Nghiên cứu áp dụng các phương pháp hiện đại phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ một số khu vực thuộc lãnh thổ việt nam

Với lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu áp dụng các phương pháp hiện đại phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ trên một số khu vực thuộc lãnh thổ Việt Nam” làm đề tài ng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Thu Hằng

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI PHÂN TÍCH, XỬ LÝ TÀI LIỆU DỊ THƯỜNG TỪ MỘT SỐ

KHU VỰC THUỘC LÃNH THỔ VIỆT NAM

Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công

bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thu Hằng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Đỗ Đức Thanh, trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn, luôn giúp đỡ và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Huy Minh, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, người đã có những ý kiến góp ý quí báu về mặt chuyên môn Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô ở bộ môn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi được học tập và nghiên cứu tại bộ môn

Tôi xin cảm ơn tới Lãnh đạo khoa Tự Nhiên và Ban giám hiệu trường CĐSP Hà Tây đã tạo điều kiện về thời gian để tôi tham gia học tập và thực hiện luận án

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Lãnh đạo Liên đoàn Vật lý địa chất về việc cung cấp số liệu dị thường từ khu vực Boong Quang và Bó Giới mà tôi đã áp dụng trong luận án

Một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã luôn động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, XỬ LÝ TÀI LIỆU DỊ THƯỜNG TỪ 6

1.1 Các phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ trên thế giới 6

1.1.1 Các phương pháp giải bài toán thuận 6 1.1.2 Các phương pháp giải bài toán ngược xác định vị trí và độ sâu

1.2 Các phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ ở Việt Nam 15 1.2.1.Tình hình nghiên cứu trường địa từ và trường dị thường ở Việt Nam 15

1.2.2 Các phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ ở Việt Nam 18

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍN HIỆU

GIẢI TÍCH THEO HƯỚNG CỦA TENXƠ GRADIENT DỊ

THƯỜNG TỪ TOÀN PHẦN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BIÊN CỦA CÁC

NGUỒN GÂY DỊ THƯỜNG CÓ DẠNG ĐẲNG THƯỚC 27

2.1.2 Áp dụng phép biến đổi Hilbert trong việc phân tích tín hiệu giải tích 28 2.1.3 Tín hiệu giải tích theo hướng của tenxơ gradient dị thường từ

2.1.4 Xác định giá trị cực đại của hàm ED (|EDmax|) 31

2.2 Kết quả tính toán thử nghiệm trên mô hình 32

2.2.1 Mô hình một lăng trụ bị từ hóa 33

2.3 Kết quả áp dụng trên số liệu thực tế 49 2.3.1 Kết quả áp dụng trên tài liệu từ khu vực Bó Giới 50 2.3.2 Kết quả áp dụng trên tài liệu từ khu vực Boong Quang 56

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐẠO HÀM

THEO HƯỚNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BIÊN CỦA CÁC NGUỒN GÂY

3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp đạo hàm theo hướng 65

3.3 Kết quả tính toán thử nghiệm trên mô hình 69 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của hướng lấy đạo hàm và góc nghiêng từ

3.3.2 Khảo sát hiệu quả của phương pháp trong mối tương quan so sánh

với phương pháp gradient ngang cực đại (HG) 73 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng gây ra bởi hiệu ứng giao thoa 75

3.4 Kết quả áp dụng trên số liệu thực tế ở Việt Nam 79 3.4.1 Với hướng đạo hàm là hướng kinh tuyến và hướng Tây Bắc –

Đông Nam

81

3.4.2.Với hướng đạo hàm là hướng Đông Bắc - Tây Nam 82

CHƯƠNG 4 MỞ RỘNG THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC

CHO ĐA GIÁC VÀ LĂNG TRỤ THẲNG ĐỨNG XÁC ĐỊNH ĐỘ SÂU

CỦA MÓNG TỪ CHO TRƯỜNG HỢP 2D VÀ 3D TRONG MIỀN

4.1 Phương pháp xác định móng từ cho trường hợp 2D 89 4.1.1 Giải bài toán ngược xác định tọa độ đỉnh của vật thể gây dị

4.1.2 Giải bài toán ngược 2D xác định độ sâu của móng từ 90 4.1.3 Kết quả áp dụng thử nghiệm phương pháp giải ngược 2D xác

4.1.4 Kết quả áp dụng phương pháp giải bài toán ngược 2D xác định

độ sâu móng từ trên một số tuyến đo khu vực Đông Nam thềm lục địa Việt

4.2.4 Kết quả áp dụng phương pháp giải bài toán ngược 3D xác định

độ sâu móng từ khu vực Đông Nam thềm lục địa Việt Nam 109

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 -Các thông số của mô hình một lăng trụ bị từ hóa 34

Bảng 2.2 -Các thông số của mô hình hai lăng trụ bị từ hóa có độ

Bảng 2.3 - Các thông số của mô hình hai lăng trụ bị từ hóa có độ

Bảng 2.4 - Các thông số của mô hình bốn lăng trụ bị từ hóa có độ

Bảng 2.5- Thông số của mô hình bốn lăng trụ bị từ hóa có độ sâu

Bảng 3.4 - Các thông số của mô hình hai lăng trụ bị từ hóa song

Bảng 3.5 - Các thông số của mô hình hai lăng trụ bị từ hóa cắt nhau 77

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.2 Dị thường từ toàn phần của vật thể hình lăng trụ bị từ hóa

Hình 2.5 Dị thường từ toàn phần của vật thể hình lăng trụ bị từ hóa

Hình 2.11 Dị thường từ toàn phần của hai lăng trụ có độ sâu như nhau

bị từ hóa với góc nghiêng 250

41

Hình 2.12 Kết quả tính hàm |A| và |ED| 2D và 3D của hai lăng trụ có độ

sâu như nhau bị từ hóa nghiêng 250

42

Hình 2.13 Kết quả xác định vị trí biên của hai lăng trụ có độ sâu như

nhau bị từ hóa với góc nghiêng I=25o

43

Hình 2.14 Dị thường từ toàn phần của hai lăng trụ có độ sâu khác nhau 44

bị từ hóa với góc nghiêng 250

Hình 2.15 Kết quả tính hàm |A| và |ED| 2D của hai lăng trụ có độ sâu

khác nhau bị từ hóa nghiêng 250

44

Hình 2.16 Kết quả tính hàm |A| và |ED| 3D của hai lăng trụ có độ sâu

khác nhau bị từ hóa nghiêng 250

45

Hình 2.17 Kết quả xác định vị trí biên của hai lăng trụ có độ sâu khác

nhau bị từ hóa với góc nghiêng I=25o

45

Hình 2.18 Kết quả xác định biên của mô hình bốn vật thể có độ sâu như

nhau bị từ hóa với góc nghiêng 250

47

Hình 2.19 Kết quả xác định biên của mô hình bốn vật thể có độ sâu

khác nhau bị từ hóa với góc nghiêng 250

48

Hình 2.21 Dị thường ΔTa vùng nghiên cứu 1 khu vực Bó Giới sau khi

được loại bỏ nhiễu

52

Hình 2.23 Kết quả xác định biên vật thể gây dị thường từ trong vùng

nghiên cứu 1 khu vực Bó Giới

53

Hình 2.24 Dị thường ΔTa vùng nghiên cứu 2 khu vực Bó Giới sau khi

được loại bỏ nhiễu

54

Hình 2.26 Kết quả xác định biên vật thể gây dị thường từ trong vùng

nghiên cứu 2 khu vực Bó Giới

55

Hình 2.28 Dị thường ΔTavùng nghiên cứu khu vực Boong Quang sau

khi được loại bỏ nhiễu

59

Hình 2.30 Kết quả xác định biên vật thể gây dị thường từ trong vùng

nghiên cứu khu vực Boong Quang

60

Hình 3.1 Kết quả xác định biên của vật thể có dạng kéo dài theo một

Hình 3.5 Kết quả xác định biên của mô hình một lăng trụ bị từ hóa với

góc nghiêng từ hóa I = 250 theo các hướng đạo hàm (góc α) khác nhau

71

Hình 3.6 Dị thường từ toàn phần của mô hình một lăng trụ bị từ hóa dưới

góc ngiêng I = 50

72

Hình 3.7 Kết quả xác định biên của mô hình một lăng trụ bị từ hóa với

góc nghiêng từ hóa I = 50 theo các hướng đạo hàm (góc α) khác nhau

72

Hình 3.8 Dị thường từ toàn phần đã trộn nhiễu 1% của mô hình hai

lăng trụ bị từ hóa

73

Hình 3.10 Dị thường từ toàn phần đã trộn nhiễu 1% của mô hình hai

Hình 3.12 Dị thường từ toàn phần đã trộn nhiễu 1% của mô hình hai

lăng trụ bị từ hóa cắt nhau

77

Hình 3.13 Kết quả xác định biên của mô hình hai lăng trụ bị từ hóa cắt

nhau

78

Hình 3.15 Kết quả xác định |DG|max của ΔTa khu vực Tuần Giáo ở mức

z=0km theo các hướng

81

Hình 3.16. Kết quả xác định |DG|max của ΔTa khu vực Tuần Giáo ở mức

z = 0 theo hướng Đông Bắc – Tây Nam

83

Hình 3.17 Kết quả xác định |DG|max của ΔTa khu vực Tuần Giáo theo

hướng Đông Bắc - Tây Nam ở các mức nâng

85

Hình 4.1 Vật thể gây dị thường từ có tiết diện ngang là đa giác bất kỳ 89

Hình 4.4 a) Kết quả xác định độ sâu móng từ 2D mô hình không có

Hình 4.18 Các kết quả tính toán ở mức nâng trường lên độ cao z = 20 km 113

Hình 4.20 Lát cắt địa chất sâu theo tài liệu trọng lực và độ sâu móng từ

và mặt Curie

116

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2D Bài toán hai chiều

3D Bài toán ba chiều

ED Edge-Detector – Phát hiện biên

DG Directional Gradient – Gradient theo hướng

A Amplitude – Biên độ

HG Horizontal Gradient – Đạo hàm ngang

ASTA Analytic Signal of Tilt Angle - Tín hiệu giải

MỞ ĐẦU

Phương pháp thăm dò từ là một trong các phương pháp thăm dò địa vật

lý ra đời sớm nhất và đạt tới sự phát triển rực rỡ từ sau chiến tranh Thế giới thứ II Với những cải tiến về thiết bị đo đạc, hiện nay với phương pháp thăm

dò từ người ta có thể lập được các bản đồ với nhiều quy mô khác nhau từ quy

mô một vùng, một lãnh thổ tới quy quy mô toàn cầu Các phương pháp lọc số liệu, biểu diễn kết quả, minh giải số liệu cũng phát triển mạnh cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính điện tử Thăm dò từ cũng là một trong những phương pháp thăm dò được sử dụng đầu tiên trong quá trình tìm kiếm khoáng sản Ở các lĩnh vực khác, thăm dò từ là phương pháp rất có hiệu quả trong việc nghiên cứu cấu trúc bên trong trái đất, cấu tạo địa chất, xác định các đứt gãy sâu, kiến tạo thạch học Với việc áp dụng các phương pháp mới, hiện đại cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin đã làm cho thăm dò từ trở nên hữu dụng trong tất cả các lĩnh vực thăm dò khác như tìm kiếm dầu khí, tìm kiếm nguồn địa nhiệt, tìm kiếm nguồn nước ngầm, đánh giá nguy cơ rủi ro của thiên nhiên và nghiên cứu môi trường

Thăm dò từ có giá trị rất lớn với nền kinh tế của nước ta, nó được áp dụng rộng rãi trong tất cả các giai đoạn nghiên cứu tìm kiếm, thăm dò địa chất, thăm dò khoáng sản Trong giai đoạn hiện nay, thăm dò từ góp phần giải quyết về vấn đề phân vùng, phát hiện các vùng có triển vọng khoáng sản để tiến hành các công tác thăm dò địa chất, địa vật lý chi tiết Ngoài ra chúng còn được sử dụng để xác định các vỉa quặng và các dạng cấu tạo địa chất Trong những điều kiện nhất định phương pháp thăm dò từ còn được áp dụng nhằm xác định dạng, các yếu tố thế nằm, các kích thước của vỉa quặng để đánh giá

sơ bộ trữ lượng của chúng Phương pháp thăm dò từ và trọng lực thường được

áp dụng tổ hợp với các phương pháp địa vật lý, địa hóa, địa chất khác nhằm mục đích nâng cao hiệu quả của chúng Trong những năm gần đây, cùng với

sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đo đạc, hàng loạt các phương pháp xử

lý số liệu mới, tiên tiến thực hiện trên các máy vi tính cũng lần lượt được các nhà Địa vật lý trên thế giới giới thiệu Một trong những hướng phát triển của ngành Địa vật lý nước ta hiện nay là áp dụng những các tiến bộ của khoa học

kĩ thuật trong khâu xử lý, phân tích các tài liệu đo đạc để nâng cao hiệu quả địa chất – kinh tế của các phương pháp Địa vật lý, trong đó có các phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ Mặc dù cũng được không ít các nhà Địa vật lý trong nước quan tâm nghiên cứu, nhưng so với sự phát triển mạnh mẽ của Thế giới kể cả về công nghệ và phương pháp, các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích, xử lý số liệu từ ở nước ta còn ít; việc áp dụng các phương pháp phân tích, xử lý tới nay chủ yếu vẫn là các phương pháp kinh điển, chưa có tính hệ thống, chưa đặc biệt hữu hiệu để giải quyết những vấn đề gặp phải đối với số liệu từ ở trong nước Đặc biệt, do vị trí lãnh thổ Việt Nam thuộc vùng vĩ độ thấp nên trường từ phân bố phức tạp, mang những nét riêng biệt, điều đó làm cho việc áp dụng các phương pháp phân tích, xử lý trước đây vẫn dùng cho vĩ độ cao hiệu quả đạt được còn thấp Hiện nay khi minh giải số liệu từ vùng vĩ độ thấp, các nhà Địa vật lý hầu hết đều sử dụng công cụ gián tiếp trong phân tích số liệu dị thường từ như phương pháp chuyển trường về cực chẳng hạn Điều này làm cho kết quả tính toán vẫn tồn tại sai số nhất định đặc biệt là đối với những vùng vĩ độ thấp gần xích đạo Xuất phát từ thực tiễn đó, tác giả đã tiến hành nghiên cứu áp dụng một số phương pháp phân tích, xử lý số liệu từ hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả của công tác phân tích, xử lý số liệu thăm dò từ ở Việt Nam Đặc biệt các phương pháp này có thể phân tích trực tiếp tài liệu dị thường từ vùng vĩ độ thấp để xác định vị trí của các nguồn gây dị thường từ Đồng thời xây dựng hệ thống phương pháp phù hợp với các dạng đối tượng gây dị thường từ khác nhau: đối tượng có dạng kéo dài, đối tượng có dạng đẳng thước và đối tượng là móng

từ

Với lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu áp dụng các phương pháp hiện đại phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ trên một số khu vực thuộc lãnh thổ Việt Nam” làm đề tài nghiên cứu của mình

Mục tiêu của luận án:

- Nghiên cứu mở rộng khả năng áp dụng các phương pháp phân tích, xử

lý tài liệu hiện đại, phù hợp cho từng đối tượng gây dị thường từ và phù hợp với miền vĩ độ thấp

- Góp phần nâng cao hiệu quả công tác phân tích, xử lý tài liệu dị thường

từ nhằm xác định vị trí, hình dạng của các nguồn gây dị thường từ ở Việt Nam

Nhiệm vụ của luận án:

- Xây dựng một hệ các phương pháp phân tích, xử lý số liệu từ phù hợp với vùng vĩ độ thấp; phù hợp với từng đối tượng gây dị thường thường gặp trong thực tế: đối tượng có dạng kéo dài, đối tượng có dạng hình học đẳng thước, đối tượng là móng từ

- Hiện thực hóa việc áp dụng các phương pháp này qua việc xây dựng chương trình máy tính và tính thử nghiệm trên các mô hình số

- Áp dụng các phương pháp đã nghiên cứu trên mô hình để phân tích tài liệu dị thường từ thực tế; đối chiếu và so sánh với các kết quả phân tích đã có của các tác giả trước đây nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

1 Ý nghĩa khoa học:

Việc nghiên cứu áp dụng và đề xuất mở rộng thuật toán của một số phương pháp xử lý, phân tích tài liệu dị thường từ phù hợp với từng dạng

nguồn khác nhau và phù hợp với vùng vĩ độ thấp đã đóng góp tích cực vào công tác xử lý, phân tích tài liệu từ ở Việt Nam

2 Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả thu được khi áp dụng các phương pháp đã nghiên cứu để xử

lý, phân tích tài liệu dị thường từ khu vực Tuần Giáo, khu vực Bó Giới, Boong Quang (Cao Bằng) và khu vực đông nam thềm lục địa Việt Nam là những thông tin bổ sung hữu ích cho việc nghiên cứu cấu trúc địa chất, tìm kiếm và thăm dò khoáng sản trên các khu vực này, cũng như góp phần tìm kiếm các nguồn gây dị thường từ ở các khu vực khác trên lãnh thổ Việt Nam

Điểm mới của luận án:

1 Áp dụng có kết quả phương pháp tín hiệu giải tích theo hướng của tenxơ gradient đối với tài liệu dị thường từ ở khu vực Bó Giới và Boong Quang (Cao Bằng) Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp này phù hợp đối với việc xác định biên của các nguồn gây dị thường có dạng đẳng thước

và không phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng từ hóa, khắc phục được hiện tượng giao thoa khi các nguồn ở gần nhau

2 Đưa ra thuật toán, xây dựng chương trình và áp dụng có hiệu quả phương pháp đạo hàm theo hướng đối với tài liệu dị thường từ ở khu vực Tuần Giáo để xác định vị trí của nguồn có dạng hình học kéo dài phục vụ công tác minh giải tài liệu từ trong vùng có các đứt gẫy địa chất Phương pháp này cũng hoàn toàn không phụ thuộc vào góc nghiêng từ hóa, khắc phục được hiện tượng giao thoa khi các nguồn ở gần nhau

3 Mở rộng thuật toán giải bài toán ngược xác định tọa độ đỉnh của đa giác và lăng trụ thẳng đứng để xác định độ sâu tới mặt trên của móng từ trong trường hợp bài toán 2D và 3D Việc áp dụng trên ba tuyến đo thực tế khu vực

đông nam thềm lục địa Việt Nam cho kết quả tương đối phù hợp với cấu trúc sâu của khu vực này

Cấu trúc của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị; luận án

gồm có 4 chương:

Chương 1 giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở

Việt Nam trong lĩnh vực của đề tài

Chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết và các kết quả nghiên cứu trên mô

hình và áp dụng trên số liệu thực tế của phương pháp Tín hiệu giải tích theo hướng của gradient tenxo dị thường từ toàn phần

Chương 3 đưa ra thuật toán, xây dựng phương pháp đạo hàm theo hướng

để xác định biên của các vật thể gây dị thường từ có bề ngang hẹp, kéo dài theo một hướng, thực hiện khảo sát trên mô hình để xác định hướng lấy đạo hàm cho kết quả tốt nhất sau đó áp dụng trên tài liệu thực tế khu vực Tuần Giáo

Chương 4 giới thiệu thuật toán mở rộng từ thuật toán giải bài toán ngược

xác định tọa độ đỉnh đa giác và lăng trụ để xác định độ sâu móng từ cho trường hợp 2D và 3D trong miền không gian

Phần kết luận sẽ tổng hợp các kết quả đạt được trong luận án, đưa ra các kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP

1.1 C ác phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ trên thế giới

1.1.1 Các ph ương pháp giải bài toán thuận

Trong khi chưa có máy tính điện tử, dị thường từ được minh giải bằng cách sử dụng các đường cong đặc trưng được tính toán từ các mô hình đơn giản của Nettleton [87] hoặc bằng cách so sánh với dị thường đã được tính toán sẵn của các vật thể dạng phiến phẳng (Vacquier et al [122]) Trong thập niên 60 của thế kỉ 20, một số thuật toán đã được sử dụng để lập trình tính toán

dị thường từ của các vật thể hai chiều (2D) có tiết diện ngang là đa giác (Talwani và Heirtzler [115]) và của vật ba chiều (3D) có dạng lăng trụ hình chữ nhật thẳng đứng (Bott [51] ; Bhattacharyya [44]), của vật thể có các mặt

là đa giác hoặc của các phiến phẳng, mỏng xếp chồng lên nhau (Talwali [116]

Thuật toán tính dị thường từ gây bởi một vật thể 2D có tiết diện ngang bất kì của Talwani và Heirtzler [115] giới thiệu về sau được mở rộng sang các vật thể có đường phương dài hữu hạn (Shuey và Pasquale [107], Rasmussen

và Pedersen [100], Candy [52]), còn gọi là vật thể dạng

2

1

2 D Cũng vào thời điểm này, các chương trình máy tính để tính dị thường từ và trọng lực do vật thể

2

1

2 D gây ra đã ra đời Trong những năm 1980, các chương trình máy tính

nhằm giải bài toán ngược

[98] điều chỉnh bằng cách thay thế mô hình phiến phẳng, thẳng đứng bằng các lăng trụ có độ dày xác định Bott [51] đã giới thiệu một cách tiếp cận khác để

mô hình hóa vật thể 3D, đó là sử dụng vật thể có các mặt là đa giác nhỏ và sau đó mô hình này đã được Blakely [46] xây dựng chương trình để tính toán Khác với Bott, Okabe [90] sử dụng mô hình vật thể 3D với các mặt là tam giác và ngoài ra Holstein [63], [64] cũng đã trình bày một phương pháp hoàn chỉnh khác để tính dị thường từ và trọng lực của các vật thể bất kì bằng cách xấp xỉ nó bởi một khối đa diện

Một phương pháp thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học như Bhattacharyya [45]; Spector và Bhattacharyya [111], Pedersen [92]; Blakely

và Hassanzadeh [47] là biến đổi Fourier của trường từ do một nguồn đơn giản gây ra Nó được xem là công cụ tính thuận và cũng là một phương tiện giúp giải bài toán ngược Sau này Parker [91] đã trình bày phương pháp sử dụng biến đổi Fourier cho mô hình phức tạp hơn, trong đó mặt quan sát có thể là phẳng mà cũng có thể là bất kỳ nằm trên toàn bộ nguồn Năm 1981, Blakely [46] đã xây dựng một chương trình máy tính dựa trên phương pháp này của Parker Năm 1983, Blakely và Grauch [48] cũng đã sử dụng chính phương pháp này để nghiên cứu những ảnh hưởng của địa hình đối với tài liệu từ hàng không thuộc vùng núi Cascade của Oregon

Tới nay, mô hình lăng trụ thẳng đứng vẫn là mô hình được sử dụng phổ biến để tính toán bài toán thuận và nghịch trong không gian ba chiều Năm

1972, Hjelt [62] đã giới thiệu các phương trình để tính dị thường từ của lăng trụ nghiêng có hai mặt thẳng đứng đối diện là hình bình hành Mô hình 3D đặc biệt này tỏ ra hữu ích đối với bài toán thuận tính dị thường từ của các lớp

từ tính bị biến dạng do các quá trình địa chất, ví dụ như các đứt gãy hoặc các nếp lồi (các nghiên cứu của Jessell et al [69]; Jessell và Valenta [70]; Jessell

và Fractal Geophysics [71])

1.1.2 C ác phương pháp giải bài toán ngược xác định vị trí và độ sâu nguồn gây dị thường từ

Một đặc trưng cơ bản của bài toán ngược trong địa vật lý nói chung, thăm dò từ nói riêng là bài toán đa trị Về mặt toán học thuần túy, ta có thể biến đổi các thông số địa chất để đưa ra nhiều mô hình cùng cho dị thường tính toán gần như trùng với dị thường quán sát trong phạm vi sai số trong khoảng cho phép nào đó (ta gọi trường hợp này là trường hợp không đơn trị hay đa trị) Tuy nhiên, các thông số địa chất gây ra dị thường từ mà ta thu được trong thực tế thì lại không thể biến đổi một cách tùy ý được Do đó cần phải có các điều kiện ràng buộc về dựa trên các thông tin địa chất và sự tổng hợp các tài liệu địa vật lý khác Sự ràng buộc này sẽ làm giảm tính đa trị của bài toán

Theo thời gian, việc giải bài toán ngược trong thăm dò từ về sơ bộ có thể được hệ thống lại như sau:

Ban đầu, một loạt các kĩ thuật tính toán độ sâu tới nguồn chủ yếu dựa vào dáng điệu và các điểm đặc biệt của đồ thị biểu diễn dị thường quan sát Tuy nhiên chúng chỉ có hiệu quả khi áp dụng đối với dị thường của các nguồn đơn Đó là các kỹ thuật được được đề xuất bởi Henderson và Zeitz [61]; Peters [93]; Vacquier et al [122]; Smellie [109]; Hutchison [66]; Grant và Martin [57]; Koulomzine et al [76], Barongo [41] Các kĩ thuật này cho phép xác định các tham số của nguồn dựa vào các đặc trưng của dị thường (độ cong, độ dốc, biên độ, khoảng cách theo phương ngang giữa các điểm đặc trưng, vv…) Trong đó, phương pháp độ dốc được quan tâm đặc biệt và là phương pháp được phổ biến rộng rãi hơn cả khi minh giải số liệu từ trong lĩnh vực thăm dò dầu khí Smith [110] đã đưa ra một số qui tắc để ước tính độ sâu lớn nhất có thể đến các nguồn gây dị thường từ khác nhau Talwani [116] đã phát triển phương pháp lặp, trong đó các dị thường từ được tính toán lặp đi lặp lại sau mỗi lần điều chỉnh các thông số cần xác định của nguồn cho đến

khi nó phù hợp với số liệu quan sát thì quá trình lặp dừng lại Các thông số thu được ở lần lặp cuối cùng này cho ta kết quả tính toán

Trong những thập niên 70, các phương pháp 2D xác định độ sâu nguồn một cách tự động đã xuất hiện và thay thế dần kĩ thuật xác định độ sâu qua dáng điệu và các điểm đặc biệt của đồ thị Các phương pháp mới này đã kịp thời đáp ứng được những ưu điểm mà việc thu thập dạng số xuất hiện trong lĩnh vực từ hàng không mang lại Các phương pháp này đã được sử dụng cho một số lượng lớn các tuyến đo từ để xác định độ sâu cho các nguồn 2D được

mô hình hóa bởi các đối tượng địa chất đơn giản (các tiếp xúc dạng vỉa, các vật thể đa giác…) Tuy nhiên sự phù hợp giữa các mô hình này với các cấu trúc địa chất thật cũng chỉ là giả định, vì vậy kết quả thu được cần phải được kiểm nghiệm lại qua việc giải bài toán thuận để thấy được sự hợp lý của mô hình giả định nhằm nâng cao độ chính xác của bài toán

Vào những năm 1990, các phương pháp xác định độ sâu tự động cho trường hợp bài toán 3D bắt đầu xuất hiện Ngoài ra, trong giai đoạn này cũng

có nhiều nghiên cứu mở rộng các phương pháp 2D nhằm áp dụng cho các số liệu từ được lưới hóa (lưới số liệu 3D)

Dưới đây, tác giả sẽ hệ thống lại các phương pháp chủ yếu để xác định

độ sâu tới nguồn gây dị thường Tới nay, các phần mềm được xây dựng nên

từ các phương pháp này chỉ một số được sử dụng miễn phí, còn hầu hết vẫn là các phần mềm thương mại Lưu ý rằng, trong số các phương pháp được kể ra, không có phương pháp nào có thể khẳng định là tối ưu, vì thế việc sử dụng tổ hợp các phương pháp mới là cách để thu được kết quả tốt nhất

Giải chập Werner

Werner [125] (1955) đã giới thiệu một phương pháp để khắc phục hiện tượng chồng chập của các dị thường gây ra bởi những nguồn có phân bố gần

nhau khi phân tích tài liệu bằng cách xem chúng như các vỉa mỏng hay là các vật thể hai chiều có tiết diện ngang là đa giác Điều này có thể thực hiện được nếu ta lấy đạo hàm theo phương nằm ngang tuyến số liệu quan sát Phương pháp này hiện nay được biết đến là phương pháp giải chập Werner, được bổ sung lần đầu tiên bởi Hartman et al [60] (1971) và được hoàn thiện hơn nữa bởi Jain [68] (1976), Kilty [75] (1983), Ku và Sharp [77] (1983), Tsokas và Hansen [121] (1996) Phương pháp này lần đầu tiên được mở rộng cho các nguồn 2D phức tạp bởi Hansen và Simmonds [58] (1993) và sự mở rộng gần đây nhất là áp dụng giải chập cho các nguồn 3D bởi Hansen và Suciu [59] (2002) Ngoài ra, sự mở rộng này còn được áp dụng bằng cách sử dụng tổ hợp phép nhân chập với tín hiệu giải tích của dị thường

Phương pháp CompuDepth

Năm 1972, O’Brien [89] đã giới thiệu kĩ thuật CompuDepth, một kĩ thuật xác định vị trí và độ sâu của các nguồn từ 2D dựa trên sự trượt tần số liên tục của phổ Fourier, bộ lọc pha tuyến tính và việc giải hệ phương trình tuyến tính với hàng loạt các tham số mục tiêu Wang và Hansen [123] (1990)

đã mở rộng phương pháp này để giải ngược nhằm xác định các đỉnh của vật thể 3D có dạng là đa giác

Phương pháp Naudy

Naudy [86] (1971) đã giới thiệu phương pháp sử dụng bộ lọc thích hợp dựa trên các tuyến số liệu đã được tính toán đối với đối tượng có thể tường hoặc các bản mỏng Bộ lọc này được áp dụng hai lần, áp dụng lần đầu đối với các thành phần đối xứng của số liệu từ hàng không và sau đó là đối với các thành phần cũng của tuyến số liệu này nhưng đã được chuyển về cực Shi [106] (1991) đã cải tiến tốc độ hội tụ của phương pháp Naudy bằng cách sử dụng các thành phần nằm ngang và thẳng đứng của số liệu thay vì dùng số

liệu quan sát và số liệu quan sát đã được chuyển về cực để phân tích nhằm đánh giá độ sâu cho các đối tượng có dạng thể tường

Phương pháp tín hiệu giải tích

Vào những năm 1972-1974, Nabighian [82], [83] đã lần đầu giới thiệu khái niệm tín hiệu giải tích trong minh giải số liệu từ và chỉ ra rằng biên độ của nó là một hàm hình chuông tại mỗi đỉnh của vật thể hai chiều có tiết diện ngang là đa giác Đối với các đỉnh độc lập, điểm cực đại của đường cong hình chuông nằm chính xác tại đó và độ rộng của đường cong tại điểm có biên độ bằng nửa biên cực đại có giá trị bằng hai lần độ sâu tới đỉnh Việc xác định các thông số của nguồn theo phương pháp này không phụ thuộc vào hướng từ hóa Phương pháp này cho phép xác định tốt vị trí của nguồn theo phương ngang, trong khi việc xác định độ sâu của nguồn thì chỉ có giá trị tin cậy đối với các vật thể có dạng đa diện Nabighian [84] (1984) đã mở rộng tín hiệu giải tích 2D sang tín hiệu giải tích 3D bằng cặp biến đổi Hilbert Roest et al [102] (1992) đã mở rộng việc xác định tín hiệu giải tích 3D của trường thế Φ(x,y) được đo trên mặt phẳng nằm ngang Debeglia và Corpel [53] (1997) đã tính toán đạo hàm của tín hiệu giải tích để minh giải 3D tự động dữ liệu dị thường trường thế Beiki [42] (2010) đã giới thiệu tín hiệu giải tích 3D của gradien tenxơ của trường trọng lực và áp dụng trên số liệu thực tế đạt kết quả tốt Gần đây, vào năm 2012, Kamal Alamdar et al [72] đã giới thiệu một hàm mới ASTA (Analytic Signal of Tilt Angle) - tín hiệu giải tích của góc nghiêng

- để xác định biên của vật thể

Phương pháp giải chập Euler

Năm 1982,Thompson [118] đã đề xuất một kĩ thuật tự động dùng để phân tích các số liệu từ dựa trên mối quan hệ Euler của hàm đồng nhất Kĩ thuật giải chập Euler sử dụng đạo hàm bậc nhất theo các biến x, y và z để xác

định vị trí và độ sâu của một vài mô hình lý tưởng (hình cầu, hình trụ, vỉa mỏng, thể tiếp xúc), mỗi một mô hình được đặc trưng bởi một chỉ số cấu trúc Mặc dù về mặt lý thuyết, kĩ thuật này chỉ có thể áp dụng cho một vài dạng vật thể có chỉ số cấu trúc xác định, phương pháp này vẫn được áp dụng nói chung

cho mọi vật thể Reid et al [101] (1990) đã mở rộng phương pháp này đối với

dữ liệu 3D bằng cách áp dụng toán tử Euler trong cửa sổ của hệ thống lưới dữ liệu Mushayandebvu et al [80] (2000), Silva et al [108] (2003) và một số nhà địa vật lý khác đã mở rộng khả năng áp dụng phương pháp này Mushayandebvu et al [81] (2001) đã giới thiệu phương trình thứ hai được suy

ra từ phương trình thuần nhất Euler, phương trình này được sử dụng cùng với phương trình Euler chuẩn tắc và cho ta kết quả ổn định hơn Phương trình này còn được gọi là giải chập Euler mở rộng Phương pháp giải chập Euler mở rộng được Nabighian và Hansen [85] (2001) khái quát cho trường hợp 3D bằng phép biến đổi Hilbert tổng quát Cũng trong bài báo này, các tác giả đã chỉ ra rằng phương pháp được giới thiệu cũng là sự khái quát hóa 3D của phương pháp giải chập Werner và vì thế cả hai kĩ thuật đều được biểu diễn dưới một lý thuyết thống nhất chung Barbosa et al [40] (1999) đã trình bày các tiêu chí trong đó chỉ số cấu trúc được kết hợp vào thuật toán minh giải tự động Các tác giả chỉ ra rằng việc kết hợp tính cả độ sâu và chỉ số cấu trúc bằng phương pháp bình phương tối thiểu truyền thống đều dẫn đến kết quả không ổn định Tuy nhiên, điều này đã được các nhà địa vật lý khác thực hiện thành công bằng cách sử dụng các phương pháp khác như: phương pháp sử dụng phép biến đổi vi phân tương tự (Stavrev [114]; Gerovska và Arauzo-Bravo [56]), phương pháp sử dụng phép biến đổi Hilbert tổng quát ( Nabighian và Hansen [85]; Fitzgerald et al [54]) Năm 2002, Hansen và Suciu [59] đã mở rộng phương pháp giải chập Euler áp dụng cho các nguồn đơn lẻ sang các nguồn phức tạp giúp cho việc giải thích ảnh hưởng chồng chập của các dị thường gần tốt hơn Keating, Pilkington [74] (2000) và Salem,

Ravat [103] (2003) đã kết hợp giải chập Euler với tín hiệu giải tích, còn Zhang et al [127] (2000) cho rằng phương pháp này cũng có thể áp dụng cho các dữ liệu tenxơ Năm 2002, Philips [96] đã trình bày phương pháp gồm 2 bước đối với bài toán xác định vị trí và các chỉ số cấu trúc của các nguồn từ 3D sử dụng phương pháp Euler hoặc tín hiệu giải tích Năm 2010, Beiki [42]

đã thiết lập phương trình Euler cho tenxơ gradient của trường thế và áp dụng

để tính độ sâu đến nguồn dị thường trọng lực

Các phương pháp thống kê

Trong khi tất cả các phương pháp nói trên đều được áp dụng để xác định

vị trí, hình dạng và độ sâu của các đối tượng gây dị thường độc lập, riêng rẽ thì một phương pháp hoàn toàn khác biệt đã được đề xuất Phương pháp này xem xét dị thường được gây bởi một tập hợp các nguồn từ và xác định độ sâu trung bình của chúng, được giới thiệu lần đầu tiên bởi Spector và Grant [112] (1970) và sau đó được chính xác hóa lại bởi Treitel et al [120] (1971) Phương pháp này giả thiết các tham số của các nguồn độc lập (chiều dài, chiều rộng, độ sâu, vv…) đều có tính xác suất Spector và Grant [113] (1974)

đã khẳng định rằng tính chất phổ của các đại lượng của một tập hợp các nguồn riêng lẻ là giống với tính chất phổ của đại lượng trung bình của tập hợp này Đối với một tập hợp đơn lẻ, lô-ga cơ số tự nhiên của phổ mật độ năng lượng theo bán kính là một hàm của bước sóng sẽ có độ dốc tuyến tính tỉ lệ với hai lần độ sâu lớn nhất của tập hợp các nguồn Đối với trường hợp có nhiều hơn một tập hợp, hàm này có độ dốc tuyến tính tỉ lệ với hai lần các độ sâu cực đại của tập hợp các nguồn Độ sâu chính xác hơn có thể tính toán bằng việc loại bỏ dần những ảnh hưởng của các khối nông nhất (hoặc các lớp tương đương) và bằng việc hiệu chỉnh phổ năng lượng đối với chiều rộng vật thể nguồn (Spector và Grant [112], [113]) hoặc với các mô hình từ hóa fractal của Pilkington et al [97] (1994) Phương pháp cuối cùng được khai triển bởi

Maus [78] (1999) và Maus et al [79] (1999) như một phương pháp hữu hiệu

để xác định độ sâu tới móng từ Các chương trình máy tính để xác định độ sâu tới nguồn theo tài liệu từ sử dụng phương pháp thống kê được lập trình bởi Phillips [95] (1979), bởi Blakely và Hassanzadeh [47] (1981)

Phương pháp phổ năng lượng của dị thường từ

Phương pháp này sử dụng công thức của Parker [91] (1973) dựa trên mối quan hệ giữa phép biến đổi Fourier của dữ liệu từ với tổng biến đổi Fourier của các cường độ của véc tơ mô tả địa hình tại các điểm rời rạc Pilkington et

al [97] (1994) đã áp dụng, mở rộng và chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp này Xu [126] (2006) đã cải tiến vòng lặp trong phương pháp này để làm cho tốc độ hội tụ của phương pháp nhanh hơn Gần đây nhất, Zhang et al [128] (2016) đã sử dụng xấp xỉ Padé thay cho biến đổi Fourier trong phương pháp của Parker và cho kết quả có độ chính xác cao hơn Các phương pháp phổ (phương pháp phổ năng lượng dị thường từ, phương pháp Parker, phương pháp số sóng địa phương) có ưu điểm là thời gian tính toán nhanh, có thể minh giải với lượng dữ liệu lớn Nhưng nó cũng bộc lộ nhược điểm là độ chính xác của kết quả xác định độ sâu phụ thuộc nhiều vào độ sâu trung bình của nguồn

P hương pháp lựa chọn

Trong những năm gần đây, giống như các phương pháp phân tích tài liệu khác, việc giải bài toán ngược trong thăm dò từ bằng phương pháp lựa chọn được thực hiện một cách tự động trên máy tính Trong miền không gian, phương pháp này được thực hiện bởi Radhakrishna Murthy và Rama Rao [99] (1993), Bhaskara Rao và Ramesh Babu [43] (1993), Saltus và Blakely [105] (1993) Trong miền tần số được thực hiện bởi Ibrahim Aydin và Erdinc Oksumb [67] (2012), Tanaka et al [117] (1999) Quy trình của nó bao gồm

việc đưa ra mô hình tiên nghiệm của nguồn cần xác định căn cứ vào đặc điểm của trường từ quan sát và các thông tin địa chất, địa vật lý bổ sung khác Tiếp theo, các thông số mô hình của nguồn trong mỗi lần lựa chọn sẽ được điều chỉnh với sự can thiệp của các tham số điều chỉnh nhằm đảm bảo độ hội tụ của phương pháp Quá trình lựa chọn sẽ được tự động dừng lại khi sai lệch giữa dị thường tính toán và dị thường quan sát nhỏ hơn một giá trị cho phép, các thông số của mô hình đạt được ở lần lựa chọn cuối cùng này sẽ là nghiệm của bài toán Việc giải bài toán ngược bằng phương pháp lựa chọn được thực hiện chủ yếu trong miền không gian bởi các hàm giải tích nên một mặt có ưu điểm là cho độ chính xác cao nhưng cũng vì thế mà thời gian tính trên máy lớn Đó cũng chính là hạn chế của phương pháp khi phải giải bài toán ngược 3D với một lượng số liệu quan sát lớn, khu vực nghiên cứu rộng

1.2 Các phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trường địa từ và trường dị thường ở Việt Nam

Những phép đo một số thành phần cường độ của trường địa từ được tiến hành tại Việt Nam vào năm 1956 Đây cũng là những giá trị cường độ của trường địa từ thu được đầu tiên trên lãnh thổ nước ta Từ năm 1957-1958, được sự giúp đỡ của Viện hàn lâm khoa học Ba Lan, tại Đài địa từ Sapa đã tiến hành quan trắc đều đặn giá trị tuyệt đối của 3 thành phần của trường là độ

từ thiên, độ từ khuynh và thành phần nằm ngang, đồng thời đã tiến hành ghi liên tục giá trị biến thiên của trường đối với các thành phần D, H và thành phần thẳng đứng Z theo qui trình, qui phạm quốc tế và bằng các thiết bị đạt tiêu chuẩn quốc tế Từ những năm 1961, được sự giúp đỡ của Bộ Địa chất Liên Xô, trên lãnh thổ miền Bắc Việt Nam đã tiến hành đo từ hàng không ∆Ta

nhằm nghiên cứu phân bố theo không gian của trường dị thường từ, đồng thời cũng đã tiến hành thăm dò từ ở những vùng có triển vọng quặng sắt

Từ năm 1966, ngoài Đài địa từ Sapa, miền Bắc Việt Nam có thêm trạm địa từ Phú Thụy, Hà Nội với nhiệm vụ khảo sát biến thiên theo thời gian của trường địa từ tại khu vực này, phục vụ cho công tác dự báo điện ly

Ở miền Nam Việt Nam, năm 1967 Viện Hải dương học thuộc Cục Hải quân Mỹ đã tiến hành đo từ hàng không và thành lập bản đồ phân bố từ trường tổng T Đến năm 1976, một số thành phần cường độ của trường được tiến hành đo tại Đà Lạt Cũng từ năm 1981, được sự giúp đỡ của Izmiran Liên

Xô, trạm địa từ Đà Lạt chính thức được đưa vào hoạt động Tại đây được lắp đặt một hệ máy đo proton đối với các thành phần cường độ của trường như : T,H,Z và các máy QMH hiện đại, cùng với hệ máy tự ghi biến thiên của trường

Từ cuối những năm 1970, các tác giả Trương Quang Hảo và Nguyễn Văn Giảng đã thành lập tập bản đồ các yếu tố từ mặt đất dựa trên việc đo giá trị tuyệt đối của các thành phần cường độ của trường ở nhiều điểm đo trên khắp lãnh thổ Việt Nam Cùng thời gian này hàng loạt các thăm dò từ trên khắp mọi miền của lãnh thổ nước ta cũng đã được tiến hành

Với các hoạt động nghiên cứu trên, công tác nghiên cứu trường địa từ ở Việt Nam đã đạt được các kết quả đáng ghi nhận:

Thứ nhất, về nghiên cứu trường từ không đổi

- Năm 1970, Nguyễn San [17] lần đầu tiên đã thành lập bản đồ từ trường bình thường phần miền Bắc Việt Nam cho các thành phần H, Z, T trên cơ sở

số liệu đo trên mặt đất của 70 điểm tập trung trong năm vùng nhỏ (Phúc Yên, Bắc Kạn, Đình Lập, Vinh và Sơn La) Tuy nhiên số liệu còn tồn tại hạn chế

do thiết bị đo có độ chính xác kém, thiếu hẳn một thành phần quan trọng của trường là độ từ thiên D Năm 1974, Lê Minh Triết và nnk đã hoàn thành công trình thành lập bản đồ từ trường bình thường miền Bắc Việt Nam cho niên đại 1973,0 Trong công trình này, các tác giả cũng đã đưa ra mô hình từ trường

bình thường với ba thành phần cường độ T, H, Z cho phạm vi miền Bắc Việt Nam với sai số là ± 25nT Hạn chế của công trình là độ chính xác của các phép tính không cao, chưa đo được thành phần độ từ thiên D (do thiết bị đo có

độ chính xác thấp và đều là các thiết bị đo tương đối)

- Năm 1981, nhóm tác giả Phạm Văn Thục, Đặng Văn Hưng, Nguyễn Văn Giảng [29] đã nghiên cứu trường từ tổng Các thành phần của trường được đo tại gần 300 điểm và được đo bởi các thiết bị có độ chính xác cao với

hệ phương pháp đo phù hợp hơn (bao gồm cả thành phần độ từ thiên)

- Năm 1982, 1984, Trương Quang Hảo và Nguyễn Văn Giảng [6] đã trình bày chi tiết kết quả của công trình “Các yếu tố địa từ mặt đất Việt Nam niên đại 1975,5” với các bản đồ với tỉ lệ 1/4 000 000

- Năm 1988, tác giả Nguyễn Văn Giảng [5] đã xây dựng bản đồ biến thiên thế kỉ của trường địa từ cho lãnh thổ Việt Nam và phân tích các đặc điểm cấu trúc chính của trường theo các thành phần cường độ;

Thứ hai, về việc nghiên cứu trường dị thường từ trên lãnh thổ Việt Nam

Vấn đề này được nhiều người quan tâm nghiên cứu hơn cả nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau Bản đồ phân bố trường dị thường từ hàng không được Ivanicov và nnk thành lập ở tỉ lệ 1: 200 000 cho miền Bắc Việt Nam đã chỉ ra nhiều vùng chứa dị thường có biên độ lớn với triển vọng trong công tác tìm kiếm khoáng sản Ở miền Nam Việt Nam, Trần Nho Lâm [7] đã xây dựng bản đồ phân bố dị thường từ ∆Ta trên cơ sở bản đồ từ hàng không T ở tỉ lệ 1:

1 000 000 Việc làm này rất kịp thời để phục vụ cho sản xuất, song lúc đó tác giả chọn mô hình từ trường bình thường Izmrian để tách trường nên chắc chắn không tránh khỏi những sai lệch lớn

- Năm 1979, được sự giúp đỡ của Liên Xô, đoàn chuyên gia Việt Nam

đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc của trường dị thường từ dựa vào việc phân tích trường theo các đặc trưng thống kê của một số tuyến từ hàng không Các

tác giả này cũng chỉ dừng lại ở việc đánh giá chu kì chính và giá trị phương sai của trường Ngoài một số kết quả đã nêu về nghiên cứu trường dị thường, còn nhiều công trình khảo sát trường dị thường địa phương ở nhiều vùng trên toàn lãnh thổ Việt Nam với các mục đích sử dụng khác nhau

- Năm 1982, viện Các khoa học về Trái đất dựa trên bản đồ của Hải quân

Mỹ để thành lập bản đồ dị thường ∆Ta tỉ lệ 1: 250 000 và phân tích sơ bộ bản

đồ này trên cơ sở các chỉ tiêu về đặc điểm trường dị thường từ ở vùng cận xích đạo (Đoàn Văn Tuyến, Đỗ Quang Huy, Lê Duy Bách [37]); năm 1986 Liên đoàn Vật lý địa chất thành lập bản đồ dị thường từ ∆Ta và bản đồ trọng lực tỉ lệ 1: 500 000 [4]

- Đến năm 2005, Liên đoàn Vật lý Địa chất cũng đã thành lập bản đồ từ

∆Ta với tỉ lệ 1: 200 000

Ngoài ra còn có nhiều công trình nghiên cứu khác dựa trên việc tổng hợp các tài liệu từ với các tài liệu địa vật lý khác: trọng lực, địa chấn v.v như các công trình của Bùi Công Quế [14], Nguyễn Ngọc Lê, Lê Thanh Hải [8], Nguyễn San [18]

1.2.2 C ác phương pháp phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ ở Việt Nam

Công tác thăm dò từ phục vụ nghiên cứu địa chất và tìm kiếm khoáng sản được áp dụng ở nước ta từ năm 1957 Tuy nhiên việc phân tích, xử lý tài liệu dị thường từ Việt Nam mới bắt đầu thu hút được sự quan tâm của các nhà địa chất – địa vật lý chỉ từ sau năm 1975 với các công trình của Nguyễn Ngọc

Lê, Lê Thanh Hải [8], hay của Bùi Công Quế [14] Mặt khác, trong giai đoạn 1975-1990, cũng do hạn chế về phương tiện và kĩ thuật tính toán nên đa phần các công trình nghiên cứu nhằm tìm hiểu bản chất địa chất – địa vật lý trường

từ chủ yếu sử dụng các phương pháp phân tích định tính đơn giản và kết quả đạt được chỉ là những thông tin khái quát liên quan đến những tài liệu địa chất

có tính khu vực lớn và chưa đáp ứng yêu cầu nghiên cứu chi tiết hơn Trong

số đó, có thể kể đến các công trình tiêu biểu sau:

- Năm 1980 và 1981, Trần Nho Lâm [7] từ bản đồ dị thường từ hàng không ∆Ta phần miền Bắc Việt Nam đã tiến hành phân chia các vùng có dị thường khác nhau và giới thiệu cách tính độ sâu tới mặt phân chia từ tính dựa trên cơ sở sự phụ thuộc giữa dị thường từ và độ sâu Tuy nhiên, cách tính mà các tác giả giới thiệu chỉ áp dụng đúng trong trường hợp mà sự phụ thuộc giữa dị thường và độ sâu phải là tuyến tính do đó khả năng áp dụng phương pháp này trong thực tế bị hạn chế nhiều

- Năm 1988, Nguyễn Quang Quý [16] đã nghiên cứu và đề xuất biện pháp xử lý bước đầu các tài liệu thăm dò từ; nghiên cứu một số phương pháp phân tích định lượng dị thường từ với ba nhóm phương pháp phân tích định lượng: Phương pháp sử dụng các điểm đặc biệt (sử dụng tọa độ của các điểm cực trị), phương pháp sử dụng phổ năng lượng, phương pháp hàm tự tương quan của các dị thường, và các phương pháp biến đổi trường (phương pháp nâng trường) Trong đó, tác giả cũng đã phân tích chi tiết đặc điểm các đường

dị thường từ (dạng đường cong, sự thay đổi biên độ trong miền từ hóa nghiêng) của một số mô hình cụ thể: hình cầu, hình trụ tròn, vỉa cắm sâu vô hạn và hữu hạn, đã nghiên cứu và làm rõ các yêu cầu nghặt nghèo đảm bảo trường dị thường ∆T là một hàm thế trong điều kiện nước ta (nằm trong vùng

vĩ độ thấp) Có thể nói, đây là công trình nghiên cứu đã bước đầu tiếp cận các phương pháp xử lý tiên tiến của thế giới và có ý nghĩa thực tế trong công tác thăm dò từ ở Việt Nam

- Trong những năm của thập niên 90, một loạt các nghiên cứu của các nhà nghiên cứu địa vật lý ở nước ta được thực hiện và đã thu được nhiều kết quả có ý nghĩa thực tế lớn trong công tác thăm dò từ nói riêng và trong thăm

dò địa vật lý nói chung Năm 1991, Trần Cánh [1] đã giới thiệu một thuật toán

giải nhanh bài toán thuận ba chiều trong thăm dò trường thế (trọng lực và từ) Năm 1993, Mai Thanh Tân và Bùi Thế Bình [24] đã áp dụng phương pháp chuyển trường về cực của Bhattacharrya để xây dựng bản đồ dị thường từ hàng không chuyển về cực trên cơ sở bản đồ trường từ toàn phần hàng không

∆T phần miền Nam Việt Nam do cục Hải dương học thuộc Hải quân Mỹ đo đạc năm 1967 Trên cơ sở đó nhóm tác giả đã đưa ra một số đánh giá và nhận định về các dị thường thu được Tiếp theo đó, năm 1995 Đặng Văn Liệt [9] đã

áp dụng phương pháp chuyển trường về xích đạo và kết hợp với số liệu trọng lực để tính giá trị tỉ số cường độ từ hóa mật độ của các đá cấu tạo mặt móng ở vùng miền Nam Việt Nam (từ vĩ độ 11o40’ trở vào) Năm 1996, Đinh Văn Toàn [31] đã nghiên cứu áp dụng thuật toán 3 chiều về cực trong miền tần sổ nhằm nâng cao hiệu quả phân tích tài liệu từ vùng vĩ độ thấp Cũng trong thời gian này không thể không kể đến những nghiên cứu của tác giả Phan Thị Kim Văn [38] Tác giả đã nghiên cứu áp dụng các phương pháp: giải tích trường lên nửa không gian trên và xuống nửa không gian dưới; phương pháp lọc tần số; phương pháp đạo hàm theo phương thẳng đứng bậc một và bậc hai; phương pháp chuyển trường về cực; phương pháp mô hình hóa 2,5 chiều trong luận án của mình Với luận án này, tác giả đã góp phần hoàn thiện các đặc điểm phân bố trường từ trên diện ở vùng vĩ độ thấp trên cơ sở đó rút ra các qui luật, mối liên hệ giữa biên độ, phương phân bố, hình dạng dị thường với sự phân bố trong không gian của vật thể hoặc tập hợp các vật thể khi các góc từ hóa thay đổi; xây dựng các chỉ tiêu đặc trưng xác định kích thước, phương phân bố, ranh giới giữa các dãy vật thể để xử lý phân tích dị thường

từ vùng vĩ độ thấp; Thử nghiệm và đánh giá khả năng áp dụng của hệ phương pháp xử lý phân tích ba chiều đã lựa chọn khi minh giải tài liệu dị thường từ vùng vĩ độ thấp trên các mô hình ba chiều và trên vùng Đà Lạt- Bến Khế Cùng thời gian này, các nghiên cứu của Nguyễn Xuân Sơn [19] tập trung vào các phương pháp biến đổi kinh điển như phương pháp trung bình trường,

nâng trường, hạ trường, trend, tách trường…để phân chia các miền trường dị thường từ trên lãnh thổ miền Nam Việt Nam (từ vĩ độ 16o30’ trở vào), và đưa

ra sơ đồ phân vùng cấu trúc địa chất lãnh thổ miền Nam Việt Nam tỉ lệ 1:1

000 000 Tiếp tục nghiên cứu về các phép biến đổi trường còn có các nghiên cứu của nhóm tác giả Trần Cánh, Đinh Văn Toàn và Phan Thị Kim Văn [2] Nhóm tác giả đã minh giải kết hợp giữa số liệu số liệu từ và trọng lực cho vùng Thanh Hóa bằng các phương pháp biến đổi trường (tách trường, nâng trường, hạ trường, đạo hàm) Đồng thời, nhóm tác giả cũng đã nghiên cứu các phương pháp phân tích định lượng như phương pháp mô hình hóa, phương pháp giải bài toán ngược hai chiều Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu nhóm tác giả đã xây dựng sơ đồ cấu trúc địa chất cho vùng nghiên cứu Năm 1999, Phan Thị Kim Văn và Trần Cánh [39] đã minh giải bản đồ dị thường từ hàng không ∆Ta vùng Nam Trung bộ bằng các phương pháp phân tích biến đổi trường thế trong không gian ba chiều như phương pháp tiếp tục giải tích trường, phương pháp lọc dải tần số, phương pháp đạo hàm thẳng đứng, phương pháp trung bình trường Từ đó, nhóm tác giả đã xây dựng được sơ đồ phân bố hệ thống đứt gãy kiến tạo của vùng nghiên cứu

Các phương pháp minh giải tài liệu từ cũng đã được mở rộng thêm với các nghiên cứu của nhóm tác giả Đinh Văn Toàn và Ngô Quốc Dũng [32] trên

cơ sở nghiên cứu áp dụng phương pháp chuyển trường về cực, phương pháp tính cực đại gradient ngang để minh giải bản đồ dị thường từ hàng không ∆Ta

phần miền Bắc Việt Nam Trong công trình này, nhóm tác giả đã phân chia các vùng cấu trúc chính và đưa ra sơ đồ phân bố mạng lưới đứt gãy của vùng nghiên cứu

Năm 2001, các tác giả Lê Huy Minh, Lưu Việt Hùng [12], [13]; Lê Huy Minh, Lưu Việt Hùng, Cao Đình Triều [10], [11] đã nghiên cứu áp dụng thuật toán chuyển trường về cực áp dụng cho vùng vĩ độ thấp của Keating và Zerbo

để chuyển trường về cực bản đồ dị thường từ hàng không Việt Nam [12] và

bản đồ dị thường từ khu vực biển Đông và các vùng kế cận [13] Phép chuyển trường này có thể sử dụng để phân tích số liệu từ ngay cả trên xích đạo Trên

cơ sở đó, các tác giả minh giải sơ bộ cấu trúc địa chất, đặc điểm kiến tạo khu vực biển Đông và cũng đã xây dựng trường véctơ gradient ngang cực đại vùng Tuần Giáo [10] để từ đó xác định vị trí của một số đứt gãy chính trong vùng trên mặt phẳng nằm ngang Với những ưu điểm của phương pháp gradient ngang cực đại kết hợp với chuyển trường về cực, nhóm tác giả này cũng đã sử dụng nó để minh giải số liệu dị thường từ hàng không phần miền Bắc Việt Nam và số liệu dị thường trọng lực Bouguer trên toàn lãnh thổ Việt Nam Từ đó các tác giả đã xây dựng sơ đồ gradient ngang cực đại cho phần miền Bắc (đối với số liệu từ), cho toàn lãnh thổ Việt Nam (đối với số liệu trọng lực) và giải thích địa chất các kết quả thu được Kết quả thu được khi áp dụng các phương pháp này hoàn toàn phù hợp với đặc điểm địa chất của khu vực nghiên cứu

Võ Thanh Sơn [20] (2003) đã giới thiệu các kết quả nghiên cứu khi sử dụng các phương pháp kinh điển để minh giải bản đồ dị thường từ hàng không ∆Ta như chuyển trường về cực, nâng trường, đạo hàm thẳng đứng Đặc biệt tác giả đã sử dụng một phương pháp mà khi đó được nhiều nhà địa vật lý trên Thế giới áp dụng là phương pháp giải chập Euler Với phương pháp chuyển trường về cực, tác giả đã khảo sát thủ thuật cải tiến của các nhà nghiên cứu nước ngoài để điều chỉnh các kết quả thu được và áp dụng minh giải các số liệu thực tế Với phương pháp Euler, tác giả đã thử nghiệm trên các mô hình nhằm đánh giá khả năng xác định độ sâu của phương pháp này trên cơ sở các hệ số cấu trúc khác nhau Dựa trên các kết quả đó, tác giả đã áp dụng để tính toán và đưa ra các miền cấu trúc khác nhau tại vùng nghiên cứu Năm 2004, Trần Thanh Rĩ [23] đã tiến hành xây dựng cơ sở lý thuyết, thử nghiệm khả năng áp dụng và tính ưu việt của phương pháp hàm tổng hiệu trong phân tích định lượng các dị thường từ vùng vĩ độ thấp nhằm xác định

định lượng vị trí, hình dạng, kích thước, chiều sâu, góc từ hóa, góc phân cực của đối tượng địa chất gây dị thường trong thăm dò từ ở miền vĩ độ thấp Trong công trình của mình, tác giả đã tiến hành biến đổi trường thu được dưới dạng các hàm tổng hiệu để rút ra được các công thức đơn giản xác định các thông số của vật thể cần thiết Tuy nhiên tác giả cũng chưa quan tâm đầy đủ

về phương pháp tối ưu để chọn gốc tọa độ trong quá trình tính toán

Năm 2005, Võ Thanh Sơn và nnk [21] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp tín hiệu giải tích ba chiều trong minh giải bản đồ dị thường từ hàng không khu vực Tuần Giáo Phương pháp này có điểm mạnh là kết quả phụ thuộc không đáng kể vào góc nghiêng từ hóa, có thể xử lý trực tiếp tài liệu dị thường từ của vùng vĩ độ thấp mà không cần chuyển trường về cực

Năm 2007, Võ Thanh Sơn và Lê Huy Minh [22] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp tín hiệu giải tích 3D sử dụng đạo hàm bậc cao dựa trên các hàm biên độ tín hiệu giải tích được xây dựng từ các đạo hàm ngang và thẳng đứng bậc nhất và bậc ba của trường dị thường từ để minh giải bản đồ dị thường từ hàng không ∆Ta cho vùng Hòa Bình Kết quả nghiên cứu đã xác định được vị trí và độ sâu của các ranh giới tương phản từ tính và một số khối có từ tính cao trong khu vực nghiên cứu

Năm 2011, Đỗ Đức Thanh và Nguyễn Thị Thu Hằng [26], Đỗ Đức Thanh [27] (2013) đã thử nghiệm mở rộng thuật toán giải bài toán ngược xác định tọa độ vật thể có tiết diện ngang là đa giác và lăng trụ thẳng đứng để xác định độ sâu móng từ Trong thuật toán mở rộng này, các tác giả coi mặt dưới của móng là mặt Curie là phẳng, có độ sâu không đổi khoảng 20km Các tác giả cũng đã áp dụng phương pháp này để xác định độ sâu móng từ trên một số tuyến đo thuộc khu vực miền Trung thềm lục địa Việt Nam cho kết quả tương đối phù hợp với đặc điểm khu vực nghiên cứu

Năm 2013, Nguyễn Như Trung và nnk [34] đã nghiên cứu khả năng áp dụng của phương pháp gradient ngang cực đại, đạo hàm thẳng đứng và tín

hiệu giải tích trên mô hình khối hộp chữ nhật có góc theta (góc của phương kéo dài của khối hộp với phương Bắc) khác nhau với độ từ khuynh và độ từ thiên bằng giá trị trung bình ở khu vực Tư Chính – Vũng Mây Từ các kết quả tính toán mô hình, nhóm tác giả đã lựa chọn được phương pháp phù hợp nhất

áp dụng phân tích tài liệu dị thường từ khu vực Tư Chính – Vũng Mây nhằm xác định các hệ thống đứt gãy, núi lửa cho khu vực này

Năm 2014, Nguyễn Như Trung và nnk [36] đã nghiên cứu áp dụng các phương pháp gradient cực đại dị thường từ, gradient ngang đạo hàm thẳng đứng dị thường từ và phương pháp giải chập Euler trong việc xác định vị trí

hệ thống đứt gãy, núi lửa/magma và độ sâu mặt móng từ tính ở khu vực Tư Chính – Vũng Mây Các tác giả đã xây dựng được sơ đồ phân bố hệ thống đứt gãy và độ sâu mặt móng từ khu vực này Cũng trong năm này nhóm tác giả đã nghiên cứu phương pháp phổ mật độ năng lượng [35] và áp dụng để xác định

độ sâu của lớp từ tính vỏ Trái đất khu vực vịnh Bắc Bộ Với kết quả tính toán trên mô hình và số liệu thực tế, nhóm tác giả đã lựa chọn được kích thước cửa

sổ tính toán phù hợp cho việc xác định độ sâu các mặt ranh giới từ tính của khu vực vịnh Bắc Bộ và xây dựng được bản đồ độ sâu mặt ranh giới trên và mặt ranh giới dưới của khu vực này

Năm 2017, Trần Văn Khá et al [119] đã giới thiệu phương pháp tìm điểm cực đại cải tiến từ phương pháp của Blakely & Simpson, các tác giả đề xuất một điều kiện bổ sung để xác định các vị trí nằm ngang tối đa trong lưới tính toán Điều kiện bổ sung này đã tăng hiệu quả xác định ranh giới của các nguồn gây dị thường trường thế

Năm 2018, Phạm Thành Luân và nnk [94] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp xác định biên của vật thể gây dị thường từ thông qua việc tính góc nghiêng cực đại của biên độ tín hiệu giải tích dựa trên phương pháp độ cong Phương pháp này tỏ ra hữu hiệu khi việc xác định biên không cần dựa

trên thuật toán tìm điểm cực đại của Blakely & Simpson, đồng thời nó cũng xác định rõ biên của các vật thể khi chúng phân bố chồng lên nhau

1.3 Nhận xét và kết luận chương 1

Trên cơ sở tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước,

có thể thấy cho tới nay việc áp dụng các phương pháp phân tích tài liệu dị thường từ ở Việt Nam vẫn còn một số hạn chế Các kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đây đã chỉ rõ:

- Phương pháp cực đại gradient ngang chỉ cho kết quả phản ánh ranh giới

từ tính tốt khi trường từ ∆Ta được chuyển về cực Với phương pháp này, kết quả xác định biên cũng phụ thuộc vào độ sâu của vật thể

- Phương pháp tín hiệu giải tích 3D và phương pháp tín hiệu giải tích 3D

sử dụng đạo hàm bậc cao vẫn còn bộc lộ hạn chế trong việc khắc phục hiện tượng giao thoa khi môi trường thực tế phức tạp, khi sự phân dị của các nguồn gây dị thường là không rõ ràng

- Khi sử dụng phương pháp giải chập Euler để xác định độ sâu cần phải đưa vào chỉ số cấu trúc của các đối tượng gây dị thường nằm sâu dưới các lớp phủ, điều này hoàn toàn mang tính chủ quan, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người xử lý và khó lựa chọn một giá trị chỉ số cấu trúc phù hợp đối với một khu vực rộng lớn có nhiều loại nguồn gây dị thường

- Với phương pháp phân tích phổ mật độ năng lượng, kết quả xác định

độ sâu phụ thuộc nhiều vào kích thước cửa sổ; giá trị độ sâu ban đầu và độ dày của số liệu

Như vậy, có thể nhận thấy:

1 So với sự phát triển mạnh mẽ của Thế giới kể cả về công nghệ và phương pháp, các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích, xử lý số liệu từ ở nước ta còn ít; việc áp dụng các phương pháp phân tích, xử lý tới nay chủ yếu vẫn là các phương pháp kinh điển, chưa có tính hệ thống, chưa đặc

biệt hữu hiệu để giải quyết những vấn đề gặp phải đối với số liệu từ ở trong nước

2 Nước ta nằm trong vùng vĩ độ thấp và trải dài từ bắc xuống nam, chính vì thế bức tranh từ trường rất phức tạp Quá trình xử lý theo các phương pháp trước đây thường phải thực hiện các phép biến đổi trung gian (nâng hạ trường, chuyển trường về cực…) nên gây ra những sai số tích lũy trong quá trình tính toán

3 Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, cần tiếp cận, nghiên cứu, áp dụng và nâng cao hiệu quả của các phương pháp phân tích, xử lý hiện đại nhằm tăng tốc độ tính toán, tăng độ chính xác, phục vụ công tác thăm dò từ ở nước ta

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍN HIỆU GIẢI TÍCH

PHẦN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BIÊN CỦA CÁC NGUỒN GÂY DỊ THƯỜNG

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp

2.1.1 Phép biến đổi Hilbert

Phép biến đổi Hilbert đóng một vai trò quan trọng trong tín hiệu giải

tích Dưới đây chỉ trình bày tóm tắt lí thuyết của phép biến đổi này

Biến đổi Hilbert của một hàm f(x) được định nghĩa:

1 ( ')

' '

Trong đó, i là số phức, sgn là hàm Signum (hay còn gọi là hàm dấu)

Biến đổi Hilbert có hiệu ứng đặc biệt trên f(x), như đã chỉ ra bởi phương

trình (2.3) Nó để biên độ của f(x) không thay đổi nhưng dịch chuyển pha của

f(x) bởi đối với k>0 và bởi đối với k<0

Tín hiệu giải tích của f(x) được xác định:

a(x) = f(x) – iFH(x) (2.4)