Tổ hợp phương pháp ảnh điện và địa chấn trong khảo sát địa chất công trình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NHẬT KIM NGÂN TỔ HỢP PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN VÀ ĐỊA CHẤN TRONG KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu Mã số: 60 44 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN THÀNH VẤN TS. NGUYỄN NGỌC THU TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2010 LỜI CẢM ƠN Luận văn được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Địa cầu, thuộc khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật của Trường ĐH KHTN, ĐHQG TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Thành Vấn và TS. Nguyễn Ngọc Thu. Em xin gửi lời tri ân chân thành và sâu sắc đến thầy PGS. TS. Nguyễn Thành Vấn và TS. Nguyễn Ngọc Thu đã tận tình hướng dẫn em trên con đường nghiên cứu khoa học và hoàn thành t ốt luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn anh Dũng đã giúp em hoàn thiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy GS. Lê Minh Triết, PGS. TS. Lê Quang Toại, TS. Trần Vĩnh Tuân, PGS. TS. Trần Văn Nhạc và PGS. TS. Lê Cảnh Đại đã truyền thụ cho em những kiến thức trong lĩnh vực Vật lý nói chung và Địa Vật lý nói riêng. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP. HCM, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật đã t ạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn của mình. Con xin khắc ghi công ơn ba mẹ và lòng biết ơn của con đối với người thân trong gia đình mình. Tôi xin cám ơn tất cả bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên, an ủi và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian qua. Nguyễn Nhật Kim Ngân LỜI MỞ ĐẦU Địa vật lý là một chuyên ngành trong các khoa học về Trái Đất, bao gồm các phương pháp khác nhau như: thăm dò Địa chấn, thăm dò Từ, thăm dò Trọng lực, thăm dò Điện và phương pháp Phóng xạ… Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm đối với từng đối tượng nghiên cứu. Bài toán ngược trong thăm dò Địa vật lý là bài toán đa nghiệm và không ổn định. Với cùng một tập dữ liệu đo được, lời giải bài toán ngược sẽ cho ra nhiều mô hình hợp lý khác nhau. Do vậy, cần phải lựa chọn một mô hình nào đó gần gũi với mô hình thực của bài toán cần được giải trong vô số mô hình của bài toán ngược. Để giải quyết vấn đề này, thông thường phải sử dụng kết hợp các phương pháp khác nhau để cô lập các nghiệm bài toán ngược. Một trong các phương pháp có hiệu quả và thường được sử dụng rộ ng rãi là lựa chọn tổ hợp các phương pháp hợp lý trên cơ sở các thông tin tiên nghiệm có được về đối tượng cần nghiên cứu. Tổ hợp các nghiệm khác nhau của từng phương pháp riêng rẽ có thể cho phép đánh giá một cách cụ thể và gần gũi hơn về đối tượng nghiên cứu. Tùy thuộc vào điều kiện địa chất và đặc trưng của khu vực khảo sát, có thể lựa chọn các tổ hợp phương pháp nghiên cứu khác nhau. Tổ hợp các phương pháp Địa vật lý đã phát huy tính hiệu quả cao trong quá trình giải quyết các nhiệm vụ cụ thể. Trong đó, phương pháp Điện và phương pháp Địa chấn khúc xạ thường được tiến hành khảo sát trên cùng một khu vực nhằm cho kết quả minh giải tốt hơn về môi trường địa chất dưới mặt đất. Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào đi sâu vào việc trình bày khái quát hóa cơ sở lý thuyết kết hợp, đánh giá hiệu quả của nó, cũng như rút ra các bài học cụ thể trong thực tế. Đề tài :” Tổ hợp phương pháp ảnh điện và địa chấn trong khảo sát địa chất công trình” được thực hiện nhằm mục tiêu trình bày cơ sở lý luận cùng với việc áp dụng kết hợp hai phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ vào một khu vực khảo sát cụ thể. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Mục tiêu: Mục tiêu chính của luận văn là trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết của phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ 2D, trình bày khái quát hóa cơ sở lý thuyết, ưu – nhược điểm của từng phương pháp để từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết kết hợp của hai phương pháp và vai trò của việc kết hợp hai phương pháp này trong ứng dụng thực tế khảo sát ở xã C ư Jiang, huyện EaKa, tỉnh Đắk Lắk. Nhiệm vụ của luận văn: - Trình bày tổng quan cơ sở lý thuyết về phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ. - Xây dựng các mô hình môi trường địa chất dưới mặt và kết quả minh giải của phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ khi khảo sát trên các môi trường đó. - Từ đó, nhận xét, đánh giá hiệu quả của từng phương pháp và đưa ra cơ sở lý luận kết hợp hai phương pháp. - Phân tích, xử lý số liệu thu thập, luận giải về những vấn đề về địa chất khảo sát ở xã Cư Jiang, huyện EaKa, tỉnh Đắk Lắk, so sánh kết quả của hai phương pháp và rút ra nhận định thực tiễn, trình bày các khu vực địa chất ứng dụng tổ hợp hai phương pháp ảnh đ iện và địa chấn khúc xạ 2D. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN - Đánh giá hiệu quả trong việc kết hợp hai phương pháp để khảo sát địa chất và rút ra bài học cụ thể. - Trình bày phạm vi sử dụng kết hợp hai phương pháp để từ đó ứng dụng cho môi trường có cấu tạo địa chất và địa hình tương tự để đạt được hiệu quả cao và mang tính kinh tế cao. - Dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên trong việc học tập và nghiên cứu. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN - Mở đầu: gồm 4 trang giới thiệu chung về luận văn. - Phần 1: Tổng quan lý thuyết về phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ gồm 3 chương Chương I : gồm 22 trang có nội dung trình bày về lý thuyết phương pháp ảnh điện. Chương II: gồm 26 trang có nội dung trình bày về lý thuyết phương pháp địa chấn ( chủ yếu là phương pháp địa chấn khúc xạ). Chương III: gồm 46 trang trình bày các mô hình môi trường địa chất dưới mặt và các kết quả minh giải trên các mô hình theo 2 phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ. Từ đó, trình bày cơ sở lý luận của sự kết hợp hai phương pháp địa chấn 2D và ảnh điện. - Phần 2: Ứng dụng thực tế Chương IV: Gồm 10 trang trình bày về đặc điểm vùng khảo sát và phương pháp, kỹ thuật thi công. Chương V: Gồm 10 trang trình bày kết quả công tác khảo sát địa vật lý tại xã Cư Jiang, huyện EaKa, tỉnh Đắk Lắk. - Kết luận: gồm 4 trang trình bày kết luận và kiến nghị về toàn bộ quá trình nghiên cứu. Do điều kiện thời gian và những hạn chế về khảo sát thực tế nên luận văn trình bày không tránh khỏi nhiều sai sót, mong rằng sẽ nhận được sự đóng góp và chỉ dẫn của các thầy cô và bạ n bè, đồng nghiệp. MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Lời mở đầu Danh mục các kí hiệu Danh mục các hình vẽ Trang Phần 1: Tổng quan lý thuyết về phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ 1 Chương I: Phương pháp ảnh điện 2 I.1 Mô hình 4 I.1.1 Mô hình môi trường đồng nhất 4 I.1.2 Tính toán các đạo hàm riêng 8 I.2 Các phương pháp giải bài toán ngược 10 I.2.1 Phương pháp Zohdy (1989) và Zohdy – Baker (1995) 10 I.2.2 Phương pháp bình phươ ng tối thiểu Loke – Baker (1995 – 1996) 18 I.3 Quy trình thực tế 20 Chương II: Phương pháp địa chấn khúc xạ 23 II.1 Tổng quan 24 II.1.1 Cơ sở vật lý 24 II.1.1.1 Sóng đàn hồi 24 II.1.1.2 Phương trình sóng 24 II.1.2 Cơ sở địa chất 27 II.1.3 Cơ sở địa chấn hình học 28 II.1.3.1 Trường thời gian 28 II.1.3.2 Nguyên lý Huyghen-Fresnel , Fermat 28 II.1.3.2.1 Nguyên lý Huyghen-Fresnel 28 II.1.3.2.2 Nguyên lý Fermal 28 II.1.3.3 Biểu đồ thời khoảng 28 II.1.3.4 Tốc độ biểu kiến 29 II.2 Phương pháp địa chấn khúc xạ 30 II.2.1 Bài toán thuận trong phương pháp địa chấn khúc xạ 30 II.2.1.1 Môi trường có bề mặt ranh giới khúc xạ nằm ngang 30 II.2.1.1.1 Môi trường hai lớp 30 II.2.1.1.2 Môi trường ba lớp 33 II.2.1.1.3 Môi trường nhiều lớp 34 II.2.1.2 Môi trường có bề mặt ranh giới khúc xạ nghiêng 36 II.2.1.2.1 Môi trường hai lớp 36 II.2.3.1 Bài toán ngược trong phương pháp địa chấn khúc xạ 42 II.2.3.1.1 Phươ ng pháp t 0 42 II.2.3.2 Phương pháp tương hỗ tổng quát (GRM) 46 II.2.3.3 Phương pháp tia sóng (Ray tracing) 48 Chương III: Cơ sở lý luận kết hợp hai phương pháp 50 III.1 Các hạn chế đối với thăm dò ảnh điện và địa chấn khúc xạ 51 III.1.1 Các hạn chế trong thăm dò ảnh điện 51 III.1.1.1 Các hạn chế đối với độ sâu thấm, nguyên lý tương đương và các nguồn gây nhiễu 51 III.1.1.2 Các hạn chế trong khảo sát thực địa và giả i bài toán ngược 2D 53 III.1.2. Các hạn chế trong thăm dò địa chấn khúc xạ 59 III.2. Cơ sở lý luận kết hợp 65 III.3. Các mô hình 72 III.3.1. Mô hình 1 72 III.3.2. Mô hình 2 75 III.3.3. Mô hình 3 78 III.3.4. Mô hình 4 81 III.3.5. Mô hình 5 84 III.3.6. Mô hình 6 87 III.3.7. Mô hình 7 90 III.4. Công tác khảo sát thực địa sử dụng một phương pháp thăm dò Điện 93 III.4.1. Mục tiêu và nhiệm vụ 93 III.4.2. Phương pháp ảnh điện 93 III.4.3. Kết quả minh giải 96 Phần 2: Ứng dụng thực tế 98 Chương IV: Phương pháp và kỹ thuật thi công 99 IV.1 Sơ lược đặc điểm vùng khảo sát 100 IV.1.1 Vị trí của dự án 100 VI.1.2 Đặc điểm địa chất công trình 101 IV.2 Phương pháp và kỹ thuật thi công thực địa 102 IV.2.1 Phương pháp địa chấn khúc xạ 102 IV.2.1.1 Thiết bị 102 IV.2.1.2 Hệ thống quan sát 104 IV.2.1.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 106 IV.2.2 Phương pháp ảnh điện 106 IV.2.2.1 Thiết bị 106 IV.2.2.2 Quy trình thực hiện 107 IV.2.2.3 Phương pháp xử lý và phân tích tài liệu 109 Chương V: Kết quả công tác khảo sát địa vật lý 110 V.1 Kết quả phương pháp ảnh điện và phương pháp địa chấn khúc xạ 111 V.2 Kết luận về khu vực khảo sát 120 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ PHỤ LỤC [...]... nghệ điện tử, tin học và kỹ thuật tính toán, ngày nay, phương pháp ảnh điện đang dần dần chiếm ưu thế trong các ứng dụng Phương pháp ảnh điện 2D là sự kết hợp giữa hai phương pháp thăm dò điện truyền thống: phương pháp đo sâu điện và phương pháp mặt cắt điện Mộ số khái niệm trong việc giải bài toán thuận và ngược trong phương pháp ảnh điện được trình bày như sau: I.1 Mô hình I.1.1 Mô hình môi trường đồng... 4.1: Geophone và cáp nối sử dụng trong phép đo Hình 4.2: Máy RAS - 24 Hình 4.3: Hệ thống quan sát 24 kênh với 5 điểm nổ Hình 4.4: Máy SuperSting Hình 4.5: Mô hình vị trí các điểm đo ghi trên tuyến đo theo phương pháp ảnh điện Trang 1 PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN VÀ ĐỊA CHẤN KHÚC XẠ Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Nguyễn Nhật Kim Ngân Trang 2 CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN Luận văn... phân hữu hạn hai chiều (B) Mặt cắt giả định điện trở suất biểu kiến tính toán (C) Số liệu thực địa (D) Môi trường địa chất được phân tích (theo Griffiths (1990)) I.3 Quy trình thực tế Nguyên tắc đo đạc của phương pháp ảnh điện 2D cũng dựa trên cơ sở thay đổi mật độ dòng điện của môi trường Trong phương pháp ảnh điện 2D việc đo đạc được thực hiện bằng một hệ các điện cực (25 cực hoặc nhiều hơn) xếp theo... dụng một phương pháp tối ưu phi tuyến lặp để xác định điện trở suất của các khối Phương pháp giải bài toán ngược bằng phương pháp bình phương tối thiểu (de Groot-Hedlin và Constable, 1990) có thể được sử dụng để xác định điện trở suất của các khối hình chữ nhật (các tham số mô hình) mà sẽ cực tiểu sai số giữa các giá trị điện trở suất biểu kiến được đo và giá trị tính toán Phương trình bình phương tối... quả minh giải địa chấn mô hình 5 Hình 3.23 : Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 5 Hình 3.24: Mô hình 6 Hình 3.25: Kết quả minh giải địa chấn mô hình 6 Hình 3.26 : Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 6 Hình 3.27 : Mô hình 7 Hình 3.28 : Kết quả minh giải địa chấn mô hình 7 Hình 3.29 : Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 7 Hình 3.30: Sơ đồ bố trí các điện cực đo sâu điện Hình 3.31: Máy thăm dò điện Mini Sting... 3.11: Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 1 Hình 3.12: Mô hình 2 Hình 3.13: Kết quả minh giải địa chấn mô hình 2 Hình 3.14: Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 2 Hình 3.15: Mô hình 3 Hình 3.16: Kết quả minh giải địa chấn mô hình 3 Hình 3.17: Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 3 Hình 3.18: Mô hình 4 Hình 3.19: Kết quả minh giải địa chấn mô hình 4 Hình 3.20: Kết quả minh giải ảnh điện mô hình 4 Hình 3.21:... đạo hàm riêng của mỗi khối trong mô hình 2-D (hình 2.4) cho mọi sự kết hợp có thể của hai điện cực (một điện cực dòng và một điện cực thế) cần phải được tính toán Trong một ví dụ ở hình 1.4 với 21 điện cực và 63 khối, thì tổng số kết hợp có thể là 26460 (21 x 20 x 63) Trong thực tế, số lượng các tính toán có thể giảm bớt đáng kể bằng cách tận dụng một số tính chất đối xứng trong bài toán Sử dụng nguyên... giá trị thích hợp của x và z Tuy nhiên các tích phân của phương trình (1.15) và (1.19) liên quan đến x và z dường như không có nghiệm giải tích đơn giản Vì vậy chúng ta phải giải số để tính chúng theo phép cầu phương Gauss cho các tích phân bội Đối với hầu hết các hàm số, phương pháp này cho ra một kết quả chính xác hơn các phương pháp được sử dụng khác như nguyên lý hình thang và phép cầu phương Romberg,... Đất và nước - Clay (đất sét) 1 - 100 - Alluvium (đất phù sa) 10 - 800 - Goundwater (nước ngầm) 10 - 100 - Sea water (nước biển) 0,2 Bàng 1: Điện trở suất của một số loại đất đá Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Nguyễn Nhật Kim Ngân Trang 4 Có hai kỹ thuật chính trong phương pháp thăm dò điện: đo sâu điện và mặt cắt điện Với sự tiến bộ về công nghệ điện tử, tin học và kỹ thuật tính toán, ngày nay, phương. .. chữ nhật ảnh hưởng đến sự tính toán đạo hàm riêng 2D của khối C và P là các điện cực dòng và điện cực thế tương ứng Hình 1.2: Phương pháp tính toán đường cong đo sâu tự động (A) Số liệu quan sát và phân lớp ban đầu (B) Phân lớp thay đổi và đường cong mô hình kết quả Độ sai khác (e) giữa đường cong mô hình và đường cong quan sát được dùng để điều chỉnh (c) đối với phân lớp (C) Phân lớp cuối cùng và đường . - Trình bày tổng quan cơ sở lý thuyết về phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ. - Xây dựng các mô hình môi trường địa chất dưới mặt và kết quả minh giải của phương pháp ảnh điện và địa chấn. trong khảo sát địa chất công trình được thực hiện nhằm mục tiêu trình bày cơ sở lý luận cùng với việc áp dụng kết hợp hai phương pháp ảnh điện và địa chấn khúc xạ vào một khu vực khảo sát cụ. NHIÊN NGUYỄN NHẬT KIM NGÂN TỔ HỢP PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN VÀ ĐỊA CHẤN TRONG KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu Mã số: 60 44 15 LUẬN