کاربرد ژئوالکتریک در اکتشاف زیرزمین

امروزه روش‌های ژئوفیزیکی نقش عمده‌ای در اکتشافات زیرزمینی برای اهداف علمی و صنعتی ایفا می‌کنند. اگرچه در این میان بیشترین کاربرد را روش‌های لرزه‌ای دارا هستند، روش‌های ژئوفیزیکی الکتریکی موسوم به ژئوالکتریک نیز در اکتشافات زیرسطحی از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.

در گذشته انقادهای فراوانی بر مقرون به صرفه نبوده روش‌های ژئوالکتریکی وارد بود؛ اما با گذشت زمان و پیشرفت ابزارهای تکنولوژی نقش روز افزون روش‌های الکتریکی به خوبی مشخص شد. تا جایی که روش‌های ژئوالکتریکی در برخی زمینه‌ها به پرکاربردترین شیوه‌ی انجام مطالعات زیرسطحی بدل گشتند.

در جدول زیر، مهمترین شاخه‌های اکتشافی به همراه معمول‌ترین روش ژئوفیزیکی برای حصول هرکدام از آن‌ها مشاهده می‌شود.

هدف اکتشاف	بهترین روش ژئوفیزیکی
فیزیک زمین جامد	لرزه شناسی زمین لرزه‌ها
معدنکاری	الکتریکی
ژئوترمال	الکتریکی
آب‌های زیرزمینی	الکتریکی
چاه پیمایی	الکتریکی
اکتشاف نفت و گاز	لرزه نگاری انعکاسی

در ادامه به توضیح نقش روش‌های ژئوالکتریکی در هر یک از اهداف شش گانه‌ی جدول فوق پرداخته می‌شود:

 

۱- کاربرد ژئوالکتریک در فیزیک زمین جامد

 

اکتشافات ژئوفیزیکی مورد استفاده در مطالعه‌ی ساختار درونی زمین، عمدتاً به وسیله‌ی لرزه شناسی زمین لرزه‌ها انجام می‌گیرد. همچنین از روش‌های الکتریکی به خصوص روش مگنتوتلوریک به منظور انجام اکتشافاتی در پوسته‌ی فوقانی استفاده می‌شود. برای مثال، آنومالی‌های حرارتی در گوشته‌ی فوقانی با آنومالی‌های مقاومت ویژه مرتبط هستند، که خود را در اندازه‌گیری‌های مگنتوتلوریک نمایان می‌سازند.

به این همین دلیل و نیز با در نظر گرفتن تفاوت‌های سنگ‌شناختی، زون‌های ریفت قاره‌ای، ساختارهای مقاومت ویژه‌ی کاملاً متفاوتی را نسبت به سپرهای پوسته‌ای یا پوسته‌ی زیر حوضه‌های عمیق، نشان می‌دهند. بعضی از این ریفت‌ها به حوضه‌های رسوبی تبدیل می‌شوند. سونداژ مقاومت ویژه جریان مستقیم در امر اکتشافات تا سطح گوشته‌ی فوقانی جهت تعیین جزئیات ساختار مقاومت ویژه‌ی پوسته نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

شاخه‌ی فیزیک زمین جامد که ژئوفیزیک عمومی نیز خوانده می‌شود، محدود به مطالعات در مقیاس بزرگ پوسته و گوشته‌ی فوقانی نبوده، بلکه شامل مطالعات زمین شناسی از جمله مسائل ساختاری، سنگ شناختی و نهشته گذاری مربوط به رسوبات و همچنین بررسی احتمال پیش بینی زمینلرزه‌ها نیز می‌گردد. بنابراین نقش روش‌های ژئوالکتریکی در این حوزه بسیار گسترده و در حال پیشرفت است.

 

۲- کاربرد روش‌های ژئوالکتریکی در معدنکاری

در ژئوفیزیک معدنی، روش‌های الکتریکی جزء مهمترین روش‌ها به شمار می‌روند. پی‌جویی‌های مغناطیسی هوابردی نیز به طور گسترده‌ای در اکتشافات معادن به کار گرفته شده، ولی عمدتاً برای پی‌جویی‌های ناحیه‌ای به کار می‌روند.

شناسایی سولفیدهای فلزی عمدتاً بوسیله‌ی روش‌های ژئوالکتریکی انجام می‌گیرد، سولفید پراکنده معمولاً به کمک قطبش القایی (IP) و سولفیدهای توده‌ای به وسیله‌ی روشی که آن را القاء الکترومغناطیسی (EMI) می‌خوانند، به صورت زمینی و هوابردی مورد اکتشاف قرار می‌گیرند. اصولاً روش‌های EMI برای یافتن رساناهای مدفون در عمق کم طراحی شده‌اند.

 

تنوع فوق‌العاده‌ای از روش‌ها به لحاظ تفاوت در نوع چشمه – گیرنده و آرایش آن‌ها وجود دارد، که ممکن است هر دو از پیچه‌ها و یا دوقطبی‌های الکتریکی باشند. عمق اکتشافی در این روش، مرتبه‌ای از ۱۰۰ متر است و در محدوده‌ی فرکانس صوتی، در حدود ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ هرتز کار می‌کنند. فرکانس‌های پایین‌تر به عمق بیشتری نفوذ می‌کنند، ولی از آنجایی که جریان القا شده در کانه‌های رسانا متناسب با فرکانس می‌باشد، آن‌ها آنومالی‌هایی با دامنه‌ی کمتر تولید می‌کنند. همچنین، هرچه کانه عمیق‌تر باشد آنومالی تشخیص داده شده در سطح، ضعیف‌تر خواهد بود. در نتیجه، اثرات فرکانس‌های پایین‌تر و منشأ آنومالی عمیق‌تر، با یکدیگر ترکیب شده و فرکانس‌های پایین تر را غیرقابل استفاده می‌سازند.

 

۳- کاربرد ژئوالکتریک در اکتشاف ذخایر ژئوترمال

بیشتر ذخیره‌های ژئوترمال (زمین گرمایی) که در رده‌ی سیستم‌های هیدروترمال همرفتی قرار دارند، با آنومالی‌های “مقاومت ویژه پایین” مرتبط می‌باشند؛ چه آنهایی که در حوضه‌های رسوبی قرار دارند و یا در جایی دیگر. به طور کلی هرچه دما بالاتر باشد، مقاومت ویژه‌ی آب موجود در منافذ سنگ کمتر خواهد بود (افزایش درجه‌ی حرارت تا نقطه‌ی جوش) و آب در دماهای بالا معمولاً حاوی مقادیر بیشتری از نمک محلول می‌باشد؛ در نتیجه مجموعه‌ی این اثرات بر روی مقاومت ویژه تأثیر بسیار زیادی دارد.

چنین ذخایری ممکن است که مستقیماً شناسایی شوند، که این بوسیله‌ی پی‌جویی برای یافتن خود آب‌های گرم میسر می‌باشد، نه بوسیله‌ی زمین‌شناسی آن‌ها.

همچنین می‌توان اثرات کانی‌های دگرسان شده که ممکن است باعث کاهش و یا افزایش مقاومت ویژه‌ی سنگ میزبان شوند را مورد مطالعه قرار داد. توافق کلی بر این است که مفیدترین ابزار پی‌جویی‌های ژئوفیزیکی در این مورد، اندازه‌گیری انتقال حرارت و مطالعات ژئوالکتریک سطحی می‌باشد.

سیستم‌های هیدروترمال همرفتی در محیط‌های آتشفشانی، ویژگی‌های مشابهی از خود نشان نمی‌دهند و تفاوت آن‌ها بایکدیگر بسیار زیاد می‌باشد. درمقابل، آن‌هایی که در حوضه‌های رسوبی قرار دارند، قابلیت بیشتری در مطالعه‌ی خصوصیات کلی، از خود نشان می‌دهند.

 

۴- روش ژئوالکتریک در اکتشاف آب‌های زیرزمینی

 

در ابتدای قرن بیستم، استفاده از چوب آب یابی برای یافتن محل حفاری چاه آب جای خود را روش‌های الکتریکی داد. (چوب دستی دوشاخ یا divining rod که با آن محل آب‌های زیرزمینی و ذخایر کانسارهای معدنی جهت حفر را مشخص می‌کردند) روش‌های ژئوالکتریکی تاکنون در رأس روش‌های ژئوالکتریکی قرار داشته‌اند و همچنان پتانسیل بالایی برای توسعه دارا می‌باشند. معمولاً روش‌های اکتشافی کنار گذاشته شده بوسیله‌ی پی‌جویان نفت، مورد استفاده‌ی پی‌جویان آب قرار می‌گیرند.

مقاومت ویژه‌ی یک سازند زمین شناسی عمدتاً به میزان آب داخل منافذ و ترکیبات نمکدار (تمرکز یون‌ها) در آن آب بستگی دارد. برای حالتی که مقدار ترکیبات نمکدار ثابت باشد، ماسه‌های با تخلخل بالا و اشباع از آب، دارای مقاومت ویژه‌ی کمتر نسبت به ماسه‌های با تخلخل کم و یا اشباع نشده از آب می‌باشند. اگر یک لایه‌ی ماسه‌ای شیبدار در زیر یک لایه‌ی رسی بوسیله‌ی سونداژ مقاومت ویژه تعقیب شود، امکان دارد یک آبخوان یا منبع آرتزین مکان‌یابی شود. به هر حال ممکن است مقاومت ویژه ماسه، در حالتی که ماسه‌ی خالص به شیل آلوده شود نیز کاهش پیدا کند.

ساده‌ترین نوع هدف، یک سطح ایستابی آبرفتی می‌باشد. اهداف دیگر می‌توانند سطح ایستابی واقع بر روی یک لایه‌ی نفوذناپذیر، پی سنگ نفوذناپذیر و مرزهای آب شیرین و شور باشند. به طور کلی، اکتشافات الکتریکی حوضه‌های رسوبی، اطلاعاتی از وضعیت ساختاری، سنگ شناختی و چینه شناسی را در اختیار قرار می‌دهد که می‌تواند منجر به کشف آب گردد.

 

روش‌های ژئوالکتریکی متفاوتی برای اکتشاف منابع آب زیرزمینی وجود دارد که هرکدام مزایا و نواقصی دارند. ممکن است برخی اوقات روش‌های سونداژ الکترومغناطیسی با چشمه‌ی کنترل شده (CSEM) مناسب‌تر از روش‌های جریان مستقیم باشد؛ چراکه روش‌های CSEM دارای مزیت‌های تکنولوژیکی در شناسایی لایه‌های با مقاومت ویژه‌ی پایین هستند.

یکی از موارد خاص از کاربرد ژئوالکتریک در مسائل مربوط به آب، تعیین مقدار شوری آب برای تمییز دادن آب شور از شیرین و تهیه‌ی نقشه‌ی فصل مشترک‌های آن دو می‌باشد؛ این کاربرد، یکی از مزیت‌های روش‌های الکتریکی است که تقریباً رقیبی ندارد.

 

۵- کاربرد ژئوالکتریک در چاه پیمایی (ژئوفیزیک گَمانه‌ها)

چاه پیمایی الکتریکی عمده‌ترین شاخه در این زمینه می‌باشد؛ این مورد از نظر هزینه در رتبه‌ی دوم پس از اکتشافات لرزه‌ای قرار دارد.

چاه پیمایی الکتریکی برگفته از روش‌های ژئوالکتریکی سطحی است. این روش اساساً پروفیل زنی مقاومت ویژه بر روی درونزدگی (Subcrop) سازندهای زمین شناسی با شیب تند می‌باشد.

برای چاه پیمایی، آرایه‌ی قطبی-دوقطبی سطحی تبدیل به ابزار جانبی و آرایه‌ی قطبی-قطبی سطحی تبدیل به ابزار عمودی شده‌اند. ژئوفیزیکدانانی که در حوزه نفت فعالیت می‌کردند، پس از ظهور روش انعکاسی لرزه‌ای چندان از روش‌های الکتریکی راضی نبودند، ولی پس از تبدیل آرایه‌های الکترود از افقی به عمودی، نسبت به نتایج به دست آمده ابراز علاقه کردند. این امر احتمالاً به این خاطر این است که مقاومت‌های ویژه در بیشتر لایه‌های رسوبی، در محدوده‌ی ۱ تا ۱۰۰۰ اهم متر بوده، که اختلافی در حد ۱۰۰۰ برابر را دارد، در حالی که اختلاف سرعت در روش لرزه‌ای در حد ۳ یا ۴ برابر می‌باشد.

طی دهه‌های گذشته، شاخه‌های نوینی از ژئوفیزیک الکتریکی گمانه‌ها توسعه یافته که مستقیماً به اکتشاف اهدافی بسیار فراتر از محدوده‌ی چاه‌های آزمایشی می‌پردازد:

• سونداژ یک چاه آزمایشی بطور جانبی (افقی) برای تهیه‌ی نقشه‌ی پهلوهای گنبدهای نمکی بالا آمده است.
• اندازه‌گیری‌های بین گمانه‌ها؛ برای مثال، ارتباط دادن سازندها، یا برای کنترل فرآیند بازیابی کمکی در تولید نفت.
• اندازه‌گیری‌های گمانه تا سطح، برای افزایش قدرت تفکیک در مشخص کردن هدف.

 

۶- نقش ژئوالکتریک در اکتشاف منابع نفت و گاز

 

در زمینه‌ی استفاده از روش‌های ژئوفیزیکی الکتریکی در اکتشافات نفت و گاز اختلاف نظرهایی وجود دارد که روش‌های ژئوالکتریکی تا چه گستره‌ای مقرون به صرفه می‌باشند. بخش عمده‌ی هزینه‌های مربوط به کارهای ژئوفیزیکی به اکتشاف نفت و گاز اختصاص داشته، که عمدتاً مربوط به استفاده از روش‌های انعکاسی لرزه‌ای است.

برکسی پوشیده نیست که روش لرزه‌ای بهترین ابزار شناخته شده برای یافتن منابع هیدروکربروری است، زیرا نسبت به هر روش دیگری دارای بالاترین قدرت تفکیک برای لایه‌های رسوبی عمیق است.

در استفاده از روش‌های الکتریکی، قدرت تفکیک به مقدار زیادی متناسب با عمق کاهش می‌یابد، مشکل هم‌ارزی (عدم وجود یکتایی) وجود دارد و قدرت تفکیک جانبی نیز بسیار ضعیف است. در هر صورت، تمام این نقطه ضعف‌ها ممکن است در یک کار ناحیه‌ای برای ارزیابی ویژگی‌های کلی حوضه، بسیار ارزشمند باشند. یک سونداژ مقاومت ویژه‌ی عمیق یا مگنتوتلوریک در جایی که حدس زده می‌شود حوضه عمیق باشد، در حالتی که به ظاهر هزینه‌ها یکسان می‌باشند، ممکن است ارزشمندتر از یک گمانه‌ی عمیق باشد.

 

مزایای استفاده از روش‌های الکتریکی در اکتشافات هیدروکربوری

در نواحی خاصی که روش‌های لرزه‌ای اطلاعات محسوسی در اختیار قرار نمی‌دهند، روش‌های الکتریکی تنها جانشین برای به دست آوردن اطلاعات ساختاری و سنگ شناختی می‌باشند؛ البته با جزئیاتی کمتر از نتایج لرزه‌ای معمول. به عنوان مثال، در روش لرزه‌ای بعضی مواقع مقاطع رسوبی که در زیر لایه‌های ضخیم سنگ‌های آتشفشانی و یا کربناته‌های دارای سرعت صوتی بالا قرار دارند، به طور مؤثری مورد اکتشاف قرار نمی‌گیرند. در چنین ناحیه‌ای، بررسی‌های مگنتوتلوریک یا الکترومغناطیسی با چشمه‌ی کنترل شده گزینه‌ی مناسب‌تری خواهد بود.

از دیگر موارد کاربرد ژئوالکتریک در اکتشافات هیدروکربوری، مشخص کردن زون‌های سنگ شناختی مناسب برای تجمع نفت می‌باشد. از این دسته، می‌توان زون تله‌های چینه‌ای واقع در کناره‌های انتقالی رسوبات که بین زون‌هایی که یکی عمدتاً متشکل از ماسه سنگ و دیگری عمدتاً متشکل از شیل می‌باشد را نام برد. همچنین زون‌های دارای مقاومت ویژه‌ی بالای ایزوتروپیک و نیز کناره‌ی دلتاهای مدفون شده از این موارد هستند.

علاوه بر این‌ها، هدف‌های زمین شناختی منحصراً الکتریکی نیز وجود دارند، مانند شناسایی کردن نفت و گاز از راه شناسایی نواحی آنومالی شیمیایی. از نقطه نظر خواص پتروفیزیکی، روش‌های الکتریکی می‌توانند علاوه بر چگالی و سرعت، دید متفاوتی از زیر زمین برای ما به وجود آوردند، که همان مقاومت ویژه می‌باشد.

یکی از بهترین و مقرون به صرفه‌ترین روش‌ها در اکتشافات حوضه‌های نفت و گاز، ارزیابی مناطق کمتر شناخته شده، قبل از مبادرت به انجام عملیات اکتشافی گران‌قیمت می‌باشد. در مراحل ابتدایی کاوش ژئوفیزیکی، احتمالاً مطالعه‌ی مغناطیس هوابردی، سونداژهای الکتریکی عمیق و … که در موقعیت‌های معقول انتخاب شده باشند، می‌توانند اطلاعات کافی درباره‌ی واحدهای سنگ شناختی تا سطح پی سنگ کمپلکس را برای راهنمایی در کارهای بعدی در اختیار ما قرار دهند.