Các phương pháp địa vật lý trong địa chất thủy văn

n các điện cực A và M di chuyển trên tuyến đo, (hình 3.5). Hình 3.5: Đo sâu hệ cực thế n=1 + + + + + n=2 + + + + n=3 + + + a a a a A M B∞ N∞ nhieu.dcct@gmail.com 24 Đầu tiên cực A đặt cố định, cực M di chuyển lần lượt n=1, 2, 3... 8, sau đó mới di chuyển điện cực A tới khoảng cách a kế tiếp và đo lại như lúc đầu. Điện trở suất biểu kiến đo được tính theo công thức: 2 k uk I k na      (3.4) Điểm ghi kết quả tại chiều sâu : .n n n nZ L na   Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - nL là độ dài của hệ cực 3.3.2. Đo sâu đa cực hệ 3 cực (Pole-Dipole) Đo sâu đa cực sử dụng hệ 3 cực AnaMaN có điện cực B , hai cực thu MN=a di chuyển trên tuyến đo (xem hình 3.6), mỗi lần di chuyển bước đều bằng a, với lần lượt n= 1, 2, 3,... 8, sau đó di chuyển cực A đến vị trí kế tiếp sau đó đo lại từ đầu. Hình 3.6: Đo sâu đa cực hệ 3 cực Hệ số thiết bị K và chiều sâu điểm ghi kết quả Zn như sau: 2 ( 1) .n n n n k an n Z L na        A 3a M a N A 2a M N A a M a N n=1 + + + + + n=2 + + + + n=3 + + + nhieu.dcct@gmail.com 25 Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - nL là độ dài của hệ cực 3.3.3. Đo sâu đa cực hệ 4 cực đối xứng Wenner-Schlumberger Đo sâu đa cực sử dụng hệ 4 cực đối xứng Wenner - Schlumberger (W-S) AnaMaNnaB có hệ cực bố trí như trên hình 3.7. Với n=1 ta có hệ cực Wenner, sau đó n=2, 3, 8 là hệ cực Schlumberger. Hình 3.7: Đo sâu đa cực hệ 4 cực Wenner - Schlumberger Hệ số thiết bị K và chiều sâu ghi kết quả như sau: ( 1) .n n n n k an n Z L na        Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - nL là độ dài của hệ cực 3.3.4. Đo sâu đa cực hệ lưỡng cực (Dipole-Dipole) Đo sâu đa cực sử dụng hệ cực lưỡng cực AaBnaMaN, có hệ cực được bố trí như hình 3.8. Quá trình đo và dịch chuyển hệ lưỡng cực MN với bước dịch chuyển n=1, 2, 3, 8, sau đó dịch chuyển hệ cực phát AB và đo lại từ đầu. Hệ số thiết bị K và chiều sâu ghi kết quả như sau: ( 1)( 2) .( 1)n n n n k an n n Z L n a          A 3a M a N 3a B A 2a M a N 2a B A a M a N a N n=1 + + + + + + + + n=2 + + + + + + n=3 + + + + nhieu.dcct@gmail.com 26 Với: - n là hệ số thấm sâu của hệ cực, tra ở bảng 3.1 - nL là độ dài của hệ cực Hình 3.8: Đo sâu đa cực hệ lưỡng cực 3.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU 2D 3.4.1. Cơ sở lý thuyết bài toán ngược Thực chất bài toán ngược đo sâu điện 2D là tìm mô hình lát cắt 2D sao cho cực tiểu hóa phiếm hàm F giữa độ lệch bình phương giá trị logarit điện trở suất đo được qi(zj) trên lưới đo thực tế và giá trị gi(x) là logarit điện trở suất tính trên mô hình. 2 2 1 ( ) ( , )1( ) 0 ( , ) n i j i j i i i j q z g z p F x n g z p          (3.5) Với: - qi(zj ) là giá trị logarit điện trở suất đo lg ( )i k jq z - ( , )i jg z p  là giá trị logarit điện trở suất tính theo tham số trên mô hình: ( , ) lg ( , )i j T jg z p z p   - p là véctơ giá trị tham số của mô hình ( , , ) ( )k k k kp p a h p p     + kp là tham số của mô hình 2D + ( , , )k k k kp a h là giá trị điện trở suất, chiều rộng và chiều dày của các khối hộp địa phương trên mô hình A a B 3a M a N A a B 2a M a N A a B a M a N n=1 + + + + + + + n=2 + + + + + + n=3 + + + + + nhieu.dcct@gmail.com 27 - kp là bước thay đổi tham số pk, với kp nhỏ thì: ( ) ( )i k k i k kg p p g p J p    => . ( ) ( )k i k k i k iJ p g p p g p      (3.6) Ở đây: J là ma trận Jacobi của mỗi lần thay đổi mô hình: ik i k gJ p    Như vậy bước dịch chuyển: 1.k ip J   (3.7) với: J-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận J 3.4.2. Chương trình xử lý đo sâu điện 2D: RES2DINV Số liệu đo qi(zj) được đưa vào theo phương pháp đo, số điểm đo, kích thước a theo trình tự đo, sau đó chương trình chạy theo thuật toán sau: Theo phương trình (3.6) để giảm sai số εi có thể sử dụng phương trình Gauxơ - Newton xác định sự thay đổi tham số mô hình để giảm tổng sai số bình phương của phương trình (3.7): 1 k ip J   Với sự thay đổi tham số này, tính toán lại vectơ thay đổi tham số nhận được mô hình mới: 1 1n n ng g p   (3.8) Tuy nhiên trong thực tế bài toán ngược Địa vật lý ma trận J-1J có thể là kỳ dị nên phương trình bình phương tối thiểu (3.6) không có lời giải. Nếu kết quả đo qi(zj) có sai số lớn, ma trận sản phẩm J-1J gần kỳ dị, kết quả giải bài toán theo phương trình (3.8) sẽ sai với thực tế; trong trường hợp này phải dùng phương pháp hồi quy thực hiện theo phương pháp bình phương tối thiểu cưỡng bức với phương trình mới: 1 1( . ) iJ J f p J      (3.9) Ở đây: - 1 1. .x x z zf f f f f   là ma trận làm trơn lọc đi các số liệu sai số lớn nhieu.dcct@gmail.com 28 - fx là bộ lọc theo phương ngang - fz là bộ lọc theo phương thẳng đứng - λ là hệ số suy giảm hay trọng số của các bộ lọc làm trơn Sau khi εi=εmin đạt kết quả, mô hình gn được chấp nhận là mô hình kết quả, chương trình giải bài toán ngược sẽ dừng lại, trên màn hình máy hiện lên: - Lát cắt điện trở suất biểu kiến qi = ρk(x, z) của tài liệu đo. - Lát cắt điện trở suất được tính toán ở lần lặp thứ i: gi(x, z) - Chấp nhận εmin thì cho mô hình ρ(x, z)=gn(x, z) ở lần tính lặp thứ n là mô hình kết quả. 3.5. ÁP DỤNG ĐO SÂU ĐIỆN 2D Áp dụng phương pháp đo sâu điện trở 2D rất có hiệu quả trong lát cắt địa điện có các bất đồng nhất khối 2D. Đó là các đới dập vỡ, đứt gãy địa chất, đới phát triển karst. Khi đó kết quả áp dụng đo sâu điện 2D cho ta lát cắt địa điện 2D: ρ(x,z)=gn(x,z) là bức tranh phân bố điện trở suất của lát cắt 2 chiều. Sau đó sẽ luận giải địa chất để cho kết luận về đối tượng địa chất có thể là đới chứa nước cần quan tâm nằm trên tuyến khảo sát, (xem hình 3.9). -305 -275 -245 -215 -185 -155 -125 -95 -65 -35 -5 25 55 -155 -125 -95 -65 -35 -5 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 0 1 2 3 f3 Hình 3.9: Xác định đứt gãy địa chất theo kết quả đo sâu 2D tuyến T4_MV1 khu vực Mèo Vạc, Hà Giang nhieu.dcct@gmail.com 29 Nếu xử lý theo diện tích ở một chiều sâu h nào đó sẽ có hình ảnh điện trở suất ρ(x, y, h) phản ảnh địa hình mặt móng kết tinh, vùng sụt karst, vùng chứa nước hoặc vật thể quặng ở chiều sâu h, (xem hình 3.10). -7 -6 -5 -4 -3 -6 -5 -4 -3 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 p9 p8 p7 p6 p5 p4 p3 p2 p1 quèc lé 4c p¶ vi h¹ hang c©y chuèi km 4 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Hình 3.10: Xác định đới sụt karst theo tài liệu đo sâu điện 2D khu vực PV1 huyện Mèo Vạc, Hà Giang nhieu.dcct@gmail.com 30 A M N B Hình4.1a: Sự phân cực mặt của Vật thể quặng E  pcE  Chương IV: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU PHÂN CỰC 2D 4.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC KÍCH THÍCH 4.1.1. Hiện tượng phân cực kích thích Hiện tượng sinh ra trường điện thứ cấp khi có tác động của dòng điện vào môi trường dẫn điện ba pha (pha rẵn, pha lỏng, pha khí) gọi là hiện tượng phân cực kích thích. Bản chất của hiện tượng phân cực kích thích là bản chất điện hóa xảy ra trong môi trường 3 pha: rẵn, lỏng, khí. Nguồn gốc của hiện tượng phân cực có thể tóm tắt như sau: - Khi có dòng điện bên ngoài làm biến dạng lớp kép trên mặt khoáng vật dẫn điện điện tử, do phản ứng oxy hóa, gây ra hiện tượng phân cực mặt trên bề mặt vật quặng và môi trường bên ngoài, hình 4.1a. - Khi có dòng điện bên ngoài làm chuyển động các ion tạo ra các miền có nồng độ ion khác nhau do cấu trúc lỗ hổng, vai trò hấp phụ của sét, màn chắn của các hạt khoáng vật dẫn kết quả tạo thành các miền phân cực khối, xem hình 4.1b,c,d,e,f. Chất điện phân Anion Cation Hình4.1b: Dung dịch điện phân có các anion và cation chuyển động tự do + - nhieu.dcct@gmail.com 31 - Dòng điện gây ra phản ứng của các hạt khoáng vật dẫn điện xâm tán phân bố trong đất đá tạo nên các miền phân cực khối. 4.1.2. Đặc điểm - Trường phân cực thứ cấp tương đối yếu so với trường sơ cấp (0.01 0.1)pcU n U    do vậy khi đo đạc cần dòng phát lớn (0.1 1) AmpeI n  - Để bảo đảm đo được pcU buộc phải mở MN lớn hơn nên độ phân giải kém hơn - Đo được 2 chế độ dòng một chiều và dòng xoay chiều: ( )pcU t và ( )pcU  .  -    - - - -  - -   + - Hình4.1c: Phân cực trong dung dịch điện phân có các điện tích chuyển động tới màng mỏng chắn bởi các khoáng vật dẫn  -    - -            -    - -  -  - Chất điện phân Sét Hình4.1d: Phân cực do các điện tích dương bị sét bắt giữ Anion Cation Hình4.1e: Phân cực do các điện tích kết khối Anion liên kết Đới phụ thuộc (thụ động) Đới tích cực Hình 4.1f: Phân cực do cấu trúc rang buộc của các phân bố lỗ rỗng khoáng vật dẫn nhieu.dcct@gmail.com 32 ∆UPC J Hình 4.2: Đặc trưng mật độ dòng 4.1.3. Các đặc trưng phân cực cơ bản a. Đặc trưng mật độ dòng Thế phân cực tỉ lệ với mật độ dòng phát, xem hình 4.2. . .pcU j E       (4.1) b. Đặc trưng thời gian. Thế phân cực giảm dần theo quy luật gần đúng với quy luật hàm mũ: ( ) ( ). tpc pcU t U o e    (4.2) Với hệ số suy giảm λ là tốc độ suy giảm ln của thế phân cực, (hình 4.3) ( ) . ( )pc pc U t U t t       ln ( )pcU t t        (4.3) Thế phân cực giảm cũng có thể coi gần đúng theo quy luật Hypebol, (hình 4.3): ( ) ( ) 1 pc pc U o U t kt     (4.4) Các quy luật này chỉ nên coi là gần đúng cho từng khoảng thời gian nhất định. Phương pháp đo sâu phân cực vẫn thực hiện nguyên lý đo sâu theo kích thước hình học mà không đo sâu phân cực theo nguyên lý thời gian vì tính chất lý hóa của hiện tượng phân cực xảy ra ở tần số thấp không liên quan đến chiều sâu thấm sâu theo hiệu ứng Skin của trường chuyển hay đo sâu tần số. UPC t N¹p Ng¾t Hình 4.3: Sự suy giảm của thế Phân cực nhieu.dcct@gmail.com 33 4.1.4. Các tham số phân cực Khi đo phân cực người ta tính các tham số phân cực sau: a. Độ phân cực biểu kiến Độ phân cực biểu kiến là tỉ số giữa thế phân cực ở thời điểm đo t so với thế ở thời điểm phát dòng. ( ) ( ) %pck U t t U     (4.5) Do đo được ∆U nên vẫn xác định tham số điện trở suất biểu kiến: k UK I    Quan hệ giữa k với k như sau: * * k k k k       (4.6) Ở đây: - *k là điện trở suất biểu kiến đo được của môi trường phân cực. - ρk là điện trở suất biểu kiến đo được của môi trường không phân cực b. Độ phân cực tích phân (tổng độ nạp) Độ phân cực tích phân là tham số tích phân độ phân cực trong khoảng thời gian 2 1t t t   2 2 1 1 ( ) ( ) t pct t k k t U t dt t dt U         (4.7) Đây là diện tích đường cong suy giảm ηk(t) trong khoảng thời gian: 2 1t t t   , xem hình 4.4 c. Độ phân cực tổng hợp Độ phân cực tổng hợp là tỉ số giữa độ phân cực biểu kiến và điện trở suất biểu kiến: Hình 4.4: Tổng độ nạp nhieu.dcct@gmail.com 34 * ( , )( , ) ( ) k k k t rt r r     (4.8) Với cùng đối tượng quặng dẫn điện tốt sẽ có ρk giảm, trong khi đó ( )k t lại lớn, do vậy độ phân cực tổng hợp sẽ có giá trị *( )k t lớn hơn. Tham số này không những làm tăng độ phân giải mà còn có ý nghĩa như tham số thể hiện triển vọng quặng kim loại, (xem hình 4.5). Hình 4.5: Đồ thị độ phân cực tổng hợp Ứng với quặng xâm tán, có điện trở suất cao thì độ phân cực tổng hợp được tính: *( ) ( ).k k kt t   (4.9) và cũng có giá trị lớn hơn ( )k t . 4.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐA CỰC PHÂN CỰC 2D 4.2.1. Định nghĩa Phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D là phương pháp đo sâu nghiên cứu ρk, ηk theo cả chiều ngang và chiều sâu, được thực hiện theo nguyên lý đo sâu hình học trên tuyến đo, tức là tăng kích thước theo bội số của MN=a như đo sâu đa cực 2D 4.2.2. Phương pháp kỹ thuật đo a. Phát dòng: Phát dòng I lớn cỡ 10 lần so với đo điện trở. ρk ηk η*k r η*k nhieu.dcct@gmail.com 35 b. Hệ cực - Khi lát cắt có ρ(z) tăng theo chiều sâu có thể đo sâu với hệ cực Wenner-Schlumberger (W-S), hoặc lưỡng cực (D-D). - Khi lát cắt có ρ(z) giảm theo chiều sâu thì chỉ đo sâu với hệ cực Wenner (W). 4.2.3. Phương pháp xử lý tài liệu đo sâu đa cực phân cực 2D Do bài toán thuận và bài toán ngược của đo sâu đa cực 2D và đo sâu đa cực phân cực 2D là giống nhau do đó có thể áp dụng chương trình RES2DINV của A.H. LOKE để xử lý đồng thời cho các tham số ρk và ηk, còn nếu xử lý cho tham số tổng hợp thì bức tranh kết quả xử lý: * k k k     sẽ tăng độ phân giải hơn nhiều. 4.2.4. Áp dụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D Phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D được áp dụng chủ yếu để tìm kiếm quặng sulfua đa kim dạng xâm tán. Còn trong địa chất thủy văn người ta áp dụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D để phân biệt đới phá hủy dập vỡ chứa nước và đới phá hủy dập vỡ chứa sét không chứa nước. Bởi vì, đới dập vỡ nứt nẻ chứa nước và chứa sét đều có điện trở suất thấp do đó áp dụng các phương pháp đo sâu điện 1D hoặc đa cực 2D đều có dị thường điện trở nhỏ. Khi đó áp dụng phương pháp đo sâu phân cực 2D, nếu đối tượng chứa sét sẽ có dị thường phân cực cao, (xem hình 4.6). nhieu.dcct@gmail.com 36 Hình 4.6: Áp dụng đo sâu điện 2D tìm nước trong đới dập vỡ nhieu.dcct@gmail.com 37 Chương V: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN (TEM) (ĐIỆN TỪ CHUYỂN TIẾP) 5.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN 5.1.1. Định nghĩa phương pháp đo sâu trường chuyển Phương pháp đo sâu trường chuyển là phương pháp đo sâu theo nguyên lý thời gian dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ khi ngắt xung dòng chạy trong vòng dây không nối đất, đo trường thứ cấp trong vòng dây thu ở dải thời gian sớm từ vài µs đến vài chục ms, đo được chiều sâu từ vài chục mét đến vài trăm mét. Chiều sâu khảo sát được tính theo hiệu ứng Skin 0 ( )k k tZ t   5.1.2. Đặc điểm của phương pháp trường chuyển Phương pháp trường chuyển có các đặc điểm như sau: - Phát dòng từ tạo bởi dòng điện chạy trong khung dây không nối đất do dòng điện không chạy vào môi trường đất đá nên đo được ở vùng lớp phủ điện trở cao như: cát khô, đá bazan, lớp phong hóa vùng cao nguyên. - Kích thước vòng dây có cạnh thường nhỏ hơn nhiều chiều dài hệ cực của phương pháp điện trở (l << AB) nên rất khả thi, đồng thời có tính định xứ tốt do mặt sóng là mặt trụ có bán kính mặt trụ bằng chiều cao hình trụ r=z, vì thế mặt sóng lan rộng ra thì cũng đồng thời thấm xuống sâu hơn, (xem hình 5.1). - Do phát trường từ nên trường thấm qua được lớp điện trở suất cao như: đá vôi, thạch cao, muối mỏ để thấm xuống sâu. - Khi nghiên cứu cấu tạo, tức nghiên cứu cấu trúc thì cần dòng phát lớn cỡ vài chục Ampe. nhieu.dcct@gmail.com 38 5.1.3. Bản chất của phương pháp trường chuyển Bản chất của phương pháp trường chuyển là hiện tượng cảm ứng điện từ do các đối tượng dẫn có trong môi trường tạo thành dòng xoáy. Đo trường thứ cấp của dòng xoáy gọi là tín hiệu trương chuyển. 5.1.4. Cơ chế đo sâu trường chuyển theo nguyên lý thời gian Cơ chế đo sâu trường chuyển theo nguyên lý thời gian, chia thành các giai đoạn sau : - Giai đoạn sớm: trường chuyển của dòng xoáy xuất hiện từ lớp phủ trên gần bề mặt. - Giai đoạn giữa: trường chuyển của dòng xoáy do các đối tượng dẫn địa phương lớp dẫn trầm tích nằm dưới lớp phủ. - Giai đoạn muộn: trường chuyển của các dòng xoáy của các lớp nằm sâu và tắt dần theo thời gian. 5.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG CHUYỂN Phương trình cơ bản của phương pháp đo sâu trường chuyển là phương trình truyền sóng: 02  AkA  (5.1) ở đây: A  là vectơ thế của trường chuyển Do trường ở tần số thấp nên: ik 2 ở đây: k là số sóng,  là độ dẫn. Với: tie  0AA  nên: AieAi t A ti         0 (5.2) Từ (5.1) và (5.2) ta có phương trình truyền sóng dạng: 0.     t AA   (5.3) Đây là phương trình thấm ở miền thời gian. Do phát dòng dưới dạng xung I=I0.[1-X(t)] do đó chúng ta chỉ việc giải phương trình trên trong nhieu.dcct@gmail.com 39 miền tần số sau đó chuyển một cách tương ứng kết quả từ miền tần số sang miền thời gian bằng biến đổi Laplatxơ:    deAtA ti    )(2 1)(  (5.4) Công thức (5.4) áp dụng được khi thay các đại lượng tương ứng:      ;A E H   và      ;A t E t H t Nếu tiến hành phát dòng bằng vòng dây tròn bán kính R để tính toán được thành phần điện và từ phải chia nhỏ vòng dây thành các yếu tố, mỗi yếu tố này được coi như một lưỡng cực điện nằm ngang và tính tích phân theo vòng tròn,sau đó áp dụng (5.4) ta thu được suất điện động trong khung dây thu trùng với khung dây phát khi đặt trên nửa không gian đồng nhất:     5 23 2 P 0 3 2 . S . 20 Tt I St t           (5.5) Từ đó, ta tính được độ dẫn của môi trường:     2 3 5 3 p 0 20 . Sk T t tt I S                   (5.6) Trong đó: - ST, Sp diện tích khung thu và khung phát Đây là công thức tính độ dẫn biểu kiến theo thời gian và cũng là công thức tính đường cong đo sâu trường chuyển. 5.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN 5.3.1. Đặc điểm của tín hiệu trường chuyển - Tín hiệu trường chuyển là tín hiệu trường thứ cấp nên rất nhỏ. - Tín hiệu không chỉ vừa nhỏ lại gặp nhiều nhiễu: nhiễu dòng một chiều, nhiễu điện từ, nhiễu tự cảm của vòng dây, nhiễu cảm ứng của vòng dây, của vật sắt từ đặt cạnh khung dây - Ghi ở các thời điểm trong khoảng thời gian rộng từ: 2 64s ms  5.3.2. Nguyên tắc phát và thu trường chuyển - Nguyên tắc phát trường chuyển: dùng máy phát xung vuông góc qua vòng dây không nối đất, (hình 5.1). nhieu.dcct@gmail.com 40 Hình 5.1: phát xung trường chuyển a: Dòng xoáy ngay sau khi cắt dòng phát b, c, d: Dòng xoáy tại các thời điểm kế tiếp - Nguyên tắc thu tín hiệu trường chuyển: Dùng vòng dây thu trường cảm ứng điện từ trong khung dây xuất hiện biến thiên từ thông thu được tín hiệu suất điện động cảm ứng ε(t) ở 2 đầu khung dây, (hình 5.2). .( ) .S Ht t t             (5.7) Hình 5.2: Thu tín hiệu trường chuyển 5.3.3. Máy đo trường chuyển a. Sơ đồ nguyên tắc của máy đo trường chuyển Để khắc phục nhiễu dòng một chiều người ta chế tạo máy phát xung đổi chiều (hình 5.3). H t    ( )t ( )t ( )t t nhieu.dcct@gmail.com 41 a) b) c) On time Off time t Ip Ut Ug Hình 5.3: Phát và thu xung đổi chiều Do tín hiệu trường chuyển nhỏ, nên phải phát chùm xung và tích lũy tín hiệu n lần rồi lần trung bình, đồng thời cũng giảm được nhiễu ngẫu nhiên ni: 1 1 0 1( ) ( ) ( ) n n i i i i t t n t n                     (5.8) Với: ( )t là giá trị trung bình của tín hiệu. Tín hiệu ghi ở các thời gian bằng đồng hồ thạch anh với độ chính xác cao. b. Các máy đo trường chuyển hiện nay Các máy đo trường chuyển hiện đại: + PROTEM-47K (SINTEX – Mỹ) + PROTEM-57MK2 (SINTEX – Mỹ) + KACKAD (Nga). 5.3.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu trường chuyển a. Chọn kích thước khung dây. Kích thước khung dây phát được chọn tùy thuộc độ dẫn dọc của lát cắt và được tính theo công thức: nhieu.dcct@gmail.com 42 4min4 0 min . .67. 0.1 67.l H S H S I    (5.9) Ở đây: - H: chiều sâu nghiên cứu của lát cắt - min : tín hiệu nhỏ nhất tin tưởng của máy. - 0 : giá trị tín hiệu ứng với một số đọc của máy - minI : dòng phát nhỏ nhất - S: tổng độ dẫn dọc của lát cắt: 1 n i i S S   do n lớp trên móng Đây là kích thước khung dây tối đa, nhưng để nghiên cứu được các chiều sâu nhỏ hơn người ta chia thành nhiều khung nhỏ hơn. - Khung l1 khảo sát được khoảng chiều sâu: 0.3 21 1 1l Z l  - Khung l2 khảo sát được khoảng chiều sâu: 0.3 22 2 2l Z l  - Khung ln khảo sát được khoảng chiều sâu: 0.3 2l Z ln n n  Chọn khung dây thu: có thể chọn khung dậy thu bằng khung phát, trường hợp chọn khung dây thu nhỏ hơn khung phát phải tăng số vòng thu n lần, tuy nhiên số vòng thu không được quá nhiều sẽ có hiện tượng tự cảm làm chậm thời gian thu, như vậy xử lý đo sâu trường chuyển dẫn đến sai về chiều sâu. b. Kỹ thuật đo sâu trường chuyển Trải các vòng dây phát kế tiếp nhau trên tuyến đo, các vòng cách nhau bằng cạnh vòng dây. Vòng thu đặt ở tâm vòng phát, (xem hình 5.1). c. Các hiệu ứng trường chuyển hỗn hợp - Hiện tượng phân cực cảm ứng ở thời gian sớm (hình 5.4a): tín hiệu trường chuyển ghi được là tổng của hai hiệu ứng: ( ) ( ) ( )cu pct t t    nhieu.dcct@gmail.com 43 Ở thời gian sớm có thể hiệu ứng phân cực ( )pc t lớn hơn tín hiệu ( )cu t nên ( )t có giá trị âm. - Hiện tượng phân cực siêu thuận từ ở thời gian muộn (hình 5.4b): Một số đá phong hóa laterit, ba zan có độ từ thẩm µ gây ra phân cực ở giai đoạn muộn, dễ nhầm tưởng lớp móng có điện trở suất thấp. - Hiệu ứng phân cực điện môi của nước ngầm, phân cực η của dầu khí ở thời gian muộn cũng làm tín hiệu trường chuyển tương đương như một tầng dẫn điện tốt. 5.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN Công thức xử lý đường cong đo sâu trường chuyển như sau: 5.4.1. Công thức đường cong theo thời gian Công thức đường cong độ dẫn theo thời gian: 52 33 0 20. ( )( ) . .k P T t tt I S S                (5.10) hoặc điện trở suất: 2 5 3 3 0.1( ) . 20. ( ) P T k I S St t t               (5.11) 10-5 10-4 10-3 t ( )t ( )cu t ( )pc t Hình 5.4a: Hiệu ứng phân cực ở thời gian sớm z Hình 5.4b: Hiện tượng phân cực siêu thuận từ 1 ( )z nhieu.dcct@gmail.com 44 Trong đó: - t: thời gian ghi tính bằng ( s) - ( )t : tín hiệu suất điện động của khung dây ở thời điểm t, tính bằng (Vol) - I: cường độ dòng phát chạy trong khung thu, tính bằng Ampe - P TS S : điện tích khung phát, và khung thu, tính bằng m 2 - 70 4 .10 /H m   : độ thẩm từ của không khí Công thức: độ dẫn ( )k t hoặc điện trở suất ( )k t theo thời gian có độ phân giải thấp, tính định xứ kém vì phụ thuộc vào thời gian là thông số tỉ lệ với chiều sâu. 5.4.2. Công thức đường cong đo sâu trường chuyển theo chiều sâu Coi độ dẫn ( )k t là của môi trường nửa không gian F.M Kamenhetski đã đưa ra công thức tính độ dẫn theo chiều sâu:   2 ( ) ( )i k dz z t dz       Để thuận lợi cho việc tính toán, sau một số biến đổi có thể đưa về các công thức sau: - Độ dẫn theo chiều sâu được xác định bằng công thức: 2 ( )( ) lg ( )1 lg k i k tz t t          (5.12) - Điện trở suất theo chiều sâu: 2 lg ( )( ) ( ) 1 lg k i k tz t t          (5.13) ( )k t ( )i z ( )i z ,   Hình 5.5: Đồ thị quan hệ giữa độ dẫn và chiều sâu nhieu.dcct@gmail.com 45 Ở đây: 0 0 . ( )2 2 . ( ) k k t ttz t        (5.14) Các đường cong độ dẫn ( )i z hoặc ( )i z là độ dẫn hoặc điện trở suất của lớp mỏng thứ i ở chiều sâu z nên có độ phân giải cao, tính định xứ tốt cho phép xác định vị trí thân quặng hoặc tầng dẫn điện trong lát cắt địa chất, (hình 5.5 và 5.6). 5.4.3. Phương pháp phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển Sidorov. V. A (Liên Bang Nga) quan niệm môi trường gồm các lớp dẫn song song, đóng góp vào tín hiệu trường chuyển theo công thức tính gần đúng: 4 . . ( , , ) 67. . p T i i i j I S S t s z S Z   (5.15) Với: - ti là thời gian máy ghi ở thời điểm đo - Si là độ dẫn dọc của lớp thứ I có trong lát cắt - Zj là chiều sâu khảo sát - S là độ dẫn dọc tổng cộng đến chiều sâu Zj Khi đó, các thông số của bài toán ngược đo sâu trường chuyển được tính như sau: 0 ( )i j jt S Z h z     (5.16) 0 2 ( ) j j k j t Z t   (5.17) 1 1 2 2 ...( ) i ij i h S h S h Sh z S      (5.18) h(zj) gọi là chiều sâu lớp mỏng tương đương có độ dẫn S đến chiều sâu Zj. nhieu.dcct@gmail.com 46 Khi đó, nghiệm của bài toán ngược chỉ còn lại là sự lựa chọn các độ dẫn dọc Si của các lớp sao cho phiếm hàm giữa tín hiệu tính toán theo công thức (5.15) và tín hiệu đo ε(tj) là cực tiểu.   1 1( ) ( , , ) ( ) min n i j i j j j g s t s z t n       (5.18) Chương trình giải bài toán ngược theo thuật toán (5.18) cho kết quả được đường cong σi(z) hoặc ρi(z) với độ chính xác từ 10÷20 %. 5.4.4. Biểu diễn kết quả đo sâu trường chuyển Kết quả đo sâu trường chuyển biểu diễn dưới 2 dạng: a. Lát cắt độ dẫn ( , )k x t hoặc điện trở suất ( , )k x t theo thời gian Trục hoành tại vị trí điểm đo x, trục tung tại giá trị thời gian t theo hướng xuống dưới ghi giá trị ( , )k x t hoặc ( , )k x t , vẽ đẳng trị ta được lát cắt độ dẫn hoặc điện trở suất theo thời gian. b. Lát cắt độ dẫn ( , )i x z hoặc điện trở suất ( , )i x z theo chiều sâu Trục hoành tại vị trí điểm đo x, trục tung tại giá trị chiều sâu z theo hướng xuống dưới ghi giá trị ( , )i x z hoặc ( , )i x z , vẽ đẳng trị ta được lát cắt độ dẫn ( , )i x z hoặc điện trở suất ( , )i x z theo chiều sâu. Đó là bức tranh phân bố độ dẫn điện hoặc phân bố điện trở suất của lát cắt 2D, phản ánh rõ các lớp trầm tích dẫn điện, địa hình lồi lõm của móng điện trở cao, các đứt gãy, các cấu tạo nâng, hạ Đây là phương pháp có độ phân giải cao nếu trong lát cắt có tầng chỉ thị dẫn điện tốt như thân quặng dẫn, tầng đá nhiễm mặn c. Kết quả phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển. Trên tuyến khảo sát, trục hoành ghi vị trí điểm đo, trục tung ghi đồ thị kết quả phân tích định lượng đường cong ρi(z) ta được lát cắt kết quả phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển. Dựa vào kết quả này có thể vẽ lát cắt địa điện trên tuyến khảo sát (xem hình 5.7) nhieu.dcct@gmail.com 47 5.5. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN Phương pháp đo sâu trường chuyển áp dụng rất có hiệu quả để tìm kiếm quặng dẫn điện tốt như quặng kim loại, pirit, sulfua đa kim. Còn trong địa chất thủy văn có thể áp dụng phương pháp đo sâu trường chuyển để tìm kiếm nước ngầm trong thấu kính chứa nước (hình 5.6), đặc biệt rất hiệu quả khi xác định ranh giới nhiễm mặn giữa nước ngọt và nước mặn ở các vùng đồng bằng ven biển, (hình 5.7). -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 3 25 150 1000 3000 -8 -7 4 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -10 Hình 5.6: Lát cắt điện trở suất ρi(z) đo sâu trường chuyển trên đối tượng thấu kính chứa nước nhieu.dcct@gmail.com 48 Kết quả phân tích đường cong đo sâu trường chuyển 24751475 1975975475 D¹NG §¦êNG CONG TEM TUYÕN III - GIAO AN - GIAO THUû - NAM §ÞNH MÆT C¾T §ÞA VËT Lý - §ÞA CHÊT THEO TµI LIÖU TR¦êNG CHUYÓN (TEM) KÕT QU¶ PH¢N TÝCH §ÞNH L¦îNG §¦êNG CONG TEM 10 1 0 100 -25 -200 -100 -300 -400 Lát cắt đẳng Ôm Mặt cắt địa vật lý- địa chất §¸ gèc? §å thÞ ®iÖn trë vµ chiÒu dµy (mµu ®á) vµ trÞ t­¬ng ®­¬ng (®­êng ®øt nÐt) 1975 24751475975475 §Êt trång, sÐt lÉn Ýt c¸t MÆT C¾T §ÞA VËT Lý - §ÞA CHÊT SÐt pha c¸t h¹t mÞn SÐt, c¸t h¹t mÞn? C¸t h¹t trung ®Õn th«, s¹n, sái lÉn sÐt xen kÑp CHó DÉN Gi¸ trÞ ®o vµ ®­êng cong ph©n tÝch -25 0 -200 -100 -300 -400 Hình 5.6: Áp dụng đo sâu trường chuyển trong vùng nước nhiễm mặn nhieu.dcct@gmail.com 49 Chương VI: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 6.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Phương pháp cộng hưởng từ là phương pháp đo sâu được kích động bởi các xung dòng .q I  chạy trong vòng dây không nối đất, tạo ra trường từ kích động các phân tử nước chứa hyđrô gây nên hiệu ứng chuyển động tuế sai. Lượng phân tử H2O càng lớn, trường từ tuế sai càng mạnh, ghi tín hiệu trường này do các phân tử H2O gây ra sẽ xác định được hàm lượng nước ở các chiều sâu khảo sát. 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Các hạt cơ bản tích điện như proton, điện tử hay hạt nhân nguyên tử luôn có chuyển động tự xoay quanh trục của mình, tạo ra trường từ riêng với moment spin từ xác định. Trong không gian có từ trường, như trường địa từ B0, thì phần lớn các hạt sẽ định hướng trục này theo phương của trường từ ngoài. Khi có thay đổi phương trường từ, các hạt sẽ định hướng lại moment spin từ theo phương mới. Quá trình định hướng lại diễn ra theo hiệu ứng con vụ, hạt sẽ chuyển động tuế sai đến khi hạt được hướng cân bằng mới, đồng thời phát ra một trường điện từ đặc trưng có tần số xác định gọi là tần số Larmor theo công thức: 02 BfL    (6.1) Trong đó: fL - là tần số Lamor B0 - trường địa từ  - Là hệ số hồi chuyển từ của hạt cơ bản đó Thực nghiệm vật lý cho thấy quan sát thuận lợi nhất là trường hợp hạt proton, hay hạt nhân của nguyên tử hydro 1H1. Hạt này có hệ số nTHz/268,0 , do đó biểu thức tần số sẽ là: 004258.0 BfL  nhieu.dcct@gmail.com 50 Thực nghiệm cũng cho thấy trường kích thích hay trường từ hoá cần vuông góc với trường B0, cũng như quan sát vào lúc cắt trường từ hoá. 6.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Trên mặt địa cầu trường địa từ B0 tại vùng vĩ độ không cao lắm sẽ có phương gần nằm ngang. Do đó trường từ hoá cần có phương thẳng đứng, được tạo bằng khung dây nằm ngang dạng vuông hoặc tròn. Để kích thích chọn lọc ở trạng thái cộng hưởng, khung dây này được cấp một xung dòng xoay chiều có tần số đúng bằng tần số Lamor: 0( ) cos(2 ); 0LI t I f t t    (6.2) Trong đó: I0 - là biên độ cường độ xung dòng phát  - là thời gian phát xung fL - là tần số dòng điện Tần số dòng điện này được máy phát xác định dựa theo số liệu nhập vào của trường từ tại vị trí đo đạc. Thời gian phát thường là 40ms. Đại lượng .0Iq  có thứ nguyên A.ms, gọi là moment xung, đóng vai trò tương tự như cự ly AB giữa hai cực phát trong đo sâu điện. Đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân tiến hành với n mức xung khác nhau, thường là n = 16, để tạo ra đường cong đo sâu. Theo tính toán lý thuyết, độ sâu khảo sát trường bằng chiều dài cạnh khung dây hình vuông (a). Thường dùng là a trong khoảng từ 50m tới 150m, tuỳ thuộc vào độ sâu của tầng chứa nước cần nghiên cứu. Tín hiệu tuế sai E đo được trong khung dây suy giảm với thời gian theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian Ti. Trong cộng hưởng từ, người ta khảo sát trường từ hồi phục dọc theo phương của trường B0 và vuông góc với phương của trường B0, tương ứng với các phương đó có thời gian hồi phục dọc T1 và ngang T2. Trong thực tế trường cảm ứng từ tĩnh B0 thường không đồng nhất, ảnh hưởng tới T2 làm cho ta chỉ đo được giá trị T2 biểu kiến, được kí hiệu là * 2T và 12*2 TTT  . nhieu.dcct@gmail.com 51 6.4. CƠ SỞ VẬT LÝ ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Điện áp đo được ngay sau ngắt xung E0 càng lớn khi hạt nhân hydro càng nhiều. Chúng có trong phân tử nước, dầu khí (đối tượng khảo sát của carota cộng hưởng từ) và cả trong phân tử ở thể rắn. Chúng được phân biệt dựa vào đặc điểm hồi phục khác nhau, hằng số thời gian Ti khác nhau do mức độ linh động khác nhau. Hạt nhân trong phân tử chất rắn có mức độ linh động rất hạn chế và suy giảm rất nhanh (T2 qua nhỏ), như Bitum (một loại Hydrocacbon ở thể rắn) có msT 1,02  . Trong đất đá lỗ hổng như cát kết, trầm tích vỡ vụn giầu thạch anh, các hạt nhân trong phân tử chất lỏng liên kết với bề mặt chất rắn, tiêu hao năng lượng nên năng lượng suy giảm nhanh (T2 nhỏ), hạt nhân ở trong lỗ hổng lớn hơn (nước tự do) có T2 lớn hơn. Máy đo có thời gian chết (máy chưa đo được) ms4030  , nên chỉ đo được tín hiệu của nước tự do. Điện áp E dao động theo tần số Lamor fL và suy giảm dần với thời gian theo quy luật hàm mũ được biểu diễn theo biểu thức sau: )2cos()(),( 0 / 0 * 2    tfeqEqtE L Tt (6.3) Trong đó: - 0 là độ lệch pha giữa dòng phát trong khung dây với điện áp đo được (môi trường điện trở suất cao là bằng không) - E0 là biên độ ngay sau khi kết thúc xung dòng điện: )()(wsin)(2)( 10 rdVrrMbfqE v L   (6.4) ở đây: )),(,(/ 011 IrrfiBb   Với: - 1B là thành phần vuông góc với B0 của B1 - )(r là điện trở suất của môi trường - I là độ từ khuynh của trường địa từ - r = r(x,y,z) là vectơ toạ độ - dV là yếu tố thể tích tại toạ độ r nhieu.dcct@gmail.com 52 - 1W(r)0  là hàm lượng nước (water content) là tỷ số giữa thể tích chứa nước tự do (free water, có thể khai thác được) so với thể tích của vật thể chứa tại vị trí. - qb  15,0  là góc quay đảo, góc mà vectơ từ hoá M trong thể tích nguyên tố dV tại vị trí quay đi khi có tác dụng của 1b . Như vậy; W(r)dV(r)sin)( rM là thành phần vuông góc với vectơ từ hoá M trong thể tích nguyên tố dV tại vị trí r. Thành phần đó nhân với Mf L2 là đại lượng không đổi có thể làm rõ ý nghĩa vật lý của các số hạng. Do vậy, các số thông số tín hiệu đo được của phương pháp cộng hưởng từ có mối liên quan trực tiếp với các thông số thuỷ địa chất của bồn chứa, cụ thể là: - Biên độ E0(q) có liên quan với hàm lượng nước, vị trí và bề dày của bồn chứa có thể được tính toán. - Thời gian suy giảm T*2 có liên hệ với kích thước lỗ hổng trung bình của các đá bão hoà nước. - Sự lệch pha φ0 của trường phục hồi với dòng điện kích thích trong khung dây có liên quan với điện trở suất của đất đá. Mối liên hệ suy diễn từ kinh nghiệm giữa thời gian suy giảm tín hiệu và loại đá được trình bày trong bảng 6.1: Thời gian suy giảm (ms) Tầng chứa nước <30 Sét pha cát 30 ÷ 60 Cát pha sét và cát rất mịn 60 ÷ 120 Cát mịn 120 ÷ 180 Cát trung bình 180 ÷ 300 Cát thô và cát chứa cuội 300 ÷ 600 Trầm tích cuội 600 ÷ 1000 Các thể nước bề mặt Bảng 6.1: Kết quả thời gian tín hiệu cộng hưởng hạt nhân vào loại đất đá nhieu.dcct@gmail.com 53 Khi môi trường phân lớp ngang (1D), điện trở suất chỉ thay đổi theo phương trình tích phân Fredholm tuyến tính loại một như sau:  L zqKqE 0 0 W(z)dz),()( (6.5) Trong đó: dxdyMbfzqK xy L   sin2),( 1 Giá trị E0 ghi trong (6.4), (6.5) không thể đo trực tiếp được do hiện tượng chuyển tiếp điện từ trong mạch điện và được tính ra bằng cách ngoại suy theo quy luật hàm mũ. 6.5. ĐIỀU KIỆN VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ĐỂ TÌM KIẾM NƯỚC NGẦM 6.5.1. Điều kiện áp dụng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân Phương pháp đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi các nguồn nhiễu điện từ như thiết bị điện công nghiệp, đường điện cao áp, công trình chứa vật liệu kim loại như nhà cửa, cầu cống, do đó vị trí khảo sát phải cách nguồn nhiễu từ 500m trở lên. Đồng thời giá trị trường từ T trong phạm vi khung dây đo phải đồng nhất, biến đổi trong khoảng nhỏ hơn 20nT; như thế không thể áp dụng phương pháp này trên vùng cao nguyên phun trào banzan, vùng đá xâm nhập, cũng không thể tiến hành đo vào thời gian xảy ra bão từ vì khi đó trường địa từ biến thiên rất nhanh. 6.5.2. Áp dụng đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân để tìm kiếm nước ngầm Phương pháp đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân là phương pháp duy nhất cho phép xác định mức độ chứa nước theo chiều sâu song chỉ nên tiến hành tại vị trí có triển vọng chứa nước ngầm theo tài liệu của các phương pháp địa vật lý khác ở giai đoạn trước. Bởi vì điều kiện áp dụng như ở trên là quá ngặt nghèo, hơn nữa giá thành áp dụng phương pháp này khá cao. nhieu.dcct@gmail.com 54 Hình 6.1: Hàm lượng nước (%) tương ứng với chiều sâu của tầng chứa trong đới dập vỡ nứt nẻ Áp dụng phương pháp đo sâu cộng hưởng từ hạt nhân cho phép đánh giá độ chứa nước theo chiều sâu, (hình 6.1). Nhìn trên biểu đồ hàm lượng nước (Water content(%)) ta thấy ở độ sâu từ mặt đất tới độ sâu 23m hầu như không có nước. Từ độ sâu 23m trở xuống hàm lượng lượng nước tính theo (%) tăng dần đến độ sâu khoảng 40m đạt tới khoảng 10.5%. Mức độ chính xác của phương pháp càng cao khi lát cắt có tính phân lớp nằm ngang (1D). Với lát cắt bất đồng nhất khối, đới chứa nước trong đứt gẫy cắm thẳng đứng khả năng định lượng của phương pháp kém chính xác. nhieu.dcct@gmail.com 55 Chương VII: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ TELLUA ÂM TẦN 7.1. TRƯỜNG TỪ - TELLUA CỦA TRÁI ĐẤT 7.1.1. Nguồn gốc trường từ - tellua Trường từ - tellua là trường điện từ tự nhiên, có dải phổ tần số rất rộng, (xem hình 7.1): 5 3 Hz10 10 ( )f   , tức là chu kỳ 3 510 10 (s)T   . Tùy thuộc dải tần số, trường từ - tellua có thể chia thành các nguồn gốc sau: Hình 7.1: Dải phổ tần số của trường từ - tellua - Trường từ - tellua do gió mặt trời truyền vào trái đất với vận tốc tới 400 Km/s có áp suất lớn làm biến dạng đường sức quyển từ đồng thời làm dao động đường sức địa từ tạo thành sóng thủy từ truyền vào trái đất, tạo thành sóng điện từ ở dải tần thấp 5 Hz10 10 ( )f   , hay chu kỳ dài 510 10 (s)T   có dao động hình sin, cường độ trường rất mạnh, (hình 7.2). - Trường từ - tellua do dòng điện chạy trong quyển ion có điện thế cao luôn luôn tạo ra dông, sét có tần số ở dải âm tần 3 Hz10 10 ( )f   , hay chu kỳ ngắn 1 310 10 (s)T    , (hình 7.2) - Trường từ - tellua ở dải tần chết: 1 Hz10 10 ( )f   , tức là chu kỳ 110 10 (s)T   , có biên độ nhỏ, (hình 7.1). nhieu.dcct@gmail.com 56 Hình 7.2: Nguồn gốc trường từ - tellua Cường độ trường điện từ - tellua còn phụ thuộc vào vĩ độ, mùa, thời gian trong ngày và tính chất địa điện của lát cắt, vì vỏ trái đất là dẫn điện nên theo định luật cảm ứng điện từ sẽ xuất hiện dòng điện dẫn: j E  7.1.2. Mô hình Trikhônốp-Karhina Mô hình Trikhônốp-Karhina dựa trên 3 giả thuyết như sau: - Trường từ - tellua có nguồn gốc ngoài trái đất do gió mặt trời và dông, sét nlj  trong quyển ion. Do ở xa trái đất nên khi truyền vào trái đất dưới dạng sóng điện từ phẳng, (hình 7.3). - Vỏ trái đất dẫn điện nên tốc độ sóng v << C đồng thời do nguồn ở xa trái đất (hàng trăm km) nên sóng điện từ phẳng đi vào vỏ trái đất theo phương vuông góc với mặt đất theo định luật khúc xạ: 0sin ; suy ra: 0 sin c v       tức sóng truyền vào vuông góc với mặt đất. - Vỏ trái đất là lớp trầm tích, phân lớp nằm ngang, do cảm ứng điện từ sẽ có dòng điện dẫn: j E  nlj + + + + + + + + + + б1, h1, k1 б2, h2, k2 бj, hj, kj Hình 7.3: Mô hình Trikhônốp-Karhina nhieu.dcct@gmail.com 57 7.1.3. Trường từ -telua trên môi trường vỏ trái đất với mô hình 1D Do sóng điện từ phẳng nên:  ( ) ( ), ( ),0x yE z E z E z   ( ) ( ), ( ),0x yH z H z H z  thỏa mãn phương trình sóng Hemhon, xuất phát từ hệ phương trình Macxwell: 0 ( )rotH i E rotE i H             (7.1) từ đó ta có: 2 2 0 0 j j E k E H k H           (7.2) hay : 2 2 2 2 2 2 0 0 j j E k E z H k H z             (7.3) Ở đây: - kj là số sóng ở lớp thứ j, do tần số thấp nên: 0j jk i  7.1.4. Trở kháng của môi trường phân lớp nằm ngang Với môi trường phân lớp nằm ngang của mô hình Trikhonov-Kanhia, quan hệ giữa thành phần điện và từ vuông góc với nhau là tuyến tính; như vậy: y x xy H E Z  ; x y yx H E Z  và Zxy=Zyx=Z là trở kháng của môi trường phân lớp Nghiệm của phương trình (7.3) có dạng: zikzik)j(x jj BeAe)z(E   là thành phần điện của lớp thứ j Từ phương trình Macwell: HiErot   nhieu.dcct@gmail.com 58 ta tính được )j(yH của lớp thứ j là: )BeAe( k z E i 1H zikzik 0 j )j( x 0 )j( y jj          (7.4) Ta có trở kháng của lớp thứ j là: zikzik zikzik j 0 y x j jj jj BeAe BeAe kH E)z(Z      (7.5) sau một vài biến đổi ta thu được công thức trở kháng của môi trường n lớp                   n 1n 22 2 1 11 1 0 n k karcth...hikcth k karcthhikcth k )0(Z (7.6) - Với nửa không gian đồng nhất: n=1, h1=; cth()=1 1 0 1 k Z  (7.7a) - Với môi trường 2 lớp: n=2; h2=          2 1 11 2 0 2 k karcthhikcth k Z (7.7b) - Với môi trường 3 lớp: n=3; h3=                  3 2 22 2 1 11 1 0 3 k karcthhikcth k karcthhikcth k Z (7.7c) 6.1.5. Các giá trị tiệm cận của trở kháng a. Tiệm cận khi tần số cao Khi tần số cao ;  101 ik ; cth()=1 1 0 n k Z  (7.8) chứng tỏ ở tần số cao sóng chỉ truyền ở lớp thứ nhất có điện trở suất 1 b. Tiệm cận tần số thấp Ở tần số thấp   0 tùy thuộc vào điện trở suất của lớp móng có điện trở suất cao hay thấp ta có biểu thức trở kháng khác nhau: * Trở kháng của lát cắt nền có điện trở suất cao: n= nhieu.dcct@gmail.com 59 - Với môi trường 2 lớp: σ1, h1, σ2=0 12 1 11 1 0 2 S 1 k karcthhikcth k Z           (7.9) - Với môi trường 3 lớp có các tham số σ1, h1, σ2, h2, σ3=0 ta có: 212211 3 SS 1 hh 1Z     (7.10) - Với môi trường n lớp ta có: S 1 S...SS 1Z 1n21 n    ; với S=S1+S2++Sn-1 (7.11) Điều đó chứng tỏ ở tần số thấp với móng là nền điện trở cao, trở kháng tỉ lệ nghịch với tổng độ dẫn của các lớp nằm trên tầng móng. * Trở kháng của lát cắt có nền điện trở thấp n =0 - Với môi trường 2 lớp: σ1, h1, σ2=; khi 0; arcth(k1/k2) 0 10 2 1 11 1 0 2 hik karcthhikth k Z           (7.12) - Với môi trường 3 lớp có các tham số σ1, h1, σ2, h2, σ3= ta có:   )hh(ihikhikth k Z 2102111 1 0 3    (7.13) - Với lát cắt n lớp với tham số σ 1, h1, σ 2, h2, ..., σ n-1, hn-1, σ n= Zn=-iµ0(h1+h2+...+hn)= -i µ 0H (7.14) Ở đây: - H=h1+h2+...+hn-1 là tổng chiều dày các lớp nằm trên móng Điều này chứng tỏ khi tần số thấp, móng điện trở thấp thì trở kháng Z tỉ lệ với tổng chiều dày các lớp nằm trên móng. 7.1.6. Hai khoảng tần số tương ứng với cấu trúc vỏ Quả đất Xét về tổng thể vỏ Quả đất gồm các lớp trầm tích có độ dẫn σ1, chiều dày h1 phủ trên lớp vỏ Manti có đện trở suất cao 2= (σ 2=0), với chiều dày h2>>h1 và lớp dưới Manti có nhiệt độ cao, dẫn điện tốt (σ 3=). Như vậy, về tổng thể môi trường gồm 3 lớp nhieu.dcct@gmail.com 60   120 21 02111 1 0 Shi1 hhhikhikth k Z      (7.15) Như vậy, tùy thuộc vào tần số  sẽ tương ứng với hai khoảng tần số như sau: * Ở tần số tương đối cao: µ0h2S1>>1 từ công thức (7.15) ta có giá trị Z=1/S1 ở khoảng tần số này trở kháng sẽ chỉ liên quan đến độ dẫn dọc của các tầng trầm tích nên gọi là khoảng S. * Ở khoảng tần số thấp, tương ứng với µ0h2S1<<1, từ công thức (7.15) ta có giá trị: Z=-iµ0(h1+h2)=-iµ 0H; với H= h1+h2 Ở khoảng tần số này trở kháng phụ thuộc vào tổng chiều dày trên tầng tựa dẫn điện vì vậy gọi là khoảng H. 7.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ - TELUA (MTZ) TRONG MÔI TRƯƠNG 1D 7.2.1. Định nghĩa Phương pháp MTZ là phương pháp nghiên cứu điện trở suất biểu kiến theo chiều sâu bằng cách quan sát trở kháng của trường từ - telua ở dải tấn số từ cao xuống thấp để tăng dần chiều sâu khảo sát. Chiều sâu khảo sát của phương pháp hay bề dày lớp Skin được xác định theo công thức: 0 0 1 500 . 22 T Tz T          Ưu điểm: - Nguồn trường tự nhiên nên không phải phát trường hơn nữa ở Việt Nam là nước có vĩ độ thấp nên trường càng mạnh. - Chiều sâu khảo sát từ vài trăm m đến hàng trăm km vì dải tần rất rộng: 5 3 Hz(10 10 ) ( )f   Tùy thuộc dải tần số người ta chia thành hai phương pháp đo sâu: - Phương pháp từ - tellua dải tần thấp ký hiệu là MTZ, có dải tần 5 1 Hz(10 10 ) ( )f    nghiên cứu cấu trúc sâu từ vài km đến vài trăm km. nhieu.dcct@gmail.com 61 - Phương pháp từ - tellua âm tần ký hiệu là AMTZ ở dải tần số cao 3 Hz(10 10 ) ( )f   nghiên cứu chiều sâu nông từ vài trăm m đến km. Xét tổng thể ta vẫn gọi chung là phương pháp đo sâu từ - tellua. 7.2.2. Công thức tính điện trở suất: T Từ biểu thức trở kháng trên nửa không gian đồng nhất: 0 0 1 1 1 ; iZ k k       2 0 1Z   suy ra: 21 0 1 Z   Trên nửa không gian bất đồng nhất vẫn dùng công thức này tính được điện trở suất biểu kiến: 2 2 0 0 1 2T TZ Z     (7.16) Với đơn vị đo thuộc hệ kỹ thuật thì: 20.2 .T T Z  (7.17) Với mô hình phân lớp 1D: 4 0 1. . i n nZ e R      thay vào công thức tính T ta được: - 21T nR  là đường cong đo sâu MTZ lý thuyết được xây dựng trên giấy loga kép. - ( )T T gọi là đường cong biên độ - Ngoài ra còn có đường cong pha: 045 .Ar T ng R   (7.18) 7.2.3. Đường cong đo sâu MTZ lý thuyết a. Các tiệm cận - Tiệm cận trái: , 0, 1nT R   nhieu.dcct@gmail.com 62 2 1 1T nR    (7.19) - Tiệm cận phải: 2 0 2 0 0 1 1 1 khi , . khi 0, = n T n T S SZ i H H                (7.20) thay: 2 T  ta được: - Nếu: n   ; 2 02 T T S    ; 20lg 2 lg lg 2T T S   tiệm cận nghiêng một góc + 630 25’, cắt trục hoành ở giá trị ST - Nếu: 0n  ; 20 2 .T HT    ; 20lg lg lg 2T T H    tiệm cận nghiêng một góc - 630 25’, cắt trục hoành ở HT - Đồ thị đường cong T đối xứng với trục hoành. b. Tính tương đương: Với đường cong đo sâu từ - tellua tuân theo nguyên lý tương đương sau: - Đường cong loại H, A tương đương S - Đường cong loại K, Q tương đương T 7.2.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu MTZ a. Hệ thiết bị đo - Hai dây thu, (xem hình 7.4a). 1 1 1 2 2 1, l M N l M N  , đặt 1 2l l . M2 M1 N1 N2 Ex Ey Hy Hình 7.4a: Hai đầu dây thu Trường điện Hình 7.4b: Hai đầu thu trường từ nhieu.dcct@gmail.com 63 1 1 x U mVE l m       ; 2 2 y U mVE l m       - Hai đầu thu từ đo hai thành phần từ Hx, Hy (xoắn hàng ngàn vòng dây), như hình 7.4b, đơn vị đo Hx, Hy đo bằng nT: 2101 4 AnT m   b. Các máy đo - Máy đo MTZ tần số thấp : f < 1Hz; T=10 n104(s) là các trạm MTZ - Máy đo tần số cao f > 1Hz (100103) Hz là máy AKF_4 c. Phương pháp đo Theo tỷ lệ khảo sát, chọn điểm đo nơi địa hình bằng phẳng, đặt các đầu thu nối vào máy đo, bật máy và quan sát. 7.2.5. Phương pháp xử lý tài liệu đo sâu MTZ trong môi trường 1D a. Đúc kết tài liệu đo sâu MTZ * Xác định trở kháng Z Nhờ biến đổi Furier, coi tín hiệu ghi E, H ở khoảng chu kỳ 0 0T T  ta xác định trở kháng Z theo các bước sau: - Xác định hàm tương quan : 0 00 1( ) . ( ). ( ) 2 T uv T K U t V t dt T      (7.21) Với : , , ,x y x yU E E H H và ,x yV H H - Tìm phổ công suất : ( ) ( ). iuv uvS K e d          (7.22) - Giải phương trình ma trận trở kháng : , ˆ ˆˆ.E H HHS Z S (7.23) từ đó xác định được trở kháng: 1,ˆ ˆˆ .E H HHZ S S  , với 1Sˆ  là ma trận nghịch đảo của Sˆ : nhieu.dcct@gmail.com 64 Với môi trường 1D: yx 0 0 0 0 xyz zZ z z            (7.24) * Vẽ đường cong T : 2 0 1 xyT xy Z   ; 2 0 1 yxT yx Z   (7.25) Với lát cắt mô hình 1D: xy yxT T T     b. Xử lý tài liệu đo sâu MTZ * Lát cắt điện trở suất theo chiều sâu ( )T z Xử lý tài liệu đo sâu từ - tellua dựa trên đường cong biến đổi từ đường cong ( )T T về ( )T z : lg ( ) lg ( )( ) ( ). 2 2 lg lg T T T T T Tz T T T                     (7.26) Đặt: lg ( ) lg T Tm T    ta có: (2 )( ) ( ). (2 )T T mz T m      (7.27) với: 500 . TZ T  Vẽ lát cắt ( )T z trên toàn tuyến đo sẽ được lát cắt điện trở có độ phân giải cao và tính định xứ tốt, phản ánh trung thực lát cắt địa điện hơn lát cắt ( )T T * Tính các tham số của lát cắt có móng điện trở cao hoặc thấp - Khi có móng kết tinh điện trở cao tiệm cận nhánh bên phải đường cong T nghiêng 63 0 25’ nên kẻ đường S nghiêng 630 25’ ở tiệm cận nhánh phải có n   cắt trục hoành tại ST ; 365 SS T ; tính chiều sâu đến móng tại điểm đo: .lH S nhieu.dcct@gmail.com 65 - Khi có móng kết tinh điện trở thấp tiệm cận nhánh bên phải đường cong T nghiêng một góc -63 0 25’ nên kẻ đường H nghiêng - 630 25’ với trục hoành, cắt trục hoành ở HT tính được chiều sâu đến móng điện trở thấp: 356 HH T Tính H tại từng điển đo sâu, vẽ bản đồ đẳng chiều sâu H, ta được các cấu tạo móng trên bản đồ cấu tạo của diện tích khảo sát. Thí dụ minh họa áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua nghiên cứu cấu trúc địa chất, (xem hình 7.5). Hình 7.5: Kết quả xử lý tài liệu đo sâu từ Tellua 2D 7.2.6. Khả năng áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua để tìm kiếm nước ngầm Phương pháp đo sâu từ - tellua được áp dụng để nghiên cứu cấu tạo địa chất, đặc biệt là nghiên cứu cấu trúc sâu của vỏ trái đất. Nếu áp dụng phương pháp đo sâu từ - tellua để tìm kiếm nước ngầm thì đối tượng chứa nước phải có điện trở suất rất thấp ρ<10 Ωm. Đối tượng này chỉ gặp khi các cấu trúc địa chất chứa nước nhiễm mặn hoặc có độ khoáng hóa rất cao. Vì với máy đo sâu từ - tellua ở dải tần số âm tần như hiện nay f=1÷103 Hz với đa số đất đá thông thường sẽ có chiều sâu khảo sát ở độ sâu vượt quá tầng chứa nước mà chúng ta quan tâm. nhieu.dcct@gmail.com 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A.H. Loke, 2-D and 3-D electrical imaging surveys. 2. Khmelepokoi B.K; Sepnhin B.A. Đo sâu điện trong môi trường địa chất. MGU – 1988 3. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Thăm dò điện trở điện hóa, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, 2005. 4. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Thăm dò điện phân giải cao, Giáo trình cao học 1997, Đại học Mỏ Địa chất 5. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Các phương pháp thăm dò điện phân giải cao, Giáo trình cao học 2011, Đại học Mở Địa chất 6. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Thăm dò điện 2D và 3D, Giáo trình cao học 2011, Đại học Mỏ Địa chất 7. PGS.TS Nguyễn Trọng Nga, Lý thuyết trường, Đại học Mỏ Địa chất, 2001. nhieu.dcct@gmail.com