مقاله اکتشافات قنات های ناشناخته با بکارگیری روش ژئوالکتریک

مقدمه : 
هدف از ارائه این مقاله ، معرفی یک روش ساده و مقرون به صرفه ژئوفیزیکی می باشد که توسط آن بتوان قنات های ناشناخته رااکتشافات نمود.
اکتشافات قنات های ناشناخته بخصوص از نظر ژئوتکنیکی حائز اهمیت می باشد . چون وجود قنات های ناشناخته درنزدیک سطح زمین ،‌برای بنای واقع در روی آنها خطرزا می باشد ، لذا می بایستی قبل از اقدام به ساخت بنا بر روی زمین یا دشده ، قناتهای مذکور را شناسایی نمود . تاکنون فرد ویا گروهی این موضوع را با دید ژئوفیزیکی بررسی ننموده است . بنظر می رسد که این موضوع با اهمیت و حیاتی می بایستی توسط سایرروشهای ژئوفیزیکی نیز بطور دقیق بررسی گردد تا در نهایت موثرترین ، ساده ترین و مقرون به صرفه ترین روش ژئوفیزیکی برای اکتشافات قنات ها ی ناشناخته مشخص گردد . در این مقاله با توجه اینکه یک قنات را می توان با یک استوانه افقی طویل که در یک محیط همگن و ایزوتروپ قرار دارد ، مشابه فرض نمود ، نخست توسط آرایش گرادیان ، مورد بررسی قرارداده و سپس ازنتایج مدلهای فیزیکی استفاده شده است و این تجربیات در یک مطالعه موردی بر روی قنات شهرداری شاهرود بکار گرفته شده است .
بحث : 
قنات های واقع در نزدیک سطح زمین در صورتیکه در روی آنها و یا راه های ارتباطی احداث گردند ، باعث می‌شوند که سطح زمین مذکور نشست نماید و در نتیجه ابنیه و راههای یاد شده تخریب گردند . لذا قبل از اقدام به احداث هر گونه بنا و یا راه ،‌می بایستی اول از عدم وجود قنات های فوق الذکر در زیر سطح زمین مورد نظر،‌اطمینا ن حاصل نمود و بعد نسبت به احداث ابنیه و راههای یاد شده اقدام نمود .
یکی از دقیق ترین و مقرون به صرفه ترین روش های ژئوفیزیکی برای اکتشافات قنا ت ها ی مذکور در زیر سطح زمین مورد نظر ، اطمینان حاصل نمود و بعد نسبت به احداث ابنیه و راههای یاد شده اقدام نمود .
یکی از دقیق ترین و مقرون به صرفه ترین روش های ژئوفیزیکی برای اکتشافات قنات های مذکور ، روش اندازه گیری مقاومت ویژه زمین می باشد که دراین مقاله مورد بحث و بررسی قرار می گیرد . به منظور این بررسی ، یک قنا ت را با یک استوانه افقی طویل ، مشابه فرض می کنیم و توسط مدلهای ریاضی مربوطه ،‌احتمال اکتشافات این قنات را ، برای شعاع ها و اعماق مختلف آن ،‌مورد مطالعه قرار می دهیم .
استفاده از مدل های ریاضی
فرض می کنیم مطابق شکل ( 1 ) در زیر سطح یک زمین همگن و ایزوتروپ که مقاومت ویژه آن ρ1 میباشد ، جسم استوانه ای شکل افقی به طول بینهایت و مقاومت ویژه 2 ρو شعاع r0 ، واقع می باشد . عمق محور استوانه را از سطح زمین مذکور برابر Z فرض می کنیم (Z > r0 ) . تصویر محور استوانه بر سطح زمین خط ‍‍C11C12 میباشد . در سطح زمین یاد شده یک آرایش الکتریکی ازنوع گرادیان در نظر میگیریم . مطابق شکل (1‌) ،A وB الکترودهای جریان N وM الکترودهای اندازه گیری اختلاف پتانسیل می باشد.
امتداد خط AB طوری انتخاب شده است که خط C11C12 عمود منصف آن میباشد . حال اگر تحت شرایط فوق الذکر ،‌در سطح زمین مذکور،‌در امتداد محور X ها ( منطبق بر قطعه خط AB یک پروفیل زنی الکتریکی ( ترانشه زنی الکتریکی )‌ انجام دهیم . مقاومت ویژه ظاهری از رابطه زیر حاصل می گردد ] l [ :

با تبدیل این رابطه به نرم افزار ] 2 [ ، و با ثاب اختیار نمودن مقادیو با قرار دادن استوانه دریک عمق معین ، (‌ برای یک Z معین ) ، می توان منحنی تئوری حاصله از پروفیل زنی الکتریکی مربوط به آنرا گرادیان ، رسم نمود . سپس می توان یک عمق معین دیگر را درنظرگرفت و منحنی پروفیل زنی تئوری را برای یک عمق جدید ، تکرار نمود .در نهایت یک دسته منحنی تئوری ( منحنی های راهنما ) حاصل می شود که توسط آن می توان حداکثر عمق اکتشاف استوانه مذکوررا مشخص نمود .
یک نمونه ازاین دسته منحنی های تئوری در شکل (‌2) نشان داده شده است .
در این شکل که توسط نرم افزار فوق الذکر تهیه شده است ، پنج منحنی که از روش پروفیل زنی الکتریکی ( با آرایش گرادیان ) حاصل شده است ، دیده می‌شوند . هر منحنی به ترتیب مربوط به یک استوانه کاملا هادی با مقاومت ویژه صفر اهم متر و شعاع یک متر می‌باشد که به ترتیب در پنج عمق مختلف ، یعنی به ترتیب ازعمق یک متری تا عمق پنج متری ( به فواصل یک متر به یک متر ) در زیر سطح زمین که مقاومت ویژه آن برابر یک اهم متر می با شد ، قرارگرفته است .
بطوریکه در این شکل دیده می شود ، برای استوانه ایکه درعمق 4 متری از سطح زمین واقع است ( منحنی Z= 4m ) ، حداکثر اختلاف در بین مقاومت ویژه ظاهری اندازه گیری شده و مقاومت ویژه زمین ( اهم متر  ) ، فقط 12% می باشد و این اختلاف برای استوانه ایکه درعمق 5 متری از سطح زمین قرار دارد ( منحنی Z=5m ) به 8% کاهش می یابد . این بدین معنی است که استوانه اخیرالذکر ممکن است دیگر قابل اکتشاف نباشد . توسط رابطه فوق الذکرمی توان نشان داد که با افزایش مقاومت ویژه استوانه مذکور ، عمق اکتشافات بازهم کاهش می یابد .
از بررسی های فوق الذکر نتیجه می شود که اگر ما به جای استوانه مذکور ، یک قنات آبدارکه دارای قطری معادل 2 متر می باشد ومحور آن در عمق پنج متری از سطح زمین قرار دارد را در نظر بگیریم ،‌خواهیم دید که توسط بکارگیری آریش گرادیان ، نمی توان این قنات را اکتشاف نمود. لذا می بایستی آرایش مناسبتری را برای اکتشاف اینگونه قنات ها انتخاب نمود با این هدف که توسط آن بتوان حتی قنات های آبداری که دارای قطری کمتری می باشند و در عمق بیشتری واقع هستند را نیز اکتشاف نمود.
برای دستیابی به این هدف ،‌ نخست مقاله آقای گویی گینگ وهمکارش ] 1 [ را مورد بررسی قرار می دهیم . در مقاله مذکور به منظور اکتشاف لوله ها و کابلهای فلزی مدفون ،‌با بکارگیری روش های مقاومت ویژه . IP ، بر روی یک مدل فیزیکی نشان داده شده است که توسط آرایش نیم شلومبرگر متقارن ] 3 [ می توان به هدف اخیر الذکر دست یا فت . دراینجا کافی است که فقط راجع به مدل فیزیکی فوق الذکر و نتیجه حاصله از بکارگیری روش مقاومت ویژه بر روی آن ، توضیح مختصری داده شود.
استفاده ازمدل فیزیکی
مدل فیزیکی مذکور در مقاله نامبرده شده مطابق شکل ( 3) تشکیل شده از یک ظرف آب با ابعاد  که از نظر الکتریکی عایق می باشد و یک سیم مسی لخت به شعاع یک میلیمتر که درظرف مذکور ، به موازات طول ظرف کشیده شده است . عمق محور این سیم از سطح آب سیزده میلیمتر می باشد . سیم مذکور،‌یک لوله فلزی مدفون در زیر سطح زمین را شبیه سازی می نماید و آب داخل ظرف یا د شده ،‌رول یک زمین همگن و ایزوتروپ را بازی می‌کند. مقاومت ویژه الکتریکی این آب برابر 20 اهم مترمیباشد . در سطح آب این ظرف یک آرایش الکتریکی بکار گرفته شده است که فاصله دوالکترود جریان A وB آن برابر نود سانتیمتر و فاصله دوالکترود اندازه گیری اختلاف پتانسیل آن برابر دو سانتیمتر می باشد. تصویر محور سیم مذکور را بر سطح آب (مطابق شکل (3) )  می نامیم . امتداد خط AB را طوری انتخاب می نماییم که اولا این قطعه خط در نقطه K بر  عمود باشد و دوماً نقطه K در وسط قطعه خط AB واقع نباشد بلکه باندازه بیست سانتیمتر از وسط این قطعه خط به طرف الکترود جریان A نزدیکتر باشد . در این صورت ، این آرایش را می توان با یک آرایش قطبی – دوقطبی تقریبا ً مشابه دانست . به آرایش اخیرالذکر در صورت که MN< افزایش می یابد ولی در طرف سمت راست سیم ،‌درهمین محل چگالی جریان نسبت به طرف چپ سیم ، کاهش می یابد و در نتیجه  نیز کاهش می یابد .علت این کاهش چگالی جریان این است که خطوط جریانی که از طرف سمت چپ سیم جذب شده اند ، در این محل ، از طرف سمت راست سیم ، خارج نمی‌شوند ، بلکه نخست مسافتی را در طول سیم طی می‌کند و سپس از آن خارج می‌شوند
] l [ .
استفاده از نتایج حاصل ازمدل فیزیکی برای اکتشاف قنات های آبدار
ارائه دهنده این مقاله معتقد است که از نتایج حاصل مدل فیزیکی فوق الذکر می توان برای اکتشاف قنات ها ی آبدار ناشناخته نیز استفاده نمود. برای انجام این کار فقط کافی است که در مدل فیزیکی یاد شده (‌که آنرا حالت اول می نامیم ) ، بجای یک سیم مسی در زیر سطح آب ، یک قنات آبدار را در زیر سطح زمین همگن و ایزوتروپ در نظر بگیریم ( که آنرا حالت دوم می نامیم ) .
به عقیده ارائه دهنده این مقاله ،‌در هر یک از این دو حالت ، منشاء بوجود آورنده آنومالی در روی نمودار مقاومت ویژه ظاهری حاصل از پروفیل زنی الکترونی در سیم مسی یاد شده میباشد. ولی درحالت دوم ، منشاء مذکور حاصل از پدیده پلاریزاسیون الکترولیتی وپدیده دی الکتریک در آب قنات است. ولی درنهایت ، نتیجه کار، برای هر دو حالت یکی می‌باشدو آن بوجود آمدن یک اختلاف شدید بین مقادیر اخیرالذکر است که باعث می شود ، سیم و یا قنات یاد شده ، در اعماق زیادتر حدود سیزده برابر شعاع آنها اکتشاف گردند .
مطالعه موردی
ارائه دهنده این مقاله برای اینکه ادعای فوق الذکر راثابت نماید تصمیم گرفت که آرایش نیم شلومبرگر را بر سطح زمینی که در زیر آن یک قنات آبدار شناخته شده وجود دارد ، بکارگیرد. برای این منظور رشته قنات شهرداری شاهرود که در امتداد جاده شاهرود – مجن حفر شده است انتخاب گردید . موقعیت خط اندازه گیری در شکل (6 )‌ توسط یک فلش مشخص شده است. بطوریکه در شکل |(‌7 ) دیده می شود امتداد این قنات شرقی – غربی و عمود منصف خط اندازه گیری می باشد . دراین اندازه گیری به منظور بدست آوردن یه شبه مقطع قائم مقاومت ویژه ، از روش ترکیب یافته از حفاری الکتریکی و ترانشه زنی الکتریکی با استفاده از دو آرایش متقارن نیم شلومبرگر بهره گرفته شده است ] 5 [و ] 6 [ و ] 7 [ .
دراین اندازه گیری فاصله ایستگاه های اندازه گیری از یکدیگر دو متر به دو متر انتخاب شده است و فاصله MN‌ برابر یک متر می باشد . شبه مقطع فوق الذکر در شکل (8) نشان داده شده است .
تفسیر شبه مقطع حاصله
شبه مقطع قائم مقاومت ویژه‌ای که از اندازه‌گیری فوق الذکر (‌عمود برامتداد قنات
آبدار ) حاصل شده است ، در شکل (8 ) نشان داده است . دراین شبه مقطع بطور کلی نحوه توزیع مقاومت ویژه ، در زیر سطح زمین بصورت دو بعدی دیده می شود.
دراین شکل ، محیط های با مقاومت ویژه پایین با رنگ آبی و اعداد نوشه شده برروی خطوط کانتور ( پربند )‌بر حسب اهم متر می باشند . لازم به ذکر است که قبل از شروع به اندازه گیری ژئوالکتریکی ، عمق سطح آب اندازه گیری شد . که برابر 8 متر و 30 سانتیمتر بود . لذا به منظور صرفه جویی دروقت ، از اندازه گیری پنج متر اول در زیر سطح زمین صرفنظر گردید.بطوریکه دراین شکل دیده می شود ، کمترین مقاومت ویژه ظاهری درعمق ده و نیم متر است که به احتمال خیلی زیاد مربوط به آب مرکز قنات می باشد . این مقاومت ویژه کم ، از محل مذکور ، به طرف پایین و بالا گسترش یافته است . گسترش به طرف پایین می تواند به علت نفود آب از کف قنات به طرف پایین باشد و گسترش به طرف بالا می تواند بعلت خاصیت موئینکی صورت پذیرفته باشد . مقاومت ویژه کمی که بصورت یک نوار در سمت راست این شکل دیده می شود ، به احتمال زیاد مربوط به نفوذ آب از سطح زمین می باشد . لازم به ذکر است که به منظور حفاظت از قنات مذکور ، در سمت شمال‌ آن ،‌در امتداد شرقی – غربی ، خاکریزی به ارتفاع تقریبا یک متر ایجاد نموده اند که باعث جمع شدن آب در پشت آن بصورت یک برکه می شود . احتمالا بوجود آمدن نوار مذکور در اثر نفوذ آب از این برکه به داخل زمین بوده است .
مطلب دیگری که در این شکل جلب توجه می‌کند این است که مقاومت ویژه کمی که بعنوان قنات تلقی می گردد ، دقیقاً در وسط شبه مقطع واقع نمی باشد . دلیل این جابجایی را می‌توان احتمالا انحراف مسیر قنات درفاصله بین دو دهانه ذکرنمود .
نتیجه گیری :
با توجه به اینکه یک قنات آبدار را می توان با یک استوانه افقی طویل که نسبت به محیط دربرگیرنده اش دارای مقاومت ویژه کمتری می باشد . مشابه فرض نمود، از مدلهای ریاضی جهت اکتشاف استوانه مذکور استفاده گردید.
نتایج حاصل از مدلهای ریاضی مذکور نشان می‌دهندکه توسط آرایش گرادیان ، تنها می‌توان قناتهایی را اکتشاف نمود که فاصله محورآنها تا سطح زمین ، فقط 4 برابر شعاع آنها می باشد ولی نتایج حاصل از یک مدل فیزیکی نشان می‌دهندکه توسط آرایش نیم شلومبرگر می توان یک سیم مسی که فاصله محور آن تا سطح اندازه گیری ، 13 برابر شعاع آن می باشد را اکتشاف نمود .
ارائه دهنده این مقاله مدعی است که این مدل فیزیکی رامی توان نیز به قناتها ی آبدار در زیر سطح زمین تسری داد . لذا توسط یک مطالعه موردی برروی یک قنات آبدار، نشان داده شده است که با بکارگیری دو آرایش متقارن نیم شلومبرگرو استفاده از روش ترکیب یافته از سونداز الکتریکی و پروفیل زنی الکتریکی ،‌میتوان عمق اکتشاف را به بیشتر 13 برابر شعاع قنات افزایش داد .
نویسنده : 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