Jeoelektrik yöntemler

• Tanım
• Elektrik Özdirenç
• Genel Elektrod Dizilimi
• Özel Elektrod Dizilimleri
• Kayaçlar ve Elektrik Özdirenç

• Kayaç Su içeriği ve Elektrik Özdirenç
• Kayaç gözenekliliği ve Elektrik Anizotropi

• Arazi Ölçmeleri (Genel)

• DES Tekniği
• Yeriçi Elektrik Akım Akışı
• DES Sondaj (delgi) Eğrisi
• Ölçü Alet ve Donanımı
• Elektrod dizilimleri için avantaj ve dezavantajlar
• DES Arazi uygulamalarında dikkat edilecekler

• Veri Değerlendirme ve Görüntüleme
• Jeoelektrik Uygulamalar için Kriterler

Tanım

Elektrik yöntemler kapsamında elektrik özdirenç (rezistivite)(ER), yapay polarizasyon (IP) ve doğal polarizasyon (SP) yer alır. Elektrik yöntemlerin kullanılması ile yapılan ölçümler yeraltı akiferlerinin jeolojik iskeletinin haritalanması, yeraltısuyu kirlenmesinin egemen olduğu kesimlerin belirlenmesi, yeraltındaki tutturulmamış yani gevşek çökel malzemenin yeri ve kalınlığı ile sağlam temel kayaçların bulunduğu derinliğin belirlenmesinde ve özellikle metalik veya metalik olmayan mineralizasyon (cevherleşme) zonlarının saptanmasında kullanılır.

Elektrik Özdirenç Elektrik yöntemlerde yeryüzünde toprağa çakılan iki paslanmaz metal-çelik elektrod aracılığı ile yeriçine elektrik akımı gönderilir. Yeryüzündeki diğer iki noktada yerleştirilen iki elektrod yardımı ile de yeriçinde oluşan gerilim farkı ölçülür. Aşağıdaki şekilde akım elektrodlarından uygulanan akım çizgileri dağılımı ve bunun sonucu oluşan elektriksel gerilim (elektriksel potansiyel) çizgilerinin dağılımı görülmektedir.

Genel Elektrod Dizilimi

Uygulanan akımın birimi amper (çoğunlukla miliamper) ve ölçülen gerilimin birimi ise Volt (çoğunlukla milivolt) olarak bilinir. Bu ölçü değerleri ve kullanılan elektrod diziliminin K geometrik faktörü (dizilim katsayısı-array factor) kullanılarak bu ölçü konumu içiin görünür özdirenç (ohm-m biriminde) hesaplanır. Genel bir elektrod diziliminde yer alan 4-elektrod (A ile B akım ve M ile N ise gerilim elektrodları) alttaki şekilde verilmektedir. Yeryüzünde yayılan bu elektrod dizilimi çalışılarak ölçülen I-akımı (çoğunlukla miliamper-mA) ve DV-elektriksel gerilimi (çoğunlukla milivolt-mV) değerleri altta verilen bağıntıda yerlerine konulup hesaplama yapıldığında bu ölçü konumu için elektrik özdirenç ( r_a : ohm-m) değeri (W-m) elde edilir.

Hesaplanan değer elektrod dizilim sisteminin orta noktasının altına atanır. Jeo-elektrik yöntemlerde yukarıda gösterilen genel dizilim yerine disipline edilmiş standart ve özel dizilimler yeğlenir. En yaygın kullanılan elektrod dizilim türleri alttaki şekilde gösterilmiştir.

Özel Elektrod Dizilimleri

Bu dizilimlerin Jeolojik problemin türlerine göre kullanım alanı bulduğunu belirtmek gerekir. Örneğin Wenner ve Schlumberger gibi simetrik dizilimler Düşey Elektrik Sondaj (DES) tekniğinin uygulanmasında yaygın kullanılır. Yukarıda verilen bu dizilimler aynı zamanda Elektrik Kaydırma (Electrical profilling) tekniğinin uygulanması için tercih edilirler.

Kayaçlar ve Elektrik Özdirenç

Kayaç Su içeriği ve Elektrik Özdirenç

Kayaç gözenekliliği (porozite) ve Elektrik anizotropi

Arazi Ölçmeleri

Genel

Jeoelektrik yöntem bir arazi jeofizik çalışmasında Düşey Elektrik Sondaj-Delgi (DES) ve Yatay Elektrik Kaydırma (Profilling) tekniği olarak iki şekilde kullanım alanı bulur. Bunlardan DES ölçü tekniğinin amacı yeraltı yatay tabakaşmanın ortaya konulmasıdır. Bu tekniğin uygulanması ile yeraltı jeolojik katmanların elektrik özdirenç değerleri r₁ , r₂ , r₃ ,......, r_n ve kalınlıkları h₁ , h₂ ,......, h_n-1 elde edilir

DES Tekniği

Bu ölçü tekniğinin uygulanışında arazide bir simetrik elektrod dizilimi (Wenner veya Schlumberger) daha yaygın kullanılır (alltaki şekilde heriki dizilimin görünümü verilmiştir. Bu dizilimin merkezi DES noktasıdır. Ölçülen görünür özdirenç değerleri bu noktanın altına atanırlar. DES tekniğinde bu merkez noktada yayılı bulunan elektrod dizilimindeki akım ve gerilim elektrodları arası belli bir sistematik içerisinde daha geniş açılarak ölçüler alınır.

Wenner elektrod dizilimi

Schlumberger elektrod dizilimi

Alınan ölçüler elektrod aralığının (AB/2) fonksiyonudur. Akım elektrodları (A ve B) aralığının arttırılması yerin daha derin kesimlerine elektrik akımının gönderilmesini sağlayacaktır (alttaki şekile bakınız). Böylelikle yapılan ölçümler yerin daha derin kesimlerine ait görünür özdirenç ( r_a ) bilgilerini ortaya koyar. Elektrod aralığı arttırıldığında yüksek akım yoğunluğu gerekir.

Yeriçi Elektrik Akım Akışı

İki tabakalı bir yer modelinde (tek bir arasınır) yani üst tabakanın elektrik özdirenci alttaki tabakanınkinden ya yüksek veya düşük değerde bulunması koşulunda artan elektrod aralığına karşın yeraltı akım akış şekli farklı gerçekleşir. Bu durum alttaki şekilde izlenmektedir. Eğer altaki katman dirençli ise elektrik akımı, artan elektrod genişliğine (artan AB/2) bu iki katman sınırına doğru dikleşerek yeriçinde akar. Karşıt olarak, eğer alttaki katman üstteki katmana göre daha iletken ise bu kez yine artan AB/2 için elektrik akımı heriki tabaka sınırına paralel görünüme yakın olarak akar.

Kısacası eğer alttaki tabakanın özdirenci yüksek ise akım yukarıdaki iletken katmandan akmaya daha eğilimlidir. Bu nedenle bazen AB aralığının arttırılması bile elektrik akımının yeriçinin daha derinlerine enjekte edilmesini gerçekleştiremez.

DES Sondaj (delgi) Eğrisi

Yukarıda verilen iki tabaka yer modeli örneğinde yeryüzünde ölçülen elektrik özdirenç gerçek olmayıp görünür (apparent) değerdir. Bu değer heriki tabakanın toplamsal bir etkisini yansıtır. Heriki model, yani r₁>r₂ (1. tabaka dirençli) ve r₁< r₂ (1. tabaka iletken) durumları için yeryüzünde elde edilecek DES eğrisi aşağıdaki şekilde gösterilen görünümdedir. Bu r_a delgi eğrisinin hangi kanadını hangi katmanın etkilediği düz çizgilerle gösterilmiştir. Geniş elektrod açıklıklarının kullanıldığı bu çalışmalarda delgi eğrisi yatay ve düşey eksenlerin logaritmik olarak seçildiği ölçeklemede görüntülenir. Bu modellere ait heriki şekilde r_a eğrisi birinci ve ikinci tabakayı asimtotik görünümü ile işaret eder.

Ölçü Alet ve Donanımı

Elektrik özdirenç çalışmasında kullanılan ölçü alet ve donanımı izlenen şekildedir.

• Ölçü aleti : Dışarıdan bir Akü girilen 12 V gerilimi içinde yer alan bir yükselteç (trafo) ile bazen 600-800 V düzeyine kadar arttırarak bunu yere çakılı elektrodlara gönderebilme özelliğine sahiptir. Bu alet üzerinde akım elektrodlarına giden iki çıkış ucu (A ve B) ve gerilim elektrodlarından gelen bağlantının yapıldığı başka iki uç (M ve N) vardır. Yere verilen akımın ölçüldüğü bir Ampermetre (miliamper-mA duyarlıklı) ve yerden gelen gerilimin ölçüldüğü bir Voltmetre (milivolt-mV duyarlıklı) bu alet üzerine yerleştirilmiş olmalıdır.

• İki akım ve iki gerilim elektrodu

• Amaca göre hazırlanmış arazi elektrik kablosu

• Ölçü noktalarının yerlerini belirlemek amacıyla kullanılacak ölçeklenmiş ve işaretlenmiş ip.

• Şarj edilmiş 12 V araç aküsü.

Elektrod dizilimleri için avantaj ve dezavantajlar

DES ölçü çalışmalarında asıl olan akım ve gerilim elektrod aralıklarının sürekli olarak arttırılmasıdır. Bu nedenle arazi çalışmalarında elektrodlar sık sık yer değiştirip yeniden toprağa yerleştirilir. Elektrod dizilim türlerine göre aşağıdaki irdelemeler yapılır. Bu kriterlere dayalı olarak dizilim türü amaca göre şeçilir ve kullanılır.

1. Wenner Dizilim

Bütün elektrodlar eşit aralıklarla dizilmiştir (dizilim yukarıda gösterilmiştir). Ortadaki O noktasına göre simetrik dizilim.

Avantajları:

• Eşit elektrod aralığı nedeni ile K dizilim katsayısı kolaylıkla hesaplanır.
• Ölçüm duyarlılığına daha az gereksinim duyulur
• Veri doğrudan değerlendirilebilir

Dezavantajları:

• Yüzeye yakın yanal elektriksel süreksizliklere daha duyarlı
• DES ölçümlerinde yeni bir okuma için tüm elektrodlar yer değiştirmelidir. Bu nedenle işçilik artar.

2. Schlumberger Dizilim

Akım elektrodları (A ve B) birbirlerinden 2r kadar bir uzaklığa yerleştirilmiştir. Gerilim elektrodları (M ve N) ise 2r>5MN olacak şekilde yerleştirilmişlerdir (yukarıda şekilde gösterilmiştir). Ortadaki O noktasına göre simetrik dizilim.

Avantajları:

• DES çalışmasında yeni bir okuma için tüm elektrodların yer değiştirmesine daha az gereksinim duyulur. Bu nedenle daha az işçilik gerekir.

Dezavantajları:

• Verinin ilk değerlendirmesi yapılmalı

3. Dipol-Dipol Dizilim:

Akım ve gerilim elektrod çiftleri birbirlerinden ayrı olarak arazide yerleştirilir. Her iki çiftin aralarında n çarpanı (n=1, 2, 3 gibi tamsayı) kadar (n x elektrod aralığı) bir uzaklık vardır (yukarıda gösterilmiştir). Bu dizilim türü daha çok yapay polarizayon (IP) uygulamalarında tercih edilir. n-aralıklamasına bağlı olarak yapılan çizim tekniği ile elde edilen IP andıran kesitleri maden jeofiziğinde başarılı bir uygulamadır. Ayrıca özel jeolojik problemlerin çözümünde yukarıda verilen bazı Dipol dizilim türlerinin kullanıldığı bilinmektedir.

DES Arazi uygulamalarında dikkat edilecekler

Çalışma arazisinde bir Düşey Elektrik Sondaj (DES) uygulaması yapılma aşamasında DES noktasının yerinin belirlenmesi kaliteli veri toplamada önemli yer tutar. Çalışılan arazinin bilinen jeolojisi bu konuda yarar sağlar. Aşağıda örnek şekillerle verilen durumlarda yanlış ve doğru uygulamalar gösterilmiştir. Bu şekillerde kırmızı ve onun tonu olan renklerdeki ortam r₁ özdirençli jeolojik katmanı, sarı ve onun tonu olan renklerdeki ortam ise r₂ özdireçli jeolojik katmanı oluşturmaktadır. Heriki katmanı ayıran bir jeolojik sınır veya jeolojik fay bu yapıda yer almaktadır.

• Sol üstteki şekil ile verilen durum: DES delgi noktası r₁ ve r₂ ortamlarını ayıran elektrik sınıra çok yakındır. DES elektrod açılımının bu ara yüzeye paralel alınması doğru bir yaklaşım olmakla beraber artan elektrod açılımı ile DES eğrisi komşu r₁ ortamı özdirencinden etkilenerek bozulur ve kestirilemeyen iki tabaka eğrisi elde edilir. Bu uygulama yanlıştır.
• Sağ üstteki şekil ile verilen durum: DES delgi noktasındaki elektrod açılım doğrultusu r₁ ve r₂ ortamlarını ayıran elektrik sınıra diktir. Artan elektrod açılımı ile dizilimin bir kanadında elektrodlar r₁ ortamında yer alacaktır. Böylelikle DES eğrisi önü alınmayacak şekilde bu ortam özdirenci nedeni ile bozulur. Bu uygulama yanlıştır.
• Altta ortadaki şekil ile verilen durum: DES noktası r₁ ve r₂ arayüzeye uzak bir yerde seçilmiştir. Büyük açılımlarda bu nedenle r₁ ortamından etkilenmez. Açılım yönü r₁ ve r₂ ortamlarını ayıran elektrik sınıra paraleldir. Bu nedenle DES eğrisi yine r₁ ortamından etkilenmez. Bu uygulama doğrudur.

Veri Değerlendirme ve Görüntüleme

• Nokta Değerlendirme: Yukarıda örnekleri verildiği gibi DES arazi verisi çift logaritmik eksen takımında gösterilir. Yatay eksen elektrod aralığı, düşey eksen ise r_a (ohm-m) birimindedir. Bir DES arazi eğrisi bir takım taslak kuramsal eğri grupları ile planlı şekilde çakıştırılarak bu DES arazi veri setinin analizi yapılmış olur. Böylece DES noktası altındaki yatay elektrik tabakalaşma modelini açıklayan ve her tabakaya ait olan r₁ , r₂ , r₃ ,......, r_n özdirençleri ile h₁ , h₂ ,......, h_n-1 kalınlıkları elde edilir. Bu işleme parçalı eğri çakıştırma ile değerlendirme denir. Elde edilen bu parametreler, özdirenç sayısal süzgeç kavramı kullanılarak hazırlanmış bilgisayar yazılımlarına giriş verisi olarak girilerek benzer analizler yapılır. Altta verilen örnekde DES ölçü verileri kırmızı noktalar ile gösterilmiştir. Bu verilerin bigisayar yazılımına girilip değerlendirilmesi ile hesaplanan sentetik (model) eğri yine arazi verileri ile birlikte aynı grafikte gösterilmiştir. Bu hesaplamalardan bulunan elektrik katmanların parametreleri ve yer modeli de şekilde verilmiştir.

• Elektrik Haritalar: Projelendirilen bir sahada seçilmiş çok sayıdaki DES noktaları bazen bu sahayı tamamen karekterize edecek şekilde dağılım göstermiş olabilir. Kısacası ölçü noktaları çalışma sahasının çeşitli yerlerine uygun şekilde konumlandırılmıştır. Böyle bir uygulamada bu çok sayıdaki DES noktalarında ölçülmüş olan r_a eğrilerine ait veriler kullanılarak tüm sahayı elektrik olarak karekterize eden haritalar geliştirilir. Bu amaçla DES noktalarının konumlarının ölçekli olarak yerleştirildiği taslak plan üzerine amaçlanan derinliklere karşılık gelen AB/2 açılımları için r_a değerleri atanır. Herbir noktaya atanan görünür özdirenç değerleri gözönüne alınarak hazırlanan hatitalat elektrik harita olarak adlandırılır. Bu işlem amaçlanan AB/2 derinlikleri için gerçekleştirilir Bu haritalar AB/2 nin artan değerleri için yerin daha derin kesimlerini karekterize eder. Aşağıda verilen arazi örneğinde sahada yaklaşık 250 DES noktası vardır.

Bu noktalarda alınmış ölçü değerleri karşılık gelen AB/2 değerlerine göre kullanılmış ve haritalar hazırlanmıştır. Yukarıdaki şekilde bu haritalar AB/2= 2m, 4m, 6m, 10m, 20m, 30m için hazırlanarak topluca verilmiştir. Artan AB/2 değerleri için bu haritaların ortaya koyduğu jeoelektrik bilgilerin araştırıldığı derinlik (investigation depth) de artmaktadır. Bu arazi örneğinde artan derinliğe göre sahanın genelinde elektrik özdirenç düşmektedir.

Jeoelektrik Uygulamalar için Kriterler

Elde edilen çözüm: 3-En iyi 2-Iyi 1-Orta

Elde edilen çözüm: 3-En iyi 2-Iyi 1-Orta

Bağlantılar ve bilgisayar yazılımları

• SPINTERP : Birleşik SP anomalilerini değerlendirir

• MTMOD : Manyetotellürik bir boyutlu sondaj eğrisi hesaplar

• FAULT : Tektonik olarak aktif fayların SP anomalisini hesaplar

• Jeofizik Mühendisliğine Giriş (2008-2009 Güz)

• Elektrik Prospeksiyon (2006-2007 Güz) Ödev-1

• Elektrik Prospeksiyon (2006-2007 Güz) Ödev-3

• Log-Log grafik (Grapher GRF file)

• GEORADAR ve bağlantılar (freeware yazılım)

Güncelleme 2009