ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯƠNG VĂN THỌ PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN, LÝ THUYẾT VÀ ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐIỆN ĐỊA Chuyên ngành: Vật lý Địa Cầu Mã số: 60 44 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN THÀNH VẤN TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009 LỜI CẢM ƠN [ \ Luận văn được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Trái Đất, thuộc Khoa Vật lý của trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thành Vấn. Em xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, người đã bỏ công sức hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để cho em có th ể hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong Bộ môn Vật lý Trái Đất, những người đã truyền thụ cho em những kiến thức cơ bản của ngành Vật lý Địa Cầu và những tư duy về vật lý. Em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Ngọc Thu, Ks.Nguyễn Trọng Tấn và các anh chị thuộc Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam đã tạo điều kiện hướ ng dẫn tài liệu và kinh nghiệm xử lý tình huống trong thực tập và thực tế. Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQG TP.HCM, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật Lý đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn và xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè thân hữu, những người đã cùng em sát cánh. Tp. Hồ Chí Minh, 09/2009 Học viên Lương Vă n Thọ MỤC LỤC [ \ Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các kí hiệu Danh mục các hình vẽ Mở đầu 01 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 06 1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 06 1.1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 06 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưở ng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 08 1.2 Lý thuyết phương pháp thăm dò điện 12 1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò điện 12 1.2.1.1 Bài toán cơ sở 12 1.2.1.2 Xác định hàm thế 15 1.2.2 Nhiệm vụ, mục tiêu của phương pháp thăm dò điện 23 1.2.3 Sơ lược về các phương pháp thăm dò điện 29 1.2.3.1 Phương pháp đo sâu điện 29 1.2.3.2 Ph ương pháp mặt cắt điện 29 1.2.3.3 Phương pháp ảnh điện 30 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ẢNH ĐIỆN HAI CHIỀU (2D) 31 2.1 Lý thuyết cơ bản của phương pháp ảnh điện 31 2.2 Bài toán thuận trong phương pháp thăm dò ảnh điện 2D 32 2.3 Bài toán ngược trong phương pháp thăm dò ảnh điện 2D 34 2.3.1 Phương pháp bình phương tối thiểu 35 2.3.2 Mô hình cho môi trường nửa không gian đồng nhất 39 2.3.2.1 Hàm độ nhạy 1D 41 2.3.2.2 Hàm độ nhạy 2D 45 2.3.3 Tính toán các đạo hàm riêng phần 47 CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MÁY MÓC VÀ QUY TRÌNH ĐO ĐẠC 50 3.1 Thiết bị đo đạc 50 3.1.1 Các thiết bị phổ biến trong thăm dò 2D 50 3.1.1.1 Cáp, điện cực 50 3.1.1.2 Máy đo 50 3.1.2 Đánh giá độ nhạy của một số thiết bị cơ bản 55 3.1.2.1 Thiết bị Wenner 55 3.1.2.2 Thiết bị lưỡng cực (Dipole-dipole) 57 3.1.2.3 Thiết bị Wenner-Schlumberger 60 3.1.2.4 Thiết bị Pole-dipole 62 3.2 Nguyên tắc hoạt động máy thăm dò điện Ministing 67 3.2.1 Hướng dẫn sử dụng máy đo Ministing 67 3.2.2 Các thao tác cơ bản với máy đo Ministing 70 3.2.3 Các bước thực hiện của phép đo 73 3.2.4 Thao tác với điện trở kiểm tra (Test Resistor) 73 3.2.5 Tải số liệu đã đo vào máy tính 74 3.2.6 Định dạng số liệu 74 3.3 Quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa 75 3.3.1 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị Wenner 76 3.3.2 Quy trình đo đạc của hệ thiết b ị Wenner-Schlumberger 78 3.3.3 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị lưỡng cực (Dipole-dipole) 80 3.3.4 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị Pole-pole 82 3.3.5 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị Pole-dipole 83 3.3.6 Thăm dò điện độ phân giải cao chồng chất các mức dữ liệu 85 3.3.7 Những trở ngại trong thăm dò và nghịch đảo điện trở suất 87 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CỦA PH ƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 2D 92 4.1 Khảo sát ảnh điện tại khu vực Bán đảo Sơn Trà, Tp.Đà Nẵng 92 4.1.1 Tính toán mặt cắt điện trở suất theo mô hình lý thuyết 93 4.1.2 Quá trình giải bài toán ngược của đối tượng khảo sát 103 4.1.2.1 Triển khai đo đạc thực địa và thu thập số liệu 103 4.1.2.2 Tính toán mặt cắt điện trở suất theo số liệu thực địa 105 4.1.3 Nhận xét kết quả và đánh giá vai trò của bài toán thuận 111 4.2 Kh ảo sát hiện tượng sụt lún ở Ấp Suối Râm, Xã Long Giao, 113 4.1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ 113 4.2.2 Vị trí địa lý và các đặc điểm địa chất, kiến tạo, địa vật lý 113 4.2.3 Kết quả, nhận xét và kết luận 115 4.3 Khảo sát môi trường tại khu vực gần Núi Ngũ Hành Sơn, Tp.Đà Nẵng 118 4.3.1 Thông tin về khu vực 118 4.3.2 Phương pháp và vị trí khu vực khảo sát 119 4.3.3 Kết quả và nhận xét 120 KẾT LUẬN 122 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU [ \ + ρ(Ω.m): Điện trở suất của vật chất. + ρ a (Ω.m): Điện trở suất biểu kiến đo được từ thực nghiệm. + ε(F/m): Độ điện thẩm. + μ(H/m): Độ từ thẩm. + η: Độ phân cực. + σ(1/ Ω.m): Độ dẫn điện. + λ: Hệ số bất đẳng hướng (hệ số thấm). + λ i : Hệ số bất đẳng hướng của phân lớp thứ i. + ρ n (Ω.m): Điện trở suất dọc. + ρ ni (Ω.m): Điện trở suất dọc của phân lớp thứ i. + ρ t (Ω.m): Điện trở suất ngang. + ρ ti (Ω.m): Điện trở suất ngang của phân lớp thứ i. + i ρ (Ω.m): Trung bình nhân của điện trở suất. + ρ x : Điện trở suất theo phương x. + ρ y : Điện trở suất theo phương y. + ρ z : Điện trở suất theo phương z. + δρ(Ω.m): Sự thay đổi điện trở suất trong một yếu tố thể tích nhỏ tại (x,y,z). + h i (m): Bề dày của phân lớp thứ i. + t ( o C) : Nhiệt độ. +ρ 18 : Điện trở suất ở 18 o C. + α: Hệ số nhiệt. + ρ w (Ω.m): Điện trở suất của chất lỏng. + Ф: Tỷ lệ đá chứa chất lỏng. + J(A/m 2 ) : Mật độ dòng điện. + GradJ = J∇ : Đạo hàm của mật độ dòng điện theo hướng của các trục tọa độ. + δ: Hàm delta Dirac. + E(V/m) : Cường độ điện trường. + I(A): Dòng phát. + U(V) : Điện thế. +∆U(V): Hiệu điện thế giữa hai cực thu. + δU(V): Sự thay đổi điện thế ứng với sự thay đổi điện trở suất δρ. + U i (r,ζ): Hàm thế trên mặt của phân lớp thứ i. +R i (λ); T i (λ): Hàm nhân. + J o (mr); Y o (mr): Các nghiệm riêng của hàm Betxen cấp zero. + J 1 (x): Hàm Betxen bậc 1. +GradU= ∇ U: Tốc độ biến thiên của điện thế theo các trục tọa độ. +∂U/∂r: Đạo hàm của điện thế theo tọa độ. + ∆x 1 (m): Khoảng cách giữa điểm nút thứ 1 và thứ 2 theo phương ngang (x) trong mạng lưới chữ nhật của bài toán thuận. + ρ ij (Ω.m): Điện trở suất tại dòng i, cột j của ô chữ nhật trong mạng lưới chữ nhật. + r C1 , r C2 (m): Khoảng cách từ một điểm trong môi trường (kể cả trên bề mặt) đến điện cực dòng thứ nhất và thứ hai. + r C1P1 = C 1 P 1 (m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 1 và điện cực thế thứ 1. + r C1C2 = C 1 C 2 (m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 1 và thứ 2. + r C2P1 = C 2 P 1 (m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 2 và điện cực thế thứ 1. + r C2P2 = C 2 P 2 (m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 2 và điện cực thế thứ 2. + k: Tham số hình học. + R(Ω): Điện trở. + y= col(y 1 ,y 2 ,…): Biểu diễn tập các dữ liệu quan sát được. + f= col(f 1 ,f 2 ,…): Biểu diễn dữ liệu đáp ứng mô hình. + q=col(q 1 ,q 2 ,…): Biểu diễn các tham số mô hình. + ∆q: Vector độ lệch của tham số mô hình. + g: Vector biểu diễn sự sai lệch giữa dữ liệu quan sát và đáp ứng mô hình. + g T : Chuyển vị của vector g. + E: Tổng bình phương sai số của độ sai lệch giữa các dữ liệu quan sát được và đáp ứng mô hình. + J: Ma trận Jacobi kích thước (m x n). + J T : Chuyển vị ma trận Jacobi. + J ij =∂f i /∂q j : Phần tử ma trận Jacobi ở dòng i cột j. + I: Ma trận đồng nhất. + C x , C y , C z : Các ma trận làm trơn theo phương x, y, z . + C x T , C y T , C z T : Chuyển vị các ma trận làm trơn theo phương x, y, z . + α x , α y , α z : Các trọng số tương đối cho các bộ lọc trơn theo phương x, y, z . + R d , R m : Các ma trận gia trọng. + dτ: Yếu tố thể tích mà trong đó δρ có giá trị không đổi. + F 3D , F 2D , F 1D : 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. + Ze(m): Chiều sâu khảo sát trung bình. + n x , n z : Số các đánh giá hàm theo hướng x và z. + W k , W l : Các trọng số tương ứng với các giá trị của n x , n z . DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ [ \ Hình 1.1: Mô hình phân lớp ngang của môi trường đồng nhất bất đẳng hướng. Hình 1.2: Dáng điệu của hàm )mr(J o và )mr(Y o . Hình 1.3: Dáng điệu của các hàm thx và cthx. Hình 1.4: Dòng điện chạy từ nguồn dòng điểm và sự 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 1 Ampere trong môi trường nữa không gian đồng nhất có điện trở suất 1 m Ω . Hình 1.6: Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực được sử dụng trong thăm dò điện. Hình 1.7: Các mô hình thiết bị thường được sử dụng trong thăm dò điện và các tham số hình học của chúng. Hình 1.8: Hệ thiết bị bốn cực đối xứng. 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 2.2: Thiết bị Pole-pole với điện cực dòng ở điểm gốc và điện cực thế đặt cách nó một khoảng cách “a” trên bề mặt môi trường. Hình 2.3: Đồ thị hàm độ nhạy 1D: a)Thiết bị Pole-pole; b)Thiết bị Wenner. Chú ý là độ sâu trung bình gấp 2 lần độ sâu ứng với giá trị cực đại của hàm độ nhạy. Hình 2.4: Các m ặt cắt độ nhạy 2D cho thiết bị Wenner-alpha, Wenner-beta, Wenner-gamma. Hình 2.5: Các tham số của một khối chữ nhật có liên quan đến việc tính toán đạo hàm riêng 2D của khối. C và P là các điện cực dòng và điện cực thế tương ứng. Hình 3.1: Hình ảnh về hệ thống thiết bị thăm dò điện. Hình 3.2: Minh họa hệ thống Abem Lund. Mỗi vạch trên các cáp biểu diễn một vị trí điện cực.Các cáp được đặc dọc theo tuyến đơn (trên hình trình bày dịch chuyển sang một bên để dễ hình dung). Trên hình vẽ cũng biểu diễn nguyên tắc dịch chuyển của các cáp theo kỹ thuật cuốn chiếu. Tổng chiều dài phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nút. Hình 3.3: Hệ thống Aarhus, hệ thống có hai điện cực dòng và 6 điện cực thế. Hình 3.4: Hệ thống Geometric OhmMaper dùng các điện cực nối điện dung. Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống di động dưới nước, cáp có hai điện cực dòng cố định và các điện cực thế để có thể thực hiện các phép đo với các khoảng cách khác nhau. Cấu hình thiết bị là cấu hình thiết bị Wenner, ngoài ra còn có thể áp dụng các cấu hình thiết bị khác, như thiết bị gradient,… Hình 3.6: Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Wenner, cho các cấu hình thiết bị: Wenner alpha, Wenner beta và Wenner gamma. Hình 3.7: Các mặt cắt của đườ ng cong độ nhạy 2D của thiết bị lưỡng cực. Các mặt cắt ứng với a) n = 1, b) n = 2, c) n = 4, d) n = 6. Hình 3.8: Có hai cách sắp xếp khác nhau đối với thiết bị lưỡng cực trong đo đạc. Cả hai cấu hình có cùng chiều dài nhưng có thừa số “a” và “n” khác nhau, kết quả là cường độ tín hiệu rất khác nhau. Hình 3.9: 1) So sánh cấu hình điện cực; 2) Dạng điểm dữ liệu, cho hai cấu hình thiết bị Wenner và Wenner-Schlumberger. Hình 3.10: Mặt cắt đường cong độ nhạy 2D của thiết bị Wenner-Schlumberger, ứng với n = 1, n = 2, n = 4, n = 6. Hình 3.11: Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Pole-dipole ứng với n = 1, n = 2, n = 4, n= 6. Hình 3.12: Cấu hình thiết bị Pole-dipole thuận và nghịch. Hình 3.13: Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Pole-dipole với chiều dài lưỡng cực là 1m ứng với các giá trị n = 6,12,18. Chú ý, khi n tăng, đới có độ nhạy dương cao trở nên tập trung hơn trong một đới nông bên dưới lưỡng cực. Hình 3.14: Mặt cắt giả điện trở suất biểu kiến của thiết bị Pole-dipole với các giá trị “n” lớn. Ảnh hưởng của các khối nhỏ điện trở suất cao gần bề mặt [...]... trong tổ hợp các phương pháp địa vật lý hiện đại, ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc gần mặt đất với hiệu quả rất cao Để có cái nhìn đầy đủ về lý thuyết cũng như khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp này trong nghiên cứu môi trường điện địa, trong luận văn của mình, tôi chọn đề tài nghiên cứu: “ Phương pháp ảnh điện, lý thuyết và áp dụng nghiên cứu môi trường điện địa ” 2 Mục tiêu và nhiệm vụ của... phân bố điện trường và điện thế trong môi trường dẫn điện do nguồn điện tự nhiên và nhân tạo sinh ra Từ đó, người ta phát triển các phương pháp tính cho môi trường bất đồng nhất hai chiều và ba chiều Phương pháp thăm dò điện được sử dụng từ lâu trong các nghiên cứu và khảo sát địa chất Trước đây, các thăm dò điện đều được thực hiện và giải đoán dưới dạng 1D Hạn chế lớn nhất của phương pháp điện trở... hiệu quả của các phương pháp địa vật lý Ngày nay, các phương pháp địa vật lý đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học và đời sống, nhằm phục vụ cuộc sống con người Một số lĩnh vực đã được áp dụng phương pháp địa vật lý, cụ thể là: + Nghiên cứu các đặc điểm địa kỹ thuật và môi trường, nhằm cung cấp thông tin cần thiết để có biện pháp thích hợp phòng tránh và giảm thiểu đáng... được áp dụng khá hiệu quả cho công tác khảo sát địa kỹ thuật và môi trường trong những thập niên gần đây, đặc biệt những nơi có điều kiện địa chất phức tạp và thường được gọi là phương pháp ảnh điện hai chiều (2D) Ngày nay, phương pháp ảnh điện 2D được sử dụng nhiều trong các cuộc thăm dò điện do áp ứng được tính kinh tế và độ chính xác của cuộc khảo sát Với tính ưu việt của mình, phương pháp ảnh điện. .. năng tài chính và các đặc điểm của đối tượng nghiên cứu mà các phương pháp địa vật lý khác nhau sẽ được lựa chọn, có thể là thăm dò địa chấn, thăm dò từ, hoặc thăm dò trọng lực, phương pháp phóng xạ, hay là thăm dò điện, Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm nhất định đối với từng đối tượng nghiên cứu cụ thể Như phương pháp địa chấn có độ phân giải tốt đối với các cấu trúc phân lớp và đứt gãy nhưng... 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. .. Nai 3 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 phổ biến, đồng thời... nước, than và các loại khoáng sản rắn + Tăng cường hoạt động nghiên cứu cũng như điều tra cơ bản về địa chất và các kiến thức địa chất thủy văn Ngoài ra, các phương pháp địa vật lý còn được sử dụng như các công cụ thí nghiệm không xâm lấn để xác định các tính chất vật lý của các đối tượng và môi trường, phục vụ cho nhu cầu về địa kỹ thuật, văn hoá, nông nghiệp và môi trường Cùng với sự ra đời và phát... 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(Ω.m), còn đại lượng ngược lại là độ dẫn điện σ , được đo bằng (1/Ω.m) Dòng điện trong môi trường đất đá ở tầng nông (gần mặt đất) truyền dẫn theo hai cách chính: dẫn điện điện tử và dẫn điện điện phân (hay dẫn điện ion) Trong dẫn điện điện tử, phần tử tải điện là các điện tử tự do giống... toán, xử lý máy tính và cuộc cách mạng trong chế tạo thiết bị, các phương pháp thu thập và xử lý tài liệu địa vật lý mới đã tạo điều kiện cho các phương pháp địa vật lý có những bước phát triển đáng kể, giữ một vai trò quan trọng trong các ngành khoa học kỹ thuật khác nhau, đặc biệt là trong nghiên cứu và khảo sát địa chất Các khảo sát địa vật lý sẽ giúp ta thu được trực tiếp các tham số vật lý như: . điện 23 1.2.3 Sơ lược về các phương pháp thăm dò điện 29 1.2.3.1 Phương pháp đo sâu điện 29 1.2.3.2 Ph ương pháp mặt cắt điện 29 1.2.3.3 Phương pháp ảnh điện 30 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ẢNH. lý thuyết cũng như khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp này trong nghiên cứu môi trường điện địa, trong luận văn của mình, tôi chọn đề tài nghiên cứu: “ Phương pháp ảnh điện, lý thuyết. 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