Các phương pháp địa chấn nghiên cứu nứt nẻ thường được sử dụng hiện nay trên thế giới bao gồm phương pháp sóng ngang trên cơ sở phân tách các thành phần sóng ngang (Shear wave splitting); nghiên cứu tính chất bất đẳng hướng của đất đá về mặt biên độ, vận tốc và hệ số hấp thụ; sự thay đổi biên độ sóng phản xạ theo khoảng cách (AVO); phương pháp sóng nhiễu xạ, địa chấn xung quanh giếng khoan (VSP walk around và 3D VSP). Tuy nhiên các phương pháp này hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm và chưa được ứng dụng rộng rãi.
Ở Việt Nam hiện nay chỉ có tài liệu địa chấn ba chiều thu nổ theo một phương (narrow azimuth), do đó trong công trình nghiên cứu này phương pháp địa chấn được sử dụng là nghiên cứu thuộc tính địa chấn trên tài liệu địa chấn ba chiều narrow azimuth. Trong đá móng nói chung và ở mỏ Hải Sư Đen nói riêng, các đới nứt nẻ thường có vận tốc truyền sóng và mật độ giảm so với đá tươi xung quanh, dẫn tới giá trị trở kháng âm (AI) giảm tạo thành sự tương phản về trở kháng và hình thành sóng phản xạ từ các đới nứt nẻ đó. Các sóng phản xạ từ các đới nứt nẻ thường có cường độ và tần số thấp, phản xạ có góc nghiêng lớn, hình dạng xung sóng thay đổi. Ứng dụng các công nghệ thu nổ và xử lý địa chấn hiện đại cho phép quan sát thấy các phản xạ từ các đới nứt nẻ trong móng đo trên tài liệu địa chấn.
Tại mỏ Hải Sư Đen các tài liệu địa chấn ba chiều đã được thu nổ và xử lý bằng những công nghệ hiện đại bao gồm: cáp thu dài (6000m), bội cộng lớn (80), chiều sâu đặt nguồn và cáp thích hợp để nâng cao tần số thấp của tín hiệu, mật độ thu nổ lớn (6.25 x 18.75m), và xử lý bằng dịch chuyển bất đẳng hướng chiều sâu trước cộng bằng cả hai phương pháp Kirchhoff và chùm tia (3D Kirchhoff APSDM và 3D CBM) nên phản xạ từ các đới nứt nẻ sinh kèm với đứt gãy trong móng được thể hiện khá rõ.
Tuy nhiên do khả năng chống nhiễu cao và các đới nứt nẻ trong móng được đặc trưng bởi độ cứng âm học (AI) thấp, tài liệu địa chấn đã được xử lý thêm bằng giải ngược địa chấn tương đối sau cộng (Post-stack inversion) trước khi nghiên cứu thuộc tính địa chấn ở khu vực mỏ Hải Sư Đen nhằm nâng cao tính chính xác và độ tin tưởng của tài liệu đầu vào [26]. Các thuộc tính địa chấn có thể dùng để nghiên cứu nứt nẻ
trong nghiên cứu này bao gồm:
- Các thuộc tính mang tính tích phân (trung bình hóa trong một khoảng cửa sổ
xác định): có khả năng giảm nhiễu ngẫu nhiên nhưng đồng thời giảm độ chi tiết, nên các thuộc tính này có thể giúp dự đoán các đới nứt nẻ và phân bố của chúng trong móng, tuy nhiên các thuộc tính này bị hạn chế về khả năng phân giải khi đánh giá các đặc điểm nứt nẻ. Các thuộc tính thuộc nhóm này có thể kể đến gồm biên độ trung bình bình phương (RMS amplitude), biên ngoài hay còn gọi là cường độ phản xạ (Envelope), biên độ tổng (Sum amplitude), Sweetness, Reflection Intensity.
- Các thuộc tính mang tính vi phân: giúp xác định đặc điểm của đới nứt nẻ. Các
thuộc tính thuộc nhóm này bao gồm Variance, Ant Tracking, Gradient Magnitude, Dip & Azimuth, Curvatures, Cosine of phase.
Thuộc tính trở kháng âm học (Acoustic Impedance)
Giá trị trở kháng âm học tỷ lệ với mật độ và vận tốc truyền sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá. Thuộc tính này giúp xác định tốt các vị trí có sự thay đổi độ cứng của đất đá, giúp phát hiện các đới nứt nẻ trong móng. Trên thực tế khi giải ngược địa chấn để thu được trở kháng âm học nhiễu ngẫu nhiên và nhiễu phản xạ nhiều lần trong móng có thể được hạn chế một cách đáng kể [27].
Thuộc tính biên độ trung bình bình phương (RMS amplitude)
Biên độ trung bình bình phương là căn bậc hai của trung bình tổng biên độ bình phương tại mỗi điểm mẫu, trong một khoảng cửa sổ nhất định, được tính theo công thức:
RMS Amplitude = √1
𝑁∑𝑁 𝑎𝑖2 𝑖=1
Trong đó: Ai : Biên độ của mẫu thử i
N : Số mẫu thử trong cửa sổ tính
Thuộc tính biên độ RMS cung cấp thông tin về năng lượng của xung sóng địa chấn. Thuộc tính này rất nhạy và thường làm nổi rõ các giá trị biên độ lớn. Do đó, thuộc tính này thường được dùng để làm dấu hiệu nhận biết hydrocarbon hoặc các đặc
điểm địa chất ví dụ như các mạch dung nham (dike, intrusive bodies). Thuộc tính này có thể khoanh vùng vị trí các đới nứt nẻ và chỉ ra đặc tính của các đới này. Tuy nhiên thuộc tính này không cho phép phân biệt các đới nút nẻ với những đai mạch có độ cứng âm học lớn hơn đá granite và không có khả năng hạn chế nhiễu phản xạ nhiều lần trong móng [27].
Thuộc tính biên ngoài (Envelope)
Thuộc tính biên ngoài (envelope) còn có tên khác là cường độ phản xạ (Reflection Strength). Thuộc tính này tính năng lượng tức thời của xung sóng điạ chấn cả phần thực và phần ảo. Thuộc tính này thể hiện đường bao của mạch địa chấn, do đó nó thể hiện biên độ không phụ thuộc vào pha của mạch địa chấn và liên quan trực tiếp
đến trở kháng âm học. Thuộc tính biên ngoài biểu diễn năng lượng biên tổng của các
xung địa chấn phức, độc lập với thuộc tính pha sóng và luôn có giá trị dương. Thuộc tính biên ngoài là thuộc tính địa chấn được dùng phổ biến nhất để xác định sự thay đổi các đặc điểm địa chất. Thuộc tính này có liên quan đến mức độ tương phản giữa đới nứt nẻ và đá tươi xung quanh và độ dày của đới nứt nẻ này. Tuy nhiên thuộc tính này cũng tồn tại những hạn chế như thuộc tính biên độ trung bình bình phương [27].
Ta có công thức của mạch địa chấn phức:
Trong đó, f(t) là phần thực (phần dữ liệu thu được ở máy thu) và g(t) là phần ảo (chuyển đổi Hilbert của f(t) )
Từ đó, công thức của cường độ phản xạ hay Envelope là:
Hình 2.24. Cường độ phản xạ tức thời và Tần số tức thời của xung sóng địa chấn (Partyka, 2000)
Ứng dụng: Thuộc tính này liên quan dến năng lượng của xung sóng địa chấn nên nó hữu ích trong việc nhận diện những sự thay đổi địa chất lớn mà không thể nhận ra trên tài liệu địa chấn gốc. Giá trị biên ngoài cao thường thể hiện nhưng sự thay đổi địa chất lớn, những bất chỉnh hợp địa tầng hoặc những tích tụ dầu khí. Thuộc tính này có liên quan đến mức độ tương phản giữa đới nứt nẻ và đá tươi xung quanh và độ dày của đới nứt nẻ này. Tuy nhiên thuộc tính này cũng tồn tại những hạn chế như thuộc tính biên độ trung bình bình phương [27].
Thuộc tính cường độ phản xạ (Reflection Intensity)
Định nghĩa: Thuộc tính cường độ phản xạ biểu diễn giá trị biên độ trung bình trên một khoảng cửa sổ nhất định (N giá trị) nhân với khoảng lấy mẫu (thường được
cho bằng 1) của mạch địa chấn. Thuộc tính này tương tự với Thuộc tính biên ngoài,
nhưng chỉ quan tâm đến phần thực của xung sóng địa chấn. f(t) = A(t) cosθ(t)
Công thức:
Trong đó,
|𝑓(𝑡 + 𝑘)|: Biên độ tại thời kiểm (t+k) N: Số giá trị trong khoảng cửa sổ
Ứng dụng: Thuộc tính này giúp nhận diện những đậc điểm địa chất phụ thuộc biên độ, nhưng vẫn giữ được thông tin tần số của tín hiệu địa chấn ban đầu. Do đó, thuộc tính này rất hữu dụng trong việc phân biệt những đặc tính địa chất có cùng biên độ nhưng tần số khác nhau, từ đó khoanh định các đới có mật độ nứt nẻ cao [27].
Thuộc tính Sweetness
Là tỉ số giữa biên độ tức thời và căn bậc hai của tần số tức thời. Chiều dày của đới nứt nẻ có ảnh hưởng đến tần số, nếu chiều dày của đới nứt nẻ càng nhỏ, do ảnh hưởng của hiện tượng giao thoa lớp mỏng giữa nóc và đáy của phản xạ, nên tần số của đới này càng cao; ngược lại nếu chiều dày của đới nứt nẻ càng lớn thì tần số càng thấp. Do đó, nếu đới nứt nẻ có chiều dày lớn và độ tương phản so với đá tươi xung quanh lớn thì tỉ số sweetness cao, từ đó giúp phát hiện đới nứt nẻ và chiều dày của các đới này [27].
Thuộc tính côsin của pha (Cosine of Phase)
Thuộc tính này biểu diễn giá trị côsin của pha tức thời (giá trị biên độ được chuẩn hóa), biểu diễn mức độ liên tục của phản xạ địa chấn, do đó được dùng để minh giải đứt gãy và hệ thống khe nứt sinh kèm. Tuy nhiên, thuộc tính này có hạn chế khi đánh giá mức độ liên thông của nứt nẻ dọc theo mặt đứt gãy [27].
Thuộc tính độ lớn gradient (Gradient Magnitude)
Là căn bậc hai của bình phương của đạo hàm bậc một theo 3 chiều dọc theo tuyến đo (inline), ngang tuyến đo (crossline) và chiều thẳng đứng.
Công thức:
Trong đó: f’(x), f’(y) và f’(z) là đạo hàm bậc nhất của của xung sóng địa chấn theo inline, crossline và chiều thẳng đứng.
Ứng dụng: Thuộc tính gradient magnitude có tính nhạy với sự thay đổi của biên độ và góc dốc của các phản xạ nên được dùng để xác định sự thay đổi của thạch học, đứt gãy, và các đới có mật độ nứt nẻ cao trong móng. Thuộc tính độ lớn biên độ giúp xác định vị trí các đứt gãy và các đới có mật độ nứt nẻ cao trong móng, từ đó chỉ ra đặc tính của các đới này [27].
Thuộc tính biến đổi (Variance)
Thuộc tính biến đổi (ngược với thuộc tính đồng nhất), biểu diễn sự thay đổi hình dạng xung địa chấn trong không gian, giúp xác định sự thay đổi của trở kháng âm theo phương ngang. Các xung sóng tương tự nhau có hệ số biến dị thấp, và khu vực có đặc tính địa chất không liên tục có hệ số biến dị cao.
Công thức:
Trong đó
σ : Độ biến dị ( 0≤ σ ≤ 1)
xij : Gía trị của mẫu tại vị trí i (trục hoành) và j (trục tung– thời gian) w j-t :Hệ số
Ứng dụng: Thuộc tính biến đổi thường được sử dụng trong việc xác định các đứt gãy trên bề mặt móng. Tuy nhiên tài liệu địa chấn bên trong móng thường có tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp nên việc sử dụng thuộc tính này để phân biệt các đứt gãy và các khe nứt sinh kèm không chính xác và độ tin cậy không cao [27].
Thuộc tính theo dấu vết (Ant tracking)
Thuộc tính lần theo dấu vết mô phỏng thói quen của loài kiến là lần theo đường dấu vết để kiếm thức ăn, thuộc tính này lần theo các đặc điểm của bề mặt được cho là mặt đứt gãy trong một phạm vi nhất định, các bề mặt nếu không có hoặc ít khả năng là mặt đứt gãy sẽ không được thể hiện trên khối số liệu. Thuộc tính ant tracking có thể được áp dụng tốt trong việc xây dựng đứt gãy và hệ thống nứt nẻ bên trong móng và xác định đặc điểm của nứt nẻ như góc dốc, phương, mật độ và giao điểm giữa các hệ thống khe nứt khác nhau. Tuy nhiên, về cơ bản, thuộc tính này sẽ làm tăng tính liên tục của các phản xạ địa chấn nên không thể giữ nguyên biên độ thực của phản xạ địa chấn, do đó có hạn chế khi đánh giá được mức độ liên thông của các nứt nẻ khác nhau dọc theo mặt đứt gãy [27].
