jeotermal aramalarda kullanılan elektrik ve elektromanyetik yöntemler

ULUSLARARASI JEOTERMAL ENERJİ ÇALIŞTAYI
Ahmet Tuğrul BAŞOKUR
JEOTERMAL ARAMALARDA KULLANILAN
ELEKTRİK VE ELEKTROMANYETİK
YÖNTEMLER
Ahmet Tuğrul BAŞOKUR
Ankara Üni., Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Müh. Böl., Tandoğan 06100 ANKARA
[email protected]
Özet— Jeotermal akışkanların oluşturduğu etkilerin saptanmasında, elektriksel iletkenlik değişiminin kullanılması en
etkili yaklaşımlardan biridir. Bu nedenle, iletkenlik değişiminden yararlanan, doğal gerilim, elektriksel özdirenç
tomografisi (ERT), VLF, etkisel uçlaşma (IP), yapay veya doğal kaynaklı AMT ve manyetotellürik yöntemleri jeotermal
aramalarda kullanım alanı bulmaktadır.
Yöntem seçimi, araştırma derinliği ve proje amacı ile bütçesine bağlıdır. Sığ derinlikler için yukarıda anılan
yöntemlerden biri veya birkaçı istenilen ayrımlılığa göre tercih edilebilir. Ancak, görece derin hedefler (örneğin 300
metreden daha derin) için manyetotellürk yöntem (kullanılmasını kısıtlayan özel bir durum yok ise) tek seçenek haline
gelmektedir. Manyetotellürik (MT) yöntemde, zamana karşı ölçülen doğal elektrik ve manyetik alanlara bazı veri-işlem
tekniklerinin uygulanması ile çeşitli MT nicelikleri türetilmekte ve MT verisinden ters-çözüm işlemi ile yer altı
özdirenç dağılımına ait bir model elde edilebilmektedir. Bu fiziksel modelin jeotermal aramalar açısından
anlamlandırılması ve hesaplanan yeraltı özdirenç modeli ile jeotermal sistemin ve jeolojik yapıların ilişkilendirilmesi ile
ilgili bir örnek verilmiştir.
1. GİRİŞ
Jeotermal akışkan dolaşımı nedeni ile
geçirgenlik ve gözenekliliğin artması elektriksel
özdirenç değerlerini etkilemektedir. Elektrik ve
elektromanyetik
yöntemlerde,
yeraltındaki
dağılımı hesaplanmaya çalışılan fiziksel özellik
maddenin özdirenci olduğundan, bu yöntemler
jeotermal aramalarda hem doğrudan rezervuar
yerinin saptanması hem de yapısal jeolojinin
çıkarılmasında kullanılabildiğinden, bir bütün
olarak
jeotermal
sistemin
özelliklerinin
anlaşılmasında oldukça etkilidir. Diğer elektrik ve
elektromanyetik yöntemler ile karşılaştırıldığında,
manyetotellürik yöntemin arazi uygulaması daha
kolaydır. Ayrıca, kullanılan frekans aralığına bağlı
olan araştırma derinliğinin inceleme amaçlarına
göre denetlenebilmesi olanaklıdır. Bu nedenle,
jeotermal çalışmalarda birincil arama yöntemidir.
Ancak, veri-işlem aşaması diğer jeofizik
yöntemlere göre daha zaman alıcıdır, deneyim ve
özel uzmanlık gerektirir.
2. SIĞ AMAÇLI JEOFİZİK YÖNTEMLER
Doğal gerilim yöntemi, hidrotermal çevrim
nedeni ile yer içerisinde oluşan elektriksel gerilim
ULUSLARARASI JEOTERMAL ENERJİ ÇALIŞTAYI
Ahmet Tuğrul BAŞOKUR
farklarından yararlanır. Uzun süreli hidrotermal
etkinliğin değişimi hakkında doğal gerilim
ölçümlerinden yararlanılabilir. Ölçüm aygıtları
görece yalın olup, yer yüzeyindeki iki nokta
arasındaki gerilim farkı polarize olmayan
elektrotlar yardımı ile ölçülür.
Çok düşük frekanslı elektromanyetik (VLF)
yöntemi, güçlü radyo vericilerinden yararlanır. Bu
vericiler, yayılma doğrultusuna dik yöndeki yatay
manyetik alan ve düşey elektrik alan
bileşenlerinden
oluşan
bir
birincil
elektromanyetik alan yayarlar (Tabbagh ve diğ,
1991). Bu alana yanıt olarak verilen yer içindeki
indüksiyon, yatay elektrik ve manyetik alandan
hesaplanan görünür özdirenç ile betimlenir.
Ayrıca, elektrik ve manyetik alanların arasındaki
faz farkı da ölçülür. VLF yöntemi elektriksel
iletkenliğe duyarlı olduğundan, su ve/veya kil ile
doldurulmuş
fay
ve
çatlak
zonlarının
saptanmasında etkilidir.
Yapay kaynaklı manyetotellürik yöntemde
(Controlled
Source
Audio-Magnetotellurics;
CSAMT), yapay kaynak olarak yere topraklanan
bir akım vericisi kullanılır. Yapay kaynak
kullanımı daha güçlü sinyallerin yaratılmasını,
daha etkin veri-işlem yapılmasını ve hızlı ölçü
alınmasını sağlarsa da, araştırma derinliğini
kısıtlar. Verici dipol, en yakın ölçü hattından 2-7
km uzağa yerleştirilir. Verici, iki ucundan yere
gömülen uzun bir dipol yardımı ile çeşitli
frekanslarda yere akım verir ve güç kaynağı
olarak bir jeneratör kullanılır. Vericinin çıkış
gerilimi 800-1000 volt ve çıkış gücü 10-30 kW dır.
Verici dipolün boyu 2-4 veya daha fazla olabilir.
Alıcı dipol boyu, araştırmanın amacına uygun
olarak 10-200 m arasında olabilir. Frekansların
sayısı ve frekans aralığı, yapımcı firmaya bağlı
olarak küçük farklılıklar gösterebilir.
Verici dipole paralel yatay elektrik alan,
olmayan elektrotlar kullanılarak eşit
noktalarda ölçülür. Elektrik alana dik
yatay manyetik alan, manyetik bobinler
polarize
aralıklı
yöndeki
yardımı
ile ölçülür. Veriye fiziksel anlam kazandırmak için
ölçülen nicelikler görünür özdirenç değerlerine
çevrilir. Cagniard(1953) tarafından geliştirilen
görünür özdirenç tanımı manyetotellürik verinin
sunumu için geleneksel olarak kullanılmaktadır.
CSAMT verisi yapma-kesit ve harita şeklinde
sunulur. Yöntem yanal değişimlere oldukça
duyarlıdır ve iletken bölgeler kolaylıkla
haritalanabilir.
Yukarıda söz edilen yöntemlere göre daha fazla
araştırma derinliği, esnek araştırma tasarımı, iyi
yanal çözüm ve hızlı ölçüm alımı diğer
elektromanyetik
yöntemlere
göre
CSAMT
yönteminin üstün yanlarıdır. Diğer yandan,
yöntemin en önemli sorunu yapay kaynak
kullanımı nedeni ile düzlem dalga varsayımının
belirli
bir
frekans
değerinden
sonra
sağlanamamasıdır. Yüksek özdirençli bir temel
üzerinde bulunan iletken katman veya hedeflerin
belirtileri,
düzlem
dalga
koşulunun
sağlanamadığı frekansların başlama bölgelerine
karşılık geldiğinde, Cagniard(1953) görünür
özdirenç eğrileri artan kanat başlamadan önce
“undershoot” olarak adlandırılan bir çentik
oluştururlar. Bu çentik görünür özdirenç yapma
kesitlerinde iletken belirti bölgeleri olarak
görüntülenir ve jeotermal aramalar açısından
yanlış yorumlamalara neden olabilir. Bu etkinin
nedeni hakkında ayrıntı açıklama ve bu etkiyi
göstermeyen görünür özdirenç tanımları sırası ile
Başokur ve diğ.(1997a) ve Başokur(1994)
tarafından verilmiştir.
3. MANYETOTELLÜRİK ALAN VE YÖNTEM
Yerküresinin doğal elektromanyetik alanı,
manyetotellürik (MT) alan olarak adlandırılır. MT
alanın kaynağı değişik olaylara bağlı olarak
atmosferde, iyonosferde veya manyetosferde
bulunur. 1 hertz'in altındaki elektromanyetik
dalgalar güneşten gelen yükler ile manyetosfer
sınırındaki girişimlerden oluşur. 1 hertz’in
üzerindeki değişimler yere ulaşamadan iyonosfer
içinde soğurulduğundan, bu sinyallerin kaynağı
ULUSLARARASI JEOTERMAL ENERJİ ÇALIŞTAYI
Ahmet Tuğrul BAŞOKUR
atmosferde oluşan yıldırım ve şimşeklerdir. MT
alanın genliğindeki en zayıf değişim ise 1 Hz
civarındadır. Serbest uzayda ‘yerdeğiştirme
akımı’ ile yayılan elektromanyetik dalga çok az
soğurularak çok büyük uzaklıklara erişebilirken,
yer içine doğru ilerleyen bir elektromanyetik
dalga iletken içerisine girdiğinde ‘iletkenlik akımı’
baskın duruma gelir. Bu ise dalganın
soğurulması, yani uzaklık ile dalga genliğinin
azalmasına neden olur. Soğurulma dalganın
frekansına ve ortamın özdirencine bağlı
olduğundan, MT alanın incelenmesi ile yeraltı
özdirenç dağılımı elde edilebilir (Başokur, 2008).
MT yönteminde doğal elektrik alanın iki bileşeni
ve manyetik alanın üç bileşeni zamanın
fonksiyonu olarak ölçülür. Zaman ortamında
ölçülen elektrik ve manyetik alan verilerinin
Fourier dönüşümleri alınarak frekans ortamına
dönüştürülmeleri yorumlama açısından daha
uygundur. Elektromanyetik yöntemlerde ölçülen
veriler, görünür özdirenç ve faz değerlerine
dönüştürülür. Verilerin sunumu ise görünür
özdirenç eğrileri, yapma-kesitleri (pseudo-section)
ve haritaları ile gerçekleştirilir. Bu sunum
yöntemleri, sayısal modelleme ve çözümleme
işlemlerinden önce yorumcunun nitel bir
değerlendirme yapabilmesine olanak verir.
MT yönteminin en önemli sorunlarından biri
‘statik kayma’ olarak adlandırılan ve görünür
özdirenç eğrilerinin, ölçü istasyonu altında veya
yakınında küçük ölçekli üç-boyutlu cisimlerin
oluşturduğu galvanik etki nedeni ile düşey eksen
boyunca aşağı veya yukarı kaymasıdır (Stenberg
ve diğ., 1988; Meju, 1996). Frekanstan bağımsız
olan statik kayma sabitini saptamak için kullanılan
en etkili teknik, MT ölçü istasyonunda ayrıca
geçici
elektromanyetik
yöntem
(transient
electromagnetic method, TEM) ölçüsü almaktır.
TEM eğrisinin 1B değerlendirilmesi ile elde edilen
model kullanılarak, 1B kuramsal MT eğrisi
hesaplanabilir. Bu MT eğrisinde statik kayma
etkisi bulunmadığından, ölçülen MT görünür
özdirenç eğrileri, kuramsal MT eğrisine çakışacak
şekilde kaydırılır.
Veri yuvarlatılması isteğe bağlı olarak uygulanan
bir
veri-işlem
aşamasıdır.
Verinin
yuvarlatılmaması halinde ters-çözüm aşamasında
veri değerlerine mutlaka ağırlık katsayısı
atanmalıdır.
Başokur, Kaya ve Ulugergerli
(1997a), FNI fonksiyonunun davranışına uyan
sürekli bir fonksiyonun doğrusal bileşiminin, FNI
verisinin sayısal değerlerine yaklaştırılması ile MT
verisini yuvarlatan bir yöntem geliştirmişlerdir.
Rastgele
gürültülerin
yanında
sistematik
gürültüleri de temsil edebilen bir ağırlık katsayısı
atama
yöntemi
Başokur(2008)
tarafından
önerilmiştir.
MT yönteminin amacı, yer altı özdirenç dağılımını
hesaplamaktır. Bunun için ölçülen görünür
özdirenç yapma-kesitlerinin, gerçek özdirenç
kesitlerine dönüştürülmeleri gerekmektedir. Bu
işlem belirli modeller kullanılarak, dolaylı bir
şekilde yapılır. Dönüştürme işleminin temel
ilkesi, ölçülen veriye belirli ölçütler çerçevesinde
çakışan
kuramsal
veri
üreten
modelin
aranmasıdır. Elektrik yöntemlerde üç tür model
kullanılmaktadır. 1B modelin jeolojik koşulları
sağlamaması nedeni ile çoğunlukla 2B veya 3B
modelleme ve ters-çözüm tercih edilmektedir. İkiboyutlu ters-çözüm için birden fazla MT
istasyonu bir hat oluşturmalı, üç-boyutlu tersçözüm içinse birden fazla hat bulunmalıdır. 3B
modellemenin çok hızlı bilgisayar kullanımı
gerektirmesi nedeni ile 2B ters-çözümün daha
yaygın kullanım alanı bulunmaktadır. Birden
fazla hat var ise iki-boyutlu çözümlerin birlikte
kullanılması ile sonuç modelinin 3B görüntüleri
elde edilebilir. Bu yol ile elde edilen görüntüler,
‘yapma-3B model’ olarak adlandırılmalıdır.
2B model, özdirençlerin ölçü hattı doğrultusunda
ve düşey yönde değiştiği, ancak kesit düzlemine
dik yönde değişmediği varsayımı ile elde edilir.
Şekil 3’de, farklı özdirençli ve farklı boyutlu
dikdörtgen prizmalar kullanılarak yeraltının
parametreleştirilmesi gösterilmiştir. Her bir
ULUSLARARASI JEOTERMAL ENERJİ ÇALIŞTAYI
Ahmet Tuğrul BAŞOKUR
prizmayı (kesit üzerinde hücre) tanımlamak için
gereken geometrik ve fiziksel nicelikler parametre
olarak adlandırılır. ‘Geometrik parametreler’
prizmaların boyutları, ‘fiziksel parametreler’ ise
prizmaların özdirençleridir. Prizmalar çizim
düzlemine dik yönde −∞ ile +∞ aralığında
devamlıdır. Her bir prizma ise kesit düzleminde
bir hücre oluşturmaktadır. Modele bazı üçgen
kesitli prizmalar eklenerek, topografya da temsil
edilebilir.
Ters-çözüm
işleminde
fiziksel
modelin
hesaplanması dolaylı bir yol ile gerçekleştirilir.
Türev-tabanlı ters-çözüm yöntemlerinin birinci
adımında, model parametreleri için bir ön-kestirim
yorumcu tarafından sağlanır ve ön-kestirime
karşılık gelen kuramsal veri hesaplanarak, ölçülen
veri ile karşılaştırılır. Daha sonra, ölçülen ve
kuramsal verinin çakışma derecesini arttırmak
amacı ile parametreler yenilenir. Bu işlem, iki veri
kümesi arasında yeterli bir çakışma elde edilinceye
kadar yinelenir. Ölçülen veri ile çakışan kuramsal
veri
üreten
birden
fazla
model
bulunabileceğinden, çözüm tekil değildir. Model
yanıtı ile ölçülen veri arasındaki farkları en aza
indirmek için yapılan yineleme işleminin sayısı,
ön-kestirim değerlerinin gerçeğe yakınlığı ve
verinin gürültü içeriği ile ilişkilidir. Gürültü bazı
durumlarda yineleme işleminin yakınsamasını
engelleyebilir. MT yönteminde en çok kullanılan
ters-çözüm
algoritmaları,
türev-tabanlı
yöntemlerden
‘sönümlü
en-küçük
kareler’
tekniğinin değişik uyarlamalarıdır.
4. MT YÖNTEMİNİN JEOTERMAL
ARAMALARDA KULLANIMI
Jeofizik yöntemlerin amacı belirli bir fiziksel
parametrenin yeraltındaki dağılımını saptamaktır.
Bu işlem doğrudan fiziksel parametrenin
ölçülmesi ile gerçekleştirilmez. Bunun yerine, bu
fiziksel parametrenin yeraltındaki dağılımı nedeni
ile oluşan alan değişimi yeryüzünde ölçülür. Bu
alan değerleri kullanılarak, ters-çözüm yöntemleri
ile fiziksel parametrenin yeraltındaki dağılımı
kestirilmeye çalışılır. Ancak, arama çalışmalarının
başarıya ulaşabilmesi için, ölçülen verilerde
fiziksel parametrelerin uzaysal dağılımı hakkında
bilgi olması ve bu bilginin ters-çözüm yöntemleri
ile elde edilebilmesi gerekir. Jeotermal akışkanlar
çevrelerinde sıcaklık, elektriksel iletkenlik,
yoğunluk ve çeşitli mineralleşmeler açısından
değişiklik yaratırlar. Bunlardan, elektriksel
iletkenlik (özdirenç) değişimi yüzeyden yapılacak
ölçümler ile görece kolay belirlenebilmekte ve
potansiyel jeotermal rezervuarların aranmasına
yardımcı olmaktadır. Bu nedenle, elektrik ve
elektromanyetik yöntemler jeotermal aramalarda
en çok başvurulan jeofizik yöntemlerden biridir.
Jeotermal sahalar, ısı kaynağı, ısıyı taşıyan
akışkanlar, tektonik yapı ve örtü kayaç ile birlikte
bir sistem olarak ele alınmalı ve tüm sistem
yapısal elemanları ile birlikte incelenmelidir. MT
yöntemi jeolojik trendlerin, ayrışma kuşaklarının
ve fay sistemlerinin incelenmesinde oldukça
başarılı bir yöntemdir. Bunların yanında, frekans
bandının uygun olduğu durumlarda, MT yöntemi
ile kıtasal kabuk derinliği ve kabuk içerisindeki
olası
iletkenlik
belirtilerinin
saptanması
olanaklıdır.
Burada MT yöntemi hakkında belirtilen tüm
özellikler, yöntemin jeotermal aramalarda birincil
teknik durumuna gelme sürecinin nedenlerini
açıklamaktadır. Ülkemizde de MT yönteminin
jeotermal uygulamalarda kullanımına örnek
oluşturacak birçok çalışma bulunmaktadır. Şekil 1
de Aliağa sahasında MT çalışmaları ile elde edilen
model görülmektedir (Kaya ve Başokur, 2007). 21
ölçü istasyonunun bulunduğu hat 5 km
uzunluğundadır. MT verisinin 2B ters-çözümü ile
elde edilen özdirenç kesitinin yüzeyden itibaren 6
km derinliğe kadar olan bölümü Şekil 4 de
görüntülenmiştir.
Özdirenç
kesitinin
yorumlanması ile bölgenin yapısal özellikleri, ana
fayların genel karakterleri ve çalışma alanının
jeotermal enerji için umutlu olan bölümleri ortaya
çıkarılmıştır.
ULUSLARARASI JEOTERMAL ENERJİ ÇALIŞTAYI
Ahmet Tuğrul BAŞOKUR
KAYNAKLAR
Şekil 1. Aliağa sahasında iki-boyutlu ters-çözüm
sonucu elde edilen gerçek özdirenç dağılımı ve
jeolojik yorum (derinlik 6 km - doğrusal ölçek)
(Kaya ve Başokur, 2007).
5. SONUÇLAR
Elektriksel
iletkenlik
(özdirenç)
değişimi
yüzeyden yapılacak ölçümler ile görece kolay
saptanabilindiğinden, doğru akım (DC), doğal
gerilim (SP) ve indüksiyon polarizasyon (IP)
yöntemlerini de kapsamak üzere elektrik ve
elektromanyetik yöntemler jeotermal aramalarda
en çok başvurulan jeofizik yöntemlerden biridir.
DC ve IP yöntemleri ancak sığ çalışmalar için (0200 m) ayrımlılık ve uygulama kolaylığı açısından
AMT yönteminden bazı durumlarda daha yararlı
olabilir. DC ve IP yöntemlerinde araştırma
derinliğini arttırmak için çok uzun kabloların
kullanılma zorunluluğu derin araştırmalar için bu
yöntemleri kullanışlı olmaktan çıkarır. Düşey
elektrik sondajı (VES) gibi uygulamalar, MT
uygulamaları ile karşılaştırıldığında yavaş ve
daha maliyetlidir. Topografyanın hızlı değişim
gösterdiği
bölgelerde
de
MT
yöntem
uygulamaları daha sorunsuzdur. Burada verilen
örneklerin dışında jeotermal üretim sahalarında
sürekli
MT
gözlemleri
ile
rezervuarın
denetlenmesi
gibi
MT
uygulamaları
da
bulunmaktadır.
[1] Başokur, A.T., 1994, Definitions of apparent
resistivity for the presentation of magnetotelluric
sounding data, Geophysical Prospecting 42, 141149.
[2] Başokur, A. T., Kaya, C. and Ulugergerli, E. U.,
1997a, Direct interpretation of magnetotelluric
sounding data based on the frequency-normalized
impedance, Geophysical Prospecting 43, 17-34.
[3] Başokur A.T., Rasmussen, T.M., Kaya, C.,
Altun, Y., Aktas, K., 1997b, Comparison of
induced polarization and controlled source
audio-magnetotellurics methods for the massive
chalcopyrite exploration in volcanic area,
Geophysics 62, 1087-1096.
[4] Başokur, A. T., 2008. Manyetotellürik
Yöntemde
Temel
Kavramlar.
(http://geop.ankara.eng eng.ankara.edu.tr). 87
sayfa.
[5] Cagniard L. 1953. Basic theory of
magnetotelluric of geophysical prospecting,
Geophysics. Vol.18, p. 605-635.
[6] Kaya, C. ve Başokur, A. T., 2007, Aliağa
Jeotermal Sahasının Manyetotellürik Yöntemle
Araştırılması, TMMOB Jeotermal Kongresi, 21-24
Kasım 2007, Ankara, 231-247.
[7] Meju, M.A., Joint inversion of TEM and
distorted MT sounding: Some effective practical
considerations. Geophysics 61 56-65, 1996.
[8] Sternberg, B. K., J. C. Washburne and L.
Pellerin, Correction for the static shift in
magnetotelluric using transient electromagnetic
soundings, Geophysics, 53, 1459-1468, 1988.