JEOTERMAL ARAMALARDA KULLANILAN ELEKTRİK VE ELEKTROMANYETİK YÖNTEMLER Ankara Üni., Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Müh. Böl., Tandoğan 06100 ANKARA basokur@eng.ankara.edu.tr Özet Jeotermal akışkanların oluşturduğu etkilerin saptanmasında, elektriksel iletkenlik değişiminin kullanılması en etkili yaklaşımlardan biridir. Bu nedenle, iletkenlik değişiminden yararlanan, doğal gerilim, elektriksel özdirenç tomografisi (ERT), VLF, etkisel uçlaşma (IP), yapay veya doğal kaynaklı AMT ve manyetotellürik yöntemleri jeotermal aramalarda kullanım alanı bulmaktadır. Yöntem seçimi, araştırma derinliği ve proje amacı ile bütçesine bağlıdır. Sığ derinlikler için yukarıda anılan yöntemlerden biri veya birkaçı istenilen ayrımlılığa göre tercih edilebilir. Ancak, görece derin hedefler (örneğin 300 metreden daha derin) için manyetotellürk yöntem (kullanılmasını kısıtlayan özel bir durum yok ise) tek seçenek haline gelmektedir. Manyetotellürik (MT) yöntemde, zamana karşı ölçülen doğal elektrik ve manyetik alanlara bazı veri-işlem tekniklerinin uygulanması ile çeşitli MT nicelikleri türetilmekte ve MT verisinden ters-çözüm işlemi ile yer altı özdirenç dağılımına ait bir model elde edilebilmektedir. Bu fiziksel modelin jeotermal aramalar açısından anlamlandırılması ve hesaplanan yeraltı özdirenç modeli ile jeotermal sistemin ve jeolojik yapıların ilişkilendirilmesi ile ilgili bir örnek verilmiştir. 1. GİRİŞ Jeotermal akışkan dolaşımı nedeni ile geçirgenlik ve gözenekliliğin artması elektriksel özdirenç değerlerini etkilemektedir. Elektrik ve elektromanyetik yöntemlerde, yeraltındaki dağılımı hesaplanmaya çalışılan fiziksel özellik maddenin özdirenci olduğundan, bu yöntemler jeotermal aramalarda hem doğrudan rezervuar yerinin saptanması hem de yapısal jeolojinin çıkarılmasında kullanılabildiğinden, bir bütün olarak jeotermal sistemin özelliklerinin anlaşılmasında oldukça etkilidir. Diğer elektrik ve elektromanyetik yöntemler ile karşılaştırıldığında, manyetotellürik yöntemin arazi uygulaması daha kolaydır. Ayrıca, kullanılan frekans aralığına bağlı olan araştırma derinliğinin inceleme amaçlarına göre denetlenebilmesi olanaklıdır. Bu nedenle, jeotermal çalışmalarda birincil arama yöntemidir. Ancak, veri-işlem aşaması diğer jeofizik yöntemlere göre daha zaman alıcıdır, deneyim ve özel uzmanlık gerektirir. 2. SIĞ AMAÇLI JEOFİZİK YÖNTEMLER Doğal gerilim yöntemi, hidrotermal çevrim nedeni ile yer içerisinde oluşan elektriksel gerilim
farklarından yararlanır. Uzun süreli hidrotermal etkinliğin değişimi hakkında doğal gerilim ölçümlerinden yararlanılabilir. Ölçüm aygıtları görece yalın olup, yer yüzeyindeki iki nokta arasındaki gerilim farkı polarize olmayan elektrotlar yardımı ile ölçülür. Çok düşük frekanslı elektromanyetik (VLF) yöntemi, güçlü radyo vericilerinden yararlanır. Bu vericiler, yayılma doğrultusuna dik yöndeki yatay manyetik alan ve düşey elektrik alan bileşenlerinden oluşan bir birincil elektromanyetik alan yayarlar (Tabbagh ve diğ, 1991). Bu alana yanıt olarak verilen yer içindeki indüksiyon, yatay elektrik ve manyetik alandan hesaplanan görünür özdirenç ile betimlenir. Ayrıca, elektrik ve manyetik alanların arasındaki faz farkı da ölçülür. VLF yöntemi elektriksel iletkenliğe duyarlı olduğundan, su ve/veya kil ile doldurulmuş fay ve çatlak zonlarının saptanmasında etkilidir. Yapay kaynaklı manyetotellürik yöntemde (Controlled Source Audio-Magnetotellurics; CSAMT), yapay kaynak olarak yere topraklanan bir akım vericisi kullanılır. Yapay kaynak kullanımı daha güçlü sinyallerin yaratılmasını, daha etkin veri-işlem yapılmasını ve hızlı ölçü alınmasını sağlarsa da, araştırma derinliğini kısıtlar. Verici dipol, en yakın ölçü hattından 2-7 km uzağa yerleştirilir. Verici, iki ucundan yere gömülen uzun bir dipol yardımı ile çeşitli frekanslarda yere akım verir ve güç kaynağı olarak bir jeneratör kullanılır. Vericinin çıkış gerilimi 800-1000 volt ve çıkış gücü 10-30 kw dır. Verici dipolün boyu 2-4 veya daha fazla olabilir. Alıcı dipol boyu, araştırmanın amacına uygun olarak 10-200 m arasında olabilir. Frekansların sayısı ve frekans aralığı, yapımcı firmaya bağlı olarak küçük farklılıklar gösterebilir. Verici dipole paralel yatay elektrik alan, polarize olmayan elektrotlar kullanılarak eşit aralıklı noktalarda ölçülür. Elektrik alana dik yöndeki yatay manyetik alan, manyetik bobinler yardımı ile ölçülür. Veriye fiziksel anlam kazandırmak için ölçülen nicelikler görünür özdirenç değerlerine çevrilir. Cagniard(1953) tarafından geliştirilen görünür özdirenç tanımı manyetotellürik verinin sunumu için geleneksel olarak kullanılmaktadır. CSAMT verisi yapma-kesit ve harita şeklinde sunulur. Yöntem yanal değişimlere oldukça duyarlıdır ve iletken bölgeler kolaylıkla haritalanabilir. Yukarıda söz edilen yöntemlere göre daha fazla araştırma derinliği, esnek araştırma tasarımı, iyi yanal çözüm ve hızlı ölçüm alımı diğer elektromanyetik yöntemlere göre CSAMT yönteminin üstün yanlarıdır. Diğer yandan, yöntemin en önemli sorunu yapay kaynak kullanımı nedeni ile düzlem dalga varsayımının belirli bir frekans değerinden sonra sağlanamamasıdır. Yüksek özdirençli bir temel üzerinde bulunan iletken katman veya hedeflerin belirtileri, düzlem dalga koşulunun sağlanamadığı frekansların başlama bölgelerine karşılık geldiğinde, Cagniard(1953) görünür özdirenç eğrileri artan kanat başlamadan önce undershoot olarak adlandırılan bir çentik oluştururlar. Bu çentik görünür özdirenç yapma kesitlerinde iletken belirti bölgeleri olarak görüntülenir ve jeotermal aramalar açısından yanlış yorumlamalara neden olabilir. Bu etkinin nedeni hakkında ayrıntı açıklama ve bu etkiyi göstermeyen görünür özdirenç tanımları sırası ile Başokur ve diğ.(1997a) ve Başokur(1994) tarafından verilmiştir. 3. MANYETOTELLÜRİK ALAN VE YÖNTEM Yerküresinin doğal elektromanyetik alanı, manyetotellürik (MT) alan olarak adlandırılır. MT alanın kaynağı değişik olaylara bağlı olarak atmosferde, iyonosferde veya manyetosferde bulunur. 1 hertz'in altındaki elektromanyetik dalgalar güneşten gelen yükler ile manyetosfer sınırındaki girişimlerden oluşur. 1 hertz in 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 (Başokur, 2008). MT yönteminde doğal elektrik alanın iki bileşeni ve manyetik alanın üç bileşeni zamanın fonksiyonu olarak ölçülür. Zaman ortamında ölçülen elektrik ve manyetik alan verilerinin Fourier dönüşümleri alınarak frekans ortamına dönüştürülmeleri yorumlama açısından daha uygundur. Elektromanyetik yöntemlerde ölçülen veriler, görünür özdirenç ve faz değerlerine dönüştürülür. Verilerin sunumu ise görünür özdirenç eğrileri, yapma-kesitleri (pseudo-section) ve haritaları ile gerçekleştirilir. Bu sunum yöntemleri, sayısal modelleme ve çözümleme işlemlerinden önce yorumcunun nitel bir değerlendirme yapabilmesine olanak verir. 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 (transient electromagnetic method, TEM) 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 yuvarlatılması isteğe bağlı olarak uygulanan bir veri-işlem aşamasıdır. Verinin yuvarlatılmaması halinde ters-çözüm aşamasında veri değerlerine mutlaka ağırlık katsayısı atanmalıdır. Başokur, Kaya ve Ulugergerli (1997a), FNI fonksiyonunun davranışına uyan sürekli bir fonksiyonun doğrusal bileşiminin, FNI verisinin sayısal değerlerine yaklaştırılması ile MT verisini yuvarlatan bir yöntem geliştirmişlerdir. Rastgele gürültülerin yanında sistematik gürültüleri de temsil edebilen bir ağırlık katsayısı atama yöntemi Başokur(2008) tarafından önerilmiştir. 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. İkiboyutlu ters-çözüm için birden fazla MT istasyonu bir hat oluşturmalı, üç-boyutlu tersçözüm içinse birden fazla hat bulunmalıdır. 3B modellemenin çok hızlı bilgisayar kullanımı gerektirmesi nedeni ile 2B ters-çözümün daha yaygın kullanım alanı bulunmaktadır. 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. 2B model, özdirençlerin ölçü hattı doğrultusunda ve düşey yönde değiştiği, ancak kesit düzlemine dik yönde değişmediği varsayımı ile elde edilir. Şekil 3 de, farklı özdirençli ve farklı boyutlu dikdörtgen prizmalar kullanılarak yeraltının parametreleştirilmesi gösterilmiştir. Her bir
prizmayı (kesit üzerinde hücre) tanımlamak için gereken geometrik ve fiziksel nicelikler parametre olarak adlandırılır. Geometrik parametreler prizmaların boyutları, fiziksel parametreler ise prizmaların özdirençleridir. Prizmalar çizim düzlemine dik yönde ile + aralığında devamlıdır. Her bir prizma ise kesit düzleminde bir hücre oluşturmaktadır. Modele bazı üçgen kesitli prizmalar eklenerek, topografya da temsil edilebilir. 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 yineleme işleminin sayısı, ön-kestirim değerlerinin gerçeğe yakınlığı ve verinin gürültü içeriği ile ilişkilidir. Gürültü bazı durumlarda yineleme işleminin yakınsamasını engelleyebilir. MT yönteminde en çok kullanılan ters-çözüm algoritmaları, türev-tabanlı yöntemlerden sönümlü en-küçük kareler tekniğinin değişik uyarlamalarıdır. 4. MT YÖNTEMİNİN JEOTERMAL ARAMALARDA KULLANIMI Jeofizik yöntemlerin amacı belirli bir fiziksel parametrenin yeraltındaki dağılımını saptamaktır. Bu işlem doğrudan fiziksel parametrenin ölçülmesi ile gerçekleştirilmez. Bunun yerine, bu fiziksel parametrenin yeraltındaki dağılımı nedeni ile oluşan alan değişimi yeryüzünde ölçülür. Bu alan değerleri kullanılarak, ters-çözüm yöntemleri ile fiziksel parametrenin yeraltındaki dağılımı kestirilmeye çalışılır. Ancak, arama çalışmalarının başarıya ulaşabilmesi için, ölçülen verilerde fiziksel parametrelerin uzaysal dağılımı hakkında bilgi olması ve bu bilginin ters-çözüm yöntemleri ile elde edilebilmesi gerekir. Jeotermal akışkanlar çevrelerinde sıcaklık, elektriksel iletkenlik, yoğunluk ve çeşitli mineralleşmeler açısından değişiklik yaratırlar. Bunlardan, elektriksel iletkenlik (özdirenç) değişimi yüzeyden yapılacak ölçümler ile görece kolay belirlenebilmekte ve potansiyel jeotermal rezervuarların aranmasına yardımcı olmaktadır. Bu nedenle, elektrik ve elektromanyetik yöntemler jeotermal aramalarda en çok başvurulan jeofizik yöntemlerden biridir. Jeotermal sahalar, ısı kaynağı, ısıyı taşıyan akışkanlar, tektonik yapı ve örtü kayaç ile birlikte bir sistem olarak ele alınmalı ve tüm sistem yapısal elemanları ile birlikte incelenmelidir. MT yöntemi jeolojik trendlerin, ayrışma kuşaklarının ve fay sistemlerinin incelenmesinde oldukça başarılı bir yöntemdir. Bunların yanında, frekans bandının uygun olduğu durumlarda, MT yöntemi ile kıtasal kabuk derinliği ve kabuk içerisindeki olası iletkenlik belirtilerinin saptanması olanaklıdır. Burada MT yöntemi hakkında belirtilen tüm özellikler, yöntemin jeotermal aramalarda birincil teknik durumuna gelme sürecinin nedenlerini açıklamaktadır. Ülkemizde de MT yönteminin jeotermal uygulamalarda kullanımına örnek oluşturacak birçok çalışma bulunmaktadır. Şekil 1 de Aliağa sahasında MT çalışmaları ile elde edilen model görülmektedir (Kaya ve Başokur, 2007). 21 ölçü istasyonunun bulunduğu hat 5 km uzunluğundadır. MT verisinin 2B ters-çözümü ile elde edilen özdirenç kesitinin yüzeyden itibaren 6 km derinliğe kadar olan bölümü Şekil 4 de görüntülenmiştir. Özdirenç kesitinin yorumlanması ile bölgenin yapısal özellikleri, ana fayların genel karakterleri ve çalışma alanının jeotermal enerji için umutlu olan bölümleri ortaya çıkarılmıştır.
KAYNAKLAR Şekil 1. Aliağa sahasında iki-boyutlu ters-çözüm sonucu elde edilen gerçek özdirenç dağılımı ve jeolojik yorum (derinlik 6 km - doğrusal ölçek) (Kaya ve Başokur, 2007). 5. SONUÇLAR Elektriksel iletkenlik (özdirenç) değişimi yüzeyden yapılacak ölçümler ile görece kolay saptanabilindiğinden, doğru akım (DC), doğal gerilim (SP) ve indüksiyon polarizasyon (IP) yöntemlerini de kapsamak üzere elektrik ve elektromanyetik yöntemler jeotermal aramalarda en çok başvurulan jeofizik yöntemlerden biridir. 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 kullanışlı olmaktan çıkarır. Düşey elektrik sondajı (VES) gibi uygulamalar, MT uygulamaları ile karşılaştırıldığında yavaş ve daha maliyetlidir. Topografyanın hızlı değişim gösterdiği bölgelerde de MT yöntem uygulamaları daha sorunsuzdur. Burada verilen örneklerin dışında jeotermal üretim sahalarında sürekli MT gözlemleri ile rezervuarın denetlenmesi gibi MT uygulamaları da bulunmaktadır. [1] Başokur, A.T., 1994, Definitions of apparent resistivity for the presentation of magnetotelluric sounding data, Geophysical Prospecting 42, 141-149. [2] Başokur, A. T., Kaya, C. and Ulugergerli, E. U., 1997a, Direct interpretation of magnetotelluric sounding data based on the frequency-normalized impedance, Geophysical Prospecting 43, 17-34. [3] Başokur A.T., Rasmussen, T.M., Kaya, C., Altun, Y., Aktas, K., 1997b, Comparison of induced polarization and controlled source audio-magnetotellurics methods for the massive chalcopyrite exploration in volcanic area, Geophysics 62, 1087-1096. [4] Başokur, A. T., 2008. Manyetotellürik Yöntemde Temel Kavramlar. (http://geop.ankara.eng eng.ankara.edu.tr). 87 sayfa. [5] Cagniard L. 1953. Basic theory of magnetotelluric of geophysical prospecting, Geophysics. Vol.18, p. 605-635. [6] Kaya, C. ve Başokur, A. T., 2007, Aliağa Jeotermal Sahasının Manyetotellürik Yöntemle Araştırılması, TMMOB Jeotermal Kongresi, 21-24 Kasım 2007, Ankara, 231-247. [7] Meju, M.A., Joint inversion of TEM and distorted MT sounding: Some effective practical considerations. Geophysics 61 56-65, 1996. [8] Sternberg, B. K., J. C. Washburne and L. Pellerin, Correction for the static shift in magnetotelluric using transient electromagnetic soundings, Geophysics, 53, 1459-1468, 1988.