Thạc Sĩ Phương pháp ảnh điện, lý thuyết và áp dụng nghiên cứu môi trường điện địa

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Trong những thập niên gần đây, từ những nhu cầu thực tế cùng với sự tiến bộ và phát triển của nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác nhau đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển cũng như nâng cao 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 kể những thiệt hại do các biến cố tự nhiên và nhân sinh như: sạt lở, động đất, rò rỉ phóng xạ và các yếu tố môi trường khác.
+ Cung cấp các thông tin cần thiết (các tham số địa vật lý) cho thiết kế công trình kèm theo các dự báo cần thiết cho việc phòng tránh các sự cố trong vấn đề kỹ thuật và môi trường trong tương lai.
+ Tìm kiếm, đánh giá, thăm dò khoáng sản, quy hoạch khai thác và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là 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 triển vượt bậc trong kỹ thuật tính 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: tính đàn hồi, trọng lực, từ trường, độ dẫn điện, độ truyền dẫn và sự phân cực của sóng điện từ và các bức xạ gamma tự nhiên, Các tham số này được dùng để dẫn suất ra các tham số khác nhau của môi trường như: thành phần hóa học, độ xốp, độ từ thẩm, địa tầng, cấu trúc địa chất và các tính chất khác nhau của các đối tượng nằm trong môi trường gần mặt đất.
Tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể, cùng với khả 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 lại hạn chế đối với môi trường có vận tốc thấp (lớp phủ bở rời), còn phương pháp thăm dò điện có hiệu quả với các cấu trúc nông, nhưng bị hạn chế khi nghiên cứu cấu trúc dưới mặt móng kết tinh. Tuy nhiên, xét về mặt kinh tế và hiệu quả của nó thì phương pháp thăm dò điện thể hiện tính ưu việt của mình trong thực tiễn nhờ vào giá thành, thiết bị gọn nhẹ, dễ thao tác thu thập số liệu . Cơ sở của phương pháp thăm dò điện là bài toán 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 suất 1D là bài toán thuận và
bài toán ngược được xây dựng trên cơ sở giả thiết rằng môi trường bên dưới có cấu trúc phân lớp ngang, giá trị của điện trở suất của môi trường chỉ thay đổi theo phương thẳng đứng, mô hình này thường ít khi gặp trong thực tế. Trong nhiều nghiên cứu địa kỹ thuật và môi trường, môi trường địa chất bên dưới mặt đất là môi trường rất phức tạp, giá trị điện trở suất thay đổi bất thường trong phạm vi hẹp. Do vậy, phương pháp đo sâu điện trở suất 1D không đủ chính xác để xác định các đối tượng như vậy và thường dẫn đến kết quả giải đoán sai lệch. Để nhận được một mô hình bên dưới mặt đất chính xác và gần gũi với thực tế hơn, ta cần phải sử dụng một mô hình tốt hơn đó là mô hình 2D, với mô hình này ta có thể biết thêm thông tin về sự thay đổi giá trị của điện trở suất dọc theo tuyến khảo sát. Mô hình này 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 đáp ứng được tính kinh tế và độ chính xác của cuộc khảo sát.
Với tính ưu việt của mình, phương pháp ảnh điện (2D) là một phần không thể thiếu 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 luận văn
+ Thứ nhất: Trình bày tổng quan về lý thuyết của phương pháp thăm dò điện. Trong đó, nêu lên được tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất, dẫn ra được biểu thức hết sức quan trọng trong thăm dò điện, đó là biểu thức phân bố điện thế trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang do nguồn dòng phát ra tại một điểm cũng nằm trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang đó.
+ Thứ hai: Trình bày tổng quan lý thuyết ảnh điện hai chiều: giới thiệu cơ sở lý thuyết của phương pháp ảnh điện, bài toán thuận, bài toán ngược trong thăm dò điện: trong đó có trình bày cách tính đạo hàm riêng phần cho môi trường nửa không gian đồng nhất, phương pháp bình phương tối thiểu.
+ Thứ ba: Trình bày về thiết bị máy móc và quy trình đo đạc, thu thập số liệu ngoài thực địa: trong đó có giới thiệu các thiết bị phổ biến trong thăm dò điện 2D, đánh giá độ nhạy của các thiết bị cơ bản, trình bày về nguyên tắc hoạt động của máy đo Ministing và quy trình đo đạc ngoài thực địa của một số hệ thiết bị Wenner alpha, Wenner-Schlumberger, Đặc biệt là trình bày về phương pháp thăm dò điện độ phân giải cao chồng chất các mức dữ liệu, rất linh hoạt và hiệu quả trong thăm dò điện.
+ Thứ tư: Áp dụng phương pháp ảnh điện vào thực tiễn để giải để giải quyết các vấn đề địa vật lý cụ thể: Khảo sát ảnh điện tại khu vực Bán Đảo Sơn Trà, Tp.Đà
Nẵng để đánh giá vai trò của bài toán thuận đối với bài toán ngược trong thăm dò ảnh điện nói riêng, cũng như trong thăm dò điện nói chung, thông qua đó giới thiệu hai chương trình giải bài toán thuận (Res2Dmod) và bài toán ngược (Res2Dinv); khảo sát ảnh điện tại khu vực gần Ngũ Hành Sơn, Phường Bắc Mỹ An, Tp. Đà Nẵng để giải quyết vấn đề môi trường; khảo sát hiện tượng sụt lún tại Ấp Suối Râm, xã Long Giao, huyện Cẩm Mỹ, Tĩnh Đồng 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 trình bày quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa của một số hệ thiết bị phổ biến hiện nay và đặc biệt có trình bày về nguyên tắc hoạt động của máy thăm dò điện MINISTING của Mỹ, một trong những máy đo điện mới nhất hiện nay.
+ Kiểm tra, đánh giá vai trò của bài toán thuận trong việc lựa chọn triển khai hệ thiết bị phù hợp với đối tượng khảo sát, cũng như việc giải bài toán ngược trong thăm dò ảnh điện hai chiều (2D), nhằm nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian của mỗi cuộc khảo sát. Ứng dụng thực tế phương pháp ảnh điện để khảo sát vấn đề môi trường tại một số nơi như: Tp.Đà Nẵng và Tĩnh Đồng Nai.
4. Bố cục của luận văn
Luận văn được trình bày trong 125 trang, bao gồm:
- Mở đầu: gồm 5 trang là phần giới thiệu chung về luận văn.
- Chương 1: gồm 25 trang là phần “ Tổng quan về phương pháp thăm dò điện”.
- Chương 2: gồm 19 trang, là phần trình bày “ Lý thuyết ảnh điện hai chiều (2D)”.
- Chương 3: gồm 42 trang, là phần trình bày “ Thiết bị máy móc và quy trình đo đạc của các thiết bị”.
- Chương 4: gồm 31 trang, là phần “ Kết quả ứng dụng của phương pháp ảnh điện 2D”.
- Kết luận: Trình bày vai trò và tầm quan trọng của phương pháp ảnh điện hai chiều (2D) trong thăm dò điện nói riêng, cũng như trong thăm dò địa vật lý nói chung. Đồng thời đưa ra các kiến nghị để nâng cao hiệu quả trong thăm dò ảnh điện hai chiều (2D).
Với điều kiện nghiên cứu trong nước, mặc dù chúng tôi đã cố gắng tận dụng mọi khả năng và điều kiện để có thể giải quyết tốt nhất những nhiệm vụ đặt ra. Nhưng do yếu tố khách quan hay chủ quan, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong muốn nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy và bạn đồng nghiệp.

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 hưởng 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 Phương 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 bị 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 PHƯƠNG 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 Khảo 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 LIỆU THAM KHẢO .124
PHỤ LỤC