مسح سيزمي

مبدأ العمل

يقوم مبدأ عمل الطرق الزلزالية للمسح الجيوفيزيائي على كون الموجات المرنة elastic waves تنتقل بسرعات مختلفة في الصخور المختلفة . والمبدأ هنا هو توليد هذه الموجات عند نقطة معينة ثم قياس زمن وصول الطاقة المنكسرة أو المنعكسة عن أسطح الأجسام الموجودة بين التكوينات الصخرية والطبقات الأرضية لعدة نقاط أخرى . وهذا يسهل عملية تحديد مواقع الأجسام المدفونة المطلوب استكشافها ، وما جعل الطرق السيزمية تفوق في أهميتها الطرق الأخرى هو أن البيانات التي تزدنا بها إذا عوملت وفسرت بشكل صحيح فإنها تعطي تفسيرات مثالية وفعالة . إن الطريقة القياسية لتوليد موجات زلزالية هي بواسطة وضع شحنة من الديناميت داخل بئر التفجير ، وقد حاول الباحثون إتباع طرق أخرى للحصول على الموجات الزلزالية أو السيزمية مثل جعل كتلة من الحديد تهوي فجأة على سطح الأرض weight – dropping ، أو باستعمال الاهتزازات الكهروديناميكية electrodynamics shaking ، إلا أن الطاقة الناتجة بواسطة هذه الطرق لا تعد كافية لهذه العملية لذلك فقد أصبحت ذات تطبيقات محدودة ولذلك فقد قام العلماء باستبدال طريقة التفجير كمصدر للموجات بطرق أخرى ، وعلى ما سبق نستطيع أن نصنف مصادر الموجات السيزمية الحالية إلى ما يلي :

1- متفجرات كيميائية صلبة ( مثل الديناميت ، أو كوسيسaqua sis ، مادة الفليكسويتر flexotri ، البريماكورد primacord ، مادة الماكسيبالس maxi pulse ) وكل هذه الأسماء تجارية .

2- مصادر الهواء المضغوط compressed air sources : مثل par ، السيزموجيت أو الموجات الزلزالية النفاثة seimojet والتيراباك terrapak .

3- مصادر الطاقة الكهربائية والتي تعتمد بفعلها على حركة مفاجئة لمكبس piston ، أو صفيحة باستخدام أجهزة نقل الطاقة transducer (كما في الأنين أو الأزيز boomer أو في فرقعة المحرك piston أو في التحسس الصوتي sonoprobe ، والطيف الشراريsparka array.

4- المفجرات الغازية gas exploders ، مثل نبضات التعريف acquapules والدانوزيز dinoseis ، والنبضات المثلثية الشكل delta pulse .

5- مصادر الدفع الميكانيكية mechanical impulse sources كالدق hummer والضغط باليد .

6- مصادر الانفجار الداخلية implosive sources مثل طاقة المياه hydroseis .

7- مصادر تذبذبية vibratory sources ، الفايبروسيز vibroseis .

والجدير بالذكر أن طريقة المصادر التذبذبية تصنف بشكل مستقل لوحدها بالاستناد إلى إشارة الموجة الداخلة المستمرة continuous input signal ، أما الطر ق الأخرى فينتج عنها نبضات تقليدية مفاجئة ذات فترة زمنية قصيرة ، كما أن اختيار الطريقة يعتمد فقط على متطلبات التشغيل وإنجاز عمليات المسح . ( بارستس ، 1990: 254- 256 )

الأجهزة المستعملة في الطرق السيزمية

يتم استعمال مجموعة أجهزة متكاملة في عملية القياس فوق سطح الأرض عند استعمال الطرق السيزمية وهذه الأجهزة هي :

1- المستقبل  : detector

وهذا الجهاز هو الذي يعمل على تبيان وصول الموجات السيزمية ، وأجهزة الاستقبال متنوعة من حيث الخصائص الطبيعية التي يعتمد عليها كل نوع في أدائه ، وفيما يلي وصف مختصر لتركيب وعمل جهاز الاستقبال الكهرومغناطيسي : يتكون هذا النوع من أجهز الاستقبال من ملف ومغناطيس موصولان بالإطار الخارجي ، بحيث يكون أحدهما مثبتا بشكل تام في الإطار ويتحرك معه بنفس المقدار ، بينما يتصل الآخر بالإطار اتصالا بحيث يعطيه حركة حرة بحيث تختلف حركته عن حركة الإطار ، ويكون الملف مثبتا بإطار الجهاز بينما يكون المغناطيس متصلا بالإطار بواسطة زنبركين ، فإذا ما تحرك الجهاز رأسيا نتيجة للحركة الرأسية لسطح الأرض والتي تحدثها موجات الضغوط ، فإن الملف يتحرك بنفس المقدار الذي يتحرك به الجهاز بينما تختلف حركة المغناطيس ، وينتج عن الاختلاف في حركة الملف والمغناطيس أن يتولد تيار كهربائي يمكن قياسه .

2- المكبر amplifier:

وهو جهاز إلكتروني ، الغرض منه تكبير خواص التيار الكهربائي الخارج من المستقبل حيث يمكن تسجيله بوضوح.

3- المكثف filter  :

والغرض منه فصل ما تحدثه المؤثرات الخارجية واستبعادها عن ناتج حركة الأرض ، ومن أمثلة هذه المؤثرات الرياح وتحركات القشرة الأرضية .

4- المسجل recorder  :

وهي أجهزة تستخدم لتسجيل ناتج أجهزة الاستقبال بعد تكبيرها وتكثيفها وتستخدم أيضا لتسجيل اللحظة التي تنطلق فيها أول موجة إلى باطن الأرض. ( المرجع السابق: 235-236 )

مصادر الموجات السيزمية

هنالك عدة طرق تستخدم لإحداث الموجات السيزمية على سطح الأرض حتى تنتشر في باطنها ثم تعود لترتد ثانية إلى السطح ، حيث يتم تسجيل وتحليل النتائج للحصول على المعلومات المختلفة والطرق المستخدمة بنجاح وفاعلية هي :

1- الإنفجارات :

حيث يتم حفر الحفر على سطح الأرض ثم يوضع في هذه الحفر كميات من الديناميت ، وما إن يتم تفجير هذه المتفجرات حتى تتولد الضغوط على السطح ، وينتج عن ذلك توليد الموجات السيزمية ، وهذه الطريقة هي الأكثر فاعلية فيما إذا أريد الوصول إلى أعماق كبيرة .

2- بأن يتم إسقاط كتلة يصل وزنها إلى حوالي ثلاث أطنان من ارتفاع يصل إلى 1.50 مترا ، وهذا يعمل على إنتاج ضغط مفاجئ على سطح الأرض مسببا في انتشارا الموجات في باطن الأرض .

3- الضغوط المترددة:

وتتلخص هذه الطريقة في إحداث موجات ضغط متردد على سطح الأرض، إلا أن هذا الضغط عادة يكون صغيرا إذا ما قورن بالضغوط التي يتم إنتاجها بواسطة الطريقتين السابقتين، وبناء على فإن استخدام هذه الطريقة مقتصر على مسح الأعماق الصغيرة.

الأجهزة ومصادر الموجات المستخدمة في الكشف عن الطبقات المحدودة العمق

إذا كان هدف الباحث من المسح هو الكشف عن نوع التربة والصخور وتحديد أعماق أو تحديد منسوب المياه في جوف الأرض أو الكشف عن طبقات أثرية قريبة من السطح ومحدودة العمق بحيث لا يزيد عمقها عن حوالي ثلاثين مترا فإن الأجهزة التي تستخدم في مثل هذه الحالات تكون أبسط كثيرا من الأجهزة السابقة ، كما وتختلف أيضا في طرق تكوين الموجات السيزمية عند سطح الأرض ، ويتكون هذا الجهاز من الأجزاء التالية  :

1- السيزموجراف seismograph  :

في الشكل المرافق يرمز له بالحرف (أ) وهو الجهاز الذي يقيس الزمن الذي تستغرقه الموجة أثناء سريانها من المصدر إلى المستقبل ، وتظهر قراءة الزمن مباشرة ومسجلة بوحدة القياس ( المللي ثانية وهي تساوي1000/1 من الثانية ) وهو يقابل المسجل في الجهاز السابق .

2- المستقبل:

وهو يسمى أيضا بالسماعة الأرضية geophone ويرمز له بالشكل المرافق بالحرف (ب) ويوضع هذا الجهاز على الأرض ويتصل بالسيزموجراف عن طريق سلك معزول يرمز له بالكل بالحرف (ج) . 3- مطرقة بوزن أربعة كيلو غرامات ويرمز لها بالحرف (د) وهي تستعمل لتكوين الموجات السيزمية وذلك عن طريق الطرق على قرص معدني (ه) موضوع على سطح الأرض ، وتتصل يد المطرقة بالسيزموجوغراف بواسطة سلك معزول (و) ، ويتم تزويدها بمفتاح كهربائي يعمل على توصيل الدارة عندما تلامس المطرقة القرص المعدني ، فيتسبب التيار الكهربائي في تحريك علامة إلكترونية على السيزموغراف تتوقف عند وصول الموجة إلى المستقبل ، وبناء على ذلك يتم قياس الزمن .

ولأجل تشغيل هذا الجهاز يكتفى برجلين أحدهما يطرق على القرص المعدني بالمطرقة والأخر يسجل الأزمنة على السيزموجراف ، ويوضع القرص المعدني على مسافات تبداء من ثلاثة أمتار من المستقبل وتتزايد بنفس القدر إلى أن تصل إلى حوالي ثلاثين مترا ، وفي كل مرة يسجل الزمن والمسافة بين المصدر والمستقبل . ( المرجع السابق: 236 – 237 )

ومن أهم مميزات هذه الطريقة هي السرعة، فالوقت اللازم لعملية الكشف عن طبقات بسمك يصل إلى حوالي ثلاثين مترا لا يستهلك أكثر من نصف ساعة، وهذه الصفة تعطيها أفضلية أفضلية عظمى على طرق التثقيب العادية مما يبرر كثرة استعمال هذه الطريقة في حالات كثيرة مثل أعمال الأساسات .

طرق القياس السيزمي

1- طريقة الانكسار السيزمي :

وتعتمد هذه الطريقة على قياس سرعة الموجات المنكسرة عن الطبقات الفاصلة داخل باطن الأرض وهي تختلف من حالة لأخرى وفقا لعدد الطبقات التي تسري بها الموجات السيزمية ، فقد تكون عبارة عن طبقتين أو ثلاثة أو طبقات متعددة (أكثر من ثلاثة ) أو عبارة طبقات بطيئة السرعة أو الطبقات التي تزداد بها السرعة بازدياد العمق. وتختلف طريقة القياس في كل نوع من هذه الطبقات اعتمادا على مدى الاختلاف في نوعية هذه الطبقات من حيث مكوناتها وخصائصها الفيزيائية والسيزمية ، ولكل واحدة من هذه الحالات قوانينها الرياضية الخاصة بها لحساب سرعة انتقال الموجات السيزمية فيها ، وهذه القوانين تعتمد على الاختلافات السابقة الذكر .

2- طريقة الانعكاس السيزمي :

وفي هذه الطريقة يتم حساب أعماق أسطح الانفصال بين الطبقات المختلفة من واقع القياسات التي تؤخذ للموجات التي تنعكس عند هذه الأسطح ، فإذا تحدد الزمن الذي تستغرقه الموجة في سريانها من المصدر إلى سطح الانعكاس ومنه إلى المستقبل على سطح الأرض ، وإذا عرفت سرعة سريان الموجات الطولية في الطبقات التي تسري خلالها الموجات ،أمكن حساب سمك كل طبقة ، وقد تكون هذه الطبقات أفقية أو طبقات تفصلها أسطح مائلة . ( بارستيس ، 1990 : 266 -288 ؛ عبدو ، 1992 : 238 - 254 )

الطريقة الحقلية field procedure

عندما يتم تحديد منطقة الاستكشافات ، فإن أول ما يقوم به الباحثون في عملية المسح السيزمي هو اختيار مواقع آبار التفجير ( shot –holes ) .

ويتم تهيئة هذه الآبار عن طريق الحفر اليدوي auguring إذا الهدف هو الحصول على حفر غير عميقة ( shallow holes ) ، أما إذا أريد الحصول على آبار استكشافية عميقة فيتم استخدام أجهزة مناسبة لهذه الغاية ، وقد يصل عمق هذه الآبار في هذه الحالة إلى مئة متر أو أكثر ، بالإضافة إلى ذلك فإن كتلة شحنة التفجير الديناميت تتراوح من بضعة غرامات إلى بضعة كيلو غرامات ، لذا فإن عمق الآبار وكتلة شحنة التفجير هما العوامل الأكثر أهمية والتي تسيطر على نوعية تسجيلات السيزموغراف .

أما الخطوة الثانية هي وضع السماعات الأرضية بقوة على سطح الأرض وأحيانا تدفن جزئيا تحت سطح الأرض ، ويتم وضع المجسات في معظم أعمال الاستكشاف الجيوفيزيائي على طول خط مستقيم ( يعرف بتسجيلات القطاع الجانبي ) ، حيث يمر بجميع النقاط على السطح ويكون عموديا على بؤرة نقطة التفجير epicenter على السطح ، ولهذا السبب تسمى هذه الطريقة بالتفجير الخطي profile shooting وقد تم استعمال أنماط أخرى من التفجيرات الزلزالية . بعد ذلك يتم وصل المجسات بجهاز التسجيل بواسطة أسلاك طويلة ، كذلك تربط مضخات الإشارة مع مرشحاتها بصورة جيدة ، وبعد أن يبدأ فلم التسجيل بالدوران ، عندها يشغل التفجير ، وبعد عدة ثوان يوقف دوران الفلم عندما تكون حركة الأرض قد سكنت لحد كبير ، كما أن لحظة التفجير تسجل على فلم التصوير كانقطاع في التتابع المستمر الموجود عند أحد حافات الفلم .