trường địa từ và kết quả khảo sát tại việt nam

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 giả đã tổng quan n

bộ sách chuyên khảo TμI NGUYÊN THIÊN NHIÊN Vμ MÔI TRƯờNG VIệT NAM

Nhμ xuất Bản khoa học tự nhiên vμ công nghệ

Viện khoa học vμ công nghệ việt nam

Tr− ờng địa từ kết quả khảo sát tại việt nam

ừvμ

bé s¸ch chuyªn kh¶o

TμI NGUY£N THI£N NHI£N Vμ M¤I TR¦êNG VIÖT NAM

VIÖN KHOA HäC Vμ C¤NG NGHÖ VIÖT NAM

Lời giới thiệu

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam là cơ quan nghiên cứu khoa học tự nhiên và công nghệ đa ngành lớn nhất cả nước, có thế mạnh trong nghiên cứu cơ bản, nghiên cưú và 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 sở 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 xây dựng 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 sách tập trung vào ba lĩnh vực sau:

Nghiên cứu cơ bản;

Phát triển và ứng dụng công nghệ cao;

Tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việt Nam

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

Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam xin trân trọng giới thiệu tới các quý 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 đại học và sau đại học

Hội đồng Biên tập

Hμ NộI - 2007

Trường địa từ kết quả khảo sát tại việt nam

vμ

Trang

Thay lời tựa……….… v

Lời cám ơn……… vii

Mở đầu ……… ix

Chương I Trường địa từ ……… 1

1 Về trường địa từ ……… 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 trường địa từ ……… 34

5 Đặc điểm trường địa từ ……… 38

Chương II Trường địa từ và cấu trúc bên trong của Trái đất ……… 43

1 Cấu trúc phân lớp của Trái đất ……… 44

2 Biểu diễn giải tích trường địa từ ……… 47

3 Biến thiên thế kỷ của trường địa từ ……… 52

4 Sự đảo cực của trường địa từ và cấu trúc bên trong của Trái đất ……… 61

5 Trường địa từ và cấu trúc vỏ Trái đất ……… 65

6 Về nguồn gốc của trường địa từ ……… 74

Chương III Trường địa từ và môi trường xung quanh Trái đất ……… 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 quyển và môi trường xung quanh Trái đất …… 94

4 Quan hệ Mặt trời – Trái đất ……… 95

5 Dự báo thời tiết vũ trụ ……… 102

6 Sinh địa từ ……… 106

7 Trường địa từ - một công cụ trong cuộc sống …… 109

Chương IV Nghiên cứu biến thiên của trường địa từ

trên lãnh thổ Việt Nam ……… 111

1 Các đài, trạm quan trắc địa từ tại Việt Nam ……… 111

2 Xác định vị trí của xích đạo từ trên lãnh thổ Việt

Nam ………

114

3 Quan trắc dòng điện xích đạo tại Việt Nam ……… 116

4 Ảnh hưởng của dòng điện xích đạo tới biến thiên

Sq tại Việt Nam ………

120

5 Dòng điện ngược xích đạo tại Việt Nam ………… 125

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

quốc tế về dòng điện xích đạo” ………

128

7 Nhiễu loạn từ hình vịnh tại Việt Nam ……… 135

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

24-10-1995 tại Việt Nam ………

144

Chương V Xây dựng mạng lưới đo biến thiên thế kỷ

trên lãnh thổ Việt Nam ……… 153

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

trường địa từ trên lãnh thổ Việt Nam ……… 153

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

các điểm đo biến thiên thế kỷ ở Việt Nam ……… 157

3 Phương pháp hiệu chỉnh biến thiên ngày đêm số

liệu quan trắc trường địa từ ở Việt Nam ………… 164

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

Chương VI Nghiên cứu cổ từ tại Việt Nam ………… 183

1 Từ dư tự nhiên của đất đá ……… 183

2 Các phương pháp nghiên cứu cổ từ ……… 190

3 Nghiên cứu cổ từ bazan Kainozoi tại Việt Nam … 200

4 Sự hình thành độ từ dư hoá học trên khoáng

macnetit và cơ chế tái nhiễm từ trong đất đá …… 209

5 Nghiên cứu cổ từ các đá trầm tích Jura-Creta hai

phía đới đứt gãy Sông Hồng tại miền Bắc Việt

3 Xác định độ từ thiên D tại các sân bay ……… 266

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

truyền tải điện ở Việt Nam ……… 269

5 Độ từ cảm và phương pháp MSEC xác định các

ranh giới địa tầng ……… 274

Tài liệu tham khảo 285 Phụ lục Hợp tác quốc tế trong nghiên cứu địa từ tại

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

2 Hội Địa từ và Cao không quốc tế (IAGA) ……… 323

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

tại Hà Nội, Việt Nam năm 2001 ……… 324

4 Chương trình nghiên cứu cấu trúc sâu của Trái đất

5 Chương trình tương quan địa chất quốc tế (IGCP) 327

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

7 Địa chỉ một số Trung tâm số liệu Vật lý địa cầu

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 Hồi 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 tấn Viện Hàn lâm khoa học Liên xô

Mở đầu bài giảng của mình, viện sĩ Xavarenxki chiếu cho chúng tôi xem bức ảnh quả địa cầu được nâng lên bởi một bàn tay nhăn nheo Thầy giải thích rằng địa cầu là đối tượng nghiên cứu của chúng tôi Thầy nhấn mạnh là các hiện tượng và quy luật về Vật lý địa cầu có tính liên tục trên toàn cầu và không thể bị gián đoạn bởi ranh giới giữa các quốc gia Cho nên khi quyết định theo nghề Vật

lý địa cầu tức là chúng tôi sẽ tham gia vào cộng đồng quốc tế về lĩnh vực này, vì chỉ có sự hợp tác toàn cầu mới tạo điều kiện để chúng 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 cầu 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 thầy, 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 sống động của thầy về các phương pháp nghiên cứu Vật lý địa cầu, cũng như các phân tích của thầy 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 hiểu biết, thích chu du đây đó, được nhìn thấy mọi thứ và hiểu được chúng

Bốn mươi năm qua, nghề Vật lý địa cầu đã cho phép tôi đặt chân tới nhiều nơi thầy 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 tinh thần

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 bài học của thầy như một hành trang không thể thiếu trong suốt cuộc đời mình, và bây giờ tôi muốn 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 về thầy

LỜI CẢM ƠN

Tập sách đã không thể hoàn thành được nếu thiếu sự cộng tác nghiên cứu 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 đõ và cộng tác chân tình của:

GS.TSKH G N Petrova, GS.TSKH D M Pecherski, TS N.G Kleimenova và các 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 và các đồng nghiệp của Viện Địa từ, Điện ly và Truyền sóng Matxcơva trong các năm 1986-1995

GS.TS Viện sỹ J.L Le Mouel, KS D.Gilbert, GS.TS Phạm Văn Ngọc, TS D Boyer và các đồng nghiệp của Viện Vật lý địa cầu Pari trong các năm 1990- 2002

GS.TS H Soffel, GS.TS N Petersen và các đồng 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 các năm 1991-1998 và Đại học Tổng hợp quốc gia Lousianna trong các năm 1998-2006

GS.TS B.B Arora, GS.TS G.K Rangarajan, Viện Địa từ Bombay trong các năm 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 Giảng, PGS TS Trương Quang Hảo, TS Lê Huy Minh, TS Lưu Thị Phương Lan, TS Võ Thanh Sơn, CN Võ Hồng Nam, KTV Trương Thế Hùng, KTV Nguyễn Hoài Anh, KTV Đồng Thị Nhàn và các đồng nghiệp tại Viện Vật lý địa cầu Hà Nội

TS Phạm Kim Ngân, TS Đặng Trần Huyên 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

nhiên 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 5 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 quyển, sinh quyển, khí quyển cũng như đến các hoạt động và sinh lý của con người Ở Việt Nam, các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ mới chủ yếu được tiến 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 yếu tố quan trọng cần quan tâm trong nghiên 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 giả đã tổng quan những vấn đề cơ bản về trường địa từ dựa trên những quan điểm hiện đại và phân tích vai trò 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 tổng quan về những thành tựu nghiên cứu địa từ hiện nay trên thế giới, tác giả đã giới thiệu những kết quả khảo sát về trường địa từ ở Việt Nam từ khi mới bắt đầu cho đến nay

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

3 chương, từ chương I đến chương III 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 I 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 nhấn mạnh về tầm quan trọng của các chương trình hợp tác quốc tế trong nỗ lực nghiên cứu về trường địa từ trên toàn cầu

Chương II miêu tả mối quan hệ của trường địa từ với cấu trúc bên trong của Trái đất Đó là những vấn đề về cấu trúc phân lớp của Trái đất, biểu diễn giải tích trường địa từ, cùng với các đặc tính cơ

bản của trường địa từ như biến thiên thế kỷ, sự đảo cực từ, mối liên quan giữa trường địa từ và cấu 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 nguồn 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 thổ Việt Nam, quan trắc dòng điện xích đạo, đặc biệt làm sáng tỏ các đặc điểm biến thiên từ liên quan với dòng điện xích đạo

Chương V giới thiệu các khảo sát chi 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 gồm việc

đo các giá trị tuyệt đối tức thời của trường địa từ tại các điểm mốc

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

1997

Chương VI dành cho việc tìm hiểu về phương pháp cổ từ bao gồm các khái niệm về độ từ dư tự nhiên của đất đá, các phương pháp lấy mẫu cổ từ và phân tích trong phòng thí nghiệm, các phép thử thực địa, cũng như những khó khăn của phương pháp cổ từ khi tiến hành trên các mẫu paleozoi do sự tái nhiễm từ trong quá trình phát triển kiến tạo khu vực Dựa trên các kết quả phân tích cổ từ tiến hành trên các đá vôi Đềvôn ở Quảng Bình, có thể đề xuất về tuổi 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 cổ từ đới đứt gãy Sông Hồng đã góp phần phục hồi lịch sử phát triển kiến tạo địa chất ở Việt Nam

Chương VII giới thiệu các kết quả ứng dụng trường điạ từ tại Việt Nam, bao gồm áp dụng phương pháp từ tellua trong khảo sát nước ngầm ở đồng bằng Nam bộ, trong nghiên cứu cấu trúc sâu của đới đứt gãy Sông Hồng, ảnh hưởng của bão từ lên hệ thống truyền tải điện tại Việt Nam, về độ từ cảm và phương pháp MSEC trong xác định ranh giới địa tầng

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

cần thiết về một số tổ 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 thể tìm kiếm các tư liệu cho việc bắt đầu cũng như tiếp tục các công trình nghiên cứu của mình

Tác giả hy vọng rằng tính đa dạng của các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ được trình bày 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 về khoa học Trái đất, giúp độc giả định hướng các nghiên cứu của bản thân để góp phần phát triển ngành địa từ ở Việt Nam và trên thế giới

Chương I

TRƯỜNG ĐỊA TỪ

Trường địa từ được biết đến từ rất sớm Hiện nay tại bảo tàng các sáng chế cổ 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)

Hình 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 tất

cả các cuộc hành trình vòng quanh thế giới Tuy nhiên vào lúc đó người ta vẫn tin rằng la bàn luôn luôn chỉ đúng hướng bắc địa

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

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

lý Sự lệch giữa 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 để tìm ra một cách đi mới đến Ấn Độ và Trung Hoa Ông đã trang bị cho cả 3 chiến thuyền 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 6-7o, nếu đem so với việc định hướng bằng sao Bắc đẩu vào ban đêm Thuỷ thủ và sĩ quan trên tàu hoang mang đòi quay về Christophe Colomb phải trấn an họ bằng cách vặn lại kim la bàn Khi Colomb khám phá ra Châu Mỹ (nhưng lúc đó ông vẫn tin là thuộc đất Ấn 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) [11] Trong cuốn sách này lần đầu tiên W.Gilbert chỉ ra rằng về thực chất, Trái đất là một chiếc nam châm khổng lồ Ông đã đưa ra giả thuyết cho rằng Trái đất là một quả cầu 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 cầu 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])

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 dễ dàng nhất để nhận biết các đường sức này là rắc mạt sắt lên một tấm bìa giấy rồi sau đó đưa thanh nam châm cực mảnh dưới tấm 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 thấy của trường địa từ như trên H.1.4, nếu tưởng tượng rằng 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])

1.1 Các thành phần của trường địa từ

Trường dipole thể hiện gần đúng nhất trường từ thực của Trái đất hiện tại có trục dipole nằm nghiêng với trục địa lý một góc 11o5 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.1.5): 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 nằm ngang H của vectơ trường toàn phần F, góc I là góc giữa vectơ F và thành phần nằm ngang H D

và I được đo 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 xuống dưới

Tham số chỉ cường độ trường toàn phần F được miêu tả bởi thành phần nằm ngang (H), thành phần thẳng đứng (Z), thành phần bắc từ (X) hoặc đông từ (Y) của cường độ nằm ngang (H) Mặt phẳng thẳng đứng đi qua thành phần H được gọi là mặt phẳng kinh tuyến từ (địa phương) Các thành phần này được đo bằng đơn vị nanoTesla (1nT x 100.000 = 1Oe) Cường độ trường địa từ thay đổi 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 thể đo được (xem H.1.5) Người ta thường sử dụng 2 cách đo để xác định vectơ trường địa từ

Trong cách đo thứ nhất sẽ đo: T- giá 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.1.5) Trong cách đo thứ hai: sử dụng việc phân tách vectơ F ra các thành phần X, Y và Z - là thành phần bắc (X) và đông (Y) của thành phần nằm ngang H và thành phần thẳng đứng (Z) Z được coi là dương, nếu 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 Chúng có mối liên hệ với nhau theo các biểu thức

D

Z h−íng vµo

F - Cường độ toàn phần D- độ từ thiên

I - độ từ khuynh H- thành phần nằm ngang Z- thành phần thẳng đứng

hướng Bắc (địa lý)

hướng đông

hướng vào

tâm Trái đất

như vậy, một vị trớ nằm ở Bắc Băng Dương, cũn vị trớ thứ hai nằm ở Nam Băng Dương (H.1.6)

N (cực bắc địa lý) cực địa từ bắc

xích đạo địa lý 11.5O

Hỡnh 1.6 Mụ hỡnh dipole từ cú trục xuyờn tõm nghiờng

(nguồn tư liệu:NASA [27])

Do trục dipole nghiờng với trục địa lý một gúc 11o5, cho nờn cực bắc và cực nam địa lý khụng trựng với cực từ bắc và cực từ nam (H.1.6) Tại cực từ, kim nam chõm hướng vuụng gúc với mặt đất (gúc I= 90o), thành phần nằm ngang bằng 0 và la bàn khụng chỉ ra được hướng của vectơ trường địa từ (độ từ thiờn D khụng xỏc định)

mà nú chuyển động trong khoảng từ 10 đến hàng trăm km do ảnh hưởng của biến thiờn ngày đờm và bóo từ, và cuối cựng, vựng cực là

(I=90 o C

(I= -90 o C (I=0 o C

vùng rất khó đi tới bằng 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 Canađa 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 và khẳng định là cực từ bắc dịch chuyển về phía tây bắc với tốc độ khoảng 40 km/năm Trên H.1.7 là sự dịch 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:

Nguồn: Cục Địa chất Canađa [9]

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

từ (hay còn gọi là cực dipole từ đồng tâm) Vị trí của cực địa từ

được tính dựa theo phân tích trường địa từ theo mô hình IGRF đến hài bằng 3 (xem mục 2, chương II) Sử dụng mô hình IGRF và tính các vị trí đối xứng, nơi dipole cắt với mặt đất, cực địa từ bắc và cực địa từ nam được tính cho năm 2001 là: 81,0oN và 110,0oW& 64,6oS

và 138,3oE Những vị trí này thường được dùng để tính toạ độ địa từ (xem H 1.9)

Thường người ta xác định phương hướng bằng la bàn Khi biết được độ từ thiên (là góc giữa phương bắc địa lý với hình chiếu của trường địa từ trên mặt phẳng nằm ngang tại nơi khảo sát) sẽ cho phép ta hiệu chỉnh la bàn để 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 thể nhận thông tin từ trang Web sau:

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

Khi vào trang Web, người ta điền vị trí nơi khảo sát và sẽ nhận được giá trị độ từ thiên cho mục đích hiệu chỉnh

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 bàn cần được quay tự do

và định hướng theo từ trường Do đó cần lưu ý về sự khác nhautrong thiết kế giữa la bàn để sử dụng ở bắc bán cầu và ở nam báncầu Đó chính là ở vị trí của trọng vật “cân bằng” (balance), tức làtrọng lượng đặt vào đầu kim la bàn để giữ cho nó ở tại vị trí nằmngang và có thể quay tự do Tại bắc bán cầu, trường địa từ hướngvào bên trong Trái đất, nên kim la bàn có trọng vật gắn lên đầunam 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

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 thì I và Z có giá trị dương Tại phía nam xích đạo từ, khi đầu nam của kim la bàn chỉ xuống phía dưới mặt phẳng ngang, I và Z được đo có giá trị âm Khi ta dịch chuyển khỏi xích đạo từ thì I và Z sẽ tăng lên Vị 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

Hình 1.9 Hệ toạ độ địa từ (nguồn: Trung tâm số liệu Địa vật lý quốc gia Mỹ [ 28] )

1.4 Các nguồn gây 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 đất; Phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất gây nên bởi những dòng điện chạy trong tầng điện ly và từ quyển;

Phần trường gây nên bởi các dòng điện chạy trong vỏ Trái đất (thường là các dòng cảm ứng bởi trường biến thiên có nguồn gốc bên ngoài Trái đất);

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

dương;

Phần đóng góp của các nguồn này biến thiên theo thời gian bắt 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 rằng 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 mặt đất, vệ 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 miêu 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 đổi của nó cho từng thời kỳ 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 Hội Địa từ và Cao không quốc tế (IAGA) thông qua [15, 17, 23-24]

Mô 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

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 số năm trước khi xây dựng mô hình Do sự ước lượng về mức độ biến thiên của trường cũng biến đổi, 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

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

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

dương, trường địa từ tồn tại vào lúc đó đã được ghi lại trên đá khi chúng bị nguội đi dưới nhiệt độ 700oC Các mảng chuyển động chậm chạp đã tác động như một băng ghi âm 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 tuổi phóng xạ, có thể tái lập lịch sử của trường địa từ cho 160 triệu năm gần 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 cổ từ dọc theo vùng sống giữa đại dương Các số liệu cổ từ được khảo sát từ nhiều địa phương khác nhau, có tuổi địa chất khác nhau đều cho những bằng 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 bố 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)

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

đại địa từ cho 10 triệu năm gần đây ( nguồn tư liệu:USGS [40])

Hiện nay chúng ta ở trong giai đoạn mà momen lưỡng cực từ đang giảm đi, tuy nhiên, còn chưa thể khẳng 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 cổ 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 gần đây, nhịp điệu đảo cực thay đổi rất rõ rệt Những dấu vết đảo 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 dây xoắn (torsion magnetometer), từ kế cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance magnetometer), từ kế lõi bão hoà (saturable core magnetometer) hay từ kế fluxgate, từ kế cảm ứng (induction magnetometer) và 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 tại các đài, trạm địa từ của Việt Nam

2.1 Thiết bị đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I

Từ kế fluxgate DI-flux (H.1.12) là 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 Máy có độ phân giải đến 0,1 nT (ứng với khoảng 0,5" góc)

Nguyên tắc hoạt động của Kính kinh vĩ từ để đo độ từ thiên D

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

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

nằm tự do trong kinh tuyến từ và lại đọc 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 0,1' [5 ]

Hình 1.12

Từ kế fluxgate DI-flux đặt tại Đài địa từ Phú Thuỵ, Việt Nam (nguồn tư liệu: Viện Vật lý địa cầu Hà Nội)

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 đổi 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 xác đến 0,1'

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

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 2I+1 mức Zeeman đặc trưng bởi số lượng tử M, hình chiếu của I lên B, cách nhau bằng năng lượng EM+1 - EM = mB/I (m: momen từ của proton) Sự truyền năng lượng giữa các mức này được thực hiện

qua việc phát hoặc thu bức xạ điện từ với tần số ν = 1

2π mB hI = gB (h: hệ số Planck; g = hI m : tỷ số hồi chuyển từ (gyromagnetic), là một hằng số vật lý của proton, độc lập với các điều kiện bên ngoài) Tần số ν, 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 là 1 nT

Hình 1.13 Từ kế proton sử dụng tại đài địa từ Phú Thuỵ, Việt Nam

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

2.3 Các thiết bị ghi biến thiên trường địa từ

Mỗi đài, trạm địa từ đều được trang bị máy ghi liên tục trường địa từ để nghiên cứu sự biến 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

yếu tố được ghi phổ biến là D, H, Z Biến thiên ngày đêm của các thành phần này được ghi lại nhờ các bộ cảm biến (variometer) trên một băng giấy ảnh, gọi là giản đồ từ (magnetogram), qua một hệ thống quang học Để 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 xoắn, ở vị trí nằm ngang trong mặt phẳng kinh tuyến từ và quay theo sự biến thiên của mặt phẳng này Nam châm H được treo trên một sợi dây với độ xoắn khá đủ để có thể quay đi được một góc vuông mà vẫn nằm trong hướng Đông - Tây Khi trường H tăng, nam châm chuyển động về phía kinh tuyến làm tăng độ xoắn cho đến 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 nằm ở dưới trục một chút, sao cho khi có một sự tăng của Z 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 gắn cố định trên một chiếc trống ảnh quay hết một vòng trong một ngày đêm nhờ một hệ thống điều khiển cơ học Tốc độ dịch chuyển 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 biến Bộ phận điều khiển đóng vai trò điều khiển và đo độ nhậy của các bộ cảm biến

Giá trị vạch chia ε trên các giản đồ từ được xác định theo công thức

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

từ thiên D, giá trị ε được chuyển sang phút góc theo công thức

trong đóεnT D là giá trị vạch chia đo bằng nT, ε′D: giá trị vạch chia

đo bằng phút góc, sin1' = 2,9×10-4; H: giá trị tuyệt đối của thành phần nằm ngang tại nơi đặt máy ghi, đo bằng nT

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

độ rộng 12 cm, dài 52 cm Giá trị vạch chia cho năm 1958 đối với các thành phần H, Z, D tương ứng là εH = 3,33 nT/mm, εZ = 3,00 nT/mm, εD = 0,50 '/mm

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

(1982-20 cm (tùy theo từng loại trống ảnh) Thông thường giá trị vạch chia của các thành phần cường độ (H, Z) của các máy tự ghi MBC ở Việt Nam là từ 1 ÷ 2 nT/mm, của độ từ thiên D là từ 0,1 ÷ 0,3 '/mm

2.3.2 Máy ghi biến thiên từ hiện số Fluxgate (GEOMAG)

Máy ghi từ hiện số GEOMAG do Viện Vật lý Địa cầu Pari hợp tác với các hãng Thomson-Sintra ASM (một hãng về 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 dò của từ kế véc

tơ thuộc loại fluxgate, được cấu 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 nhau, 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 đổi ngược Một dòng điện xoay chiều tần số f chạy trong cuộn sơ cấp, có cường độ sao cho sự từ hoá của các lõi đạt 2 lần bão hoà cho mỗi chu kỳ (1 lần bão hoà theo một chiều, 1 lần bão hoà theo chiều ngược lại) Nếu thành phần của trường xung quanh dọc

theo trục của các cuộn dây bằng không, thông lượng cảm ứng chạy qua cuộn thứ cấp bằng không do tính chất 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

Hình 1.14 Máy GEOMAG để ghi biến thiên trường địa từ tại Đài địa từ Phú Thuỵ, Việt Nam (nguồn tư liệu: Viện Vật lý địa cầu Hà Nội)

Đầu dò bão hoà được đặt vào tâm của một vòng Helmholtz, với trục của đầu dò và trục của cuộn dây 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 i chạy qua tạo ra ở tâm một trường phụ Gi ngược với thành phần trường E, và cường độ dòng điện i 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 dòng điện i, từ đó suy ra biến thiên của thành phần trường E, vì 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

20.000 ÷ 120.000 nT cho từ kế vô hướng, có thể ghi mọi giá trị của trường địa từ cũng như biến thiên của nó theo thời gian Máy có thể

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 đổi của nó theo thời gian

3.1 Quan trắc sự phân bố 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 Trái đất và được gọi là đo vẽ bản đồ từ Phụ thuộc vào nơi tiến hành đo

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

đo từ hàng không và đo từ trên vệ tinh 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 tiến hành ngay từ khi Christophe Colomb [10, 12, 15, 21-22, 27, 29, 33-35] phát hiện ra độ từ thiên 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 dụng 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 đo vẽ bản đồ từ được tiến hành tại hầu khắp các nước trên thế giới Tuy nhiên để tìm ra quy luật về sự phân bố không gian của các yếu tố trường địa từ và xây dựng các cơ sở lý thuyết của trường địa từ, thì không thể chỉ hạn chế việc quan sát các yếu tố trường địa từ tại một lãnh thổ 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

Uỷ ban này nhằm thu thập số liệu về bản đồ từ tại mỗi quốc gia, sau

đó dùng kết quả phân tích biến thiên thế kỷ và phép nội suy để nối

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

3.1.2 Đo từ trên biển

Biển và đại dương chiếm khoảng 5/6 diện tích bề mặt của Trái đất Vì vậy khoa học về trường địa từ sẽ mất ý nghĩa, 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 đầu tiên tại Đại tây Dương và Ấn Độ Dương [1, 22] Năm 1757 danh mục về độ từ thiên cho Đại tây Dương và Ấn Độ Dương dựa theo các kết quả đo tại 50.000 vị trí, các vị trí cách đều nhau 5 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 bằng la bàn

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

đã được Viện Carnegi (Mỹ) tiến 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 bằng gỗ, có trọng tải 600 tấn Để cách ly các thiết bị đo từ với khối lượng sắt thép trên tàu ra xa khoảng 6-9m, 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 biển Thái Bình dương Vào năm 1909 họ lại cho thiết kế một con tàu mới Carnegi [2, 21-22, 33-34] Tàu này đã tiến hành đo tại Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn 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 phần nằm ngang, đồng thời các kết quả đo lặp cho thấy hiểu biết về biến thiên thế kỷ trên biển của chúng ta còn rất hạn chế

Tại Liên xô đã thiết kế tàu buồm phi từ “Rạng Đông” hoạt động

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

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, Đại Tây

Dương và Ấn Độ Dương đã cho phép:

• Xây dựng được bản đồ đường đồng mức cho Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương, dựa trên các kết quả đo trực tiếp Khi sử dụng những số 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 đồ từ hiện đại [22]

• Xác định được những vùng từ trường dị thường và những vùng

từ trường yên tĩnh Trên cơ sở việc xác định độ sâu của các nguồn gây biến thiên, những khảo sát thống kê tiếp tục sẽ cho phép xây dựng được bức tranh phân bố móng kết tinh 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 đồ này được sử dụng để xác định các dị thường từ trong vỏ Trái đất phục vụ cho việc thăm dò chi tiết bằng các phương pháp địa vật lý khác Việc đo

từ hàng không được tiến hành bởi từ kế prôton với phần sensor được đặt ở đuôi máy bay, hoặc đưa ra ngoài, đặt nằm dưới cánh máy bay Việc đo thường được tiến 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 thể hiện qua các dị 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 dầy 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, kể từ khi xuất hiện các từ kế đo 3 thành phần [16, 21, 33] Lợi thế quan trọng và rõ rệt nhất của việc đo từ hàng không là một số lượng lớn phép đo được thu thập nhanh và phủ được một vùng rộng lớn trong một thời gian ngắn, 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 phần trên đại dương, khoảng cách các tuyến là 400-500 km,

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

bố từ trường bình thường của Trái đất, tức là loại bỏ được phần 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 biển nói trên để xây dựng bản đồ từ thế giới cho các niên đại 1960- 1965 Theo các bản đồ này đã phát hiện các dị 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 Canađa, tại Nhật Bản

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

lý thăm dò để xác định vị trí của khoáng sản gần mặt đất

Tại Việt Nam, bản đồ trường từ hàng không T1990 (phần đất liền)

do Liên đoàn Vật lý địa chất tién hành trong các năm 1993-1995

[31] Bản đồ được thành lập trên cơ sở sử dụng và liên kết các tài

liệu sau:

• Bản đồ dị thường từ hàng không ΔTa miền bắc Việt Nam tỷ lệ 1:200.000 là kết quả khảo sát từ hàng không tỷ lệ 1:200.000 trên diện tích 110.400 km2 (từ Hà Giang đến Quảng Bình, trừ dãy núi Hoàng Liên Sơn) được tiến hành trong các năm 1961-1963

• Bản đồ trường từ hàng không T1985 miền Nam Việt Nam tỷ lệ 1:200.000 là kết quả của khảo sát từ hàng khôngtỷ lệ 1:200.000 trên diện tích 155.600 km2 từ Huế đến mũi Cà Mau, trừ dải dọc biên giới ở phía tây Quảng Nam đến Kon Tum và khu vực phía bắc Kon Plông, được tiến hành trong các năm 1984-1991

• Bản đồ dị thường từ hàng không ΔT vùng Bình Trị Thiên là kết quả khảo sát từ hàng không tỷ lệ 1:100.000 (vùng đồng bằng ven biển) và tỷ lệ 1:500.000 (vùng núi phía tây) trên diện tích 10.000

km2 từ Đồng Hới đến Vụng Cầu Hai, được tiến hành trong hai năm 1977, 1980

• Mạng lưới tựa từ hàng không Việt Nam là kết quả khảo sát từ hàng không trên hệ thống các tuyến nối tiếp nhau, kéo dài từ bắc vào nam, phủ phần đất liền của lãnh thổ Việt Nam, được tiến hành trong hai năm 1985-1986 với độ cao bay là 1.000÷2.000m

• Các bản đồ trường địa từ chuẩn quốc tế IGRF của các năm từ

1960 đến 1990

Trên cơ sở của bản đồ từ hàng không T1990, các tác giả đã xây