Çevre Jeofizik Uygulamaları

Çevre Jeofiziği

Canlılar yaşayabilmeleri için gerekli olan suyu yeryüzünden (akarsu, göl,deniz) veya kayaçların boşluk yada çatlaklarında toplanan yeraltı sularından sağlamaktadırlar.İnsanlar yerüstü sularını çeşitli şekillerde biriktirirler ve insan topluluklarına iletirler.Fakat her yerde akarsu yada göl bulunmamakta , mevcut bulunanlarda git gide tükenmekte olduğu için yer altı sularından yararlanma yollarına gidilmektedir Son yıllarda endüstrinin gelişerek fabrikaların artması ve geniş alanlara yayılması , yer üstü sularından faydalanmanın kısıtlanması, şehirler için gerekli ve temiz suyun daha ucuz bir şekilde yeraltından elde edilmesi yer altı sularının daha çok kullanılmasını gerektirmiş, dolayısıyla yer altı suyu araştırmalarını artırmıştır. Bunun yanı sıra evsel ve endüstriyel atıkların arıtılmaksızın su ortamlarına boşaltılmaları, tarımda verimi artırma amacıyla kullanılan doğal ve yapay maddelerin su ortamlarına taşınmaları gibi sebeplerde dolayı su kirliliği kavramı yani çevre problemleri ortaya çıkmıştır.Birbirlerine ayrılmaz şekilde bağlı ve biri diğerine sürekli tesir eden toprak, hava ve su yaşadığımız çevreyi meydana getirir. Yerkürenin bir parçasının herhangi bir sebeple bozulması diğer parçalarını da aynı şekilde etkiler.Çevre kirlenmesi her ne kadar hava, toprak ve suyun kirlenmesi ise de çevre jeofiziği, jeofizik yöntemler uygulayarak yer altı suyu ve toprak kirliliğinin belirlenmesi olarak tanımlanabilir.

1.1. Çevre Sorunları Ve Jeofizik

Bilindiği gibi, jeofizik yöntemler 20. yüzyılın başlarından beri maden, yeraltısuyu ve petrol aramaları ile deprem araştırmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Jeofiziğin bu uygulama alanına, 1950'lerden sonra büyük mühendislik yapılarının (baraj, çok katlı binalar, santraller, otoyollar vb.) kurulması ile zemin-mühendislik yapısı ilişkisinin saptanması ve zeminin jeolojik yapısının ortaya konmasını kapsayan mühendislik jeofiziği eklenmiştir. Mühendislik jeofiziği, mühendislik sorunlarının çözümüne yönelik jeofizik mühendisliği uygulamaları olarak da tanımlanabilir.

1.1.2. Uygulama Alanları

Jeofizik ölçünler veya ölçmeler aşağıdakilerin araştırmasına yardımcı olabilir.

Ortaya çıkan toprak dolgularının veya tehlikeli atık yerlerin etrafında ve altındaki zeminin jeolojik ve hidrolojik aktif yapıları. Yeni yerlerin seçimi için jeolojik engeller. Atık yığınlarının uzanımı ve içerikleri. Basit kütleler.

Kirletilmiş atık suların, sızıntıların ve atmosfer kirliliklerinin akışı Jeofizik yöntemlerle tektonik tabakalaşma ve aktif hidrolojik yapı ve doku gibi ve diğer birçok hallerin kimliği saptanabilir. Bu yöntemlerle yeraltında jeolojik engellerle korunarak saklanmış bozulmuş, kirlenmiş yersuları kontrol edilebilir. Jeofizikçilerin başarılı ve az masraflı uygulamaları bilginin bir optimumunu çıkarmak için doğru metotları birleştirmekle görevli jeofizikçinin ustalığına ve yerin fiziksel özelliklerine dayanır. Bu işlem fiziksel özellikler üzerine farklar eğer çok küçükse jeofizik yöntemleri uygulamak boşu boşunadır. İyi örnekler özgül elektrik rezistivite ve sismik hızdır. İki materyalin rezistivitelerini ayırmak için en az 30 ohm dan itibaren fark etmesi gerekmektedir; sismik hızlar 200 m/s den itibaren değişmektedir.

1.1.3. Değerlendirme ve Yorumlama

Değerlendirme ve yorumlama jeofizik arazi çalışması olarak aynı dikkat ve önemle yapılmalıdır. Jeofizik çalışmanın yapıldığı sahada uygulanılan yöntemin önemi büyüktür. Aranılan şeyin niteliğine ve araştırma sahanın jeofizik, jeolojik durumuna göre çalışmayı yapan kişilerin en iyi verileri elde etmesine yardımcı olacak ve en az masraflı yöntemi kullanmaları gerekir. Ölçme öncesinde sadece ucuz ve hızlı manyetik, jeoelektrik ve elektromanyetik metotlar kullanılmalı, genel ölçmede ise ölçme öncesinin sonuçlarıyla, seçilmiş arazinin sismik kırılma, sismik yansıma ve akım polarizasyonu gibi jeofizik yöntemler uygulanılarak detaylı bir şekilde araştırılması olarak düşünülebilir. Bütün bu çalışmalara başlarken jeofizik masrafların karşılaştırılması ve jeofizik araştırma maliyetlerinin iyi belirlenmesi gerekir.

2. SİSMİK YÖNTEME GİRİŞ

Sismik yöntemde bir kaynakla oluşturulan elastik dalgaların içinde kırılarak veya yansıyarak yayılmalarına ilişkin yol alış zamanları ölçülür.Bu zaman-uzaklık kayıtları daha sonra uygun yöntemlerle işlenerek katmanlı ortamların kalınlık ve sismik dalga hızlarını belirleyen yer altı modelleri oluşturulur.Sismik dalgaları üretmek için patlayıcılar ve diğer enerji kaynakları, bunun sonucu meydana gelen yer hareketini saptamak için de sismometre veya jeofon tertipleri kullanılır.Temel sismik arama tekniği sismik dalgaların üretilmesi ve kaynaklardan jeofon serilerine giden dalgalar için gerekli zamanı ölçmekten ibarettir.

Yapısal bilgiyi çıkarmada başlıca 2 yol vardır:

1. İki kayaç tabakası arasındaki ara yüzey boyunca olan kırılma (refraksiyon).

2. İki tabakayı birleştiren sınırda yansıyıp yeryüzüne dönen yansıma.Her iki yol tipi içinde gidiş zamanları kayaçların fiziksel özellikleri ve tabakaların durumlarına bağlıdır.

2.1. Sismik Yöntem

MTA’da ilk sismik çalışma 1947 yılında Adana’da bir Amerikan Firmasına yaptırılmıştır. 1948 yılında satın alınan sismik ekipman (TİCCO) ile Adana Mihmander’de MTA elemanlarınca ilk etütler başlamıştır.

Sismik yöntemler yer altındaki jeolojik tabakaların durumlarını saptamada elastik dalgaların,arz içerisinde yayılması ile ilgili fizik prensiplerine dayanır. Uygulamalı sismikte,dalgaları üreten bir enerji kaynağı,yeryüzüne bir düzen içinde yerleştirilmiş bir seri alıcıya ve bu alıcılara gelen dalgaları kaydeden ölçüm aletine gerek vardır. Bu düzen içinde temel prensip,enerji kaynağından yayılan ve alıcılara gelen dalgaların zamana karşın amplitüdlerinin kaydedilmesidir. Sismik yöntemler,kaynaktan yayılan sismik dalgaların takip ettiği ışın yollarına göre sismik yansıma (reflection),sismik kırılma (refraction)olmak üzere iki genel bölüme ayrılır. Bunlardan Sismik Yansıma Yöntemi yeraltının iki veya üç boyutlu, ayrıntılı yapısal ve stratigrafik kesitinin elde edilmesinde kullanılır.

Sismik Yansıma Yöntemi çalışmalarını üç aşamada toplamak mümkündür.

1. Arazide sismik verilerin toplanması.

2. Verilerin ofiste bilgisayarlarla işleme tabi tutulması (Veri-İşlem).

3. Verilerin değerlendirilmesi.

Sismik Yansıma Yöntemi ekonomik olarak petrol ve doğal gaz araştırmalarında,kömür yatağı araştırmalarında,mühendislik amaçlı olarak kıyı tesislerinin denizaltı zemin ve çökel istif şartlarının belirlenmesinde, liman,karayolu,baraj ve büyük yapıların inşası ile ilgili temel kaya problemlerinin çözümünde,kültürel olarak arkeojeolojik çalışmalarda bilimsel amaçlı olarak kara ve denizde yerkabuğu araştırmalarında kullanılmaktadır.

Sismik Kırılma Yöntemi, veri toplama ve değerlendirme açısından oldukça pratik, hızlı ve ekonomik bir yöntemdir. Diğer önemli bir özelliği ise dalga yayınım hızının derinlikle arttığı tabakalı ortamlarda, tabakaların hızlarının ve derinliklerinin yeterli bir doğrulukla bulunmasını sağlar.

Sismik Kırılma Yöntemi, yeraltısuyu araştırmalarında, mühendislik amaçlı zemin etütlerinde, özellikle deprem tehlikesinin beklendiği yörede sismik tehlike araştırmalarında yatay ve düşey yönde her bir katman için sismik hızların belirlenmesi ve gerçek tabaka kalınlıkları ve bunların dinamik özelliklerinin elde edilmesinde kullanılmaktadır.

Arkeolojik aramalarda, çevre dostu olan jeofizik, yoklama (sondaj) kazılarından önce başvurulan ve yeraltında gömülü kalıntıların yer, biçim, uzanım, derinlik özelliklerini üç boyutta veren tek bilimsel yöntemdir. Jeofizik aygıtlarla yeraltının hız, iletkenlik, yoğunluk, mıknatıslanma, sıcaklık gibi fiziksel özellik değişimleri, yeraltına im (sinyal) yollanarak saptanır. Çok gelişmiş elektronik ve bilgisayar teknolojisi ürünü olan bu aygıtlar; yeraltı radarı, mikrogravimetre, magnetometre, termal infrared, NMR, elektro çeker, spectral elektro magnetik, uydu çekimleri, sismik ve metal detektörler olarak sayılabilir.

Jeofiziğin; arkeoloji, kent tasarlanması (planlanması) ve arazi kullanımında dünyada çok yaygın uygulama alanları vardır. Jeofizik bilimi ile arkeolojik kazı yönlendirilerek, kalıntılar bozulmadan, daha çabuk, daha az giderle çıkarılır.

Arkeolojik kalıntıların aranmasında kullanılan jeofizik yöntemlere arkeojeofizik araştırmalar denir. Bu tür aramada jeofizik; arkeoloji biliminin kılavuzluğunda, yeraltının fiziksel özelliklerinde değişimin belirlenmesini izler. Bu fiziksel özellikler, elektrik dirençte, sıcaklık soğurmada, mıknatıslanma duyarlığında, yoğunlukta, di elektrik özellikte, sismik yansıtmada farklılıklardır.

2.1.2. Arkeojeofizikte Sismik Yöntem

Yeraltına yollanan ses dalgalarının gidiş-geliş zamanını ölçmeye dayanır. Türlü uygulamalarda sismik kırılma yöntemi çok az başarılı olmuştur. Ancak 20 ile 3000 hz arasında taramalı sinyal üretilen sarsıntıların yansımalarını algılayan sonik spektroskopi, özellikle boşlukların bulunmasında başarılı olmuştur. Ses-yansıtma yöntemi (acoustic-reflection-sidescan sonar) ise deniz ortamında batık kentlerin, gemilerin, deniz çökellerinin yer ve kalınlıklarını bulmada kullanılır. Sismik yansıma yöntemleri, maliyet ve uygulama sınırlandırmaları nedeniyle daha az kullanılır.

2.1.3. Sismik Yansıma Ve Kırılma Yöntemleri

Sismik Kırılma Yöntemi:

Sismik kırılma yöntemi yer altı suyu aramalarında ve bir çok çevre problemini çözümünde elektrik yöntemlerden sonra en çok kullanılan yöntemdir. Bu yöntem , patlatıcı madde kullanma ve ağır bir cismi yüksekten yeryüzüne düşürme sırasında , darbe etkisiyle oluşan titreşimlerin(sismik dalgaların) belirli uzaklıklara ne kadar zanda ulaştığı esasına dayanır.Sismik kırılma yöntemi, tabakalı bir ortamda kırılarak yayılan ve sonrada yeryüzüne ulaşan elastik dalgalardan hızları ölçme esasına dayanır. Sismik dalgalar çeşitli özellikteki kayaçlar içerisinde değişik hızda yayılırlar.Böylelikle ölçülen farklı hızlardan hareket edilerek doğrudan fiziksel özellikler çıkarılmış olur.

Kayaçlara ve bunların hızlarına örnek verecek olursak bazı kayaçlarda p ve s dalga hızları:

Kırılma yöntemi bilhassa tuz domlarının haritalanması açısında çok yararlı olmaktadır .Pek çok avantajına rağmen petrol aramasında kırılma yöntemi yansıma yönteminden çok daha az boyutta kullanılır.Bunun muhtemel sebepleri olarak büyük ölçekte arazi operasyonları için daha büyük miktarda dinamite gereksinim duyulması ve yöntemden elde edilebilir yapısal bilgideki daha düşük hassasiyet sağlanabilir.Bilindiği gibi kırılma yöntemi yer altı suyu araştırmalarında mühendislik amaçlı zemin etütlerinde özellikle deprem tehlikesinin beklendiği yörede , sismik tehlike araştırmalarında , yatay ve düşey yönde her bir katman için sismik hızların belirlenmesi ve gerçek tabaka kalınlıklarının bulunması ayrıca heyelan araştırmalarında kullanılır.

3. HEYELAN ALANLARININ JEOFİZİK YÖNTEMLERLE ARAŞTIRILMASI

Heyelanı tanımlayacak olursak;Toprak, taş veya bunların karışımından oluşan belli bir şevi olan taneli malzemelerin yada zeminin yerçekimi etkisiyle bir yüzey üzerine ani bir kırılma ile birden bire yada yavaş olarak aşağı ve dışa doğru hareket etmesine ‘Heyelan’ denir. Doğal afet olarak tanımlanan ve büyük ölçüde can ve mal kaybına neden olan bu olaylarda üzerinde yaşadığımız yerküredeki (madencilik, baraj, karayolu, konut ve endüstriyel yapıların yapımı gibi) ekonomik etkinliklerde büyük önem taşımaktadır.

3.1. Heyelan Araştırmalarında Kullanılan Jeofizik Yöntemler

Heyelanların araştırılmasında en yaygın olarak kullanılan jeofizik yöntemler özdirenç , doğal gerilim ve sismik yöntemlerdir.Son yıllarda mikro sismik yöntemde kullanılmaya başlanmıştır.

3.1.2. Sonuçlar

Jeofizik yöntemler heyelanların geometrisi ve su saturasyonlarının saptanması, kayaç içeriği ve fiziksel özellikleri belirlenmesi, kayan kütlenin hareketinin yönünün belirlenmesi gibi çok önemli problemlerin çözümü amacıyla heyelan alanlarına doğrudan uygulanabilir.

Gerek kamu kurumları gerekse özel mühendislik firmaları çalışmalarıyla heyelanların neden olabileceği maddi ve manevi kayıpların en aza indirilmesine yönelik uygulamaların yaygınlaştırmaları ve bu konuda gerekli yasal düzenlemelerin yapılması gerekmektedir. 3.1.3. Sismik Yansıma Yöntemi Kaynaktan çıkıp derinlerdeki katmanlı ortam sınırlarından yansıyıp dönen dalgaların geliş gidiş zamanları kaydedilir.Bilindiği gibi yansıma yönteminde ekonomik olarak petrol ve doğalgaz araştırmalarında, kömür yatağı araştırmalarında mühendislik amaçlı olarak kıyı tesislerinin deniz altı zemin ve çökel istif şartlarının belirlenmesinde liman, karayolu, baraj ve büyük yapıların inşasıyla temel kaya problemlerinin çözümünde bilimsel amaçlı olarak kara ve denizde yerkabuğu araştırmalarında kullanılmaktadır. Ayrıca akifer gözeneğindeki atık suların araştırılmasında sismik kırılma ve yansıma yöntemi uygulanabilir. 4. PETROL OLUŞUMU VE PETROL İÇEREN YAPILAR

Petrolün meydana gelebilmesi için doğada hidrojen-karbon bileşiklerinin oluşması gerekmektedir.Petrol içeren yapı aşağıdaki şekildedir.

Kaynak kayaç.

Hazne kayaç:Petrol göçü olayından sonra petrolün toplandığı yerdir.Hazne kayaç iki özellik taşımalıdır.

A)Porozite

B)Geçirgenlik

Örtü kayaç: Rezervuarın sınırını çizen kayaçtır.

Sismik Çalışmalar Uygulama Alanlarına Göre 2’ye ayrılır.

1-Büyük jeolojik yapıların aranması:Yerkabuğu araştırmalarını içerip, petrol ve doğalgaz bulunduran yapılardır.

Şekilde görüldüğü gibi.

2-Küçük Jeolojik Yapıların Araştırılması:

Mühendislik uygulamalarında ve küçük alanlarda yapılırlar.Özellikle deniz kazalarında tankerlerden sızan petrol ürünleri telafi edilmesi çok güç olan kirlenmeye sebep olmaktadır.Petrol boru hatlarında meydana gelen sızıntılar özellikle 25-30 yaşlarındaki boru hatlarında eskime ve çürümelerden kaynaklanmaktadır ve bu şekilde çevreye zarar verirler.Şekilde küçük jeolojik yapıların bulunduğu yerler görülmektedir.

4.1. Sismik Yansıma ve Kırılma Yönteminin Yorumlanması

Sismik verinin işlenmesi ve sismik kesitin elde edilmesinden sonra sıra bu kesitin yorumlanmasına gelir.Sismik yorumun esasını ,sismik kesitlerde izlenen yansıyan sinyallerin oluşturduğu geometrik yüzeyler ve sinyallerdeki karakter değişimleri teşkil eder.

Çevre jeofiziğinde , sismik verilerin yorumu başlıca ;

1-Yapısal yorum

2-Stratigrafik yorum

3-Litolojik yorum

Doğru yorum yapabilmek için çeşitli yer modellerinin vereceği sismik cevapları tanımak ve bilmek gerekir.Günümüzdeki sismik kesitlerin yorumu iki ve üç boyutlu modellemelerle (bilgisayar yardımıyla) kontrol edilmektedir.İlk önce yansıtıcı horizonların haritalanması yapılır.İki horizon arasındaki sedimantarların kalınlığını gösteren ‘isopaçh’ haritaları yapısal gelişmenin incelenmesinde faydalıdır.

Yansıma yorumlanmasında önemli katkısı olan ‘sentetik (yapay) sismogram’ verilen yer şartları için bir sismik kaydın neye benzeyeceği bir tahmindir bir yapay sismogram örneği şekilde görülmektedir.Kuyudaki bir sonik logdur sonik logdaki değişimlerden bir yansıma katsayısı logu (ortada) hesaplanır. Daha sonra seçilen bir dalgacıkla konvolüsyon işlemi yapılır ve sentetik sismogram elde edilir.

Kırılma olgularının tanınması, yansıma olgularından ekseriya daha basittir.Direkt dalga ve yüzey dalgaları, daha düşük hızlı olmaları nedeniyle kolaylıkla kırılmalardan ayırt edilebilir.Çoğunlukla tek sorun , çeşitli kırıcı tabakalar olduğundan farklı kırılma olguların tanınmasında olur.Çevre jeofizinde bazen problemler bir ‘gizlenmiş zon’ dan çıkar.Bu tabakanın hızı üstte uzanan tabakanınkinden daha düşüktür bunun sonucu , hiçbir zaman baş dalgayı taşımaz ve kırılma varışlarında mevcudiyetinin herhangi bir göstergesi yoktur.Tersine bir durumda da , gizlenmiş tabakanın hızının üstteki tabakalardan daha büyük olmasıdır.Böyle bir tabaka ikinci varışı meydana getirir, fakat ayrı bir olgu olarak tanımlanmaz.

KAYNAKLAR

KEÇELİ, A. KAYA, M. A. TÜRKER, E. KAMACI, Z, (1992). Çevre jeofiziği II. Yeraltı kaynakları ve Çevre Sempozyumu, Kuşadası.

Prof. Dr. Kurultay ÖZTÜRK, İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi (1993).

Dr. A. Ersin, US TMMOB Jeofizik Mühendisleri Odası (1998).

Yrd. Dç. Dr. Veli KARA, Ders Notları.