Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp ảnh điện 1d khảo sát sự phân bố nước ngầm theo độ sâu tại khu dân cư mới (ở bờ đông) gần chân cầu thuận phước

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ Bảng 1.1: Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng Bảng 1.2: Phân loại khoáng vật theo điện trở suất Bảng 1.3: Điện trở suất của một số đất, đá, kho

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 1D KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ NƯỚC NGẦM THEO ĐỘ SÂU TẠI

KHU DÂN CƯ MỚI (Ở BỜ ĐÔNG) GẦN

CHÂN CẦU THUẬN PHƯỚC

Người thực hiện: NGUYỄN THỊ CẨM TRÂM Lớp : 11CVL

Khóa: 2011-2015 Ngành : VẬT LÝ HỌC Người hướng dẫn: ThS LƯƠNG VĂN THỌ

Đà Nẵng, 05/2015

LỜI CẢM ƠN

Thực hiện 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

Sau hơn năm tháng nghiên cứu và tìm hiểu, đề tài khóa luận tốt nghiệp của tôi đã

cơ bản hoàn thành Để đạt được kết quả này, tôi đã hết sức nỗ lực đồng thời cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và ủng hộ của thầy cô, gia đình và bạn bè

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, các thầy cô trong khoa Vật Lý Trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt bốn năm học tập và rèn luyện tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo – Thạc sĩ Lương Văn Thọ, khoa Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng thầy vẫn dành rất nhiều thời gian trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, quan tâm giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình thực nghiệm cũng như thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn động viên, bạn bè đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài của mình

Với vốn kiến thức hạn hẹp và thời gian tiến hành quá trình thực nghiệm có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của quý thầy cô trong khoa Đó sẽ là những hành trang quý giá giúp tôi hoàn thiện vốn kiến thức của mình sau này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 05/2015 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Cẩm Trâm

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU 7

A MỞ ĐẦU 9

I.LÝDOCHỌNĐỀTÀI: 9

II.ĐỐITƯỢNGVÀPHẠMVINGHIÊNCỨU: 10

III.PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU: 10

IV.MỤCĐÍCHVÀNHIỆMVỤNGHIÊNCỨU: 11

V.ÝNGHĨAKHOAHỌCVÀTÍNHTHỰCTIỄNCỦAĐỀTÀI: 12

VI NỘI DUNG VÀ CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI: 12

B NỘI DUNG 13

CHƯƠNG 1: 13

CƠ SỞ VẬT LÝ – ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÕ ĐIỆN 13

1.1.TÍNH CHẤT DẪN ĐIỆN CỦA VẬT CHẤT DƯỚI MẶT ĐẤT: 13

1.2CÁC 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 nẻ: 16

1.2.3 Độ ẩm: 16

1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm: 16

1.2.5 Kiến trúc bên trong của đất đá: 17

1.2.6 Nhiệt độ và áp suất: 17

1.3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN: 22

CHƯƠNG II: 28

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ẢNH ĐIỆN MỘT CHIỀU (1D) 28

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 1D: 28

2.2 BÀI TOÁN THUẬN TRONG PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 1D: 41

2.3 BÀI TOÁN NGƯỢC TRONG PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 1D: 44

CHƯƠNG III: 48

NGHIÊN CỨU ĐỘ NHẠY, CẤU HÌNH THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH 48

ĐO ĐẠC THỰC ĐỊA 48

3.1MÔ HÌNH CHO MÔI TRƯỜNG NỬA KHÔNG GIAN ĐỒNG NHẤT: 48

3.2 HÀM ĐỘ NHẠY 1D: 51

3.3 ĐỘ NHẠY CỦA THIẾT BỊ WENNER-ALPHA: 55

3.4QUY TRÌNH ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM CỦA CẤU HÌNH THIẾT BỊ WENNER-ALPHA TRONG KHẢO SÁT ẢNH ĐIỆN 1D: 57

3.4.1 Mô hình lý thuyết phân lớp ngang: 57

3.4.2 Điện cực và máy đo: 58

3.4.2.1 Điện cực: 58

3.4.2.2 Máy đo: 58

3.4.3 Bảng các thiết bị đo: 60

3.4.4 Quy trình đo: 62

3.4.5 Một vài chú ý trong quá trình đo thực nghiệm: 63

CHƯƠNG IV: 65

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 1D KHẢO SÁT 65

SỰ PHÂN BỐ NƯỚC NGẦM THEO ĐỘ SÂU TẠI KHU DÂN CƯ MỚI 65

(Ở BỜ ĐÔNG) GẦN CHÂN CẦU THUẬN PHƯỚC 65

4.1.VỊ TRÍ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA KHU VỰC KHẢO SÁT: 65

4.1.1 Vị trí địa lý: 65

4.1.2 Địa hình: 66

4.1.3 Khí hậu: 66

4.1.3.1 Mưa : 66

4.1.3.2 Bốc hơi nước : 67

4.1.3.3 Nhiệt độ : 67

4.1.3.4 Gió: 67

4.1.3.5 Độ mặn: 67

4.2.XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ: 68

4.2.1 Xử lý số liệu: 68

4.1.2 Giải đoán kết quả và nhận xét: 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

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

Bảng 1.2: Phân loại khoáng vật theo điện trở suất

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

Hình 1.4: Dòng điện chạy từ nguồn dòng điểm và sư phân bố điện thế

Hình 1.5: Sự phân bố điện thế gây ra bởi một cặp điện cực dòng đặt cách nhau 1m với

dòng điện 1A trong môi trường nửa không gian đồng chất có điện trở suất 1Ωm

Hình 1.6: Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực sử dụng trong thăm dò điện

Hình 1.7: Các mô hình thiết bị được sử dụng trong thăm dò điện trở suất và các tham số

hình học của chúng

Hình 1.8: Hệ thiết bị bốn cực đối xứng

Hình 2.1: Mô hình phân lớp ngang của môi trường đồng nhất bất đẳng hướng

Hình 2.2: Dáng điệu của hàm J 0 (mr) và Y 0 (mr)

Hình 2.3: Dáng điệu của hai hàm thx và cthx

Hình 3.1: Thiết bị Pole- pole với điện cực dòng ở điểm gốc và điện cực thế cách nó một

khoảng a(m) trên mặt môi trường

Hình 3.2: Đồ thị hàm độ nhạy 1D

a, Hàm độ nhạy cho thiết bị pole- pole

b, Hàm độ nhạy của thiết bị Wenner

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

1977)

Bảng 3.2: Bảng ghi số liệu đo thực địa (cấu hình Wenner-alpha)

Hình 3.3: Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Wenner, cho các cấu hình thiết bị:

Wenner alpha, wenner beta và wenner gamma

Hình 3.4: Mô hình thực tế phân lớp ngang

Hình 3.5: Hệ máy thăm dò điện một chiều Diapir 10R của Hungari, nguồn 160V, các điện cực và cuộn cáp

Hình 3.6: Vị trí tuyến khảo sát nhìn từ Google map

Hình 3.7: Sơ đồ về quy trình đo cho cấu hình thiết bị Wenner – Alpha

Hình 3.8: Một buổi đo đạc ngoại thực địa tại khu vực khảo sát

Hình 4.1: Họa đồ phường Nại Hiên Đông khu vực cầu Thuận Phước

Bảng 4.1: Nhiệt độ phân bố trong năm tại khu vực khảo sát

Bảng 4.2: Bảng số liệu tuyến khảo sát

Hình 4.3: Kết quả ảnh điện 1D tại khu vực địa chất (nằm gần phía bờ Đông) gần chân

Cầu Thuận Phước, xử lý bằng phần mềm Res1dinv, với sai số 7.53%

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

+ (Ωm) : Điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp

(Ωm) : Điện trở suất theo phương chân lớp

+t ( o C) : Nhiệt độ

: Điện trở suất ở 180C

(Ωm) : Điện trở suất của vật chất

+ app( Ωm) : Điện trở suất biểu kiến được đo từ thực nghiệm

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

+ : Đạo hàm của điện thế theo tọa độ

+ = (m) : Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ nhất và điện cực thế thứ nhất

+ = (m) : Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ nhất và điện cực dòng thứ hai

+ = (m) : Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ hai và điện cực thế thứ nhất

+ = (m) : Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ hai và điện cực thế thứ hai

+R(Ω) : Điện trở

+ : 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

A MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa, hàng loạt các khu kinh tế, khu dân cư, khu công nghiệp mới được đầu tư phát triển ở vùng ven biển Miền Trung Bên cạnh những lợi thế về điều kiện tự nhiên, giao thông, địa hình… thì sự khó khăn của việc cung cấp nước ngọt và sự xâm nhiễm mặn tới nguồn nước ở phía biển cũng là vấn đề đáng quan tâm Song song với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì việc ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ vào đời sống ngày càng rộng rãi và phong phú Riêng đối với ngành địa vật lý thì việc ứng dụng khoa học kĩ thuật vào quá trình địa chất nhằm giải quyết vấn đề nhân sinh và vấn đề môi trường là hết sức cần thiết

Đối với phương pháp địa vật lý có nhiều phương pháp khác nhau tùy vào từng mục tiêu cụ thể và đặc điểm của đối tượng nghiên cứu mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp Hiện nay, phương pháp ảnh điện 1D là một phương pháp hiệu quả, giá thành rẻ trong khảo sát địa chất công trình, có nhiệm vụ khảo sát cấu trúc hình học và tính chất điện của môi trường đất đá thay đổi theo độ sâu, thông qua đó thăm dò các khoáng sản

và mạch nước ngầm dựa trên việc khảo sát điện trường tự nhiên và nhân tạo trong đất đá

So với các phương pháp khác thì phương pháp ảnh điện 1D có những ưu điểm như triển khai đo đạc tương đối đơn giản, xử lý số liệu nhanh bằng các phần mềm trên máy tính

Cơ sở lý thuyết của phương pháp được xây dựng từ bài toán phân bố điện trường trong môi trường dẫn điện phân lớp ngang

Nhận thấy được tiện ích, hiệu quả và các ứng dụng vào thực tiễn của phương pháp, em đã tiến hành thực nghiệm nghiên cứu và thực hiện đề tài:

“NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 1D KHẢO SÁT SỰ PHÂN

BỐ NƯỚC NGẦM THEO ĐỘ SÂU TẠI KHU DÂN CƯ MỚI (Ở BỜ ĐÔNG) GẦN CHÂN CẦU THUẬN PHƯỚC”

II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

* Đối tượng:

- Khảo sát sự dẫn điện, thông số điện trở suất và phân bố cấu trúc địa chất theo phương nằm ngang hoặc gần nằm ngang tại Khu Dân Cư mới ở bờ Đông gần chân cầu Thuận Phước theo hướng Đông – Tây

- Thời gian nghiên cứu: Buổi sáng, chiều liên tục trong vòng 4 tuần

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

* Phương pháp lý thuyết:

- Tổng quan cơ sở địa chất – vật lý của phương pháp thăm dò điện

- Tổng quan lý thuyết ảnh điện 1D

* Phương pháp thực nghiệm:

- Đánh giá độ nhạy, lựa chọn cấu hình thiết bị thích hợp cho đối tượng khảo sát

- Triển khai quy trình đo đạc thực nghiệm trên cấu hình thiết bị đã chọn cho phương pháp ảnh điện 1D

- Thu thập, xử lý số liệu và giải đoán kết quả bằng phần mềm Res1D

IV MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU:

* Mục đích nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết cơ sở địa chất – vật lý trong thăm dò điện để khảo sát môi trường địa chất và sự phân bố nước ngầm trên mô hình thực tế mà đề tài xét đến

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp ảnh điện một chiều (1D)

- Nghiên cứu thực địa, lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp với khu vực đang nghiên cứu và quy trình đo ảnh điện 1D tại khu vực này

- Tiến hành đo đạc thực nghiệm kiểm tra tại khu vực này, sau đó xử lý số liệu bằng phần mềm Res1D để đánh giá sự phân bố nước ngầm tại khu vực đang nghiên cứu

* Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Trình bày tổng quan về cơ sở lý thuyết địa chất – vật lý của phương pháp thăm

dò điện Trong đó nêu lên tính chất dẫn điện và các yếu tố ảnh hưởng đến sự dẫn điện của thành phần vật chất dưới mặt đất Nêu ra 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

- Trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp ảnh điện 1D, cơ sở lý thuyết của phương pháp được xây dựng từ bài toán phân bố điện trường trong môi trường dẫn điện phân lớp ngang

- Đánh giá độ nhạy của hệ thiết bị Wenner-Alpha, để lập bảng thiết bị đo phù hợp với đối tượng nghiên cứu

- Trình bày quy trình đo đạc thực nghiệm, xử lý số liệu và giải đoán kết quả về đối tượng khảo sát

V 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

- Nghiên cứu lý thuyết của phương pháp ảnh điện một chiều, trong đó có tìm hiểu mối quan hệ giữa bài toán thuận và bài toán ngược trong phương pháp ảnh điện nói riêng

và trong thăm dò điện nói chung

- Giới thiệu về các hệ thống thiết bị thăm dò điện, đồng thời trình bày quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa của cấu hình thiết bị Wenner-Alpha sử dụng máy thăm dò điện một chiều DIAPIR – 10R do học viện Hungary sản xuất

- Đưa ra bức tranh về cấu trúc địa chất theo phương ngang hoặc gần nằm ngang tại khu vực đề tài nghiên cứu và giải đoán kết quả về sự phân bố nước ngầm tại khu vực khảo sát, phục vụ cho việc sử dụng nguồn nước ngầm trong quá trình xây dựng công trình dân dụng và dân sinh tại đây

VI NỘI DUNG VÀ CẤU TRÖC CỦA ĐỀ TÀI:

Khóa luận gồm có ba phần:

- Phần mở đầu: Giới thiệu chung về khóa luận tốt nghiệp

- Phần nội dung: gồm 4 chương:

Chương I: Cơ sở vật lý – địa chất của phương pháp thăm dò điện

Chương II: Tổng quan về lý thuyết ảnh điện một chiều (1D)

Chương III: Nghiên cứu độ nhạy, cấu hình thiết bị và quy trình đo đạc

thực địa

Chương IV: Ứng dụng phương pháp ảnh điện 1D khảo sát sự phân bố nước ngầm theo độ sâu tại Khu dân cư mới (ở bờ Đông) gần chân cầu Thuận Phước

- Phần kết luận

B NỘI DUNG

CHƯƠNG 1:

CƠ SỞ VẬT LÝ – ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÕ 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 hoạt 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 ( , còn đại lượng nghịch đảo với nó là độ dẫn điện,

được đo bằng

Dòng điện trong môi trường đất đá ở tầng nông ( gần mặt đất) truyền dẫn theo hai cách chính: 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

Loại 1 : ( Dẫn điện điện tử )

 Các kim loại tự nhiên ( Pt, Au, Ag, Cu)

 Các sulfua ( bornit, galenit, covellin, pirrotin, pentlandit, acxenopirit, calcopirit,…)

 Một vài loại oxyt ( magnetic, caxiterit, …)

 Graphit và các loại than cacbon hóa cao

Loại 2 : ( Dẫn điện điện phân)

 Tất cả các nham thạch, trầm tích, biến chất và phún xuất chưa được kể ở trên, các loại nước tự nhiên

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 : Phân loại khoáng vật theo điện trở suất

 Vàng, bạch kim, bạc tự nhiên < 10 -5

 Các sunfua: pirit, calcopirit, arxenopirit, galenit,…

 Một vài loại oxyt: canxiterit, barnit, marcazit, mangietit,…

 Grafit và vài loại than

10-5 1 Ω

 Hêmatit, bôcxit, kinôvar, anhydrit, selit,… 1 10 5Ω

 Tràng thạch, thạch anh, calxit, mica, dầu,… 105 1022Ω

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 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, 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:

Các khoáng vật thường gặp là 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, mà được quyết định bởi các yếu tố còn lại

1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm:

Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước ngầm và độ khoáng của nó Trong điều kiện tự nhiên có 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, để có thể xác định điện trở suất của nước khoáng, người ta 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 xác định điện trở suất theo công thức thực nghiệm:

Trong đó: là điện trở suất của muối khoáng, đơn vị .m

M là độ khoáng hóa, đơn vị g/l

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 điện trở suất của nó, mà còn gây tính bất đẳng hướng về điện Tính bất đẳng hướng được thể hiện trước tiên trong các loại đất sét trầm tích và trong các phiến thạch, là các loại được cấu tạo bởi các lớp mỏng có điện trở suất khác nhau Theo phương phân lớp thì 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 thì theo quy luật thống kê 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:

√ (1.2)

Trong đó, : điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp

: điện trở suất theo phương phân lớp

1.2.6 Nhiệt độ và áp suất:

Khi nhiệt độ tăng , độ linh động của ion trong nước khoáng tăng, điên trở suất giảm, thể hiện qua công thức:

 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 cao, điện trở suất của loại đất này có thể bé hơn hàng chục, hàng trăm lần so với đất đá đặt sít Nếu trong các khe nứt chỉ chứa không khí thì điện trở suất tăng

Điện trở suất của các đất đá trầm tích hoàn toàn được xác định bởi các điều kiện thủy địa chất Sét có điện trở suất thấp và ít bị 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 hướng về điện trở suất của đất đá, khoáng vật và một số hóa chất Keller, Frischknecht (1966) và Daniels, Alberty (1966) đã 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 Ω đến nhỏ hơn một Ω , 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 nứt 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 Ω đến 10000 Ω , hầu hết đều có giá trị nhỏ hơn 1000 Ω , 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 Ω đến nhỏ hơn 1000 Ω Giá trị điện trở suất của chúng phụ thuộc vào độ xốp ( chẳng hạn như các trầm tích chứa nước bão 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 hòa và hàm lượng các muối hòa tan

Giá trị điện trở suất của nước dưới đất dao động trong khoảng từ 10 Ω đến

100 Ω , phụ thuộc vào hàm lượng các muối hòa tan có trong chúng Chú ý rằng, điện trở suất của nước biển rất thấp ( khoảng 0.2 Ω ), 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 vùng Duyên Hải Phương trình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở suất của đá xốp và tham số bão hòa 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:

(1.4)

Trong đó: : +  là điện trở suất của đá

+ điện trở suất của chất lỏng

+ : tỉ lệ đá chứa chất lỏng

+  và m là các tham số thực nghiệm

Đối với hầu hết các đá, tham số thực nghiệm  có giá trị vào khoảng 1 và m có giá trị vào khoảng 2 Đối với các 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 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 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 hóa chất điện phân mạnh như potasium chloride, và sodium chlroride có thể làm giảm một cách đáng kể điện trở suất của nước dưới đất đến một giá trị nhỏ hơn

1 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 : Điện trở suất của một số đất, đá, khoáng vật và hóa chất phổ biến

1,413 1,185 0,163

1.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò điện:

Phương pháp thăm dò điện là một trong các phương pháp thăm dò địa vật lý 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 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 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò điện là khảo sát phân bố điện trường trong môi trường do một nguồn dòng trên mặt đất gây ra Muốn biết được môi trường bên dưới ta phải tương tác điện với môi trường cần nghiên cứu thông qua các điện cực

Bằng việc phát dòng từ các nguồn điểm trên mặt đất và tiến hành đo điện thế tại các điểm trên mặt đất, rồi sau đó xác định điện trở suất biểu kiến của môi trường bên trên mặt đất Trước hết, chúng ta bắt đầu với trường hợp đơn giản nhất với môi trường đồng nhất và một nguồn điện có dạng nguồn điểm đơn đặt trên mặt đất Trong trường

hợp này, dòng điện chạy theo phương xuyên tâm từ nguồn theo hình 1.4 và giá trị điện

thế biến đổi tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến nguồn dòng

Hình 1.4 Dòng điện chạy từ nguồn dòng điểm và sự phân bố điện thế

Các mặt đẳng thế có dạng cầu và dòng điện chạy theo hướng trực giao với mặt đẳng thế Điện thế tại một điểm trong môi trường trong trường hợp này (theo lý thuyết thăm dò điện) được cho bởi biểu thức:

r

I U

Trong thực tế, tất cả mọi phương pháp thăm dò điện trở suất đều sử dụng ít nhất 2

điện cực dòng, một nguồn dòng âm và một nguồn dòng dương như hình 1.5

Hình 1.5 Sự phân bố điện thế gây ra bởi một cặp điện cực dòng đặt cách nhau 1m với

dòng điện 1A trong môi trường nửa không gian đồng nhất có điện trở suất 1Ωm

Các giá trị điện thế có dạng đối xứng chung quanh mặt phẳng thẳng đứng nằm ở giữa hai điện cực Giá trị điện thế trong môi trường của một cặp điện cực như vậy cho bởi biểu thức sau:

1r

12I

Trong thực tế, hiệu số điện thế giữa hai điểm trên mặt đất có thể được ghi nhận

bởi hai điện cực Một mô hình đặc trưng cho sự sắp xếp các điện cực dòng và điện cực

thế được minh hoạ bởi hình 1.6 Hiệu số điện thế giữa hai điện cực thế được tính bởi

1 C P C P C P P

1r

1r

1r

12

IU

1

(1.7)

Phương trình trên cho phép tính được hiệu số điện thế giữa hai điện cực trong môi trường nửa không gian đồng nhất đối với hệ thiết bị 4 cực Trong thực tế, môi trường địa chất luôn luôn là môi trường phức tạp trong đó có sự hiện diện của các bất đồng nhất phân bố theo các phương khác nhau

Hình 1.6: Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực sử dụng trong thăm dò điện

Do vậy, sự phân bố giá trị điện trở suất của môi trường là sự phân bố 3 chiều Nếu như việc đo đạc giá trị điện trở suất vẫn được thực hiện với giả thiết là môi trường đồng nhất bằng cách phát dòng điện vào môi trường bởi hai điện cực dòng C1 và C2 và đo đạc hiệu điện thế giữa hai điện cực thế P1 và P2 Từ cường độ dòng phát I và giá trị điện thế





1r

1r

1

2

k: là tham số hình học phụ thuộc vào sự sắp xếp của 4 điện cực

Các thiết bị đo đạc điện trở suất thông thường có giá trị điện trở

Chú ý: Thiết bị lưỡng cực và Wenner – Schlumberger có hai tham số, chiều dài

lưỡng cực là 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

Đối với thiết bị bốn cực đối xứng (hình 1.8), sự chênh lệch điện thế giữa các điện cực đo được theo (1.7) là:

I P

C P C P C P C

I

2

1 1

1 1

12

b s b s

Trong đó:

2

,2

2 1 2

s P P

(P1, P2 là vị trí hai điện cực thế, C1,C2là vị trí hai điện cực dòng)

Từ (1.11), ta có:

)(

241

1

2 2

b s s Ibs U b

s b s I

2 2

b s U b s U Ibs

b s s

(1.13) là hàm xác định điện trở suất biểu kiến của môi trường đồng nhất cho hệ

thống thiết bị bốn cực đối xứng (phụ thuộc vào điện thế của các điện cực thu, dòng phát

và khoảng cách hình học giữa các điện cực)

Hình 1.8: Hệ thiết bị bốn cực đối xứng

CHƯƠNG II:

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ẢNH ĐIỆN MỘT CHIỀU (1D)



2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp ảnh điện 1D:

 Bài toán cơ sở:

Ta biết rằng, các đất đá trầm tích trong điều kiện kiến tạo ổn định thường có dạng phân lớp ngang (hoặc gần nằm ngang) Do đó, bài toán nghiên cứu điện trường không đổi trong môi trường phân lớp ngang có ý nghĩa thực tiễn Dựa trên lời giải của bài toán này, người ta xây dựng phương pháp ảnh điện 1D là phương pháp nghiên cứu cấu tạo và

tính chất điện của môi trường phân lớp theo chiều sâu

Ta lý tưởng hóa các điều kiện tự nhiên và giả thiết rằng có môi trường nửa không gian gồm n lớp nằm ngang, tính chất điện là đồng nhất bất đẳng hướng trong mỗi lớp và

biến đổi nhảy vọt khi chuyển qua lớp khác

Nếu đánh số mỗi lớp theo thứ tự từ trên xuống dưới là 1,2,3,……,i,…,n Mỗi lớp thứ i nào đó của môi trường được đặc trưng bởi các tham số:

ti

ni i

ni ti i

, lần lượt là bề dày, điện trở suất ngang, dọc, trung bình

nhân và hệ số bất đẳng hướng của phân lớp thứ i, như hình 2.1:

Giả sử tại một điểm O trên mặt môi trường có nguồn phát dòng I Ta hãy tìm phân

bố điện thế U trong môi trường Vì môi trường đang xét là bất đẳng hướng nên ta không xuất phát từ phương trình Laplace mà từ phương trình liên tục, là phương trình đúng cho mọi môi trường bất kỳ:

t J div

Mặt khác, mối liên hệ giữa cường độ điện trường và điện thế:

gradU

Từ (2.3) và (2.4), ta có mối liên hệ:

gradU J



,

z

U J

01

)(

rJ r J

Thay (2.7) vào (2.8), ta được:

01

11

1

2 2 2

2 2 2

r r

U r r

U

n t

U r r

U

(2.10) (2.10) chính là phương trình Laplace trong tọa độ trụ

 Xác định hàm thế

Ta sẽ giải phương trình (2.10) bằng phương pháp tách biến Xem U(r,  ) là tích của hai hàm, mỗi hàm chỉ phụ thuộc một biến như sau:

) ( ).

( ) , (r  u r v 

Thay vào (2.10) ta được :

0

2 2 2

du r

v dr

u d

Chia hai vế (2.12) cho u.v, ta được:

01

11

2 2 2

du ru dr

u d

Vế trái của (2.13) có hai phần riêng biệt, mỗi phần chỉ phụ thuộc vào một biến Vì vậy ta

có thể đặt:

2 2

2

1

m d

v d

và:

2 2

2 2

11

m dr

du ru dr

u d

e Còn (2.15) là một dạng của phương trình Betxen

Thật vậy, như ta biết phương trình Betxen tổng quát cấp k có dạng:

0 1

1

2 2 2

du x dx

u d

u d

J0( ) , 0( )  và m m

e mr Y e mr

Y0( ) , 0( )  Để chọn nghiệm thích hợp cho bài toán, từ các nghiệm riêng ở trên, ta xét dáng điệu của các hàm J0(mr)và Y0(mr)qua hình 2.2

Hình 2.2: Dáng điệu của hàm J 0 (mr) và Y 0 (mr)

Theo hình 2.2, hàm Y0(mr)vô hạn ở gốc tọa độ do đó hai nghiệm riêng sau không thích hợp với bài toán đang xét Với hai nghiệm riêng đầu ta có thể viết biểu thức thực nghiệm tổng quát của hàm thế trong lớp thứ i nào đó như sau:

),

C được đưa vào để tiện tính toán

● Xét các điều kiện biên và điều kiện giới hạn của hàm thế U:

+ Khi điểm quan sát P tiến dần đến nguồn O, hàm thế U1 trong lớp thứ nhất phải dần đến hàm thế trên mặt môi trường đồng nhất bất đẳng hướng, phải có dạng:

) , ( 2

) ,

2 2



Trong đó: U1'(r,)  0, khi PO

Hàm U1'(r,) là nghiệm của phương trình Laplace

+ Trên mặt môi trường (z 0 ,   0 ) thành phần thẳng đứng của dòng bằng 0

U

(2.20)

+ Trên mỗi mặt phân chia, hàm thế và thành phần pháp tuyến của mật độ dòng

phải liên tục Nghĩa là, trên mặt phân chia giữa lớp thứ i và lớp thứ i+1 khi 





j j

z z

và: (2.21)

1 1

1

1 1

U z

U

i

 Chỉ số ở dưới cho biết lấy đạo hàm theo z của lớp nào Mặt khác, ta có  i z i

và i1z i1 Khi đó điều kiện dưới trở thành:

1

i n

i i n

i i

1

i i i

U U

+ Các hàm thế là hữu hạn trong mọi lớp và dần đến 0 khi P

2 2

1

2),

r

I r

Dùng các công thức biến đổi tích phân đối với hàm Betxen, có thể viết lại (2.23)

thành dạng dễ tính toán hơn Theo công thức Vêbe-Lipsit, ta có:

21 e J (mr)dm r

0

1 1

2 ) 0 ,

0

1 1 1

2

3 2 2

1 1

) (

0

1

0)

(

I U





Vì điều kiện (2.28) đúng với mọi r nên :

0

1

1B 

A và: (2.29)

A1B1  1

Tiếp theo, ta tính điều kiện biên trên các mặt phân chia còn lại Từ điều kiện biên

(2.21) và (2.22), trên mặt phân chia lớp thứ i và thứ i+1, ta có:

i i i

i

U U

Các hàm U i và U i1 đƣợc xác định từ biểu thức (2.23), vì các biểu thức trong (2.30) phải thỏa với mọi r, nên từ (2.23) và (2.30) ta có:

i i

i

i m i m i m

m i m i i

e B e

A e

B e

i i

i i

i i

m 1 i

m 1 i

m 1 i

m 1 i i

1 i m

i

m i

m i

m i

eBe

A

eBe

Ae

Be

A

eBe

Khi đó:

i i i

i i

1 1

1(0)

B A

B A R

i i

i i

i i

m m i i

m m i i

m i m i

m i m i i i

e e

B A

e e

B A e

B e

A

e B e

A R

i i

i

i i i

i i

i i

i i

B

A m B

A m

B

A m B

A m

i i

m m i i

i i

m m

i i

i

e e

e e

B A

e e

B A

B A

e e

B A

R

ln ln

ln ln

i

i e B

i

B

A m

cth