Tính chất điện của các nham thạch

Trang CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 1.1 Tính chất điện nham thạch Tính chất trường điện từ đất định nguồn gây trường tính chất điện từ nham thạch, trước vào nghiên cứu trường điện từ cụ thể, ta xét tính chất điện từ nham thạch Trong tính chất điện từ đất đá kể đến điện trở suất (  ), độ điện thẩm (  ), độ từ thẩm (  ) độ phân cực (  ) Đối với loại nham thạch bất kỳ, tính chất điện từ nêu phản ánh định lượng khách quan thành phần khoáng vật, thạch học, cấu trúc lịch sử hình thành điều kiện nằm chúng v.v Ngoài ra, tham số phụ thuộc vào tần số biến đổi trường điện từ điều kiện vật lý khác 1.1.1 Điện trở suất nham thạch Điện trở suất tham số điện từ quan trọng nghiên cứu địa điện Trong hệ SI, điện trở suất (  ) đo Ôm-mét (  m), đại lượng ngược lại với độ dẫn điện riêng  đo simen (1/  m) Đối với loại nham thạch khác nhau, giá trị điện trở suất biến đổi giới hạn rộng: từ hàng nghìn Ôm-mét quặng kim loại nguyên sinh, đến hàng tỉ Ôm-mét chất cách điện thạch anh, fenpat,v.v 1.1.2 Bản chất dẫn điện khoáng vật nham thạch Các kim loại tự nhiên Các sulfua Pt, Au, Ag, Cu,… Bornit, Galenit, Covellin, Pirrotin, Pentlandit, Loại Acxenopirit,… Một vài loại oxýt Magnetit, Caxiterit Graphit loại than cacbon hóa cao Tất nham thạch, trầm tích, biến chất phún xuất chưa kể trên; loại nước tự nhiên Loại Bảng 1.1: Phân loại khoáng vật nham thạch theo độ dẫn điện GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang Cũng chất khác, tính chất dẫn điện, chia nham thạch thành hai loại: dẫn điện điện tử ( loại I) dẫn điện ion ( loại II) Ở loại I, phần tử tải điện electron, loại II phần tử tải điện ion dung dịch chứa đầy lỗ rỗng nham thạch Ngoài ra, có nhiều loại nham thạch có độ dẫn điện hỗn hợp Trước hết điện trở suất xác định đặc tính độ dẫn điện khoáng vật tạo nên nham thạch Sắp xếp theo độ lớn điện trở suất, khoáng vật chia sau: Khoáng vật có điện trở suất thấp Vàng, bạch kim, bạc tự nhiên (< 10 5 Ωm) Khoáng vật có điện trở suất thấp - Các sunfua: pirit, calcopirit, arxenopirit, galenit,… ( 10 5 Ωm đến 1Ωm) - Một số Oxýt: Caxiterit, Barnit, Marcazit, Magnetit,… - Grafit vài loại than Khoáng vật có điện trở suất trung bình Hematit, Boxit, Kinovar, Anhydrit, Selit,… (1 Ωm đến 10 Ωm ) Khoáng vật có điện trở suất cao cao Tràng thạch, Thạch anh, Calxit, Mica, dầu,… ( 10 Ωm đến 10 22 Ωm ) Bảng 1.2 Phân loại khoáng vật theo điện trở suất GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang Trong nham thạch, nói chung khoáng vật cấu thành nham thạch có điện trở suất thấp nham thạch dẫn điện tốt Tuy nhiên, phần lớn nham thạch cấu thành từ khoáng vật có điện trở suất cao, đó, xem gần nham thạch tạo nên khung khoáng vật dung dịch nước tự nhiện chứa đầy lỗ khe khung Nước chứa khung khoáng vật chia thành hai phần: nước tự chứa lỗ hổng (gọi nước khối) nước liên kết mặt (gọi nước mặt) Nước khối di chuyển nham thạch tác dụng trọng lực lực mao dẫn Hạt tải điện chúng ion muối khoáng Vậy lượng nước khối độ khoáng hoá xác định điện trở suất nham thạch Vì trình điện hoá khác nhau, nên mặt hạt rắn nham thạch có hấp thụ lớp nước mỏng Phần lớp nước mặt có điện tích pha rắn, phần có ion ngược dấu pha lỏng Kết lớp điện kép tạo thành Tuỳ theo khả giữ ion, người ta gọi lớp nước mặt liên kết vững hay không vững Khi có dòng điện chạy qua ion nước bề mặt bị phân cực 1.1.3 Mối liên hệ địa chất điện trở suất Trước nghiên cứu thăm dò điện, ta xem xét trị số điện trở suất số đất, đá vật liệu khác thông dụng Các loại nham thạc đá biến chất có điện trở suất cao, điện trở suất loại phụ thuộc mức độ dập vỡ phần trăm tỉ lệ nước ngầm vết nứt Đá trầm tích thường xốp hàm lượng nước cao nên điện trở suất thấp, đất ướt nước ngầm có điện trở suất thấp Đất sét thường có điện trở suất thấp cát Vì điện trở suất đất, đá phụ thuộc vào yếu tố độ xốp, độ bão hoà nước nồng độ muối hoà tan nên ta cần ý trùng lặp trị số điện trở suất lớp đất đá khác GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang Kiến trúc bên nham thạch, đường dẫn dòng, đặc tính lỗ hổng, khe nứt,….Nói chung đặc tính kiến trúc cấu tạo nham thạch không làm biến đổi giá trị điện trở suất nham thạch mà gây tính bất đẳng hướng điện Tính bất đẳng hướng trước hết thể loại nham thạch sét trầm tích phiến thạch, loại cấu tạo lớp mỏng có điện trở suất khác Theo phân lớp điện trở suất bé theo phương ngang lớp Đối với nham thạch biến chất vậy, nham thạch bị nứt nẻ, mà khe nứt có phương ưu tiên theo quy luật thống kê có bất đẳng hướng tính chất điện Để đặc trưng cho tính bất đẳng hướng người ta thường dùng tham số bất đẳng hướng Trong đó:  n t (1.1)  n : điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp t : điện trở suất theo phương phân lớp Điện trở suất nham thạch biến đổi theo nhiệt độ Nhiệt độ tăng, độ linh động ion nước khoáng tăng, điện trở suất giảm Sự phụ thuộc thể công thức : 1 = 18 (1.2)   (t  18) Trong đó: t: nhiệt độ ( o C ); 18 : điện trở suất 18 C;  : hệ số nhiệt độ Sự phụ thuộc điện trở suất nham thạch vào áp suất phức tạp, tùy thuộc loại vào nham thạch Đối với nham thạch trầm tích xốp ngậm nước, điện trở suất tăng áp suất tăng, thể tích lỗ hổng đường rãnh chứa dung dịch dẫn điện giảm GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang Nói chung, nham thạch trầm tích có quy luật sau: - Điện trở suất lớn kích thước hạt lớn Khi chuyển từ sét sang loại pha sét, pha cát cát, trầm tích sỏi,… điện trở suất tăng từ hàng đơn vị tới hàng trăm Ωm - Điện trở suất nước ngầm thay đổi từ 10 – 100Ωm, phụ thuộc nồng độ muối hòa tan Chú ý điện trở suất thấp (khoảng 0.2 Ωm) nước biển hàm lượng muối tương đối cao Điều làm cho phương pháp điện trở suất trở thành kỹ thuật lý tưởng để vẽ đồ ranh giới nơi tiếp giáp nước lợi nước khu vực duyên hải - Các trị số điện trở suất số chất nhiễm bẩn công nghiệp nêu bảng 1.3 Kim loại sắt có trị số điện trở suất thấp, hóa chất có điện phân mạnh Chloride Kali Chloride Sút làm giảm mạnh điện trở suất nước ngầm đến 1Ωm cho dù với nồng độ thấp Ảnh hưởng điện phân yếu Axit Acetic tương đối nhỏ Chất Hydrocarbon, điển Xylene, có trị số điện trở suất cao - Các trị số điện trở suất có phạm vi thay đổi lớn nhiều so với đại lượng vật lý khác thu phương pháp địa vật lý khác Điện trở suất đất, đá khu vực khảo sát thay đổi theo biên độ lớn, cường độ khảo sát trọng lực thường thay đổi 2, vận tốc truyền sóng địa chấn thường không thay đổi nhiều 10 GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang Vật liệu Điện trở suất (Ωm) Độ dẫn điện (1/ Ω.m) Granite 5x10 - 10 10 6 - 2x10 4 Basalt 10 - 10 10 6 - 10 3 Slate 6x10 - 4x10 2,5x10 8 - 1,7x10 3 Marible 10 - 2,5x10 4x10 9 - 10 2 Thạch anh 10 - 2x10 5x10 9 - 10 2 Sandstone – 4x10 2,5x10 - 0,125 Shale 20 – 2x10 5x10 4 - 0,05 Đá vôi 50 – 4x10 2,5x10 3 - 0,02 Đất sét – 100 0,01 – Phù sa 10 – 800 1,25x10 3 - 0,1 Nước ngầm 10 – 100 0,01 – 0,1 Nước biển 0,2 Sắt 9,047x10 8 1,102x10 001 M.Potassium Chloride 0,708 1,431 001 M.Sodium Chloride 0,843 1,185 001 M Axít Acetic 6,13 0,163 Xylene 6,998x10 16 1,429x10 17 Nham thạch đá biến chất Trầm tích Đất nước Hóa chất Bảng 1.3 Điện trở suất số đá, khoáng, hóa chất phổ biến GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 1.2 Hàm điện trở suất biểu kiến 1.2.1 Điện cực Trong thực tế để tạo nên điện trường phải có hai điện cực khác dấu nối với hai cực nguồn điện ( điện cực vật tiếp xúc nối nguồn điện với môi trường) Ta xét loại điện cực sau đây: - Điện cực cầu Mật độ dòng j điểm cách tâm r : j  I (1.3) 4r Liên hệ dòng : j   gradU   U r với gradU  r r (1.4)  U r (1.5)  j  r r I (1.6)  U r  4r Khi điểm quan sát mặt điện cực : r = a U(a)  I (1.7) 4a Với I : dòng phát R : điện trở điện cực R U(a)   (1.8) I 4a GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang Điện trở điện cực phụ thuộc vào kích thước điện trở suất môi trường bên ngoài, không phụ thuộc vào tính chất điện cực  R điện trở môi trường xung quanh điện cực dòng chạy từ điện cực thực chất điện trở tiếp xúc điện cực môi trường : R a  U(a)  U() (1.9) I - Điện cực bán cầu dẫn điện bán kính a đặt mặt môi trường U(r)  R I (1.10) 2r U(a)   I 2a ( với r = a) (1.11) - Hệ điện cực Để tăng dòng phát vào môi trường cần giảm điện trở  ghép điện cực thành hệ R td  n  i 1 R i (1.12) Khi Ri nhau: R td  Ri n (1.13) Thực tế điện cực không xa  R td  R td  Ri n (1.14) R  n 1 (1  ) (1.15)  n 4aR m 1 sin m n 1   Ri R/n   n 1  , đặt   (   ) (1.16)  1  Vì R td   m  R td aR  n m    sin n    :hệ số sử dụng điện cực, mức độ sử dùng độ dẫn cực ghép vào hệ Càng tăng số điện cực điện cực xa Rtd giảm GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 10 1.2.2 Hệ số thiết bị Xét trường mạch hai điện cực mặt nửa không gian đồng nhất: hai cực phát A, B hai cực đo M, N phân bố mặt đất UN  I  1     (1.17) 2  AN BN  U MN   Đặt K  I  1 1       (1.18) 2  AM AN BM BN  U MN 1  I        AM AN BM BN  2 2 1         AM AN BM BN  (1.19) (1.20) : gọi hệ số thiết bị phụ thuộc vào vị trí điện cực hệ 1.2.3 Điện trở suất biểu kiến  b  K U MN (1.21) I Điện trở suất thật môi trường đồng b U E   (1.22)  U o E o Nguyên lý tương hỗ : Trong môi trường bất đồng bất kì, điện trở suất biểu kiến đo không đổi đảo ngược vai trò điện cực phát điện cực thu GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 59 2.6.1.3 Ranh giới mặn nhạt tầng chứa nước Mioxen GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 60 Tầng chứa nước Mioxen (N1) độ sâu từ (360 - 400) m đến (470 - 500) m phủ trực tiếp lên đá gốc kết tinh (Mz) ngăn cách (N1) (N2a) lớp cách nước chiều dày khoảng (10 - 15) m Tầng nước nhạt phủ toàn vùng 2.6.2 Kiểm chứng kết phân tích số liệu giếng khoan Kiểm chứng kết phân tích số liệu giếng khoan: Thực tế, việc ứng dụng kết phân tích toán ngược phương pháp đo sâu điện phải kiểm chứng từ giếng khoan thực tế (giếng khoan địa chất, giếng đo Karota) Kết phân tích số liệu đo sâu điện tuyến đo luận văn đối chiếu với tài liệu công trình thực tế địa bàn khảo sát : cột địa tầng giếng khoan khai thác nước ngầm, tài liệu Karota giếng khoan nhằm đánh giá độ tin cậy phương pháp GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 61 2.6.3 Nhận xét So sánh đồ biên mặn nhạt tầng chứa nước hình thành từ kết nội suy giá trị điện trở suất với đồ giếng khoan nước ngầm, tài liệu đo karota giếng khoan địa bàn nghiên cứu (bản đồ 5.4), ta thấy: stt Tầng Địa bàn phân bố nước So sánh với Giải thích chứa ngầm nước mặn/ nhạt (kết giải karota giếng khoan/ đoán từ đồ điện trở suất) Plioxen Vùng nhiễm mặn tập Các giếng khoan khai Kết đối chứng trung phía Bắc vùng thác vùng cho thấy vùng có nghiên cứu, phần lớn xác định nhiễm 450 m (tại giếng khoan nhiễm có Kim Sơn, Vĩnh Kim, xã Kim Sơn, Vĩnh khai thác độ sâu Bàn Long, Phú Phong, Kim, Bàn Long, Phú tầng (180m cụm nằm trung Phong – 280m) tâm phía nam vùng nghiên cứu gồm xã Trung An, Bình Đức, xã Thới Sơn, rãi rác xã Mỹ Tịnh An, Phú Kiết, xã Mỹ Phong GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 62 Plioxen Nước nhạt phân bố gần Các giếng khoan Trên đồ điện trở toàn vùng nghiên thuộc tầng có suất, vùng nhiễm cứu Phần nhiễm mặn độ sâu khai thác từ mặn có 500m) Tây) 505m (vượt chiều sâu tầng độ sâu tầng Mioxen Từ cho thấy Plioxen dưới), vùng điều cho thấy nước nhạt tầng vùng không Plioxen trên, lẫn có nước nhạt Plioxen tầng Plioxen GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 63 Mioxen Nước nhạt phân bố toàn Các giếng khoan Tầng gần toàn vùng nghiên cứu Tầng nhiễm mặn thuộc điểm đo có điện trở xem tầng có tầng Mioxen bắt suất lớn, trừ nước nhạt phong phú gặp giếng đo điểm có [...]... n(n  1)a Hình 1.6 Các hệ điện cực phổ biến được dùng trong thăm dò điện và các thơng số hình học của nó Trị số điện trở suất được tính khơng phải là điện trở suất thực dưới bề mặt mà là điện trở suất biểu kiến của mơi trường vì nó khơng những phụ thuộc vào tính chất điện của mơi trường mà còn phụ thuộc vào cách bố trí của các điện cực Mối quan hệ giữa điện trở suất “biểu kiến” và điện trở suất “thực”... cong điện trở suất Đồng thời dựa trên tính tốn lý thuyết các nhà nghiên cứu thấy rằng :dáng điệu biến đổi của điện trở suất thật điều đặn và liên tục Do đó, nhìn vào dạng của đường cong ta có thể sơ bộ phán đốn tính chất biến đổi của điện trở suất của lát cắt điện theo chiều sâu Đối với mơi trường ba lớp, ta có thể phân chia ra 4 loại lát cát sau đây tuỳ theo tương quan giữa điện trở suất của các lớp... 1 0 Hạn chế chính của phương pháp đo sâu điện là việc khơng phát hiện được sự thay đổi theo phương ngang của điện trở suất dưới mặt đất Các thay đổi theo phương ngang của điện trở suất dưới đất sẽ gây ra sự thay đổi các trị số điện trở suất biểu kiến và thường được giải đốn như sự thay đổi điện trở suất dưới đất theo phương đứng Do đó trong trường hợp mơi trường địa chất phức tạp, điện trở suất có thể... đổi của điện trở suất theo độ sâu Căn cứ vào đường cong b thu được có thể xác định ngược lại các tham số i , h i của mơi trường bằng nhiều cách khác nhau Đó là thực chất của phương pháp đo sâu điện Đối với thiến bị bốn cực đối xứng Schlumberger r  AB 2 Ta tăng r bằng cách mở rộng dần khoảng cách AB trong khi giữ ngun vị trí điểm giữa O của MN Đối với thiết bị lưỡng cực r = OO’ Ta tăng r bằng cách... sâu điện được sử dụng để nghiên cứu lát cắt nhiều lớp với các mặt ranh giới địa điện nằm ngang hoặc gần nằm ngang Trong phương pháp này, tâm của hệ thiết bị được giữ cố định tại điểm đo nhưng khoảng cách giữa các điện cực phát tăng dần để ghi nhận nhiều hơn các thơng tin về mơi trường ở những độ sâu lớn hơn Các giá trị điện trở suất biểu kiến đo được thường được biểu diễn thành đường cong đo sâu điện. .. phát hiện được sự thay đổi theo phương ngang của giá trị điện trở suất dưới mặt đất Các thay đổi theo phương ngang của giá trị điện trở suất dưới đất sẽ gây ra sự thay đổi điện trở suất biểu kiến trên mặt đất và thường gây ra sự nhầm lẫn trong q trình giải đốn, phân tích điện trở suất, bề dày của các lớp Đây chính là giới hạn lớn nhất của phương pháp đo sâu điện x z 1 , h1  2, h2 3, h3 n , hn Hình... đới dập vỡ hoặc xác định các thể địa phương cục bộ trong mơi trường GVHD : PGS –TS Nguyễn Thành Vấn Học viên : Huỳnh Thị Kim Phương Trang 16 1.4.3 Mục đích của phương pháp đo sâu điện Mục đích của phương pháp đo sâu điện nhằm xác định sự phân bố điện trở suất dưới đất bằng cách tiến hành đo đạt trên mặt đất Qua các đo đạc, ta có thể tính được điện trở suất thực bên dưới Điện trở suất này có liên... thiết của các nền tựa cần nghiên cứu Phương AB thường chọn đo dọc theo phương vỉa, phương cấu tạo và dọc theo các thung lũng, sườn núi để ít bị ảnh hưởng địa hình Các dây phát thường được rải dọc theo các đường đi hoặc các quảng trống để kéo dây Đơi khi người ta thực hiện đo sâu bằng các thiết bị hướng theo các phương khác nhau trên cùng một điểm Cách đo sâu này thường dùng để nghiên cứu độ nứt nẻ của nham. .. hàm lượng khống, chất lỏng, độ xốp …v.v và độ bão hồ nước trong đá Các khảo sát điện trở suất đã và đang được sử dụng qua nhiều năm nay trong việc điều tra, thăm dò, khống sản , địa chất và thuỷ văn Gần đây nó còn được dùng để xác định các biên mặn, nhạt của nước ngầm Hinh 1.5: Hệ điện cực thơng thường để đo điện trở suất dưới bề mặt Bằng cách phát dòng điện I vào mơi trường đất bởi 2 điện cực C1 và... đường cong đo sâu điện có thể ứng với nhiều lát cắt địa điện tương đương khác nhau, do đó việc giải bài tốn ngựơc của đo sâu điện trở nên đa trị Ngun nhân gây ra tình trạng nói trên trong đo sâu điện gọi là ngun lý tương đương 1.6 Bài tốn ngược đo sâu điện Cũng như các phương pháp địa vật lý thăm dò khác, bài tốn ngược đo sâu điện có nhiệm vụ xác định các tham số hình học và tham số điện của mơi trường ... suất -1 .69 10.2 (QIV) -1 2.29 3.37 (Q I-III) -2 3.99 2.46 (Q I-III) -7 9.09 9.54 (Q I-III) -2 09.09 8.39 (N2b) -2 89.99 2.69 (N2a) -4 86.99 20.5 (N1) -0 .934 32.8 (QIV) -1 2.534 3.88 (Q I-III) -2 1.894... (N1) -0 .732 14.5 (QIV) -3 .482 7.32 (QIV) -1 7.482 2.29 (Q I-III) -3 5.282 7.92 (Q I-III) 28400 Lỗ khoan Tân Mỹ -8 7.882 1.25 (Q I-III) -2 03.882 11.8 (N2b) -3 03.882 19.5 (N2a) -4 01.782 36.2 (N1) -1 .21... -7 .18 18 (QIV) -3 1.48 4.16 (Q I-III) -6 1.28 11.9 (Q I-III) lỗ khoan 27 14300 Chánh (Cầu Sơng -1 23.48 15.4 (Q I-III) -2 06.48 1.97 (N2b) -2 70.18 24.6 (N2a) -4 16.18 34.7 (N1) -0 .907 62.6 (QIV) -2 .357