bài giảng địa vật lý phương pháp thăm dò từ

2.1 Giới thiệu Thăm dò từ là một phương pháp địa vật lý được áp dụng để giải quyết các nhiệm vụ địa chất trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm trường từ của Quả đất do mức độ nhiễm từ khác nha

2.3.1 Các yếu tố của trường địa từ

2.3.2 Trường từ bình thường và bất thường

2.3.3 Sự biến đổi trường từ theo thời gian

2.5.2 Biến đổi trường

2.5.3 Minh giải tài liệu

2.6 Phạm vi ứng dụng của phương pháp thăm dò từ

2.1 Giới thiệu

 Thăm dò từ là một phương pháp địa vật lý được áp dụng để giải quyết các nhiệm vụ địa chất trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm trường từ của Quả đất do mức độ nhiễm từ khác nhau của các loại đất đá và quặng tạo ra.

 Phương pháp thăm dò từ cũng nghiên cứu trường thế (giống với phương pháp trọng lực) Tuy nhiên, cường độ trường từ không chỉ phụ thuộc độ lớn mà còn phụ thuộc phương từ

hóa khác nhau.

2.2 Cơ sở vật lý địa chất

2.2.1 Một số khái niệm cơ bản

 Khối từ và cực từ

Một cách gần đúng có thể coi Quả đất

như một quả cầu bị nhiễm từ và sinh

ra trường địa từ - trường từ của Quả đất

 Lực từ (Định luật Culong)

m1 , m2 là khối từ ở các cực, r là khoảng

cách giữa chúng, và  là độ từ thẩm

3

r

m m

r

m m

2.2.2 Các tính chất từ của đất đá

 Độ từ hóa (J)

Đặc trưng đặc trưng cho mức độ từ

hóa của vật thể nhiễm từ là mô men từ

của một đơn vị thể tích của vật thể bị

từ hóa do tác dụng của trường từ bên

ngoài

 Độ cảm từ 

Đặc trưng cho khả năng nhiễm từ của

các vật thể khác nhau Đường cong từ trễ

V M

Dựa vào độ cảm từ , người ta chia đất đá, khoáng vật, quặng ra thành 3 nhóm:

 Nhóm nghịch từ: đất đá có độ cảm từ  âm và rất nhỏ, khoảng vài đơn vị 10-6 CGS nhóm thuận từ Hướng từ hoá của chúng ngược chiều với hướng của trường từ bên ngoài Những đất đá, khoáng vật thuộc nhóm này gồm: thạch cao, thạch anh, muối mỏ, can xit, dầu mỏ, grafit, vàng, bạc, chì

Độ cảm từ  của hầu hết các đất đá phụ thuộc trước hết vào tỷ lệ khoáng vật sắt từ có trong chúng.

 Đất đá trầm tích có từ tính yếu, trừ một số loại như sét, cát kết ra thì đá trầm tích hầu như không có từ tính

 Đá magma có từ tính tăng dần từ axit đến mafic và siêu mafic

 Đá magma xâm nhập có từ tính cao hơn đá phun trào tương ứng

 Đá biến chất có từ tính rất khác nhau, thường có độ cảm từ thấp hơn so với magma

Độ từ hóa cảm ứng và từ hóa dư (J)

Dưới tác dụng của trường từ bên ngoài, đất đá bị nhiễm từ, đó

là từ hóa cảm ứng (Ji)

Độ từ hóa dư (Jr) hình thành chủ yếu do yếu tố nhiệt VD các

đá magma có chứa các khoáng vật sắt từ, lúc hình thành ở

nhiệt độ cao (lớn hơn nhiệt điểm Quiri), sau đó nguội dần và chịu ảnh hưởng của trường từ ngoài lúc đó.

Độ từ hoá dư là độ từ hoá của đất đá còn giữ lại được trong thời kỳ thành tạo nó Như vậy khi nghiên cứu có thể biết được

sự thay đổi của trường địa từ từ trước đến nay, có thể xác định nguồn gốc sinh thành, tuổi và lịch sử phát triển địa chất của đất đá Đây là cơ sở của ngành cổ địa từ

Ji

J

Độ từ hóa (J) đo được bao gồm độ

từ hóa cảm ứng và độ từ hóa dư

Z 

H 

X 

Y 

• Cường độ trường từ toàn phần T

• Thành phần nằm ngang H , phương của H trùng

với phương của kinh tuyến từ

Trường từ của quả đất

http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/05galapagos/logs/dec22/media/magfield_600.html

Con người có cảm nhận được trường từ của quả đất?

2.3.2 Trường từ bình thường và bất thường

• Trường từ của quả đất được coi như

quả cầu bị từ hoá đồng nhất có cường

độ T0

• Trường từ của các lục địa có độ nhiễm

từ khác nhau và cao hơn hẳn so với các

đại dương có cường độ T1

• Trường từ của các vật thể địa chất cỡ

lớn có độ nhiễm từ cao có cường độ T2

• Trường từ của những đối tượng địa

chất tương đối nhỏ có cường độ T3

• Trường từ biến thiên theo thời gian T

Như vậy

T Τ

Τ Τ

Τ

 Trường từ bình thường tại một điểm là trường tổng cộng của quả cầu bị từ hoá đồng nhất cường độ và

trường từ của các lục địa.

Chú ý: Tuỳ theo nhiệm vụ nghiên cứu mà trong thăm dò

từ người ta qui ước về trường từ bình thường khác

nhau

 Do đó trường từ bất thường sẽ là hiệu số (gia số) giữa giá trị trường từ toàn phần với trường bình thường.

http://www.freerepub lic.com/focus/f-

news/1920493/posts

The magnetic Earth The World Digital Magnetic Anomaly Map (WDMAM)

shows the variation in strength of the magnetic field after the Earth's dipole

field has been removed Earth's dipole field is generated by circulating electric

currents in the planet's metal core It varies from 35,000 nanoTesla (nT) at the

Equator to 70,000 nT at the poles.

2.3.3 Sự biến đổi trường từ theo thời gian

Trường địa từ luôn thay đổi theo thời gian- gọi là sự biến

thiên của trường địa từ.

2.3.3 Sự biến đổi trường từ theo thời gian

 Biến thiên thế kỷ do những quá

trình xảy ra ở bên trong lòng

2.3.3 Sự biến đổi trường từ theo thời gian

 Các biến thiên theo chu kỳ hàng

chục năm liên quan đến hoạt động

của mặt trời

 Biến thiên có chu kỳ ngày đêm

biên độ cỡ vài chục  Loại biến

thiên này phụ thuộc vào vĩ độ,

mùa, và có thể liên quan đến hoạt

động của mặt trời đối với các dòng

2.3.3 Sự biến đổi trường từ theo thời gian

 Bão từ là hiện tượng trường từ biến đổi mạnh và không theo chu kỳ, biên độ có thể biến đổi đến hàng ngàn 

Image Source: NASA

2.4 Công tác thực địa

 Đo giá trị tương đối của cường độ trường từ

toàn phần  T hoặc thành phần thẳng đứng  Z

 Đo giá trị tuyệt đối

Việc đo giá trị tuyệt đối các yếu tố của trường địa từ được tiến hành bằng các thiết bị phức tạp đặt ở các đài thiên văn

2.4.1 Nguyên tắc chế tạo máy

 Nguyên tắc tương tác của trường địa từ lên thanh nam châm Bộ phận chính của máy từ - hệ thống nhạy là một thanh từ bền, nó bị lệch đi so với phương nằm ngang một góc  , dưới tác dụng của sự thay đổi trường địa từ từ điểm này đến điểm kia Giá trị trường địa từ cần đo được xác định qua góc lệch của

thanh từ.

 Nguyên tắc dựa vào đặc điểm riêng về từ hóa của các vật liệu có độ từ cảm lớn (từ kế Ferozon) Bộ phận chính gồm có cuộn dây cảm ứng, lõi của nó được làm bằng hợp kim từ mềm (có độ cảm ứng từ B lớn trong một trường từ yếu và có lực từ khử rất nhỏ, thường là hợp kim FeNi) Sự thay đổi các tham số điện từ của yếu tố nhạy từ được ghi bằng các thiết bị điện tử, từ đó có thể xác định

cường độ trường địa từ

 Nguyên tắc cảm ứng điện từ Bộ phận chính (hệ nhạy) là một khung dây cảm ứng được quay bằng mô tơ Khi đường sức của trường địa từ cắt qua khung dây thì trong nó xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với cường độ trường từ cần đo.

 Nguyên tắc cộng hưởng từ hạt nhân (từ kế proton) Dựa trên việc đo tần số tuế sai của các proton (hạt nhân nguyên tử Hydro) trong trường từ của Quả đất Tần số tuế sai tỷ lệ với cường độ của trường từ cần đo.

Từ kế proton

Các proton trong nước hoặc trong các chất lỏng (cồn, kerosen…) được coi như các lưỡng cực từ nhỏ, khi có tác dụng của trường từ phân cực thì chất lỏng đó bị từ hóa và các lưỡng cực từ này tạm thời bị định hướng theo hướng của trường từ hóa phân cực Trườmg từ phân cực này tạo

với phương của trường từ qủa đất một góc nào đó (thường vuông

góc) Nếu đột ngột ngắt trường từ hóa thì các proton sẽ có chuyển

động quay xung quanh trường từ

quả đất, đó là chuyển động tuế sai Tần số tuế sai tỷ lệ với cường độ của trường từ cần đo

2.4.2 Công tác thực địa

 Đo từ trên mặt đất

Tuỳ thuộc vào nhiệm vụ địa chất và mức độ phức tạp của các cấu trúc địa chất vùng công tác mà mạng lưới quan sát được chọn với kích thước khác nhau

 Phương của các tuyến đo từ phải vuông góc với đường phương

dự kiến của đối tượng khảo sát Khoảng cách giữa các tuyến phải chọn sao cho ít nhất có ba tuyến đi qua mỗi đối tượng thăm dò.

 Khoảng cách giữa các điểm đo cũng phải chọn sao cho ít nhất có

3 điểm lọt vào vùng bất thường do đối tượng khảo sát gây ra.

 Mạng lưới khảo sát gồm mạng lưới các điểm tựa (điểm gốc) và mạng lưới các điểm thường.

 Đo từ hàng không và trên biển

 Đo từ hàng không: đo liên tục

T trên các tuyến bay Hướng các tuyến được chọn vuông góc với đường phương đối tượng, khoảng cách tuyến đo và độ cao bay phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ

 Đo trên biển: hệ thống gồm 2

từ kế (proton) được kéo theo tàu

 Ngoài ra ngày nay còn đo từ vệ tinh

2.5 Xử lý tài liệu

2.5.1 Hiệu chỉnh

 Hiệu chỉnh liên quan đến máy đo

 Hiệu chỉnh nhiệt độ

 Hiệu chỉnh trôi điểm không

 Hiệu chỉnh liên quan đến các hiện tượng địa từ

 Hiệu chỉnh sự biến thiên trường từ theo thời gian

 Hiệu chỉnh trường bình thường Chú ý đến tọa độ điểm đo.

 Hiệu chỉnh đặc biệt: địa hình, các vật thể có trường

từ lớn ở gần điểm đo.

2.5.2 Biến đổi trường

 Nâng trường, hạ trường tính đạo hàm theo phương thẳng đứng, phân chia trường…

 Chuyển trường  T   Z

 Quy trường về từ hóa thẳng đứng

 Chyển bất thường từ ứng với góc nghiêng từ hóa khác nhau vè trường hợp từ hóa thẳng đứng.

2.5.3 Minh giải tài liệu

 Bài toán thuận

Trường từ của nguồn dạng cầu

Z

xO

R



r

xh

J

2 / 3 2 2

) ( x h

Mh U





2 / 5 2 2

2 2

) (

2

h x

x

h M

h

U Z

) (

2 3

h x

hx M

J U

V



 cos2 

 Giải thích định tính

Mô tả trực tiếp các đồ thị và bản đồ đẳng trị T,  rồi so sánh chúng với các lát cắt hoặc bản đồ địa chất để xác lập mối quan

hệ giữa các bất thường từ với các vật thể địa chất nhất định,

xác định gần đúng vị trí không gian, hướng cắm và phương vỉa của chúng

 Trên các đồ thị theo tuyến và bản đồ đẳng trị người ta khoanh các vùng bất thường ứng với cùng một đối tượng địa chất, vạch ra

ranh giới tiếp xúc của các đất đá khác nhau.

 Khi các vật thể địa chất bị từ hoá nghiêng như ở nước ta, cấu trúc của trường bất thường từ phức tạp hơn so với trường hợp từ hoá thẳng đứng, do đó trong quá trình phân tích yêu cầu phải thận

trọng.

 Trong quá trình phân tích định tính, có thể vạch ra được các bất thường khu vực liên quan đến những cấu trúc lớn của vùng và các bất thường địa phương liên quan tới các vật quặng.

 Giải thích định lượng

Xác định các tham số của vật thể địa chất cần nghiên cứu như: hình dạng, kích thước, chiều sâu thế nằm, góc cắm…

Bài toán ngược

 Phương pháp giải tích: dựa vào những điểm đặc trưng của

đường cong biểu diễn trường như cực đại, cực tiểu, điểm uốn…

và những công thức đã được giải trong bài toán thuận để từ đó tính toán gần đúng các tham số của vật thể địa chất như hình

dạng, kích thước, chiều sâu thế nằm…, khi coi đối tượng địa

chất có dạng hình học đơn giản

 Phương pháp đồ thị: so sánh trực tiếp các đồ thị thực tế với đồ thị lý thuyết Khi có sự trùng hợp thì có thể rút ra các kết luận về đối tượng địa chất cần nghiên cứu

2.6 Phạm vi ứng dụng của phương pháp thăm dò từ

1- Tìm kiếm các loại quặng và khoáng vật có từ tính Đặc biệt có giá trị lớn khi phát hiện quặng manhetit hay một số quặng khác.

2- Nghiên cứu đặc điểm thế nằm và thành phần của móng kết tinh.

3- Tìm kiếm các thể magma xâm nhập chủ yếu là các đá mafic, siêu mafic Trong một số trường hợp có thể phát hiện cả các đá macma axit.

4- Đo vẽ bản đồ địa chất ở những vùng có phát triển đất đá có từ tính mạnh Có thể dùng phương pháp từ để theo dõi các đới tiếp xúc, các phá huỷ kiến tạo nhất là những vùng phát triển đất đá magma mafic 5- Tìm kiếm các lòng sông cổ, các thung lũng bị chôn vùi, các hang động cactơ nếu những nơi đó lắng đọng các khoáng vật sắt từ khác với môi trường xung quanh.

quá trình trôi dạt lục địa, tuổi đất đá

 Sự giống nhau giữa phương pháp từ và phương pháp trọng lực

 Cả hai phương pháp đều dùng nguồn tự nhiên, cùng là

phương pháp trường thế.

 Biểu diễn toán học và vật lý của lực từ và trọng lực giống

nhau

 Đo đạc, biến đổi và minh giải tài liêu giống nhau.

 Sự khác nhau giữa phương pháp từ và phương pháp

trọng lực

 Tham số: trọng lực – mật độ đất đá; từ - độ từ cảm.

 Trọng lực – lực hút; từ - lực hút hoặc lực đẩy.

 Cực từ luôn tồn tại cực âm và cực dương

 Trường trọng lực luôn tạo bở sự khác biệt về mật độ của đất

đá trong quả đất, trong khi đó trường từ bao gồm hai yếu tố:

từ hóa cảm ứng từ và từ hóa dư

 Trường từ biến đổi theo thời gian mạnh hơn trường trọng lực

Câu hỏi

 Nguồn gốc trường từ?

 Thế nào la bão từ? Nguyên nhân? Nó ảnh hưởng như thế nào?

 Mô tả nguyên tắc chế tạo máy proton?

 Các hiệu chỉnh tài liệu?

 Thế nào là nghịch từ, thuận từ, và sắt từ?

 Thế nào là từ dư? Giải thích sự hình thành của chúng?

 Thế nào là độ từ khuynh, độ từ thiên? Và sự biến đổi

của chúng theo tọa độ?