Jeotermal Aramalarda Manyetotellürik Yöntem Ahmet Tuğrul BAŞOKUR LEMNİS Yerbilimleri Sanayi ve Ticaret Ltd. Şti., Ankara Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Bölgesi, B-Blok No: 11/B, Gölbaşı ANKARA ve Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Müh. Böl., Tandoğan 06100 ANKARA E-posta: basokur@ankara.edu.tr ÖZ Jeotermal akışkan dolaşımı, kayaçların geçirgenlik ve gözenekliliğin artmasına ve dolayısı ile elektriksel özdirenç değerlerinin değişmesine yol açmaktadır. Doğal gerilim, elektriksel özdirenç tomografisi (ERT), VLF, etkisel uçlaşma (IP), yapay veya doğal kaynaklı AMT ve manyetotellürik gibi jeofizik yöntemlerinin tümü yeraltı özdirenç değişimini saptanmasında kullanılmakla birlikte, bu yöntemler ayrımlılık ve araştırma değinliği açısından birbirinden farklılıklar göstermektedir. Yöntem seçiminde başlıca etkenler, araştırma derinliği ile birlikte projenin amacı ve bütçesidir. Sığ derinlikler için yukarıda anılan yöntemlerden biri veya birkaçı istenilen ayrımlılığa göre tercih edilebilir. Ancak, görece derin hedefler (örneğin 300 metreden daha derin) için manyetotellürik yöntem tek seçenek haline gelmektedir. Manyetotellürik (MT) yöntemde, doğal elektromanyetik alanın yer içerisinde yayılımının frekansa ve yer altı özdirenç dağılımına bağlı olma özelliğinden yararlanılır. Zamana karşı ölçülen elektrik ve manyetik alanlara veri-işlem tekniklerinin uygulanması ile frekans bölgesinde çeşitli MT nicelikleri türetilir ve ters-çözüm işlemi ile yer altı özdirenç dağılımını betimleyen bir model üretilir. Bu fiziksel model jeotermal sistem ve jeolojik yapılar ile ilişkilendirilerek, jeotermal aramalar açısından yorumlanır. Anahtar Kelimeler: Jeotermal aramalar, elektrik-elektromanyetik yöntemler, manyetotellürik yöntem GİRİŞ Yerküresinin doğal elektromanyetik alanı, manyetotellürik (MT) alan olarak adlandırılır. MT alanın kaynağı değişik olaylara bağlı olarak atmosferde, iyonosferde veya manyetosferde bulunur. 1 hertz (Hz) frekansının altındaki elektromanyetik dalgalar, güneşten gelen yükler ile dünyanın doğal manyetik alanının manyetosfer sınırındaki girişiminden oluşur. 1 Hz frekansının üzerindeki değişimler yere ulaşamadan iyonosfer içinde soğurulduğundan, bu sinyallerin kaynağı 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. Araştırma derinliği, kullanılan frekans aralığına bağlı olduğundan inceleme amaçlarına göre denetlenebilir. Duyulabilir manyetotellürik (audio -magnetotellurics, AMT), manyetotellurik (MT) ve jeomanyetik derinli k sondajı (geomagnetic depth sounding, GDS) adları ile sınıflandırılan yöntemlerin temel ilkeleri aynı olup, kullanılan frekans aralıkları farklıdır (Başokur, 2008). 1
MT ÖLÇÜ DÜZENİ VE VERİ SUNUMU MT yönteminde doğal elektrik alanın iki bileşeni ve manyetik alanın üç bileşeni zamanın fonksiyonu olarak ölçülürler. Şekil 1 de MT ölçü düzeni görülmektedir. Elektrik alan iki ucunda elektrotlar bulunan bir kablo yardımı ile ve manyetik alan ise indüksiyon bobinleri ile ölçülür (Şekil 2). Ölçülen gerilim farkı ile manyetik alan, görünür özdirenç ve faz değerlerine dönüştürülür (Başokur, 1994). Verilerin sunumu ise görünür özdirenç eğrileri, yapma-kesitleri (Şekil 3) ve haritaları ile gerçekleştirilir. Görünür özdirenç eğrileri, yapma-kesitleri ve seviye haritalarının gözden geçirilmesi ile veri kalitesi incelenebileceği gibi hedef kütlelerin yeri ve uzanımı hakkında da nitel bir yorum yapılabilir. Ancak, nitel yorum ile hedef kütlelerin derinlik, uzanım ve kalınlıkları hakkında sayısal bilgiler elde edilemez. Bu görselleştirme teknikleri sayısal modelleme yöntemlerinin uygulanmasından önce önsel-bilgi sağlarlar. Şekil 1. Elektrik (E) alanın iki ve manyetik (H) alanın üç bileşeninin coğrafi yönlere göre ölçümü. x kuzey-güney, y doğu-batı ve z düşey yöne göstermektedir. VERİ-İŞLEM AŞAMALARI 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 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-işlem aşamasında yapılması gereken işlemler, MT verisinin yorumunda kullanılacak modele bağımlıdır. 2B yorum uygulamalarında, direnti dizeyinin köşegen olmayan bireyleri, jeolojik doğrultu ve bu doğrultuya dik yöne karşılık gelecek şekilde döndürülür. Döndürme açısını saptamak için çeşitli yöntemler önerilmiştir. Groom-Bailey ayrışımı en yaygın kullanılan yöntemdir (Groom and Bailey, 1989). Döndürme işlemini TE (elektrik alan jeolojik doğrultuya paralel) ve ona dik TM modlarının ayırt edilmesi izler. Böylece, direnti, görünür özdirenç, faz ve diğer MT nicelikleri TE ve TM modlarına ait olmak üzere ikişer adet hesaplanır. Veri yuvarlatılması isteğe bağlı olarak uygulanan bir veri-işlem aşamasıdır. Verinin yuvarlatılmaması halinde ters-çözüm aşamasında veri değerlerine mutlaka ağırlık katsayısı atanmalıdır. 2
Şekil 2. Elektrik (E) ve manyetik (H) alanlarının zamana bağlı kayıt edilmesi. Elektrik alanlar (üsteki iki grafik) kurşun-kurşun klorür elektrotlar, yatay (üçüncü ve dördüncü grafikler) ve düşey (alttaki grafik) manyetik alanlar ise bobinler yardımı ile ölçülür.. MT VERİLERİNİN TERS-ÇÖZÜMÜ 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. İki-boyutlu ters-çözüm için birden fazla MT istasyonu bir hat oluşturmalı, üç-boyutlu ters-çözüm içinse birden fazla hat bulunmalıdır. 3B modellemenin çok hızlı bilgisayar kullanımı gerektirmesi nedeni ile 2B ters-çözüm daha yaygın kullanım alanı bulmaktadır. 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. 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 3
yineleme işleminin sayısı, ön-kestirim değerlerinin gerçeğe yakınlığı ve verinin gürültü içeriği ile ilişkilidir. Gürültü bazı durumlarda yineleme işleminin yakınsamasını engelleyebilir. Örnek olarak, Şekil 3 de görüntülenen MT verisinin ters-çözümü ile elde edilen yer altı özdirenç dağılımı ve yorumu Şekil 4 de görüntülenmiştir. Frekans (Hertz) Görünür Özdirenç 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 0 1 2 3 4 5 LOG(Gör. Özd.) 2.3+ 2.1 to 2.3 1.9 to 2.1 1.7 to 1.9 1.6 to 1.7 1.4 to 1.6 1.2 to 1.4 1.0 to 1.2 0.8 to 1.0 0.6 to 0.8 0.4 to 0.6 0.2 to 0.4 Frekans (Hertz) Faz 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 0 1 2 3 4 5 Uzaklık (km) Faz (derece) 48+ 44 to 48 40 to 44 36 to 40 32 to 36 28 to 32 23 to 28 19 to 23 15 to 19 11 to 15 7 to 11 3 to 7 Şekil 3. MT verisinin görünür özdirenç ve faz yapma-kesitleri şeklinde sunumu. Yatay eksen uzaklık ve düşey eksen frekans olmak üzere eşdeğer görünür özdirenç ve faz değerleri görüntülenir. Küçülen frekans değerleri göreli derinliğe karşılık gelmektedir. SONUÇLAR Elektrik ve elektromanyetik yöntemler jeotermal aramalarda en sık başvurulan jeofizik yöntemdir. Doğru akım (DC), doğal gerilim (SP) ve indüksiyon polarizasyon (IP) yöntemleri de yer altı özdirenç değişiminden etkilenmektedir. DC ve IP yöntemleri ancak sığ çalışmalar için (0-200 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 pratik olmaktan çıkarır. Düşey elektrik sondajı (DES) gibi uygulamalar, MT uygulamaları ile karşılaştırıldığında daha yavaştır. Aynı sahada derin amaçlı bir adet/gün DES uygulaması yapılabilir. MT doğal kaynaklı bir yöntem olduğundan ölçülen istasyon sayısı araziye yerleştirilen MT sistemi sayısı kadar olacaktır. Topografyanın hızlı değişim gösterdiği bölgelerde de MT uygulamaları daha sorunsuzdur. Arama amaçlı MT çalışmaları dışında, sürekli MT ölçüleri ile üretim sırasında rezervuarın gözlenmesi ve benzeri uygulamalar da bulunmaktadır. MT yöntemi jeolojik trendlerin, ayrışma kuşaklarının ve fay sistemlerinin incelenmesinde başarılı bir yöntemdir. Jeotermal akışkanlar çevrelerinde sıcaklık, elektriksel iletkenlik, yoğunluk ve çeşitli 4
mineralleşmeler açısından değişiklik yaratırlar. Bunlardan, elektriksel özdirenç değişimi yüzeyden yapılacak ölçümler ile belirlenebilmekte ve potansiyel jeotermal rezervuarların aranmasına yardımcı olmaktadır. MT yöntemi bu açıdan düşük özdirenç belirtilerinin saptanmasında diğer yöntemlerden daha başarılıdır. MT yöntemi ile kıtasal kabuk derinliği ve kabuk içerisindeki olası iletkenlik belirtilerinin saptanması da olanaklıdır. Şekil 4. Aliağa sahasında iki-boyutlu ters-çözüm sonucu elde edilen uzaklık-derinliğe bağlı gerçek özdirenç kesiti ve jeolojik yorumu (derinlik 6 km) (Kaya ve Başokur, 2010). Şekil 3 de görüntülenen veri kullanılmıştır. KAYNAKLAR Başokur, A.T., 1994. Definitions of apparent resistivity for the presentation of magnetotelluric sounding data. Geophysical Prospecting, 42, 141-149. Başokur, A.T., 2008. Manyetotellürik Yöntemde Temel Kavramlar. http://www.lemnis.com.tr Groom, R. W. and Bailey, R. C., 1989. Decomposition of the magnetotelluric impedance tensor in the presence of local three-dimensional galvanic distortion. Journal of Geophysical Research, 94, 1913-1925. Kaya, C. and Başokur, A. T., 2010. Magnetotelluric experiments in the Aliaga Geothermal Field. Western Turkey, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April 2010, number 1386, page 1-10 (http://www.wgc2010.org). Meju, M.A., 1996. Joint inversion of TEM and distorted MT sounding: Some effective practical considerations. Geophysics, 61, 56-65. Sternberg, B. K., J. C. Washburne and Pellerin, L., 1988. Correction for the static shift in magnetotelluric using transient electromagnetic soundings. Geophysics, 53, 1459-1468. 5