NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐIỀU TRA NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRÊN CÁC VÙNG CÓ ĐIỆN TRỞ SUẤT CAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỪ TELUA ÂM TẦN. ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM CHO MỘT SỐ VÙNG CỤ THỂ

Header Page of 16 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM LIÊN ĐOÀN ĐỊA CHẤT XẠ HIẾM ZYZYZY BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐIỀU TRA NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRÊN CÁC VÙNG CÓ ĐIỆN TRỞ SUẤT CAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỪ TELUA ÂM TẦN ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM CHO MỘT SỐ VÙNG CỤ THỂ Tác giả: Th.S Khương Xuân Bình PGS.TS Nguyễn Trọng Nga KS Nguyễn Thái Sơn KS Hoàng Văn Chắt 7651 02/02/2010 HÀ NỘI - 2009 Footer Page of 16 Header Page of 16 MỤC LỤC Chương1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.2 1.2.1 1.2.2 Chương 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 Chương 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 3.2.1 Footer Page of 16 MỞ ĐẦU TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TỪ TELUA ÂM TẦN Cơ sở lý thuyết đo sâu từ telua âm tần Nguồn gốc trường Từ Telua Cơ sở lý thuyết phương pháp từ telua MTZ Hai khoảng tần số tương ứng với cấu trúc vỏ Quả đất Phương pháp từ tellua âm tần AMTZ Tình hình áp dụng đo sâu từ telua âm tần giới Việt Nam Tình hình triển khai, áp dụng phương pháp từ telua giới Tình hình triển khai, áp dụng phương pháp từ telua Việt Nam CÔNG NGHỆ ĐO ĐẠC VÀ XỬ LÝ TÀI LIỆU PHƯƠNG PHÁP TỪ TELUA ÂM TẦN Máy từ telua âm tần ACF-4M Đặc điểm kỹ thuật máy ghi Nguyên lý hoạt động Thu nhận liệu từ tellua âm tần thực địa Nhiễu biện pháp khắc phục Mạng lưới đo lắp đặt thiết bi Lựa chọn thông số cài đặt hệ thống cho máy Lựa chọn tham số đo Đánh giá chất lượng tài liệu thu thập Xử lý liệu từ tellua âm tần phòng Xử lý liệu phần mềm SM+ Xử lý liệu phần mềm GeoInf32 Xử lý liệu phần mềm Shell2D Xử lý liệu phần mềm Mel_8 Giải thích tài liệu Quy trình công nghệ đo sâu từ telua âm tần Cơ sở xây dựng qui trình Nội dung qui trình KẾT QUẢ ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP TỪ TELUA ÂM TẦN TRÊN CÁC MÔ HÌNH ĐỊA CHẤT KHÁC NHAU Kết thử nghiệm vùng thị xã Lai Châu Đặc điểm địa chất địa chất thuỷ văn vùng thị xã Lai Châu Các phương pháp kỹ thuật thi công Kết đo sâu điện phân cực Kết đo sâu từ telua âm tần Đánh giá hiệu đo sâu từ telua âm tần vùng thị xã Lai Châu Kết thử nghiệm vùng thị trấn Mèo Vạc – Hà Giang Đặc điểm địa chất địa chất thuỷ văn vùng thị trấn Mèo Vạc-Hà 3 4 6 8 10 10 10 13 13 13 15 15 15 20 20 20 31 34 38 39 40 41 41 41 41 41 44 44 45 46 46 46 Header Page of 16 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 Chương 4.1 4.2 Footer Page of 16 Giang Các phương pháp kỹ thuật thi công Kết đo sâu điện Kết đo sâu trường chuyển Kết đo sâu từ telua âm tần Đánh giá hiệu đo sâu từ telua âm tần vùng thị trấn Mèo Vạc - Hà Giang Kết thử nghiệm vùng Iaglai – Chư Sê – Gia Lai Đặc điểm địa chất địa chất thuỷ văn vùng Iaglai-Chư Sê-Gia Lai Các phương pháp kỹ thuật thi công Kết đo sâu điện phân cực Kết đo sâu từ telua âm tần Đánh giá hiệu đo sâu từ telua âm tần vùng Iaglai-Chư Sê-Gia Lai TỔ CHỨC THỰC HIỆN VÀ CHI PHÍ ĐỀ TÀI Tổ chức thực Khối lượng kinh phí thực KẾT LUẬN TÀI LIÊU THAM KHẢO 49 49 50 51 52 54 54 55 57 58 61 62 62 62 68 69 Header Page of 16 Mở đầu Nhu cầu nước sinh hoạt nước phục vụ cho sản xuất công nghiệp đòi hỏi cấp thiết chương trình phát triển kinh tế-xã hôi Ở nước ta tỉnh miền núi phía bắc Tây nguyên có nhiều nơi khó khăn nước phục vụ cho sinh hoạt phát triển kinh tế Việc khai thác nước mặt hạn chế khó khăn Vì nhu cầu tìm kiếm nước ngầm vùng lớn Nền địa chất chủ yếu đá gốc (như đá vôi, bazal có điện trở suất cao) với lớp phủ phong hoá nên nước ngầm thường phân bố đới dập vỡ kiến tạo, đới phát triển khe nứt-carst đá vôi, đới dập vỡ, lỗ hổng đá bazal Trong công tác tìm kiếm thăm dò nước đất để xác định cấu trúc diện phân bố tầng chứa nước cần phải sử dụng phương pháp địa vật lý, phương pháp đo sâu điện dùng trường không đổi áp dụng phổ biến Tuy nhiên phương pháp bị hạn chế vùng mà lớp mặt có điện trở suất cao có chiều sâu nghiên cứu tin cậy không lớn Để nghiên cứu độ sâu từ 100 mét trở lên phương pháp từ telua âm tần có khả ưu hơn, vùng có điện trở suất cao, địa hình phức tạp Năm 2007, Liên đoàn địa chất Xạ Hiếm trang bị trạm máy từ telua âm tần xách tay hệ ACF-4M với máy ghi kỹ thuật số kênh Nga sản xuất Chính vậy, ngày 10 tháng năm 2008, Bộ Tài nguyên Môi trường cho phép Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm thực đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ có tiêu đề: “Nghiên cứu, ứng dụng để xây dựng qui trình công nghệ điều tra nước đất vùng có điện trở suất cao phương pháp từ Telua âm tần Áp dụng thử nghiệm cho số vùng cụ thể” Hợp đồng nghiên cứu khoa học công nghệ số 01-ĐC-08/HĐKHCN Mục tiêu đề tài: -Hiện thực khả áp dụng phương pháp từ telua âm tần Việt Nam -Xây dựng qui trình công nghệ điều tra nước đất vùng có điện trở suất cao phương pháp từ Telua âm tần Trong suốt thời gian nghiên cứu tập thể tác giả nhận giúp đỡ đạo cán thuộc Vụ Khoa học - Công nghệ, Bộ Tài nguyên Môi trường, Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Địa chất Xạ Hiếm, Bộ môn Địa vật lý (trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội) đồng nghiệp Nhân dịp chân thành cảm ơn giúp đỡ quan tâm CHƯƠNG TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TỪ TELUA ÂM TẦN 1.1 Cơ sở lý thuyết đo sâu từ telua âm tần Phương pháp đo sâu Từ Tellua (MTZ) phương pháp địa vật lý quan sát trở kháng trường điện từ tự nhiên Quả đất từ tần số cao đến tần số thấp để tăng dần chiều sâu khảo sát, từ nghiên cứu cấu trúc địa chất vỏ Quả đất tìm kiếm khoáng sản có ích Dựa vào dải tần số tương ứng với chiều sâu khảo sát người ta chia thành hai phương pháp: Footer Page of 16 Header Page of 16 -Phương pháp đo sâu từ tellua âm tần AMTZ quan sát dải tần số cao từ vài ngàn Hz đến 1Hz, có chiều sâu khảo sát từ vài chục mét đến km để nghiên cứu cấu trúc địa chất gần mặt đất -Phương pháp đo sâu từ telua MTZ quan sát dải tần số thấp từ vài chục Hz đến 10-3Hz, có chiều sâu khảo sát từ km đến vài chục km để nghiên cứu cấu trúc sâu vỏ Quả đất 1.1.1 Nguồn gốc trường Từ Tellua Nguồn gốc trường Từ Tellua theo quan điểm nhà địa vật lý chủ yếu gió Mặt trời vào từ Trái đất, gió Mặt trời dòng hạt tích điện Mặt trời phát vũ trụ với vận tốc v=400km/s, có áp suất lớn làm biến dạng trường từ tĩnh Trái đất Gió Mặt trời liên tục thay đổi làm từ dao động dạng mạch đập tạo thành sóng điện từ chu kỳ ngắn truyền vào Trái đất tần số f=n(10-3÷10 3)Hz, vùng xích đạo Việt Nam sóng có biên độ mạnh Theo Trikhonov - Kanhia, nguồn trường Từ Tellua xa Trái đất nên sóng điện từ tới Trái đất sóng phẳng, tới mặt đất với góc truyền vào vỏ Quả đất theo phương vuông góc với mặt đất Bởi theo định luật khúc xạ sóng điện từ ta có (hình 1.1): sin α c = sin β v (1.1) đây: α, β góc tới góc khúc xạ c, v vận tốc ánh sáng vận tốc sóng vỏ đất Vì sóng điện từ truyền không khí vận tốc ánh sáng lớn so với vận tốc sóng vỏ Quả đất: c>>v nên β→0 nghĩa sóng truyền vào Trái đất theo phướng thẳng đứng 1.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp từ telua MTZ Cơ sở lý thuyết phương pháp MTZ dựa toán sóng điện từ phẳng truyền vào môi trường đất đá trầm tích vỏ Trái đất phân lớp nằm ngang 1.1.2.1 Bài toán Giả sử có sóng điện từ phẳng truyền từ không khí với tham số độ dẫn s0, số sóng k0 vào vỏ Quả đất coi môi trường phân lớp nằm ngang gồm n lớp với tham số s1, h1, k1, s2, h2, k2, …, sn, hn, kn (Hình 1.1) lớp có độ thẩm từ à=à0=4p10-7 Henri/m Như trường điện từ trường chuẩn dừng thỏa mãn phương trình truyền sóng Hemhôn r r ⎫ ∂ 2H + k H = 0⎪ j ⎪ ∂z r ⎬ với zi-1≤ z ≤ zi+1 r ∂ E ⎪ +kj E = ⎪ ∂z ⎭ (2.1) α σ 0, k β σ1, h1, k1 σ2, h2, k2 đây: kj- số sóng lớp thứ j: k j = iωµ0σ j ; j=1, 2, …, n Do sóng điện từ sóng phẳng nên có thành phần nằm ngang vuông góc với phương truyền r r sóng: E = {E x (z); E y (z);0}; H = {H x (z); H y (z);0} Footer Page of 16 σn, hn, kn H×nh 1.1 Header Page of 16 1.1.2.2.Trở kháng môi trường phân lớp nằm ngang Với môi trường phân lớp nằm ngang mô hình Trikhonov - Kanhia, quan hệ thành phần điện từ vuông góc với tuyến tính Như Z xy = E Ex ; Z yx = − y Zxy=Zyx=Z trở kháng môi trường phân lớp Hx Hy Nghiệm phương trình (2.1) có dạng: E (xj) ( z) = Ae − ik j z + Be ik j z thành phần điện lớp thứ j r r Từ phương trình Macwell: rotE = iωµH Ta tính H (yj) lớp thứ j là: H (yj) = ∂E (xj) − k j − ik z ik z = (Ae j + Be j ) ωµ iωµ ∂z Ta có trở kháng lớp thứ j là: Z j (z) = E x − ωµ Ae j + Be j = Hy k j Ae− ik j z − Beik j z −ik z ik z Sau vài biến đổi ta thu công thức truy trứng trở kháng môi trường n lớp Z n (0) = ⎧⎪ ⎡ − ωµ k k ⎤ ⎫⎪ cth ⎨ik1h1 + arcth cth ⎢ik h + + arcth n −1 ⎥ ⎬ k1 k2 k n ⎦ ⎪⎭ ⎪⎩ ⎣ (2.2) Với nửa không gian đồng nhất: n=1, h1=∞; cth(∞)=1 Z1 = − ωµ k1 (2.2a) Với môi trường lớp: n=2; h2=∞ Z2 = ⎧ k ⎫ − ωµ cth ⎨ik1h1 + arcth ⎬ k2 k2 ⎭ ⎩ (2.2b) Với môi trường lớp: n=3; h3=∞ Z3 = ⎧⎪ ⎡ − ωµ k k ⎤ ⎫⎪ cth ⎨ik1h1 + arcth cth ⎢ik h + arcth ⎥ ⎬ k1 k2 k ⎦ ⎪⎭ ⎪⎩ ⎣ (2.2c) 1.1.2.3 Các giá trị tiệm cận trở kháng a Tiệm cận tần số cao Khi tần số cao ω→∞; k1 = iωµ0σ1 = ∞ ; cth(∞)=1 Zn = − ωµ k1 (2.3) Chứng tỏ tần số cao sóng truyền lớp thứ có điện trở suất ρ1 b Tiệm cận tần số thấp tần số thấp ω→0 tùy thuộc vào điện trở suất lớp móng có điện trở suất cao hay thấp ta có biểu thức trở kháng khác nhau: * Trở kháng lát cắt có điện trở suất cao: ρn=∞ Với môi trường lớp: s1, h1, s2=0 Z2 = ⎧ − ωµ k ⎫ cth ⎨ik1h1 + arcth ⎬ = k1 k ⎭ S1 ⎩ (2.4) Với môi trường lớp có tham số s1, h1, s2, h2, s3=0 ta có Footer Page of 16 Header Page of 16 Z3 = 1 = σ1h1 + σ h S1 + S2 (2.5) Với môi trường n lớp ta có Zn = 1 = với S=S1+S2+…+Sn-1 S1 + S2 + + Sn −1 S (2.6) Điều chứng tỏ tần số thấp với móng điện trở cao, trở kháng tỉ lệ nghịch với tổng độ dẫn lớp nằm tầng móng *Trở kháng lát cắt có điện trở thấp sn=∞ Với môi trường lớp: s1, h1, s2=∞ Khi ω→0; arcth(k1/k2) →0 Z2 = − ωµ ⎧ k ⎫ th ⎨ik1h1 + arcth ⎬ = −iωµ h1 k1 k2 ⎭ ⎩ (2.7) Với môi trường lớp có tham số s1, h1, s2, h2, s3=∞ ta có Z3 = − ωµ th{ik1h1 + ik1h } = −iωµ (h1 + h ) k1 (2.8) Với lát cắt n lớp với tham số s 1, h1, s 2, h2, , s n-1, hn-1, s n=∞ Zn=-iωà0(h1+h2+ +hn)= -iω 0H (2.9) H=h1+h2+ +hn-1 tổng chiều dày lớp nằm móng Điều chứng tỏ tần số thấp, móng điện trở thấp trở kháng Z tỉ lệ với tổng chiều dày lớp nằm móng 1.1.3 Hai khoảng tần số tương ứng với cấu trúc vỏ Quả đất Xét tổng thể vỏ Quả đất gồm lớp trầm tích có độ dẫn s 1, chiều dày h1 phủ lớp vỏ Manti có đện trở suất cao ρ2=∞ (s 2=0), với chiều dày h2>>h1 lớp Manti có nhiệt độ cao, dẫn điện tốt (s 3=∞) Như tổng thể môi trường gồm lớp Z= − ωµ h1 + h th{ik1h1 + ik1h } = −ωµ k1 − iωµ h 2S1 (3.1) Như tùy thuộc vào tần số ω tương ứng với hai khoảng tần số sau: * Ở tần số tương đối cao: ωà0h2S1>>1 từ công thức (4.1) ta có giá trị Z=1/S1 khoảng tần số trở kháng liên quan đến độ dẫn dọc tầng trầm tích nên gọi khoảng S *Ở khoảng tần số thấp, tương ứng với ωà0h2S1