روش های الکترومغناطیس در ژئوفیزیک کاربردی

در این پژوهش روشهای سنجش محتوای آّب موجود در خاک تحت بررسی و مطالعه قرار گرفته اند. روشهای مورد نظر این تحقیق شامل روشهای الکترومغناطیسی نظیر روش بازتاب سنجی در حوزه زمان (TDR) و روش رادار نفوذی به زمین GPR)) می شوند. در بخش اول مطالب مقدماتی درباره هیدرولوژی خاک و روشهای سنجش آب موجود در خاک ارائه می شود. در ادامه در فصل اول این پژوهش تئوریهای مربوط به انتشار امواج الکترو مغناطیس و نحوه عملکرد روشهای الکترومغناطیسی تحت بررسی قرار می گیرند. در فصل دوم روشبازتاب سنجی در حوزه زمان مطالعه می شود. در ادامه و در فصل سوم روش رادار نفوذی درون زمین را مطالعه و بررسی می نماییم. در فصل چهارم آزمایشات انجام شده جهت سنجش محتوای آب و نحوه بکار گیری دستگاه ها را تشریح نموده و دستگاه و نرم افزار بکار رفته را معرفی می نماییم و همچنین روش ارزیابی اندازه گیریها را بیان می کنیم. در پایان در فصل نتیجه گیری و تفسیر، نتایج حاصل از این پژوهش را بصورت کامل ارائه می نماییم.

فهرست مطالب

مقدمه. 1

1- تئوری.. 7

1-1- انتشار موج الکترومغناطیس در ماده7

1-1-1- معادلات مکسول و فرض های اولیه. 7

1-1-2- رسانش الکتریکی.. 8

1-1-3- گذردهی دی الکتریک.... 10

1-1-4- انتشار امواج الکترومغناطیس.... 13

1-2- امواج هدایت شده / نظریه خطِ انتقال.. 17

1-3- سنجش خواص مواد با استفاده از امواج الکترومغناطیس.... 18

1-3-1- ضریب بازتاب... 18

1-3-2- مفهوم موجک.... 19

1-4- گذردهی دی الکتریک نسبی خاک... 20

1-4-1- گذردهی نسبی آب... 20

1-4-2- گذردهی نسبی ترکیبی.. 22

2- بازتاب سنجی در حوزه زمان.. 24

2-1- اصول اندازه گیری.. 26

2-2- بدست آوردن گذردهی دی الکتریک نسبی از روی سیگنال TDR.. 28

2-3- حجم اندازه گیری.. 30

2-4- رسانش الکتریکی.. 31

2-5- نکات کاربردی.. 33

3- رادار نفوذی در زمین.. 35

3-1- اصول اندازه گیری.. 38

3-2- سیستم اندازه گیری.. 42

3-3- چیدمان های اندازه گیری.. 42

3-3-1- هم دور افت (CO)42

3-3-2- چند دورافت: هم میان نقطه و بازتاب و انکسار زاویه باز44

3-3-3- GPR چندکاناله. 47

3-4- اتلاف انرژی و عمق نفوذ. 50

3-5- تفکیک پذیری سیگنال.. 53

3-6- نکات کاربردی.. 53

4- بخش آزمایشگاهی.. 55

4-1- ساختار و اهداف آزمایش.... 55

4-2- نکات راهنمای آزمایش.... 55

4-3- بخش اول: اندازه گیری های آزمایشگاهی با استفاده از TDR.. 56

4-3-1- اصول: انجام اندازه گیری های TDR.. 56

4-3-2- آماده سازی: واسنجی حسگرهای TDR.. 58

4-3-3- اندازه گیری: سیگنال های TDR از یک ستون ماسه. 58

4-3-4- اندازه گیری: برآورد تأثیر رسانش.... 60

4-4- بخش دوم: اندازه گیری های صحرایی.. 61

4-4-1- چک لیست تجهیزات... 61

4-4-2- اندازه گیری ها63

4-4-3- جمع بندی وظایف... 67

4-5- راهنمای برنامه ها و الگوریتم های مورد استفاده برای برداشت و ارزیابی داده ها68

4-5-1- برداشت سیگنال های TDR با استفاده از PCTDR.. 68

4-5-2- ارزیابی سیگنال های TDR.. 72

4-5-3- برداشت داده های GPR با استفاده از K2. 73

4-5-3-1- برداشت یک اندازه گیری چند کاناله. 73

4-5-3-2- تفاوت های انجام اندازه گیری های CMP. 76

4-5-4- ارزیابی داده های رادار نفوذی به زمین.. 76

4-5-4-1- ارزیابی توسط PickniG.. 78

4-5-4-2- ارزیابی توسط PiG.. 82

4-6- ارزیابی اندازه گیری ها89

4-6-1- بخش اول: اندازه گیری های آزمایشگاهی با استفاده از TDR.. 90

4-6-1-1- توصیف کیفی سیگنال های TDR.. 90

4-6-1-2- واسنجی حسگرهای TDR.. 90

4-6-1-3- ارزیابی سیگنال های TDR بدست آمده از ستون ماسه. 91

4-6-1-4- برآورد تأثیر رسانش.... 91

4-6-2- بخش دوم: اندازه گیری های صحرایی.. 91

4-6-2-1- ارزیابی داده های اندازه گیری شده91

5- نتیجه گیری و تفسیر. 94

مراجع.. 100

 فهرست جداول

 جدول 4-1- ساختار فایل واسنجی...........................................................................................................102

 فهرست شکلها و نمودارها

 شکل 2-1- اصول اندازه گیری ردیاب TDR و سیگنال نمونه...............................................................39

شکل 2-2- تعیین زمان سیر از روی سیگنال TDR................................................................................41

شکل 2-3- کسرهای حجمی از کل حجم نمونه گیری (a) فاصله میله ها : قطر میله ها = 10 (b) فاصله میله ها : قطر میله ها = 5.........................................................................................................................42

شکل 2-4- سیگنال های TDR مورد استفاده برای بدست آوردن رسانش الکتریکی. توجه داشته باشید که دستگاه TDR100 بکار رفته در این دوره عملی، مستقیماً ولتاژهای اندازه گیری شده را به ضرایب بازتاب تبدیل می کند..............................................................................................................................44

شکل 3-1- اصول اندازه گیری رادار نفوذی به زمین...............................................................................50

شکل 3-2- مسیرهای سیر انواع مختلف امواج GPR در یک خاک دو لایه با مقادیر گذردهی نسبی متفاوت..........................................................................................................................................................50

شکل 3-2- مسیرهای سیر انواع مختلف امواج GPR در یک خاک دو لایه با مقادیر گذردهی نسبی متفاوت...........................................................................................................................................................51

شکل 3-3- رد GPR. توجه داشته باشید که یک موجک همواره از تعدادی «جنبش[1]» تشکیل می شود که در قالب مجموعه ای از خطوط در رادارگرام نمایش داده می شوند.............................................52

شکل 3-4 (a) منشأ یک رادارگرام. دامنه هایی که از یک مقدار مثبت یا منفی از پیش تعریف شده، فراتر روند، به صورت رنگی نمایش داده می شوند. در این نمونه، دامنه های منفی به رنگ ابی و دامنه مثبت به رنگ قرمز نمایش داده شده اند؛ اصلاح شده از روی مقاله (رینولدز[2]، 1997). (b) رادارگرام نمونه.........................................................................................................................................................53

شکل 3-5- ساخت و ابعاد یک جعبه آنتن IDS (MHz 200).............................................................53

شکل 3-6- هم دور افت.................................................................................................................................54

شکل 3-7- هم میان نقطه.............................................................................................................................57

شکل 3-8- رادارگرام CMP..........................................................................................................................57

شکل 3-9- بازتاب و انکسار زاویه باز...........................................................................................................58

شکل 3-10- سیستم آنتن ها........................................................................................................................61

شکل 3-11- فرایندهایی که منجر به کاهش قدرت سیگنال می شوند (رینولدز، 1997) .............65

شکل 4-1- دستگاه TDR100......................................................................................................................70

شکل 4-2- نمایی از چیدمان اندازه گیری برای ستون خاک................................................................73

شکل 4-3- چیدمان سیستم آنتن GPR....................................................................................................75

شکل 4-4- رادارگرام یک اندازه گیری واسنجی در انتهای یک پروفایل چند کاناله: بخش (i) آخرین بخش از پروفایل؛ (ii) برخی از ردهای اضافی در فاصله جدایش آنتن مورد استفاده در انتهای پروفایل؛ (iii) ردهای برداشت شده با آنتن های گردانده شده به سمت جانبی؛ (iv) افزودن چند رد به همان موقعیت باز هم مانند (ii)؛ (v) اندازه گیری مینی WARR: کشیدن آنتن عقبی به فاصله نزدیکتری از آنتن جلویی (vi) چند رد دیگر که در موقعیت نهایی و بعد از (v.) برداشت شده اند. همچنین اولین مقدار کمینه سیگنال بوسیله خطوط رنگی در هر مقطع مشخص شده است...............80

شکل 4-5- نمایی از نرم افزار PCTDR.....................................................................................................81

شکل 4-6- پنجره آغازین برنامه K2...........................................................................................................87

شکل 4-7- تنظیمات صحیح برای سیگنال یک کانال اندازه گیری.....................................................91

شکل 4-8- پنحره انتخاب برداشت..............................................................................................................91

شکل 4-9- برداشت یک رادارگرام...............................................................................................................92

شکل 4-10- پنجره PickniG. در بالا می توانید توابع را فراخوانی کرده و برخی از خواص تصویر را تنظیم کنید، در حالیکه رادارگرام در وسط سمت چپ نشان داده می شود. پنجره «نمایش جزء (Component View)» همه رادارگرام های باز شده را همراه با مراحل پردازشی و ساختار داده های آنها (مانند پیک ها) نشان می دهد. اگر افزونه ها را بارگذاری کرده باشید، فیلدهای متناظر با آنها در پایین نمایش داده خواهد شد و شما می توانید پارامترهای افزونه ها را در آن وارد کنید......................96

شکل 5-1- مغناطیس سنج پروتون PM-1A.......................................................................................111

شکل 5-2- مگنتومتر GPS دار كانادایی...............................................................................................111

شکل 5-3- دستگاه GPR ساخت شرکت مالاکشور سوئد..................................................................112