Rezistivite Cihazı Tasarlayalım #1

Merhaba arkadaşlar,

Bu yazı dizisinde sıfırdan başlayarak literatüre hakim bir şekilde rezistivite cihaz tasarımı yapmayı planlıyorum. Rezistivite nedir ? Nelere dikkat edilmelidir ? Hangi yöntemler kullanılır ? Tasarıma nereden başlanır ? Tasarım sırasında nelere dikkat edilmelidir ? gibi soruların cevaplarını bulabileceğiniz uzun soluklu bir yazı dizisi olacak. İlk yazımızda rezistivite cihazı ile neler yapılabildiğinden ve ölçüm metotlarından bahsedeceğim.

Jeofizik yöntemlerden biri olan elektrik özdirenç (rezistivite) yöntemi ile yeraltına ait parametrelerin belirlenmesi uzun yıllardan beri yapılmaktadır. Bu parametreler sayesinde topraklama hatları oluşturularak elektrik sorunsuz bir şekilde kullanılmakta, tarihi eserler gün yüzüne çıkarılmakta, insanlık için en büyük nimetlerden olan yeraltındaki suyun tespiti yapılabilmektedir.

Toprağın özdirenci bize toprak altındaki farklılıklar ile ilgili bir çok vermektedir. İlk defa 1915 yılında Wenner tarafından uygulanan özdirenç yöntemi, Schlumberger, 1920 tarafından geliştirilerek başarılı sonuçlar elde edilmiştir.

Bilgisayar ve jeofizik cihaz teknolojisinin gelişmesiyle elektrik özdirenç yöntemi, yeraltının özdirenç değişimlerinin bir, iki ve üç boyuta incelenmesine olanak vermiştir. Böylelikle yöne bağımlı ve tekdüze olmayan yeraltının gerçeğe daha yakın özdirenç değişimleri incelenebilmiştir. İlk bir boyutlu (1B) olarak düşey elektrik sondaj (DES) yöntemleri ile incelenen bu değişim, 1990’lı yıllardan itibaren iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) araştırmalara doğru gelişmiştir.

1. Rezistiviteye Giriş

Yeryüzü çeşitli minerallerden meydana gelmiştir. Bu mineraller kendi aralarında fiziki ve kimyevî özellikler ile birbirlerinden ayrılırlar. Jeofiziğin jeoelektrik bölümünde amaç, bu mineral özelliklerinden faydalanarak, yeryüzündeki cevherli zonları, fayları veya tektonik yapıları tespit etmektir.

Araştırılması istenilen bölgenin jeolojik yapısının ortaya konulabilmesi için uygulanan birçok jeofizik yöntem vardır. En yaygın kullanılan ölçü şekli, iki akım elektrotu (A,B) ile yerin içine elektrik göndermek ve iki potansiyel elektrotu (M,N) ile bu akımın meydana getirdiği potansiyel dağılımının yüzeyden yapılan ölçümler yoluyla belirlendiği elektrik özdirenç yöntemidir.

Rezistivite cihazının temel amacı yüzeyden yapılan gerilim ölçümleriyle yeraltı katmanlarının derinlik ve özdirenç değerlerinin saptanmasıdır. Bu amaç için yeryüzüne iki noktadan elektrik alan uygulanır ve diğer iki nokta arasında gerilim farkı ölçülür. Elektrik alanın uygulandığı elektrotlar “akım elektrotları” ve gerilim farkının ölçüldüğü elektrotlar “gerilim elektrotları” olarak adlandırılır.

Akım elektrotları arasındaki uzaklığın arttırılması akımın daha derinlere inmesini sağlar. Derinlik ile ilişkili görünür özdirenç değerleri elde edebilmek için akım uçları arasındaki uzaklığın her ölçüm sonunda arttırılması yoluyla bir dizi ölçü alımını gerektirebilir.

Elektrotların ölçüm sırasındaki çeşitli konumlarına göre geliştirilen ölçü alım teknikleri mevcuttur. Buna rağmen EPE rezistivite gibi 5V gerilimin toprağa aktaracağı akım ile metrelerce derine inebileceğini göstermez. Elbette toprağa uygulanan en ufak bir akım size toprak hakkında bilgi verecektir. Ancak her belli kurallar çerçevesinde gerçekleşmektedir her şey.

Toprağa iki elektrot yardımıyla gerilim uygulamak suretiyle toprağa uygulanacak olan akım; farklı iki noktadaki iki elektrot arasındaki gerilim topraktaki termo olaylarından veya yukarıda bahsedilen minerallerin fiziki ve kimyevi özelliklerden meydana gelmektedir.

Toprakta meydana gelen fiziki, kimyevi ve termo olaylar ile meydana gelen bu çok küçük gerilim yerkabuğu tabakaları veya değerli metaller hakkında yeterli bilgi veremez. Bu nedenle toprağa harici olarak bir akım gönderilir ve bu gönderilen akım bize toprak altı için yeterli bilgiyi verebilir.

Anlaşıldığı üzere bu işin mihenk taşı akımdır. Bu iş için, piller, aküler ve hatta jeneratörler kullanılabilir. Bazı jeoelektrik metotlarında doğru akımdan, bazılarında ise alternatif akımdan istifade edilir. Toprağa akım gönderebilmek için iki iletken A ve B elektrotu, meydana gelen potansiyel farkı ölçmek içinse M ve N elektrotu kullanılır.

Böylece akım kaynağından A, B elektrotlarıyla toprağa akım verilip, M ve N elektrotlarıyla da meydana gelen potansiyel farkı “dv” ölçülür. Ohm kanunundan istifade edilerek “gs” yani toprağın özdirenci hesaplanır.

Yeraltındaki her tabakanın kendine has görünür özdirenci “gs” olduğundan, her tabakanın geçirgenliği farklı olmaktadır. İşte bu özdirençten faydalanılarak, yeraltındaki metalleri, boşlukları ve tektonik yapıları hesaplanarak bulabiliriz.

Bu yöntemle ölçülen en önemli fiziksel özellikler kayaçların elektriksel özdirenci ve elektrik geçirgenliğidir. Metallerde özdirenç, iletken olduklarından çok düşükken, su içermeyen sokulum kayaçların özdirenci iletken olmadıklarından çok yüksektir.

Arazide elde edilen özdirenç değerleri ile kayacın hangi kayaç olduğunu saptamak zordur. Çünkü aynı kayaç türünün özdirenci tek bir değer olmayıp geniş bir bant aralığına yayılır. Ayrıca farklı kayaç türlerinin özdirençler de aynı bant değerinin kapsayacak şekilde çakışabilir. Bu durumda farklı parametre değerleri bulunarak ve jeolojik veriler incelenerek kayaç türü saptanmaya çalışılır.

Topraktaki kayaç türlerinden ziyade, toprakaltındaki değişimleri aradıklarından metal türleri, boşluk, yapılar hakkında oldukça iyi sonuçlar vermektedirler.

2 . Özdirenç Yönteminin Esasları

Yapay kaynaklı elektrik özdirenç yönteminde çözümü istenen jeolojik problemlerin farklı olması durumunda farklı ölçüm teknikleri geliştirilmiştir. Sabit bir noktadan simetrik açılım yaparak yerin düşey yöndeki değişimini izlemek amacıyla geliştirilen düşey elektrik sondaj (DES) ölçümü, yanal süreksizliklerin araştırılması için geliştirilen profil (yatay kaydırma) olcumu, hem yanal hem düşey yöndeki değişimlerin saptanması amacıyla geliştirilen sondaj-profil olcumu özdirenç yönteminde kullanılan olcum teknikleridir.

DES ölçümü, akım elektrotları arasındaki uzaklığın artırılması, akımın derinlere inmesine dolayısıyla daha derinlerdeki yapıların özdirenç özellikleri hakkında bilgi toplanmasını sağlar. Böylece sabit bir noktanın düşey yöndeki değişimi belirlenmiş olur. Profil ölçümü, bir hat boyunca yanal süreksizliklerin belirlenmesi amacıyla uygulanır.

Araştırılmak istenen derinliğe göre belirlenmiş sabit bir elektrot aralığı ile kurulan dizilim her ölçüden sonra profil boyunca kaydırılarak ölçme işlemi sürdürülür. Bu ölçü tekniği daha çok kırık-çatlakların, fayların yerlerinin belirlenmesinde ve dayk gibi yapıların araştırılmasında kullanılır.

Sondaj-Profil ölçümü, bu ölçümde sondaj ve profil ölçü teknikleri birlikte kullanılır. Bir hat boyunca belirlenmiş noktalar üzerinde ölçülmüş DES değerleri birlikte sunulur. Bu yöntem ile yeraltında hem yanal hem de düşey yöndeki özdirenç dağılımı belirlenir. Jeofizik ölçümlerde, genel dizilim yerine akım ve potansiyel elektrotlarının yerleri değiştirilerek türetilmiş özel dizilimler kullanılır.

Bu dizilimlerin özellikleri göz önünde bulundurularak karşılaşılan jeolojik probleme göre sonuca gitmede en etkili olan dizilim seçilir. Klasik elektrot dizilimlerinden birkaçı, simetri merkezine göre bir çizgi boyunca dizilen Schlumberger ve Wenner dizilimleridir.

Bir başka yaygın kullanılan dizilim turu Dipol-Dipol’dur. Schlumberger elektrot dizilimi, genellikle düşey elektrik sondaj(DES) olcum tekniği ile birlikte kullanılır ve yatay veya yataya yakın tabaka sınırlarının derinlik ve özdirençlerinin belirlenmesinde kullanılır.

Wenner dizilimine göre daha derinlerden bilgi alınmasını sağlar. Bu dizilim de elektrotlar düzgün bir çizgi üzerine simetrik olarak akım elektrotları dışarıda potansiyel elektrotları içerde olmak üzere yerleştirilir ve simetri merkezi olan ölçü noktasındaki elektrik alan ölçülür. Potansiyel elektrotları arasındaki mesafe akım elektrotları arasındakine göre küçüktür.

Wenner diziliminde ise, akım elektrotları dışarıda potansiyel elektrotları içeride ve birbirlerinden eşit uzaklıkta olmak üzere dizilirler. Dıştaki iki elektrottan yere akım verilir. İçte yer alan iki elektrottan ise verilen akımın yarattığı gerilim alanı ölçülür.

Wenner elektrot dizilimi, düşey süreksizliklerin belirlenmesi için kaydırma ölçü tekniği kullanılarak oldukça hassas bir şekilde yapılabilmektedir. Ölçme işlemi elektrot arası mesafe değişmeden profil boyunca kayarak veya ölçü noktası etrafında simetrik biçimde açılarak devem eder.

Yanal yöndeki değişimler bu dizilimle daha kolay saptanır. Diğer yöntemlere göre sığ yapıları çok yüksek çözünürlükle belirleyebilmektedir (Wightman ve diğ.,2003). Dizilimin gürültüye karşı daha az duyarlı olması ise en büyük avantajlarındandır.

3. Özdirenç Ölçüm Methodları

Toprak özgül direnci tespitinde birçok hesaplama metodu kullanılabilir. En çok kullanılan 2 metod 4 elektrot ile yapılabilen:

• WENNER metodu sabit bir derinlik için uygundur.
• SCHLUMBERGER metodu farklı derinlikler için uygundur.

 

          3.1. Wenner Methodu:

“a” eşit mesafesi ile 4 adet kazık toprak üzerinde bir çizgi halinde yerleştirilerek ölçüm gerçekleştirilir. A ve B elektrotlarından akım gönderilir. M ve N elektrotları arasındaki ΔV gerilim potansiyeli ölçülür.

Kullanılan ölçüm mantığı geleneksel toprak direnci ölçüm mantığıdır. Ancak tasarlanacak cihazın akım verme ve ΔV potansiyeli ölçme yeteneği olmalıdır. Elde edilen akım ve gerilim değerlerinden yararlanarak “Ohm Kanunu” yardımıyla direnç “R” değeri hesaplanır.

Bu “R” değerini aşağıdaki formül ile beraber çözerek özdirenç değerine ulaşmış oluruz.

ρ = 2 π a R

Formül 1: Özdirenç Formülü

          Burada “ρ” Ω.m olarak 0 noktası altında, h = 3a/4 derinliğindeki özgül direnci temsil etmektedir. “a” metre olarak kazıklar arası metre olarak değerlendirilir. “R” değeri (Ω) cihaz tarafından ölçülen direnci temsil eder. Bu ölçüm biriminde derinlik a/3 dür.

Yani kazıklar arasındaki mesafenin üçte biri boyutundadır. Bahsedildiği gibi gerilimi artırarak yüzlerce metre derini göstermek bu cihaz için imkânsızdır. Gerilim ile alakası vardır veyahut kazıklar arası mesafe ile alakası vardır. Ama yüzlerce metre derini gösteremez.

         3.2. Schlumberger Methodu:

Schlumber metodu Wenner metodu ile aynı ölçüm presibi ile çalışır. İki metod rasındaki fark sadece kazıkların yerleşimi arasındaki farktır.

– Dış iki kazık arasındaki mesafe 2d
– İç iki kazık arası mesafe A

Ve ölçüm sonucunda elde edilen R direnç değeri aşağıdaki formülde kullanılarak özgüldirenç hesaplanır:

ρS = (π.(d²-A²/4).RS-ES) / 4

Formül 2: Özdirenç Formülü

          Bu method özellikle geniş arazi özgül direnç ölçümlerinde ciddi zaman tasarrufu kazandırır zira bu ölçümlerde dış iki kazık hareket ettirilerek yapılırken Wenner metodunda 4 kazığında yeri değiştirilmesi gereklidir.

Schlumberger metodu büyük alan ölçümlerinde zaman kazandırsa da pratikte Wenner metodu daha yaygın olarak kullanılır. Bunun nedeni Wenner metodundaki matematik denkleminin Schlumberger metoduna kıyasla daha basit olmasından kaynaklanır. Wenner methodu daha kesin sonuç vermektedir. Wenner methodunun gürültüyü filtreleme oranı Schlumberger methoduna göre daha iyidir.

4. Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

Elektromanyetik etkilerden korunmak için, ölçüm için kullanılacak kabloların tam olarak açılması ve herhangi bir döngü oluşturmamasına dikkat edilerek kullanılması, birbirlerinden uzak yerleştirilmesi ve iletkenlerden (kablo, tren rayları, teller gibi) uzak olması gerekir.

Ölçüm sonuçlarının doğruluğunu devam ettirebilmek için, harici kazık bölgelerinin dirençleri düşük olmalıdır. Eğer gerekli ise, kazıklar daha derine yerleştirilmeli ve toprak nemlendirilmelidir. Ölçüm sonucunun doğruluğunu test etmek için, 0V referans kazığı B’nin yeri değiştirilerek ölçüm tekrarlanmalıdır.

Bu cihaz ile ölçüm yapmak sabır ve emek gerektirir. Araştırılacak alanda defalarca ölçüm yapmak gerekebilir. Çoklu kazık sistemiyle ölçümler kolaylaştırılabilir.

Bir sonraki yazımızda görüşmek üzere.

Herhangi bir sorununuzda yorum bölümünden sorabilirsiniz.

Daha fazla özgün içerik ve motivasyon için sosyal medya hesaplarımdan beni takip etmeyi unutmayın.

Instagram: https://www.instagram.com/yusuffyk/

Youtube: https://www.youtube.com/yusuffyk