Giáo trình Địa vật lý đại cương

Nội dung text: Giáo trình Địa vật lý đại cương

1. Giáo trình Địa vật lý đại cương
2. LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Địa vật lý đại cương” đã được các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Địa vật lý giảng dạy trong nhiều năm không những cho ngành Địa vật lý mà còn cho các ngành Địa chất Dầu khí, Kỹ thuật khoan, Địa chất thăm dò, Địa chất thủy văn và Địa chất công trình. Trước đây Bộ môn vẫn sử dụng giáo trình “Địa vật lý đại cương” do GS.TSKH Mai Thanh Tân biên soạn để giảng dạy theo chương trình niên chế với thời lượng dành cho môn học này là 60 tiết. Hiện nay dạy theo chương trình tín chỉ, thời lượng dạy môn học này chỉ còn là 30 tiết. Điều đó gây không ít khó khăn cho các CBGD, nhất là các CBGD trẻ. Để đáp ứng yêu cầu giảng dạy “Địa vật lý đại cương” theo chương trình tín chỉ, Bộ môn Địa vật lý thống nhất biên soạn lại giáo trình này với với tiêu chí vẫn bảo đảm kiến thức cơ bản, khái quát các phương pháp địa vật lý, cơ sở vật lý địa chất, máy móc thiết bị đo, phương pháp xử lý tài liệu và phạm vi áp dụng của nó. Giáo trình do PGS. TS Nguyễn Trọng Nga biên soạn, được tập thể Bộ môn Địa vật lý chỉnh biên. Nội dung chỉ còn lại 6 chương: Mở đầu Chương 1: Phương pháp Trọng lực do TS. Đào Ngọc Tường chỉnh biên. Chương 2: Phương pháp Thăm dò Từ do GVC Bùi Thế Bình chỉnh biên. Chương 3: Phương pháp Thăm dò Điện, do ThS Kiều Duy Thông bổ sung, PGS.TS Nguyễn Trọng Nga chỉnh biên. Chương 4: Phương pháp Thăm dò Địa chấn do TS Phan Thiên Hương chỉnh biên. Chương 5: Phương pháp Phóng xạ do GS.TS Lê Khánh Phồn chỉnh biên. Chương 6: Phương pháp Địa vật lý giếng khoan do PGS.TS Lê Hải An chỉnh biên. Giáo trình này được biên soạn rất ngắn gọn nhưng vẫn cập nhật các kiến thức mới với các thí dụ minh họa được áp dụng trong thực tế sản xuất ở Việt Nam. Với thời gian biên tập ngắn để kịp phục vụ sinh viên đào tạo theo tín chỉ nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu xót. Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quí báu để giáo trình được hoàn hảo hơn. TÁC GIẢ PGS.TS Nguyễn Trọng Nga 1
3. MỞ ĐẦU CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ 1. Định nghĩa Phương pháp địa vật lý là phương pháp quan sát trường địa vật lý để nghiên cứu cấu trúc địa chất vỏ quả đất và tìm kiếm khoáng sản có ích. 2. Phân loại Để phân loại phương pháp địa vật lý người ta dựa trên các nguyên tắc sau: * Dựa vào lĩnh vực nghiên cứu người ta chia ra: - Vật lý địa cầu: Nghiên cứu vỏ quả đất, cấu trúc sâu từ một vài km đến manti. - Địa vật lý thăm dò: Nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất từ mặt đất đến một vài km. Nếu chia nhỏ hơn ta có: + Cấu trúc từ một vài m đến 25 m: Thuộc lĩnh vực “Địa chất công trình - Địa kĩ thuật”; + Cấu trúc từ một vài chục m đến vài trăm m: Thuộc lĩnh vực “Tìm nước ngầm và khoáng sản rắn”; + Cấu trúc sâu một vài km: Thuộc lĩnh vực “Tìm kiếm dầu khí”. * Dựa vào các trường địa vật lý được áp dụng người ta chia thành các phương pháp địa vật lý sau: + Phương pháp “Thăm dò Trọng lực” - khảo sát trường Trọng lực; + Phương pháp “Thăm dò Từ” - khảo sát trường Địa từ; + Phương pháp “Thăm dò Phóng xạ” - khảo sát trường Phóng xạ; + Phương pháp “Thăm dò Địa chấn” - khảo sát trường Sóng đàn hồi; + Phương pháp “Thăm dò Điện” - khảo sát trường Điện; + Phương pháp “Thăm dò Địa nhiệt” - khảo sát trường Địa nhiệt; + Phương pháp “Địa vật lý giếng khoan” - khảo sát trong lỗ khoan. 3. So sánh với phương pháp địa chất Khác với phương pháp địa chất, nghiên cứu trực tiếp qua mẫu khoan và vết lộ, các phương pháp địa vật lý nghiên cứu gián tiếp qua trường địa vật lý. 4. Trường địa vật lý Trường là khoảng không gian xảy ra các tương tác vật lý. Trái đất luôn tồn tại các trường địa chấn (động đất), trường địa từ, trường trọng lực, trường địa điện, trường phóng xạ, trường địa nhiệt. Quan sát các trường này trên mặt đất giúp ta tìm ra nguồn gây ra chúng. * Để phân loại trường người ta dựa trên nguồn gốc sinh ra nó: + Trường có nguồn gốc tự nhiên là trường vốn có trong tự nhiên như động đất, phóng xạ ; + Trường có nguồn gốc nhân tạo là trường do con người tạo ra như nổ mìn, phát điện 5. Bài toán thuận và bài toán ngược địa vật lý * Bài toán thuận địa vật lý Bài toán thuận địa vật lý là bài toán tính toán trường trên mô hình môi trường đã biết rõ về hình dạng, kích thước đối tượng, cấu trúc môi trường vây quanh và các tham số vật lý của nó. Bài toán thuận luôn đơn trị, có nghĩa là chỉ có một nghiệm duy nhất. * Bài toán ngược địa vật lý Bài toán ngược địa vật lý là bài toán xuất phát từ việc quan sát trường dẫn đến việc giải đoán cấu trúc môi trường trên cơ sở xử lý, biến đổi toán học trường quan sát. Bài toán 2
4. ngược có tính đa trị, nghĩa là có thể có nhiều kết quả. 6. Kênh thông tin địa vật lý Quá trình khảo sát đo đạc địa vật lý, từ khâu tài liệu quan sát, xử lý tài liệu dẫn đến kết luận địa chất thực chất là một kênh thông tin như sau: Nguồn Môi trường Trường Đo đạc khảo Số liệu Xử lý trường địa chất địa vật lý sát trường địa vật lý phân tích Kết quả địa vật lý địa chất 7. Tín hiệu và nhiễu địa vật lý Các số liệu đo trường địa vật lý f(t, r) trong không gian và thời gian bao gồm tín hiệu có ích phản ánh đúng đối tượng trong môi trường S(t, r) và nhiễu n(t, r) - do nguồn khác với đối tượng như nhiễu kĩ thuật, nhiễu có trong tự nhiên, tất cả tác động vào số liệu đo: f(t, r) = S(t, r) + n(t, r) Trong thực tế sẽ xảy ra các trường hợp như sau: - S(t, r) >> n(t, r) nghĩa là tín hiệu mạnh hơn nhiễu, khi xử lý sẽ dễ nhận biết đối tượng; - S(t, r) n(t, r) nghĩa là tín hiệu xấp xỉ nhiễu, khi xử lý khó nhận biết đối tượng; - S(t, r) << n(t, r) nghĩa là tín hiệu nhỏ yếu so với nhiễu, khi xử lý sẽ rất khó nhận biết đối tượng. Người ta sử dụng bộ lọc k(t, r) để làm yếu nhiễu, làm rõ tín hiệu có ích nghĩa là tín hiệu đo chập với bộ lọc sẽ cho tín hiệu có ích mạnh lên. f’(t, r) = f(t, r) * k(t, r) S(t, r) 8. Điều kiện áp dụng phương pháp địa vật lý Để áp dụng có hiệu quả các phương pháp địa vật lý phải có hai điều kiện: - Đối tượng có tính chất vật lý (tham số) khác biệt với đất đá môi trường vây quanh. Với tính chất vật lý nào đó thì phải áp dụng phương pháp địa vật lý tương ứng thích hợp mới có hiệu quả. - Đặc điểm hình thái đối tượng: Đối tượng gây ra trường địa vật lý nằm càng nông, kích thước lớn thì càng dễ phát hiện. Gọi kích thước đối tượng là d, nằm ở chiều sâu h, thì điều kiện phát hiện là h phải nhỏ hơn d. Để đánh giá khả năng phát hiện của một phương pháp địa vật lý nào đó người ta thường làm như sau: - Dự kiến mô hình đối tượng với các tham số của nó; -Tính bài toán thuận từ mô hình đã cho, kết quả có tín hiệu phản ánh đối tượng là tốt. 9. Mạng lưới quan sát và biểu diễn kết quả địa vật lý a. Mạng lưới quan sát địa vật lý Mạng lưới quan sát địa vật lý gồm tuyến đo hay mạng lưới tuyến đo có giá trị nhất định đến hiệu quả của phương pháp địa vật lý. Vì vậy khi quan sát địa vật lý phải chọn mạng lưới như sau: - Phương tuyến đo phải chọn vuông góc với phương kéo dài của đối tượng để bảo đảm gặp đối tượng và tín hiệu có ích mạnh nhất; 3
5. - Khoảng cách điểm đo phải đủ dày sao cho có ít nhất 2 hoặc 3 điểm đo nằm trên đối tượng để bảo đảm độ tin cậy của tín hiệu có ích; - Căn cứ vào mức độ khảo sát chọn tỉ lệ đo vẽ thích hợp từ tỉ lệ nhỏ tới tỉ lệ lớn: 1:1.000.000 đến 1:500, cứ 1÷2 cm trong tỉ lệ đo vẽ có một tuyến đo. Như vậy bảo đảm không bỏ xót đối tượng ở tỉ lệ đo. b. Biểu diễn kết quả địa vật lý - Kết quả khảo sát theo tuyến thường biểu diễn dưới dạng: + Đồ thị kết quả đo địa vật lý và kèm theo lát cắt địa chất vẽ ở dưới ; + Lát cắt địa vật lý theo tham số địa vật lý là bức tranh “Lát cắt kết quả theo hai chiều x, z” - Kết quả khảo sát theo diện tích được biểu diễn dưới dạng bản đồ đẳng trị tham số đo địa vật lý ở hai mức: + Bản đồ kết quả địa vật lý trên mặt đất (z = 0); + Bản đồ kết quả địa vật lý ở các chiều sâu (z = h). 10. Tổ hợp phương pháp địa vật lý Để hạn chế tính đa trị của bài toán ngược địa vật lý phải áp dụng nhiều phương pháp địa vật lý, mỗi phương pháp phản ánh một tính chất địa vật lý của đối tượng, khi tổng hợp số liệu sẽ cho kết quả khẳng định về đối tượng tìm kiếm, trong những trường hợp thuận lợi có thể cho phép khẳng định về bản chất của đối tượng tìm kiếm. Thí dụ như đó là loại quặng gì, cấu tạo có khả năng chứa dầu khí cao hay thấp 4
6. CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ TRỌNG LỰC Thăm dò trọng lực là phương pháp địa vật lý quan sát (đo) trường trọng lực trên mặt đất để nghiên cứu cấu trúc địa chất, tìm kiếm khoáng sản và giải quyết các nhiệm vụ địa chất. Cơ sở áp dụng của phương pháp trọng lực là do đất đá khác nhau về mật độ (khối lượng của một đơn vị thể tích đất đá) nghĩa là đối tượng phải có sự chênh lệch về mật độ hay tồn tại mật độ dư:   0 . Với:  là mật độ của đối tượng; 0 là mật độ của đất đá vây quanh. Mật độ  luôn dương nhưng mật độ dư  có thể dương hoặc âm do  0 hoặc  0 . §1.1 Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp trọng lực 1.1.1. Trường trọng lực Trường trọng lực của trái đất bằng tổng của trường hấp dẫn do khối lượng trái đất và trường ly tâm do sự quay quanh trục trái đất tạo ra tại mặt đất (xem hình 1.1)  g f C (1.1) M  Với: f k R là trường hấp dẫn do khối lượng M của trái R3 đất gây ra.  C 2 .d là trường ly tâm do sự quay của trái  Hình 1.1: Trọng lực và các đất.Trường ly tâm C nhỏ, bằng 1/300 trường hấp dẫn f . thành phần của nó Ở đây: k = 6,67 .10-8 cm3/g.s2 là hằng số hấp dẫn. Nguồn gây ra trường trọng lực là khối lượng M và vận tốc quay  của trái đất. Đơn vị đo trọng lực trong hệ CGS là cm/s2, gọi là Gal. 1Gal = 1 cm/s2 1mGal = 10-3 Gal 1.1.2. Trường hấp dẫn của một vật thể Giả sử vật thể có thể tích V, xét yếu tố khối lượng dm  .dV gây ra trường hấp dẫn df tại điểm M trên mặt đất (xem hình 1.2). .dV df k r r3 1/2 Với r  x2  y 2  z 2 Hình 1.2: Trường hấp dẫn của df có các thành phần theo các trục tọa độ và tương một vật thể ứng có các thành phần trường hấp dẫn là: 5
7. .dV .  x df k  x f k dV x3 x 3 rV r .dV .  y df k  y f k dV (1.2) y3 y 3 rV r .dV .  z df k  z f k dV z3 z 3 rV r 1.1.3. Giá trị trọng lực bình thường và dị thường a. Giá trị trọng lực bình thường Giá trị trọng lực bình thường là giá trị trọng lực trên mặt đất lý thuyết có dạng elipxoit gồm các lớp đồng tâm, đồng nhất. Với một vùng nhỏ hẹp trên mặt đất lý thuyết gần như trùng với mặt geoit là mặt biển yên tĩnh nên ta có giá trị trọng lực bình thường là: 2 2 2  0g e 1  .sin  1 .sin 2  2 .cos .cos2  (1.3) Trong đó: ge là giá trị trọng lực ở xích đạo; ,, 1  2 là các hệ số liên quan đến độ dẹt, vận tốc quay, sự phân bố khối lượng của trái đất; ,  là vĩ độ, kinh độ của vị trí điểm xác định. Vì giá trị 2 1 nên thực tế 0 coi như không phụ thuộc vào kinh độ. b. Dị thường trọng lực * Dị thường trọng lực Dị thường trọng lực là giá trị trọng lực quan sát trừ đi giá trị trọng lực bình thường tại điểm quan sát: g gqs g 0 (1.4) * Ý nghĩa của dị thường trọng lực:   g gqs g 0 fqs C f 0 C f qs f 0 (1.5) Như vậy trường trọng lực hoàn toàn khác trường hấp dẫn nhưng dị thường trọng lực lại hoàn toàn trùng dị thường hấp dẫn. Nguồn gây ra dị thường trọng lực là khối lượng dư m  .V . Do đó dị thường trọng lực càng lớn khi đối tượng có mật độ dư  càng lớn và kích thước càng lớn. * Tính dị thường trọng lực Do điểm quan sát và điểm có giá trị trọng lực bình thường 0 không cùng một vị trí. Do đó phải thực Hình 1.3: Hiệu chỉnh trọng lực hiện một số hiệu chỉnh để đưa  về g : 0 0 g gqs 0  g hc (1.6) Trong đó: ghc là lượng hiệu chỉnh ảnh hưởng do điều kiện đo đạc. * Lượng hiệu chỉnh  ghc gồm các hiệu chỉnh sau: - Hiệu chỉnh độ cao: Khi tăng độ cao, giá trị trọng lực sẽ giảm như vậy hiệu chỉnh độ cao có giá trị dương (gọi là hiệu chỉnh Fai). gH 0,3086.H 6
8. - Hiệu chỉnh lớp giữa: Có lớp đất đá mật độ  nằm giữa điểm đo với mặt geoit, coi như là lớp mỏng có chiều dày H làm tăng giá trị trọng lực vì vậy hiệu chỉnh lớp giữa có giá trị âm. glg 0,0418.  .H - Hiệu chỉnh địa hình: Địa hình lồi lõm quanh điểm quan sát làm cho dư thừa vật chất hoặc thiếu vật chất đều làm giảm giá trị trọng lực, vì vậy hiệu chỉnh địa hình có giá trị dương và được tính khi biết mặt địa hình quanh điểm quan sát. Người ta chia diện tích quanh điểm quan sát thành các yếu tố xéctơ có diện tích Sij và sự chênh độ cao Hij với điểm đo. Giá trị hiệu chỉnh địa hình là: gdh   g ij i j Trong đó: gij là giá trị hiệu chỉnh của xéctơ có thể tích là một khối diện tích đáy Sij và chiều cao là Hij Như vậy dị thường trọng lực sẽ là: g gqs  0  g H  g lg  g dh gqs  0 0,3086 0,0418  H  g dh (1.7) 1.1.4. Cơ sở địa chất - Mật độ đất đá Mật độ đất đá là khối lượng riêng của đất đá  m / V . Đơn vị đo mật độ  là g/cm3, được xác định bằng cân kỹ thuật. Mật độ đất đá được tính theo ba lần cân mẫu. P  1 (1.8) PP2 1 PP2 3 P Trong đó: P1 là trọng lượng mẫu cân lần 1 trong không khí; P2 là trọng lượng mẫu bọc parafin cân lần 2 trong không khí; P3 là trọng lượng mẫu bọc parafin cân lần 3 trong nước; P là mật độ parafin (đã biết trước). Các loại đá khác nhau có mật độ khác nhau, phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đá (xem bảng 1.1) Bảng 1.1: Mật độ đất đá Tên đá Mật độ Tên đá Mật độ Tên đá Mật độ (g/cm3) (g/cm3) (g/cm3) Đá trầm tích Đá biến chất Đá macma Đất 1,20 – 2,40 Quaczit 2,50 – 2,70 Riolit 2,35 – 2,70 Sét 1,63 – 2,60 Diệp thạch 2,39 – 2,90 Andesit 2,40 – 2,80 Cát 1,70 – 2,30 Gơnai 2,69 – 3,70 Granit 2,50 – 2,81 Cát kết 1,61 – 2,76 Cẩm thạch 2,60 – 2,90 Granodiorit 2,67 – 2,79 Phiến sét 1,77 – 3,20 Amphibon 2,90 – 3,04 Điorit 2,72 – 2,99 Đá vôi 1,93 – 2,90 Secpentin 2,40 – 3,10 Điabaz 2,50 – 3,20 Đolomit 2,28 – 2,90 Bazan 2,70 – 3,30 Gabro 2,70 – 3,50 7
9. Nhìn chung mật độ đá trầm tích nhỏ hơn đá biến chất và đá magma: tt  bc  mm . Gây ra dị thường trọng lực là khối lượng của vật thể cómật độ dư   0 . Dị thường trọng lực phụ thuộc vào độ lớn của mật độ dư  và thể tích của vật thể V. Ví dụ: Dị thường hang Kast rỗng có  0 nên g có giá trị âm, còn dị thường do móng kết tinh có  0 nên g có giá trị dương. §1.2 Phương pháp kỹ thuật đo trọng lực 1.2.1. Máy đo trọng lực * Nguyên tắc máy đo trọng lực: Các máy đo trọng lực dựa trên các nguyên tắc sau: - Nguyên tắc động: Quan sát chuyển động của vật thể trong trường trọng lực. Ví dụ: Quan sát dao động của con lắc (đo thời gian, chu kỳ dao động) hay quan sát sự rơi tự do của một vật. - Nguyên tắc tĩnh: Quan sát trạng thái cân bằng khi trọng lực tác dụng vào thiết bị đo. a. Máy đo trọng lực con lắc Dựa trên nguyên tắc động: Với con lắc tự do chu kỳ dao Hình 1.4: Con lắc tự do động của con lắc là (xem hình 1.4). l T T2 .g 2 .l const g Giả sử ở điểm chuẩn đo được chu kỳ là T0, trọng trường là g0. Tương ứng ở điểm thứ i đo được chu kỳ Ti, trọng trường là gi. ΔT Như vậy: Ti = T 0 + ΔT = T 0 1+ T0 2 T 2 T gi g 0 1 g 0 1 TT0 0 T g gi g 0 2.g 0 . T0 Như vậy đo chu kì dao động, người ta xác định được gia số trọng lực gi . Sau đó tính giá trị trọng lực tuyệt đối: gi g 0  g i (1.9) Đó là giá trị trọng lực tuyệt đối 1. Vỏ máy tại điểm i. 2. Khung thạch anh 3. Sợi dây thạch anh b. Trọng lực kế thạch anh 4. Lò xo thạch anh Dựa trên nguyên tắc tĩnh người ta 5. Cánh tay đòn gắn chế tạo trọng lực kế thạch anh (hình 1.5) trọng vật Điều chỉnh độ căng của lò xo 6. Hệ thống quang học cho phép cân bằng mô men đàn hồi của lò so với mô men trọng lực. Ở Hình 1.5: Sơ đồ hệ đàn hồi máy trọng lực thạch anh 8
10. trạng thái cân bằng thông qua hệ thống quang học, xác định giá trị tương đối trọng lực tại điểm đo so với điểm gốc: giI C S i S I (1.10) Trong đó: C là hằng số máy tức giá trị trọng lực của một vạch chia; Si, SI là số đo tại điểm đo thứ i và điểm gốc I. Hiện nay thường dùng các loại máy đo trọng lực loại này là: GNUK (Nga), Z-400 (Trung quốc), CG-3, CG-4, CG-5 (Scintrex- Canada), Sodin (Canada) có độ chính xác từ 0,03÷0,001mGal. 1.2.2. Đo vẽ trọng lực Phương pháp trọng lực được đo vẽ theo tỷ lệ đo từ 1:1.000.000 ÷1:5 000. - Mạng lưới đo: Phân bố đều trên diện tích khảo sát; - Hệ thống các điểm đo: Các điểm đo trọng lực được chia thành: Điểm đo tựa là các điểm đo có độ chính xác cao hơn và được tính ra giá trị trọng lực tuyệt đối, được phân bố theo mạng lưới đa giác phủ tương đối đều trên diện tích đo. Điểm đo thường là các điểm đo nằm giữa các điểm tựa theo các chuyến đo. - Tọa độ điểm đo phải được biết với độ chính xác cần thiết. 1.2.3. Tính dị thường trọng lực Bughe Dị thường trọng lực Bughe được tính theo công thức (1.6). gB g qs  0  g hc (1.11) Trong đó: gqs g g  g i gg là giá trị trọng lực ở điểm gốc; gi là giá trị trọng lực tương đối tại điểm đo so với điểm gốc; ghc 0,3086 0,0418  .H  g dh Kết quả đo trọng lực được biểu diễn dưới dạng đồ thị dị thường (khi đo theo tuyến) hay bản đồ đẳng trị dị thường Bughe trên diện tích đo. §1.3 Xử lý tài liệu trọng lực, phạm vi áp dụng của phương pháp trọng lực Để xử lý tài liệu trọng lực, trước hết phải biết dị thường trọng lực của một số vật thể đơn giản. 1.3.1. Dị thường trọng lực của một số vật thể đơn giản Dị thường trọng lực của vật thể quyết định bởi hình dạng vật thể có thể tích V và mật độ dư   0 , do khối dư m  .V (xem hình 1.6). Xét yếu tố dV gây ra dị thường trọng lực:  z dg dfz x,y,z k  3 dV r Hình 1.6: Dị thường trọng lực của vật thể Nên vật thể m  .V gây ra dị thường trọng lực:  z g k.  dV (1.12) 3 V r 9
11. a. Dị thường trọng lực của vật thể dạng cầu Với  x,  0,  h r x2 h 2 , vật thể có dạng cầu gây ra dị thường trọng lực là: V. .h 43 h gcau k.3 k. . .a .  3/2 (1.13) r 3 x2 h 2 Dị thường trọng lực của quả cầu có dạng như hình 1.7a Trường hợp  0 (thí dụ hang kast rỗng) gây nên dị thường trọng lực âm (hình 1.7.b). Hình 1.7: Dị thường trọng lực của vật thể hình cầu b. Dị thường trọng lực của hình trụ tròn nằm ngang Với vật thể là hình trụ tròn nằm ngang gây ra trường như trường của một thanh nằm ngang có mật độ dài  .a2 .  (xem hình 1.8). Khi tuyến vuông góc với trục của hình trụ ta có dị thường trọng lực là. .h .a2 .  .h g 2.k. 2.k. (1.14) tru r2 x 2 h 2 Dị thường trọng lực của hình trụ trên các tuyến vuông góc với trục của hình trụ đều Hình 1.8: Dị thường trọng lực củavật thể có dạng như nhau. hình trụ tròn nằm ngang c. Dị thường trọng lực của bậc thẳng đứng Bậc thẳng đứng như một nửa lớp mỏng phẳng có độ dày h = z2 - z1, mật độ dư  gây nên biên độ dị thường (hình 1.9). gbâc 2 .k.  . z 2 z 1 (1.15) Các kết quả trên được sử dụng để nhận biết sơ bộ dị thường trọng lực. d. Dị thường mặt móng đá gốc Với đá gốc có dạng là một vòm nâng, do Hình 1.9: Biên độ dị thường trọng lực của mật độ dư  0 nên gây ra dị thường trọng lực nửa vỉa mỏng nằm ngang g đồng dạng với địa hình mặt móng (xem hình 1.10). 1.3.2. Xử lý tài liệu trọng lực Tài liệu trọng lực đo được ở một diện tích nghiên cứu được biểu diễn dưới dạng bản đồ dị thường Bughe: gB g qs  0  g hc Dị thường trọng lực Bughe phản ánh cấu trúc địa chất, nhưng do hiệu ứng gộp gồm nhiều đối tượng nên phải dùng phương pháp xử lý để Hình 1.10: Dị thường trọng lực của vòm nâng tách ra từng đối tượng gây ra dị thường. 10
12. * Các tài liệu tiếp tục được xử lý bao gồm: a. Chuyển trường lên trên Chuyển trường lên trên (quan sát xa đối tượng) như vậy cho thấy các cấu trúc lớn nằm sâu. Muốn vậy người ta thực hiện nâng trường lên cao (xem hình 1.11). a. Trường bất thường Bughe quan sát b. Hình ảnh chuyển trường lên trên 16km Hình 1.11: Hình ảnh biến đổi trường trọng lực b. Chuyển trường xuống dưới Mục đích chuyển trường xuống dưới ở mức gần đối tượng hơn, với mục đích xác định rõ các bất đồng nhất địa phương ở chiều sâu nào đó, nguyên tắc tính hạ trường cũng tương tự như nâng trường. c. Đạo hàm theo phương thẳng đứng Người ta có thể tính đạo hàm theo phương thẳng đứng g /  z , kết quả làm rõ cấu trúc đối tượng nằm nông. d. Phân chia trường Do dị thường quan sát là tổng các dị thường khu vực (do các đối tượng nằm sâu) và dị thường địa phương (do các đối tượng nằm nông) nên có thể tách thành các phần: g gkv g đp (1.16) Dùng các phép trung bình trường ở các bán kính khác nhau cho phép tính các dị thường địa phương và khu vực. Dị thường g đp thường gây ra do các đối tượng là mỏ quặng hoặc vật thể đá gốc địa phương. 1.3.3. Phạm vi áp dụng của phương pháp thăm dò trọng lực a. Áp dụng trong vật lý địa cầu: Nghiên cứu dị thường khu vực gkv cho phép: - Nghiên cứu hình thái cấu trúc vỏ trái đất nằm sâu vài trăm km; - Nghiên cứu cấu trúc vỏ quả đất: Mặt Moho, lớp bazan, đứt gãy sâu vài chục kilomet; - Nghiên cứu cấu trúc địa chất sâu: Phân vùng địa máng, miền nền, chuẩn nền, các đới sụt lún, đứt gãy sâu đến vài chục kilomet. b. Áp dụng trong địa chất thăm dò: Nghiên cứu dị thường địa phương g đp cho phép: + Tìm kiếm khoáng sản: - Nghiên cứu địa chất khu vực: Cấu trúc các vùng trũng, cấu tạo tích tụ dầu khí, cấu trúc bể than; - Cấu trúc chứa quặng, vùng đá xâm nhập; 11
13. - Tìm các mỏ quặng sắt (hematit, manhetit) ở vùng đá xâm nhập, đá vôi, khảo sát dị thường địa phương. + Nghiên cứu phục vụ địa chất công trình: - Phát hiện đứt gãy qua đập thủy điện; - Phát hiện đá gốc dưới trầm tích bở rời; - Phát hiện hang Karst hoặc hầm ngầm nếu các đối tượng này đủ lớn. 12
14. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ TỪ Phương pháp thăm dò từ là phương pháp địa vật lý khảo sát trường địa từ để nghiên cứu cấu trúc địa chất và tìm kiếm khoáng sản có ích. Cơ sở áp dụng của phương pháp thăm dò từ là do các khối đá hoặc quặng bị từ hóa có nhiễm từ ở các mức độ khác nhau. §2.1. Cở sở vật lý địa chất của phương pháp từ 2.1.1. Trường từ của vật thể có từ tính a. Vật thể có từ tính Ta biết vật thể có từ tính (nam châm) đều có hai cực tính dương (N), âm (S) và coi như hai khối từ trái dấu nên tạo ra trong không gian xung quanh một trường từ (hình 2.1). Trái đất có trường từ rất mạnh do nó như một nam châm cực lớn đặt ở tâm. Cực Bắc là cực từ âm còn cực Nam là cực từ dương làm cho kim la bàn có cực dương chỉ về hướng Bắc (hình 2.2). Hình 2.1: Trường từ của thanh nam châm Mômen từ của lưỡng cực từ hay một nam châm có hai khối từ trái dấu m đặt cách nhau một khoảng 2l là:  M 2.m.l (2.1) Một vật thể nhiễm từ thể tích V có mô men  từ M sẽ gây ra trường từ. Khi từ hóa đều thì cường độ từ hóa tại mọi điểm P trong vật là:  M JP (2.2) V Với P thuộc V. Khi từ hóa không đều thì J thay đổi theo Hình 2.2: Trường từ của quả đất P. Lúc đó lấy vi phân thể tích dV quanh P.  Mô men từ của dV là dM và:  dM JP dV b. Trường từ của vật thể có từ tính - Thế từ của lưỡng cực từ: Xét một lưỡng cực từ (hình 2.3), gây ra trường từ là tổng trường từ của hai khối từ độc lập. m m r r U P m BA Hình 2.3: Thế từ của lưỡng cực từ rABAB r r r 13
15. Vì: rABBA r r,r r 2.l.cos  2.l.m M Nên: U P cos  (2.3) r2 r 2 - Thế từ của vật thể nhiễm từ:  Coi yếu tố dV là một lưỡng cực từ có mô men dM JdVgây ra thế từ dU(M). dM JdV dU P cos  cos  r2 r 2 Nên vật thể có thể tích là V sẽ có thế từ là: Jcos U P dV (2.4) 2 V r Trường từ T có liên quan đến thế từ U bởi biểu thức:  UUU   T gradU i j k (2.5) x  y  z Đơn vị đo trường từ là Tesla: 1T = 109 nT Đơn vị thường dùng có giá trị nhỏ hơn là nano tesla: 1nT = 1  = 10-9 T gọi là một gamma. 2.1.2. Sự từ hóa của vật thể Vật thể đặt trong trường từ sẽ bị từ hóa (nhiễm từ) như sắt non. Mức độ từ hóa phụ thuộc vào cường độ trường từ hóa và đặc tính của vật chất bị từ hóa. a. Độ từ hóa Véc tơ từ hóa J tức mô men từ của một đơn vị thể tích tỷ lệ với trường từ hóa:  J.  H  Trong đó: H là cường độ trường từ hóa;  là độ từ cảm của chất bị từ hóa. b. Độ từ cảm  Độ từ cảm  đặc trưng cho khả năng nhiễm từ của vật thể và được chia thành 3 nhóm: - Chất thuận từ:  0 và nhỏ ( = n.10-6 CGS) bị từ hóa yếu theo chiều trường từ tác dụng. Các khoáng vật thuộc nhóm này như: chancopyrit, biotit, pyrit - Chất nghịch từ:  0, nhỏ và yếu bị từ hóa ngược chiều trường từ tác dụng. Các khoáng vật thuộc nhóm này như: sfalerit, caxiterit, thạch anh, galenit . - Các chất sắt từ:  0và mạnh ( > n.10-4 CGS) bị từ hóa mạnh theo trường từ tác dụng. Các khoáng vật thuộc nhóm này như: manhetit, hematite, pyrotin Với chất sắt từ khảo sát J theo trường từ  hóa H như (hình 2.4) ta có đường cong từ trễ, qua đó ta thấy: Đoạn (1) J tăng từ 0 đến giá trị Js và luôn luôn dương. Hình 2.4: Đường cong từ trễ của quá trình từ hóa Đoạn (2) J giảm khi H = 0, J = Jr giá trị này 14
16. được gọi là từ hóa dư vì lúc đó không tồn tại trường từ hóa. Khi J = 0, H = -Hk giá trị này gọi là trường khử từ. Đoạn sau có H là âm và khi H = 0 đạt giá trị J = -Js. Đoạn (3) là đoạn ngược lại với đoạn (2). Dựa vào đường cong từ trễ có các loại: - Sắt từ mềm: Đường từ trễ dẹt, Hk nhỏ, Jr lớn; - Sắt từ cứng: Đường từ trễ dày, Hk lớn, Jr nhỏ (loại sắt làm nam châm); Khi nhiệt độ môi trường tăng thì độ từ cảm  cũng tăng dần đạt cực đại và giảm đột ngột về 0 ở 800oC (nhiệt độ Curi). 2.1.3. Trường từ của quả đất a. Trường từ trái đất (trường địa từ) Tại mọi điểm trên mặt đất, trường địa từ với cường độ T, có các thành phần X, Y, Z hoặc H, Z (hình 2.5). - D là góc lệch từ (độ từ thiên); - I là góc nghiêng từ (độ từ khuynh). Trường địa từ được tạo thành do nhiều yếu tố, trước hết do trường của lưỡng cực từ ở tâm trái đất  Tlc , do các nguồn gây dị thường ở sâu cỡ 1/2 bán kính  trái đất gọi là trường từ lục địa T , do các đá cấu trúc lđ  khu vực (đá móng: nền, địa máng, magma) Tkv , do  các đá địa phương hay mỏ quặng sắt từ T và các  đp Hình 2.5: Các thành phần của trường biến thiên từ T chủ yếu do hoạt động của gió mặt trời từ trái đất tại mặt đất làm biến dạng đường sức địa từ.       T Tlc + T lđ + Tkv + T đp + T (2.6) b. Trường từ bình thường và dị thường Trong thăm dò từ người ta phân chia trường từ thành trường bình thường và dị thường như sau:         T Tlc + T + T + T = T + T + T    lđ  0 Trong đó: T Tlc + T , T gọi là trường từ bình thường thay đổi trên bề mặt trái đất 0 lđ 0  nên mỗi nước có công thức tính riêng T,0  phụ thuộc kinh tuyến  và vĩ tuyến .     T là dị thường từ, T = Tkv + T  đp  T là biến thiên từ, những ngày bình thường T tương đối nhỏ khoảng vài gamma  (  ) nên có thể bỏ qua, ngày có bão từ T lớn phải quan sát riêng để hiệu chỉnh. 2.1.4. Cơ sở địa chất của phương pháp từ Đất đá có từ tình khác nhau ,J sẽ gây ra trường từ khác nhau góp phần tạo nên dị thường từ. a. Độ từ cảm  của đất đá và khoáng vật - Đá trầm tích: từ tính yếu, có thể coi là không có từ tính; - Đá biến chất: có từ tính trung bình; - Đá magma: có từ tính mạnh; 15
17. - Quặng sắt từ có từ tính rất mạnh. b. Véc tơ từ hóa J  Véc tơ từ hóa J gồm 2 phần: từ hóa cảm ứng J (là từ hóa hiện tại) và từ hóa dư  i J (tạo ra lúc hình thành đá). r   JJJ (2.7) i r Thường J,i  và T có mối quan hệ: 0 Ji  .T  0 Độ từ hóa dư J của đá magma lớn hình thành từ lúc đá được sinh ra khi nguội lạnh, r  nghiên cứu từ hóa dư cho phép nghiên cứu lịch sử phát triển vỏ quả đất (cổ từ). Jr đổi chiều chứng tỏ cực từ trái đất đổi chiều, trong thực tế trái đất đã hai lần đổi chiều. §2.2 Phương pháp kỹ thuật đo trường địa từ 2.2.1. Máy từ thường dùng- Từ kế Proton  a. Từ kế Proton: Được dùng phổ biến hiện nay để đo mô đun trường từ toàn phần T . * Nguyên tắc hoạt động: Các proton trong chất lỏng (nước, cồn, kanoven) bị trường từ trong ống dây của bộ cảm biến kích động làm các proton chuyển động tuế sai quanh trường từ trái đất T với tần số tuế sai f. Khi đó proton vừa quay quanh nó theo một trục,  đồng thời trục quay lại quay quanh T . (hình 2.6)  Giữa T (tính ra  ) và f (tính ra Hz)có mối quan hệ sau: T 23,48.f Tần số f bằng tần số của dòng điện cảm ứng trong ống dây. Người ta thiết kế từ kế proton có bộ phận đếm tần số  f*, bộ nhận và hiện kết quả giá trị T . Hình 2.6: Nguyên tắc từ kế proton * Ưu, nhược điểm của từ kế proton - Ưu điểm: Máy không bị ảnh hưởng của nhiệt độ, khi đo không cần định hướng máy. Đo nhanh (một phép đo mất khoảng 5 giây), độ chính xác cao (<1 ).  - Nhược điểm: Chỉ đo mô đun trường từ toàn phần T . 2.2.2. Đo trường từ mặt đất a. Mạng lưới tuyến đo Khi đo trường địa từ cần bố trí mạng lưới tuyến đo theo nguyên tắc: - Tuyến trục cùng phương với phương kéo dài của đối tượng; - Tuyến đo vuông góc với tuyến trục là phương trường biến đổi mạnh nhất để thu được dị thường rõ nhất; - Khoảng cách tuyến phụ thuộc tỷ lệ bản đồ khảo sát như bảng dưới đây: 16
18. Bảng 2.1: Tỷ lệ bản đồ khảo sát Tỉ lệ Khoảng cách tuyến Khoảng cách điểm 1:500 000 nKm 50 ÷ 200m 1:100 000 1:50 000 200 ÷ 500m 10 ÷ 50m 1:10 000 1:10 000 20 ÷ 100m 5 ÷ 20m 1:2000 b. Kết quả đo vẽ trường địa từ Khi thi công thực địa với dị thường lớn cỡ vài trăm  trở lên, không cần hiệu chỉnh biến thiên (vì Việt Nam biến thiên thay đổi khoảng vài chục đến 100  /ngày đêm). Khi diện  2 tích nghiên cứu bé (vài chục km ) thì T0  coi như  không đổi nên: TTT qs 0  Trong đó T0 là giá trị không đổi ứng với giá trị T0 của vùng. Kết quả đo vẽ được biểu diễn dưới dạng: - Đồ thị dị thường từ T theo tuyến; - Bản đồ đẳng trị hoặc bản đồ đồ thị dị thường từ T theo diện tích. §2.3 Xử lý tài liệu - Phạm vi áp dụng của phương pháp thăm dò từ Trước khi xử lý tài liệu từ ta cần phải biết dị thường từ của đối tượng điển hình, như vật thể có hình dạng đơn giản là vật thể đẳng thước với kích thước 3 chiều gần như nhau nên có thể xem như vật thể dạng quả cầu bị từ hóa nghiêng. 2.3.1. Hình ảnh dị thường từ của vật thể dạng cầu a. Dị thường từ theo tuyến Vật thể có dạng đẳng thước đượ c coi là một quả cầu từ hóa nghiêng với véc tơ từ hóa J (hình 2.7). Đồ thị dị thường từ T theo tuyến chứa J của quả cầu từ hoá nghiêng như trên hình 2.7 b. Hình ảnh dị thường từ trên diện tích khảo sát Ở Bắc bán cầu bản đồ dị thường từ T quan Hình 2.7: Trường từ của quả cầu sát được do vật thể quả cầu từ hóa nằm trong trường từ hóa nghiêng địa từ có dị thường âm và dị thường dương nằm trên trục theo phương kinh tuyến từ, dị thường âm ở phía Bắc, dị thường dương ở phía Nam. (hình 2.8) 2.3.2. Xử lý tài liệu thăm dò từ Tương tự như phương pháp trọng lực, xử lý tài liệu từ cũng được tiến hành với các bước như sau: a. Biến đổi trường Các phép biến đổi trường có thể tiến hành: nâng trường, hạ trường, tính đạo hàm theo phương thẳng đứng, chuyển trường từ quy về trường hợp từ hóa thẳng Hình 2.8: Hình ảnh dị thường từ đứng. Mỗi phương pháp có nhiệm vụ cụ thể như: trên diện tích khảo sát 17
19. - Nâng trường sẽ làm mờ hiệu ứng địa phương làm rõ Tkv . - Hạ trường sẽ tăng hiệu ứng địa phương và thấy rõ dị thường từ địa phương T đp. b. Xác định nguồn gây dị thường Giải bài toán ngược bằng cách sử dụng phương pháp lựa chọn nhờ máy tính. - Nội dung của phương pháp này là ước lượng mô hình nguồn, tính trường lý thuyết của nó so với trường đo. Nếu sai số lớn thì điều chỉnh mô hình cho đến khi đạt sai số cho phép thì dừng và coi mô hình cuối là mô hình nguồn dã gây dị thường. c. Giải thích địa chất tài liệu từ Giải thích địa chất tài liệu từ là bước xác định và tìm nguyên nhân địa chất gây dị thường từ (do đất đá móng granite thể xâm nhập hay quặng sắt từ, ). 2.3.3. Phạm vi áp dụng của phương pháp từ Phương pháp từ được áp dụng với mục đích để giải quyết các nhiệm vụ sau: a. Nghiên cứu địa chất khu vực - Xác định địa hình móng kết tinh liên quan đến ranh giới cấu trúc sâu, đứt gãy sâu; - Xác định các khối magma xâm nhập trong lớp vỏ trầm tích phủ trên đá gốc; - Xác định các đá phun trào mafic, siêu mafic, đứt gãy nằm dưới lớp trầm tích phủ. b. Tìm kiếm khoáng sản có chứa quặng sắt từ Một số loại mỏ quặng sau có thể áp dụng phương pháp từ: - Mỏ sắt: Ở Việt Nam đã áp dụng phương pháp từ tìm được mỏ sắt Thạch Khê (dị thường hàng vạn  ), Tòng Bá (Hà Giang), Làng Lếch (Yên Bái), Làng Mỳ - Hưng Khánh (Nghĩa Lộ) - Các mỏ mangan, đồng, chì, kẽm, sunfur đa kim, các mỏ sa khoáng, vàng, bạch kim, c. Tìm vật sắt từ nhân tạo Phương pháp từ đã được áp dụng để tìm các vật có từ tính nhân tạo như con tàu đắm, mỏ neo, bom mìn, còn để lại dưới nước hoặc bị lấp đất (kho chôn vũ khí chiến tranh). 18
20. CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN Thăm dò điện là phương pháp Địa vật lý khảo sát trường điện, trường điện từ tự nhiên hoặc nhân tạo để nghiên cứu cấu trúc địa chất và tìm kiếm khoáng sản có ích. Cơ sở áp dụng của các phương pháp thăm dò điện là đo đất đá có sự khác nhau về tham số điện: ,,  . Nguồn gây ra trường điện là các điện tích  K12 .E n xuất hiện tại ranh giới giữa các môi trường đất đá bất đồng nhất dưới tác dụng của trường điện En. Thăm dò điện có nhiều phương pháp và được áp dụng rất rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong điều tra địa chất, tìm kiếm khoáng sản, tìm nước ngầm, khảo sát nền móng địa chất công trình và nghiên cứu môi trường địa chất. §3.1 Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp thăm dò điện dòng một chiều 3.1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp điện dòng một chiều Cơ sở vật lý của phương pháp điện dòng một chiều là xét trường của điện cực trên nửa không gian đồng nhất. I a. Trường của điện cực điểm Điện cực điểm phát dòng I có điện tích Q I. A M gây ra điện thế tại khoảng cách r (xem hình 3.1): I. U(M) (3.1) 2. .r =const Mặt đẳng thế là các mặt bán cầu, đường dòng điện có hướng xuyên tâm (xem hình 3.1). Hình 3.1: Trường của điện cực điểm b. Trường của mạch hai cực Mạch hai cực gồm 2 cực phát A, B phát dòng I , điện tích ở hai điện cực là I gây ra điện thế tại điểm M (xem hình 3.2a, b): I. 1 1 U(M) (3.2) 2 AM BM Đồ thị hàm thế U, điện trường E mặt đẳng thế và đường dòng điện xem trên hình 3.2a, b. Hình 3.2a: Trường điện của mạch hai cực Hình 3.2b: Phân bố thế và dòng của mạch Đường đứt nét thể hiện giá trị thế U(V), đường hai cực trên nửa không gian đồng nhất liền nét là điện trường E(V/m) 19
21. c. Trường của lưỡng cực Hai cực trái dấu A, B đặt cách nhau một khoảng AB = d phát dòng ±I tạo ra trường tại khoảng cách r >> d gọi là lưỡng cực điện (xem hình 3.3). I. 1 1 P cos  U(M) . 2 (3.3) 2 rAB r 2 r  P I. .d là mô men lưỡng cực. Bức tranh điện trường xem trên hình 3.3. 3.1.2. Điện trở suất biểu kiến Hình 3.3: Trường của lưỡng cực điện Giả sử trên mặt đất chúng ta có hai điện cực phát A và B phát dòng điện có cường độ I vào môi trường nửa không gian đồng nhất có điện trở suất là (hình 3.4) tại hai điện cực thu M và N tồn tại hai điện thế. I 1 1 U(M) (3.4a) 2 AM BM I 1 1 U(N) (3.4b) 2 AN BN Như vậy giữa hai điện cực thu sẽ có một hiệu điện thế: I 1 1 1 1 UMN (3.5) 2 AM BM AN BN Từ đó tính được điện trở suất của nửa không gian: Hình 3.4: Mạch đo điện trở suất UMN K. (3.6) trên nửa không gian đồng nhất I Với K là hệ số thiết bị và được tính theo công thức (3.7): 2 K (3.7) 1 1 1 1 AM BM AN BN Ý nghĩa của công thức (3.6) là bằng cách đo đạc trên mặt đất ta có thể xác định được giá trị điện trở suất thật của môi trường phía dưới. Tuy nhiên trong thực tế, môi trường địa chất là bất đồng nhất (hình 3.5), khi đó nếu vẫn dùng công thức (3.6) ta tính được một giá trị k có thứ nguyên trở suất (Ωm) gọi là điện trở suất biểu kiến. U KMN K.R (3.8) kI MN Như vậy, điện trở suất biểu kiến là điện trở suất đo được bởi một hệ điện cực đặt trên mặt đất khi nửa không gian bên dưới là bất đồng nhất. A M N B A M N B 1 0 0 1 (a) (b) Hình 3.5 Điện trở suất biểu kiến trên các môi trường bất đồng nhất k a) 1 0 20
22. b. Các hệ điện cực thường dùng Trong thực tế sản xuất, các điện cực phát và điện cực thu thường được sắp xếp theo các cách nhất định tạo thành các hệ cực. Như hệ điện cực 4 cực đối xứng (hình 3.6a), hệ 3 cực (hình 3.6b), hệ hai cực (hình 3.6c), hệ lưỡng cực (hình 3.6d). Hệ số thiết bị K được tính theo công thức chung (3.7), nhưng tuỳ thuộc vào mỗi hệ điện cực sẽ có công thức tính hệ số thiết bị K cụ thể. AM.AN - Hệ 4 cực đối xứng: K n(n 1) a (3.9a) MN AM.AN - Hệ 3 cực: K 2 2n n 1 a (3.9b) MN - Hệ 2 cực: K 2 .AM 2 na (3.9c) - Hệ lưỡng cực: K n(n 1)(n 2) .a (3.9d) a. Hệ 4 cực đối xứng (W–S) b. Hệ 3 cực c. Hệ 2 cực d. Hệ lưỡng cực Hình 3.6: Một số hệ điện cực thường dùng c. Các yếu tố ảnh hưởng lên điện trở suất biểu kiến k Điện trở suất biểu kiến phụ thuộc các điều kiện sau: - Vị trí đo, loại hệ cực, kích thước hệ cực; - Sự khác biệt về điện trở suất của bất đồng nhất, kích thước của bất đồng nhất, chiều sâu của bất đồng nhất. Nghĩa là điện trở suất biểu kiến phụ thuộc vào vị trí điểm đo, cách sắp xếp hệ cực đo và đặc biệt phụ thuộc vào đặc tính bất đồng nhất của đối tượng trong môi trường khảo sát. Điện trở suất biểu kiến k không phụ thuộc vào cường độ dòng phát I vì nếu đo tại một điểm với kích thước hệ cực cố định thì tỉ số: U R MN const MN I 3.1.3. Cơ sở địa chất của phương pháp điện a. Điện trở suất của đất đá Điện trở suất của đất đá là điện trở của 1 đơn vị mét khối đất đá. Đó là điện trở suất thực của đất đá đồng nhất. Lấy các kích thước: chiều dài và tiết diện là các đơn vị ta thấy đúng với định nghĩa:  1 R S 1 1 S Đơn vị của điện trở suất là:   R  m L Độ dẫn điện là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất:  1/ 21
23. Đơn vị của độ dẫn điện là: simen / m với 1 simen 1/  b. Bản chất dẫn điện của đất đá Đất đá hoặc quặng sở dĩ dẫn điện được là nhờ có 2 yếu tố: - Dẫn điện điện tử: Do điện tử (e) tự do chạy trong vật dẫn kim loại, khoáng vật dẫn điện như sulfur, grafit. - Dẫn điện ion: Do các ion điện phân trong nước khoáng tồn tại trong lỗ hổng của đá. c. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của đất đá Do bản chất dẫn điện của đất đá là dẫn điện ion và điện tử nên điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào: * Hàm lượng khoáng vật dẫn điện tử Hàm lượng khoáng vật dẫn điện tử càng cao thì đất đá chứa nó càng dẫn điện tốt. * Phụ thuộc độ rỗng, độ khoáng hóa Điện trở suất của đá phụ thuộc vào độ rỗng và độ khoáng hóa của dung dịch chứa trong lỗ hổng của đá theo công thức (3.10). ρđ = F.ρd (3.10) Với: d là điện trở suất dung dịch; F là hệ số độ rỗng, cấu trúc. FQ/P m (3.11) Trong đó: Q là hệ số cấu trúc, hàm lượng khoáng vật dẫn e-; P là độ rỗng; m là hệ số gắn kết: m = 1,3÷2,3 tùy mức độ gắn kết của đá. Điện trở suất của dung dịch: d M/C (3.12) Với: M là hệ số thuộc b ản chất dung dịch muối, với loại muối NaCl, M = 8,4. C là nồng độ muối (g/l). * Phụ thuộc nhiệt độ Điện trở suất dung dịch phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch theo công thức: 18o C o d d (t ) (3.13) 1 to 18 o C Với dung dịch muối ăn NaCl 0.025, chứng tỏ nhiệt độ càng tăng thì điện trở của dung dịch càng giảm. * Phụ thuộc vào cấu trúc của đất đá Khi các thành phần dẫn điện tốt liên kết được với nhau (hình 3.7a) đất đá sẽ có điện trở suất nhỏ, ngược lại khi chúng không liên kết với nhau (hình 3.7b) thì điện trở suất của đất đá cao. * Phụ thuộc kiến trúc đá (a) Kiến trúc của đá gây nên bất đẳng (b) hướng về tính dẫn điện. Có hai hướng Hình 3.7: Mô hình biểu diễn ảnh hưởng cấu trúc chính theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến của đất đá lên độ dẫn điện của đá phân lớp (hình 3.8) và hệ số bất đẳng hướng  xác định theo công thức: 22
24.  n 1 (3.14) t d. Điện trở suất của các loại đá và quặng Điện trở suất của đá và quặng thay đổi trong phạm vi rất rộng phụ thuộc vào chế độ thủy địa hóa trong trạng thái tự nhiên và mức độ thay đổi thành phần vật chất của đá. Hình 3.8: Tính bất đẳng hướng Nhìn chung điện trở suất của đá trầm tích nhỏ hơn của đá phân lớp đá biến chất và đá magma: tt bc mm . Điện trở suất của quặng kim loại thường nhỏ hơn nhiều lần đá phi kim loại: kl pkim (xem hình 3.9) Hình 3.9: Giá trị điện trở suất của một số loại đất đá và quặng 3.1.4. Lát cắt địa điện Lát cắt địa điện là lát cắt địa chất phân chia theo tham số điện trở suất x, y,z . Trong thực tế ranh giới địa điện có thể trùng hoặc không trùng với mặt ranh giới địa chất (ranh giới thạch học) do yếu tố chứa nước ngầm hoặc nước nhiễm mặn làm thay đổi. Có các loại lát cắt địa điện chủ yếu sau đây: - Lát cắt địa điện 1D (mô hình một chiều): (hình 3.10a) z z - Lát cắt địa điện 2D (mô hình hai chiều): (hình 3.10b) x,z - Lát cắt địa điện 3D (mô hình 3 chiều): (hình 3.10c) x, y,z a) Mô hình 1D b) Mô hình 2D c) Mô hình 3D Hình 3.10: Một số mô hình địa điện cơ bản 23
25. §3.2 Máy móc, thiết bị đo dùng trong phương phápđiện trở 3.2.1. Máy đo Theo công thức (3.6) để tính điện trở suất biểu kiến chúng ta phải đo được đồng thời ∆UMN và I. Máy đo cần có điện trở lối vào lớn Rv ≥ 10 MΩ để không bị tiêu hao dòng điện làm thay đổi bức tranh phân bố trường điện cần quan sát. a. Các nguyên tắc chế tạo máy Các máy đo được chế tạo theo một số nguyên tắc cơ bản sau: * Nguyên tắc bù Nguyên tắc đo bù là thế cần đo UMN được bù bởi một điện thế bằng và ngược chiều. Ở trạng thái bù Hình 3.11: Máy đo theo nguyên tắc bù dòng mạch vào iG 0, còn thế bù Umn cân bằng với thế cần đo UMN (hình 3.11). UUUU mn MN M N Ở mạch bù ta có: Umn i k .R mn (3.15) Với m, n là vị trí biến trở được điều chỉnh cân bằng để đọc giá trị Rmn, còn dòng ik được biết theo thiết kế của máy. * Nguyên tắc tự bù Nguyên tắc tự bù có thế cần đo UMN được bù tự động bởi thế Uk lấy ở đầu ra của một bộ khuếch đại K (hình 3.12). Lối ra có dòng iG, tạo ra điện thế tự bù Uk i G .R k ngược với thế cần đo UMN . Thế bù xuất hiện bằng: Uk i G .R k k.  1 .  2 . U MN U k R1 Với: 1 RRR1 k MN R  k 2 RRR G k ra U Từ đó có quan hệ: i MN (3.16) G 1 Rk 1 .  .k Hình 3.12: Máy đo theo nguyên tắc tự bù 1 2 Khi k >> 1 thì iG U MN / R k khi đó Rk đóng vai trò hệ số chuyển đổi thang đo của đồng hồ. Còn số đọc trên điện kế iG sẽ trực tiếp xác định UMN (xem hình 3.12). c. Một số máy đo điện trở suất thường dùng Máy đo phổ biến theo nguyên tắc tự bù. Đó là các máy Viti GESKA, A  -72, DDJ-2 24
26. 3.2.2. Các thiết bị khác a. Nguồn phát Là nguồn cung cấp dòng điện cho mạch phát, người ta thường dùng pin ghép nối tiếp hoặc ghép hỗn hợp, khi mắc nối tiếp suất điện động của bộ nguồn là  n.e n.1,5v . Hình 3.13: Sơ đồ mạch phát dòng b. Dây dẫn Dây dẫn dùng trong mạch phát và thu để nối nguồn dòng với điện cực phát và nối các cực thu với máy đo. Dây dẫn có điện trở nhỏ, chịu lực, vỏ bọc cách điện tốt như loại dây điện thoại. c. Cực phát và mạch phát * Cực phát Điện cực phát làm nhiệm vụ tiếp đất (nối đất) từ các cực của nguồn dòng với môi trường, là nguồn gây ra trường điện trong môi trường với tổng điện tích tại cực phát là: Q I. * Mạch phát Mạch phát là mạch dòng phát bao gồm nguồn dòng có suất điện động  , dây dẫn và phần điện trở không gian RA nối tiếp RB (xem hình 3.13) cường độ dòng phát I theo định ôm trong toàn mạch ta có:  I (3.17) RRRRA B n d d. Cực thu (M, N) * Điện cực thu Hình 3.14: Bộ bù phân cực ở mạch thu Do cực thu là kim loại (Cu, Pb) cắm vào đất bao giờ cũng tự phân cực nên máy đo phải có bộ bù phân cực ở mạch thu (xem hình 3.14). * Điện cực không phân cực Người ta chế tạo điện cực không phân cực bằng cách dựa theo nguyên tắc kim loại nhúng trong dung dịch muối bão hòa của nó thì không bị phân cực. Cấu tạo: Điện cực không phân cực như hình 3.15. 1. Bình sứ xốp 3. Thanh đồng Bình sứ xốp đựng dung dịch CuSO4 bão hòa, nhúng 2. Nút cách điện 4. Dung dịch CuSO4 thanh Cu. Hình 3.15: Cấu tạo điện cực Mỗi cặp chế tạo theo cách này có trị số phân không phân cực cực p 1mV . §3.3 Phương pháp mặt cắt điện 3.3.1. Định nghĩa và bản chất của phương pháp mặt cắt điện a. Định nghĩa Phương pháp mặt cắt điện là phương pháp nghiên cứu điện trở suất biểu kiến k dọc theo tuyến đo k k x bằng cách giữ nguyên kích thước hệ cực (hệ số K = const) và di 25
27. chuyển hệ cực tịnh tiến theo tuyến đo để xác định vị trí đối tượng gây nên dị thường điện trở suất (xem hình 3.16). b. Đặc điểm của phương pháp mặt cắt điện - Do hệ số K = const, nên chiều sâu khảo sát cố định; - Vị trí x thay đổi trên tuyến để xác định vị trí đối tượng; - Sử dụng nhiều loại hệ điện cực như 4 cực, 3 cực, lưỡng cực sẽ cho các dị thường khác nhau. c. Bản chất của phương pháp Từ công thức điện trở suất biểu kiến (3.6), sau một số phép biến đổi ta có: UUUJMN 0 MN MN k x K. K. . 0 . (x) (3.18) IIUJ0 0 Như vậy k x tỉ lệ với JMN x tức tỉ lệ với mật độ dòng điện tại điểm đo, có nghĩa là đã bị méo do đối tượng gây ra so với môi trường đồng nhất (xem hình 3.19). 3.3.2. Các phương pháp mặt cắt điện Tùy thuộc đối tượng dạng ổ, vỉa mỏng hay vỉa dày. Người ta dùng hệ điện cực khác nhau và tương ứng có Hình 3.16: Điện trở suất bị méo do mật độ dòng điện tên gọi, phương pháp mặt cắt điện k khác nhau. a. Phương pháp mặt cắt 4 cực đối xứng Phương pháp mặt cắt điện 4 cực đối xứng là phương pháp mặt cắt dùng hệ 4 cực đối xứng AMNB (xem hình 3.17). U x KMN x (3.19) k I Hệ số K tính theo công thức 3.9a. Trường hợp đặc biệt khi AM = MN = NB = a gọi là hệ cực Wenner Hình 3.17: Mặt cắt 4 cực đối xứng K 2 .a . Áp dụng: Phương pháp này áp dụng với đối tượng có kích thước lớn: d > h (xem hình 3.17). b. Phương pháp mặt cắt 3 cực liên hợp Phương pháp mặt cắt 3 cực liên hợp là phương pháp dùng hai hệ 3 cực đối xứng nhau (liên hợp) AMN và MNB có chung cực phát C∞ đặt ở xa vô cùng ∞ (xem hình 3.18). Khi đó: A U1 k K x với hệ AMNC (3.20) I1 B U2 k K x với hệ C MNB (3.21) I2 Với hệ số K được tính theo công thức 3.9b. Hình 3.18: Hệ 3 cực liên hợp 26
28. So với hệ đối xứng: AB AB k k (3.22) k 2 Áp dụng: Phương pháp 3 cực liên hợp để phát hiện các vỉa mỏng cắm dốc có điện trở cao hoặc thấp. Khi đó: - Đối tượng có điện trở thấp: sẽ cho giao điểm thuận hay còn gọi là giao điểm quặng (hình 3.19a); - Đối tượng có điện trở cao: sẽ có giao điểm nghịch hay giao điểm phi quặng (xem hình 3.19b). B A A B k k k k B A k k B k Hình 3.19: Các giao điểm thuận nghịch và nghịch c. Phương pháp mặt cắt gradient trung gian Phương pháp mặt cắt gradien trung gian là phương pháp mặt cắt có kích thước cực phát AB lớn và cho cố định, đo UMN với MN nhỏ trong khoảng giữa bằng 1/ 3.AB (xem hình 3.20). Lý do được gọi được gọi là gradien trung gian vì MN nhỏ nên EMN  U /  x U MN / MN được coi như gradien theo trục x, ở 1/3 và nằm ở giữa khoảng cách AB. Áp dụng: Phương pháp mặt cắt gradient trung gian để phát hiện vỉa mỏng cắm đứng có điện trở Hình 3.20: Đồ thị đo điện trở suất bằng suất thấp hoặc cao. phương pháp mặt cắt gradient trung gian d. Phương pháp mặt cắt lưỡng cực Phương pháp mặt cắt lưỡng cực là phương pháp mặt cắt dùng hệ lưỡng cực AB = a, MN = a, với a << OO’= na (xem hình 3.21). Với phương pháp này điện trở suất biểu kiến được tính theo công thức (3.6), hệ số thiết bị được tính theo công thức (3.9d). Hình 3.21: Phương pháp mặt cắt lưỡng cực Áp dụng: Phương pháp mặt cắt lưỡng cực để phát hiện các vỉa mỏng cắm đứng. * Nhận xét về phương pháp mặt cắt điện - Ít thông tin do tại x chỉ có một đồ thị k x phản ánh ở một chiều sâu; 27
29. - Chỉ có hiệu quả khi áp dụng hệ cực có kích thước thích hợp với chiều sâu khảo sát; - Chịu ảnh hưởng của lớp phủ, chỉ cho kết quả tốt khi lớp phủ đồng nhất. §3.4 Phương pháp đo sâu điện 3.4.1. Thực chất, ý nghĩa vật lý của phương pháp a. Định nghĩa Phương pháp đo sâu (dò sâu) điện là phương pháp nghiên cứu điện trở suất biểu kiến theo chiều sâu (phương thẳng đứng) ở từng điểm đo bằng cách giữ nguyên tâm hệ cực, tăng dần kích thước hệ cực để tăng chiều sâu khảo sát nhằm phát hiện ranh giới địa tầng đối tượng khảo sát ở chiều Hình 3.22: Mật độ dòng điện tăng theo sâu nào đó (xem hình 3.22). chiều sâu khi mở rộng kích thước hệ cực Khi thực hiện đo sâu trên toàn tuyến ta được lát cắt địa điện trên tuyến khảo sát. b. Công thức tính đường cong đo sâu điện Đường cong đo sâu điện là đồ thị điện trở suất biểu kiến phụ thuộc vào kích thước hệ cực đo. U r KMN r (3.23) k I Với r = AB/2, K là hệ số hệ cực. c. Thực chất của phương pháp đo sâu điện Chiều sâu nghiên cứu của phương pháp Hình 3.23: Chiều sâu nghiên cứu của phương pháp đo sâu điện phụ thuộc kích thước hệ cực r, UUUMN M N là hiệu điện thế nằm giới hạn giữa hai mặt đẳng thế UM và UN, tỷ số U/IRZMN MN i là điện trở của phần đất đá nằm giữa UM và UN ở chiều sâu có bán kính Zi 1/ 2.r i do đó khi tăng AB, thì Zi sẽ tăng dần lên và vì vậy chiều sâu khảo sát sẽ tăng. (xem hình 3.23) 3.4.2. Đo sâu điện trên môi trường 1D a. Phương pháp kĩ thuật đo: Bảng 3.1: Kích thước hệ cực Đo sâu 1D thường sử dụng hệ cực đo của Schlumberger có hệ số: TT AB/2 MN/2 AM.AN 1 1.5 0.5 K. với MN << AB MN 2 2.2 0.5 Khi đo sâu bước tăng của kích thước AB là: 3 3.4 0.5 r AB / 2 với bước tăng n i i 4 5.0 0.5 Khi đó: ri 1 n.r i là cấp số nhân. 5 5.0 1.5 6 7.0 0.5 Trong tỉ lệ loga: lgri 1 lg r i lg n bước tăng sẽ là cấp số cộng. Kích thước tăng hệ cực như ở bảng 3.1: 7 7.0 1.5 8 10.0 1.5 Đồ thị đường cong đo sâu k r i được vẽ trên giấy loga kép (hình 3.24). 28
30. (m) k 100 10 M N =1000m M3N3 = 40m 5 5 M1N1=2m M2N2=10m M6N6=2500m 15000m =6.2 m M4N4=200m k 1 10 100 1000 10000 AB/2 (m) Hình 3.24: Đường cong đo sâu đối xứng trên giấy loga kép b. Đường cong đo sâu lý thuyết Đường cong đo sâu lý thuyết là đường cong đo sâu trên môi trường phân lớp nằm ngang lý tưởng. * Môi trường 2 lớp (hình 3.25) có công thức:  n 3 k12 .r k r 1 1 2  (3.24)  2 3/2 n 1 r2 2.n.h Hình 3.25: Môi trường 2 lớp 1  * Môi trường 3 lớp (hình 3.26), đường cong k có công thức:  3 qn .r k r 1 1 2  (3.25)  2 3/2 n 1 r2 2.n.h  Hình 3.26: Môi trường 3 lớp c. Dạng đường cong đo sâu Hình dạng đường cong đo sâu điện tuỳ thuộc vào tương quan điện trở suất của các lớp, còn mức độ thể hiện trên đường cong được quyết định bởi chiều dày của lớp. * Hình dạng đường cong hai lớp Đường cong đo sâu điện trên môi trường 2 lớp có hai dạng sau (hình 3.27): + Khi 1 2 đường cong đo sâu đi xuống. k(m) k(m) 2 1 1 2 h1 r = AB/2 h1 r = AB/2(m) 1 2 Hình 3.27: Các dạng đường cong hai lớp 29
31. * Hình dạng đường cong ba lớp Đường cong ba lớp có các tham số: 1, h1, 2, h2, 3. Tuỳ thuộc vào mối tương quan điện trở suất của các lớp 1, 2, 3 có bốn loại đường cong đo sâu ba lớp như sau (hình 3.28): Bảng 3.2: Mối tương quan giữa điện trở suất và đường cong Loại Tương quan Loại Tương quan đường cong điện trở suất đường cong điện trở suất H 1> 2 3 A 1 2> 3 , k(m) 3, h3= , k(m) ,h 1 1 H , h = 3 3 A 2, h2 2, h2 Q K 3, h3= 1,h1 3, h3= h, r=AB/2(m) h, r=AB/2(m) Hình 3.28: Các dạng đường cong 3 lớp * Hình dạng đường cong bốn lớp Đường cong bốn lớp có các tham số: 1, h1, 2, h2, 3, h3, 4. Tuỳ thuộc vào mối tương quan điện trở suất của các lớp 1, 2, 3, 4 có tám loại đường cong đo sâu bốn lớp sau: Bảng 3.3: Mối tương quan giữa điện trở suất và đường cong Loại đường cong Tương quan điện trở Loại đường cong Tương quan điện trở các lớp các lớp HA 1> 2 2 4 AK 1 4 QH 1> 2> 3 3 2> 3> 4 KQ 1 3> 4 Tám dạng đường cong 4 lớp như trên hình 3.29. 30
32. , k(m) , k(m) 4, h4= AA 4, h4= 3, h3 2, h2 KH 2, h2 AK KQ 3, h3 4, h4= 4, h4= 1,h1 1,h1 h, r=AB/2(m) h, r=AB/2(m) , k(m) , k(m) 1,h1 4, h4= HA , h = 4 4 , h 3 3 QH 1,h1 2, h2 HK 3, h3 QQ , h = 4 4 2, h2 4, h4= h, r=AB/2(m) h, r=AB/2(m) Hình 3.29: Đường cong bốn lớp d. Xử lý tài liệu đo sâu điện 1D Xử lý tài liệu đo sâu điện 1D qua hai bước là xử lý định tính và xử lý đinh lượng: * Xử lý định tính - Từ đồ thị đường cong đo sâu, nhận dạng đường cong. Dạng đường cong thể hiện số lớp địa điện từ đó nhận biết đặc điểm địa điện về lát cắt. - Vẽ lát cắt đẳng ôm hay lát cắt điện trở suất biểu kiến, cách làm như sau: Trục hoành: theo tỷ lệ đo, ghi vị trí điểm đo x j trên tuyến khảo sát; Trục tung: theo tỷ lệ số học hoặc loga ghi giá trị k r i ,x j vào vị trí điểm đo sâu. Sau đó vẽ các đường đẳng trị (đẳng ôm) ta được bức tranh phân bố cấu trúc hai chiều r,x phản ánh bất đồng nhất về cấu trúc địa chất.(hìn 3.30) 31
33. 720 720 1 2 3 4 5 6 7 710 8 710 a 9 10 11 12 13 14 15 700 700 690 690 680 680 670 670 660 660 650 650 640 640 630 630 620 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 620 Tªn ®iÓm ®o 5 1 2 4 1 6 2 1 6 6 0 9 8 6 5 9 6 9 8 0 8 3 9 3 7 0 7 5 3 1 . . . . . . . . . . . . . . . 3 Cao ®é 6 5 4 4 2 1 9 8 6 5 4 4 4 4 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Kho¶ng c¸ch 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 Kho¶ng c¸ch céng dån 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Hình 3.30: Lát cắt điện trở suất biểu kiến k * Xử lý định lượng Dùng Palet đo sâu hoặc chương trình xử lý 1D xác định chiều dày và điện trở suất i,h i của từng điểm đo sâu, sau đó vẽ lát cắt địa điện theo cấu trúc của lát cắt. 3.4.3. Đo sâu điện trên môi trường 2D a. Phương pháp kỹ thuật đo sâu điện 2D Phương pháp kỹ thuật đo sâu điện 2D khác với đo sâu điện 1D là có bước tăng kích thước hệ cực theo khoảng cách đều C1 4a P1 a P2 4a C2 nhau bằng a (xem hình 3.31). * Khi dùng hệ cực Wenner – C1 3a P1 a P2 3a C2 Schlumbeger: cách dịch chuyển hệ cực như (hình 3.35): C1 2a P1 a P2 2a C2 K = n.(n+1).πa (3.26) C1 a P1 a P2 a C2 c. Xử lý tài liệu Xử lý tài liệu đo sâu điện 2D 0 1 2 3 4 5 6 7 8 M bằng thuật toán sai phân hữu hạn hoặc n = 1 phần tử hữu hạn được lát cắt địa điện n = 2 phản ánh cấu trúc môi trường 2D n = 3 (xem hình 3.32). n = 4 Hình 3.31: Cách dịch chuyển hệ cực (W-S) khi đo sâu 2D 32
34. Hình 3.32: Lát cắt mô hình điện trở suất thu được từ việc giải ngược 2D 3.4.4. Áp dụng phương pháp đo sâu điện Phương pháp đo sâu điện được áp dụng với mục đích: - Nghiên cứu cấu trúc địa điện: Phân các lớp nằm trên tầng phủ, nếp lồi, nếp lõm, đứt gãy, đới chứa các thân quặng. - Tìm nước ngầm chứa trong thấu kính trầm tích đệ tứ, tầng chứa nước đới Karst và trong đới phá hủy đứt gãy. - Khảo sát địa chất công trình: nền móng các nhà máy công nghiệp, đập thủy điện, đường hầm tunel dẫn nước, hầm giao thông, cầu cảng. - Áp dụng trong nghiên cứu môi trường, như theo dõi hiện tượng nhiễm mặn ở các đồng bằng ven biển, quá trình ô nhiễm do các bãi rác thải, tai biến địa chất §3.5 Các phương pháp thăm dò điện khác Sau đây chỉ giới thiệu một số phương pháp thăm dò điện khác có thể áp dụng trong địa chất công trình và tìm kiếm khoáng sản. 3.5.1. Phương pháp điện trường tự nhiên a. Định nghĩa Phương pháp trường điện tự nhiên là phương pháp đo vẽ trường điện tự nhiên tồn tại trên mặt đất để phát hiện đối tượng gây ra nó. Thông thường đối tượng gây nên trường điện tự nhiên mạnh là quặng kim loại, sunfur đa kim, đới chứa nước ngấm lọc. b. Nguồn gốc trường điện tự nhiên Trường này có đặc điểm là có tính cục Hình 3.33: Nước chảy đến gây ra dị thường dương bộ địa phương và không đổi theo thời gian. Nguồn gốc gây ra trường điện tự nhiên gồm 3 loại chủ yếu sau đây: * Do sự thấm lọc của nước ngầm trong lỗ hổng của đất đá với cường độ điện trường: Enl k nl .  . .  .  P (3.27) Với ,,  là hằng số điện môi, điện trở suất và độ nhớt của dung dịch thấm trong 33
35. lỗ hổng; P là áp suất thấm. Với gradient áp suất thấm P lớn, trường này càng mạnh, khoảng vài chục đến vài trăm mV. - Đặc điểm của trường ngấm lọc: Nơi nước chảy đến sẽ có dị thường dương, nơi nước chảy đi sẽ có dị thường âm (xem hình 3.37). * Do sự khuếch tán hấp phụ Khi hai dung dịch có nồng độ muối khác Hình 3.34: Dị thường điện trường thiên nhiên nhau cũng gây lên trường điện với cường độ: gây ra bởi hiện tượng khuếch tán hấp phụ C2 Ekthp E kthp .lg (3.28) C1 Vì ion âm (-) tập trung ở dung dịch nồng độ thấp C1, còn ion dương (+) tập trung ở dung dịch nồng độ cao C2 sẽ có sự khuếch tán gây nên trường điện như trên hình 3.34 * Do phản ứng oxy hóa khử Khi tồn tại khoáng vật quặng dẫn điện tử, phần vật quặng nằm trên giàu oxy do nước mưa ngấm xuống xảy ra phản ứng oxy hóa mang điện tích âm (-), phần quặng ở dưới nước ngầm thiếu oxy xảy ra phản ứng khử sẽ mang điện tích dương (+) sinh ra trường điện, tại đầu trên vật quặng sẽ có Hình 3.35: Trường điện thiên nhiên dị thường âm. gây ra bởi hiện tượng oxy hoá khử Điều kiện: gây ra trường điện oxy hóa là có mực nước ngầm chia đôi thân quặng (xem hình 3.35). c. Kỹ thuật đo trường điện tự nhiên Dùng hai điện cực thu M, N và máy đo điện thế xác định được: U(M) U0 (N) U MN (3.29) U0(N) là điểm gốc, UMN đọc trên máy, phương pháp này phải dùng điện cực không phân cực. d. Áp dụng phương pháp điện trường tự nhiên - Tìm quặng kim loại sunfua đa kim; - Tìm nước ngầm trong lòng sông cổ, karst, đứt gãy; - Nơi rò nước qua đập thủy điện, hồ thủy lợi (mất nước). 3.5.2. Phương pháp phân cực kích thích a. Định nghĩa Phương pháp phân cực kích thích là phương pháp thăm dò điện, khảo sát trường điện thứ cấp khi ngắt dòng gây phân cực, để xác định đối tượng gây phân cực. b. Đặc điểm của phương pháp - Là phương pháp nhân tạo, phải phát trường nguyên sinh (sơ cấp) với cường độ tương đối mạnh. 34
36. - Trường thứ cấp có bản chất điện hóa gây ra bởi dòng điện. - Trường thứ cấp tỉ lệ và ngược hướng với trường sơ cấp. Upc t  . U p (3.30) c. Nguyên nhân của hiện tượng phân cực kích thích Hiện tượng phân cực kích thích do các nguyên nhân: - Do hiện tượng điện hóa, trường sơ cấp làm biến dạng lớp điện kép ở ranh giới vật quặng dẫn điện tử với môi trường vây quanh, làm phân cực ở hai đầu vật quặng (xem hình 3.36). - Tạo sự tập trung nồng độ ion khác nhau trong lỗ hổng của khe rỗng trong môi trường có dung dịch điện phân. Vpc - Tạo sự phân cực của các hạt khoáng vật dẫn xâm tán và các phân tử sét ΔUp lấp trong mao dẫn. Tổng hợp cả 3 hiện tượng trên, hệ ΔUpc số phân cực tổng cộng có giá trị lớn từ vài t % đến vài chục %. Nạp Ngắt d. Phương pháp kỹ thuật đo Kỹ thuật đo phân cực là xác định tham số phân cực: A M N B U t pc E k % (3.31) U Epc p Có hai loại phương pháp: * Đo mặt cắt phân cực: Thường sử dụng hai loại hệ cực : - Phương pháp gradient trung gian: giá thành rẻ dùng để khảo sát theo diện tích (hình 3.37a). - Phuơng pháp 3 cực liên hợp: xác Hình 3.36: Hiện tượng phân cực kích thích định vị trí đầu lộ vỉa cắm dốc gây dị thường phân cực như các giao điểm phi quặng (hình 3.37b). a. Dị thường phân cực của phương pháp b. Dị thường phân cực của phương pháp 3 gradient trung gian cực liên hợp Hình 3.37: Dị thường phân cực 35
37. * Đo sâu phân cực Phương pháp đo sâu phân cực thường dùng hệ 4 cực đối xứng để xác định chiều sâu tầng chứa quặng. Tham số đo là độ phân cực theo kích thước hệ cực. U t  r pc r % k U p Đường cong đo sâu phân cực k r xây dựng trên giấy loga kép như đo sâu điện trở. e. Áp dụng của phương pháp phân cực kích thích Phương pháp phân cực kích thích dùng để: - Tìm quặng sulfur đa kim có nguồn gốc nhiệt dịch. - Xác định nguyên nhân không tồn tại nước ngầm ở nơi có dị thường điện trở thấp khi đo sâu điện trở. Nếu dị thường phân cực k cao là do chỗ đó có chứa sét chiếm đầy lỗ rỗng không cho phép lưu thông nước. 3.5.3. Phương pháp Rada đất (GPR) a. Phương pháp GPR Phương pháp GPR là phương pháp thăm dò điện phát sóng tần số cao (f = 1÷1500 MHz) sóng truyền theo tia gặp mặt phản xạ trở lại mặt đất ghi sóng phản xạ ta phát hiện mặt phản xạ hoặc vật gây phản xạ sóng (xem hình 3.38). b. Cơ sở vật lý của phương pháp Khi sóng truyền tới mặt phản xạ có hằng số Hình 3.38: Sóng Rađa truyền trong môi điện môi   gặp hệ số phản xạ cao sẽ phản xạ trở 1 2 trường phản xạ lại lại mặt đất (hình 3.38). Sóng phản xạ với hệ số:    .  r 1 2 Với 2 2 o (3.32) 1  2 1  1.  o 11 o là hằng số điện môi của không khí: o 10 F / m - Sóng điện từ truyền theo tia với số sóng: k = a + i.b. 1/2 Hằng số pha: a   .  1/2   Hệ số hấp thụ: b 2  - Độ thấm sâu của sóng truyền được tỉ lệ nghịch với độ dãn của môi trường theo công thức: 1/2 2   (3.33)   Như vậy độ dẫn  lớn, sóng bị hấp thụ mạnh, chiều sâu khảo sát nhỏ, thông thường với môi trường trầm tích sóng chỉ xuống sâu khoảng 10÷30 m. c.Cơ sở địa chất Trong đất đá vận tốc sóng điện từ sẽ khác nhau như trong bảng dưới đây (bảng 3.4): 36
38. Bảng 3.4: Vận tốc sóng điện từ trong môi trường vật chất Vật chất  v m / s ms / m Không khí 1 300 0 Nước ngọt 80 33 0,5 Nước biển 80 10 30 000 Cát khô 3÷5 150 0,01 Cát no nước 20÷30 60 0,1÷1 Đá vôi 4÷8 120 0,5÷2 Bùn sét 5÷30 70 1÷100 Sét 5÷10 60 2÷1000 Granite 4÷6 130 0,01÷1 d. Máy đo Hiện nay ở Việt Nam đã nhập một số loại máy: Rađa RA MAC-X3M (Thụy điển), SIR System (Mỹ), RIS-2K-A (Lítva), Pulekko 100 (Canada). e. Xử lý tài liệu Rađa đất * Dạng tín hiệu: Tín hiệu Rađa có 2 loại ứng với các đối tượng sau: - Mặt ranh giới: Ghi được sóng phản xạ phản ánh địa hình mặt ranh giới như (hình 3.39) - Đỉnh vật thể: Ghi được sóng tán xạ tại một điểm (hình nón). Trong miền tán xạ ta có: x2 h 2 z 2 2 2 2 2 2 x v to v t Đồ thị có dạng Hypebol ngược (hình 3.40) * Xác định chiều sâu tới mặt phản xạ v.t h (3.34) 2 Hình 3.39: Tín hiệu mặt phản xạ * Xác định chiều sâu đến đỉnh vật thể: x h (3.35) 2 t 1 t0 Ở đây: t là thời gian truyền sóng tại điểm x; t0 là thời gian sóng truyền tại đỉnh Hypebol. g. Áp dụng phương pháp Rađa đất Phương pháp Rađa đất dùng để: - Tìm vật thể chôn vùi trong khảo cổ; - Tìm vị trí đặt công trình ngầm: cống ngầm, hầm ngầm, hang ngầm. Hình 3.40: Tín hiệu vật phản xạ 37
39. CHƯƠNG V: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA CHẤN Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý quan sát trường sóng đàn hồi nhân tạo trong môi trường đất đá như sóng phản xạ hay khúc xạ để nghiên cứu cấu trúc địa chất, tìm kiếm dầu khí, khoáng sản, nền móng địa chất công trình và môi trường. Hình 4.1 giới thiệu thăm dò địa chấn phản xạ. Cơ sở áp dụng phương pháp thăm dò địa chấn là nghiên cứu môi trường tồn tại các nguồn phát sóng thứ cấp từ các mặt ranh giới có độ trở kháng âm học iv i i 1 v i 1 để tạo ra sóng phản xạ hoặc lớp có vận tốc vi 1 v i để tạo ra sóng khúc xạ. Nguồn phát sóng sơ cấp tạo ra sóng đàn hồi là các nguồn nhân tạo như nổ mìn, rung đập, ép hơi Hình 4.1: Phương pháp thăm dò địa chấn §4.1 Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp địa chấn 4.1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp a. Sự hình thành sóng đàn hồi * Môi trường đàn hồi Môi trường, khi bị lực tác dụng sẽ thay đổi thể tích, hình dạng, nhưng khi thôi tác dụng lại trở về trạng thái ban đầu gọi là môi trường đàn hồi. Đất đá trong môi trường đàn hồi khi chịu tác dụng của một ngoại lực thì tại mọi điểm trong đấy đều xuất hiện một ứng lực để cân bằng với ngoại lực. Ứng lực đó được gọi là ứng suất. Các tham số đặc trưng cho môi trường đàn hồi là mô đun khối k (bulk modulus), mô đun biến dạng  (shear modulus) mô đun giãn dọc E (Young modulus- stretch modulus), hệ số Poatson  (Poison ratio) hằng số Lame , mật độ đất đá . * Sự hình thành sóng đàn hồi Khi có lực tác dụng lên môi trường đàn hồi thì các phần tử của nó sẽ dao động và lan truyền trong không gian. Sự lan truyền dao động trong không gian gọi là sóng đàn hồi và được truyền với tốc độ xác định phụ thuộc các tham số đàn hồi của môi trường. Sóng đàn hồi có hai loại: sóng dọc (P) và sóng ngang (S). - Sóng dọc liên quan đến biến dạng thể tích, có phương dao động trùng với phương truyền sóng. - Sóng ngang liên quan đến biến dạng hình dạng, có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng. 38
40. * Sự liên quan giữa tốc độ truyền sóng và thông số đàn hồi E 1  v (4.1) P 1  1 2  E v (4.2) S 2 1  Từ (4.1) và (4.2) thu được: v 2 1  P 2 (4.3) vS 1 2  Nên sóng dọc truyền nhanh hơn sóng ngang. Ngoài ra: 2 2 1 vPS 2v  . 2 2 (4.4) 2 vPS v * Hình dạng sóng Đồ thị biểu diễn dao động tại điểm quan sát theo thời gian gọi là hình dạng sóng (đường ghi sóng) (hình 4.2). - Biên độ sóng A: Là độ lệch cực đại của phần tử dao động ra khỏi vị trí ban đầu - Chu kỳ T: Khoảng thời gian để phần tử dao động trở lại cùng một vị trí. - Tần số: f 1/ T (4.5) - Tần số vòng:  2 f (4.6) Hình 4.2: Hình dạng sóng đàn hồi b. Cơ sở địa chấn hình học Sóng truyền trong không gian với một thời gian xác định t = t (x, y, z). Các mặt có cùng thời gian truyền sóng t(x, y, z) = const gọi là mặt sóng, tia sóng là đường vuông góc với mặt sóng. Tia sóng trùng với phương truyền sóng. Trong môi trường đồng nhất, tia sóng là đường thẳng, trong môi trường không đồng nhất do tốc độ truyền sóng khác nhau nên tia sóng là đường cong, đường gấp khúc. * Biểu đồ thời khoảng Đồ thị biểu diễn thời gian sóng đến và vị trí điểm quan sát là biểu đồ thời khoảng. t x / v (4.7) Với t là thời gian sóng truyền từ nguồn phát đến nguồn thu; x là khoảng cách từ nguồn phát đến nguồn thu; v là vận tốc truyền sóng. * Tốc độ truyền sóng - Tốc độ biểu kiến: Tốc độ quan sát được trên tuyến đo (hình 4.3). AB x v* (4.8) t2 t 1 t Với x là khoảng cách giữa 2 máy thu; t1, t2 là thời gian sóng tới máy thu thứ nhất và thứ hai. - Tốc độ truyền sóng thực là tốc độ sóng truyền qua vật chất nghiên cứu. BC x.sin v v* sin (4.9) t t 39
41. v v* (4.10) sin Khi 90 sóng truyền theo bề mặt v* v Khi 0 sóng truyền vuông góc với bề mặt v* . * Các định luật cơ bản của địa chấn hình học - Nguyên lý Huyghen – Fresnel Trong quá trình truyền sóng, mỗi điểm của môi trường nằm trên mặt sóng có thể coi là nguồn Hình 4.3: Xác định tốc độ truyền sóng địa sóng thứ cấp chấn Theo nguyên lý này nếu biết mặt sóng ở thời điểm bất kỳ và biết tốc độ truyền sóng có thể xác định mặt sóng ở thời điểm tiếp sau. - Nguyên lý Fermat Thời gian sóng truyền theo tia sóng là ngắn nhất. B dS t min (4.11) A v x, y,z c. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ sóng đàn hồi Xét môi trường có mặt ranh giới R phân chia thành hai lớp có các tham số vận tốc và mật độ: vp1 ,v s1 , 1 và vp2 ,v s2 , 2 . * Sự hình thành sóng phản xạ, khúc xạ Xét sóng tới là sóng dọc P1 khi tới mặt R sẽ tạo ra sóng thứ cấp. - Sóng phản xạ dọc P11 và sóng phản xạ ngang P1S1 với các góc phản xạ p, S - Một phần năng lượng truyền qua mặt R tạo thành sóng qua dọc P và sóng qua ngang P S với 12 1 2 Hình 4.4: Sóng phản xạ và khúc xạ các góc khúc xạ p,  s - Định luật Snell Tỉ số giữa vận tốc truyền sóng và sin của góc giữa sóng phản xạ hoặc sóng qua là một hằng số. v vv v v p1 p1 s1 p2 s2 (4.12) sin sin p sin s sin  p sin  s * Sóng phản xạ Vì p1  p11 nên góc phản xạ p . Nếu chỉ xét sóng dọc: Gọi vận tốc sóng dọc với môi trường hai lớp tương ứng là v1 và v2 thì biên độ sóng tương ứng là Ap1 và Ap11. - Khi sóng đổ vuông góc với mặt R: 0 Ta có hệ số sóng: Hình 4.5: Sóng địa chấn đổ vuông góc 40
42. A v v R 0 P11 P 2 2 P 1 1 (4.13) 0 A v v P1 P 2 2 P 1 1 RPS 0 0 (4.14) Tức là khi sóng đổ vuông góc (hình 4.5), chỉ hình thành sóng dọc phản xạ cùng loại, không hình thành sóng ngang khác loại. Như vậy điều kiện tồn tại sóng phản xạ cùng loại là v1 1 v 2 2 . Tích Z = v được gọi là trở kháng âm học. Với góc đổ  bất kỳ hệ số phản xạ tùy thuộc vào góc đổ và tính chất của môi trường. Theo Shuey (1985). (hình 4.6) 2 R () = R 0 + G sin  (4.15) Với R0 được tính như trên; G là hệ số phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của môi trường. Hình 4.6: Sóng đổ với góc bất kỳ * Sóng qua Khi sóng tới đến mặt ranh giới R, ngoài phần năng lượng tạo nên sóng phản xạ quay lại môi trường của sóng tới thì một phần năng lượng sẽ được truyền sang môi trường bên kia mặt ranh giới tạo nên sóng qua. Hệ số sóng qua truyền qua khi sóng đổ vuông góc =00 là: Ap12 2v1 1 Qp (4.16) Ap1 v 2 2 v 1 1 Theo định luật Snell: v v 1 2 (4.17) sin sin  Nếu 2  1 thì  , góc luôn tăng khi 0 xa điểm nổ đến một góc tới hạn c  c thì =90 Khi đó: sinc v 1 / v 2 (4.18) và sóng qua trượt trên mặt ranh giới R như hiện tượng phản xạ toàn phần (xem hình 4.7). Sóng trượt theo mặt ranh giới sẽ kích thích môi trường của sóng tới, theo nguyên lý Huyghen nó sẽ tạo nên sóng thứ cấp P121. Người ta gọi sóng P121 là sóng đầu vì nó thường tới trước các sóng khác hay còn Hình 4.7: Sự hình thành sóng khúc xạ gọi là sóng khúc xạ. - Điều kiện tồn tại sóng khúc xạ: là v2 v 1 và chỉ quan sát được ở xa nguồn nổ với một khoảng cách nhất định được gọi là khoảng cách tới hạn. * Sóng tán xạ Sóng tới đập vào vật thể có kích thước nhỏ (so với bước sóng) thì theo nguyên lý Huyghen, bất đồng nhất đó trở thành nguồn phát sóng thứ cấp dạng gần như nguồn điểm và sóng này được gọi là Hình 4.8: Sóng tán xạ 41
43. sóng tán xạ (xem hình 4.8). 4.1.2. Cơ sở địa chất của phương pháp địa chấn a. Tốc độ truyền sóng của đất đá Các loại đất đá khác nhau có tốc độ truyến sóng khác nhau: - Lớp đất trồng: v = 300÷400 m/s; - Đá trầm tích: v ≤ 4000 m/s; - Đá magma, biến chất: v = 4000÷6500 m/s; - Đá móng sâu và chục km: v ≥ 7000 m/s. * Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào các yếu tố: - Áp suất: Khi áp suất P tăng, độ rỗng giảm, mô đun đàn hồi tăng, tốc độ truyền sóng tăng; - Độ rỗng: Độ rỗng tăng, tốc độ truyền sóng giảm, ở đới phá hủy kiến tạo, nứt nẻ tốc độ sóng giảm; - Độ ngấm nước và dầu: Đá rỗng ngấm nước, mô đun đàn hồi tăng, tốc độ truyền sóng tăng. Nếu đá rỗng chứa dầu tốc độ truyền sóng sẽ giảm từ 10 ÷ 15%, chứa khí vận tốc sẽ giảm từ 20 ÷ 30%; - Độ sâu thế nằm: Đá nằm sâu, áp suất tăng, tốc độ truyền sóng sẽ tăng; 1/6 - Tuổi của đá: v k h.T ; Với k là hệ số thuộc thành phần thạch học, h là chiều sâu, T là tuổi tuyệt đối của đá. - Nhiệt độ. b. Sóng địa chấn trong môi trường phân lớp Môi trường địa chất là môi trường phân lớp: đất trồng, lớp trầm tích, đá gốc. Khi có nguồn phát sóng sẽ hình thành: - Sóng phản xạ và sóng qua; - Sóng khúc xạ (sóng đầu), tia đầu tiên của sóng phản xạ toàn phần; - Sóng phản xạ nhiều lần; - Sóng vệ tinh, từ nguồn lên mặt đất phản xạ xuống; - Sóng mặt Reighley truyền trên mặt đất; - Sóng Love truyền trên mặt ranh giới. Sóng tồn tại nhiều loại để làm cho bức tranh sóng rất phức tạp trên băng ghi sóng, tại nhiều nơi tỷ lệ tín hiệu và nhiễu rất thấp. Mục đích cuối cùng của phương pháp địa chấn là vẽ được bức tranh về cấu trúc địa chất, sự phân bố thành phần thạch học, Do đó trong phương pháp này cần phải chú trọng đến các phương pháp xử lý tài liệu để làm rõ bức tranh sóng và tránh mắc sai lầm trong minh giải địa chất. §4.2 Phương pháp kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn 4.2.1. Phát sóng địa chấn a. Nguồn nổ: Phụ thuộc vào việc đo địa chấn trên đất liền hay trên biển và tần số sóng cần sử dụng mà chúng ta có các loại nguồn nổ khác nhau (hình 4.9) 42
44. Hình 4.9: Các loại nguồn phát và tần số tương ứng b. Phát sóng địa chấn trên đất liền a. Nguồn nổ dynamic b. Nguồn rung Hình 4.10: Nguồn nổ trên đất liền Trên đất liền: thường dùng nguồn nổ dynamic, nguồn rung (hình 4.10) Khi sử dụng nguồn phát sóng người ta tiến hành như sau: * Nổ mìn trong giếng khoan Khoan hết lớp đất mềm, vận tốc thấp, chiều sâu từ 10÷100 m, đặt thuốc nổ vào đá cứng. Lượng thuốc nổ theo chiều sâu khảo sát. Nguồn sóng coi như nguồn sóng cầu. * Nguồn đập Dùng búa máy 2÷3 tấn, cao từ 3÷4 m đập xuống. * Nguồn rung Phát xung dạng nguồn rung tạo dao động hình sin. b. Phát sóng địa chấn trong môi trường nước Khi phát sóng ở biển, sông, hồ thường dùng nguồn khí nén, nổ hỗn hợp khí, đập- thủy lực. 43
45. * Nguồn khí nén Áp suất cao (100 – 150 kG/cm3). * Nguồn điện thủy lực Biến áp một chiều tạo điện áp 10 Kv, công suất phát điện vài chục MW. * Nguồn phát sóng địa chấn nông phân giải cao Dùng phóng tia lửa điện (sparker) hoặc gây rung điện từ (Boomer), tia sóng tần số f = n(100÷1000)Hz, công suất 4÷5 KW. Trên biển thường dùng nguồn nổ là: súng hơi, sparker, boomer, pinger. Một vài thí dụ trên hình 4.11 a. Nguồn nổ boomer b. Nguồn nổ súng hơi Hình 4.11: Nguồn nổ trên biển 4.2.2. Thu sóng địa chấn a. Mạch địa chấn * Định nghĩa Mạch địa chấn là một hệ thống ghi sóng địa chấn tại một điểm quan sát. Phụ thuộc vào thiết kế thu nổ mà tương ứng với mỗi lần nổ chúng ta sẽ thu được số mạch địa chấn và sự phân bố các mạch khác nhau. Thí dụ số mạch địa chấn có thể là 12, 24, 48, 96, 192, 384, mạch. * Mạch thu địa chấn gồm các bộ phận Máy thu, khuếch đại, lọc tần số, điều chỉnh biên độ, ghi từ Trong các bộ phận trên máy thu đặt tại điểm đo, dây dẫn nối với bộ phận còn lại trong trạm địa chấn. b. Máy thu địa chấn Máy thu địa chấn làm nhiệm vụ tiếp nhận dao động 1. Vỏ máy 2. Nam chấm cơ học và biến thành tín hiệu điện. 3. Cuộn dây cảm ứng 4. Lò xo * Máy thu cảm ứng Hình 4.12: Máy thu cảm ứng Thanh nam châm gắn với vỏ máy, khi sóng địa chấn tới làm dao động vỏ máy tức làm dao động nam châm, trong đó có đặt cuộn dây cảm ứng làm xuất hiện dòng điện cảm ứng tỉ lệ với dao động của nam châm (xem hình 4.12). * Máy thu điện áp Dùng chất áp điện tiếp nhận dao động sóng. Tinh thể điện áp làm từ tinh thể gốm titanat bari hoặc muối xenhet có Hình 4.13: Máy thu điện 44
46. dạng hình trụ hoặc tấm mỏng (dày 1mm, dài 40 mm, đường kính 20 mm), áp lực tác dụng vào chất áp điện gây ra tín hiệu điện tỉ lệ với áp lực (xem hình 4.13). c. Trạm địa chấn * Trạm địa chấn ghi tương tự: - Bộ phận khuếch đại tín hiệu với hệ số k = 104 ÷ 106 lần; - Bộ lọc tần số: lọc tín hiệu có ích trong dải tần nhất định nhằm loại tần số nằm ngoài dải đo; - Bộ phận ghi biến tín hiệu điện thành dao động cơ học ghi trên giấy ảnh hoặc bằng từ (xem hình 4.14). Hình 4.14a: 1. Khung dây cảm ứng; 2. Vị trí mới của khung dây khi có dòng điện chạy qua; 3.Gương chiếu; 4. Hệ thống quang học; 5. Dao động được ghi lại lên băng. Hình 4.14b: 1. Lõi sắt non vành xuyến; 2. Cuộn dây cảm ứng; 3. Khe hở nhỏ; a. Nguyên tắc ghi dao động b. Nguyên tắc ghi dao động 4. Trường từ được tạo nên địa chấn lên băng ảnh địa chấn lên băng từ khi có dòng điện đi qua. Hình 4.14: Bộ phận ghi ảnh hoặc ghi từ * Trạm địa chấn ghi số Để sử dụng máy tính và tự động hóa quá trình xử lý số liệu người ta sử dụng các trạm địa chấn ghi số. Trạm địa chấn ghi số chỉ khác trạm ghi tương tự ở bộ phận ghi tín hiệu được rời rạc hóa và ghi ở từng thời điểm. Tín hiệu có biên độ, có bề rộng t nằm giữa các xung t (hình 4.15). Như ở trên đã trình bày trong môi trường tồn tại nhiều loại sóng có các đặc tính khác nhau. Tùy thuộc vào sóng hay tính chất của sóng được chọn để nghiên cứu, phương pháp địa chấn được chia nhỏ ra Hình 4.15: Rời rạc hóa tín hiệu thành nhiều phương pháp khác nhau như địa chấn phản xạ, địa chấn khúc xạ, địa chấn nông phân giải cao. Trong phần địa chấn đại cương này chỉ có một số phương pháp được giới thiệu. §4.3 Phương pháp địa chấn phản xạ 4.3.1. Phương pháp địa chấn phản xạ a. Định nghĩa Phương pháp địa chấn phản xạ là phương pháp địa chấn sử dụng sóng phản xạ để nghiên cứu cấu trúc địa chất. b. Điều kiện áp dụng phương pháp 45
47. Có mặt ranh giới phân chia môi trường phụ thuộc vào sự khác nhau của độ trở kháng âm học 2v 2 1 v 1 . 4.3.2. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ a) Trường hợp có một ranh giới phản xạ phẳng nằm nghiêng * Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ Giả sử mặt phản xạ R là phẳng nghiêng so với mặt đất một góc , tốc độ truyền sóng tới và sóng phản xạ là v , chiều sâu tới mặt R là h. O là điểm nổ, O* là điểm nổ ảo đối xứng với O qua mặt R. Sóng từ O tới R phản xạ lại mặt đất tại S(x) như sóng truyền từ O* tới S (hình 4.16). Biểu đồ thời khoảng được xác định như sau: OA AS O* S t x (4.19) v v Hình 4.16: Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ O’ là hình chiếu của O* lên mặt đất, xét tam giác vuông O’O*S: O* S 2 O'O *2 O'S 2 (4.20) O'O*2 4h 2 OO' 2 (4.21) O'S2 x OO' 2 (4.22) OO' 2.h.sin (4.23) 12 2 1 tx OO' * OS ' x 2 4hxsin 4h 2 (4.24) v v Tùy thuộc hướng nghiêng của R mà có dấu (+) về phía cánh hạ hay dấu (-) về phía cánh nâng. Phương trình (4.24) chứng tỏ BĐTK sóng phản xạ là hyperbol có cực tiểu dịch về phía cánh nâng của mặt phản xạ (so với điểm nổ) và đối xứng hai bên điểm cực tiểu tm(O’). * Các đặc trưng của BĐTK sóng phản xạ Tại x = 0 điểm thu trùng điểm nổ ta có thời gian sóng phản hồi là: to 2h / v (4.25) Còn thời gian tại điểm cực tiểu: O*' O 2h t cos (4.26) m v v Điểm cực tiểu của BĐTK cách điểm nổ O một khoảng là OO' 2.h.sin Điểm cự tiểu tm(O’) được gọi là điểm sâu chung vì nếu điểm nổ và điểm thu sóng đối xứng hai bên điểm này thì đều có chung điểm phản xạ mà không phụ thuộc mặt này nằm nghiêng hay nằm ngang. * Khi mặt ranh giới phản xạ nằm ngang 0 1 t x x2 4h 2 (4.27) v 46
48. Lúc đó to t m , BĐTK vẫn là hyperbol đối xứng hai bên điểm nổ (xem hình 4.18). b) Trường hợp có nhiều mặt ranh giới khác nhau Khi môi trường có nhiều mặt ranh giới thì có nhiều BĐTK, mặt nằm nông BĐTK càng cong, mặt nằm sâu BĐTK càng thoải (xem hình 4.18). 4.3.3. Kỹ thuật đo của phương pháp địa chấn phản xạ a. Hệ thống quan sát trên đất liền Có hai cách bố trí hệ thống quan sát sóng phản xạ. * Hệ thống thu một cánh: thu tín hiệu một phía của điểm nổ (xem hình 4.17a); * Hệ thống thu 2 cánh: thu tín hiệu hai phía của điểm nổ (xem hình 4.17b). Máy thu Máy thu Nguồn nổ Nguồn nổ a. Hệ thống cánh b. Hệ thống trung tâm Hình 4.17: Hệ thống thu 1 cánh và 2 cánh b. Hệ thống quan sát trên biển Cáp có thể dài đến 6km (2D), 8km (3D), đặt dưới mặt nước ở chiều sâu h  / 4 (khoảng từ 5÷8 m), nổ nén khí hoặc điện áp theo hệ thống thu một cánh. Vì máy ghi đặt trên tàu, kéo cáp thu phía sau. Có thể kéo hệ thống cáp theo nhiều tuyến để đo địa chấn phản xạ 3 chiều. 4.3.4. Xử lý tài liệu địa chấn phản xạ Xử lý tài liệu địa chấn phản xạ là xây dựng mặt cắt thời gian và từ đó xây dựng mặt cắt chiều sâu của các mặt ranh giới phản xạ. Trên băng địa chấn phản xạ, liên kết sóng sẽ được các BĐTK ứng với các mặt ranh giới phản xạ khác nhau. Khi nguồn nổ O và các điểm quan sát đều nằm trên trục x thì không phải hiệu chỉnh tĩnh tức hiệu chỉnh khoảng cách nổ. Giả sử môi trường có n lớp với các mặt phản xạ phẳng ngang R1, , Ri, , Rn với thời gian cực tiểu là t01, t0i, ,t0n và tốc độ truyền sóng tới các mặt ranh giới là v( t01), ,v(t0i), v(t0n). Điểm nổ tại O, thu nổ hai bên cánh, ta có biểu đồ thời khoảng (hình 4.18). Nếu các mặt ranh giới là phẳng thì BĐTK là các hypebol. Ở điểm quan sát x có thời gian phản xạ tại mặt thứ i, mạch thứ j, từ (4.27) ta có: Hình 4.18: Biểu đồ thời khoảng sóng 2 2 x phản xạ khi có nhiều mặt ranh giới tij x t 0i 2 (4.28) v t0i 47
49. Từ (4.28) nếu khai triển theo chuỗi ta tính được thời gian tại mạch thứ j của mặt ranh giới Ri là: tij x t 0i t ij x (4.29) Với: tij x là lượng hiệu chỉnh động: 1 12 1 1 4 tij x .2 x . 2 4 x ( 4.30) 2t0i .v t 0i 8 t 0i .v t 0i Như vậy nếu biết vận tốc v(t0i) thì có thể tính được lượng hiệu chỉnh tij x . Từ (4.29) đưa vào hiệu chỉnh động cho từng mạch ta có: t0i t ij x t ij x (4.31) Với t0i là thời gian điểm sâu chung tại cực tiểu (hình 4.19a). Như vậy sau hiệu chỉnh ta đã đưa BĐTK từ hypepol (hình 4.19b) về đường thẳng (hình 4.19c) Từ đó cho phép dùng chương trình xử lý cộng điểm sâu chung sẽ làm tăng tín hiệu, giảm nhiễu và sẽ đưa ra các tín hiệu phản xạ chính xác (hình 4.19d). a. Sơ đồ tia của hệ thống b. Biểu đồ thời khoảng c. Biểu đồ thời khoảng ĐSC d. Kết quả cộng sóng điểm sâu chung ĐSC trước khi hiệu chỉnh sau khi hiệu chỉnh động có cho biên độ cực đại động có dạng hypepol dạng đường thẳng Hình 4.19: Cộng sóng điểm sâu chung Mỗi lần thu nổ thứ m ta có một thời gian toi(m) trên tuyến quan sát gọi là mặt cắt thời gian. Sau đó chuyển về mặt cắt chiều sâu đến mặt ranh giới Ri theo công thức: v .t m h m 0i 0i (4.32) i 2 Mặt ranh giới chiều sâu Ri phản ánh địa hình mặt phản xạ như mặt lồi, lõm, có biểu hiện dịch chuyển của đứt gãy địa chất, đúng như cấu tạo địa chất (hình 4.20). 4.3.5. Minh giải tài liệu địa chấn phản xạ Mục đích của việc minh giải là xây dựng được lát cắt địa chấn, sau đó chuyển đổi sang bản đồ đẳng dày, đẳng sâu để giải thích các quá trình hoạt động địa chất hay cấu trúc địa chất, xác định các đứt gãy, Hình 4.20 là một thí dụ từ tài liệu địa chấn sang tài liệu địa chất sau quá trình minh giải a. Phân tích lát cắt địa chấn phản xạ Phân tích tài liệu địa chấn phản xạ gồm: Minh giải các mặt phản xạ; Phân chia mặt cắt địa chấn thành các tập địa chấn địa tầng; 48
50. Xác định đứt gãy địa chất: tồn tại vùng mất sóng, mặt phản xạ bị dịch chuyển, có dấu hiệu sóng tán xạ ở mép đứt gãy. b. Giải thích địa chất từ tài liệu địa chấn phản xạ - Xây dựng địa tầng trầm tích, tuổi địa tầng; - Tướng môi trường trầm tích với nguồn gốc đầm hồ, vùng châu thổ, thềm kết hợp với tài liệu khoan mẫu địa chất; - Nhận định về cấu kiến tạo: đứt gãy, biến đổi tướng, bất chỉnh hợp từ đó có quan điểm về cấu kiến tạo, địa động lực, lịch sử phát triển; - Thăm dò, đánh giá tiềm năng khoáng sản; - Ứng dụng nghiên cứu nước ngầm; các công trình ngầm; - Khả năng xảy ra tai biến như động đất, sạt lở. Hình 4.20: Mặt cắt địa chấn phản xạ thu được trước và sau minh giải §4.4 Phương pháp địa chấn khúc xạ 4.4.1. Phương pháp địa chấn khúc xạ a. Định nghĩa Phương pháp địa chấn khúc xạ là phương pháp địa chấn sử dụng sóng khúc xạ (sóng phản xạ toàn phần) để xác định mặt ranh giới và đánh giá các đặc điểm của nó như bề mặt lồi, lõm, đứt gãy, đặc biệt là vận tốc vrg của sóng khúc xạ trượt trên mặt ranh giới. b. Điều kiện áp dụng phương pháp này là: - Có mặt ranh giới khúc xạ: vi 1 v i - Máy thu phải đặt đủ xa nguồn nổ để thu được sóng khúc xạ (khoảng cách thu nổ x > 49
51. xc khoảng cách tới hạn) 4.4.2. Biểu đồ thời khoảng sóng khúc xạ: a) Trường hợp chỉ có một ranh giới nằm R1 T ngang: 3 Giả sử có mặt ranh giới nằm ngang t2 R1 phân chia môi trường có vận tốc v2 v 1, chiều sâu pháp tuyến tới mặt R1 là h. (hình 4.21) Trên tuyến x sóng khúc xạ xuất Sóng khúc xạ hiện khi góc phản xạ đạt tới góc tới hạn C. Sóng phản xạ v1 sinC (4.33) v2 Sóng thẳng Đôi khi người ta gọi sóng khúc xạ là sóng đầu do nó đến trước cả sóng thẳng dịch chuyển theo vận tốc v1 của lớp trên nhỏ hơn vận tốc v2 của lớp dưới. Với: x là khoảng cách thu nổ; Ta có phương trình của sóng thẳng: xc là khoảng cách tới hạn là khoảng cách máy thu gần nhất có thể thu được sóng khúc xạ; td x / v 1 (4.34) x là khoảng cách xuyên chéo (crossover Với sóng khúc xạ, từ nguồn nổ đi cr distance) là khoảng cách của điểm mà sau đó thì tới mặt ranh giới với góc C với thời gian sóng khúc xạ đến trước sóng thẳng. t1, trượt trên mặt ranh giới với khoảng thời Hình 4.21: BĐTK của sóng phản xạ, gian t2, quay lai bề mặt với khoảng thời khúc xạ, sóng phẳng gian t3. Ta có: h t1 t 3 (4.35) v1 cos c x 2.h.tan c t2 (4.36) v2 Ta có tổng thời gian dịch chuyển của sóng khúc xạ tới điểm x là: 2h / cosCCCx 2h tan  1 tan  x t x t1 t 2 t 3 2h (4.37) v1 v 2 v 2 v 1 cos C v 2 v 2 sin c v1 Do tanc và theo định luật Snell ta có: sinc , thay vào (4.37) thu được: cosc v2 1 1sin C x 2h v1 x t x 2h 1 sin C vcos vcos  v vcos  v v 1 C 2 C 2 1 C 2 2 (4.38) 2h2 x 2h 2 x2h cosC x 1 sin CC cos  vcos1 C vvcos 2 1  C v 2 v 1 v 2 2.h.cosc Nếu đặt: t1 (4.39) v1 xsin c x Ta có: t x t1 t 1 (4.40a) v1 v 2 50
52. Như vậy ta có biểu đồ thời khoảng của sóng khúc xạ là đường thẳng với hệ số góc tg 1/ v2 (hình 4.21). Trường hợp mặt ranh giới nghiêng một góc , phương trình BĐTK sóng khúc xạ có dạng: x t x .sin c t 1 (4.40b) v1 BĐTK sóng khúc xạ khi mặt ranh giới nghiêng vẫn là đường thẳng nhưng góc nghiêng thay đổi, cánh nâng nghiêng hơn cánh hạ. Còn khi mặt khúc xạ là mặt cong (lồi hoặc lõm) góc thay đổi liên tục, BĐTK khi đó là đường cong. b) Trường hợp có nhiều mặt ranh giới nằm ngang: Dựa trên công thức (4.40) và giả thiết môi trường là các mặt nằm ngang, song song với các vận tốc lớp lần lượt là v1, v2, v3, v4 (hình 4.22) ta có: Góc tới hạn của khúc xạ lần thứ nhất: sin1,2 v 1 / v 2 (4.41) Góc tới hạn của khúc xạ lần thứ hai: sin1,3 v 1 / v 3 ( 4.42) sin2,3 v 2 / v 3 (4.43) Góc tới hạn của khúc xạ lần thứ ba: sin1,4 v 1 / v 4 (4.44) sin2,4 v 2 / v 4 (4.45) sin3,4 v 3 / v 4 (4.46) Với các góc 1 được biểu diễn như trên hình vẽ. Khi đó vận tốc biểu kiến biểu diễn trên mặt được tính theo Sóng thẳng (độ dốc=1/V1) độ nghiêng của biểu đồ thời khoảng Sóng khúc xạ 1 của ranh (hình 4.22) như sau: giới thứ nhất (độ dốc=1/v2) Sóng KX 2 v1 vap2 v 2 (4.47) sin 1,2 v1 vap3 v 3 (4.48) Hình 4.22: Xác định tốc độ bằng BĐTK sóng khúc xạ sin 1,3 v1 vap4 v 4 (4.49) sin1,4 Với: vap2, vap3, vap4 là vận tốc biểu kiến của sóng khúc xạ từ các mặt 2, 3, 4; v1, v2, v3, v4 là vận tốc thật của các lớp 1, 2, 3, 4. c. Trường hợp mặt khúc xạ là mặt cong, đứt gãy và hẻm lòng sông cổ * Khi mặt khúc xạ là mặt cong Từ phương trình (4.40b) ta có: x t x .sin c t 1 (4.50a) v1 51
53. Vì góc thay đổi liên tục theo mặt khúc xạ cong nên BĐTK sóng khúc xạ cũng sẽ cong và có dạng ngược với mặt khúc xạ (hình 4.23a). * Khi mặt khúc xạ qua đới phá hủy của đứt gãy Xuất phát từ phương trình (4.40a): x t x t1 (4.50b) v2rg Vì môi trường thứ 2 có vận tốc v2rg thay đổi đột ngột nên BĐTK sẽ vừa cong và dịch chuyển tuyến tính khi qua đới đứt gãy (hình 4.23b). * Khi mặt khúc xạ là hẻm lòng sông cổ Do sóng khúc xạ bị giao thoa nên BĐTK có dạng bắt chéo (hình 4.23c). a. Khi mặt phản xạ lõm b. Khi qua đới phá hủy c. Khi mặ phản xạ có dạng hẻm đứt gãy lòng sông cổ Hình 4.23 4.4.3. Phương pháp kỹ thuật đo địa chấn khúc xạ * Điều kiện thu sóng khúc xạ: Đặt xa nguồn nổ một khoảng xác định theo một trong hai cách: - Hệ thống quan sát giao nhau: Khi quan sát sóng khúc xạ trên đất liền người ta đặt chặng máy thu ở giữa hai điểm nổ O1 và O2 sẽ thu được hai BĐTK r1 và r2 ngược nhau có thời gian tương hỗ T là thời gian sóng khúc xạ từ nguồn nổ O1 qua mặt khúc xạ trở lại nguồn nổ O2 và ngược lại (xem hình 4.24a). Khi quan sát trên biển tại từng tuyến sẽ phải cho tàu chạy với chiều ngược lại. - Hệ thống quan sát đuổi nhau: Các đoạn quan sát r1 và r2 gối lên nhau khi tuyến quan sát rất dài nhằm theo dõi sóng liên tục trên tuyến (xem hình 4.24b). Với hệ quan sát đuổi nhau, các đoạn gối nhau có thể dịch chuyển thời gian một khoảng t như r2 nối r1 thành một chặng kéo dài. 52
54. a. Hệ thống quan sát giao nhau b. Hệ thống quan sát đuổi nhau Hình 4.24: Hệ thống quan sát trong khảo sát địa chấn khúc xạ 4.4.4. Xử lý tài liệu địa chấn khúc xạ a. Liên kết sóng khúc xạ xây dựng BĐTK: Trong địa chấn khúc xạ, từ băng địa chấn, ta liên kết sóng đầu hoặc pha sóng để xây dựng BĐTK sóng khúc xạ (hình 4.25). b. Phương pháp xử lý theo BĐTK đuổi nhau Phương pháp này áp dụng khi thi công theo hệ quan sát đuổi nhau để khi nghiên cứu cấu tạo sâu, mặt khúc xạ gần như nằm ngang (φ vn1, >v1). i b. BĐTK với trục thẳng đứng biểu diễn thời đó xác định chiều sâu đến mặt khúc xạ: gian T và các điểm cắt t1, t2, n 1 hn 1  h i (4.53b) Hình 4.26: Tốc độ các lớp tính theo góc nghiêng i 1 53
55. c.Phương pháp xử lý theo BĐTK giao nhau Phương pháp này áp dụng khi thi công theo hệ quan sát giao nhau để nghiên δ(t) cứu mặt khúc xạ không nằm ngang ( 5o ) hoặc thậm chí là mặt cong, lồi hoặc lõm rất δ(t) -δ(t) thường gặp trong nghiên cứu các mặt móng địa -δ(t) chất công trình, đập thủy điện, nền móng công trình xây dựng Giả sử môi trường chỉ có 2 lớp v1 và v2: θc * Xác định tốc độ lớp ranh giới khúc xạ v2rg θc θc - Tốc độ lớp trên xác định theo tài liệu θc địa chấn trong giếng khoan; - Xác định tốc độ v2rg bằng phương Hình 4.27: Xác định tốc độ bằng BĐTK hiệu pháp BĐTK tổng  x . Theo cách cộng đồ thị như trên (hình 4.27) ta có:  x t1 x T t 2 x t 1 x  t (4.54) 2cos Sau đó tính: x v2rg x Nên: v 2 cos (4.55) 2rg  Trong thực tế 10o  15 o có thể lấy cos 1 do đó: x v 2 (4.56) 2rg  * Xây dựng mặt ranh giới khúc xạ - Trước hết người ta xây dựng đường t0(x) tương tự như đường  x như (hình 4.27) gọi là biểu đồ hiệu. Bằng đồ thị ta đặt đoạn  t xuống dưới đường t1 x . to x t 1 x T t 2 x t 1 x  t (4.57) Đường t0(x) là đường thời gian sóng phản hồi từ mặt khúc xạ tại điểm quan sát x như đường thời gian điểm sâu chung của phương pháp địa chấn phản xạ. - Xác định mặt ranh giới khúc xạ: 2.h Vì: to x v1tb .cos c Nên chiều sâu đến mặt ranh giới tại điểm thu x là: t x .v v .t x h x o 1tb 1tb o (4.58) 2cos 2 c v 2 1 1tb v2rg 54
56. 4.4.5. Áp dụng phương pháp địa chấn khúc xạ - Xác định nền móng đập thủy điện, hẻm lòng sông cổ, địa hình đáy sông (hình 4.28); - Khảo sát nền móng nhà máy, địa hình mặt đá gốc (hình 29); - Khảo sát nền móng cầu, cảng, địa hình mặt đá gốc dưới đáy sông. Hình 4.28: Mặt khúc xạ qua hẻm sông - Khảo sát mặt ranh giới khúc xạ, đặc biệt lớp có tốc độ rrg thấp có khả năng chứa dầu khí. Hình 4.29: Mặt cắt địa chất thu được theophương pháp địa chấn khúc xạ §4.5 Các phương pháp địa chấn tần số cao 4.5.1. Phương pháp địa chấn nông phân giải cao Đây là phương pháp địa chấn phản xạ, khảo sát nông vài trăm mét ở tần số cao nên có độ phân giải cao hơn. Phương pháp này có thể dùng nhiều loại nguồn nổ như nguồn nổ Boomer (rung điện từ) công suất 10KW, tần số f = 3,5 ÷ 7 KHz, kỹ thuật đo và xử lý tài liệu tương tự như phương pháp địa chấn phản xạ. Dùng nguồn pinger có nguồn phát là sóng âm dựa vào hiệu ứng từ giảo hay áp điện, dải tần hoạt động của hệ này từ 2500 đến 750 Hz, hệ thống có độ phân giải rất cao (khoảng 0.1m) nhưng độ sâu xuyên kém. Nếu ở dải tần thấp hơn f = 10÷300 Hz có thể khảo sát đến chiều sâu 1000÷1500 m. Phương pháp này thường dùng khảo sát cấu trúc địa chất đới ven bờ biển nông, đồng bằng ven biển. 4.5.2. Phương pháp đo sâu hồi âm Phương pháp đo sâu hồi âm là phương pháp sóng âm phản xạ ở tần số cao f = 30÷200 KHz. Phát sóng dạng xung, ghi sóng phản hồi, xác định bề mặt đáy biển. v.t x h x 2 Phương pháp này có thể quét hai bên sườn tàu để xác định đá gốc trồi lên, có thể tìm tàu đắm, ở cách xa 150÷250 m. 55
57. 4.5.3. Phương pháp siêu âm trong hầm lò Phương pháp này dùng sóng siêu âm ở dạng chiếu sóng hoặc phản xạ sóng để xác định hang Karst, đới phá hủy, túi chứa nước nằm giữa hai lỗ khoan, đường hầm, hào (xem hình 4.29) a. Chiếu sóng siêu âm b. Phản xạ siêu âm Hình 4.30: Phương pháp chiếu sóng siêu âm hoặc phản xạ siêu âm 56
58. CHƯƠNG V: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ PHÓNG XẠ Thăm dò phóng xạ là phương pháp địa vật lý khảo sát trường phóng xạ tự nhiên phát ra từ đất đá để giải quyết nhiệm vụ đo vẽ bản đồ địa chất, tìm quặng phóng xạ hoặc quặng không phóng xạ cộng sinh với nguyên tố phóng xạ và nghiên cứu môi trường địa chất. Trong thăm dò phóng xạ nguồn của trường phóng xạ là các đồng vị phóng xạ có trong tự nhiên. §5.1 Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp phóng xạ 5.1.1. Cơ sở vật lý a. Cấu trúc của vật chất Cấu trúc của vật chất gồm các phân tử và nguyên tử. Nguyên tử gồm các hạt nhân và các điện tử chuyển động quanh hạt nhân theo các quĩ đạo khác nhau (mẫu hành tinh), nguyên tử có cấu trúc như sau: - Số điện tử của một nguyên tử bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđeleep. - Hạt nhân bao gồm các hạt proton mang điện dương và hạt nơtron không mang điện gọi chung là nuclon – được liên kết với nhau bằng năng lượng liên kết. Hình 5.1: Cấu trúc nguyên tử Như vậy một nguyên tố X bất kỳ có số thứ tự là Z, khối lượng là A thì ký hiệu là A Z X có số proton là Z, số nơtron là A-Z, số điện tử cũng là Z. 283 232 Các nguyên tố có thứ tự Z > 83 như Uran ( 92 U ), Thori ( 90Th ) là các nguyên tố nặng có hạt nhân không ổn định. Các nguyên tố có số proton Z như nhau nhưng số nơtron khác nhau (tức A khác nhau) gọi là các đồng vị phóng xạ. b. Hiện tượng phóng xạ Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng phát xạ tự phát thành các hạt hoặc bức xạ điện từ (tia gamma, tia X) khi các hạt nhân nguyên tử xảy ra phản ứng kết hợp hoặc tự tách vỡ (phân hạch) hoặc trên lớp điện tử quĩ đạo có sự bắt giữ điện tử, chuyển mức năng lượng. Nguyên tố phóng xạ là nguyên tố có khả năng phát xạ phóng xạ. Đó là các nguyên tố có hạt nhân không bền vững tự phân rã hoặc biến đổi trạng thái năng lượng để phát ra bức xạ ion hóa. Trong thăm dò phóng xạ chỉ xét 2 hiện tượng phân rã phóng xạ chính là phân rã anpha (α) và phân rã beta (), và bức xạ gamma: * Phân rã anpha ( ): Hạt nhân nguyên tử phát ra hạt gồm 2 proton và 2 nơtron nên số A 4 thứ tự giảm đi 2 và khối lượng giảm đi 4, bản thân nó thành nguyên tố khác Z 2Y còn hạt 4 chính là hạt nhân nguyên tử Heli 2 He . A A 4 4 ZX Z 2 Y 2 He 226 222 4 Ví dụ: 88Ra 86 Rn 2 He 57
59. + Tính chất của hạt : - Năng lượng hạt của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên là E 8  10MeV ; 9 - Tốc độ chuyển động của hạt là v 1,42  2,05 .10 cm / s. + Đặc điểm hạt : - Có khả năng ion hóa chất khí rất mạnh, tốc độ giảm nhanh; - Khả năng đâm xuyên yếu, trong không khí chỉ đi được 3÷10 cm, không xuyên được qua tờ giấy mỏng. * Phân rã beta (  ): Phân rã  xảy ra khi hạt nhân có sự biến đổi từ notron thành proton hoặc ngược lại, lúc đó phát ra điện tử (e ) gọi là phân rã  hoặc positron ( e ) gọi là phân rã  . + Tính chất của phân rã  : - Khi phân rã  điện tích của hạt nhân tăng hoặc giảm 1 đơn vị và có khối lượng nguyên tử không thay đổi: A A ZXY Z 1  - Tốc độ của hạt  là v c (tốc độ ánh sáng), chùm hạt  gọi là tia ; - Năng lượng E của bức xạ  có đặc trưng phổ liên tục. + Đặc điểm tia  : - Có khả năng ion hóa kém hơn hạt ; - Khả năng đâm xuyên lớn hơn hạt , trong không khí tia  đi được khoảng 1.2 m, còn trong đất đá chỉ qua được 1 cm. * Bức xạ gamma ( ): Bức xạ  thường phát sinh kèm theo biến đổi  (hoặc phân rã ) cũng có thể do e chuyển động từ mức năng lượng không ổn định về mức năng lượng thấp hơn, ổn định hơn thì phát ra bức xạ  . + Tính chất của bức xạ  : - Bức xạ  là bức xạ điện từ tần số cao vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, không mang điện, không có khối lượng khi đứng yên; - Năng lượng bức xạ  của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên: E 0,05  3MeV phụ thuộc hạt nhân của nguyên tố phóng xạ. c. Qui luật phân rã phóng xạ - Dãy phóng xạ * Qui luật phân rã phóng xạ Số lượng nguyên tử của nguyên tố phóng xạ giảm dần theo qui luật nhất định. Số nguyên tử bị phân rã là dN trong thời gian dt tỉ lệ với số nguyên tử N. dN  Ndt 1 dN N N e t  o N dt Qui luật phân rã theo hàm e mũ với hằng số  là xác suất phân rã của một hạt nhân nguyên tử trong một đơn vị thời gian,  càng lớn tốc độ phân rã càng nhanh. + Các tham số đặc trưng cho quá trình phân rã phóng xạ: - Thời gian sống trung bình của nguyên tử  là đại lượng tỉ lệ nghịch với hằng số phân rã:  1/  . 58
60. - Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian số nguyên tố giảm đi còn một nửa. Cho t = T; T NT 1/ 2.N o N o e ln 2 0,693 T   Các chất khác nhau có chu kỳ bán rã khác nhau. 212 -7 Ví dụ: 84 Po có T = 2,09.10 giây 232 10 90Th có T = 1,4.10 năm * Các dãy phóng xạ Dãy phóng xạ là các nguyên tố phóng xạ liên tiếp tạo thành dãy phóng xạ. 232 235 Trong tự nhiên có 3 dãy phóng xạ, các dãy bắt đầu bởi các nguyên tố 90Th , 92 U 238 (dãy Actini) và 92 U . 238 232 234 Ví dụ: 92 U phân rã thành 90Th , phân rã  thành Pa qua nhiểu lần thành 226 222 88 Ra , phân rã thành 86 Rn cuối dãy là đồng vị bền của Pb. Tính chất chung của dãy phóng xạ: - Các nguyên tố đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng có chu kỳ bán rã rất lớn T 108  10 10 năm, quá trình phân rã các nguyên tố sau đều có khối lượng nhỏ dần. - Ở giữa mỗi dãy đều có đồng vị phóng xạ ở dạng khí như Rn (Radon), An (Actinon) và Tn (Thoron). Các khí này có tên chung là khí eman. - Cuối mỗi dãy là những chất bền vững không phóng xạ, đều là các đồng vị bền của Pb. d. Sự cân bằng phóng xạ Trong dãy phóng xạ xảy ra hai trường hợp: - Khi 1  2  n tức tốc độ phân rã của nguyên tố mẹ nhanh hơn nguyên tố con, như vậy nguyên tố mẹ sẽ hết chỉ còn lại các nguyên tố con. - Khi 1  2  n nguyên tố mẹ phân rã chậm hơn nguyên tố con nên sẽ cùng tồn tại mẹ và con với trường hợp 1  2  n sau thời gian đủ lớn ta có biểu thức: 1N 1  2 N 2  n N n Khi đó có sự cân bằng dãy phóng xạ. e. Tương tác bức xạ phóng xạ với vật chất * Tương tác của hạt Hạt đi qua vật chất va chạm với điện tử của vật chất gây ra hiện tượng: - Khi năng lượng E đủ lớn làm tách e của nguyên tố môi trường khí ra khỏi quĩ đạo trở thành điện tử tự do gọi là ion hóa. - Khi năng lượng E không cao, không đủ làm e bật ra, chỉ làm tăng mức năng lượng của e lên mức cao hơn gọi là bị kích thích. - Gây phản ứng hạt nhân: 9 4 12 1 4Be 2 He 6 C 0 n * Tương tác của tia  Tia  qua môi trường vật chất gây ra các hiện tượng: 59
61. - Sự ion hóa làm bật e của nguyên tố môi trường khí thành e tự do. - Kích thích tán xạ là e chuyển mức năng lượng cao hơn, còn tia  bị chuyển động lệch hướng. - Bức xạ hãm: Tia  có năng lượng cao bị hãm trong trường tĩnh điện của hạt nhân sẽ phát ra bức xạ điện từ còn gọi là bức xạ hãm. * Tương tác của bức xạ  Khi đi qua môi trường vật chất tùy mức năng lượng của bức xạ  , sẽ xảy ra 3 quá trình chủ yếu như sau: - Hiệu ứng quang điện: Với tia  có năng lượng thấp E 0,2MeV đi vào môi trường vật chất sẽ tương tác với e , truyền toàn bộ năng lượng cho e làm e bật ra, còn tia  mất đi (hấp thụ hoàn toàn) gọi là hiệu ứng quang điện. mv2 EE  lk 2 Với Elk là năng lượng liên kết. Vật chất có số thứ tự lớn thì hiệu ứng quang điện mạnh. - Hiệu ứng Compton: Khi năng lượng bức xạ  tăng lên E 0.2MeV , khi va chạm với điện tử truyền một phần năng lượng cho e làm điện tử bẳn ra khỏi nguyên tử, còn bức xạ  giảm năng lượng bị tán xạ chuyển động lệch hướng theo góc tán xạ khác. v2 E E m   ' 2 Đối với môi trường vật chất nhẹ thì xác xuất xảy ra hiệu ứng tỉ lệ với mật độ đất đá của môi trường. - Hiệu ứng tạo cặp: Khi bức xạ  có năng lượng cao E 1,02MeV tương tác với hạt nhân nguyên tử vật chất bị mất hoàn toàn năng lượng và làm hạt nhân bắn ra một cặp gồm một điện tử e và một proton e gọi là hiệu ứng tạo cặp. v2 E 2m  2 a. Hiệu ứng hấp thụ quang điện b.Hiệu ứng compton c. Hiệu ứng tạo cặp Hình 5.2: Tương tác của bức xạ  60
62. 5.1.2. Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ Các nguyên tố phóng xạ: U, Th, K, Rn tồn tại trong đất đá, nước, không khí. - Trong đá magma: Hàm lượng các nguyên tố phóng xạ tăng theo tính axít của đá magma, các đá mafic và siêu mafic có tính phóng xạ yếu. Đá có tuổi tuyệt đối càng cao hàm lượng phóng xạ càng nhỏ. Đá magma axít có hàm lượng nguyên tố phóng xạ cao hơn. - Trong đá trầm tích: Có hàm lượng các nguyên tố phóng xạ thay đổi trong một phạm vi rộng. Đá phiến sét có hàm lượng phóng xạ cao hơn, các loại trầm tích hóa học như: cacbonat, cát, thạch anh có tính phóng xạ yếu. - Trong đá biến chất: Chưa được nghiên cứu đầy đủ, qui luật phân bố các nguyên tố phóng xạ phức tạp phụ thuộc mức độ biến chất. - Lớp đất trồng: Thường tích tụ các nguyên tố phóng xạ tùy thuộc bản chất đá gốc, điều kiện tự nhiên, khí hậu. Lớp đất trồng gần các mỏ U, Th, K có vành phân tán phóng xạ (hình 5.3a). - Lớp đất trồng: Thường tích tụ các nguyên tố phóng xạ tùy thuộc bản chất đá gốc, điều kiện tự nhiên, khí hậu. Lớp đất trồng gần các mỏ U, Th, K có vành phân tán phóng xạ (hình 5.3). - Trong nước: Nước có hàm lượng phóng xạ thấp, nhỏ hơn hàng ngàn lần so với đất đá. Hình 5.3: Vành phân tán Nước ngầm, nước mặt ở gần các thân quặng phóng phóng xạ trong đất trồng xạ sẽ có hàm lượng phóng xạ cao hơn. §5.2 Các đơn vị đo và máy đo phóng xạ 5.2.1. Các đơn vị đo phóng xạ a. Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ là số lượng phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian - 1Curie (1Ci) là hoạt độ phóng xạ xảy ra 3,7.1010 phân rã/1gy; - 1 Becquerel (1Bq) là hoạt độ phóng xạ xảy ra 1 phân rã trong 1 gy: 1 Ci = 3,7.1010 Bq 1 Bq = 2,7.10-11 Ci b. Đơn vị đo nồng độ Nồng độ phóng xạ của chất lỏng và chất khí là hoạt độ phóng xạ trong một đơn vị thể tích gọi là Bq/l hoặc eman: 1 Bq/l = 1 phân rã/lít 1 em = 3,7 Bq/l (một eman) c. Đơn vị đo liều chiếu và suất liều chiếu * Đơn vị đo liều chiếu: - 1 Culon trên kg (C/kg) là đơn vị liều chiếu sao cho trong một kg không khí khô tổng điện tích của các ion cùng dấu là một Culon tức bằng 6,24.1018 cặp ion. - 1 Rơnghen (R) đơn vị liều chiếu của bức xạ  sao cho dưới tác động của liều đó trong 1 cm3 không khí ở điều kiện chuẩn (ở OoC, 760 mmHg) tạo ra 2,083.109 cặp ion. 61