Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ

Nhiệm vụ của phương pháp thăm dò địa chấn là xác định độ sâu, hình dạng của ranh giới giữa các lớp đất đá và vận tốc truyền sóng đàn hồi trong các lớp đất đá đó.. Trong khuôn khổ luận vă

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN THỊ THU PHƯƠNG

XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN THỊ THU PHƯƠNG

XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ

Chuyên ngành: Vật lý địa cầu

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học khoa học tự nhiên em đã nhận được sự tận tình dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy cô trong khoa Vật Lý nói riêng

và các thầy cô trong trường nói chung Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy

cô giáo đã dạy em trong thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lý Địa Cầu

đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản trong thời gian học tập tại trường Và

đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Đức Vinh người đã trực tiếp

hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn này

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và các bạn đã quan tâm động viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập và trong thời gian làm luận văn

Em mong nhận được sự quan tâm và góp ý của thầy cô và các bạn về luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2015

Học viên

Trần Thị Thu Phương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ 2

1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp 3

1.1.1 Sự hình thành sóng đàn hồi 3

1.1.2 Cơ sở địa chấn hình học 5

1.1.3 Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi: 7

1.2 Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn 9

1.2.1 Kỹ thuật phát sóng địa chấn: 9

1.2.2 Kỹ thuật thu sóng địa chấn: 11

1.2.3 Hệ thống quan sát sóng địa chấn: 15

1.3 Ứng dụng của phương pháp địa chấn phản xạ 16

1.3.1 Nghiên cứu địa chất khu vực 16

1.3.2 Tìm kiếm cấu tạo 17

1.3.3 Công tác thăm dò chi tiết 17

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ 19

2.2 Phương pháp biểu đồ giao nhau 21

2.3 Phương pháp biểu đồ hiệu 23

2.4 Phương pháp tọa độ bình phương 24

2.5 Xây dựng phổ tốc độ 24

2.6 Xác định tốc độ bằng phương pháp các điểm tương hỗ 26

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM TRÊN SỐ LIỆU MÔ HÌNH 29

3.1 Chương trình và số liệu 29

3.2 Mô hình 1 30

3.3 Mô hình 2 35

3.4 Mô hình 3 38

3.5 Mô hình 4 41

3.6 Mô hình 5 43

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v* 6

Hình 1.3 Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi 8

Hình 2.1 Biểu đồ thời khoảng và đường u trung bình 20

Hình 2.2 a BĐTK ; b Dựng đường  (x) 22

Hình 2.5.1 Băng địa chấn 3 trục đồng pha 26

Hình 2.5.2 Kết quả tinh phổ tốc độ 26

Hình 3.1.1 Mô tả lựa chọn tốc độ 29

Hình 3.1.2 Mô tả phương pháp chia đôi 30

Bảng 3.1 Các thông số mô hình 30

Bảng 3.2 Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ 31

Hình 3.2 Mô hình 1 và các BĐTK tính toán 32

Bảng 3.3 Các thông số mô hình 35

Bảng 3.4 Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ 35

Hình 3.3 Mô hình 3.2 và các BĐTK tính toán 37

Bảng 3.5 Các thông số mô hình 38

Bảng 3.6 Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ 38

Hình 3.4 Mô hình 3 và các BĐTK tính toán 40

Bảng 3.7 Các thông số mô hình 41

Bảng 3.8 Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ 41

Hình 3.5 Mô hình 4 và các BĐTK tính toán 42

Bảng 3.9 Các thông số mô hình 43

Bảng 3.10 Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ 44

Hình 3.6 Mô hình 5 và các BĐTK tính toán 45

MỞ ĐẦU

Thăm dò địa chấn là một trong các phương pháp thông dụng của địa vật lý thăm dò Nó gồm tập hợp nhiều phương pháp quan sát trường sóng đàn hồi phát triển trong môi trường đất đá để nghiên cứu cấu trúc trái đất và thăm dò tìm kiếm khoáng sản Thăm dò địa chấn cho kết quả với độ chính xác cao Chính vì ưu thế đó

mà mặc dù đòi hỏi chi phí lớn nhưng thăm dò địa chấn vẫn được ưu tiên sử dụng, nhất là trong công tác thăm dò dầu khí

Nhiệm vụ của phương pháp thăm dò địa chấn là xác định độ sâu, hình dạng của ranh giới giữa các lớp đất đá và vận tốc truyền sóng đàn hồi trong các lớp đất đá

đó Gần đây, đã có nhiều nhà khoa học cố gắng dựa vào đặc điểm trường sóng thu được để nghiên cứu thành phần thạch học, độ rỗng … của đất đá

Trong vật lý chúng ta đã biết mối quan hệ mật thiết giữa Thời gian - Quãng đường - Vận tốc Có nhiều cố gắng của các nhà nghiên cứu trong việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn trong các lớp đất đá Có thể dựa vào các lỗ khoan sâu để xác định vận tốc truyền sóng Địa chấn lỗ khoan chắc chắn sẽ cho những kết quả đáng tin cậy nhất Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có được điều kiện thuận lợi như vậy, chủ yếu công việc xác định vận tốc vẫn phải dựa trên các biểu đồ thời khoảng hay nói chung là các băng địa chấn

Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, học viên được giao đề tài theo hướng tìm hiểu bài toán xác định tốc độ truyền sóng trong phương pháp địa chấn phản xạ

Nội dung сủa luận văn :

- Tổng quan về phương pháp địa chấn phản xạ

- Tìm hiểu về việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn

- Tìm hiểu một phương pháp cụ thể để áp dụng

- Xây dựng mô hình và thử nghiệm phương pháp

Cấu trúc luận văn

Mở đầu

Chương 1 : Một số nét về phương pháp địa chấn phản xạ

Chương 2: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ

Chương 3: Một số thử nghiệm trên số liệu mô hình

Kết luận

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ

Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dò dầu khí và tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu nền móng công trình…

Trong thăm dò địa chấn, người ta tiến hành nổ mìn, rung, đập hoặc ép hơi…để tạo ra các xung dao động, các xung dao động này truyền trong môi trường dưới dạng sóng đàn hồi Nếu gặp các mặt ranh giới của các tầng đất đá có tính chất đàn hồi khác nhau thì chúng sẽ tạo nên các sóng thứ cấp như sóng phản xạ, khúc xạ, sóng tán xạ…Với các thiết bị máy móc thích hợp đặt ở trên mặt hoặc trong giếng khoan ta có thể thu nhận và ghi giữ các dao động sóng này trên các băng địa chấn Sau quá trình xử lí và phân tích tài liệu sẽ cho phép hình thành các lát cắt địa chấn, các bản đồ và các thông tin khác phản ánh đặc điểm hình thái và bản chất môi trường vùng nghiên cứu

Có hai phương pháp địa chấn chính là phương pháp địa chấn phản xạ và địa chấn khúc xạ, chúng được áp dụng trên đất liền, trên biển, trong hầm lò hoặc trong các giếng khoan…

Phương pháp địa chấn được hình thành từ những năm hai mươi của thế kỷ 20

và cho đến nay đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ kể cả trong lĩnh vực phương pháp, thiết bị và xử lý số liệu

Ngày nay người ta đã sử dụng các trạm địa chấn ghi số có hàng trăm mạch ghi, sử dụng hệ giao thoa “điểm sâu chung” với số bội rất cao, quan sát trong không gian 3 chiều, xử lý số liệu với chương trình xử lý khổng lồ và có thể minh giải tài liệu trên các trạm máy tính

Ở nước ta, phương pháp địa chấn phản xạ đã được áp dụng từ những năm 60 nhằm phục vụ cho tìm kiếm và thăm dò dầu khí Hiện nay, việc khảo sát tỷ mỷ thềm lục địa đang được tiến hành với các thiết bị hiện đại và công nghệ xử lý đạt trình độ tiên tiến trên thế giới Ngoài lĩnh vực dầu khí, phương pháp địa chấn còn được áp

dụng để khảo sát các vùng biển nông và tìm kiếm sa khoáng (từ năm 1991), khảo

sát nền móng công trình (từ năm 1970) và nghiên cứu các mỏ hầm lò (từ năm

1991)

1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp

1.1.1 Sự hình thành sóng đàn hồi

+ Cơ sở lý thuyết đàn hồi:

Người ta gọi những vật thể khi có lực tác dụng thì thay đổi về hình dạng và thể

tích và khi ngừng tác dụng của lực thì lập tức trở lại trạng thái ban đầu là các vật thể

đàn hồi Sự thay đổi về hình dạng và thể tích như vậy gọi là biến dạng đàn hồi

Trong các phương pháp địa chấn, do lực tác dụng nhỏ và thời gian tác dụng lực rất

ngắn nên có thể coi môi trường đất đá là môi trường đàn hồi

Có hai loại biến dạng đàn hồi là biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng Nếu

lực tác dụng chỉ làm thay đổi về thể tích mà hình dạng của vật vẫn giữ nguyên thì

biến dạng đó gọi là biến dạng thể tích Ngược lại nếu vật thể chỉ thay đổi hình dạng

mà thể tích không đổi thì đó là biến dạng hình dạng Các dạng biến dạng đàn hồi

phức tạp đều được coi là tổng biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng

Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên sự biến dạng thì trong vật thể đồng

thời xuất hiện nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo các phần tử vật

chất về trạng thái ban đầu Nội lực này gọi là ứng lực Ứng lực tác dụng lên một

đơn vị diện tích nhằm cân bằng với ngoại lực gọi là ứng suất Mối quan hệ giữa ứng

suất và biến dạng được mô tả bới định luật Huk Môi trường đàn hồi được đặc trưng

bởi các tham số đàn hồi như mô đun giãn dọc E (mô đun Iung), mô đun nén ngang

σ (hệ số poatson) hoặc hằng số Lame μ, λ và mật độ ρ

Giả sử có một hình trụ tròn chiều dài l và đường kính d Dưới tác dụng của lực F

vật bị biến dạng có độ giãn dọc là ∆l và độ nén ngang là ∆d Gọi độ giãn dọc tương

đối là ∂l = , ∂d =

Ứng suất T có độ lớn là : T = = (1.1)

Vì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính nên ta có:

Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động của hạt cùng với phương truyền sóng Khi sóng dọc truyền đi sẽ tạo ra các đới nén, dãn liên tiếp

Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của hạt vật chất thẳng góc với phương truyền sóng Khi sóng ngang truyền đi sẽ tạo ra các đới trượt liên tiếp

Trong môi trường đồng nhất sóng dọc và sóng ngang truyền độc lập với nhau

và có tốc độ khác nhau là vp và vs

vp = vs = (1.2)

Với ρ là mật độ đất đá, E là mô đun Iung và σ là hệ số Poatson

So sánh vp và vs ta có: (1.3)

Trong không khí và nước không có biến dạng hình dạng nên chỉ có sóng dọc

mà không có sóng ngang

Trong địa chấn, việc quan sát sóng được tiến hành bằng cách ghi các dao động tại những điểm nhất định theo thời gian Đồ thị biểu diễn dao động tại một điểm quan sát theo thời gian gọi là hình dạng sóng Độ lệch cực đại của đường ghi

so với vị trí cân bằng gọi là biên độ (A), khoảng thời gian giữa hai cực trị cùng tên gọi là chu kì T, Đại lượng nghịch đảo với chu kỳ xác định số dao động trong một đơn vị thời gian gọi là tần số f = , Khoảng cách giữa các cực trị cùng tên là bước sóng λ, λ = vpT

Trong nhiều trường hợp, để đơn giản người ta không xét đầy đủ bản chất, hình dạng sóng mà chỉ xét đặc trưng thời gian của sóng như sự phân bố mặt sóng, thời gian, tốc độ…Các đặc trưng như vậy gọi là đặc điểm động hình học và việc nghiên cứu chúng dựa trên cơ sở địa chấn hình học

+ Trường thời gian

Khi gây dao động tại một điểm nào đó thì sẽ tạo ra sóng đàn hồi truyền trong môi trường Khoảng không gian mà tại mỗi điểm của nó thời gian sóng đến hoàn toàn được xác định gọi là trường thời gian Xét điểm quan sát bất kỳ M(x,y,z), thời gian sóng đến điểm M là t(x,y,z), trường thời gian được xác định bởi phương trình

t = t(x,y,z) Cũng như các trường vật lý vô hướng khác, trường thời gian được đặc trưng bởi mặt mức, đó là các mặt đẳng thời Mặt đẳng thời trùng với mặt phân chia vùng dao động và vùng chưa dao động gọi là mặt sóng Mặt ranh giới vùng dao động và vùng dao động đã tắt gọi là lưng sóng Ngoài mặt mức người ta còn sử

dụng khái niệm tia sóng Tia sóng là những đường thẳng góc với mặt đẳng thời và trùng với phương truyền sóng Trong môi trường đồng nhất tia sóng là đường thẳng Khi tiến hành phương pháp địa chấn, người ta quan sát sóng tại nhiều điểm khác nhau trên tuyến Tại các điểm quan sát, thời gian truyền sóng hoàn toàn được xác định Người ta gọi đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian sóng đến và vị trí điểm quan sát là biểu đồ thời khoảng (BĐTK)

Tốc độ truyền sóng quan sát được dọc theo tuyến quan sát gọi là tốc độ biểu kiến (v*) khác với tốc độ truyền sóng thực tính theo phương truyền sóng (Hình vẽ 1.2)

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v*

Giả sử quan sát sóng theo tuyến x Thời gian sóng đến tại 2 điểm A và B cách nhau ∆x là t1 và t2 Ta có:

v* = Nếu tia sóng đến hợp với mặt ranh giới góc α, tấc độ truyền sóng thực là:

v =

∆s là quãng đường truyền sóng trong khoảng thời gian ∆t Mối quan hệ giữa v* và v được xác định: v* = (1.4)

Như vậy, khi sóng truyền theo bề mặt thì có v* = v, khi sóng đến thẳng góc với mặt ranh giới thì v* =

+ Các định luật cơ bản của địa chấn hình học:

Để nghiên cứu các đặc điểm động hình học của trường sóng người ta cần áp

dụng các định luật trong quang hình học như nguyên lý Huyghen – Fresnen, nguyên

lý Fecma

Nguyên lý Huyghen- Fresnen: Theo nguyên lý này mỗi điểm của môi trường

mà dao động sóng đạt tới có thể coi là nguồn phát sóng thứ cấp được xác định bởi biên độ và pha của nguồn thực

Nguyên lý Fecma : Theo nguyên lý này, thời gian sóng truyền theo tia sóng

là ngắn nhất so với tia sóng truyền theo bất kỳ phương nào khác

Xét thời gian sóng truyền theo tia ds giữa 2 điểm A và B với tấc độ v(x,y,z), ta có:

t = (1.6)

1.1.3 Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi:

Xét môi trường có mặt ranh giới phẳng và nằm ngang R phân chia môi trường làm hai phần được đặc trưng bởi các tham số tốc độ truyền sóng dọc vp1, vp2, tốc độ truyền sóng ngang vs1,vs2 và mật độ ρ1, ρ2

+ Sóng phản xạ:

Giả sử có sóng tới là sóng dọc P1, khi tới mặt ranh giới R sẽ tạo ra các sóng thứ cấp Một phần năng lượng của sóng tới tạo thành sóng phản xạ trở lại môi trường phía trên, sóng phản xạ gồm có sóng dọc P11(cùng loại sóng tới) và sóng ngang P1S1(gọi là sóng biến loại) Một phần năng lượng truyền qua mặt ranh giới tạo thành sóng qua, sóng qua cũng gồm sóng cùng loại P12 và sóng qua biến loại

P1S2 Góc hợp bởi tia sóng và pháp tuyến mặt ranh giới ở phía trên là α và phần môi trường dưới là

Mối quan hệ giữa mặt sóng tới và các sóng thứ cấp được xác định bằng định luật Snelus:

đổ thẳng góc xuống mặt ranh giới, thì hệ số phản xạ phụ thuộc phức tạp vào góc đổ

α (hoặc phụ thuộc vị trí điểm phát, điểm thu) và các tham số của môi trường

+ Sóng khúc xạ:

Khi sóng tới đạt đến mặt ranh giới R, một phần năng lượng sẽ tạo nên sóng qua Gọi hệ số sóng qua là Q, khi α = 0 ta có:

Qpp = (1.9) Theo định luật Snelus ta có:

(1.10) Khi v2 > v1 thì , khi góc α tăng dần đến góc tới hạn i thì góc β = 90o, sini = Khi đó sóng trượt dọc theo mặt ranh giới R trong môi trường thứ 2 Đây

là hiện tượng phản xạ toàn phần Theo nguyên lý Huyghen sóng này sẽ tạo nên sóng thứ cấp quay trở về bề mặt ( sóng cầu) Sóng này chỉ tồn tại khi có mặt ranh giới khúc xạ với v2 > v1 và chỉ quan sát được xa nguồn một khoảng nhất định

+ Sóng tán xạ:

Khi sóng tới đập vào một bất đồng nhất của môi trường có kích thước nhỏ (so với bước sóng) thì theo nguyên lý Huyghen, bất đồng nhất đó trở thành nguồn phát sóng và sẽ tạo ra sóng tán xạ, trường sóng tán xạ gần như trường sóng của nguồn điểm phát ra từ tâm tán xạ

1.2 Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn

1.2.1 Kỹ thuật phát sóng địa chấn:

Trong thăm dò địa chấn, tùy thuộc vào điều kiện tiến hành quan sát sóng trên đất liền, trên biển, sông hồ, hầm lò… mà sử dụng các loại nguồn khác nhau

Phát sóng địa chấn trên đất liền

Khi tiến hành đo đạc địa chấn trên đất liền, loại nguồn phổ biến là nổ mìn trong giếng khoan

Người ta đặt quả mìn xuống đáy giếng khoan trong các lớp đất mềm, dẻo, ngậm nước…Chiều sâu các giếng khoan lớn hơn bề dày lớp đất đá bở rời có tốc độ nhỏ ở gần mặt đất, thường là 10-100 m

Khi khối thuốc mìn nổ tạo ra một áp suất lớn đập vào môi trường đất đá làm hình thành lỗ hổng khí Sóng đập có năng lượng giảm dần và tiếp tục tạo ra ở môi trường xung quanh các đới biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi Các dao động đàn hồi do nguồn kích thích được xác định bởi điều kiện nguồn bao gồm thành phần và trọng lượng thuốc nổ, tính chất cơ lý của đất đá vùng nổ

Trong trường hợp quả mìn đẳng thước, môi trường vùng nổ đồng nhất thì đới biến dạng dẻo có dạng hình cầu, nguồn phát sóng dạng cầu này tạo ra sóng đàn hồi lan truyền theo mọi phía có mặt sóng hình cầu Do áp suất của nguồn tác động thẳng góc vào mặt cầu nên các dao động đàn hồi được hình thành chủ yếu là sóng cầu dọc

Ngoài nguồn nổ, trong địa chấn còn sử dụng một số loại nguồn không nổ như đập, rung…Việc dùng các loại nguồn không nổ có hiệu suất kinh tế cao, ít nguy hiểm và có thể tiến hành ở những nơi có các công trình xây dựng Nguồn không nổ được chia ra hai loại:

- Nguồn đập: Dùng búa tạ hoặc búa máy tạo ra những xung tức thời (5- 10 ms), trọng lượng quả tạ có thể tới 2 – 3 tấn, độ cao nâng búa 3- 4 m Loại nguồn này thường được dùng trong địa chấn công trình, tìm kiếm khoáng sản rắn

- Nguồn rung: Ngoài các nguồn phát xung, người ta còn sử dụng nguồn rung Bằng các thiết bị đặc biệt, người ta kích thích môi trường đất đá bằng các dao động hình sin có tần số thay đổi và kéo dài trong khoảng thời gian khá lớn (6-8 s) Nguồn rung cho phép tích lũy năng lượng kích thích khi kéo dài xung phát vì vậy rất được quan tâm ở những vùng mà việc phát xung gặp khó khăn

Phát sóng địa chấn trong môi trường nước

Khi tiến hành địa chấn trong môi trường nước (biển, sông, hồ,…), người ta

sử dụng nguồn không nổ như khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện- thủy lực,…

Việc sử dụng các loại nguồn nổ này không chỉ đảm bảo việc phát sóng liên tục sau những khoảng thời gian nhất định trong khi tàu chạy mà còn bảo vệ môi trường sinh thái biển Trong các loại nguồn nếu có cùng năng lượng phát như nhau

thì nguồn khí nén kích thích các dao động tần số thấp hơn nên được sử dụng để nghiên cứu phần sâu của lát cắt Loại nguồn điện - thủy lực kích thích các dao động tần cao nên thường được sử dụng để nghiên cứu các lát cắt nông với độ chính xác cao

Khi sử dụng nguồn khí nén thường xuất hiện nhiều nổ lặp, điều này đòi hỏi

sử dụng bộ lọc thích hợp để hạn chế chúng

Nguồn điện – thủy lực: Ngoài loại nguồn khí nén được sử dụng phổ biến trong địa chấn biển, khi khảo sát vùng biển nông với mục đích nghiên cứu địa chất công trình và tìm kiếm sa khoáng, người ta thường dùng loại nguồn có độ phân giải cao như nguồn điện – thủy lực

1.2.2 Kỹ thuật thu sóng địa chấn:

Trong thăm dò địa chấn, người ta thường tiến hành ghi dao động trên các tuyến hay trên diện tích quan sát Trên đó, các dao động địa chấn được ghi nhận bằng các máy thu và sau quá trình khuếch đại, lọc tần số, điều chỉnh biên độ,…chúng được ghi trên băng địa chấn Băng địa chấn là số liệu gốc chứa các thông tin về cấu trúc địa chất cho phép sử dụng trong quá trình xử lý và phân tích để tìm hiểu đặc điểm môi trường địa chất vùng nghiên cứu

Ngày nay, trong địa chấn người ta sử dụng các trạm địa chấn nhiều mạch Các trạm này tiến hành ghi nhận đồng thời các dao động xuất hiện ở nhiều điểm khác nhau trên băng từ dưới dạng số, cho phép tiến hành xử lý trên máy tính một cách thuận lợi và nhanh chóng

Mạch địa chấn là một hệ thống các bộ phận các máy móc nối tiếp nhau cho phép ghi nhận các dao động sóng xuất hiện tại một điểm quan sát nhất định

Các trạm địa chấn gồm rất nhiều mạch Số lượng các mạch trong các trạm địa chấn có thể thay đổi từ 1 đến hàng trăm (1, 6, 12, 24, 48, 96 mạch trong địa chấn hai chiều và hàng nghìn mạch trong địa chấn ba chiều)

Để thu nhận các dao động xuất hiện ở điểm quan sát và ghi lên băng từ, mạch địa chấn gồm nhiều bộ phận như máy thu, máy khuếch đại, lọc tần số, điều

chỉnh biên độ, ghi từ,…Trong các bộ phận trên, các máy thu được đặt dọc tuyến đo còn các bộ phận còn lại được bố trí trong trạm địa chấn

Tùy vào phương pháp ghi, các mạch địa chấn được phân ra làm mạch ghi tương tự (liên tục) và mạch ghi số

Để nâng cao chất lượng ghi dao động địa chấn, các mạch địa chấn phải đạt các yêu cầu:

- Có dải động học ghi lớn để ghi được toàn bộ các thông tin có ích xuất hiện

ở điểm quan sát từ những độ sâu khác nhau với sự khác biệt về biên độ rất lớn giữa các sóng đi từ tầng nông và tầng sâu có thể đạt tới 100- 120 db (105 – 106 lần)

- Có độ phân giải tốt về thời gian để ghi được riêng biệt các xung địa chấn trong môi trường phân lớp mỏng

- Có độ chọn lọc tốt để hạn chế phông nhiễu gây trở ngại cho việc ghi sóng

có ích Thường các mạch ghi địa chấn được trang bị các bộ lọc để hạn chế sóng mặt,

vi địa chấn, nhiễu công nghiệp,…

- Có độ đồng nhất về độ nhạy và về pha để có thể so sánh các dao động xuất hiện ở các điểm thu khác nhau

Máy thu địa chấn

Máy thu địa chấn là bộ phận đầu tiên của mạch địa chấn, được sử dụng để ghi các dao động cơ học của đất đá và biến đổi chúng thành tín hiệu điện Khi tiến hành công tác địa chấn trên đất liền, người ta sử dụng loại máy thu cảm ứng và khi tiến hành địa chấn trên sông, biển, hồ…dùng máy thu biến áp

- Máy thu cảm ứng: Máy thu cảm ứng có cấu tạo gồm thanh nam châm gắn chặt với vỏ máy và cuộn dây cảm ứng, lò xo Khi sóng địa chấn đập vào máy thu làm cho vỏ máy thu và nam châm cung dao động với đất đá

Cuộn dây cảm ứng gắn với vỏ máy qua lò xo có lực đàn hồi Vì vậy, khi vỏ máy dao động, do hiện tượng quán tính nên giữa thanh nam châm và cuộn dây cảm ứng có sự dịch chuyển tương đối, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng cảm ứng có cường độ tỷ lệ với sự dao động của đất đá

- Máy thu điện áp: Hoạt động của máy thu điện áp dựa trên hiệu ứng điện áp

Áp suất cơ học của môi trường được biến đổi trực tiếp thành dòng điện nhờ phân tử

áp điện Trong các máy thu địa chấn, phần tử áp điện thường là tinh thể gồm titanat bari hoặc muối xenhet tấm mỏng hoặc hình trụ Trong các máy thu địa chấn biển, phần tử điện áp này là ống gốm titanat bari dày 1mm dài 40mm, đường kính 20mm, mặt trong và mặt ngoài phủ một lớp kim loại và gắn vào nó 2 dây dẫn

Áp suất của môi trường tác dụng lên mặt tinh thể làm xuất hiện điện áp tỷ lệ với

áp suất tại đó Loại máy thu này có ưu điểm là không đòi hỏi định hướng, kích thước nhỏ, ít nhạy với các tác động

Trạm địa chấn

Trạm địa chấn nhận tín hiệu từ các máy thu, thực hiện các quá trình biến đổi

và ghi lên băng giấy hoặc băng ảnh (trạm ghi trực tiếp), ghi lên băng từ dưới dạng liên tục (trạm ghi từ tương tự ) hoặc ghi lên băng từ dưới dạng số ( trạm ghi số) Hiện nay trong phương pháp địa chấn phản xạ chủ yếu sử dụng trạm ghi số Quá trình ghi ảnh hoặc ghi từ tương tự chỉ sử dụng cho các trạm khúc xạ ít mạch đơn giản

+ Nguyên tắc trạm địa chấn ghi tương tự:

Các trạm địa chấn ghi tương tự cho phép ghi các dao động địa chấn lên băng từ hoặc băng ảnh, chúng gồm các bộ phận sau:

- Khuếch đại tín hiệu: Khi sóng địa chấn đến máy thu, biên độ dao động của đất

đá rất nhỏ vào khoảng micron, do đó dòng điện xuất hiện ở máy thu chỉ có điện áp khoảng microvon đến vài chục hoặc vài trăm microvon Tín hiệu này được đưa đến

bộ khuếch đại để khuếch đại lên 104 – 106 lần

- Lọc tần số: Các bộ lọc tần số có nhiệm vụ lọc dải tần số nhằm tăng biên độ sóng có ích nằm trong những dải tần số nhất định và hạn chế nhiễu có tần số nằm ngoài dải đó

- Bộ phận ghi: Bộ phận ghi dao động có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu cơ (nhằm ghi lên băng giấy hoặc băng ảnh) hoặc biến đổi trường từ (để ghi lên băng từ)

+ Nguyên tắc trạm địa chấn ghi số:

Ngày nay, để sử dụng máy tính điện tử và tự động hóa quá trình xử lý số liệu, người ta sử dụng các trạm địa chấn ghi số Các trạm ghi có dải động học ghi lớn, khả năng chống nhiễu cao và một loạt những ưu điểm khác Đây là một bước phát triển quan trọng trong thăm dò địa chấn

Đối với các trạm ghi số, các dao động địa chấn được biến đổi thành các giá trị không liên tục và ghi lên băng từ dưới dạng số Để ghi mỗi giá trị tức thời của tín hiệu dưới dạng số cần có khoảng thời gian nhất định để đo độ lớn và biểu diễn kết quả dưới dạng số Vì vậy không thể ghi toàn bộ các giá trị tức thời của tín hiệu một cách liên tục mà phải rời rạc hóa chúng và tạo thành một tập hợp các xung Các xung này có biên độ bằng biên độ tức thời của tín hiệu và bề rộng δ(t) nhỏ hơn nhiều so với khoảng các các xung ∆t Nếu U(t) là điện áp của tín hiệu địa chấn liên tục thì sau khi rời rạc tín hiều sẽ có:

Trong đó : U(k ) là biên độ tức thời

δ(t) là hàm biểu diễn các xung ngắn (xung Dirac)

Trong thăm dò địa chấn, để việc rời rạc hóa không bị méo tín hiệu, người ta chọn ∆t (fgh là tần số giới hạn trên của phổ tín hiệu) Vì thông thường dải tần số giới hạn trên của dao động địa chấn (dầu khí) bằng 125 Hz và ∆t = 2 ms

Để đo độ lớn của các xung, người ta biểu diễn chúng dưới dạng số với cơ số

2, nghĩa là tập hợp các số 0 và 1

U(k∆t) = am2m + am-12m-1 + …+ a121 + a020Thực chất đây là quá trình chọn trong chuỗi số này ra các phần tử mà tổng của chúng xấp xỉ bằng U(k∆t)

1.2.3 Hệ thống quan sát sóng địa chấn:

Hệ thống quan sát là sự bố trí tương đối các điểm nổ và chặng máy (đoạn, tuyến hoặc diện tích trên đó đặt máy thu để ghi nhận dao động do một nguồn gây ra)

Hệ thống quan sát sóng phản xạ

Hiện nay, trong phương pháp địa chấn phản xạ, người ta sử dụng phổ biến hệ thống qian sát “ điểm sâu chung” Trong hệ quan sát này bảo đảm thu được nhiều lần sóng phản xạ từ một điểm (hoặc một đoạn) của mặt ranh giới

Phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa điểm nổ và chặng máy mà có thể sử dụng

hệ thống cách hoặc hệ thống trung tâm

Trong hệ thống cách, chặng máy thu nằm về một phía của nguồn nổ Để tránh phông nhiễu sát điểm nổ và quan sát được khoảng cách xa(ở đó có sự khác biệt của BĐTK sóng phản xạ và nhiễu) người ta đặt chặng máy cách nguồn nổ một khoảng xác định, gọi là hệ quan sát có cửa sổ

Trong hệ thống trung tâm, điểm nổ nằm giữa chặng đặt máy Trong hệ quan sát này cũng có thể bố trí hệ thống có cửa sổ khi đặt máy thu ở xa nguồn nổ một khoảng nhất định

Trong những điều kiện như nhau, hệ quan sát trung tâm cho phép quan sát dao động với số lần bội lớn hơn so với quan sát cánh, do đó có hiệu ứng thống kê mạnh hơn để hạn chế phông nhiễu Tuy nhiên ở những vùng tồn tại sóng nhiễu phản

xạ nhiều lần mạnh thì cần sử dụng hệ thống cánh có thể quan sát ở các vùng xa mà

ở đó BĐTK sóng phản xạ nhiều lần và sóng có ích khác biệt rõ rệt hơn

Hệ thống quan sát sóng khúc xạ

Hệ thống quan sát sóng khúc xạ có đặc điểm là chặng máy phải đặt xa nguồn

nổ một khoảng xác định để bảo đảm ghi được sóng khúc xạ từ các mặt ranh giới

Để theo dõi sóng khúc xạ liên tục trên đoạn tuyến dài, người ta có thể sử dụng hệ thống quan sát kéo dài, tương ứng với một vị trí điểm nổ tiến hành thu sóng trên các chặng máy khác nhau đặt gối lên nhau Cũng với mục đích thu sóng liên tục

trên đoạn tuyến dài nhưng để rút ngắn khoảng cách giữa điểm nổ và chặng máy có thể sử dụng hệ thống quan sát đuổi, trong đó với các điểm nổ khác nhau có những chặng máy trùng nhau, các BĐTK đuổi song song với nhau nên có thể chuyển đổi các đoạn BĐTK kéo dài tương ứng với cùng một điểm nổ

Ngoài hệ thống quán sát đuổi, người ta còn sử dụng hệ thống quan sát giao nhau, cho phép thu được BĐTK ngược nhau từ các điểm nổ đặt ở 2 phía Trong hệ quan sát này có thể xác định được thời gian tương hỗ T khi thay đổi vị trí điểm nổ

1.3 Ứng dụng của phương pháp địa chấn phản xạ

Phương pháp địa chấn phản xạ được sử dụng rộng rãi để giải quyết nhiều nhiệm vụ địa chất cấu tạo khác nhau Đặc biệt, trong công tác tìm kiếm, thăm dò dầu mỏ và khí thiên nhiên thì phương pháp địa chấn phản xạ giữ vị trí chủ lực trong hầu hết các khâu nghiên cứu khảo sát Trong các nhiệm vụ trên, phương pháp địa chấn phản xạ được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau: bắt đầu giai đoạn nghiên cứu địa chất khu vực và kết thúc ở giai đoạn thăm dò tỉ mỉ

1.3.1 Nghiên cứu địa chất khu vực

Trong nghiên cứu địa chất khu vực, phương pháp địa chấn phản xạ thường được sử dụng với khối lượng hạn chế Nó có nhiệm vụ kiểm tra và làm chính xác các yếu tố địa chất được các phương pháp địa vật lý khác phát hiện Ngoài ra, nó được sử dụng để xác định các thông số của môi trường phục vụ cho việc phân tích

và giải thích tài liệu của các phương pháp địa vật lý khác

Phương pháp địa chấn phản xạ giữ vai trò quan trọng trong công tác khảo sát địa chất khu vực các vùng biển và đại dương.Ở đấy, do có hiệu quả kinh tế và kĩ thuật cao công tác địa chấn phản xa được sử dụng với khối lượng đáng kể

Trong nghiên cứu địa chất khu vực, công tác địa chấn được tiến hành trên những tuyến nhất định Chúng được bố trí vuông góc với các đường phương dự kiến của các cấu tạo và đứt gãy Khoảng cách giữa các tuyến thường rất lớn, nhiều khi tới vài chục cây số Quan sát dọc tuyến có thể tiến hành liên tục hoặc cách

quãng Trong những khu vực địa hình phức tạp, tuyến khảo sát được thay thế bằng

hệ thống các điểm dò Ngoài quan sát dọc các tuyến chính Người ta còn tiến hành quan sát trên các đoạn tuyến ngắn nằm vuông góc với tuyến chính Các quan sát này được sử dụng để xác định vị trí không gian của các mặt phản xạ

Trong nghiên cứu địa chất khu vực, các tài liệu địa chấn cần được xử lý và phân tích gấp nhằm phục vụ kịp thời cho việc điều chỉnh hướng tuyến và thay đổi đúng lúc các biện pháp kỹ thuật thực địa

1.3.2 Tìm kiếm cấu tạo

Tìm kiếm cấu tạo là nhiệm vụ chủ yếu của phương pháp địa chấn phản xạ Trong giai đoạn này, nó có nhiệm vụ phát hiện các yếu tố cấu tạo mới cũng như nghiên cứu bản chất các dị thường và làm chính xác các cấu tạo đã được các phương pháp địa vật lý phát hiện trước

Để tìm kiếm cấu tạo, người ta tiến hành quan sát sóng dọc các tuyến nhất định Chiều dài, khoảng cách và sự bố trí chúng thay đổi phụ thuộc vào kích thước

và hình dạng của các cấu tạo cần nghiên cứu

Khi khảo sát có nhiệm vụ phát hiện các cấu tạo riêng biệt nằm dọc các đới kiến tạo biết trước khi các tuyến được bố trí vuông góc với đường phương của đới này Khoảng cách giữa chúng được tính để không bỏ sót các cấu tạo cần phát hiện Kết quả các công tác tìm kiếm được đúc kết dưới dạng các mặt cắt địa chấn và các bản đồ, sơ đồ cấu tạo Các kết quả nhận được trong giai đoạn tìm kiếm là cơ sở để tiến hành các nghiên cứu địa chấn tỷ mỷ tiếp theo Trong đó, một số trường hợp chúng được sử dụng để chọn lựa vị trí đặt các lỗ khoan thăm dò

1.3.3 Công tác thăm dò chi tiết

Thăm dò chi tiết được tiến hành với mục đích nghiên cứu tỉ mỉ và toàn diện các cấu tạo được biết trước nhằm chuyển nó sang thăm dò bằng khoan sâu Ngoài

ra, nó được sử dụng để tìm kiếm các cấu tạo cỡ nhỏ

Để giải quyết các nhiệm vụ trên, địa chấn thường được tiến hành tổ hợp với khoan cấu tạo và khoan sâu

Trong công tác thăm dò chi tiết, mạng lưới tuyến được thiết kế chủ yếu dựa trên cơ sở phân tích kích thước và hình dạng cấu tạo Để khảo sát các cấu tạo một cách chi tiết, các tuyến thường được đan dày và được liên kết với nhau nhờ các điểm cắt nhau

Ngoài ra các giai đoạn thăm dò chi tiết người ta rất quan tâm nghiên cứu các quy luật phân bố tốc độ truyền sóng theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang Với mục đích này người ta tiến hành quan sát sóng trong toàn bộ các lỗ khoan sâu trong vùng Quan sát sóng được tiến hành bằng cả phương pháp carota địa chấn, carota âm và phương pháp tuyến địa chấn thẳng đứng Để xác định tốc độ hiệu dụng, người ta sử dụng các phương pháp xử lý và phân tích khác nhau nhằm khai thác tối đa các thông tin về tốc độ truyền sóng của các băng địa chấn

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN

PHẢN XẠ

Tốc độ truyền sóng trong lớp phủ chủ yếu được xác định bằng cách xử lý các băng địa chấn Khả năng sử dụng các băng địa chấn để nghiên cứu tốc độ truyền sóng có thể quan sát thấy từ các công thức biểu diễn BĐTK của sóng phản xạ

Để xác định tốc độ truyền sóng trong lớp phủ người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau [2,4,7,8,9,10] Chúng ta tiến hành xác định tốc độ trên cơ sở so sánh biểu đồ thời khoảng quan sát với biểu đồ thởi khoảng lý thuyết tính cho mô hình môi trường có mặt phản xạ phẳng và lớp phủ đồng nhất Vì môi trường thực tế khác với mô hình nêu trên nên tốc độ xác định được không trùng với tốc độ thực mà sóng truyền trong môi trường Tuy nhiên, tốc độ xác định được thường không khác nhiều (sai số không quá 5%) so với tốc độ trung bình xác định bằng carota địa chấn nên tốc độ này được gọi là tốc độ hiệu dụng và được sử dụng rộng rãi vào các mục đích khác nhau của thăm dò địa chấn

Dưới đây, chúng ta xét một vài phương pháp xác định tốc độ hiệu dụng được sử dụng trong thực tế [4,7,9,10]

Hình 2.1 Biểu đồ thời khoảng và đường u trung bình

Chắc rằng, nếu mặt phản xạ có thể xem là phẳng và môi trường trong lớp phủ đồng nhất thì trên cơ sở dựa vào phương trình biểu đồ thời khoảng tuyến dọc :

2 2 1

v t  h   x m  h x  m  (2.1.2)Trừ 2 biểu thức cho nhau ta được:

2 1

v t  t  xm  m  hm  (2.1.3) Đặt 2 2

Bước 1: Trên biểu đồ thời khoảng xác định cá giá trị t1 ứng với các điểm x= x1,

x2, xn lấy cách nhau bước bằng 50 hoặc 100m Tương tự xác định thời gian t2bằng cách lấy các điểm x+m= x1+m, x2+m, xn+m (m thường được lấy bằng 0,4 chiều dài của biểu đồ thời khoảng

Bước 2 Dựa vào bảng các giá trị t1 và t2 tính n giá trị u tương ứng với n điểm x,u được tính theo công thức trên

Bước 3 Biểu diễn kết quả tính u trong trục tọa độ u,x Các giá trị của u thường được

biểu diễn ở tỉ lệ : 1cm= 0,02-0,04 s2 còn x ở tỉ lệ: 1cm= 100m Dựa vào các điểm dựng được kẻ đường thẳng u trung bình

2.2 Phương pháp biểu đồ giao nhau

Gỉa sử trên đoạn tuyến O1; O2 sóng được quan sát lặp lại 2 lần: lần đầu ghi được biểu đồ thời khoảng G1 khi nổ mìn tại O1; lần sau ghi được biểu đồ thời khoảng G2 khi nổ mìn tại O2 Chúng ta xét khả năng xác định tốc độ dựa vào G1 và

H2 và h1 liên hệ với nhau bằng biểu thức :