Địa vật lý

Trường Đại học Mỏ - Địa chất.[r]

654 BÁCH KHOA TH Ư ĐỊA CHAT

ĐỊA VẶT LÝ

C ác m ụ c từ 1 Địa vật lý; 2 Địa chấn học; 3 Địa nhiệt học; 4 Địa nhiệt ứng dụng; 5 Địa từ học; 6 Địa vật lý giếng

khoan; 7 Địa vật lý toán; 8 Thăm dò địa chấn; 9 Thàm dò địa vật lý; 10 Thảm dò điện và điện từ; 11 Thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân; 12 Thảm dò trọng lực; 13 Thàm dò từ; 14 Trọng lực học; 15 Trọng lực vệ tinh

khu vực Biển Đông; 16 Xử lý số liệu địa vật lý.

Địa vật lý

Ngô Văn Bưu Khoa Dầu khí,

Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

G iớ i th iệ u

Đ ịa vật lý là n gàn h khoa h ọc khảo sát định

lư ợ n g các h iện tư ợ n g vật lý của Trái Đ ất Đ ịa vật lý

p hụ c vụ khảo sát q uy m ô lớn, cỡ hành tinh, nói

ch u n g trong phạm v i phẩn bên trong Trái Đâ't và

bên n goài Trái Đâ't thu ộc thủ y q u yển và khí q uyển

cù n g k hôn g gian vũ trụ M ục tù này chi trình bày

p hần liên quan tới q u yển rắn của Trái Đất, p hụ c vụ

n gh iên cứu địa châ't Phẩn khoa h ọc Địa vật lý d ù n g

trong q u y m ô nhỏ, p h ụ c vụ các lợi ích của con n gư ờ i

n h ư khảo sát dầu khí, k h oán g sản, v v đ ư ợ c g ọi là

Thăm d ò địa vật lý h oặc Đ ịa vật lý ứ n g d ụ n g Địa

vật lý khác Đ ịa chất ở ch ỗ sử d ụ n g côn g cụ vật lý đ ê

khảo sát đ ối tư ợng từ xa, thay v ì quan sát trực tiếp

N g à y nay Địa vật lý đã phát triển m ạnh m ẽ nhờ

côn g n g h ệ m ới trong đ o đ ạc (trong p h ò n g thí

nghiệm, ngoài trời và trên vệ tinh) và xử lý số liệu

N h ò đó, việc thu thập s ố liệu đ ư ợ c nhan h chóng,

chính xác đ ể đáp ứ n g nhu cầu n gày càn g cao của

con n gười, khi các n g u ồ n tài n g u y ê n k h oán g sản

gẩn m ặt đâ't hầu n h ư đã cạn kiệt, cẩn tìm kiếm d ư ới

sâu trên đâ't liền và n goài khơi.

Ờ V iệt N am , các kết quả n g h iên cứ u địa vật lý

bằng thiết bị của các ch u yên n gành bắt đẩu từ năm

1924 vớ i trạm quan sát đ ộ n g đâ't Phủ Liễn (Kiến An,

Hài Phòng) Lejey p và C ostes G đo trọng lực bằng

con lắc Holvveck - Lejay (từ 1933) và côn g b ố bản đ ồ

trọng lực Đ ôn g D ư ơ n g (1936) Tiếp sau đ ó là thành

lập bản đ ổ phân vù n g đ ộn g đất M iền Bắc Việt N am

(năm 1968); tham gia năm Vật lý địa cầu (1957 -1958),

xây d ự n g Đài Vật lý địa cầu Sa Pa (1957) đ ể quan

trắc địa từ và xây d ự n g bản đ ổ trường từ bình

thường lãnh thô V iệt N am (1992) V iện Vật lý địa cẩu

đ ư ợc thành lập năm 1986 thu ộc Viện Khoa học V iệt

N am (nay là V iện H àn lâm Khoa học & C ông n gh ệ

Việt N am ), nhằm tiến hành n gh iên cửu và đ iều tra

cơ bản v ể "Vật lý địa cầu" C ôn g tác thăm d ò địa vật

lý đư ợc phát triến chủ yếu từ 1954, sau thắng lợi của

kháng chiến ch ốn g Pháp xâm lược, nhất là từ khi tìm

kiếm dẩu khí ở đ ổ n g bằng Sông H ổn g (1961).

N h iều côn g n gh ệ địa vật lý h iện đại đ ư ợ c áp

d ụ n g ờ Việt N am , hiệu quả của n ó thê h iện nổi bạt trong côn g tác tìm kiếm , thăm d ò và khai thác m ỏ dầu Bạch H ô trong đá m ón g granit thuộc bồn Cửu Long của thềm lục địa M iền N am V iệt N am , trong thành lặp bản đ ổ từ hàng k hôn g ti lệ 1:200.000 M iền Bắc Việt N am và phát hiện m ỏ sắt Thạch Khê, Hà Tĩnh năm 1962, v.v

C á c c h u y ê n m ô n Đ ịa v ậ t lý tr o n g n g h iê n c ừ u

đ ịa c h ấ t

M ột s ố hiện tượng vật lý liên quan đ ến các tính

chất vật lý của Trái Đâ't đư ợc n gh iên cứu trong Địa

vật lý Trường vật lý có loại tự n hiên và loại nhân tạo Địa vật lý thường đ ư ợ c phân chia theo các

ch u yên m ôn, theo tên của trường vật lý đ ư ợ c ú n g

d ụ n g Trọng lực học, địa từ h ọc và địa n h iệt học

n gh iên cứu các trường tư ơng ứ n g là trường trọng lực, từ và n hiệt tự nhiên của Trái Đất (còn g ọ i là trường địa tử và địa nhiệt); các ch u yên m ôn khác khảo sát cả trường tự n hiên lân nhân tạo V iệc

n gh iên cứu của m ôi ch u yên m ôn đ ều thực h iện băng cách thu thập (đo trường vật lý), x ử lý s ố liệ u và giải thích ý nghĩa địa châ't của s ố liệu đã xử lý Sau đ â y là

n h ữ n g khoa h ọc Đ ịa vật lý th ư ờ n g d ù n g trong

n gh iên cứu địa chất.

Địa chấn học - bộ m ôn n gh iên cứ u trư ờn g són g

địa chấn do đ ộn g đâ't và con n gư ờ i tạo ra Khi són g truyền từ nơi ch ú ng sinh ra đ ến trạm ghi só n g địa chấn, chúng đ em theo th ôn g tin v ể n g u ồ n sin h ra

ch ú ng cũng n h ư đặc tính vật lý của m ô i trường

ch ú ng đã truyền qua M ột trong n h ữ n g đ ặc tính vật

lý của m ôi trường thư ờn g được khai thác trong bộ

m ôn Địa chấn học là tốc đ ộ truyền só n g đ ịa chân Tốc đ ộ truyền són g phụ thuộc v à o m ật đ ộ và tính chât đàn hổi của m ôi trường C hiểu sâu tới các mặt ranh giới chính của Trái Đâ't cũng n h ư tốc đ ộ tru yến

só n g và mật đ ộ của các m ôi trường giừ a hai mặt ranh giới đ ư ợ c tính ra từ s ố liệu só n g địa chân của các trận đ ộ n g đât lớn Địa chân cu n g câp n h ữ n g

Đ ỊA V Ặ T LỶ 655

thôn g tin cơ ban nhất v ế câu trúc Trái Đ ất với ba lớp

th ín h là vỏ, m anti và nhân, trong đ ó phần nhân

ngoài lỏng, nhân trong răn Tù cuối n hữ n g năm 70

của th ế kỷ trước, côn g n g h ệ cắt lớp địa chân (tạo anh

dị thường địa chân ba chiểu), tương tự như chụp cắt

lớp vi tính trong y tế, đà đ ư ợc thực hiện nham khảo

sát địa đ ộ n g lực toàn cẩu và khu vực Trong Địa

chân học, n goài câu trúc Trái Đât ra n gười ta còn

n ghiên cứu n gu ồn gốc, phân b ố địa lý, đ ộ n guy

h iếm , rủi ro và d ự báo đ ộ n g đât.

Trọng ỉ ực học - bộ m ôn n gh iên cứu trường trọng

lực cua Trái Đâ't Trọng lực là tổng hợp lực của hai

lực: lực hấp dần (theo đ ịnh luật vạn vật hấp dẫn

Nevvton) của Trái Đ ất và lực ly tâm d o sự quay của

Trái Đâ't quanh trục của nó Lực hâ'p dẫn giừa hai vật

tỳ lệ thuặn vớ i tích của hai khối lượng và tỷ lệ

nghịch với bình p h ư ơ n g k hoản g cách giừ a chúng Từ

kết quả đ o trọng lực ta có thê tính ra khối lượng

(bang tích của m ật đ ộ với th ể tích của vật), cẩn thêm

thôn g tin của trường vật lý khác m ới tính đ ư ợ c ra

m ật độ Trong khào sát sâu bằng trọng lực, các ranh

g iớ i giũ a các lớp tốc đ ộ truyền són g địa chấn khác

nhau đ ư ợc d ù n g đ ê tính trừ đi ảnh h ư ở n g trọng lực

lần lượt của các lớp từ trên xu ố n g (bóc lớp) nhằm

tìm ra mặt đ ộ của từng lớp Thân quặng sắt tạo ra

v ù n g mật đ ộ lớn h on so với xu n g quanh, trái lại bồn

trầm tích là v ù n g m ật đ ộ n hỏ hơn xu ng quanh N gày

nay trường trọng lực và sự biến đổi của nó đ ư ợ c đo

b ang vệ tinh với đ ộ chính xác rất cao, liên quan mật

thiết tới phân b ố và vận ch u y ên khối lư ợn g vật chất

trong thạch q uyển, m anti, đem lại n hừ n g thôn g tin

v ề câu trúc địa chất và quá trình địa đ ộn g lực toàn

cầu và khu vực.

Địa từ học - bộ m ôn n gh iên cứu trường tử của

Trái Đâ't, đ ư ợ c gọi là trường địa từ, hiện tại cũng

n hu sự biến thiên của n ó trong quá khứ, nhằm khảo

sát cấu trúc, các quá trình đ ộ n g lực h ọc trong v ỏ và

nhân ngoài của Trái Đ ất cũ n g n h ư p hục vụ lập thang

từ địa tầng Trước đ ây các khoa h ọc coi khoáng vật

sắt trong lò n g đâ't tạo ra trường địa từ, n hư n g đến

đầu th ế kỷ 20 khoa h ọc biết rằng khi nhiệt đ ộ lớn

h on k hoản g 6 8 0 °c thì ch ú n g m ất tính châ't từ, mà

càng xu ốn g sâu trong lòn g đât thì nhiệt độ càng tăng

cao nên ch ú n g k hôn g th ể tổn tại sâu hơn vài chục

kilom et d ư ới m ặt đâ't H iện chỉ còn giả thiết đ inam o

tự kích đ ang đ ư ợ c n gh iên cứ u n hiều, theo đ ó ch u yển

đ ộ n g đối lưu trong nhân ngoài với hợp kim sắt, lỏng,

cực nóng, dẫn đ iện tốt, tạo ra trường địa tử Kết quả

m ỏ p h ỏn g hóa bằng s ố theo giả thiết này đã tái tạo

đư ợc nhiều tính chất cùa trường địa từ n h ư sự di

ch u yển cực bắc, cực nam của trường địa từ, sự đảo

cực từ.

Địa nhiệt học - bộ m ôn n gh iên cứu trường nhiệt

của Trái Đ ât và n g u ồ n g ố c của nó N hiệt tử bên

ngoài (tù' M ặt Trời) hầu hết đ ều phàn xạ quay trờ lại

không gian N g u ồ n nhiệt chủ yếu ở bên trong Trái

Đ ất là n gu ồn năng lượng được giải p h ón g từ sự phân rã các đ ổ n g vị p h ón g xạ không bển của urani, thori, kali và nhiệt mà Trái Đất tích tụ đ ư ợ c trong quá trình thành tạo từ sự va đập của các vật th ế vủ trụ Q uá trình truyền nhiệt tử trong nhân ra và thoát khỏi mặt đất gây tổn thất nhiệt năng đ ổ n g thời làm thay đối các tính chất vật lý của vật chất bên trong Trái Đất Các n g u ồ n nhiệt bên trong Trái Đâ't cung câp năng lư ợn g cho sự vận đ ộn g của nhân ngoài (tạo

ra trường địa từ), m anti, m áng kiến tạo, hoạt đ ộn g núi lửa, v.v Song sự phân b ố nhiệt đ ộ và các đ ổ n g

v ị p h ón g xạ k hôn g bển trong Trái Đâ't chưa đư ợc biết

rõ N hiệt đ ộ trong lòn g đâ't k hôn g th ế đ o trực tiếp,

n ên phải khảo sát m ột đại lượng liên quan m ật thiết

vớ i nó là d ò n g nhiệt D òn g nhiệt trung bình có giá trị

65 m W /m 2 ở lục địa và 101 m W /m 2 ờ đại dương, v ỏ đại d ư ơ n g chiếm 60% d iện tích b ề m ặt Trái Đất, do vậy năng lượng địa nhiệt bị mâ't đất đi khoảng 70% thông qua vỏ đại d ương với sự thoát nhiệt lớn nhâ't quanh dãy sôn g núi giữa đại d ư ơ n g và 30% qua vỏ lục địa N ăn g lư ợn g địa nhiệt gần m ặt đất n h ư từ

n gu ồn nước nóng, hơi n ư ớc đư ợc khai thác đ ể phát điện, sư ởi âm và các n hu cầu khác.

Địa điện học - bộ m ôn nghiên cửu sự phân b ố

đ iện trờ suât trong Trái Đất bằng p h ư ơ n g pháp từ telur và biến thiên từ N gư ờ i ta d ù n g các b iến thiên của trường địa từ trong dải tần s ố rất rộng đ ế khảo sát sâu tới m anti trên Đ iện trở suât nhạy cảm với

lư ợ n g nhỏ các pha phụ (như chất lưu, chât n óng chảy, kim loại trong đá) nên có thê cung cấp thêm

n h ử n g thôn g tin có ích v ề thành phẩn, trạng thái vật

lý và câu trúc bên trong Trái Đâ't.

Địa vật lý hạt nhân - bộ m ôn n gh iên cứu trường

bứ c xạ p h ón g xạ phát ra từ những đ ổ n g vị p h ón g xạ

tự nhiên n h ư urani, thori và kali đ ê xác định hàm

lư ợ n g của ch ú n g trong các m ỏ p h ón g xạ và p hụ c vụ

ch o các m ục đích địa chât có liên quan M ỗi n gu yên

t ố p h ón g xạ lại có chu kỳ bán rã riêng, xác định,

k h ôn g phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài, tính châ't

n ày đư ợc d ù n g đ ê xác đ ịn h tuổi tuyệt đ ôi của m âu

đá trong địa chât Đ ịa vật lý hạt nhân còn n ghiên cứu trường bức xạ thứ cấp tạo nên d o sự tư ơng tác của chùm bức xạ sơ câp gam m a hay neutron (neutron - phát ra từ các n gu ồn đ ổ n g vị p h ón g xạ nhân tạo) với các đ iện từ hay hạt nhân n gu yên tử của vật chât có trong m ôi trường địa chât đ ể xác đ ịn h các tham s ố địa châ't hay hàm lư ợ n g các n gu yên tố trong m ôi trường n gh iên cứu N h ừ n g thành tựu n gh iên cứu cơ bản của vật lý n eutrino m ới đây (neutrino là loại hạt rất ít tác d ụ n g với vật chất nên nó xu yên qua Trái Đất

d ễ dàng) đã m ờ ra nhừng nghiên cứu m ói C ùng với

sự phân rã của các đ ổn g vị p hón g xạ u , Th, K có trong lòn g đất, neutrino được phát ra gọi là geoneutrino

đ ư ợc ghi nhận lẩn đẩu (2005) ở m ỏ Kainioka sâu khoảng nghìn m ét ở N hật Bàn (gọi tắt: Kam LAND) Bằng cách nghiên cứu trường của geoneutrino ta có thê biết vể các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong

656 BÁCH KHOA TH Ư Đ ỊA CHÁT

lòng Trái Đâ't Trong tương lai, côn g n gh ệ cắt lớp

geon eu trin o của ch u yên n gành địa vật lý n eutrino có

khả n ăng xác định sự phân b ố hàm lượng các đ ồng

v ị đ ó trong Trái Đất, g ó p phẩn làm sáng tỏ m ột s ố

vấn đ ề v ể thành phần hóa học, n guồn địa nhiệt và

địa đ ộ n g lực của Trái Đất.

Mỗi ch u yên n gành địa vật lý đ ều phải thu thập,

xử lý và giải thích s ố liệu địa vật lý Khi giải thích

thường d ù n g m ô h ình hóa, xây d ự n g m ô hình (m ô tả

các đặc trưng hình học và vật lý của đối tư ợng khảo

sát và m ôi trường vây quanh m ột cách đ ơn giàn hóa)

đ ể giải bài toán thuận và n gư ợ c địa vật lý Tính giá

trị lý thu yết của trường vật lý theo m ô hình là giải

bài toán thuận N ó có tính đơn trị, nghĩa là ứ n g với

m ô hình đã cho thì tính ra đư ợc m ột trường vật lý

tương ứ n g xác định Trái lại khi đ o đạc xong, thu

đ ư ợc trường vật lý n gư ời ta phải tìm cấu trúc địa

chất đã tạo ra trường vật lý đó; đ ó là bài toán ngược,

nó có tính chât đa trị, nghĩa là có nhiêu m ô hình mà

trường tính theo lý thu yết của ch ú ng trùng với

trường đ o đư ợc trong thực tế M uốn giải bài toán

ngư ợc cần có thỏm thôn g tin v ề đ ối tượng khảo sát

n gay khi xây d ự n g m ô hình ban đầu đ ê tính trường

lý thuyết, đ em so sánh v ớ i trường thực tế, n ếu thây

chưa trùng thì từng bước thay đ ối tham s ố của m ô hình cho đ ến khi trùng khớp trong phạm vi sai số Trong thực t ế địa châ't, n h ừ n g dải giá trị của các

tham s ố vật lý và hình học của m ô h ình thay đổi

trong phạm v i hữu hạn, d o vậy có thê lựa ch ọn các giá trị đ ó đ ê tính ra các m ô hình có ý nghĩa đ ịa chất

C uối cù n g phải xét ý nghĩa địa châ't của m ô hình,

n ếu thây kết quả vẫn chưa hợp lý thì cẩn thay đổi

m ô hình và làm lại n h ư trên Trong thực tế, d ù n g tô

h ợp hợp lý m ột s ố trường vật lý là giải p h áp hừu

h iệu đ ế tìm ra m ô h ình thích hợp.

T à i liệ u th a m k h ả o

G u p t a H K ( E d ito r ) , 2 0 1 1 E n c y c l o p e d i a o f S o l i d E a r t h

G e o p h y s i c s Springer. 1 5 3 9 p g s

L o v v rie w , 2 0 0 7 F u n d a m e n t a l s o f G e o p h y s i c s , 2 n đ e d i t i o n

Cambridge U n iversity Press. 3 5 4 p g s

M a r e s c h a l J c , J a u p a r t c , P h a n e u í c , a n d P e r r y c , 2 0 1 2

G e o n e u t r i n o s a n d t h e e n e r g y b u d g e t o f t h e E a r t h Ịournaỉ o f Geodynamics 54: 4 3 -5 4 p g s

S te in s., V V y sessio n M , 2003 A n i n t r o d u c t i o n to s e i s m o l o g y ,

e a r t h q u a k e s , a n d e a r t h s t r u c t u r e V V iley-B lackvvell 4 9 8 p g s

Địa chấn học

P h ạ m Đ ì n h N g u y ê n , N g u y ề n Đ ì n h X u y ê n ,

N g u y ễ n H ồ n g P h ư ơ n g , N g u y ề n L ê M in h

V i ệ n V ặ t lý Đ ị a c ầ u , V i ệ n H à n l â m K h o a h ọ c v à

C ô n g n g h ệ V i ệ t N a m

G iớ i th iệ u

Địa chân học là bộ m ôn khoa học nghiên cứu v ể

quá trình phát sinh, lan truyền và ghi nhận các són g

địa chấn trong Trái Đất Sóng địa chấn là các rung

đ ộng đàn hổi tỏa ra từ các n gu ồn sinh ra d o sự mất

cân bằng ứng suất đột n gột trong m ôi trường đâ't - đá

N g u ồ n sinh ra són g địa chấn có thê có n gu ồn gốc tự

nhiên (độn g đâ't, v v ) hoặc nhân tạo (ví dụ n ổ hạt

nhân) Bản ghi sự biến đ ổi dao đ ộng n ền theo thời

gian đư ợc gọi là băng địa châh Băng địa chấn cung

câp d ữ liệu cơ bản mà các nhà địa châh sử d ụ n g đê

n ghiên cứu són g đàn hổi và quá trình lan truyền của

chúng trong Trái Đất Các quan trắc và m ô phỏng

định lượng dao đ ộng nền và các són g địa chấn giú p

chúng ta tửng bước xác định đ ư ợc bản chất của đ ộng

đ ấ t, cấu trúc và đặc tính vật lý của Trái Đất, cung cấp

thông tin v ề m ức đ ộ n gu y h iếm mà đ ộng đâ't có thê

gây ra cho các vùng, m iền, lãnh thố; nhằm p hục vụ quy hoạch và thiết k ế các côn g trình chịu đ ộ n g đất.

Ờ Việt N am , trạm quan trắc địa chấn đẩu tiên

đ ư ợ c n gư ờ i Pháp xây d ự n g năm 1924 tại P hủ Liên (Hải Phòng) N h ư n g n gh iên cứu địa chân ở n ư ớ c ta chi thực sự bắt đ ầu từ năm Vật lý địa cầu quốc t ế

1957 - 1958 H oạt đ ộ n g này từ đ ó ch o đ ến n ay chủ

y ếu tập trung vào việc quan trắc, đ ánh giá n g u y ên nhân, đ iểu kiện phát sinh, q uy luật h oạt đ ộ n g và độ

n g u y h iếm đ ộ n g đất.

C ơ s ở đ ịa c h ấ n h ọ c Địa chấn h ọc xuất phát từ các p hân tích d a o đ ộn g nền tạo ra bởi các n gu ồn n ăng lư ợn g trong Trái Đâ't

n h ư đứt đ oạn trong đ ộn g đất h oặc các vụ n ổ N goại