المتوسل لله
محلل حر
- 1 أغسطس 2021
- 193
- 363
- 63
السلام عليكم ورحمة الله تعالى وبركاته....
قبل أن نتطرق إلى الأجهزة الجيوفزيائية وجب علينا فهم ما هي الجيوفزياء التطبيقة...
بما أن الأرض ليست شفافة مثل السماء أو البحيرة ذات المياه الصافية فلا توجد طريقة لاستكشافها بحواسنا ولو حتى ملميمتر تحت أقدامنا، وجب علينا استكشافها بمعدات أو أجهزة ترتكز على مفاهيم علمية لقياس مقادير لا نستطيع هي الأخرى إدراكها بجميع حواسنا مثل الحقل المغناطيسي أو التيار الكهربائي مثلا ...
وكأن هذه الأجهزة هي امتداد لهاته الحواس، وفي حالة استكشاف ما تحت الأرض فهي تعتبر الوسيلة الوحيدة التي تقوم مقام هاته الحواس...
بما أننا لا نستطيع أن نرى الحقول الفيزيائية (مثل الحقل الكهربائي أو المغناطيسي) الفكرة هنا هي ترجمة القيم المأخوذة أو المقاسة من طرف هذه الأجهزة إلى خرائط أو رسومات بيانية والتي بدورها تعطينا فكرة عما يوجد تحت أقدامنا....
لنأخذ ثلاثة أمثلة:
1-التيار الكهربائي فهو يخترق بكل سهولة طبقات الأرض وإن لم يكن كذلك فأين يذهب البرق وأيضا ما هو نفع المؤرض؟
لكن في المقابل تختلف درجة الموصلية من طبقة إلى أخرى فمثلا نجد أن موصلية الطين أكثر بألف مرة موصلية القرانيت...
2-الحقول المغناطيسية: وهي التي توجه البوصلة فهي الأخرى تخترق بكل سهولة طبقات الأرض إلا إذا وجدت في طريقها سد منيع معدني مثل الخرسانة المسلحة...
3-الموجات الصوتية ومن الأفضل التحدث عن الموجات الزلزالية ، لكنها نفس الفيزياء: اضطراب ميكانيكي ينتشر على مسافات بعيدة.
نريد من خلال الجيوفيزياء التطبيقية أن نرى ما يحدث تحت أقدامنا، (من بضعة سنتميمترت إلى بضعة أمتار) ما لم يرد أحدنا أن ينقب عن النفط، في هذه الحالة نحن نتكلم عن جيوفزياء الأرض، ويجب زيادة الوسائل .
"الرؤية" في المادة هي شيء يمكن أن يفعله التصوير الطبي أيضًا مع الأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب بالرنين المغناطيسي ، والتصوير بالرنين المغناطيسي ، والعديد من الطرق الأخرى.
بنفس الطريقة التي يفسر بها الدماغ الإشارات التي تثير حواسنا، يجب على الجيوفيزيائي (التطبيقي) أن يفسر (عن طريق التفكير ، ولكن أيضًا من خلال الاعتماد على خبرته المتراكمة وتجربته) "البيانات" ، و " الملاحظات "، و" التدابير "، لاستنتاج شيء منه ، برسم الخرائط للمقاطع السفلية.
يجب أن لا نحلم أيضا برؤية مثلا هيكل عظمي على الشاشة فهناك حدود مادية سنعود إليها لاحقا... وتمنع أن يكون لها نفس دقة العين. (رأيت مؤخرا صورة جرة اظنها فارغة من قمر صناعي وضعها صاحبها دون حياء لينصب على الناس وسأرد عليه إن شاء الله لاحقا بمواضيع علمية تثبت وتبين زيفه وكذبه في هذا الموضوع ومواضيع أخرى مثل أجهزة تقيس حقول مغناطيسية ثانوية وهمية من وحي الخيال!!!...)
الجيوفيزياء التطبيقية تساعد على إيجاد وتوصيف طبقات المياه الجوفية مثلا أو تحديد معالم التربة التي يمكن من خلالها، مع بعض المعلومات الإضافية (السياق الجيولوجي على سبيل المثال)، تحديد طبيعة وهندسة التربة السطحية في القطاع الذي يستكشفه المرء فهي تسمح، إلى حد ما، بتحديد موقع الخلل، أو سماكة الغطاء الطيني مثلا، وأشياء أخرى كثيرة، مثل تحديد المناطق الملوثة، أو العثور على أجسام معدنية مدفونة أو رسم أساسات لمعلم أو مباني قديمة.
الجيوفيزياء التطبيقية ليست حلا سحريا. فهي بالمعنى الأدق والأصح تقول لك ما ليست عليه البنية التحتية على ما هي عليه وعن طريق دحض الإحتمالات الأخرى تستطيع أن تحدد ما هيتها...
وبما أن الأجهزة الجيوفزيائية ليست متوفرة كتوفر الهواتف الذكية والسيارات وأثمانها مرتفعة وفي بعض الأحيان باهضة خصوصا عند زيادة التحسينات فيها وتطبيقاتها الميدانية لفهم بيانات والخرائط غير متوفر فهل ذلك يعني أن الجيوفزياء مقتصرة فقط على الأغنياء؟؟؟
من أجل هذا أرتأيت أن أكتب هذا الموضوع لأثبت العكس إن شاء الله، لأن معظم التقنيات المستعملة في الجيوفزياء مهما تطورت فتبقى قريبة جدا للأفكار الأولى المؤسسة لها والتي هي في غالب الأحيان بسيطة والأختلاف الوحيد هو التسهيلات لربح الوقت في الأجهزة المتطورة وفي بعض الأحيان الأخرى يكمن الفرق في حجم هذه المعدات خصوصا بعد ظهور التصغير في القطع المكونة لها (مثال المستشعرات أو الكابتار) وفي أحيان أخرى بعض القياسات التي كانت صعبة جدا في الماضي أصبحت سهلة التنفيذ في الحاضر.
يتمثل طموح هذا الموضوع المطروح في إتاحة الوصول إلى جميع التقنيات المستخدمة في العالم المهني للجيوفيزياء التطبيقية. طبعا ليس كل الطرق لكن الرئيسية منها (الإستكشاف الجيوكهربائي، الأستكشاف المغناطيسي، الإستكشاف الكهرومغناطيسي) وربما يمكن تمديد هذا النهج في المستقبل القريب، خصوصا بعد إضفاء الطابع الديمقراطي على المستشعرات بجميع أنواعها وسهولة متزايدة في رقمنة وتخزين الإشارات...
سنتطرق في بداية الأمر للأستكاف الجيوكهربائي...
الإستكشاف الجيوكهربائي:
يعد الإستكشاف الجيوكهربائي (Geo-Electrical Exploration) من أكثر الطرق الجيوفزيائية شيوعا وتنوعا، وذلك لسهولة استخدامه وتعدد تطبيقاته وبساطة أجهزته، تعتمد هذه الطريقة على قياس فرق الجهد أو قياس المجال المغناطيسي المرافق لمرور التيار الكهربائي داخل طبقات الأرض ...
لنأخذ مثالا في البداية:
لنأخذ مولد كهربائي (بطارية مثلا) أو من الأحسن مولد كهربائي لتيار متناوب، ونشكل النظام التالي:
ننقل الجهد الناتج عن طريق المولود الكهربائي عن طريق سلكين باتجاه قطبين A و B (قضيبين معدنيين بسيطين مغروسان بالأرض) ويتم توصيل جهاز حساب الفرق في الجهد (الفولتمتر) بين قطبين أخرين نسميهما M و N والأقطاب الكهربائية بعيدة عن بعضها البعض (على الأقل 20 متر لترسيخ الفكرة) باستثناء A و M فالمسافة بينهما تبقى دوما 1متر، الشكل الأتي يوضح هذا النظام...
يتم تحريك الرواق على المساحة المراد استكشافها ونسجل جميع القياسات في منتصف الرواق.
لنعتبر القيمة 
(رو a)والتي تسمى المقاومية الظاهرية (وحدتها أوم.متر)
وتحسب بالمعادلة التالية:
حيث ΔV هي الفرق في الجهد المقاس بواسطة جهاز الفولت-متر
و I هي التيار الكهربائي المقاس بواسطة جهاز الأمبير متر
و a المسافة بين النقطتين A و M في هذه الحالة يساوي 1متر.
تعرف المقاومة الظاهرية على أنها مقدار تحمل التربة لتدفق التيار الكهربائي.
في مثال الأتي نوضح كيف يؤدي وجود جدار أساس بناية (أكثر مقاومة من الوسط على سبيل المثال) إلى زيادة المقاومة الظاهرية، وطالما كانت منطقة الجدار منتظمة فإنه من الطبيعي جدا أن نكشف على هذه الشاذة (الجدار) على طول المساحة المراد إستكشافها...
بتحريك الرواق متر من بعد متر على طول المصفوفة نتحصل على خريطة مقاومة واضحة كما هو موضح في الخريطة التالية:
في هذه المثال اخذت حوالي 10.000 نقطة قياس وهو ما يوازي عمل يوم بأكمله، ويوضح المثال أساسات بناء أثرية لمزرعة رومانية...
يتطلب رسم خرائط مثل تلك المقدمة في المثال السابق برنامجا متخصصا مثل برنامج Surfer تستطيع أن تستعمل أيضا برامج GIS مثل QGIS ، وهو مجاني وقوي ، أو تثبيت برنامج مفتوح المصدر مثل Scilab أو Mirone3
في الحالة العامة ، تكون البيانات ثنائية الأبعاد (س ، ع) عبارة عن مجموعة من N نقطة ذات قيم F
يمكن أن تكون النقاط (س ، ع) على مصفوفة منتظمة أو لا.
الخطوة الأولى هي استيفاء القيم على شبكة منتظمة فعليًا عند الخطوات (Δx ، Δ y) ، قبل رسم الخريطة (هذه البرامج تفضل هذا النوع من المصفوفات).
الطريقة المباشرة والطريقة المعكوسة: (Direct method, inverse method)
في الواقع، تصبح بعض المفاهيم أكثر وضوحًا عندما تتقن تقنية ما خصوصا مع التجارب الميدانية الأولى.
في الحياة اليومية ، يمكن إجراء العديد من القياسات باستخدام أدوات تعطي نتيجة فورية، مثلا عندما نقيس طول جسم باستعمال مسطرة مرقمة أو شدة تيار كهربائي باستعمال أمبيرمتر أو قياس الجهد باستعمال فولتميتر....
في الجيوفيزياء (وفي العديد من التخصصات الأخرى!) تحديد قياس ما ليس بالأمر السهل ولقد أعطانا العالم إراتوستينس (Eratosthenes) درسًا عن طريق قياس قطر الأرض!
نأخذ على سبيل المثال عمق "السقف" (الحد العلوي أو السطح) لخزان المياه الجوفية ، "سطح الماء". أسهل طريقة هي الحفر ثم قياس عمق المياه. لكن الهدف من الجيوفيزياء هو الحصول على هذه النتيجة على وجه التحديد دون إجراء حفر باهظ الثمن ... مما قد يُظهر أيضًا غيابًا تامًا للمياه. ومع ذلك ، للحصول على هذا العمق ، يقترح معظم الجيوفيزيائيين أن يفعلوا ما يسمى بالمسح الكهربائي الرأسي أو العمودي(SEV) ، وهو إرسال التيار في الأرض عن طريق قطبين (A و B) يسمى قطبا الإرسال ، وقياس الجهد على قطبين آخرين، ويسمى قطبا الأستقبال (M و N) سأوضح كل الطرق المستعملة بالتفصيل لاحقا...
من الممكن استخدام أربعة أقطاب متساوية المسافات، يتم إزالتها تدريجياً لحقن التيار لنتحصل على عمق أكبر وأكبر...
القياس هو مجموعة القيم للتيار والجهد {Vi , Ii , i = 1...N} مرتبطة بمجموعة من المسافات بين الإلكترودات {ai , i = 1... N} مع N هو عدد القياسات...
المثال التالي يوضح أنه كلما كانت المسافة بين قطبي الإرسال أكبر ، كلما كان التدفق أعمق... المثال في الصورة يوضح المفهوم...
قبل أن نتطرق إلى الأجهزة الجيوفزيائية وجب علينا فهم ما هي الجيوفزياء التطبيقة...
بما أن الأرض ليست شفافة مثل السماء أو البحيرة ذات المياه الصافية فلا توجد طريقة لاستكشافها بحواسنا ولو حتى ملميمتر تحت أقدامنا، وجب علينا استكشافها بمعدات أو أجهزة ترتكز على مفاهيم علمية لقياس مقادير لا نستطيع هي الأخرى إدراكها بجميع حواسنا مثل الحقل المغناطيسي أو التيار الكهربائي مثلا ...
وكأن هذه الأجهزة هي امتداد لهاته الحواس، وفي حالة استكشاف ما تحت الأرض فهي تعتبر الوسيلة الوحيدة التي تقوم مقام هاته الحواس...
بما أننا لا نستطيع أن نرى الحقول الفيزيائية (مثل الحقل الكهربائي أو المغناطيسي) الفكرة هنا هي ترجمة القيم المأخوذة أو المقاسة من طرف هذه الأجهزة إلى خرائط أو رسومات بيانية والتي بدورها تعطينا فكرة عما يوجد تحت أقدامنا....
لنأخذ ثلاثة أمثلة:
1-التيار الكهربائي فهو يخترق بكل سهولة طبقات الأرض وإن لم يكن كذلك فأين يذهب البرق وأيضا ما هو نفع المؤرض؟
لكن في المقابل تختلف درجة الموصلية من طبقة إلى أخرى فمثلا نجد أن موصلية الطين أكثر بألف مرة موصلية القرانيت...
2-الحقول المغناطيسية: وهي التي توجه البوصلة فهي الأخرى تخترق بكل سهولة طبقات الأرض إلا إذا وجدت في طريقها سد منيع معدني مثل الخرسانة المسلحة...
3-الموجات الصوتية ومن الأفضل التحدث عن الموجات الزلزالية ، لكنها نفس الفيزياء: اضطراب ميكانيكي ينتشر على مسافات بعيدة.
نريد من خلال الجيوفيزياء التطبيقية أن نرى ما يحدث تحت أقدامنا، (من بضعة سنتميمترت إلى بضعة أمتار) ما لم يرد أحدنا أن ينقب عن النفط، في هذه الحالة نحن نتكلم عن جيوفزياء الأرض، ويجب زيادة الوسائل .
"الرؤية" في المادة هي شيء يمكن أن يفعله التصوير الطبي أيضًا مع الأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب بالرنين المغناطيسي ، والتصوير بالرنين المغناطيسي ، والعديد من الطرق الأخرى.
بنفس الطريقة التي يفسر بها الدماغ الإشارات التي تثير حواسنا، يجب على الجيوفيزيائي (التطبيقي) أن يفسر (عن طريق التفكير ، ولكن أيضًا من خلال الاعتماد على خبرته المتراكمة وتجربته) "البيانات" ، و " الملاحظات "، و" التدابير "، لاستنتاج شيء منه ، برسم الخرائط للمقاطع السفلية.
يجب أن لا نحلم أيضا برؤية مثلا هيكل عظمي على الشاشة فهناك حدود مادية سنعود إليها لاحقا... وتمنع أن يكون لها نفس دقة العين. (رأيت مؤخرا صورة جرة اظنها فارغة من قمر صناعي وضعها صاحبها دون حياء لينصب على الناس وسأرد عليه إن شاء الله لاحقا بمواضيع علمية تثبت وتبين زيفه وكذبه في هذا الموضوع ومواضيع أخرى مثل أجهزة تقيس حقول مغناطيسية ثانوية وهمية من وحي الخيال!!!...)
الجيوفيزياء التطبيقية تساعد على إيجاد وتوصيف طبقات المياه الجوفية مثلا أو تحديد معالم التربة التي يمكن من خلالها، مع بعض المعلومات الإضافية (السياق الجيولوجي على سبيل المثال)، تحديد طبيعة وهندسة التربة السطحية في القطاع الذي يستكشفه المرء فهي تسمح، إلى حد ما، بتحديد موقع الخلل، أو سماكة الغطاء الطيني مثلا، وأشياء أخرى كثيرة، مثل تحديد المناطق الملوثة، أو العثور على أجسام معدنية مدفونة أو رسم أساسات لمعلم أو مباني قديمة.
الجيوفيزياء التطبيقية ليست حلا سحريا. فهي بالمعنى الأدق والأصح تقول لك ما ليست عليه البنية التحتية على ما هي عليه وعن طريق دحض الإحتمالات الأخرى تستطيع أن تحدد ما هيتها...
وبما أن الأجهزة الجيوفزيائية ليست متوفرة كتوفر الهواتف الذكية والسيارات وأثمانها مرتفعة وفي بعض الأحيان باهضة خصوصا عند زيادة التحسينات فيها وتطبيقاتها الميدانية لفهم بيانات والخرائط غير متوفر فهل ذلك يعني أن الجيوفزياء مقتصرة فقط على الأغنياء؟؟؟
من أجل هذا أرتأيت أن أكتب هذا الموضوع لأثبت العكس إن شاء الله، لأن معظم التقنيات المستعملة في الجيوفزياء مهما تطورت فتبقى قريبة جدا للأفكار الأولى المؤسسة لها والتي هي في غالب الأحيان بسيطة والأختلاف الوحيد هو التسهيلات لربح الوقت في الأجهزة المتطورة وفي بعض الأحيان الأخرى يكمن الفرق في حجم هذه المعدات خصوصا بعد ظهور التصغير في القطع المكونة لها (مثال المستشعرات أو الكابتار) وفي أحيان أخرى بعض القياسات التي كانت صعبة جدا في الماضي أصبحت سهلة التنفيذ في الحاضر.
يتمثل طموح هذا الموضوع المطروح في إتاحة الوصول إلى جميع التقنيات المستخدمة في العالم المهني للجيوفيزياء التطبيقية. طبعا ليس كل الطرق لكن الرئيسية منها (الإستكشاف الجيوكهربائي، الأستكشاف المغناطيسي، الإستكشاف الكهرومغناطيسي) وربما يمكن تمديد هذا النهج في المستقبل القريب، خصوصا بعد إضفاء الطابع الديمقراطي على المستشعرات بجميع أنواعها وسهولة متزايدة في رقمنة وتخزين الإشارات...
سنتطرق في بداية الأمر للأستكاف الجيوكهربائي...
الإستكشاف الجيوكهربائي:
يعد الإستكشاف الجيوكهربائي (Geo-Electrical Exploration) من أكثر الطرق الجيوفزيائية شيوعا وتنوعا، وذلك لسهولة استخدامه وتعدد تطبيقاته وبساطة أجهزته، تعتمد هذه الطريقة على قياس فرق الجهد أو قياس المجال المغناطيسي المرافق لمرور التيار الكهربائي داخل طبقات الأرض ...
لنأخذ مثالا في البداية:
لنأخذ مولد كهربائي (بطارية مثلا) أو من الأحسن مولد كهربائي لتيار متناوب، ونشكل النظام التالي:
ننقل الجهد الناتج عن طريق المولود الكهربائي عن طريق سلكين باتجاه قطبين A و B (قضيبين معدنيين بسيطين مغروسان بالأرض) ويتم توصيل جهاز حساب الفرق في الجهد (الفولتمتر) بين قطبين أخرين نسميهما M و N والأقطاب الكهربائية بعيدة عن بعضها البعض (على الأقل 20 متر لترسيخ الفكرة) باستثناء A و M فالمسافة بينهما تبقى دوما 1متر، الشكل الأتي يوضح هذا النظام...
يتم تحريك الرواق على المساحة المراد استكشافها ونسجل جميع القياسات في منتصف الرواق.
(رو a)والتي تسمى المقاومية الظاهرية (وحدتها أوم.متر)وتحسب بالمعادلة التالية:
حيث ΔV هي الفرق في الجهد المقاس بواسطة جهاز الفولت-متر
و I هي التيار الكهربائي المقاس بواسطة جهاز الأمبير متر
و a المسافة بين النقطتين A و M في هذه الحالة يساوي 1متر.
تعرف المقاومة الظاهرية على أنها مقدار تحمل التربة لتدفق التيار الكهربائي.
في مثال الأتي نوضح كيف يؤدي وجود جدار أساس بناية (أكثر مقاومة من الوسط على سبيل المثال) إلى زيادة المقاومة الظاهرية، وطالما كانت منطقة الجدار منتظمة فإنه من الطبيعي جدا أن نكشف على هذه الشاذة (الجدار) على طول المساحة المراد إستكشافها...
بتحريك الرواق متر من بعد متر على طول المصفوفة نتحصل على خريطة مقاومة واضحة كما هو موضح في الخريطة التالية:
يتطلب رسم خرائط مثل تلك المقدمة في المثال السابق برنامجا متخصصا مثل برنامج Surfer تستطيع أن تستعمل أيضا برامج GIS مثل QGIS ، وهو مجاني وقوي ، أو تثبيت برنامج مفتوح المصدر مثل Scilab أو Mirone3
في الحالة العامة ، تكون البيانات ثنائية الأبعاد (س ، ع) عبارة عن مجموعة من N نقطة ذات قيم F
يمكن أن تكون النقاط (س ، ع) على مصفوفة منتظمة أو لا.
الخطوة الأولى هي استيفاء القيم على شبكة منتظمة فعليًا عند الخطوات (Δx ، Δ y) ، قبل رسم الخريطة (هذه البرامج تفضل هذا النوع من المصفوفات).
الطريقة المباشرة والطريقة المعكوسة: (Direct method, inverse method)
في الواقع، تصبح بعض المفاهيم أكثر وضوحًا عندما تتقن تقنية ما خصوصا مع التجارب الميدانية الأولى.
في الحياة اليومية ، يمكن إجراء العديد من القياسات باستخدام أدوات تعطي نتيجة فورية، مثلا عندما نقيس طول جسم باستعمال مسطرة مرقمة أو شدة تيار كهربائي باستعمال أمبيرمتر أو قياس الجهد باستعمال فولتميتر....
في الجيوفيزياء (وفي العديد من التخصصات الأخرى!) تحديد قياس ما ليس بالأمر السهل ولقد أعطانا العالم إراتوستينس (Eratosthenes) درسًا عن طريق قياس قطر الأرض!
نأخذ على سبيل المثال عمق "السقف" (الحد العلوي أو السطح) لخزان المياه الجوفية ، "سطح الماء". أسهل طريقة هي الحفر ثم قياس عمق المياه. لكن الهدف من الجيوفيزياء هو الحصول على هذه النتيجة على وجه التحديد دون إجراء حفر باهظ الثمن ... مما قد يُظهر أيضًا غيابًا تامًا للمياه. ومع ذلك ، للحصول على هذا العمق ، يقترح معظم الجيوفيزيائيين أن يفعلوا ما يسمى بالمسح الكهربائي الرأسي أو العمودي(SEV) ، وهو إرسال التيار في الأرض عن طريق قطبين (A و B) يسمى قطبا الإرسال ، وقياس الجهد على قطبين آخرين، ويسمى قطبا الأستقبال (M و N) سأوضح كل الطرق المستعملة بالتفصيل لاحقا...
من الممكن استخدام أربعة أقطاب متساوية المسافات، يتم إزالتها تدريجياً لحقن التيار لنتحصل على عمق أكبر وأكبر...
القياس هو مجموعة القيم للتيار والجهد {Vi , Ii , i = 1...N} مرتبطة بمجموعة من المسافات بين الإلكترودات {ai , i = 1... N} مع N هو عدد القياسات...
المثال التالي يوضح أنه كلما كانت المسافة بين قطبي الإرسال أكبر ، كلما كان التدفق أعمق... المثال في الصورة يوضح المفهوم...
التعديل الأخير بواسطة المشرف:
