YERALTINDA DİREKT SU TESPİT EDEN JEOFİZİK YÖNTEM

 

Yüzey nükleer manyetik rezonans (yüzey NMR)

Hidrojeofiziksel yöntemler arasında NMR uygulamalarının (Şekil 1) benzersiz bir faydası vardır: yeraltındaki su, su moleküllerinin özelliklerinin, özellikle su moleküllerindeki protonların atomik ölçekte incelenmesiyle doğrudan tespit edilir. Diğer tüm jeofizik yöntemler, elektriksel iletkenlik veya geçirgenlik gibi fiziksel büyüklükleri ölçerek yalnızca dolaylı olarak su aramasına izin verir. Bu miktarlar su içeriğine bağlı olduğu gibi kayanın diğer özelliklerine de bağlıdır, bu da belirsizlik derecesini ve dolayısıyla yanlış yorumlanma riskini artırır. Hidrojeofiziksel NMR uygulamaları kullanılarak, sadece su moleküllerinin proton spinleri uyarılır.

Şekil 1: Döberitzer Heide'de NMR-ÖlçümüKaynak: BGR

İlk jeofiziksel NMR yöntemleri, hidrokarbon yataklarını keşfetmek için sondajlarda uygulama için 1980'lerde geliştirilmiştir ( Dunn ve diğerleri, 2002 ). Birkaç yıl sonra, yeraltı suyunun araştırılması için yüzey NMR adı verilen, invazif olmayan NMR tabanlı bir yöntemin geliştirilmesi başladı. Uygulamanın temel fizibilitesi Rusya'da gösterilmiştir ( Semenov ve diğerleri, 1989 ). O zamandan beri, uluslararası araştırma faaliyetleri yöntemi sürekli iyileştirmeye ve genişletmeye başladı. Yüzey NMR'sinin en basit, tek boyutlu uygulaması aynı zamanda manyetik rezonans sondaj (MRS) olarak da adlandırılır. TEM benzeryönteminde, hem verici hem de alıcı olarak kullanılan alanda yüzey üzerine bir kablo halkası döşenir (Şekil 2). Protonların Larmorf frekansında vericiye darbe şeklinde bir alternatif akım uygulanır. Yeraltında ortaya çıkan elektromanyetik (EM) alan, proton spinlerini harekete geçirir ve onları Dünya'nın manyetik alanındaki denge konumundan uzaklaşmaya zorlar. Eksitasyonu kapattıktan sonra, dönüşler dengeye geri döner ve bunu yaparken alıcı döngüsünde ölçülebilir bir voltaj indükler. Ölçülen sinyal, üssel olarak azalan (gevşeyen) bir eğridir. İlk genliği, uyarılmış protonların sayısı ve dolayısıyla hassas hacim içindeki su içeriği ile orantılıdır, gevşeme süresi ile temsil edilen gevşeme davranışı ise ortalama gözenek boyutuyla ilgilidir.

Şekil 2: Yüzey NMR ölçüm prensibi (Lange ve diğerleri, 2007)Kaynak: BGR

Maksimum penetrasyon derinliği, yaklaşık olarak yüzey halkasının çapına, normalde 10 ila 150 m'ye karşılık gelir. Bununla birlikte, gerçekte ulaşılabilen derinlik aynı zamanda yeraltının elektriksel iletkenliğine de bağlıdır. Yüzey NMR verilerini doğru şekilde tersine çevirmek için, jeoelektrik veya TEM gibi ek elektriksel veya elektromanyetik ölçümler yapmak gereklidir . Normalde, manyetik ölçümler de yüzey NMR ile birleştirilir, çünkü doğru NMR ölçümlerini gerçekleştirmek için ayarlanması gereken Larmor frekansı, Dünya'nın manyetik alanının gücüne bağlıdır. Pratikte yüzey NMR ölçümleri uygularken, çevreleyen EM gürültüsünü karakterize etmek ve optimize edilmiş filtreleme ile veri işlemeyi iyileştirmek için ek yüzey döngüleri kullanılır.

Şekil 3: Sahada yüzey NMR'nin ölçüm düzenini gösteren şematikKaynak: BGR

Şekil 4, bir yüzey NMR veri örneğini göstermektedir. Bazı işlemlerden sonra ölçülen veriler (Şekil 4a), ters çevirme (Abb. 4b) ile yaklaşık olarak belirlenir. Karşılık gelen model, derinliğin fonksiyonları olarak su içeriği ve gevşeme süresi dağılımlarından oluşur (Şekil 4c). Yüzey NMR ile ölçülen su içeriği, etkili gözenekliliğin bir tahminidir ( Legchenko ve diğerleri, 2004). Küçük gözeneklerdeki kılcal bağlı su, kısa gevşeme süreleri ile ilişkilidir - uzun ölü süreler nedeniyle yüzey NMR ile ölçülemeyecek kadar kısadır, yani iletmeden alma moduna geçmek için gereken süre. Bu nedenle, örneğimizdeki su içeriği siltli katmanlara karşılık gelen derinlik aralıklarında olduğundan az hesaplanırken, kum akiferleri için etkili gözeneklilik tahminleri% 25 ila 35 güvenilir bir aralık içindedir. Kalibrasyon verileri elinizin altında ise, gevşeme süreleri ortalama gözenek boyutunun bir temsilcisi olarak, derinliğin bir fonksiyonu olarak hidrolik iletkenlik dağılımının tahminine de izin verir ( Legchenko ve diğerleri, 2004; Mohnke ve Yaramanci, 2008 ).

Şekil 4: BGR test alanı Barnewitz / Nauen'den veri örneğiKaynak: BGR

Birçok çalışma , çatlakların yanı sıra tortul kayalarda akiferlerin karakterizasyonu gibi çeşitli hidrojeolojik sorunlar için yüzey NMR'nin faydalı kullanımını göstermiştir (örn. Mohnke und Yaramanci, 2008; Günther und Müller-Petke, 2012; Knight ve diğerleri, 2012 ) kaya ve karst akiferleri (örn. Vouillamoz vd., 2005; Vouillamoz vd., 2014; Girard vd., 2012 ). Dahası, yöntemin süregelen teknik ve metodolojik gelişimi, yeni uygulama alanları açarak mevcut uygulama alanlarını genişletmektedir. Örneğin, araçsal ölü zamanın azalması bu arada vadoz bölgesinin araştırılmasına izin verir ( Walsh vd., 2014; Costabel ve Günther, 2014). Yeni darbe dizileri, manyetik olarak heterojen ortamlarda bile çözünürlüğü iyileştirir ve güvenilir sonuçlar sağlar ( Legchenko ve diğerleri, 2010; Walbrecker ve diğerleri, 2011; Grunewald ve diğerleri, 2014; Grombacher ve diğerleri, 2016 ). Ölçüm ilerlemesini artırma stratejileri, yüzey NMR'nin gelecekteki uygulanabilirliğini geliştirecektir ( Costabel ve diğerleri, 2016; Grunewald ve diğerleri, 2016 ). Hidrojeoloji içerisinde yüzey NMR kabulünün daha da artması beklenmektedir.