Κεφάλαιο 4 Έμμεσες μέθοδοι αναζήτησης κοιτασμάτων

Transcript

1 Κεφάλαιο 4 Έμμεσες μέθοδοι αναζήτησης κοιτασμάτων Σύνοψη Μετά τα τρία εισαγωγικά κεφάλαια που προηγήθηκαν, από το κεφάλαιο αυτό αρχίζουμε την αναλυτική παρουσίαση των θεμάτων της μεταλλευτικής έρευνας. Όπως είναι φυσικό, θα ξεκινήσουμε από την περιγραφή των μεθόδων αναζήτησης οι οποίες εφαρμόζονται στο πρώτο στάδιο της μεταλλευτικής έρευνας, δηλαδή στο στάδιο της Αναζήτησης. Οι μέθοδοι αυτές πρέπει να έχουν χαμηλό κόστος, επειδή χρησιμοποιούνται για την έρευνα μεγάλων εκτάσεων, και άρα δεν μπορούν να περιλαμβάνουν δειγματοληψία με στόχο το αναζητούμενο συστατικό, εφόσον δεν γνωρίζουμε καν την ύπαρξη ή μη κοιτάσματος. Συνεπώς, θα πρέπει να περιοριστούμε στην ανίχνευση των επιδράσεων που θα προκαλούσε η ύπαρξη σε ικανή ποσότητα του σχετικού συστατικού σε κατάλληλες παραμέτρους του φυσικού περιβάλλοντος. Πρόκειται, δηλαδή, για έμμεσες μεθόδους αναζήτησης. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά επεξηγείται η χρήση γεωλογικών-κοιτασματολογικών χαρτών για τον εντοπισμό περιοχών ενδιαφέροντος. Στη συνέχεια, περιγράφεται η έρευνα με γεωχημικές μεθόδους για τον εντοπισμό ιχνοστοιχείων που μπορεί να προέρχονται από το κοίτασμα. Ακολουθεί η παρουσίαση των γεωφυσικών μεθόδων διασκόπησης: Η βαρυτομετρική μέθοδος βασίζεται στις μεταβολές του πεδίου βαρύτητας της Γης. Η μαγνητική μέθοδος εξετάζει τοπικές μεταβολές του γεωμαγνητικού πεδίου. Οι ηλεκτρικές μέθοδοι μετρούν την ηλεκτρική αντίσταση η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό κάθε πετρώματος. Οι σεισμικές μέθοδοι βασίζονται στη διαφοροποίηση της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων, ανάλογα με το πέτρωμα από το οποίο διέρχονται. Τελευταίες, περιγράφονται οι μέθοδοι έρευνας μέσω τηλεπισκόπησης, όπως η φωτογεωλογία, τα δορυφορικά συστήματα και τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών. Προαπαιτούμενη γνώση Δεν χρειάζονται ιδιαίτερες γνώσεις για να παρακολουθήσει κανείς αυτό το κεφάλαιο. Στοιχειώδεις γνώσεις Φυσικής, Γενικής Γεωλογίας και Κοιτασματολογίας θεωρούνται αρκετές Εισαγωγή Το πρώτο στάδιο ενός προγράμματος αναζήτησης κοιτασμάτων αφορά τη συλλογή δεδομένων σχετικά με τη γεωλογία της περιοχής που ερευνάται. Απαραίτητη είναι, επίσης, η αναζήτηση οικονομικών στοιχείων και πληροφοριών για την παραγωγή των ήδη υπαρχόντων ορυχείων. Σε γενικές γραμμές, οι πληροφορίες που αφορούν τη γεωλογία είναι διαθέσιμες στις περισσότερες περιοχές παγκοσμίως, αν και η κλίμακα και η ποιότητα των δεδομένων διαφέρουν σημαντικά. Σε ορισμένα μέρη της Ευρώπης οι γεωλογικοί χάρτες σχεδιάζονται σε κλίμακα 1:50.000, διατίθενται όμως και φύλλα χαρτών κλίμακας 1: Σε λιγότερο πυκνοκατοικημένες περιοχές όπως ο Καναδάς και η Αυστραλία, η κλίμακα που χρησιμοποιείται κυμαίνεται από 1: έως και 1: Η συγκέντρωση των γεωλογικών δεδομένων αποτελεί το αρχικό στάδιο της μεταλλευτικής έρευνας. Στη συνέχεια, τα στοιχεία αυτά ερμηνεύονται σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά που καθορίζονται από το αντίστοιχο γεωλογικό μοντέλο της περιοχής. Μια μέθοδος επίτευξης αυτού του στόχου είναι η εξέταση της γεωλογίας της περιοχής με τη χρήση δορυφορικών εικόνων. Εάν η περιοχή δεν παρουσιάζει μεγάλο βαθμό φυτοκάλυψης, είναι πιθανό η δορυφορική εικόνα που θα χρησιμοποιηθεί να προέρχεται από τα προγράμματα δορυφορικής απεικόνισης Landsat ή SPOT. Το πρόγραμμα Landsat έχει τη δυνατότητα να προβάλλει τομείς που παρουσιάζουν υδροθερμικές μεταβολές εντός άγονων περιοχών. Σε περιοχές που παρουσιάζουν πυκνή βλάστηση συνήθως χρησιμοποιείται η μέθοδος των ραντάρ. Η μέθοδος της αεροφωτογραφίας παρέχει καλύτερη ανάλυση σε μικρότερες περιοχές, με σημαντικά μειωμένο κόστος. Εκτός από τη μέθοδο της επιφανειακής γεωλογικής χαρτογράφησης, οι περισσότεροι επιστήμονες έχουν πλέον εξοικειωθεί με μια σειρά από άλλες πηγές πληροφόρησης, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στη μεταλλευτική έρευνα. Μία από αυτές, με ανεκτίμητη συμβολή στη μελέτη της γεωλογίας, αποτελεί η εφαρμοσμένη γεωφυσική. Τα δεδομένα των γεωφυσικών διασκοπήσεων διατίθενται προκειμένου να συνδράμουν στη γεωλογική ερμηνεία και ειδικότερα στη χαρτογράφηση δομών μεγάλου βάθους. Τα σεισμικά δεδομένα, σε τοπικό επίπεδο, είναι επίσης χρήσιμα, αλλά διατίθενται συνήθως μόνο από πετρελαϊκές

2 εταιρείες. Σε πολλές περιπτώσεις οι ερμηνείες των γεωφυσικών διασκοπήσεων μπορούν να ελεγχθούν αν συνεκτιμηθούν με πληροφορίες που προκύπτουν από διαθέσιμες βαθιές γεωτρήσεις. Οι γεωχημικές έρευνες, παρέχουν, επίσης, πολλές πληροφορίες σχετικά με το υπόβαθρο λιθολογικά σύνθετων περιοχών. Οι πηγές πληροφόρησης που αφορούν τις περιοχές μεταλλευτικού ενδιαφέροντος είναι παρόμοιες με εκείνες της γεωλογίας. Οι γεωλογικές βάσεις δεδομένων αποτελούν συνήθως την πιο ολοκληρωμένη διαθέσιμη πληροφόρηση για τον ορυκτό πλούτο μιας χώρας. Συγκεντρώνουν όλα τα διαθέσιμα στοιχεία για τον ορυκτό πλούτο, όπως χάρτες, εκθέσεις ή ακόμα και ηλεκτρονικές βάσεις δεδομένων, οι οποίες έχουν συνήθως ελεύθερη πρόσβαση. Δύο χρήσιμα είδη γεωλογικών χαρτών αποτελούν ειδικότερα οι ορυκτολογικοί καθώς και οι μεταλλογενετικοί χάρτες, πολλοί από τους οποίους είναι πλέον διαθέσιμοι και σε ψηφιακή μορφή. Αρχικά, οι χάρτες έδιναν πληροφορίες μόνο για τη θέση της μεταλλοφορίας. Σήμερα, με τη χρήση των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (G.I.S) παρέχονται πληροφορίες που αφορούν τη γεωλογία, αλλά και όλα τα διαθέσιμα δεδομένα που έχουν σχέση με το εκάστοτε κοίτασμα. Τέλος, απαραίτητα για τη συνέχεια της έρευνας είναι και τα δεδομένα οικονομικής φύσεως. Το είδος των πληροφοριών που απαιτούνται αφορούν την ποιότητα, τις ποσότητες που εξορύσσονται, καθώς και τις μεθόδους αποκατάστασης Ειδική χαρτογράφηση για τις ανάγκες εντοπισμού κοιτασμάτων Η κατανομή των κοιτασμάτων στη Γη δεν είναι τυχαία. Σημαντικές συγκεντρώσεις μετάλλων απαντούν σε συγκεκριμένες περιοχές, οι οποίες ορίζουν τις μεταλλογενετικές επαρχίες ή τις μεταλλογενετικές ζώνες, ανάλογα με το μέγεθός τους. Η μεταλλοφορία σε αυτές υπόκειται σε πετρογενετικό, χρονικό, τεκτονικό κ.λπ. έλεγχο. Έτσι, για παράδειγμα, τα μεγαλύτερα κοιτάσματα Sn στη Γη συνδέονται με γρανίτες μεσοζωϊκής ηλικίας (63,1% των παγκόσμιων αποθεμάτων) και απαντούν σε συγκεκριμένες περιοχές της Γης. Ομοίως στη Δυτική Ευρώπη απαντούν διάφορες μεταλλογενετικές ζώνες. Χάρτες με τις μεταλλογενετικές επαρχίες και ζώνες είναι καθοδηγητικοί στην αναζήτηση νέων κοιτασμάτων. Έτσι, για παράδειγμα, η κατανομή των κοιτασμάτων Sn στην Αυστραλία οδηγεί στην αναζήτηση όμοιων κοιτασμάτων στην Ανταρκτική. Μέσα σε μία και την αυτή μεταλλογενετική επαρχία υπάρχουν περίοδοι κατά τις οποίες η μεταλλογένεση ήταν πιο έντονη. Αυτές οι περίοδοι ονομάζονται κύριες μεταλλογενετικές εποχές. Στον ελλαδικό χώρο, οι κυριότερες μεταλλογενετικές επαρχίες είναι η μεταλλογενετική επαρχία Cr και η επαρχία Fe-Pb-Zn-Cu-Ba-Mn (Ορφανουδάκη 2003). Τα κοιτάσματα χρωμίτη απαντούν στα υπερμαφικά μέλη οφιολιθικών συμπλεγμάτων άνω-ιουρασικής ηλικίας, που θεωρείται ότι γεννήθηκαν σε περιθωριακού τύπου μικρές θαλάσσιες λεκάνες. Τα κοιτάσματα Fe-Pb-Zn-Cu-Mn-Ba συνοδεύουν γρανίτες-γρανοδιορίτες, νεογενούς ηλικίας, που θεωρείται ότι γεννήθηκαν σε θέσεις νησιωτικών τόξων. Ως οικονομική μεταλλευτική επαρχία ορίζεται η στενή ή ευρεία περιοχή που περιέχει κοιτάσματα, με έναν ή περισσότερους χαρακτηριστικούς τύπους μεταλλοφορίας. Αιτία της δημιουργίας οικονομικών μεταλλευτικών επαρχιών είναι η επίδραση ορισμένων χαρακτηριστικών της περιοχής στη συγκέντρωση ορισμένων στοιχείων και, κατ επέκταση, στη δημιουργία κοιτασμάτων. Τα χαρακτηριστικά αυτά τα οποία επέδρασαν στη μεταλλογενετική διεργασία μπορεί να είναι τεκτονικά, λιθολογικά, στρωματογραφικά, γεωμορφολογικά κ.ά. Μια οικονομική μεταλλευτική επαρχία μπορεί να είναι τόσο μεγάλη ώστε να περιλαμβάνει περιοχές με διαφορετικές γεωλογικές δομές, τεκτονικές δομές και στρωματογραφικές ενότητες. Συμπερασματικά, η μέθοδος της χαρτογράφησης των μεταλλογενετικών επαρχιών συνίσταται στην κλασική γεωλογική-τεκτονική ανάλυση και τη συσχέτιση με τη γνωστή μεταλλοφορία, με σκοπό να περιχαρακωθούν μακρογεωλογικές δομές για τις οποίες να μπορεί να διατυπωθούν ποιοτικές και υποκειμενικές εκτιμήσεις σχετικά με τα μεταλλευτικά τους αποθέματα (Παναγόπουλος 1982) Αναζήτηση με γεωχημικές μεθόδους Η γεωχημική έρευνα έχει εξελιχθεί από τα πρώιμα στάδιά της ώστε να διευκολύνει τον εντοπισμό ενός κοιτάσματος βάσει της ερμηνείας των χημικών διεργασιών του περιβάλλοντός του. Αυτό το είδος έρευνας βρίσκει ιδιαίτερη εφαρμογή σε περιπτώσεις όπου τα υπερκείμενα του κοιτάσματος υλικά, όπως το έδαφος ή η βλάστηση, καλύπτουν πλήρως την ερευνώμενη περιοχή. Ο σκοπός της αναζήτησης κοιτασμάτων με γεωχημικές μεθόδους είναι να προσδιοριστούν οι γεωχημικές ανωμαλίες, οι οποίες είναι ικανές να οδηγήσουν στην ανεύρεση νέων κοιτασμάτων (μεταλλικά, μη μεταλλικά, υγρά και αέρια καύσιμα), αλλά και στον εντοπισμό των προεκτάσεων ήδη γνωστών

3 κοιτασμάτων. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν τη συστηματική μέτρηση ενός ή περισσότερων χημικών στοιχείων ή συστατικών, τα οποία συνήθως εμφανίζονται σε πολύ μικρές ποσότητες. Οι μετρήσεις γίνονται σε διάφορα υλικά της φύσης, όπως σε πετρώματα, εδάφη, ποτάμια ιζήματα, ύδατα, βλάστηση, αλλά και στον αέρα. Το κοίτασμα περιβάλλεται συνήθως από υλικά που εμφανίζουν χαμηλές συγκεντρώσεις των στοιχείων του μεταλλεύματος. Πρόκειται ουσιαστικά για μια διαδικασία εμπλουτισμού του περιβάλλοντος του κοιτάσματος, η οποία ονομάζεται πρωτογενής διασπορά. Η κατανομή ή ανακατανομή των χημικών στοιχείων γίνεται με τη βοήθεια των φυσικών και χημικών διαδικασιών. Η διασπορά των χημικών στοιχείων μπορεί να γίνει στο πρωτογενές ή στο δευτερογενές περιβάλλον. Το πρωτογενές περιβάλλον περιλαμβάνει τις διαδικασίες που γίνονται από τον χαμηλότερο ορίζοντα των υπογείων υδάτων έως τα μεγάλα βάθη όπου επικρατεί ο μαγματικός διαχωρισμός και η μεταμόρφωση, ενώ το δευτερογενές περιβάλλον τις επιφανειακές διαδικασίες αποσάθρωσης, τον σχηματισμό εδάφους και την ιζηματογένεση στα επιφανειακά στρώματα του φλοιού της Γης. Συνήθως παρατηρείται διασπορά στοιχείων του κοιτάσματος μέσα στο πέτρωμα που φιλοξενεί το κοίτασμα. Σκοπός της γεωχημείας πετρωμάτων είναι να εντοπίσει τους αρχικούς κύκλους διασποράς στοιχείων που συνδυάζονται με το κοίτασμα, δηλαδή τη γεωχημική ανωμαλία, η μορφή της οποίας προσδιορίζει τη θέση και τη γεωμετρία του κοιτάσματος. Το στοιχείο διασποράς που μας δίνει την ανωμαλία συνήθως δεν περιλαμβάνεται ως κύριο στοιχείο στο κοίτασμα, αλλά είναι γεωχημικά στενά συνδεμένο με αυτό. Ορισμένα χημικά στοιχεία (ή αέρια, ή ενώσεις) σχετίζονται γεωχημικά με το κοίτασμα και, παρότι περιέχονται σε πολύ μικρές ποσότητες, μπορούν με την παρουσία τους να υποδείξουν κοιτάσματα και άλλων μετάλλων. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται στοιχεία-δείκτες. Η καταγραφή και μελέτη τους είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την επισήμανση ορυκτού πλούτου στο υπέδαφος. Η γεωχημική απόκριση στην επιφάνεια εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους και ειδικότερα από το είδος των υπερκείμενων του κοιτάσματος πετρωμάτων. Πολλά στοιχεία παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά όταν βρίσκονται εντός του κοιτάσματος απ ό,τι στην επιφάνειά του. Για παράδειγμα, σε περιπτώσεις στις οποίες ο χαλκός, ο μόλυβδος και ο ψευδάργυρος συνδέονται με αποθέσεις θειούχων, ο ψευδάργυρος παρουσιάζει μεγαλύτερη κινητικότητα από τον χαλκό και τον μόλυβδο στην επιφάνεια του κοιτάσματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη συγκέντρωση του μόλυβδου στους υπερκείμενους του κοιτάσματος σχηματισμούς και τη διασπορά του ψευδάργυρου μακριά από το κοίτασμα. Η διεργασία αυτή της απομάκρυνσης από την κύρια «πηγή» ονομάζεται δευτερογενής διασπορά και μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί με μηχανική κίνηση τεμαχίων λόγω της βαρύτητας, με την κίνηση αερίων ή τη διάχυση στοιχείων με την μορφή ιόντων, καθώς και με τη μετακίνησή τους με τη μορφή διαλύματος Σχεδιασμός της έρευνας Η επιλογή της τεχνικής και των μεθόδων που θα χρησιμοποιηθούν κατά τη γεωχημική έρευνα εξαρτάται από το είδος και τη θέση του κοιτάσματος που μελετάται. Όπως στις γεωλογικές έρευνες, έτσι και στις γεωχημικές συχνά γίνεται χρήση μοντέλων στα οποία υπάρχει η δυνατότητα ενσωμάτωσης γεωχημικών παραγόντων (Barton 1986). Για τον λόγο αυτό, η έρευνα ξεκινά με τη συλλογή των στοιχείων που συνδέονται με τον τύπο του κοιτάσματος που μελετάται, όπως το οικονομικό του μέγεθος, η ορυκτολογική σύσταση των στοιχείων που το απαρτίζουν, καθώς και η πιθανή εμφάνιση στοιχειακών ανωμαλιών στο περιβάλλον του. Μια από τις βασικότερες πτυχές του σχεδιασμού της έρευνας είναι η εύρεση των τεχνικών που θα αποδειχθούν αποτελεσματικές κατά την αναζήτηση του κοιτάσματος. Έτσι, εξετάζονται διάφορες μέθοδοι που έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί στη διερεύνηση παρόμοιων κοιτασμάτων και σε ανάλογες τοπογραφικές συνθήκες, ώστε να επιλεχθεί εκείνη η οποία δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα. Το συστηματικό πρόγραμμα δειγματοληψίας αποτελεί τη βάση ενός γεωχημικού προγράμματος (Fletcher et al. 1987) και ως εκ τούτου πρέπει να ληφθούν αποφάσεις ως προς την πυκνότητα της δειγματοληψίας, και τη μέθοδο που θα ακολουθηθεί. Η σχέση κόστους οφέλους της έρευνας θα πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά, καθώς μπορεί η χρήση μιας πιο δαπανηρής μεθόδου να αποτελεί τη μόνη αποτελεσματική τεχνική.

4 Δειγματοληψία Η γεωχημική έρευνα μπορεί να είναι αναγνωριστική (στρατηγική γεωχημεία) ή λεπτομερής. Η αναγνωριστική γεωχημική έρευνα είναι γενικά σύντομη, έχει σχετικά μικρό κόστος και εκτελείται σε μεγάλες εκτάσεις οι οποίες υπολογίζουμε ότι παρουσιάζουν κοιτασματολογικό ενδιαφέρον. Ο αριθμός των δειγμάτων για ανάλυση είναι σχετικά μικρός και εξαρτάται από τις γεωλογικές συνθήκες και το χημικό στοιχείο που αναζητούμε. Σε περιορισμένες περιοχές, οι οποίες με την αναγνωριστική έρευνα αποδείχτηκε ότι παρουσιάζουν κοιτασματολογικό ενδιαφέρον, εκτελούμε πυκνότερη δειγματοληψία για τη λεπτομερή γεωχημική έρευνα (Φιλιππίδης 2006). Τα δείγματα συλλέγονται σε μη μεταλλικά (χάρτινα ή πλαστικά) δοχεία προκειμένου να αποφευχθεί η αλλοίωσή τους. Τα εδαφικά δείγματα συνήθως συσκευάζονται επιτόπου, αμέσως μόλις ληφθούν, σε αντίθεση με τα βραχώδη, τα οποία τυποποιούνται αφού μεταφερθούν στο εργαστήριο. Η ακρίβεια της δειγματοληψίας παίζει σημαντικό ρόλο στη γεωχημική έρευνα. Η αξιοπιστία και η ακρίβεια μπορεί να επιτευχθεί με την ανάλυση των δειγμάτων εις διπλούν ή με τη χρήση δειγμάτων γνωστής σύνθεσης, τα οποία χρησιμοποιούνται ως δείγματα αναφοράς. Τα δείγματα αναφοράς συνήθως αναπτύσσονται στο εργαστήριο και στη συνέχεια βαθμονομούνται σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα Χημική ανάλυση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων Η χημική ανάλυση συνήθως αποσκοπεί στον προσδιορισμό των στοιχειακών συγκεντρώσεων σε ένα δείγμα. Στη γεωχημεία συνήθως μετράμε ιχνοστοιχεία και γι αυτό εκφράζουμε την περιεκτικότητα σε ppm (parts per million) ή ακόμη σε ppb (parts per billion). Οι διαφορές μεταξύ των μεθόδων χημικής ανάλυσης που χρησιμοποιούνται αφορούν το κόστος, την ταχύτητα της ανάλυσης και τα όρια ανίχνευσης των στοιχείων που επιθυμούμε να εντοπίσουμε. Οι περισσότερες αναλύσεις διεξάγονται με τη μέθοδο της φασματομετρίας πλάσματος εκπομπής (ICP ES), συχνά σε συνδυασμό με τη φασματομετρία πλάσματος μάζας (ICP MS) και τον φθορισμό ακτινών Χ (XRF). Αναλύσεις μπορούν επίσης να πραγματοποιηθούν με την ατομική φασματοσκοπία απορρόφησης (AAS) (Εικόνα 4.1), η οποία αποτέλεσε την επικρατέστερη μέθοδο ανάλυσης έως τη δεκαετία του Μια άλλη μέθοδος η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία είναι η ανάλυση ενεργοποίησης νετρονίων (ΝΑΑ). Εικόνα 4.1 Ατομική φασματοσκοπία απορρόφησης (Talos 2005, το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY-SA 3.0). Μόλις τα αποτελέσματα των χημικών αναλύσεων ελεγχθούν και ληφθούν από το εργαστήριο, πραγματοποιείται η κατάλληλη ερμηνεία και επεξεργασία τους. Καθώς τα αποτελέσματα είναι πιθανό να αφορούν έναν μεγάλο αριθμό δειγμάτων, απαραίτητη για την ερμηνεία τους είναι η χρήση της στατιστικής. Συνεπώς, οι πληροφορίες μεταφέρονται σε ηλεκτρονικές βάσεις δεδομένων και αξιολογούνται με στατιστικές μεθόδους.

5 Τεχνικές αναγνώρισης Η τεχνική αναγνώρισης που θα χρησιμοποιηθεί στη γεωχημική έρευνα εξαρτάται από το είδος των υπερκείμενων σχηματισμών και του περιβάλλοντος του κοιτάσματος. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν τη συστηματική μέτρηση ενός ή περισσότερων χημικών στοιχείων ή συστατικών. Οι μετρήσεις γίνονται σε διάφορα φυσικά υλικά, όπως τα πετρώματα, τα εδάφη, τα ποτάμια ιζήματα, τα ύδατα, η βλάστηση, οι αποθέσεις παγετώνων και ο αέρας. Όταν ο υπερκείμενος σχηματισμός είναι πέτρωμα, πραγματοποιείται ανάλυσή του ή ορισμένων μεμονωμένων ορυκτών του. Η δειγματοληψία μπορεί να είναι επιφανειακή ή υπόγεια και στις περισσότερες περιπτώσεις το δείγμα λαμβάνεται από το υγιές μέρος του πετρώματος. Η γεωχημεία εδάφους βασίζεται στο γεγονός ότι τα στοιχεία του κοιτάσματος διασκορπίζονται στο υπερκείμενο έδαφος και δημιουργούν ένα δευτερεύον πεδίο διασποράς, με μεγαλύτερες τιμές στοιχείων πλησιέστερα στο κοίτασμα. Η γεωχημική ανωμαλία του εδάφους καταγράφεται και εντοπίζεται με τη δειγματοληψία εδάφους κατά μήκος οριζόντιων και κάθετων τομών της περιοχής (Φιλιππίδης 2006). Η γεωχημική έρευνα ποτάμιων ιζημάτων περιλαμβάνει την εξέταση των ιζημάτων των ποταμών, των λιμνών και των ελών, ή ακόμα και του βυθού της θάλασσας. Με τη μελέτη της περιεκτικότητας ορισμένων ορυκτών στο ίζημα, εξετάζουμε τις γεωχημικές ή ορυκτολογικές ανωμαλίες, οι οποίες μπορούν να μας οδηγήσουν στον εντοπισμό του κοιτάσματος. Επίσης, η υδρογεωχημεία αναλύει τα υπόγεια και επιφανειακά ύδατα (ποτάμια, ρυάκια, λίμνες, έλη, πηγές, θάλασσα) και χρησιμοποιείται κυρίως σε περιοχές όπου αδυνατούμε να πάρουμε δείγματα ιζημάτων ή εδαφών. Η γεωχημεία βλάστησης διακρίνεται στη γεωβοτανική και τη βιογεωχημεία. Η γεωβοτανική βασίζεται στην οπτική έρευνα της βλάστησης και περιλαμβάνει την έρευνα της παρουσίας ή απουσίας φυτών τα οποία είναι δείκτες ορισμένων χημικών στοιχείων, καθώς και ορισμένων χαρακτηριστικών των φυτών (γένος, χρώμα κ.λπ.) τα οποία είναι αποτέλεσμα της παρουσίας κάποιου χημικού στοιχείου (Φιλιππίδης 2006). Η γεωχημική μελέτη των αερίων βασίζεται στη χημική ανάλυση των πτητικών συστατικών τα οποία είναι δείκτες ορισμένων κοιτασμάτων. Η απελευθέρωση των πτητικών συστατικών γίνεται κυρίως με την οξείδωση των κοιτασμάτων, με τη ραδιενεργό διάσπαση και με την ηφαιστειογένεση. Οι αναλύσεις αυτές πραγματοποιούνται στον αέρα της ατμόσφαιρας του εδάφους, αλλά και των υδάτων. Όταν η τεχνική αναγνώρισης επισημάνει μια ανωμαλία και εντοπίσει την πηγή της, είναι αναγκαίο να πραγματοποιηθεί λεπτομερέστερη δειγματοληψία, προκειμένου να βρεθούν οι περιοχές του στοιχειακού εμπλουτισμού. Εάν η φάση της αναγνώρισης περιλαμβάνει δειγματοληψία υδάτων από παρακείμενους ποταμούς ή ρέματα, είναι πιθανό να χρειαστεί περαιτέρω δειγματοληψία από τους σχηματισμούς της λεκάνης απορροής. Στην περίπτωση του εδάφους ή των υπερκείμενων σχηματισμών, θα πρέπει να γίνει πύκνωση της δειγματοληψίας μέχρι να βρεθεί η πηγή της ανωμαλίας Αναγνωριστικές γεωφυσικές μέθοδοι διασκόπησης στη μεταλλευτική έρευνα Η γεωφυσική είναι η επιστήμη η οποία μελετά τα φυσικά φαινόμενα της Γης. Ειδικότερα, διερευνά τον γήινο μαγνητισμό και τον ηλεκτρισμό, τη δύναμη της βαρύτητας και άλλα φυσικά φαινόμενα με την εφαρμογή των αρχών της Φυσικής, για τη συλλογή πληροφοριών που αφορούν τη δομή της υδρογείου. Πιο συγκεκριμένα, η Εφαρμοσμένη Γεωφυσική μελετά τις φυσικές ιδιότητες των γεωλογικών σχηματισμών που αποτελούν τις ζώνες του φυσικού φλοιού της Γης, με βασικό στόχο την αναζήτηση και επισήμανση μεταλλοφόρων εν γένει συγκεντρώσεων έως και τη διερεύνηση θεμάτων γεωλογίας, υδρογεωλογίας και γεωτεχνικής. Κατά την εφαρμογή της γεωφυσικής έρευνας διενεργείται διασκόπηση του υπεδάφους, με τη βοήθεια κατάλληλων οργάνων, ενώ η επεξεργασία και ερμηνεία των στοιχείων που λαμβάνονται είναι δυνατόν να οδηγήσει, άμεσα ή έμμεσα, στον εντοπισμό γεωλογικών σχηματισμών ή μεταλλοφόρων συγκεντρώσεων οικονομικού ενδιαφέροντος. Η γεωφυσική έρευνα συνίσταται στην εκτέλεση ορισμένου αριθμού μετρήσεων, οι οποίες διενεργούνται συνήθως στην επιφάνεια της Γης ή από αέρος ή ακόμη και εντός γεωτρήσεων, δηλαδή κατακόρυφα εντός του εσωτερικού της Γης. Με τις εν λόγω μετρήσεις επιδιώκεται ο εντοπισμός τυχόν υφιστάμενων μεταβολών στα διάφορα φυσικά πεδία δυνάμεων, τα οποία καθορίζονται, μεταξύ άλλων, από τη φύση και τη δομή του υπεδάφους. Δεδομένου ότι τα πετρώματα που συνιστούν το υπέδαφος ποικίλλουν ευρέως από πλευράς φυσικών ιδιοτήτων, είναι προφανές ότι μία τουλάχιστον ιδιότητα θα παρουσιάζει

6 ασυνέχεια από θέση σε θέση και, αν ερμηνευτεί κατάλληλα, δύναται να μεταφραστεί σε χρήσιμη πληροφορία για τη φύση και τη δομή των σχηματισμών του υπεδάφους. Οι ιδιότητες των πετρωμάτων οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά την εφαρμογή της γεωφυσικής έρευνας είναι κυρίως το ειδικό βάρος, η μαγνητική επιδεκτικότητα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η ελαστικότητα, ενώ σε μικρότερο βαθμό χρησιμοποιούνται και άλλες ιδιότητες, όπως η ραδιενέργεια και η θερμική αγωγιμότητα. Η επιλογή της καταλληλότερης κατά περίπτωση μεθόδου γεωφυσικής έρευνας δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες δυσκολίες, εφόσον ληφθούν υπ όψιν οι επικρατούσες φυσικές ιδιότητες των πετρωμάτων της υπό εξέταση περιοχής. Παρ όλα αυτά, υφίστανται περιπτώσεις κατά τις οποίες δύναται ή ενδείκνυται να εφαρμοστούν συγχρόνως δύο ή και περισσότερες μέθοδοι. Η διεξαγωγή της γεωφυσικής έρευνας διακρίνεται σε τρεις κύριες φάσεις: Μέτρηση των ανωμαλιών των φυσικών σταθερών ή φυσικών παραμέτρων (πυκνότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα, ταχύτητα σεισμικών κυμάτων κ.ά.). Σύνταξη των σχετικών διαγραμμάτων και γεωφυσικών χαρτών, σε συνάρτηση με τις μετρήσεις που έχουν ληφθεί. Επεξεργασία και ερμηνεία των αποτελεσμάτων των μετρήσεων. Η φάση αυτή αποτελεί τη σημαντικότερη διαδικασία της γεωφυσικής έρευνας και έχει ιδιαίτερη σημασία για την ορθολογική αντιμετώπιση και επίλυση του κατά περίπτωση προβλήματος της έρευνας. Τονίζεται, άλλωστε, ότι η όρυξη γεώτρησης, σε συνδυασμό με τη διεξαγόμενη γεωφυσική έρευνα, δύναται να υποβοηθήσει σημαντικά την ερμηνεία των λαμβανόμενων αποτελεσμάτων και να καθορίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια το πρόγραμμα των περαιτέρω ερευνητικών γεωτρήσεων. Συνεπώς, οι γεωφυσικές μέθοδοι διασκόπησης του υπεδάφους αποτελούν σημαντική επιστημονική και τεχνολογική συμβολή στους διάφορους τομείς της μεταλλευτικής έρευνας. Ο μελετητής διαθέτει ένα σύγχρονο μέσο έρευνας, το οποίο επιτρέπει την επί επιστημονικής βάσης μελέτη και επίλυση των διαφόρων ειδικών προβλημάτων του υπεδάφους Βαρυτομετρική μέθοδος Η βαρυτομετρική μέθοδος βασίζεται στη διαφορά της πυκνότητας μεταξύ των πετρωμάτων. Οι διαφορές της πυκνότητας στο υπέδαφος επιδρούν στην κατανομή της έντασης της βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης. Συνεπώς, ορισμένα μεταλλεύματα προκαλούν διαφορές βαρύτητας λόγω της μεγαλύτερης πυκνότητάς τους σε σύγκριση με την πυκνότητα των πετρωμάτων που τα περιβάλλουν. Διαφορές στη βαρύτητα, παρατηρούνται επίσης όταν γειτονικά πετρώματα έχουν διαφορετικές πυκνότητες, ειδικά στις περιπτώσεις στις οποίες συντρέχουν και τεκτονικοί λόγοι. Η βαρυτομετρική μέθοδος στοχεύει κυρίως στην αναζήτηση μεταλλοφόρων κοιτασμάτων και πετρελαίου. Εφαρμόζεται, επίσης, στη διερεύνηση της δομής του υπεδάφους, όπως στη μορφολογία του στερεού υποβάθρου, στον εντοπισμό αντικλίνων, μεταπτώσεων κ.λπ. Εάν, για παράδειγμα, μεταξύ μαρμάρων ή σχιστόλιθων βρίσκεται βασικό εκρηξιγενές πέτρωμα, παρουσιάζεται αύξηση της έντασης της βαρύτητας, ενώ, εάν παρεμβληθεί δομή άλατος εντός μαργών ή αργίλων, παρουσιάζεται μείωσή της Το πεδίο βαρύτητας της Γης Ως γνωστόν, η ένταση της βαρύτητας δεν είναι η ίδια σε όλα τα σημεία της επιφάνειας της Γης, διότι η Γη δεν είναι ούτε ακριβώς σφαιρική, αλλά ούτε και ομοιογενής. Επίσης, από σημείο σε σημείο παρουσιάζονται υψομετρικές διαφορές και ως εκ τούτου η ένταση της βαρύτητας είναι διαφορετική στα όρη (μικρότερη) σε σχέση με τη θάλασσα (μεγαλύτερη). Η ένταση της βαρύτητας μεταβάλλεται συμμετρικά από τον ισημερινό προς τους πόλους. Οι μεταβολές αυτές είναι γνωστές ως κανονικές μεταβολές και δεν καθορίζονται από την ανομοιογένεια της λιθόσφαιρας, αλλά από τη δομή ολόκληρης της Γης. Εκτός από τις κανονικές μεταβολές, παρατηρούνται επίσης μεταβολές της γήινης βαρύτητας οι οποίες οφείλονται στη διαφορά της πυκνότητας των υλικών της λιθόσφαιρας. Για το λόγο αυτό, στα βαρύτερα γεωλογικά στρώματα και γενικώς πετρώματα, τα οποία παρουσιάζουν μεγαλύτερη πυκνότητα, παρατηρείται μεγαλύτερη ένταση της βαρύτητας, ενώ στα ελαφρότερα μικρότερη. Οι μεταβολές αυτές είναι περιορισμένης έκτασης και καλούνται τοπικές μεταβολές ή τοπικές ανωμαλίες.

7 Υφίστανται, ωστόσο, και άλλες μεταβολές της γήινης βαρύτητας, οι οποίες οφείλονται σε γεωλογικά αίτια, μεγαλύτερης όμως έκτασης. Οι μεταβολές αυτές καλούνται επιχώριες ανωμαλίες ή ανωμαλίες μεγάλης κλίμακας, διότι έχουν μεγάλη ανάπτυξη. Μια επιχώριος ανωμαλία παρουσιάζει συνήθως τη μορφή συνεχούς μεταβολής της έντασης της βαρύτητας προς μία κατεύθυνση. Οφείλεται στην ύπαρξη διαφορών πυκνότητας μεταξύ γεωλογικών σχηματισμών μεγάλης έκτασης ή στο γενικότερο ανάγλυφο της περιοχής (Εικόνα 4.2). Εικόνα 4.2 Χάρτης βαρυτομετρικών ανωμαλιών στη γήινη επιφάνεια. Η περιστρεφόμενη αυτή εικόνα δημιουργήθηκε από τη NASA στο πλαίσιο του προγράμματος GRACE και δεν προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα. Τα κόκκινα χρώματα δείχνουν περιοχές όπου η βαρύτητα είναι μεγαλύτερη από την κανονική τιμή της, ενώ τα μπλε χρώματα υποδηλώνουν περιοχές όπου βαρύτητα είναι μικρότερη από την κανονική τιμή της. Οι διαπιστωμένες διαφορές στην ένταση της βαρύτητας αποτελούν τις λεγόμενες βαρυτομετρικές ανωμαλίες. Εάν το σώμα που προκαλεί τη μεταβολή της έντασης της βαρύτητας είναι πυκνότερο από τα περιβάλλοντα πετρώματα, θα έχουμε θετική ανωμαλία βαρύτητας, ενώ στην αντίθετη περίπτωση θα προκαλείται αρνητική ανωμαλία βαρύτητας. Ενδεικτικά στον Πίνακα 4.1 δίνονται οι πυκνότητες διαφόρων πετρωμάτων και ορυκτών.

8 Εκρηξιγενή πετρώματα Ρυόλιθος 2,4 2,7 Διορίτης 2,7 3,0 Τραχείτης 2,4 2,8 Διαβάσης 2,8 3,1 Δακίτης 2,4 2,8 Βασάλτης 2,7 3,3 Ανδεσίτης 2,4 2,8 Γάββρος 2,9 3,1 Γρανίτης 2,5 2,8 Περιδοτίτης 3,1 3,3 Γρανοδιορίτης 2,7 2,8 Μεταμορφωσιγενή πετρώματα Χαλαζίτης 2,4 2,8 Μάρμαρο 2,6 2,9 Σερπεντινίτης 2,4 2,8 Γνεύσιος 2,6 3,0 Κρυστ. σχιστόλιθος 2,4 2,9 Φυλλίτης 2,7 3,0 Ιζηματογενή πετρώματα Άμμοι 1,4 1,8 Αργ. σχιστόλ. 1,7 3,2 Ασβεστολ. 1,6 1,7 Δολομίτης 2,1 2,6 τόφφοι Ψαμμίτης 1,6 2,7 Μάργες 2,2 2,6 Άργιλοι 1,6 3,2 Ασβεστόλιθος 2,7 2,8 Ορυκτά Πετρέλαιο 0,6 0,9 Βαρύτης 4,3 4,6 Άνθρακες 1,2 1,5 Χρωμίτης 4,3 4,6 μαλακοί Άνθρακες σκληροί 1,4 1,8 Μαγνητοπυρίτης 4,5 4,6 Ορυκτό άλας 2,1 2,4 Σιδηροπυρίτης 4,9 5,2 Γύψος 2,2 2,6 Αιματίτης 4,9 5,3 Ανυδρίτης 2,9 3,0 Μαγνητίτης 5,0 5,2 Σφαλερίτης 3,5 4,0 Αρσενοπυρίτης 6,0 6,2 Λειμωνίτης 3,6 4,0 Γαληνίτης 7,4 7,6 Πίνακας 4.1 Πυκνότητα διαφόρων πετρωμάτων και ορυκτών σε gr/cm Διεξαγωγή της βαρυτομετρικής έρευνας και ερμηνεία των αποτελεσμάτων Η ένταση της βαρύτητας (g) δεν έχει την ίδια ερμηνεία σε όλα τα σημεία της επιφάνειας της Γης. Οι διαφορές του g από σημείο σε σημείο οφείλονται: (α) στο σχήμα της Γης, (β) στο υψόμετρο του σημείου μέτρησης, (γ) στη μορφολογία του εδάφους κοντά στο σημείο μέτρησης, (δ) στην έλξη του Ήλιου και της Σελήνης και (ε) στη διαφορά πυκνότητας των υλικών που βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια της Γης. Η Εφαρμοσμένη Γεωφυσική μελετά τις διαφορές του g που οφείλονται στην κατανομή της πυκνότητας. Είναι, συνεπώς, απαραίτητο από τη διαφορά Δg της έντασης της βαρύτητας, που προσδιορίζεται, για παράδειγμα, μεταξύ δύο σημείων, να αφαιρεθεί η επίδραση των αιτιών α, β, γ, δ, οπότε το υπόλοιπο, εάν υπάρχει, αποτελεί την ανωμαλία της βαρύτητας η οποία οφείλεται στην ύπαρξη διαφοράς πυκνότητας του υπόγειου υλικού κάτω από το σημείο της μέτρησης. Επειδή η ένταση της βαρύτητας (g) παρουσιάζει τιμές οι οποίες εξαρτώνται από τις ανωτέρω αιτίες, η σύγκριση των βαρυτομετρικών μετρήσεων είναι δυνατή, εφόσον αυτές αναχθούν σε μια καθορισμένη σταθερά βάσης, σε ένα επίπεδο αναφοράς. Ως βάση λαμβάνεται η νοητή επιφάνεια της Γης, η οποία προκύπτει από την επέκταση της στάθμης των εν ηρεμία ευρισκόμενων ωκεανών. Η σταθμική αυτή επιφάνεια, η οποία καθορίζεται κατ αυτόν τον τρόπο, ονομάζεται γεωειδές. Οι προσδιοριζόμενες τιμές Δg των σημείων μετρήσεων ως προς τη βάση απεικονίζονται ύστερα από τις απαραίτητες διορθώσεις (διόρθωση Bouguer) είτε ως τομή βαρύτητας συναρτήσει της απόστασης των σημείων (Εικόνα 4.3), είτε, στην περίπτωση δικτύου, υπό μορφή χαρτών βαρύτητας.

9 Εικόνα 4.3 Βαρυτομετρικές ανωμαλίες προκαλούμενες από αλλαγές στο πάχος της λιθόσφαιρας. Η πράσινη καμπύλη απεικονίζει την επιφάνεια του γεωειδούς, ενώ με διακεκομμένη γραμμή απεικονίζεται η διορθωμένη βαρυτομετρική ανωμαλία (Bouguer). Με συνεχή γραμμή φαίνεται η βαρυτομετρική ανωμαλία διορθωμένη μόνο ως προς το υψόμετρο (Gaianauta 2006, το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY-SA 3.0). Για την κατασκευή ενός χάρτη βαρύτητας (Εικόνα 4.4) προσδιορίζονται, με τη μέθοδο της παρεμβολής, τα σημεία με την ίδια διαφορά βαρύτητας Δg, τα οποία ακολούθως ενώνονται σε συνεχείς καμπύλες, οι οποίες ονομάζονται «καμπύλες ίσων ανωμαλιών». Οι χάρτες βαρύτητας αποσκοπούν στην καλύτερη απεικόνιση των αναζητούμενων κοιτασμάτων, ενώ οι τομές χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της κατακόρυφης ανάπτυξής τους κατά τη διεύθυνση των τομών. Τα στοιχεία αυτά υποδεικνύουν το βάθος και τη γεωμετρία του κοιτάσματος.

10 Εικόνα 4.4 Χάρτης βαρυτομετρικών ανωμαλιών (διόρθωση Bouguer) του New Jersey (USGS 2006, το αρχείο δεν προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα). Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων της βαρυτομετρικής διασκόπησης απαιτεί πείρα και γνώση των γεωλογικών δεδομένων της περιοχής, η δε ακολουθούμενη διαδικασία ερμηνείας τους εξαρτάται από παράγοντες όπως ο σκοπός της έρευνας, η ακρίβεια των μετρήσεων, το πλήθος πληροφοριών που διατίθενται από άλλες πηγές κ.λπ Μαγνητική μέθοδος Η μαγνητική μέθοδος της Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής βασίζεται στην ακριβή μέτρηση των τοπικών ανωμαλιών του γεωμαγνητικού πεδίου, οι οποίες οφείλονται στις διαφορές της έντασης μαγνήτισης των πετρωμάτων. Η μαγνήτιση των πετρωμάτων οφείλεται εν μέρει στην επαγωγή του σημερινού μαγνητικού πεδίου της Γης και εν μέρει στη μόνιμη μαγνήτισή τους. Η επαγωγική μαγνήτιση εξαρτάται κυρίως από τη μαγνητική επιδεκτικότητα και το μαγνητικό πεδίο, ενώ η μόνιμη μαγνήτιση από τη γεωλογική ιστορία του πετρώματος. Η μαγνητική μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για τον εντοπισμό μαγνητικών ορυκτών και πετρωμάτων, όπως, παραδείγματος χάριν, την αναζήτηση σιδηρομεταλλευμάτων και εκρηξιγενών πετρωμάτων, τα οποία αναπτύσσονται κάτω από ιζηματογενή πετρώματα. Εφαρμόζεται επίσης στην έρευνα πετρελαίων, καθώς και στη διαπίστωση μεταπτώσεων, κυρίως όταν λόγω τεκτονικών κινήσεων έχουν έρθει σε επαφή πετρώματα με διαφορετική μαγνητική επιδεκτικότητα, για παράδειγμα ιζηματογενή με εκρηξιγενή. Η μαγνητική μέθοδος παρουσιάζει ομοιότητες με τη βαρυτομετρική. Και οι δύο απαιτούν όμοια τεχνική ερμηνείας. Όπως η βαρυτομετρική ανωμαλία εξαρτάται από το μέγεθος, το σχήμα και την πυκνότητα του σώματος, έτσι και η μαγνητική ανωμαλία εξαρτάται από το μέγεθος, το σχήμα και την ένταση μαγνήτισης του σώματος. Η μαγνητική μέθοδος όμως είναι πολυπλοκότερη, διότι η φυσική σταθερά η οποία καθορίζει τη μαγνητική κατάσταση του σώματος, δηλαδή η ένταση μαγνήτισης, είναι ανυσματική ποσότητα με μέγεθος και διεύθυνση, ενώ η αντίστοιχη σταθερά στη βαρυτομετρική μέθοδο, η πυκνότητα, είναι μονόμετρο μέγεθος. Εξάλλου, στα μαγνητικά σώματα υφίστανται δύο είδη πόλων με αντίθετα σημεία, με αποτέλεσμα την εμφάνιση ελκτικών και απωστικών δυνάμεων. Ακόμη, τα μαγνητικά αποτελέσματα των πετρωμάτων δύναται

11 να επηρεάζονται αισθητά από την παρουσία ελάχιστων ιχνών ορισμένων ορυκτών, ενώ τα αποτελέσματα της βαρύτητας προέρχονται από τα κύρια συστατικά των πετρωμάτων Το μαγνητικό πεδίο της Γης Στην επιφάνεια της Γης υφίσταται μόνιμο μαγνητικό πεδίο, του οποίου η διεύθυνση είναι περίπου Β-Ν. Η Γη, συνεπώς, είναι ένας μεγάλος μαγνήτης, οι πόλοι του οποίου δεν συμπίπτουν με τους γεωφυσικούς πόλους (Εικόνα 4.5). Εικόνα 4.5 Απόκλιση του μαγνητικού άξονα της Γης (κόκκινη γραμμή) σε σχέση με τον άξονα περιστροφής της (μπλε γραμμή) (JrPol 2008, το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY-SA 3.0). Η προέλευση του γήινου μαγνητικού πεδίου δεν είναι επακριβώς γνωστή. Για την εξήγηση του παραπάνω αναπτύχθηκαν κατά καιρούς διάφορες θεωρίες. Γενικά, είναι αποδεκτό ότι το μαγνητικό πεδίο της Γης εξαρτάται από αίτια εκ των οποίων άλλα μεν οφείλονται στο εσωτερικό της Γης και άλλα εκτός αυτής, στην ιονόσφαιρα. Πάντως, φαίνεται σχεδόν βέβαιο ότι το κύριο μέρος του γήινου μαγνητικού πεδίου οφείλεται στο σύστημα των ηλεκτρικών ρευμάτων εντός της Γης. Για την αναγνώριση των ανωμαλιών του πεδίου είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την αδιατάρακτη κατάστασή του. Με μεγάλη προσέγγιση, το κανονικό γεωμαγνητικό πεδίου δύναται να παρασταθεί ως το πεδίο ενός δίπολου εγκατεστημένου στο κέντρο της Γης, με τη μαγνητική ροπή κατευθυνόμενη προς τον γεωγραφικό νότο αυτής και με κλίση περίπου 10 μοιρών ως προς την περιστροφή άξονα. Η ευθεία που ενώνει τους μαγνητικούς πόλους ονομάζεται μαγνητικός άξονας της Γης και σχηματίζει με τον γεωγραφικό άξονα γωνία θ που μεταβάλλεται χρονικά. Οι μαγνητικές γραμμές του γήινου πεδίου έχουν φορά από το νότιο γεωγραφικό πόλο (βόρειο μαγνητικό της Γης) προς τον βόρειο γεωγραφικό πόλο (δηλαδή το νότιο μαγνητικό της Γης) (Εικόνα 4.6). Πρακτικά, η μονάδα μέτρησης του μαγνητικού πεδίου είναι το nanotesla (nt, μερικές φορές επίσης γνωστό ως γάμμα). Στους μαγνητικούς πόλους το πεδίο είναι περίπου nt και κάθετο, ενώ στον ισημερινό είναι περίπου nt και οριζόντιο.

12 Εικόνα 4.6 Προσομοίωση του μαγνητικού πεδίου της Γης σε περίοδο κανονικής πολικότητας. Οι γραμμές αναπαριστούν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου και είναι μπλε όταν η κατεύθυνσή τους είναι προς το κέντρο και κίτρινο στην αντίθετη περίπτωση. Ο άξονας περιστροφής της Γης είναι κεντραρισμένος και κατακόρυφος. Η πυκνότητα των γραμμών είναι αυξημένη μέσα στον πυρήνα της Γης. (Glatzmaier 2007, το αρχείο δεν προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα). Το μαγνητικό πεδίο της Γης δεν είναι σταθερό, αλλά μεταβάλλεται χρονικά. Οι μεταβολές του μαγνητικού πεδίου διαχωρίζονται σε αιώνιες και παροδικές. Οι αιώνιες μεταβολές είναι άγνωστης αιτίας. Επικρατεί ή άποψη ότι οι αιτίες αυτές σχετίζονται με μηχανικές τάσεις στο εσωτερικό της Γης ή με τη ροή της εσωτερικής θερμότητας. Οι μεταβολές αυτές επεκτείνονται σε μεγάλα τμήματα της Γης και διακρίνονται σε θετικές και αρνητικές. Κατά τη σύγχρονη εποχή, οι αρνητικές αιώνιες μεταβολές υπερτερούν των θετικών, ώστε η ένταση του γήινου μαγνητικού πεδίου να υφίσταται μείωση. Οι παροδικές μεταβολές διακρίνονται σε περιοδικές και μη περιοδικές. Οι περιοδικές μεταβολές είναι ομαλές διακυμάνσεις του γήινου μαγνητικού πεδίου, κανονικής μορφής και μικρού πλάτους, οι οποίες υποδεικνύουν σαφή εξάρτηση από τον Ήλιο. Διακρίνονται σε ημερήσιες, ετήσιες και 11ετούς περιόδου. Οι μη περιοδικές μεταβολές είναι διακυμάνσεις του γήινου πεδίου, λιγότερο κανονικής μορφής, αιφνίδιες και πολύ μικρής διάρκειας, ενώ είναι γνωστές ως μαγνητικές καταιγίδες. Στην Εφαρμοσμένη Γεωφυσική λαμβάνονται κυρίως υπ όψιν οι ημερήσιες μεταβολές και οι μαγνητικές καταιγίδες. Τα αποτελέσματά τους πρέπει να απαλείφονται κατάλληλα από τις μαγνητικές μετρήσεις, ώστε αυτές να είναι απαλλαγμένες από τις χρονικές μεταβολές Διεξαγωγή της γεωμαγνητικής έρευνας και ερμηνεία των αποτελεσμάτων Η διεξαγωγή της γεωμαγνητικής έρευνας συνίσταται στην εκτέλεση των μετρήσεων της έντασης της κατακόρυφης συνήθως συνιστώσας Ζ του γήινου μαγνητικού πεδίου, σε διάφορα σημεία της υπό έρευνα περιοχής. Τα σημεία των μετρήσεων διατάσσονται σε κανονικές αποστάσεις, κατά μήκος γραμμών ή προφίλ. Οι αποστάσεις μεταξύ των σημείων μέτρησης εξαρτώνται από τους σκοπούς της έρευνας. Για μεταλλευτικούς σκοπούς οι αποστάσεις κυμαίνονται συνήθως από 5 έως 30 μέτρα. Σε μια αναγνωριστική έρευνα, το πρώτο προφίλ διατάσσεται ούτως ώστε να διέρχεται πάνω από την πιθανή θέση του αναζητούμενου κοιτάσματος. Ένα δεύτερο προφίλ διενεργείται κάθετα προς το πρώτο και κυρίως στο σημείο του πρώτου προφίλ το οποίο παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ανωμαλία. Για πλέον λεπτομερή έρευνα, τα προφίλ διατάσσονται παράλληλα μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε τα σημεία μετρήσεων να αποτελούν κανονικό δίκτυ το οποίο να καλύπτει την προς έρευνα περιοχή. Κατά την έναρξη της έρευνας επιλέγεται ένα σημείο αναφοράς μακριά από την πιθανή θέση του κοιτάσματος και από πηγές τεχνητών διαταραχών όπως, παραδείγματος χάριν, ηλεκτρικές γραμμές, σιδηρόδρομοι κ.λπ. Το σημείο αυτό δύναται να βρίσκεται οπουδήποτε εντός ή εκτός της περιοχής, αλλά πάντοτε σε θέση όπου η τιμή της έντασης του

13 μαγνητικού πεδίου δεν έχει διαταραχθεί από την ύπαρξη μαγνητικού σώματος. Η τιμή της μαγνητικής έντασης Ζ στο σημείο αναφοράς αφαιρείται από τις τιμές Ζ στα επόμενα σημεία των μετρήσεων. Τα μαγνητικά αποτελέσματα απεικονίζονται είτε ως τομές συναρτήσει των διαφορών ΔΖ και της απόστασης των σημείων μέτρησης είτε, στην περίπτωση δικτύου, ως χάρτες μαγνητικών ανωμαλιών ΔΖ καμπυλών (Εικόνα 4.7). Εικόνα 4.7 Χάρτης μαγνητικών ανωμαλιών (Hkeyser 2014, το αρχείο δεν προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα). Από τη μορφή των τομών και των χαρτών είναι δυνατόν να εξαχθούν συμπεράσματα για την ύπαρξη στο υπέδαφος σώματος με διαφορετική μαγνητική επιδεκτικότητα ως προς το περιβάλλον του Εναέριες μαγνητικές έρευνες Στην περίπτωση της αναγνωριστικής γεωφυσικής έρευνας μεγάλων περιοχών με τη μαγνητική μέθοδο, εκτελούνται μετρήσεις κατά τη διάρκεια πτήσης με αεροπλάνο (Εικόνα 4.8) σε συγκεκριμένες γραμμές, καθοριζόμενες εκ των προτέρων.

14 Εικόνα 4.8 Μη επανδρωμένο αεροσκάφος για την εκτέλεση γεωφυσικής έρευνας μεγάλων περιοχών (JoeB , το αρχείο δεν προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα). Για να καταστεί δυνατή η χρήση των μετρήσεων αυτών πρέπει να είναι γνωστή, ανά πάσα στιγμή, η θέση και το ύψος του αεροπλάνου. Το ύψος πτήσης του αεροπλάνου κυμαίνεται μεταξύ 30 και 50 μέτρων ανάλογα με τις τοπικές συνθήκες και το αντικείμενο της έρευνας, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η ανίχνευση και η καταγραφή ακόμη και των πλέον ασθενών ανωμαλιών. Σε περιπτώσεις διασκόπησης περιοχών με εξαιρετικά ανώμαλη μορφολογία προτιμάται το ελικόπτερο (Εικόνα 4.9) έναντι του αεροπλάνου, διότι το πρώτο δύναται να διατηρήσει σταθερό σχεδόν ύψος κατά την πτήση, καθώς και ευθύγραμμη πορεία. Εικόνα 4.9 Ελικόπτερο εξοπλισμένο με συστοιχία μαγνητομέτρων για την εκτέλεση γεωφυσικής έρευνας μεγάλων περιοχών κινούμενο σε ύψος 2 m, με ταχύτητα km/h (JoeB , το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY 2.0). Τα κυριότερα πλεονεκτήματα των εναέριων μαγνητικών ερευνών είναι τα ακόλουθα:

15 Η ταχύτητα της εκτέλεσης των εναέριων μαγνητικών ερευνών είναι μεγάλη, δεδομένου ότι διεξάγονται με αεροπλάνο ή ελικόπτερο. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε απρόσιτες περιοχές, στις οποίες η επί του εδάφους εργασία είναι πολύ δύσκολη και ενίοτε αδύνατη. Στην περίπτωση της διασκόπησης μεγάλων εκτάσεων, το κόστος των ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο μετρήσεων μειώνεται σημαντικά, διότι τα γενικά έξοδα της μελέτης παραμένουν σχεδόν τα ίδια σε εκτάσεις πολλαπλάσιου μεγέθους. Η πιθανότητα διαταραχής του γήινου μαγνητικού πεδίου είναι μικρότερη. Αντιθέτως, η μέθοδος αυτή παρουσιάζει μικρότερη ακρίβεια στα αποτελέσματα σε σχέση με τις διασκοπήσεις που γίνονται στο έδαφος και δεν μπορεί να δώσει λεπτομερή αποτελέσματα, όπως, παραδείγματος χάριν, στην περίπτωση μεταλλευμάτων. Τέλος, το ελάχιστο κόστος της εναέριας μαγνητικής έρευνας είναι πολύ υψηλό. Συνεπώς, η χρησιμοποίηση των εναέριων μαγνητικών ερευνών δεν εφαρμόζεται σε περιοχές περιορισμένης έκτασης, όπως είναι συνήθως οι παραχωρήσεις μεταλλευτικών χώρων Ηλεκτρικές μέθοδοι Οι περισσότερες ηλεκτρικές μέθοδοι της Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής βασίζονται σε διαφορές επί της ηλεκτρικής αγωγιμότητας την οποία παρουσιάζουν τα πετρώματα του ανώτερου τμήματος του φλοιού της Γης, ανάλογα με το είδος και τη φυσική τους κατάσταση. Στα συμπαγή πετρώματα και στα ξηρά εδάφη η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι μηδενική, ενώ στα πορώδη πετρώματα και τα υγρά εδάφη αποκτά σημαντικές τιμές. Συνεπώς, η μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ή της ηλεκτρικής αντίστασης των πετρωμάτων, παρέχει υπό ορισμένες προϋποθέσεις τη δυνατότητα να εκτιμήσουμε τη σύσταση των στρωμάτων του υπεδάφους. Γενικά, η εφαρμογή των ηλεκτρικών μεθόδων περιορίζεται στην έρευνα γεωλογικών σωμάτων μικρού σχετικά βάθους, διότι η διαχωριστική ικανότητα των ηλεκτρικών μεθόδων ελαττώνεται αισθητά όσο μεγαλώνει το βάθος των προς διάκριση σχηματισμών. Οι ηλεκτρικές μέθοδοι διασκόπησης του εδάφους διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: (α) τις μεθόδους κατά τις οποίες χρησιμοποιούνται τα υφιστάμενα φυσικά ηλεκτρικά πεδία και (β) τις μεθόδους κατά τις οποίες δημιουργούνται τεχνητά ηλεκτρικά πεδία. Στην πρώτη κατηγορία, των φυσικών ηλεκτρικών πεδίων, υπάγεται η μέθοδος φυσικού δυναμικού και στη δεύτερη κατηγορία, των τεχνητών ηλεκτρικών πεδίων, υπάγονται οι μέθοδοι της επαγόμενης πολικότητας, της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, καθώς και η ηλεκτρομαγνητική μέθοδος Μέθοδος φυσικού δυναμικού Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε ηλεκτροχημικά φαινόμενα, τα οποία υπό ορισμένες συνθήκες λαμβάνουν χώρα μεταξύ θειούχων κυρίως ορυκτών και του περιβάλλοντός τους. Αποτέλεσμα αυτής της ηλεκτροχημικής δράσης είναι η ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού και η κίνηση ηλεκτρικών φορτίων από το ένα άκρο του μεταλλεύματος στο άλλο, διαμέσου του περιβάλλοντος πετρώματος αφενός και του ίδιου του μεταλλεύματος αφετέρου. Αυτό γίνεται αντιληπτό στην επιφάνεια του εδάφους από την ύπαρξη διαφοράς δυναμικού μεταξύ των διαφόρων σημείων της. Το σημείο το οποίο βρίσκεται πλησιέστερα προς το αρνητικά φορτισμένο άκρο του μεταλλεύματος θα έχει δυναμικό μεγαλύτερης αρνητικής τιμής από ένα άλλο σημείο της επιφάνειας που βρίσκεται μακρύτερα. Στην πράξη, με τη μέθοδο αυτή, προσδιορίζεται η διαφορά δυναμικού μεταξύ ενός σημείου που βρίσκεται σε σχετικά μεγάλη απόσταση από την πιθανή θέση του κοιτάσματος, το οποίο λαμβάνεται ως βάση, και άλλων σημείων της επιφάνειας, που βρίσκονται στον άξονα της ευθείας που διέρχεται πάνω από την πιθανή θέση του κοιτάσματος Μέθοδος της επαγόμενης πολικότητας Η μέθοδος της επαγομένης πολικότητας έχει ως κύριο πεδίο εφαρμογής την ανίχνευση θειούχου μεταλλοφορίας διάσπαρτου τύπου. Η εν λόγω μέθοδος βασίζεται στη διαπίστωση ότι κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος από πετρώματα τα οποία περιέχουν μεταλλικά ορυκτά παρουσιάζονται φαινόμενα πόλωσης επί της επιφάνειας των ορυκτών αυτών. Τα φαινόμενα αυτά θεωρούνται ανάλογα με τα φαινόμενα

16 πόλωσης, τα οποία παρατηρούνται στην επιφάνεια μεταλλικών ηλεκτροδίων ευρισκόμενων σε επαφή με ηλεκτρολύτη ή διηλεκτρικό, όταν από το σύστημα διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα. Η πλήρης ερμηνεία του φαινομένου περιπλέκεται εξαιτίας της διαπίστωσης ότι παρόμοια πόλωση παρατηρείται και στα αργιλικά ορυκτά. Σε κάθε περίπτωση, η παρουσία των φαινομένων πόλωσης στο υπέδαφος δύναται να προσδιοριστεί με τις κατάλληλες μετρήσεις στην επιφάνεια και να οδηγήσει στον εντοπισμό κοιτασμάτων θειούχου μεταλλοφορίας Μέθοδος ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης Η μέθοδος της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη και βασίζεται στην ύπαρξη διαφορών στην ηλεκτρική αγωγιμότητα των πετρωμάτων, εφαρμόζεται δε στους περισσότερους τομείς της γεωλογικής και μεταλλευτικής έρευνας (Εικόνα 4.10). Χρησιμοποιείται κατεξοχήν: στην Τεχνική Γεωλογία, κατά τη μελέτη φραγμάτων και μεγάλων τεχνικών έργων, για τον προσδιορισμό του βάθους και της μορφολογίας του στερεού υποβάθρου, έως και για τον εντοπισμό μεταπτώσεων και άλλων τεκτονικών ανωμαλιών. στην Υδρογεωλογία, για τη διερεύνηση της ανάπτυξης και τον προσδιορισμό του πάχους υπόγειων υδροφόρων στρωμάτων από κλαστικά υλικά έως και για τη διαπίστωση της διείσδυσης θαλάσσιου ύδατος σε παράκτιους σχηματισμούς. Εικόνα 4.10 Χάρτης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στην περιοχή της αρχαίας Αφροδισιάδας, ελληνορωμαϊκής πόλης στην περιοχή της Μικράς Ασίας. (Magnus Manske 2006, το αρχείο δεν προστατεύεται από πνευματικά δικαιώματα). Στη μεταλλευτική έρευνα, η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό ορισμένων κοιτασμάτων γύψου ή ορυκτού άλατος, για τη διερεύνηση λιγνιτοφόρων λεκανών, για τον προσδιορισμό του πάχους φερτών σχηματισμών, υπερκείμενων πετρωμάτων οικονομικού ενδιαφέροντος κ.λπ. Τα περισσότερα ορυκτά, κατεξοχήν τα κύρια πετρογενετικά ορυκτά, όπως, για παράδειγμα, ο χαλαζίας, ο ασβεστίτης, οι άστριοι, οι μαρμαρυγίες κ.λπ., είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Εξαίρεση αποτελούν τα θειούχα ορυκτά,

17 όπως ο σιδηροπυρίτης, ο γαληνίτης κ.λπ., ορισμένα οξείδια όπως ο μαγνητίτης, καθώς και ο γραφίτης, τα οποία έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία πλησιάζει εκείνη των μετάλλων. Τα πετρώματα, σε αντίθεση προς τα ορυκτά που τα συνιστούν, άγουν τον ηλεκτρισμό. Η αγωγιμότητα των πετρωμάτων οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη εντός των πόρων και των ρωγμών τους ύδατος, το οποίο περιέχει διαλυμένα άλατα. Κατά συνέπεια η αγωγιμότητα των πετρωμάτων είναι ηλεκτρολυτική. Το άμεσο αντικείμενο της γεωηλεκτρικής διασκόπησης με τη μέθοδο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης συνίσταται στον προσδιορισμό, με κατάλληλες μετρήσεις επί του εδάφους, της κατανομής της ειδικής αντίστασης στο υπέδαφος. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται με διοχέτευση ηλεκτρικού ρεύματος στο έδαφος και μέτρηση της επαγόμενης τάσης (Εικόνα 4.11). Από την κατανομή της τάσης δύναται, στη συνέχεια, να εξαχθούν συμπεράσματα για τη γεωλογική δομή της διερευνώμενης περιοχής. Εικόνα 4.11 Μια από τις πρώτες διατάξεις ηλεκτροδίων που χρησιμοποιήθηκαν από παλιά για τη μέτρηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης είναι η διάταξη Wenner (Spinningspark 2009, το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY-SA 3.0). Η μέθοδος της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης εφαρμόζεται με δύο τρόπους, ανάλογα με το προς επίλυση γεωλογικό πρόβλημα. Ο πρώτος τρόπος είναι η γεωηλεκτρική χαρτογράφηση, η οποία εφαρμόζεται προκειμένου να διερευνηθεί το υπέδαφος κατά την οριζόντια έννοια, δηλαδή να εντοπιστούν ασυνέχειες κατά την οριζόντια ανάπτυξη των σχηματισμών, όπως, για παράδειγμα, στην περίπτωση μεταπτώσεως. Ο δεύτερος τρόπος είναι η γεωηλεκτρική βυθοσκόπηση, η οποία εφαρμόζεται για τη διερεύνηση της αλλαγής της σύστασης του υπεδάφους με βάση το βάθος. Αυτός είναι και ο κύριος τρόπος εφαρμογής της μεθόδου ειδικής αντίστασης, δεδομένου ότι παρέχει τη δυνατότητα ποσοτικής ερμηνείας των αποτελεσμάτων των μετρήσεων. Η ερμηνεία των μετρήσεων του επαγόμενου δυναμικού και η σύνθεση χαρτών ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, όπως της Εικόνας 4.12, γίνεται μέσω της επίλυσης του αντίστροφου προβλήματος με τη βοήθεια μεθόδων αριθμητικής ανάλυσης.

18 Εικόνα 4.12 Δισδιάστατη απεικόνιση ηλεκτρικής τομογραφίας (Zondgeo 2013, το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY-SA 3.0) Ηλεκτρομαγνητική μέθοδος Οι ηλεκτρομαγνητικές ή επαγωγικές μέθοδοι διασκόπησης βασίζονται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και έχουν ως κύριο πεδίο εφαρμογής την αναζήτηση και τον εντοπισμό κοιτασμάτων μεταλλικών κυρίως ορυκτών, ευρισκόμενων εντός μη αγώγιμων πετρωμάτων. Σύμφωνα με τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, εάν εντός χρονικά μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου βρεθεί αγώγιμο σώμα, επάγονται εντός αυτού εναλλασσόμενα ρεύματα, των οποίων οι γραμμές ροής είναι κλειστοί βρόχοι, κάθετοι προς τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Τα ρεύματα αυτά δημιουργούν δευτερογενές μαγνητικό πεδίο και σε κάθε σημείο του χώρου το ολικό πεδίο ισούται με τη συνισταμένη του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος πεδίου. Το συνιστάμενο αυτό πεδίο διαφέρει από το πρωτεύον πεδίο ως προς την ένταση, τη φάση και τη διεύθυνση (Εικόνα 4.13). Εάν συνεπώς δημιουργήσουμε στο υπέδαφος ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, ένα τυχόν υπάρχον εντός του υπεδάφους αγώγιμο σώμα θα καταστεί πηγή δευτερογενούς μαγνητικού πεδίου, το οποίο θα επιφέρει τοπική παραμόρφωση στο πρωτεύον πεδίο. Η παραμόρφωση αυτή μπορεί να ανιχνευθεί με κατάλληλες μετρήσεις στην επιφάνεια και να οδηγήσει στον εντοπισμό του αγώγιμου σώματος.

19 Εικόνα 4.13 Μέθοδος ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Τα αναπτυσσόμενα ρεύματα επάγονται στο κοίτασμα από το πρωτογενές μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Στη συνέχεια, το δευτερογενές μαγνητικό πεδίο που εκπέμπεται από το κοίτασμα μετριέται από τον δέκτη στην επιφάνεια. Η δημιουργία του πρωτεύοντος μαγνητικού πεδίου στο υπέδαφος γίνεται επαγωγικά, με σύστημα μονωμένων αγωγών ή πηνίων, τα οποία διαρρέονται από εναλλασσόμενο ρεύμα. Οι τοπικές μεταβολές του πεδίου προσδιορίζονται από τις μεταβολές της τάσης, η οποία επάγεται από το πεδίο στο πηνίο, το οποίο μετακινείται στα διάφορα σημεία της περιοχής. Το σύστημα παραγωγής του πρωτεύοντος πεδίου χαρακτηρίζεται ως πομπός, ενώ το ανιχνευτικό πηνίο ως δέκτης Σεισμικές μέθοδοι Οι σεισμικές μέθοδοι διερεύνησης του υπεδάφους βασίζονται στην αρχή ότι τα ελαστικά κύματα τα οποία δημιουργούνται τεχνητά, παραδείγματος χάριν με την έναυση εκρηκτικής ύλης ή με κρούσεις στο έδαφος, κινούνται μέσα στο υπέδαφος με ταχύτητα η οποία εξαρτάται από την πυκνότητα των ελαστικών ιδιοτήτων των πετρωμάτων. Τα ελαστικά αυτά κύματα, τα οποία καλούνται και τεχνητά σεισμικά κύματα, έχοντας διαφορετική ταχύτητα διάδοσης στα διάφορα πετρώματα, υφίστανται κατά την πτώση τους στις διαχωριστικές επιφάνειες αυτών ανάκλαση ή διάθλαση (Εικόνα 4.14).

20 Εικόνα 4.14 Ένα διαμήκες κύμα (PP i ), που διαδίδεται μέσω ενός υλικού πυκνότητας ρ 1, ταχύτητας διαμήκων κυμάτων V p1 και ταχύτητας εγκάρσιων κυμάτων V s1, προσπίπτει στη διεπιφάνεια με ένα υλικό πυκνότητας ρ 2, ταχύτητας διαμήκων κυμάτων V p2 και ταχύτητας εγκάρσιων κυμάτων V s2, με γωνία θ 1. Από την πρόσπτωση προκύπτουν ανακλώμενα εγκάρσια και διαμήκη κύματα (PP r και PS r αντίστοιχα), καθώς και διαθλώμενα εγκάρσια και διαμήκη κύματα (PP t και PS t αντίστοιχα) (Nwhit 2012, το αρχείο διατίθεται με άδεια CC BY-SA 3.0). Τα ανακλώμενα κύματα και, υπό ορισμένες συνθήκες, τα διαθλώμενα επιστρέφουν έπειτα από κάποιο χρονικό διάστημα στην επιφάνεια του εδάφους. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται από τη διανυόμενη απόσταση από το σημείο της έκρηξης, από την ταχύτητα του κύματος, δηλαδή από το είδος του πετρώματος και από το βάθος των επιφανειών ασυνέχειας επί των οποίων έγινε η ανάκλαση ή διάθλαση του κύματος. Είναι επομένως δυνατόν, από τις μετρήσεις του χρόνου άφιξης του ελαστικού κύματος στα διάφορα σημεία της επιφάνειας μιας περιοχής και κατά συνέπεια από την ταχύτητα μετάδοσής του, να συναχθούν συμπεράσματα για τη γεωλογική δομή του υπεδάφους. Για τη σεισμική διασκόπηση του υπεδάφους αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι: Η μέθοδος διάθλασης και η μέθοδος ανάκλασης. Στην πρώτη μέθοδο χρησιμοποιούνται οι χρόνοι άφιξης σεισμικών κυμάτων που προέρχονται από διάθλαση, ενώ στη δεύτερη οι χρόνοι άφιξης των ανακλώμενων κυμάτων. Για την καταγραφή των τεχνητών σεισμικών κυμάτων χρησιμοποιούνται ειδικές φορητές ηλεκτρικές συσκευές, οι οποίες καλούνται σεισμογράφοι. Οι συσκευές αυτές περιλαμβάνουν τέσσερις βασικές διατάξεις, δηλαδή τις διατάξεις γεωφώνων, ενίσχυσης, καταγραφής και πυροδότησης Ελαστικά κύματα στη σεισμική διασκόπηση Τα τεχνητά σεισμικά κύματα διαδίδονται εντός του υπεδάφους όπως και τα φυσικά σεισμικά κύματα. Διαφέρουν μόνο ως προς την περίοδο κύμανσης, η οποία στα τεχνητά κύματα είναι συνήθως μικρότερη του 0,1 sec, ενώ στα φυσικά κύματα είναι πολύ μεγαλύτερη, συνήθως άνω του δευτερολέπτου και ενίοτε φθάνει το 1 min. Τα παραγόμενα κατά την έκρηξη ελαστικά κύματα διακρίνονται κυρίως σε επιμήκη και εγκάρσια. Στα πρώτα η δόνηση των μορίων του μέσου γίνεται κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, ενώ στα δεύτερα κάθετα προς αυτή. Η ταχύτητα των επιμηκών κυμάτων είναι μεγαλύτερη εκείνης των εγκαρσίων. Επειδή στη σεισμική διασκόπηση μετριέται ο χρόνος της «πρώτης άφιξης» του διαθλασθέντος ή ανακλασθέντος κύματος σε κάθε επιφάνεια ασυνέχειας, είναι προφανές ότι ο χρόνος αυτός αφορά τα ταχύτερα κύματα, δηλαδή τα επιμήκη. Η ταχύτητα διάδοσης των ελαστικών κυμάτων εντός των διάφορων σχηματισμών ποικίλλει μεταξύ ευρύτατων ορίων. Αυτή εξαρτάται από τις ελαστικές σταθερές, το βάθος, τη στρώση και τη γεωλογική ηλικία του μέσου μετάδοσης. Στα εκρηξιγενή και κυρίως στα πυκνότερα πετρώματα, η ταχύτητα των ελαστικών κυμάτων είναι σχετικά μεγαλύτερη. Στα ιζηματογενή πετρώματα η ταχύτητα αυξάνει συνήθως με το βάθος και τη γεωλογική