مغزه گیری چیست؟ – در زمین شناسی و به زبان ساده

کرگیری یا مغزه گیری، فرآیند حفاری زمین یا بتن و تهیه نمونه‌های استوانه‌ای برای انجام آزمایش خواص مقاومتی، کانی‌شناسی و سنگ‌شناسی مواد برجا است. تقریبا در تمام پروژه‌های نفتی، عمرانی، معدنی و ژئوتکنیکی، مغزه‌ها، به عنوان نمونه‌‌های استاندارد به منظور انجام آزمون‌های صحرایی یا آزمون‌های آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نمونه‌ها، توسط تجهیزات حفاری مخصوص به دست می‌آیند. مغزه‌گیری، از اصلی‌ترین فعالیت‌ها در مطالعات زمین‌شناسی و اکتشافی است. در این مقاله، به معرفی فرآیند مغزه گیری، اصطلاحات، کاربردها، روش‌ها و تجهیزات تهیه مغزه‌های سنگی می‌پردازیم.

مغزه گیری یا کرگیری چیست ؟

مغزه گیری یا اصطلاحا «کُرگیری» (Coring یا Core Drilling)، فرآیند حفاری زمین برای به دست آوردن نمونه‌های معرف است. البته در پروژه‌های عمرانی نظیر اجرای سازه‌های بتنی، از بتن سخت مغزه گیری می‌شود. در پروژه‌های نفتی، ژئوتکنیکی و معدنی، شناخت خواص مقاومتی لایه‌های زیرین سطح زمین، اهمیت بسیار زیادی دارد. سنگ‌های سطحی، گزینه خوبی برای قضاوت در مورد لایه‌های پایینی یا حتی تخمین ویژگی‌های این لایه‌ها نیستند. بنابراین، مطالعه زمین‌شناسی یک منطقه، معمولا با حفر گمانه‌های اکتشافی در زمین و بیرون کشیدن چندین نمونه انجام می‌گیرد.

تاریخچه مغزه گیری، به «پروژه حفاری دریای عمیق» (Deep Sea Drilling Project) بین سال‌های ۱۹۶۸ تا ۱۹۸۳ میلادی (بین سال‌های ۱۳۴۶ تا ۱۳۶۱ شمسی) بازمی‌گردد. پس از موفقیت این پروژه در به دست آوردن نمونه‌های ارزشمند از اعماق زمین، مغزه گیری به سرعت در حوزه‌های دیگر نیز رواج یافت. از آن دوران تا به امروز، صدها هزار مغزه در پروژه‌های مختلف از اعماق زمین به دست آمده‌اند.

مغزه یا کُر چیست ؟

مغزه یا اصطلاحا «کُر» (Core)، نمونه‌ای استوانه‌ای از لایه‌های زیرین زمین است که طی عملیات حفاری، به سطح زمین منتقل می‌شود. قطر مغزه‌ها، به قطر مته حفاری بستگی دارد. این اندازه، معمولا بین ۵۰ تا ۷۵ سانتی‌متر است. البته برخی از دستگاه‌ها، مغزه‌هایی با قطر ۲۵ تا ۲۲۰ سانتی‌متر به دست می‌آورند. مغزه‌های حاصل از فرآیند کرگیری، مانند تصویر زیر، در جعبه‌های مخصوص قرار داده می‌شوند. چینش این نمونه‌ها، بر اساس ترتیب حفاری و از بالا چپ تا پایین راست است.

چینش مرتب نمونه‌ها در جعبه، باعث درک بهتر ترتیب لایه‌های زمین و مطالعه مغزه‌ها می‌شود. حفاری مغزه‌های موجود در یک جعبه، همیشه در یک سیکل حفاری به اتمام نمی‌رسد. به عنوان مثال، ممکن است پس از دو متر حفاری، عملیات متوقف شده و ادامه مغزه گیری در سیکل بعدی انجام شود. به منظور مشخص کردن این موضوع، در آخر نمونه‌های هر سیکل، یک بلوک چوبی قرار می‌دهند.

بلوک‌های چوبی بین مغزه‌ها، دارای نوشته‌هایی برای نمایش عمق اتمام یا توقف حفاری، میزان حفاری و بازیابی مغزه هستند. در برخی از مواقع، مواد نرم توسط آب مورد استفاده برای حفاری شسته نمی‌شوند یا به هر طریق دیگری از دست می‌روند. در این شرایط، بازیابی مغزه‌ها بسیار پایین خواهد بود و بلوک‌های چوبی نزدیک به هم قرار می‌گیرند. اگر در یک سیکل حفاری، بازیابی مغزه برابر با صفر باشد، بلوک‌های چوبی در کنار هم قرار داده می‌شوند. بررسی بازیابی مغزه و اطلاع‌رسانی آن به زمین‌شناس، بر عهده تیم حفاری است.

به تجهیزات مکانیکی مورد استفاده برای حفاری زمین و مغزه گیری، دکل حفاری یا ماشین چال‌زنی می‌گویند. هر چه عمق حفاری بیشتر شود، قطر لوله دستگاه حفاری کاهش می‌یابد. در اعماق نزدیک به سطح زمین، مغزه گیری با قطرهای ۷۵ تا ۱۰۰ میلی‌متر انجام می‌شود. با رفتن به لایه‌های پایین‌تر، قطر لوله را به مرور کم می‌کنند؛ چراکه حفاری در اعماق بیشتر، دشوارتر است.

اهمیت مغزه گیری در زمین شناسی چیست ؟

مغزه گیری، اصلی‌ترین روش نمونه‌گیری از سنگ‌های نرم تا سخت و خاک‌های سیمانی شده است. این عملیات، به منظور درک مشخصات زمین‌شناسی یک ناحیه اجرا می‌شود. از ساده‌ترین اطلاعات حاصل از مغزه گیری می‌توان به مرز بین لایه‌ها، نوع سنگ هر لایه، شیب لایه‌ها و غیره اشاره کرد. به جمع‌آوری و مطالعه مغزه‌ها برای اندازه‌گیری مشخصات زمین‌شناسی، برداشت مغزه‌ها یا اصطلاحا «کُر لاگینگ» (Core Logging) می‌گویند.

در برداشت مغزه‌ها، مقیاس مطالعه بسیار مهم حیاتی است. در برخی از مغزه‌ها، اطلاعات جزئی و در برخی دیگر، اطلاعات کلی مد نظر هستند. در صورت صرف زمان اضافی بر روی مطالعه جزئی تمام مغزه‌ها، اطلاعات بسیار زیادی به دست می‌آیند که شاید هیچگاه مورد استفاده قرار نگیرند. به هر حال، اولین قدم برای لاگینگ مغزه‌ها، در نظر گرفتن وضعیت کلی آن‌ها در کنار یکدیگر است. به این ترتیب، با تشخیص بخش‌های مهم‌تر، می‌توان مطالعات دقیق‌تری را بر روی آن‌ها انجام داد.

مغزه‌ها علاوه بر مطالعه جنس و ساختار لایه‌های زمین، به عنوان نمونه آزمایش‌های برجا و آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در آزمایش مقاومت فشاری سه‌محوری سنگ، نمونه مورد استفاده، مغزه‌ای با ابعاد استاندارد است. استاندارد کردن ابعاد مغزه، معمولا بر اساس دستورالعمل‌های آزمایش مورد نظر و با توجه به نسبت طول به قطر آن انجام می‌شود. اجرای اغلب آزمایش‌های مکانیک سنگ، نیازمند مغزه‌های استاندارد است.

جدول مغزه گیری چیست ؟

جدول مغزه گیری یا «شیت برداشت مغزه» (Core Logging Sheet)، اطلاعاتی نظیر بازه حفاری، بازیابی مغزه، اکسیداسیون، سنگ‌شناسی، بافت، دانه‌بندی، کانی‌شناسی، ساختار و دیگر مشخصات ظاهری و زمین‌شناسی مغزه‌ها را نمایش می‌دهد. با توجه به نیازهای پروژه، این اطلاعات می‌توانند بیشتر یا کمتر باشند. هر ردیف از شیت مغزه گیری، به یک بازه حفاری اختصاص دارد.

تجهیزات مورد استفاده برای مغزه گیری چه هستند ؟

مغزه‌گیری، با حفاری زمین انجام می‌گیرد. حفاری زمین، نیازمند ماشین‌آلات مخصوصی است که قابلیت نفوذ به لایه‌های نرم تا سخت را داشته باشند. به این ماشین‌آلات، تجهیزات حفاری می‌گویند. به تجهیزات حفاری، اصطلاحا «ریگ حفاری» (Drill Rig) نیز می‌گویند. این تجهیزات از واحدهای مختلفی نظیر واحد تامین نیرو، دکل، پمپ انتقال سیال و سکوی تثبت تشکیل می‌شوند. تجهیزات حفاری، بر روی سکوی حفاری قرار می‌گیرند. تصویر زیر (از استاندارد ۲۰۱۹۵ ایران)، نمایی از یک دستگاه حفاری مغزه گیری الماسه است.

جدول زیر، بخش‌های مختلف عددگذاری شده در تجهیزات حفاری موجود در تصویر بالا را نمایش می‌دهد.

یک دستگاه حفاری، معمولا از بخش‌هایی نظیر واحد تولید نیروی دوران، سیستم بالابر، لوله نگهدارنده، میله‌های حفاری، لوله مغزه گیری، مته، کابل‌ها و پممپ‌های گرداننده گل حفاری تشکیل می‌شود. البته ابزار مخصوص بالا کشیدن، اتصال و جداسازی رشته‌ها نیز در بسیاری از تجهیزات حفاری متداول هستند. توجه داشته باشید که با توجه فناوری مورد استفاده در تجهیزات حفاری، امکان متفاوت بودن موارد ذکر شده با بخش‌های مختلف تجهیزات وجود دارد. در ادامه، به تعریف برخی از اصطلاحات متداول مبحث مغزه‌گیری و تجهیزات مورد استفاده در آن می‌پردازیم.

گمانه چیست ؟

«گمانه» (Borehole)، حفره‌ای با قطر کم و عمق زیاد است که به منظور دستیابی به اطلاعات مورد نیاز برای طراحی، ساخت و نگهداری سازه‌ها، دسترسی مستقیم به ماده معدنی یا نمونه‌‌برداری حفر می‌شود.

لوله نگهدارنده چیست ؟

در برخی از گمانه‌ها، امکان ناپایداری دیواره یا کف و ریزش آن‌ها به درون گمانه وجود دارد. دیواره برخی دیگر از گمانه‌ها نیز در حین حفاری جمع می‌شوند و میله حفاری را تحت فشار قرار می‌دهند. «لوله نگهدارنده» یا اصطلاحا «کیسینگ» (Casing)، یکی از اجزای اصلی دستگاه‌های حفر گمانه است که به منظور نگهداری دیواره گمانه‌های ریزشی/فشارنده و جلوگیری از هدررفت سیال حفاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لوله مغزه گیر چیست ؟

«لوله مغزه‌گیر» (Core Barrel)، یک لوله توخالی است که به منظور جمع‌آوری مغزه‌های حاصل از حفاری به کار می‌رود. لوله مغزه‌گیر، درون لوله نگهدارنده قرار می‌گیرد. با توجه به نوع تجهیزات حفاری، طول لوله مغزه‌گیر می‌تواند با طول لوله نگهدارنده برابر یا از آن کوچکتر باشد.

میله حفاری چیست ؟

«میله حفاری» یا اصطلاحا «راد حفاری» (Drill Rod)، لوله‌های فولادی توخالی هستند که از یک طرف به واحد تامین نیرو و از طرف دیگر به مته حفاری یا لوله مغزه‌گیر متصل می‌شوند. به عبارت دیگر، میله‌های حفاری، وظیفه انتقال نیروی مورد نیاز برای ایجاد حفره را بر عهده دارند.

اورشات چیست ؟

«اورشات» (Overshot)، مکانیزم قفل‌کننده‌ای است که در حفاری به روش کابلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مکانیزم، در انتهای کابل بالابر تعبیه شده و برای قفل/باز کردن مته پیشرو یا لوله‌های مغزه‌گیر به کار گرفته می‌شود.

مته پیشرو چیست ؟

«مته پیشرو» (Pilot Bit)، قطعه‌ای سخت‌بر، مخروطی یا الماسه است که در روش حفاری کابلی به انتهای میله حفاری متصل می‌شود.

کابل حفاری چیست ؟

«کابل حفاری» (Wireline)، یک کابل ساخته شده از رشته‌های فولادی است که به منظور بالا و پایین بردن لوله مغزه‌گیر، میله حفاری یا سایر تجهیزات مورد نیاز داخل گمانه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع روش های مغزه گیری چه هستند ؟

معیارهای مختلفی برای تقسیم‌بندی روش‌های مغزه گیری وجود دارد. به عنوان مثال، از انواع روش‌های مغزه گیری بر اساس تجهیزات مورد استفاده می‌توان به مغزه‌گیری با دستگاه حفاری کابلی و مغزه‌گیری با دستگاه حفاری چرخشی اشاره کرد. روش‌های مغزه‌گیری بر اساس محیط مورد حفاری نیز به مغزه گیری نرم و مغزه گیری سخت تقسیم می‌شوند.

مغزه گیری نرم چیست ؟

«مغزه گیری نرم» (Soft Coring)، یکی از روش‌های جمع‌آوری نمونه‌های استوانه‌ای سنگی است که در زمین‌های دارای لایه‌های غیرتحکیم‌یافته مورد استفاده قرار می‌گیرد. عبارت نرم در عنوان این روش، به پایین بودن مقاومت مواد در محیط مورد حفاری اشاره دارد. کرگیری نرم، امکان نمونه‌گیری از اعماق کمتر از 150 متر را فراهم می‌کند. البته در برخی از موارد، امکان حفاری و نمونه‌گیری از اعماق بیشتر نیز وجود دارد.

مغزه گیری نرم چگونه انجام می شود ؟

کرگیری نرم، به کمک یک سیستم ضربه‌ای انجام می‌گیرد. تجهیزات مورد استفاده در این نوع کرگیری، از دو لوله تو در تو تشکیل می‌شوند. لوله داخلی (لوله مغزه‌گیر)، وظیفه بیرون راندن نمونه‌های استوانه‌ای را برعهده دارد. وظیفه لوله خارجی (لوله نگهدارنده)، جلوگیری از ریزش دیواره گمانه حفاری شده است. در روش مغزه‌گیری نرم، نمونه‌های استوانه‌ای در معرض هوا یا سیالات قرار نمی‌‌گیرند. به همین دلیل، یکپارچگی و بکر بودن آن‌ها حفظ می‌شود.

کاربرد مغزه گیری نرم چیست ؟

همانطور که در بخش‌های قبل اشاره کردیم، هدف از مغزه‌گیری (چه مغزه‌گیری نرم، چه مغزه‌گیری سخت)، بررسی وضعیت زمین‌شناسی یک ناحیه است. کرگیری نرم، به طور پیوسته از لایه‌های ماسه و رس عبور می‌کند. مغزه‌های به دست آمده از این روش، سازندهای مختلف زمین را به نمایش می‌گذارند. از این نمونه‌ها در پروژه‌های زیست‌محیطی، زمین‌شناسی، معدنی و عمرانی استفاده می‌شود.

مغزه گیری سخت چیست ؟

«مغزه گیری سخت» (Hard Coring)، از دیگر روش‌های جمع‌آوری نمونه‌های استوانه‌ای سنگی است که در زمین‌های دارای لایه‌های سخت یا سخت‌تر از ماسه‌سنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش، امکان تهیه نمونه از اعماق بسیار زیاد را فراهم می‌کند. در صورت به کارگیری دکل‌های حفاری تلسکوپی، عمق نمونه‌گیری می‌تواند به 1500 متر نیز برسد.

مغزه گیری سخت چگونه انجام می شود ؟

کرگیری سخت نیز مانند کرگیری نرم، با استفاده از دو لوله تو در تو انجام می‌گیرد؛ با این تفاوت که لوله نگهدارنده، بیشتر از لوله مغزه‌گیر امتداد می‌یابد. به همین دلیل، در حین حفاری، نمونه‌های استوانه‌ای توسط آب یا هوا شسته می‌شوند. البته محیط به کارگیری این روش، یک محیط سخت است. بنابراین، تماس با آب و هوا، یکپارچگی نمونه‌ها را به خطر نمی‌اندازد. مغزه‌گیری سخت، در برخی از موارد با عنوان مغزه‌گیری الماسه شناخته می‌شود. دلیل این نامگذاری، استفاده سرمته‌های دارای الماس‌های کوچک است. سختی بالای الماس، امکان حفاری و برش سنگ‌های سخت را فراهم می‌کند.

کاربرد مغزه گیری سخت چیست ؟

کرگیری سخت نیز مانند کرگیری نرم، در پروژه‌های مختلف به منظور کانی‌شناسی/سنگ‌شناسی، تشخیص درز و شکاف‌های درون زمین، تعیین خواص مقاومتی مواد و بررسی گسترش آلودگی‌های زیست‌محیطی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از متداول‌ترین کاربردهای این روش مغزه‌گیری، تعیین عمق گسترش مواد معدنی و جهت‌گیری آن‌ها به منظور برنامه‌ریزی برای عملیات‌های استخراج و ترابری است.

مغزه گیری کابلی چیست ؟

«مغزه گیری کابلی» (Wireline Core Drilling) یا مغزه گیری سیم بکسلی، روشی برای خارج کردن مغزه از گمانه، بدون نیاز به بیرون کشیدن کامل لوله است. این روش به عنوان یکی دیگر از روش‌های اصلی مغزه‌گیری سخت یا الماسه به شمار می‌رود. کرگیری کابلی، در اصل به منظور نمونه‌گیری مغزه‌های سنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، لوله مغزه‌گیر را فقط زمانی از گمانه خارج می‌کنند که حفاری پایان یافته یا نیاز به تعویض سرمته باشد. با رفتن به اعماق بیشتر، لوله‌های اضافی به انتهای لوله‌های قبلی اضافه می‌شوند.

استاندارد ۱-۱۷۰۴۸ ایران (مطابق با استاندارد ISO 10097-1:1999)، به معرفی تجهیزات حفاری الماسه کابلی برای مغز‌گیری - سامانه A می‌پردازد. این تجهیزات برای حفاری چاه‌های دارای قطر ۴۸ تا ۹۶ میلی‌متر و تهیه مغزه‌های دارای قطر ۲۷ تا ۶۳ میلی‌متر مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه‌های مغزه‌گیر کابلی، از مته، سرمته مغزه گیری و چندین جز دیگر تشکیل می‌شوند. تصویر زیر، این اجزا را نمایش می‌دهد.

اجزای شمار‌گذاری شده در تصویر بالا عبارت هستند از:

1. کلگی
2. بالشتکی
3. مغزه‌گیر خارجی
4. تثبیت‌کننده
5. مغزه‌گیر جمع‌شونده
6. پوسته گشادکننده
7. بالابر مغزه
8. غلاف بالابر مغزه
9. سرمته

بر اساس استاندارد ۱۷۰۴۸ ایران، مشخصات مقاومتی مته‌ها و جداره‌های نگهدارنده مغزه در تجهیزات حفاری الماسه کابلی باید مطابق با جدول زیر باشد.

استاندارد ۱۷۰۴۹ ایران (مطابق با استاندارد ISO 10098:1992)، تجهیزات حفاری الماسه کابلی برای مغزه گیری توسط سامانه CSSK را معرفی می‌کند. سرمته‌های خارجی این تجهیزات دارای قطر ۴۶ تا ۹۳ برای تهیه مغزه‌های دارای قطر ۲۴ تا ۵۹ میلی‌متر هستند. سامانه CSSK برای مغزه گیری در عمق ۱۲۰۰ متر تا ۱۵۰۰ متر با محیط دارای درزهای سست یا صلب با درجه سختی متوسط تا بالا کاربرد دارد.

مغزه گیری چرخشی چیست ؟

«حفاری چرخشی» (Rotary Drilling)، یکی از روش‌های اصلی مغزه‌گیری سخت یا الماسه است. این نوع مغزه‌گیری، در اصل به منظور حفر گمانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. استاندارد ۱۷۰۳۵ ایران (مطابق با استاندارد ISO 3552-1:1992)، به معرفی تجهیزات حفاری چرخشی الماسه برای مغزه‌گیری - سامانه B می‌پردازد. این تجهیزات، برای حفاری چاه‌های دارای قطر ۳۶ تا ۱۴۴ میلی‌متر و تهیه مغزه‌های دارای قطر ۲۰ تا ۱۲۰ میلی‌متر مناسب هستند.

برای مغزه گیری به کمک تجهیزات حفاری چرخشی، منبع نیرو، مته و سرمته را به چرخش درمی‌آورد. برخورد سرمته به زمین، برش دایره‌ای آن را به همراه دارد. با پیشرفت حفاری، نمونه استوانه‌ای سنگ به انتهای لوله می‌رسد و به درون لوله مغزه‌گیر هدایت می‌شود. انتقال این نمونه به سطح زمین، با بیرون کشیدن لوله مغزه‌گیر انجام می‌گیرد.

استانداردهای مغزه گیری کدام هستند ؟

استانداردهای ملی و بین‌المللی متعددی در رابطه با تجهیزات مغزه‌گیری، روش‌های مغزه‌گیری و آزمایش‌های قابل اجرا روی مغزه‌ها ارائه شده‌اند. از استانداردهای ملی مغزه گیری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استاندارد 20195
  • آیین کار حفاری اکتشافی سنگ‌ها-مغزه گیری و نمونه برداری از سنگ‌ها برای اکتشاف صحرایی
• استاندارد 14270
  • آیین‌نامه جمع‌آوری نمونه‌ها از مغزه زغال
• استاندارد 14606
  • روش آزمون تعیین شاخص کیفی سنگ از مغزه سنگی
• استاندارد 15478
  • روش آزمون تعیین خزش مغزه سنگ تحت تنش و دمای ثابت
• استاندارد 17725
  • روش آزمون مقاومت کششی مستقیم نمونه‌های مغزه گیری شده از سنگ بکر
• استاندارد 20621
  • روش آزمون تعیین شاخص کیفیت سنگ با مغزه گیری از توده سنگ
• استاندارد 21085
  • آیین کار نگهداری و ترابری نمونه‌های مغزه سنگ
• استاندارد 9042
  • آیین کار جمع آوری و حمل خاکهای بدست آمده از دستگاههای نمونه برداری با لوله مغزه گیر برای تحقیقات محیطی
• استاندارد 1-17035
  • تجهیزات حفاری چرخشی الماسه برای مغزه گیری -سامانه B (یکاهای متریک)
• استاندارد 2-17035
  • تجهیزات حفاری چرخشی الماسه برای مغزه گیری -سامانه A (یکاهای اینچ)
• استاندارد 2-17043
  • تجهیزات حفاری چرخشی الماسه برای مغزه گیری -سامانه B (یکاهای اینچ)
• استاندارد 17045
  • تجهیزات حفاری چرخشی الماسه برای مغزه گیری -سامانه C
• استاندارد 1-17048
  • تجهیزات حفاری الماسه کابلی برای مغزه گیری -سامانه A (یکاهای متریک)
• استاندارد 2-17048
  • تجهیزات حفاری الماسه کابلی برای مغزه گیری -سامانه A (یکاهای اینچ)
• استاندارد 1-17049
  • تجهیزات حفاری الماسه کابلی برای مغزه گیری -سامانه cssk - مواد سازنده و ابعاد تجهیزات حفاری کابلی
• استاندارد 2-17049
  • تجهیزات حفاری الماسه کابلی برای مغزه گیری -سامانه cssk - گیج‌های رزوه‌های مته های کابلی
• استاندارد 20682
  • دستگاه مغزه گیری ایستاده - ایمنی

کاربرد مغزه گیری در رشته های مهندسی عمران و معدن

مغزه گیری، یکی از فعالیت‌های ثابت در فازهای مطالعات مقدماتی و مطالعات تکمیلی پروژه‌های عمرانی و معدنی محسوب می‌شود. در اغلب این پروژه‌ها، هدف از مغزه گیری، به دست آوردن نمونه برای انجام آزمایش‌های تعیین جنس و مقاومت سنگ است. در پروژه‌های مرتبط با حفر تونل، مغزه‌ها به منظور محاسبه رده‌بندی کیفی سنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این بخش، به معرفی شاخص RQD، سیستم رده‌بندی RMR و سیستم رده‌بندی Q می‌پردازیم.

شاخص کیفی سنگ یا RQD چیست ؟

«شاخص کیفی سنگ» (Rock Quality Designation) یا به اختصار «آر کیو دی» (RQD)، معیاری برای ارزیابی کیفیت مغزه گرفته شده از گمانه است. این معیار، برای کمی‌سازی میزان درزه‌داری و ترک‌خوردگی توده سنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد و بر حسب درصد بیان می‌شود. جدول زیر، تقسیم‌بندی انواع سنگ بر حسب RQD را نمایش می‌دهد.

فرمول محاسبه RQD به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$
R Q D = \left ( \frac { \sum _ { ۱۰۰ \mathrm { ~ m m } } l } { l _ t } \right ) \times ۱۰۰
$$

• RQD: شاخص کیفی سنگ بر حسب درصد
• $$ sum_{۱۰۰ \mathrm{~mm}} l $$: مجموع طول مغزه‌های بزرگ‌تر از ۱۰۰ میلی‌متر
• l_t: طول حفاری (عمق گمانه)

در محاسبه RQD، فقط مغزه‌هایی در نظر گرفته می‌شوند که دارای سختی و طول کافی باشند. طول هر مغزه، فاصله مرکز به مرکز دو انتهای آن است. در استانداردهای ۱۴۶۰۶ و ۲۰۶۲۱ ایران، به توضیح روش آزمون تعیین شاخص کیفی سنگ پرداخته‌اند. این استانداردها، مطابق با استاندارد ASTM D6032:2008 هستند.

 

بازیابی مغزه چیست ؟

«بازیابی مغزه» (Core Recovery) یا به اختصار «CR»، نسبت تمام مغزه‌ها به طول کل عملیات مغزه گیری است. بازیابی مغزه به دو نوع بازیابی کامل مغزه و بازیابی مغزه‌های سخت تقسیم می‌شود.

بازیابی کامل مغزه

«بازیابی کامل مغزه» (Total Core Recovery) یا به اختصار «TCR»، نسبت مجموع طول مغزه‌ها به طول حفاری است. این نسبت بر حسب درصد بیان می‌شود. بازیابی کامل مغزه از فرمول زیر به دست می‌آید:

$$ TCR = \frac { l _ c }{ l _ t } \times ۱۰۰ $$

• TCR: بازیابی کامل مغزه بر حسب درصد
• l_c: مجموع طول تمام مغزه‌های به دست آمده از عملیات مغزه گیری
• l_t: طول حفاری

بازیابی مغزه‌های سخت

«بازیابی مغزه‌های سخت» (Solid Core Recovery) یا به اختصار «SCR»، نسبت مجموع طول مغزه‌های سخت به طول حفاری است. این کمیت نیز مانند RQD و TCR بر حسب درصد بیان می‌شود. محاسبه SCR توسط فرمول زیر انجام می‌گیرد:

$$ TCR = \frac { l _ s }{ l _ t } \times ۱۰۰ $$

• TCR: بازیابی مغزه‌های سخت بر حسب درصد
• l_s: مجموع طول تمام مغزه‌های ساخت حاصل از عملیات مغزه گیری
• l_t: طول حفاری

مثال: محاسبه RQD و CR

طی یک عملیات مغزه گیری، گمانه‌ای به طول ۱۲۰۰ میلی‌متر حفر شده است. مشخصات مغزه‌های خارج شده از گمانه عبارت است از:

• ۲۵۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۲۰۰ میلی‌متر سنگ با هوازدگی بالا
• ۲۵۰ میلی‌متر سنگ با هوازدگی بالا و قطعات خرد شده کوچکتر از ۱۰۰ میلی‌متر
• ۱۹۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۶۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۸۰ میلی‌متر سنگ بکر با سختی بالا و شکستگی انتهایی ناشی از عملیات حفاری
• ۱۲۰ میلی‌متر سنگ بکر با سختی بالا در ادامه حفاری مغزه قبلی

با توجه به اطلاعات بالا، شاخص کیفی سنگ و بازیابی مغزه را به دست بیاورید.

به منظور محاسبه شاخص کیفی سنگ (RQD)، ابتدا مغزه‌های بلندتر از ۱۰۰ میلی‌متر را جدا می‌کنیم:

• ۲۵۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۲۰۰ میلی‌متر سنگ با هوازدگی بالا
• ۲۵۰ میلی‌متر سنگ با هوازدگی بالا و قطعات خرد شده کوچکتر از ۱۰۰ میلی‌متر
• ۱۹۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۸۰ میلی‌متر سنگ بکر با سختی بالا و شکستگی انتهایی ناشی از عملیات حفاری
• ۱۲۰ میلی‌متر سنگ بکر با سختی بالا در ادامه حفاری مغزه قبلی

دقت داشته باشید که دو مغزه آخر (مغزه‌های ۸۰ و ۱۲۰ میلی‌متری سنگ بکر)، یک مغزه در نظر گرفته می‌شوند؛ چراکه جدا شدن آن‌ها، به دلیل عملیات حفاری بوده است. از میان مغزه‌های بلندتر از ۱۰۰ میلی‌متر، فقط باید قطعاتی که سختی مناسبی دارند را در محاسبات لحاظ کنیم. بنابراین، خواهیم داشت:

• ۲۵۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۱۹۰ میلی‌متر سنگ با سختی مناسب
• ۸۰ میلی‌متر سنگ بکر با سختی بالا و شکستگی انتهایی ناشی از عملیات حفاری
• ۱۲۰ میلی‌متر سنگ بکر با سختی بالا در ادامه حفاری مغزه قبلی

مجموع این مغزه‌ها برابر است با:

۶۴۰ = ۱۲۰ + ۸۰ + ۱۹۰ + ۲۵۰

فرمول RQD به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$
R Q D = \left ( \frac { \sum _ { ۱۰۰ \mathrm { ~ m m } } l } { l _ t } \right ) \times ۱۰۰
$$

• RQD: شاخص کیفی سنگ بر حسب درصد
• $$ sum_{۱۰۰ \mathrm{~mm}} l $$: مجموع طول مغزه‌های بزرگ‌تر از ۱۰۰ میلی‌متر برابر با ۶۴۰ میلی‌متر
• l_t: طول حفاری برابر با ۱۲۰۰ میلی‌متر

مقادیر معلوم را درون فرمول جایگذاری می‌کنیم:

$$
R Q D = \left ( \frac { ۶۴۰ } { ۱۲۰۰ } \right ) \times ۱۰۰
$$

$$
R Q D \approx ۵۳ %
$$

بنابراین، RQD سنگ حاصل از مغزه گیری برابر با ۵۳ درصد است. کیفیت این سنگ، در گروه متوسط (بین ۵۱ تا ۷۵ درصد) قرار می‌گیرد. اکنون به سراغ محاسبه بازیابی مغزه (CR) می‌رویم. برای این کار، طول تمام مغزه‌های خروجی را با هم جمع می‌کنیم:

۱۱۵۰ = ۱۲۰ + ۸۰ + ۶۰ + ۱۹۰ + ۲۵۰ + ۲۰۰ + ۲۵۰

در اغلب موارد، منظور از بازیابی مغزه، بازیابی کامل مغزه (TCR) است. این شاخص از فرمول زیر به دست می‌آید:

$$ TCR = \frac { l _ s }{ l _ t } \times ۱۰۰ $$

• TCR: بازیابی مغزه‌های سخت بر حسب درصد
• l_s: مجموع طول تمام مغزه‌های ساخت حاصل از عملیات مغزه گیری برابر با ۱۱۵۰
• l_t: طول حفاری برابر با ۱۲۰۰

با جایگذاری مقادیر معلوم در فرمول، خواهیم داشت:

$$ TCR = \frac { ۱۱۵۰ }{ ۱۲۰۰} \times ۱۰۰ $$

$$
TCR \approx ۹۶ %
$$

شاخص رده بندی توده سنگ و سیستم کیو

طول قطعات به دست آمده از عملیات مغزه گیری، به عنوان معیاری برای محاسبه مستقیم یا غیرمستقیم شاخص‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در بخش قبلی، با کاربرد طول مغزه در محاسبه RQD آشنا شدیم. این شاخص، یکی از شاخص‌های پرکاربرد برای طبقه‌بندی توده سنگ است. RQD در محاسبه «رده‌بندی توده سنگ» (Rock Mass Rating) یا به اختصار «RMR» و «عدد کیو» (Q-Value) نیز به کار می‌رود. فرمول RMR عبارت است از:

$$
RMR = J _ { A ۱ } + J _ { A ۲ } + J _ { A ۳ } + J _ { A ۴ } + J _ { A ۵ } + J _ { B }
$$

• RMR: رده‌بندی توده سنگ
• J_A۱: مقاومت سنگ بکر
• J_A۲: شاخص کیفی سنگ (RQD)
• J_A۳: فاصله‌داری ناپیوستگی‌ها
• J_A۴: شرایط نایپیوستگی‌ها
• J_A۵: شرایط آب زیرزمینی
• J_B: تعدیل جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها

عدد سیستم Q نیز از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
Q = \frac { RQD } { J _ n } \times \frac { J _ r } { J _ a } \times \frac { J _ w } { SRF }
$$

• Q: عدد سیستم رده‌بندی سنگ Q
• RQD: شاخص کیفی سنگ
• J_n: عدد دسته درزه
• J_r: عدد زبری درزه
• J_a: عدد هوازدگی درزه
• J_w: پارامتر آب درزه
• SRF: ضریب کاهش تنش

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، RQD، در فرمول RMR و Q لحاظ می‌شود. محاسبه این پارامتر، وابسته به عملیات مغزه گیری است. به همین دلیل، مغزه گیری، یکی از فعالیت‌های مهم در فاز زمین‌شناسی پروژه‌های مهندسی عمران و معدن به شمار می‌رود.

 

کاربردهای دیگر مغزه گیری

مغزه‌گیری، یکی از فعالیت‌های ثابت و مهم در مطالعات اکتشافی است. وضعیت لایه‌های عمیق زمین، توسط حفاری گمانه‌های اکتشافی و بیرون آوردن مغزه از درون آن‌ها مشخص می‌شود. منظور از وضعیت لایه‌ها، مشخصات مقاومتی و سنگ‌شناسی آن‌ها است. به عنوان مثال، آزمایش‌های مقاومت فشاری، مقاومت کششی، خزش و غیره، بر روی مغزه‌های حاصل از حفاری‌های اکتشافی صورت می‌گیرد.

سوالات متداول در رابطه با مغزه گیری در زمین شناسی

در این بخش، به برخی از پرتکرارترین سوالات در رابطه با مغزه گیری در زمین شناسی پاسخ می‌دهیم.

تعریف مغزه گیری بر اساس استاندارد ملی چیست ؟

مغزه‌گیری فرآیندی است که باعث جمع‌آوری مغزه‌های استوانه‌ای سنگ بوسیله چرخش یک لوله فولادی توخالی (لوله مغزه‌گیر) مجهز به یک مته مغزه‌گیری می‌شود.

هدف از مغزه گیری چیست ؟

هدف اصلی از مغزه گیری در زمین شناسی، به دست آوردن نمونه‌های سالم و معرف مواد برجا است.

مغزه چیست ؟

مغزه، نمونه سنگی استوانه‌ای شکل است.

مغزه گیری در چه مرحله ای از پروژه انجام می گیرد ؟

مغزه‌گیری می‌تواند در تمام مراحل پروژه‌های معدنی و ژئوتکنیکی از قبیل مراحل مطالعات اکتشافی، مطالعات مقدماتی و مطالعات تکمیلی اجرا شود.

متداول ترین تجهیزات مغزه گیری چه هستند ؟

تجهیزات حفاری کابلی و چرخشی، متداول‌ترین تجهیزات مورد استفاده برای مغزه‌گیری هستند.

تجهیزات مغزه گیری بر اساس محیط حفاری چه هستند ؟

دستگاه‌های مغزه‌گیری بر اساس جنس محیط حفاری، به دو نوع تجهیزات حفاری نرم و سخت تقسیم می‌شوند.

مغزه گیری در محاسبه چه شاخص هایی کاربرد دارد ؟

اطلاعات مستقیم حاصل از مغزه گیری در محاسبه شاخص RQD، سیستم رده‌بندی RMR و سیستم رده‌بندی Q مورد استفاده قرار می‌گیرند.