Nội dung chính của bài viết nghiên cứu số liệu đo đạc Radar khoảng cách đều với số liệu địa chấn sau cộng, đã áp dụng phép dịch chuyển này để xử lý các số liệu điện từ trên mô hình và thực tế ở thành phố Hồ Chí Minh. Từ đó, đánh giá hiệu quả của phép dịch chuyển Kirchhoff trong xử lý số liệu điện từ để xây dựng và lựa chọn mô hình vận tốc địa chất.
33(2)[CĐ], 142-150 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 6-2011 NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN KIRCHHOFF ĐỂ XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH VẬN TỐC TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TỪ TẦN SỐ CAO LÊ VĂN ANH CƯỜNG1, NGUYỄN THÀNH VẤN1, NGUYỄN VĂN GIẢNG2, ĐẶNG HOÀI TRUNG1, VÕ MINH TRIẾT1 E-mail: cuongtunhien@gmail.com Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM Viện Vật lý Địa cầu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 31-3-2011 E x (z, t) = E e −αz cos ( ω t − β z ) ; Mở đầu Phương pháp Radar xuyên đất với khả cho lát cắt địa chất xác độ phân giải cao Sóng Radar sóng điện từ có đặc tính khúc xạ, phản xạ tán xạ, đó, có nguyên lý xử lý đối tượng sóng địa chấn áp dụng cho trường hợp Radar xuyên đất Dựa vào tương thích số liệu đo đạc Radar khoảng cách với số liệu địa chấn sau cộng, áp dụng phép dịch chuyển để xử lý số liệu điện từ mô hình thực tế thành phố Hồ Chí Minh Từ đó, đánh giá hiệu phép dịch chuyển Kirchhoff xử lý số liệu điện từ để xây dựng lựa chọn mơ hình vận tốc địa chất Tổng quan phương pháp Radar xuyên đất Phương pháp Radar xuyên đất (GPR) dựa sở lý thuyết sóng điện từ dải tần số cao từ đến 2000 MHz phát sóng dạng xung xuống đất thu lại tín hiệu phản xạ sóng lan truyền qua ranh giới vận tốc cấu tạo khác thiết bị thu đặt mặt đất Trong môi trường đồng đẳng hướng, sóng Radar tn theo hệ phương trình Maxwell có dạng phương trình sóng (hay phương trình Helmholtz) dạng phức: Gˆ Gˆ ∇ E = jωμ(σ + jωε)E ; Gˆ Gˆ ∇ H = jωμ(σ + jωε)H đặt: γ = α + jβ = jωμ(σ + jωε) , Nghiệm hệ phương trình sóng phẳng đơn sắc theo chiều thuận, miền thời gian: 142 H y (z, t) = H 0e−αz cos ( ωt − βz ) (1) Từ ta tính được: α=ω ⎞ με ⎛⎜ ⎛ σ ⎞ ; 1+ ⎜ ⎟ − 1⎟ ⎜ ωε ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ β=ω ⎞ με ⎛⎜ ⎛ σ ⎞ , 1+ ⎜ ⎟ + 1⎟ ⎟ ⎜ ⎝ ωε ⎠ ⎝ ⎠ Với: σ: độ dẫn điện (mS/m); ω: tần số góc (rad/s); ε: độ điện thẩm (F/m); μ: độ từ thẩm (H/m); α: số tắt dần (dB/m); β: số pha; γ: số truyền sóng; Vận tốc truyền sóng điện từ: v= ω ( m / s) β (2) Tính vận tốc truyền sóng phương trình (2) dẫn đến sai số lớn môi trường địa chất môi trường bất đồng không đẳng hướng Để khắc phục điều này, ngồi thực địa, người ta tính vận tốc cách sau: sử dụng vật thể biết độ sâu phân bố, sử dụng hai lần vận tốc truyền sóng giản đồ CMP (hình 1) Ở đây, chúng tơi nghiên cứu dùng phương pháp dịch chuyển địa chấn Kirchhoff để xác định vận tốc dạng số liệu khoảng cách chung phương pháp Radar xuyên đất (hình 2) Thời gian x Hình Giản đồ CMP thể loại sóng thu từ nguồn phát Phương pháp dịch chuyển Kirchhoff Phương pháp tiến hành dựa vào nguyên lý Huyghen-Fresnel toán Kirchhoff Các ranh giới phản xạ xem tập hợp điểm tán xạ, sóng tới kích động vào, chúng trở thành trung tâm phát sóng cầu thứ cấp, phát dao động tán xạ truyền điểm khác dọc theo tuyến quan sát x [1-3] Các dao động sóng điểm tán xạ khác (nằm lát cắt địa chất) truyền đến mặt đất, chúng giao thoa với tạo thành trường sóng tổng ghi dọc tuyến quan sát dạng sóng phản xạ (hình 3) Hình Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách giản đồ tín hiệu thu tiến hành cộng lượng tán xạ nằm đường hyperbol mạch đo đặt biên độ tổng vào đỉnh hyperbol tạo thành lát cắt dịch chuyển (hình 4) Hình Sơ đồ nguyên lý phép biến đổi Kirchhoff cộng biên độ tán xạ Nghiên cứu áp dụng 4.1 Mơ hình tán xạ điểm x Hình Sự tích lũy biên độ điểm tán xạ Như vậy, xem xung sóng phản xạ ghi điểm xi tuyến quan sát tổng phần tích lũy điểm tán xạ khác nằm ranh giới phản xạ sóng truyền đến điểm quan sát Bản chất phương pháp dịch chuyển Kirchhoff Mơ hình có vận tốc vRMS = 0,1m/ns (xem vRMS vận tốc môi trường) với điểm dị thường tọa độ x = 20m z = 8m (hình 5a) Sau giải tốn thuận với số liệu mơ hình tán xạ điểm, ta có liệu hình 5, tín hiệu điểm dị thường hyperbol có đỉnh thời gian 8,10-8s khoảng cách 20m (hình 5b) Sử dụng phần mềm tính tốn dịch chuyển Kirchhoff ngơn ngữ Matlab, ta thay đổi vận tốc dao động quanh giá trị tối ưu: bé 10%, bé 5%, 0% (đúng vận tốc tối ưu), lớn 5%, lớn 10% Trong phép dịch chuyển ta chọn tham số khoảng cách L = 20m (vì khoảng máy đo thu nhận lượng tán xạ 20m); hình biểu diễn kết trường sóng dịch chuyển tương ứng với giá trị vận tốc khác cho phép rút nhận xét: 143 (a) 20 (b) 40 x (m) Thời gian → z (m) Hình Mơ hình tán xạ điểm (a) liệu khoảng cách mơ hình tán xạ điểm (b) Khi vận tốc bé vận tốc vRMS tối ưu xuất đường cong dạng hyperbol có đỉnh hướng xuống dưới, đường cong giảm kích thước thiết diện ngang vRMS tiến sát vận tốc tối ưu (hình 6a, 6b), hội tụ điểm Thời gian → Thời gian → hình 6c Trong trường hợp vận tốc lớn vận tốc vRMS tối ưu xuất đường cong có đỉnh hướng lên trên, đường cong tăng kích thước thiết diện vRMS lớn vận tốc tối ưu (hình 6d, 6e) (b) (c) (d) (e) Do đó, ta dựa vào đường cong lên hay cong xuống với hội tụ lượng tín 144 20 40m) Khoảng cách, x → (a) Thời gian → Khoảng cách, x → Hình Dịch chuyển Kirchhoff với sai số vận tốc mơ hình tán xạ điểm: a) V1 = vRMS - 10% vRMS b) V2 = vRMS - 5% vRMS c) V4 = vRMS + 0% vRMS d) V5 = vRMS + 5% vRMS e) V6 = vRMS + 10% vRMS hiệu sóng chọn dải vận tốc dịch chuyển để tìm vận tốc xác mơi trường 4.2 Kết áp dụng cho số liệu thực tế 4.2.1 Tại nghĩa trang liệt sĩ Tp Hồ Chí Minh Việc triển khai đo Radar xuyên đất nghĩa trang liệt sĩ Tp HCM thể hình đỉnh t = 0,6.10-7 (s) x = 16m lại cho kết tính tốn vận tốc dịch chuyển c = 3,108 (m/s) Xem xét điều kiện thực địa máy đo Radar không chắn, cho phép nhận định nhiễu cột điện cạnh gây Như điều cần quan tâm vùng khơng gian hai hyperpol Áp dụng phần mềm tính tốn dịch chuyển Kirchhoff ngơn ngữ Matlab, thay đổi vận tốc dao động quanh giá trị tối ưu chọn vRMS = 0,11m/ns (giá trị vận tốc xác định hệ thống Pulse Ekko 100, theo kiểu đo CMP); bé 20%; 0% (đúng vận tốc tối ưu); lớn 20% với tham số khoảng cách L = 20m, cho kết hình 9, 10, 11 Khi mơ hình tốc độ thấp (-20%) so với mơ hình vận tốc tối ưu xuất đường cong có đỉnh hướng xuống Hyperbol chưa thu gọn lại (hình 9) Hình Hình ảnh đo Radar xuyên đất nghĩa trang liệt sĩ Tp HCM Trên mặt cắt GPR T2, thể rõ hyperbol vị trí khoảng 22 mét (hình 8) gồm hyperbol Thông tin từ người quản lý cho biết vị trí hyperbol nơi có hố sụt xuất trước đây, lấp lại Như vậy, dị thường phát theo kết khảo sát phương pháp Radar xuyên đất hồn tồn trùng khớp với thơng tin tiên nghiệm Cịn tín hiệu hyperbol thiết diện lớn có Khi vận tốc dịch chuyển vận tốc tối ưu lựa chọn đối tượng rõ nét tập trung (hình 10) Khi mơ hình tốc độ lớn (+20%) so với vận tốc tối ưu lựa chọn kết dịch chuyển có tượng tín hiệu phần sâu bị nhịe tồn tuyến Tín hiệu đối tượng rõ nét (hình 11) Vận tốc tối ưu vRMS tính gần so với vận tốc v = 0,1084 m/ns lát cắt CMP [4] Do kết dịch chuyển vRMS = 0,11(m/ns) đáng tin cậy Thời gian → Khoảng cách, x → Hình Mặt cắt kết đo tuyến GPR T2 145 Thời gian, t → x Hình Dịch chuyển Kirchhoff tuyến đo GPR T2 với V1 = vRMS - 20% vRMS Thời gian, t → x Hình 10 Dịch chuyển Kirchhoff tuyến đo GPR T2 với V2 = vRMS + 0% vRMS Thời gian, t → x Hình 11 Dịch chuyển Kirchhoff tuyến đo GPR T2 với V3 = vRMS + 20% vRMS 146 4.2.2 Khu vực UBND Tp HCM (giao lộ Lê Thánh Tôn - Pasteur, quận 1) Từ mặt cắt GPR, ta thấy xuất rõ nhiều hyperbol vị trí khoảng 28m tuyến khảo sát Ủy ban Nhân dân, Tp HCM (hình 12) Do ta quan tâm đến vị trí để xác định vận tốc khoảng thời gian xác định thể đỉnh hyperbol Thời gian, t → Hình 12 Mặt cắt kết đo Radar Từ số liệu hình 12, ta áp dụng phép dịch chuyển với vận tốc v=0,06m/ns; 0,07m/ns; 0,08m/ns; 0,09m/ns; 0,10m/ns; 0,11m/ns Kết nhận thể hình 13-18 Độ sâu Thời gian → Hình 13 Kết tính dịch chuyển với v=0,06m/ns Độ sâu Thời gian → Hình 14 Kết tính dịch chuyển với v=0,07m/ns 147 Độ sâu Thời gian → Hình 15 Kết tính dịch chuyển với v=0,08m/ns Độ sâu Thời gian → Hình 16 Kết tính dịch chuyển với v=0,09m/ns Độ sâu Thời gian → Hình 17 Kết tính dịch chuyển với v=0,10m/ns 148 Độ sâu Thời gian → Hình 18 Kết tính dịch chuyển với v=0,11m/ns 4.2.3 Nhận xét kết Hyperbol dịch chuyển thành điểm thời gian 16ns, với v=0,06m/ns (hình 13) Với thời gian lớn 16ns, xuất mặt cong lên thể vận tốc bên lớn 0,06m/ns Còn với thời gian nhỏ 16ns, xuất mặt cong xuống thể vận tốc vị trí nhỏ 0,06m/ns Hyperbol dịch chuyển thành điểm thời gian 12ns, với v=0,07m/ns (hình 14) Với thời gian lớn 12ns, xuất mặt cong lên thể vận tốc bên lớn 0,07m/ns Còn với thời gian nhỏ 12ns, xuất mặt cong xuống thể vận tốc vị trí nhỏ 0,07m/ns Hyperbol dịch chuyển thành điểm thời gian 11ns, với v=0,08m/ns (hình 15) Với thời gian lớn 11ns, xuất mặt cong lên thể vận tốc bên lớn 0,08m/ns Còn với thời gian nhỏ 11ns, xuất mặt cong xuống thể vận tốc vị trí nhỏ 0,08m/ns Hyperbol dịch chuyển thành điểm thời gian 9ns, với v=0,09m/ns (hình 16) Với thời gian lớn 9ns, xuất mặt cong lên thể vận tốc bên lớn 0,09m/ns Còn với thời gian nhỏ 9ns, xuất mặt cong xuống thể vận tốc vị trí nhỏ 0,09m/ns Hyperbol dịch chuyển thành điểm thời gian 6ns, với v=0,10m/ns (hình 17) Với thời gian lớn 6ns, xuất mặt cong lên thể vận tốc bên lớn 0,10m/ns Còn với thời gian nhỏ 6ns, xuất mặt cong xuống thể vận tốc vị trí nhỏ 0,10m/ns Kết số liệu dịch chuyển bị mờ nhòe với v=0,11m/ns (hình 18) Vận tốc khơng đại diện cho mơi trường Theo kết dịch chuyển ứng với vận tốc thấp độ hội tụ điểm hyperbol thời gian dài tức độ sâu lớn Vậy, kết qua dịch chuyển cho ta nhìn tổng quát: vận tốc giảm theo chiều sâu [(6ns 0,10m/ns), (9ns 0,09m/ns), (11ns 0,08m/ns), (12ns 0,07m/ns), (16ns 0,06m/ns)] Theo giải đốn, vị trí hyperbol thể bó dây cáp ngầm Dịch chuyển với vận tốc hyperbol hội tụ thành điểm, với vận tốc dịch chuyển bé vận tốc tạo thành mặt cong xuống, với vận tốc dịch chuyển lớn vận tốc thực tạo thành mặt cong lên Kết luận Áp dụng chương trình tính tốn dịch chuyển Kirchhoff ngơn ngữ Matlab, tiếp cận đến giá trị vận tốc tối ưu cách tính cho trường hợp tiệm cận bé 10% hay bé 5% lớn 5% hay lớn 10% Trong phép dịch 149 chuyển chọn tham số khoảng cách L = 20m Tham số vận tốc truyền sóng điện từ dải tần số cao tần số Radar đóng vai trị quan trọng việc minh giải số liệu để tìm kích thước nguồn gây dị thường Radar giản đồ thu Trong điều kiện thực địa thu thập số liệu Georadar khơng cho phép thực đo theo CMP việc tiếp nhận giá trị vận tốc truyền sóng cần thiết Để nhận biết thường ta phán đốn mơ hình vận tốc nằm khoảng mơ hình vận tốc gây nên tượng đường cong hướng lên đường cong hướng xuống điểm tán xạ chất lượng lát cắt dịch chuyển Đây giải pháp tiếp cận vận tốc tối ưu chấp nhận bảo đảm độ xác thời gian tính tốn nhanh TÀI LIỆU DẪN [1] Gary F Margrave, 2003: Numerical Methods of Exploration Seismology with algorithms in MATLAB, Department of Geology and Geophysics, The University of Calgary, 30-136 [2] Ozdogan Ylmatz, 1987: Seismic Data Processing Society of Exploration Geophysics, tr 258-260 [3] Phạm Năng Vũ, 2007: Tập giảng sở lý thuyết xử lý số liệu địa chấn, Hà Nội, tr 175-190 [4] Đặng Hoài Trung, 2011: Luận văn Thạc sỹ Vật lý Địa cầu: Phương pháp điện từ tần số cao nghiên cứu địa vật lý tầng nông, Bộ môn Vật lý Địa cầu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Tp Hồ Chí Minh, tr.18-25 SUMMARY Kirchhoff migration for specifying velocity model in high frequency electromagnetic method The Kirchhoff migration plays an important role in converting seismic data into images of geological layers according to viewpoint in the geophysics In this paper, the theory of the high frequency electromagnetic method, the Kirchhoff migration and its application in the high frequency electromagnetic method (Ground Penetration Radar) to specifying velocity model are illustrated The studied results of modelling of a diffraction point are appliedfor processing data of GPR measurements in Ho Chi Minh City 150 ... hyperbol thể bó dây cáp ngầm Dịch chuyển với vận tốc hyperbol hội tụ thành điểm, với vận tốc dịch chuyển bé vận tốc tạo thành mặt cong xuống, với vận tốc dịch chuyển lớn vận tốc thực tạo thành mặt... chất phương pháp dịch chuyển Kirchhoff Mơ hình có vận tốc vRMS = 0,1m/ns (xem vRMS vận tốc môi trường) với điểm dị thường tọa độ x = 20m z = 8m (hình 5a) Sau giải tốn thuận với số liệu mơ hình. .. cách L = 20m Tham số vận tốc truyền sóng điện từ dải tần số cao tần số Radar đóng vai trị quan trọng việc minh giải số liệu để tìm kích thước nguồn gây dị thường Radar giản đồ thu Trong điều kiện