مقاله اكتشافات قنات هاي ناشناخته با بكارگيري روش ژئوالكتريك

مقدمه : 
هدف از ارائه اين مقاله ، معرفي يك روش ساده و مقرون به صرفه ژئوفيزيكي مي باشد كه توسط آن بتوان قنات هاي ناشناخته رااكتشافات نمود.
اكتشافات قنات هاي ناشناخته بخصوص از نظر ژئوتكنيكي حائز اهميت مي باشد . چون وجود قنات هاي ناشناخته درنزديك سطح زمين ،‌براي بناي واقع در روي آنها خطرزا مي باشد ، لذا مي بايستي قبل از اقدام به ساخت بنا بر روي زمين يا دشده ، قناتهاي مذكور را شناسايي نمود . تاكنون فرد ويا گروهي اين موضوع را با ديد ژئوفيزيكي بررسي ننموده است . بنظر مي رسد كه اين موضوع با اهميت و حياتي مي بايستي توسط سايرروشهاي ژئوفيزيكي نيز بطور دقيق بررسي گردد تا در نهايت موثرترين ، ساده ترين و مقرون به صرفه ترين روش ژئوفيزيكي براي اكتشافات قنات ها ي ناشناخته مشخص گردد . در اين مقاله با توجه اينكه يك قنات را مي توان با يك استوانه افقي طويل كه در يك محيط همگن و ايزوتروپ قرار دارد ، مشابه فرض نمود ، نخست توسط آرايش گراديان ، مورد بررسي قرارداده و سپس ازنتايج مدلهاي فيزيكي استفاده شده است و اين تجربيات در يك مطالعه موردي بر روي قنات شهرداري شاهرود بكار گرفته شده است .
بحث : 
قنات هاي واقع در نزديك سطح زمين در صورتيكه در روي آنها و يا راه هاي ارتباطي احداث گردند ، باعث مي‌شوند كه سطح زمين مذكور نشست نمايد و در نتيجه ابنيه و راههاي ياد شده تخريب گردند . لذا قبل از اقدام به احداث هر گونه بنا و يا راه ،‌مي بايستي اول از عدم وجود قنات هاي فوق الذكر در زير سطح زمين مورد نظر،‌اطمينا ن حاصل نمود و بعد نسبت به احداث ابنيه و راههاي ياد شده اقدام نمود .
يكي از دقيق ترين و مقرون به صرفه ترين روش هاي ژئوفيزيكي براي اكتشافات قنا ت ها ي مذكور در زير سطح زمين مورد نظر ، اطمينان حاصل نمود و بعد نسبت به احداث ابنيه و راههاي ياد شده اقدام نمود .
يكي از دقيق ترين و مقرون به صرفه ترين روش هاي ژئوفيزيكي براي اكتشافات قنات هاي مذكور ، روش اندازه گيري مقاومت ويژه زمين مي باشد كه دراين مقاله مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد . به منظور اين بررسي ، يك قنا ت را با يك استوانه افقي طويل ، مشابه فرض مي كنيم و توسط مدلهاي رياضي مربوطه ،‌احتمال اكتشافات اين قنات را ، براي شعاع ها و اعماق مختلف آن ،‌مورد مطالعه قرار مي دهيم .
استفاده از مدل هاي رياضي
فرض مي كنيم مطابق شكل ( 1 ) در زير سطح يك زمين همگن و ايزوتروپ كه مقاومت ويژه آن ρ1 ميباشد ، جسم استوانه اي شكل افقي به طول بينهايت و مقاومت ويژه 2 ρو شعاع r0 ، واقع مي باشد . عمق محور استوانه را از سطح زمين مذكور برابر Z فرض مي كنيم (Z > r0 ) . تصوير محور استوانه بر سطح زمين خط ‍‍C11C12 ميباشد . در سطح زمين ياد شده يك آرايش الكتريكي ازنوع گراديان در نظر ميگيريم . مطابق شكل (1‌) ،A وB الكترودهاي جريان N وM الكترودهاي اندازه گيري اختلاف پتانسيل مي باشد.
امتداد خط AB طوري انتخاب شده است كه خط C11C12 عمود منصف آن ميباشد . حال اگر تحت شرايط فوق الذكر ،‌در سطح زمين مذكور،‌در امتداد محور X ها ( منطبق بر قطعه خط AB يك پروفيل زني الكتريكي ( ترانشه زني الكتريكي )‌ انجام دهيم . مقاومت ويژه ظاهري از رابطه زير حاصل مي گردد ] l [ :

با تبديل اين رابطه به نرم افزار ] 2 [ ، و با ثاب اختيار نمودن مقاديو با قرار دادن استوانه دريك عمق معين ، (‌ براي يك Z معين ) ، مي توان منحني تئوري حاصله از پروفيل زني الكتريكي مربوط به آنرا گراديان ، رسم نمود . سپس مي توان يك عمق معين ديگر را درنظرگرفت و منحني پروفيل زني تئوري را براي يك عمق جديد ، تكرار نمود .در نهايت يك دسته منحني تئوري ( منحني هاي راهنما ) حاصل مي شود كه توسط آن مي توان حداكثر عمق اكتشاف استوانه مذكوررا مشخص نمود .
يك نمونه ازاين دسته منحني هاي تئوري در شكل (‌2) نشان داده شده است .
در اين شكل كه توسط نرم افزار فوق الذكر تهيه شده است ، پنج منحني كه از روش پروفيل زني الكتريكي ( با آرايش گراديان ) حاصل شده است ، ديده مي‌شوند . هر منحني به ترتيب مربوط به يك استوانه كاملا هادي با مقاومت ويژه صفر اهم متر و شعاع يك متر مي‌باشد كه به ترتيب در پنج عمق مختلف ، يعني به ترتيب ازعمق يك متري تا عمق پنج متري ( به فواصل يك متر به يك متر ) در زير سطح زمين كه مقاومت ويژه آن برابر يك اهم متر مي با شد ، قرارگرفته است .
بطوريكه در اين شكل ديده مي شود ، براي استوانه ايكه درعمق 4 متري از سطح زمين واقع است ( منحني Z= 4m ) ، حداكثر اختلاف در بين مقاومت ويژه ظاهري اندازه گيري شده و مقاومت ويژه زمين ( اهم متر  ) ، فقط 12% مي باشد و اين اختلاف براي استوانه ايكه درعمق 5 متري از سطح زمين قرار دارد ( منحني Z=5m ) به 8% كاهش مي يابد . اين بدين معني است كه استوانه اخيرالذكر ممكن است ديگر قابل اكتشاف نباشد . توسط رابطه فوق الذكرمي توان نشان داد كه با افزايش مقاومت ويژه استوانه مذكور ، عمق اكتشافات بازهم كاهش مي يابد .
از بررسي هاي فوق الذكر نتيجه مي شود كه اگر ما به جاي استوانه مذكور ، يك قنات آبداركه داراي قطري معادل 2 متر مي باشد ومحور آن در عمق پنج متري از سطح زمين قرار دارد را در نظر بگيريم ،‌خواهيم ديد كه توسط بكارگيري آريش گراديان ، نمي توان اين قنات را اكتشاف نمود. لذا مي بايستي آرايش مناسبتري را براي اكتشاف اينگونه قنات ها انتخاب نمود با اين هدف كه توسط آن بتوان حتي قنات هاي آبداري كه داراي قطري كمتري مي باشند و در عمق بيشتري واقع هستند را نيز اكتشاف نمود.
براي دستيابي به اين هدف ،‌ نخست مقاله آقاي گويي گينگ وهمكارش ] 1 [ را مورد بررسي قرار مي دهيم . در مقاله مذكور به منظور اكتشاف لوله ها و كابلهاي فلزي مدفون ،‌با بكارگيري روش هاي مقاومت ويژه . IP ، بر روي يك مدل فيزيكي نشان داده شده است كه توسط آرايش نيم شلومبرگر متقارن ] 3 [ مي توان به هدف اخير الذكر دست يا فت . دراينجا كافي است كه فقط راجع به مدل فيزيكي فوق الذكر و نتيجه حاصله از بكارگيري روش مقاومت ويژه بر روي آن ، توضيح مختصري داده شود.
استفاده ازمدل فيزيكي
مدل فيزيكي مذكور در مقاله نامبرده شده مطابق شكل ( 3) تشكيل شده از يك ظرف آب با ابعاد  كه از نظر الكتريكي عايق مي باشد و يك سيم مسي لخت به شعاع يك ميليمتر كه درظرف مذكور ، به موازات طول ظرف كشيده شده است . عمق محور اين سيم از سطح آب سيزده ميليمتر مي باشد . سيم مذكور،‌يك لوله فلزي مدفون در زير سطح زمين را شبيه سازي مي نمايد و آب داخل ظرف يا د شده ،‌رول يك زمين همگن و ايزوتروپ را بازي مي‌كند. مقاومت ويژه الكتريكي اين آب برابر 20 اهم مترميباشد . در سطح آب اين ظرف يك آرايش الكتريكي بكار گرفته شده است كه فاصله دوالكترود جريان A وB آن برابر نود سانتيمتر و فاصله دوالكترود اندازه گيري اختلاف پتانسيل آن برابر دو سانتيمتر مي باشد. تصوير محور سيم مذكور را بر سطح آب (مطابق شكل (3) )  مي ناميم . امتداد خط AB را طوري انتخاب مي نماييم كه اولا اين قطعه خط در نقطه K بر  عمود باشد و دوماً نقطه K در وسط قطعه خط AB واقع نباشد بلكه باندازه بيست سانتيمتر از وسط اين قطعه خط به طرف الكترود جريان A نزديكتر باشد . در اين صورت ، اين آرايش را مي توان با يك آرايش قطبي – دوقطبي تقريبا ً مشابه دانست . به آرايش اخيرالذكر در صورت كه MN< افزايش مي يابد ولي در طرف سمت راست سيم ،‌درهمين محل چگالي جريان نسبت به طرف چپ سيم ، كاهش مي يابد و در نتيجه  نيز كاهش مي يابد .علت اين كاهش چگالي جريان اين است كه خطوط جرياني كه از طرف سمت چپ سيم جذب شده اند ، در اين محل ، از طرف سمت راست سيم ، خارج نمي‌شوند ، بلكه نخست مسافتي را در طول سيم طي مي‌كند و سپس از آن خارج مي‌شوند
] l [ .
استفاده از نتايج حاصل ازمدل فيزيكي براي اكتشاف قنات هاي آبدار
ارائه دهنده اين مقاله معتقد است كه از نتايج حاصل مدل فيزيكي فوق الذكر مي توان براي اكتشاف قنات ها ي آبدار ناشناخته نيز استفاده نمود. براي انجام اين كار فقط كافي است كه در مدل فيزيكي ياد شده (‌كه آنرا حالت اول مي ناميم ) ، بجاي يك سيم مسي در زير سطح آب ، يك قنات آبدار را در زير سطح زمين همگن و ايزوتروپ در نظر بگيريم ( كه آنرا حالت دوم مي ناميم ) .
به عقيده ارائه دهنده اين مقاله ،‌در هر يك از اين دو حالت ، منشاء بوجود آورنده آنومالي در روي نمودار مقاومت ويژه ظاهري حاصل از پروفيل زني الكتروني در سيم مسي ياد شده ميباشد. ولي درحالت دوم ، منشاء مذكور حاصل از پديده پلاريزاسيون الكتروليتي وپديده دي الكتريك در آب قنات است. ولي درنهايت ، نتيجه كار، براي هر دو حالت يكي مي‌باشدو آن بوجود آمدن يك اختلاف شديد بين مقادير اخيرالذكر است كه باعث مي شود ، سيم و يا قنات ياد شده ، در اعماق زيادتر حدود سيزده برابر شعاع آنها اكتشاف گردند .
مطالعه موردي
ارائه دهنده اين مقاله براي اينكه ادعاي فوق الذكر راثابت نمايد تصميم گرفت كه آرايش نيم شلومبرگر را بر سطح زميني كه در زير آن يك قنات آبدار شناخته شده وجود دارد ، بكارگيرد. براي اين منظور رشته قنات شهرداري شاهرود كه در امتداد جاده شاهرود – مجن حفر شده است انتخاب گرديد . موقعيت خط اندازه گيري در شكل (6 )‌ توسط يك فلش مشخص شده است. بطوريكه در شكل |(‌7 ) ديده مي شود امتداد اين قنات شرقي – غربي و عمود منصف خط اندازه گيري مي باشد . دراين اندازه گيري به منظور بدست آوردن يه شبه مقطع قائم مقاومت ويژه ، از روش تركيب يافته از حفاري الكتريكي و ترانشه زني الكتريكي با استفاده از دو آرايش متقارن نيم شلومبرگر بهره گرفته شده است ] 5 [و ] 6 [ و ] 7 [ .
دراين اندازه گيري فاصله ايستگاه هاي اندازه گيري از يكديگر دو متر به دو متر انتخاب شده است و فاصله MN‌ برابر يك متر مي باشد . شبه مقطع فوق الذكر در شكل (8) نشان داده شده است .
تفسير شبه مقطع حاصله
شبه مقطع قائم مقاومت ويژه‌اي كه از اندازه‌گيري فوق الذكر (‌عمود برامتداد قنات
آبدار ) حاصل شده است ، در شكل (8 ) نشان داده است . دراين شبه مقطع بطور كلي نحوه توزيع مقاومت ويژه ، در زير سطح زمين بصورت دو بعدي ديده مي شود.
دراين شكل ، محيط هاي با مقاومت ويژه پايين با رنگ آبي و اعداد نوشه شده برروي خطوط كانتور ( پربند )‌بر حسب اهم متر مي باشند . لازم به ذكر است كه قبل از شروع به اندازه گيري ژئوالكتريكي ، عمق سطح آب اندازه گيري شد . كه برابر 8 متر و 30 سانتيمتر بود . لذا به منظور صرفه جويي دروقت ، از اندازه گيري پنج متر اول در زير سطح زمين صرفنظر گرديد.بطوريكه دراين شكل ديده مي شود ، كمترين مقاومت ويژه ظاهري درعمق ده و نيم متر است كه به احتمال خيلي زياد مربوط به آب مركز قنات مي باشد . اين مقاومت ويژه كم ، از محل مذكور ، به طرف پايين و بالا گسترش يافته است . گسترش به طرف پايين مي تواند به علت نفود آب از كف قنات به طرف پايين باشد و گسترش به طرف بالا مي تواند بعلت خاصيت موئينكي صورت پذيرفته باشد . مقاومت ويژه كمي كه بصورت يك نوار در سمت راست اين شكل ديده مي شود ، به احتمال زياد مربوط به نفوذ آب از سطح زمين مي باشد . لازم به ذكر است كه به منظور حفاظت از قنات مذكور ، در سمت شمال‌ آن ،‌در امتداد شرقي – غربي ، خاكريزي به ارتفاع تقريبا يك متر ايجاد نموده اند كه باعث جمع شدن آب در پشت آن بصورت يك بركه مي شود . احتمالا بوجود آمدن نوار مذكور در اثر نفوذ آب از اين بركه به داخل زمين بوده است .
مطلب ديگري كه در اين شكل جلب توجه مي‌كند اين است كه مقاومت ويژه كمي كه بعنوان قنات تلقي مي گردد ، دقيقاً در وسط شبه مقطع واقع نمي باشد . دليل اين جابجايي را مي‌توان احتمالا انحراف مسير قنات درفاصله بين دو دهانه ذكرنمود .
نتيجه گيري :
با توجه به اينكه يك قنات آبدار را مي توان با يك استوانه افقي طويل كه نسبت به محيط دربرگيرنده اش داراي مقاومت ويژه كمتري مي باشد . مشابه فرض نمود، از مدلهاي رياضي جهت اكتشاف استوانه مذكور استفاده گرديد.
نتايج حاصل از مدلهاي رياضي مذكور نشان مي‌دهندكه توسط آرايش گراديان ، تنها مي‌توان قناتهايي را اكتشاف نمود كه فاصله محورآنها تا سطح زمين ، فقط 4 برابر شعاع آنها مي باشد ولي نتايج حاصل از يك مدل فيزيكي نشان مي‌دهندكه توسط آرايش نيم شلومبرگر مي توان يك سيم مسي كه فاصله محور آن تا سطح اندازه گيري ، 13 برابر شعاع آن مي باشد را اكتشاف نمود .
ارائه دهنده اين مقاله مدعي است كه اين مدل فيزيكي رامي توان نيز به قناتها ي آبدار در زير سطح زمين تسري داد . لذا توسط يك مطالعه موردي برروي يك قنات آبدار، نشان داده شده است كه با بكارگيري دو آرايش متقارن نيم شلومبرگرو استفاده از روش تركيب يافته از سونداز الكتريكي و پروفيل زني الكتريكي ،‌ميتوان عمق اكتشاف را به بيشتر 13 برابر شعاع قنات افزايش داد .
نويسنده : پیروز،ایرج
منابع : 
[t ] GUIQMG, Z., YANZHONG , L.
The Application Of IP nnd Resistivity Methods to Detect Underground Metal Pipes and Cables, “Geotechnical end Environmental Geophysics” Vol 11, Society of Exploration GeophysicisLs, PP. 239-248, 1990.
2 نرم افزار و منحنی های مربوط به رابطه فوق الذکر توسط آقای بابک تمدن دانشجوی کارشناسی ارشد رشته ژئوفیزیک دانشگاه صنعتی شاهرود تهیه شده است.
3 پیروز الف. ” بکارگیری دو آرایش متقارن نیم شلومبرگر برای اکتشاف منابع آبهای زیرزمینی در زمین های سخت (کارست)، کانسارهای فلزی و گسلهای پنهان،” ارائه شده در بیست و یکمین گردهمائی علوم زمین، سازمان زمین شناسی و اکتشاف معدنی کشور، چکیده مقالات 171 – 170 ،1381 .
4 پیروز الف.” استفاده از مدلهای ریاضی به منظور تعیین بهترین روش الکتریکی برای اکتشاف محل ناهمگنی های جانبی،” خلاصه مقالات یازدهمین کنفرانس ژئوفیزیک ایران،ص229- 225، 1382.
5 پیروز، الف.” بکارگیری روش ترکیب یافته از حفاری الکتریکی و ترانشه زنی الکتریکی برای اکتشاف آبهای زیرزمینی در زمینهای سخت( کارست)،” پروژه پژوهشی- کاربردی، دانشگاه صنعتی شاهرود و سازمان مدیریت و برنامه ریزی استان سمنان، 1382.
[6] Karous , M. and Psmu , T.K .
“Com6ined sounding- profiling resistivity Measurements widt Ihe Ihree-electrode arrays”. Geophysical ptospecting 33,447-459, 1985 .
[7] Candansayu, M.E. , Basokur , A. and Peksen , E. “Detecting small-scale targets by the two-sided gradient transformation”, Jounal of the Balkan Crcopiysical, Vol. 2, 1999, p.I00-111 .
شکل 1- نحوه قرار گرفتن یک استوانه افقی طویل با مقاومت ویژه  در داخل یک زمین همکن و ایزوتروپ با مقاومت ویژه
شکل 2- نمودار پروفیل زنی حاصل از مدل ریاضی
شکل 3- نحوه قرار گرفتن یک سیم مسی طویل که در وسط یک ظرف آب به موازات طول ظرف کشیده شده است.
شکل 4- نمودار پروفیل زنی حاصل از مدل فیزیکی
شکل شماره (5)، مقطع قائم از مدل فیزیکی
شکل 6- قسمتی از نقشه زمین شناسی شاهرود که موقعیت محل اندازه گیری توسط فلش در روی آن نشان داده شده است.
شکل 7- موقعیت خط پروفیل نسبت به دهانه های قنات

شکل 8- شبه مقطع قائم مقاومت ویژه عمود بر امتداد محور قنات