ژئوفیزیک دریایی

روش‌های ژئوفیزیک دریایی با هدف شناسایی ویژگی‌های ساختاری زیرسطحی، لایه‌های زمین‌شناسی و اجسام مدفون در خاک برای ساخت تاًسیسات و زیر ساخت‌ها در آب‌های کم عمق و عمیق به کار می‌رود. ژئوفیزیک دریایی اطلاعات ارزشمندی از بستر دریا و شرایط زیر سطحی خاک را در اختیار طراحان پروژه‌های عمرانی قرار می‌دهد

ژئوفیزیک دریایی شامل روش‌های مختلفی می‌باشد که برای شناسایی شرایط و ویژگی‌های بستر دریا و زیر آن استفاده می‌شود که با توجه به نیاز روش‌های گوناگونی را شامل می‌شود. این روش‌های مختلف به طور کلی به صورت کنترل از راه دور یا remote sensing برای شناسایی بستر دریا و لایه‌های زیرین آن استفاده می‌گردد. این مهندسین مشاور با توجه به شرایط پروژه و مقتضیات آن قابلیت انجام عملیات ژئوفیزیک دریایی را به روش های زیر برای کارفرمایان گرامی دارا می‌باشند:

سیستم‌های Sub-Bottom Profiling اساساً به روشی مشابه سونار، رادار و سایر سیستم‌های موقعیت‌یابی بازتابنده عمل می‌کنند. آن ها از یک منبع انرژی صوتی یا لرزه ای برای ایجاد یک موج فشاری استفاده می کنند که از ستون آب به پایین و به بستر دریا می رود. با ثبت بازگشت های بازتابی این صدا با استفاده از آرایه هیدروفون حساس به فشار، می توان تصویری از ساختار زیرسطحی و زمین شناسی زیر بستر دریا ساخت. انواع مختلفی از سیستم‌های ساب باتم پروفایلر موجود است، برخی فرکانس‌های بسیار بالا را انتقال می‌دهند که قادر به شناسایی ویژگی‌های زمین‌شناسی کوچک در بخش کم عمق بستر دریا (کمتر از ۱۰ متر زیر بستر دریا) هستند و برخی فرکانس‌های پایین‌تر را که قادر به شناسایی زمین‌شناسی و ویژگی‌های عمیق‌تر هستند، ارسال می‌کنند. (اعماق بالا، 100 متر یا بیشتر).

لازم به ذکر است که فرکانس‌های پایین‌تر می‌توانند ویژگی‌های بخش¬های عمیق‌تری را شناسایی کنند، با این حال، یک مبادله در «رزولوشن یا وضوح تصاویر» وجود دارد که می¬توان آن را به صورت زیر خلاصه نمود:

منابع صوتی ساب باتم پروفایلر در چهار نوع اصلی وجود دارند که هر کدام برای اهداف مختلف مناسب هستند:

داده های ثبت شده توسط ساب باتم پروفایلر را می توان برای اهداف مختلفی از جمله موارد زیر استفاده نمود:

بازتاب لرزه‌ای یا Seismic Reflection تکنیکی است که برای مطالعه ساختار زیرسطحی بستر دریا استفاده می شود. این روش شامل انتشار امواج صوتی از یک منبع (مانند یک تفنگ بادی) و ضبط امواج منعکس شده با استفاده از هیدروفون یا ژئوفون می باشد. با تجزیه و تحلیل زمان سفر و دامنه امواج منعکس شده، محققان می توانند ترکیب و ساختار رسوبات و لایه های سنگی زیرین را استنباط کنند. این اطلاعات برای درک فرآیندهای زمین شناسی، شناسایی ذخایر نفت و گاز و ارزیابی خطرات زمین مانند زلزله و سونامی حیاتی است.

شکست لرزه ای بر اساس اندازه گیری زمان انتشار امواج لرزه‌ای کشسان، از منابع به ژئوفون ها، از طریق ساختارهای زمین شناسی زیرسطحی است. امواج در مرزهای مواد با چگالی و خواص تغییر شکل متفاوت پرش می کنند و می شکنند.

یک موج لرزه ای بر روی سطح با برخورد چکش یا ویبراتور ایجاد می¬شود. ورود موج به سطح توسط سنسورهای اندازه گیری - ژئوفون تشخیص داده می شود.

شکست لرزه ای زمان حرکت موج از منبع به لایه ای با چگالی متفاوت را به همراه لایه و بازگشت به ژئوفون اندازه گیری می کند. قرار دادن ژئوفون در امتداد جهت، مشخصاتی دوبعدی از سرعت انتشار موج به دست می دهد. برای پروفیل های سرعت سه بعدی، چندین خط ژئوفون بر روی شبکه های از پیش تعریف شده در زمین قرار می گیرند. روش شکست لرزه ای دریایی برای کاوش خاک پی در بستر دریا استفاده می شود.

روش شکست بر اساس شکست امواج الاستیک در مرز بین دو محیط است که سرعت آن ها نیاز گرادیان عمودی مثبت را برآورده می کند. امواج الاستیک که عمداً در سطح زمین ایجاد می شوند با سرعت اولین محیط شروع به انتشار می کنند. برای این روش، مهمترین موجی است که در زاویه بحرانی یا در زاویه شکست کل به مرز می رسد. موج بیشتر در امتداد مرز با سرعت محیط پایین گسترش می یابد و سپس به سطح زمین باز می گردد (طبق اصل هویگنز)، جایی که بر روی ژئوفون های کاشته شده اثر می گذارد. مدت زمانی که بین انتشار و دریافت امواج لرزه ای می گذرد به عمق سازه های مورد بررسی خاک پی و به سرعت انتشار امواج لرزه ای در طول مسیر انتشار آن ها، از منبع، از طریق انکسارگر و بازگشت به آن بستگی دارد. گیرنده. برای شروع یک نیروی مکانیکی، یعنی یک موج لرزه ای القا شده مصنوعی، از دستگاه های مختلفی برای برخورد به سطح زمین و انتقال نیروی مکانیکی به زیر سطح استفاده می شود. روش‌های مستقیم و روش‌های مدل‌سازی معکوس برای بدست آوردن عمق و آرایش فضایی ناپیوستگی‌های الاستیک از نمودار st استفاده می‌شوند.

برخلاف روش‌های بررسی لرزه‌ای زمینی، در روش‌های بررسی لرزه‌ای دریایی به جای ژئوفون از هیدروفون استفاده می‌شود، در حالی که از تفنگ‌های بادی برای تحریک امواج لرزه‌ای استفاده می‌شود. هیدروفون ها (ژئوفون های پیزوالکتریک) به دلیل حساسیت به تغییرات فشار در گمانه ها و اندازه گیری های دریایی استفاده می شوند. وزن بر روی یک سری صفحات ساخته شده از یک کریستال پیزوالکتریک (کوارتز، تورمالین یا تیتانات باریم) قرار دارد. شتاب رو به پایین خاک باعث کاهش وزن ظاهری جرم و بالعکس می شود که باعث تغییر فشار روی صفحات و ایجاد ولتاژ الکتریکی در آن ها می شود. تفنگ بادی وسیله ای است که حباب هوای بسیار فشرده را به داخل آب تزریق می کند. طیف فرکانس به مقدار هوای درون حباب، فشار هوا و عمق آب بستگی دارد.

ساید اسکن سونار یک تکنیک است که از امواج صوتی برای ایجاد تصاویر دقیق از بستر دریا استفاده می‌کند. این روش شامل بکسل کردن یک دستگاه سونار در پشت یک کشتی مطالعاتی است که پالس‌های صوتی منتشر می‌کند و پژواک‌های برگشتی را ضبط می‌کند. تصاویر بدست آمده، اطلاعات ارزشمندی در مورد بافت، ترکیب و ویژگی‌های بستر دریا مانند غرق شدن کشتی‌ها، خطوط لوله و سازندهای زمین شناسی ارائه می‌دهند. این داده‌ها برای نقشه برداری زیستگاه، پایش محیطی و تحقیقات باستان شناسی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ساید اسکن سونار باید امکان تفکیک زاویه‌ای بسیار بالا را داشته باشد تا بتواند پژواک‌هایی را که از عناصر بازتابنده بستر دریا بطور زاویه‌ای بسیار نزدیک به یکدیگر می‌آیند، شناسایی کند. حالت عمومی کارکرد این سیستم سونار در شکل زیر نشان داده شده است:

عملیات اسکن صوتی بستر دریا، در اصل ، طبق ترتیب زیر انجام می‌شود:

هر چهار عمل فوق مربوط به یک نوار اسکن جدید است که به طور مناسب در کنار نوار قبلی قرار گرفته است تا به جلوه ارائه ویدیوی آبشاری دست یابد. در شکل زیر نقشه‌ای از بستر دریا را مشاهده می‌شود که در آن برخی از نوارهای اسکن برجسته شده است.

فرکانس ساید اسکن سونارها معمولاً از 80 تا 600 کیلوهرتز متغیر است. مقادیر فرکانس پایین برای کشف اشیا (رزولوشن پایین) و فرکانس‌های بالاتر برای طبقه‌بندی آن‌ها (رزولوشن بالا) استفاده می‌شود.

مغناطیس‌سنجی یک تکنیک ژئوفیزیکی است که برای اندازه‌گیری تغییرات میدان مغناطیسی زمین استفاده می‌شود که می‌تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد ساختار و ترکیب زمین شناسی زیرسطحی ارائه دهد. در تحقیقات ژئوفیزیک دریایی، مغناطیس سنجی برای مطالعه بستر دریا و رسوبات زیری و همچنین برای مکان‌یابی و نقشه برداری از سایت‌های باستان شناسی غرق شده، کشتی‌های غرق شده و سایر اشیاء مورد علاقه استفاده می‌شود.

مغناطیس‌سنج‌های دریایی معمولاً پشت یک کشتی تحقیقاتی بکسل می‌شوند و امکان جمع‌آوری مداوم داده‌ها را در حین حرکت کشتی در امتداد یک شبکه بررسی از پیش تعیین‌شده فراهم می‌کنند. رایج‌ترین انواع مغناطیس‌سنج‌های دریایی، مغناطیس‌سنج تقدمی پروتون و مغناطیس‌سنج بخار سزیم هستند که هر دو بسیار حساس هستند و قادر به تشخیص تغییرات جزئی در میدان مغناطیسی زمین هستند.

در نتیجه، مغناطیس‌سنجی یک ابزار همه کاره و ارزشمند در تحقیقات ژئوفیزیک دریایی است که بینش‌هایی را در مورد جنبه‌های زمین‌شناسی، باستان‌شناسی و محیطی بستر دریا و ساختارهای زیرین آن ارائه می‌دهد. با استفاده از مغناطیس‌سنجی در ارتباط با سایر تکنیک‌های ژئوفیزیک، محققان می‌توانند درک جامعی از محیط زیست دریایی و منابع بالقوه، خطرات و اهمیت تاریخی آن ایجاد کنند.

هیدروگرافی شامل اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب است. برخی از آزمایشات فیزیکی و شیمیایی که می‌توان در هیدروگرافی انجام داد عبارتند از میزان شوری آب، میزان دمای آب در عمق، pH، کدورت، رنگ، هدایت الکتریکی، قلیاییت کل، بی‌کربنات، کربنات، سختی کل، میزان کلسیم، منیزیم، کلراید، سولفات، سدیم و میزان اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD) . داده‌های جمع آوری شده از این آزمایش‌ها را می‌توان برای ایجاد نقشه‌های هیدروگرافی، مطالعه کیفیت آب و نظارت بر تغییرات اکوسیستم‌های آبی در طول زمان مورد استفاده قرار داد.

عمق¬سنجی یا Bathymetry که از دو واژه یونانی "باتوس" (عمق) و "مترون" ( اندازه‌گیری) گرفته شده است، مطالعه علمی عمق زیر آب در اقیانوس‌ها، دریاها است. شامل اندازه‌گیری و نقشه‌برداری از توپوگرافی بستر دریا که برای درک جنبه‌های مختلف زمین شناسی دریایی، ژئوفیزیک، اقیانوس شناسی، بوم شناسی بستر دریا، و همچنین برای برنامه‌ریزی و هدایت فعالیت‌های دریایی مانند ساخت و سازهای دریایی بسیار مهم است.

برای جمع‌آوری داده‌های عمق‌سنجی، از تکنیک‌های سنتی تا فناوری‌های سنجش از راه دور پیشرفته استفاده می‌شود. این روش ها را می¬توان به طور کلی به سه گروه تقسیم کرد: اندازه¬گیری مستقیم، روش¬های صوتی و سنجش از دور مبتنی بر ماهواره.

انداز‌ه‌گیری مستقیم شامل اندازه‌گیری فیزیکی عمق آب با استفاده از میله عمق سنج یا یک کابل عمق سنج می باشد. از لحاظ تاریخی، این روش به طور گسترده توسط دریانوردان برای حرکت در آب های کم عمق و اجتناب از خطرات مورد استفاده قرار می گرفت. اگرچه اندازه گیری مستقیم دقیق است، اما کار فشرده، زمان بر و محدود به اعماق نسبتاً کم است. در نتیجه، تا حد زیادی با تکنیک های کارآمدتر و پیشرفته تر جایگزین شده است.

برای اندازه‌گیری‌ها توسط کابل عمق سنج بايد وزنه های مناسب به آن متصل شوند تا کابل را تا حد امکان در حالت عمودی نگه دارند. همچنین مي توان از تجهیزات عمق سنجي به صورت تجهیزات معلق استفاده کرد. الزامات قرارگیری تجهیزات معلق در استاندارد INSO 17249 ایران مصوب 1392 به تفصیل بیان شده است.

روش‌های صوتی رایج‌ترین تکنیک‌های مورد استفاده برای جمع‌آوری داده‌های عمق سنجی در مطالعات ژئوفیزیک دریایی هستند. آن ها بر اصل EcoLocation تکیه می‌کنند، جایی که امواج صوتی از یک فرستنده ساطع می شوند، از کف دریا منعکس می گردد و توسط گیرنده شناسایی می‌شوند. مدت زمانی که امواج صوتی به سمت بستر دریا و برگشت از آن صرف می شود برای محاسبه عمق آب استفاده می شود. انواع مختلفی از روش های صوتی وجود دارد، از جمله:

الف. اکو سینگل بیم: در این روش یک پرتو باریک از امواج صوتی را به صورت عمودی به سمت پایین ساطع می کنند و زمان بازگشت پژواک را اندازه گیری می کنند. اکوی صداهای تک پرتو برای بررسی های مقیاس کوچک و کاربردهای آب کم عمق مناسب هستند.

ب. اکو مولتی بیم: سیستم های چند پرتوی چندین پرتو از امواج صوتی را به طور همزمان ساطع می کنند و یک نوار وسیع از بستر دریا را می پوشانند. این امکان را برای نقشه برداری کارآمدتر و دقیق تر از مناطق بزرگ و ساختارهای پیچیده بستر دریا فراهم می کند. اکو صداهای چند پرتو به طور گسترده ای در مطالعات ژئوفیزیک دریایی برای نقشه برداری دقیق عمق سنجی و توصیف کف دریا استفاده می شود.

ج. سونار اسکن: سونار امواج صوتی ساطع می کند که عمود بر کف دریا حرکت می کند و به سونار بازمی گردد و تصویری از کف دریا ایجاد می کند. شدت پژواک های بازتاب شده برای ایجاد تصاویری با وضوح بالا از بافت و ویژگی های بستر دریا استفاده می شود. سونار اسکن جانبی به ویژه برای شناسایی و نقشه برداری ساختارهای بستر دریا، مانند کشتی های غرق شده، سازندهای زمین شناسی و زیستگاه های زیر آب مفید است. در این روش از امواج صوتی با فرکانس بالا برای ایجاد تصویری دقیق از بستر دریا استفاده می شود. این تصویر توپوگرافی، بافت و ویژگی های بستر دریا مانند غرق شدن کشتی ها، زباله ها و سازندهای زمین شناسی را نشان می دهد. سونار اسکن جانبی معمولاً در باستان شناسی دریایی، اقیانوس شناسی و هیدروگرافی استفاده می شود.

د. ساب باتم پروفایلر: در این متد امواج صوتی با فرکانس پایین منتشر می شود که به کف دریا نفوذ می کند و لایه های زیرسطحی را منعکس می کند و نمایه ای از لایه های رسوبی در زیر بستر دریا ایجاد می کند. ساب باتم پروفایلر اطلاعاتی در مورد ضخامت و ترکیب رسوبات و همچنین وجود ویژگی ها و منابع زمین شناسی مدفون ارائه می دهند. پروفیل زیربستر دریا معمولاً در زمین شناسی دریایی، رسوب شناسی و مطالعات زیست محیطی استفاده می شود.

تکنیک‌های سنجش از دور مبتنی بر ماهواره از ارتفاع‌سنجی راداری برای اندازه‌گیری ارتفاع سطح دریا استفاده می‌کنند که تحت تأثیر توپوگرافی زیرین بستر دریا قرار دارد. با تجزیه و تحلیل تغییرات در ارتفاع سطح دریا، دانشمندان می توانند عمق سنجی کف اقیانوس را استنباط کنند. اگرچه عمق سنجی مشتق از ماهواره در مقایسه با روش های آکوستیک وضوح و دقت کمتری دارد، اما برای نقشه برداری از مناطق بزرگ و دورافتاده اقیانوس که دسترسی به آن ها با کشتی های بررسی سنتی دشوار است، ارزشمند است.

داده¬های عمق سنجی برای طیف وسیعی از مطالعات ژئوفیزیک دریایی ضروری است، از جمله:

1. نقشه برداری و شناسایی بستر دریا : نقشه های عمق سنجی با وضوح بالا اطلاعات دقیقی در مورد توپوگرافی بستر دریا ارائه می دهند که برای درک فرآیندهای زمین شناسی مانند زمین ساخت صفحه، فعالیت های آتشفشانی و رسوب گذاری بسیار مهم است. داده های عمق سنجی همچنین به شناسایی و نقشه برداری از ویژگی های بستر دریا، مانند کوه های زیر آب، دره ها و برآمدگی ها کمک می کند.

2. توزیع و انتقال رسوب: عمق سنجی نقش مهمی در مطالعه توزیع و انتقال رسوبات در محیط های دریایی دارد. با تجزیه و تحلیل داده های عمق سنجی، دانشمندان می توانند محیط های رسوبی، مسیرهای رسوب و تأثیر جریان های اقیانوسی بر انتقال رسوب را شناسایی کنند.

3. فرآیندهای تکتونیکی و خطرات زلزله: داده های عمق سنجی برای مطالعه فرآیندهای زمین ساختی، مانند شکل گیری و حرکت صفحات اقیانوسی ضروری است. با تجزیه و تحلیل توپوگرافی بستر دریا، دانشمندان می توانند مناطق گسل فعال را شناسایی کنند، خطرات زلزله را ارزیابی کنند و مکانیسم های حرکت زمین ساخت صفحه را بهتر درک کنند.

4. اکتشاف و مدیریت منابع: داده های عمق سنجی برای اکتشاف و مدیریت منابع طبیعی مانند نفت، گاز و مواد معدنی بسیار مهم است. نقشه های تفصیلی بستر دریا می تواند به شناسایی ذخایر منابع بالقوه، هدایت قرار دادن تجهیزات حفاری و نظارت بر اثرات زیست محیطی استخراج منابع کمک کند.

5. نقشه برداری و حفاظت از زیستگاه های دریایی: داده های عمق سنجی برای نقشه برداری و توصیف زیستگاه های دریایی، مانند صخره های مرجانی، بستر علف های دریایی و اکوسیستم های اعماق دریا، حیاتی هستند. این اطلاعات برای تلاش‌های حفاظتی ضروری است، زیرا به دانشمندان کمک می‌کند تا زیستگاه‌های آسیب‌پذیر را شناسایی کنند، تأثیرات فعالیت‌های انسانی را ارزیابی کنند، و استراتژی‌هایی برای حفاظت و احیای زیستگاه توسعه دهند.

عمق سنجی یکی از جنبه های اساسی مطالعات ژئوفیزیک دریایی است که داده های ضروری را در مورد توپوگرافی و ویژگی های بستر دریا ارائه می دهد. با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته جمع‌آوری داده‌ها، مانند روش‌های صوتی و سنجش از دور مبتنی بر ماهواره، دانشمندان می‌توانند بینش‌های ارزشمندی در مورد فرآیندهای زمین‌شناسی، توزیع رسوب، فعالیت‌های زمین ساختی و زیستگاه‌های دریایی که کف اقیانوس‌های ما را شکل می‌دهند، به دست آورند. با نقشه برداری از بستر دریا و شناسایی ویژگی های زمین شناسی مانند گسل ها و چین خوردگی ها، دانشمندان می توانند مناطقی را که احتمال وجود ذخایر نفت و گاز وجود دارد را شناسایی کنند. از این اطلاعات می توان برای هدایت عملیات حفاری و کاهش خطر خشک شدن چاه ها استفاده کرد.