1.1.1.1. Cỏc yếu tố ảnh hưởng ủến ủiện trở suất của vật liệu ủịa chất
ðiện trở suất ủược xỏc ủịnh bởi ủặc tớnh và ủộ dẫn ủiện của cỏc khoỏng vật tạo nờn vật liệu. Cỏc yếu tố ảnh hưởng lờn ủiện trở suất của vật liệu [22],[23], bao gồm :
• Thành phần khoáng vật,
• ðộ rỗng và ủộ chứa nước,
• ðộ ẩm,
• ðộ khoáng hoá của nước ngầm,
• Kiến trúc bên trong,
• Nhiệt ủộ và ỏp suất.
- Thành phần khoáng vật: Các khoáng vật tạo vật liệu thường gặp là không dẫn ủiện; Vỡ vậy, ủiện trở suất của phần lớn cỏc vật liệu trầm tớch, biến chất và phỳn suất ớt phụ thuộc thành phần khoỏng vật, mà ủược xỏc ủịnh bởi cỏc yếu tố cũn lại.
- ðộ rỗng: là tỉ lệ phần khụng gian rỗng trong thể tớch toàn phần của khối ủỏ.
ðộ rỗng thường ủược tớnh bằng phần trăm (%), kớ hiệu là Ф
ðộ rỗng Φ là tỷ số giữa thể tớch rỗng (Vr) và thể tớch ủất ủỏ (Vủủ):
ủủ r
V
= V Φ
Bảng 1.1: ðộ rỗng của một số loại ủỏ khỏc nhau [3]
Loại ủỏ trầm tớch chưa gắn kết
Sỏi Cát Bột Sét
ðộ rỗng (%) 25 - 40 25 - 50 35 - 50 40- 70 Phõn loại giỏ trị ủộ rỗng:
Bảng 1.2. Phõn loại giỏ trị ủộ rỗng của vật liệu ủịa chất [3]
(1.1)
10
Khi tăng ủộ rỗng, ủiện trở suất của vật liệu giảm, vỡ số lượng nước khối và nước mặt tăng lờn. Nếu trong cỏc khe nứt chỉ chứa khụng khớ thỡ ủiện trở suất lại tăng.
ðộ bóo hũa nước là phần trăm thể tớch lỗ rỗng trong ủú ủược chứa ủầy bởi nước.
r n
w V
S = V
Với Sw là ủộ bóo hũa nước (%).
Vn thể tích nước chứa trong lỗ rỗng.
Vr thể tích rỗng.
ðộ bóo hũa nước cũn ủược tớnh theo ủiện trở suất:
1 n o w
t
S ρ
ρ
=
Với: ρt ủiện trở suất thõt của ủất ủỏ.
ρo ủiện trở suất của ủất ủỏ bóo hũa 100% nước n là hệ số bão hòa, thường chọn bằng 2.
- ðộ ẩm: là ủộ ngấm nước trong phần rỗng. Khi tăng ủộ ẩm, ủiện trở suất của vật liệu giảm.
ðộ ẩm của vật liệu ủịa chất ở dưới mức nước ngầm thường lớn hơn vật liệu trờn mức nước ngầm. Sự chờnh lệch này thể hiện rừ ở cỏc loại như cỏt thụ, loại ủỏ có nhiều khe nứt... Vì trong chúng, nước khối chiếm ưu thế. Còn với sét, sự chênh lệch ấy không rõ rệt, vì ở sét, nước trên mặt giữ vai trò quan trọng hơn nước khối.
Núi chung ủối với cỏc vật liệu trầm tớch cú quy luật sau: ủiện trở suất càng lớn nếu kích thước hạt càng lớn. Khi chuyển từ sét sang loại pha sét, pha cát và cát, trầm tớch sỏi,… ủiện trở suất tăng từ hàng ủơn vị ủến hàng trăm Ω.m.
- ðộ khoáng hóa của nước ngầm:
ðối với cỏc thành tạo bở rời thỡ giỏ trị ủiện trở suất phụ thuộc chủ yếu vào ủộ tổng khoáng hóa của nước chứa trong chúng. [23]
ðiện trở suất là ủại lượng tỉ lệ nghịch với ủộ khoỏng húa và ớt phụ thuộc vào thành phần của muối hũa tan. Do ủú, trong thực tế, cú thể xỏc ủịnh ủiện trở suất của
(1.2)
(1.3)
11
nước khoỏng bằng cỏch xem nú do chỉ một loại muối chủ yếu nào ủú trong vựng tạo nờn. Thường người ta lấy NaCl làm ủại diện và cú thể dựng cụng thức thực nghiệm sau: [22]
ρ ~ M 4 ,
8 (1.4)
Trong ủú, M là ủộ khoỏng hoỏ, ủơn vị g/l.
ðiện trở suất của nước ngầm thay ủổi từ 10-100 Ω.m, phụ thuộc nồng ủộ muối hoà tan. ðiện trở suất nước biển rất thấp (khoảng 0,2 Ω.m) vì hàm lượng muối tương ủối cao.
- Kiến trỳc bờn trong của vật liệu ủịa chất, của cỏc ủường dẫn dũng, ủặc tớnh của cỏc lỗ, cỏc khe nứt, v.v... Núi chung, cỏc ủặc tớnh kiến trỳc và cấu tạo của vật liệu ủịa chất khụng chỉ làm biến ủổi giỏ trị ủiện trở suất vật liệu mà cũn gõy tớnh bất ủẳng hướng về ủiện.
Tớnh bất ủẳng hướng trước hết cú trong cỏc loại vật liệu sột trầm tớch và trong cỏc phiến thạch, ủú là cỏc loại ủược cấu tạo bởi cỏc lớp mỏng cú ủiện trở suất khỏc nhau. Theo phương phõn lớp, ủiện trở suất bộ hơn theo phương cắt ngang lớp.
ðối với các vật liệu biến chất cũng vậy. Nếu vật liệu bị nứt nẻ, mà các khe nứt cú phương ưu tiờn nào ủú theo quy luật thống kờ thỡ cũng sẽ cú bất ủẳng hướng về tớnh chất ủiện. ðể ủặc trưng cho tớnh bất ủẳng hướng người ta dựng tham số bất ủẳng hướng
λ =
t n
ρ
ρ (1.5)
trong ủú ρn là ủiện trở suất theo phương thẳng gúc với lớp, ρt là ủiện trở suất theo phương phõn lớp.
- Nhiệt ủộ: ðiện trở suất vật liệu ủịa chất cũn biến ủổi theo nhiệt ủộ. Khi nhiệt ủộ tăng, ủộ linh ủộng của ion trong nước khoỏng tăng, ủiện trở suất sẽ giảm.
Sự phụ thuộc ấy ủược tớnh bởi cụng thức ) 18 t ( 1
18
t +α −
= ρ
ρ (1.6)
12 trong ủú t là nhiệt ủộ (oC)
ρ18 là ủiện trở suất ở 18oC
α là hệ số nhiệt ủộ, trong khoảng nhiệt ủộ từ 18 – 50OC, hệ số này ớt biến ủổi với cỏc dung dịch nước muối khỏc nhau.
Với NaCl, α = 0,026 theo công thức trên
40 18
1
ρ ≈ 2ρ (1.7) Nhiệt ủộ tăng theo chiều sõu sẽ làm ủiện trở suất giảm.
Khi nhiệt ủộ giảm xuống dưới 0oC, ủiện trở suất biến ủổi ủột ngột, vỡ cỏc vật liệu cú ủộ dẫn ủiờn ion bỡnh thường gồm chỉ 2 thành phần (khung khoỏng vật và dung dịch trong cỏc lỗ) trở nờn cú 3 thành phần (thờm băng do dung dịch ủụng lại).
- Áp suất: Sự phụ thuộc của ủiện trở suất của vật liệu ủịa chất vào ỏp suất khá phức tạp, tùy thuộc vào loại vật liệu. ðối với các vật liệu trầm tích xốp và ngậm nước, ủiện trở suất tăng khi ỏp suất tăng, vỡ lỳc ấy thể tớch cỏc lỗ hổng và cỏc ủường rỗng chứa cỏc dung dịch dẫn ủiện giảm.
1.1.1.2. Mối liờn hệ giữa ủiện trở suất với vật liệu ủịa chất, húa chất cụng nghiệp ðiện trở suất cũng chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sự biến ủổi mụi trường do sự tỏc ủộng của ụ nhiễm húa chất cụng nghiệp.
Bảng 1.3 trỡnh bày cỏc trị số ủiện trở suất ủiển hỡnh ủối với cỏc loại vật liệu ủịa chất, chất ụ nhiễm húa chất khỏc nhau (Keller, Frischknecht 1966, Daniels và Alberty 1966)
Bảng 1.3. Giỏ trị ủiện trở suất của cỏc vật liệu ủịa chất và húa chất [39]
stt Vật liệu ðiện trở suất (Ωm) ðộ dẫn ủiện (1/Ωm) 1 ðá xâm nhập và biến chất
1.1 Granite 5x103 – 106 10-6 – 2x10-4
1.2 Basalt 103 – 106 10-6 – 10-3
1.3 Slate 6x102 – 4x107 2,5x10-8 – 1,7x10-3
1.4 Marible 102 – 2,5x108 4x10-9 – 10-2
1.5 Thạch anh 102 – 2x108 5x10-9 – 10-2
13 2 Trầm tích
2.1 Sandstone (sa thạch) 8 – 4x103 2,5x104 – 0,125 2.2 Shale (ủỏ phiến sột) 20 – 2x103 5x10-4 – 0,05 2.3 đá vôi 50 Ờ 4x102 2,5x10-3 Ờ 0,02
ðất và nước
2.4 ðất sét 1 – 100 0,01 – 1
2.5 Phù sa 10 – 800 1,25x10-3 – 0,1
2.6 Nước ngầm 10 – 100 0,01 – 0,1
2.7 Nước biển 0,2 5
3 Hoá chất
3.1 Sắt 9,074x10-8 1,102x107
3.2 001 M.Potassium Chloride 0,708 1,413
3.3 001 M.Sodium Chloride 0,843 1,185
3.4 001 M Axit Axetic 6,13 0,163
3.5 Xylene 6,998x1016 1,429x10-17
- Cỏc ủỏ xõm nhập và biến chất thường cú giỏ trị ủiện trở suất rất cao, giỏ trị ủiện trở suất cựa cỏc loại ủỏ này phụ thuộc một cỏch mạnh mẽ vào ủộ nứt nẻ và mức ủộ chứa nước trong cỏc nứt nẻ ủú. Vỡ vậy, giỏ trị ủiện trở suất tương ứng với mỗi loại ủất ủỏ cú thể thay ủổi trong một giới hạn khỏ rộng từ hàng ngàn ohm.m cho ủến nhỏ hơn 1 ohm.m phụ thuộc vào ủộ ẩm và ủộ khoỏng hoỏ của nước.
- đá trầm tắch thường xốp và hàm lượng nước cao nên ựiện trở suất thấp, ủất ướt và nước ngầm cú ủiện trở suất thấp hơn. ðất sột thường cú ủiện trở suất thấp hơn cỏt. ðiện trở suất của cỏc loại ủất ủỏ thường thay ủổi trong một giới hạn khỏ rộng và chồng gối lên nhau, do chúng phụ thuộc một cách chặt chẽ vào các tham số như: ủộ xốp của ủất ủỏ, hàm lượng của nước và ủặc biệt là ủộ khoỏng húa của nước chứa trong các lỗ rỗng.
ðiện trở suất của nước dưới ủất dao ủộng trong khoảng từ 10 ủến 100 ohm.m, phụ thuộc vào hàm lượng các muối hòa tan có trong chúng. ðiện trở suất của nước biển rất thấp (vào khoảng 0.2 ohm.m) do hàm lượng muối cao, ủiều ủú
14
làm cho phương phỏp thăm dũ ủiện thành một kỹ thuật lý tưởng trong việc ủo vẽ bản ủồ xỏc ủịnh ranh giới nhiễm mặn của cỏc tầng nước dưới ủất.
- Húa chất ụ nhiễm cụng nghiệp: Cỏc trị số ủiện trở suất của một số chất nhiễm bẩn cụng nghiệp ủược nờu ở bảng 1.3. Kim loại như sắt cú trị số ủiện trở suất rất thấp, cỏc hoỏ chất cú ủiện phõn mạnh như potasium chloride và sodium chloride cú thể làm giảm mạnh ủiện trở suất của nước ngầm ủến dưới 1 Ω.m cho dự với nồng ủộ thấp. Ảnh hưởng của sự ủiện phõn yếu như acetic acid thỡ tương ủối nhỏ.
Chất hydrocarbon, ủiển hỡnh như xylene, cú cỏc trị số ủiện trở suất rất cao.
1.1.1.3. Xỏc ủịnh giỏ trị ủiện trở suất bằng phương phỏp ủo sõu ủiện
Giả thiết là mụi trường ủồng nhất, dũng ủiện ủược phỏt vào mụi trường bởi hai ủiện cực dũng A và B, giỏ trị ủiện thế ủược ủo giữa hai ủiện cực thế M và N. Giỏ trị ủiện trở suất tớnh ủược là ủiện trở suất thật của mụi trường. Khi mụi trường bất ủồng nhất hoặc khụng vụ hạn, giỏ trị ủiện trở suất tương ủương với giả thiết mụi trường ủồng nhất, ủược gọi là giỏ trị ủiện trở suất biểu kiến ρaủược tớnh theo cụng thức sau:
a
k U
ρ = ∆I (1.8)
Trong ủú 2
1 1 1 1
AM BM AN BN
k
r r r r
= π
− − +
k là tham số hỡnh học phụ thuộc vào sự sắp xếp của 4 ủiện cực.
với R U I
= ∆ , giỏ trị ủiện trở suất biểu kiến ủược tớnh bởi:
a =kR
ρ (1.9)
ðiện trở suất của mụi trường phõn lớp ngang ủược cho biểu thức:
ρa = f(ρ1, ρ2,..….., ρn; h1, h2, h3,……, hn, r) r: kích thước thiết bị.
Như vậy, với mỗi khoảng cỏch thiết bị r ta thu ủược hàm ρa= f(r) biểu thị sự biến ủổi của ủiện trở suất theo chiều sõu.
15
ðất ủỏ trầm tớch trong ủiều kiện kiến tạo ổn ủịnh thường cú dạng phõn lớp ngang, Do ủú, phương phỏp ủo sõu ủiện ủược xõy dựng là cỏc phương phỏp nghiờn cứu cấu tạo, tớnh chất ủiện của mụi trường phõn lớp theo chiều sõu, phự hợp với dạng phõn lớp ngang của ủất ủỏ trầm tớch.
Bài toỏn cơ sở của phương phỏp ủo sõu ủiện ủược xõy dựng dựa trờn mụ hỡnh phõn lớp ngang cú ủiện trở suất và bề dày lần lược là ρ1,h1; ρ2,h2; ρ3,h3;…;
ρi,hi; …;ρn,hn.
Trường hợp lý tưởng nhất là xem các lớp này gần như song song nhau và ủược phõn biệt bởi cỏc tham số hỡnh học và tớnh chất ủiện của chỳng. ðiện thế trờn mặt mụi trường phõn lớp ngang do một nguồn dũng I cũng ủặt tại một ủiểm trờn mặt gõy ra ủược cho bởi biểu thức:
1
1 0
0
( , 0) ( ) ( )
2 i
U r Iρ R m J mr dm π
∞
= ∫ (1.10) Với:
J0: Hàm Bessel bậc không;
i( )
R m là một hàm phụ thuộc biến số tích phân m và các tham số của lát cắt ủịa ủiện, ủược tớnh theo cụng thức:
3
1 2 2 3
1 2 1
... n
i
n
R cth mh arcthρ cth mh arcthρ cth mh arcth ρ
ρ ρ ρ −
= + + + +
(1.11) Trong cỏc hàm R mi( )chỉ số i biểu diễn lớp ủất ủỏ mà hàm R(m) ủược tớnh trên mặt của nó.
Mụ hỡnh trờn là mụ hỡnh phõn lớp ngang, tớnh chất ủiện trong mỗi lớp là ủồng nhất và biến ủổi nhảy vọt khi chuyển sang lớp khỏc.
1.1.2. Hệ thống thụng tin ủịa lý
1.1.2.1. Khỏi niệm Hệ thống thụng tin ủịa lý (GIS)
Tuỳ theo cỏch tiếp cận mà cú rất nhiều ủịnh nghĩa khỏc nhau về Hệ thống thụng tin ủịa lý (GIS), trong luận ỏn này, ta sử dụng ủịnh nghĩa sau: Hệ thống thụng tin ủịa lý là hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng mỏy tớnh ủể thu thập, lưu trữ, phõn
16
tớch, xử lý và hiển thị dữ liệu khụng gian liờn quan ủến vị trớ trờn bề mặt Trỏi ủất và tớch hợp cỏc thụng tin này vào quỏ trỡnh lập quyết ủịnh.
Con người Phần cứng Phần mềm
Dữ liệu GIS
Thu thập Lưu trữ Xử lý Phân tích Hiển thị Hỡnh 1.1: Hệ thống thụng tin ủịa lý [14]
1.1.2.2. Mô hình dữ liệu GIS
Mụ hỡnh dữ liệu thể hiện tập hợp cỏc qui tắc giỳp chuyển ủổi thế giới thực thành cỏc ủối tượng số với cỏc ủặc tớnh khụng gian và thuộc tớnh. Dữ liệu thuộc tớnh ủược thể hiện bởi mụ hỡnh dữ liệu dạng bảng. Dữ liệu khụng gian ủược biểu diễn theo mô hình vector hoặc mô hình raster. Khi cần biểu diễn hoặc phân tích, dữ liệu khụng gian và dữ liệu thuộc tớnh ủược liờn kết lại với nhau thụng qua cỏc trường thuộc tính chung.
1.1.2.2.a) Cấu trúc Raster
Cấu trỳc dữ liệu raster ủược xem như một mạng lưới cỏc ụ (cell hoặc pixcel).
Trong mỏy tớnh, lưới ụ này ủược lưu trữ dưới dạng ma trận trong ủú mỗi cell cú ủược là giao ủiểm của một hàng, một cột trong ma trận.
Trong cấu trỳc này, ủiểm ủược xỏc ủịnh bởi cell, ủường ủược xỏc ủịnh bởi một số cỏc cell kề nhau theo một hướng. Vựng ủược xỏc ủịnh bởi số cỏc cell mà trờn ủú thực thể phủ lờn. Tập hợp cỏc cell cú cựng gớa trị thuộc tớnh trờn một raster gọi là lớp (layer).
17
Biểu diễn hai chiều của dữ liệu ủịa lý theo cấu trỳc này ủược ủịnh lượng húa ủể cú thể dễ dàng ủỏnh giỏ ủược ủộ dài, diện tớch. Dễ dàng nhận thấy rằng, khụng gian càng ủược chia nhỏ thành nhiều cell thỡ kết quả tớnh toỏn càng chớnh xỏc.
Biểu diễn raster ủược xõy dựng trờn cơ sở hỡnh học phẳng Ơcơlit. Mỗi cột cell sẽ tương ứng với một diện tích vuông trên thực tế. ðộ lớn của cạnh ô vuông này cũn ủược gọi là ủộ phõn giải của dữ liệu.
Cấu trỳc raster thường ủược ỏp dụng ủể mụ tả cho cỏc ủối tượng, hiện tượng phõn bố liờn tục trong khụng gian, ủể lưu giữ thụng tin dưới dạng ảnh trong CSDL.
Trong luận ỏn, cỏc bản ủồ ủiện trở suất ủược hiển thị dưới dạng cấu trỳc raster.
1.1.2.2.b) Cấu trúc Vector
Trong cấu trỳc dữ liệu vector, thực thể khụng gian ủược biểu diễn bằng cỏc phần tử cơ bản là ủiểm, ủường, vựng và cỏc quan hệ topo giữa cỏc ủối tượng với nhau.
Vị trớ khụng gian của thực thể khụng gian ủược xỏc ủịnh bởi một tọa ủộ trong một hệ thống tọa ủộ thống nhất toàn cầu. ðiểm dựng cho tất cả cỏc ủối tượng khụng gian mà ủược biểu diễn bằng một cặp tọa ủộ (X, Y). Ngoài giỏ trị tọa ủộ (X, Y), cỏc ủiểm cũn thể hiện kiểu ủiểm, màu, hỡnh dạng và dữ liệu thuộc tớnh ủi kốm.
ðường dựng ủể biểu diễn tất cả cỏc thực thể cú dạng tuyến, ủược tạo nờn từ cỏc ủoạn thẳng nối hai cặp tọa ủộ (Xi, Yi), (Xi+1, Yi+1). Cỏc quan hệ khụng gian quan trọng ủối với hệ thống cỏc ủường và ủa giỏc ủược tạo bởi cỏc cung (arc), nỳt (node).
Cỏc giỏ trị thuộc tớnh ủối với ủiểm, ủường và ủa giỏc ủược lưu trữ ủộc lập với cỏc quan hệ khụng gian của cỏc thực thể. Những ủối tượng cú cựng danh sỏch thuộc tớnh như nhau ủược xếp vào một lớp, gọi là lớp ủối tượng (Object class)
Cỏc dữ liệu vector ủược số húa với một ủộ chớnh xỏc theo yờu cầu. Trờn thực tế ủể biểu diễn một ủường cong liờn tục chỳng ta thường xấp xỉ bằng ủường gấp khỳc. Trong trường hợp này, ủộ chớnh xỏc biểu diễn ủối tượng sẽ phụ thuộc vào mức ủộ rời rạc húa cỏc ủiểm của ủường cong.
Mụ hỡnh vector ỏp dụng thớch hợp ủể lưu trữ cỏc hiện tượng phõn bố khụng liờn tục, ủặc biệt là thể loại bản ủồ ủường nột, bản ủồ ủịa hỡnh. Trong luận ỏn bản ủồ phõn bố vựng mặn nhạt nước dưới ủất ủược thể hiện dưới dạng cấu trỳc vector.
18 1.1.2.3. Xử lý dữ liệu GIS
Chức năng quan trọng của GIS là xử lý dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tớnh ủể trợ giỳp cho quỏ trỡnh ra quyết ủịnh. Khả năng xử lý dữ liệu khụng gian của GIS là cơ sở ủể phõn biệt GIS với cỏc hệ thống quản trị Cơ sở dữ liệu thụng thường.
Xử lý dữ liệu GIS gồm 3 nhóm chức năng chính: Xử lý dữ liệu không gian, Xử lý dữ liệu thuộc tính, Kết hợp dữ liệu không gian và thuộc tính.
1.1.2.3.a) Xử lý dữ liệu không gian
a. Chuyển ủổi ủịnh dạng dữ liệu: Hiện thời trờn thị trường Cụng nghệ thụng tin có rất nhiều phần mềm GIS khác nhau, mỗi phần mềm lưu trữ dữ liệu theo một cấu trỳc riờng biệt. Tuỳ theo việc sử dụng phần mềm GIS nào ủể phõn tớch dữ liệu, ta phải chuyển ủổi ủịnh dạng dữ liệu sang cấu trỳc dữ liệu thớch hợp.
b. Chuyển ủổi hỡnh học: Do dữ liệu thu thập từ nhiều nguồn khỏc nhau nờn khả năng các lớp dữ liệu khi chồng lớp sẽ không khớp nhau. ðồng thời, thời gian qua, cỏc bản ủồ GIS chuyờn ủề do cỏc cơ quan trong nước xõy dựng cũng chưa cú sự thống nhất về việc sử dụng hệ qui chiếu (hệ Gauss, UTM, VN2000); cho nên, cần thiết phải sử dụng cỏc phương phỏp chuyển ủổi hỡnh học ủể hiệu chỉnh cỏc lớp dữ liệu riêng biệt trùng khớp với lớp dữ liệu nền.
a. Ghộp biờn và soạn thảo ủồ hoạ
- Ghộp biờn: Do vựng nghiờn cứu rộng nờn bản ủồ phục vụ nghiờn cứu thường do nhiều bản ủồ nhỏ ghộp lại với nhau, từ ủú dễ xảy ra hiện tượng cỏc ủối tượng ở cỏc ủường biờn sẽ khụng khớp nhau, ghộp biờn ủược sử dụng ủể ủiều chỉnh hiện tượng cỏc ủối tượng kộo dài ngang qua biờn của cỏc mảnh bản ủồ. (Hỡnh 1.4.)
Trước khi ghép biên Sau khi ghép biên
Hỡnh 1.2: Ghộp biờn cỏc mảnh bản ủồ