Nghiên cứu ứng dụng cấu hình thiết bị wenner schlumberger trong khảo sát ảnh điện hai chiều đánh giá khả năng tích tụ và lan truyền ô nhiễm trong môi trường địa chất từ khu công nghiệp dịch vụ thủy

Hình 1.2: 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 1 Hình 1.3: Mô hình thiết bị

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

WENNER-Ngườithựchiện : LÊ THỊ ANH THY Lớp : 10SVL

Khóa : 2010 – 2014 Ngành : SƯ PHẠM VẬT LÝ Ngườihướngdẫn : ThS LƯƠNG VĂN THỌ

ĐàNẵng, 05/2014

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

Để hoàn thành khóa luận này, em xin bảy 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 ban giáo hiệu nhà trường, ban chủ nhiệm khoa Vật Lý và các thầy cô trong khoa đã tận tình giúp đỡ dạy dỗ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn dộng viên, bạn bè đã luôn giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện dề tài

Với điều kiện nghiên cứu còn 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 thực hiện và trình bày khóa luận 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 2014 Sinh viên thực hiện

Lê Thị Anh Thy

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

MỤC LỤC 2

DANH MỤC 4

A MỞ ĐẦU 7

B NỘI DUNG 10

CHƯƠNG I: CƠ SỞ VẬT LÝ – ĐỊA CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 10

1.1.Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 10

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 12

1.2.1 Thành phần khoáng vật 12

1.2.2 Độ rỗng và độ nứt vỏ 12

1.2.3 Độ ẩm 12

1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm 12

1.2.5 Kiến trúc bên trong của đất đá 13

1.2.6 Nhiệt độ và áp suất 13

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT THĂM DÒ ĐIỆN VÀ ẢNH ĐIỆN HAI CHIỀU 18

2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp thăm dò điện 18

2.2 Lý thuyết ảnh điện hai chiều 22

2.2.1 Cơ sở lý thuyết ảnh điện hai chiều 22

2.2.2 Bài toán thuận trong phương pháp thăm dò ảnh điện hai chiều 24

2.2.3 Bài toán ngược trong phương pháp ảnh điện hai chiều 26

2.2.3.1 Phương pháp bình phương tối thiểu: 27

CHƯƠNG III: ĐỘ NHẠY CỦA THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH ĐO CỦA CẤU HÌNH THIẾT BỊ WENNER-SCHLUMBERGER 31

3.1 Độ nhạy của thiết bị Wenner-Schlumberger 31

3.1.1 Hàm độ nhạy 1D 33

3.1.2 Hàm độ nhạy 2D 36

3.1.3 Độ nhạy của thiết bị Wenner-Schlumberger 38

3.2 Quy trình đo thực địa của cấu hình thiết bị Wenner-Schlumberger 40

3.2.1 Thiết bị, máy đo 40

3.2.1.1 Điện cực 40

3.2.1.2 Máy đo 41

3.2.2 Quy trình đo đạc của thiết bị 43

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CẤU HÌNH THIẾT BỊ WENNER-SCHLUMBERGER TRONG KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN HAI CHIỀU TẠI KHU CÔNG NGHIỆP DỊCH VỤ THỦY SẢN THỌ QUANG 45

4.1 Vị trí và đặc điểm của khu vực khảo sát 45

4.1.1 Vị trí địa lý: 45

4.1.2 Đặc điểm khu vực khảo sát: 45

4.1.3 Vị trí tuyến khảo sát: 46

4.2 Xử lý số liệu và giải đoán kết quả 47

4.2.1 Xử lý số liệu: 47

4.1.2 Giải đoán kết quả và nhận xét: 48

C KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 51

DANH MỤC



 Danh mục bảng:

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 sản và hóa chát phổ biến

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

Adward,1977)

 Danh mục hình vẽ:

Hình 1.1:Dòng điện chạy từ nguồn dòng điện và sự phân bố điện thế

Hình 1.2: 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 1

Hình 1.3: Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực sử dụng trong thăm dò điện

Hình 2.1: Mạng lưới chữ nhật sử dụng trong phương pháp sai phân hữu hạn và phần

tử hữu hạn của chương trình Res2Dmod

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

Hình 3.2: Hàm độ nhạy 1D

Hình 3.3: Hình 3.3: 1) So sánh cấu hình điện cực; 2) Dạng điểm dữ liệu, cho hai cấu

hình thiết bị Wenner và Wenner-Schlumberger

Hình 3.4: Mặt cắt đường cong độ nhạy 2D của thiết bị Wenner-Schlumberger, ứng với

n=1, n=2, n=4, n=6

Hình 3.5: Hệ máy thăm dò điện một chiều Diapir 10R của Hungari

Hình 3.6: trình tự các phép đo để xây dựng một mặt cắt ảnh điện hai chiều cho cấu

hình thiết bị wenner-Schlumberger

Hình 4.1: Vị trí tuyến đo tại Khu Công Nghiệp Hòa Khánh

Hình 4.2: Mặt cắt ảnh điện hai chiều tại khu vực ranh giới giữa Khu Công Nghiệp

dịch vụ thủy sản Thọ Quang và âu thuyền

Hình 4.3: Kết quả ảnh điện hai chiều biểu diễn bằng Surfer8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU



+ ρ(Ω.m) Điện trở suất của vật chất

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

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

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

+GradU= U Tốc độ biến thiên của điện thế theo các trục tọa độ

+ rC1, rC2(m) Khoảng cách từ một điểm trong môi trường (kể cả trên bề

mặt) đến điện cực dòng thứ nhất và thứ hai

+ 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

+ F3D, F2D, F1D 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

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, tại Tp.Đà Nẵng quá trình đô thị hóa diễn ra không ngừng thì các khu công nghiệp cũng được hình thành và phát triển, đặc biệt là Khu Công Nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang gồm 14 doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh các mặt hàng thủy sản Hằng ngày, trong quá trình sản suất các nhà máy trong khu công nghiệp đã thải ra ngoài môi trường một lượng lớn các loại nước thải, đặc biệt

là nước thải có mùi hôi thối đã gây ô nhiễm môi trường Nếu không có sự quan tâm của các cơ quan có chức năng tiến hành các biện pháp kiểm tra, khảo sát và đưa ra các giải pháp xử lý lượng nước thải này, thì về lâu dài Khu Công Nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang sẽ gây ra các ô nhiễm môi trường không khí, môi trường địa chất của khu vực xung quanh, ô nhiễm nguồn nước ngầm, nguồn nước trong âu thuyền và hơn thế nửa là ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người dân xung quanh

Trước vấn đề đó, phương pháp ảnh điện hai chiều là một trong những tổ hợp các phương pháp địa vật lý chiếm ưu thế trong khảo sát, đánh giá các tai biến về địa chất

và môi trường, không những thế giá thành của một cuộc khảo sát ảnh điện thấp hơn so với các phương pháp địa vật lý khác Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp này vào trong khảo sát cấu trúc địa chất và đánh giá khả năng tích tụ, lang truyền các yếu tố gây ô nhiễm trong nền địa chất, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước ngầm, tác động đến sức khỏe và sinh hoạt của người dân xung quanh là vấn đề cần được quan tâm

nghiên cứu và mở rộng Đó là lý do chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu, ứng dụng cấu hình thiết bị Wenner-Schlumberger trong khảo sát ảnh điện hai chiều, đánh giá khả năng tích tụ và lan truyền ô nhiễm trong môi trường địa chất từ Khu Công Nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang đến âu thuyền.”

2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng

Khảo sát sự dẫn điện, tham số điện trở suất và phân bố cấu truc địa chất theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng tại khu vực ranh giới giữa Khu Công Nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang và âu thuyền

2.2 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp lý thuyết:

 Tổng quan cơ sở vật ký – địa chất của phương pháp thăm dò điện

 Tổng quan lý thuyết ảnh điện hai chiều

 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 điên hai chiều

 Thu thập, xử lý sô liệu và giải đoán kết quả bằng phần mềm Res2Dinv

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

3.1 Mục đích của đề tài:

 Nghiên cứu tổng quan lý thuyết và ứng dụng của phương pháp ảnh điện hai chiều

để khảo sát môi trượng địa chất trên mô hình thực tế mà đề tài xét đến

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp ảnh điện hai chiều

 Nghiên cứu lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp với khu vực đang nghiên cứu và

quy trình đo tại khu vực này

 Tiến hành đo đạc thực nghiệm kiểm tra tại khu vực này sau đó xử lý số liệu và giải đoán kết quả nhằm đánh giá khả năng tích tụ và lan truyền ô nhiễm trong môi

trường địa chất tại khu vực đang nghiên cứu

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:

 Trình bày tổng quan về cơ sở lý thuyết 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 đât

 Trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp ảnh điện hai chiều

 Đánh giá độ nhạy của thiết bị Wenner-Schlumberger

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

4 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 hai 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-Schlumberger 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 tại khu vực đề tài nghiên cứu và giải đoán kết quả để phát hiện nước ngầm ở một độ sâu cố định nào đó phục vụ cho việc đánh giá sự lan truyền ô nhiễm tại Khu Công Nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang

Khóa luận gồm có ba phần:

- Phần mở đầu

- Phần nội dung gồm bốn chương:

 Chương 1: Cơ sở vật lý – địa chất của phương pháp thăm dò điện

 Chương 2: Lý thuyết thăm dò điện và ảnh điện hai chiều

 Chương 3: Độ nhạy của thiết bị và quy trình đo của cấu hình thiết bị Wenner – Schlumberger

 Chương 4: Ứng dụng cấu hình thiết bị Wenner – Schumberger trong khảo sát phương pháp ảnh điện hai chiều tại khu công nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang

- Phần kết luận

B NỘI DUNG

CHƯƠNG I:

CƠ SỞ VẬT LÝ – ĐỊA CHẤT 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 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 ngược lại 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 kĩ 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 diễn 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, acxênopirit, calcoopirit,…)



 Graphit và các loaij than cacbon hóa cao

Loại 2 : ( Dẫn điện điện phân)

 Tất cả các nham thạch, trầm tích, biến chất và phún cuất 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

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

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

rõ rệt Vì ở sét nước trên mặt 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 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 lầm đại diện, và có thể xác định điện trở suất theo công thức thực nghiệm:

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

M là đọ 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 cá 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 chân lớp

khi áp suất tăng, vì khi đó thể tích các lỗ rỗng và các đường rỗng chứa dung dịch dẫn điện giảm

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 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 trwor suất của đất, đá, vật liệu 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 thuwongf

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 đến nhỏ hơn một , 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 đến 10000 , hầu hết đều có giá trị nhỏ hơn 1000 , 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 hắn kết thường có giá trị điện trở suất thấp hơn các đá trầm tích, với giá trị thay đổi từ vài đến nhỏ hơn 1000 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 đến

100 , 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 ), 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 a có giá trị vào khoảng 1 và m có giá trị vào khoảng 2 Đối với các trầm tích có một hàm lượng set 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 sản và hóa chát phổ biến

102 – 2,5.108

102 – 2.108

10-6 – 2.10-4

10-6 – 10-32,5.10-8 – 1,7.10-34.10-9 – 10-25.10-9 – 10-2

0,01 – 1 1,23.10-3 – 0,1 0,01 – 0,1

5

1,102.1071,413 1,185 0,163 1,429.10-17

CHƯƠNG II:

LÝ THUYẾT THĂM DÒ ĐIỆN VÀ ẢNH ĐIỆN HAI CHIỀU

2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp thăm dò điện

Phương pháp thăm dò điện là một trong các phương pháp thăm dò địa Vật lý, thường nhằm mục đích 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 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

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 1.1), và giá trị điện

thế biến đổi tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến nguồn dòng 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 ở trường hợp này ( theo lý thuyết thăm dò điện) được cho bởi biểu thức:

U = (2.1)

Trong đó, r là khoẳng cách từ một điểm trong môi trường ( kể cả trên bề mặt) đến điện cực dòng

Hình 1.1 Dòng điện chạy từ nguồn dòng điện và sự phân bố điện thế

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

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:

11

2 r C r C

I U

Hình 1.2 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 1

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 đuợc minh hoạ bởi hình 1.3 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

(2.3)

Hình 1.3: Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực sử dụng trong thăm dò điện

Phương trình (2.3) 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 phương pháp khác nhau 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 và và đo đạc hiệu điện thế giữa hai điện cực thế

và Từ cường độ dòng phát I và giá trị điện thế giữa hai điện cực, ta có thể tính toán được giá trị điện trở suất tương đương với giả thiết môi trường đồng nhất và được gọi là giá trị điện trở suất biểu kiến được tính theo công thức sau:

(2.4)

(k là tham số hình học phụ thuốc vào cách sắp xếp của 4 điện cực)

Các thiết bị đo đạc điện trở suất thông thường có giá trị điện trở R = Vì vậy, trong thực nghiệm giá trị điện trở suất biểu kiến được tính bởi:

(2.6)

Giá trị điện trở suất đã tính toán không phải là giá trị điện trở suất thật của môi trường nửa không gian bên dưới, mà nó là giá trị tương đương với giá trị điện trở suất của môi trường đồng nhất được đo bởi cùng một hệ thiết bị và được gọi là giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường Mối liên hệ giữa giá trị điện trở suất biểu kiến và giá trị điện trở suất thật là mối liên hệ phức tạp Việc xác định điện trở suất thật từ giá trị điện trở suất biểu kiến là vấn đề của bài toán ngược

Hình 1.4 , trình bày các mô hình thiết bị thông dụng sử dụng trong thăm dò điện cùng

với các tham số hình học của chúng

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 1.5), sự chênh lệch điện thế giữa các

(2.10)

Trong đó:

, với a là khoảng cách liên tiếp giữa các điện cực

Hình 1.5: Hệ thiết bị bốn cực đối xứng

2.2 Lý thuyết ảnh điện hai chiều

2.2.1 Cơ sở lý thuyết ảnh điện hai chiều

Đối với phương pháp ảnh điện hai chiều thì điện trở suất của môi trường vật chất được giả thiết là thay đổi theo độ sâu và theo phương ngang dọc theo tuyến khảo sát, định luật Ohm chi phối sự truyền dẫn dòng điện trong môi trường vật chất Phương trình định luật Ohm ở dạng vectơ đối với dòng điện dẫn trong môi trường liên tục như sau:

E



Trong đó: σ là độ dẫn điện của môi trường

Trong đó:  là hàm Delta Dirac

Phương trình (4) có thể viết lại là:

V

Iz,y,xUz,y,

2.2.2 Bài toán thuận trong phương pháp thăm dò ảnh điện hai chiều

Trong bài toán thuận, sự phân bố tính chất điện trở suất và mô hình hình học

của môi trường bên dưới là các tham số đã được xác định Mục đích của việc giải

bài toán thuận là tính toán các giá trị điện trở suất biểu kiến sẽ đo được bởi công tác thăm dò thực địa trên môi trường đã biết đó Mô hình bài toán thuận là một

phần không thể thiếu được trong bất kỳ chương trình giải bài toán ngược nào,vì nó cần thiết để tính toán các giá trị điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết cho mô hình được tạo ra bởi sự nghịch đảo, để xem xét mức độ phù hợp giữa các giá trị thực nghiệm và giá trị lý thuyết Các phương pháp được sử dụng để tính toán các giá trị điện trở suất biểu kiến cho một mô hình đã xác định:

 Các phương pháp giải tích

 Các phương pháp điều kiện biên

 Các phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn

Trong các phương pháp trên thì phương pháp giải tích là chính xác nhất Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ áp dụng cho các đối tượng có dạng hình học đơn giản (như là hình cầu, hình trụ,…) Các phương pháp phần tử biên (hay điều kiện biên) thì linh hoạt hơn, nhưng bị giới hạn ở số vùng có giá trị điện trở suất khác nhau (thường nhỏ hơn 10) Mặc dù vậy, cả hai phương pháp trên là các phương pháp độc lập hữu dụng có thể sử dụng để kiểm tra độ chính xác của các phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn Trong các khảo sát địa kỹ thuật và môi trường, có sự phân bố bất thường về tính chất điện trở suất của môi trường bên dưới, cho nên các phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn thường được lựa chọn Trong các phương pháp này, môi trường bên dưới thường được chia thành nhiều phần tử, mỗi phần tử có tính chất điện trở suất khác nhau

Người ta thường dùng chương trình Res2DMod để giải quyết bài toán thuận trong thăm dò điện (2D), trong chương trình này ta có thể chọn phương pháp phần

tử hữu hạn hoặc phương pháp sai phân hữu hạn Khi đó, môi trường bên dưới được chia thành một lượng lớn các phần tử hình chữ nhật và ta có thể ấn định giá trị điện

trở suất cho từng phần tử (hình 2.1) Phương pháp sai phân hữu hạn dựa trên cơ sỡ

của phương pháp Dey và Morrison (1979a) và được cải tiến bởi Loke (1994) để nhằm hiệu chỉnh sự bất ổn định của phương pháp này, riêng phương pháp phần tử hữu hạn thường ta sử dụng các phần tử tam giác tiêu chuẩn bậc 1 (Silvester và Ferrari, 1990)

Hình 2.1: Mạng lưới chữ nhật sử dụng trong phương pháp sai phân hữu hạn và phần

tử hữu hạn của chương trình Res2Dmod

Điều chúng ta quan tâm nhất là vấn đề nghịch đão dữ liệu thực địa Tuy nhiên, chương trình mô hình bài toán thuận cũng hữu dụng và đặc biệt là trong giai đoạn ban đầu lập đề cương dự án Ta biết rằng mỗi thiết bị khác nhau sẽ có mặt cắt độ nhạy khác nhau Về mặt lý thuyết, dựa vào tính chất này chúng ta có thể lựa chọn một cách hợp lý khả năng đáp ứng của một thiết bị nào đó cho việc đo đạc mỗi lớp riêng của cấu trúc bên dưới (ví dụ các đới dập vỡ thẳng đứng) Nhưng điều này cũng không thể thay thế cho việc tính toán trực tiếp mặt cắt giã định điện trở suất biểu kiến kỳ vọng

Trước khi tiến hành công tác thực địa, ta có thể biết một số thông tin về đối tượng khảo sát như là: kích thước, hình dạng của đối tượng Trên cơ sỡ đó, ta tiến hành thử với các thiết bị khác nhau trên máy tính, nhờ đó biết được loại thiết bị nào không thích hợp cho việc khảo sát, nghiên cứu hoặc phát hiện được các đối tượng cần quan tâm Chương trình bài toán thuận có thể cho chúng ta biết khoảng cách liên tiếp của các điện cực, cũng như khoảng cách tối đa cần thiết của các điện cực

Nó giúp cho người sử dụng lựa chọn được thiết bị thích hợp cho việc khảo sát hoặc