2.1.1. Những tính toán liên quan đến miền chu kỳ
Từ những định nghĩa vềđộ xuyên sâu [3]: ) o /( 2 p= µ σπω (2.1)
Chúng ta có thểước lượng miền chu kỳ kết hợp với độ sâu thực tế của công tác khảo sát, với điều kiện ước lượng được độ dẫn điện dưới mặt đất. Dĩ nhiên độ dẫn điện không biết được chính xác cho đến khi chúng ta đã tiến hành đo đạc, nhưng mục đích
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
của việc chuẩn bị cho công tác khảo sát thực địa là chúng ta cần chấp nhận một môi trường giả định với độ dẫn điện trung bình là 0.001Sm-1, 0.02Sm-1, 0.1Sm-1 lần lượt ứng với lớp đất đá hình thành trong kỉ Paleozoic, kỉ Meozoic, kỉ Đệ tam và 0.02 Sm-1 ứng với lớp đất đá phía sát trên lớp manti. Chú ý rằng môi trường giả định không có thật, chỉ dùng để xác định cảm biến thích hợp cho phép đo và sẽ được thay thế bằng một mô hình phức tạp hơn khi đã thu được số liệu.
Từ nghịch đảo của phương trình (2.1): p T 2 0σπ µ = (2.2) Ví dụ chúng ta tìm ra miền chu kỳ là từ 0.002s đến 10s khi khảo sát lớp đất cùng tuổi có độ sâu 1-50km, vùng có điện trở suất tương đối ổn định của vỏ Trái đất.
2.1.2 Cảm biến từ
Có hai dạng cảm biến từ chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu MT: từ kế cuộn cảm và từ kế Fluxgate.
2.1.2.1. Từ kế cuộn cảm
Từ kế cuộn cảm thường gồm có một cuộn dây bằng đồng quấn quanh một lõi kim loại có độ từ thẩm cao và được bảo vệ bằng lớp vỏ chống sốc. Bố trí 3 cuộn cảm ứng quanh một thiết bị xác định mặt mức nằm ngang và một cái la bàn dành cho việc sắp xếp phương của các cuộn dây để có thể đo được cả 3 thành phần của trường từ trong những thời điểm khác nhau. Điện áp đầu ra của các cuộn cảm ngay lập tức tỷ lệ chính xác với số vòng của cuộn dây và tiết diện của nó. Cho nên việc thiết kế các cuộn dây sao cho phù hợp với công tác khảo sát MT ngoài trời phải phù hợp giữa việc di chuyển dễ dàng (tức là về cân nặng và kích thước) và độ nhạy thiết bị. Sự hoạt động của máy đo cuộn cảm dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và độ nhạy của máy thể hiện rõ nhất khi trường biến thiên nhanh (tức là chu kỳ ngắn).
2.1.2.2. Từ kế Fluxgate
Từ kế Fluxgate nói chung gồm có ba cảm biến hình tròn, mỗi cảm biến gồm hai lõi sắt từ dễ bão hòa có độ từ thẩm cao (hai trục song song) và được quấn dây điện
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
ngược chiều nhau. Ba cảm biển bố trí trên một tấm kim loại sao cho trục của các lõi của chúng trực giao đôi một với nhau và được đặt trong vỏ bọc không thấm nước để có thể chôn xuống đất (hình 2.1.a). Từ kế Fluxgate dựa vào nguyên lý của hiện tượng trễ từ. Hiện tượng từ trễ sinh ra một năng lượng nhạy với cường độ biến thiên của từ trường kích thích, thông thường cấu tạo từ kế thường bao gồm một ống thiết bị kiểm tra mặt mức ngang để đảm bảo tấm kim loại nằm ngang trên mặt đất và một máy xoay để có thểđịnh hướng quay tròn.
Cho nên từ kế Fluxgate phù hợp với phép đo từ trường có chu kỳ dài, có biên độ lớn và đối với chu kỳ ngắn hơn một chu kỳ ngưỡng, biên độ của tín hiệu tự nhiên yếu hơn so với tín hiệu nhiễu của cảm biến.
Hình 2.1.b thể hiện đặc trưng hưởng ứng của cuộn cảm so với từ kế Fluxgate. Từ kế cuộn cảm có thểđo tốt các dao động từ có chu kỳ từ 0.001s đến 3600s, ngược lại từ kế Fluxgate đo ở miền chu kỳ từ 10s đến 100000s. Dựa theo hình 2.2, người sử dụng
Hình 2.1: (a) Máy đo từ fluxgate
(b) Đặc trưng hưởng ứng của máy đo từ cuộn cảm và máy đo từ fluxgate
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
muốn đo toàn bộ miền chu kỳ từ 0.001s dến 100000s sẽ sử dụng kết hợp từ kế cuộn cảm và từ kế Fluxgate.
2.1.3. Cảm biến điện
Sự dao động của điện trường được xác định bằng cách đo hiệu điện thế U giữa từng cặp điện cực, một cặp điện cực được nối với nhau bằng dây cáp tạo thành các lưỡng cực và được đóng xuống đất cách nhau một khoảng d đã biết, d khoảng từ 10- 100m:
d U E=
Ta cần có hai lưỡng cực để xác định 2 thành phần nằm ngang của trường điện. Những lưỡng cực này được bố trí trực giao với nhau, với một lưỡng cực định hướng theo phương Bắc-Nam của từ trường, cái còn lại định hướng theo phương Đông-Tây. Những cái đinh thép cũng đủ để tạo thành những điện cực cho những phép đo từ tellua tần số cao (high-frequency audiomagnetotelluaric - AMT), nhưng đối với những phép đo chu kỳ dài ta cần dùng những điện cực không phân cực. Trong những điện cực này, quá trình điện ly (quá trình này làm giảm hiệu điện thế đo được) bị hạn chế tới mức thấp nhất có thể. Những điện cực không phân cực thì thường được cấu tạo từ một bình xốp chứa kim loại (như [Ag]) và muối của những kim loại đó (như [AgCl]).
Junge (1990) đã sửa lại điện cực MT chứa Ag-AgCl dùng để đo đáy đại dương của Filloux (1973,1987) [3]để dùng trong những phép đo với chu kỳ dài trên mặt đất. Trong thiết kế này, môi trường đại dương được mô phỏng bằng một dung dịch KCl bão hòa, liên kết điện giữa dung dịch KCl bão hòa và mặt đất là một màng chắn bằng gốm (hình 2.2). Thiết kế này được dùng cho việc đo đạc MT đối với miền chu kỳ của biến thiên ngày.
Trong lúc ghi số liệu, một vấn đề quan trọng là không được để các điện cực chịu sự biến thiên nhiệt độ làm kéo dài chu kỳ khảo sát. Trong một số trường hợp đòi hỏi cao, khi phải đo sự biến thiên ngày đêm của trường điện, đầu dưới của điện cực nên được chôn sâu xuống đất 50cm. Độ sâu 50cm gấp 2 lần độ xuyên sâu của sóng nhiệt có
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
chu kỳ 1 ngày (giả sử hệ số truyền nhiệt là 10-6m2s-1), do đó biên độ của biến thiên nhiệt ngày đêm giảm đi e-2 so với giá trị của nó trên mặt đất [3].
Một số nhà thực địa MT ủng hộ việc sử dụng đất sét ẩm để làm điện cực trong lỗ khoan để cho việc tiếp xúc trở nên thuận tiện hơn giữa các điện cực và đất. Phương pháp này không áp dụng cho phép đo MT đối với chu kỳ dài, bởi vì đất sét bị khô phía bên ngoài trong khoảng thời gian đo, gây nên hiệu điện thế.
2.1.4. Hệ thống thu dữ liệu
Có một số hệ thống dùng để thu dữ liệu khác hay còn gọi là “dataloggers” được dùng trong địa vật lý, một số được thiết kế đặc biệt để phù hợp với việc nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ. Trong phần này chúng ta chỉ ra một số điểm chính mà những người đo điện thế cần quan tâm đến khi mua hay thiết kế môt datalogger. Điều đáng quan tâm nhất là tốc độ lấy mẫu dữ liệu của datalogger, phân tích tín hiệu, dạng và kích cỡ của bộ nhớ dữ liệu.
Để xác định tốc độ lấy mẫu (tức là chuỗi thời gian điện từ cần cho việc lấy mẫu), chúng ta cần phải hiểu nguyên lý và quy trình lấy mẫu. Vấn đề này được nói đến trong tạp chí khoa học về việc xử lý chuỗi số thời gian (Otnes và Enochson, 1972). Nguyên tắc lấy mẫu được phát biểu như sau: nếu ta lấy mẫu chuỗi thời gian trong khoảng ∆t, chuỗi số liệu thời gian tương ứng mô tả những tín hiệu có chu kỳ dài hơn
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
2∆t(được gọi là chu kỳ Nyquist, TNY), trong khi đó chu kỳ thấp hơn 2∆t không được lấy mẫu, và gây nên tín hiệu nhân tạo có tần số thấp (có thể tín hiệu thực tế có tần số cao hơn) trong chuỗi số liệu thời gian. Sự sai lệch của chuỗi số thời gian do những tần số không được lấy mẫu gọi là nhiễu chồng lặp phổ “aliasing” và là điểm quan tâm quan trọng khi việc thiết kế datalogger. Một ví dụđơn giản cho aliasing được biểu diễn trong hình 2.3, trong đó tín hiệu sin được lấy mẫu trong những khoảng thời gian đều đặn dài hơn nửa chu kỳ của tín hiệu gốc. Bởi vì lấy mẫu thưa thớt cho nên tín hiệu không thể được khôi phục từ những dữ liệu mẫu. Thay vào đó tín hiệu tái lập có bước sóng dài hơn tín hiệu gốc. Nếu T0 là chu kỳước lượng ngắn nhất, và ∆tlà tốc độ lấy mẫu, chúng ta đặt ra yêu cầu rằng 2 T t≤ 0 ∆ . Trong thực tế ta lấy 4 T t = 0 ∆ . Nếu bộ nhớ dữ liệu rẻ và có sức chứa cao, ∆t ngắn hơn cũng có thể được sử dụng kết hợp với một bộ lọc tương tự.
Để biết chắc rằng ta cần dùng đến máy đổi A/D (Bộ chuyển đổi tương tự số) 16 bit hay 24 bit thì chúng ta cần tính đến việc xử lý mẫu. Nếu chúng ta sử dụng máy đổi A/D 16 bit, tỷ lệ giữa biên độ lớn nhất mà hệ thống có thể điều khiển với biến thiên nhỏ nhất mà nó có thể phân tích là 216 = 65536. Trong trường hợp hệ thống MT chu kỳ dài, biến thiên từ lớn nhất là bão từ và bình thường thì nó không vượt quá ±500 nT.
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
Cho nên máy khuếch đại của từ kế Fluxgate được thiết kế sao cho 65536 tương ứng với 1000 nT, tức là đơn vị đếm nhỏ nhất là “1” thì tương đương với
pT 2588 . 15 65536 / nT
1000 = . Đơn vị đếm nhỏ nhất này là sự thay đổi nhỏ nhất của từ trường mà hệ thống thu dữ liệu với máy đổi A/D 16 bit có thể ghi được. Dù vậy cũng có một số lợi ích khi sử dụng máy đổi A/D 24 bit thay vì máy đổi A/D 16 bit phụ thuộc vào mức độ nhiễu của từ kế Fluxgate. Nếu như nhiễu của từ kế Fluxgate thấp hơn 15pT đáng kể, khi đó máy đổi A/D 24 bit có thể giúp thay điểm bắt đầu phân tích của hệ thống vào khoảng độ lớn biến thiên từ thấp hơn. Mặt khác, việc gia tăng độ nhạy của hệ thống đối với tín hiệu tự nhiên sẽ hạn chế nhiễu của từ kế Fluxgate.
Trong việc xác định cách phân tích mẫu, ta chỉ cần quan tâm đến sự biến thiên của từ trường, điều này cho thấy rằng chúng ta cần bù thêm từ trường chính của Trái đất trước khi khuếch đại. Phần bù này được thực hiện bằng cách đưa một điện áp ổn định tương đương với điện áp do từ trường chính của Trái đất. Sau đó, phần bù do Trái đất gây ra này sẽ bị loại bỏ và được khuếch đại để chuẩn bị cho các bước xử lý tiếp theo. Những điện thế cùng loại lớn hơn biên độ của biến thiên điện trường cũng được bù theo cách này. Việc duy trì điện thế bù ổn đinh được quyết định bởi hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng này làm thay đổi điện trở suất của điện trở trong mạch tương tự chỉ khoảng 0.01%, sẽ gây nên một từ trường ảo khoảng 50000/10000 = 5 (nT), từ trường ảo này có thể sánh với biến thiên từ trong tự nhiên.
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
Khi các thành phần kĩ thuật số mắc tiền, những datalogger sử dụng máy đổi A/D 16 bit, phần bù và những điện tử tương tự được kết hợp chặt chẽ với hệ thống thu dữ liệu. Tuy nhiên, trong thời đại kĩ thuật số, trong trường hợp này các mạch điện tử tương tự đặc biệt khá mắc so với máy đổi A/D, những datalogger hiện đại thay thế máy đổi A/D 24 bit cho máy đổi A/D 16 bit, cho nên trường địa từ chính có thểđược ghi lại hơn là được bù. Trong trường hợp này, 1000nT tương ứng với 224 và đơn vị đếm nhỏ nhất tương đương với 6pT (hình 3.5). (Nếu máy đổi 24 A/D bit bị nhiễu, khi đó sẽ tốt hơn hết là ta không nên sử dụng đủ 2 bit cho 1 dơn vị đếm, trong trường đó ta có đơn vị đếm nhỏ nhất là 22x6 = 24pT). Trong việc nghiên cứu đáy đại dương, việc ghi lại các thành phần của trường chính cũng có thể được sử dụng để xác định những điều chưa biết về tính định hướng của các cảm biến.
Khi sử dụng từ kế cuộn cảm có dải đo rộng, từ kế này sẽ cung cấp dữ liệu trong dải chu kỳ 1000s-1/1000s, hệ số 106 giữa biên độ bé nhất và lớn nhất xuất hiện trong dải chu kỳ (nhìn hình 2.5) có thể sẽđưa ra yêu cầu về việc sử dụng một mấy đổi A/D có khả năng ghi cao. Tuy nhiên độ lớn B(T) có thể bỏ qua khi tính
dt B δ
của cuộn dây. Đối với hệ thống thu tín hiệu từ tellua, máy đổi A/D 24 bit có thể có lợi trong việc phát hiện nguồn nhiễu điện.
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
Để tránh nhiễu aliasing được, chúng ta sẽ loại bỏ tất cả những chu kỳ ngắn hơn 2∆t từ những tín hiệu tương tự trước khi số hóa. Ta loại bỏ những chu kỳ ngắn hơn chu kỳ Nyquist bằng cách sử dụng những bộ lọc thông thấp, bộ lọc này là 1 chuỗi nói tiếp các mạch điện trở - tụ (RC) có chu kỳ giới hạn Tc:
Tc = 2πRK (2.3)
Trong đó R là điện trở và K là điện dung.
Trong những thiết kế bộ lọc tương tự, tần số giới hạn thường được lấy tại điểm - 3dB (tại đó tín hiệu đầu vào giảm
2 1
lần so với giá trị lớn nhất). Điều này cho thấy rằng tại chu kỳ giới hạn, tỷ lệ phức tạp giữa điện thế đầu vào và đầu ra giảm xuống
2 1
lần.
Cả hai bộ lọc nhiễu aliasing được biểu diễn trong hình 3.6 có vẻđều không hoạt động tốt, bởi vì sự tắt dần tương ứng tại chu kỳ Nyquist lần lượt chỉ là 0.3 và 0.5. Nhưng cường độ của dao động từ (hình 2.5) suy giảm theo sự suy giảm của chu kỳ, kết quả là thành phần nhiễu aliasing sẽ có 1 biên độ nhỏ liên quan tới tín hiệu được phân tích. Việc định cỡ không chính xác của hệ thống thu dữ liệu có thể dẫn đến những lỗi nghiêm trọng trong hàm chuyển đổi MT.
Cuối cùng, chúng ta cần coi rằng dạng của ổ nhớ được sử dụng cho dữ liệu số, và khả năng lưu dữ cần có được của nó. Khi chúng ta đã xác định được tốc độ lấy mẫu, ta xác định khả năng lưu trữ cần có, nó sẽ phụ thuộc vào khoảng thời gian ghi được. Nói chung, chúng ta nên tập trung để đạt được ít nhất là 100 mẫu tại chu kỳ khảo sát. Cho nên, nếu chúng ta quan tâm tới việc ghi lại sự biến thiên ngày, chúng ta nên khảo sát khoảng 100 ngày. Hiện tại, có 4 đến 5 công tác kiểm tra bảo quản (kiểm tả pin và cáp và dữ liệu) được lên kế hoạch để sắp xếp trong khoảng thời gian này. Một cách lý tưởng, chúng ta có thể sẽ cần đến một ổ nhớ dữ liệu có thể lưu dữ liệu từ khoảng 20
HV: Huỳnh Kim Tuấn GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thành Vấn
ngày trở lên và 5 hướng (ba thành phần của trường từ, và 2 thành phần của trường điện).
Nếu T = 8s, ∆t = 2 s (sử dụng datalogger với mấy đổi A/D16 bit và bộ lọc thông cao) và Tm= 20 ngày (= 1728000s), chuỗi sỗ thời gian cho 5 thành phần sẽ gồm có 5xTm/∆t = 4 320 000 điểm dữ liệu, cần đến 8.64 Mbytes của bộ nhớ. Nếu tốc độ lấy mẫu tăng lên theo cấp số 10, ta nên tính đến việc độ chính xác trong việc định cỡ của bộ lọc alias bị giảm, khi đó ta cần đến ổ nhớ dữ liệu với sứa chứa khoảng 100 Mbytes. Như vậy, khả năng lưu trữ đã có sẵn trong chip card, nó được thiết kế cho điều kiện