ژئوفیزیک یا فیزیک زمین از شاخههای اصلی علوم زمین است که به مطالعه کمّی خواص مختلف فیزیکی زمین با روش های لرزه ای، مغناطیسی ، گرانشی و الکتریکی میپردازد. با استفاده از این نتایج میتوان به مطالعه خصوصیتهای فیزیکی و رفتار پوسته و گوشته و هسته زمین پرداخت. این علوم به پدیدههای طبیعی و همچنین رفتار زمین و اطرافش میپردازد و همچنین به دو شاخه اصلی تقسیم میشود: ژئوفیزیک محض و کاربردی. ژئوفیزیک کاربردی خود به دو شاخه ژئوفیزیک اکتشافی و مهندسی تقسیم میشود. در برخی پروژه ها علاوه بر مطالعات ژئوتکنیک، مطالعات ژئوفیزیک نیز انجام می گردد.
جدول خلاصه ژئوفیزیک
موضوع اصلی
زیرموضوعها / روشها
کاربردهای کلیدی
شاخههای ژئوفیزیک
ژئودزی، لرزهنگاری، ژئوفیزیک باستانشناسی، علوم اتمسفری
بررسی ساختار زمین، تعیین میدان جاذبه، کشف آثار باستانی، تحلیل تغییرات جوی
ژئوفیزیک اکتشافی
ژئوفیزیک نفت، معدن، آب
اکتشاف منابع زیرزمینی، تعیین عمق سفرههای آب، تشخیص ساختارهای زمینشناسی
روشهای ژئوفیزیکی
لرزهای (انعکاسی و انکساری)، الکتریکی، مغناطیسسنجی، گرانیسنجی، رادار زمینی
تصویرسازی زیرسطحی، کشف ناهنجاریها، بررسی خواص فیزیکی زمین، پیشبینی زلزله
کاربرد در مهندسی و زمینشناسی
شناسایی گسل، حفرات، بررسی مقاومت خاک، تعیین عمق سنگ بستر
طراحی سازههای مقاوم، ارزیابی مناطق پرخطر، مکانیابی منابع انرژی و مواد معدنی
تاریخچه و تحول ژئوفیزیک
از سال 1600 میلادی (گیلبرت) تا توسعه رایانهای در دهه 1960
توسعه ابزار دقیق، پیشرفت در مدلسازی زیرسطح، تسریع اکتشاف منابع طبیعی
ژئودزی (Geodesy) مطالعه میدان جاذبه زمین و اندازه گیری آن و بحث در مورد شکل و اندازه زمین می باشد. یکی از کاربردهای اندازه گیری میدان گرانش در هر نقطه، تعیین سطح آب زیرزمینی یا اکتشاف معادن روسطحی میباشد.
لرزه شناسی یا لرزه نگاری (Seismology) که به مطالعه زلزله و انتشار امواج الاستیک در زمین میپردازد. نتایج به دست آمده توسط ژئوفیزیست در زمینشناسی مهندسی (Engineering geology) و کانیشناسی و پتروفیزیک سنگها به کار میآید.
علوم اتمسفری (Atmospheric sciences) که شامل هواشناسی، جوشناسی و بررسی میدانهای الکتریکی در جو است.
ژئوفیزیک باستان شناسی که بیشتر روش های مغناطیسی، الکترومغناطیسی و رادار را شامل میشود.
شاخه ها و گرایش های ژئوفیزیک
زیرشاخههای ژئوفیزیک اکتشافی
ژئوفیزیک نفت که بیشتر لرزه نگاری را شامل میشود.
ژئو فیزیک معدن که روشهای گوناگونی چون الکتریکی، مغناطیس سنجی، الکترومغناطیس و گرانی را در بر میگیرد.
ژئوفیزیک آب که در آن نیز بیشتر از روشهای الکتریکی و الکترومغناطیسی استفاده میشود.
زیرشاخههای ژئو فیزیک اکتشافی
تاریخچه ژئوفیزیک
به طورکلی ژئوفیزیک به مطالعه خصوصیات فیزیکی زمین و محیط اطراف آن میپردازد. این مطالعه به دو صورت محض و کاربردی دنبال میشود. مطالعات ژئوفیزیکی به زمان گیلبرت در حدود 1600 میلادی بر می گردد که میگفت زمین مانند یک مغناطیس غولپیکر عمل میکند. اما اولین قدم در کاربرد این علم برای اکتشاف مواد معدنی به سال 1843 بر می گردد که فونورده از تئودولیت مغناطیسی برای اندازهگیری تغییرات میدان مغناطیسی زمین به منظور اکتشاف تودههای آهن استفاده نمود. به دنبال آن در سال 1879 پروفسور رابرت تالن با تالیف کتاب کشف ذخایر آهن به وسیله روش های مغناطیسی قدم موثری در جهت کاربردی نمودن ژئو فیزیک اکتشافی برداشت.
پس از آن تقاضای روز افزون بازار به فلزات و افزایش بیسابقه مصرف نفت، گاز و مشتقات آنها در ابتدای قرن بیستم منجر به توسعه بسیاری از روش های ژئوفیزیکی شد و در زمینه ابداع و توسعه دستگاه های ژئوفیزیکی نیز از زمان جنگ جهانی دوم پیشرفت های بسیاری حاصل شد. از آغاز دهه 1960 با استفاده گسترده از رایانه در پردازش و تفسیر دادههای ژئوفیزیکی، تحول عظیمی در این شاخه از دانش ایجاد شد.
از آنجا که اکثر ذخایر معدنی مدفون در زیر سطح زمین به وسیله یک روباره پوشیده شدهاند، کشف این ذخایر به خواصی که آنها را از محیط اطراف متمایز مینماید بستگی دارد. در صورتی که تفاوت خواص فیزیکی بین ماده معدنی و سنگ درونگیر آن وجود داشته باشد، میتوان از ژئوفیزیک سطحی برای کشف ماده معدنی مربوطه استفاده کرد.
ژئو فیزیک به مفهوم عام شامل فيزيک زمين، جو و اقيانوس ها است. علم ژئوفیزیک، بررسی پارامتر های مختلف فيزيكی كره زمين است. امروزه اين علم با بهره گيری از ديگر علوم پايه، دانشی است با كاربردهاي فراوان و به شاخه های متعددي تقسيم ميشود. وظيفه اصلي علم ژئوفیزیک، مطالعه فرايندهاي فيزيكی است كه در سياره زمين و منظومه شمسی رخ ميدهد.
شناخت پديده های مرتبط با تحول زمين، جو و اقيانوس ها برای تامين نيازهای اساسی زندگی انسان ضروری است؛ به طور مثال می توان به نياز روزافزون به كشف منابع جديد انرژی، اكتشاف كانی ها و ذخاير آب های زير زمينی، پيش بينی رويدادهای طبيعی مانند زلزله، آتش فشان، سيل و خشک سالی و هم چنين يافتن راه های چگونگی كاهش اثر ويرانگر اين پديده ها اشاره كرد.
ژئوفیزیک به مفهوم عام
در اکتشافات ژئوفیزیک معمولا به دنبال یک ناهنجاری یا انحراف از مشخصات یکنواخت زمین شناسی هستیم. ناهنجاری نسبت به مشخصات یکنواخت زمین شناسی عبارتند از:
تغییر ناگهانی در جنس مواد
برخورد به یک گسل
برخورد به منطقه خرد شده
برخورد به لایههای آبدار
لرزه نگاری
مهم ترین بخش از فعالیت های ژئوفیزیک را عملیات لرزه نگاری تشکیل میدهد. به طور کلی امواج لرزهای از محل تشکیل به صورت کروی منتشر میشوند. این امواج با سرعتی که بستگی به خواص الاستیکی مواد دارد از داخل آن عبور میکنند.
امواج لرزهای در محل تغییر جنس مواد، منعکس یا منکسر شده و پس از بازگشت به سطح زمین توسط ابزارهایی ثبت میشوند. این امواج که مشابه امواج زمین لرزه ولی به مراتب ضعیف تر از آن هستند، برچند نوع هستند:
امواج اولیه یا فشاری (P) نوعی امواج داخلی هستند که در جهت انتشار موج ارتعاش میکنند.
امواج برشی یا عرضی (S) نوعی امواج داخلی هستند که در آنها امتداد ارتعاش ذرات، عمود بر جهتانتشار موج است.
امواج رایلی امواجی هستند که تنها در نزدیکی سطح زمین منشا گرفته و دامنه نوسان آن با عمق به سرعت کاهش مییابد.
امواج لرزه ای حجمی و سطحی
امواج لرزه ای و لرزه نگاری
روش لرزه ای انکساری
از این روش برای تعیین عمق لایهها و محل گسل ها و غارها و نیز اندازه گیری سرعت امواج در لایههای مختلف استفاده میشود که میتواند نشانهای از جنس مواد و سطح ایستایی باشد. روش لرزه نگاری انکساری را میتوان به صورت:
تک کاناله و با یک ژئوفون منفرد
با رشتهای از ژئوفون ها
انجام داد.
در روش تک کاناله یک ژئوفون در فاصلهای کوتاه از دستگاه در زمین قرار داده میشود. حال با یک صفحه فلزی که در حدود 3 متری دستگاه قرار گرفته با چکش ضربهای زده میشود. زمان ایجاد ضربه توسط سیمی که از چکش به دستگاه وصل شده اندازه گیری میشود. یکی از روش های لرزه ای انکساری، روش دانهول (Downhole) می باشد.
روش دانهول یا درون چاهی
روش لرزه ای مستقیم
روش های لرزه ای مستقیم معمولا برای دست یابی به ویژگی های دینامیک سنگ و خاک، مثل:
مدول یانگ
نسبت پوآسون
مدول برشی
مدول ظاهری
و همچنین ارزیابی کیفیت سنگ، مثل:
تراکم شکستگی ها
درجه تجزیه
به کار میرود.
روش لرزه ای انعکاسی
بخشی از انرژی امواج لزره ای در حد فاصل دو محیط که دارای سرعت موج یا چگالی متفاوتی هستند منعکس میشود. لذا با اندازه گیری زمان ورود امواج انعکاسی، میتوان سطوحی را که مرز بین انواع سنگ را تشکیل میدهند به دست آورد. این روش مشابه روش ژرفاسنجی صوتی در دریاها و اقیانوس ها است.
تکنیک های انعکاسی عمدتا در ژئوفیزیک جهت بررسی های زیر دریایی به کار میرود و توسط آن تصویری از نیمرخ بستر دریا به همراه وضعیت لایه ها، گنبد های نمکی، گسل ها و لغزش های زیر دریایی به دست میآید. البته چون در این روش سرعت ها به طور مستقیم اندازه گیری نمیشود، نوع مواد و عمق لایهها تنها حدس زده میشود.
لرزه نگاری انعکاسی در دریا با استفاده از هیدروفون
روش الکتریکی
تغییر خواص الکتریکی سنگ ها اساس روش های متنوع اکتشافات الکتریکی و الکترومغناطیسی است. در یک روش که پتانسیل خودزا نام دارد و در اکتشافات معدنی به کار میرود، اختلاف پتانسیل طبیعی بین دو نقطه از زمین اندازه گیری میشود. اندازه گیری مرتب اختلاف پتانسیل در امتداد یک نیمرخ و رسم تغییرات آن ناهنجاری هایی را که معمولا در بالای تودههای معدنی ایجاد میشود، مشخص خواهد ساخت.
روش پتانسیل خودزا کاربرد چندانی در اکتشافات مهندسی ندارد. روش دیگر، روش مقاومت مخصوص نام دارد. این روش بر این مبنا استوار است که مواد در زیر زمین قابلیت هدایت مختلفی نسبت به جریان های الکتریکی دارند. قابلیت هدایت الکتریکی در موادی مثل رس های مرطوب و لای ها بالا بوده و در موادی مثل ماسه ها و شن های خشک و سنگ های مستحکم پایین است.
مغناطیس سنجی
این روش برای کانسار مغناطیسی یا سنگ هایی که از خاصیت مغناطیسی زیادتری برخوردارند، (مثل سنگ های بلورین آذرین یا دگرگونی در مقایسه با سنگ های رسوبی) به کار میرود. کانسار، توده سنگ حاوی کانی های با ارزش است. به طور کلی سنگ های حاوی کانیهای مغناطیسی، میدان مغناطیسی زمین را تعدیل میکنند. هر گونه تغییر در میدان مغناطیسی زمین را میتوان با ابزارهای دقیق سنجید.
میدان مغناطیسی کمیتی برداری است که هم مقدار و هم جهت آن قابل اندازه گیری است. ولی معمولا در اندازه گیری صحرایی مقدار مولفه قائم میدان و در اندازه گیری های هوابرد و دریایی میدان کلی اندازه گیری میشود. امروزه اغلب اکتشافات توسط یک مغناطیس سنج که به دنبال هواپیمایی کشیده میشود، انجام می گردد. به این ترتیب منطقه وسیعی در مدتی کوتاه و با مخارجی نسبتا کم مورد بررسی قرار میگیرد.
گرانی سنجی
اساس این روش بر اساس قانون جاذبه عمومی نیوتن قرار دارد. بنا بر این قانون، نیروی جاذبه بین دو جسم به طور مستقیم با حاصل ضرب جرم آنها و به طور معکوس با توان دوم فاصله بین آنها متناسب است. با تغییر چگالی در یک منطقه نیروی جاذبه یا گرانش نیز تغییر خواهد کرد.
از گرانی سنجی در زمین شناسی معمولا برای کشف ساخت های عمده ی زمین شناسی مثل گسل ها، گنبد ها، تاقدیس ها و تودههای نفوذی استفاده میشود. از این روش در بررسی های مهندسی جهت تعیین محل حفرات و غارهای انحلالی داخل سنگ های آهکی استفاده میشود.
استفاده از رادار زمینی
این روش گرچه هنوز در آغاز راه است ولی به نظر میرسد که به زودی کاربردهای زیادی از خود در اکتشافات زیر زمینی، زمین شناسی و مهندسی در زمینه ژئوفیزیک نشان دهد. از این روش میتوان برای تشخیص مواد جامد نسبتا کدر در مقابل امواج رادار مثل لوله ها، سطح سنگ بستر و قطعات سنگ روی آن، حفرات، تونل ها، مناطق رسی، گسل ها و تودههای معدنی استفاده کرد.
در این نوع روش از ژئوفیزیک ، انرژی در حد بخش رادیویی طیف الکترومغناطیسی ساطع میشود که مقداری از آن پس از بازتاب از موارد پیش گفته به رادار بازگشته و ثبت میشوند. در یک روش، موج رادار به صورت ضربه منفرد مستقیما در سطح زمین یا در زیر زمین و در تونل ها یا گمانه ها فرستاده میشود.
