Trường địa từ và kết quả khảo sát tại Việt Nam docx

Những bài học sông động của thầy về các phương pháp nghiên cứu Vật lý địa cầu, cũng như các phân tích của thây về những khó khăn to lớn mà ngành khoa học này đang gặp phải trong việc dự

VIEN KHOA HOC VA CONG NGHE VIET NAM

VIEN KHOA HOC VA CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

BỘ SÁCH CHUYÊN KHẢO

HỘI ĐỔNG BIÊN TẬP

Chủ tịch Hội đồng: GS.TSKH ĐẶNG VŨ MINH

Phó Chủ tịch Hội đâng: _GS.TSKH NGUYÊN KHOA SƠN

PGS.TSKH Nguyễn Tác An, PGS.TS Lê Trần Bình, PGS.TSKH Nguyễn Văn Cư, GS.TSKH Vũ Quang Côn, TS Mai Hà, GS.VS Nguyên Văn Hiệu, GS.TSKH Hà Huy Khoái, GS.TSKH Nguyễn

Xuân Phúc, GS.TS Bùi Công Quế, GS.TSKH Trần Văn Sung, PGS.TS Phạm Huy Tiến, GS.TS Trần Mạnh Tuấn, GS.TSKH

Nguyễn Ái Việt

Lời giới thiệu

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cơ quan nghiên cứu

khoa học tư nhiên và công nghệ đa ngành lớn nhất cá nước, có thế

mạnh trong nghiên cứu cơ bản, nghiên cui va phát triển công nghệ, điều tra tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việt Nam Viện tập trung một đội ngũ cán bộ nghiên cứu có trình độ cao, cơ vở vật chất

kỹ thuật hiện đại đáp ứng các yêu cầu về nghiên cứu và thực nghiệm của nhiều ngành khoa học tự nhiên và công nghệ

Trong suốt 30 năm xây dựng và phát triển, nhiều công trình và kết quả nghiên cứu có giá trị của Viện đã ra đời phục vụ đắc lực cho

sự nghiệp vày đựng và bảo vệ Tổ quốc Để tổng hợp và giới thiệu có

hệ thống ở trình độ cao, các công trình và kết quả nghiên cứu tới

bạn đọc trong nước và quốc tế, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam quyết định xuất bản bộ sách chuyên khảo Bộ súch tập trung vào ba lĩnh vực sau:

s Nghiên cứu co ban;

"Phát triển và ứng dụng công nghệ cao,

« Tai nguyén thiên nhiên và môi trường Việt Nam

Tác giả của các chuyên khảo là những nhà khoa học đâu ngành của Viện hoặc các cộng tác viên đã từng hợp tác nghiên cứu

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam xin trán trọng giới thiệu tới các quỷ đọc giả bộ sách này và hy vọng bộ sách chuyên khảo sẽ

là tài liệu tham khảo bổ ích, có giá trị phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, ứng dụng công nghệ, đào tạo đạt học và sau đại học

HỘI ĐỒNG BIÊN TẬP

Nguyén Thi Kim Thoa

TRUUING DIA TI

i

KET QUA KHAO SAT TAL VET MAM

HA NOI - 2007

MUC LUC

Trang

Thay lOt twa cece cece cee e eee e ec ene teen tenn eeee ees v

Chương I Trường địa từ .‹ 1

1 VỀ trường địa tỪ TQ Hs nh sườn 4 2 Các thiết bị quan trắc trường địa từ 15

3 Các phương pháp quan trắc trường địa từ 21

4 Các chương trình hợp tác quốc tế nghiên cứu tƯỜng ỞỊA [Ừ cu nn HS nh nà nh sa 34 5 Đặc điểm trường địa từ 38

Chương I] Trường địa từ và cấu trúc bên trong của Trái đâ( co con 1 1Ý ky 43 1 Câu trúc phân lớp của Trái đất 44

2 Biểu diễn giải tích trường địa từ 47

3 Biến thiên thé ky cua trường địa tỪ 52

4 Sự đảo cực của trường địa từ và cấu trúc bên trong của Trái đât con 2n nu kề nhu nhớ 61 5 Trường địa từ và cấu trúc vô Trái đất 65

6 Về nguồn gốc của trường địa từ 74

Chương IIL Trường địa từ và môi trường xung quanh Trái ri ee 81 1 Trường địa từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất 81

2 Chỉ số tính hoạt động trường địa từ 88

3 Từ quyền và môi trường xung quanh Trái dat 94

4 Quan hệ Mặt trời - Trải đất 95

5 Dự báo thời tiết Vũ trụ Là S2 hen 102

6 Simh dia ty oo cece eee eee tee eeee renee renee 106

7 Trường dia từ - một công cụ trong cuộc sống ¬ 109

it

Chương JV Nghién cứu biến thiên của trường dia tir

trên lãnh thổ Việt Nam 111

1 Các đài, trạm quan trắc địa từ tại Việt Nam 11)

2 Xác định vị trí của xích đạo từ trên lãnh thổ Việt 114 ]NAaT ene t enna beet eee e ete een cnet ys

3 Quan trac dong dién xich dao tai Viet Nam 116

4, Anh huéng của dòng điện xích đạo tới biển thiên 120

Sq tại Việt Nam

5 Dòng điện ngược xích đạo tại Việt Nam 125

6 Khảo sát biến thiên từ theo đề án quốc tế “Năm 128

quốc tê về dòng điện xích đạo”

7 Nhiễu loạn từ hình vịnh tại Việt Nam 135

8 BAO tr 0 ccc cece cect ene eee e eevee tener ens 140

9 Quan trắc hiệu ứng từ của nhật thực toàn phần ngày 144

24-10-1995 tại Việt Nam

Chương V Xây dựng mạng lưới đo biến thiên thế kỷ

trên lãnh tho Vict Nam 153

1 Xây dựng mạng lưới điểm đo biến thiên thể kỷ của

trường địa từ trên lãnh thô Việt Nam 133

2 Do giá trị tuyệt đối tức thời của trường địa từ tại

các điểm đo biến thiên thê ký ở Việt Nam 157

3 Phương pháp hiệu chỉnh biến thiên ngày đêm số

liệu quan trăc trường địa từ ở Việt Nam 164

4 Phương pháp quy nạp số liệu quan trắc về niên đại

1991.5,1997.5 và 2002.Š5 cà 166

5 Xây dựng bản đổ từ trường bình thường trên lãnh

thô Việt Nam .- cv c.à 173

6 Biến thiên thế kỷ ở Việt nam theo các tài liệu quan

trắc năm I9Ø1 và L997, , uc 176 Chương VI Nghiên cứu cô từ tại Việt Nam 183

2 Các phương pháp nghiên cứu cô từ 190

3 Nghién ciru cé tir bazan Kainozoi tai Viét Nam

4 Sự hình thành độ từ dư hoá học trên khoáng

macnetit và cơ chế tái nhiễm từ trong đất đá

$ Nghiên cứu cô từ các đá trầm tích Jura-Creta hai

phía đới đứt gãy Sông Hông tại miễn Bắc Việt

Nam Tàn se

Chương VII Nghiên cứu ứng dụng trường địa từ tại

Việt Nam .«

1 Áp dụng phương pháp từ tellua trong khảo sát nước

ngâm tại đồng băng Nam bộ

2 Phương pháp từ tellua khảo sát cau trúc sâu đới đứt

gãy Sông Hông

3 Xác định độ từ thiên D tại các sân bay

4 Nghiên cứu tác động của bão từ đối với hệ thống

truyền tải điện ở Việt Nam

5 Độ từ cảm và phương pháp MSEC xác định các

ranh giới địa tẬnE cuc nen cà

Tài liệu tham khảo

Phụ lục Hợp tác quốc tế trong nghiên cứu địa từ tại

Việt Nam cu SẰ 2e

1 Tổng hội khoa học quốc tế về Trắc địa và Vật lý địa

cau (IUGG)

2, Hội Địa từ và Cao không quốc tế ([AGA)

3 Liên hội nghị khoa học IAGA-IASPEI lân thứ nhất

tại Hà Nội, Việt Nam năm 2001

4 Chương trình nghiên cứu cầu trúc sâu của Trái đất

(SEDI) Ặ 0Q 2 nh ng nhàn

5 Chương trình tương quan địa chất quốc tế (IGCP)

6 Hội thảo Pháp - Việt 1997: Sự tiễn hoá và địa động

THAY LỜI TỰA

Tôi trở thành sinh viên năm thứ nhất khoa Vật lý thuộc chuyên

ngành Vật lý địa cầu tại trường Đại học tổng hợp Matxcơva vào

năm 1963 Hỏi đó nhà trường có một thông lệ là bố trí các giáo sư

giỏi nhất dạy cho sinh viên năm dưới, cho nên chúng tôi đã được học về Vật lý địa cầu đại cương với Giáo sư E F Xavarenxki, viện

sĩ thông tan Viện Hàn lâm khoa học Liên xô

Mỡ đầu bài giảng của mình, viện sĩ Xavarenxki chiều cho chúng tôi xem bức ảnh quả địa cầu được nâng lên bởi một bàn tay nhăn nheo Thay giải thích rằng địa cầu là đôi tượng nghiên cứu của

chúng tôi Thầy nhắn mạnh là các hiện tượng và quy luật về Vật lý

địa câu có tính liên tục trên toàn câu và không thé bị gián đoạn bởi ranh giới giữa các quốc gia Cho nên khi quyết định theo nghề, Vật

lý địa câu tức là chúng tôi sẽ tham gia vào cộng đồng quốc tế về lĩnh vực nảy, vì chỉ có sự hợp tác toàn cầu mới tạo điều kiện để chứng tôi hiểu đầy đủ về Trái đất Thầy hy vọng chúng tôi sẽ được

đi nhiều, thấy nhiều và sẽ đam mê Vật lý địa câu cho tới khi có một

bàn tay nhăn nheo, tức là trở thành một chuyên gia giàu kinh nghiệm, để nâng Trái đất lên mà nghiên cứu

Trong những giờ học của thây, chúng tôi dường như được theo chân những nhà thám hiểm tới vùng Bắc cực băng giá để nghiên cứu cực quang, hay tới những miệng núi lửa đang hoạt động ở Etna (Italy) đo nhiệt độ các dòng dung nham để tìm hiểu về nhiệt độ trong lòng đất Những bài học sông động của thầy về các phương pháp nghiên cứu Vật lý địa cầu, cũng như các phân tích của thây về những khó khăn to lớn mà ngành khoa học này đang gặp phải trong việc dự báo động đất - một tai hoạ khủng khiếp của loài người đã thực sự hấp dẫn chúng tôi Cuối mỗi buổi học bao giờ thầy cũng chiếu phim cho chúng tôi xem Cảnh đẹp của những nơi thầy đặt chân tới khảo cứu đã gợi lên trong tâm hồn chúng tôi lòng ham hiệu biết, thích chu du đây đó, được nhìn thấy mọi thứ và hiểu được chúng

Bến mươi năm qua, nghề Vật lý địa cầu đã cho phép tôi đặt chân tới nhiều nơi thây đã tới, và dù ở Pháp, ở Mỹ, ở Đức, ở Nhật hay bất cứ đâu, tôi đều được nghe các đồng nghiệp nhắc tới tỉnh thần

Vi Nguyén Th; Kim thoa

hợp tác quốc tế trong nghiên cứu Vật lý địa cầu mà thầy đã truyền cho chúng tôi khi mới chập chững theo nghề Tôi đã mang bải học của thầy như một hành trang không thê thiếu trong suốt cuộc đời mình, và bây giờ tôi muôn chuyển lại cho các bạn trẻ, những người

sẽ nối tiếp chúng tôi trong sự nghiệp phát triển Vật lý địa cầu ở Việt Nam

Tập sách này sẽ như một nén hương của người học trò Việt Nam tưởng nhớ vẻ thầy

vil

LOI CAM ON

Tập sách đã không thể hoàn thành được nếu thiếu sự cộng tác nghiên cửu có hiệu quả của các đồng nghiệp trong và ngoài nước, thiếu sự động viên và cảm thông của gia đình trong suốt 40 năm qua Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới tất cả bạn bè,

đồng nghiệp và gia đình

Đặc biệt, tác giả xin cảm ơn sự giúp đỗ và cộng tác chân tình của:

GS.TSKH G N Petrova, GS.TSKH D M Pecherski, TS, N.G Kleimenova va cac đồng nghiệp tại Viện Vật lý Trái đất, Matxcơva trong các năm 1975-1985,

GS.TSKH V.N Lugovenlo, TS V.P Sizov, TS Y.U Bursev va

các đồng nghiệp của Viện Địa từ, Điện ly và Truyền sóng Matxcova trong các năm 1986-1995

GS.TS Viện s¥ J.L Le Mouel, KS D.Gilbert, GS.TS, Pham Van

Ngoc, TS D Boyer va cac đồng nghiệp của Viện Vật lý địa cầu

Pari trong cac năm 1990- 2002

GS.TS H Soffel, GS.TS N Petersen va cac dồng nghiệp của

Viện Vật lý địa cầu Munich trong các năm 1994- 2000

GS.TS.B.B Ellwood, Đại học Tổng hợp quốc gia Texas tại

Arlington trong cdc nam 1991-1998 và Đại học Tổng hợp quốc gia

Lousiamna trong các năm 1998-2006

GS.TS B.B Arora, GS.TS G.K Rangarajan, Vién Dia từ Bombay trong cac nam 1988-1998

TS J A Joselyn, Tổng thư ký Tổng Hội Trắc địa & Vật lý địa

cầu quốc tế trong các năm 1997-2006

GS.TS Nguyễn Đình Xuyên, PGS TS Hà Duyên Châu, PGS

TS Nguyễn Văn Giang, PGS TS Truong Quang Hao, TS Lé Huy

Minh, TS Lưu Thị Phương Lan, TS Võ Thanh Sơn, CN Võ Hồng Nam, KTV Truong Thé Hung, KTV Nguyén Hoai Anh, KTV Đồng Thị Nhàn và các đồng nghiệp tại Viện Vật lý địa cầu Hà Nội

TS Phạm Kim Ngân, TS Đặng Trần Huyện và TS Đoàn Nhật Trưởng thuộc Viện nghiên cứu Địa chất & Khoáng sản

TS Tạ Hòa Phương, Khoa Địa chất, Trường Đại học khoa học tự

Vill Nguyén Thi Kim thoa

nhiền Hà Nội

Tác giả xin được tri ân và trích dẫn tên và công trình của các

đồng nghiệp cùng cộng tác nghiên cứu trong tất cả các chương của

tập sách này,

Cuối cùng, tác giả xin cám ơn Chương trình xuất bản sách

chuyên khảo của Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam, Chương trình nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực khoa học tự nhiên thuộc Bộ Khoa học & Công nghệ đã tài trợ cho việc hoàn thiện bản thảo của

tập sách

Hà Nội, ngày 20 tháng Š năm 2006

MỞ ĐẦU

Trường địa từ là trường vật lý tự nhiên tồn tại trên Trái đất, có tác động rõ rệt tới môi trường địa quyên, sinh quyền, khí quyền cũng như đến các hoạt động và sinh lý của con người Ỡ Việt Nam, các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ mới chủ yếu được tiễn hành khoảng một nửa thế kỷ nay Tuy nhiên, cho đến nay còn chưa

có một cuốn sách giới thiệu một cách đầy đủ về trường địa từ, nhằm cung cấp cho độc giả những nét chính về lịch sử phát triển của trường địa từ, những yêu tố quan trọng cần quan tâm trong nghiền cứu địa từ trên thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt là vai trò hợp tác quốc tế trong nghiên cứu và khảo sát về trường địa từ

Với mục tiêu là xây dựng một cuốn chuyên khảo đầu tiên về Trường địa từ phục vụ cho công tác nghiên cứu, cũng như đào tạo các sinh viên cao học và nghiên cứu sinh, tác giá đã tông quan những vấn đề cơ bản về trường địa từ dựa trên những quan điểm hiện đại và phân tích vai trỏ của trường địa từ trong nghiên cứu về Trái đất, cũng như về tác động của trường địa từ đến môi trường xung quanh Trái đất Trên cơ sở những kiến thức tông quan vê những thành tựu nghiên cứu địa từ hiện nay trên thể giới, tác giả đã

giới thiệu những kết quả khảo sát về trường địa từ ở Việt Nam từ

khi mới bất đầu cho đến nay

Cuốn sách gồm 7 chương chia thành 2 phần, phần thứ nhất gồm

3 chương, từ chương Ï đến chương MI tổng quan những kiến thức cơ bản về trường địa từ, phần thứ hai gồm 4 chương, từ chương IV đến chương VII trình bày những kết quả khảo sát và nghiên cứu trường địa từ tại Việt Nam của bản thân tác giả và các đồng nghiệp trong

Viện Vật lý địa cầu Hà Nội

Chương Ï giới thiệu về các yếu tố cơ bản của trường địa từ cùng với các phương pháp quan trắc và các thiết bị đo đạc các thành phần của trường địa từ Trong chương này tác giả đặc biệt nhắn mạnh về tầm quan trọng của các chương trình hợp tác quốc tế trong nỗ lực

nghiên cứu về trường địa từ trên toàn câu

Chương II miêu tả mối quan hệ của trường địa từ với cầu trúc bên trong của Trai dat Đó là những vân đê về câu trúc phân lớp của Trái đất, biểu diễn giải tích trường địa từ, cùng với các đặc tính cơ

x Nguyễn Thi Kim thoa

bản của trường địa từ như biến thiên thế kỷ sự đảo cực từ, mối liên

quan giữa trường địa từ và cầu trúc vỏ Trái đất cũng như các giả thuyết về nguồn gốc của trường địa từ

Chương III xem xét các đặc điểm của trường địa từ xung quanh Trái đất và các đặc điểm biến thiên từ có nguôn gốc bên ngoài Trái đất, liên quan với các hoạt động Mặt trời và tầng điện ly

Chương IV tập trung vào các kết quả nghiên cứu biến thiên từ ở

Việt Nam, từ việc giới thiệu về các đài, trạm quan trắc địa từ ở Việt nam đến việc xác định vị trí của xích đạo từ trên lãnh thể Việt Nam quan trăc dòng điện xích đạo, đặc biệt làm sáng tỏ các đặc điểm

biến thiên từ liên quan với đòng điện xích đạo

Chương V giới thiệu các khảo sát chỉ tiết trong việc tổ chức

mạng lưới quan trắc biến thiên thế kỷ của trường địa từ và xây dựng các bản đồ từ trường bình thường lãnh thổ Việt Nam, bao g gộm việc

đo các giả trị tuyệt đổi tức thời của trường địa từ tại các điểm mốc

do biến thiên thể kỷ, những nguyên lý về hiệu chỉnh biến thiên ngày đêm, phương pháp quy nạp số liệu và giới thiệu một sô kết quả vê biến thiên thế ký ở Việt nam theo các tài liệu quan trắc năm 1991 va

1997

Chương VI dành cho việc tìm hiểu về phương pháp cỗ từ bao

gồm các khái niệm về độ từ dư tự nhiên của đất đá, các phương

pháp lấy mẫu cỗ từ và phân tích trong phòng thí nghiệm, các phép thử thực địa, cũng như những khỏ khăn của phương pháp cô từ khi tiến hành trên các mau paleozoi do sự tái nhiễm từ trong quá trinh phát triển kiên tạo khu vực Dựa trên các kết quả phân tích cô từ tiên hành trên các đá vôi Đèvôn ở Quảng Bình, có thê để xuất về tuôi của pha tái nhiễm từ Các nghiên cứu bước đầu về cường độ từ trường Trái đất vào kỷ Đệ tứ xác định trên các đá bazalt của Việt Nam, cũng như các kết quả nghiên cứu cô từ đới đứt gãy Sông Hồng đã góp phan phục hỏi lịch sử phát triển kiến tạo địa chất ở

Việt Nam

Chương VH giới thiệu các kết quả ứng dụng trường đỉa từ tại Việt Nam, bao gôm áp dụng phương pháp từ tellua trong khảo sát nước ngầm ở đồng bang Nam bộ, trong nghiên cứu cầu trúc sâu của đới đứt gãy Sông Hòng, ảnh hưởng của bão từ lên hệ thông truyền tài điện tại Việt Nam, về độ từ cảm và phương pháp MSEC trong xác định ranh giới địa tầng

Phần phụ lục ở cuỗi sách cung cấp cho độc giả những thông tin

XI

cần thiết về một số tô chức và đề án hợp tác quốc tế mà ngành Địa

từ Việt Nam đã tham gia, địa chỉ của các tổ chức quốc tế về địa từ nơi độc giả có thê ủm kiếm các tư liệu cho việc bắt đầu cũng như tiếp tục các công trình nghiên cứu của mình

Tác giả hy vọng răng tính đa dạng của các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ được trình bảy trong cuốn sách này sẽ giúp các độc giả hiểu rõ hơn vai trò của ngành khoa học về trường địa từ trong các nghiên cứu vẻ khoa học Trái đất, giúp độc giả định hướng các nghiên cứu của bản thân dé góp phần phát triển ngành địa từ ở Việt Nam và trên thế giới

Chuong I

TRUONG DIA TU

Trường địa từ được biết đến từ rất sớm Hiện nay tại bảo tàng các sáng chế cỗ của Học viện Smith về Lịch sử khoa học tại London vẫn còn giữ lại được chiếc la bàn hình thìa đầu tiên trên thế giới, do người Trung Hoa chế ra vào khoảng năm 220 trước Công nguyên Chiếc la bàn hình thìa được làm bằng quặng macnetit luôn chỉ hướng nam quay trên một đĩa bằng đồng gọi là đĩa vũ trụ và được

đặt trên chiếc bàn gỗ vuông tượng trưng cho Trái đất (H.1)

Hinh 1.1 Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Hoa chế tạo đang được lưu giữ tại Viện Bảo tàng Smith tại London ( nguồn tư liệu: [36])

_ Từ cuối thế kỷ 15, la bàn đã được sử dụng để định hướng trong

tat cả các cuộc hành trình vòng quanh thê giới Tuy nhiên vào lúc

đó người ta vẫn tin rằng la bàn luôn luôn chỉ đúng hướng bắc địa

2 Nguyén Thi Kim Thoa

Hình 1.2 Chiến thuyền "Santa- Maria", một trong 3 chiến thuyền

của Christophe Colomb (nguồn tư liệu:[42])

lý Sự lệch gìữa hướng bắc từ với hướng bắc địa lý - độ từ thiên chỉ

được biết đến sau chuyến thám hiểm của Christophe Colomb tìm ra

châu Mỹ: 3 chiến thuyền của ông và đoàn thuỷ thủ xuất phát từ châu

Âu đi theo hướng Tây bằng đường biển dé tim ra một cách đi mới

đến Án Độ và Trung Hoa Ông đã trang bị cho cả 3 chiến thuyền

Chương | Truéng dia ty 3

dụng cụ định hướng là chiếc la bàn Nhưng đến nửa đường thì bỗng dưng cả 3 chiếc la bàn đều không còn chỉ về phương Bắc nữa mà lệch đi tới 6-7°, nếu đem so với việc định hướng bằng sao Bắc dau

vào ban đêm, Thuỷ thủ và sĩ quan trên tàu hoang mang đòi quay vê

Christophe Colomb phải tran an họ bằng cách vặn lại kim la ban Khi Colomb khám phá ra Châu Mỹ (nhưng lúc đó ông vẫn tin là

thuộc đất Án Độ), thì kỳ lạ thay, kim la bàn lại chỉ về đúng phương

bắc thực

Chính vì độ từ thiên thay đổi khác nhau trên mặt đất, nên đã gây

ra nỗi kinh hoàng cho sĩ quan và thuỷ thủ của Christophe Colomb,

Ngành khoa học về địa từ chỉ thực sự ra đời từ năm 1600 khi W

Gilbert, nhà vật lý của Nữ hoàng Elizabeth I, xuất bản cuốn sách

“Trường Địa từ” (De Magnet) [II] Trong cuốn sách này lần đầu tiên W,Gilbert chỉ ra rằng về thực chất, Trái đất là một chiếc nam châm không là Ông đã đưa ra giả thuyết cho rằng Trái đất là một quả câu nhiễm từ đồng nhất, nguồn gốc và đặc điểm nhiễm từ của Trái đất nằm chính trong bản thân nó Nếu ta giả thiết rằng momen

từ được tập trung ở trong một chiếc nam châm nằm cách tâm Trái

đất khoảng 400 km thì hướng của trục nhiễm từ của chiếc nam

châm này tạo với trục quay của Trái đất một góc ~11.5 độ Trường

do nam châm tạo nên gọi là trường lưỡng cực Cực từ của bán câu

bắc nằm cách cực địa lý 1900 km Góc chênh lệch giữa kinh tuyến

địa lý và kinh tuyến từ do kim la bàn chỉ gọi là góc từ thiên

Hình 1.3 W Gilbert (1544 —1603),

tác giả cuốn sách "De Magnet”

(nguồn tư liệu:[42])

4 Nguyễn Thị Kim Thoa

1 Về trường địa từ

Theo W Gilbert trong cuốn sách ‘ “Trường địa từ” thì khi lấy gần đúng trường từ của Trái đất sẽ tương tự trường của lưỡng cực

(dipole) Tất cả các vật thể có từ tính đều tạo ra các đường sức

không nhìn thấy giữa hai cực của vật thể Cách dé dang nhat dé nhận biết các đường sức này là rắc mạt sắt lên một tắm bìa giấy rồi

sau đó đưa thanh nam châm cực mảnh dưới tắm bìa Các hạt mạt sắt

sẽ tự sắp xếp dọc theo các đường sức xung quanh thanh nam châm Trái đất cũng tác động y hệt một nam châm cực lớn Và chúng ta có thể hình dung ra các đường sức không nhìn thay của trường địa từ như trên H.1.4, nễu tưởng tượng răng Trái đất có chứa một thanh nam châm trong lòng nó và hướng từ bắc xuống nam

Hình 1.4 Trường lưỡng cực của Trái đất (nguồn tư liệu: NASA [27])

Chương | Trưởng địa từ 5

1.1 Cae thành phần của trường địa từ

Trường đipole thê hiện gần đúng nhất trường từ thực của Trái đất hiện tại có trục đipole nằm nghiêng với trục địa lý một góc !1°5 Hướng và cường độ của trường địa từ có thể xác định một cách đơn giản nhờ kim nam châm Khi treo tự do theo phương ngang, kim nam châm sẽ nằm theo hướng song song với đường sức địa phương của trường địa từ và chỉ về phương bắc

Trường địa từ được miêu tả bằng các tham số sau (xem H.1.8);

Tham số miêu tả hướng của trường địa từ là độ từ thiên D và độ

từ khuynh I Độ từ thiên D là góc giữa phương bắc từ với

phương bắc địa lý Góc D được tạo thành giữa kinh tuyến địa lý

(hướng bắc) và thành phần năm ngang H của vectơ trường toàn phản F, góc I là góc giữa vectơ F và thành phần năm ngang H D

va I được do bằng đơn vị đo góc là độ, phút và giây D có giá trị dương về phía đông, còn I có giá trị dương khi đầu bắc kim la bàn hướng xuồng dưới

Tham số chỉ cường độ trường toàn phan F được miêu tả bởi

thành phan nằm ngang (H), thành phần thăng đứng (Z), thành phần bắc từ (X) hoặc đông từ (Y) của cường độ năm ngang (H) Mặt phẳng thăng đứng đi qua thành phần H được gọi là mặt phẳng kinh tuyến từ (địa phương) Các thành phần này được đo bang don vi nanoTesla (InT x 100.000 = 10e) Cường độ trường địa từ thay đỗi trong khoảng 25.000-65.000 nT

Tại một điểm O bất kỳ trên mặt đất, vectơ trường địa từ F được đặc trưng bởi hướng và cường độ mà chúng ta có thê đo được (xem H.1.5) Người ta thường sử dụng 2 cách đo đề xác định vectơ trường địa từ

Trong cách đo thứ nhất sẽ do: T- gia trị tuyệt đối của vectơ F, góc D và I Góc D dương, nếu H lệch về phía đông, góc I dương khi F hướng xuống dưới so với mặt phẳng ngang (xem H.1.§) Trong cách đo thứ hai: sử dụng việc phân tách vectơ F ra các

thành phần X, Y và Z - là thành phản bắc (X) và đông (V) của

thành phần năm ngang H và thành phần thăng đứng (Z) Z được coi là đương, nêu F hướng xuống dưới

Tất cả 7 giá trị T, H, X, Y,Z,D,I được gọi là các thành phần

của trường địa từ Chủng có môi hiên hệ với nhau theo các biêu thức

6 Nguyén Thi Kim Thoa

Chueng | Trudng dia tu 7

như vậy, một vị trí nằm ở Bắc Băng Dương, còn vi tri thir hai năm ở

Nam Băng Dương (H.1.6)

cực địa từ nam

Hình 1.6 Mô hình dipole từ có trục xuyên tâm nghiêng

(nguồn tư ligu:NASA [27])

Do trục dipole nghiêng với trục địa lý một góc ! !”5, cho nên cực bắc và cực nam địa lý không trùng với cực từ bắc và cực từ nam

(H.I.6) Tại cực từ, kim nam châm hướng vuông góc với mặt đất

(góc I= 90°), thành phần năm ngang bằng 0 và la bàn không chỉ ra

được hướng của vectơ trường địa từ (độ từ thiên D không xác định)

Có hai cách xác định cực từ:

- _ Cách thứ nhất sử dụng kim la bản, đó là khi kim la bàn có vị trí thăng đứng

„ Cách thử hai sử dụng mỗ hình trường địa từ: cực từ được xác

định là nơi mà độ từ khuynh được tính là bằng 901

Trên thực tế, cực từ quan trắc được không phải là một điển: đơn độc, mà nó là một khu vực, nơi có “nhiều cực từ” tổn tại Việc xác định cực từ thường rất khó vì máy lý do: độ từ khuynh gan bang 90° trên một vùng rộng, khu vực cực không phải là những điểm có định,

mà nó chuyển động trong khoảng từ 10 đến hàng trăm km do ảnh hưởng của biến thiên ngày đêm và bão từ, và cuối cùng, vùng cực là

8 Nguyễn Thị Kim Thoa

vùng rất khó đi tới băng các phương tiện giao thông bình thường

Cục Địa chất Canađa là cơ quan nhận trọng trách xác định cực bắc

từ Cực này dịch chuyển chậm trên vùng biển Bắc Băng Dương thuộc Canada và họ phải đo lặp lại đều đặn để xác định vị trí cực từ bắc Lần đo lặp gần nhất là vào tháng 5 năm 2001 đã xác định được

VỊ trí của cực từ bắc va khang định là cực từ bắc dịch chuyển về phía tây bắc với tốc độ khoảng 40 km/năm Trên H.1.7 la su dich chuyển của cực từ bắc trong các năm 1600 - 2001, còn trên H.1.8 là

sự dịch chuyển của cực từ bắc trong tương lai cho đến năm 2050 [9] Giá trị cực từ bắc quan trắc được cho năm 2001 và vị trí cực từ bắc được dự tính cho năm 2002-2005 là:

Nguon: Cuc Dia chat Canada [9]

Trong nghiên cứu địa từ người fa còn sử dụng khái niệm cực dia

tử (hay còn gọi là cực dipole từ đồng tam) Vi trí của cực địa từ

được tính dựa theo phân tích trường địa từ theo mô hình IGRF đến

hài băng 3 (xem mục 2, chương ÏI) Sử dụng mô hình IGRF và tính các vị trí déi xứng, nơi đipole cắt với mặt đất, cực địa từ băc và cực địa từ nam được tính cho năm 2001 Ja: 81,0°N và 110,0°W & 64,6°S

và 138,3°E Những vị trí này thường được dùng đề tính toa dé dia tir (xem H 1.9)

Thường người ta xác định phương hướng băng la bàn Khi biết

được độ từ thiên (là góc giữa phương bắc địa lý với hình chiếu của trường địa từ trên mặt phăng năm ngang tại nơi khảo sát) sẽ cho

phép ta hiệu chỉnh la bàn dé xác định hướng của trường địa từ tại

đó Tại Trung tâm số liệu Địa vật lý quốc gia Mỹ (NGDC) có chương trình tính độ từ thiên trực tiếp trên mạng INTERNET [28]

Có thê nhận thông tin từ trang Web sau:

Chương l Trường địa từ 9

Hình 1.7 Đường dịch chuyển của cực từ bắc từ năm 1600 đến năm

2001 (Nguồn: Cục Địa chất Canađa [9])

Để la bàn có thể hoạt động tốt, kim la ban can duge quay tự do

và định hướng theo từ trường Do đó cần lưu ý về sự khác nhau

trong thiết kế giữa la bàn để sử dụng ở bắc bán cầu và ở nam bán cầu Đó chính là ở vị trí của trọng vật “cân bằng” (balance), tức là trọng, lượng đặt vào đầu kim la bàn để git, cho nó ở tại vị trí nằm

ngang và có thể quay tự do Tại bắc bán cầu, trường địa từ hướng

vào bên trong Trái đất, nên kim la bàn có trọng vat gin lên đầu nam của kim để giữ cho nó ở mặt phẳng ngang Tại nam bán cầu, trọng vật phải đặt vào đầu bắc của kim la bàn Nếu không thay

10 Ngưyễn Thị Kim Thoa

Hình 1.8 Đường dịch chuyển của cực từ bắc trong tương lai tới

năm 2050 (Nguồn: Cục Địa chất Canađa [9])

đổi trọng vật thì kim la bàn không quay tự do được và nó sẽ hoạt động không tốt

1.3 Xích đạo từ và xích đạo địa từ

Vùng giá trị I dương và âm được phân chia bởi một đường, theo

đường này độ từ khuynh I=0, gọi là đường xích đạo từ Tại xích đạo từ thì kim la bàn luôn luôn nằm ngang Không giống như xích đạo địa lý,

xích đạo từ không cố định mà thay đổi chậm chạp Tại phía bắc xích đạo

từ, khi đầu bắc của kim la bàn chỉ xuống phía dưới mặt phẳng nằm

ngang thi I va Z có giá trị dương Tại phía nam xích đạo từ, khi đầu nam

của kim la bàn chỉ xuông phía dưới mặt phẳng ngang, I và Z được đo có giá trị âm Khi ta dịch chuyền khỏi xích đạo từ thì I va Z sẽ tăng lên Vi trí của xích đạo từ được dẫn trên H.1.6, hoặc trên hệ toạ độ địa từ trên H.1.9 Ta cũng cần phân biệt xích đạo từ và xích đạo địa từ: giống như phân biệt cực từ và cực địa từ ở trên

Chương I Trường địa từ ll

Bản đồ từ thế giới của Mỹ/ Anh - niên đại 2000

Toa d6 dia tir

ao BY

187 2407 ae 27 399 330 W MW % 312 99 380

Hình 1.9 Hệ toạ độ địa từ

(nguồn: Trung tâm số liệu Địa vật lÿ quốc gìa Mỹ [ 28] )

1.4 Các nguon gay ra trường địa từ

Trường địa từ được cấu thành từ một số nguồn trường chồng lên

nhau và tương tác lẫn nhau, đó là:

»_ Phần trường chính của Trái đất, được tạo nên trong nhân lỏng

của Trái đất (chiếm khoảng 90%);

~_ Phần trường tạo nên bởi các đất đá nhiễm từ trong vỏ Trái dat; + _ Phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất gây nên bởi những

dòng điện chạy trong tầng điện ly và từ quyền;

+ Phan trường gây nên bởi các dòng điện chạy trong vỏ Trái đất

(thường là các dòng cảm ứng bởi trường biên thiên có nguôn gôc bén ngoai Trai dat);

«Phần trường gây nên bởi các hiệu ứng của dòng chảy trong đại

12 Nguyén Thi Kim Thoa

đương;

Phần đóng góp của các nguồn này biến thiên theo thời gian bất đầu từ mili giây (từ mạch động) cho tới hàng triệu năm (đảo cực của trường địa từ)

1.5 Mô hình trường địa từ

Vào năm 1635, lần đầu tiên Gellibrand đã chứng minh răng trường địa từ không những thay đổi trong không gian, mà còn biến thiên theo thời gian [11]

Những đặc trưng của trường địa từ đã có thay đổi rõ rệt trong suốt 400 năm gần đây, bao gồm thay đổi về hướng và cường độ Trường địa từ luôn luôn thay đổi, cho nên ta không thể dự đoán chính xác giá trị của trường tại một điểm bất kỳ trong một tương lai rất gần Do vậy người ta phải đo đạc thường xuyên các

yếu tố của trường địa từ trên toàn cầu ( trên mat đất, vé tinh,

hàng không và trên tàu biển ) Trên cơ sở các số liệu đo đạc thực tẾ người ta có thể xây dựng mô hình toán học miéu tả phần trường chính của Trái đất (chiếm hơn 90% trường địa từ và được gây nên bởi những chuyển động trong nhân lỏng của Trái đất) cùng với sự thay đôi của nó cho từng thời kỷ nhất định Khi những kết quả quan trắc mới liên tục được cập nhật, thì các mô hình trường địa từ sẽ luôn được chính xác hoá để có thể biểu diễn đúng trường địa từ như nó vốn có Độ chính xác của mô hình trường địa từ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, kể cả việc trường địa từ được đo ở đâu

Hiện nay trên thế giới thường sử dụng hai mô hình tính

trường, đó là:

+ Mô hình trường quốc tế (IGRF — International Geophysical Reference Field) do Héi Dia tir va Cao khong quéc té (IAGA) thông qua [15, 17, 23-24]

- M6 hình trường toàn cầu (WMM - World Magnetic Model) do Cục Địa chất Mỹ [40] và Cục Địa chất Anh [7] xây dựng

Mô hình trường quốc tế IGRF được thông qua 5 năm một lần

Mô hình IGRF từ năm 2000 cho đến năm 2005 được Hội Địa từ và cao không quốc tế (IAGA) thông qua cuối năm 1999 tại Birmingham, Anh Mô hình WMM 2000-2005 do Cục Địa chất Mỹ

và Cục Địa chất Anh xây dựng, được công bố vào tháng giêng năm

2000 Các mô hình phải được làm mới lại sau 5 năm, vì bản chất

Chuong | Truéng dia ty 13

biến thiên của trường địa từ Các mô hình trường địa từ cho phép dự

đoán trường dựa trên sự ước lượng về mức độ biến thiên của trường trong một sô năm trước khi xây dựng mô hình Do sự ước lượng về mức độ biến thiên của trường cũng biến đối, cho nên nếu tiếp tục sử dụng các mô hình quá 5 năm sẽ gặp sai số lớn trong việc xác định các tham số của trường Ví dụ về mô hình độ từ thiên D năm 1995 của phần trường chính được dẫn trên hình 1.10

"hên trường chính của trường địa từ

Mô nình độ từ thiên cho năm 1995.0

Hình 1.10 Mô hình độ từ thiên D năm 1995 của phản trường chính

(nguồn: NASA [25])

Trung tâm số liệu địa vật lý quốc gia Mỹ (NGDC) [28] và Trung

tâm số liệu địa vật lý quốc tế về địa từ (WDC) tại Kyoto [38] lưu trữ

và cung cấp các mô hình IGRF và WMM Có thê tải các mô hình

này miễn phí từ trang Web sau:

http://www.ngdc.noaa.gov/seg/potfld/servers.shtml

1.6 Sự thay đổi của trường địa từ trong quá khứ

Trường địa từ đã thay đổi trong suốt thời gian tồn tại của mình Khi các mảng kiến tạo hình thành dọc theo vùng sống giữa đại

14 Nguyén Thi Kim Thoa

duong, truong dia tir tồn tại vào lúc đó đã được ghi lại trên đá khi

chúng bị nguội đi dưới nhiệt độ 700°C Các mảng chuyển động

chậm chạp đã tác động như một băng ghi ầm ghi lại những thông tin

về cường độ và hướng của trường địa từ trong quá khứ Khi lấy

những mẫu đá này và sử dụng kỹ thuật định tuôi phóng xạ, có thê tái lập lịch sử của trường địa từ cho 160 triệu năm gân đây hoặc hơn nữa (xem H,1.11), Các số liệu “cổ từ” cổ hơn cũng tồn tại, nhưng

bức tranh phân bố không được liên tục như số liệu cỗ từ dọc theo vùng sống giữa đại dương Các số liệu cỗ từ được khảo sát từ nhiều

địa phương khác nhau, có tuổi địa chất khác nhau đều cho những băng chứng xác thực về bức tranh phân bố thực bản chất tự nhiên của trường địa từ và chuyển động kiến tạo

Thêm vào đó, nếu ta “cho cuốn băng chạy ngược” để các lục địa chồm lên các mảng kiến tạo, ráp lại theo các đường gờ thì chúng gần như trùng khít nhau Các lục địa được ráp lại này lại có các hoá thạch thực vật và động vật phù hợp nhau Bức tranh phân bỗ trường

địa từ dựa trên kết quả khảo sát địa từ cho thấy cường độ trường lúc

mạnh, lúc yếu đi và thường thay đổi cực (đảo cực bắc từ thành cực nam từ và ngược lại)

khoảng cách từ trục sống piữa đại lượng km

xố đại đương TH

eens

duyên mem

Hinh 1.11 Dị thường từ tại vùng sống giữa đại dương và thang niên

đại địa tử cho 10 triệu năm gân đây ( nguôn tư liệu:USGS

[40})

Chutong | Truéng địa từ 15

Hiện nay chúng ta ở trong giai doan ma momen lưỡng cực từ

đang giảm ởi, tuy nhiên, còn chưa thé khang định được là khi nào

thì hiện tượng đảo cực sẽ xảy ra trong tương lai Momen lưỡng cực

từ hiện tại vẫn còn đang cao so với momen lưỡng cực từ được xác định trên các mẫu cô từ cho 50 000 năm gần đây Nếu trường địa từ bắt đầu sự đảo cực, thì nó cũng cần vài nghìn năm để kết thúc chu trình đảo cực Trong vòng 100 triệu năm gân đây, nhịp, điệu đảo cực thay đổi rất rõ rệt Những dấu vết đào cực gần đây nhất ghi lại trên

đá núi lửa tại Hawai cho thấy là đảo cực xảy ra vào khoảng 750.000

- 780.000 năm trước [14]

2 Các thiết bị quan trắc trường địa từ

Các thiết bị quan trắc trường địa từ được thiết kế để đo vectơ trường toàn phần F và các thành phần của trường địa từ

Về mặt nguyên lý, các thiết bị ghi, đo trường địa từ sử dụng trong đo từ có thể thuộc một trong 5 nhóm sau đây: từ kế đây xoăn

(torsion magnetometer), từ kế cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear

magnetic resonance magnetometer), tir kế lõi bão hoa (saturable core magnetometer) hay tử kế fluxgate, tir ké cam img (induction magnetometer) va từ kế siêu dẫn (superconducting magnetometer) Dưới đây chỉ giới thiệu một số thiết bị đo từ phổ biến trên thế giới

và hiện đang được sử dụng tạt các đài, trạm địa từ của Việt Nam 2.1 Thiết bị đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I

Tir ké fluxgate DI-flux (H.1.12) 1a thiết bị để đo độ từ thiên D và

độ từ khuynh I, về bản chất là một Kính kinh vĩ sản xuất tại Đức, được Viện Vật lý địa cầu Pari ghép thêm một bộ van từ thông loại fluxgate May có độ phân giải đến 0,1 nT (ứng với khoảng 0,5"

góc)

Nguyên tắc hoạt động của Kính kinh vĩ từ đề áo độ từ thiên D

như sau: thiết bị bao gồm một vòng tron chia độ năm ngang, một kỉnh thiên văn và một buồng nhỏ hình trụ, trong đó một thanh nam châm được treo năm ngang bằng một sợi dây không xoăn Đưa ông ngắm vào một mia đã biết giá trị azimut, đọc giá trị trên vòng chia

độ, sau đỏ đưa ống ngắm vào các đầu mút của thanh nam châm để

16 Nguyễn Thị Kim Thoa

nằm tự do trong kinh tuyến từ và lại doc giá trị trên vòng tròn chia

độ Từ hai phép đọc này sẽ xác định được giá trị độ từ thiên D Về

lý thuyết, trong điều kiện chuẩn, thiết bị có thể đạt độ chính xác đến

Nguyên lý đo độ từ khuynh trong máy là: một cuộn dây được

làm quay xung quanh một trục, trục này có thể lấy bất kỳ hướng nào trong không gian Khi cuộn dây quay trong trường địa từ, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một lực điện động cảm ứng Khi làm thay đôi hướng của trục quay, sẽ tìm được một vị trí mà ở đó lực điện động cảm ứng trong cuộn dây bằng không Lúc đó, trục quay của cuộn dây sẽ song song với đường sức của trường địa từ Độ từ khuynh I

sẽ được xác định qua việc đo độ nghiêng của trục quay này so với mặt phẳng nằm ngang Về lý thuyết, trong điều kiện chuẩn, máy có

thể đạt độ chính xac dén 0,1’

2.2 Thiết bị đo trường toàn phần T (từ kế profon )

Từ kế proton được chế tạo dựa trên cơ sở cộng hưởng từ Một proton có momen spin đặt trong một từ trường B sẽ có 2Ï+l mức Zeeman đặc trưng bởi số lượng tử M, hình chiếu của I lên B, cách nhau bằng năng lượng EM.¡ - EM = mB/I (m: momen từ của proton) Sự truyền năng lượng giữa các mức này được thực hiện

Chuong | Truéng dia tu tứ

qua việc phát hoặc thu bức xạ điện từ với tan sé v= ` =gB

(h: hệ sé Planck; g = „ tỷ số hồi chuyển từ (gyromagnetic), là

một hằng số vật lý của proton, độc lập với các điều kiện bên ngoài) Tần số v, gọi là tần số Larmor, tỷ lệ với cường độ trường B Việc

đo cường độ trường B được thực hiện qua việc đo tần số này Độ chính xác của từ kế proton (H,1.13) dùng ở Viện Vật lý Địa cầu Hà

nội la 1 nT

Hình 1.13 Từ kế proton sử dụng tai dai địa từ Phú Thuy, Việt Nam

(nguồn tư liệu: Viện Vật lý địa cầu Hà Nội)

2.3 Các thiết bị ghỉ biến thiên trường địa từ

Mỗi đài, trạm địa từ đều được trang bị máy ghi liên tục trường địa từ đê nghiên cứu sự biên thiên của nó theo thời gian tại vị trí

của đài, trạm đó

2.3.1 Máy ghi biến thiên từ dây xoắn

Phần lớn máy ghi biến thiên từ thuộc loại từ kế dây xoắn, với các

18 Nguyén Thi Kim Thoa

yếu tổ được ghi phổ biến là D, H, Z Biến thiên ngày đêm của các thành phần này được ghi lại nhờ các bộ cảm biển (variometer) trên một băng giây ảnh, gọi là giản đồ từ (magnetogram), qua một hệ

thông quang ï học Đề thu được giá trị thực của trường địa từ tại một

thời điểm nhất định từ các đường ghi của một giản đồ từ, cần phải biết giá trị vạch chia (scale-value), nghĩa là số nT trên 1mm độ lệch của đường ghi, và giá trị tuyệt đối ứng với ít nhất một điểm trên đường ghi Trong thực tế, người ta xác định các khoảng cách từ đường ghi đến một đường chuẩn gọi là đường cơ sở (base-line)

Trong mỗi đầu cảm biến có một nam châm nhỏ Nam châm D

được treo trên một sợi dây thạch anh không xoăn, ở vị trí nằm ngang trong mặt phăng kinh tuyến từ và quay theo sự biến thiên của mặt phẳng này Nam châm H được treo trên một sợi dây với độ xoăn khá đủ để có thể quay đi được một góc vuông mà vẫn năm trong hướng Đồng - Tây Khi trường H tăng, nam châm chuyền động về phía kinh tuyến làm tăng độ xoắn cho dén khi thiết lập được một trạng thái cân bằng Nam châm Z có một trục nằm ngang, được đặt lệch tâm sao cho nam châm nằm ngang theo hướng Đông - Tây, có ngẫu lực từ cân bằng với ngẫu lực trọng trường Trọng tâm của nam châm năm ở đưới trục một chút, sao cho khi có một sự tăng của 2 sẽ gây ra một độ nghiêng của nam châm, và như vậy sẽ

làm tăng ngẫu lực trọng trường, cho tới khi trạng thái cân bằng

được thiết lập

Sự dao động của các nam châm được cảm nhận nhờ một chùm ánh sáng phản xạ từ một chiếc gương nhỏ gắn vào mỗi nam châm Các chùm ánh sáng phản xạ được làm hội tụ lên giấy ảnh gan cé định trên một chiếc trồng ảnh quay hết một vòng trong một ngày đêm nhờ một hệ thống điều khiên cơ học Tốc độ địch chuyền của giấy ảnh là 20 mm/giờ Các giá trị vạch chia được xác định bằng cách sử dụng các vòng Helmholtz, dùng các trường từ đã biết cường

độ tác động lên các nam châm cảm biên Bộ phận điều khiển đóng vai trò điều khiển và đo độ nhậy của các bộ cảm biến

Giá trị vạch chia e trên các giản đỗ từ được xác định theo công thức

k2i

trong đó hệ số k là bằng số đặc trưng cho các bộ cảm biến, I (mA) là giá trị cường độ dòng điện từ bộ điều khiến, ] (mm) là giá

Chueng | Truang dia ty 19

trị độ lệch của thành phân ghi tương ứng trên giản đồ từ Đối với độ

từ thiên D, giá trị e được chuyền sang phút góc theo công thức

trong dé ef ta giá trị vạch chia đo băng nT, £?›: giá trị vạch chia

đo bang phút góc, sinl' = 2 ,0x10'; H: giá trị tuyệt đối của thành phân năm ngang tại nơi đặt máy ghi, do bang nT

Máy ghi biến thiên từ đầu tiên hoạt động ở Việt Nam là máy ghủ biến thiên "Askania" số 51 do Đức sản xuất năm 1957, được sử dung ở trạm địa từ Sa Pa từ 1958 dén 1968 May dùng giấy ảnh có

độ rộng 12 em, dài 52 em Giá trị vạch chia cho năm 1958 đối với

các thành phần H, Z, D tương ứng là ey = 3,33 nT/mm, ez = 3,00 nT/mm, €p = 0,50 '/mm

May ghi biến thiên từ ở các trạm địa từ Sa Pa và Đà Lạt (1982- 2004), Bạc Liêu (1988-1998) và ở đài Phú Thụy (1967 - 1995) là loại MBC do Viện Địa từ Diện ly và Truyền sóng (ZMIRAN) thuộc Viện Hàn lâm khoa học Cộng hoà Liên bang Nga sản xuất [6] Máy dùng các loại giấy ành khổ 54 em x 28 cm hoặc 54 cm x

20 cm (tùy theo từng loại trống ảnh) Thông thường giá trị vạch chia của các thanh phan cường độ (H, Z) của các máy tự ghi MBC ở Việt Nam là từ 1 + 2 rổ T/mm, của độ từ thiên D là từ 0,1 + 0,3 1mm, 2.3.2 May ghi biến thiên từ hién sé Fluxgate (GEOMAG)

May ghi từ hiện số GEOMAG do Viện Vật lý Địa cầu Pari hợp tác với các hãng Thomson-Sintra ASM (một hãng vẻ ứng dụng điện

tử và từ học của Pháp) và GEM SYSTEMS (một hãng chuyên sản

xuất các từ kế dựa trên hiệu ứng Overhauser) chế tạo Máy này bao gồm một từ kế véc tơ và một từ kế vô hướng Đầu đò của từ kế véc

to thudc loai fluxgate, duoc cau tạo từ 2 cuộn dây, gọi là sơ cấp và thứ cấp Cuộn sơ cấp được cấu tạo thành từ 2 cuộn dây giống hệt và song song với nhan, chứa một lõi hợp kim mu (mumetal) Hai cuộn được mắc nối tiếp, nhưng từ cuộn nọ đến cuộn kia thì chiều của cuộn dây đôi ngược Một dòng điện xoay chiều tần số f chạy trong

cuộn sơ cấp, có cường độ sao cho sự từ hoá của các löi đạt 2 lần bão

hoa cho mỗi chu kỳ (1 lần bão hoả theo một chiều, 1 lần bão hoà theo chiều ngược lại) Nếu thành phần của trường xung quanh dọc

20 Nguyễn Thị Kim Thoa

theo trục của các cuộn dây bằng không, thông lượng cảm ứng chạy

qua cuộn thứ cấp bằng không do tinh chat đối xứng Nếu thành

phần này khác không, một sự bất đối xứng xuất hiện trong các chu trình từ trễ (hysteresis) của các lõi, và một lực điện động tần số 2f xuất hiện ở các đầu dây của cuộn thứ cấp

i i

Hình 1.14 Máy GEOMAG để ghi biến thiên trường địa từ tại Đài địa từ

Phú Thuy, Việt Nam (nguồn tư liệu: Viện Vật lý địa câu Hà Nội)

Đầu dò bão hoà được đặt vào tâm của một vòng Helmholtz, với

trục của đầu dò và trục của cuộn day trong vòng Helmholtz, gọi là cuộn bù trừ, trùng với hướng của thành phần trường E muốn ghi biến thiên Cuộn bù trừ khi có dòng điện ¡ chạy qua tạo ra ở tâm một trường phụ Gi ngược với thành phần trường E, và cường độ dong điện ¡ tự động điều chỉnh đến khi lực điện động xuất hiện ở các đầu dây của cuộn thứ cấp bằng không, lúc đó E = Gi Để xác

định biến thiên của thành phần trường E, người ta đo biến thiên của dong điện ¡, từ đó suy ra biến thiên của thành phần trường E, vi 2

đại lượng này tỉ lệ với nhau

Máy GEOMAG (H 1.14) có độ phân giải rất cao: 0,1 nT cho từ

kế vectơ và 0,01 nT cho từ kế vô hướng, với độ chính xác là 0,2 nT

Dải đo của máy khá lớn: 11.800 + 64.800 nT cho từ kế vectơ và

Chyong I Truéng dia tu 21

20.000 + 120.000 nT cho tir kế vô hướng, có thể ghi mọi giá tri của

trường địa từ cũng như biền thiên của nó theo thời gian Máy có thê

đo ở trong khoảng nhiệt độ từ -40 + 60°C,

3 Các phương pháp quan trắc trường địa từ

Các phương pháp chính để nghiên cứu trường địa từ bao gồm: quan trắc trực tiếp sự phân bố không gian của trường địa từ trên bề mặt Trái đất và sự thay đôi của nó theo thời gian

3.1 Quan trắc sự phân bỗ không gian của trường địa từ

Quan trắc sự phân bố không gian của trường địa từ bao gồm việc

đo các yếu tố trường địa từ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt Trải

đất và được gọi là đo vẽ bản đồ từ Phụ thuộc vào nơi tiễn hành đo

vẽ bản đồ từ, ta có thể chia thành đo từ trên mặt đất, do từ trên biển,

đo từ hàng không và đo từ trên vệ tính Mỗi loại đo vẽ yêu cầu kỹ

thuật đo khác nhau và đòi hỏi thiết bị đo chuyên dụng thích hợp

3.1.1 Đo từ trên mặt đất

Việc đo vẽ bản đồ được tiễn hành ngay từ khi Christophe

Colomb [10, 12, 15, 21-22, 27, 29, 33-35] phát hiện ra độ từ thiền

Tuy nhiên trong 200 năm đầu tiên (1500-1700) sau phát kiến của Colomb, đo vẽ bản đồ mới chỉ được tiến hành lẻ tẻ và chủ yếu do

những nhà đi biển tiến hành, vì đối với họ độ từ thiên rất quan trọng trong việc xác định hướng lái tàu biển khi sử đụng la bàn Việc đo

vẽ độ từ thiên và độ từ khuynh có hệ thống đầu tiên do một nhà

hàng hải người Anh tiến hành vào năm 1700 [16, 21-22] Các số liệu này đã cho phép lập bản đồ từ thế giới đầu tiên

Ngày nay việc do vẽ bản đỗ từ được tiến hành tại hầu khắp các nước trên thê giới Tuy nhiên để tìm ra quy luật về sự phân bố không gian của các yêu tô trường địa từ và xây dựng các cơ sở lý thuyết của trường địa từ, thì không thê chỉ hạn chế việc quan sat các yếu tổ trường địa từ tại một lãnh thô nhất định nào, mà phải tiến hành tại trên toàn bộ bề mặt Trái đất vào những niên đại khác nhau

Để làm việc này IAGA đã thành lập Uỷ ban về Các đài địa từ, các

chuyến đo từ thực địa và phân tích SỐ liệu [17, 24] Mục đích của

Uy ban nay nham thu thap số liệu về bản đồ từ tại mỗi quốc gia, sau

dé ding két qua phan tich biến thiên thế kỷ và phép nội suy để nối

22 Nguyén Thi Kim Thea

các đường đông mức tại biên giới giữa các nước Trong hai mươi năm gân đầy công việc này được thực hiện trên máy tính nên nhanh chóng và giảm được rất nhiều công sức

3.12 Đo từ trên biển

Biên và đại dương chiếm khoảng 5/6 diện tích bề mặt của Trái đất Vì vậy khoa học về trường địa từ sẽ mat y nghia, nếu như không tiến hành đo từ trên biển Mặt khác, chính các nhà đi biển là

những người đã ứng dụng rộng rãi hiện tượng trường địa từ ngay từ khi nó được phát hiện trong mục đích định hướng lái Độ từ thiên được xác định đâu tiên tai Dai tay Duong va An Dé Duong [1, 22] Nam 1757 danh mục về độ từ thiên cho Dại tây Dương và Án Độ

Dương dựa theo các kết qua do tai 50.000 vị trí các vị trí cách đều

nhau Š độ theo vĩ độ, cũng như theo kinh độ đã được thành lập [22] Danh mục này đã đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc định hướng lái băng la bàn

Một khối lượng lớn công việc đo vẽ bản đồ từ trường trên biển

đã được Viện Carnegi (Mỹ) tiễn hành trong các năm 1905-1929 [1.27] Từ năm 1905 đến năm 1908, để đo từ trên biển Viện này đã

sử dụng tàu Galile Đó là một tàu băng gỗ, có trọng tai 600 tan Dé cách ly các thiết bị đo từ với khối lượng sắt thép trên tàu ra xa khoảng 6-Øm, trên khoang chính người ta đã thiết kế những cái cầu

nhỏ Trên tàu đã tiến hành đo độ từ thiên, độ từ khuynh và thành

phần nằm ngang của trường địa từ, còn các thành phần khác đã được tính từ các kết quả đo Trong 3 năm họ đã tiến hành 3 tuyến đo trên biên Thái Bình đương Vào năm 1909 ho lai cho thiết kế một con tàu mới Carnegi [2, 21-22, 33-34] Tàu này đã tiến hành đo tại Thái Binh Dương, Đại Tây Dương và Án Độ Dương Nhược điểm của việc đo trên những tàu này là vị trí đo độ từ thiên không trùng với vị trí đo thành phan năm ngang, đồng thời các kết quả đo lặp cho thay hiểu biết vé bién thiên thể ký trên biển của chúng ta còn rất

hạn chế

Tại Liên xô đã thiết kế tàu buồm phi tir “Rang Đông” hoạt động

từ năm 1953 cho tới năm 1987 [34] Trên tàu này đã tiến hành đo các vcctơ trường địa từ liên tục trong khi tàu chuyển động Thiết bi

đo từ tổng hợp dựa trên những nguyên lý khác nhau và việc xác

định vectơ trường địa từ bằng hai thiết bị độc lập Những kết qủa đo

từ của tàu “Rạng Đông” trên biển Thái Bình Dương, Dại Tây

Chương | Trường dia ty 23

Dương và An Độ Dương đã cho phép:

Xây dựng được bản đồ đường đồng mức cho Thái Bình Duong, Đại Tây Dương và Án Độ Dương, dựa trên các kết quả đo trực tiếp Khi sử dụng những sô liệu này, có thể hiệu chỉnh toàn bộ các số liệu đo từ trước đó về cùng một niên đại để phục vụ cho việc đo đạc bản đỏ từ hiện đại [22]

«Ö Xác định được những vùng từ trường đị thường và những vùng

từ trường yên tĩnh Trên cơ sở việc xác định độ sâu của các nguôn gây biến thiên, những khảo sát thống kê tiếp tục sẽ cho phép xây dựng được bức tranh phân bố móng kết tính trong khu vực dị thường từ Những vùng dị thường phát hiện được trên biển có liên quan với các khối phun trào và siêu bazơ lớn dưới

đáy biển

3.1.3 Đo từ hàng không

Mục đích chính của đo từ hàng không là xây dựng các bản đồ đường đồng mức của vectơ trường từ toàn phần, bản đỗ này được sử dụng để xác định các dị thường từ trong vỏ Trai đất phục vụ cho việc thăm đò chỉ tiết bằng các phương pháp địa vật lý khác Việc đo

từ hàng không được tiễn hành bởi từ kế prôton với phan sensor

được đặt ở đuôi máy bay, hoặc đưa ra ngoài, đặt nằm dưới cánh

máy bay Việc đo thường được tiễn hành ở độ cao 500 m theo các tuyến cách nhau 1-2 km

Thành công của phương pháp đo từ hàng không là ở chỗ khi lập

bản đồ từ hàng không sẽ cho phép phát hiện được sự khác biệt rõ rệt

về độ từ dư giữa các loại đá thê hiện qua các đị thường từ Sự khác

biệt này chính là các bể trầm tích bị nhiễm từ yếu phủ lên trên các

tầng đá gốc Số liệu đo từ sẽ cho phép chúng ta đánh giá được bề

day của tầng trầm tích Sự tương phản về độ nhiễm từ còn chỉ ra

những vùng có khả năng chứa khoáng sản

Đo từ hàng không được ứng dụng rộng rãi trong việc lập bản đồ

từ, kế từ khi xuất hiện các từ kế đo 3 thành phân [16, 21, 33] Lợi thể quan trọng và rõ rệt nhất của việc đo từ hàng không là một số

lượng lớn phép ẩo được thu thập nhanh và phủ được một vùng rộng

lớn trong một thời gian ngăn, việc đo từ có thể thực hiện được cả ở những khu vực mà việc đo trên mặt đất không thể thực hiện được

Tại Mỹ, chương trình đo từ hàng không toàn cầu Magnet đã đo

3 thành phân trên đại đương, khoảng cách các tuyến là 400-500 km,

24 Nguyễn Thị Kim Thoa

bay ở độ cao 6 km Các kết quả bay do sẽ cho phép lập bản đồ phân

bố từ trường bình thường của Trái đất, tức là loại bỏ được phân dị thường địa phương [3, 21]

Các kết quả đo vectơ từ này đã được phối hợp cùng với các kết quả đo từ trên biên nói trên để xây dựng bản đồ từ thế giới cho các niên đại 1960- 1965 Theo các bản dé nay đã phát hiện các di thường có độ lớn tới 1.500-2.000 nT hoặc về độ từ thiên tới 5 độ

Sau này việc đo từ hàng không đã được phát triển mạnh mẽ tại

Canada, tai Nhat Ban

Hiện nay bay do hang không ở độ cao thấp, đo vẽ bản đồ trên mặt đất vẫn tiếp tục được triên khai đáp ứng các đòi hỏi của địa vật

lý thăm do đề xác định vị trí của khoáng sản gần mặt đất

Tại Việt Nam, bản đồ trường từ hàng không T¡sso (phần đất liền)

do Liên đoàn Vật lý địa chất tiền hành trong các năm 1993-1995 [31] Ban đồ được thành lập trên cơ sở sử dụng và liên kết các tài

liệu sau:

« Ban đồ dị thường từ hàng không ATa miền bắc Việt Nam tỷ lệ 1:200.000 là kết quả khảo sát từ hàng không tỷ lệ 1:200.000 trên điện tích 110.400 km” (từ Hà Giang đến Quảng Bình, trừ đãy núi Hoàng Liên Sơn) được tiến hành trong các năm 1961-1963

« Bản đồ trường từ hàng không Tìaxs miền Nam Việt Nam tỷ lệ

1:200.000 là kết quả của khảo sát từ hàng khôngtỷ lệ 1:200.000 trên điện tích 155.600 km” từ Huế đến mũi Cà Mau, trừ đải đọc

biên giới ở phía tây Quảng Nam đến Kon Tum và khu vực phía

bắc Kon Plông, được tiền hành trong các năm 1984-1991

„_ Bản đề đị thường từ hàng không AT vùng Bình Trị Thiên là kết quả khảo sát từ hàng không tỷ lệ 1;100.000 (vùng đồng băng ven biển) va tỷ lệ 1:500.000 (vùng núi phía tây) trên diện tích 10.000 km? từ Đồng Hới đến Vụng Cầu Hai, được tiến hành trong hai năm 1977, 1980

« Mang loi tyra tir hang kh6éng Việt Nam là kết quả khảo sát từ hàng không trên hệ thông các tuyến nỗi tiếp nhau, kéo dài từ bắc vào nam, phủ phần đất liền của lãnh thổ Việt Nam, được tiến hành trong hai nim 1985-1986 với độ cao bay là 1.000+2.000m

- Cac bản đồ trường địa từ chuẩn quốc tế IGRF của các năm từ

1960 đến 1990

Trên cơ sở của bản đỗ từ hàng không Tìs¿o, các tác giả đã xây

Chương Ì Trường địa từ 25

dựng bản đồ đị thường từ hàng không (AT), Việt Nam (phân đất

liền) tỷ lệ 1:1.000.000 {[32])

3.1.4 Đo từ trên vệ tỉnh

Việc đo vẽ bản đồ từ toàn câu đã có một bước phát triển vượt bậc

khi sử dụng phương tiện vệ tình Các phép đo từ trên vệ tỉnh đầu

tiên được tiến hành bởi vệ tỉnh Sputnik 3 vào năm 1958 [4, 21] Tu

đó đến nay đã có hàng loạt vệ tính mang theo từ kế Đầu tiên

phương tiện này chỉ cho phép do trường toàn phân Khi số liệu đo

từ trên vệ tinh đã phủ được toàn bộ mặt địa cầu, thì chỉ cần dùng một số biêu thức toán học đã có thể nhìn thấy rõ ràng hơn về ban chất của trường địa từ, về sự phân bố không gian của các yếu tổ trường địa từ Từ năm 1980 các phương tiện ký thuật đã cho phép kiểm tra và đo được định hướng của vệ tính một cách chính xác, và

vé tinh MAGSAT mang các từ kế đã có thể đo được vectơ trường

địa từ Số liệu đo từ MAGSAT đã cung cấp một bức tranh chính xác

về trường địa từ, đáp ứng đòi hỏi của việc lập bản đồ từ thế giới

Các kết quả đo vẽ trên vệ tình MAGSATT cho phép khang định là

ở độ cao bay của MAGSAT phần trường chính có nguôn gốc bên trong Trái đất biến thiên trong khoảng từ 30 000 đến 65 000 nT, phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất biến thiên trong khoảng từ 0 đến 1.000 nT’, con phan trường gây ra do các nguôn nằm trong vỏ Trái đất là rất nhỏ, chỉ chiếm khoảng 0-50 nT

3.2 Quan trắc sự' biến thiên theo thời gian của trường địa từ

Thang thời gian để quan trắc sự thay đổi của các yếu tố trường dia từ được hiểu là từ thời gian hiện tại ngược về thời tiền sử và tới các niên đại địa chất xa xôi Do vậy, việc nghiền cứu sự thay đôi theo thời gian của các yếu tổ trường địa từ được tiễn hành dựa trên các quan trắc sau đây:

Quan trắc tại các đài, trạm địa từ năm ở các vị trí khác nhau trên

Trái đất

._ Quan trắc tại mạng lưới điểm tựa biến thiên thế kỷ

«_ Quan trắc khảo cô từ (archeomagnetism)

Khảo sát cô từ

Trên cơ sở những đo đạc về trường địa từ, các nhà khoa học đã xây dựng được một bức tranh chỉ tiết toàn cầu về phân bố không