Bài toán thuận và ngược trong ra đa xuyên đất

Để xử lý và minh giải số liệu GPR, các nhà khoa học thường vận dụng những kỹ thuật đã được phát triển trong địa chấn thăm dò, vì tính tương đồng về nguyên lý thu phát sóng và tổ chức các

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phản biện 3: PGS.TS Hoàng Thái Lan

Phản biện độc lập 1: PGS.TS Cao Đình Triều

Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS NGUYỄN THÀNH VẤN

2 PGS.TS NGUYỄN VĂN GIẢNG

TP Hồ Chí Minh – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả đạt được của luận án đều do tôi thực hiện, không trùng khớp và chưa được công bố trong các nghiên cứu khác

TP.HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2018

Nghiên cứu sinh

ĐẶNG HOÀI TRUNG

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật lý & Vật lý Kỹ

thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM

Tôi xin gửi lời tri ân đến PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, người đầu tiên đưa tôi đến

với các phương pháp điện từ, để bây giờ đây là hướng nghiên cứu chính của tôi Thầy

đã định hướng, chỉ bảo, động viên và tạo rất nhiều điều kiện để tôi có thể hoàn thành

luận án này Đối với tôi, thầy như người cha thứ hai, vì những kinh nghiệm và kỹ năng

khác trong cuộc sống mà thầy đã chia sẻ để tôi có thể hoàn thiện bản thân

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Giảng, người đã trực tiếp truyền

đạt những kiến thức về phương pháp ra đa xuyên đất, giúp đỡ thu thập số liệu, hướng

dẫn phương pháp nghiên cứu, sửa chữa luận án, động viên tôi trong suốt quá trình hoàn

thành đề tài Trong thời gian làm việc với thầy từ lúc thực hiện khóa luân tốt nghiệp đại

học đến nay, tôi đã học được từ thầy sự tận tụy, nhân cách sống, niềm say mê và thái độ

nghiêm túc trong nghiên cứu khoa học

Xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Địa cầu nói riêng và Khoa Vật lý –

Vật lý Kỹ thuật nói chung đã chỉ dạy, hướng dẫn tôi tận tình trong những năm qua

Cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ công việc tại bộ môn để tôi có thời gian hoàn

thành luận án Xin chân thành cám ơn ThS Võ Minh Triết và ThS Nguyễn Văn Thuận

đã đồng hành với tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án, hỗ trợ rất nhiều trong việc

thu thập và xử lý dữ liệu Cám ơn TS Lê Văn Anh Cường, ThS Võ Nguyễn Như Liễu và

ThS Nguyễn Ngọc Trường đã đóng góp nhiều ý kiến cho luận án này

Xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn là chỗ dựa vững chắc nhất giúp tôi an tâm

trong công việc và học tập

Cảm ơn các bạn bè thân hữu đã từng chia sẻ những khó khăn, động viên để tôi hoàn

thành tốt luận án này

Đặng Hoài Trung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÍ HIỆU vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 8

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu giải bài toán thuận và ngược trong phương pháp GPR trên thế giới 8

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu giải bài toán thuận và ngược trong phương pháp GPR tại Việt Nam 15

1.3 Quan hệ giữa địa chấn và GPR 17

1.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Trường điện từ 19

2.2 Tính chất điện từ của vật chất 25

2.2.1 Độ điện thẩm 26

2.2.2 Ảnh hưởng của nước đến độ điện thẩm của đất đá 28

2.2.3 Nước liên kết 29

2.2.4 Các môi trường phân cực phức tạp 29

2.2.5 Tan tổn hao 29

2.2.6 Các thông số khác ảnh hưởng đến độ điện thẩm của đất đá 30

2.2.7 Mối quan hệ giữa nồng độ nước và độ điện thẩm 32

2.3 Các phương pháp xác định vận tốc truyền sóng 33

2.3.1 Định vị những vật thể đã biết độ sâu 33

2.3.2 Hyperbol tán xạ 34

2.3.3 Sử dụng vận tốc chuẩn 35

2.3.4 Sử dụng giản đồ CMP 36

2.3.5 Dịch chuyển 38

2.3.6 Phương pháp thu thập số liệu GPR 38

2.4 Bài toán thuận trong ra đa xuyên đất 39

2.5 Bài toán ngược trong ra đa xuyên đất 44

2.6 Dịch chuyển 45

2.6.1 Giới thiệu 45

2.6.2 Nguyên lý dịch chuyển 46

2.6.3 Dịch chuyển Kirchhoff 48

2.6.4 Dịch chuyển sai phân hữu hạn (FD: Finite Difference) 49

2.6.5 Dịch chuyển tần số - số sóng (F - K: Frequency – wavenumber) 51

2.6.6 Dịch chuyển tách bước Fourier 52

2.7 Tối ưu hóa các thuật toán dịch chuyển bằng entropy cực tiểu và năng lượng cực đại trong xử lý số liệu GPR 54

2.7.1 Entropy cực tiểu 54

2.7.2 Năng lượng cực đại 56

2.7.3 Kết hợp dịch chuyển, entropy và năng lượng trong xử lý số liệu GPR 57

2.8 Kết luận 58

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHÍNH 59

3.1 Nghiên cứu các thuật toán dịch chuyển trên mô hình lý thuyết 59

3.1.1 Mô hình 1 59

3.1.2 Mô hình 2 61

3.1.3 Mô hình 3 64

3.1.4 Mô hình 4 66

3.1.5 Mô hình 5 69

3.1.6 Mô hình 6 71

3.1.7 Mô hình 7 72

3.2 Kết hợp bài toán thuận và ngược trong xử lý số liệu GPR 76

3.2.1 Xác định bó cáp dự ứng lực trong bê tông 76

3.2.2 Ống cấp nước kim loại 78

3.2.3 Ống cấp nước kim loại kích thước lớn 82

3.2.4 Ống cống rò rỉ nước 85

3.2.5 Hầm vuông bên dưới mặt đất 87

3.2.6 Các loại công trình ngầm 90

3.2.7 Khảo sát công trình ngầm tại cơ sở 1, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 97

3.2.8 Khảo sát địa chất tại Cam Lâm, Khánh Hòa 104

3.3 Nhận xét 112

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP GPR 113

4.1 Mối liên hệ giữa vận tốc truyền sóng và các thông số của môi trường 113

4.2 Đặc trưng của sóng đất 115

4.3 Các phương pháp xác định vận tốc sóng đất 117

4.3.1 Xác định vận tốc sóng đất trên giản đồ CMP 117

4.3.2 Xác định vận tốc sóng đất bằng mặt cắt CO 119

4.4 Tính độ ẩm bằng vận tốc sóng phản xạ 123

4.5 Áp dụng thực tế 123

4.5.1 Thiết bị và phần mềm sử dụng 124

4.5.2 Khảo sát tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, cơ sở 2, Linh Trung, Thủ Đức, TP.HCM 124

4.5.3 Khảo sát tại khu đất nông nghiệp, huyện Bình Chánh, TP.HCM 133

4.6 Tính độ ẩm đất bằng sóng phản xạ tại khu vực huyện Bình Chánh, TP.HCM 138

4.7 Nhận xét 141

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 143

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 146

TÀI LIỆU THAM KHẢO 149

J c = σE⃗⃗ : Véc tơ mật độ dòng điện dẫn (A/m2)

J d = jωµE⃗⃗ : Véc tơ mật độ dòng điện dịch (A/m2)

J T = J c + J d: Véc tơ mật độ dòng điện toàn phần (A/m2)

: Điện trở suất (Ωm); : Độ dẫn điện (S/m)

ε0 = 10-9

36π: Độ điện thẩm tuyệt đối của chân không (F/m)

r: Độ điện thẩm tương đối

 = 0r: Độ điện thẩm tuyệt đối của vật liệu (F/m)

0: Độ từ thẩm tuyệt đối của chân không µ0 = 4.10−7 (H/m)

r: Độ từ thẩm tương đối

= 0r: Độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu (H/m)

v: Vận tốc truyền sóng (m/s)

c = 3.108: Vận tốc truyền sóng điện từ trong chân không (m/s)

α: Hằng số suy giảm (Np/m); β: Hằng số pha (rad/m)

γ: Hằng số truyền (m-1); δ: Độ xuyên sâu, bề dày da (m)

λ: Bước sóng (m); λc: Bước sóng tại tần số trung tâm (m)

f: Tần số sóng (Hz); fc: Tần số trung tâm (Hz); fhoiphuc: Tần số hồi phục (Hz)

ω: Tần số góc (rad/s)

η: Tổng trở chân thực (Ω)

T, R: Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ

B: Độ rộng dải tần số; W: Độ rộng xung sóng

A: Tiết diện tán xạ Rayleigh (m2)

r: Độ phân giải theo phương thẳng đứng (m)

ℓ: Độ phân giải theo phương ngang (m)

ε̂: Độ điện thẩm tương đối phức

τ: Thời gian hồi phục độ điện thẩm

t: Thời gian truyền sóng (ns)

t: Thời gian sau hiệu chỉnh

qs

t : Thời gian quan sát được trên lát cắt địa chấn của sóng

c: Góc tới hạn của mặt ranh giới không khí – đất; : Góc giữa tia ló và pháp tuyến P: Tham số hao hụt

k: Số sóng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CO = Constant Offset: Khoảng cách không đổi

CMP = Common Mid Point: Điểm giữa chung

ĐH = Đại học

FD = Finite Difference: Sai phân hữu hạn

GPR = Ground Penetrating Radar: Ra đa xuyên đất

NCS = Nghiên cứu sinh

PSPI = Phase Shift Plus Interpolation: Dời pha nội suy tuyến tính

SSF = Split Step Fourier: Tách bước Fourier

TP.HCM = Thành phố Hồ Chí Minh

WARR = Wide Angle Reflection and Refraction: Phản xạ và khúc xạ góc rộng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.8: Các thông số tính được từ mặt cắt CO2 và CMP2 – ngày 04/06/2016 136

Bảng 4.10: Các thông số tính được từ mặt cắt CO2 và CMP2 – ngày 04/06/2016 141

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Đồ thị biên độ điện trường Ex0(z) theo vị trí z và đồ thị cường độ điện trường Ex(z, t0) theo vị trí z vào lúc t0 trong môi trường có tổn hao của sóng thuận

24

Hình 2.2: Phổ độ điện thẩm của chất lỏng tinh khiết, tự do ở nhiệt độ phòng,

minh họa cho cơ chế hồi phục Debye tại 19 GHz

26

Hình 2.3: Sự phụ thuộc vào tần số của độ điện thẩm chất điện môi trong các loại

phân cực khác nhau

27

Hình 2.4: Mối quan hệ thực tế giữa độ ẩm thể tích và độ điện thẩm tương đối

(được tính từ mối quan hệ thực tế của Topp và cộng sự (1980))

28

Hình 2.6: a) Chọn năm điểm trên hyperbol để lấy giá trị x và t; b) Vận tốc tính

được bằng cách xấp xỉ đường thẳng dạng y = ax + b

35

Hình 2.7: Đường đi của các tia sóng trong phương pháp phản xạ - khúc xạ góc

rộng (WARR) và điểm sâu chung (CMP) cùng đường đặc trưng của chúng

37

Hình 3.1: (a) Mô hình 1; (b) Mặt cắt GPR mô hình 1; (c) Dịch chuyển với vận

tốc v = 0.08 m/ns; (d) Dịch chuyển với vận tốc v = 0.12 m/ns; (e) Dịch chuyển

với vận tốc v = 0.14 m/ns

60

Hình 3.2: a) Mô hình hai dị vật trong môi trường đồng nhất và b) mặt cắt GPR 61

Hình 3.3: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa giá trị vận tốc với (a) entropy và

(b) năng lượng của mặt cắt GPR sau dịch chuyển FD đối với dị vật 1

63

Hình 3.4: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa giá trị vận tốc với (a) entropy và

(b) năng lượng của mặt cắt GPR sau dịch chuyển FD đối với dị vật 2

63

Hình 3.9: Tính vận tốc truyền sóng dựa vào biểu đồ năng lượng đối với

a) Dị vật 1 và b) Dị vật 2

67

Hình 3.10: Dịch chuyển Kirchhoff với vận tốc a) 0.119 m/ns và b) 0.098 m/ns 68

Hình 3.12: a) Mô hình 5 - ranh giới phức tạp; b) Mặt cắt GPR của mô hình 5 69

Hình 3.13: a) Mặt cắt GPR sau dịch chuyển SSF với mô hình vận tốc là mô hình

thật; b) Mặt cắt GPR sau dịch chuyển SSF với mô hình vận tốc phân lớp ngang

70

Hình 3.16: a) Mô hình 7 – vận tốc truyền sóng biến thiên phức tạp; b) Mặt cắt

GPR của mô hình 8 sau khuếch đại

Hình 3.20: Mặt cắt GPR sau xử lý 77

Hình 3.23: a) Mô hình bốn loại ống; b) Mặt cắt GPR của mô hình 4 loại ống 78

Hình 3.24: (a) Mặt cắt GPR tuyến T91 Trần Quang Diệu (sau lọc nhiễu);

(b) Mặt cắt sau dịch chuyển với vận tốc 0.089 m/ns; (c) Biểu đồ entropy;

(d) Biểu đồ năng lượng

79

Hình 3.25: (a) Biểu đồ entropy; (b) Biểu đồ năng lượng; (c) Mặt cắt sau dịch

chuyển đối với dị vật 2 tại vị trí 5.4 m

80

Hình 3.27: a) Mặt cắt GPR phát hiện đối tượng ở vị trí x = 3.4 m và t = 45 ns;

(b) Vận tốc tính được bằng phương pháp hyperbol tán xạ

83

Hình 3.29: Mặt cắt GPR sau dịch chuyển với vận tốc a) 0.103 m/ns và b) 0.093

Hình 3.37: Biểu đồ năng lượng từ mặt cắt sau dịch chuyển Kirchhoff tuyến T7

đối với vùng xung quanh: a) DV1; b) DV2; c) DV3; d) DV4; e) DV5; f) DV7

92

Hình 3.39: Mặt cắt GPR tuyến T7 sau dịch chuyển SSF với mô hình vận tốc ban

Hình 3.47: Giản đồ entropy của mặt cắt sau dịch chuyển FD đối với vùng quan

tâm xung quanh a) Dị vật 1; b) Dị vật 2; c) Dị vật 3

99

Hình 3.57: Mặt cắt GPR tuyến T5: a) trước khi xử lý; b) sau khi xử lý 106

Hình 3.58: Biểu đồ năng lượng khi dịch chuyển FD đối với vùng xung quanh:

a) DV1; b) DV2; c) DV3 và d) DV4

107

Hình 3.61: Mặt cắt GPR T14: a) trước dịch chuyển; b) sau dịch chuyển SSF 109

Hình 4.2: Biểu đồ thời – khoảng của sóng GPR trong môi trường phân lớp Chú

ý rằng, tất cả sóng, ngoại trừ sóng phản xạ, có tín hiệu là đường thẳng trong biểu

đồ thời – khoảng, nhưng với độ dốc khác nhau

115

Hình 4.3: (a) Sóng không khí (A.W) và sóng đất (G.W) với anten tần số 50 MHz,

(b) Phổ tín hiệu của sóng đất, (c) Phổ tín hiệu của sóng không khí

116

Hình 4.5: (a) Chọn một số điểm trên đường tín hiệu sóng đất; (b) Đồ thị đường

thẳng tiệm cận nhất với các điểm đã chọn, hệ số góc là vận tốc truyền sóng đất

Hình 4.8: Nhặt tín hiệu sóng đất trên mặt cắt CMP 125

MỞ ĐẦU

1/ Lý do chọn đề tài

Ra đa xuyên đất (Ground Penetrating Radar – GPR) là phương pháp địa vật lý hiện đại, sử dụng sóng điện từ trong dải tần số 10 – 3000 MHz để nghiên cứu cấu trúc tầng nông bên dưới mặt đất So với các phương pháp khảo sát địa vật lý khác, GPR có nhiều

ưu điểm vượt trội như: không phá hủy, tốc độ khảo sát nhanh, độ phân giải và độ chính xác cao Hiện nay, ra đa xuyên đất đang nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà khoa học nhờ vào những ưu điểm trên và tính hữu dụng trong khảo sát ô nhiễm môi trường, khảo cổ học, nghiên cứu địa chất, đánh giá chất lượng công trình, đo vẽ bản đồ công trình ngầm đô thị, khảo sát sạt lở, xác định các vật thể chôn lấp, kỹ thuật hình sự và băng

hà học

Để xử lý và minh giải số liệu GPR, các nhà khoa học thường vận dụng những kỹ thuật đã được phát triển trong địa chấn thăm dò, vì tính tương đồng về nguyên lý thu phát sóng và tổ chức các tuyến đo của hai phương pháp Tuy nhiên, sự không đồng nhất

về loại sóng sử dụng và sự liên quan của chúng với các thông số vật lý của đất đá cũng dẫn đến những sai khác trong một số công đoạn xử lý và minh giải Khó khăn trên đã đặt

ra nhu cầu phải có các nghiên cứu chuyên sâu về thuật giải và quy trình thực hiện nhằm mục đích đem đến những kết quả tối ưu khi áp dụng phương pháp GPR Hiện nay, có hai cách tiếp cận trong xử lý và minh giải số liệu đo đạc GPR

Cách thứ nhất là xây dựng các mô hình lý thuyết hoặc thực tế bằng bài toán thuận Sau đó, so sánh các mô hình này với số liệu đo đạc Việc giải các bài toán thuận trong ra

đa xuyên đất đã được nghiên cứu từ rất lâu và đã đem lại được những kết quả tích cực Mỗi kiểu cấu trúc địa chất và dị thường đều tạo ra những dạng sóng riêng, gây khó khăn cho công tác giải đoán dữ liệu Hơn nữa, trong các bài toán trước đây, tác động của các loại nhiễu, tính chất vật lý của dị thường và môi trường xung quanh, hiện tượng cộng hưởng và giao thoa sóng điện từ vẫn chưa được tính toán hoàn chỉnh Những hiện tượng

đó có thể dẫn đến những thiếu sót cũng như định dạng sai khi áp dụng vào thực tế Chính

vì vậy, bài toán thuận luôn là yêu cầu và thách thức đối với bất kỳ khảo sát GPR nào Phương pháp tiếp cận thứ hai là sử dụng các thuật toán tác động trực tiếp đến số liệu thực tế để tính toán vận tốc truyền sóng, từ đó rút ra các thông tin về tính chất điện

từ của môi trường nhờ vào các công thức lý thuyết và thực nghiệm Phương pháp này được gọi là bài toán ngược Tuy nhiên, tiếp cận theo cách này thường gặp phải vấn đề khó nhất trong việc minh giải số liệu ra đa xuyên đất là tính đa nghiệm Bởi vì, tín hiệu phản xạ đến anten thu có thể xuất phát từ bất kỳ sự khác biệt nào về tính chất điện từ Hơn nữa, do cách thức thu nhận tín hiệu mà mặt cắt GPR sẽ biểu diễn không chính xác hình ảnh môi trường bên dưới mặt đất Để giải quyết các vấn đề trên, các thuật toán dịch chuyển là lựa chọn tối ưu nhằm xác định chính xác vận tốc truyền sóng, một thông số không thể thiếu để nhận biết độ sâu và kích thước các dị thường, từ đó, giúp biểu diễn lại mặt cắt GPR sao cho gần đúng nhất với hình ảnh thực của khu vực khảo sát

Mặt khác, tại Việt Nam, có nhiều khảo sát GPR chỉ dừng ở mức độ xử lý số liệu cơ bản, trên mặt cắt còn tồn tại các thắt nơ, nhiễu giao thoa, tín hiệu phản xạ nhiều lần, việc tính toán vận tốc truyền sóng thực hiện sơ sài, chủ yếu dựa trên kinh nghiệm hoặc những thông số có sẵn trong các tài liệu hướng dẫn chung Điều đó có thể gây ra nhiều nhận định sai lầm trong quá trình minh giải Chính vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng thành một quy trình khảo sát, xử lý và minh giải số liệu GPR cụ thể, bằng cách kết hợp các bài toán thuận và ngược là yêu cầu thiết thực hiện nay, khi phương pháp ra đa xuyên đất ngày càng được áp dụng rộng rãi Thực hiện được nhiệm vụ trên sẽ giúp tăng độ tin cậy trong các kết quả đo đạc GPR, từ đó phổ biến rộng rãi hơn phương pháp này để giải quyết nhiều nhiệm vụ khảo sát khác nhau

2/ Mục tiêu và nhiệm vụ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình cụ thể để xử lý, minh giải số liệu ra đa xuyên đất bằng việc giải bài toán thuận và bài toán ngược Để giải quyết mục tiêu này, đề tài đã đặt ra các nhiệm vụ cần nghiên cứu sau đây:

- Thu thập chuỗi số liệu GPR bằng các hệ thiết bị chuyên dụng hiện đại tại một số thành tạo địa chất, với các tần số anten thu phát khác nhau để sử dụng trong các quy trình

xử lý và minh giải số liệu GPR;

- Lựa chọn, xây dựng một số mô hình lý thuyết gần đúng nhất với môi trường thực

tế nhằm tạo ra thông tin tiên nghiệm, góp phần hạn chế tính đa nghiệm của bài toán ngược;

- Phân tích các ưu và nhược điểm của từng kỹ thuật dịch chuyển thời gian và độ sâu, từ đó đánh giá các phương pháp tối ưu khi áp dụng vào từng trường hợp cụ thể;

- Kết hợp các phương pháp dịch chuyển thời gian với chuẩn entropy cực tiểu và năng lượng cực đại để tính toán vận tốc truyền sóng điện từ trong môi trường địa chất;

- Xây dựng quy trình đo đạc, xử lý và minh giải số liệu GPR dựa trên cơ sở nghiên cứu bài toán thuận và ngược nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng công nghệ ra đa xuyên đất

để giải quyết các yêu cầu thực tế ở Việt Nam;

- Đề xuất áp dụng phương pháp GPR để nghiên cứu khảo sát độ ẩm của đất dựa vào vận tốc truyền sóng trong các giản đồ GPR, nhằm mở rộng thêm những ứng dụng thực tế của GPR từ kết quả giải bài toán ngược

3/ Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Ba thuật toán dịch chuyển thời gian: tần số – số sóng (F – K), sai phân hữu hạn (FD) và Kirchhoff

- Hai thuật toán dịch chuyển độ sâu: dời pha nội suy tuyến tính (PSPI) và tách bước Fourier (SSF)

- Phương pháp hiệu chỉnh dựa trên cơ sở áp dụng các kỹ thuật dịch chuyển trên vào

số liệu GPR

- Các thuật toán mô phỏng dữ liệu GPR

- Các đường đặc trưng sóng trên mặt cắt GPR

- Chuẩn entropy trong xử lý ảnh, cách thức áp dụng vào dữ liệu GPR và nguyên lý năng lượng cực đại của ảnh sau dịch chuyển

- Các loại cống thoát nước, ống cấp nước, cáp điện, điện thoại và viễn thông

- Môi trường địa chất bên dưới mặt đất, một số loại đất trồng và cát xây dựng trong khoảng độ sâu đến 15 m

4/ Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu đóng góp làm rõ thêm phần lý thuyết về các đường đặc trưng sóng trong mặt cắt ra đa xuyên đất, các thuật toán dịch chuyển địa chấn tối ưu trong xử lý ảnh

để áp dụng dịch chuyển vào số liệu GPR;

Nghiên cứu sử dụng các hệ thống thiết bị ra đa hiện đại như: Detector Duo tần số cao 250 và 700 MHz bằng các anten có màn chắn và Zond 12e tần số thấp 38, 75, 150 MHz bằng các anten không có màn chắn, tần số 100 MHz bằng anten có màn chắn theo các kiểu đo CMP và CO để nâng cao hiệu quả của phương pháp ngoài thực địa;

Nghiên cứu sử dụng các phần mềm Prism2, Detector Duo SW, MatGPR-R3 và Reflexw để thu thập, xử lý số liệu, tính toán vận tốc truyền sóng điện từ và mô phỏng Đồng thời nghiên cứu viết các chương trình xử lý số liệu và phân tích dịch chuyển, có

áp dụng phương pháp tối ưu hóa bằng ngôn ngữ lập trình Matlab cho việc minh giải số liệu GPR

5/ Những điểm mới của luận án

Xây dựng được một số mô hình cấu trúc địa chất thực tế tầng nông, một số mô hình cấu trúc có công trình ngầm trên cơ sở số liệu đo đạc của GPR Đây là kết quả nghiên cứu bài toán thuận nhằm mục đích tạo cơ sở dữ liệu phục vụ việc kiểm tra độ tin cậy của bài toán ngược và tăng độ chính xác cho công tác minh giải số liệu GPR

Đưa ra giải pháp sử dụng kết hợp thuật toán dịch chuyển thời gian và dịch chuyển

độ sâu vào khâu xử lý, phân tích các số liệu GPR thu được ngoài thực tế cho những trường hợp cụ thể Các dịch chuyển thời gian F-K, Kirchhoff và FD được áp dụng kết hợp với chuẩn năng lượng cực đại để thu được các mô hình vận tốc truyền sóng đúng, đặc trưng cho từng môi trường khảo sát cụ thể Sau đó, dịch chuyển độ sâu PSPI và SSF

đã được sử dụng để xử lý số liệu GPR Nhờ vậy, việc biểu diễn mặt cắt cấu trúc theo số liệu GPR đã phản ánh trung thực và đúng đắn hình ảnh thực tế của môi trường bên dưới mặt đất, cùng với đó, kích thước và độ sâu của dị thường có cấu tạo nhỏ được xác định với độ chính xác cao

Đưa ra được quy trình thu thập, xử lý và minh giải số liệu GPR dựa trên việc giải quyết tổng quát bài toán thuận và nghịch

Tính chính xác độ ẩm của đất dựa vào vận tốc truyền sóng điện từ rút ra từ mặt cắt GPR CO và CMP đối với một số loại đất đá tại Việt Nam Đây là kết quả ứng dụng của bài toán ngược

6/ Luận điểm cần bảo vệ

Trong những giản đồ GPR có xuất hiện các hyperbol tán xạ, thì phương pháp xác định vận tốc truyền sóng bằng thuật toán dịch chuyển thời gian kết hợp với các chuẩn entropy cực tiểu hoặc năng lượng cực đại có độ tin cậy cao nhất

Thuật toán dịch chuyển độ sâu giúp đưa ra mặt cắt cấu trúc theo số liệu GPR thể hiện chính xác hiện trạng môi trường địa chất bên dưới mặt đất, nhưng kỹ thuật này lại phụ thuộc chính vào mô hình vận tốc truyền sóng Do vậy, việc kết hợp dịch chuyển thời

gian và độ sâu khi xử lý số liệu GPR thực tế là rất cần thiết, giúp nâng cao độ chính xác trong phép minh giải số liệu GPR thu được

Bài toán xác định độ ẩm của đất bằng phương pháp GPR hoàn toàn phù hợp với nhu cầu thực tế hiện nay Công thức thực nghiệm về tương quan giữa độ ẩm của đất và

độ điện thẩm tương đối của môi trường được Topp và cộng sự đưa ra vào năm 1980 có thể ứng dụng tốt trong nhiều thành tạo địa chất khác nhau tại Việt Nam Việc tính toán vận tốc sóng đất cần được thực hiện theo đúng quy trình để có độ chính xác cao

7/ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Kết quả của đề tài giúp giải quyết bước quan trọng nhất trong xử lý số liệu GPR là xác định vận tốc truyền sóng điện từ Đây là thông số không thể thiếu trong quá trình giải bài toán ngược Qua đó, ta có thể tính toán chính xác các thông số cần thiết về đối tượng nghiên cứu như: độ sâu, kích thước, hình dạng, hướng và độ nghiêng

Cùng với quá trình đô thị hóa ngày càng nhanh, để đảm bảo mỹ quan và phục vụ tốt nhất nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội, hệ thống công trình bên dưới mặt đất cũng mở rộng phát triển với tốc độ rất nhanh cả về không gian và thời gian cũng như mật độ Nhằm đảm bảo việc thiết kế hợp lý, tránh những tai nạn đáng tiếc khi thi công, các đơn

vị quản lý cần phải có bộ bản đồ hệ thống công trình ngầm cập nhật thường xuyên và hoàn chỉnh Tuy vậy, do những khó khăn trong thi công, các sai sót khi hoàn công và sự yếu kém về mặt quản lý, các bản đồ công trình ngầm hiện hữu thường không phản ánh chính xác và chưa cập nhật đầy đủ Hiện nay, ra đa xuyên đất được xem là phương pháp tối ưu để thực hiện nhiệm vụ trên Kết quả đạt được của đề tài sẽ góp phần giải quyết bài toán hoàn chỉnh lại bản đồ về hệ thống công trình ngầm cho các đô thị với độ chính xác cao nhất

Để phân tầng các ranh giới địa chất, định vị lớp đá móng, xác định độ lớn và hướng của các đứt gãy, các mặt cắt GPR cần có được bước xử lý dịch chuyển hiệu quả, khi đó thông số vận tốc truyền sóng đóng vai trò rất quan trọng Ngoài ra, khi sử dụng GPR

trong các khảo sát cần độ chính xác cao như khảo cổ, định vị các khe nứt, cáp ứng lực, cốt thép trong các sàn bê tông, người thực hiện cũng cần có được giá trị vận tốc truyền sóng chính xác

Một ứng dụng nữa có liên quan đến vận tốc truyền sóng là tính toán các thông số

độ điện thẩm và độ dẫn điện của đất đá Đây là những đại lượng rất cần thiết để giải quyết các bài toán về thổ nhưỡng, nghiên cứu ô nhiễm môi trường, xác định đới ngấm thấm và độ ẩm của môi trường đất

Hơn nữa, hiện nay đang có nhiều nghiên cứu sử dụng GPR để đánh giá chất lượng nền đường, mà kết quả này phụ thuộc mạnh vào độ chính xác trong tính toán vận tốc truyền sóng Kết quả của đề tài này có thể mở ra một hướng mới trong công tác thẩm định chất lượng nền đường tại Việt Nam, không cần khoan đào mà vẫn có độ tin cậy cao

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu giải bài toán thuận và ngược trong phương pháp GPR trên thế giới

Năm 1926, Hũlsenbeck lần đầu tiên sử dụng xung sóng ra đa để xác định cấu trúc của các vật thể bên trong lòng đất Từ thập niên 1930 trở đi, kỹ thuật tạo xung đã được phát triển khá mạnh mẽ

Từ thập niên 1970 cho đến nay, cùng với sự phát triển công nghệ, thiết bị ra đa xuyên đất ngày càng được hoàn thiện hơn, do đó các phạm vi ứng dụng đã được mở rộng nhanh chóng, và bây giờ bao gồm cả kiểm tra không phá hủy cấu trúc bên trong công trình xây dựng, khảo cổ học, đánh giá chất lượng đường, hầm mỏ, xác định vị trí các khe nứt, hố rỗng và hệ thống công trình ngầm Các tập đoàn sản xuất thiết bị hàng đầu thế giới xuất hiện ngày càng nhiều như: Malå (Thụy Điển) với thiết bị Ramac/GPR, Sensor

& Software (Canada) có Pulse Ekko, GSSI (Mỹ) với thiết bị SIR, IDS (Ý) với Detector Duo và Radar System (Latvia) có Zond 12e Các thành tựu của phương pháp ra đa xuyên đất cũng được các nhà khoa học công bố khá nhiều và liên tục trong những năm gần đây trên các tạp chí khoa học phổ biến trên thế giới

Trong khâu minh giải các số liệu địa vật lý thì việc giải bài toán thuận và ngược luôn được quan tâm hàng đầu Thực tế, giải bài toán thuận và ngược trong chuỗi số liệu GPR cũng đã được nghiên cứu từ lâu nhưng thường độc lập với nhau, điều này sẽ gây ra một số hạn chế trong các khảo sát GPR tổng quát

Các phương pháp dịch chuyển, thực chất là bài toán ngược, đóng vai trò quan trọng trong xử lý số liệu GPR nhằm biểu diễn mặt cắt GPR phù hợp với môi trường thực tế và xác định đúng mô hình vận tốc truyền sóng điện từ Một số tác giả đã có các công bố về nghiên cứu dịch chuyển đăng trong các tạp chí chuyên ngành như: Claerbout (1985), Scheneider (1978), Stolt (1978), Berkhout (1984), Johnson và French (1982), Gazdag và

Squazzero (1984),… Trong đó, các phương pháp dịch chuyển chủ yếu dựa trên việc xấp

xỉ các thông số, nên có thuật toán xử lý khá phức tạp [25, 33, 46, 66, 101, 104] Nhờ vào

sự phát triển rất nhanh của hệ thống của máy tính và các thuật toán, các phương pháp dịch chuyển ngày càng phát huy vai trò trong xử lý số liệu Thời gian qua, các nhà khoa học đã liên tục cải thiện thuật toán dịch chuyển, nhằm đem lại hiệu quả xử lý tối ưu Tương tự như sự suy giảm sóng địa chấn, độ tổn thất điện môi hay sự suy giảm tín hiệu điện từ trong GPR có liên quan đến tỉ số giữa phần thực và ảo của độ điện thẩm, được gọi là hệ số Q Xung ra đa lan truyền vào lòng đất sẽ chịu ảnh hưởng bởi sự hấp thu và phân tán do tác động của độ điện thẩm Điều này dẫn đến các phương pháp kinh điển được sử dụng trong địa chấn như giải chập và dịch chuyển sẽ bị ảnh hưởng khi áp dụng và xử lý tín hiệu GPR Do vậy, Maksim Bano (1996) đã đề xuất bù phần năng lượng mất mát trong khảo sát GPR theo kiểu 1D và 2D bằng cách mô phỏng hệ số Q, dựa trên việc ngoại suy trường xuống dưới bằng cách sử dụng trọng số trong miền tần

số Các kết quả nghiên cứu này đã được kiểm tra bằng những chuỗi số liệu 1D và 2D ngoài thực tế [16]

R H Stolt (1978), Gazdag và Squazzero (1984) đã nghiên cứu tác động của phép biến đổi Fourier trong miền thời gian – không gian, từ đó, ứng dụng giải phương trình sóng vô hướng (dịch chuyển Stolt, dịch chuyển dời pha) [47, 104] Sau đó, Gazdag và Sguazzero đã có những bước đầu nghiên cứu phương pháp dời pha nội suy tuyến tính trong xử lý số liệu địa chấn Đồng thời, các tác giả so sánh kết quả dịch chuyển đạt được với phương pháp sai phân hữu hạn [46]

Năm 1980, Topp và cộng sự tại Viện nghiên cứu tài nguyên đất (Ottawa, Canada)

đã tìm được mối liên hệ thực nghiệm giữa độ điện thẩm và độ ẩm thể tích, đối với anten tần số từ 1 MHz đến 1 GHz Kết quả được kiểm chứng bằng phương pháp TDR (Time-domain reflectometry) chỉ cho sai số vào khoảng 1.3% Thành công này đã mở đầu cho những nghiên cứu về đo đạc độ ẩm bằng phương pháp điện từ, công thức thực nghiệm

thế giới [109] Đây là ứng dụng quan trọng của kết quả bài toán ngược trong phương pháp GPR

Trong luận án tiến sĩ bảo vệ năm 1996 tại Đại học Tổng hợp Munich, Shuchun Du

đã thực hiện các nghiên cứu về cơ sở lý thuyết cũng như phương pháp tiến hành tính toán nồng độ nước bằng cách sử dụng sóng đất trong mặt cắt GPR Tuy nhiên, các công trình của Shuchun Du chỉ sử dụng phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng WARR và điểm giữa chung CMP, mà hoàn toàn không đề cập đến số liệu khoảng cách không đổi

bộ các hyperbol tán xạ, làm nổi bật tín hiệu có ích trong mặt cắt GPR

Năm 2001, Donatienne Leparoux và cộng sự lại cho rằng, khi áp dụng kỹ thuật dịch chuyển trước cộng được sử dụng trong xử lý ảnh địa chấn vào GPR để chuyển từ mặt cắt thời gian sang độ sâu, công thức tích phân lý thuyết của biến đổi trên có thể được

áp dụng vào bài toán điện từ với ba giả định Hai giả thuyết đầu liên quan đến đặc tính điện từ của môi trường, chủ yếu là môi trường cần phải hoàn toàn thuần trở và không phân tán, và điều thứ ba liên quan đến đồ thị bức xạ của anten, cần phải ở dạng 2D Khi

đó, việc áp dụng dịch chuyển trước cộng vào số liệu CO trong GPR tăng cường đáng kể

độ phân giải ảnh tín hiệu tán xạ từ môi trường Từ những hạn chế trong phương pháp này, các tác giả đề xuất nên áp dụng thuật toán 3D vào các môi trường thay đổi mạnh theo phương ngang, và cần có nhiều hơn những nghiên cứu liên quan đến biến đổi dạng sóng để đạt được thông tin về tính chất điện của môi trường [77]

Năm 2002, Huisman J.A và Bouten W đã trình bày các phân tích về độ chính xác của phương pháp xác định độ ẩm của đất bằng số liệu GPR WARR tại Hội nghị Khoa học GPR quốc tế lần thứ 9 Những kết quả này thể hiện được sai số tính toán so với phương pháp TDR hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép [63]

Năm 2003, Grote K và các cộng sự đã đề xuất khảo sát độ ẩm bằng GPR trên đường cao tốc nhằm phục vụ công tác xây dựng và bảo trì Số liệu được lấy bằng phương pháp CO và sử dụng mối liên hệ thực nghiệm giữa độ điện thẩm và độ ẩm được chính các nhà khoa học này đưa ra vào năm 2002 [55, 56]

Cũng vào năm 2003, tại Canada, ba nhà khoa học Galagedara L.W., Parkin G.W

và Redman J.D đã đưa ra phương pháp cụ thể để phân biệt các loại sóng trực tiếp và sóng đất trong mặt cắt GPR Đặc biệt, các nhà khoa học này cũng đã giới thiệu được cách hiệu chỉnh thời gian truyền sóng đất, công việc rất quan trọng nhằm hạn chế sai số trong kết quả đo đạc [43]

Nhóm các tác giả tại Bỉ và Hà Lan do Lambot đứng đầu đã phát triển một cách tiếp cận mới trong việc thiết kế anten, giải bài toán thuận và ngược để tính toán độ điện thẩm

và độ dẫn điện của môi trường gần mặt đất Các tác giả trên đã đề nghị sử dụng các hàm

số đáp ứng hệ thống tuyến tính để mô tả anten và giải chính xác nghiệm hệ phương trình Maxwell đối với sự truyền sóng trong môi trường phân lớp ngang Để giải bài toán ngược đối với mô hình, các nhà khoa học này sử dụng bài toán bình phương tối thiểu cổ điển thực hiện theo phương pháp lặp, dựa trên thuật toán tối ưu Các kết quả sau đó được kiểm tra trên môi trường cát đồng nhất trong phòng thí nghiệm với nhiều độ ẩm khác nhau Đề tài này đã xác định được phụ thuộc của độ dẫn điện vào tần số và kích cỡ hạt cát [72] Cũng vào năm 2004, nhóm tác giả này đã công bố kết quả đánh giá tính chất điện của môi trường dựa vào bài toán thuận và ngược, nhưng mô hình được xây dựng bằng phép xấp xỉ tuyến tính Debye[73]

Năm 2005, nhóm tác giả tại Trung Quốc đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian để mô hình hóa những môi trường phức tạp về tính chất điện bên dưới mặt đất Mục đích của bài toán là mô phỏng chính xác hơn những môi trường thực tế hay gặp có dạng ranh giới phản xạ mạnh[92]

Năm 2005, Hui Zhou và cộng sự đã đề xuất phương pháp phân tích vận tốc dịch chuyển sử dụng thuật toán di truyền, sau đó áp dụng vào bài toán dịch chuyển trước cộng Dựa vào nghiên cứu này, các tác giả đã xác định được sự phân bố độ điện thẩm môi trường, từ đó tính được nồng độ nước và nhận biết tầng chứa nước tại khu vực khảo sát [122]

Năm 2005, Lunt I.A và các cộng sự tại Trường đại học Berkeley (Mỹ) đã đề xuất

sử dụng số liệu GPR thu được bằng phương pháp phản xạ để xác định sự biến thiên độ

ẩm đất tại California Số liệu thu được bằng anten 100 MHz, sau đó xử lý, phân tích và đối chiếu với kết quả khảo sát bằng phương pháp nơtron Sai số RMS tính được khoảng 1.8% cho thấy kỹ thuật đo đạc này khá chính xác, hơn nữa nó lại có độ phân giải và tốc

độ đo đạc cao hơn những phương pháp truyền thống [81]

Hai nhà khoa học Irving J và Knight R., tại Mỹ, đã viết các chương trình trên Matlab để thực hiện mô phỏng sai phân hữu hạn miền tần số dữ liệu GPR hai chiều Cho

dù chương trình này, theo đánh giá của các tác giả, chưa có đầy đủ các đặc tính của môi trường, nhưng khá dễ hiểu và hoàn toàn có thể sử dụng tốt trong nhiều trường hợp không quá phức tạp [65]

Nhóm các nhà nghiên cứu tại Bỉ, đứng đầu là L.V Kempen đã đề xuất sử dụng phương pháp ba bước trong việc giải bài toán tối ưu không lồi Mục đích là để giải hoàn chỉnh bài toán ngược bằng phương pháp bình phương tối thiểu không tuyến tính Bước đầu tiên là sử dụng ra đa khẩu độ tổng hợp để thu thập số liệu Tiếp theo, các tác giả dùng kỹ thuật tái cấu trúc đại số (ART) trong xử lý ảnh để xác định các thông số vật liệu

liên quan đến đối tượng Cuối cùng, nghiệm bài toán ngược không tuyến tính sẽ được rút ra bằng phương pháp biến phân[68]

Năm 2007, hai tác giả tại Trung Quốc đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian để giải hệ phương trình Maxwell, bằng cách dùng phương pháp lặp tính toán nhằm rút ra các đại lượng vật lý liên quan đến trường điện Các thử nghiệm cho thấy phương pháp này hoạt động tốt khi mô phỏng sự suy giảm tín hiệu trong môi trường phân tán sóng điện từ mạnh [79]

Tại trường Đại học công nghệ Lublin, hai tác giả Miaskowski A và Cięszczyk S

đã nghiên cứu cách tính độ sâu và đường kính các vật thể bị chôn vùi bằng cách tạo ra các số liệu mô hình dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian Sau đó, sử dụng thuật toán hai bước (two step) bằng cách dùng kỹ thuật mạng nơron để giải bài toán ngược Kết quả đề tài đã tính được đường kính của các loại cốt thép trong bê tông[83] Trong báo cáo tại Hội nghị “19th World Congress of Soil Science, Soil Solutions for a Changing World (2010)”, Pallavi B và các cộng sự đã áp dụng số liệu sóng đất trong GPR để đo vẽ sự biến thiên độ ẩm theo cả không gian và thời gian tại khu vực Kanto (Nhật Bản) Nhóm tác giả chủ yếu sử dụng số liệu CO, được kiểm chứng bởi một

số tuyến CMP Kết quả cho thấy sự thay đổi độ ẩm rõ rệt tại khu vực khảo sát trước và sau mưa Trước đó, vào năm 2009, Pallavi B và các cộng sự cũng đã công bố công trình nghiên cứu về độ sâu ảnh hưởng của sóng đất trong mặt cắt GPR trên tạp chí “Arid Land Studies” [88, 89]

Huilin Zhou và các cộng sự (2011) đã xây dựng và xử lý số liệu mô hình ra đa xuyên đất bằng việc kết hợp dịch chuyển Stolt và entropy cực tiểu [123]

Năm 2012, Zhang Yong và các cộng sự tại Trung Quốc đã đề xuất sử dụng dịch chuyển FD để loại bỏ các đuôi nhiễu xạ trong mặt cắt GPR Kết quả thực tế đã giúp xác định rõ và chính xác hơn vị trí cốt thép bên trong tường bê tông của một đường hầm [118]

Trong một dự án phục vụ cho luận văn thạc sỹ tại Viện công nghệ hoàng gia Thụy Điển, Di Zhang (2012) đã đưa ra mối tương quan giữa độ ẩm và hệ số Q trong phương pháp GPR (đặc trưng cho độ suy giảm năng lượng sóng điện từ theo tần số) Kết quả được so sánh với công thức của Topp (1980) cho sai lệch không đáng kể ở mọi tần số khác nhau[120]

Hội nghị GPR quốc tế lần thứ 14 năm 2012 ở Trung Quốc, lần thứ 15 năm 2014 tại

Bỉ và lần thứ 16 năm 2016 tại Hồng Kông đã xuất hiện rất nhiều công trình nghiên cứu

về tính toán độ ẩm bằng phương pháp GPR Điều này chứng tỏ nhu cầu khảo sát độ ẩm phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau đang rất lớn Cho dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu theo hướng này, nhưng việc hạn chế sai số, tìm ra khoảng cách anten thích hợp cũng như xác định đúng thời gian t0 và phân biệt các loại sóng trên mặt cắt GPR vẫn đang là thách thức không nhỏ đối với các nhà khoa học [15, 28, 30, 76, 78, 93, 94, 98] Tại Pháp, Maksim Bano và Jean-Remi Dujardin (2013) đã áp dụng dịch chuyển Kirchhoff vào số liệu GPR thu thập ở các vùng có địa hình phức tạp, xác định chính xác các vị trí của mặt phản xạ nghiêng và tập trung các nhiễu xạ tại Cộng hòa Chad và Mông

Cổ [40]

Các tác giả Dean Goodman và Salvatore Piro (2013) đã nghiên cứu các đặc tính của sự phản xạ, giao thoa và nhiễu xạ của sóng điện từ, nhằm xây dựng gần đúng mô hình mặt cắt GPR đối với một số đối tượng bên dưới mặt đất [51]

Năm 2016, Afsaneh Ahmadpour và cộng sự đã kết hợp việc giải bài toán thuận và ngược đối với số liệu thực tế, dùng anten tần số 250 MHz có màn chắn để nghiên cứu khảo cổ tại Tappeh Hissar, Damghan (Thổ Nhĩ Kì) Kết quả đã cho thấy khả năng ứng dụng tốt của phương pháp GPR trong công tác khảo cổ[9]

Như vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu áp dụng kỹ thuật dịch chuyển vào số liệu GPR trên thế giới Các ứng dụng trên số liệu mô hình và thực tế đã cho thấy sự tương thích và đem lại nhiều kết quả khả quan Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu đều chỉ thực hiện

trên từng phương pháp riêng lẻ và chủ yếu xử lý số liệu mô hình Thực nghiệm đã chỉ ra rằng, giữa lý thuyết và thực tế có nhiều điểm khác nhau, do vậy, cần phải có những hiệu chỉnh hoặc phương pháp tối ưu hóa để đem lại kết quả tốt nhất

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu giải bài toán thuận và ngược trong phương pháp GPR tại Việt Nam

Phương pháp ra đa xuyên đất đã được triển khai áp dụng ở Việt Nam từ thập niên 1990s tại một số cơ quan nghiên cứu về địa vật lý, địa chất như: Viện Vật lý Địa cầu, Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, Viện Khoa học Thủy lợi, Trường Đại học Mỏ Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP.HCM

Từ thập niên 1990, tác giả Nguyễn Văn Giảng đã cùng Trung tâm Nghiên cứu phòng trừ mối thuộc Viện Khoa học Thủy lợi đã triển khai áp dụng có hiệu quả phương pháp ra đa xuyên đất trong khảo sát cấu trúc đê đập nhằm tìm kiếm, khoanh vùng các vị trí tổ mối đang là ẩn họa trong thân đê đập ở mỗi mùa lũ [48]

Các nhà khoa học Nguyễn Văn Giảng, Nguyễn Bá Duẩn (Viện Vật lý Địa cầu), Jerzy Zietek, Jerzy Karczewski (Đại học Khoa học và Công nghệ AGH – Ba Lan) đã nghiên cứu khá tỉ mỉ về cách xác định vận tốc truyền sóng trong môi trường địa chất Việt Nam

Ra đa xuyên đất cũng đã được sử dụng kết hợp với các phương pháp khác như VLF, điện đa cực để khảo sát đê, đường bờ kè tại các khu vực sạt lở ở Vĩnh Long, Tân Châu, Sa Đéc, Thanh Đa, nghiên cứu sự ô nhiễm môi trường ở bãi rác Đông Thạnh, nghiên cứu các nền móng công trình

Năm 2006 tại Hà Nội đã tổ chức thành công Hội thảo quốc tế về Georadar trong nghiên cứu địa kỹ thuật và môi trường phục vụ phát triển bền vững

Tháng 4/2010, Viện Vật lý Địa Cầu kết hợp với Viện Địa lý tài nguyên và Bộ môn Vật lý Địa cầu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tiến hành khảo sát đứt gãy địa

chất ở khu vực Đức Trọng, Lâm Đồng nhằm xác định các cấu trúc phân lớp địa chất và tìm kiếm các đới đứt gãy có nguy cơ sụt lún

Đầu năm 2011, tại TP.HCM đã diễn ra hội thảo: “Cơ sở khoa học và giải pháp khả thi để xác định các hố ngầm và công trình ngầm trên địa bàn thành phố” Tại hội thảo này, ra đa xuyên đất đã được chọn là phương pháp khả thi và thuận lợi nhất trong việc khảo sát các hố sụt và đo vẽ bản đồ công trình ngầm tại TP.HCM

Trong tạp chí Khoa học về Trái đất (2011), Lê Văn Anh Cường và nhóm nghiên cứu đã thực hiện thành công việc áp dụng dịch chuyển Kirchhoff để xác định mô hình vận tốc truyền sóng trong ra đa xuyên đất [3]

Trong tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển (2013), Đặng Hoài Trung và nhóm nghiên cứu đã áp dụng dịch chuyển sai phân hữu hạn vào xử lý số liệu ra đa xuyên đất Kết quả nghiên cứu đã giúp xác định được độ sâu và kích thước của ống cấp nước và cáp ngầm bên dưới mặt nước, có sai số không đáng kể so với thông tin tiên nghiệm [1] Trong bài viết mới nhất đăng trên Tạp chí Địa chất (2014), tác giả Nguyễn Thành Vấn và nhóm nghiên cứu đã kết hợp thành công kỹ thuật entropy cực tiểu trong xử lý ảnh với dịch chuyển để xác định vận tốc truyền sóng tối ưu Bước đầu giải quyết bài toán

xử lý định lượng số liệu ra đa xuyên đất [7]

Năm 2016, tại Hội nghị quốc tế “Capacity building on geophysical technology in mineral exploration and assessment on land, sea and island” ở Hà Nội, Việt Nam, các tác giả Đặng Hoài Trung và Nguyễn Thành Vấn đã trình bày đề tài nghiên cứu xác định

độ ẩm môi trường bằng ra đa xuyên đất với anten 150 MHz không màn chắn Các tác giả này cho rằng cần phải sử dụng số liệu CMP để xác định vị trí tín hiệu sóng đất tại một khoảng cách anten nhất định, sau đó thực hiện tuyến đo CO với khoảng cách anten

đã định trước [34]

Như vậy, GPR đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học trong nước, với một số công trình đã được xuất bản trên các tạp chí uy tín Tuy nhiên, việc

nghiên cứu và ứng dụng phương pháp ra đa xuyên đất vẫn còn hạn chế so với tiềm năng thực sự Hơn nữa, phần lớn các nghiên cứu chỉ tập trung vào kết quả ứng dụng, rất ít công trình khoa học quan tâm đến việc nâng cao chất lượng công tác xử lý mà minh giải

số liệu Chính vì vậy, việc nghiên cứu chuyên sâu để giải bài toán thuận và ngược trong phương pháp GPR và điều kiện để áp dụng trong môi trường địa chất ở Việt Nam thực

sự cần thiết Việc này sẽ giúp từng bước nâng cao hiệu quả và mở rộng các ứng dụng phương pháp ra đa xuyên đất tại Việt Nam

1.3 Quan hệ giữa địa chấn và GPR

Sự phản xạ của trường sóng từ các vật thể hoặc các mặt ranh giới là đối tượng quan tâm chính trong hai phương pháp địa chấn và GPR Sự phản xạ gây ra bởi sự khác biệt

về tính chất điện môi hoặc cơ học giữa vật thể và môi trường xung quanh, hoặc giữa các mặt ranh giới khác nhau Phương pháp địa chấn và GPR có nhiều nét tương đồng vì đều

sử dụng nguồn năng lượng truyền sóng vào môi trường đất và ghi nhận tín hiệu phản xạ

từ vật thể chôn vùi hoặc mặt phân cách bên dưới Trong cả hai phương pháp, nguồn phát được đặt trên bề mặt để gửi tín hiệu vào môi trường, năng lượng phản xạ sẽ được ghi nhận tại một hoặc nhiều vị trí dọc theo tuyến trên mặt đất Số liệu thu thập là năng lượng phản xạ theo thời gian và được chuyển đổi sang độ sâu nếu xác định được vận tốc truyền sóng trong môi trường

Đối với phương pháp GPR, nguồn năng lượng phát là sóng điện từ Sự lan truyền sóng điện từ phụ thuộc tính chất điện của đất đá và vật thể bên dưới Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện là hàm lượng sét, độ chứa nước và độ nén Độ ẩm tăng làm vận tốc truyền sóng giảm [109], sự hiện diện của các lớp sét ngấm nước có độ dẫn điện cao

sẽ giới hạn độ sâu khảo sát

Trong phương pháp địa chấn, các loại sóng truyền qua môi trường bao gồm: sóng dọc (P), sóng ngang (S) và sóng mặt Sóng P dao động theo phương truyền sóng, sóng S dao động vuông góc với phương truyền sóng và sóng mặt dao động trên bề mặt có hình

dạng như các elip thuận nghịch Ứng với mỗi loại sóng, ta có thể xác định phương truyền sóng trong môi trường, mặc dù vận tốc sóng P lớn hơn sóng S và sóng mặt Các sóng địa chấn phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của đất đá Yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc địa chấn

là thành phần thạch học, độ nén và hàm lượng nước của đất đá

Do sự tương tự về phương trình sóng nên các toán tử và biến số của hai phương pháp đóng vai trò tương đương nhau [105, 112] Sự giống nhau của các đặc điểm động hình học giữa hai trường sóng như thế có thể khai thác trong quá trình xử lý số liệu Chính vì vậy, nhiều phương pháp xử lý trong địa chấn có thể áp dụng trực tiếp vào số liệu GPR khi cách thu thập số liệu tương tự nhau

1.4 Kết luận

Như vậy, qua những công trình đã công bố, ta có thể thấy rằng phương pháp GPR đang nhận được nhiều sự quan tâm nhờ vào các ứng dụng rộng rải và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau Do đó, các thuật toán nhằm nâng cao chất lượng kết quả đo đạc cũng đang được phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, hiện nay, rất ít những nghiên cứu tại Việt Nam đề cập đến công tác xử lý số liệu GPR Trong khi đó, các nghiên cứu trên thế giới khá đa dạng, nhưng không được thực hiện một cách tổng quát cho toàn bộ quá trình khảo sát

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các phương pháp địa vật lý được hình thành đều dựa vào việc nghiên cứu các trường vật lý khác nhau của Trái đất như: Trường trọng lực, Trường địa từ, Trường địa điện, Trường điện từ, Trường địa chấn, Trường địa nhiệt Giá trị quan sát được của những trường này phụ thuộc đầu tiên vào tính chất vật lý của các loại vật chất dưới mặt đất và

sự phân bố của chúng Về mặt lý thuyết, đối với trường điện từ, khi đã biết toàn bộ thông tin về tính chất điện của môi trường cũng như kích thước và vị trí của dị vật, ta có thể xây dựng mô phỏng mô hình lan truyền của sóng điện từ sau đó tạo ra số liệu phản ánh

sự tán xạ của sóng Quá trình này được gọi là giải bài toán thuận Bài toán thuận thường được dùng để làm giảm tính đa nghiệm của bài toán ngược trong GPR [102, 121] Mục tiêu cuối cùng của khảo sát địa vật lý là xác định được các cấu trúc địa chất

từ số liệu đo đạc Đây là bài toán rất khó vì sự phức tạp của cấu trúc bên dưới mặt đất Thông thường, ta có thể xấp xỉ cấu trúc địa chất thật bằng một số mô hình đơn giản và

cố gắng xác định các thông số mô hình từ số liệu địa vật lý, được gọi là bài toán ngược

Sự thành công của quá trình giải đoán số liệu địa vật lý phụ thuộc vào khả năng xấp xỉ cấu trúc thực bằng mô hình hợp lý và giải quyết các bài toán ngược một cách hiệu quả Chương này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp GPR, tính chất điện từ của đất đá và các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án

đúng cho mọi phổ tần số và mô tả quá trình tích trữ cũng như suy giảm năng lượng sóng điện từ đối với tất cả vật liệu, và được biểu diễn dưới dạng vi phân trong miền thời gian như sau [6, 35]:

 độ điện thẩm tuyệt đối của chân không và εr: độ điện thẩm tương đối;

 = 0r (H/m): độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu, trong đó μ0 = 4π.10–7 (H/m): độ từ thẩm tuyệt đối của chân không, μr: độ từ thẩm tương đối

Trong các phương trình 2.5, 2.6 và 2.7, thông số của môi trường được biểu diễn bằng những hằng số đơn giản Điều này chỉ đúng cho trường hợp môi trường đồng nhất, tuyến tính, đẳng hướng hoặc độc lập với tần số Trong thực tế, các vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo đều có thể gây tổn thất, phụ thuộc tần số hoặc có một yếu tố bất đẳng hướng

Để đơn giản, xem môi trường truyền sóng đồng nhất, tuyến tính và đẳng hướng Biến đổi các phương trình trên, ta sẽ tìm được các phương trình thể hiện sự truyền sóng điện từ trong môi trường, được gọi là các phương trình sóng hay phương trình Helmholtz:

∇2E⃗⃗ ̂ = jωμ(σ + jωε)E⃗⃗ ̂ (2.10)

∇2H⃗⃗ ̂ = jωμ(σ + jωε)H⃗⃗ ̂ (2.11) Đặt γ = √jωμ(σ + jωε) = α + jβ (2.12)

Ở đây,  được gọi là hằng số truyền sóng, có ý nghĩa quan trọng trong lý thuyết về sóng điện từ Trong khi đó, α và β là hai đại lượng có liên quan đến pha và sự suy giảm của sóng điện từ khi truyền trong môi trường, sẽ được nói rõ hơn ở phần bên dưới Xét sóng phẳng đều trong hệ tọa độ Descartes Khi đó, sóng điện từ có hai tính chất: tại từng điểm trong không gian thì E⃗⃗ và H⃗⃗ nằm trong một mặt phẳng vuông góc với trục z, và trong mỗi mặt phẳng này thì E⃗⃗ và H⃗⃗ là đều (tức là biên độ và pha của chúng vào lúc t không phụ thuộc vị trí của điểm trường P⃗ trong mỗi mặt phẳng)

Không làm giảm tính tổng quát, ta giả sử rằng véc tơ cường độ điện trường phức E⃗⃗ ̂

có hướng x dương, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc z:

E

⃗⃗

Sở dĩ thành phần Êx chỉ phụ thuộc z vì theo định nghĩa của sóng phẳng đều thì Êxđều trong mỗi mặt phẳng song song với mặt phẳng xy và do đó nó không thể phụ thuộc các tọa độ x và y của điểm trường P⃗

Khi đó, từ hệ phương trình Maxwell dạng phức, ta có thể chứng tỏ rằng véc tơ từ trường phức H⃗⃗ ̂ chỉ có một thành phần trên trục y, và thành phần này chỉ phụ thuộc z:

η̂ = jωμ

γ =√

jωμ

trong đó  là biên độ và θ là góc của η̂

Viết các hằng số phức Ê0+ và Ê0- dưới dạng cực theo các số thực E0+ và E0-:

Ê0+ = E0+∠θ+ = E0+ejθ+ (2.22) E

̂0- = E0-∠θ- = E0-ejθ- (2.23) Khi đó, phương trình (2.17) và (2.18) có thể được viết lại như sau:

Các biểu thức tương ứng của Ex (z, t) và Hy (z, t) trong miền thời gian:

Ex(z, t) = Re(Êxejωt) = E0+e-αzcos(ωt − βz + θ+) + E0-eαzcos(ωt + βz + θ-) (2.26)