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

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

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 NAM – BẮC CỦA NỀN ĐỊA CHẤT TẠI KHU VỰC PHÁI SAU GIẢNG ĐƯỜNG H1 CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG, PHỤC VỤ CHO VIỆC XÂY DỰNG NỀN MÓNG CỦA CÔNG TRÌNH TẠI KHU VỰC NÀY

MỤC LỤC

1 Lý do chọn đề tài ……… 2

2 Đối tượng nghiên cứu ……… 3

3 Mục đích của đề tài………4

4 Nhiệm vụ nghiên cứu……….4

5 Phương pháp nghiên cứu ……… 5

6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài ……… 5

7 Bố cục của luận văn ……… 5

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐỊA CHẤT – VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 1.1 Tính chất dẫn điên của vật chất dưới mặt đất 6

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 8

1.2.1 Thành phần khoáng vật 8

1.2.2 Độ rỗng và độ nứt vỏ 8

1.2.3 Độ ẩm 8

1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm 9

1.2.5 Kiến trúc bên trong của của đất đá 9

1.2.6 Nhiệt độ và áp suất 10

1.3 Các tham số điện từ khác 14

1.3.1 Độ điện thẩm và độ từ thẩm μ 14

1.3.1.1 Độ điện thẩm ε 14

1.3.1.2 Độ từ thẩm μ 15

1.3.2 Hoạt tính điện hóa 15

1.3.2.1 Hoạt tính khuếch tán hấp thụ 15

1.3.2.2 Hoạt tính ngấm học 16

1.3.2.3 Hoạt tính oxy hóa khử 16

1.3.3 Độ phân cực η 17

CHƯƠNG 2: LÍ THUYẾt PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT ĐIỆN

2.1 Điện cực và từ trường của điện cực trong không gian đồng nhất 19

2.1.1 Điện cực cầu 19

2.1.2 Điện cực bán cầu 20

2.2 Từ trường của hệ điện cực trên nữa không gian đồng nhất 20

2.3 Hệ số thiết bị 21

2.4 Điện trở suất biểu kiến 23

2.5 Các cấu hình thiết bị sử dụng trong thăm dò điện 24

2.6 Phân bố của điện trường không đổi trong môi trường bất đồng nhất theo phương ngang Phương pháp mặt cách điện 24

2.6.1 Điện trường trong môi trường có các mặt phân chia thẳng đứng 25

2.6.1.1 Bài toán cơ sở 25

2.6.1.2 Điện trở suất biều kiến khi đo mặt cắt điện 25

2.6.2 Phương pháp đo mặt cắt điện 27

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU ĐỘ NHẠY, LỰA CHỌN CẤU HÌNH THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH ĐO 3.1 Đạo hàm Frechet cho môi trường nữa không gian đồng nhất 29

3.2 Hàm độ nhạy 1D- chiều sâu khảo sát 31

3.3 Thiết bị Wenner-Schlumberger 32

3.3.1 Độ nhạy 35

3.3.2 Bảng thiết bị đo 37

3.4 Thiết bị đo đạc 39

3.5 Quy trình đo đạc của thiết bị Wenner- Schlumberger 39

CHƯƠNG 4.XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ 4.1 Xử lí số liệu và kết quả 42

4.1.1 Số liệu đo 42

4.1.2 Xử lí số liệu 43

4.1.3 Giải đoán kết quả và kiến nghị 44

4.2 Xử lý số liệu và kết quả tuyến đo Đông – Tây 45

4.2.1 Số liệu đo 45

4.2.2 Xử lý số liệu đo 46

4.2.3 Giải đoán kết quả và kiến nghị của tuyến đo Đông –Tây 47

C KẾT LUẬN

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng 7

Bảng 1.2 Phân loại khoáng vật theo điện trở suất 7

Bảng 1.3 Điện trở suất của một số đất, đá, khoáng sản và hóa chất phổ biến 13

Bảng 3.1 Chiều sâu khảo sát trung bình (Ze) cho các thiết bị khác nhau (Ater Adward, 977 34

Bảng 3.2 Bảng thiết bị 38

Bảng 4.1 Kết quả tuyến đo bắc – nam 42

Bảng 4.3 Kết quả tuyến đo đông – tây 46

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ Hình 2.1 Cấu hình thiết bị bốn cực 22

Hình 2.2 Cấu hình thiết bị lưỡng cực 22

Hình 2.3 Các cấu hình thiết bị sử dụng trong thăm dò điện và hệ số thiết bị của chúng 24

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 29

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 xanh) là gấp 2 lần chiều sâu có độ nhạy cực đại (mũi tên đỏ) b) Hàm độ nhạy và chiều sâu trung bình khảo sats của thiết bị Wenner 32

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 36

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 37

Hình 3.5 Quy trình đo đạc của phương pháp mặt cắt điện cho cấu hình thiết bị Wenner-Schlumberger với a = 10m, n = 5 40

Hình 3.6 Máy đo điện, một số điện cực và cuộc cáp sử dụng để đo đạc 40

Hình 3.7 Một buổi đo đạc ngoài thực địa 41

Hình 3.8 Tuyến khảo sát khi nhìn về hướng Bắc – Nam 41

Hình 3.9 Tuyến khảo sát khi nhìn về hướng Đông – Tây 41

Hình 3.10 Vị trí đo tại khu vực phía sau giảng đường H1 của trường Đại học Bách Khoa 41 Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện trở suất dọc theo tuyến đo Nam – Bắc 43 Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện trở suất dọc theo tuyến đo Nam – Bắc trong không gian ba chiều 44 Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi điện trở suất theo vị trí dọc hướng Đông – Tây : a) nhìn trong mặt phẳng , b) trong không gian ba chiều) 47

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

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

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

+ ρx: Điện trở suất theo phương x

+ ρy: Điện trở suất theo phương y

+ ρz: Điện trở suất theo phương z

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm đề tài, em xin chân thành cảm ơn sự chỉ dẫn nhiệt tình của Thầy giáo Thạc sĩ-Lương Văn Thọ đã giúp em hoàn thành đề tài khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn 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 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

Văn Thị Hiền

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, các phương pháp địa vật lý đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học và đời sống, nhằm phục vụ cuộc sống con người Cùng với sự ra đời và phát triển vượt bậc trong kỹ thuật tính toán, xử lý máy tính và cuộc cách mạng trong chế tạo thiết bị, các phương pháp thu thập và xử lý tài liệu địa vật lý mới đã tạo điều kiện cho các phương pháp địa vật lý có những bước phát triển đáng kể, giữ một vai trò quan trọng trong các ngành khoa học kỹ thuật khác, đặc biệt là trong nghiên cứu và khảo sát địa chất Một số lĩnh vực đã được áp dụng phương pháp địa vật lý, cụ thể là:

+ Nghiên cứu các đặc điểm địa kỹ thuật và môi trường, nhằm cung cấp thông tin cần thiết để có biện pháp thích hợp phòng tránh và giảm thiểu đáng kể những thiệt hại do các biến cố tự nhiên và nhân sinh như: sạt lở, động đất, rò rỉ phóng xạ và các yếu tố môi trường khác

+ Cung cấp các thông tin cần thiết (các tham số địa vật lý) cho thiết kế công trình kèm theo các dự báo cần thiết cho việc phòng tránh các sự cố trong vấn đề kỹ thuật

và môi trường trong tương lai

+ 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 đinh 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 rẻ 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

Thấy được tầm quan trọng đó cùng với tính ưu việt của phương pháp mặt cắt điện

nên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là :”Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp đo

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

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sự thay đổi tham số điện trở suất theo phương ngang 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, lấy dữ liệu trên đối tượng vào hai buổi sáng và chiều vào thời điểm thích hợp

- Mục tiêu xác đinh 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 H1 theo hướng Nam-Bắc của Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

4 Nhiệm vụ nghiên cứu:

+ Thứ nhất: 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

+ Thứ hai: 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

+ Thứ ba: 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

+ Thứ tư: Xử lý số liệu thu thập, phân tích luận giải về thay đổi điện trở suất theo tuyến khảo sát (theo phương nằm ngang hoặc gần nằm ngang) và xác định ranh

giới phân chia cục bộ của cấu trúc địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1

theo hướng Nam-Bắc của Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.Từ đó rút ra các đánh giá 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 Nam-Bắc của Trường Đại Học Bách Khoa

6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài:

+ Tổng quan hóa, cho ta cái nhìn bao quát về cơ sở của phương pháp thăm dò điện

+ Trình bày quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa của phương pháp đo mặt cắt điện

+ Đánh giá độ nhạy của thiết bị sử dụng trong phương pháp đo mặt cắt điện,

từ đó lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp với đối tượng nghiên cứu nhằm đem lại kết quả tốt cho cuộc khảo sát

+ Đưa ra được các kết quả giải đoán sự phân chia cục bộ và đặc điểm của cấu trúc địa chất phân chia cục bộ của nền địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1của trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, nhằm phục vụ cho việc xây dựng nền móng công trình dân dụng tại đây

7 Bố cục của luận văn:

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

- Phần nội dung: 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 3: Đưa ra cấu hình thiết bị, đánh giá độ nhạy và quy trình đo đạc của thiết bị sử dụng trong phương pháp đo mặt cắt điện

+ Chương 4: Xử lý số liệu và nhận xét

- 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

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):

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 phun trào ít phụ thuộc vào thành phần khoáng vật

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

~



(1.1) 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, n là điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp

 là 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

Còn sự phụ thuộc của điện trở suất vào áp suất thì khá phức tạp, tùy thuộc vào các loại đất đá Đối với các đất đá trầm tích xốp và ngậm nước , điện trở suất tăng khi áp suất tăng, vì khi đó thể tích các lỗ rỗng và các đường rỗng chứa dung dịch dẫn điện giảm, do đó điện trở suất tăng

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 .mđến 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 bỡ 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 bảo 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:

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:

Trong nham thạch, điện tích liên kết có trong phần nước khối, nước mặt bao quanh các vật rắn và ngay cả trong các hạt rắn trong các chất thông thường, nước

có độ điện thẩm lớn nhất Khi có dòng điện chạy qua thì vectơ phân cực P được xác định bởi vectơ phân cực của chất điện ly ngầm trong nham thạch P đl và vectơ phân

cực của đất đá P đ, tức là:

P = P đl + P đ = x đl E - x đ E (1.5) Trong đó:

Đại lượng x đ đặc trưng cho sự phân cực kích thích của nham thạch có giá trị

lớn đối với dòng không đổi hoặc biến đổi tần số thấp (f < 10 Hz), khi ấy x đl << x đ

nên lúc đó có thể bỏ qua hệ số phân cực của chất điện ly, và có giá trị bé đối với

dòng tấn số cao ( ở 100 Hz x nt ≈ 0) nên lúc này có thể bỏ qua x đ so với x đl

Ta biết rằng tương quan giữa dòng dẫn và dòng điện dịch phụ thuộc vào tần

số của trường Trong trường hợp điện hóa

(1.7)

Đối với đa số nham thạch ρ ≤ 1000 Ωm, ε = 5εo = (5.10-9 )/(36π.m)

Do đó f ≤ 105

Như vậy trong nham thạch vai trò của dòng điện dịch chỉ rõ rệt khi tần số lớn hơn 105 Hz, tức độ điện thẩm có ảnh hưởng lên đặc tính của trường chỉ trong các

nghiên cứu dùng tần số cao

Độ ngậm nước là yếu tố ảnh hưởng đến độ điện thẩm của dung dịch Các

trầm tích xốp và khô có độ điện thẩm bé, còn các nham thạch xốp và hoàn toàn

ngậm nước có độ điện thẩm rất lớn

Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến độ điện thẩm của nước nên nhiệt độ cũng ảnh hưởng nhiều lên độ điện thẩm của nham thạch xốp

1.3.1.2 Độ từ thẩm μ

Độ từ thẩm μ đặc trưng cho khả năng của chất làm tập trung đường sức của

từ trường Đối với hầu hết các đất đá từ thẩm tỉ đối μ T = 1, tức bằng độ từ thẩm của không khí, riêng một số chất từ ( magnetit, titanmagnetit,piarotin) có độ từ thẩm cỡ

hành chục đơn vị Tùy theo dung lượng sắt từ μ T có giá trị cỡ 3 ÷ 10

Tần số cao ( f > 104) ảnh hưởng đến độ từ thẩm khi nghiên cứu các loại

quặng có tính chất sắt từ

1.3.2 Hoạt tính điện hóa

Cường độ của điện trường tự nhiên cục bộ có thể đặc trưng bằng 1 tham số điện từ của môi trường là hoạt tính điện hóa Xuất phát từ các giả thuyết khác nhau tính điện hóa là các đại lượng khác nhau Thông thường dùng các khái niệm sau

đây:

1.3.2.1 Hoạt tính khuếch tán hấp thụ

Hoạt tính này quyết định tính chất của nham thạch tạo nên hiệu thế tự nhiên,

vì sự khuếch tán các ion nằm trong các chất điện ly có nồng độ khác nhau và vị sự

hấp thụ chúng trên mặt pha rắn trong nham thạch

Công thức thực nghiệm biểu diễn liên hệ hiệu thế khuếch tán hấp thụ ∆U kt-ht

và hiệu thế khuếch tán ∆U kt với hoạt tính khuếch tán hấp thụ

(1.8)

Trog đó: K kt-ht và K kt là hệ số khuếch tán tán hấp và hệ số khuếch tán

C 1 , C 2 là nồng độ dung dịch chứa trong nham thạch

ρ 1, ρ 2 là điện trở suất của dung dịch,tỉ lệ với nồng độ

α kt-ht là hoạt tính khuếch tán hấp thụ Thành phần hóa học, khoáng vật, độ xốp, độ phân tán của nham thạch và độ khoáng hóa của nước dưới đất ảnh hưởng đến hoạt tính khuếch tán hấp thụ, nó biến đổi từ 5-10 mV ở alevrôlit đến 50 mV ở sét và mecgel

1.3.2.2 Hoạt tính ngấm lọc

Hoạt tính này đặc trưng cho tính chất của nham thạch tạo nên hiệu thế tự

nhiên khi nước ngầm được lọc qua các nham thạch Hiệu thế ngấm lọc có thể được xác định bởi công thức:

1.3.2.3 Hoạt tính oxy hóa khử

Hoạt tính này đặc trưng cho tính chất của nham thạch tạo nên ở mặt tiếp xúc giữa vật dẫn điện tử và vật dẫn ion một bước nhảy thế

Trên mặt tiếp xúc giữa vật dẫn điện tử và vật dẫn ion các quá trình điện hóa làm xuất hiện một bước nhảy thế, gọi là thế điện cực các phản ứng oxy hóa khử

đóng vai trò chính trong quá trình đó

Hiệu số của hoạt tính oxy hóa khử và hoạt tính khuếch tán hấp thụ:

Thực nghiệm xác định được:

Trong đó: ∆U o-k là hiệu thế giữa dung dịch oxy hóa và mặt vật dẫn điện tử

khi dung dịch có nồng độ khác nhau C ’ và C ”

(1.9)

(1.12)

Svesnhicôp đã nghiên cứu và nêu lên các yếu tố xác định hoạt tính oxy hóa khử như sau:

+ Thành phần hóa học của khoáng vật gây nên các giá trị thế điện cực khác nhau

+ Cấu trúc và độ dẫn của vật quặng ảnh hưởng lên cường độ điện trường

chẳng hạn vật quặng có khối đặc sít dẫn điện tốt phân cực mạnh hơn vật quặng xâm tán

+ Thành phần hóa học và nồng độ của nước ngầm đóng vai trò rất quang

trọng trong việc tạo nên các điện thế tự nhiên

+ Sự phân bố và vận động của nước ngầm ảnh hưởng lên cường độ và độ ổn định của thế phân cực của quặng

1.3.3 Độ phân cực η

Khi có dòng điện chạy qua, các nham thạch bị phân cực Sự phân cực được xác lập chậm theo thời gian nên không những làm biến đổi cường độ của trường

trong môi trường khi có dòng điện chạy qua mà còn làm xuất hiện cả các thế thứ

cấp sau khi mất dòng Các thế tương tự được gọi là thế phân cực kích thích Nguyên nhân gây ra chúng là quá trình điện thế hóa khác nhau

Người ta biểu diễn mức độ phân cực kích thích qua tham số η gọi là đô phân cực của môi trường Độ phân cực của môi trường bằng tỉ số giữa hiệu thế phân cực

kích thích ∆U pk đo ở thời điểm 0,5s sau khi ngắt dòng phát và hiệu thế ∆U của

trường sơ cấp:

Thế phân cực liên quan đến các quá trình xảy ra trong các tham thạch ở chỗ tiếp xúc pha rắn và pha lỏng Thế phân cực kích thích cực đại nếu nham thạch gồm các khoáng vật dẫn điện điện tử và rất bé đối với nham thạch dẫn điện ion

Giá trị η đối với các loại nham thạch khác nhau biến đổi từ 0,1 đến 30,40%

và được xác định bởi các yếu tố sau: Thành phần khoáng vật, các đặc điểm kiến trúc cấu tạo của nham thạch, độ ẩm, độ khoáng hóa của nước ngầm

Độ phân cực còn được xác định bởi cả dung lượng các khoáng vật dẫn điện

tử K v, cả điện tích tiếp xúc giữa chúng với môi trường dẫn điện ion

(1.13)

Từ lí thuyết và thực nghiệm ta thu được biểu thức sự phụ thuộc của η vào

dung lượng khối của các vật xâm tán K v:

Trong đó β là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc, thành phần và vào các yếu tố

khác, β biến đổi trong giới hạn vài đơn vị, đối với sulfit β ≈ 2,5

Khi tăng độ ẩm, độ phân cực của nham thạch chứa khoáng vật quặng tăng Trong các điều kiện địa chất, thủy địa chất xác định giá trị độ phân cực của nham thạch khá ổn định Ngoài ra mật độ dòng gây phân cực và độ kéo dài của dòng, loại

hệ cực đo,…khác nhau thì độ phân cực khác nhau Để so sánh các kết quả đo thế

phân cực kích thích cần phải đo chúng trong cùng các điều kiện giống nhau

(1.14)

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 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

Do đó

r

I r U



4)

Ta dễ dàng viết được biểu thức thế ở một điểm cách tâm điện cực bán cầu khoảng r:

r

I r

I r U







24

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)



2)

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

B(-) A(+)

M

N

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 A, B khác dấu nối với hai đầu ra của nguồn pin hoặc ăcquy

Xét trường hợp hai cực phát A, B và hai cực đo M, N phân bố bất kỳ trên mặt đất

Do tính cộng được của hàm thế, ta dễ dàng tính được:

BN BM AN AM

2

Ở đây đại lượng

BN BM AN AM

k

1111

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

a) Thiết bị bốn cực đối xứng:

Thiết bị bốn cực trong đó có hai cực phát và hai cực thu nằm cùng trên một đường thẳng và đối xứng qua một tâm chung

Nên

MN

AN AM

Ta xét hai trường hợp đặc biệt thường dùng của thiết bị bốn cực đối xứng

- Trường hợp thứ nhất, khi AM MN  NB AB/3, hệ cực gọi là thiết

Khi đó:

MN

AB k

2

)(  

Với: r=AB/2 là khoảng cách mở thiết bị

Khi thiết bị chỉ có một cực phát A (cực B->∞) thì trở thành thiết bị nữa

Thiết bị gồm hai cực phát A-B và hai cực thu M-N đặt sao cho kích thước AB

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

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 việc

bố trí hệ cực phát dòng A-B với kích thước lớn của thiết bị bốn cực đối xứng

Thiết bị lưỡng cực được chia làm hai loại chính:

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



cos

2 3

MN AB

r

Khi = 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 M-n đặt vuông góc với OO’ Hệ số thiết bị được tính theo công thức



sin

2 3

MN AB

r

Khi = 900 thiết bị này được gọi là thiết bị lưỡng cực xích đạo

2.4 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

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