เครื่องมือสำรวจธรณีฟิสิกส์ชนิดวัดความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity imaging)

รายละเอียด

วันนี้จะมานำเสนอ “เครื่องมือสำรวจธรณีฟิสิกส์ชนิดวัดความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity imaging)” ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องมือสำรวจที่ใช้ในปฏิบัติการช่วยเหลือ ทีมหมูป่าอะคาเดมี่ ติดถ้ำหลวงขุนน้ำนางนอน เมื่อ กรกฎาคม พ.ศ.2561

ธรณีฟิสิกส์เป็นการศึกษาส่วนต่าง ๆ ของโลก ทั้งส่วนที่เป็นเปลือกโลก (Crust) ซึ่งประขึ้นจากชั้นดินและชั้นหิน แมนเทิล (Mantle) แกนกลางของโลก (Core) โดยอาศัยหลักการที่ว่าวัตถุต่างชนิดกันย่อมมีคุณสมบัติทางกายภาพ (Physical properties) ที่ต่างกัน โดยอาศัยการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์จะทำการวัดลักษณะความแตกต่างกันทางคุณสมบัติทางกายภาพของสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่ใต้ผิวดินด้วยเครื่องมือที่มีการออกแบบมาเพื่อให้สามารถตรวจวัดความแตกต่างทางกายภาพเฉพาะตัวของวัตถุต่าง ๆ ได้ โดยการสำรวจธรณีฟิสิกส์จะทำการตรวจวัดที่ผิวดินและแปลความหมายไปที่ระดับความลึกต่าง ๆ ใต้ผิวดิน

เป้าหมาย ในการสำรวจธรณีฟิสิกส์ ประกอบด้วย

• • โครงสร้างทางธรณีวิทยา (Geological structures)
• • สินแร่ (Ore)
• • ธรณีวิทยาของฐานราก (Geology of Foundation)

โดยการสำรวจด้วยวิธีการทางธรณีฟิสิกส์จะไม่ได้มีการสัมผัสกับสิ่งที่ทำการสำรวจโดยตรงแต่อาศัยคุณสมบัติทางกายภาพของวัตถุตัวกลางมาเป็นตัวบอก

การสำรวจธรณีฟิสิกส์ชนิดวัดความต้านทานไฟฟ้า หรือที่นิยมเรียกกันว่า การสำรวจวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะที่เกิดจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าลงไปใต้ผิวดินด้วยตัวกำเนิดกระแสไฟฟ้าตรง (Direct current, DC) โดยค่าการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์และทางเดินกระแสไฟฟ้า จะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของดินหรือหินซึ่งมีส่วนประกอบด้วยแร่องค์ประกอบในเนื้อดิน-หิน ของเหลวในรูพรุนหรือองค์ประกอบอื่น ๆ

โดยปล่อยกระแสไฟฟ้าลงสู่ดินวัสดุใต้ผิวดินจะทำหน้าที่เป็นตัวนำที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทำให้สามารถวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากผลของกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ เมื่อทราบค่ากระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า จะสามารถประเมินค่าความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุ (Electrical Resistance) ได้ตามกฎของโอห์ม

เครื่องมือการสำรวจ

รูปตัวอย่าง เครื่องมือวัดค่าของสภาพความต้านทานไฟฟ้าในสนามและอุปกรณ์ของการสำรวจวัดค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า ในสนาม

วิธีการสำรวจ

การสำรวจวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะในปัจจุบันมีรูปแบบการสำรวจดังนี้

1.การสำรวจแบบ 1 มิติ เป็นการสำรวจแบบหยั่งลึก (sounding) เพื่อให้ได้สภาพใต้ผิวดินในแนวดิ่ง

2.การสำรวจแบบ 2 มิติ เป็นการสำรวจการสร้างภาพตัดขวางใต้ผิวดิน (profiling) ในรูปแนวดิ่งและแนวนอน

3.การสำรวจแบบ 3 มิติ เป็นการสำรวจแบบสร้างสภาพใต้ผิวดินเสมือนเป็นจำลองโครงสร้างที่มีขนาด กว้าง ยาว ลึก

ในการเลือกรูปแบบการสำรวจ ควรจะพิจารณาจากสภาพธรณีวิทยาใต้ผิวดินที่คาดว่าจะมีสภาพความต่อเนื่องอย่างไรเป็นหลัก หากมีลักษณะความไม่ต่อเนื่อง มีรูปร่างของความผิดปกติ (Anomaly) เช่น มีลักษณะของโพรงอากาศใต้ผิวดิน มีสภาพการคดโค้งของสภาพชั้นหินใต้ผิวดิน ควรทำการสำรวจแบบ 3 มิติ เป็นต้น

โดยทั่วไปแล้วรูปแบบการสำรวจในปัจจุบันแบบ 1 มิติ และแบบ 2 มิติ เป็นที่นิยมทำการสำรวจ ข้อดีคือการสำรวจแบบ 1 มิติ ทำได้รวดเร็วกว่าการสำรวจแบบ 2 มิติ แต่สำหรับการแปลความหมายแล้ว การสำรวจแบบ 2มิติ แปลความหมายได้ง่ายกว่าสำรวจแบบ 1 มิติ ค่อนข้างมาก เพราะมีการเก็บข้อมูลที่ทำให้ได้เป็นภาพตัดขวาง สามารถเห็นค่าความผิดปกติที่ชัดเจนและต่อเนื่อง กว่าการสำรวจแบบ 1 มิติ ที่เป็นการสำรวจแบบหยั่งลึกให้ข้อมูลการสำรวจเพียงตำแหน่งเดียว

รูปแบบการจัดวางขั้วอิเล็กโตรด (Electrode Array)

ในการสำรวจไม่ว่าจะทำการสำรวจแบบ 1 มิติ 2 มิติ หรือ 3 มิติ สิ่งที่ต้องพิจารณา คือ รูปแบบการจัดวางขั้วอิเล็กโตรด ซึ่งแต่ละรูปแบบมีข้อเด่นข้อด้อยแตกต่างกันไป

1.Dipole-Dipole array สามารถตรวจวัดสภาพการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาใต้ผิวดินในแนวราบได้ดี นั่นคือเหมาะสำหรับในการหาโครงสร้างทางธรณีวิทยาแนวดิ่ง เช่น โพรง ผนังของหินอัคนี รอยเลื่อน หรือ แหล่งสะสมตัวของแร่ ไม่เหมาะในการหาชั้นหินวางตัวในแนวราบ

2.Schlumberger Array สามารถตรวจวัดสภาพการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาใต้ผิวดินในแนวดิ่งและแนวนอนได้ปานกลาง เหมาะสำหรับสภาพธรณีวิทยาที่มีโครงสร้างการเปลี่ยนแปลงทั้งในแนวดิ่งและแนวนอน

3.Wenner Array สามารถตรวจวัดสภาพการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาใต้ดินในแนวดิ่งได้ดี นั่นคือเหมาะสำหรับในการหาชั้นหินวางตัวแนวนอน ไม่เหมาะในการตรวจหาโครงสร้างทางธรณีวิทยาในแนวดิ่ง เช่น โพรง ผนัง(dike) หรือแหล่งสะสมตัวของแร่ (ore body)

แล้วงานสำรวจนี้สำคัญต่อปฏิบัติการช่วยเหลือ ทีมหมูป่าอะคาเดมี่ อย่างไร?

1. การหาบริเวณที่มีความต้านทานต่ำ (เส้นทางน้ำใต้ดิน) เพื่อขุดเจาะบ่อบาดาลช่วยสูบน้ำออก น้ำภายในถ้ำส่วนหนึ่งจะไหลผ่านชั้นใต้ดินไปยังบ่อบาดาล แล้วโดนสูบออก (ส่วนหนึ่งจะโดนสูบออกทางปากถ้ำปกติ)

2. การหาบริเวรที่มีความต้านทานสูง (ถ้ำหรือโพรงอากาศ ที่น้ำจะไหลเพิ่มลงไปในถ้ำ) เพื่อเบี่ยงเส้นทางน้ำ และเพื่อหาตำแหน่งขุดเจาะเข้าไปในถ้ำ

การประยุกต์การสำรวจ

• • หาชั้นดิน-หินและความหนาใต้ผิวดิน
• • หาชั้นน้ำบาดาล, หาขอบเขตรอยต่อของชั้นน้ำบาดาลจืด-น้ำบาดาลเค็ม
• • หาขอบเขตการปนเปื้อนของสารจำพวกโลหะใต้ผิวดิน หาโพรง รอยแตก หรือรอยเลื่อนใต้ผิวดิน
• • หาหินฐาน(bed rock) สำหรับงานฐานราก (foundation) ตรวจสอบก่อนการปรับปรุงฐานรากและหลังการปรับปรุงฐานราก
• • ตรวจหาการรั่วซึมของฐานรากเขื่อน เป็นต้น
• • สำรวจความเสียหายของโครงสร้างทาง, ประเมินความแข็งแรงของโครงสร้างทาง หรือประเมินเสถียรภาพของลาดดิน (slope stability) เป็นต้น

ข้อจำกัดของการสำรวจและสิ่งรบกวน

• • การสำรวจเป็นการปล่อยกระแสไฟฟ้าลงสู่พื้นดิน หากกระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลลงสู่พื้นดินได้ จะไม่สามารถทำการสำรวจได้
• • การที่มีตัวนำไฟฟ้าอยู่ใกล้ ๆ พื้นที่สำรวจ เช่น มีท่อน้ำเป็นโลหะหรือลวด กระแสไฟฟ้าจะไหลไปในตัวนำมากกว่าที่จะไหลไปตัวกลางที่มีสภาพความนำไฟฟ้าน้อยกว่า
• • ค่าของสภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำที่ผิวดิน อาจเป็นตัวที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไม่ไหลลงไปในระดับลึก เช่น มีชั้นดินเหนียวหรือชั้นน้ำที่เป็นกระเปราะอาจเป็นตัวกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลลงไปลึกได้

รูปตัวอย่าง การประยุกต์สำรวจวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าแบบ 2 มิติ เพื่อหาโพรงใต้ผิวดิน (ก)วัดหาตำแหน่งของท่อระบาย เพื่อตรวจหาความแม่นยำของการแปลความหมายหาโพรงใต้ผิวดิน (ข)วัดหาโพรงใต้ผิวดินบริเวณพื้นที่ที่มีหลุมยุบปรากฏที่ผิวดิน

รูปตัวอย่าง การสำรวจเพื่อหาขอบเขตของชั้นขยะด้วยวิธีการวัดความต้านทานไฟฟ้าแบบ 2 มิติ เพื่อใช้เป็นข้อมูลประกอบการออกแบบฐานรากเสาเข็มของอาคารสูงที่จะก่อสร้างบนพื้นที่ที่เคยเป็นแหล่งฝังกลบขยะเก่า

รูปตัวอย่าง การประยุกต์ใช้ค่าความต้านทานไฟฟ้าในดินเพื่อใช้สำรวจความเสียหายของโครงสร้างทาง กรณีศึกษาของการวางท่อก๊าซเลียบถนนสาย นย.2011 : สำนักวิเคราะห์ วิจัยและพัฒนา กรมทางหลวงชนบท

รูปตัวอย่าง การประยุกต์ใช้ค่าความต้านทานไฟฟ้าในดินเพื่อใช้ประเมินความแข็งแรงของโครงสร้างทาง : สำนักวิเคราะห์ วิจัยและพัฒนา กรมทางหลวงชนบท

รูปตัวอย่าง การประยุกต์ใช้ค่าความต้านไฟฟ้าในดินเพื่อประเมินเสถียรภาพของลาดดิน (slope stability) : สำนักวิเคราะห์ วิจัยและพัฒนา กรมทางหลวงชนบท

บทความอ้างอิง [1] สมาคมฟิสิกส์ไทย Thai Physics Society. (2561, 18 กรกฎาคม). DC Resistivity Methods [Facebook]. Retrieved from https://www.facebook.com/thaiphysoc/posts/1773134076095922/

บทความอ้างอิง [2] การสำรวจวัดสภาพต้านไฟฟ้า. (ม.ป.ป.). [ออนไลน์]. ได้จาก https://home.kku.ac.th/peangta/ch4-resistivity-full-final.pdf. [สืบค้นเมื่อ 16 ธันวาคม 2562]