Jeoelektrik yöntemler



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 ( ra : 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

Jeolojik malzeme

Elektrik özdirenç W-m

Islak aşırı killi toprak

1- 10

Islak aşırı siltli toprak ve siltli kil

< 10

Islak siltli ve kumlu toprak

10-100

Silt ardalanmalı kum ve çakıl

<1000

Kaba kuru kum ve çakıl depozitleri

>1000

Çatlakları ıslak toprakla dolmuş çok kırıklı kayaç

100

Çatlakları kuru kumla dolmuş az çatlaklı kayaç

<1000

Masif ve sağlam olarak oluşmuş kayaç

>1000

Bazı minerallerin elektrik özdirençleri

Mineral

Elektrik Özdirenç W-m

Kalkopirit

4x10-3

Pirit

3x10-1

Pirotit

1x10-4

Galenit

2x10-3

Sfalerit

2x102

Zinobar

2x107

Boksit

2x108-6x103

Kalkosit

1x10-4

Kromit

1-1x106

Wolframit

10x105

Hematit

3.5x10-3-107

Magnetit

5x10-5-5.7x103

Manganez

10-2-0.3

Kuvarts

4x1010-2x1014

Kalsit

2x1012

Kayatuzu 30-1013

Bazı malzemelerin Elektrik Özdirençleri

Sular Elektrik özdirenç (W-m)
Yüzey suları (mağmatik) 0.1-3x103
Meteorik yüzey suyu 30-103
Yüzey suları (çökellerde) 10 -102
Toprak suları 100
Doğal sular (mağmatik kayaçlarda) 9
Doğal sular (çökellerde)

3

Tuzlu sular %3 0.15
Kömürler Elektrik özdirenç (W-m)
Çeşitli kömürler 10-1011
Linyit 9-200
Kayaçlar
Konglomeralar 2x103-104
Kumtaşları 1 - 6.4x108
Kireçtaşları 50-107
Dolomit 3.5x102 -5x103
Marn 3-70
Killer 1-100
Alüvyon ve kumlar 10-800
Petrol kumları 4-800
Granit 3x102 -106
Diyorit 102 -106
Andezit 20 -5x107
Diyabaz 20 -5x107
Gabro 103 -106
Bazalt 10 -107
Gnays 7x104 -3x106
Mermer 102 -2.5x108
Kuvarsit 10-2x108
Şeyl 20 -2x103
Anhidrit 109

Kayaç Su içeriği ve Elektrik Özdirenç

Kayaç ve su içeriği (%) Elektrik özdirenç (W-m)
Silttaşı ( %0.54 H2O) 1.5x104
Silttaşı ( %0.44 H2O) 8.4x106
Silttaşı ( %0.33 H2O) 5.6x108
Kaba taneli kumtaşı ( %0.39 H2O) 9.6x105
Kaba taneli kumtaşı( %0.18 H2O) 1x108
Orta taneli kumtaşı ( %1.00 H2O) 4.2x102
Orta taneli kumtaşı ( %1.67 H2O) 3.2x106
Arkozik kumtaşı ( %1.26 H2O) 1x103
Arkozik kumtaşı ( %1.00 H2O) 1.4x103
Organik kireçtaşı (%11.0 H2O) 0.6x103
Dolomit (%2.0 H2O) 5.3x103
Dolomit (%1.3 H2O) 6x103
Peridotit (%0.1 H2O) 3x103
Peridotit (%0.03 H2O) 2x104
Granit (%0.31 H2O) 4.4x103
Granit (%0.19 H2O) 1.8x106
Diorit (%0.02 H2O) 5.8x105
Diorit (%0.0 H2O) 6x106
Bazalt (%0.95 H2O) 4x104
Bazalt (%11.0 H2O) 9x105
Bazalt (%11.0 H2O) 1.3x108

Kayaç gözenekliliği (porozite) ve Elektrik anizotropi

Kayaçlarda Gözeneklilik (Porozite)

Kayaç f-Porozite %
Paleozoik kumtaşı ve şeyl 5-30
Paleozoik kireçtaşı 2-10
Paleozoik Volkanik kayaçlar 5-30
Paleozoik sonrası kumtaşı ve şeyl 10-40
Genç derinlik kayaçları 0-10
Kayaçlarda Elektrik Anizotropi (yönbağımlılık) l
Grafit 2-2.8
Antrasit kömürü 2-2.6
Bitümlü kömür ve çamurtaşı 1.7-2.6
Şeyl ve kumtaşı 1.05-1.15
Şeyl (katman) 1.02-1.05
Kireçtaşı 2-3
Volkanik tüf ve alüvyon 1.02-1.1

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 ,......, rn ve kalınlıkları h1 , h2 ,......, hn-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 ( ra ) 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 ra 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 ra eğrisi birinci ve ikinci tabakayı asimtotik görünümü ile işaret eder.

Ölçü Alet ve Donanımı

Elektrik özdirenç çalışmasında kullanılan ölçü alet ve donanımı izlenen şekildedir.

 

 

 

Elektrod dizilimleri için avantaj ve dezavantajlarr

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:

Dezavantajları:

 

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:

Dezavantajları:

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Veri Değerlendirme ve Görüntüleme

 

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

Jeolojik Problem

Yeraltı Radarı

Elektromanyetik

Doğal Polarizasyon

(SP)

Kuyu Jeofizigi

DC Elektrik Özdirenç

Yapay Polarizasyon (IP)

Killi katman haritalama

1

2

2

-

2

3

Kırıklar ve faylar

2

1

3

1

1

2

Karstik sahalar

1

2

2

1

2

3

Litoloji korelasyonu

1

2

-

2

2

2

Maden ve taşocağı yerleşimi

2

2

-

2

3

1

Boşluklar-çukur oluşumlar

1

2

1

2

2

3

Kayaç üst sınırları

2

-

-

1

2

1

Hidrojeoloji

Yeraltı Radarı

Elektromanyetik

SP

Kuyu Jeofiziği

DC Elektrik Özdirenç

IP

Akifer kalınlığı

2

3

-

1

2

2

Yeraltısuyu akış yönü

-

2

3

-

3

-

Tuzlusu girişimi

-

1

2

1

3

1

Yeraltısuyu tablası haritalama

1

-

-

3

3

2

Sondaj kuyusu lokasyonu

1

1

2

2

3

2

Çevre

Yeraltı Radarı

Elektromanyetik

SP

Kuyu Jeofiziği

DC Elektrik Özdirenç

IP

Arazi dolgusu ve gömülü yıkıntılar

1

1

2

-

3

3

Toprak/yeraltısuyu kirliliği

2

1

3

3

2

2

Mühendislik

Yeraltı Radarı

Elektromanyetik

SP

Kuyu Jeofiziği

DC Elektrik Özdirenç

IP

Köprü ayağı yerleşimi

1

-

-

-

1

2

Elektrik topraklama

-

3

1

1

1

-

Kazı-hafriyat planlama

2

-

-

1

2

2

Yapı zemin-temel etüdü

1

-

-

1

3

2

Karayolu güzergah seçimi

1

2

1

-

2

3

Kayaç-toprak mühendislik özellikleri

-

3

-

1

3

1

Yerleşim alan seçimi

1

1

1

-

3

2

Toprak kayması (heyelan) etüdü

-

1

1

-

3

3

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

 

Bağlantılar ve bilgisayar yazılımları


Güncelleme Ekim 2008