می باشد. همچنین برخی از محققان پیشنهاد استفاده از کمیت نوسان جاذبی بهجای بیهنجاری جاذبه در تحقیقات ژئودزی و ژئوفیزیک را مطرح میکنند. (وایدا وهمکاران2007).
چرا که در این حالت نیازی به داشتن کمیت پرهزینه و زمانبر ارتفاع ارتومتریک و ژئویید نیست. علاوه بر این، هدف از تعریف یهنجاری بوگه، حذف اثر جاذبی جرم های بالای ژئوئید است.
اثر جاذبی جو
در تعریف بی هنجاری بوگه اثر جاذبی همه جرمهای بالای ژئوئید شامل اثر توپوگرافی و جو بایستی محاسبه و حذف شود. ایکر و میتمایر به روش تحلیلی، اثر جاذبی جو بر بی هنجاری جاذبی برای اعمال در انتگرال استوکس را مشخص کردند.
