proton Manyetik Rezonans Sounding MRS Yntemi Prof Dr

proton “Manyetik Rezonans Sounding” (MRS) Yöntemi Prof. Dr. M. Emin Candansayar JFM 409 Elektromanyetik Yöntemler Ders Notu • Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Beşevler 06100 Ankara • (Ocak 2019) 1

Giriş • Yüzey Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) yöntemi, kayaçların • su içeriğini, • doygunluğunu, • boşluk büyüklüğü dağılımını ve • kayaç geçirgenliğini (permeabilitesini) doğrudan veren bir yöntemdir. • Yöntem, su moleküllerinin dış manyetik alan ile etkileşimine dayanmaktadır. 2

Giriş ►NMR yönteminin yer içinde bulunan sıvıların aranmasında kullanılabileceğini öneren ilk kişi Varian (1962) adli bir Rus bilim adamadir. ►Proton Manyetik Rezonans (PMR) yöntemi NMR yönteminin özel halidir ve sadece çekirdekte bulunan protonlar incelenir. ►Proton Manyetik Rezonans Sondaj (MRS) yöntemi ise 1980 li yıllarda Rusya’ da geliştirilmiştir (Semenov, 1987; Semenov et al. , 1987, 1988). ►Doğrudan kayaçlar içindeki çözeltilere duyarlı bir yöntem olmasından dolayı NMR yöntemi yeraltı suyu ve petrol aramacılığında yaygın şekilde kullanılmaktadır. ►Su, gaz, petrol zonlarının birbirinden ayırt edilmesinde kullanılmaktadır (Straley vd. 1995; Coates vd. 1999) 3

Yöntemin Kuramı: Atomik yapı • Basit atomik yapı aşağıda verilmiştir. Atom çekirdeği (nucleus) “+” yüklü Proton ve yüksüz nötronlardan oluşur. Çekirdek etrafında dolaşan elektron “– “ yüklüdür. • Dışardan uygulanan enerji, elektronun döndüğü yörüngeyi değiştirir. • Çekirdek merkezde bulunur ve Larmor frekansı denen frekansda EM enerjiyi çeker veya yayar. 4

Yöntemin Kuramı: Atomik yapı 5

Yöntemin Kuramı: Atomik yapı • Atomdaki proton sayısı atomik numarayı belirler. Elektronun döndüğü yörünge enerji ile ilintilidir. • Dışarıdan uygulanacak bir EM enerji elektronun döndüğü yörüngeyi etkiler ve değiştirir. Bu işlem dışarıdan enerji alma (absortion) olarak tanımlanır. • Proton’ lar alçak enerji seviyesinde ise, foton’ları içine çeker ve bir üst enerji seviyesine çıkar (Veya tam tersi) • Enerji söz konusu olduğundan her atom yapısı bir kutup (pole) gibi düşünülebilir (Şekil 2) • Normal şartlarda su içindeki kutuplar rastgele dağılmışlardır. 6

MRS Ölçüsü ve Ölçülen Büyüklükler • NMR manyetik momenti olan çekirdekte gözlemlenen bir olgudur (Slichter 1990). İlk olarak Bloch ve Purcell (1946) çekirdekteki bu olayı açıklamıştır. • Çekirdek genelde çevresi ile dengededir. Larmor frekansı olarak adlandırılan özel bir frekansta EM enerjiyi toplayabilir ve yayabilirler. Larmor frekansi aşağıdaki gibi verilir: ►Ho durağan (static) manyetik alanın genliğidir. ►γ gyromanyetic orandır. ►Her bir çekirdek tipi için özgün bir γ değeri olduğundan Larmor frekasıda çekirdeğin fiziksel bir parametresi olarak alınabilir. ►Larmor frekansına bağlı olarak hangi çekirdeğin inceleneceğine karar verilebilir. ►Örneğin , su molekülleri içindeki protonlar için γ = 2 pi x 4. 254597 x 10 -2 = 0. 2675 radians / second / nano-Tesla (rad/s/n. T). 7

MRS Ölçüsü ve Ölçülen Büyüklükler • H 0, durağan manyetik alanı ve M ise Çekirdeğin manyetik momenti olsun. Bu durumda MRS ölçüm çalışması üç evreye indirgenerek basitleştirilebilir (Sekil 3). 1. evre: doğal denge durumudur. Manyetik momentler durağan manyetik alan Ho a göre dizilmişlerdir. Bunlar Larmor frekansındaki EM enerjiyi toplayabilirler. 2. evrede dışarıdan bir manyetik alan uygulandığından manyetik momentler denge konumlarından saparlar. 3. evrede dışarıdan uygulanan EM alan kesildiğinden tekrar denge durumlarına dönerler ve Larmor frekansında EM enerji yayarlar. Yayınan enerji ölçülebilir ve incelenebilir. 8

MRS Ölçüsü ve Ölçülen Büyüklükler ►Manyetik rezonans tepkisi araştırılan oylum (volume) ve durağan manyetik alanın karesiyle Eo ~Ho 2 orantılıdır. ►Bu nedenle manyetik alan değeri veya araştırılan oylum arttırılarak im/gürültü arttırılabilir. ►MRS aygıtları araştırma yapabildikleri oylumlara göre sınıflandırılırlar (Sekil 4). • Sekil 4. MRS ölçüm düzeneği (Legchenko et al 2002) 9

Ölçüm ve Ölçülen Büyüklükler ►Ölçülen oylumlar birkaç mm 3 ten ( tıbbi uygulamalar) binlerce m 3 (petrol aramaları) kadar değişebilir. ►Veri toplamada kullanılan halka kare veya daire şekilli olabilir ve yeryüzüne yerleştirilir. Verici halka, alici proton manyetometresinden daha geniştir. ►Örneğin; su tabakası incelenecek yapıyı tanımlasın. Doğal yer manyetik alanı statik manyetik alan için kullanılır. Bu durumda protonlar için Larmor frekansı 800 -2800 Hz civarında olacaktır. ►İlk 100 - 200 m göz önüne alındığında, sadece su içindeki protonlar bu frekansta manyetik rezonans imi yayarlar. Sonuç olarak MRS doğrudan su varlığını araştıran bir yöntem olarak tanımlanabilir. 10

MRS Ölçüsü ve Ölçülen Büyüklükler ►Veri toplama aşamasında Larmor frekansında bir akım halkadan geçirilir. Bu durumda manyetik rezonans tepkisi aşağıdaki gibi verilir: ► Bağıntıda Eo EM alanın başlangıç genliği, T 2* durgunlaşma (relaxation) zamanı ve fo faz farkıdır. ► Ölçümden önce çevresel EM gürültü 200 -300 ms süresince kayıt edilir ve sonra anlık bir akım (pulse) uygulanır. Akım kesildikten sonra belli bir gecikme süresince (“dead time”) beklenir ve kayıt alınır. ► Kayıt öncesi ve sonrası imler karsılaştırılarak Manyetik rezonans tepkisinin ölçülüp ölçülmediğine bakılır. ► Im/gürültü oranını artırmak için yığma (stacking) işlemi yapılır. 11

Ölçüm ve Ölçülen Büyüklükler ►Ölçüm işleminde, belli bir gecikme zamanında sonra, Manyetik rezonans iminin (Eşitlik 1) üç parametresi ölçülür. ►Gecikme zamanı tgecikme ►genlik Eod ►durgunlaşma (relaxsation) zamanı T 2* 12

Ölçüm ve Ölçülen Büyüklükler ►İmin başlangıç genliği Eo proton sayısıyla ilgilidir ve su niteliğini verir. Uç değer bulma yöntemi ile tgecikme, Eod ve T 2* kullanılarak manyetik rezonsans tepkisi (E 0)aşağıdaki gibi elde edilir. ► Başlangıç genliği Eod kaynak olarak kullanılan anlık im parametresine (anlık im momenti) bağlıdır. Burada Io anlık imin genliği, t ise süresidir. Ölçüm q değişirken Eo, T 2* ve phio (faz) değişimlerinin ölçülmesinden ibarettir. ► Phio yeriçi iletkenliği ile orantılıdır. ► Şekil 5. ölçümde kullanılan parametreler Eo imin ilk genliği (n. V) % su içeriği ile orantılıdır, T 2* azalım eğrisi zaman sabiti (ms) ortalama gözeneklilik boyutu ile orantılıdır. Iot uygulanan anlık imin momenti (A. ms) araştırma derinliği ile ilgilidir (NUMIS el kitabı) 13

Araştırma Derinliği • Yöntem çeşitli doğal etkilere duyarlıdır bu nedenle ölçümün başarısı ölçüm noktasının koşullarına doğrudan bağlıdır. • Manyetik rezonans imi içindeki en önemli değişimler doğal yer manyetik alanı ve yer özdirenç yapısına bağlıdır (Shushakov 1996, Legchenko et al. 1997 b). • Yere uygulanan EM alanın sönümlemesi deri kalınlığı (skin depth) ile tanımlanmıştır. • Larmor frekansı ise yer manyetik alanının büyüklüğü ile orantılıdır, fo ~ Ho. • Ancak MR tepkisi yer manyetik alanının karesi ile orantılıdır, Eo ~ Ho 2. Dolayısıyla, ekvatordan kutuplara gidildikçe, S/G oranı daha yüksek olacaktır. 14

Araştırma Derinliği • Şekil 6 da verilen eğriler, tekdüze, yön bağımsız yari uzayda bulunan, 1 m kalınlığında ve %100 su ile dolu katmanın T* =100 ms için algılanmasını tanımlamaktadır. • Hesaplamalar 100 x 100 halka için yapılmıştır. Gürültü eşik değeri 10 n. V ve en büyük anlık im (pulse) 12000 A -ms olarak alınmıştır. • Yer manyetik alanının büyüklüğü ve inklinasyon açısı en önemli etkenler olduğu eğrilerin davranışından görülmektedir. • Ortamın özdirenci ise yaklaşık olarak 50 ohm -m altındaki değerlerde etkili olmaktadır. Şekil 6. Homojen ortam içinde 1 m kalınlığında serbest su barındıran tabakanın (w=%100) en büyük araştırma derinliği (yer-manyetik alanı ve inklinasyon açısına göre araştırma derinliği ve özdirenç arası ilişki (Legchenko et al 2002). 15

Su İçeriği ►Bir tabakanın su içeriği aşağıdaki oran ile verilir: ►wi =Eoi-ölçülen/Eoi-kuramsal ►Burada Eoi-ölçülen MR imini, Eoi-kuramsal değeri verir. Her iki değer içinde su içeren katmanın zi derinliğinde, ti kalığında sonsuz uzunlukta ve yatay bir katman olduğu varsayılır. ►Kuramsal hesaplamada su doygunluğu %100 alınır. Bu tanım durağanlaşma (relaxation) süresini göz önüne almamaktadır. 16

Su İçeriği 17

Düşey Ayrımlılık 18

Kullanım Alanları ►Yöntem yeraltında bulunan sıvıların aranmasına yöneliktir. ►Yeraltı suyunun doğrudan aranmasında, ►Petrol kuyularında gözenekliliğin ve kuyu içinde buluna sıvı cinsinin belirlenmesinde ►Çevre sorunlarında sıvı sızıntılarının belirlenmesinde kullanılmaktadır ►Ayrıca tıbbi araştırmalarda da yaygın bir kullanım alanı vardır. 19

Yöntemin Üstünlük ve Zayıflıkları ►Üstünlükleri • Sıvıyı doğrudan belirler, • Jeolojik yapılardan etkilenmez, • Sıvı miktarını verir derinlik bilgisi vardır, • Geçirgenlik hakkında bilgi edinilebilir. ►Zayıflıkları • Araştırma derinliği sınırlıdır, • EM gürültüden etkilenir, • Manyetik özelliği olan kayaçlara duyarlıdır, • Ölçüm aygıtları çok ağırdır. 20

21

22

23

24

25

26