Dört farkl elektrot dizilimine göre baz üç-boyutlu s yeralt yap lar n n görünür özdirenç modellemesi
Download "Dört farkl elektrot dizilimine göre baz üç-boyutlu s yeralt yap lar n n görünür özdirenç modellemesi"
1 Yerbilimleri, 30 (2004), Hacettepe Üniversitesi Yerbilimleri Uygulama ve Araflt rma Merkezi Bülteni Bulletin of Earth Sciences Application and Research Centre of Hacettepe University Dört farkl elektrot dizilimine göre baz üç-boyutlu s yeralt yap lar n n görünür özdirenç modellemesi Apparent resistivity modelling of some three-dimensional shallow structures using by four different electrode configurations Mahmut G. DRAHOR 1,2, Gökhan GÖKTÜRKLER 1, Meriç A. BERGE 1, T. Özgür KURTULMUfi 2 1 Dokuz Eylül Üniversitesi, Jeofizik Mühendisli i Bölümü, Kaynaklar Yerleflkesi, Buca, ZM R 2 Dokuz Eylül Üniversitesi, S Jeofizik ve Arkeolojik Prospeksiyon Araflt rma ve Uygulama Merkezi (SAMER), Kaynaklar Yerleflkesi, Buca, ZM R ÖZ Bu çal flmada, bir sonlu-farklar algoritmas yard m yla elektrik özdirenç yönteminde yayg n olarak kullan lan Schlumberger, Wenner, pol-pol ve dipol-dipol elektrot dizilimlerinin baz üç-boyutlu s yeralt modelleri için bilgisayar ortam benzetimleri yap lm flt r. Bu modeller, s jeofizik araflt rmalarda s kl kla karfl lafl lan çevresel, hidrojeolojik ve karstik sorunlara göre oluflturulmufltur. Benzetimler, çok kanall veri toplama tekni i temel al narak, görünür özdirenç kesitleri ve haritalar n n hesaplanmas n içermifl ve bunlar birbirleriyle karfl laflt r lm flt r. Yüzeye yak n iletken veya dirençli yap lar n varl, hedef yap lar n derinliklerindeki art fl ve modellerin karmafl klaflmas dizilimlerin üretti i anomalilerdeki ayr ml l önemli oranda etkilemifltir. Anomaliye en büyük katk s derinlikte gömülü bulunan yap lardan oluflmaktad r. Böylece; hedef yap lar n yüzeye yak n oldu u durumlarda görünür özdirenç haritalar ndan yorum yapmak ço unlukla daha kolay olmaktad r. Bu nedenle; s jeofizik araflt rmalar n üç-boyutlu yap ld durumda, görünür özdirenç yapma kesit ve haritalar yard m yla da yorumlamada bulunulabilecektir. Ayr ca, araflt rman n amac na uygun dizilim seçilmesi, araflt rman n baflar s aç s ndan önem tafl maktad r. Anahtar Kelimeler: Elektrik özdirenç, modelleme, s jeofizik, sonlu farklar. ABSTRACT In this study, using a finite-difference algorithm, the responses of the Schlumberger, Wenner, pole-pole and dipole-dipole configurations, which are widely used in the resistivity method, to some three-dimensional shallow subsurface models were simulated. These models are based on environmental, hydrogeological and karstic problems which are frequently encountered in near surface geophysics. Based on the multi-channel data acquisition, simulations included calculation of the apparent resistivity pseudo-sections and maps for each model by each configuration. The presence of the shallow resistive or conductive bodies, increase in the depth of the target structures and complexity of the models seriously affected the resolution of the anomalies generated by the configurations. The maximum contribution to anomaly is originated by shallow structures. Therefore, the interpretation of the apparent resistivity maps is easier when the target structures are present in shallow depths. In case of the three-dimensional geophysical surveys the interpretations can be achieved using the apparent pseudo-sections and maps. Considering the success of the survey, choosing the appropriate configuration according to target is important. Key Words: Electrical resistivity, modelling, near surface geophysics, finite difference. M. G. Drahor
2 116 Yerbilimleri G R fi Elektrik özdirenç yönteminde; anomalinin belirlenmesinde gömülü yap n n fiziksel özelliklerinin yan s ra, kullan lan elektrot dizilimlerinin de büyük önemi vard r. Herhangi bir yer modeli için hesaplanan, ya da ölçülen görünür özdirenç de- erleri farkl elektrot dizilimlerine göre de iflik sonuçlar verir. Bu nedenle, çal flman n amac na uygun elektrot diziliminin seçimi araflt rman n baflar s aç s ndan önem tafl maktad r. De iflik elektrot dizilimlerinin karmafl k yeralt yap lar için verece i anomalilerin analitik yöntemlerle hesaplanmas olanakl de ildir. Analitik hesaplama, genelde, basit geometrik cisimler ve yeryüzünden bafllayan modeller üzerinde yap lmaktad r (Parasnis, 1965; Van Nostrand ve Cook, 1966; Telford vd., 1976). Yüzey alt nda prizmatik biçimli gömülü cisimlerin görünür özdirenç de erlerinin belirlenmesinde ise, 1970 li y llarda yap lan deneysel tank çal flmalar büyük önem tafl r (Apparao, 1979; Brizzolari ve Bernabini, 1979). Ancak daha h zl ifllemcilerin ortaya ç k - fl ile bafllayan bilgisayar teknolojisindeki geliflme; sonlu elemanlar (Coggon, 1971; Rijo, 1977; Pridmore vd., 1981), sonlu farklar (Jepsen, 1969; Mufti, 1976; Dey ve Morrison, 1979 a ve 1979 b; Scriba, 1981) ve integral denklemi (Dieter vd., 1969; Hohmann, 1975; Meyer, 1977; Okabe, 1981; Das ve Parasnis, 1987) gibi say - sal yöntemleri kullanarak daha gerçekçi modellerin kurulmas na ve etkili hesap yapabilmeye olanak sa lam flt r. Son y llarda yüksek duyarl kl ve h zl veri toplayabilen elektrik özdirenç aletlerinin gelifltirilmesi, daha ayr nt l yorum yapma olana n da vermifltir. Bu geliflimde sonlu farklar ve sonlu elemanlar gibi say sal hesaplama tekniklerinin önemi büyüktür. Çözüm tekniklerindeki bu geliflme, birçok farkl elektrot dizilimi için karmafl k yeralt yap lar n n iki- ve üç-boyutlu düz ve ters-çözüm (Candansayar ve Baflokur, 2001; Berge, 2002; Kurtulmufl, 2003; Dahlin ve Zhou, 2004) modellemesinin etkili bir biçimde yap lmas n olanakl k lm flt r. Düz çözüm çal flmalar nda elde edilen de er, görünür özdirençtir. Bu de er, ortam n özdirenç z tl - na, dizilim geometrisine ve derinli e ba l olarak de iflir ve do al olarak ortam n gerçek elektriksel yeralt modelini yans tmaz. Di er bir deyiflle, belirtilen parametrelere ba l olarak oluflan görünür de iflimi yans t r. Bu nedenle, gerçek yeralt modelini elde etmek için mutlaka ters çözüm çal flmalar yap lmal d r. Son y llarda, s ortamlar modellemek için uygulanan iki ve üçboyutlu ters çözüm ifllemleriyle birçok s sorun incelenmektedir (Candansayar ve Baflokur, 2001; Dahlin vd., 2002; Dahlin ve Zhou, 2004). S yap lar n araflt r lmas nda genellikle, yanal özdirenç taramas olarak adland r lan profilleme ölçüm tekni i kullan l r. Bu teknikte; seçilen elektrot dizilimine ba l olarak, de iflik görünür derinlik düzeyleri için, yeralt n n görünür özdirenç yapma kesitleri elde edilir. Son y llarda, k - sa sürede duyarl veri elde etmeyi sa layan çok-kanall ölçüm cihazlar, s yap lar n araflt - r lmas nda yayg n olarak kullan lmaya bafllam flt r (Dahlin, 2001). Bu çal flmada; Dey ve Morrison (1979b) taraf ndan gelifltirilen ve üç boyutlu yap lar için uygulanan bir sonlu farklar hesaplama tekni i kullan lm fl olup, dört ayr elektrot dizilimi (Schlumberger, Wenner, pol-pol ve dipol-dipol) için tasarlanan model yap lar n görünür özdirençleri RES3DMOD (Loke, 2001a) bilgisayar program kullan larak hesaplanm flt r. Model yap lar, de iflik hidrojeolojik ortamlar ve çevresel sorunlar tan mlayabilecek biçimde oluflturulmufltur. Böylece; modellerde kullan lan yap lar n boyutlar, gömülü derinlikleri ve özdirençlerine ba l olarak oluflturacaklar görünür özdirenç anomalileri hesaplanm flt r. ÇOK- KANALLI VER TOPLAMA Özdirenç yönteminde bilgisayar denetimli veri toplama sistemleri son 15 y l içinde oldukça geliflmifltir. Bu tür sistemler; özdirenç aleti, bilgisayar, elektrotlar denetleyen bir anahtar devresi, elektrot kablolar, bunlar n ba lant lar ve elektrotlardan oluflur (Van Overmeeren ve Ritsema, 1988; Griffiths vd., 1990; Griffiths ve Barker, 1993; Dahlin, 2001). Bu tür bir cihaz ve gerekli yaz l m yard m yla; dizilim türleri, ak m ve potansiyel elektrotlar ile ölçülecek noktalar aras uzakl klar adreslenebilmektedir. Bu sistemlerin en önemli ifllevsel bölümlerinden biri de, elektrotlar denetleyen anahtar devresidir. Baz cihazlarda bunlar do rudan her bir elektrotta bulunurken, genelde merkezi bir anahtar devreyle denetlenen cihazlar daha yayg nd r. Bu tür cihazlarda elektrot kanal say s 25, ya da daha fazlad r ve genelde 32 ya da 64 kanall cihazlar yayg n olarak kullan lmaktad r. Elektrot aral klar da araflt rmac n n gereksinimine ba l olarak
3 Drahor vd. 117 Bu çal flma; hidrojeolojik ve çevresel amaçl s jeofizik araflt rmalarda karfl lafl lan baz temel sorunlarda, yayg n olarak kullan lan dört elektrot dizilimiyle (Schlumberger, Wenner, pol-pol ve dipol-dipol) elde edilmesi olas görünür özdiistenilen aral klarda düzenlenebilmektedir. Genelde 1 ile 25 m aral klar birçok araflt rmada yeterliyken, daha genifl aral kl düzen kurma olana da vard r. Çal flmalar s ras nda elektrotlar n ba land kablolar çal flma alan na serildikten sonra, elektrotlar yere çak l r ve kablolar elektrotlara ba lanarak sistem ölçüme haz r duruma getirilir. Veri toplamadan önce her bir elektrotun temas durumlar ve di er taramalar otomatik olarak yap l r. Bunlarda bir sorun ç kmazsa, ölçümler istenilen dizilim türleri için k sa süre içinde gerçeklefltirilir ve ölçüm hatt bir sonraki hatta kayd r l r. Böyle bir sistemi oluflturan ana elemanlar ve ölçüm sistemi fiekil 1 de verilmifltir. ri ifllem her bir elektrotun bir kez ötelenmesiyle oluflan yeni adreslemeler s ras nda da yap larak, ifllem profil sonuna de in sürdürülür ve n=1 düzeyi için görünür özdirenç verileri elde edilir. Daha sonra elektrot aral klar n n 2a oldu u durum için adreslemeler yeniden de ifltirilir ve bir öncekine benzer ifllem yinelenerek, bu düzeye iliflkin görünür özdirenç verileri toplan r. Ölçümler, tasarlan n düzeylerine göre sürdürülür ve böylece ilk ölçüm hatt ndaki veri toplama ifllemi tamamlan r. Daha sonra sistem ölçülecek di er ölçüm hatt na kayd r l r ve benzer ifllemler sürdürülür. Böylece tasarlanan m adet ölçüm hatt üzerinde n düzeyine de in yap lan ölçümlerle, ortam n üç boyutlu görünür özdirenç haritalar ve hacimsel görüntüleri elde edilir. KURAMSAL MODELLER VE UYGULAMALAR fiekil 1 de 32 elektrot, çoklu iletken bir kablo, denetim modülü ve tafl nabilir bir bilgisayardan oluflan bir sistem ile Wenner dizilimine göre yap lan bir ölçüm gösterilmektedir. Öncelikle istasyon 1 de elektrot aral klar n n a oldu u durumda, ak m elektrotlar olarak 1 ve 4, potansiyel elektrot olarak da 2 ve 3 adreslenmekte ve böylece bu noktan n ölçümü 2 ile 3 noktas n n ortas na atanarak, ifllem tamamlanmaktad r. Benzefiekil 1. Çok kanall özdirenç ölçü sistemi ve ölçüm aflamalar (Griffiths ve Barker, 1993). Figure 1. Multi-electrode resistivity measuring system and measurement stages (Griffiths and Barker, 1993).
4 118 Yerbilimleri renç yan tlar n n bilgisayar ortam ndaki benzetimine dayanmaktad r. Modeller oluflturulurken; bunlar n sorunu en iyi yans tacak biçimde olmas na özen gösterilmifltir. Hesaplamalar mümkün olan en yüksek duyarl kta yap lm fl olup, dizilim türü ve model boyutlar na göre incelebilecek en derin düzeyler irdelenmifltir. Her dizilim için elde edilen yapma görünür özdirenç kesitleri birbirleriyle karfl laflt r larak, dizilimlerin modellere karfl yan tlar incelenmifltir (Göktürkler ve Drahor, 2004). Karmafl k Modeller S amaçl aramalarda s kça karmafl k yeralt durumlar ile karfl lafl lmakta, dolay s yla sorunlar n çözümü de karmafl kl k ölçüsünde zorlaflmaktad r. Karmafl k bir yeralt benzeflim modeli kurulurken, oluflturulan modelin hedeflenen yap lara benzer olmas na özen gösterilmelidir. Böylece olas yeralt durumuna en yak n benzeflim modeli elde edilebilecek ve yorumlamaya önemli bir katk sa lanacakt r. Bu çal flmada; modeller karmafl klaflt r larak hidrojeolojik ve çevresel sorunlara uygun olacak biçimde tasar mlanm fllard r. Bu sorunlar üzerinde yukar da de inilen dört ayr elektrot dizilimi kullan larak yap lan üç-boyutlu sonlu farklar hesaplamalar yla, yap lar n oluflturaca görünür özdirenç haritalar ve yapma kesitleri elde edilmifltir. Bulunan özdirenç yapma kesitlerine ait görünür derinlik de erleri ise, Loke (2001b) taraf ndan verilen katsay lar çizelgesinden hesaplanm flt r. Bu çizelgenin oluflturulmas nda, dizilime ait duyarl l k fonksiyonu kullan lmaktad r. Homojen yer modeli için araflt rma derinli i ve dizilimin yeralt ndaki yatay ve düfley özdirenç de iflimlerine duyarl l, dizilim duyarl k fonksiyonu taraf ndan tan mlanabilir (Mc Gillivray ve Oldenburg,1990). Temelde duyarl k fonksiyonu, potansiyeli etkileyecek olan yüzey alt özdirencindeki de iflimin derecesini vermektedir. Ölçümde, duyarl k de- erinin yüksekli i, yeralt na daha fazla nüfuz anlam na gelmektedir. Duyarl l k fonksiyonu, matematiksel olarak, Frechet türevleri yard m yla hesaplanmakta ve böylece etki derinli i, dizilimin toplam uzunlu una ve elektrotlar aras uzakl a göre hesaplanarak, de iflik dizilimler için katsay lar biçiminde verilebilmektedir (Edwards, 1977). Böylece ortaya ç kan etki derinli- i ( ) kavram, görünür özdirenç kesitlerinin araflt rma derinli inin hesaplanmas n sa lamaktad r. Hesaplanm fl bu etki derinliklerine göre elde edilen yapay görünür özdirenç haritalar, yoruma katk sa layacakt r. Bu nedenle; üç-boyutlu bir yeralt modelini en iyi tan mlayabilecek seviyelerden hesaplanan etki derinliklerine göre elde edilen görünür özdirenç haritalar yla; ortamdaki de iflimler, yap boyutlar ve derinlikler için yorum yap labilecektir. Çevresel ve S z nt Amaçl Tasar mlanan Modeller S v at klar n yeralt ndaki yay l m n n izlenmesi, s jeofizi in önemli uygulama alanlar ndan biridir. Bu tür alanlar, özellikle s ölçekli özdirenç yöntemi ile etkili bir biçimde incelenebilmekte ve belirlenebilirlikleri üzerine son y llarda yayg n modelleme çal flmalar yap lmaktad r. Bu çal flmada, böylesi bir sorunun irdelenmesi aç s ndan oluflturulan iki ayr model, sonlu farklar yöntemiyle üç-boyutlu olarak incelenmifltir. Bu amaçla (150 x 45) m boyutlar ndaki bir alan içine yap lm fl (30 x 30 x 7) m boyutlar nda bir at k havuzu, alt n üretiminde kullan lan bir siyanür havuzu olabilece i düflünülerek tasar mlanm flt r (çevresel model-1). Modelleme çal flmas nda, havuzda oluflabilecek herhangi bir deformasyonun (havuz çeperlerinde oluflabilecek çatlama gibi) ortamda yarataca özdirenç de iflimlerinin etkisini görebilmek amac yla, tasar mlanan ikinci model (çevresel model-2) ile de s - z nt öncesi ve sonras durumu karfl laflt rma olana ortaya ç km flt r. Hesaplamalarda, alan n x ve y yönlerinde 3 m aral klarla ölçüldü ü düflünülmüfltür. (fiekil 3e ve 4e). Kullan lan dört ayr dizilim için yap lan hesaplamalardan sonra; dizilimlere göre de iflik etki derinliklerinden elde edilmifl görünür özdirenç haritalar karfl laflt r lm flt r. Böylece, yorumlamaya katk sa layaca düflünülmüfl ve dizilimlerin böylesi bir yap ya karfl duyarl l araflt r lm flt r. fiekil 2 de, tan mlanan at k havuzu için Schlumberger dizilimine göre befl ayr etki derinli ine ( =2, 4, 6, 10 ve 14 m için) göre elde edilen görünür özdirenç haritalar verilmifltir. Bu flekilden de görüldü ü gibi, model yap ile görünür özdirenç anomalisi 0-2 m aral nda birbirine çok benzerdir. Ancak derine do ru gittikçe, ayr ml l k azalmakta ve dizilim geometrisinin önemi ortaya ç kmaktad r. Ölçüm hatt oldu u varsay lan x do rultusu boyunca hatt n yap y dik kesmesi nedeniyle, yap n n d fl ve iç s n rlar 6 ile 10 m aras nda iyice belirginleflmekte ve model yap n n üzerinde görünür özdirençler gerçek özdirenç de erlerine yaklafl-
5 Drahor vd. 119 edilen ve etki derinlikleri ile tan mlanan görünür özdirenç haritalar yorumda kolayl k sa layabilecektir. fiekil 2. Çevresel model-1 in Schlumberger dizilimi için de iflik derinliklerdeki görünür özdirenç haritalar : (a) =2m, (b) =4m, (c) =6m, (d) =10m, (e) =14m ve (f) modelin z=1m deki yatay kesiti. Figure 2. Apparent resistivity maps for Schlumberger array in different depths of the environmental model-1: (a) =2m, (b) =4m, (c) =6m, (d) =10m and (e) =14m, (f) horizontal resistivity model at the depth of z=1 m. fiekil 3 ve 4 birlikte incelendi inde; tüm dizilimlerde yap dan kaynaklanan görünür özdirenç anomalileri aç kça görülmektedir. Wenner dizilimaktad r. Ayr ca, derine do ru indikçe, anomalilerin uzan mlar havuz geometrisine uygun olarak daralmaktad r. Böylece; bu tür modelleme çal flmalar nda, yüzeyden derine do ru elde fiekil 3. Çevresel model-1 in görünür özdirenç haritalar : (a) Schlumberger, =7.5 m, (b) Wenner, =8 m, (c) pol-pol, =8 m, (d) dipol-dipol, =8 m ve (e) modelin z=1 m deki yatay kesiti. Figure 3. Apparent resistivity maps of the environmental model-1: (a) Schlumberger, =7.5 m, (b) Wenner, =8 m, (c) pole-pole =8 m, (d) dipole-dipole, =8 m and (e) horizontal resistivity model at the depth of z=1 m.
6 120 Yerbilimleri fiekil 4. Çevresel model-1 in y=21 m deki görünür özdirenç yapma kesitleri: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pol-pol, (d) dipol-dipol, (e) modelin y=21 m deki düfley kesiti. Figure 4. Apparent resistivity pseudo-sections of the environmental model-1 at the y- horizontal distance of 21 m: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pole-pole, (d) dipole-dipole, (e) vertical resistivity model at the y- horizontal distance of 21 m. minden elde edilen görünür özdirenç yapma kesitinde, havuzun flekli belirgin olarak ortaya ç kmaktad r. Havuz içi ve çevreleyen ortam n görünür özdirenç de erleri model özdirenç de erlerine oldukça yak nd r. Ancak havuz içindeki iletken yap n n etkisiyle havuzun alt ndaki ortam n görünür özdirenç de erleri düflüfl göstermektedir (fiekil 4b). =8 m den elde edilen yatay görünür özdirenç haritas na göre, havuzun oluflturdu u anomaliyi ve havuz s n rlar n belirlemek oldukça zordur. Burada M ve W biçiminde anomaliler üreten Wenner diziliminin böylesi bir yap y tan mlamaktan ne derece uzak oldu- u görülmektedir (fiekil 3b ve 4b). Havuz kenar ndaki süreksizliklere en duyarl dizilim Schlumberger dir ve havuz içindeki görünür özdirenç de erleri model özdirenç de erlerine yak nd r. Havuzun kenarlar ndan itibaren, derine do ru dik yönde uzanan ve yüksek görünür özdirenç de erlerine sahip iki ayr anomali grubu bulunmaktad r ve bunlar n havuz çeperlerinden kaynakland düflünülmektedir (fiekil 4a). Bu dizilimin =7.5 m den elde edilen görünür özdirenç haritas ise, havuz s n rlar ile havuz içi görünür özdirenç de erlerini tan mlamada modele oldukça yaklaflm flt r (fiekil 3a). Dipol-dipol diziliminin yapma kesitinde; havuz içi ve çevresinde model özdirence yak n görünür özdirenç de erleri gözlenmesine karfl n, dipol kollar n n hiperbolik anomaliler ortaya ç karmas ayr ml l azaltmaktad r (fiekil 4d). Bu dizilimin =8m den elde edilen görünür özdirenç haritas nda da ayr ml l k çok düflüktür (fiekil 3d). Pol-pol diziliminin yapma kesitinde ise, at k havuzunun içindeki görünür özdirenç de erlerinin yükselmesine karfl n, havuzu çevreleyen ortam n görünür özdirençleri model de erlere oldukça yak nsam flt r. Ancak anomali biçimi; dizilimin bir ak m ve bir potansiyel kolu içermesinden dolay, ters yönde bir uzan ma sahip olmakta ve derinde yüksek özdirençli görünür bir anomalinin oluflmas na neden olmaktad r. Dizilim duyarl l n n derinli e ba l olarak h zla azalmas, at k havuzunun üst yüzünü tan mlamas na karfl n, alt yüzünün tan mlanmas n engellemektedir (fiekil 4c). Bu dizilimin =8 m den oluflturulan görünür özdirenç haritas nda, at k havuzunun bulundu- u yerdeki anomali flekil aç s ndan model yap - ya çok benzemektedir. Ancak, görünür özdirenç de erleri model yap dan oldukça farkl d r ve genel olarak Schlumberger den sonra böylesi bir modele uyum sa layan ikinci dizilimin pol-pol oldu u belirtilmelidir (fiekil 3c). Böylece bu dizilimle at k havuzu gibi yüzeye yak n yap lardan elde edilecek görünür özdirenç haritalar yla oldukça iyi bir yorumlama yap labilece i belirtilebilir.
7 Drahor vd. 121 Tasar mlanan ilk modelin zaman içinde çeflitli etkiler nedeniyle (deprem, heyelan, zemin sorunlar vb.) s zd rd n ve havuzu çevreleyen birime kimyasal içerikli bir ak flkan s z nt s oldu- u düflünülerek, ikinci model tasar mlanm flt r. Burada amaç; böylesi alanlar üzerinde periyodik olarak yap lacak özdirenç izleme ölçümlerinin, bir ölçüde de olsa, bilgisayar ortam nda benzetiminin yap lmas d r. Modelden s zan at k; ak flkan havuzun alt ndan bafllayarak, yeralt na do ru gözenek iletimiyle hareket ederek, ortam n özdirenç de erlerini, içindeki kimyasal maddenin türüne ba l olarak, azaltacak ya da art racakt r. Bu örnekte özdirenç de erini azaltan bir model seçilmifltir. Bu durumun ortam n özdirencini at k içeren bölümlerde 200 ohm.m den 50 ohm.m ye düflürdü ü varsay lm flt r (fiekil 5e ve 6e). Hesaplamalar sonucunda elde edilen görünür özdirenç yapma kesitleri incelendi inde; anomali biçimlerinin bir önceki örnektekine (pol-pol dizilimi hariç) oldukça benzedi i, ancak havuzun alt ndaki görünür özdirenç de erlerinin s zan ak flkan etkisiyle azald - görülmektedir (fiekil 6a, b, d). Pol-pol diziliminde ise, at k ak flkan n ortama yay lmas havuzun alt ndaki görünür özdirenç de erlerinin di er dizilimlere göre daha fazla azalmas na neden olmufltur (fiekil 6c). Görünür özdirenç haritalar nda da, s z nt etkisi net biçimde ortaya ç kmaktad r (fiekil 5a, b, c, d). Bu haritalar içinde en iyi sonuç, yine Schlumberger dizilimiyle elde edilmifl ve bu dizilimi pol-pol diziliminin izledi i görülmüfltür. Böylece bu iki dizilimin böylesi ortamlar tan mlamada daha iyi oldu u, görünür özdirenç anlam nda ve bu tür çal flmalarda öncelikli seçilmesi gerekli dizilimler olabilece i ortaya ç km flt r. Bu benzetim, çevre kirlili i ve s z nt izleme çal flmalar nda, özdirenç yönteminin ortamdaki de iflimlerin izlenmesinde yararl bir yöntem olaca n göstermektedir. Gömülü Bir Paleo-kanal Modeli Yeralt suyu tablas n n belirlenmesi, jeofizi in yayg n uygulama alanlar ndan biridir. Özellikle özdirenç yöntemi; bu tür ortamlar belirlemedeki uygunlu u, uygulan fl kolayl ve maliyeti dikkate al nd nda, uygulamada oldukça s k kullan lmaktad r. Son y llarda modelleme çal flmalar nda ortaya ç kan geliflim, bu tür ortamlar n daha yorumlanabilir olmas n sa layarak, yeralt - suyu araflt rmalar nda jeofizik özdirenç uygulamalar n n önemini daha da art rm flt r. fiekil 5. Çevresel model-2 nin görünür özdirenç haritalar : (a) Schlumberger, =7.5 m, (b) Wenner, =8 m, (c) pol-pol, =8 m, (d) dipol-dipol, =8 m ve (e) modelin z=1 m deki yatay kesiti. Figure 5. Apparent resistivity maps of the environmental model-2: (a) Schlumberger, =7.5 m, (b) Wenner, =8 m, (c) pole-pole =8 m, (d) dipole-dipole, =8 m and (e) horizontal resistivity model at the depth of z=1 m. lk model, yüzeye çok yak n yeralt sular n n etkisiyle akifer özelli i tafl yabilecek gömülü bir paleo nehir yata n n belirlenebilirli ini araflt rmak amac yla tasar mlanm flt r (hidrojeolojik model).
8 122 Yerbilimleri fiekil 6. Çevresel model-2 nin y=21 m deki görünür özdirenç yapma kesitleri: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pol-pol, (d) dipol-dipol, (e) modelin y=21 m deki düfley kesiti. Figure 6. Apparent resistivity pseudo-sections of the environmental model-2 at the y- horizontal distance of 21 m: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pole-pole, (d) dipole-dipole, (e) vertical resistivity model at the y- horizontal distance of 21 m. Bu amaçla (250 x 75) m boyutlar ndaki yapay bir model oluflturulmufltur (fiekil 7e ve 8e). Hesaplamalar, alan n x ve y yönlerinde 5 m aral klarla ölçüldü ü düflünülerek yap lm flt r. Daha önce belirtilen dizilim türlerine göre yap lan hesaplamalarla elde edilen görünür özdirenç yapma kesitleri incelendi inde; bu model için en tan msal anomaliyi dipol-dipol dizilimi vermektedir (fiekil 8d). Modelde tasar mlanan tüm yap lar n yatay ve düfley yönlerdeki görüntüleri en belirgin flekilde bu dizilimde ortaya ç kmaktad r. Görünür özdirenç de erleri için de ayn tan msall k devam etmektedir. Özellikle yaklafl k 10 m etki derinli indeki görünür özdirenç kesitleri al nd - nda, tüm dizilimlerin yap s n rlar n oldukça iyi tan mlamas na karfl n, pol-pol ve dipol-dipol ün düflük özdirençli paleo kanal gerçek özdirenç de erlerine daha yak n olarak tan mlad görülmektedir (fiekil 7). Görünür özdirenç de erlerinin dipol-dipol diziliminde =10 m kesitinden elde edilen haritada, paleo kanal yap s n n belirgin biçimde ortaya ç kt görülmektedir (fiekil 7d). Schlumberger dizilimi yapma kesitinde ise, örtü tabakas gömülü kanal n oldu u yerin d - fl nda kalmaktad r. Ayr ca, gömülü kanal n etkisini gösteren anomali, alttaki yatay katman etkisini de bozmaktad r ve oluflan bu anomali, ortamdaki yap y tan mlamaktan uzakt r. Gömülü kanal n alt nda bulunan yatay katman n oldu u yerdeki görünür özdirenç de erleri ise, modeldeki özdirenç de erine oldukça yak nd r (fiekil 8a). =10.5 m kesitinden elde edilen yatay görünür özdirenç haritas nda da varsay lan yap etkisinin modele uygun biçimde sürdü ü görülmektedir. Ancak varsay lan kanal n s n rlar net olarak belirlenememekte ve görünür özdirenç de erleri de modele dipol-dipol ve pol-pol sonuçlar ndan daha uzakt r (fiekil 7a). =10 m den elde edilen Wenner görünür özdirenç haritas nda, yap s n rlar n n belirginli i oldukça düflüktür (fiekil 7b). Yapma kesitte ise; örtü tabakas, kanal n üzeri hariç, aç kça gözlenmektedir. Gömülü kanal ve çevre birimlerin etkisi ise aç kça tan mlanamamaktad r. Ancak, en alttaki yatay katman simgeleyecek biçimde görünür özdirenç de erinin model ile uyumlu ve görünür de erlerinde model özdirenç de erine yak n oldu u görülmektedir (fiekil 8b). Pol-pol diziliminde örtü katman modele benzer bir anomali vermesine karfl n, tasarlanan kanal biçimli yap üzerinde anomali bozulmas gözlenmektedir. Üstteki örtü katman için görünür özdirenç de eri, model özdirenç de erine çok yak n bir de er almaktad r. Ancak bu dizilimin duyarl l n n zay f olmas nedeniyle, derine do ru çevre ortamlar n etkisi aç kça gözlenememekte ve görünür
9 Drahor vd. 123 fiekil 7. Hidrojeolojik modelin görünür özdirenç haritalar : (a) Schlumberger, =10.5 m, (b) Wenner, =10 m, (c) pol-pol, =13 m, (d) dipol-dipol, =10 m ve (e) modelin z=10 m deki yatay kesiti. Figure 7. Apparent resistivity maps of the hydrogeological model: (a) Schlumberger, =10.5 m, (b) Wenner, =10 m, (c) pole-pole =13 m, (d) dipole-dipole, =10 m and (e) horizontal resistivity model at the depth of z=10 m. özdirenç de erleri de yumuflat lm fl bir anomali görüntüsü vermektedir. Varsay lan paleo-kanal türü yap n n etkisi, and ran kesitte net flekilde fiekil 8. Hidrojeolojik modelin y=35 m deki görünür özdirenç yapma kesitleri: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pol-pol, (d) dipol-dipol, (e) modelin y=35 m deki düfley kesiti. Figure 8. Apparent resistivity pseudo-sections of the hydrogeological model at the y-horizontal distance of 35 m: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pole-pole, (d) dipole-dipole, (e) vertical resistivity model at the y- horizontal distance of 35 m. gözlenememesine ra men, anomalilerde yukar do ru bir uzan m gözlenmektedir (fiekil 8c). Bu dizilimin =13 m den elde edilen görünür özdirenç haritas ise, yap hakk nda Wenner ve
10 124 Yerbilimleri Schlumberger diziliminden daha iyi bir yorum olana sunmaktad r (fiekil 7c). Karstik Boflluk Modelleri kinci model ise, birinci modelin yüzeye yak n bölümlerinin çeflitli iklimsel etkiler nedeniyle bofiekil 9. Karstik model-1 in görünür özdirenç haritalar : (a) Schlumberger, =18 m, (b) Wenner, =18 m, (c) pol-pol, =17 m, (d) dipol-dipol, =17 m ve (e) modelin z=20 m deki yatay kesiti. Figure 9. Apparent resistivity maps of the karstic model-1: (a) Schlumberger, =18 m, (b) Wenner, =18 m, (c) pole-pole =17 m, (d) dipole-dipole, =17 m and (e) horizontal resistivity model at the depth of z=20 m Karstik yap lar, mühendislik uygulamalarda önemli bir sorun olarak ortaya ç kar ve bunlar n saptanmas s jeofizi in yayg n uygulama alanlar ndan birini oluflturur. Özellikle özdirenç yöntemi, bu tür yap lar n yerlerinin belirlenmesinde önemli bir araflt rma tekni idir. Bu amaçla, bu tür yap lar n üç-boyutlu özdirenç çal flmalar sonucunda belirlenebilirli ini göstermek için, karstik yap lara uygun de iflik benzetim modelleri kurulmufltur. Bu modellerden ikisi, ayr nt l olarak tart fl lm flt r. Oluflturulan ilk yapay model, (250 x 70) m boyutlar ndaki bir alanda, 1500 ohm.m özdirenç de erine sahip bir kireçtafl, ya da dolomit içerisinde, ve 30 m geniflli- inde, yüzeyden 10 m derindeki bir bofllu u göstermektedir (karstik model-1) (fiekil 9e ve 10e). Hesaplamalar, alan n x ve y yönlerinde 5 m aral klarla ölçüldü ü düflünülerek yap lm flt r. Görünür özdirenç haritalar, yap y en iyi tan mlayan =17 ve 18 m den elde edilmifltir. Dört ayr dizilim için elde edilen yapma kesitler ve görünür özdirenç haritalar incelendi inde, modelin tüm dizilimlerde bir anomali oluflturdu u gözlenmektedir (fiekil 9 ve 10). Schlumberger dizilimi için elde edilen görünür özdirenç haritas nda ( =18 m) böylesi bir yap ve çevreleyen ortam aç kça belirlenirken (fiekil 9a), yapma kesitte anomali biçimi yüzeyden derine do ru artan görünür özdirenç de erlerine sahiptir ve tan msall engellemektedir (fiekil 10a). Pol-pol diziliminin yapma kesitinde boflluk ve çevreleyen ortam aç kça belirlenirken, bofllu un alt nda görünür özdirenç de erleri azalmakta ve anomali derine do ru hiperbolik bir biçim almaktad r (fiekil 10c). Bu dizilimin =17 m den elde edilen görünür özdirenç haritas nda, Schlumberger ve Wenner den daha iyi bir belirlenebilirlik mevcuttur (fiekil 9c). Dipol-dipol, yapma kesitleri hiperbolik bir anomali oluflturmas na karfl n, bofllu- un bulundu u yerde yüksek özdirenç de erleri görülmektedir (fiekil 10d). Bu dizilimin =17 m deki görünür özdirenç haritas, modeli di er tüm dizilimlerden daha kötü tan mlamaktad r (fiekil 9d). Wenner dizilimde ise, karstik yap belirlenmekle birlikte, hem =18 m den elde edilen görünür özdirenç haritas ndan, hem de yapma kesitten yap n n s n rlar hakk nda yorum yapmak oldukça zordur (fiekil 9b ve 10b). Böylesi bir yap için en iyi dizilimin s ras yla; pol-pol, Schlumberger, Wenner ve dipol-dipol oldu u ortaya ç km flt r.
11 Drahor vd. 125 fiekil 10. Karstik model-1 in y=35 m deki görünür özdirenç yapma kesitleri: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pol-pol, (d) dipol-dipol, (e) modelin y=35 m deki düfley kesiti. Figure 10. Apparent resistivity pseudo-sections of the karstic model-1 at the y-horizontal distance of 35 m: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pole-pole, (d) dipole-dipole, (e) vertical resistivity model at the y- horizontal distance of 35 m. fiekil 11. Karstik model-2 nin görünür özdirenç haritalar : (a) Schlumberger, =18 m, (b) Wenner, =18 m, (c) pol-pol, =17 m, (d) dipoldipol, =17 m ve (e) modelin z=20 m deki yatay kesiti. Figure 11. Apparent resistivity maps of the karstic model-2: (a) Schlumberger, =18 m, (b) Wenner, =18 m, (c) pole-pole =17 m, (d) dipole-dipole, =17 m and (e) horizontal resistivity model at the depth of z=20 m. zunmufl ve bunun sonucu oluflan oyuklar nda 80 ohm.m lik özdirenç de erine sahip toprak ile doldu u düflünülerek oluflturulmufltur (karstik model-2) (fiekil 11e ve 12e). Bu modelle yap lan hesaplamalar sonucu elde edilen haritalar ve yapma kesitler incelendi inde, tüm dizilimlerde yüzeydeki bozunma ve burada bulunan düflük özdirençli katmandan dolay gömülü yap n n
12 126 Yerbilimleri anomalisi önemli oranda maskelenmekte ve ayr ca yüzey örtüsünden kaynaklanan birçok ikincil anomali grubu ortaya ç kmaktad r (fiekil 11 ve 12). Elde edilen görünür özdirenç haritalar ndan ( =17 ve 18 m için) afla da bulunan karstik yap y hemen hemen hiçbir dizilimle belirleme olana olmamas na karfl n, yine de en iyi sonucu, s ras yla, Wenner ve Schlumberger dizilimi vermektedir (fiekil 11a,b,c,d). Benzer biçimde yapma kesitlerden de gömülü karstik yap y belirleme olana yoktur. Karstik yap n n etkisi Schlumberger ve Wenner dizilimlerinde, di- er anomalilerle kar flmas na karfl n, bir ölçüde olsa görülmektedir (fiekil 12a ve b). Ancak polpol ve dipol-dipol dizilimlerinden böylesi bir yap y tan mlama olana bulunmamaktad r (fiekil 12c ve d). SONUÇLAR Bu çal flmada; s ölçekli özdirenç çal flmalar nda karfl lafl lan sorunlar n bilgisayar ortam ndaki benzetimi, sonlu farklar yöntemiyle elde edilmifltir. Üç boyutlu olarak yap lan bu modelleme çal flmas nda dört farkl dizilim (Schlumberger, Wenner, pol-pol, dipol-dipol) kullan lm fl ve bunlar n yan tlar elde edilmifltir. Çal flmalar; sorunlar n genel özellikleri bilindi inde, do aya uygun karmafl k modellerin ve kullan lan yöntem yard - m yla da bu yap lar üzerindeki özdirenç yan tlar n n k sa sürede oluflturulabilece ini ortaya koymufltur. Model yap n n karmafl klaflmas ve özellikle aranan hedef yap n n üzerinde dirençli, ya da iletken baflka yap lar n bulunmas durumunda oldukça farkl sonuçlar n elde edildi i görülmüfltür. Böylece yap n n karmafl klaflmas yla aranan hedef yap n n belirlenmesi zorlaflmaktad r. Bu sonuç, benzeri yeralt durumlar - n n araflt r lmas nda elde edilen görünür özdirenç and ran kesitlerinden yorum yapman n ne denli önemli sak ncalar do uraca n aç kça ortaya koymaktad r. Bu gibi durumlarda; kullan - lan dizilim say s n n fazlal, sahada farkl jeofizik yöntemlerin uygulanmas, ters-çözüm modellemesi ve iyi bir jeoloji bilgisi yorumlamay art racakt r. Çal flmalar s ras nda; anomaliye en büyük katk y genelde s derinlikte gömülü bulunanlar yap lar vermektedir. Böylece yeralt ndaki hedef yap lar n s laflmas yla görünür özdirenç haritalar ndan yorum yapman n, dizilime ba l olarak de iflmekle birlikte, genelde kolaylaflt ; yap lar n derinleflti i durumda ise, hem yapma kesitlerin, hem de görünür özdirenç haritalar n n daha da karmafl k bir durum ald saptanm flt r. Ayr ca; modellerin karmafl klaflmas, özdirenç de erleri aras ndaki z tl n artmas ve yap lar n farkl derinliklerde gömülü olma durufiekil 12. Karstik model-2 nin y=35 m deki görünür özdirenç yapma kesitleri: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pol-pol, (d) dipol-dipol, (e) modelin y=35 m deki düfley kesiti. Figure 12. Apparent resistivity pseudo-sections of the karstic model-2 at the y-horizontal distance of 35 m: (a) Schlumberger, (b) Wenner, (c) pole-pole, (d) dipole-dipole, (e) vertical resistivity model at the y- horizontal distance of 35 m.
13 Drahor vd. 127 mu yap lar n belirlenebilirli ini do rudan etkilemektedir. Bu nedenle; bu çal flma s jeofizik araflt rmalarda, üç boyutlu çal flma yap lmaz ise, görünür özdirenç de erleri yard m yla yorum yapman n önemli sak ncalar içerece ini ortaya ç karm flt r. Bu çal flmada oldu u gibi, k sa sürede ve kolayca elde edilebilen yapma kesitler ve haritalar; arkeoloji, çevre sorunlar, mühendislik ve hidrojeoloji ile ilgili s ölçekli sorunlar n çözümünde yorumlamaya önemli oranda katk sa layacakt r. Ayr ca, yeralt ndaki cisimlerin de iflik dizilimlere göre farkl yan tlar vermesi de, araflt rman n amac na uygun dizilimin seçilmesi aç s ndan bu tür çal flmalar n önemini ortaya koymaktad r. Böylece araflt r lacak alanda, elde edilmesi olas anomalilerin bilgisayar ortam nda benzetimi ile araflt rma sorunu hakk nda çal flma öncesi baz yorumlar yap labilir ve arazi ölçümleri daha iyi planlanabilir. KATKI BEL RTME Yazarlar, yay n n son flekline gelmesinde gösterdi i önemli katk lardan dolay dergi editörü Prof. Dr. Reflat Ulusay a ve isim belirtilmeyen hakeme teflekkür ederler. KAYNAKLAR Apparao, A., Model tank experiments on resolution of resistivity anomalies obtained over buried conducting dikes-inline and broadside profiling. Geophysical Prospecting, 27, Berge, M.A., S aramac l kta sonlu farklar yöntemi ile iki-boyutlu düz çözüm özdirenç modellemesi. Lisans tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Jeofizik Mühendisli i Bölümü, 77 s (yay mlanmam fl). Brizzolari, E., and Bernabini, M., Comparison between Schlumberger electrode arrangement and some focused electrode arrangements in resistivity profiles. Geophysical Prospecting, 27, Candansayar, M.E., and Baflokur, A.T., Detecting small-scale targets by the 2D inversion of two-sided three-electrode data: application to an archaeological survey. Geophysical Prospecting, 49, Coggon, J.H., Electromagnetic and electrical modeling by the finite element method. Geophysics, 36, Dahlin, T., The development of dc resistivity imaging techniques. Computer and Geosciences, 27, Dahlin, T., and Zhou, B., A numerical comparison of 2-D resistivity imaging with 10 electrode arrays. Geophysical Prospecting, 52, Dahlin, T., Bernstone, C., and Loke, M. H., Case History: A 3-D resistivity investigation of a contaminated site at Lernacken, Sweden. Geophysics, 67, Das, U.C., and Parasnis, D.S., Resistivity and induced polarization responses of arbitrarily shaped three-dimensional bodies in a two-layered earth. Geophysical Prospecting, 35, Dey, A., and Morrison, H.F., 1979a. Resistivity modeling for arbitrarily shaped two-dimensional structures. Geophysical Prospecting, 27, Dey, A., and Morrison, H.F., 1979b. Resistivity modeling for arbitrarily shaped three-dimensional structures. Geophysics, 44, Dieter, K., Paterson, N.R., and Grant, F.S., IP and resistivity type curves for three-dimensional bodies. Geophysics, 34, Edwards, L.S., A modified pseudosection for resistivity and IP. Geophysics, 42, Göktürkler, G. ve Drahor, M. G., Yinelemeli yöntemle üç boyutlu özdirenç modellemesi. Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen ve Mühendislik Dergisi (bask da). Griffiths, D.H., and Barker, R.D., Two-dimensional resistivity imaging and modelling in areas of complex geology. Journal of Applied Geophysics, 29, Griffiths, D.H., Turnbul, J., and Olayinka, A.I., Two-dimensional resistivity mapping with a computer-controlled array. First Break, 8(4), Hohmann, G.W., Three-dimensional induced polarization and electromagnetic Modelling. Geophysics, 40, Jepsen, A.F., Numerical modeling in resistivity prospecting. Ph. D. Thesis, University of California, Berkeley, USA (unpublished). Kurtulmufl, T.Ö., S aramac l kta sonlu farklar yöntemi ile üç-boyutlu özdirenç modellemesi. Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Jeofizik Mühendisli i Bölümü, 69s (yay mlanmam fl). Loke, M.H., 2001a. Res3dmod ver. 2.1, Three-dimensional resistivity and IP forward modeling using the finite difference and finite element methods. User s manual,
14 128 Yerbilimleri Loke, M.H., 2001b. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. Penang, Malaysia, Universiti Sains Malaysia, unpublished course notes, 121 pp, McGillivray, P.R., and Oldenburg, D.W., Methods for calculating Frechet derivatives and sensitivities for the non-linear inverse problem, a comparative study. Geophysical Prospecting, 38, Meyer, W.H., Computer modelling of electromagnetic prospecting methods. Ph.D. Thesis, University of California, Berkeley, USA (unpublished). Mufti, I.R., Finite difference resistivity modelling for arbitrarily shaped two-dimensional structures. Geophysics, 41, Okabe, M., Boundary element method for the arbitrarily inhomogeneities problem inelectrical prospecting. Geophysical Prospecting, 29, Parasnis, D.S., Theory and practice of electric potential and resistivity prospecting using linear current electrodes. Geoexploration, 3(1), Pridmore, D.F., Hohmann, G.W., Ward, S.H., and Sill, W.R., An investigation of finite element modeling for electrical and electromagnetic data in three dimensions. Geophysics, 46, Rijo, L., Modeling of electric and electromagnetic data. Ph.D. Thesis, University of Utah, USA (unpublished). Scriba, H., Computation of the electric potential in three-dimensional structures. Geophysical Prospecting, 29, Telford, W.M., Geldart, L.P., Sheriff, R.E., and Keys, D.A., Applied Geophysics, Cambridge University Press, Cambridge, 860 pp. Van Nostrand, R.G., and Cook, K.L., Interpretation of resistivity data. USGS Prof. Paper, Printing Office, Washington, USA, 449 pp. Van Overmeeren, R.A., and Ritsema, I.L., Continuous vertical electrical sounding. First Break, 6(10),
Baz s yeralt yap lar n n özdirenç ters-çözümü
Yerbilimleri, 26 (2), 1-14 Hacettepe Üniversitesi Yerbilimleri Uygulama ve Araflt rma Merkezi Dergisi Journal of the Earth Sciences Application and Research Centre of Hacettepe University Baz s yeralt
JEOFİZİK (ISSN:0259-1472) Cilt 15, Sayı 2,S.105-123, Eylül 2001 (Vol.15, No.2, P. 105-123)
1 JEOFİZİK (ISSN:59-17) Cilt 15, Sayı,S.15-13, Eylül 1 (Vol.15, No., P. 15-13) Doğru Akım Özdirenç Verilerinin -B Ters Çözümü Ve İki-Yönlü Gradyen Dönüşümü İle Arkeolojik Yapıların Aranması: Moğolistan
İZMİR AGORASINDA YAPILAN JEOFİZİK ÇALIŞMALAR VE YENİ BULGULAR
785 İZMİR AGORASINDA YAPILAN JEOFİZİK ÇALIŞMALAR VE YENİ BULGULAR Prof. Dr. Mahmut G. DRAHOR goktug.drahor@deu.edu.tr GİRİŞ İzmir agoras dünyan n en büyük ve en iyi korunmuş agoralar ndan biridir. Agora