اطلاعات اولیه
در اکتشافات ژئوفیزیکی برخی از مهمترین خواص فیزیکی زمین توسط ابزارهای ویژه اندازه گیری شده و با تفسیر نتایج حاصله ، شرایط زیر زمین استنتاج می‌شود. خواصی از سنگها که در اکتشافات ژئوفیزیکی ، سنجیده می‌شوند، معمولا شامل کشسانی (الاستیته) ، هدایت الکتریکی ، هدایت حرارتی ، چگالی ، خاصیت مغناطیسی و رادیواکتیویته است.
در اکتشافات ژئوفیزیکی معمولا به دنبال یک ناهنجاری یا به زبانی انحراف از مشخصات یکنواخت زمین شناسی هستیم. تغییر ناگهانی در جنس مواد ، برخورد به یک گسل یا یک منطقه خرد شده یا لایه‌های آبدار می‌توانند ناهنجاریهایی نسبت به شرایط طبیعی به حساب آیند. باید توجه داشت که هر چه ناهنجاری مورد بررسی نسبت به دستگاههای اندازه گیری دور تر قرار گرفته باشد، تاثیر آن ضعیف تر می‌شود.
لرزه نگاری
مهمترین بخش از فعالیت های ژئوفیزیکی را عملیات لرزه نگاری تشکیل می‌دهد. بطور کلی امواج لرزه‌ای از محل تشکیل به صورت کروی منتشر می‌شوند. این امواج با سرعتی که بستگی به خواص الاستیکی مواد دارد از داخل آن عبور می‌کنند. امواج لرزه‌ای در محل تغییر جنس مواد منعکس یا منکسر شده و پس از بازگشت به سطح زمین توسط ابزارهایی ثبت می‌شوند. این امواج که مشابه امواج زمین لرزه ولی به مراتب ضعیف تر از آن هستند، برچند نوع هستند.
امواج اولیه یا فشاری (P) که نوعی امواج داخلی هستند که در جهت انتشار موج ارتعاش می‌کنند. امواج برشی یا عرضی (S) که نوعی امواج داخلی هستند که در آنها امتداد ارتعاش ذرات عمود بر جهت انتشار موج است و بالاخره امواج ریلی که امواجی هستند که تنها در نزدیکی سطح زمین منشا گرفته و دامنه نوسان آن با عمق به سرعت کاهش می‌یابد.
روش لرزه‌ای انکساری
از این روش برای اندازه گیری سرعت امواج در لایه‌های مختلف که می‌تواند نشانه‌ای از جنس مواد و سطح ایستابی باشد. همچنین تعیین عمق لایه‌ها و محل گسلها و غارها استفاده می‌شود. روش لرزه نگاری انکساری را می‌توان به صورت تک کاناله و با یک ژئوفون منفرد ، یا با رشته‌ای از ژئوفونها انجام داد. در روش تک کاناله یک ژئوفون در فاصله‌ای کوتاه از دستگاه در زمین قرار داده می‌شود. حال با یک صفحه فلزی که در حدود ۳ متری دستگاه قرار گرفته با چکش ضربه‌ای زده می‌شود. زمان ایجاد ضربه توسط سیمی که از چکش به دستگاه وصل شده اندازه گیری می‌شود.
روش لرزه‌ای مستقیم
روش های لرزه‌ای مستقیم معمولا برای دستیابی به ویژگی های دینامیک سنگ و خاک ، مثل مدول یانگ ، نسبت پوآسون ، مدول برشی و مدول ظاهری و همچنین ارزیابی کیفیت سنگ ، مثل تراکم شکستگی ها و درجه تجزیه بکار می‌رود.
روش لرزه‌ای انعکاسی
بخشی از انرژی امواج لزره‌ای در حد فاصل دو محیط که دارای سرعت موج یا چگالی متفاوتی هستند، منعکس می‌شود. لذا با اندازه گیری زمان ورود امواج انعکاسی می‌توان سطوحی را که مرز بین انواع سنگ را تشکیل می‌دهند به نقشه درآورد. این روش مشابه روش ژرفاسنجی صوتی در دریاها و اقیانوسها است.
تکنیک های انعکاسی عمدتا جهت بررسیهای زیر دریایی بکار می‌رود و توسط آن تصویری از نیمرخ بستر دریا به همراه وضعیت لایه‌ها ، گنبدهای نمکی ، گسلها و لغزشهای زیر دریایی بدست می‌آید. البته چون در این روش سرعتها بطور مستقیم اندازه گیری نمی‌شود. لذا نوع مواد و عمق لایه‌ها تنها حدس زده می‌شود.
روش الکتریکی
تغییر خواص الکتریکی سنگ ها اساس روش های متنوع اکتشافات الکتریکی و الکترومغناطیسی است. در یک روش که پتانسیل خودزا نام دارد و در اکتشافات معدنی بکار می‌رود، اختلاف پتانسیل طبیعی بین دو نقطه از زمین اندازه گیری می‌شود. اندازه گیری مرتب اختلاف پتانسیل در امتداد یک نیمرخ و رسم تغییرات آن ناهنجاریهایی را که معمولا در بالای توده‌های معدنی ایجاد می‌شود، مشخص خواهد ساخت.
روش پتانسیل خودزا کاربرد چندانی در اکتشافات مهندسی ندارد. روش دیگر ، روش مقاومت مخصوص نام دارد. این روش بر این مبنا استوار است که مواد در زیر زمین قابلیت هدایت مختلفی نسبت به جریانهای الکتریکی دارند. قابلیت هدایت الکتریکی در موادی مثل رسهای مرطوب و لای‌های بالا بوده و در موادی مثل ماسه‌ها و شنهای سست خشک و سنگهای مستحکم پایین است.
مغناطیس سنجی
در این روش معمولا برای کانسار مغناطیسی یا سنگهایی که از خاصیت مغناطیسی زیادتری برخوردارند ( مثل سنگهای بلورین آذرین یا دگرگونی ، در مقایسه با سنگهای رسوبی) بکار می‌رود. بطور کلی سنگهای حاوی کانی‌های مغناطیسی ، میدان مغناطیسی زمین را تعدیل می‌کنند. هر گونه تغییر در میدان مغناطیسی زمین را می‌توان با ابزارهای دقیق سنجید.
میدان مغناطیسی کمیتی برداری است که هم مقدار و هم جهت آن قابل اندازه گیری است. ولی معمولا در اندازه گیری صحرایی مقدار مولفه قائم میدان و در اندازه گیریهای هوابرد و دریایی میدان کلی اندازه گیری می‌شود. امروزه اغلب اکتشافات توسط یک مغناطیس سنج که به دنبال هواپیمایی کشیده می‌شود، انجام می‌شود. به این ترتیب منطقه وسیعی در مدتی کوتاه و با مخارجی نسبتا کم مورد بررسی قرار می‌گیرد.
گرانی سنجی
اساس این روش بر اساس قانون جاذبه عمومی نیوتن قرار دارد. بنابراین قانون ، نیروی جاذبه بین دو جسم بطور مستقیم با حاصلضرب جرم آنها و بطور معکوس با توان دوم فاصله بین آنها متناسب است. با تغییر چگالی در یک منطقه نیروی جاذبه یا گرانش نیز تغییر خواهد کرد. از گرانی سنجی در زمین شناسی معمولا برای کشف ساختهای عمده زمین شناسی مثل گسلها ، گنبدها ، تاقدیسها و توده‌های نفوذی استفاده می‌شود. از این روش در بررسیهای مهندسی جهت تعیین محل حفرات و غارهای انحلالی داخل سنگهای آهکی استفاده می‌شود.
استفاده از رادار زمینی
این روش گر چه هنوز در آغاز راه است ولی به نظر می‌رسد که به زودی کارائیهای زیادی از خود در اکتشافات زیر زمینی ، زمین شناسی و مهندسی نشان دهد. از این روش می‌توان برای تشخیص مواد جامد نسبتا کدر در مقابل امواج رادار مثل لوله‌ها ، سطح سنگ بستر و قطعات سنگ روی آن ، حفرات ، تونلها ، مناطق رسی ، گسلها و توده‌های معدنی استفاده کرد. در این روش انرژی در حد بخش رادیویی طیف الکترومغناطیسی ساطع می‌شود که مقداری از آن پس از بازتاب از موارد پیش گفته به رادار بازگشته و ثبت می‌شوند. در یک روش ، موج رادار به صورت ضربه منفرد مستقیما در سطح زمین (یا در زیر زمین و در تونلها یا گمانه‌ها) فرستاده می‌شود.
در اکتشافات ژئوفیزیکی برخی از مهمترین خواص فیزیکی زمین توسط ابزارهای ویژه اندازه گیری شده و با تفسیر نتایج حاصله ، شرایط زیر زمین استنتاج می‌شود. خواصی از سنگها که در اکتشافات ژئوفیزیکی ، سنجیده می‌شوند، معمولا شامل کشسانی (الاستیته) ، هدایت الکتریکی ، هدایت حرارتی ، چگالی ، خاصیت مغناطیسی و رادیواکتیویته است.
در اکتشافات ژئوفیزیکی معمولا به دنبال یک ناهنجاری یا به زبانی انحراف از مشخصات یکنواخت زمین شناسی هستیم. تغییر ناگهانی در جنس مواد ، برخورد به یک گسل یا یک منطقه خرد شده یا لایه‌های آبدار می‌توانند ناهنجاریهایی نسبت به شرایط طبیعی به حساب آیند. باید توجه داشت که هر چه ناهنجاری مورد بررسی نسبت به دستگاههای اندازه گیری دور تر قرار گرفته باشد، تاثیر آن ضعیف تر می‌شود.
لرزه نگاری
مهمترین بخش از فعالیت های ژئوفیزیکی را عملیات لرزه نگاری تشکیل می‌دهد. بطور کلی امواج لرزه‌ای از محل تشکیل به صورت کروی منتشر می‌شوند. این امواج با سرعتی که بستگی به خواص الاستیکی مواد دارد از داخل آن عبور می‌کنند. امواج لرزه‌ای در محل تغییر جنس مواد منعکس یا منکسر شده و پس از بازگشت به سطح زمین توسط ابزارهایی ثبت می‌شوند. این امواج که مشابه امواج زمین لرزه ولی به مراتب ضعیف تر از آن هستند، برچند نوع هستند.
امواج اولیه یا فشاری (P) که نوعی امواج داخلی هستند که در جهت انتشار موج ارتعاش می‌کنند. امواج برشی یا عرضی (S) که نوعی امواج داخلی هستند که در آنها امتداد ارتعاش ذرات عمود بر جهت انتشار موج است و بالاخره امواج ریلی که امواجی هستند که تنها در نزدیکی سطح زمین منشا گرفته و دامنه نوسان آن با عمق به سرعت کاهش می‌یابد.
روش لرزه‌ای انکساری
از این روش برای اندازه گیری سرعت امواج در لایه‌های مختلف که می‌تواند نشانه‌ای از جنس مواد و سطح ایستابی باشد. همچنین تعیین عمق لایه‌ها و محل گسلها و غارها استفاده می‌شود. روش لرزه نگاری انکساری را می‌توان به صورت تک کاناله و با یک ژئوفون منفرد ، یا با رشته‌ای از ژئوفونها انجام داد. در روش تک کاناله یک ژئوفون در فاصله‌ای کوتاه از دستگاه در زمین قرار داده می‌شود. حال با یک صفحه فلزی که در حدود ۳ متری دستگاه قرار گرفته با چکش ضربه‌ای زده می‌شود. زمان ایجاد ضربه توسط سیمی که از چکش به دستگاه وصل شده اندازه گیری می‌شود.
روش لرزه‌ای مستقیم
روش های لرزه‌ای مستقیم معمولا برای دستیابی به ویژگی های دینامیک سنگ و خاک ، مثل مدول یانگ ، نسبت پوآسون ، مدول برشی و مدول ظاهری و همچنین ارزیابی کیفیت سنگ ، مثل تراکم شکستگی ها و درجه تجزیه بکار می‌رود.
روش لرزه‌ای انعکاسی
بخشی از انرژی امواج لزره‌ای در حد فاصل دو محیط که دارای سرعت موج یا چگالی متفاوتی هستند، منعکس می‌شود. لذا با اندازه گیری زمان ورود امواج انعکاسی می‌توان سطوحی را که مرز بین انواع سنگ را تشکیل می‌دهند به نقشه درآورد. این روش مشابه روش ژرفاسنجی صوتی در دریاها و اقیانوسها است.
تکنیک های انعکاسی عمدتا جهت بررسیهای زیر دریایی بکار می‌رود و توسط آن تصویری از نیمرخ بستر دریا به همراه وضعیت لایه‌ها ، گنبدهای نمکی ، گسلها و لغزشهای زیر دریایی بدست می‌آید. البته چون در این روش سرعتها بطور مستقیم اندازه گیری نمی‌شود. لذا نوع مواد و عمق لایه‌ها تنها حدس زده می‌شود.
روش الکتریکی
تغییر خواص الکتریکی سنگ ها اساس روش های متنوع اکتشافات الکتریکی و الکترومغناطیسی است. در یک روش که پتانسیل خودزا نام دارد و در اکتشافات معدنی بکار می‌رود، اختلاف پتانسیل طبیعی بین دو نقطه از زمین اندازه گیری می‌شود. اندازه گیری مرتب اختلاف پتانسیل در امتداد یک نیمرخ و رسم تغییرات آن ناهنجاریهایی را که معمولا در بالای توده‌های معدنی ایجاد می‌شود، مشخص خواهد ساخت.
روش پتانسیل خودزا کاربرد چندانی در اکتشافات مهندسی ندارد. روش دیگر ، روش مقاومت مخصوص نام دارد. این روش بر این مبنا استوار است که مواد در زیر زمین قابلیت هدایت مختلفی نسبت به جریانهای الکتریکی دارند. قابلیت هدایت الکتریکی در موادی مثل رسهای مرطوب و لای‌های بالا بوده و در موادی مثل ماسه‌ها و شنهای سست خشک و سنگهای مستحکم پایین است.
مغناطیس سنجی
در این روش معمولا برای کانسار مغناطیسی یا سنگهایی که از خاصیت مغناطیسی زیادتری برخوردارند ( مثل سنگهای بلورین آذرین یا دگرگونی ، در مقایسه با سنگهای رسوبی) بکار می‌رود. بطور کلی سنگهای حاوی کانی‌های مغناطیسی ، میدان مغناطیسی زمین را تعدیل می‌کنند. هر گونه تغییر در میدان مغناطیسی زمین را می‌توان با ابزارهای دقیق سنجید.
میدان مغناطیسی کمیتی برداری است که هم مقدار و هم جهت آن قابل اندازه گیری است. ولی معمولا در اندازه گیری صحرایی مقدار مولفه قائم میدان و در اندازه گیریهای هوابرد و دریایی میدان کلی اندازه گیری می‌شود. امروزه اغلب اکتشافات توسط یک مغناطیس سنج که به دنبال هواپیمایی کشیده می‌شود، انجام می‌شود. به این ترتیب منطقه وسیعی در مدتی کوتاه و با مخارجی نسبتا کم مورد بررسی قرار می‌گیرد.
گرانی سنجی
اساس این روش بر اساس قانون جاذبه عمومی نیوتن قرار دارد. بنابراین قانون ، نیروی جاذبه بین دو جسم بطور مستقیم با حاصلضرب جرم آنها و بطور معکوس با توان دوم فاصله بین آنها متناسب است. با تغییر چگالی در یک منطقه نیروی جاذبه یا گرانش نیز تغییر خواهد کرد. از گرانی سنجی در زمین شناسی معمولا برای کشف ساختهای عمده زمین شناسی مثل گسلها ، گنبدها ، تاقدیسها و توده‌های نفوذی استفاده می‌شود. از این روش در بررسیهای مهندسی جهت تعیین محل حفرات و غارهای انحلالی داخل سنگهای آهکی استفاده می‌شود.
استفاده از رادار زمینی
این روش گر چه هنوز در آغاز راه است ولی به نظر می‌رسد که به زودی کارائیهای زیادی از خود در اکتشافات زیر زمینی ، زمین شناسی و مهندسی نشان دهد. از این روش می‌توان برای تشخیص مواد جامد نسبتا کدر در مقابل امواج رادار مثل لوله‌ها ، سطح سنگ بستر و قطعات سنگ روی آن ، حفرات ، تونلها ، مناطق رسی ، گسلها و توده‌های معدنی استفاده کرد. در این روش انرژی در حد بخش رادیویی طیف الکترومغناطیسی ساطع می‌شود که مقداری از آن پس از بازتاب از موارد پیش گفته به رادار بازگشته و ثبت می‌شوند. در یک روش ، موج رادار به صورت ضربه منفرد مستقیما در سطح زمین (یا در زیر زمین و در تونلها یا گمانه‌ها) فرستاده می‌شود.
