Xác định vận tốc truyền sóng điện từ trong ra đa xuyên đất

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP RA ĐA XUYÊN ĐẤT

1.4. Xác định vận tốc truyền sóng điện từ trong ra đa xuyên đất

Trong xử lý số liệu GPR, việc xác định chính xác vận tốc truyền sóng là rất cần thiết và quan trọng. Vì biết được vận tốc truyền sóng thì ta mới tính toán được chính xác vị trí của các ranh giới hoặc dị thường cần quan tâm. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc khi sóng điện từ truyền vào lòng đất, gây những khó khăn nhất định trong công tác xử lý và minh giải. Do đó, phần này sẽ trình bày một số phương pháp tiêu biểu để xác định vận tốc truyền sóng điện từ cho từng điều kiện cụ thể của cuộc khảo sát.

15 1.4.1. Định vị những vật thể đã biết độ sâu

Trong một số trường hợp, nhờ vào các thông tin tiên nghiệm thu thập được từ quan sát khu vực khảo sát hoặc từ các phương pháp địa vật lý khác, ta có thể biết trước vị trí của một số dị thường. Từ đó, ta có thể tính lại vận tốc truyền sóng điện từ tại khu vực khảo sát.

Gọi độ sâu của vật thể biết trước là z, ta có:

t 2z

 v (1.24)

Gọi thời gian hai lần truyền sóng được chọn ra từ giản đồ sóng là tp, ta tính được sai số Δt là:

tp   t t Vận tốc truyền sóng điện từ bằng :

v 2 z

t t

   (1.25)

Như vậy, sai số trong việc chọn hai lần thời gian truyền sóng càng thấp thì vận tốc truyền sóng điện từ được xác định càng chính xác.

1.4.2. Tỷ lệ hình học

Trong một số khu vực khảo sát xuất hiện các vật thể có tính chất điện khác biệt với môi trường xung quanh, Khi đó, tín hiệu phản xạ từ các vật này sẽ xuất hiện trên giản đồ GPR dưới dạng các hyperbol. Từ các hyperbol này, ta có thể tính được vận tốc truyền sóng tại khu vực có sự xuất hiện của vật thể đó.

Gọi độ sâu của vật thể là (z) và khoảng cách (hình chiếu) của một ăng ten tới vật thể là (x) thì độ dài của tia sóng (w) có thể biểu diễn như sau:

 

2 2 2

w 4 x z (1.26)

khi đó, hai lần thời gian truyền sóng là:

Hình 1.1. Phương pháp tỷ lệ hình học x

w/2 = vt/2 z = vt0/2

S M

16

 2 21/2

t w 2 x z / v

 v   (1.27)

Gọi t0 là hai lần thời gian truyền sóng theo phương thẳng đứng, khi đó ta được:

0

t 2z

 v (1.28)

Kết hợp các kết quả trên ta tính được:

2 1/2 2 2 0

t 4x t v

 

  

 

(1.29) Từ công thức trên, ta có thể tính được vận tốc truyền sóng bằng cách nhặt ra các dữ liệu từ giản đồ GPR. Phương pháp này cho kết quả tương đối chính xác, nhưng đòi hỏi khu vực khảo sát phải xuất hiện các vật thể có độ tương phản về tính chất điện tương đối lớn với môi trường. Hơn nữa, người xử lý cũng cần phải chọn ra được chính xác các hyperbol xuất hiện do sự phản xạ từ vật thể đó.

1.4.3. Sử dụng vận tốc chuẩn

Dựa trên hằng số điện môi tương đối và độ dẫn điện của từng môi trường địa chất trong khu vực khảo sát, ta có thể ước lượng được vận tốc truyền sóng theo công thức:

v  (m / s)

 

với ω là tần số góc của ăng ten và β là hằng số pha của môi trường được tính từ công thức (1.12).

Công thức vận tốc truyền sóng này đã được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết.

Đây là phương pháp đơn giản và nhanh chóng nhất với sai số có thể chấp nhận được.

Nhưng trong trường hợp môi trường có độ dẫn cao, sai số này có thể lớn hơn 10%, đặc biệt khi sử dụng ăng tencó tần số thu phát thấp. Thông thường, người ta sử dụng phương pháp này để xác định vận tốc khi khảo sát ngoài thực địa nhằm kiểm tra độ tin cậy của dữ liệu thu thập ngay tại chỗ.

1.4.4. Sử dụng giản đồ CMP

Giản đồ CMP được vẽ trên các dữ liệu thu thập được bằng kiểu điểm giữa chung.

Trên cơ sở giản đồ truyền sóng điện từ và dựa vào giản đồ GPR ta có thể xác định được

17

các đường đặc trưng của vận tốc. Từ đó có thể tính được vận tốc truyền sóng điện từ nhờ vào việc nhặt các dữ liệu trên đường đặc trưng của sóng phản xạ.

+ Sóng phản xạ: truyền từ ăng ten phát đến ranh giới lớp thứ nhất bị phản xạ lại ăng ten thu và có biểu hiện là các hyperbol.

Khi tính toán vận tốc truyền sóng bằng phương pháp này, ta cần phải chọn được đường đặc trưng của sóng phản xạ trong giản đồ CMP. Điều này sẽ trở nên khó khăn hơn nhiều đối với một người xử lý còn ít kinh nhiệm, nhất là trong việc phân biệt giữa đường đặc trưng của sóng phản xạ và sóng phản xạ nhiều lần (đều có dạng hyperbol). Các đường đặc trưng của sóng điện từ trong giản đồ CMP:

+ Sóng không khí: truyền trực tiếp từ ăng ten phát đến ăng ten thu trong môi trường không khí, vkk = c = 3.108 m/s.

+ Sóng khúc xạ  phản xạ: truyền từ ăng ten phát qua môi trường không khí, sau đó truyền xuống đất gặp ranh giới trung gian phản xạ trở lại đến ăng ten thu. Vận tốc của sóng này khá lớn.

Hình 1.2. Đường đi của các tia sóng trong phương pháp phản xạ  khúc xạ góc rộng (WARR) và điểm giữa chung (CMP) cùng đường đặc trưng của chúng

18

+ Sóng đất: truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu trong môi trường lớp thứ nhất, vận tốc sóng đất bằng với vận tốc truyền sóng của môi trường.

Đây là phương pháp xác định vận tốc rất chính xác, có sai số không quá 10%, và có thể thực hiện trong các môi trường địa chất khác nhau. Do đó, thông thường tại mỗi khu vực khảo sát đều có một tuyến thực hiện bằng kiểu CMP để tính toán vận tốc truyền sóng khi xử lý và minh giải số liệu.

Với các thiết bị có màn chắn (hai ăng ten đặt cố định) thì không thể thực hiện phép đo CMP. Ngược lại, với các ăng ten không màn chắn (hai ăng ten tách rời) thì có thể sử dụng phương pháp này để xác định vận tốc truyền sóng.

Hình 1.3 là mặt cắt CMP được xử lý bằng phần mềm Matlab, vận tốc truyền sóng điện từ tại khu vực này tính được vào khoảng 0,11 m/ns.

Hình 1.3: Mặt cắt CMP và vận tốc truyền sóng tính được v = 0,10843

m/ns

19