معرفی رشته ژئوفیزیک

ژئوفیزیک‏ به‏ مفهوم‏ عام‏ شامل‏ فیزیک‏ زمین‏، جو و اقیانوس‏هاست‏. علم ژئوفیزیک، بررسی پارامترهای مختلف فیزیکی کره زمین است. پیدایش‏ این‏ علم‏ به‏ کشف‏ ژیلبرت،‏ در نیمه‏ دوم‏ سده شانزدهم‏ میلادی،‏ مبنی بر این که‏ زمین‏ همانند یک‏ مغناطیس‏ بزرگ‏ عمل‏ می‏کند و نیز به‏ نظریه‏ گرانش‏ نیوتن‏ در نیمه دوم‏ سده‏ هفدهم‏ میلادی‏ برمی‏گردد.  

درواقع ژئوفیزیک یک علم چندرشته‌ای است که با بکارگیری دانش و تکنیک‌های فیزیک، ریاضی، زمین‌شناسی و کامپیوتر به مطالعه نیروها و فرآیندهای فیزیکی که در گذشته و حال در حال تغییر سیاره ما بوده‌اند می‌پردازد. بعنوان مثال درک ماهیت زلزله‌‌ و حرکت و تغییر شکل قاره‌ها از مسائل مهمی هستند که همواره ذهن ژئوفیزیکدانان را به خود مشغول کرده‌اند. امروزه‏ این‏ علم‏ با بهره‏گیری‏ از دیگر علوم‏ پایه‏، دانشی‏ است‏ با کاربردهای‏ فراوان‏ که به شاخه‏های‏ متعددی‏ تقسیم‏ می‏شود. وظیفه اصلی‏ علم‏ ژئوفیزیک‏، مطالعه فرایندهای‏ فیزیکی‏ است‏ که‏ در سیاره زمین‏ و منظومه شمسی‏ رخ‏ می‏دهد. شناخت‏ پدیده‏های‏ مرتبط‏ با تحول‏ زمین‏ جامد، جو و اقیانوس‌ها برای‏ تامین‏ نیازهای اساسی‏ زندگی‏ انسان‏ ضروری‏ است.

اهمیت روشهای ژئوفیزیکی در آن است که به ژئوفیزیکدانان اجازه می‌دهد تا خواص فیزیکی درون زمین را که از دسترس مستقیم انسان خارج هستند اندازه‌گیری نمایند. ژئوفیزیکدانان با استفاده از امواج لرزه‌ای و اندازه‌گیری میدان‌های گرانش و مغناطیس زمین می‌توانند خواص الاستیکی ومغناطیسی، چگالی، و دمای درون زمین را اندازه‌گیری کنند.

ژئوفیزیک را می‌توان به دوشاخه عمده ژئوفیزیک جهانی و ژئوفیزیک اکتشافی تقسیم نمود. ژئوفیزیک جهانی علاقه‌مند به مطالعه فرآیندهای درونی و بیرونی است که در حال تغییر سیاره ما هستند و به مطالعه لرزه‌خیزی، میدان‌های گرانشی و مغناطیسی، تحول گرمایی و تغییر شکل زمین و همچنین فرآیندهای فیزیکی اتمسفر و .... می پردازد. در ژئوفیزیک اکتشافی ژئوفیزیکدان با بهره‌گیری از روش‌های گوناگون به شناسایی لایه‌های کم‌عمق زمین جهت اکتشاف منابع انرژی و معدنی زمین می‌پردازد.

به‏ طور مثال‏ می‏توان‏ به‏ نیاز روزافزون‏ به‏ کشف‏ منابع‏ جدید انرژی‏، اکتشاف‏ کانی‌ها و ذخایر آب‌های‏ زیرزمینی‏، پیش‏‌بینی‏ رویدادهای‏ طبیعی‏ مانند زلزله‏، آتشفشان‏، سیل‏ و خشکسالی‏ و همچنین‏ یافتن‏ راه‌های‏ چگونگی‏ کاهش‏ اثر ویرانگر این‏ پدیده‏ها اشاره‏ کرد. بر اساس‏ این‏ نیاز و ضرورت‏ توسعه‏ علم‏ ژئوفیزیک‏، اتحادیه‏ بین‏المللی‏ شورای‏ تحقیقات (IUS) و اتحادیه‏ بین‏المللی‏ علوم (IUS) از ژوئیه‏ 1957 تا دسامبر 1958 را سال‏ ژئوفیزیک‏ نامید و از تمامی‏ ملل‏ مختلف‏ درخواست‏ کرد‏‏ برای‏ توسعه‏ و پیشبرد این‏ علم‏ همکاری نمایند. ژئوفیزیک مانند سایر گرایشات میان‌رشته‌ای، در واقع پلی است از فیزیک به زمین شناسی. این رشته بیشتر بر روی لایه‌های مختلف زمین، فشارهای وارد بر هریک از طرف سطوح دیگر و نتایج این برهم‌کنش‌ها بحث می‌کند.

مواردی نظیر چگونگی پیدایش کوه‌ها، قاره‌ها و ناهمواری‌ها از جمله مباحث مطرح در این رشته می‌باشد. این رشته همچنین به بررسی جامع موضوعات مربوط به زلزله، چگونگی پیدایش، عوامل موثر، زلزله نگاری و … می‌پردازد. شناسایی گسله‌های لرزه خیز و فعال کشور، مطالعه پوسته، مطالعه پس‌لرزه‌های زمین لرزه‌های بزرگ، مطالعه خطر پذیری و ریسک برای شهرهای بزرگ و سازه‌های مهم در سطح کشور، به عهده فارغ‌التحصیلان این رشته است.

اکتشافات ژئوفیزیکی، لرزه‌نگاری و مطالعات لرزه‌ای سدها، مطالعات ژئوفیزیک کارخانه‌ها و نیروگاه‌ها، دریافت و جمع‌آوری اطلاعات مراکز علمی مربوط در ثبت زمین‌لرزه، پردازش این اطلاعات، بررسی و تحلیل پیش‌نشانگرهای زمین‌لرزه و امکان‌سنجی پیش‌بینی وقوع و یا عدم وقوع آن، بررسی و تحلیل اخبار و شایعات مربوط به وقوع زمین‌لرزه نیز همگی در این رشته بررسی می‌شود

گرایش‌ها و ابعاد مختلف این رشته

در اکتشافات ژئوفیزیکی برخی از مهمترین خواص فیزیکی زمین توسط ابزارهای ویژه اندازه گیری شده و با تفسیر نتایج بدست آمده، شرایط زیر زمین نتیجه می‌شود. خواصی از سنگ‌ها که در اکتشافات ژئوفیزیکی، سنجیده می‌شوند، معمولا شامل کشسانی، 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.

ژئوالکتریک

در این گرایش به تعیین مقاومت ظاهری لایه‌های مختلف زمین و تعیین جنس آن‌ها می پردازند. این کار از طریق اختلاف پتانسیل بین لایه‌های زمین انجام می‌گیرد. با استفاده از این روش می‌توان خواص الکتریکی سنگ‌ها را تشخیص داد، که بوسیله چند روش الکتریکی محاسبه می شود که تعدادی از آن‌ها عبارتند از:

روش پتانسیل خود زا: که براساس فعل و انفعالات شیمیایی یا مکانیکی مثل تغییرات سولفور، تغییر در ترکیبات سنگ‌ها، فعالیت بیوالکتریکی مواد ارگانیک، فرسایش و گرادیان مایع زیر زمین بوجود می آید. این روش برای بدست آوردن پتانسیل الکتریکی زمین، بدون هیچ گونه القای مصنوعی در زمین صورت می‌گیرد و ساده ترین و کم هزینه ترین روش از روش‌های ژئوفیزیک است.

روش مقاومت ویژه : به عبور جریان الکتریکی درون زمین می‌گوییم که اندازه گیری شدت و اختلاف پتانسیل بین الکترودها را برعهده دارد که از نتیجه حاصل از این عملیات صحرایی می‌توانیم مقاومت ویژه در زمین را بدست آوریم. این روش بیشتر برای اکتشافات آب‌های زیر زمینی مورد استفاده قرار می گیرد و حتی با استفاده از این شیوه می‌توان شیرینی و شوری آب‌ها را نیز تشخیص داد.

مغناطیس سنجی

این شاخه به بررسی تغییرات میدان مغناطیسی زمین می‌پردازد که این کار به دو روش انجام می گیرد روش نقطه ای و روش منطقه ای. در روش نقطه‌ای دستگاه را روی نقاط مختلف زمین قرار می‌دهند و تغییرات را بررسی می‌کنند اما در روش منطقه‌ای این کار از طریق هوایی صورت می‌گیرد. استفاده از این روش بیشتر برای اکتشافات مواد فلزی که خاصیت مغناطیسی دارند و درون زمین است. برای مثال برای کشف آهن، نیکل و …که دارای خاصیت مغناطیسی هستند مورد استفاده قرار می گیرد.

 اهمیت روشهای ژئوفیزیکی در آن است که به ژئوفیزیکدانان اجازه می‌دهد تا خواص فیزیکی درون زمین را که از دسترس مستقیم انسان خارج هستند اندازه‌گیری نمایند

 امروزه اغلب اکتشافات به روش منطقه‌ای، توسط یک مغناطیس سنج که به دنبال هواپیمایی کشیده می‌شود، انجام می‌شود. به این ترتیب منطقه‌ای وسیع در مدتی کوتاه و با مخارجی نسبتا کم مورد بررسی قرار می‌گیرد.

گرانی سنجی

هدف این شاخه بررسی و بدست آوردن شتاب جاذبه زمین و همچنین بحث درباره ی شکل میدان جاذبه زمین در نقاط مختلف است. با توجه به اینکه میدان جاذبه بستگی به جنس لایه‌ها دارد با این روش می‌توان به تحلیل و بررسی مسائل زمین ساختی مثل تاقدیس‌های زیر زمینی، گنبدها، گسل‌ها و توده‌های نفوذی پرداخت. این روش در بررسی‌های مهندسی جهت تعیین محل حفره‌ها و غارهای انحلالی داخل سنگ‌های آهکی استفاده می شود. این روش مطمئن ترین روش برای اکتشافات نفتی است.

لرزه نگاری

هدف این شاخه بررسی و تعیین مرز لایه‌ها، محل گسل‌ها و غارها یا ضخامت لایه‌ها و تا حدی جنس لایه‌ها است. این کار توسط بررسی رفتار سنگ‌های درون زمین در مقابل عبور امواج الاستیک از آن‌ها صورت می‌پذیرد که تولید این امواج به دو صورت ضربه ای و انفجاری صورت می‌گیرد. در روش ضربه‌ای این امواج توسط ضربه‌های مصنوعی تولید می‌شوند و در روش انفجاری امواج به وسیله انفجارهایی در عمق زمین ایجاد می‌شوند. به طور کلی امواج لرزه‌ای از محل تشکیل به صورت کروی منتشر می‌شوند. این امواج با سرعتی که بستگی به خواص کشسانی زمین دارد از داخل آن عبور می کنند. امواج لرزه‌ای در محل تغییر جنس مواد منعکس یا منکسر شده و پس از بازگشت به سطح زمین توسط ابزارهایی ثبت می‌شوند.

زلزله شناسی

کار این شاخه فقط اندازه گیری است. آنها با بررسی زلزله‌ها و اطلاعات آن‌ها به اندازه گیری ضخامت لایه‌ها و تعیین مرز لایه‌ها می‌پردازند. تفاوت کار این رشته و رشته لرزه نگاری در روش ایجاد امواج است. به طوری که در لرزه نگاری امواج به صورت مصنوعی و با انفجارها و یا ضربه مصنوعی ایجاد می شوند ولی در زلزله شناسی این امواج از چشمه‌ای طبیعی تولید می‌شود که در اثر زلزله ایجاد می‌شود.

زمینه‌های اشتغال

فارغ التحصیلان این رشته در سازمان زمین شناسی یا در شرکت نفت در بخش اکتشافات نفتی و در کارهای مهندسی از قبیل اکتشافات لرزه و همچنین در اکتشافات آب می‌توانند مشغول به کار ‌شوند.

هوای پاک با خودروهای هسته ای

از این پس و به لطف فناوری‌های نوین در عرصه دانش انرژی هسته‌ای ، می‌توان ابعاد جدیدی از کاربردهای بالقوه این انرژی قدرتمند را انتظار کشید که طی آن از تاسیسات و تجهیزات عریض و طویل متعارف و هیبت بزرگ رآکتورهای هسته‌ای برای به‌کار‌گیری‌ سوخت اتمی دیگر خبری نیست و کار به جایی می‌رسد که استفاده از انرژی هسته‌ای را می‌توان در هیاتی متفاوت به سوی کاربردهای دم دستی و قابل حمل سوق داد.

تحقیقات دانشمندان از فرم تازه کشف شده‌ای از اورانیوم حکایت دارد که می‌تواند نیروگاه‌های برق هسته‌ای را تا حد جای گرفتن در خودروی شما و نهایتا توانبخشی به آن کوچک‌سازی کند. به این ترتیب با معرفی نوع جدیدی از ملکول اورانیوم می‌توان دستیابی به اهداف بسیار ارزنده‌ای همچون داروها و سوخت هسته‌ای ارزان‌تر، خردتر و البته ایمن‌تر را نوید داد. در همین رابطه دانشمندان آزمایشگاه لوس آلاموس توانسته‌اند ملکول جدیدی از فرم شناخته شده نیترید اورانیوم را ارائه کنند که از سال‌ها قبل هدف مطالعه و جستجوی محققان بوده است، اما ماجرا به کشف این فرم جدید اورانیوم خلاصه نمی‌شود و این ملکول جدید علاوه بر مطرح کردن گزینه سوخت هسته‌ای ارزان‌تر و ایمن‌تر، می‌تواند از سوخت‌های فسیلی انرژی بیشتری استخراج کند و در نتیجه خودروها را به لحاظ کارآمدی سوخت در جایگاه ایده‌آل‌تری قرار دهد و البته جدا از کاربرد سوختی و توانبخشی به وسایل نقلیه می‌تواند به ارائه داروهای کارآمد ارزان‌تر نیز بینجامد.

این کشف جدید در حالی نوید دستاوردهای قابل ملاحظه‌ای از انرژی هسته‌ای پاک در آینده را می‌دهد که به گفته سرپرست گروه تحقیقاتی که شرح کشفیات آنها طی مقاله‌ای در شماره تازه ژورنال تخصصی شیمی طبیعت آمده است، نیتریدهای آکتینیدی (خانواده‌ای از ترکیبات رادیواکتیوی) نامزد اصلی سوخت‌های هسته‌ای آینده محسوب می‌شوند، ضمن این که چنین ترکیباتی قادرند پیوندهای کربن ـ هیدروژن را که بسیار محکم هستند نیز بشکنند. در واقع ترکیب نام‌آشنای حوزه انرژی هسته‌ای یعنی نیترید اورانیوم باعث شکافتن و جدا کردن اتم‌های هیدروژن از یک اتم کربن می‌شود که در نوع خود ماموریت سهل و ساده‌ای نیست.

نکته جالب قضیه این است که فرآیند مشابهی با چنین کارکردی هر روزه در موتور خودروها اتفاق می‌افتد، ولی متاسفانه حجم قابل ملاحظه‌ای از انرژی موجود در آن همه پیوندهای کربن ـ هیدروژن به صورت گرما تلف می‌شود.

به بیان دیگر، چنانچه این دو اتم بتوانند شکافته و از هم جدا شوند بدون آن که تمامی انرژی‌شان از دست رود، در آن صورت بنزین می‌تواند به نحو بسیار کارآمدتری نه‌تنها برای سوخت یک خودرو، بلکه برای بهبود بخشیدن به انواع کاملی از فرآورده‌های نفتی از پلاستیک‌ها گرفته تا داروها نیز مورد استفاده واقع شود.

در این میان البته مشکلی پیش روی دانشمندان قرار دارد و از بد حادثه این ملکول جدید زمانی که اتم‌های هیدروژن را از یک اتم کربن می‌شکافد، از میان می‌رود. در واقع برای این که نیترید اورانیوم به لحاظ تجاری واجد قابلیت ماندگاری و بقا شود، مجبور است اتم‌های هیدروژن را یکی پس از دیگری هدف هجوم خود قرار دهد و به این ترتیب خودش در حین فرآیند نابود نمی‌شود.

با این وصف، دانشمندان ناگزیر از تبدیل‌ نیترید اورانیوم به یک سازمان‌دهنده یا همان کاتالیزور خواهند بود و این همان مقصودی است که به اعتقاد محققان باید عملی و میسر شود، اما در حال حاضر عملی نیست.

اما ظاهرا یافتن راه‌حلی برای این مشکل بزرگ را باید در جایی غیر از آزمایشگاه‌ها و حوزه عناصر و ترکیبات شیمیایی جستجو کرد. قضیه از این قرار است که هرچند دانشمندان ممکن است یک پیوندشکن مولکولی ارزان، مطمئن و قابل استفاده مجدد را در مشت خود نداشته باشند، ولی انگار طبیعت از قبل این کار را کرده است. سیتوکرومP450 که عملا در هر ارگانیسمی روی زمین یافت می‌شود همان برگ طلایی مورد نظر دانشمندان است. این ماده آنزیمی است که ردپای آن را در شمار انبوهی از ترادیسی یا دگرگونی‌های شیمیایی از ایجاد کردن انرژی در میتوکندری‌ها گرفته تا متابولیسم داروها می‌توان سراغ گرفت.

دانشمندان معتقدند نتایج تحقیقاتشان از این واقعیت حکایت دارد که نیترید اورانیوم همانند سیتوکرومP450 می‌تواند پیوندهای کربن ـ هیدروژن را بشکند. در واقع دانشمندان با مطالعه دقیق شیوه‌ای که نیترید اورانیوم پیوندهای کربن ـ هیدروژن را می‌شکند، می‌توانند درخصوص روشی که سیتو‌کروم P450 همین مأموریت را در طبیعت به انجام می‌رساند به اطلاعات بیشتر و باارزش‌تری دست پیدا کنند، چراکه این فرآیند به رغم اهمیت زیست‌شناختی و همچنین اهمیت اقتصادی بالقوه‌ای که دارد، تاکنون آن طور که باید و شاید مورد شناخت و مطالعه درست قرار نگرفته است.

ابعاد مختلف این کشف جدید و اهمیت خود موضوع، فرم جدید مولکولی اورانیوم توجه محققان زیادی را به خود جلب کرده است و هر یک جنبه خاصی از آن را مورد بحث و اظهارنظر قرار داده‌اند. در این میان هر چند به اعتقاد برخی دانشمندان، جالب‌توجه‌ترین جنبه این مولکول جدید را می‌توان شیمی آن دانست، ولی آنچه بیش از همه کانون توجه سایر محققان قرار گرفته و بر آن اتفاق نظر دارند این واقعیت کتمان‌ناپذیر است که مولکول جدید اورانیوم حرف‌های زیادی برای گفتن دارد، اما عامل محرک و انگیزه واقعی برای ایجاد این مولکول جدید را همان کاربرد پیشنهاد شده‌اش به عنوان یک سوخت هسته‌ای نوین می‌توان قلمداد کرد.

محققان معتقدند نیترید اورانیوم می‌تواند به جایی ختم شود که تصورش هم خالی از هیجان نیست. این مقصد مهم و ارزشمند نیروگاه‌های برق هسته‌ای کوچک، ارزان‌تر و حتی قابل حمل خواهد بود. در این میان مراکز بزرگی همچون ناسا و

HPG و دیگر سازمان‌ها و مراکز تحقیقاتی که سهم قابل ملاحظه‌ای در پژوهش‌ها و دستاوردهای نسل آینده برق و قدرت را به خود اختصاص داده‌اند، همگی ‌ دنبال به‌کار‌گرفتن نیترید اورانیوم به عنوان یک سوخت هسته‌ای نسل آینده در رآکتورهایشان هستند.

البته به رغم ارتباط اورانیوم با موضوع تشعشعات مرگبار، این مولکول جدید حاوی اورانیوم تهی شده است که در نوع خود و از نقطه نظر رادیولوژیکی نسبتا بی‌ضرر نشان می‌دهد. ضمن این که فرصت‌های زیادی را در حوزه کاربردهای صنعتی و کاتالیزورها مطرح می‌‌کند. از طرفی محققان با امیدواری معتقدند فرصت‌های قابل ملاحظه‌ای که این ماده رادیو اکتیو جدید پیش می‌کشد، به حوزه کاربردهای صنعتی و شیمی مواد ختم نمی‌شود. در واقع داشتن قابلیتی که قادر به تخریب سریع، قابل اطمینان و کارآمد پیوندهای کربن ـ هیدروژن باشد می‌تواند باعث ارزان‌تر تمام شدن فرآیند تولید داروها و سایر مواد و ترکیبات شیمیایی مهم صنعتی شود و اهمیت آن زمانی بیشتر جلوه می‌کند که می‌بینیم بسیاری از این ترکیبات نفت محور هستند. به اعتقاد کارشناسان، نمی‌توان از کنار این واقعیت براحتی گذشت که فرآیند تصفیه و پالایش هر روزه نفت برای تولید جدول بلند بالایی از مواد و فرآورده‌ها، مستلزم صرف درجه حرارت‌های بالا، فشار بالا و مراحل چندگانه و در کل مترادف صرف مقادیر قابل توجه انرژی است.

با این اوصاف دانشمندان معتقدند اگر این مولکول جدید بتواند همین فرآیند پیوسته فرآوری و پالایش نفت را در درجه حرارت معمولی، فشار معمولی و طی یک مرحله واحد به انجام برساند، به معنای آن است که این ملکول کوچک، زمان و سرمایه را برای ما پس‌انداز و صرفه‌جویی کرده است.

چرا سقف نیروگاه‌های اتمی گنبدی است؟

شبکه‌ای که در دو جهت دارای انحنا باشد آن را گنبد می‌نامند. شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط یا اتصال چندین لایه باشد. گنبد‌ها سازه‌هایی با صلبیت بالا می‌باشند و برای دهانه‌های بسیار بزرگ تا حدود 250 متر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ارتفاع گنبد باید بزرگتر از 15% قطر پایه گنبد باشد. گنبدها دارای مرکز هستند.

سوخت یک نیروگاه هسته‌ای، اورانیوم است. اورانیوم عنصری است که در اکثر مناطق جهان از زیرزمین استخراج می‌شود.

اورانیوم بعد از مرحله کانه آرایی بصورت قرص‌های بسیار کوچکی در داخل میله‌های بلند قرار گرفته و داخل رآکتور نیروگاه نصب می‌شوند.

در داخل رآکتور یک نیروگاه اتمی، اتم‌های اورانیوم تحت یک واکنش زنجیره‌ای کنترل شده، شکافته می‌شوند.

در نیروگاه‌های هسته‌ای، معمولاً از یک سری میله‌های کنترل جهت تنظیم سرعت واکنش زنجیره‌ای استفاده می‌گردد.

عدم کنترل این واکنش‌ها می‌تواند منجربه تولید بمب اتم شود. اما در بمب اتم، تقریباً ذرات خالص اورانیوم 235 یا پلوتونیوم (باشکل و جرم معینی) باید با نیروی زیادی در کنارهم قرار گیرند.

واکنش‌های زنجیره‌ای همچنین باعث تولید یک سری مواد رادیواکتیو می‌شوند. این مواد در صورت رهایی می‌توانند به مردم آسیب برسانند.

بنابراین آنها را به شکل جامد نگهداری می‌کنند. این مواد در گنبدهای بتنی بسیار قوی نگهداری می‌شوند تا در صورت بروز حوادث مختلف ، خطری بوجود نیاید.

گنبد شکلa یک نوع گنبد از نوع دنده‌ای است. در صورتیکه تعداد دنده‌ها زیاد باشد باید به مسئله شلوغی اعضا در راس گنبد توجه شود که برای اجتناب از این مسئله بهتر است که برخی از دنده‌های نزدیک راس حذف شود.(شکل b)

گنبد دیگری به نام اشفدلر (مهندس آلمانی) در شکل (c) نشان داده شده است که تعداد زیادی از این نوع گنبدها بعد از قرن 19 توسط اشفدلر و دیگران ساخته شده است.

از ایرادات این گنبد می‌توان به مسئله شلوغی اعضا در راس اشاره کرد، که برای حل این مشکل همان راه حل بالا ارائه می شود. (شکل d)

نمونه دیگری از گنبدها گنبد "لملا " است .این گنبد را می توان به نوع ترکیبی از یک یا چند حلقه که با یکدیگر متقاطع هستند ،دانست (شکل های e-f)

شکل‌های (g و h) نوع دیگری از خانواده گنبدها را به نام گنبدهای دیامتیک نشان می‌دهد.

در شکل‌های (i و j) نمونه دیگری از گنبد های حبابی ملاحظه می‌کنید.

در شکل‌های (k و l) نمونه دیگری از گنبد ها به نا م گنبدهای ژئودزدیک ملاحظه می‌شود.

اتصالات در گنبد‌های دنده‌ای و اشفلدر حتما صلب هستند. از لحاظ پخش منظم نیرو، گنبد هاس ژئودزدیک، دیامتیک و حبابی بسیار مناسب هستند.

از امتیازات سقف‌های گنبدی ذخیره مقاومتی بیشتر، به دلیل داشتن درجات نامعینی بالا، در مقایسه با سایر سازه‌های متداول است. همچنین سختی و صلبیت زیاد قابلیت استثنایی برای حمل بارهای بزرگ متمرکز و غیر متقارن می‌باشد.

سقف گنبدها بسیار محکم‌تر از سقف‌های معمولیست.

برای درک ساده تر موضوع، تصور کنید وقتی یک خودکار را روی کاغذ قرار می‌دهید و کاغذ را بلند می‌کنید، کاغذ نمی‌تواند نیروی وزن خودکار را تحمل کند، اما اگر همان کاغذ را کمی انحنا دهید خواهید دید کاغذ انحنا داده شده تحمل وزن چند خودکار دیگر را هم دارد.

آشنایی با پرتو پزشکی

تاریخچه پرتوپزشکی

یکی از روشهای تشخیصی و درمانی ارزشمند در طب، پزشکی هسته ای می باشد. که تبلور آن از ابتدا تا کنون تلفیقی از کشفیات مهم تاریخی بوده است. اولین جرقه در سال 1895 با کشف اشعه X و در 1934 با کشف مواد رادیواکتیو زده شد. اولین استفاده کلینیکی مواد رادیواکتیو، در سال 1937 جهت درمان لوسمی در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی بود. بعــــــد از آن در 1946 با استــــــفاده از این مواد توانستند در یک بیمار مبتلا به سرطان تیروئـــــید از پیشرفت این بیماری جلوگیری کنند.

البته تا 1950 کاربرد کلینیکی مواد رادیواکتیو بطور شایع رواج نیافت و مسکوت ماند. طی سالهای بعد از آن متخصصین و فیزیکدانان به این واقعیت پی بردند که می توان از تجمع رادیو داروها در ارگان هدف تصاویری از آن تهیه نمود و یا به درمان بافت آسیب دیده کمک نمود. بطوریکه در اواسط دهه 60 مطالعات بسیاری در خصوص طراحی تجهیزات لازم آغاز گشت. در دهه 1970 توانستند با جاروب نمودن از ارگانهای دیگر بدن مانند کبد و طحال، تومورهای مغزی و مجاری گوارشی تصاویری را تهیه نمایند. و در دهه 1980 از رادیو داروها جهت تشخیص بیماری های قلبی استفاده نمودند و هم اکنون نیز با ضریب اطمینان بسیار بالایی از پزشکی هسته ای در درمان و تشخیص و پیگیری روند درمان بیماریها استفاده می گردد.

پرتوپزشکی چیست؟

پرتوپزشکی شاخه‌ای از پزشکی است که در آن تشعشع خواص هسته‌ای نوکلیدهای رادیواکتیو و نوکلیدهای پایدار ، هم برای تشخیص و هم برای درمان امراض بکار می‌روند. این امر می‌تواند یا با پرتودهی مستقیم مریض با یک چشمه تشتعشع خارجی یا با تزریق داروهای نشاندار با رادیواکتیویته به مریض تحقق یابد .

رادیو داروها

داروهای نشاندار رادیواکتیو که به مریض تزریق یا خورانده می‌شوند، به نام رادیو داروها معروف هستند. دارویی هسته‌ای یا رادیو فارماکولوژی روش دارویی خاصی است که با ترکیبات ، آزمایش یا تزریق مناسب رادیو دارو به مریض ارتباط دارد.

کاربرد رادیوداروها

*روشهای تشخیص زنده

روشهای تشخیص زنده آن روشهایی هستند که در آنها یک رادیو دارو در سیستم یک مریض زنده ، بطریق خوراندن ، تزریق ، یا با استنشاق وارد می‌گرددم اشعه گامای نشر شده بوسیله رادیو داروها برای تامین اطلاعات مورد نیاز بر روی صفحه کامپیوتر قابل مشاهده هستند.

روشهای تشخیص غیر زنده

روشهای غیر زنده آنهایی هستند که روی نمونه‌های برداشته شده از یک مریض انجام می‌گیرد. تعدادی از این روشها مستلزم بکارگیری رادیو داروها است. ولی مهمترین آنها روش رادیو ایمونواسی (RIA) می‌باشد.

رادیو ایمونواسی و تاثیر آن در پزشکی

رادیو ایمونواسی نوعی تجزیه بطریق رقیق کردن ایزوتوپی (IDA) ، جزو استو کیومتری است که در آن عنصر مورد تجریه نشاندار و غیر نشاندار برای پیوند با مقادیر محدود مولکولی که بطور خاص با عنصر مورد تجزیه پیوند می‌دهد، رقابت می‌کند. RIA بطور گسترده در آزمایشگاههای پزشکی برای تعیین هورمونها ، داروها ، ویروسها ، و دیگر گونه‌های آلی در سطح جهان بکار می‌رود. شروع RIA به سالهای 1950 ، با بررسی S.Berson و R.Yalow برروی متابولیسم انسولین B1I در مریض‌های دیابتی بر می‌گردد.

Berson و Yalow دریافتند که مریض‌های دیابتی موادی در سرم خون دارند که با انسولین پیوند می‌دهند. آنها مشاهده کردند که انسولین نشاندار و غیرنشاندار با این ماده پیوند دهنده رقابت کرده، و این مقدار انسولین غیرنشاندار موجود ، مقادیر انسولین نشاندار را که پیوند داده متاثر می‌کند. آنها در این مطالعه توانایی روش ، جهت ارزیابی انسولین را دریافتند. RIA از آن زمان تا کنون پیشرفتهای گسترده‌ای را در روشهای پزشکی با کاربردهای وسیع برای اندازه گیری مقادیر بسیار کم بسیاری از بیو مولکولهای مهم نموده است.

کاربردهای درمانی تشعشع

کاربردهای درمانی تشعشع و رادیو داروها نسبت به کاربردهای تشخیص محدودتر هستند. زمانی که تشعشع برای درمان بکار می‌رود، مقصود نابود نمودن یک قسمت خاص از نسوج مریض با تشعشع است. چشمه تشعشع می‌تواند داخلی و خارجی باشد.

چشمه‌های مورد استفاده در درمان

چشمه‌های خارجی تشعشع در حال حاضر اساسا در شکل باریکه‌های الکترونی یا اشعه ایکس است. بسیاری از دستگاهها می‌توانند برای تولید این تشعشعات بکار روند. ولی شتابدهندهای خطی کوچک بیشترین کاربرد را دارند. الکترونهای با انرژیهای 4 تا 15 میلیون الکترون ولت برای درمان سرطانهایی که نزدیک سطح بدن هستند، مانند سرطانهای پوست ، سینه ، سر و گردن بکار می‌روند.

زمانی که نفوذ بیشتری از تشعشع لازم باشد، اشعه گاما از یک چشمه بسته رادیو نوکلید مورد استفاده قرار می‌گیرد. 60Co بطور گسترده‌ای برای این منظور بکار رفته است، ولی در حال حاضر 137Cs ترجیح داده می‌شود. علاوه بر تشعشع خارجی یک عضو ممکن است، یک سوزن یا دانه رادیواکتیو را در داخل بدن مریض کاشت و لذا تنها مقاطع خاصی را که باید نابود شوند، پرتودهی نمود. در این رابطه کاشتهای 198Au و 125I متداول است.

تصویر برداری در پرتوپزشکی

مشکل تصویر برداری از بدن انسان این است که ماده ای کدر و غیر شفاف است، نگاه کردن درون بدن انسان نیز بطور کلی دردناک است. در گذشته روش معمول دیدن درون بدن انسان جراحی بود! اما امروزه با استفاده از انبوهی از روشهای جدید دیگر نیازی به این روشهای وحشتناک نیست. تصویر برداری اشعه X، MRI، تصویر برداری CAT و مافوق صوت برخی از این تکنیک ها هستند. هر کدام از این تکنیک ها مزایا و معایبی دارند که باعث می شود برای شرایط مختلف واعضای مختلف بدن مفید باشند.

تکنیک های تصویر برداری پزشکی هسته ای روشهای جدیدی را برای نگاه کردن به درون بدن انسان برای پزشکان فراهم می کند. این تکنیک ها ترکیبی از استفاده از کامپیوتر، حسگرها و مواد رادیواکتیو است. این روشها عبارتند از:

• توموگرافی با استفاده از تابش پوزیترون (PET)

• اسپکت SPECT

• تصویر برداری قلبی – عروقی

• اسکن استخوان

هر کدام ازاین روشها از یکی از خصوصیات عناصر رادیواکتیو برای تولید یک تصویر استفاده می کنند.

تصویر برداری در پزشکی هسته ای برای شناسایی موارد زیر بسیار مفید است:

• تومورها

• آنوریسم Aneurysms

• نارسایی سلول های خونی و اختلال در عملکرد دستگاههای بدن مثل غده تیروئید و ریه

استفاده از هر کدام از این روشهای خاص یا مجموعه ای از آنها بستگی به علائم بیمار و نوع بیماری دارد.

پرتوپزشکی و درمان بیماریها

از مواد رادیواکتیو به عنوان ردیاب رادیواکتیو استفاده می شود. این مواد از طریق بلعیدن و یا تزریق وارد جریان خون می شود. یکی از روشهای ردیابی به این شکل است که مواد ردیاب در خون حرکت می کنند و امکان می دهند که ساختار رگهای خونی مشاهده شود. این روش مشاهده به پزشکان این امکان را می دهد که لخته و دیگر ناهنجاریهای رگهای خونی را به راحتی تشخیص دهند. علاوه بر این، برخی اعضاء بدن هستند که نوع خاصی از مواد شیمیایی را در خود جمع می کنند . برای مثال غده تیروئید ، ید را در خود جمع می کند بنابراین با بلعیدن ید رادیواکتیو ( به صورت مایع یا به صورت قرص ) می توان تومورهای تیروئید را تشخیص داد و درمان کرد. به همین ترتیب تومورهای سرطانی نیز، فسفات را در خود جمع می کنند. بنابراین با تزریق ایزوتوپ رادیواکتیو فسفر – 32 در جریان خون می توان تومورهای سرطانی را، به دلیل افزایش رادیو رادیواکتیوشان، شناسایی کرد.

در تصویر برداری، آزمایش یا درمان به وسیله پزشکی هسته ای، مواد رادیواکتیوی که بلعیده یا تزریق می شوند به بدن آسیب نمی رسانند. رادیو ایزوتوپ هایی که در پزشکی هسته ای استفاده می شوند به سرعت در عرض چند دقیقه تا حداکثر یک ساعت واپاشیده می شوند. سطح تابش های رادیواکتیو آنها هم نسبت به اشعه X یا CT اسکن بسیار پایین تر است.

برخلاف درمان از طریق پزشکی هسته ای، رادیوتراپی ( که کاملاً با آن متفاوت است ) از این مزیت بهره می گیرد که برخی سلولها با شدت بسیار بیشتری تحت تأثیر تابش های یونیزه یعنی تابش های آلفا، بتا و گاما و X قرار می گیرند. سلولها با سرعت های متفاوتی تقسیم می شوند و سلولهایی که با سرعت بیشتری تقسیم می شوند به دو دلیل، بیشتر تحت تأثیر تابش های یونیزه قرار می گیرند:

- سلولها دارای مکانیسمی هستند که به آنها این امکان را می دهد تا DNA آسیب دیده را ترمیم کنند.

- وقتی که یک سلول در حال تقسیم متوجه شود که DNA آسیب دیده است خودش را از بین می برد.

سلولهایی که به سرعت تقسیم می شوند زمان کمتری برای مکانیسم ترمیم و شناسایی خطاهای DNA قبل از تقسیم شدن دارند، بنابراین احتمال بیشتری وجود دارد که پس از قرار گرفتن در معرض تابش های هسته ای از بین بروند.

از آنجایی که در اکثر انواع سرطان، سلولهای سرطانی به سرعت تقسیم می شوند در برخی موارد می توان به وسیله رادیوتراپی سرطان را درمان کرد. معمولاً مواد رادیواکتیو اطراف یا کنار تومور قرار می گیرند. در تومورهایی که در عمق بدن یا نواحی غیر جراحی قرار گرفته اند پرتو X با شدت بالایی روی تومور تابانیده می شود.

اما تنها مشکلی که این نوع از درمان دارد این است که دیگر سلولهای سالم که به سرعت تقسیم می شوند نیز، همراه سلولهای سرطانی تحت تأثیر پرتوها قرار می گیرند. به همین دلیل کسانی که تحت درمان سرطان هستند دچار حالت تهوع و ریزش موی شدید می شوند.

پرتوپزشکی از صرف هزینه های سنگین درمان جلوگیری می کند.

هم اکنون اغلب مواد اولیه مربوط به تهیه تجهیزات مربوط به پرتوپزشکی وارد کشور می شود ، در صورتی که اگر مواد اولیه هسته ای در مرکز انرژی هسته ای و یا مرکز تحقیقاتی وابسته به دانشگاهها تولید شود می توان از مشکلات اقتصادی بخش درمان جلوگیری کرد.

پرتوپزشکیدر ایران ریشه قدیمی دارد چون سالهای زیادی است که در ایران با مواردی نظیر اسکن، رادیوتراپی برای درمان بیماران سرطان از آن استفاده می شود.متاسفانه چون تکنیک ها و وسایل موجود در این زمینه قدیمی هستند کشور در مقایسه با کشورهای پیشرفته به لحاظ پزشکی هسته ای فاصله دارد.هم اکنون تعداد دستگاه ها و تجهیزات پزشکی در این زمینه در کشور بسیار اندک است به گونه ای که فقط در تهران و چند شهر دیگر این تجهیزات وجود دارد و این برای بیماران مشکل ایجاد کرده چون باید از نقاط مختلف کشور برای درمان به این چند شهر خاص سفر کنند.

پرتوپزشکیدر ایران از جایگاه مطلوبی برخوردار است و فقط در صورتی که وسایل جدید در کشور فراهم شود به گونه ای که برخی از مواد که امکان تولید از طریق هسته ای وجود دارد ساخته شود می توان این زمینه به پیشرفت های مطلوبی رسید.

به طور حتم وسایل جدید مربوط پرتوپزشکی در دنیا وجود دارد اما علاوه بر اینکه تهیه آنها هزینه زیادی در بر دارد طول عمر این وسایل نیز بسیار کم است.

مرور تاریخی بر اکتشاف نفت

اکتشاف نفت پیشینه ای طولانی دارد.انجیل اشاره های بسیاری به استفاده ازقیر یا آسفالت جمع آوری شده از تراوشهای طبیعی دارد که این تراوشها در خاور میانه به فراوانی یافت می شود . هرودت در نوشته های خود (درسال 450 پیش از میلاد ) ، تراوشهای نفتی در کارتاژ (تونس) و جزیره زاکینتوس یونان را شرح می دهد . وی جزئیاتی نیز درباره استخراج نفت از چاههای حوالی آردیکا (نام محلی در شوش قدیم در عهد هخامنشیان ) در ایران کنونی ارائه می کند . قاعدتا این چاهها چندان ژرف نبوده اند ، چرا که سیال توسط یک مشک متصل به انتهای یک تیر چوبی بلند ، استخراج می شد . همزمان، از این چاهها نفت ، نمک و قیر تولید می شد . در هزاره اول پیش از میلاد ، نفت و آسفالت ، دربسیاری از نقاط جهان از تراوشهای طبیعی به دست می آمد.

کاربردهای اولیه نفت ، در پزشکی ، عایق کردن در مقابل آب و در چنگاوری بوده است . برای درمان زخمها و روماتیسم ، نفت را به پوست می مالیدند و از آن به عنوان مسهل نیز استفاده می شد .

در زمان نوح نیز ، از قیر برای جلوگیری از ورود آب به قایقها استفاده می کردند . قیر ، آسفالت و نفت در جنگاوری نیز به کار می رفت. هنگامی که اسکندر کبیر در سال 326 پیش از میلاد به هند هجوم آورد ، با استفاده از اسب سوارهایی که ظروف قیر مشتعل را در دست خود تکان می دادند ، فوج فیلهای هندی را پراکنده ساخت . نادر شاه نیز روش مشابهی را به کار گرفت . وی در سال 1739 ، ظروف نفتی مشتعلی را بر کوهان شترها گذاشته و آنها را به سمت فوج فیلها هندی فرستاد .

آتش یونانی در سال 668 پس از میلاد ، توسط کالینیکوس از اهالی بعلبک اختراع شد. چگونگی تهیه آن مشخص نیست اما به نظر می رسد که شامل آهک زنده، گوگرد و نفتا بوده و هنگام مرطوب شدن مشتعل می شده است. آتش یونانی در جنگ دریایی بیزانس ، جنگ افزاری قوی بوده است.

تا میانه ی سده ی نوزدهم، آسفالت ،نفت و فرآورده های جانبی آنها،از چشمه های نفتی ،چاله های کم عمق و چاههای دستی حفر شده به دست می آمد. درسال 1694 ،پادشاهی انگلستان ، امتیاز تهیه مقدار زیادی قیر،قطران و نفت را از نوعی سنگ ،به مستر زایل ،هنکاک و پورتلاک اعطا کرده سنگ مورد نظر ،سن کربنیفر داشت و در محلی با نام پیچفورد در شروپشایر یافت می شد.

ظاهرا نخستین چاهی که بطور خاص برای جستجوی نفت حفر شد ،درسال 1745 در چشلبرون فرانسه حفاری گردید . رخنمونهایی از ماسه های نفتی در این ناحیه گزارش شده بود و لویی پانزدهم ،به دو لا سوریونیر مجوزی اعطا کرد و او را در همان سال چندین چاه حفر نمود ه و یک پالایشگاه ایجاد کرد .تولد صنعت شیل نفتی ،به جیمز یانگ نسبت داده می شود که در سال 1847 ، از شیلهای کربنیفر توربان در اسکاتلند ،نفت به دست آورد. فرآورده های این پالایشگاه اولیه ،شامل آمونیاک ،موم پارافین جامد ،و پارافین مایع (نفت سفید یا قطران زغال سنگ ) بوده و بنابراین در میانه ی سده ی نوزدهم ،خرید وفروش هیدروکربنهای مایع به سرعت گسترش یافت. در آغاز ،تقاضاها با شیلهای نفتی و نفت بدست آمده از تراوشهای طبیعی ،گودالها،چاههای دستی و گالریها تامین می شد . پیش از شروع اکتشاف نفت ،حفاری ضربه ای ، روشی رایج برای استخراج آب یا آب نمک در بسیاری از نقاط جهان بود. نخستین چاه که با هدف نفت حفاری شد و نفت تولید کرد ، در سال 1859 توسط کلتل دریک در اوایل کریک پنسیلونیا حفر شد. این چاه که با روش حفاری ضربه ای (cable tools drilling ) حفر گردید 65 فوت عمق داشت و آن را drahe well نامیدند . پیش از آن ، از چاههای نفت آپالاش و مناطق دیگر ،نفت به عنوان یک آلاینده تولید شده بود. فناوری حفاری چاه توسط دزیک (Drake  ) از صنعتگران چینی گرفته شده بود که برای کار در راه آهن ،به ایالات متحده سفر کرده بودند. حفاری ضربه ای ، دست کم از سده ی نخست میلادی در چین به کار می رفت و ابزارهای حفاری از برجهای بامبو با 60 متر بلندی آویخته می شد . در هر حال این فن آوری حفاری در چین ،برای تولید شوراب آرتزین توسعه یافته بود و نه برای نفت.

تا چند دهه قبل ، سیستم حفاری دستی (hand hold drilling ) جهت ایجاد چال برای احداث تونل ، خط راه آهن و معدن متداول بوده و بدون شک ، در مناطقی که امکان دسترسی به برق نیست ، این روش حفاری هنوز کاربرد دارد. روش ابتدایی سیستم حفاری دستی بیشتر برای حفر چال کم عمق در سنگ های با مقاومت ضعیف یا متوسط مورد استفاده داشته است.

حفاری دستی ،بنا به ضرورت ، تکامل تدریجی یافت به نحوی که امکان ایجاد چال با عمق بیشتر نیز ممکن گردید . با گذشت زمان و افزایش نیاز به حفاری های عمیق تر ، بویژه برای دسترسی به آب .

روش دیگری از حفاری دستس به نام روش کابلی متداول شد که در آن طول مته بیشتر بود و برای ضربه زدن از کابل فولادی (cable drill ) استفاده می شد . در این روش که امکان حفر چاهها تا 15 متر را فراهم آورد ، مته فولادی طویل تری به کابل فولادی متصل بود .به طور معمول ، سه یا چهار نفر با حرکت کابل به سمت بالا و فرود آوردن آن روی محل مورد نظر ، حفاری را انجام می دادند. با این روش امکان حفر چاه های عمیق تر با قطر بیشتر و در مدت زمان کمتر فراهم شد. به عنوان مثال با این روش در سنگ های آهکی نسبتا نرم حفر چاههایی با قطر 50 میلی متر (2 اینچ ) و عمق 7 متر (20 فوت ) توسط یک گروه حفار 3 نفره طی 3 ساعت عملی گردید با این روش فقط چاههای قائم حفر می گردیدند.

طی سالیان دراز ، تنها منبع تامین انرژی مورد نیاز در حفاری ، نیرو انسانی بوده است . به تدریج با استفاده از ماشین بخار ، الکتریسته ، و سوختهای گازی و مایع ، ساخت انواع ماشینهای حفاری مکانیکی نیز توسعه یافت ، به نحوی که امروزه ، امکان بیشتری برای افزایشی عمق و سرعت در عملیات حفاری وجود دارد . در اینجا به پاره ای ازتحولات درزمینه ی حفاری می پردازیم :

1-   بین سالهای 1820-1810 ،سیستم حفاری چرخشی ساخته شد که منبع انرژی آن بخار بود .

2-   بین سالهای 1840-1830 سیستم حفاری کابلی توسعه یافت که منبع انرژی آن ماشین بود.

3-   بین سالهای 1860-1850 دستگاه حفاری مجهزبه ا لماس ( روی مته های آن ) ساخته شد ، و دستگاه ضربه ای نیز که ضربه زن آن پیستون بود و منبع انرژی آن هوای فشرده بود در آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.

4-   بین سالهای 1880-1870 سیستم حفاری مغزه گیر ( core drilling ) مجهز به الماس ( روی مته آن ) در آمریکا توسعه یافت ؛ به نحوی که تاعمق 670 متر (2200 فوت ) را حفاری می کرد .شرکت ارائه دهنده این سیستم (Ingersoll ) نام داشت.

5-   بین سالهای 1890-1880 ، سیستم حفاری مغزه گیر الماسی (diamond drilling ) در آمریکا ارائه شد که امکان حفاری تا عمق 1750 متر (5734 فوت) را فراهم کرد.

6-   بین سالهای 1900-1890 ،سیستم های حفاری ضربه ای – چرخشی (percussive – rotary drilling ) در آمریکا ساخته شد که منبع انرژی آن ، هوای فشرده ، بخار و الکتریسته بود. در این فاصله سیستم حفاری چرخشی که منبع انرژی آن بخار بود ، جهت حفر چاه های نفت توسعه یافت .

7-   بین سالهای 1910-1900 ، مته هایی توسعه یافت که روی آن عامل برش دهنده ی مخروطی شکل (tri-con bit ) یا فرد کننده سنگ نسب شد.

8-   بین سالهای 1940-1920 ، مته های ساخته شده از جنس کربورتنگستن برای اولین در آلمان به کار رفت.

9-   بین سالهای 1966-1940 ،مته های ساخته شده از جنس کربور تنگستن در حفاری بسیار متداول و رایج گشت.

10-  بین سالهای 1975-1970 ، ماشین حفاری هیدرولیکی به صنعت حفاری معرفی گشت که در این ماشین برخلاف ماشینهای حفاری ضربه ای از فشار روغن به جای فشار هوا در حفاری استفاده شد.

11-  بین سالهای 1985-1970 ، تلاش کشورهای شوروی و آمریکا برای حفر چاه های عمیق با سیستم حفاری چرخشی به منظور دسترسی به نفت ،گاز به نتیجه رسید ،و در اکلاهمای آمریکا و سیبری شوروی با استفاده از این روش چاه هایی با عمق بیش از 10000 متر (30000 فوت ) حفر شد ، و متعاقب آنها آلمانیها چاهی با عمق حدود 13000 متر حفاری کردند.

آشنایی با مبانی اکتشاف نفت و گاز

در بخش بالا دستی نفت اولین مرحله برای دست یابی به نفت و بهره برداری از آن، اکتشاف مخازن نفتی است. ابتدا با توجه به مطالعات سطحی و صحرایی محیط، مجموعه ای از اطلاعات اولیه بدست می آید و اولویت های اکتشاف برای استفاده از روش های دیگر مشخص می شود؛ این روش ها شامل: 

۱ روش های سطحی

۲ ثقل سنجی و میدان های الکترومغناطیسی

۳ لرزه نگاری

۴ ژئوشیمی آلی

۵ چاه های اکتشافی

● روش های سطحی:

گاه مطالعه برخی از نشانه ها در سطح زمین می تواند راهنمای ما برای کشف مخازن احتمالی باشد. بخشی از لایه هایی که هزاران متر زیر زمین هستند، ممکن است در اثر عوامل مختلفی به سطح زمین رسیده باشد و ما آن بخش از لایه را که برونزد(outcrop) آن نامیده می شود، مشاهده کنیم.

می توان برخی مطالعات در مورد آن لایه را از طریق نمونه گیری از برونزد آن انجام داد. گاه نفت موجود در زیر زمین، در اثر عوامل مختلفی به طور طبیعی و بدون حفاری به سطح زمین راه می یابد وچشمه های نفتی (oil spring) ایجاد می کند. این نفت می تواند از سنگ مخزن به سطح زمین راه یافته باشد یا آن که در مسیر حرکت نفت از سنگ منشأ به سنگ مخزن و به دلیل نبود پوش سنگ به سطح زمین آمده باشد. در منطقه ی مسجد سلیمان ایران نمونه های متعددی از چشمه های نفتی وجود دارد. ابتدایی ترین کار در اکتشاف مخازن نفت این است که با مطالعه برونزدها (outcrops) و نشانه های سطحی، اطلاعاتی در مورد سازندهای نفت بدست آورد و یا با مطالعه ساختارهای زیرزمینی که آثار آن ها در روی زمین قابل مشاهده و بررسی است، تا حدودی به وجود تله های نفتی پی برد و همچنین اگر در سطح، چشمه های نفتی (oil spring) وجود داشت، با مطالعه آن ها به سنگ منشأ(source rock) آن پی برد و از این طریق مخازن احتمالی را شناسایی کرد.

● روش های ثقل سنجی و مغناطیسی سنجی:

این ۲ روش برای شناسایی مخازن نفتی ای که ساختارهای مشخص و معینی (مثل طاقدیس) در اعماق کم دارند به کار می روند. البته با روش مغناطیس سنجی تلوریک (telluric) می توان مخازن تا حدی عمیق را نیز شناسایی کرد. در روش ثقل سنجی اساس کار این گونه است که تغییر شتاب جاذبه ثقل در نقاط مختلف را می توان به تغییر ماهیت سنگ یا تغییر ساختار، مخصوصا ساختارهای طاقدیس نسبت داد.

توضیح این که شتاب جاذبه ی زمین در قسمت های مختلف زمین، با توجه به تغییر ساختار های زمین شناسی و همچنین تغییر ماهیت لایه های موجود در آن بخش از زمین، تغییر می کند. هر اندازه که لایه ها دارای چگالی بیشتری باشند، یا آن که لایه های چگال تر در فاصله ی کمتری از سطح زمین قرار داشته باشند، نیروی جاذبه ی بیشتری ایجاد می کنند؛ به دلیل آن که لایه هایی که در عمق بیشتری قرار دارند در طاقدیس ها فاصله های آن ها از سطح زمین کمتر می شود و تفاوتی را در شتاب ثقل نسبت به نقاط اطراف ایجاد می کند. این نشانه می تواند عامل شناسایی طاقدیس ها باشد.

اساس کار روش مغناطیس سنجی تلوریک براین است که میدان مغناطیسی طبیعی زمین را می سنجد، اما اگر سنگی وجود داشته باشد که خود میدان مغناطیسی اضافی ایجاد کند، با استفاده از دستگاه های مغناطیس سنج شناسایی می شود. از آ ن جایی که برخی از سنگ های رسوبی خود مغناطیسه هستند و میدان مغناطیس اضافی ایجاد می کنند، به کمک این دستگاه می توان ضخامت این لایه ها را تا حدودی مشخص کرد. باید توجه داشت که جنس سنگ مخزن و منشا از سنگ های رسوبی است.

● مطالعه لرزه نگاری: (seismic)

در روش لرزه نگاری امواج لرزه ای در اثر انفجار به صورت موج های مکانیکی در لایه های درون زمین منتشر می شوند؛ برای این که بازتاب این امواج از لایه های مختلف، دریافت شود، گیرنده هایی (Geophone) بر روی زمین تعبیه شده اند که بازگشت این امواج را ثبت می کنند. منابعی که برای ایجاد این لرزه ها بکار می رود می تواندچاله هایی که از مواد منفجره پر شده است، یا دستگاه vibrosize باشد؛ این دستگاه کامیونی است که یک صفحه در زیر خود دارد. به هنگام ایجاد لرزه این صفحه روی زمین قرار می گیرد و وزن کامیون بر روی صفحه می افتد و با لرزه هایی که این صفحه ایجاد می کند امواجی پدید می آید.

لرزه نگاری در ابعاد مختلف مانند :۲ بعدی (۲ Dimensional) یعنی شبکه برداشت را به گونه ای می چینیم که داده ها را تنها در مختصات صفحه ای برداشت کنیم وبا استفاده از دستگاه های پیشرفته تر و تحلیل های پیچیده تر راستای دیگری نیز به آن اضافه می شود که به آن روش ۳ بعدی (۳ Dimensional) گفته می شود و هر نقطه درون زمین با سه پارامتر مختصاتی قابل تشخیص است و حتی به روش ۴ بعدی ( ۴ Dimensional) که بعد زمان را نیز در داده ها مکانی لحاظ می کنند. اطلاعاتی که این روش در اختیار قرار می دهد بسیار دقیق تر است در واقع هر چه ابعاد لرزه نگاری افزوده شود تله های نفتی بیشتری با دقت بالاتری قابل شناسایی هستند به عنوان نمونه تله های غیر ساختمانی که در مقاله مبانی شناخت مخزن توضیح داده شدند را نمی توان با لرزه نگاری ۲ بعدی تشخیص داد و شناسایی آن ها حتما نیاز به روش ۳ و یا ۴ بعدی است. امروزه با توجه به افزایش روزافزون قیمت نفت و کاهش نفت تله های نفتی ساختاری ، توجه کشورها به اکتشاف این گونه تله های نفتی(غیر ساختمانی) هر روز بیشتر می شود.

اساس کار این گونه است که با توجه به این که سازندهای مختلف قابلیت های مختلفی برای عبور موج از درون خود دارند، سرعت امواج درون این لایه ها با هم متفاوت است؛ و به این وسیله می توان سطوح بین لایه ای را تشخیص داد البته به این شرط که این لایه ها دارای چگالی و سرعت متفاوتی باشند این تفاوت اساس شناسایی لایه ها و سازندهای مختلف است.

▪ تطبیق اطلاعات لرزه نگاری با اطلاعات عملیات چاه نگاری:

در روش لرزه نگاری، گیرنده ها بر روی سطح زمین قرار دارند، جابجایی آن ها به صورت افقی است؛ گستره ی اخذ اطلاعات به صورت افقی جابجا می شود و در نقاط مختلف در سطح افقی زمین، اطلاعات به دست آمده از لایه های مختلف زمین دریافت می شود. اما در روش چاه پیمایی که در مقاله ی جداگانه ای به آن خواهیم پرداخت دستگاه به درون چاه فرستاده می شود و جابجایی گیرنده ها در راستای عمودی انجام می شود. تطبیق اطلاعات این دو روش می تواند تا حدود زیادی، خطاها را برطرف کند.

● ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry)

امروزه از روش ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry) برای اکتشافات مخازن و سنگ منشا و تحلیل این سنگ ها استفاده می شود. در این زمینه ظرفیت بالایی برای توسعه ی فعالیت ها وجود دارد که در مقاله آشنایی با مبانی ژئوشیمی آلی نفت و گاز به تفصیل درباره ی آن سخن خواهیم گفت.

● چاه های اکتشافی:

هیچ یک از روش های گفته شده نمی تواند به طور قطعی وجود نفت را تأیید کند. در واقع روش های پیشین تنها می توانند به تشخیص سازند هایی که احتمال وجود نفت یا گاز در آن ها می رود کمک کنند. تنها راه حل برای شناسایی مخزن و اثبات وجود سیال در درون آن ها، حفر چاه های اکتشافی است. روش های پیش گفته اطلاعات اولیه را برای حفر اولین چاه در اختیار متخصصین اکتشاف قرار می دهند؛ این متخصصین برای دست یابی به دقت بیشتر در اطلاعات خود باید چاه های اکتشافی را در مخزن حفر کنند.

اطلاعات حاصل از چاه های اکتشافی به متخصصین اکتشاف کمک می کند که سازند مخزن نفتی و سازندهای بالای آن را به خوبی شناسایی کنند و خطاهای خود را در روش های قبل اصلاح کنند.

از یک چاه اکتشافی، اطلاعات زیر به دست می آید:

۱.۴) ترتیب قرار گرفتن سازند های مختلف در عمق زمین

۲.۴) عمق واقعی مخزن در زیر زمین

۳.۴) ضخامت مخزن

۴.۴) خصوصیات سنگ و سیال های درون مخزن(گاز، نفت و آب) که با نمونه برداری از سنگ و سیال و انجام آزمایش های مربوطه مطالعه می شود.

۵.۴) مرز لایه ها ی زمین شناختی، جنس و شیب هر لایه، برخی از ویژگی های سنگ مخزن از جمله میزان تخلخل و درجه ی اشباع آن از سیال های مختلف و دمای مخزن با انجام عملیات چاه پیمایی(Well Logging)شناسایی می شود.

به اولین چاهی که در مخزن حفر می شود (wild cat) گویند کنایه از این که این چاه بسیار خطرناک و ناشناخته است؛ چرا که قبل از حفر چاه امکان پیش بینی رفتار مخزن وجود ندارد. مخزن برای ما ماهیتی ناشناخته دارد. در واقع مخزن نفت همچون موجود زنده ای است که تا با آن روبرو نشویم نمی توانیم رفتار آن را در برابر عوامل مختلف پیش بینی کنیم. بنابراین در چاه های اکتشافی باید با رعایت سطح ایمنی بالایی، حفاری انجام شود تا خطرات ناشی از رفتار های ناشناخته ی مخزن، از جمله آتش سوزی و فوران ناگهانی چاه که ممکن است با قدرت زیادی منجر به پرتاب دکل و تأسیسات سرچاه شود، به حداقل برسد.

● تطبیق کلیه ی اطلاعات اکتشافی و مدل سازی مخزن

پس از دست یابی به اطلاعات کافی به دنبال حفر اولین چاه در درون مخزن، مجموعه ی اطلاعات به دست آمده در روش های مختلف اکتشافی، به وسیله ی متخصصین مطالعات مخزن مورد بررسی قرار گرفته و یک مدل از مخزن طراحی می شود. با استفاده از این مدل برنامه ی توسعه آن و بهترین نقاط برای حفر چاه های جدید به منظور بهره برداری از مخزن تعیین می شود و می توان چاه هایی را که برای توسعه و برداشت از مخزن استفاده می شوند، حفر کرد. چاه ها باید در نقاطی حفر شوند که بهترین بهره برداری از مخزن حاصل شود. شناسایی محل مناسب برای انجام حفاری های بعدی نیز نیاز به مطالعات دقیق مخزن و روش های آماری دقیق دارد که در فرایند مدل سازی مخزن مورد پردازش قرار می گیرند