Đang tải... (xem toàn 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 nhieu.dcct@gmail.com 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 nhieu.dcct@gmail.com 1 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 nhieu.dcct@gmail.com 2 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. nhieu.dcct@gmail.com 3 Chương I: MÔI TRƯỜNG ĐỊA ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 1.1. CÁC TÍNH CHẤT 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 và 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 nhất. Dẫn điện điện tử chỉ có vai trò quan trọng khi có sự hiện diện của các khoáng vật dẫn điện như các sulfur, graphit kim loại… 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 nhieu.dcct@gmail.com 4 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 nhieu.dcct@gmail.com 5 điện được giả thiết là 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 của đá chứa chất lỏng - a và m là các tham số thực nghiệm, đối với hầu hết các đá a=1, m=2. - w là điện trở suất của chất lỏng. w phụ thuộc vào nồng độ muối khoáng: w M C Ở đây: M là hệ số, phụ thuộc vào loại muối khoáng, với muối Nacl M=8.4; còn C là nồng độ muối có đơn vị là: g/l Đối với các đá trầm tích có hàm lượng sét đáng kể thì sẽ có các phương trình liên hệ phức tạp hơn. Các giá trị 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 trị điện trở suất thấp, thường nhỏ hơn 1 Ohm.m. Lưu ý, giá trị điện trở suất của một thân quặng hoặc một đối tượng nhất định có thể có sự khác biệt rất lớn so với giá trị điện trở suất của các tinh thể riêng biệt. Các tham số khác như tính chất của thân quặng (đặc xít hoặc xâm tán) cũng có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị điện trở suất. Than chì có giá trị điện trở suất thấp tương tự như sulfit kim loại, đó là cơ sở cho việc ứng dụng phương pháp thăm dò điện trong thăm dò khoáng sản. 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 nhieu.dcct@gmail.com 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 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). nhieu.dcct@gmail.com 7 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 (ρ3) và karst chứa nước hoặc bị lấp nhét bởi bùn, sét (ρ4) 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). nhieu.dcct@gmail.com 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 vùng núi, lớp phủ mỏng nếu gặp các đứt gãy địa chất thường thuận lợi cho điều kiện chứa nước. ρ1 ρ ρ2 ρ4 ρ ρρ ρ 3 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. nhieu.dcct@gmail.com 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 Điện trở suất biểu kiến là giá trị điện trở suất đo được trên nửa không gian không đồng nhất bởi một hệ điện cực nào đó. Điện trở suất biểu kiến có công thức tính: k K U I (2.1) 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=IAB là cường độ dòng phát trong mạch phát AB b. Các yếu 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 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 ρk mang thông tin của môi trường khảo sát. - Điện trở suất biểu kiến ρk không phụ thuộc cường độ dòng phát vì: U I RMN I , 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 ρk 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. nhieu.dcct@gmail.com 10 Nếu ta thực hiện một vài biến đổi theo công thức tính ρk ta có: U MN MN K .EMN K . MN . jMN I I I . jMN k K (2.2) Như vậy, điện trở suất biểu kiến tỉ lệ với mật độ dòng điện tại vị trí quan sát hay mọi sự méo mật độ dòng do yếu tố bất đồng nhất địa chất. Đây là cơ sở vật lý của các phương pháp đo mặt cắt điện. Bởi vì các phương pháp đo mặt cắt điện 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 nghĩa tích phân Ý nghĩa tích phân của điện trở suất biểu biến ρk là ảnh hưởng của miền không gian nào đó tới giá trị ρk. Cũng dựa vào biểu thức tính ρk, ta có: k K .RMN RMN (2.3) UM UN I (2.4) Như vậy, RMN là điện trở của phần không gian nằm giữa 2 mặt đẳng thế UM và UN (xem hình 2.1). Trong nửa không gian đồng nhất, miền không gian nằm giữa U M và UN có bán kính ri AB 4 mới ảnh hưởng thực sự tới giá trị ρk vì phần không gian nằm sâu hơn không đủ làm méo mật độ dòng gây ảnh hưởng trong ρk. Tóm lại: - Với nửa không gian đồng nhất: zi ri Ai Bi 4 - Với nửa không gian bất đồng nhất (phân lớp) có sự bất đẳng hướng của lát cắt λ: zi 1 1 ri Ai Bi 4 (2.5) Áp dụng để tính kích thước hệ cực khi cần nghiên cứu đến chiều sâu H, ta có: Z max H nhieu.dcct@gmail.com 11 ( AB) max 4rmax 4 zmax 4 H 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 đo sâu: K ( r ) K ( r ). U (r ) I (2.1) - Với hệ 4 cực đối xứng: r AB 2 - Với hệ lưỡng cực: r OO' 2 2.2.2. Miền ảnh hưởng Miền ảnh hưởng của phương pháp đo sâu điện, như trong hình 2.1 r A N M B RMN z UM UN Hình 2.1: Miền ảnh hưởng của điện trở suất biểu kiến k Miền không gian có điện trở RMN nằm giữa hai mặt đẳng thế UM và UN: RMN UM UN I Zi là một khối hình trụ có bán kính: 1 .( AB ) i 4 Với: - i là thứ tự kích thước AB được mở - MN càng nhỏ miền ảnh hưởng RMN càng nhỏ, tính định xứ của phương pháp đo sâu càng tốt. nhieu.dcct@gmail.com 12 - 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. KA 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 hiệu điện thế 3: Tời cuốn dây phát 4: Đường dây phát AB 5: Đường dây thu MN 1 2 ЗСK 2 N1 M1 M2 5 N2 N3 M3 M4 N4 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: k r K U (r ) I Kết quả xây dựng được đường cong đo sâu trên giấy tỉ lệ loga kép, (xem hình 2.3). lg k f lg r nhieu.dcct@gmail.com 13 k (m) 100 10 M2 N2=10m k=6.2 m 1 M5 N5 =1000m M 3N3=40m M1 N1 =2m 10 M6N6=2500m M4N4=200m 100 15000m 10000 AB/2 (m) 1000 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 lg ri 1 lg ri lg n Như vậy, trong thực tế kích thước r sẽ phải tăng theo cấp số nhân: ri 1 nri 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). A 2.4.1. Bài toán tổng quát Giả sử môi trường có n lớp với 1, h1 I d1 2, h2 các tham số: 1,h1, 2,h2…n-1,h n-1, n,hn; tại điểm A là nguồn điểm phát n-1, hn-1 d2 dn-1 dòng I, tính hàm thế trong các lớp: U 1, n, hn= U 2,…Un, (Xem hình 2.4). Bài toán có tính đối xứng trụ do đó: U 0 ; U Ur , z nhieu.dcct@gmail.com 14 Hình 2.4: Bài toán tổng quát 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 trình 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 hàm thế gồm hai phần: U1 I1 2 r 2 z 2 (2.7) U' r, z 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 , cũng như các hàm thế U1, U2,..., U n đều phải thoả mãn phương trình Laplaxơ: U=0, nên đối với hàm thế U’ ta 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: jz 0 ; U 0 z (2.9) Ở các lớp trung gian các hàm thế U2, U3 ... 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=di, hàm thế và mật độ dòng theo phương pháp tuyến sẽ liên tục: U i r, z U i 1 r, z (2.11) 1 U i 1 U i 1 i z i 1 z nhieu.dcct@gmail.com 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 ) rồi thay vào phương trình (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 trình (2.12) cho U.V ta có: 1 2 U 1 U 1 2 V 0 U r 2 Ur r V z 2 (2.13) Từ phương trình (2.12) ta tách được thành 2 phương trình 2U r 2 1 U m2U 0 r r (2.14) 2V m2V 0 2 z (2.15) * Với môi trường 2 lớp: xác định được thế và trường điện trên mặt đất z=0: k12 n 1 2 1/ 2 2 n 1 r 2 2 nh r 1 (2.16) I1 1 rk12 n E1 r , 0 2 2 3/2 2 2 r n 1 r 2 2 nh 1 (2.17) I U1 r, 0 1 2 * Với môi trường 3 lớp: xác định được thế và trường điện trên mặt đất z=0: I U 1 ( r ,0 ) 1 2 qn 1 2 2 n 1 r r 2 2nh1 (2.18) I E1 ( r ,0) 1 2 qn r 1 2 2 2 n 1 r r 2 2nh1 3 2 (2.19) 1 2 * Với môi trường n lớp: xác định được thế và trường nhieu.dcct@gmail.com 16 I U1 r,0 1 R 1 m J 0 mr dm 2 0 (2.20) I1 R 1 m J1 mr mdm 2 0 (2.21) E 1 r , 0 Và tính được điện trở suất biểu kiến trên lát cắt phân lớp nằm ngang, khi đo sâu bởi hệ 4 cực đối xứng Schlumberger - Đường cong 2 lớp: K12 n r 3 k 1 1 2 n 1 r 2 2nh 2 1 3/2 (2.22) - Đường cong 3 lớp: qn r3 k 1 1 2 2 n 1 r 2 2 nh 1 3/2 (2.23) R1 mJ1 mr mdm (2.24) - Đường cong n lớp: k r 1r 2 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 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. nhieu.dcct@gmail.com 17 720 720 1 2 3 4 5 6 7 710 a 8 710 9 10 11 12 13 14 15 700 700 690 690 680 680 670 670 660 660 650 650 640 640 630 630 620 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 620 14 Kho¶ng c¸ch 20 Kho¶ng c¸ch céng dån 0 20 20 20 40 20 60 20 80 20 100 20 120 20 140 20 160 20 180 20 200 20 220 20 240 703.95 704.15 704.36 704.58 704.79 705.00 706.76 708.36 709.91 711.32 712.86 714.01 714.84 Cao ®é 715.92 716.61 Tªn ®iÓm ®o 20 260 280 Hình 2.5: Lát cắt điện trở suất biểu kiến k 2.5.2. Xử lý tài liệu đo sâu điện 1D theo phương pháp biến đổi p Hai nhà địa vật lý Petrovxky (Nga) và Jondy (Mỹ) đã đề xuất tìm một 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 đẳng ôm k bằng cách dùng công thức biến đổi như sau: - Khi đường cong đi xuống k (ri1 ) k (ri ) : p z k lg 1 r r k lg r (2.25) 2 - Khi đường cong đi lên k (ri 1 ) k (ri ) : lg r k p z r 1 k lg r Với: z i i ri nhieu.dcct@gmail.com 18 2 (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 ri về chiều sâu hiệu dụng zi. Giá trị của hệ số i ri =1 (2i ) , với các lớp tương đối dày i =1 có thể lấy i=1/2. Đường cong ρp có độ phân giải và định xứ tốt hơn đường cong ρk, (xem hình 2.6). Sau đó vẽ lát cắt đẳng trị ρp tương tự như lát cắt đẳng trị k trên toàn tuyến đo (xem hình 2.7). Lát cắt đẳng trị p có độ phân giải và tính định xứ cao phản ánh trung thực lát cắt địa điện tốt hơn lát cắt đẳng trị k. nên được xem là lát cắt xử lý bán định lượng tài liệu đo sâu điện 1D. 720 b 720 1 2 3 4 5 6 7 710 8 710 9 10 11 12 13 14 15 700 700 690 690 680 680 670 670 660 660 650 650 640 640 630 630 620 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 620 14 Kho¶ng c¸ch Kho¶ng c¸ch céng dån 0 20 20 20 20 40 20 60 20 80 20 100 20 120 20 140 20 160 20 180 20 200 Hình 2.7: Lát cắt điện trở suất p nhieu.dcct@gmail.com 19 20 220 20 240 703.95 704.15 704.36 704.58 704.79 705.00 706.76 708.36 709.91 711.32 712.86 714.01 714.84 715.92 Cao ®é 716.61 Tªn ®iÓm ®o 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 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). 0 1 2 3 4 5 6 -15 -35 -55 -75 -95 -115 -135 -155 0 20 40 60 80 100 120 Hình 2.8: Tìm nước trong đới phá hủy đứt gãy -1 0 -30 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 30 60 90 120 150 180 210 Hình 2.9: Tìm nước trong đới phá hủy karst nhieu.dcct@gmail.com 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, 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). a 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). A B A M na a Hệ cực thế A a B na Hệ 4 cực đối xứng (W-S) M na N N a A B a Hệ 3 cực M na N a Hệ lưỡng cực 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 nhieu.dcct@gmail.com 21 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). i=1 X1 2 X2 3 XN-1 C j=1 2 N z1 z2 3 4 ij M -1 zM-1 M 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: Ci1, j u i 1, j Ci1, j u i1, j Ci , j1 u i , j 1 Ci , j 1 u i , j 1 Ci , j u i , j I i , j (3.1) Dưới dạng phương trình ma trận, phương trình (3.1) có dạng: C.u B nhieu.dcct@gmail.com (3.2) 22 Với : i, j+1 - u là hàm phổ của hàm thế u i-1, j - C là ma trận các hệ số độ dẫn i, j i+1, j - B là ma trận cột Iεi,j i, j-1 Giải phương trình (3.2) tính được u , dựa vào kết quả Furier ngược ta tính Hình 4.4: Tiết diện của một phần tử trong lưới rời rạc 2D được: u ( x, z ) U ( x, k y , z ) 2 sin( k ) dk y y 0 k y (3.3) Người ta tính U i,j trên các nút của môi trường 2D, từ đó tính được điện trở suất: k ( x, z ) k u I Đó là bài toán thuận tính ρk 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). B∞ N∞ A a M n=1 n=2 n=3 a + a + + a + + + + + + Hình 3.5: Đo sâu hệ cực thế nhieu.dcct@gmail.com 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: u I k 2 na k k (3.4) Điểm ghi kết quả tại chiều sâu : Z n n Ln n .na Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ dài 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 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. A A A n=1 n=2 3a M a 2a a M M a + N N + + n=3 N + + + + + + + + + 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: k 2 an(n 1) Z n n Ln n .na nhieu.dcct@gmail.com 24 Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ dài 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 hình 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 3a M a N A a M a N a N n=1 + + + + + + + + + + + + + + + + + n=2 n=3 2a B B + 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: k an(n 1) Z n n Ln n .na Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ dài 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 và chiều sâu ghi kết quả như sau: k an( n 1)(n 2) Z n n Ln n .(n 1)a nhieu.dcct@gmail.com 25 Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - Ln là độ dài của hệ cực A a B A a B A a B n=1 n=2 3a 2a M a M a + + + n=3 M a a N N N + + + + + + + + + + + + + + + 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 qi(zj) trên lưới đo thực tế và giá trị gi(x) là logarit điện trở suất tính trên mô hình. 2 1 n qi ( z j ) g i ( z j , p) F ( x) i 0 n i1 gi2 ( z j , p ) (3.5) Với: - qi(zj ) là giá trị logarit điện trở suất đo qi lg k ( z j ) - gi ( z j , p ) là giá trị logarit điện trở suất tính theo tham số trên mô hình: gi ( z j , p ) lg T ( z j , p ) - p là véctơ giá trị tham số của mô hình p p ( k , ak , hk ) p ( pk ) + pk là tham số của mô hình 2D + pk ( k , ak , hk ) là giá trị điện trở suất, chiều rộng và chiều dày của các khối hộp địa phương trên mô hình nhieu.dcct@gmail.com 26 - pk là bước thay đổi tham số pk, với pk nhỏ thì: g i ( pk pk ) g i ( pk ) J pk => J . pk gi ( pk pk ) gi ( pk ) i (3.6) Ở đây: J là ma trận Jacobi của mỗi lần thay đổi mô hình: J ik g i pk Như vậy bước dịch chuyển: pk J 1. i (3.7) với: J-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận J 3.4.2. Chương trình xử lý đo sâu điện 2D: RES2DINV Số liệu đo qi(zj) 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 εi 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): p k J 1 i Với sự thay đổi tham số này, tính toán lại vectơ thay đổi tham số nhận được mô hình mới: g n g n 1 pn 1 (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 qi(zj) có sai số lớn, ma trận sản phẩm J-1J 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: ( J 1.J f ) p J 1 i (3.9) Ở đây: - f f x1. f x f z1. f z là ma trận làm trơn lọc đi các số liệu sai số lớn nhieu.dcct@gmail.com 27 - fx là bộ lọc theo phương ngang - fz 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 kết quả, chương trình giải bài toán ngược sẽ dừng lại, trên màn hình máy hiện lên: - Lát cắt điện trở suất biểu kiến qi = ρk(x, z) của tài liệu đo. - Lát cắt điện trở suất được tính toán ở lần lặp thứ i: gi(x, z) - Chấp nhận εmin thì cho mô hình ρ(x, z)=gn(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)=gn(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). -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 gãy địa chất theo kết quả đo sâu 2D tuyến T4_MV1 khu vực Mèo Vạc, Hà Giang nhieu.dcct@gmail.com 28 55 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). quèc lé 4c p¶ vi h¹ 0 1 1 2 hang c©y chuèi 3 0 2 4 1 1 3 4 2 -2 5 3 4 -1 7 2 8 -2 3 -1 -4 0 -4 4 1 -3 7 p5 3 -1 -5 4 0 -4 8 5 2 -2 9 p4 3 0 -5 6 2 -1 -5 -6 p3 5 1 -2 6 -6 9 4 5 -3 p2 6 1 -3 -6 6 5 0 4 -7 p1 3 0 -5 5 2 -1 -3 p6 p7 -4 p8 -3 10 p9 km 4 11 12 13 Hình 3.10: Xác định đới sụt karst theo tài liệu đo sâu điện 2D khu vực PV1 huyện Mèo Vạc, Hà Giang nhieu.dcct@gmail.com 29 Chương IV: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU PHÂN CỰC 2D 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 A động của dòng điện vào môi M trường dẫn điện ba pha (pha E N B E pc 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 Hình4.1a: Sự phân cực mặt của Vật thể quặng 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. Chất điện phân nhieu.dcct@gmail.com Hình4.1b : Dung dịch điện phân có các + - anion và cation chuyển động tự do Anion Cation 30 - - - - - - - - + động tới màng mỏng chắn bởi các khoángvật vậtdẫn dẫn khoáng - điện phân có các điện tích chuyển - Hình4.1c: Phân cực trong dung dịch - Sét - - Hình4.1d: Phân cực do các điện tích dương bị sét bắt giữ Chất điện phân Anion liên kết Hình4.1e: Phân cực do các điện tích kết khối Anion Cation Hình 4.1f: Phân cực do cấu trúc rang buộc của các phân bố lỗ rỗng Đới 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 U pc n (0.01 0.1) U do vậy khi đo đạc cần dòng phát lớn I n(0.1 1) Ampe - 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: Upc (t) và Upc () . nhieu.dcct@gmail.com 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 dòng phát, xem hình 4.2. U pc . j .E (4.1) J b. Đặc trưng thời gian. Thế phân cực giảm dần theo quy luật gần đúng với quy luật hàm mũ: U pc (t ) U pc (o ).e t (4.2) Hình 4.2: Đặc trưng mật độ dòng UPC Với hệ số suy giảm λ là tốc độ suy giảm ln của thế phân cực, (hình 4.3) U pc (t ) t t .U pc (t ) ln U pc (t ) t N¹p Ng¾t Hình 4.3: Sự suy giảm của thế Phân cực (4.3) Thế phân cực giảm cũng có thể coi gần đúng theo quy luật Hypebol, (hình 4.3): U pc (t ) U pc (o) (4.4) 1 kt Các quy luật này chỉ nên coi là gần đúng cho từng khoảng thời gian nhất định. 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. nhieu.dcct@gmail.com 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 là tỉ số giữa thế phân cực ở thời điểm đo t so với thế ở thời điểm phát dòng. k (t ) U pc (t ) U (4.5) % Do đo được ∆U nên vẫn 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 tích phân (tổng độ nạp) Độ phân cực tích phân là tham số tích phân độ phân cực trong khoảng thời gian t t2 t1 t2 t2 k k (t ) dt t1 U pc (t ) dt t1 U Hình 4.4: Tổng độ nạp (4.7) Đây là diện tích đường cong suy giảm ηk(t) trong khoảng thời gian: t t2 t1 , 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: nhieu.dcct@gmail.com 33 k* (t , r ) k (t , r ) k (r ) (4.8) Với cùng đối tượng quặng dẫn điện tốt sẽ có ρk giảm, trong khi đó k (t ) lại 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 mà còn có ý nghĩa như tham số thể hiện triển vọng quặng kim loại, (xem hình 4.5). η η* k * k ρk ηk r Hình 4.5: Đồ thị độ phân cực tổng hợp Ứng với quặng xâm tán, có điện trở suất cao thì 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 trên 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 lớn cỡ 10 lần so với đo điện trở. nhieu.dcct@gmail.com 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 tài 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 đa cực phân cực 2D là giống nhau do đó có thể áp dụng chương trình 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 áp dụng 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 cực 2D, nếu đối tượng chứa sét sẽ có dị thường phân cực cao, (xem hình 4.6). nhieu.dcct@gmail.com 35 Hình 4.6: Áp dụng đo sâu điện 2D tìm nước trong đới dập vỡ nhieu.dcct@gmail.com 36 Chương V: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN (TEM) (ĐIỆN TỪ CHUYỂN TIẾP) 5.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN 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 trên 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 vài µs đến vài chục ms, đo được chiều sâu từ vài 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 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 cao nguyên. - Kích thước vòng dây có cạnh thường nhỏ hơn nhiều chiều dài hệ cực của phương pháp điện trở (l >1 từ công thức (7.15) ta có giá trị Z=1/S1 ở khoảng tần số này trở 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 µ0h2S1[...]... 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 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... 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 qi(zj) có sai số lớn, ma trận sản phẩm J-1J 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... 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)=gn(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... 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 áp dụng 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... 260 280 Hình 2.5: Lát cắt điện trở suất biểu kiến k 2.5.2 Xử lý tài liệu đo sâu điện 1D theo phương pháp biến đổi p Hai nhà địa vật lý Petrovxky (Nga) và Jondy (Mỹ) đã đề xuất tìm một 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 đẳng ôm k bằng cách dùng công thức biến đổi như sau: - Khi đường cong đi xuống... I I I jMN k K (2.2) Như vậy, điện trở suất biểu kiến tỉ lệ với mật độ dòng điện tại vị trí quan sát hay mọi sự méo mật độ dòng do yếu tố bất đồng nhất địa chất Đây là cơ sở vật lý của các phương pháp đo mặt cắt điện Bởi vì các phương pháp đo mặt cắt điện 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... 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 lg ri 1 lg ri lg n Như vậy, trong thực tế kích thước r sẽ phải tăng theo cấp số nhân: ri 1 nri 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,... 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 Chất điện phân nhieu.dcct@gmail.com Hình4.1b : Dung dịch điện phân có các + - anion và cation chuyển động tự do Anion Cation 30 - - - - - - - - + động tới màng mỏng chắn bởi các khoángvật vậtdẫn dẫn khoáng - điện phân có các điện tích chuyển - Hình4.1c: Phân cực trong dung... ρk 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) B∞ N∞ A a M... 20 40 60 80 100 120 Hình 2.8: Tìm nước trong đới phá hủy đứt gãy -1 0 -30 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 30 60 90 120 150 180 210 Hình 2.9: Tìm nước trong đới phá hủy karst nhieu.dcct@gmail.com 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 ... 200 -300 - 400 -25 975 475 1475 1975 2475 Lỏt ct ng ễm Mt ct a vt lý- a cht Đất trồng, sét lẫn cát MặT CắT ĐịA VậT Lý - ĐịA CHấT Sét pha cát hạt mịn -100 Cát hạt trung đến thô, sạn, sỏi lẫn sét... thu kớnh cha nc nhieu.dcct@gmail.com 47 Kt qu phõn tớch ng cong o sõu trng chuyn MặT CắT ĐịA VậT Lý - ĐịA CHấT THEO TàI LIệU TRƯờNG CHUYểN (TEM) TUYếN II I - G I AO AN - GI AO THUỷ - NAM ĐịNH 100... a vt lý ỏp dng cú hiu qu cỏc phng phỏp a vt lý vic phỏt hin cỏc i tng cha nc, giỏo trỡnh ny s gii thiu ngn gn c s toỏn lý, phng phỏp k thut thi cụng v x lý ti liu ca cỏc phng phỏp a vt lý v