Elektromanyetik Prospeksiyon

Manyetotellürik Yöntem

10-5-105 Hz frekans aralığında doğal olarak gerçekleşen bu manyetik değişimler, gökyüzüne göre daha iletken olan yeryüzünde elektrik akımların akmasına neden olmaktadırlar.

Yer manyetik alanındaki ani değişimler elektrik alanların oluşmasına neden olur. Manyetotellürik alanlar, birbirine dik Hx, Hy, Hz manyetik ve Ex, Ey, Ez elektrik alan (tellürik) bileşenlerinden oluşur.

Cagniard (1953) yılında temellerini attığı yöntemin koşullarına göre, Doğa kökenli olarak oluşan düzlem dalgaların, yatay tabakalanmış tekdüze tabakalar boyunca yol alması nedeniyle elektrik alanın düşey bileşeninin sıfır olması beklenir. Ez=0

Burada oluşan uyartım mekanizması, bir elektromanyetik alanın büyük mesafelerde, yavaş yavaş sönümlenerek (attenuation) yeryüzeyi ile iyonosfer arasında yere paralel olarak yayılması biçimindedir.

Derinlerde akan bu akımlara karşı yer, derinlerden yüzeye yaklaştıkça, geçirim frekans aralığı (bandı) genişleyen doğal bir süzgeç gibi davranır.

Katedilen yol ile frekans ters orantılı olduğundan, Yüksek frekanslı olayların simgeleri kısa bir yol olarak sönümlenirler. Alçak frekanslı (büyük periyotlu ya da büyük dönemli) olaylar ise daha az sönüme uğrayarak, uzun bir yolu katedebilirler.

Bu nedenle, yeryüzünde algılanan yüksek frekanslı sinyallerin sığ derinliklerden, Alçak frekanslıların ise daha derinlerden geldiğini düşünürüz.

O halde, dış kökenli bir değişimin, d derinliğine yansıttığı dalgacık (sinyal), d derinliğine kadar olan yer katmanlarının toplu özellikleriyle katlamalı çarpıma (convolution) uğradıktan sonra yeryüzüne ulaşmaktadır.

Manyetotellürik olayların oluşum mekanizması

Yerküremizi çevreleyen atmosfer, iyonosfer ve manyetosfer katmanlarında oluşarak yerin manyetik alanında çeşitli değişimler tetikleyen bu olayların tümüne Jeomanyetik küçük Titreşimler (“Geomagnetic Micropulsations”) adı verilir.

Küçük titreşimlerden yararlanarak bilgi alabileceğimiz derinlik aralığı:  2 -200 km (litosfer ve üst manto üstü)

Daha derinlerin elektrik iletkenlik yapısını ortaya çıkarmak için, Günlük 27 günlük, yıllık, yarı-yıllık, 11 yıllık, gibi manyetik alan değişimlerini incelemek gereklidir.

Yer manyetik alan değişimleri Manyetotellürik yöntemde kullanılan doğal yer manyetik alanı değişimleri geniş bir frekans aralığında yeralmakta ve bu değişimlerin bir kısmı yer içindeki (endojen) nedenlerden kaynaklanırken daha büyük bir kısmı yerküre dışındaki (exojen) olaylar tarafından yaratılmaktadır

Şekil 3.2. Gözlemsel elektromanyetik veriler ve yermanyetik alan değişimlerinden elde edilen yerin iç yapısı için özdirenç modelleri (Bott, 1982).

Manyetotellürik Yöntem, yer içinde doğal etkilerle yaratılmış akımların (düzlem dalgaların), zaman değişimine bağlı olarak, özdirencin frekansla (derinlikle) değişimini inceler.

Manyetotellürik yöntemin doğru akım elektrik yönteme göre üstünlüğü, Aradaki oldukça yalıtkan bir tabakanın altından bilgileri iletebilmesi, ve Hiç bir güç kaynağı kullanmadan yerin alt katmanlarına kadar inebilmesidir.

Yöntemin uygulanmasında en önemli sorun: Manyetik alanın hızlı, Küçük genlikli değişimlerini yakalayabilecek aygıtların duyarlılığı sorunudur. Manyetik değişimler0.1-30 gamma Elektrik alan değişimleri 0.1-30 mV/km

MT Yöntemi Frekans aralığı 10-5-10+5 Hz kuramsal olarak, 10-3-10+3 Hz pratikte, ------------------------- Çok alçak frekans (very low frequency, VLF), Ekstra alçak frekans (extra low frequency, ELF) Ultra alçak frekans (ultra low frequency, ULF)

Yöntemin kullanım alanları Derin kabuk araştırmaları, Volkan ve mağma araştırmaları, Petrol ve doğal gaz aramaları, Jeotermal alanların aranması, Jeolojik yapı araştırmaları, Kırık ve süreksizlik bölgelerinin aranması

Yöntemin fizik esasları Kaynak alanlar Doğal elektromanyetik alanlar çok sayıdaki kaynak tarafından yaratılmaktadır. Bunlar arasında frekans aralıkları gözönüne alındığında üç kaynak öne çıkmaktadır: A. Jeomanyetik küçük titreşimler, B. Atmosferdeki elektriksel olaylar, C. Uzay kökenli jeomanyetik değişimler.

1 Hz’den yüksek frekanslardaki sinyaller yere ulaşmadan iyonosferde soğurulur. o nedenle, genel olarak bu frekanslarda atmosferik olaylardan kaynaklı değişimler kaydedilir. Bu olaylar duyulabilir frekanslarda olduğu için duyulur Frekans Manyetotellürik (audiomagnetotellurics, AMT) olarak isimlendirilir

A. Jeomanyetik küçük titreşimler Sürekli değişimler – Pc (continous pulsations) Geçici değişimler – Pt (transient pulsations) Dev değişimler - Pg (giant pulsations) İnci değişimler - Pp (pearl pulsations)

Dönemlerine göre küçük titreşimler Kısa dönemli yarı dönemsel titreşimler Düzenli: Pc1, Pc2, Pc3 Düzensiz: Pi1 Orta dönemli yarı dönemsel titreşimler Düzenli: Pc4 Düzensiz: Pi2 Uzun dönemli titreşimler Düzenli: Pc5 Düzensiz: Pi3

Pulsasyonlar

B. Atmosferdeki elektriksel olaylar 1 Hz’in üzerindeki frekanslardaki alanlar yıldırım düşmesi sonucunda oluşurlar. Yıldırımlar darbe (strokes) adı da verilen bir “boşalım” dizisidir. Her dizi 3-4 darbeden oluşur ve yaklaşık 200-300 milisaniye sürer. Her bir darbede ise 20 KA veya 30 KV dolayında bir enerji yaklaşık olarak 40 s süresinde iletilir

Yıldırımlar Frekans ortamında sinyal olarak bir baş ve bir kuyruk olmak üzere iki parçaya ayrılır. Kuyruk bölümü sanki dalga oluğu gibi, ELF aralığında, bir kaç bin kilometre dalga boyunda. Uzun dalgaboyları nedeniyle yer-iyonosfer arasında rezonansa uğrarlar. Bu rezonansa Schumann Rezonansı denir. Schumann rezonansı frekansları:  8, 14, 20, 27, 32 Hz

Islık ismi verilen yıldırımın baş kısmı 20-30 kHz aralığında kaydedilir. Bu dalgalar duyulur sinyale çevrildiğinde 10 kHz den 1 kHz’e kalınlaşan tonda ıslık sesi verir. Islıklar, 3-0.001 sn süreyle kaydedilirler.

Islıklar, yer manyetik alan çizgileri boyunca oluk içinde gider gibi iki yarı küre arasında yayılır, gider gelirler.

C. Uzay kökenli jeomanyetik değişimler Güneşin durgun gün değişimleri (Sq) Ay kökenli jeomanyetik değişimler Yukarı enlemlerdeki manyetik bozukluklar Manyetik fırtınalar Manyetosfer dalgalanmaları

Ölçülen Büyüklükler

16 2/3 ve 50 Hz lik gürültüden etkilenmiş AMT kayıtları

Ölçüm teknikleri ve aygıtlar

Ölçülen büyüklükler MT yöntem ile her ölçüm noktasında elektrik alanın iki bileşeni (Ex ve Ey) ve manyetik alanın üç bileşeni (Hx, Hy ve Hz) ölçülür. Elektrik alanın ölçümünden elde edilen değerler elektrod açıklığına göre mikrovolt (V) veya milivolt (mV) arasında değişir. Manyetometre kullanılarak yapılan manyetik alan ölçümünde birim nanotesla (nT)’dır.

MT Kuram Yer ile etkileşim Hava-yer ara yüzeyindeki çok büyük özdirenç farklılığı nedeniyle yüzeydeki dalga yere Snell Yasası uyarınca nüfuz eder. Hava Yer

MT Kuram Yer ile etkileşim Gelen ve kırılan dalgalar arasında açısal ilişki Dalga sayısı Hava Snell yasası Yer

MT Kuram Yer ile etkileşim hava için  geliş açısı ne olursa olsun yer yüzeyine ulaşan elektromanyetik dalga yer içine dik olarak girecektir. 0º Yeriçinde,  Hava Snell yasası Yer

İletken ortamda uyartım Manyetotellürik yöntem kuramının açıklanması için Maxwell denklemleri ile elde edilen dalga denklemini düzlem dalga için çözelim. Genel durum için gelen dalgayı ile tanımlayalım. Burada A ve B bilinmeyen sabitlerdir ve bu denklem için kabul edilebilir çözüm, sağ tarafta bulunan iki terimin doğrusal bileşimi olacaktır.

Birinci Maxwell denkleminden görüldüğü gibi değişken bir manyetik alan iletken ortam içinde bir elektrik alan yaratır ve her iki alan arası ilişki zaman ortamında bağıntısı ile verilir.

Buradaki dönel (rotation) işlemi ile gösterilebilir.

y yönünde yöney olduğundan, veya yazılabilir.

Bir ortamda yayınan elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşeninin, kendine dik olan manyetik alan bileşenine oranı, yayınım ortamı için özgün bir durumu ifade eder (Stratton, 1941). Bu oran dalga empedansı (Z) olarak isimlendirilir:

Yarı sonsuz tekdüze ortam Bu eşitliği çeşitli yerelektrik yapılar için inceleyelim. Yarı sonsuz tekdüze ortam z1  ∞ ve z2 =0 olsun

coth(x)=(( ex + e-x)/( ex – e-x)) x  ∞ cothx  1 x  - ∞ cothx  -1

Bu çözüm için şu sonuçlar çıkarılabilir: Yüzeyde ölçülen dalga empedansı derinliklerdeki iletkenlik dağılımı hakkında bilgi verir. 2. Ex ve Hy arası faz farkı 45° dir. 3. Özdirenç ve empedans arasındaki ilişki: 

Bu eşitlik manyetotellürik yöntemin temelini oluşturmaktadır. Eğer Ex’in birimi milivolt/kilometre (mV/km) ve Hy’nin nanotesla (nT) ise ρ’nun birimi ohm-m olur.

Farklı yönlerde ölçü alındığında iki değişik özdirenç tanımı elde edilir: Cagniard-Tikhonov özdirenç bağıntıları” Özet olarak, yüzeyde herhangi birbirine dik elektrik (E) ve manyetik (H) alanın oranı bilinirse, ρ özdirenci bulunabilir.

Bu biçimde bulunan ρ özdirenci ortamda bulunan bütün özdirençlerin bileşiminden oluşur ve görünür özdirenç (GÖ) (apparent resistivity) olarak isimlendirilir. 

Uygulama açısından bakıldığında tekdüze yarı sonsuz bir ortamı doğada bulmak imkansızdır. Ancak, gerçeğe uygun olan katmanlı ortam tanımları yapılabilir. Katmanlı ortamlarda dalga empedansı yine E ve H’nin birbirine oranı ile bulunur:

Veri-işlem MT verisinin işlenmesinde genel amaç, rasgele görünüşte olan bir veriden sayısal olarak birbirine uyumlu, tekrar edilebilir ve yerin tepkisi olarak kullanılabilecek bir veri kümesinin elde edilmesidir. Yerin tepkisi (earth response) matematiksel bir bağıntı ile tanımlanır ve jeofizikte ilgilendiğimiz elektriksel değiştirgenlerle (,  ve ) ölçülen veri arasındaki ilişkiyi verir.

Elde edilebilecek iki tepki bağıntısı, empedans ve alan sapmasıdır (tipper). Diğer tüm tanımlar bu iki bağıntıdan türetilen ikincil veri kümelerini oluştururlar. Veri işlem aşamalarının çoğu frekans ortamında yapılmaktadır.

Empedans denklemlerinin çözümü ve empedans kestirimi

Veri-işlem İlk olarak, alıcılardan gelen sürekli im önce ön yükselticilerden (pre-amplificator) geçer ve genliği ölçülebilir düzeye çıkarılır. İkinci aşamada, alçak geçişli süzgeçten geçirilirek Nyquist frekansının üstündeki frekanslarda enerji olmaması sağlanır. Yüksek geçişli süzgeç ile aygıt ve alıcılarda oluşabilecek zamana bağlı kaymalar (drift) giderilir. Frekansı bilinen ve enerji iletim hatlarından gelen tekarlı gürültüler için çentik (Notch) süzgeci uygulanır. Ülkemizde sadece 50 Hz için kullanılan bu süzgeç diğer gürültüler için de kullanılabilir.

Özgörünge - çapraz görünge İstenilen frekans aralığında elde edilen veri kümesinin ortalaması özgörünge (özilişki) (auto-spectra) ve çapraz görünge (çapraz ilişki)(cross-spectra) ile bulunur. Genliği sıfır ile bir (0-1) (tutarsız-tutarlı) arasında değişir. Yukarda verilen tanımlar imden bilgi alınması ve özelliklerinin tanınması amacıyla kullanılır. Kayıt edilen verinin niteliğine bu iki tanım ile karar verilir. Bu durumda, yüksek tutarlılık ile elde edilen verilerin güvenilirliği de yüksek olacaktır.

Boyutluluk analizi Ortamın bir boyutlu (1B), iki-boyutlu (2B) veya üç boyutlu (3B) olmasına göre empedans dizeyinin bileşenlerinin aldığı değerler de değişmektedir.

1-B durumu uygulamada en çok kullanılan yer yapı biçimidir ve yatay katmanlı ortamı tanımlar.

2-B durum Jeo-elektrik yapıya en basit örnek, tekdüze yarı uzaydaki bir kırık ile verilebilir. Kırık bölgesinin özdirencinin her iki tarafından da farklı olduğunu düşünelim. Bu durumda, kırık bölgesi bir jeolojik doğrultu tanımlamaktadır ve çevresi ile arasında özdirenç farkı olan bu yapıya jeofizik mühendisliğinde elektriksel uzanım (strike) ismi verilir. Elde edilecek empedanslar E ve H alanının ölçüm doğrultusuna bağlı olarak E’nin uzanıma koşut olduğu TE (Transverse Electric ) ve H’ın uzanıma koşut olduğu TM (Transverse Magnetic) biçimlerine ayrılırlar

Eğer eksenler ve uzanım farklı yönlerde ise, İki ayrı durumda da alanın kutuplanması ve yapıdan etkilenmesi farklı olacaktır. Eğer x ya da y eksenlerinden biri elektriksel uzanım boyunca ise Eğer eksenler ve uzanım farklı yönlerde ise,

MT ölçümlerinin geleneksel olarak KG-DB yönlerinde yapılır. 3-B ortam Gerçeğe en çok uyan yer yapı modelidir. MT ölçümlerinin geleneksel olarak KG-DB yönlerinde yapılır. iki boyutlu yorumlama aşamasında ölçümlerin uzanıma koşut ve dik doğrultularda alınması, diğer bir deyişle TE ve TM biçim ayrımı zorunluluğu vardır. Ancak bu durum, 1B ve 3B yorumlamalar için geçerli değildir.

Çarpıklık (Skew) S ≤ 0.1 Ortam 1B S > 0.3 Ortam 3B Yerin iç yapısının üç boyutluluğunun belirlenmesi için türetilmiş bir değiştirgendir. Döndürme işleminde kullanılan empedans genliklerinin oranı S ≤ 0.1 Ortam 1B S > 0.3 Ortam 3B

Durağan kayma Manyetotellürik verilerin yorumunda karşılaşılan en büyük sorunu durağan kayma (static shift) oluşturmaktadır. Bu olay doğrudan görünür özdirenç eğrilerinde gözlemlenirken faz değerlerinde bu etkinin olmadığı kabul edilmektedir. Bu etki nedeniyle görünür özdirenç eğrileri y ekseni boyunca aşağı veya yukarı doğru kayarlar. Bu kayma, tamamiyle frekanstan bağımsızdır ve tüm eğrinin bir sabit sayı ile çarpılması ile tanımlanabilir.

ET ölçülen toplam elektrik alan değeri, EG gerçek değeri ve ΔE ile verilen ve küçük ölçekli yapılardan kaynaklanan yan etkinin toplamından oluşacaktır:

MT verilerindeki durağan kaymanın giderilmesi için yollar - Geçici elektromanyetik (TEM) yöntem verisi görünür özdirenç eğrisinden hareketle durağan kaymanın giderilmesi, - Bilinen bir iletken katman etkisini kullanarak düzeltme, - Ortalama değer alarak düzeltme, - Kuyu loglarından elde edilen özdirençleri kullanarak düzeltme, - E-Map ölçümü alarak ve uzaysal (spatial) süzgeçler kullanarak düzeltme,

TE ve TM biçimi görünür özdirenç eğrileri.

İki katman eğrileri

Yöntemin üstünlükleri ve zayıflıkları Elektromanyetik yöntemler içinde en yüksek araştırma derinliğine sahip olması yöntemin en fazla kullanılan yöntem olmasını sağlamıştır. MT yöntemi, doğal kaynaklı bir yöntem olduğu için ve bir kaynak ihtiyacı duyulmadığından ölçümlerde bir aygıt azlığı nedeniyle bir kolaylık sağlanmış olur.

MT yöntemi, en geniş frekans aralığına sahip yöntemdir MT yöntemi, en geniş frekans aralığına sahip yöntemdir. Örneğin, uzun dönemli (long period) değişimler zayıf akımları indükleyerek fazla sönümlenmeden daha derinlere nüfuz ederler. Dolayısıyla, farklı frekanslardaki alanlar incelenerek yeraltının farklı bölgeleri yani farklı derinlikleri ‘örneklenmiş’ olur.

Genel olarak, elektromanyetik yöntemlerde elektromanyetik alanın sadece bir bileşeni veya bu bileşenin türevi ölçülmektedir. Manyetotellürik yöntemde hem elektrik alan hem de manyetik alanlar ölçüldüğünden diğer elektromanyetik yöntemlere göre daha fazla bilgi sağlamaktadır.

Veri işlem aşamalarının karmaşıklığı ve ölçülen veriden yorumlamada kullanılan veriye ulaşmak için gerekli süreçlerin uzunluğu yöntemin en zayıf yönlerinden biridir. Ölçülen değerlerin çok küçük (V veya mV) olması ölçüm noktası etrafında gürültü kaynaklarının bulunması durumunda yöntemi kullanışsız hale getirmektedir.

Verilerin sunumu ve değerlendirilmesi Özdirenç-derinlik dönüşümleri Ters çözüm

Çanakkale - Gediz arasında uzanan özdirenç-derinlik yer elektrik kesiti (Ulugergerli ve diğ., 2003).

Electromagnetic Images of the South Electromagnetic Images of the South and Central American Subduction Zones Heinrich Brasse, 2008, 2009

(Booker 2004)

Brasse (2008; 2009)

Manyetotellürik yöntemin kuramsal gelişimi ilk olarak temel “Schumann girişimi” (Schumann resonance) frekansları olarak da isimlendirilen 7.8, 14, 20, 26, 33, 39 ve 45 Hz frekanslarındaki elektromanyetik alanlarının değişimlerinin incelenmesi ile gerçekleşmiştir.

Temel frekanslar olarak ta adlandırılan bu frekanslar, EM dalganın küresel bir kabuktaki tam dolanımı için gerekli süre ve katları olarak tanımlanabilir. İçerdiği gazlar nedeniyle iletken olan iyonosfer dış sınır ve yer kürede iç sınır olarak alınırsa yalıtkan olan atmosferin oluşturduğu boşluktaki yönlenmiş dalga yerkürenin etrafını kuramsal olarak 300000 (km/sn )/40000 (km/devir) =7.5 devir/sn =7.5Hz => T= 0.133 sn/devir süresinde dolaşacaktır.