Các phương pháp điều tra Địa chất thủy văn (Điều tra đánh giá nước dưới đất - Hydrogeological Investigation)

Tổng quan các phương pháp điều tra đánh giá nước dưới đất Mặc dù nước dưới đất không thể quan sát trực tiếp trên bề mặt đất nhưng lại có rất nhiều phương pháp có thể cung cấp các thông

1429

Các phương pháp điều tra Địa chất thủy văn

(Điều tra đánh giá nước dưới đất - Hydrogeological Investigation) Đoàn Văn Cánh

Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội

1 Tổng quan các phương pháp điều tra đánh giá nước dưới đất

Mặc dù nước dưới đất không thể quan sát trực tiếp trên bề mặt đất nhưng lại có rất nhiều phương pháp có thể cung cấp các thông tin về sự tồn tại của nó trong những điều kiện nhất định,

thậm chí có thể cung cấp cả những thông tin về chất lượng của nước dưới đất từ những vị trí trên

mặt đất hay từ không gian Các phương pháp điều tra, khảo sát trên mặt nước dưới đất rất ít khi

thành công bởi các kết quả thu được thường đưa ra một bức tranh không hoàn chỉnh về địa chất

thủy văn Tuy nhiên, các phương pháp này lại thường kinh tế hơn nhiều so với các phương pháp

khảo sát bên dưới mặt đất Các phương pháp địa chất đưa ra những nhận định quan trọng ban

đầu cho mọi phương pháp khảo sát nước dưới đất khác, bao gồm phân tích các tài liệu địa chất

và khảo sát ngoài thực địa Phương pháp viễn thám, nghĩa là phương pháp điều tra từ máy bay

hay và vệ tinh đã đang trở thành một công cụ hữu hiệu cho nghiên cứu nước dưới đất Cuối

cùng, các phương pháp địa vật lý mà đặc biệt là phương pháp điện và phương pháp địa chấn đã

cung cấp cho ta những thông tin gián tiếp về nước dưới đất Do vậy, các thông số địa chất thủy

văn phải được suy luận, giải đoán ra từ các tài liệu khảo sát trên bề mặt Tuy nhiên, trong khi

nghiên cứu cần phải kết hợp với tài liệu khảo sát dưới mặt đất để đánh giá độ hợp lý của các tài

liệu thu được từ các phương pháp bề mặt

2 Các phương pháp điều tra đánh giá nước dưới đất

2.1 Các phương pháp Địa chất

Các nghiên cứu địa chất có khả năng đánh giá tiềm năng nước dưới đất cho một vùng rộng lớn một cách nhanh chóng và kinh tế Một khảo sát địa chất được bắt đầu bằng việc thu thập,

phân tích và minh giải về điều kiện địa chất thuỷ văn từ các bản đồ địa hình, ảnh viễn thám, bản

đồ địa chất, tài liệu địa vật lý lỗ khoan và các tài liệu liên quan khác Ngoài các tài liệu thu thập

được, nếu có thể cũng cần tiến hành khảo sát thực địa để đánh giá mức độ tin cậy của các tài

liệu thu thập được thông qua việc nghiên cứu các dòng chảy trên mặt, lưu lượng khai thác của lỗ

khoan, nguồn cấp và thoát của nước dưới đất, mực nước và chất lượng nước

Những hiểu biết về sự lắng đọng và xói mòn trong một khu vực có thể cho ta biết được quy

mô của các thành tạo chứa nước Thông tin về các loại đá sẽ cho ta thông tin về mức độ chứa

nước có thể phù hợp cho việc cung cấp nước cho hộ gia đình chứ không phù hợp cho quy mô

công nghiệp hoặc cho một thành phố Địa tầng và lịch sử địa chất của một vùng có thể cho ta

biết về các tầng chứa nước ở bên dưới, tính liên tục và mối liên hệ giữa các tầng chứa nước với

nhau Thành phần vật chất, chiều dày các tầng chắn bên trên, thế nằm của các thành tạo chứa

nước sẽ giúp ta tính toán được độ sâu lỗ khoan Tương tự, từ dấu hiệu các tầng chứa nước có áp

có thể phán đoán được chiều sâu đặt máy bơm Các dạng địa hình có thể hé lộ cho ta thông tin

các thành tạo bở rời đóng vai trò như những tầng chứa nước gần mặt đất, như các bậc thềm và

các đụn cát Các đứt gãy có thể hình thành nên các dòng chảy mặt như sông, suối và việc đo vẽ

bản đồ các đứt gãy này thường sử dụng các vết tích còn để lại trên bề mặt trái đất

2.2 Phương pháp viễn thám

Các hình ảnh về trái đất thu được từ máy bay hay vệ tinh ở những bước sóng điện từ khác nhau có thể cung cấp cho ta những thông tin hữu ích liên quan đến điều kiện tồn tại của nước dưới đất Công nghệ viễn thám đã và đang phát triển nhanh chóng những năm gần đây trong khi việc ứng dụng của nó trong nghiên cứu tài nguyên nước vẫn còn đang được nghiên cứu và khám phá Hơn nữa, việc sẵn có các bức ảnh này ở các hãng tư nhân và các cơ quan nhà nước đã làm thúc đẩy việc ứng dụng chúng

Nghiên cứu các bức ảnh máy bay đen trắng ba chiều có thể thu được những thông tin quan trọng Các cấu trúc địa chất, màu sắc và địa hình quan sát được có thể phân biệt được sự khác nhau về điều kiện địa chất, các loại đất, độ ẩm của đất, thảm thực vật và hiện trạng sử dụng đất

Do đó các bức ảnh về địa chất có thể phân biệt được giữa các loại đá với các loại đất cho ta biết được tính thấm và diện phân bố của chúng, từ đó xác định được diện tích của các nguồn cấp và nguồn thoát của nước dưới đất Các bản đồ phân vùng khả năng cung cấp nước dưới đất thành khu vực cung cấp nước tốt, trung bình và kém có thể được thành lập Bảng 1 tóm tắt vai trò của ảnh viễn thám trong việc trợ giúp công tác minh giải điều kiện địa chất thuỷ văn

Các bức ảnh từ không gian cũng có thể chỉ ra các khe nứt Các khe nứt này có thể liên quan đến độ rỗng, tính thấm và cuối cùng là lưu lượng của lỗ khoan Vị trí các con suối và các khu vực đầm lầy chỉ ra rằng ở những nơi đó mực nước dưới đất nằm tương đối nông Việc nghiên cứu về thuỷ thực vật từ ảnh viễn thám có thể rất hữu ích Các thực vật ưa nước sẽ giúp ích cho việc xác định độ sâu của mực nước dưới đất do chúng có thể hút nước từ mực nước dưới đất ở

độ sâu không lớn Hình 1 cho thấy sự phân bố của thảm thực vật ở một nón phóng vật Những thực vật ưa mặn lại giúp ta xác định được sự có mặt các tầng nước dưới đất lợ hoặc mặn phân

bố nông Còn các thực vật chịu hạn tốt như các thực vật sống ở sa mạc có thể giúp ta xác định được độ sâu của mực nước dưới đất ở đây tương đối sâu

Ngoài ra, nghiên cứu các phổ điện từ cũng giữ một vai trò quan trọng trong hệ thống phương pháp ảnh ứng dụng trong khảo sát và nghiên cứu địa chất thuỷ văn Phương pháp ảnh hồng ngoại là phương pháp ghi lại sự khác biệt về nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt trái đất Phương pháp này có thể cho ta thông tin về độ ẩm của đất, sự vận động của nước dưới đất, và các đứt gãy đóng vai trò như là

những tầng cách nước yếu Một trong

những kết quả thú vị nhất của phương pháp

ảnh hồng ngoại là đã thành lập được bản đồ

của các dòng chảy nước nóng và nước lạnh

dưới đất ở khu vực ven biển, ở những diện

tích phân bố đá bazan hoặc đá vôi Hình 2

cho thấy những dòng thoát của nước dưới

đất có nhiệt độ thấp hơn nước biển đã lộ ra

xung quanh vùng đảo Hawaii Ảnh rada có

thể cung cấp cho ta thông tin về độ ẩm trên

bề mặt hoặc ở những vị trí nông dưới mặt

đất Cuối cùng, những khảo sát điện từ tần

thấp đã cho ta thấy vị trí các dòng mặt bị

chôn vùi và những vùng bị xâm nhập mặn

Hình 1 Dấu tích trên không ảnh của dải thực vật ưa nước

dọc theo chân của nón phóng vật ở vùng sa mạc Đây có thể là nguồn cấp nước dưới đất rất lớn (Theo Mann)

1431

Bảng 1 Các thông tin về đặc tính bề mặt từ ảnh không gian trợ giúp đánh giá các điều kiện địa chẩt thuỷ văn

(Theo Heath và Trainer- Giới thiệu về thuỷ văn nước dưới đất, John Wiley, New York, 1968 và Mollard)

* Địa hình

+ Đánh giá điều kiện địa hình toàn vùng

+ Đánh giá điều kiện địa hình khu vực

* Thực vật ưa nước

+ Các thành tạo địa chất thấm nước tương đối

+ Các thềm aluvi trẻ và đồng bằng cửa sông

+ Các trầm tích vũng vịnh

+ Trầm tích băng hà và các châu thổ băng hà

+ Các gò đồi bằng phẳng và các gò đồi tạo bởi các mảnh vụn đá núi lửa

+ Các phức hệ gò đồi ngoằn ngoèo

+ Các nón phóng vật

+ Các đụn cát ven biển

+ Các thung lũng bị lấp đầy một phần bởi các vật liệu bồi tụ được trải dài gần những miền sụt lún

+ Các thung lũng đá gốc ẩn rộng lớn xuyên cắt qua các thung lũng hiện đại được xác định bởi sự

ổn định khu vực của những tầng đá phiến yếu ở các rìa thung lũng

+ Các thung lũng bị lấp đầy do các vật liệu bồi tụ ở những bậc thềm lộ đá gốc rộng lớn

+ Các đụn cát được giả định nằm trên các trầm tích cát nguồn gốc sông và băng hà

* Các hồ, suối

+ Mật độ dòng chảy của hệ thống sông suối

+ Sự cộng dòng hoặc phân tán dòng chảy

+ Vị trí gần các hồ tạm thời và hồ có nước quanh năm (ví dụ như các hồ ở những khu vực bị rửa

trôi, các hồ bị nhiễm mặn kéo dài trong các hệ thống dòng chảy ngừng hoạt động)

+ Các con sông có nước quanh năm

+ Các dòng chảy tạm thời

* Sự suy giảm về độ ẩm

+ Sự suy giảm về độ ẩm, các môi trường đầm lầy và sự thấm rỉ (phần lớn phụ thuộc vào sự minh

giải các hiện tượng liên quan)

+ Chuỗi các khu vực bằng phẳng hoặc các hồ bị nhiễm mặn (các hồ tạm thời, các hồ bị nhiễm mặn) phân bố dọc theo các hệ thống thoát nước ngừng hoạt động

+ Sự lắng đọng muối, như các mảng bất thường ở trong đất và thực vật liên quan đến sự chuyển

hóa và tích tụ muối

* Các mạch nước (Suy luận từ không ảnh)

+ Các mạch nước hình thành do quá trình sụt lún (ở những nơi mà mặt đất cắt xuyên qua mực

nước dưới đất hoặc phía trên đới bão hoà)

+ Các mạch nước tiếp xúc ( các tầng chứa nước nằm trên các tầng tương đối không thấm nước - thường phân bố dọc theo các sườn thung lũng cắt ngang qua ranh giới giữa các địa tầng khác nhau)

+ Các mạch nước actezi lộ ra trên mặt đất hoặc gần bề mặt các sườn đồi, vách thung lũng và các nơi bị dập vỡ khu vực

* Các điểm nước nhân tạo

+ Lỗ khoan

+ Giếng đào

+ Các bồn chứa

+ Các kênh đào

2.3 Phương pháp Địa vật lý

2.3.1 Phương pháp Địa vật lý trên mặt Thăm dò địa vật lý là phương pháp đo đạc các đặc tính vật lý của vỏ trái đất trong nghiên cứu thăm dò các mỏ khoáng sản hoặc các cấu trúc địa chất Việc phát hiện được mỏ dầu bằng các phương pháp địa vật lý vào năm 1926, áp lực về kinh tế cho việc tìm ra các mỏ dầu khí và

mỏ khoáng sản đã thúc đẩy việc phát triển và cải thiện rất nhiều phương pháp và thiết bị địa vật

lý Áp dụng các phương pháp địa vật lý trong nghiên cứu nước dưới đất vẫn còn chậm là bởi vì lợi nhuận thu được từ dầu khí cao hơn rất nhiều so với nước Tuy nhiên trong những năm gần đây, sự cải tiến các kỹ thuật địa vật lý cũng như thấy được ích lợi của việc ứng dụng các phương pháp địa vật lý trong nghiên cứu nước dưới đất đã làm thay đổi tình thế Hiện tại, rất nhiều các

tổ chức nghiên cứu về nước dưới đất đã sử dụng các phương pháp địa vật lý Các phương pháp này thường không chính xác hoặc rất khó minh giải do đó chúng chỉ thực sự hữu dụng khi sử dụng kết hợp với các phương pháp khảo sát trực tiếp khác

Các phương pháp địa vật lý phát hiện ra sự khác biệt hay những dị thường của các đặc tính địa vật lý của vỏ trái đất Tỷ trọng, từ tính, tính đàn hồi và điện trở suất của đất đá là những đặc tính thường được xác định Các đặc tính này sẽ được trình bày chi tiết ở các phần sau Kinh nghiệm nghiên cứu đã giúp các nhà khoa học minh giải được các cấu trúc địa chất, loại đá, độ lỗ hổng, mức độ chứa nước và chất lượng nước thông qua các đặc tính địa vật lý

Phương pháp điện trở suất

Điện trở của đất đá được xác định khi ta đo được cường độ dòng điện truyền qua chúng hoặc được xác định bằng điện trở suất giữa 2 mặt đối diện của một hình khối đơn vị đất đá cần xác định Nếu điện trở của khối đất đá là R có diện tích bề mặt A và độ dài là L thì điện trở suất được xác định như sau:

 = L

RA

Các giá trị điện trở suất thay đổi tuỳ thuộc vào từng loại đất đá, tỷ trọng, độ lỗ hổng, kích thước và hình dạng lỗ hổng, độ bão hoà nước, chất lượng nước và nhiệt độ Không có một giá trị điện trở suất cụ thể nào cho các loại đá khác nhau Điện trở suất của các đá magma và biến chất dao động từ 102

- 108 m Điện trở suất của các đá trầm tích và các thành tạo bở rời dao động

từ 100-104m Hình 2 đưa ra một số khoảng biến đổi của điện trở suất cho các loại đất đá khác nhau Đối với những đá có độ lỗ hổng lớn thì điện trở suất của nước chứa trong lỗ hổng đó lại có vai trò quan trọng hơn so với điện trở suất của khung đất đá Đối với các thành tạo bở rời, điện trở suất giảm khi độ bão hoà và độ muối của nước chứa trong đó tăng và ngược lại Các khoáng vật sét lại cho dòng điện truyền qua mạng tinh thể của chúng, nên chúng thường có điện trở suất thấp hơn so với đất đá bở rời khác

Hình 2 Khoảng điện trở suất cho các loại trầm tích và đá khác nhau

Các giá trị được giả thiết cho trường hợp của nước dưới đất là nước nhạt Trường hợp là nước mặn thì giá trị điện trở suất của chúng sẽ được tịnh tiến một mức về phía trái (Theo Amer )

1433

Điện trở suất thực được xác định từ điện trở suất biểu kiến Điện trở suất biểu kiến

được tính toán từ kết quả đo cường độ dòng

điện và hiệu điện thế giữa 2 điện cực đặt trên

mặt đất Quy trình này bao gồm cả việc đo

hiệu điện thế giữa 2 điện cực (điện cực P-

hình 3) sinh ra do sử dụng dòng điện giữa 2

điện cực khác đặt ở bên ngoài và thẳng hàng

với 2 điện cực P (điện cực C- hình 3) Nếu

điện trở suất của đất đá bên dưới các điện cực

là đồng nhất thì một mạng lưới các đường

đẳng thế và dòng điện được hình thành như

hình 3.4 Hiệu điện thế đo được là một giá trị

hiệu điện thế của một vùng gần mặt đất được

quyết định bởi hình dạng của mạng lưới này

Do đó, đo được dòng điện và hiệu điện thế sẽ xác định được điện trở suất biểu kiến ở những độ sâu khác nhau Nếu khoảng cách giữa các điện cực tăng thì trường điện cũng sẽ tiếp cận đến độ sâu lớn hơn và do đó sẽ thu được những giá trị điện trở suất biểu kiến ở các độ sâu lớn hơn Nói chung, điện trở suất bề mặt thực tế thay đổi theo độ sâu, do đó điện trở suất biểu kiến sẽ thay đổi khi khoảng cách giữa các điện cực tăng Tuy nhiên, sự thay đổi điện trở suất ở những độ sâu lớn không hoàn toàn giống nhau bởi vì sự thay đổi của điện trở suất ở những vị trí sâu có ảnh hưởng không lớn đến điện trở suất biểu kiến so với ở các độ sâu nông hơn nên phương pháp này

sẽ không thực sự hiệu quả cho việc xác định điện trở suất thực tế ở những độ sâu lớn hơn vài trăm mét

Các điện cực bao gồm nhiều cọc kim loại được đóng xuống mặt đất Trên thực tế, có rất nhiều khoảng cách tiêu chuẩn giữa các điện cực được sử dụng và phổ biến nhất là cách sắp xếp các điện cực theo cách của Wenner và Schlumberger

Theo cách của Wenner (hình 4), các cực đo thế (potential electrode) được đặt ở khoảng cách 1/3 giữa các điện cực nguồn (current electrode) Điện trở suất biểu kiến được xác định theo công thức sau:

I

V a

ở đây a là khoảng cách giữa 2 điện cực kề nhau, V là hiệu điện thế giữa các điện cực đo thế, I là dòng điện được sử dụng

Theo cách của Schlumberger (Hình 5b), các cực đo được bố trí ở các vị trí gần nhau Điện trở suất biểu kiến được xác định như sau:

a

 =

I

V b

b

L/2)2 ( /2)2

ở đây: L là khoảng cách giữa các điện cực nguồn, b là khoảng cách giữa các điện cực đo

thế

Theo lý thuyết thì L>b, nhưng trong thực tế, để thu được kết quả tốt người ta thường sử dụng L 5b

Hình 3 Mạch điện xác định điện trở suất và trường điện cho

trường hợp địa tầng đồng nhất

Hình 4 Các kiểu bố trí điện cực thông dụng để xác định điện trở suất, (a) Wenner (b) Schlumberger

Khi biểu diễn mối liên quan giữa điện trở suất biểu kiến và khoảng cách giữa các điện cực

(a đối với phương pháp Wenner và L/2 đối với phương pháp của Schlumberger) cho các khoảng

cách khác nhau tại một vị trí ta có thể thu được một đường cong đi qua các điểm này.Việc minh giải mỗi đường cong biểu diễn quan hệ giữa điện trở suất và khoảng cách đo thường rất phức tạp

và là một vấn đề khó Để giải quyết vấn đề này có 2 cách Cách (1) giả thiết có rất nhiều lớp điện trở suất thực tế (phân biệt với điện trở suất biểu kiến) và các độ sâu tương ứng Cách (2) minh giải điện trở suất thực tế theo điều kiện địa chất và nước dưới đất ở bên dưới mặt đất Trường hợp thứ nhất, có thể giải quyết bài toán này bằng cách tính toán đường cong liên hệ cho trường hợp 2 lớp, 3 lớp và 4 lớp với các tỷ lệ điện trở suất khác nhau Tài liệu về các đường cong và sự lý giải cho kỹ thuật khớp các đường cong theo mô hình của Wenner và Schlumberger đã được công bố Trường hợp thứ 2 phụ thuộc vào các tài liệu bổ sung So sánh

sự thay đổi của điện trở suất thực theo độ sâu với tài liệu thu được từ các lỗ khoan gần kề có thể đưa đến một mối liên hệ giữa điều kiện địa chất và nước dưới đất trong khu vực nghiên cứu Thông tin này có thể được áp dụng để minh giải cho công tác đo giá trị điện trở suất ở các vùng xung quanh

Tại một vị trí nhất định, bằng việc thay đổi khoảng cách giữa các điện cực ta có thể thu được kết quả điện trở suất ở các độ sâu khác nhau Thông thường, người ta thường tiến hành thiết lập các mặt cắt ngang của điện trở suất biểu kiến hay các bản đồ điện trở suất biểu kiến của một vùng bằng cách cho khoảng cách giữa các điện cực không đổi

Trong số tất cả các phương pháp địa vật lý bề mặt thì phương pháp điện trở suất được áp dụng rộng rãi nhất trong điều tra nước dưới đất Với các thiết bị gọn nhẹ, đơn giản và dễ dàng vận hành, phương pháp này thường được sử dụng để trợ giúp cho công tác khoan đào thí nghiệm Nó còn đặc biệt thích hợp cho việc định vị đường ranh giới xâm nhập mặn dưới mặt đất, bởi vì khi có sự xâm nhập mặn sẽ có sự xuất hiện sự giảm điện trở suất trên đường cong liên

hệ giữa điện trở suất và khoảng cách giữa các điện cực Trong những điều kiện tương đối đồng nhất thì phương pháp này còn được sử dụng để xác định mực nước dưới đất, đó là mặt phía trên của một lớp dẫn điện tương đối

Ở Việt Nam phương pháp thăm dò điện được áp dụng rất rộng rãi trong tìm kiếm nước dưới đất các vùng ven biển và hải đảo và cho kết quả rất khả quan Nhờ phương pháp đo sâu điện và mặt cắt điện, các nhà địa chất thủy văn đã tìm ra được những thấu kính nước nhạt trên đảo Bạch Long Vĩ, Cồn Cỏ, Những đới chứa nước trong các thành tạo biến chất Proterozoi ở vùng Sơn Tây Cũng bằng các phương pháp địa vật lý điện ngưới ta đã khoanh định được các thấu kính nước nhạt ven biển Bắc Bộ, Trung Bộ và Nam Bộ Đặc biệt phương pháp địa vật lý điện được

1435

sử dụng rất thành công trong việc điều tra phát hiện các đới nứt nẻ chứa nước trong các thành tạo lục nguyên, Bazan và cacbonat nhiều vùng lãnh thổ Việt Nam

Một ứng dụng quan trọng mới của phương pháp điện trở suất là xác định diện tích ô nhiễm của nước dưới đất Các nghiên cứu về sự nhiễm bẩn từ các bãi thải, khu vực chứa nước thải và các kênh thoát nước bị acid hoá từ các mỏ khai thác đã lý giải tính khả thi của phương pháp này

Phương pháp địa chấn khúc xạ

Phương pháp khúc xạ sóng địa chấn bao gồm việc tạo ra các chấn động nhỏ trên bề mặt đất,

có thể bằng cách đập hoặc một ngòi nổ nhỏ, và việc đo thời gian cần thiết để những rung động hay những chấn động, sóng truyền đi ở những khoảng cách cho trước Các sóng địa chấn tuân theo định luật tương tự với sự truyền của ánh sáng do đó nó có thể phản xạ, khúc xạ tại bất kỳ bề mặt nào dẫn đến sự thay đổi vận tốc lan truyền Phương pháp địa chấn phản xạ cung cấp cho ta thông tin về cấu trúc địa chất ở độ sâu hàng nghìn mét dưới mặt đất, trong khi phương pháp địa chấn khúc xạ (được quan tâm trong nghiên cứu nước dưới đất) chỉ thu được thông tin ở độ sâu khoảng 100m Thời gian lan truyền của sóng địa chấn phụ thuộc vào khoảng không gian trung gian mà nó truyền qua Tốc độ lan truyền đạt giá trị lớn nhất khi nó truyền qua đá magma và đạt giá trị thấp nhất khi nó truyền qua các vật liệu bở rời

Các giá trị tốc độ lan truyền sóng địa chấn đặc trưng được nêu lên ở trong bảng 2 có thể được sử dụng để xác định bản chất của trầm tích aluvi và đá gốc Đối với các vật liệu trầm tích aluvi bở rời hạt thô thì tốc độ lan truyền sóng địa chấn tăng đáng kể từ đới không bão hoà đến đới bão hoà, do đó có thể lập được bản đồ về độ sâu của mực nước dưới đất với độ chính xác khoảng 10% cho những khu vực điều kiện địa chất tương đối đồng nhất Sự thay đổi về tốc độ lan truyền của sóng địa chấn được khống chế bởi sự thay đổi về tính chất đàn hồi của vật liệu, đất đá Nếu tính đàn hồi của vật liệu càng khác nhau thì việc xác định các thành tạo và ranh giới

Bảng 2 Tốc độ truyền sóng địa chấn của các loại trầm tích và đá khác nhau (a) đất đá không bão hoà;

(b) đất đá bão hòa (Theo Amer )

Đất đá Vận tốc sóng P

(m/s)

Vận tốc sóng S (m/s)

Tỷ trọng của đá (g/cm3)

Tỷ trọng của khoáng vật thành phần (g/cm3)

Cát khô 400-1200 100-500 1.5-1.7 2.65 quartz Cát ướt 1500-2000 400-600 1.9-2.1 2.65 quartz Phiến ngậm nước

Phiến ngậm nước

Cát kết chứa nước 2000-3500 800-1800 21.-2.4 2.65 quartz

Đá vôi 3500-6000 2000-3300 2.4-2.7 2.71 calcite

Đá phấn 2300-2600 1100-1300 1.8-3.1 2.71 calcite Muối 4500-5500 2500-3100 2.1-2.3 2.1 halite

Dilomit 3500-6500 1900-3600 2.5-2.9 (Ca, Mg)

CO 3 2.8-2.9

của chúng càng rõ ràng hơn Đối với đá trầm tích, kiến trúc và lịch sử địa chất đóng vai trò quan trọng hơn là thành phần khoáng vật Lỗ hổng, khe nứt có xu hướng làm giảm tốc độ sóng địa chấn nhưng hàm lượng nước trong đó lại làm tốc độ này tăng lên

Đối với những thành tạo gắn kết với sự phân bố đồng đều lỗ hổng ví như đá cát kết thì tốc

độ lan truyền của sóng địa chấn và độ lỗ hổng có mối liên hệ như sau :

v

1

=

S

v



 1

(4)

ở đây : v là tốc độ lan truyền của sóng địa chấn đo được, v L là tốc độ trong chất lỏng bão

hoà khối đá, v s là tốc độ trong bản thân cấu trúc của khối đá,  là độ lỗ hổng của khối đá Một sóng dạng hình cầu mở rộng ra phía ngoài từ điểm sinh chấn (Hình 3.9a) Sóng này lan truyền với tốc độ được khống chế bởi các vật liệu mà bản thân nó truyền qua Giả thiết rằng một vật liệu bở rời đồng nhất có mực nước dưới đất Khi sóng truyền tới mực nước dưới đất nó sẽ lan truyền dọc theo bề mặt này Khi nó lan truyền, một chuỗi các sóng cũng được truyền ngược trở lại đới thông khí Các vị trí của mặt sóng được vẽ trong khoảng thời gian vài mili giây (Hình

3.9 a) đã cho thấy sự khúc xạ này Tại bất kỳ vị trí nào trên bề mặt sóng, sóng đầu tiên sẽ tới có

thể trực tiếp từ nguồn phát hoặc có thể do sóng khúc xạ Bằng việc xác định khoảng thời gian của sóng tới đầu tiên ở những khoảng cách khác nhau từ nguồn phát ta có thể vẽ được đồ thị liên

hệ thời gian - khoảng cách Trường hợp 2 lớp thẳng đứng, độ sâu H tới mực nước dưới đất có

thể tính toán từ tốc độ 1 và 2 và khoảng cách s tới vị trí giao nhau trên đồ thị được thể hiện

trên Hình 3.9b

Các phương trình tính toán như sau:

H=

2

s

1 2

1 2

v v

v v





s là khoảng cách từ nguồn phát đến điểm mà tại đó sóng trực tiếp và sóng khúc xạ cùng tới

đồng thời

Để xác định độ sâu H cho các lớp bên dưới có thể sử dụng phương trình:

H=

2

i

T

2 1 2 2

2 1

v v

v v

ở đây, Ti là thời gian bị chặn, được xác định bởi chiếu đoạn thẳng thứ hai (2=2000m) vào trục thời gian

Đối với trường hợp có nhiều lớp, vấn đề có thể được giải quyết một cách tương tự với sự trợ giúp của nomographs Sự khác nhau về độ cao tuyệt đối, các cấu trúc dốc, các đứt gãy và sự thay đổi của các ranh giới ngăn cách đòi hỏi phải có những phương pháp phân tích đặc biệt Các quy trình sử lý trên máy tính được trình bày trong các sách về địa vật lý

Địa chấn khúc xạ cho trường hợp ba lớp với 1< 2< 3, chiều dày của lớp thứ nhất H 1 được

tính toán bằng cách sử dụng phương trình 5 hoặc 6 chiều dày của lớp thứ hai H 2 được tính toán

theo phương trình (7)

H

2=

2

1

















1 3

2 1 2 3 1

2

v v H











 2 2 2 3

3 2

v v

v v

1437

Quy trình cho việc khảo sát thực tế phương pháp địa chấn khúc xạ đã được đơn giản hoá bằng sự trợ giúp của các công cụ gọn nhẹ và hiệu quả Một lượng thuốc nổ nhỏ được đặt trong một lỗ khoan tay ở độ sâu 1m, sau đó lấp kín lỗ khoan này lại Các địa chấn kế, hay còn gọi là máy dò âm thanh dưới mặt đất được đặt trên cùng một đường thẳng với nguồn phát và cách nhau từ 3-15m Các địa chấn kế này sẽ thu nhận sóng phản hồi và chuyển các rung động thành các xung điện Một mạch điện nối giữa các địa chấn kế tới một máy khuếch đại và một máy có chức năng ghi lại các dao động Máy này sẽ tự động ghi lại các rung động tức thời và các sóng tới ban đầu khác nhau của sóng phản hồi Với thiết bị này, việc xác định độ sâu thông thường từ

60 đến 100m Để khảo sát ở các độ sâu nhỏ hơn 20m, người ta có thể sử dụng một chiếc búa tạ

tác dụng trên bề mặt đất để tạo ra sóng phản hồi có thể ghi nhận được

Việc xử lý các số liệu địa chấn khúc xạ phải thừa nhận một giả thiết rằng các lớp đồng nhất được giới hạn bởi các bề mặt ngăn cách Ở những nơi không có những ranh giới ngăn cách riêng

biệt mà chỉ có một đới chuyển tiếp từ từ thì trên đồ thị t = f(r) thì một đường cong sẽ thay thế

cho vị trí gián đoạn ở đoạn dốc Rất may mắn là mực nước dưới đất gần như trùng với các mặt ngăn cách, do đó rất nhiều vấn đề phát sinh do sự bất đồng nhất của cấu trúc địa chất đã được tránh Việc sử dụng hiệu quả phương pháp này cần phải có kỹ năng trong việc minh giải hợp lý

về các loại đá, độ sâu và các bất chỉnh hợp Những hiểu biết khác về điều kiện dưới mặt đất cũng trợ giúp cho việc phân tích hợp lý các số liệu đo đạc thu được ở hiện trường Việc xác định

sự có mặt của nước dưới đất là rất khó nếu không sử dụng các thông tin bổ sung khác, bởi vì vận tốc thu được ở trong đới bão hoà và đới

thông khí đôi khi giống nhau Vận tốc

truyền sóng địa chấn phải tăng theo độ

sâu để thu được các kết quả thích hợp

và do đó một lớp cách nước nằm trên

một tầng chứa nước lỗ hổng có thể cho

biết sự có mặt của tầng chứa nước này

Khi sử dụng phương pháp địa chấn khúc xạ ở những diện tích được áp

dụng có thể loại ra các diện tích không

thích hợp cho việc khoan thí nghiệm

một cách nhanh chóng và kinh tế Tuy

nhiên nó không thích hợp cho diện tích

nhỏ bởi vì khoảng cách nhỏ nhất vài

trăm mét là điều kiện để đo vẽ mặt cắt

địa chấn theo các hướng khác nhau

Ngoài ra, các nguồn tạo rung động như

đường cao tốc, sân bay hay những khu

vực xây dựng cũng gây nhiễu cho các

tín hiệu thu được

Do phương pháp này yêu cầu các thiết bị đặc biệt và các kỹ sư được đào

tạo bài bản nên nó được áp dụng một

cách hạn chế cho việc khảo sát nước

dưới đất Nó thường được sử dụng để

Hình 5 Phương pháp địa chấn khúc xạ xác định chiều sâu mực

nước dưới đất (a) hướng truyền sóng, (b) đồ thị thời gian - khoảng

cách (t=f(r)

vẽ mặt cắt ngang cho các thung lũng, để xác định được sự thay đổi về bề dày của các tầng chứa nước không áp Thành công của Linehan và Keith trong việc xác định được nguồn cấp nước dưới đất cho vùng New England đã cung cấp những kinh nghiệm đáng kể khi sử dụng phương pháp địa chấn này Những biến đổi tốc độ địa chấn trong các trầm tích không bão hoà nước có thể cho ta thông tin về sự khác biệt về thành phần thạch học và từ đó có thể đánh giá được khả năng chứa nước của các trầm tích này

Phương pháp trọng lực và phương pháp từ

Phương pháp trọng lực đo đạc sự khác biệt về tỷ trọng ở trên bề mặt đất từ đó có thể xác định được các cấu trúc địa chất Do chi phí của phương pháp này rất tốn kém và sự khác nhau về hàm lượng nước có chứa trong các tầng đất đá dưới mặt đất hiếm khi dẫn đến sự khác biệt về kết quả đo được từ trên mặt nên phương pháp này không được ứng dụng nhiều trong tìm kiếm nước dưới đất Trong các điều kiện địa chất đặc biệt như ở các thung lũng chôn vùi rộng lớn thì đặc trưng tổng thể của một tầng chứa nước có thể được xác định bằng phương pháp này

Phương pháp từ có thể được sử dụng để thành lập bản đồ về trường từ của trái đất và bằng việc sử dụng phương pháp này rất nhiều các thông tin gián tiếp liên quan đến nước dưới đất đã được ghi nhận Ví dụ như xác định các tầng chắn làm biên giới của tầng chứa nước, hay sự phân

bố của các dòng dung nham núi lửa đã được xác định bằng phương pháp từ

Địa vật lý lỗ khoan

Việc tiếp cận trực tiếp với đất đá dưới mặt đất có thể thực hiện ở những nơi có lỗ khoan Trong quá trình khoan, người ta có thể mô tả, ghi lại các thành tạo địa chất bắt gặp một cách trực tiếp Độ tin cậy của mặt cắt mô tả thạch học của lỗ khoan phụ thuộc vào phương pháp khoan và việc lấy mẫu, cũng như trình độ hiểu biết của người mô tả Cũng có nhiều lỗ khoan đã khoan mà không có ai ghi chép, mô tả địa tầng địa chất lỗ khoan, hoặc ngược lại có những lỗ khoan không lấy mẫu được

Địa vật lý lỗ khoan giúp chúng ta khắc phục những hạn chế đó Các phương pháp địa vật lý

lỗ khoan được phát triển trong công nghiệp dầu khí, và thực tế tất cả các lỗ khoan dầu khí thông thường đều được đo địa vật lý sau khi khoan Trong khoan nước, việc đo địa vật lý nói chung được tiến hành rất rộng rãi trong công tác điều tra đánh giá nước dưới đất ở các mặt cắt địa chất khó lấy mẫu, chiều dày lớn trong trầm tích bở rời, hoặc trong các mặt cắt địa chất nứt nẻ không đồng đều Đối với các lỗ khoan gia đình, lưu lượng nhỏ, chi phí của việc đo địa vật lý lỗ khoan không tương xứng với lợi ích thu được, cho nên ít khi được áp dụng

Các tài liệu địa vật lý lỗ khoan có một loạt ứng dụng được trình bày trong bảng 3 Mặt cắt

mô tả địa vật lý lỗ khoan có thể chỉ ra vùng có độ rỗng và tính thấm cao có thể có trữ lượng nước rất lớn Có thể nhận ra các đới của một tầng chứa nước có nồng độ mưối cao Nếu trên một vùng có nhiều lỗ khoan được đo địa vật lý, kết quả đo có thể được sử dụng để lập địa tầng khu vực Thành phần thạch học của các loại đá mà lỗ khoan đi qua có thể xác định được, đặc biệt nếu có sẵn một số mẫu lõi khoan để so sánh Hướng dòng chảy khu vực của nước dưới đất có thể được xác nhận từ các tính chất như nhiệt độ của nước Kỹ thuật hạt nhân có thể được sử dụng trong các lỗ khoan có ống chống Trong điều kiện này chỉ có cách đó mới thu được các dữ liệu đất đá dưới mặt đất

Một số lớn các kỹ thuật địa vật lý lỗ khoan có thể ứng dụng được cho các lỗ khoan nước (Keys & Mac Cary 1971; Keys 1967; Baldwin & Miller 1979; Brown 1971; Crosby & Anderson 1971; Norris 1972; Keys & Brown 1978; Mac & Cary 1983; Keys 1986; Kwader