كهرطيسية أرضية

تنبؤ سلائف الزلازل

وعلى صعيد آخر، تقع محطات مراقبة إضافية لسلائف الزلازل التيلوريك المغناطيسي في اليابان في كاغوشيما، وفي ساواوتشي، وعلى شيكوكو. كما نُشِرَت محطات مماثلة في تايوان على بسكادورز، وكذلك في محمية فوشان على جزيرة تايوان الرئيسية.

علاوةً على ذلك، POLARIS هو برنامج بحثي كندي يبحث في بنية وديناميكيات الغلاف الصخري للأرض والتنبؤ بـ حركة الأرض القوية.

في هذا الإطار، قد تكون التقلبات في إشارة التيلوريك المغناطيسي قادرة على التنبؤ ببداية الأحداث الزلزالية. أُنشِئَت أنظمة مراقبة التيلوريك المغناطيسي ثابتة في اليابان منذ أبريل 1996، مما يوفر تسجيلاً مستمراً لإشارات التيلوريك المغناطيسي في محطة واكويا (سابقاً في مرصد ميزوساوا الجيوديسي) ومحطة إيشاشي التابعة لـ معهد المسح الجغرافي الياباني (GSIJ). تقيس هذه المحطات التقلبات في الحقل الكهرومغناطيسي للأرض التي تتوافق مع النشاط الزلزالي. بيانات السلاسل الزمنية الجيوفيزيائية الخام من محطات المراقبة هذه متاحة مجاناً للمجتمع العلمي، مما يتيح مزيداً من الدراسة للتفاعل بين الأحداث الكهرومغناطيسية والنشاط الزلزالي.

النظرية والممارسة

التيلوريك المغناطيسي ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد

وفي هذا الصدد، تتكون المسوحات ثنائية الأبعاد من ملف طولي لسبر التيلوريك المغناطيسي فوق منطقة الاهتمام، مما يوفر "شرائح" ثنائية الأبعاد لمقاومة ما تحت السطح.

وفي هذا السياق، تتكون المسوحات ثلاثية الأبعاد من نمط شبكي متباعد لسبر التيلوريك المغناطيسي فوق منطقة الاهتمام، مما يوفر نموذجاً ثلاثي الأبعاد أكثر تطوراً لمقاومة ما تحت السطح.

المتغيرات

التنقيب عن المعادن

من جانب آخر، قامت دراسة إثبات مفهوم لـ شركة إنكو عام 1991 في سودبوري، أونتاريو، كندا باستشعار رواسب نيكل بعمق 1750 متراً. تبعتها شركة فالكونبريدج بدراسة جدوى في سنة 1996 حددت بدقة منطقتين معدنيتين من النيكل والنحاس على عمق نحو 800 متر و1350 متراً. منذ ذلك الحين، تستعمل شركات التعدين الكبرى والصغيرة بشكل متزايد تقنيات التيلوريك المغناطيسي والتيلوريك المغناطيسي الصوتي (AMT) للتنقيب في المناطق البنية (بالقرب من الرواسب المعروفة) والمناطق الخضراء (الأراضي غير المكتشفة). أُجريت أعمال رسم خرائط التيلوريك المغناطيسي كبيرة في مناطق من الدرع الكندي.

كذلك، تُستعمل التيلوريك المغناطيسي للتنقيب عن مختلف الفلزات الوضيعة (مثل النيكل) والفلزات النفيسة، وكذلك لرسم خرائط الكمبرليت.

من جهة ثانية، يعد التنقيب عن الماس، عن طريق الكشف عن الكمبرليت، تطبيقاً ثابتاً كذلك.

التنقيب عن الهيدروكربونات

ومن جهة أخرى، على مستوى أساسي من التفسير، ترتبط المقاومية بأنواع صخرية مختلفة. عادة ما تكون الطبقات عالية السرعة مقاومة للغاية، في حين أن الرواسب - المسامية والنفاذة - عادة ما تكون أقل مقاومة بكثير. في حين أن الطبقات عالية السرعة تشكل حاجزاً صوتياً وتجعل السيزمي غير فعال، فإن مقاومتها الكهربائية تعني أن الإشارة المغناطيسية تمر من خلالها دون عوائق على وجه التقريب. يسمح هذا لـ التيلوريك المغناطيسي بالرؤية بعمق تحت طبقات الحاجز الصوتي هذه، مكملة للبيانات السيزمية ومساعدة في التفسير. وجهت نتائج مسح التيلوريك المغناطيسي ثلاثي الأبعاد في أوزبكستان (شبكة 32 × 32 من السبر) المزيد من الخرائط السيزمية لتكوين غازي كبير معروف ذي جيولوجيا تحت سطحية معقدة.

وفي هذا السياق، تستعمل مؤسسة البترول الوطنية الصينية (CNPC) و نورث-ويست المحدودة التيلوريك المغناطيسي البرية أكثر من أي شركة نفط أخرى في العالم، حيث تجري آلاف عمليات سبر التيلوريك المغناطيسي للتنقيب عن الهيدروكربونات ورسم خرائط لها في جميع أنحاء العالم.

ومن جهة أخرى، لأغراض التنقيب عن النفط، تُستعمل التيلوريك المغناطيسي بشكل رئيسي كمكمل للتقنية الأساسية للتنقيب بالمسح السيزمي. في حين أن التصوير السيزمي قادر على تصوير بنية ما تحت السطح، فإنه لا يستطيع اكتشاف التغيرات في المقاومة المرتبطة بالهيدروكربونات والتكوينات الحاملة للهيدروكربونات. تكتشف التيلوريك المغناطيسي تباينات المقاومية والموصلية الكهربائية في البنى تحت السطحية، والتي يمكن أن تميز بين البنى الحاملة للهيدروكربونات وتلك التي لا تحملها.

التنقيب عن الطاقة الحرارية الجوفية

إضافةً إلى ذلك، تسمح قياسات التنقيب الحراري الأرضي بـ التيلوريك المغناطيسي بالكشف عن شذوذ المقاومة المرتبطة بالبنى الحرارية الأرضية المنتجة، بما في ذلك الفوالق ووجود صخور الغطاء، وتسمح بتقدير درجات حرارة خزان الطاقة الحرارية الجوفية على أعماق مختلفة. اكتُمِلَت عشرات مسوحات التنقيب الحراري الأرضي التيلوريك المغناطيسي في اليابان والفلبين منذ أوائل الثمانينيات، مما ساعد في تحديد عدة مئات من الواط من الطاقة المتجددة في أماكن مثل محطة هاتشوبارو على كيوشو ومحطة توغونانغ على ليتي. أُجرِيَ التنقيب الحراري الأرضي باستخدام التيلوريك المغناطيسي كذلك بشكل مكثف في الولايات المتحدة، أيسلندا، نيوزيلندا، المجر، الصين، إثيوبيا، إندونيسيا، بيرو، أستراليا، والهند.

القشرة والوشاح

ومن جهة أخرى، بما أن التيلوريك المغناطيسي حساسة للغاية لتكوين ودرجة حرارة الأرض، فقد استُخدِمَت على نطاق واسع لفهم الكثير من الظواهر الجيولوجية في وشاح الأرض والقشرة. تشمل هذه التحقيقات تكوين وتوزيع المصهورات، وفهم ميكانيكا الفالق وتوليد الزلازل، وتصوير بنية وتكوين الغلاف الصخري العميق، والتي يمكن ربطها بالعديد من العمليات الجيوديناميكية. ركزت التحقيقات الكبيرة على الولايات المتحدة المتاخمة (مثلًا، برنامج التيلوريك المغناطيسي الخاص بـ إيرثسكوب التابع لمؤسسة العلوم الوطنية وخلفه NASA وUSGS MTArray)، وارتفاع شرق المحيط الهادئ، وأستراليا (برنامج AusLAMP MT)، وجنوب إفريقيا (مشروع SAMTEX MT)، والصين (جزء من مشروع Sinoprobe) وهضبة التبت.

الكهرومغناطيسية ذات المصدر المتحكم فيه

وفي السياق ذاته، CSEM الكهرومغناطيسية ذات المصدر المتحكم فيه هي متغير بحري عميق المياه لـ AMT ذات المصدر المتحكم فيه؛ CSEM هو الاسم المستعمل في صناعة النفط والغاز البحرية. وللتنقيب البري، يُستعمل في الغالب Lotem في روسيا والصين والولايات المتحدة وأوروبا.

من جهة ثانية، يستعمل متغير بحري لـ MT، طريقة التيلوريك المغناطيسي البحري (MMT)، أدوات ومستشعرات في حاويات ضغط تُنشَر بواسطة السفن في المناطق الساحلية الضحلة حيث يقل عمق المياه عن 300 متر. أحد مشتقات MMT هو قياس القناة الواحدة البحري لـ الحقل المغناطيسي الرأسي فقط (Hz، أو "tipper")، مما يلغي الحاجة إلى قياسات التيلوريك والقياسات المغناطيسية الأفقية.

كذلك، قد تكون CSEM / CSAMT البرية فعالة حيث تسبب الضوضاء الثقافية الكهرومغناطيسية (مثل خطوط الكهرباء، والأسوار الكهربائية) مشاكل تداخل لطرق الجيوفيزياء ذات المصدر الطبيعي. سلك أرضي ممتد (2 كم أو أكثر) يمر عبره تيارات بترددات مختلفة (0.1 هرتز إلى 100 كيلو هرتز). يتم قياس الحقل الكهربائي الموازي للمصدر والحقل المغناطيسي الذي يكون بزاوية قائمة. يتم لاحقًا حساب المقاومة، وكلما انخفضت المقاومة، زاد احتمال وجود هدف ناقل (غرافيت، خام نيكل أو خام حديد). يُعرف CSAMT كذلك في صناعة النفط والغاز باسم الكهرومغناطيسية ذات المصدر المتحكم فيه برياً (CSEM البرية).

العمق والدقة

في هذا الإطار، تعتمد الدقة الرأسية لـ التيلوريك المغناطيسي بشكل رئيسي على التردد الذي يتم قياسه، حيث أن الترددات الأقل لها أعماق اختراق أكبر. وبناءً على ذلك، تنخفض الدقة الرأسية مع زيادة عمق الاستقصاء.

وفي السياق ذاته، تعتمد الدقة الأفقية لـ التيلوريك المغناطيسي بشكل رئيسي على المسافة بين مواقع السبر - المواقع الأكثر قرباً تزيد من الدقة الأفقية. استُخدِمَت التشكيلات الجانبية المستمرة (المعروفة بـ Emap)، مع وجود أمتار قليلة فقط بين حواف كل ثنائي قطب تيلوريكي.

ومن ناحية أخرى، يمكن لقياسات التيلوريك المغناطيسي استقصاء أعماق من نحو 300 متر وصولاً إلى مئات الكيلومترات، على الرغم من أن التحقيقات في نطاق 500 متر إلى 10,000 متر نموذجية. يتطلب العمق الأكبر قياس ترددات أقل، وهو ما يتطلب بدوره أوقات تسجيل أطول. قد تتطلب القياسات العميقة جداً وطويلة الأمد (من القشرة الوسطى عبر أعماق الوشاح العلوي) تسجيلات لعدة أيام إلى أسابيع أو أكثر للحصول على جودة بيانات مرضية.

التاريخ

وعلى صعيد آخر، منذ إنشائها لأول مرة في الخمسينيات، اتبعت مستشعرات التيلوريك المغناطيسي وأجهزة الاستقبال وتقنيات معالجة البيانات الاتجاهات العامة في الإلكترونيات، لتصبح أقل تكلفة وأكثر قدرة مع كل جيل. تشمل التطورات الرئيسية في أجهزة وتقنيات التيلوريك المغناطيسي التحول من الأجهزة التناظرية إلى الرقمية، وظهور المرجعية عن بُعد، والمزامنة المعتمدة على وقت نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والحصول على البيانات ومعالجتها ثلاثية الأبعاد.

التطبيقات التجارية

ومن جهة أخرى، قُدِّمَت تقنية التيلوريك المغناطيسي بشكل مستقل من قبل علماء يابانيين في عام 1948 (هيراما، ريكيتاكي)، وعالم الجيوفيزياء في الاتحاد السوفيتي أندري نيكولايفيتش تيخونوف في عام 1950 وعالم الجيوفيزياء الفرنسي لويس كاغنيارد في عام 1953. مع التقدم في الأجهزة والمعالجة والنمذجة، أصبحت التيلوريك المغناطيسي واحدة من أهم الأدوات في أبحاث الأرض العميقة.

التيلوريك المغناطيسي الصوتي

وعلى صعيد آخر، التيلوريك المغناطيسي الصوتي (AMT) هو تقنية تيلوريك مغناطيسي ذات تردد أعلى للتحقيقات الضحلة. في حين أن AMT لها اختراق عمق أقل من MT، فإن قياسات AMT غالباً ما تستغرق نحو ساعة واحدة فقط للأداء (لكن قياسات AMT العميقة خلال فترات قوة الإشارة المنخفضة قد تستغرق ما يصل إلى 24 ساعة) وتستعمل مستشعرات مغناطيسية أصغر وأخف وزناً. AMT العابر هو متغير AMT الذي يسجل فقط مؤقتاً خلال فترات الإشارة الطبيعية الأكثر كثافة (النبضات العابرة)، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء على حساب الاستقطاب الخطي القوي.

أخرى

التطبيقات البحثية

في هذا الإطار، تُستعمل التيلوريك المغناطيسي كذلك للتنقيب عن المياه الجوفية وبحوث رسم الخرائط، ومراقبة خزان الهيدروكربون، والاستقصاء العميق (100 كم) للخصائص الكهربائية لأساسات الصخور لأنظمة نقل تيار الجهد العالي المستمر، وعزل ثنائي أكسيد الكربون، وتطبيقات الهندسة البيئية الأخرى (مثل مراقبة موقع التفجير النووي ومراقبة مواقع المخلفات الإشعاعية).

معالجة البيانات وتفسيرها

وفي السياق ذاته، مطلوب معالجة ما بعد الاكتساب لتحويل بيانات السلاسل الزمنية الخام إلى انعكاسات قائمة على التردد. يُستعمل ناتج المعالجة للبرنامج كمدخل للتفسير اللاحق. قد تشمل المعالجة استخدام بيانات المرجعية عن بُعد أو البيانات المحلية فقط.

ومن جهة أخرى، تُنمذَج بيانات التيلوريك المغناطيسي المعالجة باستخدام تقنيات مختلفة لإنشاء خريطة مقاومة ما تحت السطح، مع ترددات أقل تتوافق عموماً مع عمق أكبر تحت الأرض. تظهر الشذوذات مثل الفوالق، الهيدروكربونات، والتمعدن الناقل كمناطق ذات مقاومة أعلى أو أقل من البنى المحيطة. تُستعمل حزم برمجيات مختلفة لتفسير (عكس) بيانات التيلوريك المغناطيسي، حيث تُستعمل المقاومة الظاهرية لإنشاء نموذج لما تحت السطح.

مصادر الطاقة

في هذا الإطار، تُقاس الحقول الكهربائية والمغناطيسية الأرضية المتغيرة طبيعياً للأرض عبر نطاق واسع من ترددات التيلوريك المغناطيسي من 10,000 هرتز إلى 0.0001 هرتز (10,000 ثانية). ترجع هذه الحقول إلى التيارات الكهربائية المتدفقة في الأرض والحقول المغناطيسية التي تحفز هذه التيارات. تُنتَج الحقول المغناطيسية بشكل رئيسي عن طريق التفاعل بين الريح الشمسية والغلاف المغناطيسي. علاوةً على ذلك، يسبب نشاط العواصف الرعدية العالمي حقولاً مغناطيسية بترددات أعلى من 1 هرتز. مجتمعة، تخلق هذه الظواهر الطبيعية إشارات مصدر التيلوريك المغناطيسي قوية عبر طيف التردد بأكمله.

ومن جهة أخرى، يوفر نسبة الحقل الكهربائي إلى الحقل المغناطيسي معلومات بسيطة حول ناقلية ما تحت السطح. ولأن ظاهرة الظاهرة السطحية تؤثر على الحقول الكهرومغناطيسية، فإن النسبة في نطاقات التردد الأعلى تعطي معلومات عن الأرض الضحلة، بينما يتم توفير معلومات أعمق بواسطة نطاق التردد المنخفض. يتم تمثيل النسبة عادةً كلاً من المقاومة الظاهرية كدالة للتردد والطور كدالة للتردد.

ومن جهة أخرى، يتم فيما بعد إنشاء نموذج للمقاومية والموصلية الكهربائية تحت السطح باستخدام هذا الموتر.

من جانب آخر، تمتلك الصخور والرواسب والبنى الجيولوجية المختلفة نطاقاً واسعاً من الناقلية الكهربائية المختلفة. يسمح قياس المقاومة الكهربائية بتمييز المواد والبنى المختلفة عن بعضها البعض ويمكن أن يحسن المعرفة بـ العمليات التكتونية والبنى الجيولوجية.

وفي هذا السياق، تسبب الطاقة الشمسية والبرق تغيرات طبيعية في المغناطيسية الأرضية، مما يحفز تيارات كهربائية (تُعرف بـ التيارات التحليلية) تحت سطح الأرض.

قوة الإشارة وأوقات التسجيل

وفي هذا الصدد، الحقول المغناطيسية في نطاق التردد من 1 هرتز إلى نحو 20 كيلو هرتز هي جزء من نطاق التيلوريك المغناطيسي الصوتي (AMT). هذه متوازية لسطح الأرض وتتحرك نحو مركز الأرض. يسمح نطاق التردد الكبير هذا بنطاق من اختراق العمق من عدة أمتار إلى عدة كيلومترات تحت سطح الأرض. نظراً لطبيعة مصدر التيلوريك المغناطيسي، تتقلب الأمواج عموماً في ارتفاع السعة. هناك حاجة إلى أوقات تسجيل طويلة للتأكد من القراءة القابلة للاستخدام بسبب التقلبات وقوة الإشارة المنخفضة. بشكل عام، تكون الإشارة ضعيفة بين 1 و5 هرتز، وهو نطاق حاسم في اكتشاف أول 100 متر من الجيولوجيا. تُستعمل طريقة التيلوريك المغناطيسي كذلك في البيئات البحرية للتنقيب عن الهيدروكربونات والدراسات الغلاف الصخرية. نظراً لتأثير الفحص لمياه البحر الناقلة كهربائياً، يبلغ الحد الأعلى القابل للاستخدام للطيف نحو 1 هرتز.

موردو الأجهزة والمستشعرات

من جانب آخر، تورد أربع شركات أغلب سوق العالم للاستخدام التجاري: واحدة في الولايات المتحدة، وواحدة في كندا؛ وواحدة في ألمانيا وواحدة في روسيا. المصنعون الناشئون للأدوات طويلة الأمد وعريضة النطاق منخفضة التكلفة والممكنة عبر الإنترنت.

• انظر كذلك
• جيوفيزياء استكشافية
• فيزياء الأرض
• مسح سيزمي
• المراجع

وفي هذا الصدد، الوكالات الحكومية والشركات الصغيرة التي تنتج أجهزة التيلوريك المغناطيسي للاستخدام الداخلي تشمل الأكاديمية الروسية للعلوم؛ والمعهد الوطني لأبحاث الفضاء في أوكرانيا.

سبر المرجعية عن بُعد

كذلك، المرجعية عن بُعد هي تقنية التيلوريك المغناطيسي تُستعمل لحساب الضوضاء الكهربائية الثقافية عن طريق اكتساب بيانات متزامنة في أكثر من محطة التيلوريك المغناطيسي واحدة. هذا يحسن جودة البيانات إلى حدّ كبير، وقد يسمح بالاكتساب في المناطق التي يصعب فيها اكتشاف إشارة التيلوريك المغناطيسي الطبيعية بسبب التداخل الكهرومغناطيسي من صنع الإنسان.

المعدات

وفي هذا السياق، تتكون مجموعة كاملة نموذجية من معدات التيلوريك المغناطيسي (لـ "خمسة مكونات" سبر) من أداة استقبال بخمسة مستشعرات: ثلاثة مستشعرات مغناطيسية (عادة مستشعرات ملف تحريض)، ومستشعرين تيلوريك (كهربائي). بالنسبة لـ التيلوريك المغناطيسي طويلة الأمد حصراً (ترددات أقل من 0.1 هرتز على وجه التقريب)، قد يتم استبدال مستشعرات الحقل المغناطيسي عريض النطاق المنفصلة الثلاثة بمقياس مغناطيسي بوابي تدفقي ثلاثي المحاور مدمج واحد. في الكثير من الحالات، سيتم استخدام مستشعرات التيلوريك فقط، ويتم استعارة البيانات المغناطيسية من عمليات سبر قريبة أخرى لتقليل تكاليف الاكتساب.

وفي هذا السياق، يمكن حمل مجموعة كاملة من خمسة مكونات من معدات التيلوريك المغناطيسي بواسطة فريق ميداني صغير (2 إلى 4 أشخاص) أو بواسطة مروحية خفيفة، مما يسمح بالنشر في المناطق النائية والوعرة. أغلب معدات التيلوريك المغناطيسي قادرة على التشغيل الموثوق عبر مجموعة واسعة من الظروف البيئية، بتصنيفات تتراوح عادةً من −25 درجة مئوية إلى +55 درجة مئوية، من الصحراء الجافة إلى الرطوبة العالية (التكثيف) والغمر الكامل المؤقت.

مسوحات التنقيب

وفي هذا السياق، تُجرى مسوحات تنقيب التيلوريك المغناطيسي للحصول على بيانات المقاومة التي يمكن تفسيرها لإنشاء نموذج لما تحت السطح. تُكتسَب البيانات في كل موقع سبر لفترة من الزمن (السبر الليلي شائع)، مع اعتماد التباعد المادي بين عمليات السبر على حجم الهدف وهندسته، وقيود التضاريس المحلية والتكلفة المالية. يمكن أن يكون لمسوحات الاستطلاع تباعد عدة كيلومترات، في حين أن العمل الأكثر تفصيلاً يمكن أن يكون له تباعد 200 متر، أو حتى عمليات سبر متجاورة (ثنائي القطب إلى ثنائي القطب).

وفي السياق ذاته، التأثير البيئي والصحي والسلامة (EHS) لاستكشاف التيلوريك المغناطيسي منخفض نسبياً بسبب المعدات خفيفة الوزن، ومصادر الإشارة الطبيعية، والمخاطر المخفضة مقارنة بأنواع الاستكشاف الأخرى (مثل عدم وجود حفر، وعدم وجود متفجرات، وعدم وجود تيارات عالية).