geomagnetic field (geophysics) - Measurement of the field -- Britannica Online Encyclopedia.FLV

Transcript

1 Μαγνητικές Μέθοδοι Οι πρώτες παρατηρήσεις για το γήινο μαγνητικό πεδίο έγιναν το 1600 από τον SirWilliamGilbert. Ο Gilbert έδειξε στην εργασία του DeMagnetότι το αίτιο που η μαγνητική βελόνα μιας πυξίδας δείχνει τον Βορρά είναι γιατί η Γή συμπεριφέρεται σαν ένας μεγάλος μαγνήτης. Αργότερα στα μέσα του 19ου αιώνα ο Carl FriedrichGaussεπιβεβαίωσε τις παρατηρήσεις του Gilbertαποδεικνύοντας ότι το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια της Γής δεν μπορεί να οφείλεται σε μαγνητικά αιτία (πηγές) που βρίσκονται στο εξωτερικό της Γης άλλα στο εσωτερικό της.

2 Το μαγνητικό πεδίο της Γής δημιουργείτε από ηλεκτρικά ρεύματα στον υγρό εξωτερικό πυρήνα. Στην πράξη μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το μαγνητικό πεδίο της Γής είναι ισοδύναμο με αυτό που θα προκαλείτο αν υπήρχε ένας μαγνήτη στον πυρήνα της geomagnetic field (geophysics) - Measurement of the field -- Britannica Online Encyclopedia.FLV

3 Η μαγνητική γεωφυσική μέθοδος, ερευνά τις υπεδαφικέςδομές αξιοποιώντας ανωμαλίες στο μαγνητικό πεδίο της Γης που οφείλονται στις διαφορετικές μαγνητικές ιδιότητες των γεωλογικών υλικών. Η χρήση των μαγνητικών μεθόδων είναι αρκετά διαδεδομένη καθώς είναι οικονομικές και γρήγορες στην εφαρμογή τους, εφαρμόζονται σε ξηρά, θάλασσα και από αέρος ενώ επίσης βρίσουν εφαρμογή τόσο σε μικρή τοπική κλίμακα (γεωτεχνικές ή αρχαιολογικές μελέτες) όσο και σε μεγάλη (αερομαγνητικάγια αρχικό εντοπισμό μεγάλων κοιτασμάτων Βασικές Αρχές Σύμφωνα με το νόμο που διατυπώθηκε τον 18ο αιώνα από τον Γάλλο Φυσικό Coulomb, η δύναμη έλξης ή άπωσης που ασκείται μεταξύ δύο φορτισμένων σωμάτων ή μεταξύ μαγνητικών πόλων ακολουθεί και αυτή ένα νόμο που την σχετίζει με το αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης παρόμοιο με τον νόμο της βαρύτητας που είχε διατυπωθεί από των Νεύτωνα.

4 Η δύναμη F, αν P1και P2έχουν το ίδιο πρόσημο είναι δύναμη άπωσης ενώ αν έχουν αντίθετο πρόσημο είναι ελκτική δύναμη. Κάθε ποσότητα μπορεί να είναι είτε Βόρεια (θετική) είτε Νότια (αρνητική). Οι τιμές της δύναμης στο διεθνές σύστημα (SI) δίνονται σε Νtη απόσταση σε μέτρα (m), ενώ οι ποσότητες μαγνητισμού σε Amp.m. Έτσι δυο πόλοι με αντίθετο πρόσημο σε απόσταση 1 m και φορτίο 1 Ampm, έκαστος ασκεί ελκτική δύναμη ίση με 1 Nt. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου Η, σε ένα ορισμένο σημείο είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το οποίο ορίζεται ως Η ένταση του μαγνητικού πεδίου Η, ορίζεται ως η δύναμη που ασκείται από ένα μονόπολοσε μοναδιαίο πόλο, αν και στην φύση δεν έχουν εντοπιστεί μαγνητικά μονόπολα. Η μαγνητική ένταση μετράται σε Τέσλα(Τ)=Νt/Amp.m(προς τιμή του Νίκολα Τέσλα), αν και για της μετρήσεις των μαγνητικών ανωμαλιών των πετρωμάτων που έχουν πολύ μικρές τιμές χρησιμοποιείται συνηθέστερα το νανοτεσλα (nτ). Η μέση ένταση του γήινου μαγνητικού πεδίου είναι περίπου nt και μεταβάλλεται με το γεωγραφικό πλάτος.

5 Οι μαγνήτες έχουν δύο πόλους με διαφορετική πολικότητα και ονομάζονται μαγνητικά δίπολα. Ακόμα και όταν διαχωριστούν σε περισσότερα τμήματα κάθε τμήμα θα έχει πάλι δυο πόλους διαφορετικής πολικότητας όσες φορές και αν επαναληφθεί ο τεμαχισμός του. Έτσι η μαγνητική ροπήενός δίπολου με ποσότητες μαγνητισμού σε κάθε πόλο +P και P που απέχουν απόσταση l δίνεται από την σχέση Και έχει μονάδες Ampm2 Εάν ένα σώμα βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο είναι δυνατόν, ανάλογα με το υλικό που αποτελείται να μαγνητιστεί στην διεύθυνση του πεδίου, ιδιότητα η οποία χάνεται όταν το πεδίο πάψει να ασκείται. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται επαγόμενος μαγνητισμός ή μαγνητική πόλωση ή μαγνητική επαγωγή (inducedmagnetization) και προκαλείται από την ευθυγράμμιση των στοιχειωδών δίπολων του υλικού ως προς το ασκούμενο πεδίο που ακολουθούν την διεύθυνση του πεδίου.

6 η επαγόμενη μαγνήτιση ενός σώματος με διατομή Α και μήκος L ορίζεται ως η μαγνητική ροπή των δίπολων ανά μονάδα όγκο Που εκφράζεται σε Αmp/m. Η επαγόμενη μαγνήτιση είναι ανάλογη της μαγνητικής έντασης (H) του εφαρμοζόμενου πεδίου μέσω της μαγνητικής επιδεκτικότητας(magneticsusceptibility, k) η οποία εξαρτάται από το υλικό και είναι αδιάστατο μέγεθος Η μαγνητική επιδεκτικότητασυνδέεται με την μαγνητική διαπερατότητα μ μέσω της σχέσης Θα πρέπει όμως να σημειωθεί πως η μαγνητική επιδεκτικότητα παρουσιάζει μεγάλο εύρος τιμώνγια πετρώματα του ιδίου είδους και για διαφορετικά πετρώματα υπάρχει σημαντική επικάλυψη των τιμών τους. Γι αυτό η γνώση της μαγνητικής επιδεκτικότητα

7 Λόγω της επαγόμενης μαγνήτισης αν ένα σώμα τοποθετηθεί εντός μαγνητικού πεδίου το συνολικό μαγνητικό πεδίο ή μαγνητική επαγωγή (Β) θα είναι το άθροισμα του μαγνητικού πεδίου και της επαγόμενης μαγνήτισης Η μαγνητική επαγωγή είναι η μετρούμενη ποσότητα που αξιοποιείται στην ερμηνεία των γεωμαγνητικών μεθόδων. Μετράται σε ΝανοΤέσλα(nT) στο διεθνές σύστημα άλλα χρησιμοποιείται και η μονάδα 1 γάμμα(γ) =10-5 Gaussπου προέρχεται από το ηλεκτρομαγνητικό σύστημα. Ισχύει ότι 1nT=1 γ

8 Μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γής Το μαγνητικό πεδίο παρουσιάζει μεταβολές με την πάροδο του χρόνου. Οι μεταβολές αυτές όπως έχουν παρατηρηθεί στην διάρκεια της ανθρώπινης ιστορίας διαχωριζονται σε τρείς κατηγορίες Αιώνιες μεταβολές (Secular variation). Κανονικές / Ημερήσιες μεταβολές (DiurnalVariations). Μαγνητικές καταιγίδες (magnetic storms). Αιώνιες μεταβολές (Secularvariation). Πιστεύεται ότι προκαλούνται από τις αργές σταδιακές μεταβολές στην κυκλοφορία των ρευμάτων μέσα στον πυρήνα με τον χρόνο που προκαλεί την αντίστοιχη αργή σταδιακή μεταβολή των χαρακτηριστικών των μαγνητικών στοιχείων του πεδίου

9 Κανονικές / Ημερήσιες μεταβολές (DiurnalVariations). Είναι μεταβολές που συμβαίνουν κατά την διάρκεια της ημέρας και σχετίζονται με αλλαγές στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Οφείλονται στις αλλαγές των ηλεκτρικών ρευμάτων της ανώτερης ατμόσφαιρας και ιονόσφαιρας από αλλαγές στην ηλιακή δραστηριότητα. Αυτές μπορεί να είναι της τάξης των ntτην ημέρα Μαγνητικές καταιγίδες (magneticstorms) είναι απρόβλεπτες μεταβολές που συμβαίνουν περιστασιακά και οφείλονται σε έντονη μαγνητική δραστηριότητα στην ιονόσφαιρα. Η εμφάνιση τους σχετίζεται με την δραστηριότητα των ηλιακών κηλίδων και έτσι είναι δυνατόν να προβλεφθούν πριν τις μετρήσεις Οι εντονότερες καταιγίδες διαρκούν μέρες και είναι παγκόσμιες. Το γεγονός ότι οι μαγνητικές καταιγίδες έχουν μεγάλα μεγέθη (έως και 1000 nτ) και μεταβάλλονται έντονα στον χώρο και το χρόνο καθιστά πολύ δύσκολη την διόρθωση της επίδρασης τους και απαγορευτική την διεξαγωγή γεωμαγνητικών μετρήσεων κατά την διάρκεια τους.

10 Στοιχεία του μαγνητικού πεδίου της Γής Σε κάθε σημείο της Γής ασκείται μαγνητική ένταση σε συγκεκριμένη διεύθυνση κατά ένα διάνυσμα F Θεωρώντας τρισορθογώνιοσύστημα αξόνων με διεύθυνση Χ την διεύθυνση του γεωγραφικού Βορρά Νότου,Υ την διεύθυνση της γεωγραφικής Ανατολής -Δύσης και Ζ την κατακόρυφη διεύθυνση, το διάνυσμα F μπορεί να αναλυθεί σε μία οριζόντια συνιστώσα (H) και σε μία κατακόρυφη Z. Το κατακόρυφο επίπεδο που διέρχεται από το Ο και περιλαμβάνει τους άξονες Χ και Ζ ονομάζεται γεωγραφικός μεσημβρινός ενώ το αντίστοιχο κατακόρυφο επίπεδο που πουδιέρχεται από το Ο και περιλαμβάνει τους άξονες Η και Ζ ονομάζεται μαγνητκός μεσημβρινός. Μαγνητική απόκλιση D (Declination) την γωνία μεταξύ του βορρά και της οριζόντιας συνιστώσας Η. Η τιμές που παίρνει κυμαίνονται από και είναι θετικές προς τα ανατολικά Μαγνητική έγκλιση I (Inclination) την γωνία μεταξύ της επιφάνειας και του διανύσματος F. Η τιμές που λαμβάνει κυμαίνονται από -90 έως 90 και είναι θετικές όταν το διάνυσμα F έχει φορά προς τα κάτω

11 Μαγνητικός Ισημερινός (magneticequator) ορίζεται από τις θέσεις γύρω από την επιφάνεια της Γής όπου το μαγνητικό πεδίο έχει έγκλιση 0 (το διάνυσμα F είναι οριζόντιο). Ο Μαγνητικός Ισημερινός δεν είναι ο ίδιος με τον Γεωγραφικό Ισημερινό. Μαγνητικός Πόλοι (magneticpoles) οι θέσεις γύρω από την επιφάνεια της Γής όπου το μαγνητικό πεδίο έχει έγκλιση +ή 90ο (το διάνυσμα F είναι κατακόρυφο). Οι Μαγνητικοί Πόλοι αντίστοιχα με τον Ισημερινό δεν είναι οι ίδιοιμε τους Γεωγραφικούς Πόλους. Χάρτης μαγνητικών αποκλίσεων για μοντέλο μαγνητιοκούπεδίου

12 Οι τιμές F, H, X,Y,Z,I,D ονομάζονται γεωμαγνητικά στοιχεία και συνδέονται μεταξύ τους με απλές μαθηματικές σχέσεις Για παράδειγμα στις 30 Νοεμβρίου 2001 τα μαγνητικά στοιχεία Z, H, D στο σταθμό της Πεντέλης ήταν Ζ=30,37077 nt, Η=26366 nτ και D=3ο 06 ανατολικά. Μετρούμενα μεγέθη Γεωμαγνητικών ερευνών Στις γεωμαγνητική διασκόπησηενδιαφέρει ο εντοπισμός μαγνητικών ανωμαλιών, δηλαδή οι διανυσματικές διαφορές μεταξύ της μαγνητικής επαγωγής που οφείλεται στην μαγνήτιση των πετρωμάτων σε σχέση με την μαγνητική επαγωγή των περιβαλλόντων πετρωμάτων Η μαγνητική ανωμαλία εξαρτάται από την διαφορά μαγνήτισης και γι αυτό μεταβάλλεται από περιοχή σε περιοχή λόγω διαφοροποίησης των στοιχείων του μαγνητικού πεδίου της Γής. Έτσι η μεταβολή του σχήματος και του πλάτους της μαγνητικής ανωμαλίας εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος. Γεωμαγνητικές ανωμαλίες της ολικής έντασης, θεωρώντας ένα δίπολο ως πηγή για διαφορετικά βόρεια γεωγραφικά πλάτη (0, 15, 30, 45,60, 75 και 90ο )

13 Εξοπλισμός μέτρησης Στις πρώτες γεωμαγνητικές έρευνες τα όργανα καταγραφής που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα μαγνητικά βαριόμετρα όπως το μαγνητόμετρο τύπου Schmidtκαι το μαγνητόμετρο στρέψης(torsionmagnetometer). Αυτή η κατηγορία οργάνων βασιζόταν στην αιώρηση ενός μαγνήτη στο πεδίο της Γης απαιτώντας ακριβή τοποθέτηση ως προς το επίπεδο και σταθερή βάση μέτρησης. Σήμερα αυτή η κατηγορία οργάνων δεν χρησιμοποιείται πλέον και έχει αντικατασταθεί από πιο σύγχρονα όργανα. Τα μαγνητόμετρα μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες τα μαγνητόμετρα απολύτου τιμής που μετρούν μόνο την συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου και τα μαγνητόμετρα που μπορούν να μετρήσουν τις συνιστώσες του μαγνητικού πεδίου ως προς συγκεκριμένες διευθύνσεις.

14 Μαγνητόμετρο ρυθμιζόμενης μαγνητικής ροής (fluxgate magnetometer) Χρησιμοποιήθηκε κατά τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο για τον εντοπισμό υποβρυχίων από αέρος. Αποτελείται από δύο παράλληλους πυρήνες (ράβδους φτιαγμένες από σιδηρομαγνητικόυλικό υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας). Γύρω από αυτούς περιτυλίσσονται πρωτεύοντα πηνία και δευτερεύοντα πηνία με αντίθετη φορά Από τα πρωτεύοντα πηνία διέρχεται εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας από Hz, το οποίο δημιουργεί εναλλασσόμενομαγνητικό πεδίο. Καθώς τα δύο πηνία έχουν αντίθετη φορά, εάν δεν υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η τάση που αναπτύσσουν έχει ίδιο μέτρο και αντίθετο πρόσημο ώστε η συνολική τάση που παράγεται να είναι μηδέν. Στην περίπτωση που υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, (π.χσυνιστώσα του μαγνητικού πεδίου της Γης παράλληλη στον άξονα των σιδηρομαγνητικώνπηνίων του οργάνου) τότε το επαγόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα στα δευτερεύοντα πηνία είναι εκτός φάσης. Έτσιτο συνολικό ρεύμα παύει να είναι μηδέν αλλά αποτελείται από μια σειρά παλμών με πλάτος ανάλογο της έντασης της συνιστώσας του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου Το μαγνητόμετρο ρυθμιζόμενης μαγνητικής ροής έχει το πλεονέκτημα ότι είναι συνεχούς καταγραφής μετρήσεων κάτι που είναι πολύ χρήσιμο σε εναέριες μετρήσεις. ένα μειονέκτημα είναι η ευαισθησία στις μεταβολές της θερμοκρασίας και ενδέχεται να χρειάζεται διόρθωση των μετρήσεων

15 Πρωτονιακόμαγνητόμετρο Ο πιο διαδεδομένος τύπος οργάνου για την μέτρηση toyμαγνητικού πεδίου τόσο στις γεωφυσικές έρευνες άλλα και σε μετρήσεις παρατηρητηρίων του γεωμαγνητικού πεδίου είναι το πρωτονιακόή πυρηνικό μαγνητόμετρο(proton magnetometer). Η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στο φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (nuclear magnetic resonance). Συμφωναμε αυτό οι πυρήνες στοιχείων που έχουν μαγνητική ροπή προσανατολίζονται με ισχυρό μαγνητικό πεδίο όταν βρεθούν σε αυτό, αλλά όταν αυτό πάψει να ασκείται μεταπίπτουν στην διεύθυνση έντασης Η του μαγνητικού πεδίου της Γής. Η διαδικασία αυτή γίνεται με συχνότητα f, που δίνεται από τον τύπο: Όπου γe=μ*/g, ο γυρομαγνητικόςλόγος της μαγνητικής ροπής M* ως προς την στροφορμήτου πυρήνα G.

16 Αρχή λειτουργίας πρωτονιακούμαγνητομέτρου. (a) δοχείο με υγρό πλούσιο σε πυρήνες υδρογόνου (κηροζίνη ή νερό) και εξωτερικό πηνίο, (b) Οι πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια) είναι ευθυγραμμισμένοι με το Γήινο μαγνητικό πεδίο δρώντας σαν δίπολα. (c) Με την δημιουργία μαγνητικού πεδίου οι πυρήνες υδρογόνου ευθυγραμμίζονται στην νέα διεύθυνση. (d) Μετά την διακοπή του ρεύματος στο πηνίο τα πρωτόνια επιστρέφουν στην αρχική τους διεύθυνση Μαγνητόμετρο Αλκαλικών ατμών Είναι γνωστά και ως μαγνητόμετρα οπτικής απορρόφησης. Βασίζονται στο φαινόμενο οπτικής άντλησης (opticalpumping). Αποτελούνται από ένα γυάλινο δοχείο που περιέχει αλκαλικό μέταλλο (π.χκαισιο, Ρουβίδιο ή Κάλιο) που έχει εξατμιστεί σε αέρια κατάσταση ή σε κάποιες περιπτώσεις Ήλιο. Τα όργανα αυτά έχουν πολύ καλή ακρίβεια στις μετρήσεις που μπορεί να φτάνουν το ±0.01nT.

17 Πρόκειται για διαφορικά μαγνητόμετρα τα οποία αποτελούνται από ένα ζεύγος αισθητήρων τοποθετημένα σε σταθερή απόσταση μεταξύ τους. Ένα από τα πλεονεκτήματα είναι ότι λόγω της ταυτόχρονης λήψης των μετρήσεων σε μικρή απόσταση δεν απαιτούνται διορθώσεις των δεδομένων για τις μεταβολλεςτου Γεωμαγνητικού πεδίου.

18 Λήψη Δεδομένων Οι γεωμαγνητικές έρευνες πραγματοποιούνται λαμβάνοντας σημειακά μετρήσειςσε μια σειρά θέσεων που βρίσκονται σε κανονικές ισαποστάσειςείτε σε γραμμές (προφίλ) είτε σε κάναβο. Η απόστασηκαι οι διαστάσεις (γραμμών και/ή κανάβου) εξαρτάται από τον στόχοπου πρέπει να χαρτογραφηθεί. Οι μικρότεροι στόχοι απαιτούν πυκνωσηστις θέσεις μετρήσεων. Επειδή τα σύγχρονα μαγνητόμετρα είναι πολύ ευαίσθητα κατά την διάρκεια των μετρήσεων το άτομο που χειρίζεται το μαγνητόμετρο πρέπει να απομακρύνει πάνω τα κάθε μεταλλικό αντικείμενο (αγκράφες ζωνών, γυαλιά με μεταλλικό σκελετό κ.ο.κ). Για το λόγο αυτό οι αισθητήρες των μαγνητομέτρων τοποθετούνται σε κοντάρια μήκους περίπου 2 m ώστε να απομακρυνθεί από πιθανές πηγές θορύβου.

19

20 Διορθώσεις Προκειμένου να γίνει σωστή ερμηνεία των αποτελεσμάτων τα δεδομένα που καταγράφονται θα πρέπει να διορθωθούν από τις μαγνητικές μεταβολές οι οποίες οφείλονται σε διαφορά άλλα αίτια εκτός των μαγνητικών ιδιοτήτων των γεωλογικών σχηματισμών Η στρατηγική που συνήθως ακολουθείται για την αφαίρεση αυτής της μεταβλητότητας από τα δεδομένα είναι να χρησιμοποιείται ένα επιπλέον μαγνητόμετρο βάσης που καταγράφει το μαγνητικό πεδίο καθ όλη την διάρκεια των μετρήσεων. Έτσι κατά την διάρκεια λήψης των μετρήσεων εκτός από την τιμή μέτρησης καταγράφεται η θέση μέτρησης (xi) και ο χρόνος λήψης (ti). Επομένως η διορθωμένη τιμή παρέχεται από την σχέση

21 Άμεση ερμηνεία Η κύρια παράμετρος που μπορεί να εξαχθεί είναι η εκτίμηση βάθους του αιτίου της ανωμαλίας. Ένας απλός τρόπος προσδιορισμού του βάθους μέχρι το μαγνητικό σώμα αλλά προσεγγιστικός είναι και η μέθοδος ημι-κλίσεως του Peter. Σύμφωνα με αυτή στο διάγραμμα της μαγνητικής ανωμαλίας εντοπίζουμε την μέγιστη κλίση και φέρουμε ευθεία γραμμή (γραμμή κλίσης, 1) προεκτείνοντας την στην κορυφή της αλλά και προς τα κάτω μέχρι τον οριζόντιο άξονα. Στην συνέχεια από την κορυφή της μέγιστης κλίσης φέρουμε κάθετη γραμμή (2) η οποία φτάνει μέχρι τον οριζόντιο άξονα. Επόμενο βήμα είναι η χάραξη της γραμμής ημικλίσεως που συνδέει το μέσο της κάθετης γραμμήςμε την τομή της γραμμής 1 με τον οριζόντιο άξονα. Παράλληλαπρος την γραμμή 2 χαράσσονται δυο εφαπτόμενες γραμμέςστο διάγραμμα των μετρήσεων (γραμμές 3 και 4). Από τα σημεία επαφής των 3 και 4 χαράσσονται κάθετες προς τον οριζόντιο άξονα.η απόσταση τους ονομάζεται d και εκφράζεται σε μονάδες μήκους.

22 Το αείναι η γωνία που ορίζεται από την διεύθυνση της μαγνητικής ανωμαλίας/γραμμής και του πραγματικού βορρά. Το n είναι ένας συντελεστής αναλογίας (proportionalityfactor) που μπορεί να πάρει τιμές από 1,2 (π.χκονσέρβα) μέχρι 2 (π.χαυτοκίνητο). Δεν υπάρχει τύπος που να ορίζει την ακριβή τιμή του, και ο καθορισμός της γίνεται εμπειρικά. Μια συνήθης μέση τιμή που χρησιμοποιείται είναι n=1.6.

23

24

25

26

27

28

29

30 ecw0

31 Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ ΓΕΩΦΥΣΙΚΩΝ ΔΙΑΓΡΑΦΕΙΩΝ Η μέθοδος των γεωφυσικών διαγραφιών (geophysicalwelllogging) συνίσταται στην εφαρμογή διαφόρων γεωφυσικών μεθόδων εντός μίας γεώτρησης. Πρωτοεισήχθηκεστην γεωφυσική έρευνα από τους αδελφούς Schlumbergerτο 1930 στην Γαλλία με την εκπόνηση μετρήσεων ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης και φυσικού δυναμικού

32 Οι κυριότερες στατικές μέθοδοι είναι - Η μέθοδος του φυσικού δυναμικού (SP logging) - Η μέθοδος Caliper - Hμέθοδοςμέτρησης της ταχύτητας των ρευστών (flowmeterlog) - Η μέθοδος μέτρησης της θερμοκρασίας(tlog) Οι κυριότερες δυναμικές μέθοδοι είναι - Η μέθοδος μέτρησης της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (resistivitylog) - Η μέθοδος gamma-gamma - Η μέθοδος Neutron-Gamma

33 Το περιβάλλον γύρω από την γεώτρηση

34 Γεωφυσικές διαγραφίες Calliper Η τεχνική αυτή καταγράφει την μεταβολή της διαμέτρου μίας γεώτρησης καθ όλο το μήκος της. Οι αλλαγές στη διάμετρο μίας γεώτρησης σχετίζονται με διάφορες ιδιότητες των περιβαλλόντων την γεώτρηση σχηματισμών όπως, το πορώδες, την ύπαρξη ζωνών ρηγμάτωσηςκ.λ.π. Γεωφυσικές διαγραφίες φυσικού δυναμικού Η τεχνική αυτή είναι γνωστή και σαν SelfPotential(SP) loggingκαι συνίσταται στην συνεχή καταγραφή των μεταβολών του φυσικού δυναμικού κατά μήκος μίας γεώτρησης. Συνήθως καταγράφεται η διαφορά δυναμικού μεταξύ του κινούμενου μέσα στην γεώτρηση ηλεκτροδίου σε σχέση με ένα ηλεκτρόδιο στην επιφάνεια

35 Σε γενικές γραμμές μπορούμε να προσομοιώσουμε το φαινόμενο σαν την τάση που παράγει ένα ηλεκτρικό στοιχείο (μπαταρία) και το μετρούμενο δυναμικό E(mV) δύναται να προσεγγιστεί από την ακόλουθη σχέση όπου aw= αλατότητα του νερού στο πορώδες amf= αλατότητατου ρευστού της γεώτρησης Οι όποιες μεταβολές του μετρούμενου φυσικού δυναμικού μετρώνται σχετικά με μία γραμμή αναφοράς η οποία ονομάζεται γραμμή αργίλου ή γραμμή σχιστόλιθου /σχιστής αργίλου (clayline, shaleline). Η γραμμή αυτή υποδηλώνει το μετρούμενο φυσικό δυναμικό στην περιοχή που το ηλεκτρόδιο μέτρησης ευρίσκεται μπροστά από αδιαπέρατουςσχηματισμούς (ελάχιστη υδραυλική αγωγιμότητα) όπως οι άργιλοι και οι σχιστόλιθοι.

36 Διαγραφίες επαγομένης πόλωσης Η οβίδα η οποία κατεβαίνει μέσα στη γεώτρηση περιέχει ένα πηνίο εκπομπής το οποίο επάγει στους περιβάλλοντες σχηματισμούς ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα υψηλής συχνότητας (20-40 KHz). Στη συνέχεια διακόπτουμε την παροχή ρεύματος στο πηνίο εκπομπής και καταγράφουμε τη μεταβολή τάσης σε ένα δεύτερο πηνίο Το πλάτος των καταγραφόμενων τάσεων είναι ανάλογο της ηλεκτρικής Το πλάτος των καταγραφόμενων τάσεων είναι ανάλογο της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των πετρωμάτων.

37 Στο Σχήμα συγκρίνεται μία κανονική διαγραφίαειδικής αντίστασης 16 με μια διαγραφίαip η οποία έγινε πριναπό την σωλήνωση μίας γεώτρησης και με την αντίστοιχη διαγραφίαip μετάτην σωλήνωση. Παρατηρούμε ότι η επίδρασης της σωλήνωσης στις μετρήσεις είναι αμελητέα. Γεωφυσικές διαγραφίες ταχύτητας ροής Η τεχνική αυτή καταγράφει τη μεταβολή της ταχύτητας των ρευστών μέσα σε μία γεώτρηση, συνήθως καθ όλο το μήκος του άξονά της. Αν γνωρίζουμε την ταχύτητα ροής και την διάμετρο για διάφορα βάθη (χρησιμοποιώντας τον calliperlog) μπορούμε να υπολογίσουμε τους ρυθμούς ροής (fluidrates). Οι διαγραφίες ταχύτητας ροής γίνονται τόσο σε περιόδους ησυχίας (μη άντλησης) όσο και σε περιόδους άντλησης

38 Διαγραφίες ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης Διάταξη δύο ηλεκτροδίων Είναι γνωστή και ως κανονική διαγραφίαειδικής αντίστασης. Χρησιμοποιεί μία διάταξη τεσσάρων ηλεκτροδίων επί των οποίων τα δύο (ένα δυναμικού και ένα ρεύματος) ευρίσκονται στην επιφάνεια ενώ τα αντίστοιχα άλλα δύο διατρέχουν τη γεώτρηση

39 Η διαγραφίαειδικής αντίστασης είναι συμμετρική σε σχέση με τα γεωλογικά στρώματα και στην περίπτωση του κοντού αναπτύγματος (16 ) έχουμε πολύ καλό διαχωρισμό των λεπτών στρωμάτων, υπάρχει όμως το μειονέκτημα της επίδρασης της ζώνης εισβολής. Στην περίπτωση του μακριού αναπτύγματος (64 ) έχουμε μεγαλύτερο βάθος έρευνας και η επίδραση της ζώνης εισβολής είναι αμελητέα. Στην περίπτωση αυτή όμως περιορίζεται σημαντικά η διακριτική ικανότητα, δηλαδή η δυνατότητα να ξεχωρίσουμε λεπτά στρώματα. Διάταξη τριών ηλεκτροδίων Η διάταξη αυτή χρησιμοποιεί τρία ηλεκτρόδια μέσα στην γεώτρηση, δύο δυναμικού (Μ,Ν) και ενός ρεύματος (Α). Τα δύο ηλεκτρόδια δυναμικού είναι πολύ κοντά μεταξύ τους και μακριά από ηλεκτρόδια ρεύματος. Με την διάταξη αυτή μπορούμε να μετρήσουμε την ειδική αντίσταση των σχηματισμών σε μεγαλύτερη απόσταση από τη γεώτρηση απ ότι στις κανονικές διατάξεις. Τα μειονεκτήματα αυτής της διάταξης είναι ότι δεν παρέχει συμμετρικές καμπύλες δυσκολεύοντας την ερμηνεία, ενώ είναι πολύ δύσκολος ο υπολογισμός του πάχους των στρωμάτων, οι μετρήσεις επηρεάζονται από τα ρευστά της γεώτρησης και την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα.

40 Μικροδιατάξεις(Microlog) Στη διάταξη αυτή τα ηλεκτρόδια είναι σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους (4cm) και εφάπτονται των τοιχωμάτων της γεώτρησης. Η τεχνική αυτή μας παρέχει πληροφορίες για πολύ λεπτά στρώματα καθώς και πληροφορίες για την περιοχή διείσδυσης γύρο από την γεώτρηση.

41 Εστιασμένες διατάξεις (Focused laterolog ή guard log) Στο ακόλουθο σχήμα συγκρίνονται οι καταγραφές από κανονικές ηλεκτρικές διατάξεις (16,64 ) καθώς και εστιασμένης διάταξης. Παρατηρείται πως η τελευταία ξεχωρίζει τα λεπτά στρώματα τα οποία είναι σχεδόν αδιάκριτα στις άλλες δύο διατάξεις

42 Ραδιενεργές διαγραφίες (Nuclear logs) Οι ραδιενεργές διαγραφίες βασίζονται στην ανίχνευση στοιχειωδών σωματιδίων που εκπέμπονται από τον πυρήνα ενός ατόμου. Οι ποιο διαδεδομένες τεχνικές είναι οι γεωφυσικές διαγραφίες φυσικής ακτινοβολίας γάμμα, οι διαγραφίες γάμμαγάμμα(ή διαγραφίες πυκνότητας) και οι διαγραφίες νετρονίων. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα των ραδιενεργών διαγραφιών είναι ότι μπορούν να εκτελεστούν και μέσα σε σωληνωμένες γεωτρήσεις. Διαγραφίες φυσικής ακτινοβολίας γάμμα (Gamma ray log) Οι διαγραφίες φυσικής ακτινοβολίας γάμμα καταγράφουν την φυσική ακτινοβολία γάμμαπου προέρχεται από τους σχηματισμούς που περιβάλλουν την γεώτρηση. Αυτή είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον πυρήνα ενός ασταθούς στοιχείου (ισοτόπου) όταν αυτό καταπίπτει σε μία ποιο σταθερή κατάσταση. Τα ποιο συνηθισμένα ραδιενεργά στοιχεία στα οποία οφείλεται η φυσική ακτινοβολία γάμμαείναι το κάλιο 40Κ, το ουράνιο 258U και το θόριο 232Th

43 Η καμπύλη μιας διαγραφίαςγάμμαπαρουσιάζει αυξημένες τιμές όταν η οβίδα διέρχεται μπροστά από αργιλικούς σχηματισμούς και μικρότερες τιμές σε περίπτωση αμμωδών σχηματισμών. Σύγκριση διαγραφιών γάμμα, SP και ειδικής αντίσταση

44 Μία ειδική κατηγορία των διαγραφιών γάμμαείναι οι φασματικές διαγραφίες όπου ξεχωρίζεται η συμβολή κάθε ραδιενεργού στοιχείου ξεχωριστά Διαγραφίες πυκνότητας (gamma gamma log) Στην τεχνική αυτή, τοποθετούμε μέσα στην οβίδα που χρησιμοποιήσαμε για τις διαγραφίες γαμμαμια ραδιενεργό πηγή κοβαλτίου 57Co η οποία εκπέμπει ακτινοβολία γάμμαστους περιβάλλοντες σχηματισμούς. Η ακτινοβολία αυτή σκεδάζεται από τα ηλεκτρόνια (φαινόμενο Compton) και ένα μέρος της επιστρέφει και καταγράφεται. Το ποσοστό των ακτινών γάμμαπου καταγράφονται είναι ανάλογο των ηλεκτρονίων που τις σκεδάζουν και επομένως ανάλογο της πυκνότητας των περιβαλλόντων στην γεώτρηση σχηματισμών

45 Διαγραφίες νετρονίων (Neutron log) Σύμφωνα με την τεχνική αυτή βομβαρδίζουμε τους περιβάλλοντες την γεώτρηση σχηματισμούς με νετρόνια χρησιμοποιώντας κατάλληλη πηγή εκπομπής και καταγράφουμε τα σκεδαζόμενα πίσω νετρόνια. Τα νετρόνια που εκπέμπονται συγκρούονται και σκεδάζονται με τα άτομα υδρογόνου που συνήθως ευρίσκονται στο νερό το οποίο υπάρχει στο πορώδες των πετρωμάτων. Είναι φανερό ότι όσο πιο μεγάλο είναι το πορώδες ενός πετρώματος και όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός πλήρωσής του(saturation) τόσο μικρότερος θα είναι ο αριθμός των νετρονίων που καταγράφονται από την οβίδα μέτρησης. Επομένως οι διαγραφίες νετρονίων είναι πολύ χρήσιμες στον εντοπισμό πετρωμάτων μεγάλου πορώδους.

46 Ακουστικές διαγραφίες (sonic logs) Σύμφωνα με την τεχνική αυτή μετράμε το χρόνο που απαιτείται για να διαδοθεί ένα σεισμικό κύμα μεταξύ δύο σημείων των τοιχωμάτων της γεώτρησης. Ο χρόνος διάδοσης του σεισμικού κύματος εξαρτάται τόσο από τη λιθολογία όσο και από το πορώδες του πετρώματος

47 Τηλεοπτική καταγραφή (Television log) Είναι μια μέθοδος η οποία καταγράφει έγχρωμη εικόνα από την γεώτρηση, κατεβάζοντας μια οβίδα η οποία έχει μια κάμερα. Μέσω αυτής της εικόνας είναι δυνατόν ο έλεγχος της κατασκευής της γεώτρησης, η παρακολούθηση της λιθολογίας και ρηγματώσεων, της επιφάνειας του υδροφόρου, ροή ύδοτοςπάνω από το επίπεδο του υδροφόρου και αλλαγές στην ποιότητα του νερού(αέρια, αιωρούμενα σωματίδια και χημική μόλυνση). Ακουστική απεικόνιση (Acousticteleviewer). Οι καταγραφές αυτές δείχνουν την τοποθεσία, διεύθυνση και κλίση ρηγματώσεωνκαι λιθολογικών επαφών

48 Γεωραντάρ γεώτρησης Το γεωρανταργεώτρησης χρησιμοποιεί την εκπομπή και λήψη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για την απεικόνιση της περιοχής γύρω από την γεώτρηση. Μπορεί να εντοπίσει ρηγματογενήςζώνες σε απόσταση μέχρι 30 μέτρα ή και περισσότερα σε πετρώματα με υψηλή ειδική ηλεκτρική αντίσταση.