Nghiên cứu cấu trúc địa chất trong khảo sát địa chất công trình phục vụ thiết kế thủy điện nhỏ bằng phương pháp địa chấn khúc xạ

Ở Việt Nam, phương pháp địa chấn đã được ứng dụng trong các khảo sát địa chất nông trên đất liền bắt đầu từ những năm 60 khi người ta sử dụng phương pháp địa chấn khúc xạ nông để quan sá

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐỨC TÂN

Hà Nội - 2011

MỞ ĐẦU

Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ quả đất, tìm kiếm thăm dò dầu khí, tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu nền móng công trình, tìm kiếm nước dưới đất

Hoạt động nghiên cứu ứng dụng công nghệ, kỹ thuật mới trong địa chất thăm dò và địa chất công trình đã và đang được các cơ quan nghiên cứu Địa vật lí ứng dụng tích cực triển khai Hàng loạt máy móc, thiết bị hiện đại được nhập khẩu và đưa vào sử dụng trong ngành địa chất-địa vật lý Nhằm giúp công tác giảng dạy và nghiên cứu tiếp cận với các công nghệ ứng dụng, năm 2005 Bộ môn Địa vật lí Trường Đại học Khoa học Tự nhiên được trang bị trạm STRATAVISOR-NZ Đây là trạm địa chấn khá hiện đại Từ đó trạm này đã được khai thác, sử dụng một cách có hiệu quả trong các nghiên cứu và giảng dạy của Bộ môn

Ở Việt Nam, phương pháp địa chấn đã được ứng dụng trong các khảo sát địa chất nông trên đất liền bắt đầu từ những năm 60 khi người ta sử dụng phương pháp địa chấn khúc xạ nông để quan sát lát cắt địa chất nằm sát mặt đất phục vụ xây dựng công trình thủy điện Hòa Bình Cho đến nay phương pháp khúc xạ nông vẫn là phương pháp địa chấn duy nhất được sử dụng để khảo sát hầu hết nền móng các công trình xây dựng lớn ở Việt Nam nói riêng, và các cấu trúc địa chất nông nói chung

Phương pháp khúc xạ nông được tiến hành đơn giản, không đòi hỏi các biện pháp quan trắc phức tạp và các công nghệ xử lý đặc biệt như phương pháp phản xạ nông Tuy nhiên, kinh nghiệm thực tiễn cho thấy phương pháp khúc xạ nông chỉ có khả năng khảo sát nền đá gốc khi lớp phủ trên nó là các lớp phong hóa và các thành tạo đệ tứ bở rời gắn kết yếu Nó bộc lộ nhiều hạn chế khi giải quyết các nhiệm vụ địa chất như: phân chia chi tiết lớp phủ nằm trên nền đá gốc, khảo sát nền đá gốc khi trong lớp phủ trên đá gốc có các lớp

đá cứng có tốc độ truyền sóng bằng hoặc lớn hơn tốc độ truyền sóng trong đá gốc, phát hiện đứt gãy trong lớp phủ trầm trích và lớp phong hóa bở rời cũng như xác định hướng đổ

và biên độ dịch chuyển đứt gãy Làm rõ thêm các ý kiến nêu trên nhằm tìm kiếm các giải pháp khắc phục vẫn là một vấn đề đáng quan tâm khi áp dụng phương pháp địa chấn khúc

xạ trong khảo sát Địa chất công trình

Luận văn đã được thực hiện trên cơ sở hoạt động liên kết với các cơ quan khoa học

kĩ thuật bên ngoài Qua nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả cố gắng trình bày một

số kết quả khảo cứu công nghệ Địa chấn khúc xạ trong Địa chất công trình cũng như một

số kết quả thực tế ứng dụng phương pháp cho khảo sát nền móng công trình thủy điện Thakhor và công trình thủy điện Nậm-Hinbun

Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phương pháp địa chấn khúc xạ trong địa chấn công trình; Chương 2: Công nghệ thực địa đo địa chấn khúc xạ trong địa chấn công trình; Chương 3: Một số công trình khảo sát địa vật lý dùng phương pháp địa chấn khúc xạ

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Tân – Trường đại học Khoa học Tụ nhiên – ĐH QGHN đã tận tình hướng dẫn , góp ý và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Vật lý Địa cầu – Khoa Vật lý Trường

đh Khoa học Tự nhiên đã tận tình giúp đỡ trong quá trình học tập tại bộ môn

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN KHÚC

XẠ TRONG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH 1.1 Sự phản xạ và khúc xạ của sóng đàn hồi

1.1.1 Sự phản xạ khúc xạ sóng đàn hồi khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường

Khi sóng cơ học truyền qua mặt ranh giới giữa hai môi trường có vận tốc truyền khác nhau (có độ đàn hồi và mật độ khác nhau), sẽ xuất hiện sóng phản xạ và

khúc xạ Ở hình 1.1 khi sóng P truyền từ môi trường I đến môi trường II sẽ xuất

hiện bốn loại sóng khác nhau, sóng phản xạ P (PP1), sóng phản xạ S (PS1), sóng khúc xạ P (PP2) và sóng khúc xạ S (PS2) Nếu tương ứng gọi vận tốc sóng P và sóng S ở môi trường I là vP1 và vS1, ở môi trường II là vP2và vS2, ta có:

hai môi trường

1.1 2 Mô hình phân lớp

a Môi trường hai lớp với ranh giới nằm ngang

Hình 1.2: (a) Biểu đồ thời khoảng với mô hình 2 lớp ngang

(b) Mô hình vận tốc tương ứng

Từ các giản đồ sóng khúc xạ đo ngoài thực địa ta sẽ nhận được biểu đồ thời

khoảng tương ứng Hình1.2a cho thấy với môi trường hai lớp ngang biểu đồ thời khoảng sẽ có một điểm gãy Trên Hình1.2b chúng ta sử dụng mô hình vật lí với cấu

trúc hai lớp có mặt ranh giới là đường bcde cách bề mặt một khoảng là h và song song với mặt đất, vận tốc lớp trên là v1, vận tốc lớp dưới là v2 (v1v2) Giả sử a là điểm nổ, f là điểm thu Bây giờ ta thu được hai sóng từ điểm nổ a tới điểm thu f, một là sóng trực tiếp và hai là sóng khúc xạ Nếu khoảng cách từ a đến f là x và thời gian truyền của sóng trực tiếp ở điểm f là T1 thì:

T1 x v/ 1 (1.3) Trên đường truyền của sóng khúc xạ acdf , thời gian truyền sóng đến điểm f là T2 thì:

1 2 1

ac cd df T

cos( )

c c

h T



  (1.5)Hay

2

2 tan( )2

cos( )

c c

) 1

tan(

)cos(

12

v

x v

i i

Theo định luật Snell: sin( ) ( / )i c  v v1 2

Tiếp tục thay vào biểu thức trên ta có:

1 1

2

/ sin( ) sin( )2

sin( )

c c

2 2

2

2

1

12

v

x v

T v v h

Cũng thấy rằng T 1 =T 2 tại điểm gãy xc trên biểu đồ thời khỏang nên theo (1.3)

và (1.8) ta có thể tính độ sâu của lớp dưới h theo thời gian giao nhau

b Mô hình hai lớp với ranh giới nghiêng

Độ sâu lớp được tính theo công thức

1 1

1

1 1

1

)sin(

cos2

)sin(

cos2

v

i v v

i h v x

v

i v v

i h v x

B B

B

A A

* 2 1

1cos2)sin(

1cos2

1cos2)sin(

1cos2

B

B B

A

A

A A

A

v

v i

x i

i

x h

v

v i

x i

i

x h

lý áp dụng được cho việc giải các bài toán trên những mô hình đó

1.2 Phương pháp địa chấn khúc xạ trong địa chấn công trình

Địa chấn thăm dò gồm hai nhóm phương pháp chính là phương pháp địa

chấn phản xạ và phương pháp địa chấn khúc xạ Phương pháp địa chấn phản xạ thu sóng phản xạ từ mặt ranh giới hai môi trường (khác biệt vận tốc truyền) của đất đá phía dưới lòng đất Nó tương tự như phương pháp thu sóng phản xạ âm (đo độ sâu đáy biển) hay sóng ra đa (đo khoảng cách tới vật chắn sóng trong không gian) Phương pháp địa chấn khúc xạ thu sóng khúc xạ trượt dọc theo các ranh giới; thông qua việc ghi nhận, xử lý, phân tích các mặt đầu sóng đến máy thu; nó cho phép ta suy ra ranh giới các lớp khác biệt vận tốc cũng như một số tham số đàn hồi của mỗi lớp đất đá Trên cơ sở xây dựng các mô hình truyền sóng khúc xạ trong môi trường

phân lớp, cần phải giải bài toán địa chấn khúc xạ để xác định các tham số lớp và vận tốc truyền Đó là cơ sở cho các phương pháp phân tích các giản đồ sóng khúc

xạ được sử dụng trong các công nghệ đo của địa chấn công trình và địa chấn thăm

dò

Trong xử lí tài liệu của địa chấn công trình, trên cơ sở các băng ghi giản đồ sóng tại các điểm thu thực địa, từ các trục đồng pha sóng có thể xác định vận tốc lớp, góc nghiêng, độ sâu của ranh giới phản xạ Đây là những tham số quan trọng giúp cho đánh giá tính chất cơ lí cuả nền móng công trình Một số mô hình ứng dụng cho môi trường địa chất hai lớp và nhiều lớp đã được giải quyết trong các tài liệu nghiên cứu và giáo trình chuyên khảo

Việc giải bài tóan cho các môi trường phức tạp hơn như môi trường ba hoặc nhiều lớp với các mặt ranh giới nghiêng hoặc gãy khúc… tiếp tục được nghiên cứu

giải quyết Một số kết quả đã đạt được Ví dụ mô hình tính vận tốc lớp bằng phương pháp bình phương tối thiểu, xác định độ sâu ranh giới bằng phương pháp thời gian tương hỗ, các mô hình xác định ranh giới phản xạ bằng phương pháp các điểm tương hỗ hay bằng phương pháp các điểm giao hội… Nhiều bài toán đã được hiện

thực hóa trong các nhiệm vụ khảo sát địa chấn công trình và thương mại hóa trên các sản phẩm kĩ thuật của các công ty thiết bị Địa vật lý Đơn cử chương trình

SIPQC được cài đặt trên các máy đo địa chấn đa kênh của công Mĩ Geometrics Co

(Ví dụ StrataVizor™ NZ) hay bộ chương trình PickWin Chương trình này gồm các

mô đun cho phép tự động vạch các điểm đầu sóng trên băng địa chấn khúc xạ thực địa, tạo file để lập đường ranh giới vận tốc, xác lập độ sâu đến mặt ranh giới ứng với mỗi vị trí đặt máy thu…Trên cơ sở đó một mô đun chương trình khác sẽ cho

phép hiển thị ảnh mặt cắt phân lớp

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ THỰC ĐỊA ĐO ĐỊA CHẤN KHÚC XẠ TRONG ĐỊA CHẤN CÔNG TRÌNH

2.1 Các vấn đề chung của phương pháp địa chấn khúc xạ

2.1.1 Yêu cầu chung

Quy trình công nghệ đo địa địa chấn khúc xạ để giải quyết một số nhiệm vụ địa chất công trình và địa chất mỏ được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu áp dụng phương pháp địa chấn khúc xạ để giải quyết một số nhiệm vụ địa chất công trình và địa chất mỏ Quy trình công nghệ này bao gồm các vấn đề về thiết bị, lập phương án, tổ chức thi công thực địa, các phương pháp xử lý và các phương pháp minh giải được sử dụng để khảo sát môi trường địa chất bằng cách dùng sóng địa chấn khúc xạ (phương pháp địa chấn khúc xạ) Phương pháp địa chấn khúc xạ có thể dùng để đánh giá các yếu tố địa chất như: chiều sâu đến bề mặt đá gốc hoặc đến mực nước ngầm, nghiên cứu địa tầng, thạch học, cấu trúc, các đứt gãy hoặc đới dập vỡ (các ứng dụng nghiên cứu cấu trúc địa chất) Vận tốc truyền sóng địa chấn liên quan tới thuộc tính cơ học của các loại đất đá trong nghiên cứu địa chất công trình nên các mô tả về tính chất của đất đá (loại đá, mức độ phong hóa…) được dựa trên vận tốc truyền sóng và các thông tin địa chất đã có sẵn

Quy trình dưới đây nêu khái quát phương pháp địa chấn khúc xạ dùng sóng dọc Nó chỉ giới hạn cho đo địa chấn khúc xạ trên đất liền mà không đề cập đến một số ứng dụng đặc biệt của phương pháp như đo trên mặt nước hoặc trong hố khoan

2.1.2 Các vấn đề công nghệ khi khảo sát thực địa

Để xác định cấu trúc địa chất nông dùng phương pháp địa chấn khúc xạ cần phải có: Máy ghi đa kênh, cáp địa chấn, máy thu (geophone), bộ khởi ghi (trigger) và nguồn gây sóng (thuốc nổ, búa)

Nguồn gây sóng địa chấn có thể là búa tay, búa máy hoặc thuốc nổ Thuốc nổ được dùng khi đối tượng nghiên cứu ở chiều sâu lớn hoặc trong các điều kiện cần dùng nguồn gây sóng có năng lượng lớn Các máy thu biến đổi sự rung động của mặt đất do sự lan truyền sóng cơ học thành tín hiệu điện Tín hiệu này sau đó được máy ghi xử lý rời rạc hóa

và ghi lại tạo ra băng ghi sóng địa chấn Thời gian sóng địa chấn lan truyền từ nguồn gây

sóng địa chấn đến các máy thu được xác định theo mặt đầu của sóng địa chấn trên các băng ghi địa chấn

Năng lượng của nguồn gây sóng địa chấn sinh ra sóng đàn hồi lan truyền cả trong môi trường địa chất và không khí Trong môi trường địa chất, nếu sóng này gặp một ranh giới tiếp xúc giữa hai loại đất đá có vận tốc truyền sóng khác nhau thì sẽ bị khúc xạ rồi phản xạ lại mặt đất và được máy thu ghi lại

Có nhiều loại sóng đàn hồi sinh ra từ năng lượng của nguồn gây sóng địa chấn Trong các khảo sát địa chấn khúc xạ hiện nay người ta chủ yếu quan tâm đến sóng sóng dọc và sóng ngang Vận tốc của sóng dọc (Vp) lan truyền trong một loại đất đá phụ thuộc vào modul khối, modul trượt và mật độ của loại đất đá đó theo công thức:

Hệ số phản xạ của ranh giới là tham số đánh giá lượng năng lượng sóng địa chấn bị phản xạ khi gặp bề mặt ranh giới:

1 1 2 2

1 1 2 2

V V

V V R

1 2

V

V A

1,2: mật độ của lớp thứ nhất và lớp thứ hai

 V: trở kháng âm học A: tỷ số trở kháng âm học

Tại ranh giới phản xạ, năng lượng sóng địa chấn bị phân chia thành hai phần Một phần bị phản xạ và một phần tiếp tục truyền qua ranh giới đó theo định luật Snell nêu trên (công thức 1.2) Vận tốc truyền của sóng địa chấn phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của đất đá Các tham số địa chấn của một số loại đất đá

Loại đất đá Vận tốc sóng dọc

(m/s)

Mật độ (kg/m3)

Trở kháng

âm học

Cát bão hòa nước 1500 2100 3.15106

Sét bão hòa nước 1800 2200 3.96106

số liệu Những điểm cần lưu ý là: đặc điểm địa chất, chiều sâu cần khảo sát, độ phân giải cần đạt được, địa hình và giao thông đến vị trí khảo sát… Ngoài ra, các điều kiện về nhiễu (ví dụ khi thi công cùng với phương pháp khảo sát khác như khoan) và về pháp lý (khi sử dụng chất nổ) cũng cần phải được xem xét trong quá trình lập phương án khảo sát

Trước hết phải xây dựng mô hình địa chất tại khu vực khảo sát nhằm đánh giá mức

độ tương phản về vận tốc truyền sóng địa chấn của các lớp có thể có mặt trong vùng nghiên cứu Điều này càng chi tiết càng tốt và nên bao gồm các thông tin như chiều dày và loại đất phủ trên mặt, chiều sâu tới các lớp đất đá, chiều sâu mực nước ngầm, tính liên tục

của lớp cần khảo sát và khả năng phát hiện chúng bằng phương pháp địa chấn khúc xạ Từ

mô hình này xây dựng các biểu đồ thời khoảng cho sóng khúc xạ Dựa vào biểu đồ này sẽ cho phép đưa ra những phác thảo ban đầu về thiết kế hệ thống quan sát sóng khúc xạ ngoài thực địa

Phải xác định được phương pháp sẽ dùng để xử lý số liệu địa chấn khúc xạ Việc lựa chọn phụ thuộc vào đối tượng khảo sát và yêu cầu về mức độ chi tiết cần đạt được về đối tượng địa chất Phương pháp xử lý cũng quyết định đến cấu hình đo đạc sẽ được sử dụng vì mỗi phương pháp xử lý sẽ có những đòi hỏi nhất định về số liệu cần phải nhận ngoài thực địa

Các phương pháp xử lý số liệu địa chấn khúc xạ có thể gồm các kỹ thuật sau: phương pháp thời gian tương hỗ tổng quát, phương pháp tomography …

Trong đa số trường hợp, nên sử dụng kết hợp các phương pháp nêu trên

Khoảng chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải theo chiều đứng chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố như: đặc trưng kỹ thuật của máy ghi sóng, loại nguồn và kỹ thuật gây chấn rung, tần

số dao động riêng và kiểu của máy thu, bố trí hình học của nguồn chấn rung và các máy thu cũng như điều kiện tự nhiên của lớp đất phủ Với các đối tượng nông thì khoảng cách giữa các máy thu và khoảng cách giữa các điểm chấn rung phải nhỏ, nguồn chấn rung phải

có năng lượng thấp và tần số cao Ngược lại, với các đối tượng nằm sâu thì khoảng cách giữa các máy thu cũng như khoảng cách giữa các điểm chấn rung phải rộng hơn, nguồn chấn rung phải có năng lượng

lớn hơn và tần số phải thấp hơn

Các máy thu và nguồn chấn rung phải được tiếp xúc tốt với bề mặt đất đá (nén chặt hoặc đổ nước) Các máy thu phải được rải dọc tuyến thẳng (gọi là cable địa chấn) Nguồn chấn rung địa chấn có thể là búa tay, búa máy hoặc thuốc nổ Thời gian sóng địa chấn lan truyền từ nguồn gây sóng địa chấn đến các máy thu được xác định theo hình dạng của sóng

địa chấn trên các băng ghi địa chấn (hình 2.1)

Hình 2.1: Băng ghi địa chấn khúc xạ với 24 kênh điểm nổ giữa

Máy thu địa chấn nên dùng loại có tần số dao động riêng phù hợp với việc ghi sóng khúc xạ

Các loại nhiễu tồn tại thường xuyên khi đo địa chấn nói chung và địa chấn khúc xạ nói riêng có thể kể như sau:

- Nhiễu tự nhiên gây ra do gió, mưa, nước chảy, sóng nước

- Nhiễu địa chất gây ra do các thay đổi bất thường về vận tốc trong một lớp vận tốc (ví dụ như sự tồn tại các tảng lăn lớn trong đất phong hóa)

- Nhiễu gây ra do người đi lại, xe cộ, máy bay, đường điện cao thế

Ngoài các loại nhiễu kể trên thì nhiễu do nguồn chấn rung (nổ hay đập búa)

gây ra là một trong những khó khăn đáng kể nhất khi triển khai phương pháp Nhiễu nguồn

là các loại sóng có cường độ cao xuất hiện cùng với các sóng phản xạ với cường độ nhỏ từ các ranh giới

Thời gian sóng khúc xạ truyền từ nguồn gây sóng trượt trên mặt ranh giới khúc xạ để tới các máy thu được dựng thành đồ thị theo khoảng cách và gọi là biểu đồ thời khoảng

Nó là hàm của khoảng cách thu nổ, chiều sâu đến ranh giới khúc xạ và vận tốc truyền sóng địa chấn của môi trường đất đá

Hình 2.2: Mô tả sóng khúc xạ trong môi trường 2 lớp

Như trên đã nêu (mục 1.1 trang 11) ta cần ít nhất 2 biểu đồ thời khoảng cho việc nhận giá trị độ sâu đến mặt ranh giới ( tại điểm thu sóng) Trên hai biểu đồ thời khoảng này cũng xác định được vận tốc truyền sóng biểu kiến của các lớp Từ đó có thể tính được vận tốc truyền sóng thực và góc dốc của các lớp

Những giới hạn cần lưu ý của phương pháp địa chấn khúc xạ:

- Lỗi khi xác định chiều sâu đến ranh giới khúc xạ tỷ lệ với góc dốc và sự tương phản về vận tốc của hai lớp nằm trên và dưới ranh giới khúc xạ đó

- Nếu trong môi trường địa chất mà lớp nằm dưới có vận tốc nhỏ hơn lớp nằm trên

nó thì phương pháp địa chấn khúc xạ sẽ không phát hiện được lớp bên dưới và việc xác định chiều dày của lớp trên sẽ không chính xác

- Các lớp phải có chiều dày đủ lớn để có thể xác định được vận tốc biểu kiến trên biểu đồ thời khoảng

- Sự tương phản về vận tốc của lớp nằm trên và bên dưới ranh giới khúc xạ

phải đủ lớn để có thể phân biệt được trên biểu đồ thời khoảng

Độ phân giải ngang phụ thuộc vào khoảng cách giữa các máy thu và khoảng cách giữa các điểm phát sóng Độ phân giải đứng thể hiện khả năng xác định sự thăng giáng của ranh giới khúc xạ theo chiều sâu và mức độ dày hay mỏng của bề dày lớp mà phương pháp còn có thể xác định được Nó phụ thuộc vào các yếu tố như: khoảng cách giữa các máy thu, chiều sâu đến các ranh giới khúc xạ, mức độ tương phản về tốc độ truyền sóng của các lớp trên, dưới ranh giới và tình hình bề mặt nơi đặt máy thu và nguồn phát

2.2 Thi công thực địa, xử lý số liệu lập báo cáo

2.2.1 Thiết kế hệ thống tuyến đo

Hệ thống tuyến đo phải được thiết kế sao cho đạt được hiệu quả cao nhất với đối tượng khảo sát Chiều dài của tuyến khảo sát nên dài hơn đối tượng cần khảo sát để có thể quan

sát được cả phông địa chất chung và đối tượng khảo sát Hướng của tuyến phải cắt qua các cấu trúc cần khảo sát như đứt gãy, đới dập vỡ v.v Số lượng điểm phát sóng và vị trí của chúng phụ thuộc vào phương pháp xử lý đã được lựa chọn Khoảng cách giữa các máy thu phụ thuộc vào chiều sâu của các ranh giới khúc xạ và mức độ chi tiết cần phải đạt được về hình dạng ranh giới khúc xạ cũng như sự thay đổi vận tốc truyền sóng của nó Khoảng cách giữa nguồn và máy thu thường trong khoảng từ 2 đến 5 lần chiều sâu lớn nhất cần nghiên cứu

Nếu chiều dài tuyến lớn hơn chiều dài của một cable thu thì phải bố trí các cable thu liên tiếp nhau cho hết chiều dài tuyến khảo sát Các điểm nguồn chấn rung nên bố trí ở giữa hai máy thu vì nó cho phép xác định thời gian tương hỗ chính xác hơn và không gây

ra sự thay đổi về môi trường lân cận điểm cắm máy thu (nhất là khi dùng thuốc nổ) Các điểm nổ xa của cable tiếp theo nên bố trí trùng với điểm nổ trong cable hoặc đầu cable của cable trước đó

Các tuyến đo địa chấn khúc xạ phải được xác định chính xác Trước đó phải thực hiện phát tuyến để tiện di chuyển trên tuyến Các vị trí máy thu phải được cắm cọc, đánh

số và đo độ cao

Các bước tiến hành ngoài thực địa như sau:

- Kiểm tra nguồn nuôi (acquy cung cấp cho cả hệ đo): đảm bảo nguồn nuôi đủ điện để cung cấp cho cả hệ trong suốt quá trình đo thực địa của chặng đo

- Rải máy thu: Các máy thu được cắm dọc trên tuyến đo tại vị trí các cọc đã cắm khi chuẩn bị tuyến đo Máy thu phải được cắm thẳng đứng và bám chắc vào mặt đất Trong trường hợp bề mặt đất cứng (trên đá, bê tông) thì máy thu phải được giữ thẳng (như cắm vào một miếng sốp) và dùng vật nặng đè chặt Máy thu cắm không tốt là một trong những nguyên nhân chính làm giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu khi thu sóng địa chấn

- Nối các máy thu vào cable thu tín hiệu, kiểm tra các tiếp xúc nếu không thấy tín hiệu từ máy thu về máy đo

- Kiểm tra bộ định thời (triger)

- Kiểm tra mức độ nhiễu, ngưỡng nhiễu nên đặt sao cho không lớn quá hoặc nhỏ quá

- Xác định vị trí điểm nổ, các điểm thu và cài đặt các tham số đó vào trong máy và ghi vào

sổ đo địa chấn

- Kiểm tra các điều kiện an toàn lao động khác (nhất là khi sử dụng chất nổ)

- Khi đo địa chấn khúc xạ, hệ thống thiết bị ghi sóng phải được cài đặt các chương trình điều khiển máy ghi sóng (chọn bước số hóa tín hiệu, chọn độ dài tín hiệu ghi, chọn thời gian trễ (delay), chọn bộ lọc tương tự (analog filter) Trong địa chấn khúc xạ phục vụ công trình thường chọn bộ lọc thấp từ 20 đến 40 Hz

- Hiển thị lại số liệu, nếu số liệu có tỷ số tín hiệu/nhiễu lớn và sóng khúc xạ có thể xác định được rõ thì tiến hành với các điểm phát sóng tiếp theo Nếu không thì hiệu chỉnh lại và phát sóng lại

Trong quá trình đo đạc thực địa phải ghi chép đầy đủ các thông tin về trình tự tiến hành, vị trí điểm phát sóng, vị trí của các máy thu, tên file số liệu, điều kiện thời tiết và các yếu tố có khả năng gây nhiễu (gần nước chảy, máy khoan, đường đi,

công trường đang thi công ) vào sổ thực địa

2.2.2 Thiết bị

Tổ hợp bộ ghi sóng:

Tổ hợp bộ ghi sóng là một bộ gồm 2 thành phần là Geode và máy tính:

Geode: là tổ hợp điện tử gồm 2 card phân tích đa kênh (mỗi kênh 12 đường ghi) cho phép ghi 24 đường sóng (theo tiêu chuẩn của Geometrics Co.)

Máy tính: Sử dụng bộ phần mềm tương thích với Geode với mục đích thực hiện công việc quản lý, điều khiển hệ đo và xử lý ban đầu tại thực địa

Hình 2.3 : Tổ hợp Geode và máy tính

(a) Geode và máy tính riêng rẽ

(b) Geode và máy tính được tích hợp trong máy ghi STRATAVISOR™ NZ

Geophone (máy thu)

Các geophone là bộ cảm biến rung có nhiệm vụ chuyển các dao động cơ thành tín hiệu điện Geophone có hai thông số đặc trưng là tần số riêng và tần số ghi dao động cơ (tần số làm việc tối ưu)

Số lượng các geophone sử dụng trên mỗi chặng phụ thuộc vào độ dài chặng

và khoảng cách giữa hai geophone Trên một tuyến đo thông thường ta sử dụng 24 geophone với khoảng cách các geophone là 5 mét

Nguồn rung: là nguồn kích động tạo ra sóng đàn hồi truyền trong môi trường

Đối với một nguồn rung, phải thõa mãn các yêu cầu về mặt kỹ thuật như sau:

- Tần số rung phải phù hợp với geophone: Như đã nói ở trên, các geophone có tần số làm việc là một thông số cơ bản nên khi lựa chọn nguồn rung ta phải chọn tần só sao cho phù hợp với thông số làm việc của các geophone

- Cường độ rung phải đủ mạnh: Khi các sóng địa chấn truyền trong môi trường vật chất không tránh khỏi việc mất mát năng lượng Nếu cường độ rung không đủ mạnh, các sóng địa chấn không thể truyền đi xa và cũng khó nhận biết được chúng với nhiễu xung quanh Vì vậy cường độ rung phải có độ mạnh phù hợp

Vì yêu cầu trên nên khi sử dụng nguồn rung là đập búa ta thường sử dụng chế

độ cộng sóng của nhiều lần đập: đây là một chế độ cho phép ta thực hiện liên tiếp nhiều lần đập búa trên một điểm nổ để chọn ra một băng ghi địa chấn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Do đặc thù riêng của nguồn nổ mìn nên ta không sử dụng chế độ cộng sóng của nhiều lần nổ Vì nguồn nổ mìn phải đảm bảo một lần nổ duy nhất cho ta băng ghi địa chấn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nên khi triển khai ngoài thực địa ta phải đặc biệt chú ý đến kỹ thuật gói và chôn mìn sao cho chỉ một lần nổ có thể thu được các đường sóng ghi đạt yêu cầu

Khi thao tác ngoài thực địa, tùy thuộc vào đối tượng ghi (sóng P, sóng S, sóng mặt …) mà khi sử dụng nguồn rung ta phải đặt tác động theo những thủ thuật khác nhau: để thu được sóng P trên băng ghi địa chấn ta phải đập thẳng nguồn, thu được

sóng S và sóng mặt ta tác động một góc nghiêng phù hợp (xem hình 2.4)

Thực hiện nổ là một khâu kĩ thuật quan trọng của công tác thực địa nhằm sao cho thu

được giản đồ sóng (băng sóng địa chấn) đúng cho đối tượng nghiên cứu

(a) Đập búa tay trên đe gỗ (b) Dùng đầm rung (ta rơi)

(c) Dùng búa máy loại P-Wave ghi

sóng P (đập thẳng)

(d) Dùng búa máy S-Wave cho ghi sóng S

(đập xiên)

(e) Nổ mìn trên tuyến thực địa địa

chấn (f) Máy rung chuyên dụng

Hình 2.4: Các nguồn rung phổ biến

2.2.3 Xử lý số liệu thực địa

Xử lý số liệu địa chấn khúc xạ được bắt đầu bằng việc dựng các biểu đồ thời khoảng Các biểu đồ thời khoảng được dựng từ các thời gian sóng truyền từ một điểm phát sóng đến các máy thu đối với vị trí của chúng trên tuyến Việc xác định thời gian truyền sóng trên băng địa chấn gọi là vạch sóng đầu và phải thống nhất trong quá trình xử lý Biểu đồ thời khoảng của các điểm phát sóng có chung một cable thu (chặng đo) được dựng trên cùng một tọa độ Biểu đồ thời khoảng của các chặng đo được dựng liên tục, nối tiếp nhau cho đến hết tuyến đo

Đánh gía chất lượng và chỉnh biểu đồ thời khoảng dựa vào 3 đặc tính sau:

- Tính đồng đều: nhằm loại bỏ các lỗi khi vạch sóng đầu Nếu có sự dao động một cách bất thường thời gian truyền sóng từ một nguồn phát sóng đến một vài máy thu không liền nhau thì nhiều khả năng nguyên nhân là do lỗi khi vạch sóng đầu Khi đó cần xem xét lại quá trình chọn sóng đầu để hiệu chỉnh lại

- Tính tương hỗ: dùng để kiểm tra thời gian tương hỗ trên biểu đồ thời khoảng của các nguồn phát có hướng ngược nhau trên cùng một cable thu

- Tính song song: Dùng để kiểm tra biểu đồ thời khoảng của các nguồn phát sóng cùng một hướng trên một cable thu

Các phép hiệu chỉnh cần tiến hành tiếp theo là hiệu chỉnh độ cao và hiệu chỉnh lớp phong hóa

Sau khi tiến hành hiệu chỉnh là giai đoạn xử lý Các phương pháp xử lý đã lựa chọn trong phương án sẽ được áp dụng

Ngoài các phương pháp xử lý bằng tay, hiện nay có nhiều phần mềm máy tính cho phép xử lý theo một hoặc tất cả các phương pháp đã nêu

Một số phần mềm tiêu biểu như sau: Viewseis, Rayract, Seisimage 2D (Pic Win & Plotera),…

Kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ là mặt cắt vận tốc biểu diễn mô hình địa vật lý - địa chất của tuyến khảo sát dưới dạng ảnh khối-lớp hoặc đường đồng mức Các mô hình này mô tả một số tính chất như vận tốc truyền sóng dọc, modul nén, modul trượt của môi trường địa chất

Mức độ phù hợp của khảo sát địa chấn khúc xạ với tài liệu khoan thường được dùng

để đánh giá mức độ chính xác của kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ Thông thường chiều

sâu đến các ranh giới khúc xạ khá phù hợp với kết quả khoan (10%) Tuy nhiên, có nhiều trường hợp các kết quả này lại không phù hợp với nhau mặc dù kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ đạt được là khá chính xác Có thể kể đến những lý do dẫn đến các trường hợp này

như sau:

- Ranh giới của kết quả khoan có thể không được xác định trong kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ vì tương phản vận tốc không đủ lớn giữa hai lớp Địa chấn khúc xạ chỉ có thể xác định được ranh giới khi sự khác biệt về vận tốc truyền sóng của hai lớp trên và dưới nó

Hình 2.5: Hiệu chỉnh độ cao và phong hóa