เครื่องมือสำรวจธรณีฟิสิกส์ชนิดวัดคลื่นไหวสะเทือน (Seismic surveying equipment)

รายละเอียด

การสำรวจใต้ผิวดินจะง่ายขึ้นถ้ารู้จัก “เครื่องมือสำรวจธรณีฟิสิกส์ชนิดวัดคลื่นไหวสะเทือน (Seismic surveying equipment)” ปัจจุบันกิจกรรมหลายอย่างของมนุษย์พยายามที่จะเข้าใจถึงโครงสร้างภายใต้ผิวดินเพื่อประโยชน์ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการสำรวจโครงสร้างชั้นดิน-หินเพื่อการก่อสร้างทางวิศวกรรม การค้นหาทรัพยากรธรรมชาติ แหล่งแร่ การศึกษาเสถียรภาพของชั้นดินเพื่อป้องกันภัยพิบัติ เป็นต้น ซึ่งมนุษย์ก็ได้คิดค้นเครื่องมือและวิธีการต่าง ๆ ขึ้นมาหลายอย่างเพื่อให้สามารถทราบถึงสภาพใต้ผิวดินได้ ไม่ว่าจะเป็นการขุด-เจาะสำรวจ การสำรวจโดยใช้คลื่นแม่เหล็ก การสำรวจโดยใช้กระแสไฟฟ้า และอื่น ๆ โดยในแต่ละวิธีก็จะมีประสิทธิภาพ ขีดความสามารถ ข้อจำกัด และค่าใช้จ่ายดำเนินการที่แตกต่างกัน ซึ่งหนึ่งในวิธีการสำรวจที่มีประสิทธิภาพ มีความน่าเชื่อถือเป็นที่ยอมรับ มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินการที่ถูก และเป็นที่นิยมในปัจจุบัน นั้นคือการสำรวจวัดคลื่นไหวสะเทือน

การสำรวจวัดคลื่นไหวสะเทือน (Seismic Explorations) เป็นหนึ่งในวิธีการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ ศึกษาเกี่ยวกับความเร็วคลื่นไหวสะเทือนที่เดินทางผ่านวัสดุใต้ผิวดิน เพื่อสำรวจหรือตรวจสอบคุณสมบัติทางกายภาพ และลักษณะโครงสร้างทางธรณีวิทยาภายใต้พื้นผิวโลก โดยการทำให้เกิดสัญญาณคลื่นไหวสะเทือนขึ้น แล้ววัดระยะเวลาที่คลื่นเดินทางจากจุดกำเนิดถึงตัวรับคลื่นสัญญาณ (Geophone) ความเร็วคลื่นจะแปรผันตรงกับความหนาแน่น และชนิดของชั้นดิน-หินนั้น ในชั้นที่มีความหนาแน่นต่ำ มีความพรุน และมีของเหลวแทรกอยู่ คลื่นจะเดินทางผ่านได้ช้ากว่าการเดินทางในชั้นที่มีเนื้อแน่น คุณลักษณะของคลื่นดังกล่าวทำให้สามารถวิเคราะห์ถึงลักษณะโครงสร้าง และสภาพทางธรณีวิทยาใต้ผิวดินได้

การประยุกต์ใช้การสำรวจคลื่นไหวสะเทือน

1. การสำรวจทางด้านวิศวกรรม

• • งานด้านฐานราก (foundation works) เช่น การศึกษาความอยากง่ายในการขุดหิน (Rippability), การศึกษาความแข็งแรงของหิน การทดสอบหาค่าคงตัวยืดหยุ่น (Elastic constants) และหาความลึกของชั้นหินฐาน เป็นต้น
• • ศึกษาโครงสร้างชั้นดิน-หิน เพื่อวางแผนขุดเจาะอุโมงค์ (Tunneling planning)
• • การตรวจหาโพรงหรือถ้ำในชั้นดิน-หิน (cave detection)
• • การหาสถานที่ที่เหมาะสมในการสร้างเขื่อน หรืออ่างเก็บน้ำ หรือ วัสดุก่อสร้าง เป็นต้น

2. การสำรวจทางด้านธรณีวิทยา

• • งานสำรวจโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่อยู่ใต้ผิวดิน (Subsurface Geological structures) เช่น รอยเลื่อน (Faults) โครงสร้างโค้งงอ (Folds) รอยแตกของหิน (Rock fractures) การลำดับชั้นหิน (Stratigraphic correlation) เป็นต้น
• • การสำรวจทรัพยากรสินแร่ (Ore) เช่น ปิโตรเลียม ถ่านหิน ทองคำ เงิน ทองแดง ยูเรเนียม พลอย เป็นต้น
• • ประเมินเสถียรภาพของชั้นดินเพื่อป้องกันการเกิดภัยพิบัติ

ชนิดของการสำรวจคลื่นไหวสะเทือน (Type of Seismic Methods)

การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนในปัจจุบันถูกนำไปประยุกต์ใช้หลากหลายแบบ ไม่ว่าจะเป็นการสำรวจบนผิวดิน การสำรวจทางทะเล การสำรวจในหลุมเจาะ และเทคนิคอื่น ๆ อีกมากซึ่งในแต่ละวิธีก็จะมีความเหมาะสมต่อสภาพแวดล้อม ประสิทธิภาพการสำรวจ เป้าหมายของข้อมูลการสำรวจที่แตกต่างกัน แต่ในบทความนี้จะขอกล่าวถึงชนิดของการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนตามชนิดคลื่นที่ใช้ในการวิเคราะห์ผล ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 3 ชนิดดังนี้

• • การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนแบบหักเห (Refraction Seismic survey)
• • การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนแบบสะท้อน (Reflection Seismic Survey)
• • การสำรวจหาความเร็วคลื่นเฉือนด้วยการวิเคราะห์คลื่นผิวดิน (Shear-wave velocity determination by MASW technique)

การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนแต่ละชนิดมีความแตกต่างกัน ทั้งในเรื่องของหลักการ การเก็บข้อมูล การประมวลผลข้อมูล การแสดงผล และตีความหมายข้อมูล ซึ่งผู้ที่ทำการสำรวจจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจถึงหลักการทฤษฎีพื้นฐานที่เกี่ยวข้องในการดำเนินการสำรวจ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องชนิดคลื่น คุณสมบัติต่าง ๆ ของคลื่น ปัจจัยที่มีผลต่อความเร็วของคลื่น การลดทอนพลังงานของคลื่น และอุปกรณ์เครื่องมือ เป็นต้น พื้นฐานเหล่านี้มีความจำเป็นที่ผู้ทำการสำรวจจะต้องเข้าใจเพื่อที่จะสามารถดำเนินการสำรวจได้อย่างถูกต้อง และตีความหมายของผลข้อมูลได้ตรงตามสภาพความเป็นจริงของธรณีวิทยาใต้ผิวดิน

เครื่องมืออุปกรณ์การสำรวจ ประกอบด้วย

• 1.เครื่องแปลงสัญญาณคลื่น (Seismograph)
• 2.คอมพิวเตอร์ (Computer)
• 3.เครื่องกำเนิดคลื่นสัญญาณ (Energy source)
• 4.แบตเตอรี่ (Battery)
• 5.สายไฟรับส่งสัญญาณ (Seismic Cable)
• 6.ชุดเปิด-ปิดวงจรเก็บข้อมูลสำรวจ (trigger)

ขั้นตอนการสำรวจคลื่นไหวสะเทือน

ในหลายละเอียดของขั้นตอนการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนแต่ละวิธีจะมีความแตกต่างกันพอสมควร แต่เพื่อความเข้าใจได้ง่ายในภาพรวมของวิธีการจะแบ่งการสำรวจคลื่นไหวสะเทือน จะแบ่งขั้นตอนการสำรวจออกเป็น 3 ขั้นหลัก ๆ ดังนี้

• 1. การเก็บข้อมูลในสนาม
• 2. การประมวลผลข้อมูล
• 3. การตีความข้อมูล

การเก็บข้อมูลในสนาม

การเก็บข้อมูลเริ่มจากการวางตัวรับสัญญาณหลาย ๆ ตัวลงบนพื้นดินเป็นแนวเส้นตรงที่ระยะห่างเท่าๆ กัน แล้วเชื่อมต่อเข้ากับสายไฟรับ-ส่งสัญญาณที่ต่อเข้ากับเครื่องแปลงสัญญาณคลื่น หลังจากนั้นจะทำการให้กำเนิดคลื่นผิวดินในระยะห่างจากตัวรับสัญญาณในแนวเส้นตรง ตามระยะที่มีการกำหนดไว้ในแต่ละวิธีการสำรวจ ในแต่ละวิธีจะกำหนดและวิธีการให้กำเนิดคลื่นที่ไม่เหมือนกัน หลังจากให้กำเนิดคลื่นไหวสะเทือน คลื่นจะเดินทางไปยังตัวรับสัญญาณที่ติดตั้งไว้บนผิวดิน แล้วส่งข้อมูลที่ตรวจจับไว้ได้ไปยังเครื่องแปลงสัญญาณคลื่นเพื่อทำการบันทึกข้อมูล ซึ่งข้อมูลที่ได้จะเป็นลักษณะแถบสัญญาณแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับเวลา

การประมวลผลข้อมูล

เป็นขั้นตอนการเปลี่ยนข้อมูลดิบให้อยู่ในรูปที่นักธรณีฟิสิกส์ หรือผู้ทำการสำรวจสามารถนำไปแปลความหมายเพื่อหาโครงสร้าง หรือลักษณะทางธรณีวิทยา หรืออีกนัยหนึ่งก็คือการเปลี่ยนแปลงข้อมูลดิบ ให้อยู่ใน รูปภาพตัดขวางไหวสะเทือน (Seismic section) นั้นเอง กระบวนการต่าง ๆ ของขั้นตอนนี้ค่อนข้างจะยุ่งยากสลับซับซ้อน บางอย่างต้องใช้คณิตศาสตร์ชั้นสูง และใช้คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ ตัวอย่างของขั้นตอนการแปรข้อมูลโดยคอมพิวเตอร์ ได้แก่ การกำจัดคลื่นรบกวนด้วยการกรอง (Filtering) การรวมสัญญาณที่สะท้อนมาจากบริเวณเดียวกันเข้าด้วยกัน (Stacking) การเพิ่มรายละเอียด (Resolution) เป็นต้น

การตีความข้อมูล

การตีความข้อมูลเป็นการหาลักษณะ และโครงสร้างทางธรณีวิทยา จากแผนภาพหรือกราฟที่ได้จากการประมวลผลข้อมูล ในบางวิธีการผลการสำรวจที่ได้จากการประมวลผลอาจจะสามารถเข้าใจได้ง่ายจากแผนภาพอยู่แล้ว แต่ในบางวิธีการอย่างเช่นการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนแบบหักเห จำเป็นที่จะต้องตีความ เช่น ความหนาของชั้นหิน โครงสร้างของชั้น ลำดับชั้นทางธรณี รอยเลื่อน รอยแตก เป็นต้น ซึ่งผู้ตีความหรือแปลความข้อมูลควรจะมีความรู้เกี่ยวกับธรณีวิทยา มีความรู้เกี่ยวกับสภาพธรณีวิทยาของพื้นที่สำรวจ และมีจิตนาการที่กว้างไกล จึงจะสามารถนำข้อมูลที่มีอยู่มาสร้างเป็นภาพตัดขวางทางธรณีวิทยาใต้ผิวดิน ที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงได้มากที่สุด

ตัวอย่างผลการสำรวจคลื่นไหวสะเทือน

1.ตัวอย่างผลการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนแบบหักเห ภาพผลการประมวลผลคลื่นไหวสะเทือน (a) และภาพแสดงผลการตีความคลื่นไหวสะเทือนแบบหักเห (b) (ที่มา: www.gbg-group.com)

2. ตัวอย่างผลข้อมูลคลื่นไหวสะเทือนแบบสะท้อน (c) และการแปลความหมายทางธรณีวิทยาโครงสร้าง (b) ของแอ่งสงขลา (บริเวณอ่าวไทย) ภาพดัดแปลงจาก Morley & Racey (2011) (ที่มา: วิชาการธรณีไทย www.geothai.net)

3. ตัวอย่างผลการสำรวจหาความเร็วคลื่นเฉือนด้วยการวิเคราะห์คลื่นผิวดิน (MASW) แสดงโครงสร้างชั้นหินฐานบริเวณภูเขาโฮลี่ครอสตะวันตกเฉียงใต้ ประเทศโปแลนด์ (e) (ที่มา: Bartosz Owoc and Artur Marcininiak 2019)

อ้างอิง [1] ดร.เพียงตา สาตรักษ์ (2550). ธรณีฟิสิกส์เพื่อการสำรวจใต้ผิวดิน : ภาควิชาเทคโนโลยีธรณี คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยขอนแก่น.

[2] ดร.อัฆพรรค์ วรรณโกมล (2551). การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ : สาขาวิชาเทคโนโลยีธรณี สำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

[3] ฐานบ ธิติมากร. การสำรวจหาความเร็วคลื่นเฉือนด้วยการวิเคราะห์คลื่นผิวดิน : ภาควิชาธรณีวิทยาศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย