Nghiên cứu, áp dụng phương pháp cộng hưởng từ để tìm kiếm nước ngầm một số vùng trọng điểm ở miền bắc việt nam

Mục tiêu của đềtài - Nghiên cứu, thửnghiệm và áp dụng phương pháp cộng hưởng từ để tìm kiếm trực tiếp nước ngầm phục vụnhu cầu kinh tếxã hội. - Xây dựng quy trình công nghệ đo đạc, thu thập và xử lý sốliệu phương pháp cộng hưởng từ đểtìm kiếm trực tiếp nước ngầm trong vùng đá vôi karst. Đề tài nghiên cứu áp dụng một phương pháp địa vật lý mới xuất hiện trên thếgiới khoảng hai chục năm nay nên việc tìm hiểu, thu thập tài liệu (công bốcho đến hết năm 2008 và một sốbài chưa in ra) nhằm áp dụng đúng đắn, có hiệu quảlà việc cần thiết được nêu trong chương 1 và 2. Đềtài có mục tiêu nghiên cứu áp dụng và xây dựng quy trình công nghệ ĐSCHT trong tìm kiếm trực tiếp nước ngầm vùng đá vôi karst song như đã nêu trên phần mềm SAMOVAR chỉdùng cho môi trường điện trởsuất cao 1D, các phần mềm ĐSCHT trong môi trường 2D/3D đang trong giai đoạn nghiên cứu, cho nên trong chương 1 ngoài trình bầy ngắn gọn nghiệm tổng quát (biểu thức của tín hiệu ĐSCHT), sẽnêu ảnh hưởng của điện trởsuất cũng nhưnhững hạn chế khi dùng SAMOVAR trong môi trường 2D/3D. Nghiệm đó cũng cho thấy bản chất vectơcủa tín hiệu cộng hưởng từnên khi có độtừkhuynh nghiêng (I ≠ 90 0 ) như ởViệt Nam thì nguyên lý tương hoán không áp dụng được và kết quả ĐSCHT trong môi trường 2D/3D phụthuộc vào phương vị địa từ. Nhiễu điện từlà trởngại lớn nhất cho việc áp dụng ĐSCHT, đặc biệt trong trường hợp khảo sát môi trường 2D/3D nhưtrong khảo sát nước karst do tỷsốtín hiệu trên nhiễu rất nhỏ, vì vậy chương 2 dành riêng cho các biện pháp chống nhiễu khi đo và xửlý sốliệu. Chương 3 và 4 lần lượt trình bày các kết quảnghiên cứu thửnghiệm ĐSCHT trong vùng karst ởLai châu và Sơn La. Cuối cùng là kết luận và kiến nghị. Quy trình công nghệ ĐSCHT đểtìm kiếm trực tiếp nước ngầm vùng đá vôi karst (tiêu chuẩn cơsở) được trình bầy thành một văn bản riêng. Trong quy trình có 10 phụlục với phụlục 1 là: “Sửdụng máy NUMIS Plus trong đo sâu cộng hưởng từ”. 3 Đềtài có sựhợp tác khoa học của chuyên gia Đức Gerhard Lange, người đã có nhiều năm thửnghiệm áp dụng ĐSCHT ởnhiều nước, có nhiều bài báo về ĐSCHT, đặc biệt đã có đềxuất và thực hiện dùng khung dây bù (compensation loop) đểchống nhiễu điện từvà những hạn chếcủa nó [22-25]. Trong quá trình thực hiện đềtài, tập thểtác giả đã nhận được sựgiúp đỡ tận tình, sự động viên khuyến khích của lãnh đạo Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản, các chuyên viên VụKhoa học và Công nghệBộTài nguyên và Môi trường. Tập thểtác giảxin bầy tỏlòng cám ơn chân thành tới quý vịvà mong được sựgóp ý đểnâng cao chất lượng báo cáo

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

SỐ VÙNG TRỌNG ĐIỂM Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM”

7441

10/7/2009

HÀ NỘI 2009

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

KS NGUYỄN TIÊN PHONG

KS LƯƠNG THU TRANG

TS Tăng Đình Nam

HÀ NỘI -2009

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ 4

1.1 Nguyên lý cơ bản và bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ 4

1.1.1 Nguyên lý cơ bản của đo sâu cộng hưởng từ 4

1.1.2 Bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ 7

1.2 Môi trường 1D 13

1.2.1.Bài toán ngược cho môi trường điện trở suất cao, 1D, khung dây đơn 13

1.2.2 Hàm nhân trong nửa không gian dưới đất cách điện và dẫn điện 14

1.2.3 Đặc điểm tương đương của đường cong ĐSCHT 1D 16

1.3 Ba mô hình 2D 18

1.4 Tình hình áp dụng đo sâu cộng hưỏng từ để khảo sát trực tiếp nước nghầm trên thế giới và ở Việt Nam 23

CHƯƠNG 2 THU THẬP, XỬ LÝ, NGHỊCH ĐẢO VÀ GIẢI THÍCH SỐ LIỆU ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ 26

2.1 Máy NUMIS Plus 26

2.2Thu thập số liệu và các biện pháp chống nhiễu khi đo 27

2.2.1 Đặc điểm nhiễu điện từ của đường dây tải điện 27

2.2.2 Khung dây số tám 28

2.2.3 Khung dây bù 29

2.2.4 Chống nhiễu đỉnh nhọn 31

2.3 Thu thập và đánh giá chất lượng số liệu ĐSCHT 31

2.3.1 Chọn khung dây 31

2.3.2 Chọn các tham số trong thu thập số liệu 32

2.3.3 Đánh giá chất lượng số liệu ĐSCHT 33

2.4 Xử lý, nghịch đảo và giải thích số liệu đo sâu cộng hưởng từ 34

2.4.1 Xử lý số liệu đo sâu cộng hưởng từ 34

2.4.2 Nghịch đảo số liệu đo sâu cộng hưởng từ 36

2.4.3 Giải thích số liệu đo sâu cộng hưởng từ 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VÙNG

THỊ XÃ LAI CHÂU VÀ BÓ MƯỜI THUẬN CHÂU SƠN LA 43

A KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VÙNG THỊ XÃ LAI CHÂU 43

3.1 Đặc điểm địa chất thủy văn vùng thị xã Lai Châu 43

3.1.1 Địa tầng 43

3.1.2 Cấu trúc, kiến tạo 44

3.1.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 44

3.2 Các phương pháp và kỹ thuật thi công 48

3.2.1 Phương pháp và khối lượng đã thực hiện 48

3.2.2 Mạng lưới khảo sát 48

3.2.3 Kỹ thuật thi công các phương pháp địa vật lý 48

3.3 Ảnh hưởng của gradien trường từ trong diện tích nghiên cứu 49

3.3.1 Sự thay đổi của trường địa từ B0 trong không gian và từ tính của đất đá trong đo sâu cộng hưởng từ 49

3.3.2 Đo vẽ trường cảm ứng từ B0 tại phường Quyết Thắng, thị xã Lai Châu 50

3.4 Ảnh hưởng biến thiên trường địa từ theo chu kỳ 24 giờ và giông sét 53

3.4.1 Ảnh hưởng biến thiên trường địa từ theo chu kỳ 24 giờ 53

3.4.2 Ảnh hưởng của giông sét 55

3.5 Các biện pháp chống nhiễu điện từ 56

3.5.1 Chống nhiễu điện từ nhân tạo 56

3.5.2 Chống nhiễu điện từ tự nhiên 58

3.6 Kết quả đo sâu phân cực ở phường Quyết Thắng thị xã Lai Châu 58

3.6.1 Kết quả trên tuyến T3a-0 58

3.6.2 Kết quả trên tuyến T3a-3 58

3.7 Kết quả đo sâu cộng hưởng từ ở phường Quyết Thắng thị xã Lai Châu 62

3.7.1 Điểm đo tại cọc -25 tuyến T3a-0 62

3.7.2 Điểm đo tại cọc -25 tuyến T3a-1 63

3.7.3 Điểm đo tại cọc -51 tuyến T3a-3 64

3.7.4 Kết quả khoan tại khu phường Quyết thắng 65

3.8 Kết quả đo sâu phân cực ở khu vực xã Nậm Loỏng thị xã Lai Châu 66

3.9 Kết quả đo sâu cộng hưởng từ ở khu vực xã Nậm Loỏng 71

3.9.1 Điểm đo tại cọc 0 tuyến T1 71

3.9.2 Điểm đo tại cọc 5 tuyến Tb1 72

3.9.3 Kết quả khoan tại cọc 5 tuyến T1b khu vực xã Nậm Loỏng thị xã Lai Châu 72

3.10 Đánh giá hiệu quả của đo sâu cộng hưởng từ ở vùng thị xã Lai Châu 74

B KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VÙNG BÓ MƯỜI, THUẬN CHÂU, SƠN LA 75

3.11 Đặc điểm địa chất thủy văn ở vùng Bó Mười, Thuận Châu 75

3.11.1 Địa tầng 75

3.11.2 Cấu trúc kiến tạo 78

3.11.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 78

3.12 Các phương pháp địavật lý và kỹ thuật thi công 81

3.12.1 Phương pháp và khối lượng đã thực hiện 81

3.12.2 Mạng lưới khảo sát 81

3.12.3 Kỹ thuật thi công các phương pháp địa vật lý 81

3.13 Ảnh hưởng của gradien trường từ trong diện tích nghiên cứu 81

3.14 Ảnh hưởng biến thiên trường địa từ theo chu kỳ 24 giờ và giông sét 81

3.15 Kết quả đo sâu phân cực ở Bản Bó, Bó Mười, Thuận Châu 83

3.15.1 Kết quả trên tuyến T2 83

3.15.2 Kết quả trên tuyến T0 83

3.16 Kết quả ĐSCHT ở Bản Bó, Bó Mười, Thuận Châu 89

3.16.1 ĐSCHT S9 tại cọc -5 tuyến T2 90

3.16.2 ĐSCHT S10 và so sánh kết quả nghịch đảo của S9 và S10 98

3.16.3 ĐSCHT S17 tại cọc -20 tuyến T0 103

C ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XỬ LY 106

1 ĐSCHT 5t1b-NL-37.5 tại cọc 5 tuyến T1b - Nậm Loỏng 106

2 ĐSCHT S18 tại Mộc Châu, Sơn La 109

3 ĐSCHT S17 tại Thuận Châu, Sơn La 110

4 Đánh giá kết quả nghịch đảo các điểm ĐSCH 112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

MỞ ĐẦU

Các phương pháp địa vật lý trên thế giới và ở Việt Nam có nhiều đóng góp trong khảo sát nước ngầm Tuy nhiên chúng đều có một nhược điểm cơ bản là chỉ thực hiện khảo sát nước ngầm một cách gián tiếp qua các tham số vật lý như điện trở suất, các tham số phân cực kích thích, hằng số điện môi, tốc

độ truyền sóng địa chấn,… Mãi đến năm 1987 các nhà khoa học Nga đứng đầu là Semenov A.G mới công bố những thành quả nghiên cứu một phương pháp địa vật lý hoàn toàn mới để khảo sát nước ngầm một cách trực tiếp dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân, được gọi là đo sâu cộng hưởng từ (ĐSCHT) [59-69] Các điểm ĐSCHT đầu tiên được thực hiện khoảng giữa các năm 1979 và 1981 Từ năm 1982 ĐSCHT đã được áp dụng trong thực tiễn và được thử nghiệm mạnh mẽ trong các điều kiện địa chất khác nhau ở các nước khác nhau Đến năm 1988 Semenov A.G và các đồng nghiệp nhận được giấy chứng nhận bằng sáng chế máy ĐSCHT đầu tiên: HYDROSCOPE [61,62]

Từ đó các nhà khoa học Nga đã mở rộng nghiên cứu, áp dụng ở nhiều nước khác với máy HYDROSCOPE: Ấn Độ (1987), Afganistan (1988), Đức (1989), Mông Cổ (1990), Úc (1990), Pháp (1992), Israel (1992), Mỹ (1993), Trung Quốc (1993), Tây Ban Nha (1996), Guinea (1997) Bắt đầu từ 1994 Cục Địa Chất Pháp (BRGM) và IRIS-Instruments hợp tác với Nga để chế tạo ra máy NUMIS thế hệ thứ nhất từ năm 1996 và được dùng phổ biến nhất hiện nay với phần mềm SAMOVAR dựa trên thuật toán giải bài toán thuận và nghịch của Nga [54] SAMOVAR chỉ dùng cho môi trường một chiều (1D), điện trở suất cao Sau đó một chuyên gia về ĐSCHT người Nga Legchenko A.V [26-39] chuyển sang Pháp và bắt đầu xây dụng một nhóm nghiên cứu ĐSCHT thứ hai trên thế giới Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 thêm nhóm thứ ba ở trường Tổng hợp kỹ thuật Berlin (Technical University Berlin, Germany) đứng đầu là

GS Yaramanci U [88-90] và nhóm thứ tư với Weichman P.B [85-87] ở Mỹ Các công trình nghiên cứu lý thuyết, phương pháp và chế tạo thiết bị cho đến nay chủ yếu thuộc bốn nhóm nghiên cứu nêu trên

Đến năm 1999 và 2000 Weichman P.B và nnk mới giải được bài toán ĐSCHT trong trường hợp tổng quát, trong môi trường dẫn điện và với hệ thống khung dây phát và thu bất kỳ [85,86] Năm 2005 Hertrich M bảo vệ thành công luận án TSKH với đề tài: "ĐSCHT với khung dây phát và thu tách biệt để khảo sát phân bố hàm lượng nước 2D” chứng tỏ phương pháp có độ phân giải cao trong khảo sát nông [17] Việc nghiên cứu áp dụng ĐSCHT chủ yếu dành nhiều nhất cho môi trường thuận lợi nhất là trầm tích bở rời (39% đợt khảo sát), còn nước karst khó khăn hơn nhiều với mô hình 2D/3D, lượng nước

ít hơn nên mới chỉ được nghiên cứu ít năm gần đây với 9% đợt khảo sát [52]

Tháng 11 năm 2005 Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản (nay là Viện Khoa học Địa chất và khoáng sản) được nhận máy NUMIS Plus cùng phần mềm SAMOVAR Hợp đồng nghiên cứu khoa học và công nghệ số 01-ĐC-07/HĐKHCN ngày 19 tháng 4 năm 2007 giữa Bộ Tài nguyên và Môi trường và Viện Nghiên cứu Địa chất và khoáng sản và phiếu giao việc số 63/GV- VNĐCKS ngày 4 tháng 5 năm 2007 của Viện trưởng Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng Sản về việc thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học công

nghệ có tiêu đề: “Nghiên cứu áp dụng phương pháp cộng hưởng từ để tìm

kiếm nước ngầm một số vùng trọng điểm ở miền Bắc Việt Nam"

Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu, thử nghiệm và áp dụng phương pháp cộng hưởng từ để tìm kiếm trực tiếp nước ngầm phục vụ nhu cầu kinh tế xã hội

- Xây dựng quy trình công nghệ đo đạc, thu thập và xử lý số liệu phương pháp cộng hưởng từ để tìm kiếm trực tiếp nước ngầm trong vùng đá vôi karst

Đề tài nghiên cứu áp dụng một phương pháp địa vật lý mới xuất hiện trên thế giới khoảng hai chục năm nay nên việc tìm hiểu, thu thập tài liệu (công bố cho đến hết năm 2008 và một số bài chưa in ra) nhằm áp dụng đúng đắn, có hiệu quả là việc cần thiết được nêu trong chương 1 và 2 Đề tài có mục tiêu nghiên cứu áp dụng và xây dựng quy trình công nghệ ĐSCHT trong tìm kiếm trực tiếp nước ngầm vùng đá vôi karst song như đã nêu trên phần mềm SAMOVAR chỉ dùng cho môi trường điện trở suất cao 1D, các phần mềm ĐSCHT trong môi trường 2D/3D đang trong giai đoạn nghiên cứu, cho nên trong chương 1 ngoài trình bầy ngắn gọn nghiệm tổng quát (biểu thức của tín hiệu ĐSCHT), sẽ nêu ảnh hưởng của điện trở suất cũng như những hạn chế khi dùng SAMOVAR trong môi trường 2D/3D Nghiệm đó cũng cho thấy bản

chất vectơ của tín hiệu cộng hưởng từ nên khi có độ từ khuynh nghiêng (I ≠

ĐSCHT trong môi trường 2D/3D phụ thuộc vào phương vị địa từ

Nhiễu điện từ là trở ngại lớn nhất cho việc áp dụng ĐSCHT, đặc biệt trong trường hợp khảo sát môi trường 2D/3D như trong khảo sát nước karst do

tỷ số tín hiệu trên nhiễu rất nhỏ, vì vậy chương 2 dành riêng cho các biện pháp chống nhiễu khi đo và xử lý số liệu Chương 3 và 4 lần lượt trình bày các kết quả nghiên cứu thử nghiệm ĐSCHT trong vùng karst ở Lai châu và Sơn La Cuối cùng là kết luận và kiến nghị

Quy trình công nghệ ĐSCHT để tìm kiếm trực tiếp nước ngầm vùng đá vôi karst (tiêu chuẩn cơ sở) được trình bầy thành một văn bản riêng Trong quy trình có 10 phụ lục với phụ lục 1 là: “Sử dụng máy NUMIS Plus trong đo sâu cộng hưởng từ”

Đề tài có sự hợp tác khoa học của chuyên gia Đức Gerhard Lange, người

đã có nhiều năm thử nghiệm áp dụng ĐSCHT ở nhiều nước, có nhiều bài báo

về ĐSCHT, đặc biệt đã có đề xuất và thực hiện dùng khung dây bù (compensation loop) để chống nhiễu điện từ và những hạn chế của nó [22-25]

Trong quá trình thực hiện đề tài, tập thể tác giả đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, sự động viên khuyến khích của lãnh đạo Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản, các chuyên viên Vụ Khoa học và Công nghệ Bộ Tài nguyên và Môi trường Tập thể tác giả xin bầy tỏ lòng cám ơn chân thành tới quý vị và mong được sự góp ý để nâng cao chất lượng báo cáo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ

Đo sâu cộng hưởng từ (viết tắt: ĐSCHT; tiếng Anh: Magnetic Resonance Sounding, viết tắt: MRS) dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân và hiện là phương pháp địa vật lý duy nhất trên thế giới được dùng để khảo sát trực tiếp nước ngầm từ mặt đất Tất cả các phương pháp địa vật lý khác dùng trong tìm kiếm nước ngầm đều là gián tiếp theo các tham số vật lý như điện trở suất, các tham số phân cực kích thích, hằng số điện môi, tốc độ truyền sóng địa chấn,…

Semenov A.G và các cộng tác viên ở Nga đã nghiên cứu phương pháp, giải bài toán thuận và nghịch cho ĐSCHT bằng khung dây đơn (một khung dây làm chức năng phát trong quá trình phát sóng điều hoà đơn sắc, sau đó nhờ bộ chuyển mạch để làm chức năng thu), trong môi trường điện trở suất cao, sáng chế máy cộng hưởng từ đầu tiên phục vụ khảo sát nước ngầm mang tên Hydroscope, nhận bằng sáng chế ở Liên Xô năm 1988 [61] và ở Anh năm 1989 [62] Đến năm 1999 và 2000 Weichman và nnk công bố công trình nghiên cứu lý thuyết tổng quát về ĐSCHT trong môi trường dẫn điện, tính tới hiện tượng phân cực elip cho loại khung dây bất kỳ (khung dây đơn, khung dây tách biệt, ) [85,86] Lần đầu tiên việc đánh giá các tính chất của các khung dây tách biệt và các tính chất của các đường cong ĐSCHT tương ứng được trình bày vào năm 2003 [19] và thể hiện đầy đủ trong luận án tiến

sỹ của Hertrich M năm 2005 [17], cho thấy độ phân giải cao trong khảo sát môi trường 2D nông

Những nghiên cứu lý thuyết về ĐSCHT trên thế giới tập trung chủ yếu

ở bốn trung tâm là Nga, Pháp, Đức và Mỹ Sau đây sẽ trình bày cơ sở vật lý của ĐSCHT , cơ sở toán học - kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình hoá toán học dựa vào những công trình của bốn trung tâm nêu trên cho đến năm

2008 Một số bài báo tiếng Việt đã giới thiệu ĐSCHT [10,45,46] và kết quả thử nghiệm đầu tiên ở Việt Nam [47]

1.1 Nguyên lý cơ bản và bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ

1.1.1 Nguyên lý cơ bản của đo sâu cộng hưởng từ

proton và đó là đối tượng khảo sát trực tiếp nước ngầm của ĐSCHT Proton là hạt tích điện dương, có khối lượng đặc trưng, có momen từ µ (ký hiệu chữ hạt

tích điện dương, có khối lượng đặc trưng, có momen từ µ (ký hiệu chữ đậm là vectơ) và có spin Spin là đại lượng mang tính lượng tử, đặc trưng cho hạt vi

mô, có thể coi đó là momen động lượng quay nội tại của hạt vi mô, thường gọi là momen spin, nó mô tả bản chất trường từ của hạt vi mô Momen từ liên

hệ cộng tuyến với momen spin I theo biểu thức:

Khi các proton nằm trong trường từ tĩnh bên ngoài, trong ĐSCHT là

định theo các biểu thức sau:

(1.2)

hiện sự quay đảo của các momen từ quanh trục z theo chiều kim đồng hồ (Levitt, 1997)

trường điện từ điều hoà truyền trong môi trường đất đá dẫn điện nên trường từ

(transmitted field) so với trường kích thích do sự dẫn điện của môi trường Các nghiên cứu trước đây của Trushkin và nnk (1995) và Shushakov (1996)

đã xem xét điện trở suất của đất đá trong khi tính biên độ và pha của tín hiệu cộng hưởng từ và mô tả tín hiệu cộng hưởng từ có giá trị phức, nhưng lại không khảo sát phân cực elip mà dùng phép xấp xỉ cho trường hợp độ từ

nnk (1999, 2000) đã khảo sát đầy đủ sự phân cực elip của trường kích thích

và biểu thức của tín hiệu phức cho loại khung dây và vị trí địa lý bất kỳ

Weichman và nnk (2000) đã chứng tỏ rằng chỉ có thành phần ⊥

T

T

Trong quá trình ĐSCHT người ta tăng dần độ sâu khảo sát tại mỗi điểm

đóng vai trò gần tương tự như khoảng cách giữa 2 điện cực phát AB trong đo sâu điện thẳng đứng

Sau khi ngắt xung, các momen từ hồi phục, suy giảm dần để trở lại

hưởng từ (điện áp) trong khung dây thu Điện áp đo được ngay sau ngắt xung càng lớn khi hạt nhân hydro càng nhiều Chúng có trong phân tử nước, dầu khí (đối tượng khảo sát của carota cộng hưởng từ) và cả trong phân tử ở thể rắn Chúng được phân biệt dựa vào đặc điểm hồi phục khác nhau, theo hằng số thời

gian suy giảm T khác nhau do mức độ linh động khác nhau Có hai loại T

cảm ứng tự do (Free Induction Decay, FID) và được dùng trong ĐSCHT Trong thực tế thường hay gặp loại suy giảm cảm ứng tự do nhanh chóng hơn,

đổi độ cảm từ trong môi trường Các hằng số thời gian suy giảm tuân theo

Hạt nhân trong phân tử chất rắn có mức độ linh động rất hạn chế và suy

≤ 0,1 ms Trong đất đá lỗ hổng như cát kết, trầm tích vỡ vụn giàu thạch anh, các hạt nhân trong phân tử chất lỏng liên kết với bề mặt chất rắn (nước liên kết) hoặc trong lỗ hổng nhỏ khi dao động luôn va chạm với bề mặt chất rắn,

chết (“dead time”, máy chưa đo được) 30 ÷ 40 ms, nên chỉ đo được tín hiệu của nước tự do Đó là cơ sở vật lý của việc xác định trực tiếp nước ngầm của ĐSCHT ở mặt đất

Tín hiệu dao động với tần số vòng Larmor, suy giảm theo quy luật hàm

2

momen xung q như sau:

(1.4)

biểu thức sau (Legchenko A.V., Valla P., 1998, Braun M., Hretrich M and Yaramanci U.,2005):

(1.5)

2

T (q), ϕ(τd ,q) và ∆ ω(q)được tính theo các thành phần cùng pha

và lệch pha trong quá trình xử lý số liệu (Legchenko A.V., Valla P., 1998) Các tham số đó được dùng để ngoại suy theo các biểu thức (1.4) và (1.5) từ

(1.5) ban đầu ở thời điểm t = 0 Đường ghi biên độ suy giảm với thời gian theo hàm mũ, còn pha thay đổi tuyến tính Các kết quả khảo sát đều dùng biên

độ và pha ban đầu

(1.7) Trong đó hàm nhân phức phụ thuộc vào độ từ khuynh, điện trở suất )

(V

sát

1.1.2 Bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ

1.1.2.1 Tín hiệu cộng hưởng từ tổng quát

Bài toán thuận của ĐSCHT tổng quát cho môi trường dẫn điện, độ từ thẩm bằng độ từ thẩm của không khí, ba chiều (3D) với các khung dây bất kỳ được trình bầy đầu tiên trong công trình của Weichman và nnk (1999, 2000)

Sau đây là biểu thức thế V của tín hiệu ĐSCHT (Weichman và nnk, 2000) ở

thời điểm t = 0:

(1.8)

Trong đó các tham số liên quan với khung dây phát có chỉ số dưới dòng

T, liên quan với khung dây thu có chỉ số dưới dòng R; |B−R(r)| và |B+T(r)| là những độ lớn của các thành phần quay trái chiều của trường thu và thành phần quay cùng chiều của trường phát so với chiều quay của hệ thống spin của

⊥

T

R,

Biểu thức (1.8) mô tả tín hiệu cộng hưởng từ trong khung dây thu như

một tích phân khối (3D) của một hàm phụ thuộc vào các thành phần khác

nhau của trường từ của khung dây và trường từ của spin phụ thuộc vào vectơ

khoảng cách r Ý nghĩa vật lý của biểu thức (1.8) như sau:

Hàng thứ nhất là biên độ tín hiệu của hệ thống spin phát ra đáp ứng cộng hưởng từ Nó gồm biên độ của vectơ độ từ hoá (số lượng hạt nhân

định bởi biên độ chuẩn hoá thành phần quay cùng chiều của trường phát

Hàng thứ hai mô tả độ nhạy của khung dây thu đối với tín hiệu dưới mặt đất Sự phân bố trong không gian của độ nhạy không phụ thuộc vào momen xung q, đó chỉ là phân bố không gian của trường từ liên quan với khung dây thu Ngoài ra tín hiệu bị trễ pha do suy giảm điện từ trên khoảng truyền từ nơi phát đến thể tích khảo sát và từ thể tích đó về nơi thu

Hàng thứ ba chỉ liên quan đến khung dây tách biệt Hai hàng trên chỉ gồm các đại lượng vô hướng, hàng thứ ba tính tới bản chất vectơ và sự tiến triển của tín hiệu cộng hưởng từ Phần biểu thức trong dấu ngoặc vuông mô tả

sự phụ thuộc của tín hiệu cộng hưởng từ vào các định hướng tương quan của trường phát và thu cũng như định hướng của chúng trong trường địa từ Trong trường hợp khung dây đơn thì số hạng thứ hai trong dấu ngoặc vuông (phần

ảo, tích vectơ và tích vô hướng) sẽ triệt tiêu và số hạng đầu (phần thực, tích vectơ vô hướng) bằng 1, còn đối với khung dây tách biệt thì biểu thức trong dấu ngoặc vuông có giá trị trong dải [-1, 1; -i, i] nên tín hiệu của ĐSCHT với khung phát và thu tách biệt có giá trị phức Do bản chất vectơ của tín hiệu

cộng hưởng từ nên khi có độ từ khuynh nghiêng (I ≠ 900) mà thay đổi vị trí khung dây phát và thu lẫn cho nhau thì tín hiệu cộng hưởng từ khác nhau, nói một cách khác nguyên lý tương hoán vẫn tồn tại trong các phương pháp địa vật lý thì ở đây không đúng nữa Trong ĐSCHT nguyên lý này chỉ đúng duy

nhất cho trường hợp môi trường 1D ở địa cực từ

Trong trường hợp khung dây đơn, nghĩa là khung dây phát và thu trùng

thành:

(1.9) Như vậy hàm nhân trong trường hợp khung dây đơn được tính như sau:

(1.10) Trong điều kiện 2D phương trình (1.8) trở thành:

Trong điều kiện 1D, hàm lượng nước phân bố theo các lớp nằm ngang

thì f(r) = f(z) và phương trình (1.7) trở thành:

(1.13) (1.14) Khi xác định điện trở suất cùng với hàm lượng nước trong quá trình nghịch đảo thì mỗi bước tính lặp hàm nhân lại phải tính lại

ứng đầy đủ như đòi hỏi phải có trường từ tĩnh (trong ĐSCHT là trường địa từ)

hưởng từ bị méo Dưới đây sẽ xem xét các ảnh hưởng đó

(1.11) (1.12)

1.1.2.2 Ảnh hưởng của dịch chuyển tần số tới tín hiệu cộng hưởng từ

không đồng nhất về mặt từ tính nên tần số Larmor thay đổi ngay trong một

cũng gây ra lệch pha (Trushkin D.V., Shushakov O A., Legchenko A.V., 1995), ảnh hưởng nhiều tới pha hơn là tới biên độ và tạo ra mối tương quan ngược (anti-correlation) với lệch pha (Girard J.-F., Legchenko A and Boucher M., 2005), được khảo sát kỹ trong (Braun M., 2007) Kết quả nghiên cứu của Braun 2007 cũng cho thấy giá trị pha có tương quan ngược với dấu của dịch chuyển tần số (hình 1.1), riêng đối với môi trường điện trở suất cao thì biên độ của tín hiệu cộng hưởng từ không phụ thuộc vào dấu của dịch chuyển tần số, ít nhất là trong dải ± 2 Hz Đối với các ĐSCHT có dịch chuyển tần số < ± 1 Hz thì có thể bỏ qua ảnh hưởng trong nghịch đảo theo biên độ

Hình 1.1 Ảnh hưởng của dịch chuyển tần số trong dải ± 2 Hz (theo bảng giá trị ở cột giữa) tới biên độ (hình cột trái) và pha (hình cột phải) của tín hiệu cộng hưởng từ với điều kiện: f rf = 2086.8 Hz, dịch chuyển tần số cố định cho các momen xung, điện trở suất cao

lượng nước 100%, độ từ khuynh 60 0 , độ dài của xung τp = 40.3 ms

Ảnh hưởng của dịch chuyển tần số cũng được kiểm tra tại thực địa tai Nauen (Berlin-Đức, Braun M., 2007) bằng cách lần lượt tạo ra 3 loại dòng

phần lớn diện tích ở Bắc Đức, gồm trầm tích Đệ Tứ (cát và sét tảng), nằm trên cát và sét Đệ Tam Lớp nước thứ nhất (3-21 m) gồm cát hạt tinh-trung bình nằm trên tập cát xen kẽ với sét tảng cho tới 60 m, lớp nước thứ hai, giả thiết, cát Đệ Tam bắt đầu từ 60 m trở xuống Phương pháp trường chuyển xác định tầng sét Đệ Tam là tầng cách nước khu vực ở chiều sâu 154 m Điện trở suất

phân bố từ mặt đất xuống như sau: 0-3 m: 3000 Ω ⋅m, 3-12 m: 280 Ω ⋅m,

cứu bằng mô hình toán học nêu trên

Hình 1.2 Thử nghiệm ĐSCHT với 3 tần số phát khác nhau tại Nauen-Berlin với khung

dây số tám (d = 50 m), độ dài của xung τp = 40.3 ms

1.1.2.3 Mô hình 1D nâng cao

Mô hình toán học đầu tiên dùng để tính cho biên độ tín hiệu cộng

hưởng từ trong trường hợp 1D với đất đá cách điện kèm theo các điều kiện: 1/

điều hoà đơn sắc Mô hình đó hiện được dùng trong phần mềm SAMOVAR bán kèm theo máy NUMIS PLUS được gọi là mô hình hiện hành (existing model) hoặc mô hình đơn giản hoá (simplified model) [27] Nó cho phép tính chuyển dịch pha của tín hiệu cộng hưởng từ chỉ do độ dẫn điện của môi trường tạo ra Trong thực tế khi phát xung trường điện từ điều hoà không bao giờ được xung vuông vắn hình chữ nhật, nên có các sóng hài cơ bản bậc nhất (first harmonic), bậc hai (second harmonic, lệch khổi tần số Larmor khoảng

35 Hz), bậc ba (third harmonic, lệch khoảng 60 Hz), Một mô hình toán học hoàn chỉnh hơn tính tới cả ảnh hưởng của sóng hài bậc cao (tới bậc ba) của xung và chuyển dịch tần số do các biến đổi trong không gian – thời gian của

trường địa từ trong môi trường 1D được gọi là mô hình nâng cao (enhanced

model) [27] Mô hình bị hạn chế do chỗ còn dùng giả thiết về tính chất tuyến tính của vectơ từ hoá, điều đó không còn phù hợp khi góc quay đảo lớn

(tương ứng với momen xung lớn)

Sau đây trình bầy kết quả mô hình hoá lớp nước nông, dày theo cả hai

mô hình nâng cao và đơn giản hoá để tiện so sánh và thấy ảnh hưởng chuyển dịch tần số ∆ω và sóng hài bậc cao (tới bậc ba) của xung trường điện từ kích thích Lớp nước được gọi là nông hay sâu tuỳ theo độ nằm sâu tương đối so với kích thước khung dây Mô hình hoá được tiến hành với độ từ khuynh

I = 600, tần số Larmor fL = 2 000 Hz (tương ứng với B 0 = 46 970.41 nT),

khung dây vuông cạnh 75 m, mô hình 1D cho một lớp nước dầy 10 m, hàm

lượng nước w = 20 % cho trường hợp lớp nước nông có độ sâu của mặt lớp nước bên trên là 5 m, trong nửa không gian điện trở suất cao 100 Ω⋅m với các giá trị ∆ω khác nhau và được thể hiện trên hình 1.3a và 1.3b

+ Trường hợp ∆ω = 0 Theo kết quả tính toán trình bày trên hình vẽ khi phát xung điện từ với tần số đúng bằng tần số Larmor thì ∆ω = 0 Trong mô hình đơn giản hoá chỉ lấy một sóng hài cơ bản để tính, còn trong mô hình nâng cao dùng tới ba sóng hài Trong trường hợp lớp nước nông (hình 1.3a) thì các sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới cả biên độ và pha (tạo ra pha âm) còn đối với lớp nước sâu (hình 1.3b) lại không có ảnh hưởng nào

Hình 1.3a Mô hình hoá bằng số: tín hiệu cộng hưởng từ của lớp nước dày 10m ở sâu 5m với hàm lượng nước 20% trong nửa không gian 100 Ω⋅m với các chuyển dịch tần số khác nhau

Mô men xung [A·ms]

Mô men xung [A·ms]

Hình 1.3b Mô hình hoá bằng số: tín hiệu cộng hưởng từ của lớp nước dày 10m ở sâu

70m với hàm lượng nước 20% trong nửa không gian 100 Ω⋅m với các chuyển dịch tần số khác nhau

1 - mô hình đơn giản hoá; 2 - mô hình nâng cao với ∆ω/(2π) = +2 Hz;

3-mô hình nâng cao với ∆ω = 0; 4 - mô hình nâng cao với ∆ω/(2π) = - 2 Hz;

5 – ngưỡng đo của máy (10 nV)

+ Trường hợp ∆ω ≠ 0 Kết quả mô hình hoá cho thấy trong trường hợp lớp nước nông thì phần đầu của đường cong biên độ (với q nhỏ) thực tế trùng nhau cho cả hai loại mô hình đơn giản hoá và nâng cao, không phụ thuộc và

∆ω Trong phần q lớn hơn thì ∆ω ảnh hưởng mạnh tới cả biên độ lẫn pha, nếu không để ý tới pha âm ở những q lớn mà chỉ nhìn vào đường cong biên độ thì

dễ nhận nhầm là có lớp nước thứ hai ở dưới sâu; đó chỉ là lớp nước ảo (phantom aquifer) do các hài bậc cao của xung tạo ra Trong trường hợp nước sâu, biên độ hầu như không bị ảnh hưởng, còn pha ít bị ảnh hưởng

1.2 Môi trường 1D

1.2.1.Bài toán ngược cho môi trường điện trở suất cao, 1D, khung dây đơn

cho đến hiện nay phương pháp điều chỉnh hoá của Tikhonov (Tikhonov regularisation method) vẫn được chấp nhận rộng rãi và dùng trong phần mềm SAMOVAR bán kèm theo máy NUMIS Plus (Legchenko A.V., Shushakov

phân bố hàm lượng nước theo chiều sâu w(z) theo phương trình (1.13) Có thể thu được nghiệm gần đúng bằng cách chiếu phương trình (1.13) lên không gian con có chiều hữu hạn để giải phương trình:

i j j

i

k ( ) ⋅ = 0,

∑

Trong đó i = 1,2, ,I là chỉ số chạy của số đo (I là số lượng momen

vectơ của nhân thu được do chiếu hàm nhân K(q,z) lên tập các hàm cơ bản

w z

Có thể dùng hàm hộp làm hàm cơ bản Như vậy các vectơ nhân là

Phương trình chiếu được viết dưới dạng ký hiệu của ma trận như sau:

E E

w w

=

nước, T trong toán học ma trận là ký hiệu chuyển vị

Nghịch đảo được thực hiện bằng phương pháp điều chỉnh hoá Tikhonov:

2 2

0

)

(

L L

(discrepancy principle) của Morozov (1966) để giải bài toán cực tiểu hoá và phương pháp gradien liên hợp thực hiện cực tiểu hoá

2

nhỏ tại r trong (1.9) là đồng nhất đối với cả hàm lượng nước và thời gian suy

2

phải làm trùng chuỗi thời gian E(t,q) bằng hàm mũ cho mỗi q để tính T(q) nhằm tính ra T(z) thì đầu tiên hãy nghịch đảo E(t,q) thành w(t,z) rồi làm trùng các w(t,z) bằng hàm mũ để tính ra T(z) Để nghịch đảo E(t,q) người ta dùng

1.2.2 Hàm nhân trong nửa không gian dưới đất cách điện và dẫn điện

+ Hàm nhân mang ý nghĩa độ nhạy trong ĐSCHT và tính chất dẫn điện của nửa không gian dưới đất cũng được tính tới trong trường hợp tổng quát

Song trong thực tế phổ biến lại vẫn thường dùng hàm nhân 1D tính cho môi

trường cách điện hay vẫn gọi là điện trở suất cao theo biểu thức (1.13) như trong phần mềm SAMOVAR của máy NUMIS PLUS Hiện ở Việt Nam chưa

có phần mềm tính cho môi trường dẫn điện, do vậy cần xem xét tới sai số mắc phải khi bỏ qua ảnh hưởng dẫn điện trong nghịch đảo Tuy máy NUMIS PLUS hiện có mới chỉ thiết kế cho đo với khung dây đơn, nhưng đã có thêm khung dây bù nhiễu điện từ nên cũng xem ảnh hưởng của khoảng cách và phương so với khung dây phát

Hàm nhân 1D được tính theo (1.14), tích phân của hàm nhân 3D theo

các phương nằm ngang cho nửa không gian dưới đất điện trở suất cao Kết quả thể hiện sự đóng góp của mỗi momen xung theo chiều sâu Đối với khung

dây đơn (hình 1.4, bên trái) hàm nhân 1D thể hiện một vùng đóng góp cực đại

của tín hiệu thuộc mỗi momen xung, vùng đó mở rộng dần nhưng yếu dần và sâu dần khi momen xung tăng lên Để tiện cho việc xem xét khi giải thích tài liệu, sự đóng góp đó thường được thể hiện theo đường đẳng trị trên hình 1.4, bên phải

Hình 1.4 Độ nhạy chiều sâu của hàm nhân 1D trên đồ thị cho từng momen xung (hình bên trái) và đồ thị đường đẳng trị phụ thuộc vào momen xung (hình bên phải)

Dưới đây là hàm nhân 1D dùng để tính tín hiệu cộng hưởng từ cho nửa

không gian dưới đất đồng nhất chuẩn cách điện (10 000 Ω⋅m) và vẫn dùng

trong các phần mềm để nghịch đảo ĐSCHT 1D cho các môi trường có điện

trở suất hữu hạn khác nhau Dưới đây là kết quả giải bài toán thuận cho nửa không gian dưới đất dẫn điện với điện trở suất hữu hạn khác nhau (100, 50,

10, 1 Ω⋅m), sau đó dùng hàm nhân 1D cho nửa không gian dưới đất chuẩn cách điện để nghịch đảo cho các môi trường dẫn điện để xem mức độ sai số

khi không tính tới tính chất dẫn điện của môi trường 1D (hình 1.5)

a)Hàm nhân dùng b) Các hàm nhân dùng để mô hình hoá

d)

Hình 1.5 Ảnh hưởng của điện trở suất đồng nhất trong nửa không gian dưới đất tới hàm độ nhạy (hàng trên cùng) và kết quả nghịch đảo tính cho khung dây tròn, đường kính 100 m, B 0 = 48000 nT, I = 60 0

Mô hình một lớp nước sâu 20 đến 45 m, hàm lượng nước 30% (trên hình 1.5 ở hàng dưới cùng, đường ngắt đoạn, mầu đen) và 5% trong đất đá bên ngoài; kết quả nghịch đảo thể hiện bằng đường liền nét, mầu xanh Những

đồ thị ở hàng trên cùng là đường đẳng trị biên độ hàm nhân 1D cho nửa

không gian dưới đất với điện trở suất khác nhau ghi trên đầu mỗi đồ thị Trên

đồ thị ở hàng thứ hai chấm đỏ là biên độ tính theo bài toán thuận cho mô hình

ở hàng thứ ba với giá trị điện trở suất ở cột tương ứng và đường đen là đường cong đo sâu theo kết quả nghịch đảo dùng hàm nhân chuẩn cách điện với sai

số căn quân phương (rms) tính theo phần trăm (%) ghi ở đáy đồ thị Trên hàng cuối cùng đường mầu xanh là kết quả nghịch đảo tính ra hàm lượng nước w% với sai số căn quân phương (rms) tính theo phần trăm (%) ghi ở đáy

đồ thị Theo đó thấy với khung dây 100 m thì điện trở suất Rho ≥ 100 Ω⋅m không ảnh hưởng tới kết quả nghịch đảo, còn khi Rho < 100 Ω⋅m thì kết quả nghịch đảo cho lớp nước nằm sâu hơn và hàm lượng nước nhỏ hơn, đặc biệt mắc sai số lớn khi Rho < 10 Ω⋅m Các kết quả mô hình hoá nêu trên được tính trong trường hợp không có nhiễu

1.2.3 Đặc điểm tương đương của đường cong ĐSCHT 1D

Bài toán nghịch đảo cộng hưởng từ đặt không đúng đắn, điều đó có nghĩa là đối với một lớp nước nhất định không thể xác định được đồng thời cả

độ dày và hàm lượng nước, thể hiện trong nguyên lý tương đương Theo đó

mô hình lý thuyết của một lớp nước dày 10 m với hàm lượng nước w = 20% ở các độ sâu (m) khác nhau khi không có nhiễu trong khung dây vuông 100 m

mh

thể thấy rằng hàm lượng nước và độ dày phân giải tốt hơn khi lớp nước gần khung dây Khi lớp nước ở độ sâu lớn hơn nửa kích thước khung dây thì lớp nước dày 10 m không thể phân giải ra được, độ dày lớn hơn nhiều so với mô hình, còn hàm lượng nước thì nhỏ hơn nhiều so với mô hình và độ phân giải của tích w x ∆z trở nên tốt hơn Đỉnh của lớp nước được xác định khá tốt (ε < 25%) Khi có nhiễu thì độ phân giải giảm đi So sánh kết quả xác định độ sâu lớp nước của ĐSCHT ở 13 lỗ khoan khi khảo sát nước ngầm của đới phong hoá và nứt nẻ trong đá móng granit ở Burkina Faso (Tây Phi) với khung dây vuông 125 m, tần số Larmor 1412 Hz, tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N = 7.5 thấy sai số ± 12% cho đỉnh lớp nước bão hoà (trong khoảng 7.5 đến 19.2 m) và ± 17% cho đáy lớp nước (trong khoảng 40 đến 80 m) [80]

+ Khi khảo sát đối tượng ít nước trong đá cứng (như trong đá cứng nứt

nẻ do bị phong hoá, nước karst,…) thì phải chú ý tới mức giá trị đo được tin cậy của máy Đó là ngưỡng (threshold) 10 nV của máy NUMIS Plus với công nghệ hiện nay Phải có một lượng nước với độ sâu của nó tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ lớn hơn 10 nV mới đáng tin cậy Để đánh giá điều kiện đó Legchenko A.V., và nnk (2006) đã dùng mô hình 1D, tính cho cột chứa nước

Hình 1.6 Sai số độ phân giải lớp nước dầy 10 m dưới khung dây vuông, cạnh 100 m

là 10 nV Trên hình 1.7 thể hiện biên độ lớn nhất phụ thuộc vào đỉnh chiều sâu khối chứa nước, nó cho thấy với lớp nước dày 10 m phải có hàm lượng nước lớn hơn 2% (chiều dầy nhân với hàm lượng nước > 0.02) Lớp đá cứng nứt nẻ có độ rỗng hiệu dụng nhỏ (< 0.5%) không thể phát hiện được

trình bầy kết quả mô hình hoá toán học cho 3 loại mô hình 2D chứa nước,

bằng cách tính bài toán thuận cho mô hình, sau đó dùng kết quả bài toán thuận để nghịch đảo không tính tới nhiễu

Việc mô hình hoá bằng số đều thực hiện với khung dây hình tròn, đường kính d = 48 m với 2 vòng dây điện; điều kiện trường địa từ của các

nT (đều lớn hơn so với ở Việt Nam), điện trở suất của đất đá 50 Ω⋅m, phương

thì chiều dài tuyến đo kể từ đầu mút bên trái của khung dây hình tròn thứ nhất (có tâm P1, điểm ghi giá trị) đến đầu mút bên phải của khung dây hình tròn thứ tư (có tâm P4) là 120 m Với bước đo 24 m trên chiều dài tuyến 120 m chỉ

có thể thực hiện 4 điểm ĐSCHT với khung dây đơn, nếu cùng trên đoạn tuyến

đó tiến hành ĐSCHT với khung dây tách biệt (bao gồm khung dây chờm nửa bước đo, khung dây liền kề (2 tâm điểm liền kề cách nhau 2 bước đo) và khung dây có 2 tâm điểm liền kề cách nhau 3 bước đo thì có thêm 12 điểm đo

sâu, cả thảy 16 điểm đo sâu Sau đây là 3 loại mô hình nước ngầm 2D (hình

1.8):

Mô hình 1: Lớp nước vát nhọn, ranh giới trên sâu 6 m (1/8 đường kính

d của khung dây), ranh giới dưới có chiều sâu tăng dần trên đoạn kéo dài 72

Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3

Hình 1.8 Ba loại mô hình nước ngầm 2D Hàng trên cùng thể hiện các điểm nút ở ranh giới mô hình và vị trí khung dây, hàng giữa – phân bố nước trong mạng lưới tinh khi mô hình hoá thuận, hàng thứ ba - phân bố nước trong mạng lưới thô khi mô hình hoá ngược

và dưới cùng là thang hàm lượng nước

Trên các hình 1.9, 1.10 và 1.11 trình bầy các kết quả nghịch đảo đối với

3 loại mô hình 2D chứa nước nêu trên nhưng theo các loại khung dây khác

nhau và cách biểu diễn kết quả khác nhau nhằm so sánh và đánh giá các loại

khung dây Trên các hình đều có cùng một bố cục, các mặt cắt hàm lượng nước theo kết quả nghịch đảo cho các cách đo sâu khác nhau thể hiện trên các

hàng khác nhau Hàng trên cùng thể hiện sự phân bố hàm lượng nước 2D từ nghịch đảo 2D tất cả 16 đo sâu bằng 4 khung dây đơn và 12 khung dây tách biệt, hàng thứ hai từ nghịch đảo 2D với 4 đo sâu bằng khung dây đơn, hàng thứ ba từ nghịch đảo 1D với 4 đo sâu bằng khung dây đơn rồi nối các đường cùng giá trị hàm lượng nước tạo thành đường đẳng trị giả 2D (pseudo 2D

contour) và hàng cuối cùng là kết quả dựa vào số liệu ở hàng thứ ba chỉ biểu

diễn ra dưới một dạng khác thường làm hiện nay với cách xử lý 1D Trong

quá trình tính toán lý thuyết ở đây đã không tính tới nhiễu Các nghịch đảo

trên cho thấy đối với vật thể chứa nước 2D, nằm nông và tương đối hẹp, đặc biệt khi hẹp hơn 1 d mà dùng nghịch đảo 1D để nối đường đẳng trị hàm lượng

nước trên mặt cắt sẽ mắc sai lầm lớn

Theo kết quả nghịch đảo 1D với 4 đo sâu bằng khung dây đơn như

thường vẫn làm hiện nay (hàng cuối cùng) hầu như bao giờ cũng có hàm lượng nước ảo (phần nước không có thật theo mô hình) ở phía trên và dưới

mô hình 2D Ngay cả trong trường hợp thấu kính nước rộng 2D (hình 10) có

chiều rộng 72 m, lớn gấp 1.5 đường kính (d = 48 m) của khung dây tròn với

chiều dầy lớn nhất 24 m (1/2 d) và tâm nằm không sâu 24 m (1/2 d) cũng chỉ cho thấy sự tồn tại của nước, còn phân bố hàm lượng nước không phù hợp, đấy là ngay cả trong trường hợp môi trường 2D và không có nhiễu điện từ Trường hợp hai thấu kính nước hẹp hơn nhưng chiều rộng vẫn bằng đường kính khung dây ở hai độ sâu khác nhau (hình 1.11) thì thật khó nối các thấu kính nước

1.4 Tình hình áp dụng đo sâu cộng hưỏng từ để khảo sát trực tiếp

nước nghầm trên thế giới và ở Việt Nam

Sự phát triển nhanh chóng trong nghiên cứu và áp dụng ĐSCHT theo

số liệu thống kê trong khoảng thời gian 1991-2006 được trình bày tại hội thảo

quốc tế lần thứ 3 về ĐSCHT tại MADRID tháng 10 - 2006 [51]

Địa điểm khảo sát ĐSCHT trên thế giới thể hiện trên bản đồ sau:

Số lượng tài liệu tham khảo về ĐSCHT ở mỗi nước theo thứ tự năm

Số lượng nước, cơ quan đã thực hiện khảo sát ĐSCHT :

- Ít nhất đã thực hiện ở 26 nước (6 nước trong EU);

- Ít nhất đã có 40 cơ quan tham gia (17 cơ quan trong EU);

- Đã thực hiện hơn 1000 đợt khảo sát ;

Mục tiêu khảo sát :

Thử nghiệm để hoàn thiện 51

Chương trình khảo sát nước ngầm 25

Đo chuẩn các tham số thuỷ lực 14

Các vấn đề liên quan tới địa kỹ thuật 10

Môi trường địa chất:

Môi trường địa chất Phần trăm (%) Trầm tích bở rời 39

Đá carbonat nứt nẻ 28

Karst 9

Những ưu điểm và hạn chế của đo sâu cộng hưởng từ

Ưu điểm cơ bản của ĐSCHT:

- Tín hiệu cộng hưởng từ liên quan trực tiếp với nước;

- Tín hiệu cộng hưởng từ tỷ lệ thuận với lượng nước do đó ĐSCHT có

khả năng đánh giá thể tích nước ngầm;

- Hằng số suy giảm theo thời gian của tín hiệu cộng hưởng từ phụ thuộc

vào kích thước hạt, kích thước hạt càng lớn thì hằng số suy giảm càng lớn

Nước trong hang động tạo ra hằng số suy giảm T1 tới 1000 ms, nước trong lỗ

số giữa lượng nước khối (bulk water, như nước trong hang, hồ,…) và nước

nước karst (Vouillamoz et al., 2003, Legchenko và nnk, Geophysics 2008)

Nhưng do phương pháp mới ra đời nên còn nhiều hạn chế

Với công nghệ hiện nay nó chưa phân biệt được nước nhạt và mặn, không dùng được trong vùng đất đá có từ tính cao như đá bazan, không dùng được trong vùng nhiễu điện từ mạnh như khu công nghiệp, thị trấn, đường dây tải điện

Độ sâu khảo sát tối đa không quá 150 m

CHƯƠNG 2 THU THẬP, XỬ LÝ, NGHỊCH ĐẢO VÀ GIẢI THÍCH SỐ

LIỆU ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ 2.1 Máy NUMIS Plus

Hiện trên thế giới chỉ có ba nhà sản xuất máy ĐSCHT đơn mạch là HYDROSCOPE và AQUATOM (Nga), NUMIS (Pháp, dựa trên sự hợp tác Nga-Pháp) và hai nhà sản xuất đa mạch là NMR MIDI (Đức) và Vista Clara MRS (Mỹ) Về nguyên tắc các máy trên đều gồm bộ phát và thu, bộ biến áp một chiều và các khung dây phát/thu Việc kiểm tra và đo của mọi máy đều điều khiển bằng máy vi tính Các ắc qui ô tô là nguồn năng lượng đẻ tạo ra các xung năng lượng cực đại 450A/4000 V Máy đơn mạch chỉ gồm một khung dây thu tín hiệu Máy đa mạch gồm nhiều khung dây thu phục vụ có hiệu quả cho thi công 2D/3D và thuận lợi cho công nghệ chống nhiễu

Mạch thu tín hiệu gồm khung dây thu nối song song với bộ tụ điều chỉnh được tạo ra mạch cộng hưởng (Hình 2.1, bên trái), nó hoạt động như bộ lọc thông dải [70,71] Đường cong trở kháng phụ thuộc vào tần số thể hiện bộ lọc thông dải cho điện áp xoay chiều Biên độ của trở kháng cực đại ở tần số

suy giảm, trong khi đó phần lớn nhiễu điện từ bị giảm mạnh

Hình 2.1 Sơ đồ nối mạch cộng hưởng nối song song của mạch khung dây thu với tụ

điều chỉnh được (hình trái), phổ biên độ và pha của trở kháng mạch cộng hưởng (hình

phải) ở tần số 2000 Hz cho các khung dây có điện trở khác nhau Sau khi có giá trị độ tự

cảm (cảm trở, inductance L) và điện trở thì tụ được điều chỉnh để đạt tần số Larmor (f 0

được xác định theo kết quả đo trường địa từ bằng từ kế proton)

Theo hình 2.1 thấy rõ độ rộng của dải thuộc bộ lọc phụ thuộc nhiều vào điện trở của khung dây, dải thông càng hẹp khi điện trở càng nhỏ và độ lệch pha phụ thuộc vào tần số của tín hiệu thu, điều đó dẫn đến sự lệch pha của tín

Nhà sản xuất NUMIS chế tạo 2 loại máy: NUMIS Lite (gọn, nhẹ dùng cho khảo sát nông) và NUMIS Plus có thể khảo sát tối đa 150 m, được dùng phổ biến nhất và đã mua về Việt Nam từ tháng 11/2005 Sau đây chỉ đề cập tới NUMIS Plus

2.2 Thu thập số liệu và các biện pháp chống nhiễu khi đo

Chống nhiễu điện từ khi đo, nhất là trong khảo sát đối tượng ít nước như nước karst, là việc khó khăn và phức tạp lớn nhất trong áp dụng ĐSCHT (Legchenko A.V., Baltassat J.-M., Beauce A., Bernard J.,2002, Legchenko A.V., Valla P., 2003, Plata J.L., Rubio F.M., 2002, Supper R., Jochum B., Hubl G., Romer A., and Arndt R., 2002, Trushkin D.V., Shushakov O A., Legchenko A.V., 1994, Lange G., Yaramanci U., and Meyer R., 2007)

Tín hiệu cộng hưởng từ rất nhỏ, thường hàng chục đến hàng trăm nV, còn nhiễu điện từ lúc nào và ở đâu cũng có và thường hàng trăm đến hàng nghìn nV Nguồn nhiễu điện từ được chia làm hai loại: tự nhiên như giông, bão từ,… và nhân tạo như đường dây tải điện, cáp điện ngầm, trạm biến thế điện, máy phát điện, bơm,… Nhiễu điện từ tự nhiên là loại nhiễu ngẫu nhiên, phân bố theo quy luật Gauss Các loại nhiễu nhân tạo như nhiễu đỉnh nhọn (spiky noise, loại nhiễu nhân tạo có biên độ lớn hơn rất nhiều so với cả nhiễu ngẫu nhiên lẫn tín hiệu cộng hưởng từ, thể hiện rõ trên băng ghi) và nhiễu do các sóng hài (chủ yếu là các hài bậc cao) của dòng điện công nghiệp (thường

do dây tải điện tạo ra) gây nhiều khó khăn cho ĐSCHT Sau đây sẽ đề cập đến các biện pháp chống nhiễu khi đo, phần xử lý nhiễu sau đo sẽ trình bầy ở phần phương pháp xử lý số liệu ĐSCHT Sau đây sẽ trình bầy đặc điểm nhiễu điện từ, cách chống nhiễu khi ĐSCHT bằng khung dây số tám, khung dây bù

và chống nhiễu đỉnh nhọn khi đo

2.2.1 Đặc điểm nhiễu điện từ của đường dây tải điện

Nếu trường điện từ của đường dây truyền tải điện chỉ tồn tại ở tần số danh định (50 Hz) thì ít gây khó khăn cho công việc Song các máy phát điện cũng như các dụng cụ tiêu thụ điện không phải là các công cụ thực sự tuyến tính, nên làm méo dạng sóng hình sin Tính chất phi tuyến tính quan sát thấy

dưới dạng các thành phần sóng hài của tần số danh định trong trường điện từ quan sát thấy trong mạng phân phối điện lực Các sóng hài lẻ của tần số danh định mạnh hơn nhiều so với sóng hài chẵn Mức độ nhiễu của sóng hài thường yếu hơn rất nhiều so với sóng sơ cấp

Trường điện từ của đường dây tải điện tỉ lệ với dòng điện, chứ không phải với công suất Trong mạng phân phối thì sự phân phối cho khoảng cách lớn được thực hiện ở điện áp cao, hàng trăm nghìn von, nên dòng điện để truyền tải năng lượng là nhỏ Các trạm biến áp dùng để hạ áp phục vụ địa phương và gia đình Khi điện áp giảm, dòng điện sẽ tăng lên theo tỉ lệ nghịch đảo Phần lớn trường điện từ vây quanh phát sinh từ trạm biến thế và các phần điện áp thấp của mạng điện

2.2.2 Khung dây số tám

Trong ĐSCHT dùng các loại khung dây sau (hình 2.2): tròn, vuông, số

8, số 8 vuông

tròn vuông số tám số tám vuông

Hình 2.2 Các loại khung dây

Khung dây số tám gồm hai khung dây nhỏ, tròn hoặc vuông, nối liền nhau nhưng đấu ngược chiều bằng cách trải đoạn dây điện theo dạng số 8 nhằm giảm thiểu nhiễu điện từ (hình 14(B)) Nhiễu điện từ tạo ra hai sức điện động cảm ứng trong hai vòng dây con của hình số 8 trái chiều nhau nên bù trừ lẫn nhau do 2 vòng dây con đấu ngược chiều; trong khi đó tín hiệu cộng hưởng từ do nước ngầm tạo ra cũng trừ lẫn nhau nhưng chúng có dấu ngược nhau nên được cộng lại

Hình 2.3 (A) Khung dây đơn và các khung dây giảm nhiễu: (B) Khung dây số tám

và (C) Khung dây bù được làm bằng loại dây nhỏ Mức độ giảm nhiễu phụ thuộc vào các điều kiện địa phương (đánh dấu *) Các hình vẽ không cùng một tỷ lệ [2] Nghiên cứu trên

mô hình toán học và đo trên thực tế cho thấy rằng trong quá trình thi công chỉ cần chọn phương kéo dài của khung dây số tám làm sao bù được nhiễu nhiều nhất mà không cần chú ý tới ảnh hưởng của phương của trường địa từ [75]

2.2.3 Khung dây bù

Khung dây bù (ký hiệu Cx, hình 2.3(C)) được Lange G đề xuất và thử nghiệm năm 2005 [22] Người ta dùng một hộp điôt (diodes box) mắc nối tiếp vào khung dây phát (transmitter loop, ký hiệu Tx) vuông chính để làm đoản mạch (short circuit) trong quá trình phát dòng; trong quá trình đo thì bộ chuyển mạch lại nối điện áp ngược dấu từ khung dây bù (Cx) vào Tx và do đó làm triệt tiêu phần lớn nhiễu trong Tx Muốn cho khung dây bù (Cx) chỉ đo nhiễu, mà không chịu ảnh hưởng của Tx thì Cx phải để khá xa khỏi Tx để Cx không nhận được tín hiệu cộng hưởng từ của Tx Tuy nhiên trong thực tế không thể để quá xa nên Lange khuyến nghị khoảng cách giữa 2 tâm khung

dây (d) bằng khoảng 2.5L và tốt nhất là đặt Tx và Cx song song với phương của đường dây tải điện Song việc đặt Cx còn chịu ảnh hưởng của trường địa

từ B 0 , nó thường không thẳng đứng mà nghiêng, cho nên khi hoán đổi vị trí

tương hỗ thì kết quả đo đạc sẽ khác đi, cho nên cần chọn vị trí Cx so với Tx sao cho nó ít bị méo nhất do tác dụng của Tx Lange khuyến nghị các nước ở bắc bán cầu phải đặt Cx và Tx theo phương đông tây, khi đó ảnh hưởng của phương trường địa từ là nhỏ, có thể bỏ qua nên có thể hoán vị Cx và Tx, nhưng theo phương bắc nam ảnh hưỏng mạnh nên phải đặt Cx ở phía nam của

Tx Như vậy vừa phải đặt Tx và Cx song song với phương của đường dây tải điện lại phải chọn sao cho phương của Cx –Tx ít chịu ảnh hưởng của trường địa từ là công việc không dễ dàng trên thực tế Nếu thoả mãn được những điều kiện đó thì đo sâu với khung dây bù có ưu điểm giữ lại được độ sâu khảo sát của khung dây đơn và triệt được nhiễu như khung dây số tám Đã tiến hành đo bằng khung dây vuông lẫn khung dây vuông kèm theo khung dây bù (hình 2.4) tại cùng một chỗ trên ống dẫn karst chứa nước ở Poumeyssens thuộc cao nguyên đá vôi Gramat, Tây-Nam nước Pháp và với cùng những tham số thu thập số liệu Kết quả cho thấy khung dây bù có thể làm giảm nhiễu hai lần so với khi không có bù [4]

Khung dây đơn Khung dây đo Khung dây bù

Phát Thu

2.3 Thu thập và đánh giá chất lượng số liệu ĐSCHT

Trước khi thực hiện ĐSCHT cần có các thông tin về nhiễu điện từ, địa chất thuỷ văn, phải có mặt cắt địa điện với vùng dị thường triển vọng cần xác định có nước ngầm hay không cũng như độ sâu khảo sát để chọn kích thước khung dây phù hợp

2.3.1 Chọn khung dây

Trong khảo sát nước ngầm vùng karst do tín hiệu nhỏ và nhiễu thường rất lớn nên thường bắt đầu với khung dây số tám Kích thước khung dây được chọn phụ thuộc vào độ sâu khảo sát, số lượng và chiều dài mỗi đoạn dây điện của máy Trong ĐSCHT khi tăng kích thước khung dây và momen xung độ sâu khảo sát tăng lên và tiệm cận dần tới độ sâu khảo sát tối đa, trước đó có thể xem gần đúng là độ sâu khảo sát tỷ lệ thuận với kích thước khung dây Chú ý rằng độ sâu khảo sát (d(m)) trong nửa không gian đồng nhất phụ thuộc

Bảng 1 nêu sự đánh giá theo mức độ (1 - tốt nhất, 2 – trung bình, 3 – kém) về các đặc điểm của các loại khung dây theo Lange G., Yaramanci U., and Meyer R., 2007 với cùng một độ dài:

Bảng 1: đánh giá mức độ cho các đặc điểm của các loại khung dây theo thang điểm: 1 - tốt nhất, 2 – trung bình, 3 – kém:

Loại khung

dây

Tín hiệu

tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N

độ sâu khảo sát độ phân giải

2.3.2 Chọn các tham số trong thu thập số liệu

Số liệu được thu thập tự động theo chương trình do máy vi tính điều khiển Các tham số trong thu thập số liệu phải chọn sao cho đảm bảo chất

2.3.2.1 Đo thử để chọn tần số Larmor f 0

Muốn tạo ra cộng hưởng từ, phải phát dòng điện xoay chiều vào khung

đáy màn hình ProDiviner để theo dõi Do trường từ địa phương không đồng nhất và/hoặc trong quá trình đo kéo dài đã có biến thiên lớn của trường địa từ theo chu kỳ ngày đêm nên tần số của tín hiệu cộng hưởng từ đo được xuất hiện trên màn hình (Frequency [Hz]) ngay sau khi kết thúc mỗi momen xung

số là ≤ ± 1Hz nhất là ở vùng đỉnh của đường cong ĐSCHT; nếu ngược lại thì

ở các momen xung vùng đỉnh phải đo lại với tần số hiệu dụng [25] Để tránh điều đó phải thực hiện ĐSCHT thử với số ít momen xung (5 – 6) để xem có

2.3.2.2 Số momen xung tối ưu

Trong quá trình ĐSCHT độ sâu khảo sát tăng dần lên nhờ tăng momen

10 ÷ 80 ms, trong sản xuất thường dùng giá trị mặc định 40 ms, như vậy momen xung thay đổi trong khoảng 30A ms ÷ 18000 A ms Việc chọn số lượng các momen xung q trong ĐSCHT tương tự như số lượng các khoảng cách AB trong đo sâu điện thẳng đứng phải thoả mãn hai yêu cầu đối lập nhau

là chất lượng tài liệu (dạng trơn tru của đường cong đo sâu, nhất là vùng lồi lõm) và thời gian đo đạc Số các momen xung q thay đổi trong khoảng 4 ÷ 40

và số momen xung tối ưu qua mô hình hoá và kinh nghiệm thực tiễn được chọn trong sản xuất là 16 và được đặt mặc định Các giá trị momen xung được tính phân bố đều theo tỷ lệ loga

2.3.2.3 Số lần cộng dồn n (stacking)

Việc chọn cộng dồn n cũng phải thoả mãn hai yêu cầu đối lập nhau là chất lượng tài liệu (nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu) và thời gian đo đạc Việc chọn n dựa trên quan sát sự thay đổi của tín hiệu S và nhiễu N theo thời gian thể hiện trên màn hình đối với mỗi momen xung, sao cho S > N và

đường tín hiệu S có xu thế giảm dần theo thời gian Không có một quy tắc

tuyệt đối nào trong việc chọn n, song Lange G., và nnk 2007 khuyến nghị

dây số tám với n = 32 hoặc lớn hơn tuỳ theo mức độ nhiễu điện từ so với tín

hiệu cộng hưởng từ

2.3.2.4 Thời gian ghi (recording time) tín hiệu cộng hưởng từ

nước T(ms), nó liên quan tới kích thước hổng trung bình chứa nước Thường

2.3.3 Đánh giá chất lượng số liệu ĐSCHT

Không thể đánh giá theo đo lặp lại như các phương pháp địa vật lý khác

vì trường địa từ, nhiễu điện từ thay đổi theo thời gian Cho đến nay chưa có

chấp nhận chung về đánh giá chất lượng số liệu, tuy đều dựa vào tỷ số tín hiệu

trên nhiễu (S/N)

- Lubczynski M and Roy J., 2004 dựa trên kinh nghiệm và cho rằng:

S/N > 20 là cực tốt nhưng hiếm gặp, S/N > 5 là tin cậy phù hợp cho nghịch

đảo , S/N ≈ 1 thường chỉ cho thông tin hữu ích về lượng nước và độ sâu trung

bình nhưng với hằng số suy giảm kém tin cậy, S/N nhỏ hơn 1 rất nhiều thì

ĐSCHT ít hữu ích do không đáng tin cậy Tuy nhiên trong môi trường điện

trở suất cao, với S/N ít nhất bằng 1, thì khả năng ĐSCHT tin cậy là cao (như

tại Serowe ở Botswana khi tìm kiếm nước ngầm trong cát kết nứt nẻ, S/N =

0.9, ĐSCHT cho kết quả tốt)

- Legchenko A (2006), người có nhiều công trình nhất về ĐSCHT, đưa

ra các tham số sau để đánh giá chất lượng của số liệu ĐSCHT:

a Mức nhiễu môi trường bên ngoài EN (External Noise) sau cộng dồn

và lọc được so sánh với nhiễu máy IN (Instrumental Noise) theo EN/IN = nhiễu/5

Khi tín hiệu cộng hưởng từ rất nhỏ thì phải cộng tín hiệu cho đến khi EN/IN ≅ 1 Nếu EN/IN ≅ 1 thì điểm đo sâu có thể coi là đo đạc đạt chất lượng tốt, ngay cả khi không phát hiện ra tín hiệu cộng hưởng từ

b Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) Thường số liệu được coi là có chất lượng chấp nhận được khi S/N > 2 Trong trường hợp này có thể giải thích định lượng số liệu ĐSCHT và các thông tin về các tầng chứa nước là tin cậy Khi S/N > 2 thì không cần thiết phải có EN/IN ≅ 1 Nếu EN/IN ≅ 1 và S/N =

1 (tín hiệu không phát hiện ra) thì không thể giải thích định lượng số liệu ĐSCHT Trong trường hợp đó ĐSCHT từ cho biết thể tích nước tự do dưới mặt đất nhỏ hơn ngưỡng phát hiện nước của máy

c Khi EN/IN > 1 và S/N ≅ 1 thì điểm đo sâu không thể coi là có chất lượng tốt, khi đó kết luận duy nhất từ việc tính toán số liệu là biên độ của tín hiệu cộng hưởng từ nhỏ hơn mức nhiễu Thí dụ nếu EN/IN = 5 và S/N = 1 thì

có thể kết luận rằng nếu có tín hiệu thì nó nhỏ hơn 25 nV (coi IN = 5 nV)

Tuy nhiên nghịch đảo đo sâu cộng hưởng từ với S/N ≅ 1 cho một giải thích

định tính Giải thích định tính đó chỉ nêu ra được sự đánh giá về khả năng tối

đa của thể tích nước tự do dưới khung dây Sự đánh giá đó chỉ bảo đảm rằng không thể có nhiều nước hơn theo sự đánh giá đó Giải thích định tính không đảm bảo có nước dưới mặt đất

Tóm lại theo Legchenko A., số liệu tốt khi: EN/IN ≅ 1 và S/N > 1, cho nên nếu ở thực địa mà không thể ĐSCHT với tỷ số tín hiệu trên nhiễu chấp nhận được thì điều kết luận duy nhất thu được từ những số liệu đó nên là ĐSCHT không thể áp dụng ở địa điểm đó

2.4 Xử lý, nghịch đảo và giải thích số liệu đo sâu cộng hưởng từ

2.4.1 Xử lý số liệu đo sâu cộng hưởng từ

Trước khi xử lý tín hiệu cần xem xét đường cong suy giảm, nếu thấy phần tiệm cận bị nhiễu nhiều thì chỉ dùng một phần của đoạn đã ghi Chiều

2

Như đã nêu trên, do từ tính của đất đá không hoàn toàn đồng nhất, có biến thiên của trường địa từ theo chu kỳ ngày đêm làm cho tần số Larmor thay đổi chút ít trong ĐSCHT, ngoài ra còn có sự thay đổi pha do tính chất dẫn điện của môi trường, do phát xung điện từ không phải là đơn sắc nên phải dùng bộ tách sóng đồng bộ (synchronous detection) nhằm tách tín hiệu cộng