Tìm hiểu phép hiệu chỉnh kết quả đo đạc thời gian truyền sóng cơ học trong môi trường đất đá tự nhiên phục vụ giảng dạy môn vật lí

Trên mặt bằng thực địa, trong quá trình đo đạc, các máy thu sóng địa chấn được đặt ở những độ cao khác nhau, phụ thuộc vào địa hình bề mặt của khu vực khảo sát.. Bài toán hiệu chỉnh tĩnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

LÊ ĐỨC ĐẠT

Tìm hiểu phép hiệu chỉnh kết quả đo đạc thời gian truyền sóng cơ học trong môi trường đất đá tự nhiên

phục vụ giảng dạy môn Vật lí

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội, 2018

Mục lục

Mở đầu 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Cấu trúc khoá luận 2

Chương 1: Vài nét về phương pháp thăm dò địa chấn 3

1.1 Thế nào là phương pháp thăm dò địa chấn? 3

1.2 Cơ sở vật lí của phương pháp thăm dò địa chấn 5

1.2.1 Sự hình thành sóng đàn hồi 5

1.2.1.1 Cơ sở lí thuyết đàn hồi 5

1.2.1.2 Sự hình thành sóng đàn hồi 6

1.2.2 Cơ sở địa chấn hình học 8

1.2.2.1 Trường thời gian 9

1.2.2.2 Các định luật cơ bản của địa chấn hình học 10

1.2.3 Sự phản xạ của sóng đàn hồi 11

1.3 Kĩ thuật phát và thu sóng địa chấn 12

1.3.1 Kĩ thuật phát sóng địa chấn 12

1.3.1.1 Phát sóng địa chấn trên đất liền 12

1.3.1.2 Phát sóng địa chấn trong môi trường nước 13

1.3.2 Kĩ thuật thu sóng địa chấn 14

1.3.3 Mạch địa chấn 14

1.3.4 Máy thu địa chấn 15

1.3.5 Trạm địa chấn 16

1.3.6 Hệ thống quan sát sóng phản xạ 17

Chương 2: Xử lí số liệu 19

2.1 Mục đích của xử lí số liệu 19

2.2 Hiệu chỉnh tĩnh 19

2.3 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ 21

2.4 Giải bài toán thuận địa chấn phản xạ 24

2.4.1 Mô hình tuyến quan sát lí tưởng 25

2.4.2 Mô hình tuyến quan sát thực tế 26

Chương 3: Một số ví dụ hiệu chỉnh 29

3.1 Mô hình 1 29

3.2 Mô hình 2 33

3.3 Mô hình 3 37

Chương 4: Xây dựng một số bài tập phục vụ giảng dạy chương Sóng cơ, chương trình Vật lí 12 41

4.1 Cơ sở của việc xây dựng bài toán xác định tốc độ truyền sóng cơ học bằng biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ 41

4.2 Phương pháp giải bài toán tính tốc độ truyền sóng theo biểu đồ thời khoảng 41

4.3 Bài tập ví dụ 43

4.3.1 Bài tập 1 43

4.3.2 Bài tập 2 46

Kết luận và khuyến nghị 48

Tài liệu tham khảo 49

Danh mục hình ảnh

Hình 1 1 Sơ đồ công tác địa chấn trên đất liền 3

Hình 1 2 Hình ảnh một băng địa chấn phản xạ 4

Hình 1 3 Hình ảnh một lát cắt địa chấn 4

Hình 1 4 Mối quan hệ giữa biểu đồ thời khoảng và tốc độ biểu kiến 9

Hình 1 5 Sự hình thành sóng phản xạ và sóng qua 11

Hình 1 6 Máy thu địa chấn cảm ứng 16

Hình 1 7 Trạm địa chấn Stratavisor NZXP 16

Hình 2 1 Hiệu chỉnh tĩnh 21

Hình 2 2 Mô tả biểu đồ thời khoảng mặt 22

Hình 2 3 Mô tả biểu đồ thời khoảng điểm nổ chung 23

Hình 2 4 Mô tả tuyến quan sát lí tưởng 25

Hình 2 5 Mô tả tuyến quan sát thực tế 26

Danh mục bảng

Bảng 3 1 Kết quả tính cho Mô hình 1 30

Bảng 3 2 Kết quả tính cho Mô hình 2 33

Bảng 3 3 Kết quả tính cho Mô hình 3 37

Bảng 4 1 Bảng số liệu Bài tập 1 43

Bảng 4 2 Bảng kết quả tính toán Bài tập 1 44

Bảng 4 3 Bảng số liệu Bài tập 2 46

Bảng 4 4 Bảng kết quả tính toán Bài tập 2 47

Danh mục biểu đồ

Biểu đồ 3 1 Địa hình tuyến quan sát 29 Biểu đồ 3 2 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mô hình 1 khi chưa hiệu chỉnh về mặt mức và khi đã hiệu chỉnh về mặt mức 31 Biểu đồ 3 3 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mô hình 1 khi đã hiệu chỉnh về mặt mức và biểu đồ thời khoảng tại mặt quan sát lí tưởng (mặt mức) 32 Biểu đồ 3 4 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mô hình 2 khi chưa hiệu chỉnh về mặt mức và khi đã hiệu chỉnh về mặt mức 34 Biểu đồ 3 5 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mô hình 2 khi đã hiệu chỉnh về mặt mức và biểu đồ thời khoảng tại mặt quan sát lí tưởng (mặt mức) 35 Biểu đồ 3 6 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mô hình 3 khi chưa hiệu chỉnh về mặt mức và khi đã hiệu chỉnh về mặt mức 38 Biểu đồ 3 7 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mô hình 3 khi đã hiệu chỉnh về mặt mức và biểu đồ thời khoảng tại mặt quan sát lí tưởng (mặt mức) 39

Biểu đồ 4 1 Biểu đồ thời khoảng Bài tập 1 43 Biểu đồ 4 2 Biểu đồ thời khoảng Bài tập 2 46

1

Mở đầu

1 Lí do chọn đề tài

Địa vật lí thăm dò là tập hợp các phương pháp sử dụng các trường vật

lí có nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo để nghiên cứu Trái Đất, nhằm mục đích xác định thành phần, tính chất, trạng thái vật chất ở đó Các phương pháp địa vật lí phục vụ các nghiên cứu địa chất, tìm kiếm khoáng sản, địa chất môi trường để bảo vệ môi trường và giảm nhẹ thiên tai, khảo sát di tích khảo cổ, khảo sát địa chất công trình kể cả việc đánh giá tham số công trình ở thế nằm tự nhiên [3, 4]

Thăm dò địa chấn là một trong những phương pháp địa vật lí thăm dò,

sử dụng sóng địa chấn hoặc sóng âm thanh để nghiên cứu môi trường Kết quả khảo sát là vị trí các ranh giới phản xạ - khúc xạ, tốc độ truyền sóng trong các lớp đất đá và có thể cả đặc trưng kết cấu cơ lí của đất đá [5] Trong thăm dò địa chấn, có rất nhiều nhóm công việc phải thực hiện, từ các quan sát thực địa đến

xử lí và phân tích số liệu Cũng như mọi phép đo vật lí khác, một trong những việc ban đầu trong khâu xử lí số liệu là tiến hành các hiệu chỉnh Khác với các phép đo trong phòng thí nghiệm với các điều kiện thuận lợi hơn, trên thực địa, yếu tố địa hình ảnh hưởng rất lớn và không tránh khỏi Trên mặt bằng thực địa, trong quá trình đo đạc, các máy thu sóng địa chấn được đặt ở những độ cao khác nhau, phụ thuộc vào địa hình bề mặt của khu vực khảo sát Điểm phát sóng cũng không phải đặt tùy tiện mà cũng phụ thuộc vào điều kiện địa hình và đòi hỏi kỹ thuật Như vậy, địa hình sẽ ảnh hưởng lớn đến thời gian phát – thu sóng, đường đồ thị thời gian (biểu đồ thời khoảng) sẽ bị “méo” so với khi phát – thu trong điều kiện lí tưởng (trên cùng mặt phẳng) Để tiến hành được các khâu xử lí tiếp theo, bắt buộc phải tiến hành các hiệu chỉnh để đưa các điểm thu

và phát về một mặt quan sát lí tưởng (thường là mặt phẳng ngang, gọi là mặt mức) Công việc này trong chuyên môn gọi là “hiệu chỉnh tĩnh”

2

Trong chương trình Vật lí 12 Nâng cao, ở chương III Sóng cơ, học sinh

sẽ được tìm hiều về sóng cơ học Thăm dò địa chấn sẽ là một ví dụ sinh động

về ứng dụng sóng cơ trong nghiên cứu, sản xuất hay nói chung là trong cuộc sống Tìm hiểu về thăm dò địa chấn, tham gia thực địa ngoài trời sẽ là cơ hội tốt để học sinh tăng hứng thú, củng cố kiến thức, phát triển năng lực của mình Trên cơ sở các tìm hiểu về phương pháp thăm dò địa chấn nói chung và việc

xử lí số liệu địa chấn nói riêng có thể xây dựng một số dạng bài tập vận dụng phục vụ giảng dạy chương Sóng cơ Bài toán hiệu chỉnh tĩnh (cụ thể hơn nữa

là hiệu chỉnh địa hình) trong thăm dò địa chấn được thực hiện trên đối tượng là đại lượng thời gian phát – thu sóng vì thế xin được phép tạm gọi là “hiệu chỉnh thời gian truyền sóng”

Với mục đích như đã trình bày ở trên, sinh viên đã lựa chọn đề tài: “Tìm hiểu phép hiệu chỉnh kết quả đo đạc thời gian truyền sóng cơ học trong môi trường đất đá tự nhiên phục vụ giảng dạy môn Vật lí”

2 Cấu trúc khoá luận

Khoá luận gồm có 04 chương:

Chương 1: Vài nét về phương pháp thăm dò địa chấn

Chương 2: Xử lí số liệu

Chương 3: Một số ví dụ hiệu chỉnh

Chương 4: Xây dựng một số bài tập phục vụ giảng dạy chương Sóng cơ, chương trình Vật lí 12

3

Chương 1: Vài nét về phương pháp thăm dò địa chấn

1.1 Thế nào là phương pháp thăm dò địa chấn?

Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lí 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 [2, tr 113]

Hình 1 1 Sơ đồ công tác địa chấn trên đất liền

4

Hình 1 2 Hình ảnh một băng địa chấn phản xạ

Hình 1 3 Hình ảnh một lát cắt địa chấn

5

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…[2, tr 113]

1.2 Cơ sở vật lí của phương pháp thăm dò địa chấn

1.2.1 Sự hình thành sóng đàn hồi

1.2.1.1 Cơ sở lí 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 Húc Môi trường đàn hồi được đặc trưng bởi các tham số đàn hồi như mô-đun giãn dọc E (mô-đun I-âng), mô-đun nén ngang  (hệ số Poát-xông) hoặc hằng số Lame  , bước sóng

 và mật độ 

6

Xét một hình trụ có chiều dài l và đường kính d bị gắn chặt một đầu Dưới tác dụng của lực F, vật bị biến dạng và có độ giãn dọc là l, độ nén ngang là d

Gọi độ giãn dọc tương đối là l và độ nén ngang tương đối là d Ta có:

l l l

2 4

Mô-đun I-âng có trị số bằng ứng suất khi vật thể bị giãn gấp hai lần Các đại lượng E và  đặc trưng cho tính chất đàn hồi của vật thể và không phụ thuộc vào nhau [2, tr 114-115]

1.2.1.2 Sự hình thành sóng đàn hồi

Trong thăm dò địa chấn, khi kích thích xung lực ở một điểm nào đó của môi trường thì sẽ gây nên sự biến dạng và xuất hiện ứng suất Do hiện tượng quán tính nên các phần tử vật chất của môi trường sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, trong môi trường đàn hồi các dao động này được lan truyền theo mọi hướng dưới dạng sóng đàn hồi Sóng đàn hồi được truyền đi với tốc độ xác định, tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trường Trong môi trường đồng nhất, khi có kích thích dao động thì sẽ tạo ra hai loại sóng khác nhau là sóng dọc (P) và sóng ngang (S)

7

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

Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của hạt vật chất vuông 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 v P và v S:

(l ) (l )(l 2 )

2 (l )

P

S

E v

E v

P S

v v

v v l

8

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 kì xác định số

dao động trong một đơn vị thời gian gọi là tần số f 1

T

= Nếu xét sự dịch chuyển của dao động theo tia sóng tại một thời điểm nhất định thì đồ thị biểu diễn dao động tại một thời điểm theo khoảng cách là tuyến sóng Khoảng cách giữa các cực trị cùng tên gọi là bước sóng  Mối quan hệ giữa bước sóng và chu kì được xác định bởi công thức:  =v T P , trong đó v P là tốc độ truyền sóng dọc [4, tr.115-117]

9

1.2.2.1 Trường thời gian

Khi phát 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 kì

( , , )

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 lí 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 vuông 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 (biểu đồ thời khoảng) 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 1 4 Mối quan hệ giữa biểu đồ thời khoảng và tốc độ biểu kiến

với s là quãng đường truyền sóng trong khoảng thời gian t

Mối quan hệ giữa v và *

v được xác định bởi hệ thức:

* sin

v v



=Như vậy, khi sóng truyền theo bề mặt thì có *

v =v, khi sóng đến vuông góc với mặt ranh giới thì *

v =  [2, tr 118]

1.2.2.2 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 lí Huyghen – Fresnen, nguyên lí Fecma

Theo nguyên lí Huyghen – Fresnen, 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 Nhờ nguyên lí này có thể xác định được đặc điểm của trường sóng trong môi trường, nói cách khác là xác định được vị trí mặt sóng ở một thời điểm bất kì nếu biết mặt sóng ở một thời điểm nhất định

Theo nguyên lí Fecma, thời gian sóng truyền theo tia sóng là ngắn nhất

so với tia sóng truyền theo bất kì phương nào khác Xét thời gian sóng truyền theo tia ds giữa 2 điểm A và B với tốc độ v x y z( , , ), ta có [2, tr 118]:

min ( , , )

AB

ds t

v x y z

11

1.2.3 Sự phản xạ của sóng đàn hồi

Ta 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 v P1,v P2, tốc độ truyền sóng ngang v S1,v S2 và mật độ  1, 2

Hình 1 5 Sự hình thành sóng phản xạ và sóng qua

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 nên 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 nên 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

 và phần môi trường dưới là 

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

1.3.1.1 Phát sóng địa chấn trên đất liền

Khi tiến hành 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

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 vuông góc vào mặt cầu nên các dao động đàn hồi được hình thành chủ yếu là sóng cầu dọc

Ngoài nguông 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:

13

- 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 nguông 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 [2, tr 126-127]

1.3.1.2 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 [2, tr 127]

14

1.3.2 Kĩ 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 lí 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 lí trên máy tính một cách thuận lợi và nhanh chóng [2, tr 128]

1.3.3 Mạch địa chấn

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 nhiều 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 [2, tr 128-129]

15

1.3.4 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 cuận 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 cuận dây cảm ứng có sự dịch chuyển tương đối, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng cảm ứng có cường độ

tỉ 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 hai dây dẫn Áp suất của môi trường tác dụng lên mặt tinh thể làm xuất hiện điện áp tỉ 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 [2, tr 129-130]

Hình 1 7 Trạm địa chấn Stratavisor NZXP

- Lọc tần số: Các bộ lọc tần số có nhiệm vị 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

Hiện nay, trong phương pháp địa chấn phản xạ, người ta sử dụng phổ biến hệ thống quan sát “điểm sâu chung” Trong hệ quan sát này bảo đảm thu đươc 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 biểu đồ thời khoảng 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

có ích khác biệt rõ rệt hơn [2, tr 133-134]

Quá trình xử lí số liệu băng địa chấn phải đạt được mục đích tăng tỉ

số năng lượng tín hiệu so với nhiễu và tăng độ phân giải Đây là vấn đề rất phức tạp, đòi hỏi sự phát triển các thiết bị xử lí và hệ thống phần mềm

Quá trình xử lí số liệu bao gồm nhiều khâu như: lọc và xử lí nhiễu, hiệu chỉnh bất đồng nhất phần trên lát cắt (hiệu chỉnh tĩnh), hiệu chỉnh khoảng cách thu nổ (hiệu chỉnh động), cộng sóng điểm sâu chung, xác định tốc độ, hiệu chỉnh dịch chuyển địa chấn [2, tr 135]

Do thời gian và trình độ chuyên môn hạn chế, trong chương này sinh viên tập trung tìm hiểu khâu hiệu chỉnh tĩnh và bài toán thuận địa chấn phản

xạ

2.2 Hiệu chỉnh tĩnh

Trong khi giải bài toán lí thuyết, biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ được xác định có dạng hypebol với điều kiện vị trí máy thu và nguồn nổ đều nằm trên cùng một đường nằm ngang chuẩn (tạm gọi là điều kiện lí tưởng) Trong thực tế thu nổ ngoài thực địa, đặc biệt là khi tiến hành khảo sát trên đất liền, sự bất đồng nhất phần trên lát cắt (địa hình đặt máy thu,

độ sâu phát sóng, chiều dầy đới tốc độ nhỏ ) đã ảnh hưởng làm méo dạng biểu đồ thời khoảng

20

Hiệu chỉnh tĩnh là quá trình loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố bất đồng nhất ở trên mặt có liên quan đến điều kiện phát – thu (độ sâu điểm phát, độ cao (địa hình) đặt máy thu, bất đồng nhất của lớp phủ bở rời phía trên) gây nên méo dạng hypebol của các biểu đồ thời khoảng Do ảnh hưởng của các bất đồng nhất này không đổi với các loại sóng xuất hiện ở các thời gian khác nhau nên gọi hiệu chỉnh này là hiệu chỉnh tĩnh [2, tr 135] Bản chất của phép hiệu chỉnh này là đưa việc phát – thu sóng về điều kiện lí tưởng (điểm phát và các điểm thu cùng nằm trên một mặt phẳng) Đối tượng hiệu chỉnh ở đây là thời gian phát – thu sóng (thời gian truyền sóng) Chính

vì thế, như đã đề cập ở phần mở đầu, sinh viên xin được tạm gọi hiệu chỉnh tĩnh là hiệu chỉnh thời gian truyền sóng

Hiệu chỉnh tĩnh sơ bộ bao gồm hiệu chỉnh điểm nổ n và hiệu chỉnh điểm thu th

T = n + th (2.1) Trong địa chấn biển, hiệu chỉnh tĩnh tương đối đơn giản nên sau đây chúng ta sẽ xem xét hiệu chỉnh tĩnh khi nghiên cứu địa chấn trên đất liền (hình 13.1)

Giả sử tiến hành nổ mìn dưới đáy đới tốc độ nhỏ, hiệu chỉnh điểm nổ được tính theo công thức:

Trong đó: hn là khoảng cách từ điểm nổ đến mặt mức

v2n là tốc độ truyền sóng trong đất đá gốc tại điểm nổ

Trong công thức trên, dấu (+) được sử dụng khi điểm nổ nằm trên mặt mức, dấu (-) khi điểm nổ nằm dưới mặt mức

21

Hiệu chỉnh ở điểm thu được tính theo công thức:

th 2 th th

1

th

hv

Trong đó hth chiều dày đới tốc độ nhỏ tại điểm thu, hth là khoảng cách

từ đáy đới tốc độ nhỏ đến mặt mức, v1th và v2th là tốc độ truyền sóng trong đới tốc độ nhỏ và trong đá gốc nằm dưới đới tốc độ nhỏ tại điểm thu

Ứng với những điểm nổ và điểm thu cố định, hiệu chỉnh tĩnh không phụ thuộc vào thời gian xuất hiện sóng, vì vậy lượng hiệu chỉnh tĩnh đối với sóng khác nhau hoàn toàn như nhau [2, tr.136]

Hình 2 1 Hiệu chỉnh tĩnh

2.3 Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ

Giả sử mô hình môi trường đơn giản gồm hai lớp được phân chia bởi mặt ranh giới R có góc nghiêng  so với mặt quan sát, tốc độ truyền sóng của lớp nằm phía trên mặt ranh giới là v Độ sâu của mặt ranh giới so với điểm nổ O theo phương vuông góc với mặt ranh giới (gọi là độ sâu pháp tuyến) là h0

Giả sử tiến hành quan sát dọc theo tuyến đi qua điểm nổ (tuyến dọc) Trên mặt quan sát có thể định hướng trục x và y bất kì nên có thể đặt tuyến trùng với trục x mà không mất tính tổng quát