CÁC PHƯƠNG PHÁP địa vật lý TRONG địa CHẤT THỦY văn

CÁC PHƯƠNG PHÁP địa vật lý, TRONG địa CHẤT THỦY văn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ NỘI

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

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

Chương I: MÔI TRƯỜNG ĐỊA ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 4

1.1 CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 4

1.2 CÁC MÔ HÌNH ĐỊA ĐIỆN ĐẶC TRƯNG TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 7

1.2.1 Tầng chứa nước ở vùng đồng bằng châu thổ 7

1.2.2 Thấu kính chứa nước đáy đệ tứ hoặc lòng sông cổ 7

1.2.3 Nước trong hang đới phát triển karst 8

1.2.4 Nước trong đới phá hủy, đứt gãy địa chất 8

1.2.5 Nước thượng tầng trong khe nứt của đá gốc 9

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 10

2.1.2 Ý nghĩa của điện trở suất biểu kiến 10

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D 12

2.2.1 Định nghĩa 12

2.2.2 Miền ảnh hưởng 12

2.3 PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU 1D 13

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D 14

2.4.1 Bài toán tổng quát 14

2.4.2 Giải bài toán 16

2.5 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU 1D 17

2.5.1 Lát cắt điện trở suất biểu kiến  k hay lát cắt đẳng ôm 17

2.5.2 Xử lý tài liệu đo sâu điện 1D theo phương pháp biến đổi p 18

2.6 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D 20

Chương III: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D 21

3.1 THỰC CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D 21

3.1.1 Định nghĩa 21

3.1.2 Đặc điểm của phương pháp 21

3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D 22

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D 23

3.3.1 Phương pháp đo sâu hệ cực thế (Pole-Pole) 23

3.3.2 Đo sâu đa cực hệ 3 cực (Pole-Dipole) 24

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) 25

3.4 XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU 2D 26

3.4.1 Cơ sở lý thuyết bài toán ngược 26

3.4.2 Chương trình xử lý đo sâu điện 2D 27

3.5 ÁP DỤNG ĐO SÂU ĐIỆN 2D 28

Chương IV: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU PHÂN CỰC 2D 30

4.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC KÍCH THÍCH 30

4.1.1 Hiện tượng phân cực kích thích 30

4.1.2 Đặc điểm 31

4.1.3 Các đặc trưng phân cực cơ bản 32

4.1.4 Các tham số phân cực 33

4.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐA CỰC PHÂN CỰC 2D 34

4.2.1 Định nghĩa 34

4.2.2 Phương pháp kỹ thuật đo 34

4.2.3 Phương pháp xử lý tài liệu đo sâu đa cực phân cực 2D 35

4.3.4 Áp dụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D ……… … 35

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 37

5.1.3 Bản chất của phương pháp trường chuyển 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 38

5.3 PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN 39

5.3.1 Đặc điểm của tín hiệu trường chuyển 39

5.3.2 Nguyên tắc phát và thu trường chuyển 39

5.3.3 Máy đo trường chuyển 40

5.3.4 Phương pháp kỹ thuật đo sâu trường chuyển 41

5.4 XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN 43

5.4.1 Công thức đường cong theo thời gian 43

5.4.2 Công thức 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 chuyển 46

5.5 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN 47

Chương VI: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 49

6.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 49

6.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 49

6.3 PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 50

6.4 CƠ SỞ VẬT LÝ ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 51

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

6.5.1 Điều kiện áp dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân 53

6.5.2 Áp dụng đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân để tìm kiếm nước ngầm 53

Chương VII: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ TELLUA ÂM TẦN 55

7.1 TRƯỜNG TỪ - TELLUA CỦA TRÁI ĐẤT 55

7.1.1 Nguồn gốc trường từ - tellua 55

7.1.2 Mô hình Trikhônốp-Karhina 56

7.1.3 Trường từ -telua trên môi trường vỏ trái đất với mô hình 1D 57

7.1.4 Trở kháng của môi trường phân lớp nằm ngang 57

6.1.5 Các giá trị tiệm cận của trở kháng 58

7.1.6 Hai khoảng tần số tương ứng với cấu trúc vỏ Quả đất 59

7.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ - TELUA (MTZ) TRONG MÔI TRƯƠNG 1D 60

7.2.1 Định nghĩa 60

7.2.2 Công thức tính điện trở suất: 61

7.2.3 Đường cong đo sâu MTZ lý thuyết 61

7.2.4 Phương pháp kỹ thuật đo sâu MTZ 62

7.2.5 Phương pháp xử lý tài liệu đo sâu MTZ trong môi trường 1D 63

7.2.6 Khả năng áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua để tìm kiếm nước ngầm 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

MỞ ĐẦU

Đối tượng của địa chất thủy văn là 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 trình này sẽ giới thiệu ngắn gọn cơ sở toán lý, phương pháp kỹ thuật thi công và xử lý tài liệu của các phương pháp địa vật lý và các thí dụ 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 trình địa vật lý đại cương, do vậy đây 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 tần đã và đang được sử dụng có hiệu quả trên thế giới và đã được áp dụng ở Việt Nam trong những năm gần đây

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

Điện trở suất của các đá thông dụng, các vật liệu đất và hóa chất được trình 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 này phụ thuộc rất lớn vào độ nứt nẻ và mức độ chứa nước Vì vậy, giá trị điện

trở suất tương ứng với mỗi loại đất đá có thể thay đổi trong một giới hạn khá rộng từ hàng ngàn ohm.m cho đến nhỏ hơn 1 ohm.m, phụ thuộc vào độ

ẩm và độ khoáng hóa của nước Tính chất này rất 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 thường có giá trị điện trở suất thấp hơn với các đá xâm nhập và biến chất, 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 hóa của nước chứa trong các lỗ hổng

Các trầm 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 bão 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 vào các tham số như: độ xốp, mức độ bão 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 trở suất của nước dưới biển là rất thấp (khoảng 0.2 ohm.m) do hàm lượng muối cao, điều này là cơ sở cho phương pháp thăm dò điện trở thành một

kỹ thuật lý tưởng trong việc đo vẽ bản đồ xác định ranh giới nhiễm mặn ở các vùng duyên hải Một phương trình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở suất của đá xốp và tham số bão hòa của chất lỏng có trong chúng là định luật Archie, định luật này 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

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

Trong hình 1.1 cũng trình bày giá trị 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

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 trị 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, và ảnh hưởng của chúng không có ý nghĩa trong giá trị điện trở 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 là các cấu trúc địa chất thuận lợi cho việc tích tụ và tàng trữ nước ngầm Chúng gồm có các mô hình đặc trưng sau:

1.2.1 Tầng chứa nước ở vùng đồng bằng châu thổ

Ở vùng đồng bằng châu thổ có quá trình lắng đọng trầm tích lâu đời 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 này tạo thành tầng hay lớp có điện trở suất thấp hay cao tùy thuộc vào độ khoáng hóa và thành phần thạch học của các loại đá nằm trên hoặc dưới nó

Hình 1.2: Mô hình 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 vùng trung du, ở bậc thềm sông, nếu có lớp cát, cuội dày thì khả năng lưu trữ nước ngầm rất lớn, (xem hình 1.3)

Hình 1.3: Mô hình lát cắt địa điện với đối tượng chứa nước

là lòng sông cổ

1.2.3 Nước trong hang đới phát triển karst

Nước karst thường có ở vùng phát triển đá vôi Đới phát triển karst

có nước thường có điện trở suất thấp hơn đá vôi rẵn chắc và nếu bị lấp nhét bùn sét thì điện trở 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 trường hợp đới phát triển karst chứa đầy bùn sét, điện trở suất rất thấp nhưng không lưu thông nước nên vẫn không chứa nước

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

Hình 1.4 là mô hình lắt cắt địa điện điển hình của vùng núi đá vôi

với các đối tượng karst rỗng (ρ 3) và karst chứa nước hoặc bị lấp nhét bởi

bùn, sét (ρ 4)

1.2.4 Nước trong đới phá hủy, đứt gãy 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 đới chứa nước, (hình 1.5)

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 vùng núi, lớp phủ mỏng nếu gặp các đứt gãy địa chất thường thuận lợi cho điều kiện chứa nước

Hình 1.5: Mô hình địa điện đối tượng chứa nước trong đới

phá hủy, đứt gãy 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 trên mặt thấm xuống thì cũng có khả năng chứa nước, trường hợp này thường có ở vùng núi cao, cao nguyên bazan, cần lưu ý mực nước ngầm càng cao gần mặt đất thì khả năng chứa nước càng tốt

Hình 1.6: Mô hình lát cắt địa điện đối tượng chứa nước

trong khe nứt của đá gốc

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

ρρ

Điện trở suất biểu kiến có công thức tính:

k

U K I

   (2.1)

trong đó: - K là hệ số hệ điện cực tùy thuộc sự sắp xếp của loại hệ cực

b Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất biểu kiến

- Điện trở suất biểu kiến ρ k 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 nhất, vị trí đo, loại hệ cực, kích thước

hệ cực so với đối tượng khảo sát Vì vậy, có thể nói điện trở suất biểu kiến

ρ k mang thông tin của môi trường khảo sát

- Điện trở suất biểu kiến ρ k không phụ thuộc cường độ dòng phát vì:

MN

   , có nghĩa là khi phát dòng I lớn thì ∆U tăng tương ứng, tỉ số

U I

 không đổi và vì thế  k không đổi

2.1.2 Ý nghĩa của điện trở suất biểu kiến

Ý nghĩa của điện trở suất biểu kiến ρ k có 2 dạng sau:

a Ý nghĩa vi phân

Ý nghĩa vi phân của điện trở suất biểu kiến là 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

Nếu ta thực hiện một vài biến đổi theo công thức tính ρ k ta có:

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 nghĩa tích phân

Ý nghĩa tích phân của điện trở suất biểu biến ρ k là ảnh hưởng của

miền không gian nào đó tới giá trị ρ k Cũng dựa vào biểu thức tính ρ k, ta có:

  (2.3)

M N MN

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 r iAB 4 mới ảnh hưởng thực sự tới

giá trị ρ k vì phần không gian nằm sâu hơn không đủ làm méo mật độ dòng

gây ảnh hưởng trong ρ k Tóm lại:

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

Ở đây: - H là tổng 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





Với: - i là thứ tự kích thước AB được mở

phương pháp đo sâu càng tốt

- Nếu MN0: tức hệ cực Schlumberger lý tưởng, tính định xứ 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 hoặc tăng cường độ dòng phát I

2.3 PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU 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

Hình 2.2: Sơ 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

biểu kiến  k (r) theo kích thước r=AB/2:

2: Máy đo dòng phát và hiệu điện thế

3: Tời cuốn dây phát 4: Đường dây phát AB 5: Đường dây thu MN

3

2

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

Để cho trên giấy loga kép các vị trí kích thước r đều nhau, nghĩa là trong tỉ lệ loga kích thước r sẽ tăng theo cấp số cộng

nlgrlgr

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 trường lý tưởng, có sự thay đổi điện trở suất theo phương thẳng đứng:  (z)=  i (z)

2.4.1 Bài toán tổng quát

Giả sử môi trường có n lớp với các tham số: 1,h1, 2,h2…n-1,hn-1,

n,hn; tại điểm A là nguồn điểm phát

Đây là môi trường đồng nhất cục bộ i  const do vậy trong các lớp hàm thế thoả mãn phương trình Laplaxơ:

- Ở lớp thứ thứ nhất hàm thế gồm hai phần:

r , z

' U z r 2

I U

2 2

đều phải thoả mãn phương trình Laplaxơ:  U=0, nên đối với hàm thế U’ ta

có:

0'

0z,r'

Ở các lớp trung gian các hàm thế U 2 , U 3 đều hữu hạn và ở xa vô

cùng chúng đều tiến về không:

U1

z,rUz,rU

1 i 1 i

i i

1 i i

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( ) ( ) rồi thay vào phương trình (2.6) ta có:

0z

VUr

Ur

Vr

UV

2

2 2

VV

1r

UUr

1r

UU

1

2

2 2

U r

1 r

1 1

2 2

1 2 ) 0 , (

n

n

nh r

q r

I r U

2 1 1

2 2

1 2 ) 0 , (

n

n

nh r

r q r

I r E

2

I0,rU

1 1 1

2

I0,rE

3 n 12 1

k

nh2r

rK2

k

nh2r

rq2

2 1

k r r R m J mr mdm (2.24)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 được thành lập như sau: trên tuyến đo sâu điện

trục hoành là vị trí điểm đo, trục tung ghi giá trị AB/2 theo tỉ lệ loga Cột

dọc theo vị trí đo sâu ghi giá trị  k (x,r) Vẽ đẳng trị  k ta được lát cắt đẳng

ôm Lát cắt đẳng ôm là bức tranh tổng hợp mô tả định tính lát cắt địa điện trên tuyến đo sâu (hình 2.5) Lát cắt đẳng trị  k ta có thể nhận biết khu vực

có bất đồng nhất, đứt gãy, nếp lõm, nếp lồi, địa hình của mặt nền đá gốc Lát cắt đẳng ôm  k có độ phân giải kém nên người ta chỉ xem là lát cắt xử

lý định tính

2.5.2 Xử lý tài liệu đo sõu điện 1D theo phương phỏp biến đổi p

Hai nhà địa vật lý Petrovxky (Nga) và Jondy (Mỹ) đó đề xuất tỡm một phương phỏp xử lý đường cong đo sõu điện phản ỏnh thực hơn về lỏt cắt địa điện; nú cú độ phõn giải cao hơn, chiều sõu thực hơn so với lỏt cắt đẳng ụm  k bằng cỏch dựng cụng thức biến đổi như sau:

- Khi đường cong đi xuống  k(r i1)  k( )r i :

  2lg

1

lg

p

r k z

r k r

lg

p

r k

i i

10 11 12 13 14 15

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710

Tên điểm đo Cao độ Khoảng cách Khoảng cách cộng dồn

a

-  i là hệ số khắc phục sự bất dẳng hướng vĩ mụ của lỏt cắt phõn lớp,

đưa giỏ trị kớch thước hệ cực r i về chiều sõu hiệu dụng z i Giỏ trị của hệ số

 

i r =1 (2 ) i i

   , với cỏc lớp tương đối dày i =1 cú thể lấy  i =1/2

Đường cong ρ p cú độ phõn giải và định xứ tốt hơn đường

nờn được xem là lỏt cắt xử lý bỏn định lượng tài liệu đo sõu điện 1D

10 11 12 13 14 15

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720

620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720

Tên điểm đo Cao độ Khoảng cách Khoảng cách cộng dồn

b

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

thống, do sử dụng cự ly thiết bị Schlumberger có MN ≤ (1/10)AB nên có độ

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 tìm kiếm nước trong các tầng chứa nước như: thấu kính đệ tứ, đới dập vỡ, phá hủy của đứt gãy, vùng sụt karst, song phải đo với mật độ đủ dày mới có hiệu quả, (xem hình 2.8 và 2.9)

Hình 2.8: Tìm nước trong đới phá hủy đứt gãy

Hình 2.9: Tìm nước trong đới phá hủy karst

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

0 20 40 60 80 100 120 -155

-135 -115 -95 -75 -55 -35 -15

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 ρ k (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, 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 trên mạng lưới cách đều

một khoảng a, (hình 3.1)

Hình 3.1: Bố trí điện cực trong đo sâu điện 2D

Nếu có cáp chuyên 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 đối xứng Wenner-Schlumberger (W-S) Khi tăng kích thước hệ cực đều tăng theo cấp số cộng là bội số của a, (hình 3.2)

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

Với 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

cực có thể điều khiển thi công theo trình 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 phương pháp này có độ phân giải cao

3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 2D

Người ta phân 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)

M

M -1

4 3 2 j=1

Hình 3.3 Lưới rời rạc theo lược đồ sai phân

Phương trình cơ bản theo phương Pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho

Mô hình 2D như sau:

i, j

i, j+1

i+1, j

i, j-1 i-1, j

Hình 4.4: Tiết diện của một phần tử trong lưới rời rạc 2D

Với :

Giải phương trình (3.2) tính được

u, dựa vào kết quả Furier ngược ta tính được:

0

( , , )2

Đó là bài toán thuận tính ρ k trong môi trường 2D Đây là đường cong

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 trên tuyến đo, (hình 3.5)

Hình 3.5: Đo sâu hệ cực thế

n=1 + + + + + n=2 + + + + n=3 + + +

a

B∞ N∞

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:

2

k

u k I

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 trên 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

Hình 3.6: Đo sâu đa cực hệ 3 cực

Hệ số thiết bị K và chiều sâu điểm ghi kết quả Zn như sau:

Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1

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 hình 3.7 Với n=1 ta có hệ cực Wenner, sau đó n=2, 3,… 8 là hệ cực Schlumberger

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

Hệ số thiết bị K và chiều sâu ghi kết quả như sau:

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 và chiều sâu ghi kết quả như sau:

( 1)( 2) ( 1)

Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1

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 là tìm mô hình lát cắt 2D sao cho cực tiểu hóa phiếm hàm F giữa độ lệch bình phương giá trị logarit

điện trở suất đo được q i (z j ) trên lưới đo thực tế và giá trị g i (x) là logarit điện

trở suất tính trên mô hình

2

2 1

dày của các khối hộp địa phương trên mô hình

A a B 3a M a N

A a B 2a M a N

A a B a M a N

n=1 + + + + + + + n=2 + + + + + + n=3 + + + + +

-  p k là bước thay đổi tham số p k , với  p k nhỏ thì:

g J

    (3.7)

3.4.2 Chương trình xử lý đo sâu điện 2D: RES2DINV

Số liệu đo q i (z j ) được đưa vào theo phương pháp đo, số điểm đo,

kích thước a theo trình tự đo, sau đó chương trình chạy theo thuật toán sau:

Theo phương trình (3.6) để giảm sai số ε i có thể sử dụng phương trình Gauxơ - Newton xác định sự thay đổi tham số mô hình để giảm tổng sai số bình phương của phương trình (3.7):

g g   p  (3.8) Tuy nhiên trong thực tế bài toán ngược Địa vật lý ma trận J-1J có thể

là kỳ dị nên phương trình bình phương tối thiểu (3.6) không có lời giải

Nếu kết quả đo q i (z j ) có sai số lớn, ma trận sản phẩm J -1 J gần kỳ dị,

kết quả giải bài toán theo phương trình (3.8) sẽ sai với thực tế; trong trường hợp này phải dùng phương pháp hồi quy thực hiện theo phương pháp bình phương tối thiểu cưỡng bức với phương trình mới:

- f x là bộ lọc theo phương ngang

- λ là hệ số suy giảm hay trọng số của các bộ lọc làm trơn

Sau khi ε i =ε min đạt kết quả, mô hình g n được chấp nhận là mô hình kết quả, chương trình giải bài toán ngược sẽ dừng lại, trên màn hình máy hiện lên:

- Lát cắt điện trở suất biểu kiến q i = ρ k (x, z) của tài liệu đo

- Lát cắt điện trở suất được tính toán ở lần lặp thứ i: g i (x, z)

- Chấp nhận ε min thì cho mô hình ρ(x, z)=g n (x, z) ở lần tính lặp thứ n

là mô hình kết 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 gãy địa chất, đới phát triển karst Khi đó kết quả áp dụng đo sâu điện 2D cho ta

lát cắt địa điện 2D: ρ(x,z)=g n (x,z) là bức 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 nước cần quan tâm nằm trên tuyến khảo sát, (xem hình 3.9)

-155 -125 -95 -65 -35

-5

f3

Hình 3.9: Xác định đứt gãy địa chất theo kết quả đo sâu 2D tuyến

T4_MV1 khu vực Mèo Vạc, Hà Giang

Nếu xử lý theo diện tích ở một chiều sâu h nào đó sẽ có hình ảnh điện trở suất ρ(x, y, h) phản ảnh địa hình mặt móng kết tinh, vùng sụt karst,

vùng chứa nước hoặc vật thể quặng … ở chiều sâu h, (xem hình 3.10)

-7 -6 -5 -4 -3

-6

-5 -4 -3

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5

p9

p8

p7

p6 p5 p4 p3 p2 p1

6 5 4 3 2 1

Hình 3.10: Xác định đới sụt karst theo tài liệu đo sâu điện 2D khu vực

PV1 huyện Mèo Vạc, Hà Giang

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 trường dẫn điện ba pha (pha rẵn, pha lỏng, pha khí) gọi là hiện tượng phân cực kích thích Bản chất của hiện tượng phân cực kích thích là bản chất điện hóa xảy ra trong môi 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 trên mặt khoáng vật dẫn điện điện tử, do phản 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 trò hấp phụ của sét, màn chắn của các hạt khoáng vật dẫn kết quả tạo thành các miền phân cực khối, xem hình 4.1b,c,d,e,f

- 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

    do vậy khi đo đạc cần dòng phát lớn In(0.1 1) Ampe 

- Để bảo đảm đo được U pcbuộc phải mở MN lớn hơn nên độ phân giải kém hơn

- Đo được 2 chế độ dòng một chiều và dòng xoay chiều:U t pc( ) và

Hình4.1d: Phân cực do các điện tích dương bị sét bắt giữ

Anion Cation

Hình4.1e: Phân cực do các điện tích

kết khối

Anion liên kết

Đới phụ thuộc (thụ động) Đới tích cực

Hình 4.1f: Phân cực do cấu trúc rang

buộc của các phân bố lỗ rỗng khoáng vật dẫn

b Đặc trưng thời gian

Thế phân cực giảm dần theo quy luật gần đúng với quy luật hàm mũ:

( ) ( ). t

pc pc

Với hệ số suy giảm λ là tốc độ

suy giảm ln của thế phân cực, (hình

  

 (4.3) Thế phân cực giảm cũng có thể coi gần đúng theo quy luật Hypebol, (hình 4.3):

( ) ( )

1

pc pc

Phương pháp đo sâu phân cực vẫn thực hiện nguyên 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