Là một hệ thiết bị bao gồm một số lượng lớn các điện cực (thường nhiều hơn 25 điện cực), các điện cực này được kết nối với cáp nhiều lõi hay cáp điều khiển (Griffiths và Barker, 1993) thường được gọi là thiết bị đa điện cực. Thiết bị này thường được kết nối với một máy đo và một hệ thống điều khiển vi tính cùng với bộ
chuyển mạch điện tử để lựa chọn cấu hình bốn điện cực cho mỗi phép đo (hình 3.1). Kiểu thiết bị đo điện đa cực được bố trí giống với phép đo điện thông thường. Tùy theo mục đích, độ sâu cần nghiên cứu (có liên quan hàm độ nhạy của thiết bị) mà ta có thể thiết lập sốđiện cực, khoảng cách giữa các điện cực sao cho phù hợp.
Hình 3.1: Hình ảnh về hệ thống thiết bị thăm dò điện
3.1.1.2 Máy đo
Hiện nay có nhiều loại thiết bị đo điện đa cực (hay ảnh điện) như: máy đo MiniSting của Mỹ, SAS1000, SAS4000 của hãng ABEM Thụy Điển, GM150 của
Đức, Mỹ… Các thiết bị này tuy khác nhau về hình dáng nhưng đều có chung nguyên lý hoạt động, đặc biệt là công tác thu thập số liệu được tiến hành hoàn toàn
tự động. Quá trình đo hoàn toàn tựđộng, các điện cực không chuyển dịch nên hạn chế được những sai số không đáng có. Số liệu đo được hiển thị ngay lên màn hình giúp người sử dụng có thểđưa ra những thay đổi về cách đo, khoảng cách giữa các
điện cực khi thấy cần thiết.
Các hệ thống thiết bị có thể chia thành hai loại: hệ thống tĩnh và hệ thống
động. Phần lớn các thiết bị đều thuộc loại hệ thống tĩnh, khi đó các điện cực được nối với các nhiều lõi và được cắm vào đất trong quá trình thăm dò. Đặc trưng là hệ
thống Abem Lund được trình bày trong hình 3.2. Một cấu hình thông dụng là loại cáp tách rời, loại cáp này nối với hệ thống chuyển mạch ở trung tâm để giảm trọng lượng và chiều dài riêng của mỗi cáp, trọng lượng của cáp tỷ lệ trực tiếp với số nút và khoảng cách giữa các nút. Thông thường, khoảng cách giữa các nút trong các khảo sát địa kỹ thuật và môi trường là khoảng 5m, hầu hết các hệ thống có tối thiểu là 28 nút, một số cáp có đến 128 nút hoặc nhiều hơn. Lund là hệ thống khá quen thuộc với 4 sợi cáp riêng, trong khi hầu như các hệ thống khác sử dụng cấu hình 2 cáp. Các hệ thống tĩnh có thể chia làm hai loại dựa vào sự sắp xếp chuyển mạch của các điện cực. Hầu hết các hệ thống đều gắn các chuyển mạch vào chung tại một vị
trí và dùng cáp nhiều lõi để nối đến các điểm nút, ví dụ như hệ thống Lund và Campus Geopulse. Một cách sắp xếp khác là gắn một chuyển mạch nhỏ vào các
điểm nút và như vậy cáp đo sẽ có số dây tối thiểu cần thiết.
Hiện nay, có hai hướng phát triển mới đang được quan tâm trong thăm dò
điện: thứ nhất là tăng cường thêm khả năng đo phân cực kích thích IP, thứ hai là hệ
thống đa kênh. Đối với hệ thống đa kênh, có thể thực hiện đồng thời một số các phép đo điện thế cho một cặp điện cực dòng, do vậy có thể giảm được đáng kể thời gian khảo sát. Với các cấu hình thiết bị nhất định, có thể gồm nhiều nghìn phép đo trên một tuyến thăm dò điện hai chiều. Phần lớn thời gian thăm dò là chờ đợi máy một kênh thực hiện phép đo, việc này có thể mất vài giờ.
Đo phân cực và đa kênh là sự phát triển tương đối mới, do đó cần phải thường xuyên kiểm tra và cập nhật các thông tin từ các hãng sản xuất.
Hình 3.2:Minh họa hệ thống Abem Lund. Mỗi vạch trên các cáp biễu diễn một vị trí
điện cực. Các cáp được đặt dọc theo tuyến đơn (trên hình trình bày dịch chuyển sang một bên để dễ hình dung). Trên hình vẽ cũng biễu diễn nguyên tắc dịch chuyển
của các cáp theo kĩ thuật cuốn chiếu. Tổng chiều dài phụ thuộc khoảng cách giữa các nút.
Các hệ thống tĩnh sử dụng một số lượng lớn các điểm nút để đạt được độ bao phủ rộng, ngược lại các hệ thống động sử dụng một số nhỏ các điểm nút nhưng có thể di chuyển trên toàn bộ tuyến đo đểđạt được độ bao phủ thích hợp, ví dụ như hệ
thống được thiết kế bởi đại học Aarhus University ở Đan Mạch được biểu diễn trong hình 3.3, một sợi cáp dài 100m với 9 điện cực hình trụ có trọng luợng lớn
được kéo bởi một chiếc xe nhỏ, hai điện cực được sử dụng làm điện cực dòng, 6
điện cực thế và 1 điện cực đất.
Hệ thống này sử dụng dòng điện được đưa vào môi trường bởi sự tiếp xúc. Do vậy, nó chỉ có thểđược sử dụng tại các nơi có bề mặt là đất, chẳng hạn như tại các nông trường, các vùng đất sang lấp…, sử dụng cấu hình thiết bị đo đạc là thiết bị
Hình 3.3: Hệ thống Aarhus, hệ thống có 2 điện cực dòng và 6 điện cực thế
Một hệ thống động khác không đòi hỏi phải tiếp xúc trực tiếp với mặt đất, mà chỉ cần kết nối điện dung để tạo ra dòng điện cảm ứng chạy qua môi trường, cho nên hệ thống này có thể sử dụng tại các vùng đã lót trải vật liệu, như các tuyến
đường đã trãi nhựa và các khu vực trong thành phố. Một hệ thống như vậy gọi là hệ
thống Geometric OhmMapper được trình bày trong Hình 3.4, trong đó có 4 đến 6
điện cực được gắn vào thiết bịđo được kéo bởi một người giám sát, hệ thống này sử
dụng cấu hình thiết bị lưỡng cực với n không nguyên cho một số phép đo.
Hình 3.4: Hệ thống Geometric OhmMaper dùng các điện cực nối điện dung
Một trong những vấn đề mà các hệ thống động thường gặp đó là việc phải phát dòng điện làm sao để có cường độ đủ mạnh vào môi trường đất. Nếu các hệ
thống phát dòng trực tiếp như hệ thống Aarhus Pull Array chỉ có thể sử dụng trong môi trường có bề mặt để trống không phủ vật liệu, thì hệ thống động tiếp xúc điện dung không đòi hỏi tiếp xúc dòng trực tiếp, và như vậy nó có thể sử dụng trong nhiều khu vực, nơi mà các hệ thống thăm dò điện thông thường không thể thực hiện
chiều sâu thấm, nó liên quan đến sự giới hạn của dòng điện cảm ứng, bị hạn chế hơn so với hệ thống tiếp xúc trực tiếp. Nước là môi trường lý tưởng nhất cho hệ thống
động tiếp xúc trực tiếp, vì ởđó các điện cực sẽ dễ dàng tiếp xúc tốt với môi trường.
Hình 3.5 trình bày một cấu hình có thể đối với một hệ thống khảo sát di
động dưới nước. Trong đó, một sợi cáp có một sốđiểm nút được kéo dọc theo đáy hồ (hoặc sông, biển) bởi ca nô, hai điểm nút sử dụng làm điện cực dòng và các điểm nút khác được sử dụng làm điện cực thế. Nếu hệ thống được kết nối với một máy thăm dò điện đa kênh thì việc khảo sát có thể được thực hiện một cách nhanh chóng. Các thăm dò khúc xạ nông thường được sử dụng để khảo sát các môi trường như sông, hồ, biển để giải quyết các yêu cầu vềđịa kỹ thuật. Thăm dò điện trở suất di động có thể là phương pháp bổ sung có ích trong một số tình huống như trong vùng thiếu thông tin. Về mặt lý thuyết thì cả hai phương pháp thăm dò có thể thực hiện đồng thời để giảm giá thành của cuộc khảo sát.
Hình 3.5: Sơđồ hệ thống di dộng dưới nước, cáp có 2 điện cực dòng cốđịnh và các điện cực thếđể có thể thực hiện phép đo với các khoảng cách khác nhau. Cấu hình thiết bị là cấu hình Wenner, ngoài ra còn có thể áp dụng các cấu hình thiết bị
Việc lựa chọn cấu hình thiết bị cho cuộc khảo sát phụ thuộc vào từng mục tiêu (đối tượng khảo sát), độ nhạy của thiết bị và mức độảnh hưởng của nhiễu ngoại lai... Thực tế, trong các khảo sát ảnh điện 2D, các thiết bị thường được sử dụng như
là: Wenner, Wenner-Schlumberger, lưỡng cực, Pole-pole (cực-cực), cực-lưỡng cực (pole-dipole). Trong đó, các yếu tố cần được xem xét trong việc lựa chọn cấu hình thiết bị là: chiều sâu khảo sát, độ nhạy của thiết bị đối với sự thay đổi của tính chất
điện trở suất của môi trương theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng, mức
độ bao phủ theo phương tuyến và cường độ tín hiệu ghi nhận được bởi thiết bị. Điều này sẽđược trình bày trong phần đánh giá độ nhạy của các thiết bị.
3.1.2 Đánh giá độ nhạy của một số thiết bị cơ bản
Có hai tính chất có thể được xác định từ hàm độ nhạy của thiết bị cho mô hình môi trường nửa không gian đồng nhất. Thứ nhất là từ hàm độ nhạy có thể cho chúng ta thông tin cơ bản về mức độ ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở suất đến sự thay đổi giá trị điện thế đo được bởi một thiết bị được thể hiện trên một mặt cắt của nửa không gian, thứ hai là hàm độ nhạy có thể cho chúng ta biết chiều sâu khảo sát tương ứng cho từng thiết bịđược sử dụng.
3.1.2.1 Thiết bị Wenner
Hệ thiết bị Wenner được đánh giá là hệ thiết bị mạnh, được nhóm nghiên cứu của trường đại học Birmingham (Griffiths và Turnbull, 1985; Griffiths, Turnbull và Olayinka, 1990) sử dụng đầu tiên, nhiều cuộc khảo sát trước đây đã sử dụng thiết bị
này. Thiết bị Wenner thông thường là Wenner-alpha, với bốn điện cực, có ba khả
năng hoán vị vị trí của các điện cực (Carpenter và Habberjam, 1956).
Trong hình 3.6a, các đường đẳng trị của hàm độ nhạy đối với thiết bị
Wenner-alpha hầu như phân bố nằm ngang bên dưới tâm thiết bị, do tính chất này nên thiết bị Wenner tương đối nhạy đối với sự thay đổi điện trở suất của môi trường theo phương thẳng đứng, nhưng ít nhạy đối sự thay đổi điện trở suất theo phương ngang. Do vậy, thiết bị Wenner phát hiện khá tốt các cấu trúc phân lớp ngang, nhưng kém hiệu quảđối với các cấu trúc hẹp, thẳng đứng. So với các thiết bị khác,
Trong bảng 2.1, chiều sâu khảo sát trung bình của thiết bị Wenner-alpha là khoảng 0,5 lần khoảng cách tối đa của các điện cực “a”. Mặc khác, cường độ tín hiệu là nghịch đảo của tham số hình học sử dụng để tính giá trị điện trở suất biểu kiến cho thiết bị, mà tham số hình học của thiết bị Wenner là 2πa, tham số này tương đối nhỏ so với các thiết bị khác. Do đó, thiết bị Wenner có cường độ tín hiệu mạnh nhất so với các thiết bị khác, đây là điểm thuận lợi cho việc khảo sát trong vùng có nhiễu mạnh. Tuy nhiên, một trong những bất lợi của thiết bị này trong thăm dò 2D là mức
độ bao phủ theo tuyến đo tương đối nhỏ khi tăng khoảng cách thiết bị, điều này sẽ
gây trở ngại khi sử dụng hệ thống đo đạt có sốđiện cực ít.
Hình 3.6:Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Wenner, cho các cấu hình thiết bị: Wenner alpha, Wenner beta và Wenner gamma.
Điểm chú ý ở đây là từ mặt cắt độ nhạy cho thấy giữa các điện cực C1 và P1
cũng như C2 và P2, hàm độ nhạy có giá trị âm lớn ở gần bề mặt. Điều này có nghĩa là nếu có một vật nhỏ có điện trở suất cao hơn nền môi trường đặt ởđới âm này thì giá trị điện trở suất biểu kiến đo được sẽ giảm, hiện tượng này được gọi là sự
nghịch đảo bất thường (Anomaly inversion).Trong khi đó, nếu một vật có điện trở
suất cao nằm giữa các điện cực P1 vàP2 nơi độ nhạy có giá trị dương lớn thì giá trị điện trở suất biểu kiến đo được sẽ tăng. Đó chính là cơ sở của phương pháp bù Wenner được đề suất bởi Barker (1992) nhằm loại trừảnh hưởng của bất đồng nhất ngang trong khảo sát đo sâu điện trở suất.
Có hai loại khác của thiết bị Wenner là Wenner-beta và Wenner-gamma. Thiết bị Wenner-beta thật ra là một trường hợp đặc biệt của thiết bị lưỡng cực khi khoảng cách giữa các điện cực bằng nhau. Thiết bị Wenner-gamma có sự sắp sếp các điện cực tương đối bất thường, trong đó điện cực dòng và điện cực thế xen kẽ
nhau. Mặt cắt độ nhạy theo Hình 12c, cho thấy vùng sâu nhất được vẽ bởi thiết bị
này ở bên dưới ngoài hai điện cực C1 và C2, không phải nằm ở tâm của hệ thiết bị.
3.1.2.2 Thiết bị lưỡng cực (Dipole-dipole)
Thiết bị này đã và còn đang được sử dụng rộng rãi trong khảo sát điện trở
suất và phân cực kích thích do tương tác điện từ yếu giữa các mạch điện thế và mạch dòng điện. Sự sắp xếp các điện cực của thiết bị này được trình bày trong hình 1.7, khoảng cách của các điện cực dòng C1 −C2 và điện cực thế P1 −P2 là “a”, thừa số “n” là tỷ số giữa khoảng cách các điện cực C1−P1 và chiều dài lưỡng cực
2 1 C
C − (hoặc P1 −P2). Khi tiến hành khảo sát bằng thiết bị này, khoảng cách “a”
được thiết lập ở khoảng cách đơn vị nhỏ nhất, thừa số “n” được thay đổi trong khoảng từ 1 đến 6 để tăng chiều sâu nghiên cứu.
Hình 3.7 biểu diễn mặt cắt độ nhạy của thiết bị này ứng với giá trị của n từ 1
đến 6, giá trị độ nhạy lớn nhất thường phân bố ở giữa hai cặp điện cực C1−C2 và
2 1 P
P − , nghĩa là thiết bị này nhạy nhất đối với sự thay đổi điện trở suất tại vùng bên dưới nằm giữa hai cặp điện cực C −C và P −P . Khi thừa số “n” tăng, các giá trị
độ nhạy lớn tập trung nhiều hơn bên dưới các lưỡng cực C1−C2 và P1−P2, trong khi đó giá trị độ nhạy ở dưới tâm thiết bị giữa hai cực C1 và P1 lại giảm. Khi n>2, giá trị độ nhạy của đồ thị mặt cắt giả định là không đáng kể, các đường cong contour của hàm độ nhạy hầu như có dạng thẳng đứng. Do vậy, thiết bị lưỡng cực rất nhạy với sự thay đổi điện trở suất theo phương nằm ngang, nhưng ít nhạy với sự
thay đổi điện trở suất theo phương thẳng đứng. Điều này có nghĩa là thiết bị này có thể sử dụng khá tốt trong việc đo và vẽ các cấu trúc thẳng đứng, như là các rãnh, lỗ
hổng, nhưng lại kém hiệu quả khi khảo sát và vẽ các cấu nằm ngang như các thểđịa chấn dạng tấm hay trầm tích. Chiều sâu nghiên cứu của thiết bị này phụ thuộc vào hai tham số: khoảng cách “a” và thừa số “n”.
Hình 3.7: Các mặt cắt của đường cong độ nhạy 2D của thiết bị lưỡng cực. Các mặt cắt ứng với a) n=1, b) n=2, c) n=4, d) n=6.
Nói chung, chiều sâu nghiên cứu của thiết bị này nhỏ hơn so với thiết bị
Wenner, ví dụ n=1, độ sâu nghiên cứu của thiết bị này là 0,416a; còn với thiết bị
Wenner chiều sâu nghiên cứu là 0,512a. Do hình dạng các đường contour độ nhạy của thiết bị này hầu như phân bố theo chiều thẳng đứng nên ít nhạy đối với sự thay
đổi điện trở suất theo chiều thẳng đứng, do đó độ sâu khảo sát (trung bình ngang 1D của các giá trị độ nhạy) đối với thiết bị lưỡng cực thì không có ý nghĩa đặt biệt khi giá trị n>2. Từ kinh nghiệm và các dữ liệu thực tế, có thể đánh giá thấp chiều sâu khảo sát của thiết bị này vào khoảng 20% - 30% đối với các thừa số n lớn. Tuy nhiên, đối với các khảo sát 2D thiết bị này có mức độ bao phủ dữ liệu ngang tốt hơn thiết bị Wenner, thuận lợi khi tiến hành khảo sát với hệ thống có sốđiện cực ít. Một bất lợi của thiết bị này là khi giá trị thừa số “n” lớn thì cường độ tín hiệu