Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp đo mặt cắt điện trong xác định ranh giới phân chia cục bộ theo hướng đông tây của nền địa chất tại khu vực phía sau giảng đường h1 của trường đại học bách khoa,

- Xác định sự phân bố cấu trúc phân chia cục bộ theo phương ngang của môi trường bên dưới mặt đất bằng cách thực hiện các phép đo đạc giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường bên t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH CỬ NHÂN VẬT LÝ

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO MẶT CẮT ĐIỆN TRONG XÁC ĐỊNH RANH GIỚI PHÂN CHIA CỤC BỘ THEO HƯỚNG ĐÔNG – TÂY CỦA NỀN ĐỊA CHẤT TẠI KHU VỰC PHÍA SAU GIẢNG ĐƯỜNG H1 CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, PHỤC VỤ CHO VIỆC XÂY DỰNG NỀN MÓNG CỦA CÔNG TRÌNH TẠI KHU VỰC NÀY

LỜI CẢM ƠN

Việc làm khóa luận tốt nghiệp nhằm mục đích giúp sinh viên hình thành ý tưởng

về vấn đề nghiên cứu, biết cách tổng hợp và vận dụng lý thuyết để ứng dụng vào thực

tế

Để hoàn thành khóa luận này, Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy giáo Thạc sĩ-Lương Văn Thọ đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã tận tình dạy dỗ em trong quá trình học các môn đại cương cũng như chuyên ngành

Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè đã giúp

đỡ em trong quá trình làm đề tài cũng như trong học tập

Với điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, Em đã cố gắng tận dụng mọi khả năng và điều kiện để hoàn thành tốt đề tài của mình Nhưng do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong quá trình làm đề tài cũng không tránh được thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và toàn thể các bạn để đề tài của em thêm hoàn thiện

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 05 năm 2013

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 7

1 Lý do chọn đề tài 9

2 Mục đích của đề tài 11

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 11

4 Nhiệm vụ nghiên cứu: 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

6 Những đóng góp của đề tài 12

7 Cấu trúc và nội dung của đề tài 12

B NỘI DUNG 14

CHƯƠNG I : CƠ SỞ ĐỊA CHẤT – VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 14

1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 14

1.1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 14

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 16

1.2.1 Thành phần khoáng vật 16

1.2.2 Độ rỗng và độ nứt vỏ 16

1.2.3 Độ ẩm 17

1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm 17

1.2.5 Kiến trúc bên trong của đất đá 17

1.2.6 Nhiệt độ và áp suất 18

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT ĐIỆN 23

2.1 Điện cực và trường của điện cực trong không gian đồng nhất 23

2.1.1 Cơ sở lý thuyết 23

2.1.2 Điện cực cầu 24

2.1.3 Điện cực bán cầu 25

2.1.4 Trường của hệ điện cực trên nữa không gian đồng nhất 25

2.1.5 Hệ số thiết bị 26

2.1.6 Điện trở suất biểu kiến 30

2.3 Phân bố của điện trường không đổi trong môi trường bất đồng nhất theo 31

phương ngang Phương pháp mặt cắt điện 31

2.3.1Điện trường trong môi trường có các mặt phẳng phân chia thẳng đứng 32

2.3.1.1 Bài toán cơ sở: 32

2.3.1.2 Điện trở suất biểu kiến khi đo mặt cắt điện 33

2.4 Phương pháp đo mặt cắt điện 36

CHƯƠNG 3: CẤU HÌNH THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH ĐO ĐẠC 37

3.1 Đạo hàm Frechet cho môi trường nửa không gian đồng nhất 37

3.1.1 Hàm độ nhạy 1D - chiều sâu khảo sát 39

3.2 Độ nhạy của thiết bị 43

3.2.1 Thiết bị Wenner-Schlumberger 43

3.3 Thiết bị đo đạc 46

3.3.1 Các thiết bị phổ biến trong thăm dò 1D 46

3.3.1.1 Điện cực 46

3.3.1.2 Thiết bị: 47

3.3.2 Bảng thiết bị đo 48

3.3.3 Quy trình đo đạc của thiết bị Wenner-Schlumberger 49

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT ĐIỆN THEO HƯỚNG KHẢO SÁT 52

4.1 Thông tin về khu vực 52

4.2 Phương pháp và vị trí khu vực quan sát 52

4.3.Thuận lợi và khó khăn trong khi đo đạc thực địa 53

4.4 Xử lý số liệu và giải đoán kết quả 53

4.4.1 Xử lý số liệu tuyến Đông - Tây 53

4.4.2 Giải đoán kết quả và kiến nghị đối với tuyến Đông - Tây 55

4.4.3 Xử lý số liệu tuyến Nam –Bắc 57

4.4.4 Giải đoán kết quả và kiến nghị đối với tuyến Nam – Bắc 59

C PHẦN KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng 13

Bảng 1.2 Phân loại khoáng vật theo điện trở suất 13

Bảng 1.3 Điện trở suất của một số đất, đá, khoáng sản và hóa chất phổ biến 20

Bảng 3.1 Chiều sâu khảo sát trung bình (Ze) cho các thiết bị khác nhau(Ater Adward, 1977) 40

Bảng 3.2 Bảng thiết bị đo 46

Bảng 4.1Trình bày kết quả đo điện trở suất của 15 điểm dữ liệu theo hướng Đông – Tây 52

Bảng 4.2 Trình bày kết quả đo điện trở suất của 15 điểm dữ liệu theo hướng Nam – Bắc 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.5 Điện trở suất của đất, đá, khoáng sản 19

Hình 2.1 Hệ bốn điện cực bất kì 24

Hình 2.2 Cấu hình thiết bị bốn cực 25

Hình 2.3 Cấu hình thiết bị lưỡng cực 27

Hình 2.4 Các cấu hình thiết bị sử dụng trong thăm dò điện và hệ số thiết bị của chúng Chú ý rằng, thiết bị lưỡng cực và Wenner – Schlumberger có hai tham số, chiều dài lưỡng cực “a” và thừa số khoảng cách điện cực “n” n thường là số nguyên, tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể sử dụng thừa số “n” không nguyên 29

Hình 2.7 Thiết bị cực – cực 31

Hình 2.8 Thiết bị ba cực 32

Hình 2.9 Thiết bị lưỡng cực trục 33

Hình 3.1 Thiết bị Pole-Pole với điện cực dòng ở điểm gốc và điện cực thế cách nó một khoảng “a” trên mặt môi trường 35

Hình 3.2 Đồ thị hàm độ nhạy 1D a) hàm độ nhạy cho thiết bị Pole-Pole, chú ý là

chiều sâu trung bình của khảo sát (mũi tên đỏ) là gấp 2 lần chiều sâu có độ nhạy cực

đại (mũi tên xanh) b) Hàm độ nhạy và chiều sâu trung bình khảo sát của thiết bị

Wenner 39

Hình 3.3 Mặt cắt độ nhạy 2D cho thiết bị Wenner- Schlumberger Mặt cắt độ nhạy với a) n=1,b) n=2, c)n=4, d) n=6 43

Hình 3.4 So sánh 1) cấu hình điện cực và 2) dạng điểm dữ liệu, cho hai cấu hình thiết bị Wenner và Wenner- Schlumberger 44

Hình 3.5 Thiết bị điện cực dùng trong đo đạc 45

Hình 3.6 Thiết bị Wenner- Schlumberger 46

Hình 3.7 Quy trình đo đạc của phương pháp mặt cắt điện cho cấu hình thiết bị Wenner-Schlumberger với a = 10m, n = 5 47

Hình 3.8 Máy đo điện, một số điện cực và cuộn cáp sử dụng trong đo đạc và thu thập số liệu 48

Hình 3.9 Một số buổi đo đạc và thu thập số liêu ngoài thực địa 49

Hình 3.10 Tuyến khảo sát hướng Đông – Tây 49

Hình 4.1 Thiết bị đo điện trở suất đất, đá 50

Hình 4.2 Vị trí khu vực quan sát ( hướng Đông – Tây) 51

Hình 4.3 a), b) là đường cong biểu diễn sự thay đổi điện trở suất theo vị trí dọc hướng Đông – Tây (nhìn trong mặt phẳng và trong không gian ba chiều) 53

Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện trở suất dọc theo tuyến đo 56

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện trở suất dọc theo tuyến đo Nam-Bắc trong không gian ba chiều 56

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

+ ρ(Ω.m): Điện trở suất của vật chất

+ ρapp(Ω.m): Điện trở suất biểu kiến đo được từ thực nghiệm

+ ε(F/m): Độ điện thẩm

+ μ(H/m): Độ từ thẩm

+ σ(1/ Ω.m): Độ dẫn điện

+ λ: Hệ số bất đẳng hướng (hệ số thấm)

+ ρn(Ω.m): Điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp (dọc)

+ ρt(Ω.m): Điện trở suất theo phương phân lớp (ngang)

+∆U(V): Hiệu điện thế giữa hai cực thu

+GradU= ∆ U: Tốc độ biến thiên của điện thế theo các trục tọa độ

+∂U/∂r: Đạo hàm của điện thế theo tọa độ

+ rC1P1= C1P1(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 1 và điện cực thế thứ 1 + rC1C2= C1C2(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 1 và thứ 2

+ rC2P1= C2P1(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 2 và điện cực thế thứ 1 + rC2P2= C2P2(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 2 và điện cực thế thứ 2 + k: Tham số hình học

+ R(Ω): Điện trở

+ F 3D , F 2D , F 1D: Đạo hàm Frechet hay hàm độ nhạy 3D, 2D, 1D

+ “a(m)”: Khoảng cách giữa hai điện cực liên tiếp

+ “L(m)”: Chiều dài tối đa của thiết bị

+ “n”: Thừa số độ sâu của thiết bị

+ Tìm kiếm, đánh giá, thăm dò khoáng sản, quy hoạch khai thác và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nước, than và các loại khoáng sản rắn

+ Tăng cường hoạt động nghiên cứu cũng như điều tra cơ bản về địa chất và các kiến thức địa chất thủy văn

Các khảo sát địa vật lý sẽ giúp ta thu được trực tiếp các tham số vật lý như: tính đàn hồi, trọng lực, từ trường, độ dẫn điện, độ truyền dẫn và sự phân cực của sóng điện

từ và các bức xạ gamma tự nhiên Các tham số này được dùng để dẫn suất ra các tham

số khác nhau của môi trường như: thành phần hóa học, độ xốp, độ từ thẩm, địa tầng, cấu trúc địa chất và các tính chất khác nhau của các đối tượng nằm trong môi trường gần mặt đất

Tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể, cùng với khả năng tài chính và các đặc điểm của đối tượng nghiên cứu mà người ta lựa chọn các phương pháp địa vật lý khác nhau: thăm dò địa chấn, thăm dò từ, hoặc thăm dò trọng lực, phương pháp phóng xạ, hay là thăm dò điện Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm nhất định đối với từng đối tượng nghiên cứu cụ thể Trong đó phương pháp thăm dò điện được ứng dụng rộng rãi hơn vì giá thành rẽ, thiết bị gọn nhẹ, dễ thao tác thu thập tài liệu

Thăm dò điện là một trong các phương pháp địa vật lý nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất và tìm kiếm, phát hiện, đánh giá các khoáng sản có ích dựa trên việc quan sát trường điện, trường điện từ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Thường được sử dụng nhằm mục tiêu xác định sự phân bố điện trở suất của môi trường bên dưới mặt đất bằng cách thực hiện các phép đo đạc giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường bên trên mặt đất Từ các giá trị đo đạc này, có thể đánh giá được giá trị điện trở suất thật và luận giải về cấu trúc của môi trường bên dưới mặt đất Phương pháp thăm dò điện đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ở Việt Nam là:

- Phương pháp mặt cắt điện trở

- Phương pháp đo sâu điện trở

- Phương pháp ảnh điện

- …

Hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng khoa học kỹ thuật vào trong xây dựng cơ

sở hạ tầng là rất quan trọng, nhằm nâng cao chất lượng công trình,… Đo mặt cắt điện

là một trong những phương pháp hiệu quả và giá thành rẽ trong khảo sát địa chất công trình, nhằm đưa ra các thông số về ranh giới phân chia cục bộ, các đới đập vỡ,….của nền địa chất cần thiết trong việc xây dựng nền móng công trình, nhằm nâng cao tính

ổn định của nền móng công trình

Hơn nữa, toàn bộ các kết cấu do con người tạo ra như (nhà cửa, đường xa, cầu cống, sân bay, thủy điện…) đều được đặt trên nền móng là phần trên cùng của trái đất nên độ an toàn và ổn định của chúng sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào sự hiểu biết về đặc điểm của nền móng này thông qua việc nghiên cứu địa chất

cắt điện trong xác định ranh giới phân chia cục bộ theo hướng Đông-Tây của nền địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H 1 của Trường Đại Học Bách Khoa, phục vụ cho việc xây dựng nền móng của công trình tại khu vực này”

- Xác định sự phân bố cấu trúc phân chia cục bộ theo phương ngang của môi trường bên dưới mặt đất bằng cách thực hiện các phép đo đạc giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường bên trên mặt đất tại khu vực địa chất phía sau giảng đường H1theo hướng Đông-Tây của Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sự thay đổi tham số điện trở suất theo phương ngang (theo hướng đông-tây) của đối tượng địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1 của Trường Đại học Bách khoa

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trên khu vực địa chất phía sau giảng đường

H1 của Trường Đại học Bách khoa theo hướng Đông-Tây, lấy dữ liệu trên đối tượng nghiên cứu vào hai buổi sáng và chiều vào thời điểm thích hợp

4 Nhiệm vụ nghiên cứu:

+ Trình bày tổng quan cơ sở vật lý – địa chất trong thăm dò điện Trong đó, nêu lên tính chất dẫn điện và các yếu tố ảnh hưởng đến sự dẫn điện của vật chất dưới mặt đất Dẫn ra được biểu thức hết sức quan trọng trong thăm dò điện, đó là biểu thức phân

bố điện thế trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang do nguồn dòng phát ra tại một điểm cũng nằm trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang đó

+ Tổng quan lý thuyết phương pháp đo mặt cắt điện.Từ đó, nghiên cứu sử dụng cấu hình thiết bị thích hợp trong đo mặt cắt điện

+ Trình bày về thiết bị máy móc và quy trình đo đạc, thu thập số liệu ngoài thực địa Trong đó có giới thiệu về thiết bị sử dụng, đánh giá độ nhạy của các thiết bị cơ bản và quy trình đo đạc ngoài thực địa của hệ thiết bị Wenner-Schlumberger

+ Phân tích, xử lý số liệu thu thập, luận giải về thay đổi điện trở suất theo tuyến khảo sát và xác định ranh giới phân chia cục bộ theo hướng Đông-Tây của cấu trúc địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1 thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Từ đó rút ra kết luận thực tiễn

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan lý thuyết cơ sở địa chất-vật lý trong thăm dò điện, lý thuyết mặt cắt điện Nghiên cứu thực nghiệm, nghiên cứu thực địa, nghiên cứu cấu hình thiết bị đo thích hợp, quy trình đo đạc thực nghiệm, thực hiện các phép đo đạc giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường bên trên mặt đất tại khu vực phía sau giảng đường H1 theo hướng Đông-Tây của Trường Đại Học Bách Khoa Đà nẵng

+ Ứng dụng cho việc xây dựng nền móng công trình dân dụng tại khu vực phía sau giảng đường H1 của Trường Đại Học Bách Khoa

7 Cấu trúc và nội dung của đề tài

- Phần mở đầu: Gồm 4 trang giới thiệu chung về luận văn

- Phần nội dung: Gồm 4 chương

+ Chương 1: Tổng quan cơ sở vật lý – địa chất trong thăm dò điện

+ Chương 2: Tổng quan lý thuyết phương pháp đo mặt cắt điện

+ Chương 4: Xử lý số liệu và giải đoán kết quả của phương pháp theo tuyến đo

- Phần kết luận:

B NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ ĐỊA CHẤT – VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG

PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN

1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất

1.1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất

Hình dạng và tính chất của trường điện từ trong đất phụ thuộc vào nguồn gây ra trường và các tính chất điện từ của đất đá Tính chất điện từ của đất đá được thể hiện qua các tham số: Điện trở suất , độ điện thẩm, độ từ thẩm , ngoài ra ta còn xét đến

độ hoat động điện hóa , độ phân cực  Đối với một loại đất đá bất kỳ, các tham số điện từ đã nêu phản ánh định lượng khách quan thành phần khoáng vật và thạch học, cấu trúc và lịch sử tạo thành, điều kiện và thế nằm của chúng,… Ngoài ra, các tham số

đã nêu cũng phụ thuộc vào tần số biến đổi của trường điện từ và các điều kiện vật lý khác Điện trở suất là tham số điện từ quan trọng nhất được nghiên cứu trong địa điện, trong hệ SI điện trở suất được đo bằng ohm.m(  m), còn đại lượng ngược lại là độ dẫn

điện , được đo bằng

m

1

 Dòng điện trong môi trường đất đá ở tầng nông (gần mặt đất) truyền dẫn theo hai cách chính: dẫn điện điện tử và dẫn điện điện phân (hay dẫn điện ion) Trong dẫn điện điện tử, phần tử tải điện là các điện tử tự do giống như trong các kim loại Còn trong dẫn điện điện phân, phần tử tải điện là các ion của môi trường nước dưới mặt đất.Trong các khảo sát địa kỹ thuật và môi trường, thì cơ chế dẫn điện điện phân là thông dụng nhất, dẫn điện điện tử chỉ đóng vai trò quan trọng khi có sự hiện diện của khoáng vật dẫn điện như các sulfit và graphit kim loại trong thăm dò khoáng sản Chúng ta có thể phân loại một số vật chất bên dưới mặt đất theo cách dẫn

điện của chúng theo (Bảng 1.1)

Điện trở suất của đất đá bên dưới mặt đất có mối quan hệ chặt chẽ vào đặc tính và

độ dẫn của khoáng vật tạo nên chúng Dựa vào độ lớn của điện trở suất, khoáng vật

có thể được phân loại theo (Bảng 1.2):

Bảng 1.2 :

Bảng 1.1

Bảng 1.1: Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng

Trong đất đá nói chung, tỷ lệ khoáng vật có điện trở suất thấp chứa trong chúng càng lớn thì chúng dẫn điện càng tốt Tuy nhiên, phần lớn trong đất đá, khoáng vật có điện trở suất rất cao Do đó, gần đúng có thể xem các đất đá có thể được tạo nên bởi các khung khoáng vật và dung dịch nước tự nhiên chứa đầy các lỗ rỗng và khe trong khung khoáng vật ấy Nước chứa trong khung khoáng vật có thể chia làm hai loại: Nước tự do chứa trong các lỗ rỗng gọi là nước khối, và nước liên kết trên mặt gọi là nước mặt

Nước khối di chuyển trong đất đá dưới tác dụng của trọng lực và lực mao dẫn Phần tử tải điện trong chúng là các ion muối khoáng Do vậy, lượng nước khối và độ khoáng hóa của nó xác định điện trở suất của đất đá Vì các quá trình điện hóa khác nhau, nên bề mặt các hạt rắn của đất đá có hấp thụ một lớp nước mỏng, mặt trong của lớp nước trên mặt này có các điện tích của pha rắn, còn mặt ngoài có các ion ngược dấu của pha lỏng Kết quả là một lớp điện kép được tạo thành Tùy theo khả năng giữ ion, mà lớp nước trên mặt được gọi là liên kết bền hay không bền, khi có dòng điện chạy qua các ion của nước trên mặt bị phân cực

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của đất đá gồm: Thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ nứt nẻ, độ ẩm, độ khoáng hóa của nước ngầm, kiến trúc bên trong, nhiệt độ và áp suất

1.2.1 Thành phần khoáng vật

Thông thường, các khoáng vật trong đất đá không dẫn điện Vì vậy, điện trở suất của phần lớn các đất đá trầm tích, biến chất và phún suất ít phụ thuộc vào thành phần khoáng vật

1.2.2 Độ rỗng và độ nứt vỏ

Khi tăng độ rỗng, điện trở suất của đất đá giảm, do số lượng nước khối và nước trên mặt tăng lên Các đất đá rắn nứt nẻ ( trầm tích, biến chất, phun trào ) thì có điện trở suất cao nhất Nếu các đất đá này nằm dưới mặt nước ngầm thì điện trở suất lại

thấp

1.2.3 Độ ẩm

Khi tăng độ ẩm, tức độ ngấm nước của phần rỗng, điện trở suất của đất đá giảm

đi Vì vậy, độ dẫn điện của đất đá ở dưới mực nước ngầm thường lớn hơn trên mực nước ngầm Điều này được thể hiện rõ ở các loại như cát thô, loại đá có nhiều khe nứt,…, vì trong chúng nước khối chiếm ưu thế Còn đối với sét sự chênh lệch đó không rõ rệt Vì ở sét nước trên mặt giữ vai trò quan trọng hơn nước khối nên sự chênh lệch về điện trở suất nêu trên không rõ rệt

1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm

Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước khoáng Trong điều kiện tự nhiên, thường độ muối nhỏ, thì điện trở suất có thể xem là đại lượng tỷ lệ nghịch với độ khoáng hóa và ít phụ thuộc vào thành phần của muối hòa tan Do đó, trong thực tế, có thể xác định điện trở suất của nước khoáng bằng cách xem nó chỉ do một loại muối nào đó trong vùng tạo nên Thông thường, người ta lấy NaCl làm đại diện, và có thể dùng công thức thực nghiệm:

M

4,8

~



Trong đó: M là độ khoáng hóa, đơn vị g/l

ρ là điện trở suất của muối khoáng

1.2.5 Kiến trúc bên trong của đất đá

Các đặc tính của kiến trúc và cấu tạo của đất đá không những làm thay đổi giá trị của điện trở suất của nó, mà còn gây tính bất đẳng hướng về điện Tính bất đẳng hướng được thể trước tiên trong các loại đất đá sét trầm tích và trong các phiến thạch,

đó là các loại được cấu tạo bởi các lớp mỏng có điện trở suất khác nhau Theo phương phân lớp có điện trở suất nhỏ hơn theo phương cắt ngang lớp

Đối với đất đá biến chất cũng vậy Nếu đất đá bị nứt nẻ, mà các khe nứt có phương ưu tiên theo quy luật thống kê thì sẽ có tính bất đẳng hướng về tính dẫn điện

Để đặc trưng cho tính bất đẳng hướng về điện, người ta thường dùng tham số bất đẳng hướng:

Trong đó:  _ điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp n

 _điện trở suất theo phương phân lớp t

1.2.6 Nhiệt độ và áp suất

Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước ngầm chứa trong đất đá Mà điện trở suất của nước ngầm phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của ion trong nước khoáng tăng, điện trở suất giảm Sự phụ thuộc ấy được thể hiện bởi công thức:

)18(1

Nhận xét

Các đất đá rắn ( trầm tích, biến chất, phun trào ) có điện trở suất cao nhất Đối với các nham thạch này, độ nứt nẻ và độ phong hóa có tác dụng quyết định đến độ lớn điện trở suất

Các đất đá rắn nứt nẻ nằm dưới mạch nước ngầm có điện trở suất thấp Nếu mức độ nứt nẻ và phong hóa mạnh, đồng thời nước ngầm có độ khoáng hóa cao, điện trở suất của loại đát đá này có thể bé hơn hàng chục, hàng trăm lần so với đất đá đặc sít Nếu trong các khe nứt chỉ chứa không khí thì điện trở suất tăng

Điện trở suất của các đất đá trầm tích tơi hoàn toàn được xác định bởi các điều kiện thủy địa chất

Sét có điện trở suất thấp nhất và ít biến đổi nhất

Đối với các nham thạch trầm tích, kích thước hạt càng lớn thì điện trở suất càng lớn

Để có cái nhìn định lượng về điện trở suất của đất, đá, vật liệu và một số hóa chất Keller, Frischknecht (1966) và Daniels, Alberty (1966) đã đưa ra bảng số liệu

được trình bày trong (Bảng 1.3) Điện trở suất của các đá xâm nhập và biến chất

thường có giá trị rất cao, giá trị điện trở suất của các loại đá này phụ thuộc nhiều vào

độ nứt nẻ và mức độ chứa nước trong các đới nứt nẻ đó Do vậy, giá trị của điện trở suất ứng với mỗi loại đất đá có thể thay đổi trong một giới hạn khá rộng, từ hàng triệu

m

 đến nhỏ hơn một .m, phụ thuộc vào độ ẩm và độ khoáng hóa của nước Đây là một trong những đặc tính rất thiết thực trong việc phát triển các đới nức nẻ, dập vỡ và các đặc trưng phong hóa trong khảo sát địa kỹ thuật và thăm dò nước ngầm

Các đá trầm tích thường có độ xốp và độ chứa nước cao hơn nên có giá trị điện trở suất thấp hơn so với các đá thâm nhập và đá biến chất, giá trị điện trở suất của các

đá này thường thay đổi trong khoảng từ 10.mđến 10000.m, hầu hết đều có giá trị nhỏ hơn 1000 .m, giá trị của điện trở suất phụ thuộc rất lớn vào độ xốp và độ chứa nước của đá và đặc biệt là độ khoáng hóa của nước chứa trong các lỗ rỗng

Các trầm tích bở rời không gắn kết thường có giá trị điện trở suất thấp hơn các

đá trầm tích, với giá trị thay đổi từ vài .mđến nhỏ hơn 1000 Giá trị điện trở suất của chúng phụ thuộc vào độ xốp (chẳng hạng như các trầm tích chứa nước bảo hòa) và hàm lượng các khoáng vật sét, đất sét thường có giá trị điện trở suất thấp hơn đất cát Chú ý rằng, điện trở suất của các loại đất đá thường thay đổi trong một giới hạn khá rộng và chồng chéo lên nhau, vì chúng phụ thuộc một cách chặt chẽ vào các tham số như: độ xốp, mức độ nước bão hoà và hàm lượng các muối hoà tan

Giá trị điện trở suất của nước dưới đất dao động trong khoảng từ 10 đến 100 ohm.m, phụ thuộc vào hàm lượng các muối hoà tan có trong chúng Chú ý rằng, điện trở suất của nước biển rất thấp ( khoảng 0.2.m), do hàm lượng muối cao Điều này giúp cho phương pháp thăm dò điện trở thành một kỹ thuật khá lý tưởng trong việc đo vẽ bản đồ

xác định ranh giới nhiễm mặn ở các vùng Duyên Hải Phương trình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở suất của đá xốp và tham số bão hoà của chất lỏng có trong chúng đó là định luật Archie Định luật này có thể áp dụng cho một số loại đá và trầm tích nhất định, đặc biệt là các đối tượng có hàm lượng sét thấp Trong đó, độ dẫn điện

có thể được giả thiết là do các chất lỏng chứa đầy trong các lỗ xốp của đá Từ định luật Archie, ta có:

m w

Hầu hết các đá, a có giá trị vào khoảng 1 và m có giá trị vào khoảng 2 Đối với

các đá trầm tích có một hàm lượng sét đáng kể thì có các phương trình liên hệ phức tạp hơn

Các giá trị điện trở suất của một số quặng cũng đã được đưa ra và cho thấy các sulfit kim loại như pyrhotite, galena và pyrit có giá trị điện trở suất đặc trưng thấp, thường nhỏ hơn 1.m Điểm đặc biệt là giá trị điện trở suất của một thân quặng hoặc một đối tượng nhất định có thể có sự khác biệt rất lớn so với giá trị điện trở suất của các tinh thể riêng Các tham số khác như đặc tính của thân quặng (đặc sít hoặc xâm tán), cũng

có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị điện trở suất Một điểm quan trọng nữa là than chì có giá trị điện trở suất thấp tương tự như sulfit kim loại Đó là các tiên đề thuận lợi cho việc ứng dụng phương pháp thăm dò điện, cũng như đáp ứng của các bài toán trong thăm dò khoáng sản Hầu hết các oxid như hematite, có giá trị điện trở suất không thấp lắm, ngoại trừ magnetic

Giá trị điện trở suất của một số loại vật liệu hoặc hóa chất ô nhiễm công nghiệp

cũng đã được trình bày trong (Bảng 1.3) Một số kim loại như sắt có giá trị điện trở

suất rất thấp Các hoá chất điện phân mạnh như potasium chloride, và sodium chloride

có thể làm giảm một cách đáng kể điện trở suất của nước dưới đất đến một giá trị nhỏ hơn 1.m ngay cả khi các hóa chất này có hàm lượng tương đối thấp Ảnh hưởng của các chất điện phân yếu như acetic acid, tương đối nhỏ hơn Các hydrocarbon như xylen có giá trị điện trở suất đặc biệt khá cao Tuy nhiên, trong thực tế, tỉ lệ phần trăm của hydrocarbon trong đá hoặc đất là khá nhỏ, và do vậy chúng không ảnh hưởng đáng

kể đến điện trở suất chung

Bảng 1.3:

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT ĐIỆN

Phương pháp mặt cắt điện được sử dụng để ghi nhận sự thay đổi giá trị của điện trở suất biểu kiến theo phương ngang ở độ sâu gần như không đổi tức là cho phép ta nghiên cứu một tầng đất đá có chiều sâu gần như không đổi Phương pháp này thường được sử dụng trong tìm kiếm khoáng sản, xác định vị trí các đứt gãy, các đới dập vỡ hoặc xác định các thể địa phương cục bộ trong môi trường Ngoài ra, phương pháp này cũng thường được sử dụng để xác định chiều sâu của đá gốc và sự hiện diện của bậc không liên tục dọc theo tuyến khảo sát

2.1 Điện cực và trường của điện cực trong không gian đồng nhất

Điện cực thường là một thanh hoặc một đĩa kim loại hoăc một bình xứ xốp trong đó chứa điện cực đồng nhúng trong dung dịch H2SO4 ( loại điện cực không phân cực )

2.1.1 Cơ sở lý thuyết

Định luật vật lý căn bản được sử dụng trong thăm dò điện trở suất là định luật Ohm, chi phối sự truyền dẫn dòng điện trong môi trường.phương trình của định luật Ohm ở dạng vector đối với dòng điện dẫn trong môi trường liên tục như sau:

j = σE (2.1) Trong đó : σ là độ dẫn điện của môi trường, j là mật độ dòng điện dẫn, E là cường độ điện trường Trong thực hành, thông thường chúng ta đo đạc giá trị điện thế, để qua đó tính toán điện trở suất của môi trường Lưu ý rằng, trong thăm dò địa vật lý, giá trị thường được sử dụng là giá trị điện trở suất của môi trường Đây là nghịch đảo của độ dẫn ρ=1/σ mối liên hệ giữa điện thế và điện cường độ dòng điện cho bởi công thức:

E = -∆Φ (2.2) Liên hệ giữa công thức (2.1) và (2.2) ta có:

j= - σ∆Φ (2.3) Trong hầu hết các phương pháp thăm dò điện, nguồn dòng điện thường có dạng nguồn điểm trong trường hợp này, xét một phần tử có thể tích ∆V bao quanh một

nguồn dòng điện I tại vị trí (xs,ys,zs), mối liên hệ giữa mật độ dòng điện và cường độ dòng điện cho bởi biểu thức:

∇ 𝑗 = ( 𝐼

∆𝑉) 𝛿(𝑥 − 𝑥𝑠) 𝛿(𝑦 − 𝑦𝑠) 𝛿(𝑧 − 𝑧𝑠) (2.4) Trong đó δ là hàm Dirac Delta ,phương trình (2.4) có thể viết lại:

∇ [𝜎(𝑥, 𝑦, 𝑧)∇∅(𝑥, 𝑦, 𝑧)] = ( 𝐼

∆𝑉) 𝛿(𝑥 − 𝑥𝑠) 𝛿(𝑦 − 𝑦𝑠) 𝛿(𝑧 − 𝑧𝑠) (2.5) Đây là phương trình cơ bản mô tả sự phân bố điện thế trong môi trường do dòng điện có dạng nguồn dòng điểm gây ra Có khá nhiều kỹ thuật đã được phát triển để giải phương trình này và thường được gọi là bài toán thuận Bài toán thuận là bài toán xác định sự phân bố điện thế gây ra bởi một cấu trúc cho sẵn với các tham

số đặc trưng bên dưới mặt đất đã biết Bài toán thuận cho các vật thể có dạng hình học đơn giản như quả cầu trong môi trường đồng nhất

2.1.2 Điện cực cầu

Xét trường hợp lý tưởng, điện cực là một quả cầu dẫn điện bán kính a, được đặt trong môi trường dẫn điện vô hạn, điện trở suất 

Giả sử có dòng điện liên tục chạy từ tâm hình cầu ra môi trường, phân bố đều

về mọi phía, cường độ tổng cộng I

Ta có dòng điện phân bố đều nên mật độ dòng j

ở một điểm cách tâm quả cầu một khoảng r được tính là

r

r r

I j

U gradU

Suy ra

r

U r

 

r

I dU





4)( 

có mọi tham số như bài toán trước Chỉ khác ở chổ dòng điện phát được nhân đôi, tức

I r U

2)(  

Ta dễ dàng nhận thấy rằng, điện thế ở những điểm ngoài điện cực cầu, điện cực bán cầu không phụ thuộc vào kích thước điện cực Vì vậy nếu cho a 0, điện cực biến thành điện cực điểm

Và thế gây ra bởi điện cực cầu và điểm trong môi trường đồng nhất là:

r

I r U





4)( Thế điện cực bán cầu và điện cực điểm trên nữa không gian đồng nhất là:

r

I r U





2)( 

2.1.4 Trường của hệ điện cực trên nữa không gian đồng nhất

Để tăng các dòng phát vào môi trường đất đá người ta thường ghép các điện cực thành hệ

Xét trường hợp đơn giản, hệ điện cực gồm hai điện cực bằng kim loại C1,C2khác dấu (gọi là 2 cực phát) nối với hai đầu ra của nguồn pin hoặc ăcquy

(2.6)

(2.7)

Xét trường hợp hai cực phát C1, C2 và hai cực đo P1,P2 phân bố bất kỳ trên mặt

đất biểu diễn ở Hình 2.1 bên dưới:

C 2 (-)

C 1 (+)

P 1

P 2

Ta sẽ xét một vài loại thiết bị thường dùng trong thăm dò điện

𝑃1𝑃2 ≪ 𝐶1𝐶2

O

𝑘(𝑟) = 𝜋 𝑟

2

𝑃1𝑃2

̅̅̅̅̅̅ (2.13) Với:

𝑟 =𝐶1𝐶22

là khoảng cách mở thiết bị

b) Thiết bị một cực phát:

Khi một trong hai cực phát nằm đủ xa so các cực còn lại sao cho tác dụng của

nó có thể bỏ qua so với tác dụng của cực phát kia gọi là thiết bị một cực phát

Ta xét hai trường hợp của thiết bị một cực phát:

Thiết bị thế một cực phát: thiết bị 1 cực phát C1, và 1 cực thu P1 Biểu thức thế:

r

I r U





2)

Khi thiết bị chỉ có một cực phát C1 (cực C2->∞) thì trở thành thiết bị nữa Schkumberger.Thiết bị gồm 1 cực phát C1 2 cực thu P1,P2 nằm theo phương nối đến cực phát và cách nhau một khoảng rất bé so với khoảng cách đến cực phát

Biểu thức thế:

𝐸 = −𝜕𝑈

𝜕𝑟 =

𝐼𝜌2𝜋𝑟2 𝑈 = 𝐼𝜌

2𝜋𝑟 (2.15)

c) Thiết bị lưỡng cực:

Thiết bị gồm hai cực phát C1,C2 và hai cực thu P1,P2 đặt sao cho kích thước

C1C2 và P1P2 đều rất nhỏ so với khoảng cách r=OO’, trong đó O, O’ là tâm cặp cực

(2.14)

Thiết bị này thường được sử dụng trong trường hợp khảo sát bất đồng nhất ngang, tìm kiếm quặng mỏ và nghiên cứu độ sâu, nhằm khắc phục khó khăn trong

Hình 2.3 Cấu hình thiết bị lưỡng cực

việc bố trí hệ cực phát dòng C1-C2 với kích thước lớn của thiết bị bốn cực đối xứng Thế do một lưỡng cực phát dòng I gây ra tại một điểm:

𝑈 = 𝐼𝜌2𝜋

𝐶1𝐶2cos 𝜃

𝑟2Tùy theo cách bố trí lưỡng cực thu mà thiết bị lưỡng cực được chia làm hai loại chính:

- Thiết bị lưỡng cực xuyên tâm: là thiết bị có hai cực thu P1-P2 đặt dọc theo phương OO’ Hệ số thiết bị được tính theo công thức

𝑘 = 2𝜋𝑟

3

𝐶1𝐶2

̅̅̅̅̅̅̅ 𝑃̅̅̅̅̅̅ cos 𝜃1𝑃2 (2.16) Khi 𝜃 = 00, thiết bị này được gọi là thiết bị lưỡng cực trục

- Thiết bị lưỡng cực phương vị: là thiết bị lưỡng cực có hai cực thu P1,P2 đặt vuông góc với OO’ Hệ số thiết bị được tính theo công thức

𝑘 = 2𝜋𝑟

3

𝐶1𝐶2

̅̅̅̅̅̅̅ 𝑃̅̅̅̅̅̅ sin 𝜃1𝑃2 (2.17) Khi 𝜃 = 900 thiết bị này được gọi là thiết bị lưỡng cực xích đạo

2.1.6 Điện trở suất biểu kiến

Trong môi trường đồng nhất vô hạn, giá trị  được tính theo biểu thức trên sẽ

là điện trở suất thật của môi trường

Khi môi trường không đồng nhất hoặc không vô hạn, thế và trường không tuân theo các biểu thức đơn giản như các biểu thức được dùng để rút ra điện trở suất, do đó giá trị  tính theo công thức trên sẽ không phải là điện trở suất thật Đại lượng  lúc ấy được gọi là điện trở suất biểu kiến của môi trường, biểu thức tổng quát chung để tính

nó là:

I

U k app

Nếu trong môi trường bất đồng nhất và trong môi trường vô hạn đồng nhất, điện trở suất  ta bố trí các thiết bị đo như nhau, phát dòng như nhau, ta có thể lập tỉ số giữa điện trở suất biểu kiến trong môi trường bất đồng nhất và điện trở suất thật trong môi trường đồng nhất:

0

0 E

E U

Ở đây U0 và E0 là hiệu điện thế và trường trong môi trường đồng nhất

Đại lượng điện trở suất biểu kiến đặc trưng chung cho môi trường không có nghĩa là nó lấy giá trị trung bình của các điện trở suất môi trường Nó có thể lớn hơn giá trị lớn nhất hoặc bé hơn giá trị bé nhất của điện trở suất môi trường, cũng có trường hợp nó bằng một giá trị điện trở suất cùa một bộ phận nào đó của môi trường

(2.18)

(2.19)

2.2 Các cấu hình thiết bị sử dụng trong thăm dò diện

2.3 Phân bố của điện trường không đổi trong môi trường bất đồng nhất theo

phương ngang Phương pháp mặt cắt điện

Một nhiệm vụ quan trọng của nghiên cứu địa chất là xác định rõ sự phân dị về tính chất của nham thạch theo phương ngang, chẳng hạn xác định ranh giới của các lớp nham thạch khác nhau, các dị vật có hình dạng khác nhau Phương pháp thăm dò điện nhằm giải quyết nhiệm vụ vừa nêu gọi là phương pháp mặt cắt điện

Để đặt cơ sở lý thuyết cho phương pháp mặt cắt điện, cần giải hàng loạt bài toán

về phân bố điện trường trong môi trường bất đồng nhất theo phương ngang