Cac phuong phap dia vat ly trong DCTV-Nguyen Trong Nga.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ N ỘI BỘ MÔN ĐỊA VẬT LÝ ---o0o---

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN (Dùng cho học viên cao học Địa chất thủy văn)

PGS. TS. Nguyễn Trọng Nga

Hà nội, năm 2011 [email protected]

MỤC LỤC

........................................... ............................. ............................. ................................ ............................... ............................... ................ 3 MỞ ĐẦU ......................... Chương I: MÔI TRƯỜNG ĐỊA ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ..............4 ..............................4 1.1. CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ............................ .......................7 1.2. CÁC MÔ HÌNH ĐỊA ĐIỆN ĐẶC TRƯNG TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ....................... 1.2.1. T ầng chứa nước ở vùng đồng bằng châu thổ ......................... ........................................... ........................ ......7 1.2.2. Thấu kính chứa nước đáy đệ tứ hoặc lòng sông c ổ......................... ........................................ ...............7 ............................................. ................................ ................ 8 1.2.3. Nước trong hang đớ i phát triển karst ........................... ........................................... ............................ ..........8 1.2.4. Nước trong đới phá hủy, đứt gãy địa chất ......................... ........................................... ........................ ......9 1.2.5. Nước thượng tầng trong khe nứt của đá gốc ......................... ........................................... ........................... ......... 10 Chương II: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D ......................... ............................................. ................................ ................................ ...................... .... 10 2.1. ĐIỆN TRỞ SUẤT BIỂU KIẾN ........................... ........................................... ................................ ................................ ...................... .... 10 2.1.1. Điện trở suất biểu kiến ......................... 2.1.2. Ý ngh ĩa của điện trở suất biểu kiến......................... ........................................... ................................ .................. .... 10 ............................................ ............................... ....................... ......... 12 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D ........................... ........................................... ................................ ................................ ............................... ...................... ......... 12 2.2.1. Định nghĩa ......................... 2.2.2. Miền ảnh hưởng ...................... ........................................ ................................ ................................ ............................... ................. .... 12 ........................................... ............................... ...................... ......... 13 2.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU 1D ......................... ..................................... ............ 14 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D ......................... 2.4.1. Bài toán t ổng quát ........................... ............................................. ................................ ................................ ........................... ......... 14 2.4.2. Gi ải bài toán.................. toán............................... ............................... ................................ ............................. ............................. ................. ... 16 ........................................... ............................. .............. ... 17 2.5. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ T ÀI LIỆU ĐO SÂU 1D ......................... 2.5.1. Lát c ắt điện trở suất biểu kiến k hay hay lát c ắt đẳng ôm ......................... ................................. ........17 2.5.2. Xử lý tài liệu đo sâu điện ......................... .... 18 đ iện 1D theo phương pháp biến đổi p ..................... 2.6. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D. ......................... ........................................... .......................... ........ 20 ............................................. ...................... .....21 Chương III: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D ............................ 3.1. THỰC CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D ......................... ........................................... ...................... ....21 ........................................... ................................ ................................ ............................... ...................... ......... 21 3.1.1. Định nghĩa ......................... .......................................... ............................... .............................. ..............21 3.1.2. Đặc điểm của phương pháp ........................... ..................................... ............ 22 3.2. CƠ SỞ LÝ TH UYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D ......................... ............................................ ............................... ....................... ......... 23 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D ........................... -Pole) ...................... ........................................ .......................... ........ 23 3.3.1. Phương pháp đo sâu hệ cực thế (Pole-Pole) 3.3.2. Đo sâu đa cực hệ 3 cực (Pole -Dipole)......................................................... 24 -Schlumberger ..................... ........... ................. ....... 25 25 3.3.3. Đo sâu đa cực hệ 4 cực đối xứng Wenner -Schlumberger ............ .................... ....................... ................ 25 3.3.4. Đo sâu đa cực hệ lưỡng cực (Dipole-Dipole) ..................... ............................................. ................................ ................................ ...................... .... 26 3.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU 2D ........................... ........................... ............. ............................... ............................... ....................... ......... 26 3.4.1. Cơ sở lý thuyết thuyết bài toán to án ngược ình xử lý đo sâu điện 2D ......................... ........................................... ................................ .................. .... 27 3.4.2. Chương tr ình ............................................. ............................. ............................. .......................... ........ 28 3.5. ÁP DỤNG ĐO SÂU ĐIỆN 2D ........................... ........................................ ............. 30 Chương IV: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU PHÂN CỰC 2D ........................... ............................................. ................................ .................. .... 30 4.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC KÍCH THÍCH ........................... 4.1.1. Hiện tượng phân cực kích thích ...................... ........................................ ................................ .......................... ............ 30 ............................................. ............................. ............................. ................................ .......................... ............ 31 4.1.2. Đặc điểm........................... bản ........................... ............................................ ............................... ....................... ......... 32 4.1.3. Các đặc trưng phân cực cơ b 4.1.4. Các tham s ố phân cực ......................... ........................................... ............................. ............................. .......................... ........ 33 ........................................... ........................... .........34 4.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐA CỰC PHÂN CỰC 2D ......................... 4.2.1. Định nghĩa ......................... ........................................... ................................ ................................ ............................... ...................... ......... 34 ............................................. ................................ ............................... .................34 4.2.2. Phương pháp kỹ thuật đo ........................... ............................... .... 35 4.2.3. Phương pháp xử lý t ài liệu đo sâu đa cực phân cực 2D ........................... 4.3.4. Áp d ụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D ……………………........…... 35 [email protected]

1

.................... 37 37 Chương V: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN (TEM) .................... ............................................. ............................. .............. ... 37 5.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN ........................... .......................................... .................37 5.1.1. Định nghĩa phương pháp đo sâu trường chuyển ......................... ............................................. ...................... .... 37 5.1.2. Đặc điểm của phương pháp trường chuyển ........................... 5.1.3. Bản chất của phương pháp trường chuyển ............................ ............................................. ...................... ..... 38 ............................... .... 38 5.1.4. Cơ chế đo sâu trường chuyển theo nguyên lý thời gian ........................... ................................... ........ 38 5.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG CHUYỂN ........................... ......................................... .............. 39 5.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN ........................... ........................................... ............................. .............. ... 39 5.3.1. Đặc điểm của tín t ín hiệu trường chuyển ......................... 5.3.2. Nguyên t ắc phát và thu trường chuyển ........................ .......................................... ............................... .............39 5.3.3. Máy đo trường chuyển ......................... ........................................... ................................ ................................ ...................... .... 40 ........................................... ..................... ... 41 5.3.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu trường chuyển ......................... 5.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN ......................... ........................................... ............................. .............. ... 43 5.4.1. Công th ức đường cong theo thời gian ......................... ........................................... ............................. .............. ... 43 5.4.2. Công th ức đường cong đo sâu trường chuyển theo chiều sâu . ..................... .....................44 5.4.3. Phương pháp phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển ....... 45 5.4.4. Biểu diễn kết quả đo sâu trường ............................................. .......................... ........ 46 t rường chuyển ........................... 5.5. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN....................................................... 47 Chương VI: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ..........49 .......................................... .................49 6.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ......................... 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ...... 49 ......................... ... 50 6.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ...................... 6.4. CƠ SỞ VẬT LÝ ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

......................... ........................................... ............................... ............................... ................................ ................................ ............................... ...................... ......... 51

6.5. ĐIỀU KIỆN V À KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT ............................................. ............................. ............................. ..................... ... 53 NHÂN ĐỂ TÌM KIẾM NƯỚC NGẦM ...........................

........................... 53 53 6.5.1. Điều kiện áp dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân ........................... 6.5.2. Áp d ụng đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân để ìm ki ............... ............ ... 53 để t ếm nước ngầm ..........................55 Chương VII: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ TELLUA ÂM TẦN .......................... ........................................... ............................... ...................... ......... 55 7.1. TRƯỜNG TỪ - TELLUA CỦA TRÁI ĐẤT ......................... 7.1.1. Ngu ồn gốc trường từ - tellua ...................................................................... 55 7.1.2. Mô hình Trikhôn ốp -Karhina ...................................................................... 56 1 D .................... .......... .............. 57 7.1.3. Trường từ -telua trên môi trường vỏ trái đất với mô hình 1D 7.1.4. Tr ở kháng của môi trường phâ n lớp nằm ngang ........................... ......................................... .............. 57 6.1.5. Các giá tr ị tiệm cận của trở kháng .............................. ............................................. ............................. ................. ... 58 7.1.6. Hai kho ảng tần số tương ứng với cấu trúc vỏ Quả đất ......................... ................................. ........ 59 ..................... 60 7.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ - TELUA (MTZ) TRONG MÔI TRƯƠNG 1D ..................... 7.2.1. Định nghĩa ......................... ........................................... ................................ ................................ ............................... ...................... ......... 60 7.2.2. Công thức tính điện trở suất: ......................... ........................................... ............................... ........................... ..............61 ........................................... ................................ .................. .... 61 7.2.3. Đường cong đo sâu MTZ lý thuyết ......................... .......................................... ............................... .................. .... 62 7.2.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu MTZ ......................... ..................... 63 7.2.5. Phương pháp xử lý t ài liệu đo sâu MTZ trong môi trường 1D..................... 7.2.6. Khả năng áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua để tìm kiếm nước ngầm . 65 ........................................ ................................ ................................ ............................... ................. .... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................

[email protected]

2

MỞ ĐẦU Đối tượng của địa chất thủy văn l à các tầng chứa nước ngầm. Thông thường các đối tượng này đều nằm dưới lớp phủ, do đó để phát hiện chúng không thể không áp dụng các phương pháp địa vật lý.

Để áp dụng có hiệu quả các phương pháp địa vật lý trong việc phát hiện các đối tượng chứa nước, giáo tr ình ình này sẽ giới thiệu ngắn gọn cơ sở toán lý, phương pháp k ỹ thuật thi công và xử lý tài liệu của các phương

pháp địa vật v ật lý và các thí d ụ được áp dụng trong địa chất thủy văn. Giáo trình sử dụng cho học viên cao học ngành địa chất thủy văn, tức là những người đã học giáo tr ình ình địa vật lý đại cương, do vậy đ ây là

phương pháp địa vật lý đã được nâng cao, chủ yếu là các phương pháp thăm dò điện 2D và một số phương pháp hiện đại như: đo sâu trường chuyển, cộng hưởng từ hạt nhân và đo sâu từ - tellua âm t ần đã và đang ên thế giới và đã được áp dụng ở Việt Nam được sử dụng có hiệu quả tr ên trong những năm gần đây.

[email protected]

3

Chương I: MÔI TRƯỜNG ĐỊA ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 1.1. CÁC TÍNH CH ẤT ĐIỆN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

Dòng điện truyền dẫn trong môi trường đất đá ở tầng nông theo hai

phương thức chính: dẫn điện điện tử v à dẫn điện ion. Trong dẫn điện điện tử, dòng điện được truyền dẫn thông qua các điện tử tự do giống như trong các kim loại. Trong dẫn điện ion dòng điện được truyền qua thông qua sự dịch chuyển của các ion trong môi trường nước dưới đất. Trong các khảo

sát địa chất thủy văn và môi trường, dẫn điện ion là cơ chế thông dụng ọng khi có sự hiện diện của các nhất. D ẫn điện điện tử chỉ có vai tr ò quan tr ọng khoáng vật dẫn điện như các sulfur, graphit kim loại…

Hình 1.1 Giá tr ị điện trở suất đặc trưng của các đối tượng

Điện trở suất của các đá thông dụng, các vật liệu đất v à hóa chất được tr ình ình bày trong hình 1.1. Theo đó, các đá xâm nhập và biến chất thường có giá trị điện trở suất rất cao, giá trị điện trở suất của các đá n ày phụ thuộc rất lớn vào độ nứt nẻ và mức độ chứa nước. V ì vậy, giá trị điện [email protected]

4

tr ở suất tương ứng với mỗi loại đất đá có thể thay đổi trong một giới hạn

ộng từ hàng ngàn ohm.m cho đến đế n nhỏ hơn 1 ohm.m, phụ thuộc vào độ khá r ộng ẩm và độ khoáng hóa của nước. Tính chất n ày r ất ất hữu dụng trong việc phát hiện các đới nứt nẻ dập vỡ và các đặc trưng phong hóa trong khảo sát địa chất thủy văn và thăm dò nước ngầm.

Các đá trầm tích thường có độ xốp và độ chứa nước cao hơn nên b iến chất, thường có giá trị điện trở suất thấp hơn với các đá xâm nhập v à bi

điện trở suất của chúng thường thay đổi trong khoảng từ 10 đến 10000 ohm.m và hầu hết đều có giá trị nhở hơn 1000 ohm.m. Giá trị điện trở suất của các đá trầm tích phụ thuộc mạnh mẽ vào độ xốp của đá, hàm lượng của

nước và đặc biệt là độ khoáng h óa của nước chứa trong các lỗ hổng. Các tr ầm ầm tích bở rời không gắn kết thường có giá trị điện trở suất thấp hơn so với các đá trầm tích, thay đổi trong khoảng từ vài ohm.m đến nhở hơn 1000 ohm.m. Giá trị điện trở suất của chúng phụ thuộc vào độ xốp (giả thiết các trầm tích chứa nước b ão hòa) và hàm lượng các khoáng vật

sét. Đất sét thường có giá trị điện trở suất thấp hơn so với đất cát. Tuy nhiên, cần chú ý rằng điện trở suất của các đá thường thay đổi trong một giới hạn khá rộng và chồng gối lên nhau, do chúng phụ thuộc một cách chặt chẽ v ào các tham số như: độ xốp, mức độ b ão hòa nước và hàm lượng của các muối hòa tan.

Điện trở suất của nước dưới đất dao động trong khoảng từ 10 đến 100 ohm.m, phụ thuộc vào hàm lượng các muối hòa tan trong chúng. Điện tr ở suất của nước dưới biển l à r ất ất thấp (khoảng 0.2 ohm.m) do hàm lượng muối cao, điều này là cơ sở cho phương pháp thăm d ò điện trở thành một k ỹ thuật lý tưởng trong việc đo vẽ bản đồ xác định ranh giới nhiễm mặn ở các vùng duyên hải. Một phương tr ình ình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa

điện trở suất của đá xốp v à tham số b ão hòa của chất lỏng có trong chúng là định luật Archie, định luật n ày có thể áp dụng cho một số loại đá nhất định, đặc biệt là các đối tượng có hàm lượng khoáng vật sét thấp, theo đó độ dẫn [email protected]

5

điện được giả thiết l à do các chất lỏng chứa đầy trong các lỗ hổng của đá. Định luật Archie viết dưới dạng: 

 a. w  m

Trong đó: -  là điện trở suất của đá -  là độ rỗng c của đá chứa chất lỏng - a và m là các tham s ố thực nghiệm, đối với hầu hết các đá a=1, m=2. -  w là điện trở suất của chất lỏng .  w ph p hụ thuộc vào n ồng độ muối khoáng:  w



M C

Ở đây: M l à hệ số, phụ thuộc vào loại muối khoáng, với muối Nacl M=8.4; còn C là nồng độ muối có đơn vị l à: à: g/l

Đối với các đá trầm tích có hàm lượng sét đáng kể th ì sẽ có các ình liên hệ phức tạp hơn. phương tr ình Các giá tr ị điện trở suất của một số quặng cũng được đưa ra trong hình 1.1, qua đó cho thấy các sulfite kim loại như: pyrrhotite, galena và pyrite có giá tr ị điện trở suất thấp, thường nhỏ hơn 1 Ohm.m. Lưu ý, giá tr ị

điện trở suất của một thân quặng hoặc một đối tượng nhất định có thể có sự khác biệt rất lớn so với giá tr ị điện trở suất của các tinh thể ri êng biệt. Các tham số khác như tính chất của thân quặng (đặc xít hoặc xâm tán) cũng có

ảnh hưởng đáng k ể đến giá trị điện trở suất. Than ch ì có giá tr ị điện trở suất thấp tương tự như sulfit kim loại, đó là cơ sở cho việc ứng dụng phương

pháp thăm d ò điện trong thăm d ò khoáng sản. Trong hình 1.1 cũng tr ình ình bày giá tr ị điện trở suất của một số vật liệu cũng như hóa chất ô nhiễm công nghiệp. Các kim loại như sắt có điện trở suất vô cùng nhỏ, các hóa chất điện phân mạnh như potassium chloride, sodium chloride … có thể làm suy giảm một cách mạnh mẽ điện trở suất [email protected]

6

của nước dưới đất (đến < 1 Ohm.m) ngay cả khi chúng có hàm lượng thấp.

Ảnh hưởng của các chất điện phân yếu như acetic acid có giá t r ị điện trở suất tương đối nhỏ, các hydrocarbon như sylen có giá trị điện trở suất khá cao. Tuy nhiên trong thực tế tỉ lệ phần trăm của các hydrocarbon trong đất

đá là khá thấp, v à ảnh hưởng của chúng không có ý nghĩa trong giá trị điện tr ở suất khối. 1.2. CÁC MÔ HÌNH ĐỊA ĐIỆN ĐẶC TRƯNG TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

Mô hình đối tượng địa điện trong địa chất thủy văn l à các cấu trúc

địa chất thuận lợi cho việc tích tụ v à tàng tr ữ nước ngầm. Chúng gồm có các mô hình đặc trưng sau:

1.2.1. Tầng chứa nước ở vùng đồng bằng châu thổ ình lắng đọng trầm tích lâu đời Ở vùng đồng bằng châu thổ có quá tr ình

nên nước ngầm có thể tồn tại ở dạng tầng chứa nước như sau: - Tầng chứa nước trong tầng cát, cuội sỏi trầm tích đệ tứ (Q), nếu lớp

đệ tứ dày có thể có nhiều tầng chứa nước xen kẹp giữa các tầng sét, (xem hình 1.2). - Tầng chứa nước trong đá gốc tuổi Neogen (N), nước ở dạng n ày tạo thành tầng hay lớp có điện trở suất thấp hay cao t ùy thuộc vào độ khoáng hóa và thành phần thạch học của các loại đá nằm tr ên ên hoặc dưới nó.

Hình 1.2: Mô hình h ình lát cắt địa điện đối tượng chứa nước vùng đồng bằng châu thổ

1.2.2. Thấu kính chứa nước đáy đệ tứ hoặc lòng sông cổ Dạng này thường thấy ở v ùng trung du, ở bậc thềm sông, nếu có lớp cát, cuội dày thì khả năng lưu trữ nước ngầm r ất ất lớn, (xem hình 1.3). [email protected]

7

Hình 1.3: Mô hình h ình lát cắt địa điện với đối tượng chứa nước là lòng sông cổ

1.2.3. Nước trong hang đới phát triển k arst arst Nước karst thường có ở vùng phát triển đá vôi. Đới phát triển k arst arst có nước thường có điện trở suất thấp hơn đá vôi rẵn chắc v à nếu bị lấp nhét bùn sét thì điện tr ở suất còn thấp hơn nhiều lần, (xem hình 1.4). Nước karst

thường chứa nhiều Canxi (loại nước cứng) hoặc chất hòa tan như bùn, sét, nhiều trường hợp phải xử lý qua hệ thống lọc mới có thể sử dụng. Có arst chứa đầy bùn sét, điện trở suất rất thấp trường hợp đới phát triển k arst

nhưng không lưu thông nước nên vẫn không chứa nước.

Hình 1.4: Mô hình h ình lát cắt địa điện với đối tượng karst

Hình 1.4 là mô hình lắt cắt địa điện điển h ình của vùng núi đá vôi với các đối tượng karst r ỗng ỗng ( ρ ρ3) và karst chứa nước hoặc bị lấp nhét bởi bùn, sét ( ρ4)

1.2.4. Nước trong đới phá hủy, đứt g ãy địa chất Hoạt động của đứt gãy địa chất làm cho đá gốc bị tách giãn, vật liệu

dăm kết lấp nhét, có nhiều khe rỗng tạo thành đớ i chứa nước, (hình 1.5). [email protected]

8

Nếu đứt gãy cổ không hoạt động, chứa nhiều sét thì dù có điện trở suất thấp vẫn có khả năng không chứa nước. Nói chung ở v ùng núi, lớp phủ mỏng nếu gặp các đứt g ãy địa chất thường thuận lợi cho điều kiện chứa nước.

ρ1 ρ2

ρ4

ρ3

Hình 1.5: Mô h ình địa điện đối tượng chứa nước trong đới phá hủy, đứt g ãy ãy địa chất.

1.2.5. Nước thượng tầng trong khe nứt của đá gốc Đá gốc rẵn chắc nhưng bị nứt nẻ mạnh do ảnh hưởng của hoạt động địa chất, gặp nước tr ên ên mặt thấm xuống thì cũng có khả năng chứa nước, trường hợp này thường có ở v ùng núi cao, cao nguyên bazan, cần lưu ý mực nước ngầm càng cao gần mặt đất thì khả năng chứa nước c àng tốt.

Hình 1.6: Mô hình h ình lát cắt địa điện đối tượng chứa nước trong khe nứt của đá gốc

Để tìm kiếm nước ngầm đạt hiệu quả cao cần nghi ên c ứu kỹ tài liệu địa chất thủy văn cụ thể, nghiên cứu r õ nguồn cung cấp nước để khi phát hiện có thể đảm bảo tìm được nước.

[email protected]

9

Chương II: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D 2.1. ĐIỆN TRỞ SUẤT BIỂU KIẾN

2.1.1. Điện trở suất biểu kiến a. Định nghĩa ên nửa không Điện trở suất biểu kiến l à giá tr ị điện trở suất đo được tr ên

gian không đồng nhất bởi một hệ điện cực nào đó. Điện trở suất biểu kiến có công thức tính:  k  K

U

(2.1)

I

trong đó: - K là hệ số hệ điện cực tùy thuộc sự sắp xếp của loại hệ cực - U  U M  U N là hiệu điện thế đo được giữa hai cực thu MN - I=I AB là cường độ d òng òng phát trong mạch phát AB

b. Các y ếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất biểu kiến - Điện trở suất biểu kiến ρk phụ thuộc vào: các yếu tố môi trường

như: sự khác biệt về điện trở suất của các lớp: i   i1 , chiều sâu và kích thước của đối tượng bất đồng nhất; và các yếu tố hình học như: vị trí tương đối của hệ quan sát với các bất đồng nhấ t, v ị trí đo, loại hệ cực, kích thước hệ cực so với đối tượng khảo sát. V ì v ậy, có thể nói điện trở suất biểu kiến

ρk mang thông tin của môi trường khảo sát. kiến ρk không phụ thuộc cường độ dòng phát vì: - Điện trở suất biểu kiến ρ ∆U tăng tương ứng, tỉ số lớn thì ∆U tăng U I  R MN  I , có ngh ĩa l à khi phát dòng I l U I không đổi và vì thế  k không đổi.

2.1.2. Ý ngh ĩa của điện trở suất biểu kiến kiế n ρk có Ý ngh ĩa của điện trở suất biểu kiến có 2 dạng sau: a. Ý ngh ĩa vi phân Ý ngh ĩa vi phân của điện trở suất biểu kiến l à ảnh hưởng của môi

trường tại vị trí điểm quan sát, nói đúng hơn là ảnh hưởng của phần không gian nhỏ hẹp quanh điểm quan sát. [email protected]

10

tính ρk ta có: Nếu ta thực hiện một v ài biến đổi theo công thức tính ρ  k

K

U

I   . j MN

K

MN MN .EMN  K . MN . jMN I I

(2.2)

Như vậy, điện trở suất biểu biể u kiến tỉ lệ với mật độ dòng điện tại vị trí quan sát hay mọi sự méo mật độ d òng do yếu tố bất đồng nhất địa chất.

Đây là cơ sở vật lý của các phương pháp đo mặt cắt điện. Bởi v ì các phương pháp đo mặt cắt điện đ iện đo điện trở suất biểu kiến

k ( x)   . j ( x) ,

mọi

sự biến dạng đến mật độ dòng j( x) do đối tượng bất đồng nhất gây ra là tín hiệu xác định vị trí bất đồng nhất. b. Ý ngh ĩa tích phân Ý ngh ĩa tích phân của điện trở suất biểu biến ρk là ảnh hưởng của miền không gian nào đó tới giá trị ρ trị ρk . Cũng dựa vào biểu thức tính ρ tính ρk , ta có:  k

 K .RMN

R MN 

(2.3)

U M  U N I

(2.4)

Như vậy, R MN là điện trở của phần không gian nằm giữa 2 mặt đẳng thế U M và U N (xem hình 2.1). Trong nửa không gian đồng nhất, miền không gian nằm giữa U M và U N có bán kính ri  AB 4 mới ảnh hưởng thực sự tới giá tr ị ρk vì phần không gian nằm sâu hơn không đủ làm méo mật độ dòng gây ảnh hưởng trong ρ trong ρk . Tóm lại: - V ới ới nửa không gian đồng nhất: zi  ri  Ai Bi 4

ới nửa không gian bất đồng nhất (phân - V ới (phân lớp) có sự bất đẳng hướng của lát cắt λ: zi 

1 

ri 

1 AB 4 i i

(2.5)

Áp d ụng để tính kích thước hệ cực khi cần nghi ên cứu đến chiều sâu H, ta có: Z max  H [email protected]

11

( AB) max  4rmax  4 zmax  4 H

Ở đây: - H là t ổng ổng chiều sâu cần khảo sát 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D

2.2.1. Định nghĩa Phương pháp đo sâu điện trở 1D là phương pháp đo sâu nghiên cứu sự thay đổi điện trở suất biểu kiến theo chiều sâu bằng cách tăng kích thước hệ cực để tăng chiều sâu khảo sát. Công thức tính điện trở suất biểu kiến khi đo sâu gọi là đường cong

đo sâu:  K ( r )  K ( r ).

U I

(r )

(2.1)

- V ới ới hệ 4 cực đối xứng: r  AB 2 ới hệ lưỡng cực: r  OO' 2 - V ới

2.2.2. Miền ảnh hưởng Miền ảnh hưởng của phương pháp đo sâu điện, như trong h ình 2.1 r A

N

M

B

R MN MN

UM

z U N

Hình 2.1: Mi 2.1: Miền ảnh hưởng của điện trở suất biểu kiến  k k

Miền không gian có điện trở R MN nằm giữa hai mặt đẳng thế U M và U N : R MN  U M  U N là một khối hình tr ụ có bán kính: I

Z i 

1 .( AB ) i 4

Với: - i là th ứ tự kích thước AB được mở - MN càng nhỏ mi ền ảnh hưởng R MN càng nhỏ, tính định xứ c của

phương pháp đo sâu càng t ốt. ốt. [email protected]

12

ếu MN  0: t ức ức hệ cực Schlumberger lý t ưởng, ưởng, tính định xứ - N ếu của phương pháp đo sâu là tốt nhất. Thực tế; khi MN nhỏ, thì U MN nhỏ, nếu U MN   hiệu thế đo được không chính xác, ta buộc phải mở kích thước MN ho hoặc tăng cường độ dòng phát I . 2.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU 1D 1D

Phương pháp đo sâu 1D được tiến hành chủ yếu bởi hệ thiết bị đối xứng. Sơ đồ lắp ráp thiết bị để tiến hành đo sâu đối xứng như trên hình 2.2. K A

4 0

3

4

B

3 1: Nguồn dòng (pin hoặc ác qui) qua biến áp một chiều để tăng điện thế 2: Máy đo dòng phát và hi ệu điện thế 3: Tời cuốn dây phát 4: Đường dây dâ y phát AB 5: Đường dây thu MN

1 2

ЗСK 2 N1

M1 M2

5

N2 N3

M3 M4

N4

Hình 2.2: S ơ đồ lắp ráp thiết bị để tiến hành đo sâu điện

Tại mỗi kích thước AB ta đo được U và I sau đó tính điện trở suất ( r) theo kích thước r=AB/2: biểu kiến  k k(r)  k  r   K

U (r ) I

K ết ên giấy tỉ lệ loga kép , ết quả xây dựng được đường cong đo sâu tr ên (xem hình 2.3). lg  k  f lg r 

[email protected]

13

k ( ( m) 100

10 k =6.2 m

1

M5 N5=1000m

M3 N3=40m

M1 N1 =2m M2 N2=10m

10

M6 N N6=2500m

M4 N4=200m

100

15000m

10000 AB/2 (m)

1000

Hình 2.3: Đường cong đo sâu đối xứng trên trên giấy loga kép

ên giấy loga kép các vị trí kích thước r đều nhau, nghĩa là Để cho tr ên trong tỉ lệ loga kích thước r s sẽ tăng theo cấp số cộng lgri 1  lgri  lgn sẽ phải tăng theo cấp số nhân : Như vậy, trong thực tế kích thước r s

ri 1  nr i 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D

Bài toán cơ sở lý thuyết của phương pháp đo sâu điện là trường điện của nguồn điểm trong môi trường phân lớp nằm ngang, mô hình một chiều này là mô hình môi tr ường ường lý tưởng, có sự thay đổi điện trở suất theo

phương thẳng đứng:  (z)= (z)=  i(z). A

2.4.1. Bài toán tổng quát Giả sử môi trường có n lớp với các tham số: 1,h1, 2,h2…n-1 n-1,h n-1,

n,hn; tại điểm A là nguồn điểm phát dòng I, tính hàm thế trong các lớp: U 1, U 2 ,…U ,…U n, (Xem hình 2.4).

Bài toán có tính đối xứng trụ do đó:

U  0 ; U  Ur , z  

[email protected]

14

1,

h1

2,

h2

n-1, n,

hn-1

I d d

-

hn= 

ổng quát Hình 2.4: Bài Bà i toán t ổng cho môi trường n lớp

Đây là môi trường đồng nhất cục bộ i  const do vậy trong các lớp hàm thế thoả mãn phương tr ình ình Laplaxơ: U=0

 2U 1  U  2U   0 r 2 r r z 2

(2.6)

Với các điều kiện sau: - Ở lớp thứ thứ nhất h àm thế gồm hai phần: U1 

I1 2

2 r  z

2

 U' r , z 

(2.7)

Trong biểu thức (2.7 ) số hạng thứ nhất là trường của nguồn điểm

trong môi trường đồng nhất, số hạng thứ hai U ' r , z  là ảnh hưởng của các mặt ranh giới nằm dưới, do vậy U ' r , z  , c ũng như các hàm thế U 1 , U 2 ,..., U n ình Laplaxơ: U=0, nên đối với hàm thế U’ ta đều phải thoả mãn phương tr ình có:

U  ' 0 ; U ' r , z   0

(2.8)

r  0,  z 

- Trên mặt đất - không khí, do không có dòng chạy lên không khí

theo phương pháp tuyến như vậy: j z  0 ; U  0 z

(2.9)

Ở các lớp trung gian các h àm thế U 2 , U 3 ... đều hữu hạn và ở xa vô cùng chúng đều tiến về không: U i r , z   0 ; U n r , z   0 r  

(2.10)

z

- Tại các mặt ranh giới lớp z=d i, hàm thế và mật độ dòng theo

phương pháp p háp tuyến sẽ liên tục: U i r , z   Ui 1 r , z  1 U i 1 U i 1  i z i 1 z

[email protected]

(2.11)

15

2.4.2. Giải bài toán Bài toán được nhà địa vật lý GS.TS Sabar Stephanescu người Rumani giải năm 1930 bằng phương pháp phân ly biến số:

Đặt: U  U ( r).) .V ( z ) r ồi ồi thay vào phương tr ình ình (2.6) ta có:  2 U V U  2V V 2   U 2 0 r r r z

(2.12)

Chia 2 vế của phương tr ình ình (2.12) cho U.V ta ta có: 1  2 U 1 U 1  2 V   0 U r 2 Ur r V z 2

(2.13)

Từ phương tr ình ình (2.12) ta tách được thành 2 phương tr ình ình  2 U 1 U   m2U  0 2 r r r

(2.14)

2V  m2V  0 2 z

(2.15)

* Với môi trường 2 lớp: xác định được thế và trường điện tr ên ên mặt

đất z=0:   I  1  1 k 12 n U 1  r , 0     2 2  r n 1  r 2   2 nh 2 1/2 1   



    

(2.16)



 I   1 rk 12 n  E1  r , 0   1  2  2  2 3/ 2 2  r n 1  r 2   2 nh    1    

(2.17)

* Với môi trường 3 lớp: xác định được thế và trường điện tr ên ên mặt

đất z=0: 

 I  1  1 U 1 ( r ,0)    2 2  r n 1





 I   1 E 1 (r ,0)  1  2  2 2  r n 1



  1  r 2  2nh1 2 2 

(2.18)

  3  r 2  2nh1 2 2 

(2.19)

qn

q n r

* Với môi trường n lớp: xác định được thế và trường [email protected]

16

I1  U1 r ,0   R m J 0 mr dm 2 0 1

(2.20)

I1  E1 r ,0    R m J1 mr mdm 2 0 1

(2.21)

ên lát cắt phân lớp nằm ngang, Và tính được điện trở suất biểu kiến tr ên

khi đo sâu bởi hệ 4 cực đối xứng Schlumberger - Đường cong 2 lớp:

   K 12 n r 3  k  1 1  2  3/2  2 2 n 1 r  2nh 1    

(2.22)

- Đường cong 3 lớp:

   q n r 3  k  1 1  2  3/ 2  2 2 n 1 r  2 nh 1    

(2.23)

- Đường cong n lớp: 2



 k r   1r  R 1 m J1 mr mdm

(2.24)

0

gọi là các đường cong đo sâu lý thuyết. 2.5. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU 1D

2.5.1. Lát cắt điện trở suất biểu kiến

k hay

lát cắt đẳng ôm

Lát cắt đẳng ôm  k k đượ c thành lập như sau: trên tuyến đo sâu điệ n tr ục hoành là vị trí điểm đo, trục tung ghi giá tr ị AB/2 theo tỉ lệ loga. Cột ( x,r). V ẽ đẳng tr ị  k k ta đượ c lát cắt đẳng dọ c theo vị trí đo sâu ghi giá trị  k k(x,r).

ôm. Lát cắt đẳng ôm là bức tranh tổng h ợ p mô tả định tính lát cắt địa điện trên tuyến đo sâu (hình 2.5). Lát cắt đẳng tr ị  k k ta có th ể nh ận bi ết khu vực có bất đồ ng nhất, đứt gãy, nế p lõm, nế p lồi, địa hình của mặt nền đá gốc. Lát cắt đẳng ôm  k k có độ phân giải kém nên ngườ i ta chỉ xem là lát cắt x ử

lý định tính.

[email protected]

17

720

720

1

2

3

4

5

6

7

710

a

8

710

9 10

Tªn®iÓm®o

12

13

14

15

700

700

690

690

680

680

670

670

660

660

650

650

640

640

630

630

620 1 1 6 . 6 1 7

Cao®é

11

K ho¶ngçch

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

2 9 . 5 1 7

4 8 . 4 1 7

1 0 . 4 1 7

6 8 . 2 1 7

2 3 . 1 1 7

1 9 . 9 0 7

6 3 . 8 0 7

6 7 . 6 0 7

0 0 . 5 0 7

9 7 . 4 0 7

8 5 . 4 0 7

6 3 . 4 0 7

5 1 . 4 0 7

20

Kho¶ngçch céng dån 0

20 20

20

20

40

60

20 80

20 100

20 120

20 140

20 160

20 180

20 200

20 220

Hình 2.5: Lát cắt đi n trở suất biểu kiến

20 240

15620 5 9 . 3 0 7

20 260

280

k

2.5.2. Xử lý tài liệu đo sâu đ iện 1D theo phương pháp biến đổi p Hai nhà địa vật lý Petrovxky (Nga) và Jondy (Mỹ) đã đề xuất tìm một phương ột phương pháp xử lý đường cong đo sâu điện phản ánh thực hơn về lát cắt địa điện; nó có độ phân giải cao hơn, chiều sâu thực hơn so với lát cắt bằng cách dùng công thức biến đổi như sau: đẳng ôm  k k b - Khi đường cong đi xuống k (ri1 )   k (r i ) :  p  z  

k  r  2  lg  k  r   

 1   

(2.25)

  lg r 

- Khi đường cong đi lên k (ri 1 )   k (r i ) : 2

  lg  k  r     p  z     r   1  k    lg r  

Với: z i   i r i

[email protected]

18

(2.26)

-  i là hệ số khắc phục sự bất dẳng hướng vĩ mô của lát cắt phân lớp,

đưa giá trị kích thước hệ cực r i về chiều sâu hiệu dụng zi. Giá tr ị của hệ số i

   ri  = 1 (2 i ) , với các lớp tương đối d ày  i =1 có thể lấy  i=1/2.

Đường cong ρ cong ρ p có độ phân giải và định xứ tốt hơn đường cong ρk , (xem hình 2.6).

Sau đó vẽ lát cắt đẳng trị ρ p tương tự như lát cắt đẳng trị  k k trên toàn tuyến đo (xem hình 2.7). Lát cắt đẳng trị  p có độ phân giải và tính định x ứ cao phản ánh trung thực lát cắt địa

điện tốt hơn lát cắt đẳng trị  k k. nên được xem là lát cắt xử lý bán định lượng t ài liệu đo sâu điện 1D. 720

b

Tªn®iÓm®o Cao ao®é

720

1

2

3

4

5

6

7

710

8

710

9 10

12

13

14

15

700

700

690

690

680

680

670

670

660

660

650

650

640

640

630

630

620 1 1 6 . 6 1 7

Kho¶ngçch Kho¶ngçch céng dån 0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

2 9 . 5 1 7

4 8 . 4 1 7

1 0 . 4 1 7

6 8 . 2 1 7

2 3 . 1 1 7

1 9 . 9 0 7

6 3 . 8 0 7

6 7 . 6 0 7

0 0 . 5 0 7

9 7 . 4 0 7

8 5 . 4 0 7

6 3 . 4 0 7

5 1 . 4 0 7

20

20 20

20 40

20 60

20 80

20 100

20 120

20 140

20 160

20 180

Hình 2.7: Lát cắt điện trở suất

[email protected]

11

19

20 200

20 220

20 240

15620 5 9 . 3 0 7

20 260

280

2.6. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D.

Phương pháp đo sâu điện trở 1D là phương pháp đo sâu điện truyền (1/10)AB nên có độ thống, do sử dụng cự ly thiết bị Schlumberger có MN ≤ (1/10)AB

phân giải cao được áp dụng rất có hiệu quả để nghiên cứu cấu trúc địa chất, phát hiện địa hình mặt móng đá gốc. Trong địa chất thủy văn phương pháp

đo sâu điện trở 1D được áp dụng để t ìm kiếm nước trong các tầng chứa nước như: thấu kính đệ tứ, đới dập vỡ, phá hủy của đứt g ãy, vùng sụt karst, song phải đo với mật độ đủ d ày mới có hiệu quả, (xem h ình 2.8 và 2.9). 0

1

2

3

4

5

6

-15

-35

-55

-75

-95

-115

-135

-155 0

20

40

60

80

1 00

120

Hình 2.8: Tìm n ước trong đới phá hủy đứt g ãy ãy -1

0

-30

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 30

60

90

120

150

180

210

Hình 2.9: Tìm n ước trong đới phá hủy karst

[email protected]

20

240

270

Chương III: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D 3.1. THỰC CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D

3.1.1. Định nghĩa Đo sâu điện 2D là phương pháp đo sâu điện khảo sát điện trở suất biểu kiến theo cả chiều ngang và chiều sâu ρk (x, z), bằng cách mở rộng

kích thước hệ cực với bội số là cấp số cộng của MN = a, để khảo sát lát cắt địa điện hai chiều ρ=ρ(x, chiều ρ=ρ(x, z). z). Đo sâu điện 2D còn có tên gọi khác là đo sâu điện đa cực.

3.1.2. Đặc điểm của phương pháp Trên tuyến đo, các cực thu, phát được bố trí tr ên ên m ạng lưới cách đều một khoảng a, (hình 3.1). a

Hình 3.1: B ố trí điện cực trong đo sâu điện 2D

Nếu có cáp chuy ên dụng có thể đo sâu đồng thời theo các hệ cực: Cực thế (pole-pole), 3 cực (pole-dipole), lưỡng cực (dipole-dipole), 4 cựu -Schlumberger (W-S). Khi tăng kích thước hệ cực đều đối xứng Wenner -Schlumberger

tăng theo cấp số cộng l à bội số của a, (h ình 3.2). A

B

A

M na

a Hệ cực thế

A

a

B na

Hệ 4 cực đối xứng (W-S) (W-S)

M na

N

N a

A

B a

Hệ 3 cực

M na

N a

Hệ lưỡng cực

Hình 3.2: Các Cá c hệ cực trong đo sâu điện 2D

V ới bội n ≤ 8, khi đo sâu với chiều sâu lớn, có thể đo với hệ cực gối tiếp nhau bằng cách tăng a’=2a, 3a… Nếu có máy chuyên dụng đo sâu đa

[email protected]

21

cực có thể điều khiển thi công theo tr ình ình tự đo (IPR12 Canada, Suyer Sting R/IP của Mỹ…) Nếu không có máy chuyên dụng có thể đo từng loại hệ cực, thường chỉ đo W-S, D-D vì các ph ương pháp này có độ phân giải cao. 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D

Người ta phân p hân chia môi trường 2D thành lưới ô chữ nhật (xem hình 3.3). Mỗi phần tử 2 chiều hữu hạn có tọa độ i, j có tiết diện như hình vẽ (xem hình 3.4). i=1 j=1 2 3 4

X1

2 X2 3

C

X N-1

N z1 z2

ij

M -1 zM-1

M

Hình 3 .3. Lưới rời rạc theo lược đồ sai phân

Phương tr ình ình cơ bản theo phương Pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho Mô hình 2D như sau:

Ci1, j u i 1, j  Ci1, j u i1, j  Ci , j1 u i , j 1 



Ci , j 1 u i , j 1  Ci , j u i , j   I  i , j

(3.1)

Dưới dạng phương tr ình ận, phương tr ình ình ma tr ận, ình (3.1) có dạng:  .u   B C

[email protected]

(3.2)

22

V ới :

i, j+1

- u là hàm phổ của hàm th ế u

i-1, j

 là ma tr ận ận các hệ số độ dẫn - C

i, j

i+1, j

- B là ma tr ận ận cột Iεi,j

i, j-1

Giải phương tr ình ình (3.2) tính được

u , dựa v ào k ết ết quả Furier ngược ta tính

Hình 4.4: Ti T iết diện của một trong lưới rời rạc 2D phần t ử trong lưới

được:

U ( x, k y , z) u ( x, z )    sin( k y ) dk y k y  0 2

(3.3)

Người ta tính U i,ji,j trên các nút của môi trường 2D, từ đó tính được điện trở suất:

u I Đó là bài toán thu ận tính ρ tính ρk trong môi trường 2D. Đây là đường cong  k ( x, z )  k

đo sâu lý thuyết của phương pháp đo sâu điện 2D. 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D

Tùy thuộc hệ điện cực người ta chia thành các phương pháp đo sâu

điện 2D gồm:

3.3.1. Phương pháp đo sâu hệ cực thế (Pole -Pole) Đo sâu đa cực sử dụng hệ điện cực thế được thực hiện khi hai điện cực B , N  , còn các điện cực A và M di chuyển tr ên ên tuyến đo, (hình 3.5). B∞

N∞

A

a M

n=1 n=2 n=3

+

a

a

a

+

+

+

+

+ +

+ +

Hình 3.5: Đo sâu hệ cực thế [email protected]

23

+ +

+

Đầu tiên cực A đặt cố định, cực M di chuyển lần lượt n=1, 2, 3... 8, sau đó mới di chuyển điện cực A tới khoảng cách a kế tiếp và đo lại như lúc đầu. Điện trở suất biểu kiến đo được tính theo công thức:  k  k

u

I k  2 na

(3.4)

Điểm ghi k ết ết quả tại chiều sâu :

Z n   n Ln   n .na V ới: -  n là h ệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ d ài ài của hệ cực

3.3.2. Đo sâu đa cực hệ 3 cực (Pole -Dipole) Đo sâu đa cực sử dụng hệ 3 cực AnaMaN có điện cực B , hai cực thu MN=a di chuyển tr ên ên tuyến đo (xem hình 3.6), mỗi lần di chuyển bước

đều bằng a, với lần lượt n= 1, 2, 3,... 8, sau đó di chuyển cực A đến vị trí kế tiếp sau đó đo lại từ đầu. A A

3a 2a

M a M

N

N

A a M a N n=1 n=2

+

+ +

n=3

+ +

+

+ +

+

+ +

+

Hình 3.6: Đo sâu đa cực hệ 3 cực

Hệ số thiết bị K v à chiều sâu điểm ghi kết quả Z n như sau:

k  2 an(n  1) Z n   n Ln   n .na [email protected]

24

V ới: -  n là h ệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ d ài ài của hệ cực

3.3.3. Đo sâu đa cực hệ 4 cực đối xứng Wenner -Schlumberger Đo sâu đa cực sử dụng hệ 4 cực đối xứng Wenner - Schlumberger (W-S) AnaMaNnaB có hệ cực bố trí như trên h ình 3.7. Với n=1 ta có hệ cực Wenner, sau đó n=2, 3,… 8 là hệ cực Schlumberger. A A

3a 2a

M a N M a N

3a

2a

B

B

A a M a N a N n=1

+

n=2 n=3

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Hình 3.7: Đo sâu đa cực hệ 4 cực Wenner - Schlumberger

Hệ số thiết bị K v à chiều sâu ghi kết quả như sau: k   an(n  1) Z n   n Ln   n .na thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 V ới: -  n là h ệ số th - Ln là độ d ài ài của hệ cực

3.3.4. Đo sâu đa cực hệ lưỡng cực ( Dipole-Dipole) Đo sâu đa cực sử dụng hệ cực lưỡng cực AaBnaMaN, có hệ cực được bố trí như hình 3.8. Quá trình đo và dịch chuyển hệ lưỡng cực MN với bước dịch chuyển n=1, 2, 3, … 8, sau đó dịch chuyển hệ cực phát AB

và đo lại từ đầu. Hệ số thiết bị K v à chiều sâu ghi kết quả như sau: k   an(n  1)(n  2) Z n   n Ln   n .(n  1)a

[email protected]

25

V ới: -  n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ d ài ài của hệ cực A a

B

3a

A a

B

A a

B a M a N

2a

n=1

+

n=2

M a N M a N

+ +

n=3

+ +

+ +

+

+ +

+

+

+ +

+

+ +

+

Hình 3.8: Đo sâu đa cực hệ lưỡng cực 3.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU 2D

3.4.1. Cơ sở lý thuyết bài toán ngược Thực chất bài toán ngược đo sâu điện 2D l à tìm mô hình lát cắt 2D sao cho cực tiểu hóa phiếm hàm F giữa độ lệch b ình phương giá trị logarit

điện trở suất đo được qi(z j) trên lưới đo thực tế v à giá tr ị gi(x) là logarit điện tr ở suất tính tr ên ên mô hình. 

2

1  qi ( z j )  gi ( z j , p) ( ) F x     i  0  2 n i1 gi ( z j , p ) n

(3.5)

Với: - qi(z j ) là giá tr ị logarit điện trở suất đo suất đo qi  lg  k ( z j ) - gi ( z j , p ) là giá tr ị logarit điện trở suất tính tính theo tham s ố tr ên ên mô hình:





gi ( z j , p )  lg  T ( z j , p ) 

- p là véctơ giá trị tham số của mô h ình 





p  p (  k , ak , hk )  p ( p k )

+ pk là tham số của mô hình 2D + pk  (  k , ak , hk ) là giá tr ị điện trở suất, chiều rộng v à chiều dày của các khối hộp địa phương trên mô hình

[email protected]

26

-  pk là bước thay đổi tham số p k , v ới  pk nhỏ thì:

g i ( pk   pk )  gi ( pk )  J  pk

=> J . pk  gi ( pk   pk )  g i ( p k )   i

(3.6)

Ở đây: J là ma tr ận ận Jacobi của mỗi lần thay đổi mô hình: J ik 

g i  pk

Như vậy bước bư ớc dịch chuyển:  pk

 J 1. i

(3.7)

với: J -1 là ma tr ận ận nghịch đảo của ma trận J

3.4.2. Chương tr ình xử lý đo sâu điện 2D: RES2DINV Số liệu đo qi(z j) được đưa vào theo phương pháp đo, số điểm đo, ình tự đo, sau đó chương tr ình ình chạy theo thuật toán sau: kích thước a theo tr ình ình (3.6) để giảm sai số εi có thể sử dụng phương Theo phương tr ình trình Gauxơ - Newton xác định đ ịnh sự thay đổi tham số mô hình để giảm tổng sai số b ình phương của phương tr ình ình (3.7):  p k

 J  1 i

Với sự thay đổi tham số n ày, tính toán lại vectơ thay đổi tham số nhận được mô hình mới: g n  gn 1   pn 1

(3.8)

Tuy nhiên trong thực tế bài toán ngược Địa vật lý ma trận J -1J có thể là k ỳ dị nên phương tr ình ình bình phương tối thiểu (3 .6) không có lời giải. Nếu kết quả đo qi(z j) có sai số lớn, ma trận sản phẩm J -1 J g g ần kỳ dị,

ết quả giải bài toán theo phương tr ình k ết ình (3.8) sẽ sai với thực tế; trong trường hợp này phải dùng phương pháp hồi quy thực hiện theo phương pháp b ình ình mới: phương tối thiểu cưỡng bức với v ới phương tr ình ( J 1.J   f ) p  J 1 i

(3.9)

Ở đây: - f  f x1. f x  f z1. f z là ma tr ận ận làm trơn lọc đi các số liệu sai số l lớn [email protected]

27

- f x là bộ lọc theo phương ngang - f z là bộ lọc theo phương thẳng đứng - λ là hệ số suy giảm hay trọng số của các bộ lọc làm trơn

Sau khi εi=εmin đạt kết quả, mô hình gn được chấp nhận là mô hình

ết quả, chương tr ình k ết ình giải bài toán ngược sẽ dừng lại, tr ên ên màn hình máy hiện lên: (x, z) của tài liệu đo. - Lát cắt điện trở suất biểu kiến qi = ρk (x,

- Lát cắt điện trở suất được tính toán ở lần lặp thứ i: gi(x, z) - Ch C hấp nhận εmin thì cho mô hình ρ(x, z)=gn(x, z) ở lần tính lặp thứ n là mô hình k ết ết quả. 3.5. ÁP DỤNG ĐO SÂU ĐIỆN 2D

Áp dụng phương pháp đo sâu điện trở 2D rất có hiệu quả trong lát cắt địa điện có các bất đồng nhất khối 2D. Đó là các đới dập vỡ, đứt g ãy

địa ch ất, đới phát triển karst. Khi đó kết quả áp dụng đo sâu điện 2D cho ta lát cắt địa điện 2D: ρ(x,z)= 2D: ρ(x,z)=gn(x,z) là b ức tranh phân bố điện trở suất của lát cắt 2 chiều. Sau đó sẽ luận giải địa chất để cho kết luận về đối tượng địa chất có thể là đới chứa nướ c cần quan tâm nằm tr ên ên tuyến khảo sát, (xem hình 3.9). -10

-9

-8

-7 -6

-5

-4

-3

-2

0

1

2

3

-5

-35

-65

-95

f3

-125

-155 -305

-275

-245

-215

-185

-155

-125

-95

-65

-35

-5

25

Hình 3.9: Xác định đứt g ãy ãy địa chất theo theo k ết ết quả đo sâu 2D tuyến T4_MV1 khu vực M èo èo V ạc, ạc, H à Giang

[email protected]

28

55

Chương IV: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU PHÂN CỰC 2 D 4.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC KÍCH THÍCH

4.1.1. Hiện tượng phân cực kích thích Hiện tượng sinh ra

trường điện thứ cấp khi có tác động của dòng điện vào môi

A

M



E

trường dẫn điện ba pha (pha

N

B



E pc

ẵn, pha lỏng, pha khí) gọi l à r ẵn, hiện tượng phân cực kích thích. Bản chất của hiện tượng phân cực kích thích là bản chất điện hóa xảy ra trong môi

Hình4.1a: Hình4.1a : S ự phân cực mặt của ật thể quặng V ật

trường 3 pha: rẵn, lỏng, khí. Nguồn gốc của hiện

tượng phân cực có thể tóm tắt như sau: - Khi có dòng điện bên ngoài làm biến dạng lớp kép tr ên ên m ặt khoáng vật dẫn điện điện tử, do p hản ứng oxy hóa, gây ra hiện tượng phân cực mặt trên bề mặt vật quặng và môi trường bên ngoài, hình 4.1a. - Khi có dòng điện bên ngoài làm chuyển động các ion tạo ra các miền có nồng độ ion khác nhau do cấu trúc lỗ hổng, vai tr ò hấp phụ của sét, màn chắn của các hạt khoáng vật dẫn kết quả tạo th ành các miền phân cực khối, xem hình 4.1b,c,d,e,f.

Chất điện phân

[email protected]

Hình4.1b: Dung d ịch ịch điện phân có các

+

anion và cation chuyển động tự do

Anion Cation

30

-

-

-

-

-



-

-

-

   

-



    





Sét

 

Hình4.1c: Phân cực trong dung d ịch ịch

điện phân có các điện tích chuyển + động tới màng mỏng chắn bởi các



khoáng vật d n

-

-

 

     

-

-

Hình4.1d: Phân cực do các điện 

tích dương bị sét bắt giữ



Chất điện phân Anion liên k ết ết Hình4.1e: Phân cực do các điện tích k ết ết khối Anion Cation

Hình 4.1f: Phân cực do cấu trúc rang buộc của các phân bố lỗ rỗng

Đớ i phụ thuộc (thụ động)

Đới tích cực

- Dòng điện gây ra phản ứng của các hạt khoáng vật dẫn điện xâm tán phân bố trong đất đá tạo nên các miền phân cực khối.

4.1.2. Đặc điểm - Trường phân cực thứ cấp tương đối yếu so với trường sơ cấp (0.11) Am Ampe U pc  n (0.01  0.1 0.1)U do vậy khi đo đạc cần dòng phát lớn I  n(0.1

- Để bảo đảm đo được U pc buộc phải mở MN lớn hơn nên độ phân giải kém hơn - Đo được 2 chế độ dòng một chiều và dòng xoay chiều: U pc(t ) và U pc pc ( ) . [email protected]

31

4.1.3. Các đặc trưng phân cực cơ bản

∆U PC

a. Đặc trưng mật độ dòng Thế phân cực tỉ lệ với mật độ d òng phát, xem hình h ình 4.2. U pc   . j 

 

.E

(4.1)

J

b. Đặc trưng thời thờ i gian. Thế phân cực giảm dần theo quy luật gần đúng với quy luật h àm mũ: U pc (t )  U pc (o ).e   t

(4.2)

Hình 4.2 : Đặc trưng mật độ d òng òng UPC

Với hệ số suy giảm λ l à t ốc độ suy giảm ln của thế phân cực, (h ình 4.3) t

U pc (t )   .U pc (t ) t  ln U pc (t ) t

N¹ p

Ng t

Hình 4.3: S ự suy giảm của thế Phân cực Thế phân cực giảm cũng có thể coi gần đúng theo quy luật Hypebol,    

(4.3)

(hình 4.3): U pc (t ) 

U pc (o) 1  kt

(4.4)

Các quy luật này chỉ n ên coi là g ần đúng cho từng khoảng thời gian nhất định.

Phương pháp đo sâu phân cực vẫn thực hiện nguy ên lý đo sâu theo kích thước hình học mà không đo sâu phân cực theo nguyên lý thời gian vì tính chất lý hóa của hiện tượng phân cực xảy ra ở tần số thấp không liên

quan đến chiều sâu thấm sâu theo hiệu ứng Skin của trường chuyển hay đo sâu tần số.

[email protected]

32

4.1.4. Các tham số phân cực Khi đo phân cực người ta tính các tham số phân cực sau: a. Độ phân cực biểu kiến Độ phân cực biểu kiến l à t ỉ số giữa thế phân cực ở thời điểm đo t so với thế ở thời điểm phát d òng.  k (t ) 

U pc (t ) % U

(4.5)

Do đo được ∆U n ên v ẫn xác định tham số điện trở suất biểu kiến:  k  K

U I

Quan hệ giữa k với  k như sau: *

 k 

 k

  k *

 k

(4.6)

Ở đây: -  k * là điện trở suất biểu kiến đo được của môi trường phân cực. - ρk là điện trở suất biểu kiến đo được của môi trường không phân cực

b. Độ phân cực cự c tích phân (tổng độ nạp) Độ phân cực tích phân l à tham số tích phân độ phân cực trong khoảng thời gian t  t2  t 1 t 2 t 2

k

 k (t )dt  t 1

 U

pc

(t )dt

t 1

U

ổng độ nạp Hình 4.4: T ổng

(4.7)

Đây là diện tích đường cong suy giảm ηk (t) trong khoảng thời gian: t  t2  t 1 , xem hình 4.4

c. Độ phân cực tổng hợp Độ phân cực tổng hợp là tỉ số giữa độ phân cực biểu kiến và điện trở suất biểu kiến: [email protected]

33

 k * (t , r ) 

 k (t , r )  k ( r )

(4.8)

V ới cùng đối tượng quặng dẫn điện tốt sẽ có ρk giảm, trong khi đó k (t ) l ại

lớn, do vậy độ phân cực tổng hợp sẽ có giá trị

 k * (t ) lớn

hơn. Tham

số này không những làm tăng độ phân giải m à còn có ý ngh ĩa như tham số thể hiện triển vọng quặng kim loại, (xem h ình 4.5).

η*k

*

ηk

ρk ηk r Hình 4.5 : Đồ thị độ phân cực tổng hợp

Ứng với quặng xâm tán, có điện trở suất cao th ì độ phân cực tổng hợp được tính:  k* (t )   k (t ). k

(4.9)

và cũng có giá trị lớn hơn k (t ) . 4.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐA CỰC PHÂN CỰC 2D

4.2.1. Định nghĩa Phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D là phương pháp đo sâu nghiên cứu ρk , ηk theo cả chiều ngang và chiều sâu, được thực hiện theo nguyên lý đo sâu hình học tr ên ên tuyến đo, tức là tăng kích thước theo bội số của MN=a như đo sâu đa cực 2D

4.2.2. Phương pháp kỹ thuật đo a. Phát dòng: Phát dòng I l lớn cỡ 10 lần so với đo điện trở.

[email protected]

34

b. Hệ cực - Khi lát cắt có ρ(z) tăng theo chiều sâu có thể đo sâu với hệ cực Wenner-Schlumberger (W-S), hoặc lưỡng cực (D -D). - Khi lát cắt có ρ(z) giảm theo chiều sâu thì chỉ đo sâu với hệ cực Wenner (W).

4.2.3. Phương pháp xử lý t ài liệu đo sâu đa cực phân cực 2D Do bài toán thuận và bài toán ngược của đo sâu đa cực 2D và đo sâu ình đa cực phân cực 2D là giống nhau do đó có thể áp dụng chương tr ình RES2DINV của A.H. LOKE để xử lý đồng thời cho các tham số ρk và ηk , còn nếu xử lý cho tham số tổng hợp thì bức tranh kết quả xử lý:  k * 

k  k

sẽ tăng độ phân giải hơn nhiều.

4.2.4. Áp dụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D Phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D được áp dụng chủ yếu để tìm kiếm quặng sulfua đa kim dạng xâm tán. Còn trong địa chất thủy văn người ta á p d ụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D để phân biệt đới phá hủy dập vỡ chứa nước và đới phá hủy dập vỡ chứa sét không chứa nước. Bởi vì, đới dập vỡ nứt nẻ chứa nước và chứa sét đều có điện trở suất thấp do đó áp dụng các phương pháp đo

sâu điện 1D hoặc đa cực 2D đều có dị thường điện trở nhỏ. Khi đó áp dụng phương pháp đo sâu phân p hân cực 2D, nếu đối tượng chứa sét sẽ có dị thường phân cực cao, (xem hình 4.6).

[email protected]

35

ụng đo sâu điện 2D t ìm Hình 4.6: Áp d ụng ìm nước trong đới dập vỡ

[email protected]

36

Chương V: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN (TEM) (ĐIỆN TỪ CHUYỂN TIẾP) NG CHUYỂN 5.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜ NG

5.1.1. Định nghĩa phương pháp đo sâu trường chuyển Phương pháp đo sâu trường chuyển là phương pháp đo sâu theo nguyên lý thời gian dựa tr ên ên hiện tượng cảm ứng điện từ khi ngắt xung dòng chạy trong vòng dây không nối đất, đo trường thứ cấp trong vòng dây thu ở dải thời gian sớm từ v ài µs đến vài chục ms, đo được chiều sâu từ v ài chục mét đến vài trăm mét. Chiều sâu khảo sát được tính theo hiệu ứng Skin Z 

k 

t 0 k (t )

5.1.2. Đặc điểm của phương pháp trường chuyển Phương pháp trường chuyển có các đặc điểm như sau:

- Phát dòng từ tạo bởi dòng điện chạy trong khung dây không nối đất đấ t do dòng điện không chạy vào môi trường đất đá nên đo được ở vùng lớp phủ điện trở cao như: cát khô, đá bazan, lớp phong hóa vùng vù ng cao nguyên. - Kích thước vòng dây có cạnh thường nhỏ hơn nhiều chiều d ài hệ cực của phương pháp điện trở (l << AB ) nên r ất ất khả thi, đồng thời có tính

định xứ tốt do m ặt sóng là mặt tr ụ có bán kính mặt trụ bằng chiều cao h ình tr ụ r=z, vì thế mặt sóng lan rộng ra th ì cũng đồng thời thấm x uống sâu hơn, (xem hình 5.1). - Do phát trường từ n ên trường thấm qua được lớp điện trở suất cao

như: đá vôi, thạch cao, muối mỏ để thấm xuống sâu. - Khi nghiên cứu cấu tạo, tức nghiên c ứu cấu trúc thì cần dòng phát lớn cỡ vài chục Ampe.

[email protected]

37

5.1.3. Bản chất của phương pháp trường chuyển Bản chất của phương pháp trường chuyển là hiện tượng cảm ứng

điện từ do các đối tượng dẫn có trong môi trường tạo thành dòng xoáy. Đo trường thứ cấp của d òng xoáy gọi là tín hiệu trương chuyển. 5.1.4. Cơ chế đo sâu trường chuyển theo nguy ên lý thời gian Cơ chế đo sâu trường chuyển theo nguyên lý thời gian, chia thành các giai đoạn sau : - Giai đoạn sớm: trường chuyển của d òng xoáy xuất hiện từ lớp phủ trên gần bề mặt. - Giai đoạn giữa: trường chuyển của d òng xoáy do các đối tượ ng ng dẫn

địa phương lớp dẫn trầm tích nằm dưới lớp phủ. - Giai đoạn muộn: trường chuyển của các d òng xoáy của các lớp nằm sâu và tắt dần theo thời gian. 5.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG P HƯƠNG PHÁP TRƯỜNG CHUYỂN

ình cơ bản của phương pháp đo sâu trường chuyển l à Phương tr ình ình truyền sóng: phương tr ình 



 A  k 2 A  0

(5.1)



ở đây: A là vectơ thế của trường chuyển Do trường ở tần số thấp n ên:

k 2  i ở đây: k là số sóng,  là độ dẫn. 

Với: A  A 0 e i t nên: 

  A  i A0 e i t  i A t

(5.2)

Từ (5.1) và (5.2) ta có phương tr ình ình truyền sóng dạng: 

 A   .



 A  0 t

(5.3)

ình thấm ở miền thời gian. Do phát dòng dưới dạng Đây là phương tr ình xung I=I 0.[1-X(t)] do đó chúng ta chỉ việc giải phương tr ình ình trên trong [email protected]

38

miền tần số sau đó chuyển một cách tương ứng kết quả từ miền tần số sang miền thờ i gian bằng biến đổi Laplatxơ: 

1  A(t )  A( )e  i t d   2  

(5.4)

Công thức (5.4) áp dụng được khi thay các đại lượng tương ứng: A     E    ; H    và A  t   E  t  ; H  t 

Nếu tiến hành phát dòng bằng vòng dây tròn bán kính R để tính toán

được thành phần điện và từ phải chia nhỏ vòng dây thành các yếu tố, mỗi yếu tố này được coi như một lưỡng cực điện nằm ngang v à tính tích phân theo vòng tròn,sau đó áp dụng (5.4) ta thu được suất điện động trong khung dây thu trùng với khung dây phát khi đặt tr ên ên nửa không gian đồng nhất:   t  

 3 2  t  .ISP S T

20 3 2

52

   . 0   t 

(5.5)

Từ đó, ta tính được độ dẫn của môi trường: 23

 20  t    t 5 3  k  t      .  S I S  p T    0 

(5.6)

Trong đó: - S T T , S p diện tích khung thu và khung phát Đây là công thức tính độ dẫn biểu kiến theo thời gian và cũng là công thức tính đường cong đo sâu trường chuyển. 5.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN

5.3.1. Đặc điểm của tín hiệu trường chuyển - Tín hiệu trường chuyển là tín hiệu trường thứ cấp n ên r ất ất nhỏ. - Tín hiệu không chỉ vừa nhỏ lại gặp nhiều nhiễu: nhiễu d òng một chiều, nhiễu điện từ, nhiễu tự cảm của vòng dây, nhiễu cảm ứng của vòng dây, của vật sắt từ đặt cạnh khung dây … - Ghi ở các thời điểm trong khoản g thời gian rộng từ: 2 s  64ms

5.3.2. Nguyên tắc phát và thu trường chuyển - Nguyên tắc phát trường chuyển: d ùng máy phát xung vuông góc qua vòng dây không nối đất, (hình 5.1). [email protected]

39

Hình 5.1: phát xung tr ường ường chuyển a: Dòng xoáy ngay sau khi cắt d òng òng phát

ại các thời điểm kế tiếp b, c, d: Dòng xoáy t ại - Nguyên tắc thu tín hiệu trường chuyển: Dùng vòng dây thu tr ường ường cảm ứng điện từ trong khung dây xuất hiện biến thiên từ thông thu được tín hiệu suất điện động cảm ứng ε(t) ở 2

đầu khung dây, (hình 5.2). 

  H  (t )      .S . t t

(5.7)



 H t

 (t )

 (t )

 (t )

t Hình 5.2: Thu tín hiệu trường chuyển

5.3.3. Máy đo trường chuyển a. Sơ đồ nguyên tắc của máy đo trường chuyển

Để khắc phục nhiễu dòng một chiều người ta chế tạo máy phát xung đổi chiều (hình 5.3).

[email protected]

40

a)

Ip t

b)

c)

Ut

Ug

On time

Off time

Hình 5.3: Phát Phá t và thu xung đổi chiều

Do tín hiệu trường chuyển nhỏ, nên phải phát chùm xung và tích lũy tín hiệu n lần rồi lần trung b ình, đồng thời cũng giảm được nhiễu ngẫu nhiên ni:

n  n 1   (t )     i (t )   ni    (t ) n  i1 i 1  0  

(5.8)



Với:  (t ) là giá tr ị trung bình của tín hiệu. Tín hiệu ghi ở các thời gian bằng đồng hồ thạch anh với độ chính xác cao.

b. Các máy đo trường chuyển hiện nay n ay Các máy đo trường chuyển hiện đại: + PROTEM-47K (SINTEX – Mỹ) + PROTEM-57MK2 (SINTEX – Mỹ) + KACKAD (Nga).

5.3.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu trường chuyển a. Chọn kích thước khung dây.

Kích thước khung dây phát được chọn t ùy thuộc độ dẫn dọc của lát cắt và được tính theo công thức:

[email protected]

41

lH4

 min

I min

. 0 .67.S  0.1H 4 67.S

(5.9)

Ở đây: - H: chiều sâu nghiên cứu của lát cắt -  min : tín hiệu nhỏ nhất tin tưởng của máy. -  0 : giá tr ị tín hiệu ứng với một số đọc của máy - I min : dòng phát nhỏ nhất - S: t ổng ổng độ dẫn dọc của lát cắt: n

S   S i do n lớp tr ên ên móng i 1

Đây là kích thước khung dây tối đa, nhưng để nghi ên cứu được các chiều sâu nhỏ hơn người ta chia th ành nhiều khung nhỏ hơn. - Khung l1 khảo sát được khoảng chiều sâu:

0.3l1  Z1  2l1

- Khung l2 khảo sát được khoảng chiều sâu:

0.3l 2  Z 2  2l2

………………………………………………… - Khung ln khảo sát được khoảng chiều sâu:

0.3l n  Z n  2l n

Chọn khung dây thu: có thể chọn khung dậy thu bằng khung phát,

trường hợp chọn khung dây thu nhỏ hơn khung phát phải tăng số vòng thu n lần, tuy nhiên s ố v òng thu không được quá nhiều sẽ có hiện tượng tự cảm

đ o sâu trường chuyển dẫn đến sai về làm chậm thời gian thu, như vậy xử lý đo chiều sâu. b. K ỹ thuật đo sâu trường chuyển Tr ải ên tuyến đo, các vòng cách ải các vòng dây phát k ế tiếp nhau tr ên nhau bằng cạnh vòng dây. Vòng thu đặt ở tâm vòng phát, (xem hình 5.1). c. Các hiệu ứng trường chuyển hỗn hợp - Hi ện tượng phân cực cảm ứng ở thời gian sớm (h ình 5.4a): tín hiệu

trường chuyển ghi được là tổng của hai hiệu ứng:  (t )   cu (t )   pc (t )

[email protected]

42

Ở thời gian sớm có thể hiệu ứng phân cực  cu (t ) nên  (t ) có giá tr ị

 pc (t )

lớn hơn tín hiệu

âm.

- Hiện tượng phân cực siêu thuận từ ở thời gian muộn (hình 5.4b): Một số đá phong hóa laterit, ba zan có độ từ thẩm µ gây ra phân cực ở giai

đoạn muộn, dễ nhầm tưởng lớp móng có điện trở suất thấp. - Hiệu ứng phân cực điện môi của nước ngầm, phân cực η của dầu khí ở thời gian muộn cũng làm tín hiệu trường chuyển tương đương như một tầng dẫn điện tốt.  (t )

 1 ( z )

 cu (t )

 pc (t )

10-5

z 10-4

t

10-3

Hình 5.4a: Hi H iệu ứng phân cực ở thời gian sớm

Hình 5.4b: Hi ện tượng phân cực siêu thuận từ

5.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN

Công thức xử lý đường cong đo sâu trường chuyển như sau:

5.4.1. Công thức đường cong theo th ời gian Công thức đường cong độ dẫn theo thời gian:

 20. (t )    I .S P S T 

 k (t )   

2 3

5 3

 t  .    0 

(5.10)

hoặc điện trở suất: 1  I .S P S T   k (t )      20. (t ) 

[email protected]

2 3

  0

5 3

 .   t  43

(5.11)

Trong đó: - t: thời gian ghi tính bằng ( s) -  (t ) : tín hiệu suất điện động của khung dây ở thời điểm t, tính bằng (Vol) - I : cường độ d òng òng phát chạy trong khung thu , tính bằng Ampe - S P S T : điện tích khung phát, và khung thu, tính bằng m 2 -

0

 4 .1 .107 H / m : độ thẩm từ của không khí

Công thức: độ dẫn  k (t ) hoặc điện trở suất

 k (t ) theo

độ phân giải thấp, tính định xứ kém v ì

thời gian có 

phụ thuộc vào thời gian là thông số tỉ lệ với chiều sâu.

5.4.2. Công th ức đường cong đo sâu trường chuyển theo chiều sâu Coi độ dẫn trường

nửa

là của môi

 k (t )

không

gian

 k (t )

F.M

Kamenhetski đ ã đưa ra công thức tính độ dẫn theo chiều sâu:  d  i ( z )    z  dz

 i ( z )

  k (t )   

 i ( z )

2

Để thuận lợi cho việc tính toán,

Hình 5.5: Đồ thị quan hệ giữa độ dẫn và chiều sâu

sau một số biến đổi có thể đưa về các công thức sau: - Độ dẫn theo chiều sâu được xác định bằng công thức:  i ( z ) 

 k (t )

  lg  k (t )  1   lg t   

2

(5.12)

- Điện trở suất theo chiều sâu: 2

  lg  k (t )  i ( z )   k (t ) 1    lg t   [email protected]

44

(5.13)

Ở đây: z 

2

t



 0 . k (t )

t.  k (t )

2



 0



(5.14)

Các đường cong độ dẫn  i ( z ) ho ặc  i ( z ) là độ dẫn hoặc điện trở suất của lớp mỏng thứ i ở chiều sâu z nên có độ phân giải cao, tính định xứ tốt

cho phép xác định vị trí thân quặng hoặc tầng dẫn điện trong lát cắt đị a chất, (hình 5.5 và 5.6).

5.4.3. Phương pháp phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển Sidorov. V. A (Liên Bang Nga) quan niệm môi trường gồm các lớp dẫn song song, đóng góp vào tín hiệu trường chuyển theo công thức tính gần đúng:  (ti ,si , zi ) 

I .S p .S T 67.S .Z j4

(5.15)

Với: - t i là thời gian máy ghi ở thời điểm đo - S i là độ dẫn dọc của lớp thứ I có trong lát cắt - Z j là chiều sâu khảo sát - S là độ dẫn dọc tổng cộng đến chiều sâu Z j

Khi đó, các thông số của bài toán ngược đo sâu trường chuyển được tính như sau: ti   0 S  Z j  h( z j )  Z j 

t j

2

(5.17)

h1S1  h2 S2  ...  hi Si S i

(5.18)



h( z j ) 

(5.16)

0 k (t j )

h(z j) gọi là chiều sâu lớp mỏng tương đương có độ dẫn S đến chiều

sâu Z j.

[email protected]

45

Khi đó, nghiệm của bài toán ngược chỉ c òn l ại là sự lựa chọn các độ dẫn dọc S i của các lớp sao cho phiếm hàm giữa tín hiệu tính toán theo công thức (5.15) và tín hiệu đo ε(tj) là cực tiểu. g ( si ) 

1 n   (t j , si , z j )   (t j )  min n j 1

(5.18)

Chương tr ình ình giải bài toán ngược theo thuật toán (5.18) cho kết quả được đường cong σ i(z) hoặc ρ ặc ρi(z) với độ chính xác từ 10÷20 %.

5.4.4. Biểu diễn kết quả đo sâu trường chuyển K ết ết quả đo sâu trường chuyển biểu diễn dưới 2 dạng: a. Lát cắt độ dẫn  k ( x, t ) hoặc điện trở suất  k ( x, t ) theo thời gian Tr ục ục hoành tại vị trí điểm đo x, trục tung tại giá trị thời gian t theo

hướng xuống dưới ghi giá trị

 k ( x, t ) hoặc  k ( x, t ) ,

vẽ đẳng trị ta được lát cắt

độ dẫn hoặc điện trở suất theo thời gian. b. Lát cắt độ dẫn  i ( x, z ) hoặc điện trở su suất  i ( x, z ) theo chiều sâu

ục hoành tại vị trí điểm đo x, trục tung tại giá trị chiều sâu z theo Tr ục hướng xuống dưới ghi giá trị cắt độ dẫn

 i ( x, z ) ho ặc

 i ( x, z )

hoặc

 i ( x, z ) ,

vẽ đẳng trị ta được lát

điện trở suất  i ( x, z ) theo chiều sâu. Đó là b ức tranh

phân b ố độ dẫn điện hoặc phân bố điện trở suất của lát cắt 2D, phản ánh r õ các lớp trầm tích dẫn điện, địa h ình lồi l õm của móng điện trở cao, các đứt gãy, các cấu tạo nâng, hạ …

Đây là phương pháp có độ phân giải cao nếu trong lát cắt có tầng chỉ thị dẫn điện tốt như thân quặng dẫn, tầng đá nhiễm mặn … c. K ết ết quả phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển. Trên tuyến khảo sát, trục ho ành ghi vị trí điểm đo, trục tung ghi đồ thị kết quả phân tích định lượng đường cong ρi(z) ta được lát cắt kết quả

phân tích định lượng lượ ng đường cong đo đ o sâu trường chuyển. Dựa vào k ết ết quả này có thể vẽ lát cắt địa điện t rên tuyến khảo sát (xem hình 5.7)

[email protected]

46

5.5. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN

Phương pháp đo sâu trường chuyển áp dụng rất có hiệu quả để t ìm kiếm quặng dẫn điện tốt như quặng kim loại, pirit, sulfua đa kim. C òn trong

địa chất thủy văn có thể á p d ụng phương pháp đo sâu trường chuyển để t ìm kiếm nước ngầm trong thấu kính chứa nước (hình 5.6), đặc biệt rất hiệu quả

khi xác định ranh giới nhiễm mặn giữa nước ngọt và nước mặn ở các v ùng đồng bằng ven biển, (hình 5.7). -6

-7

-8

-5

-4

-3

-2 -2

-1

0

1

2

3

-10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80

-90

3

25

150 1000 3000

Hình 5.6: Lát c ắt điện trở suất ρi(z) đo sâu trường chuyển trên đối tượng thấu kính chứa nước

[email protected]

47

4

ết quả phân tích đường cong đo sâu trường chuyển K ết MÆT C¾T §ÞA VËT Lý - §ÞA CHÊT THEO TµI LIÖU TR¦êNG CHUYÓN (TEM) TUYÕN III - G IA O A N - GIA O THUû - NA M § Þ NH 100

D¹ N G § ¦ ê N G C O NG NG TEM

10

1

KÕT QU¶ PH¢N PH¢N TÝ CH § ÞNH L¦ î

NG § ¦ ê NG CO NG TEM TEM

0

0

00

00

0 - 25

975

475

1475

1975

2475

Lát cắt đẳng Ôm

ặt cắt địa vật lý- địa chất M ặt § Êt trång, sÐt lÉn Ýt ç t

MÆT MÆT C¾T § ÞA V Ë T Lý - § ÞA C HÊT

0

SÐt pha c ¸ t h¹ t mÞn -100

Ç t h¹ t trung ®Õn th«, th«, s¹ n, sá i lÉn sÐt sÐt xen kÑp

-200

SÐt, ç t h¹ t mÞn?

-300

§ ¸ g è c? c? -400 -25

475

975

1475

19 75

CHó DÉN §å thÞ ®iÖn trë vµ chiÒu dµy (mµu ®á) vµ trÞ t-¬ng ®-¬ng (®-êng ®øt nÐt)

Gi¸ trÞ ®o vµ ®-êng cong ph©n tÝch

Hình 5.6: Áp d ụng đo ụng đo sâu trường chuyển trong vùng nước nhiễm mặn

[email protected]

48

2 47 5

Chương VI: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 6.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

Phương pháp cộng hưởng từ là phương pháp đo sâu được kích động bởi các xung dòng q  I . ch ạy trong vòng dây không nối đất, tạo ra trường từ kích động các phân tử nước chứa hyđrô gây nên hiệu ứng chuyển động tuế sai. Lượng phân tử H 2O càng lớn, trường từ tuế sai càng mạnh, ghi tín hiệu trường này do các phân tử H 2O gây ra sẽ xác định được hàm lượng

nước ở các chiều sâu khảo sát. 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

Các hạt cơ bản tích điện như proton, điện tử hay hạt nhân nguyên tử luôn có chuyển động tự xoay quanh trục của mình, tạo ra trường từ riêng với moment spin từ xác định. Trong không gian có từ trường, như trường địa từ B0, thì phần lớn các hạt sẽ định hướng trục này theo phươn g của trường từ ngoài.

Khi có thay đổi phương trường từ, các hạt sẽ định hướng lại moment spin từ theo phương mới. Quá tr ình ình định hướng lại diễn ra theo hiệu ứng con vụ, hạt sẽ chuyển động tuế sai đến khi hạt được hướng cân bằng mới,

đồng thời phát ra một trường điện từ đặc trưng có tần số xác định gọi là tần số Larmor theo công thức:

f L 



B0

(6.1)

2

Trong đó: f L - là t ần ần số Lamor B0 - trường địa từ  - Là h ệ số hồi chuyển từ của hạt cơ bản đó

Thực nghiệm vật lý cho thấy quan sát thuận lợi nhất là trường hợp hạt prot proton on,, hay hay hạt nhân của nguyên tử hydro 1H1. Hạt này có hệ số   0,268 Hz / nT ,

do đó biểu thức tần số sẽ là: f L  0.04258 B0 [email protected]

49

Thực nghiệm cũng cho thấy trường kích thích hay trường từ hoá cần vuông góc với trường B 0, cũng như quan sát vào lúc cắt trường từ hoá. 6.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ H HẠT NHÂN

Trên mặt địa cầu trường địa từ B0 tại vùng v ĩ độ không k hông cao lắm sẽ có

phương gần nằm ngang. Do đó trường từ hoá cần có phương thẳng đứng, òn. Để kích thích được tạo bằng khung dây nằm ngang dạng vuông hoặc tr òn. chọn lọc ở trạng thái cộng hưởng, khung dây này được cấp một xung dòng xoay chiều có tần số đúng bằng tần số Lamor:

I (t)  I0 cos(2 f Lt); 0  t 

(6.2)

òng phát Trong đó: I 0 - là biên độ cường độ xung d òng  - là thời gian phát xung

f L - là t ần dòng điện ần số dòng

Tần số dòng điện này được máy phát xác định dựa theo số liệu nhập vào của trường từ tại vị trí đo đạc. Thời gian phát thường là 40ms. Đại lượng q  I 0 . có thứ nguyên A.ms, gọi là moment xung, đóng vai tr ò tương tự như cự ly AB giữa hai cực

phát trong đo sâu điện. Đ o sâu cộng hưởng từ hạt nhân tiến hành với n mức xung khác nhau, thường là n = 16, để tạo ra đường cong đo sâu. Theo tính toán lý thuyết, độ sâu khảo sát trường bằng chiều d ài c ạnh khung dây hình vuông (a). Thườ ng ng dùng là a trong khoảng từ 50m tới 150m, tuỳ thuộc vào độ sâu của tầng chứa nước cần nghi ên cứu. Tín hiệu tuế sai E đo được trong khung dây suy giảm với thời gian theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian Ti. Trong cộng hưởng từ, người ta khảo sát trường từ hồi p hục dọc theo phương của trường B0 và vuông góc với phương của trường B 0, tương ứng với các phương đó có thời gian hồi phục dọc T1 và ngang T2. Trong thực tế trường cảm ứng từ tĩnh B 0

thường không đồng nhất, ảnh hưởng tới T2 làm cho ta chỉ đo được giá trị T 2 biểu kiến, được kí hiệu l à T và T 2*  T 2  T 1 . * 2

[email protected]

50

6.4. CƠ SỞ VẬT LÝ ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HẠT NHÂN HƯỞNG TỪ H

Điện áp đo được ngay sau ngắt xung E0 càng lớn khi hạt nhân hydro càng nhiều. Chúng có trong phân tử nướ c, c, dầu khí (đối tượng khảo sát của carota cộng hưởng từ) và c ả trong phân tử ở thể rắn. Chúng được phân biệt dựa vào đặc điểm hồi phục khác nhau, hằng số thời gian T i khác nhau do mức độ linh động khác nhau. Hạt nhân trong phân tử chất rắn có mức độ

linh động rất hạn chế và suy giảm rất nhanh (T2 qua nhỏ), như Bitum (một loại Hydrocacbon ở thể rắn) có T 2  0,1ms . Trong đất đá lỗ hổng như cát kết, tr ầm ầm tích vỡ vụn giầu thạch anh, các hạt nhân trong phân tử chất lỏng li ên k ết ết với bề mặt chất rắn, tiêu hao năng lượng nên năng lượng suy giảm nhanh (T2 nhỏ), hạt nhân ở trong lỗ hổng lớn hơn (nước tự do) có T 2 lớn

hơn. Máy đo có thời gian chết (máy chưa đo được) 30  40 ms , nên chỉ đo được tín hiệu của nước tự do. Điện áp E dao động theo tần số Lamor f L và suy giảm dần với thời gian theo quy luật hàm mũ được biểu diễn theo biểu thức sau: E (t , q )  E 0 ( q ) e  t / T cos( 2 f L t   0 ) * 2

(6.3)

Trong đó: -

 0

là độ lệch pha giữa d òng òng phát trong khung dây v ới điện áp đo

được (môi trường điện trở suất cao l à bằng không) - E 0 là biên độ ngay sau khi kết thúc xung d òng òng điện:

E 0 (q )   2 f L b1 M ( r ) sin  w ( r )dV (r ) v

ở đây: b1  B1 / i0  f ( r ,  ( r ), I ) Với: - B1 là thành phần vuông góc với B 0 của B1 -  (r ) là điện trở suất của môi trường - I là độ từ khuynh của trường địa từ - r = r(x,y,z) là vectơ toạ độ - dV là yếu tố thể tích tại toạ độ r [email protected]

51

(6.4)

- 0  W(r)  1 là hàm lượng nước (water content) l à t ỷ số giữa thể tích chứa nước tự do (free water, có thể khai thác được) so với thể tích của vật thể chứa tại vị trí. -



 0 , 5  b 1  q là góc quay đảo, góc mà vectơ từ hoá M

trong thể tích nguyên t ố dV tại vị trí quay đi khi có tác dụng của b1 .

Như vậy; M (r ) sin  W(r)dV(r) là thành phần vuông góc với vectơ từ hoá M trong thể tích nguyên tố dV tại vị trí r. Thành phần đó nhân với 2 f L M là đại lượng không đổi có thể làm rõ ý ngh ĩa vật lý của các số hạng.

Do vậy, các số thông số tín hiệu đo được của phương pháp cộng

hưởng từ có mối liên quan tr ực ực tiếp với các thông số thuỷ địa chất của bồn chứa, cụ thể là: - Biên độ E 0(q) có liên quan với hàm lượng nước, vị trí v à b ề dày của bồn chứa có thể được tính toán. - Thời gian suy giảm T *2 có liên hệ với kích thước lỗ hổng trung bình của các đá bão hoà nước. - Sự lệch pha φ0 của trường phục hồi với d òng điện kích thích trong khung dây có liên quan với điện trở suất của đất đá. Mối liên h ệ suy diễn từ kinh nghiệm giữa thời gian suy giảm tín hiệu và loại đá được tr ình ình bày trong bảng 6.1: Thời gian suy giảm (ms)

Tầng chứa nước

<30

Sét pha cát

30 ÷ 60

Cát pha sét và cát r ất ất mịn

60 ÷ 120

Cát m ịn

120 ÷ 180

Cát trung bình

180 ÷ 300

Cát thô và cát ch ứa cuội

300 ÷ 600

Tr ầm ầm tích cuội

600 ÷ 1000

Các th ể nước bề mặt

Bảng 6.1: K ế ng hạt nhân ế t quả thờ i gian tín hiệu cộng hưở ng vào loại đất đá [email protected]

52

Khi môi trường phân lớp ngang (1D), điện trở suất chỉ thay đổi theo phương tr ình ình tích phân Fredholm tuyến tính loại một như sau: L

(6.5)

E 0 ( q )   K ( q, z ) W(z)dz 0

Trong đó: K ( q , z ) 

 2  f b L

M sin  dxdy

1

xy

Giá tr ị E0 ghi trong (6.4), (6.5) không thể đo trực tiếp được do hiện

tượng chuyển tiếp điện từ trong mạch điện và được tính ra bằng cách ngoại suy theo quy luật hàm mũ. 6.5. ĐIỀU KIỆN VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HẠT NHÂN ĐỂ TÌM KIẾM NƯỚC NGẦM HƯỞNG TỪ H

6.5.1. Điều kiện áp dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân Phương pháp đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân chịu ảnh hưởng r ất ất mạnh bởi các nguồn nhiễu điện từ như thiết bị điện công nghiệp, đường

điện cao áp, công trình chứa vật liệu kim loại như nhà cửa, cầu cống,… do đó vị trí khảo sát phải cách nguồn nhiễu t ừ 500m trở lên. Đồng thời giá tr ị trường từ T trong phạm vi khung dây đ o phải đồng nhất, biến đổi trong khoảng nhỏ hơn 20nT; như thế không thể áp dụng phương pháp này trên vùng cao nguyên phun trào banzan, vùng đá xâm nhập…, cũng k hông hông thể tiến hành đo v ào thời gian xảy ra bão t ừ vì khi đó trường địa từ biến thiên

ất nhanh. r ất

6.5.2. Áp dụng đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân để t ìm kiếm nước ngầm Phương pháp đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân là phương pháp duy nhất cho phép xác định mức độ chứa nước theo chiều sâu song chỉ n ên tiến hành tại vị trí có triển vọng chứa nước ngầm th eo tài liệu của các phương ên pháp địa đ ịa vật lý khác ở giai đoạn trước. Bởi v ì điều kiện áp dụng như ở tr ên là quá ngặt nghèo, hơn nữa giá th ành áp dụng phương pháp này khá cao.

[email protected]

53

nướ c (%) tương ứng với chiều sâu của tầng Hình 6.1: Hàm lượng nước chứa trong đới dập vỡ nứt nẻ Áp d ụng phương pháp đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân cho phép đánh

giá độ chứa nước theo chiều sâu, (hình 6.1). Nhìn trên biểu đồ hàm lượng nước (Water content(%)) ta thấy ở độ sâu từ mặt đất tới độ sâu 23m hầu như không có nước. Từ độ sâu 23m tr ở xuống hàm lượng lượng nước tính theo (%) tăng dần đến độ sâu khoảng 40m đạt tới khoảng 10.5%. Mức độ chính xác của phương pháp càng cao khi lát cắt có tính phân lớp nằm ngang (1D). Với lát cắt bất đồng nhất khối, đới chứa nước trong đứt gẫy cắm thẳng đứng khả năng định lượng của phương pháp kém chính xác.

[email protected]

54

Chương Chương VII: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ TELLUA ÂM TẦ N 7.1. TRƯỜNG TỪ - TELLUA CỦA TRÁI ĐẤT

7.1.1. Nguồn gốc trường từ - tellua Trường từ - tellua là trường điện từ tự nhi ên, có d ải phổ tần số rất r ộng, ộng, (xem hình 7.1): f  105 103 (Hz) , tức là chu k ỳ T  10 3  10 5 (s) . Tùy thuộc dải tần số, trường từ - tellua có th ể chia thành các nguồn gốc sau:

Hình 7.1: Dải phổ tần số của trường từ - tellua

- Trường từ - tellua do gió m ặt trời truyền vào trái đất với vận tốc tới 400 Km/s có áp suất lớn làm biến dạng đường sức quyển từ đồng thời l àm

dao động đường sức địa từ tạo thành sóng thủy từ truyền vào trái đất, tạo thành sóng điện từ ở dải tần thấp T   10  105 (s)

f  105  10 (Hz) ,

hay chu k ỳ dài

có dao động hình sin, cường độ trường rất mạnh, (h ình 7.2).

- Trường từ - tellua do dòng điện chạy trong quyển ion có điện thế cao luôn luôn tạo ra dông, sét có tần số ở dải âm tần f  10  103 (Hz) , hay chu k ỳ ngắn T  101  103 (s) , (hình 7.2) - Trường từ - tellua ở dải tần chết: f  101  10 (Hz) , tức là chu k ỳ T  10  10 1 (s) , có biên độ nhỏ, (hình 7.1).

[email protected]

55

Hình 7.2: Ngu ồn gốc trường từ - tellua

Cường độ trường điện từ - tellua còn phụ thuộc vào v ĩ độ, mùa, thời gian trong ngày và tính chất địa điện của lát cắt, v ì vỏ trái đất l à dẫn điện

nên theo định luật cảm ứng điện từ sẽ xuất hiện d òng điện dẫn: 



j   E

7.1.2. Mô hình Trikhôn ốp-Karhina Mô hình Trikhônốp-Karhina dựa trên 3 giả thuyết như sau: - Trường từ - tellua có nguồn gốc ngoài trái đất do gió mặt trời và 

dông, sét jnl trong quyển ion. Do ở xa trái đất n ên khi truyền vào trái đất

dưới dạng sóng điện từ phẳng, (hình 7.3).

jnl

- Vỏ trái đất dẫn điệ n nên

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

tốc độ sóng v << C đồng thời do nguồn ở xa trái đất (hàng trăm km)

nên sóng điện từ phẳng đi v ào vỏ

б1, h1, k 1

trái đất theo phương vuông góc với mặt đất theo định luật khúc xạ:

б2, h2, k 2

sin  c   ; suy ra:   00 sin  v tức sóng truyền vào vuông góc với

б j, h j, k j

Hình 7.3: Mô hình h ình Trikhôn ốp-Karhina

mặt đất.

- Vỏ trái đất là l ớp trầm tích, phân lớp nằm ngang, do cảm ứng điện từ sẽ có dòng điện dẫn: 



j   E

[email protected]

56

7.1.3. Trường từ -telua trên môi trường vỏ trái đất với mô h ình 1D Do sóng điện từ phẳng nên: 

E ( z )   E x ( z ), E y ( z), 0 

H ( z )  H x ( z ), H y ( z ), 0

thỏa mãn phương tr ình ình sóng Hemhon, xuất phát từ hệ phương tr ình ình Macxwell: 



 rotH  (  i ) E    r o t E i H    0

(7.1)

từ đó ta có: 



E  k j2 E  0 

2 j



 H  k H  0

(7.2)

hay : 2



 E 2   k E  0  z 2 j   2 H 2   k j H  0  z 2

(7.3)

Ở đây: - k j là số sóng ở lớp thứ j, do t ần ần số thấp nên: k j  i 0 j

7.1.4. Trở kháng của môi trường phân lớp nằm ngang Với môi trường phân lớp nằm ngang của mô h ình Trikhonov-Kanhia, quan hệ giữa thành phần điện và từ vuông góc với nhau là tuyến tính; như vậy: Z xy 

Ex Hy

; Z yx  

Ey Hx

và Zxy=Zyx=Z là tr ở kháng của môi trường phân lớp

Nghiệm của phương trình (7.3) có d ạng: E(x j) (z)  Aeik z  Beik z là j

thành phần điện của lớp thứ j 



Từ phương tr ình ình Macwell: rotE  iH [email protected]

57

j

ta tính được H (y j) của lớp thứ j là: H (y j)

1 E (x j)  k j  ik z ik z   (Ae j  Be j ) i 0 z  0

(7.4)

Ta có tr ở kháng của lớp thứ j là: ik z

ik z

E x   0 Ae j  Be j  Z j (z )  Hy k j Ae ik j z  Beik j z

(7.5)

sau một vài biến đổi ta thu được công thức trở kháng của môi trường n lớp Z n (0) 

   0  k k   cth ik 1h1  arcth 1 cth ik 2 h 2  ...  arcth n 1   (7.6) k 1 k 2  k n   

)=1 - Với nửa không gian đồng nhất: n=1, h1= ; cth( )=1 Z1 

  0 k 1

(7.7a)

- Với môi trường 2 lớp : n=2; h2= Z2 

  0  k  cth ik 1h1  arcth 1  k 2 k 2  

(7.7b)

- Với môi trường 3 lớp: n=3; h3= Z3 

   0  k k   cth ik 1h1  arcth 1 cth ik 2 h 2  arcth 2   (7.7c) k 1 k 2  k 3   

6.1.5. Các giá trị tiệm cận của trở kháng a. Tiệm cận khi tần số cao )=1 Khi tần số cao  ; k 1  i01   ; cth( )=1 Zn 

  0 k 1

(7.8)

chứng tỏ ở tần số cao sóng chỉ truyền ở lớp thứ nhất có điện trở suất  1 b. Tiệm cận tần số thấp

Ở tần số thấp   0 tùy thuộc vào điện trở suất của lớp móng có điện trở suất cao hay thấp ta có biểu thức trở kháng khác nhau: * Tr ở kháng của lát cắt nền có điện trở suất cao :  n= [email protected]

58

- Với môi trường 2 lớp : σ 1,1, h1 , σ 2=0 Z2 

  0 k 1



cth ik 1h1  arcth



k 1  1  k 2  S1

(7.9)

- Với môi trường 3 lớp có các tham số σ 1,1, h1 , σ 2,2, h2 , σ 3=0 ta có: Z3 

1 1  1h1   2 h 2 S1  S2

(7.10)

- Với môi trường n lớp ta có : Zn 

1 1  ; với S=S 1+S 2+…+S nn-1 (7.11) S1  S2  ...  Sn 1 S

Điều đó chứng tỏ ở tần số thấp với móng l à nền điện trở cao, trở kháng tỉ lệ nghịch với tổng độ dẫn của các lớp nằm tr ên ên tầng móng. * Tr ở kháng của lát cắt có nền điện trở thấp  n =0 0; arcth(k 1 /k 2)  0 - Với môi trường 2 lớp: σ 1,1, h1 , , σ 2= ; khi  0; Z2 

  0  k  th ik 1h1  arcth 1   i 0 h1 k 1 k 2  

(7.12)

- Với môi trường 3 lớp có các tham số σ 1,1, h1 , , σ 2,2, h2 , σ 3= ta ta có: Z3 

  0 thik 1h1  ik 1h 2   i 0 (h1  h 2 ) k 1

(7.13)

- Với lát cắt n lớp với tham số σ 1, 1, h1 , σ 2, 2, h2 , ..., σ n-1, n-1, hn-1 , σ n n= Z n=-i µ0(h1+h2+...+hn)= -i µ µ 0 H H

(7.14)

ày các lớp nằm tr ên ên móng Ở đây: - H=h1+h2+...+hn-1 là t ổng ổng chiều d ày

Điều này chứng tỏ khi tần số thấp, móng điện trở thấp th ì tr ở kháng Z tỉ lệ với tổng chiều d ày các lớp nằm tr ên ên móng.

7.1.6. Hai khoảng tần số tương ứng với cấu trúc vỏ Quả đất Xét về tổng thể vỏ Quả đất gồm các lớp trầm tích có độ dẫn σ 1, chiều dày h1 phủ tr ên ên lớp vỏ Manti có đện trở suất cao  2= (σ 2=0), với chiều dày h2>>h1 và lớp dưới Manti có nhiệt độ cao, dẫn điện tốt (σ 3= ). ). Như vậy, v ề tổng thể môi trường gồm 3 lớp

[email protected]

59

Z

  0 h1  h 2 thik 1h1  ik 1h 2    0 k 1 1  i 0 h 2S1

(7.15)

Như vậy, tùy thuộc vào t ần số  s s ẽ tương ứng với hai khoảng tần số như sau: * Ở tần số tương đối cao :  µ0h2S 1>>1 từ công thức (7.15) ta có giá tr ị Z=1/S 1 ở khoảng tần số này tr ở kháng sẽ chỉ liên quan đến độ dẫn dọc của

các tầng trầm tích nên gọi là khoảng S. * Ở khoảng tần số thấp, tương ứng với  µ0h2S 1<<1, từ công thức (7.15) ta có giá tr ị: Z=-i µ0(h1+h2)=-i µ 0 H; với H= h1+h2

Ở khoảng tần số này tr ở kháng phụ thuộc vào tổng chiều dày trên tầng tựa dẫn điện vì vậy gọi là khoảng H. 7.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ - TELUA (MTZ) TRONG MÔI TRƯƠNG 1D

7.2.1. Định nghĩa Phương pháp MTZ là phương pháp nghiên cứu điện trở suất biểu kiến theo chiều sâu bằng cách quan sát tr ở kháng của trường từ - telua ở dải tấn số từ cao xuống thấp để tăng dần chiều sâu khảo sát. Chiều sâu khảo sát của phương pháp hay bề d ày lớp Skin được xác

định theo công thức: z 



2



1 0



 T

20

 500 T .  T

Ưu điểm: - Nguồn trường tự nhiên nên không ph ải phát trường trường hơn nữa ở Việt

Nam là nước nướ c có vĩ độ thấp nên trường trường càng mạnh. - Chiều sâu khảo sát t ừ vài trăm m đến hàng trăm k m vì d ải ải tần r ất ất

ộng: r ộng:

f  (105  103 ) (Hz)

Tùy thuộc dải tần số người ta chia thành hai phương pháp đo sâu: - Phương pháp từ - tellua dải tần thấp ký hiệu là MTZ, có dải tần f  (105  10 1 ) (Hz) nghiên cứu cấu trúc sâu từ vài km đến vài trăm km. [email protected]

60

- Phương pháp từ - tellua âm tần ký hiệu là AMTZ ở dải tần số cao f  (10  103 ) (Hz) nghiên cứu chiều sâu nông từ vài trăm m đến km.

Xét tổng thể ta vẫn gọi chung là phương pháp đo sâu từ - tellua.

7.2.2. Công thức tính điện trở su suất:  T Từ biểu thức trở kháng tr ên ên nửa không gian đồng nhất: Z  

 0

k 1

i0

; k 1 

 1

2

Z  0  1

suy ra:

 1



1  0

Z

2

Trên nửa không gian bất đồng nhất vẫn d ùng công thức này tính

được điện trở suất biểu kiến:  T 

1  0

2

Z 

T

2

20

Z

(7.16)

V ới đơn vị đo thuộc hệ kỹ thuật thì:  T  0.2T . Z

2

(7.17)

Với mô hình phân lớp 1D: Z n  e

i



4

.  0  1 .Rn thay vào công thức

tính  T ta được: -

T

2

  1 Rn là đường cong đo sâu MTZ lý thuyết được xây dựng

trên giấy loga kép. -  T ( T ) gọi là đường cong biên độ - Ngoài ra còn có đường cong pha:  T

 450.Arg Rn

(7.18)

7.2.3. Đường cong đo sâu MTZ lý thuyết a. Các tiệm cận - Tiệm cận trái:

[email protected]

  , T

 0, Rn  1

61

T

2

 1 Rn   1

(7.19)

- Tiệm cận phải: 1 1 1 khi khi n  ,  T  . S  0 S 2 Z   2 i H khi   0,  =  H 0 n T 0 

thay:



(7.20)

 2 T ta được:

- Nếu:  n   ;  T 

T 2

2 0 S

; lg T  2 lg T  lg 2 0 S 2 tiệm cận nghiêng

một góc + 630 25’, cắt trục ho ành ở giá trị - Nếu:

 n

 0;

T



T S

2 2 . 0 H 2 ; lg T   lg T  lg 2 0 H tiệm T

một góc - 630 25’, cắt trục hoành ở

cận nghiêng

T H

- Đồ thị đường cong  T đối xứng với trục hoành.

b. Tính tương đương: đư ơng: Với đường cong đo sâu từ - tellua tuân theo nguyên lý tương đương sau: - Đường cong loại H, A tương đương S - Đường cong loại K, Q tương đương T

7.2.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu MTZ a. Hệ thiết bị đo - Hai dây thu, (xem hình 7.4a). M2 Hy Ey M1

N2 Ex

N1

.4a: Hai đầu dây thu Hình 7 .4a: Trường điện

Hình 7.4b: Hai đầu thu trường từ

l1  l2 . l1  M 1 N1 , l2  M 2 N1 , đặt

[email protected]

62

E x 

 mV  ; E  U 2  m  y l2

U1 l1

 mV   m 

- Hai đầu thu từ đo hai th ành phần từ Hx, Hy (xoắn hàng ngàn vòng

dây), như hình 7.4 b, đơn vị đo Hx, Hy đo bằng nT: 1nT 

102 4

A m

b. Các máy đo - Máy đo MTZ tần số thấp : f < 1Hz; T=10  n104(s) là các tr ạm ạm MTZ - Máy đo tần số cao f > 1Hz (100  103) Hz là máy AKF_4

c. Phương pháp đo Theo tỷ lệ khảo sát, chọn điểm đo nơi địa h ình bằng phẳng, đặt các

đầu thu nối vào máy đo, bật máy v à quan sát.

7.2.5. Phương pháp xử lý tài liệu đo sâu MTZ trong môi trường 1D a. Đúc kết t ài liệu đo sâu MTZ

* Xác định trở kháng Z Nhờ biến đổi Furier, coi tín hiệu ghi E, H ở khoảng chu kỳ T0  T 0 ta

xác định tr ở kháng Z theo các bước sau: - Xác định hàm tương quan : T

1 0 . U (t ).V (t   )dt Kuv ( )  2T 0 T 0

(7.21)

V  H x , H y V ới : U  E x , E y , H x , H y và

- Tìm phổ công suất : 

Suv ( )   K uv ( ).ei d

(7.22)



- Giải phương tr ình ình ma tr ận ận trở kháng :

SÊ , H  Zˆ .S ˆHH

(7.23)

từ đó xác định được trở kháng: Zˆ  SÊ ,H .S ˆ H1H , v ới S ˆ 1 là ma tr ận ận nghịch đảo của S ˆ : [email protected]

63

Với môi trường 1D :  0 z xy   0 z  Z     0 z  0 z yx    

(7.24)

* Vẽ đường cong  T :  T xy



1  0

2

Z xy ;  T yx 

1  0

2

Z yx

(7.25)

Với lát cắt mô h ình 1D: T xy

 Tyx   T

b. Xử lý tài liệu đo sâu MTZ * Lát cắt điện trở suất theo chiều sâu  T ( z ) Xử lý tài liệu đo sâu từ - tellua d ựa trên đường cong biến đổi từ

đường cong  T ( T ) về  T ( z ) : 

T ( z )   T ( T ).  2 



 lg T ( T )    lg  T ( T )   2    lg T    lg T 

(7.26)

Đặt: m   lg  T ( T )  lg T

T ( z )   T ( T ).

ta có:

(2  m) (2  m)

(7.27)

với: Z  500 T . T

Vẽ lát cắt  T ( z ) trên toàn tuyến đo sẽ được lát cắt điện trở có độ phân giải cao và tính định xứ tốt, phản ánh trung thực lát cắt địa điện hơn lát cắt  T ( T )

* Tính các tham số của lát cắt có móng điện trở cao hoặc thấp - Khi có móng k ết ết tinh điện trở cao tiệm cận nhánh b ên phải đường cong  T nghiêng

có

 n

630 25’ nên k ẻ đường S nghiêng 630 25’ ở tiệm cận nhánh phải

  cắt trục hoành tại

T S ; S  365 T S ;

điểm đo: H   l .S [email protected]

64

tính chiều sâu đến móng tại

ết tinh điện trở thấp tiệm cận nhánh b ên phải đường - Khi có móng k ết cong

 T nghiêng

một góc -630 25’ nên k ẻ đường H nghiêng - 630 25’ với

ục hoành, cắt trục hoành ở tr ục thấp:

T H

tính được chiều sâu đến móng điện tr ở

H  356 T H

Tính H tại từng điển đo sâu, vẽ bản đồ đẳng chiều sâu H, ta được các cấu tạo móng trên bản đồ cấu tạo của diện tích khảo sát. Thí dụ minh họa áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua nghiên cứu cấu trúc địa chất, (xem hình 7.5).

ết quả xử lý t ài Hình 7.5: K ết ài liệu đo sâu từ Tellua 2D

7.2.6. Khả năng áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua để t ìm ìm kiếm nước ngầm Phương pháp đo sâu từ - tellua được áp dụng để nghiên c ứu cấu tạo địa chất, đặc biệt l à nghiên cứu cấu trúc sâu của vỏ trái đất. Nếu áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua để tìm kiếm nước ngầm thì đối tượng chứa nước phải có điện trở suất rất thấp ρ<10 thấp ρ<10 Ωm. Ωm . Đối tượng này chỉ gặp khi các cấu trúc địa chất chứa nước nhiễm mặn hoặc có độ khoáng hóa rất cao. Vì f=1÷103 Hz v ới với máy đo sâu từ - tellua ở dải tần số âm tần như hiện nay f=1÷10

đa số đất đá thông thường sẽ có chiều sâu khảo sát ở độ sâu vượt quá tầng chứa nước mà chúng ta quan tâm. [email protected]

65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A.H. Loke, 2-D and 3-D electrical imaging surveys. 2. K hmelepokoi hmelepokoi B.K; Sepnhin B.A. Đo sâu điện trong môi trường địa chất. MGU – 1988 3. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Thăm d ò điện trở điện hóa, Nh à xuất bản Giao thông Vận tải, 2005. 4. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Thăm d ò điện phân giải cao, Giáo tr ình ình cao học 1997, Đại học Mỏ Địa chất 5. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Các phương pháp thăm dò điện phân giải cao, Giáo tr ình ình cao học 2011, Đại học Mở Địa chất 6. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Thăm d ò điện 2D và 3D, Giáo trình cao học 2011, Đại học Mỏ Địa chất 7. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Lý thuyết trường, Đại học Mỏ Địa chất, 2001.

[email protected]

66

Cac phuong phap dia vat ly trong DCTV-Nguyen Trong Nga.pdf

Recommend Documents