Essay các phương pháp thăm dò dòng không Đổi

Essay_Các phương pháp thăm dò dòng không đổi Essay_Các phương pháp thăm dò dòng không đổi Essay_Các phương pháp thăm dò dòng không đổi

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỀ TÀI: Các phương pháp thăm dò dòng không đổi

TIỂU LUẬN BỘ MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Sinh viên: Hoàng Công Trình Mã sinh viên: 21000876

Giáo viên hướng dẫn: Ths.GVC Tạ Quỳnh Hoa

Hà Nội, 2024

2

Nội dung

GIỚI THIỆU 4

PHẦN I: TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ LÝ THUYẾT 5

CHƯƠNG 1: TRẠNG THÁI ĐIỆN TỪ CHUNG CỦA QUẢ ĐẤT, TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT CHẤT VÀ MÔI TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 5

1.1 TRẠNG THÁI ĐIỆN TỪ CHUNG CỦA QUẢ ĐẤT 5

1.1.1 CẤU TRÚC PHÂN LỚP CỦA QUẢ ĐẤT VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA CÁC LỚP 5

1.1.2 ĐIỆN TRƯỜNG KHÍ QUYỂN 5

1.2 TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ VẬT CHẤT VÀ MÔI TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 5

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ DÒNG KHÔNG ĐỔI 6

2.1 Nguyên tắc chung về các phương pháp đo điện trong môi trường 3 chiều 6

2.1.1 Điện cực Trường của các điện cực trong không gian đồng nhất 6

2.1.2 Điện trở suất biểu kiến Các loại thiết bị thường dùng trong thăm dò dòng điện không đổi 7

a Điện trở suất biểu kiến 7

b Một số loại thiết bị đo thông dụng 8

2.1.3 Nguyên lý tương hỗ 10

2.2 Các phương pháp đo sâu điện 10

2.2.1 Bài toán cơ sở của đo sâu điện Hàm đặc trưng không gian R(m) Error! Bookmark not defined 2.2.2 Hàm điện trở suất biểu kiến đối với các hệ cực đo khác nhau 13

PHẦN 2: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN, KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 14

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 16

Dạng 1: Giải bài toán thuận đo sâu điện 18

3

Dạng 2: Giải bài toán ngược đo sâu điện Error! Bookmark not defined

3.3 Giới thiệu về bài toán ngược đo sâu điện 24 3.4 Xử lý số liệu 25

KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 27

4

GIỚI THIỆU

Phương pháp thăm dò điện có thể được chia thành hai nhóm chính Một nhóm liên quan đến việc đo điện trở suất, hoặc độ dẫn điện của đá; nhóm còn lại quan tâm đến việc đo điện dung Các phương pháp điện, cảm ứng, từ tính và telluric thuộc nhóm thứ nhất và các phương pháp phân cực cảm ứng thuộc nhóm thứ hai

Tất cả các phương pháp điện trở suất có thể được áp dụng để nghiên cứu các biến thể của điện trở suất với độ sâu (phương pháp đo sâu) hoặc để nghiên cứu sự thay đổi bên của điện trở suất (phương pháp mặt cắt)

Để hoàn thành tiểu, tôi và giáo viên hướng dẫn bộ môn đã phân tích số liệu đo được tại Đông Hà, Quảng Trị Ngoài ra, tiểu luận còn phân tích, xử lý dữ liệu dựa trên một dữ liệu nhất định Tiểu luận chủ yếu được chia thành ba chương như sau:

CHƯƠNG I: TRẠNG THÁI ĐIỆN TỪ CHUNG CỦA QUẢ ĐẤT, TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA VẬT CHẤT VÀ MÔI TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ DÒNG KHÔNG ĐỔI CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨUỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN

Do giới hạn thời gian cho luận án, luận án này có thể gặp một số lỗi Do đó, tôi rất đánh giá cao những đề xuất và đóng góp để nâng cao chất lượng của bài tiểu luận

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Tạ Quỳnh Hoa - người đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi tiếp cận đề tài nghiên cứu

Trong quá trình tiến hành nghiên cứu tài liệu đề tài, do điều kiện, năng lực và thời gian còn hạn chế nên tiểu luận sẽ không thể tránh khỏi những sai xót Vì vậy, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung từ thầy cô, bạn bè để đề tài hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, 1/2024 Sinh viên

Hoàng Công Trình

5

PHẦN 1: TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I TRẠNG THÁI ĐIỆN TỪ CHUNG CỦA QUẢ ĐẤT TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA VẬT CHẤT VÀ MÔI TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 1.1 Trạng thái điện từ chung của quả đất

1.1.1 Cấu trúc phân lớp của quả đất và tính chất điện của các lớp

Quả đất gồm 3 phần : Khí quyển, thuỷ quyển và địa quyển Ở đề tài này, chủ yếu quan tâm về lớp địa quyển

Theo các số liệu địa vật lý, phần rắn của quả đất có thể phân chia ra như sau : - Ngoài cùng là vỏ quả đất, bề dày trung bình 15-20 km, dày nhất ở các lục địa (40-70km), mỏng nhất ở đáy các đại dương (5-10km)

- Mặt dưới của vỏ quả đất được gọi là mặt MôKhô - Từ mặt Môkhô đến 2900 km là lớp cùi Manti - Phần trong cùi là nhân, gồm nhân ngoài ở thể lỏng, từ 2900 km đến 5100 km và nhân trong ở thể rắn, từ 5100 km đến 6371 km

Phần được nghiên cứu nhiều nhất chính là thạch quyển, gồm vỏ trái đất và phần trên của Manti (Manti thượng) bề dày cỡ 110 – 120 km (mỏng nhất là 30km)

1.1.2 Điện trường khí quyển

Nhiều phép quan sát cho thấy trong khí quyển có một điện trường Trong những ngày bình thường (thời tiết yên tĩnh) điện trường luôn có hướng thẳng đứng từ trên xuống gọi là điện trường bình thường

1.1.3 Các điện trường tự nhiên trong vỏ quả đất

Khi dùng máy móc đủ nhậy, người ta có thể quan sát được các điện trường không đổi và các điện trường biến đổi trên mặt đất Các điện trường này có thể tồn tại trong những khu vực rộng lớn hàng trăm nghìn kilômét, cũng chỉ có thể tồn tại trong một vùng nhỏ hẹp cỡ hàng chục, hàng trăm một Loại thứ nhất có nguồn gốc ở xa nơi quan sát, được quy ước gọi là điện trường tự nhiên khu vực Loại thứ hai có nguồn gốc ở ngay vùng quan sát, được qui ước gọi là điện trường tự nhiên cục bộ

1.2 Tính chất điện từ vật chất và môi trường Trái đất:

Trái đất có thành phần vật chất rất đa dạng tồn tại trong các điều kiện và hoạt động đồng thời của nhiều quá trình vật lý – hoá học khác nhau Do đó, tính chất của vật chất và môi trường Trái dất thường thay đổi trong khoảng rất rộng cho mỗi dạng vật chất và có thể xác định được trong những điều kiện cụ thể

6

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ DÒNG KHÔNG ĐỔI 2.1 Nguyên tắc chung về các phương pháp đo điện trong môi trường 3 chiều 2.1.1 Điện cực Trường của các điện cực trong không gian đồng nhất

Để tạo nên các điện trường dựng trong môi trường 3 chiều cần phải phóng các dòng điện vào nó, muốn thế cần có các vật tiếp xúc nối nguồn điện với môi trường, đó là các điện cực

Trường hợp chúng ta xét ở đây là: môi trường là nửa không gian dẫn điện vô hạn, điện trở suất r điện cực là một bán cầu dẫn điện bán kính a đặt trên mặt môi trường (Hình 2.1.1)

Để giải bài toán này, người ta dựng phương pháp ảnh điện Giả sử I là dòng điện liên tục chảy từ tâm hình cầu ra môi trường, phân bố đều theo mọi phía, cường độ tổng cộng được nhân đôi, tức là 2I

Biểu thức thế tại điểm cách tâm điện cực bán cầu một khoảng r:

Điện trở được tính theo công thức:

Thực ra phải quan niệm R là điện trở của môi trường đối với dòng điện chảy từ a ra vô cùng:

Ta tính xem Ra do phần nào của môi trường quyết định Đối với môi trường đồng nhất ta có thể tính :

2

R

a



Hình 2.1.1

2()

 ( )

7

Ta thấy rằng biện pháp quan trọng nhất để tăng dòng phát khi tiến hành đo sâu điện ở thực địa là giảm điện trở của các điện cực phát Cách làm để đạt mục đích đó là: Đóng sâu thêm các cực, ghép điện cực

Giả sử ta có 2 điện cực như nhau, điện trở tiếp đất của mỗi điện cực khi dùng đơn độc là R Khi ghép hai cực với nhau, điện trở của hệ hai điện cực trong môi trường đồng nhất là :

Trong đó d là khoảng cách giữa hai điện cực ghép Nếu cắm 2 cực ghép đủ xa thì Rhe

 R/2 , tức là điện trở của hệ chỉ bằng điện trở một nửa mỗi cực Khi các điện cực ghép cắm gần nhau, số hạng sau trong công thức (2.1.3) chỉ phần điện trở do tương tác giữa các dòng phát ra từ hai điện cực ghép Như vậy khi ghép các điện cực không nên cắm chúng quá gần nhau

Chúng ta hãy xem xét cắm chúng xa nhau đến mức độ nào để hệ cực vẫn có thể xem là điện cực điểm Giả sử ta cắm các điện cực ghép theo 2 cách:

- Thẳng góc với phương rải dây (1) - Theo phương rải dây (2)

Khi d < r/5 mức sai khác của hệ cực ghép so với điện cực điểm đặt ở tâm không quá 0,5% trong trường hợp (1) và không quá 1% trong trường hợp (2) Ở trường hợp (2), muốn đạt mức sai khác dưới 0,5% phải lấy d < r/7

2.1.2 Điện trở suất biểu kiến Các loại thiết bị thường dựng trong thăm dò dòng điện không đổi

a Điện trở suất biểu kiến

Khi phát dòng không đổi I bởi nguồn điện trên mặt môi trường bán không gian đồng nhất vô hạn điện trở suất , điện thế tại điểm cách nguồn một khoảng r có thể tính được từ công thức (2.1.1) khi cho lớp thứ nhất h1   :



Khi phát dòng không đổi I bởi cặp điện cực A-B, hiệu điện thế giữa hai điện cực M-N được tính bởi biểu thức :

d R



d

(2.1.5)

(2.1.6)

(2.1.7)

8

Trong đó:

KA MA NB MB N

b Một số loại thiết bị đo thông dụng

Người ta phân loại thiết bị đo dựa vào cách bố trí các điện cực và kích thước tương đối giữa các điện cực phát và thu Các loại thiết bị khác nhau được sử dụng phụ thuộc vào đặc điểm của môi trường và điều kiện đo đạc trong đó, hai nhóm thiết bị đo thông dụng nhất là thiết bị 4 cực đối xứng và thiết bị lưỡng cực

Các thiết bị thông dụng nêu ra sau đây sẽ được áp dụng để tính toán các kết quả minh họa trong những chương sau

Thiết bị bốn cực đối xứng: Gồm hai cực A-B để phát dòng I và hai cực M-N để đo hiệu thế , chúng được bố trí thẳng hàng và đối xứng qua tâm 0, tâm này được qui ước là điểm đo (hình 2.1.2)

là khoảng mở thiết bị - Trong trường hợp kích thước MN << AB thiết bị 4 cực đối xứng được gọi là thiết bị Schlumberger được sử dụng phổ biến trong thực tiễn thăm dò điện ở nước ta

Hệ số thiết bị K(r) được tính bởi :

M N() 

2

(2.1.9) Khi một cực phát đặt rất xa cực thu (B), thiết bị đo trở thành nửa-Schlumberger

O

-I N

A

+I

9

- Trong trường hợp kích thước AM = MN = NB =

L3, thiết bị 4 cực đối xứng trở thành thiết bị Wenner

Biểu thức hệ số thiết bị Wenner :

23

Thiết bị lưỡng cực

Gồm hai cực phát A-B và hai cực đo M-N với kích thước AB và MN đều rất nhỏ so với khoảng cách r = 00', trong đó hai điểm 0,0' là tâm hai cực phát và cặp cực đo (Hình 2.1.3):

Hình 2.1.3 Thiết bị lưỡng cực

Thiết bị này thường được sử dụng trong trường hợp nghiên cứu sâu, nhằm khắc phục trong việc bố trí hệ phát dòng A-B với kích thước lớn của thiết bị 4 cực đối xứng, hay trong trường hợp tìm kiếm phát hiện bất đồng nhất ngang trong tìm kiếm quặng mỏ và là thiết bị hữu hiệu trong phương pháp đo mặt cắt điện

Thiết bị lưỡng cực được phân làm hai loại chính:

- Lưỡng cực phương vị : Khi MN  00'

Hệ số thiết bị được tính theo biểu thức:

K

rA B M N

Khi  = 0o, thiết bị này được gọi là thiết bị lưỡng cực xích đạo

- Lưỡng cực xuyên tâm : Khi MN//00'

Hệ số thiết bị được tính theo biểu thức:

r

A

0'N M

10

Thiết bị đo sâu đối xứng và lưỡng cực hợp nhất

Hình 2.1.4 Thiết bị đo sâu đối xứng và lưỡng cực hợp nhất

Theo tính chất phân bố điện trường trên môi trường dẫn điện, mỗi đường cong đo sâu đều phản ánh thông tin về toàn bộ môi trường Tuy nhiên, phụ thuộc khoảng mở thiết bị mà giá trị điện trở suất biểu kiến phản ánh với những mức độ khác nhau về các tham số môi trường theo độ sâu Đồng thời tùy thuộc vào loại thiết bị đo mà đường cong điện trở suất biểu kiến có dạng biến đổi khác nhau nhất là trong môi trường bất đồng nhất có cấu trúc phức tạp Trong thực tiễn, tồn tại nhiễu do nhiều nguyên nhân (sai số thiết bị, điều kiện, bất đồng nhất mặt không quan tâm, ) gây ảnh hưởng sai lệch đến số liệu đo

2.1.3 Nguyên lý tương hỗ

Trong điện động lực học nói chung và trong thăm dò điện nói riêng, tính đối xứng của các phương trình trường điện từ đó đưa đến một nguyên lý quan trọng đó là nguyên lý tương hỗ

Xét riêng đối với các phương pháp thăm dò điện dùng điện trường không đổi (hay dòng không đổi), từ biểu thức (2.2.1) ta thu được hệ thức sau:

Trong đó I1, I2 là các cường độ dòng điện phát trong các dây dẫn 1 và 2 có kích thước hữu hạn rải trong môi trường ∆U1, ∆U2 là các hiệu thế tương ứng của các dòng do một dây gây ra giữa hai đầu dây kia

Có thể phát biểu nguyên lý tương hỗ cụ thể đối với các phương pháp điện trở trong thăm dò điện như sau: Trong môi trường bất đồng nhất bất kỳ điện trở suất biểu kiến đo được sẽ không đổi nếu ta đảo ngược vai trò của các điện cực phát và các điện cực thu

2.2 Các phương pháp đo sâu điện 2.2.1 Bài toán cơ sở của đo sâu điện Hàm đặc trưng không gian R(m)

Trường của nguồn điểm đặt trên cùng mặt môi trường :

M1

-I +I

N1

22

11

IUI



Trong đó : R1( m ) là hàm Vanhian tính truy hồi cho đến lớp thứ nhất Nó phụ thuộc tham số lát cắt địa điện và biến số m :



Hình dạng đường cong đo sâu điện tuỳ thuộc vào tương quan điện trở suất của các lớp, còn mức độ thể hiện trên đường cong được quyết định bởi chiều dày của lớp

Hình dạng đường cong hai lớp

Đường cong đo sâu điện trên môi trường 2 lớp có hai dạng sau (Hình 2.2.2):

- Khi r1<r2 đường cong đo sâu đi lên - Khi r1>r2 đường cong đo sâu đi xuống

Hình 2.2.2 Các dạng đường cong hai lớp

12

Hình dạng đường cong ba lớp

Đường cong ba lớp có các tham số: r1, h1, r2, h2, r3, (h3 = ∞) Tuỳ thuộc vào mối tương quan điện trở suất của các lớp r1, r2, r3 có bốn loại đường cong đo sâu ba lớp như sau (hình 2.2.3):

Bảng 2.2.1 Mối tương quan giữa điện trở suất và đường cong

Loại đường cong Tương quan điện trở

suất

Loại đường cong Tương quan điện trở

suất H r1>r2<r3 K r1<r2>r3A r1<r2<r3 Q r1>r2>r3

Hình 2.2.3 Các dạng đường cong ba lớp

Hình dạng đường cong bốn lớp

Đường cong bốn lớp có các tham số: r1, h1, r2, h2, r3, h3, r4, h4 = ∞ Tuỳ thuộc vào mối tương quan điện trở suất của các lớp r1, r2, r3, r4 có tám loại đường cong đo sâu bốn lớp sau

Bảng 2.2.2 Mối tương quan giữa điện trở suất và đường cong

Loại đường cong Tương quan điện trở

các lớp

Loại đường cong Tương quan điện trở

các lớp HA r1>r2<r3<r4 AA r1<r2<r3<r4HK r1>r2<r3>r4 AK r1<r2<r3>r4QH r1>r2>r3<r4 KH r1<r2>r3<r4QQ r1>r2>r3>r4 KQ r1<r2>r3>r4

13

Hình 2.2.4 Các dạng đường cong bốn lớp

2.2.2 Hàm điện trở suất biểu kiến đối với các hệ cực đo khác nhau

- Đối với hệ cực đo Schlumberger:

Khi dùng hệ cực đo 3 cực Gradient (hoặc còn gọi là hệ cực nửa- Schlumberger tức hệ cực có B đưa ra xa vô cùng, ta có biểu thức:

- Đối với hệ cực đo Wener:

tức là trùng với hệ cực đo Schlumberger (ở đây r = 00')

- Đối với hệ cực đo lưỡng cực xuyên tâm :

r( )r r R m() [J(m r)m r J(m r) ]m d m



1

R(m)  R1(m)  1 Từ các biểu thức như trên, ta có thể tìm được mối liên hệ giữa điện trở suất biểu kiến đo bằng các hệ cực đo khác nhau :

PHẦN 2: ỨNG DỰNG TÍNH TOÁN, KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ

Nguyên tắc chung của việc thực hiện đo sâu điện ngoài thực địa

Như đã biết, hàm điện trở suất biểu kiến được biểu diễn dưới dạng :

ρk = f(ρ1, ρ2, , ρn, h1, h2, , hn, r); Trong đó: r là đại lượng độ dài phụ thuộc kích thước loại thiết bị nào đó, đối với thiết bị bốn cực đối xứng Schlumberger thì r = AB/2

Khi cho r biến đổi từ 0 đến  và ứng với mỗi giá trị r xác định một giá trị ρk, ta sẽ thu được đường cong:

ρk = f(r) đường cong này phản ánh dáng điệu biến đổi của điện trở suất theo chiều sâu Căn cứ vào đường cong ρk thu được, xác định ngược lại các tham số ρi, hi của môi trường bằng nhiều cách khác nhau

Có 2 dạng đo, đó là Đo sâu điện thẳng đứng thăm dò độ sâu không lớn lắm dùng thiết bị 4 cực, 3 cực (đo sâu VES) và đo sâu điện lưỡng cực thăm dò các lớp sâu hơn

15

Đo sâu điện thẳng đứng:

Nguyên tắc: giữ nguyên giá trị MN, tăng r bằng cách tăng khoảng cách AB Với mỗi giá trị r, đo được hiệu điện thế giữa MN là U, đo được dòng phát I, sau đó tính điện trở suất biểu kiến theo công thức :

Đối với phương pháp này, việc tăng r đến một mức độ nào đó sẽ làm hiệu điện thế U giữa MN bộ không đo được chính xác, lúc đó người ta phải mở rộng MN Tuy nhiên phải đảm bảo điều kiện MN < AB (thực tế khi MN  1/5 AB thì sai số của hệ cực đo so với cực Schlumberger sẽ cỡ 5%) Để xét ảnh hưởng của kích thước MN lên giá trị điện trở suất biểu kiến rk đo được, người ta có lặp lại đo giá trị rk ở hai điểm kế tiếp trên đường cong ứng với hai giá trị MN khác nhau của cùng một khoảng cách r, do đó tạo nên điểm gối đầu

Như vậy, đường cong thực địa gẫy khúc vì MN thay đổi, mỗi khúc tương ứng với một giá trị MN Điểm gối đầu tương ứng với hai khoảng cách MN đo chung với một giá trị r, người ta thường trung bình hoá đường cong để xử lý

Thông thường khoảng cách giữa các điểm đo sâu thay đổi tuỳ theo nhiệm vụ nhiên cứu, phương AB chọn dọc theo phương vỉa (phương cấu tạo) để ít bị ảnh hưởng của địa hình Khi nghiên cứu các lớp đất đá nứt nẻ hay có các bất đồng nhất ngang người ta thường đo sâu với những hướng khác nhau trên cùng một điểm Khoảng cách cực đại của AB được chọn  3  10 lần độ sâu nghiên cứu

IUKk



rk

r

MN1 MN2