Mục đích của đề tài
- Từ những cái nhìn đầy đủ về lý thuyết phương pháp mặt cắt điện, nghiên cứu sử dụng cấu hình thiết bị thích hợp trong đo mặt cắt điện
Đo mặt cắt điện được thực hiện để khảo sát sự thay đổi điện trở suất theo tuyến khảo sát, với độ sâu nghiên cứu xác định nền địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1 của Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.
Mục tiêu của nghiên cứu là xác định sự phân bố cấu trúc phân chia cục bộ theo phương ngang của môi trường bên dưới mặt đất Điều này được thực hiện thông qua việc đo đạc giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường phía trên mặt đất tại khu vực địa chất phía sau giảng đường H1, theo hướng Nam-Bắc của Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Trong thăm dò điện, việc trình bày tổng quan về cơ sở vật lý và địa chất là rất quan trọng Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất và các yếu tố ảnh hưởng đến sự dẫn điện này cần được nêu rõ Đặc biệt, biểu thức phân bố điện thế trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang do nguồn dòng phát ra tại một điểm trên bề mặt đó là một yếu tố then chốt trong quá trình thăm dò.
+ Thứ hai: Tổng quan lý thuyết phương pháp đo mặt cắt điện.Từ đó, nghiên cứu sử dụng cấu hình thiết bị thích hợp trong đo mặt cắt điện
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày về thiết bị máy móc và quy trình đo đạc, thu thập số liệu ngoài thực địa Đặc biệt, chúng tôi sẽ giới thiệu các thiết bị sử dụng, đánh giá độ nhạy của những thiết bị cơ bản, cũng như quy trình đo đạc ngoài thực địa của hệ thống thiết bị Wenner-Schlumberger.
Vào thứ tư, tiến hành xử lý và phân tích số liệu thu thập được để đánh giá sự thay đổi của điện trở suất theo tuyến khảo sát, bao gồm cả phương nằm ngang hoặc gần nằm ngang, nhằm xác định ranh giới rõ ràng.
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ đã thực hiện phân chia cục bộ cấu trúc địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1, theo hướng Nam-Bắc của Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Qua đó, ông đã rút ra những đánh giá thực tiễn quan trọng về đặc điểm địa chất của khu vực này.
Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu tổng quan lý thuyết cơ sở địa chất-vật lý trong thăm dò điện, lý thuyết mặt cắt điện
Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm việc thực hiện nghiên cứu thực địa và cấu hình thiết bị đo phù hợp để tiến hành các phép đo giá trị điện trở suất biểu kiến của môi trường bên trên mặt đất Địa điểm thực hiện là khu vực phía sau giảng đường H1, theo hướng Nam-Bắc của Trường Đại Học Bách Khoa.
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
+ Trình bày quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa của phương pháp đo mặt cắt điện
Đánh giá độ nhạy của thiết bị trong phương pháp đo mặt cắt điện là rất quan trọng để lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp với đối tượng nghiên cứu Việc này giúp đảm bảo kết quả khảo sát đạt chất lượng tốt nhất.
Bài viết cung cấp kết quả phân tích sự phân chia cục bộ và đặc điểm cấu trúc địa chất tại khu vực phía sau giảng đường H1, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Những thông tin này sẽ hỗ trợ trong việc thiết kế và xây dựng nền móng cho các công trình dân dụng tại khu vực này.
Bố cục của luận văn
- Phần mở đầu: Gồm 4 trang giới thiệu chung về luận văn
+ Chương 1: Tổng quan cơ sở vật lý – địa chất trong thăm dò điện
+ Chương 2: Tổng quan lý thuyết phương pháp đo mặt cắt điện
+ Chương 3: Đưa ra cấu hình thiết bị, đánh giá độ nhạy và quy trình đo đạc của thiết bị sử dụng trong phương pháp đo mặt cắt điện
+ Chương 4: Xử lý số liệu và nhận xét
NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐỊA CHẤT – VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 1.1 Tính chất dẫn điên của vật chất dưới mặt đất
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất
Điện trở suất của đất đá chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ nứt nẻ, độ ẩm, mức độ khoáng hóa của nước ngầm, cấu trúc bên trong, cũng như nhiệt độ và áp suất.
Thông thường, các khoáng vật trong đất đá không dẫn điện, dẫn đến việc điện trở suất của hầu hết các loại đất đá trầm tích, biến chất và phun trào ít bị ảnh hưởng bởi thành phần khoáng vật.
1.2.2 Độ rỗng và độ nứt vỏ
Khi độ rỗng của đất đá tăng, điện trở suất sẽ giảm do lượng nước trong khối và nước trên bề mặt gia tăng Các loại đất đá rắn nứt nẻ như trầm tích, biến chất và phun trào có điện trở suất cao nhất Tuy nhiên, nếu những loại đất đá này nằm dưới mực nước ngầm, điện trở suất sẽ giảm xuống.
Khi độ ẩm tăng, điện trở suất của đất đá giảm, dẫn đến độ dẫn điện của chúng dưới mực nước ngầm cao hơn so với trên mặt đất.
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ nhấn mạnh rằng mực nước ngầm có sự khác biệt rõ rệt ở các loại đất như cát thô và đá có nhiều khe nứt, nơi nước khối chiếm ưu thế Ngược lại, trong trường hợp của sét, sự khác biệt này không rõ ràng, vì nước trên mặt có vai trò quan trọng hơn nước khối, dẫn đến sự chênh lệch về điện trở suất không đáng kể.
1.2.4 Độ khoáng hóa của nước ngầm Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước khoáng Trong điều kiện tự nhiên, thường 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, trong thực tế, có thể xác định điện trở suất của nước khoáng bằng cách xem nó chỉ do một loại muối nào đó trong vùng tạo nên Thông thường, người ta lấy NaCl làm đại diện, và có thể dùng công thức thực nghiệm:
(1.1) trong đó M là độ khoáng hóa, đơn vị g/l ρ là điện trở suất của muối khoáng
1.2.5 Kiến trúc bên trong của đất đá
Các đặc tính của kiến trúc và cấu tạo của đất đá không chỉ ảnh hưởng đến giá trị điện trở suất mà còn tạo ra tính bất đẳng hướng về điện Tính bất đẳng hướng này thể hiện rõ trong các loại đất đá sét trầm tích và phiến thạch, nơi có các lớp mỏng với điện trở suất khác nhau Đối với đất đá biến chất, nếu có nứt nẻ với phương ưu tiên theo quy luật thống kê, cũng sẽ xuất hiện tính bất đẳng hướng trong dẫn điện Tham số bất đẳng hướng thường được sử dụng để đặc trưng cho tính chất này là t.
Trong đó, n là điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp
t là điện trở suất theo phương phân lớp
1.2.6 Nhiệt độ và áp suất Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước ngầm chứa trong đất đá Mà điện trở suất của nước ngầm phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của ion trong nước khoáng tăng, điện trở suất giảm Sự phụ thuộc ấy được thể hiện bởi công thức:
Trong đó: t là nhiệt độ ( o C)
là hệ số nhiệt, trong khoảng nhiệt độ 18 50 o , hệ số này ít thay đổi với các dung dịch nước muối khác nhau
Khi nhiệt độ tăng sâu, điện trở suất giảm, trong khi khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0°C, điện trở suất thay đổi đột ngột Điều này xảy ra vì các đất đá dẫn điện chủ yếu nhờ vào ion trong khung khoáng vật và dung dịch trong các lỗ rỗng, nhưng khi nhiệt độ thấp, thành phần dung dịch đóng băng xuất hiện, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện.
Sự phụ thuộc của điện trở suất vào áp suất là một vấn đề phức tạp, tùy thuộc vào loại đất đá Đối với các loại đất đá trầm tích xốp và ngậm nước, điện trở suất sẽ tăng khi áp suất tăng, bởi vì khi áp suất gia tăng, thể tích của các lỗ rỗng và đường rỗng chứa dung dịch dẫn điện sẽ giảm, dẫn đến sự gia tăng điện trở suất.
Các loại đất đá rắn như trầm tích, biến chất và phun trào có điện trở suất cao nhất Đối với những nham thạch này, độ nứt nẻ và độ phong hóa đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức độ điện trở suất.
Các loại đất đá rắn nứt nẻ dưới mạch nước ngầm có điện trở suất thấp, và khi mức độ nứt nẻ cùng phong hóa mạnh, điện trở suất có thể giảm đáng kể, thậm chí thấp hơn hàng trăm lần so với đất đá đặc sít Nếu khe nứt chỉ chứa không khí, điện trở suất sẽ tăng lên Điện trở suất của các đất đá trầm tích tơi hoàn toàn phụ thuộc vào các điều kiện thủy địa chất.
Sét có điện trở suất thấp nhất và ít biến đổi nhất
Điện trở suất của các nham thạch trầm tích tăng theo kích thước hạt, và để định lượng điện trở suất của đất, đá và vật liệu, Keller, Frischknecht (1966) và Daniels, Alberty (1966) đã cung cấp bảng số liệu tham khảo Các loại đá xâm nhập và biến chất thường có điện trở suất cao, phụ thuộc vào độ nứt nẻ và mức độ chứa nước trong các đới nứt Giá trị điện trở suất có thể dao động từ hàng triệu Ω.m đến dưới một Ω.m, tùy thuộc vào độ ẩm và khoáng hóa của nước Thông tin này rất quan trọng trong việc khảo sát địa kỹ thuật, phát triển các đới nứt nẻ và thăm dò nước ngầm.
Các đá trầm tích có độ xốp và độ chứa nước cao, dẫn đến giá trị điện trở suất thấp hơn so với đá thâm nhập và đá biến chất Giá trị điện trở suất của các đá này thường dao động từ 10Ω.m đến 10,000Ω.m, với phần lớn có giá trị nhỏ hơn 1,000Ω.m Điện trở suất phụ thuộc chủ yếu vào độ xốp, độ chứa nước của đá và độ khoáng hóa của nước trong các lỗ rỗng.
Các trầm tích bỡ rời không gắn kết thường có điện trở suất thấp hơn các đá trầm tích, với giá trị từ vài .m đến dưới 1000 .m Giá trị điện trở suất phụ thuộc vào độ xốp và hàm lượng khoáng vật, trong đó đất sét có điện trở suất thấp hơn đất cát Điện trở suất của đất đá thay đổi trong một giới hạn rộng và chồng chéo, phụ thuộc vào độ xốp, mức độ nước bảo hoà và hàm lượng muối hòa tan Giá trị điện trở suất của nước dưới đất dao động từ 10 đến 100 Ohm.m, tùy thuộc vào hàm lượng muối hòa tan, trong khi điện trở suất của nước biển rất thấp (khoảng 0.2 .m) do hàm lượng muối cao Điều này khiến phương pháp thăm dò điện trở trở thành kỹ thuật lý tưởng để xác định ranh giới nhiễm mặn ở vùng Duyên Hải Mối quan hệ giữa điện trở suất của đá xốp và độ bão hòa của chất lỏng được mô tả bởi định luật Archie, áp dụng cho một số loại đá và trầm tích, đặc biệt là những loại 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:
điện trở suất của đá
w điện trở suất của chất lỏng
tỉ lệ đá chứa chất lỏng a và m là các tham số thực nghiệm
Các tham số điện từ khác
1.3.1 Độ điện thẩm và độ từ thẩm μ
1.3.1.1 Độ điện thẩm Độ điện thẩm đặc trưng cho khả năng của của chất tập trung hoặc phân tán đường sức điện trường do hiện tượng phân cực, tức là hiện tượng định hướng thứ tự các điện tích liên kết
Trong nham thạch, điện tích liên kết tồn tại trong nước khối, nước mặt xung quanh các vật rắn và trong các hạt rắn Nước có độ điện thẩm cao nhất trong các chất thông thường Khi dòng điện chạy qua, vectơ phân cực P được xác định bởi vectơ phân cực của chất điện ly trong nham thạch P đl và vectơ phân cực của đất đá P đ.
E là cường độ điệntrường x đl, x đ là hệ số phân cực của nước và của nham thạch x đl = đl - o (1.6)
Với đl , o là độ điện thẩm tuyệt đối của nước và của chân không
Trong hệ SI ta biết:
Độ điện thẩm tỉ đối (x đ) là đại lượng đặc trưng cho sự phân cực kích thích của nham thạch, có giá trị lớn đối với dòng điện không đổi hoặc biến đổi tần số thấp (f < 10 Hz) Khi đó, x đl 10 4 ) ảnh hưởng đến độ từ thẩm khi nghiên cứu các loại quặng có tính chất sắt từ
Cường độ điện trường tự nhiên cục bộ được đặc trưng bởi tham số điện từ của môi trường, gọi là hoạt tính điện hóa Tùy thuộc vào các giả thuyết khác nhau, tính điện hóa có thể được định nghĩa bằng nhiều đại lượng khác nhau Thông thường, các khái niệm liên quan đến hoạt tính điện hóa được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu.
1.3.2.1 Hoạt tính khuếch tán hấp thụ
Hoạt tính của nham thạch quyết định tính chất tự nhiên của nó, thông qua quá trình khuếch tán các ion trong các chất điện ly với nồng độ khác nhau và sự hấp thụ các ion này trên bề mặt rắn của nham thạch.
Công thức thực nghiệm biểu diễn liên hệ hiệu thế khuếch tán hấp thụ ∆U kt-ht và hiệu thế khuếch tán ∆U kt với hoạt tính khuếch tán hấp thụ
Trog đó: K kt-ht và K kt là hệ số khuếch tán tán hấp và hệ số khuếch tán
C1 và C2 là nồng độ dung dịch trong nham thạch, trong khi ρ1 và ρ2 là điện trở suất của dung dịch, tỉ lệ với nồng độ Hoạt tính khuếch tán hấp thụ (α kt-ht) bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học, khoáng vật, độ xốp, độ phân tán của nham thạch và độ khoáng hóa của nước dưới đất Sự biến đổi của hoạt tính này nằm trong khoảng từ 5-10 mV ở alevrôlit đến 50 mV ở sét và mecgel.
Hoạt tính của nham thạch tạo ra hiệu thế tự nhiên khi nước ngầm được lọc qua chúng Hiệu thế ngấm lọc có thể được xác định bằng một công thức cụ thể.
Trong đó: α nl là hoạt tính ngấm lọc
Áp suất gây ngấm lọc (P) ảnh hưởng đến hoạt tính ngấm lọc, được xác định bởi thành phần khoáng vật của nham thạch, độ xốp, độ thấm, cũng như các đặc tính khoáng hóa, độ điện thẩm và độ nhớt của nước dưới đất.
1.3.2.3 Hoạt tính oxy hóa khử
Hoạt tính này đặc trưng cho tính chất của nham thạch tạo nên ở mặt tiếp xúc giữa vật dẫn điện tử và vật dẫn ion một bước nhảy thế
Trên bề mặt tiếp xúc giữa vật dẫn điện tử và vật dẫn ion, các quá trình điện hóa tạo ra một bước nhảy thế, được gọi là thế điện cực Trong quá trình này, các phản ứng oxy hóa khử đóng vai trò quan trọng.
Hiệu số của hoạt tính oxy hóa khử và hoạt tính khuếch tán hấp thụ: α o-k = K o-k - K kt-ht (1.11)
Thực nghiệm xác định được:
Trong đó: ∆U o-k là hiệu thế giữa dung dịch oxy hóa và mặt vật dẫn điện tử khi dung dịch có nồng độ khác nhau C ’ và C ”
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Svesnhicôp đã nghiên cứu và nêu lên các yếu tố xác định hoạt tính oxy hóa khử như sau:
+ Thành phần hóa học của khoáng vật gây nên các giá trị thế điện cực khác nhau
Cấu trúc và độ dẫn điện của vật quặng có ảnh hưởng lớn đến cường độ điện trường; ví dụ, vật quặng có khối đặc sít sẽ dẫn điện tốt hơn và phân cực mạnh hơn so với vật quặng xâm tán.
+ Thành phần hóa học và nồng độ của nước ngầm đóng vai trò rất quang trọng trong việc tạo nên các điện thế tự nhiên
+ Sự phân bố và vận động của nước ngầm ảnh hưởng lên cường độ và độ ổn định của thế phân cực của quặng
Khi dòng điện chạy qua, nham thạch sẽ bị phân cực, và quá trình này diễn ra chậm theo thời gian Sự phân cực không chỉ làm thay đổi cường độ của trường trong môi trường mà còn tạo ra các thế thứ cấp sau khi dòng điện ngừng Những thế này được gọi là thế phân cực kích thích, và nguyên nhân gây ra chúng là do quá trình điện thế hóa khác nhau.
Mức độ phân cực kích thích được biểu diễn qua tham số η, hay còn gọi là đô phân cực của môi trường Độ phân cực này được xác định bằng tỉ số giữa hiệu thế phân cực kích thích ∆U pk, đo tại thời điểm 0,5 giây sau khi ngắt dòng phát, và hiệu thế ∆U của trường sơ cấp.
Thế phân cực liên quan đến các quá trình xảy ra trong tham thạch tại điểm tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng Hiện tượng này đạt cực đại khi nham thạch chứa các khoáng vật dẫn điện điện tử, trong khi đó, nó chỉ ở mức rất nhỏ đối với nham thạch dẫn điện ion.
Từ trường của hệ điện cực trên nữa không gian đồng nhất
CƠ SỞ ĐỊA CHẤT – VẬT LÝ 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, được thể hiện qua các tham số như điện trở suất (ρ), độ điện thẩm (ε), độ từ thẩm (μ), cùng với độ hoat động điện hóa (α) và độ phân cực (η) Các tham số này phản ánh định lượng khách quan về thành phần khoáng vật, cấu trúc, lịch sử hình thành, và điều kiện địa chất của đất đá Ngoài ra, chúng còn chịu ảnh hưởng bởi tần số biến đổi của trường điện từ và các điều kiện vật lý khác Trong nghiên cứu địa điện, điện trở suất là tham số quan trọng nhất, được đo bằng Ohm.m (Ω.m), trong khi độ dẫn điện (σ) là đại lượng ngược lại.
Dòng điện trong môi trường đất đá ở tầng nông truyền dẫn chủ yếu qua hai phương thức: dẫn điện điện tử và dẫn điện điện phân Trong dẫn điện điện tử, các điện tử tự do là phần tử tải điện, tương tự như trong kim loại Ngược lại, trong dẫn điện điện phân, các ion trong môi trường nước dưới mặt đất đóng vai trò là phần tử tải điện Trong các khảo sát địa kỹ thuật và môi trường, dẫn điện điện phân là cơ chế phổ biến nhất, trong khi dẫn điện điện tử chỉ quan trọng khi có khoáng vật dẫn điện như sulfit và graphit kim loại trong thăm dò khoáng sản.
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Chúng ta có thể phân loại vật chất dưới mặt đất dựa trên khả năng dẫn điện của chúng, thể hiện qua điện trở suất Điện trở suất của đất đá liên quan chặt chẽ đến đặc tính và độ dẫn của các khoáng vật cấu thành Dựa vào giá trị điện trở suất, các khoáng vật có thể được phân loại một cách rõ ràng.
Bảng Bảng 1.1: Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng 1.1
Trong đất đá, khả năng dẫn điện phụ thuộc vào tỷ lệ khoáng vật có điện trở suất thấp Tuy nhiên, hầu hết khoáng vật trong đất đá có điện trở suất cao Do đó, đất đá có thể được hình dung như các khung khoáng vật chứa đầy dung dịch nước tự nhiên trong các lỗ rỗng và khe Nước trong khung khoáng vật được chia thành hai loại: nước tự do trong các lỗ rỗng, gọi là nước khối, và nước liên kết trên bề mặt, gọi là nước mặt.
Nước khối di chuyển trong đất đá dưới tác động của trọng lực và lực mao dẫn, với các ion muối khoáng là phần tử tải điện Lượng nước khối và độ khoáng hóa của nó quyết định điện trở suất của đất đá Do các quá trình điện hóa khác nhau, bề mặt các hạt rắn hấp thụ một lớp nước mỏng, tạo ra một lớp điện kép với điện tích của pha rắn ở mặt trong và các ion ngược dấu của pha lỏng ở mặt ngoài Tùy thuộc vào khả năng giữ ion, lớp nước này có thể được gọi là liên kết bền hoặc không bền, và khi có dòng điện chạy qua, các ion của nước trên mặt sẽ bị phân cực.
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất
Điện trở suất của đất đá bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ nứt nẻ, độ ẩm, mức độ khoáng hóa của nước ngầm, kiến trúc bên trong, cũng như nhiệt độ và áp suất.
Hầu hết các khoáng vật trong đất đá không dẫn điện, dẫn đến điện trở suất của nhiều loại đất đá trầm tích, biến chất và phun trào ít bị ảnh hưởng bởi thành phần khoáng vật.
1.2.2 Độ rỗng và độ nứt vỏ
Khi độ rỗng tăng, điện trở suất của đất đá giảm do lượng nước trong khối và nước bề mặt tăng lên Các loại đất đá rắn nứt nẻ như trầm tích, biến chất và phun trào có điện trở suất cao nhất Tuy nhiên, nếu những loại đất đá này nằm dưới mực nước ngầm, điện trở suất sẽ giảm.
Khi độ ẩm tăng lên, điện trở suất của đất đá sẽ giảm, dẫn đến độ dẫn điện của chúng dưới mực nước ngầm cao hơn so với trên bề mặt.
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ cho biết rằng mực nước ngầm có sự khác biệt rõ rệt ở các loại đất như cát thô và đá có nhiều khe nứt, nơi nước khối chiếm ưu thế Ngược lại, ở sét, sự chênh lệch này không rõ ràng, vì nước trên bề mặt đóng vai trò quan trọng hơn nước khối, dẫn đến sự khác biệt về điện trở suất 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 khoáng Trong điều kiện tự nhiên, thường 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, trong thực tế, có thể xác định điện trở suất của nước khoáng bằng cách xem nó chỉ do một loại muối nào đó trong vùng tạo nên Thông thường, người ta lấy NaCl làm đại diện, và có thể dùng công thức thực nghiệm:
(1.1) trong đó M là độ khoáng hóa, đơn vị g/l ρ là điện trở suất của muối khoáng
1.2.5 Kiến trúc bên trong của đất đá
Các đặc tính kiến trúc và cấu tạo của đất đá không chỉ ảnh hưởng đến giá trị điện trở suất mà còn gây ra tính bất đẳng hướng về điện Tính bất đẳng hướng này thể hiện rõ nhất ở các loại đất đá sét trầm tích và phiến thạch, được hình thành từ các lớp mỏng có điện trở suất khác nhau Đối với đất đá biến chất, nếu có nứt nẻ và các khe nứt có phương ưu tiên theo quy luật thống kê, sẽ xuất hiện tính bất đẳng hướng về tính dẫn điện Để mô tả tính bất đẳng hướng này, người ta thường sử dụng tham số bất đẳng hướng t.
Trong đó, n là điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp
t là điện trở suất theo phương phân lớp
1.2.6 Nhiệt độ và áp suất Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước ngầm chứa trong đất đá Mà điện trở suất của nước ngầm phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của ion trong nước khoáng tăng, điện trở suất giảm Sự phụ thuộc ấy được thể hiện bởi công thức:
Trong đó: t là nhiệt độ ( o C)
là hệ số nhiệt, trong khoảng nhiệt độ 18 50 o , hệ số này ít thay đổi với các dung dịch nước muối khác nhau
Khi nhiệt độ tăng theo chiều sâu, điện trở suất sẽ giảm Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0°C, điện trở suất sẽ thay đổi đột ngột do sự xuất hiện của dung dịch đóng băng, bên cạnh các ion trong khung khoáng vật và dung dịch trong các lỗ rỗng, làm ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của đất đá.
Sự phụ thuộc của điện trở suất vào áp suất là phức tạp và khác nhau tùy theo loại đất đá Đối với các loại đất đá trầm tích xốp và ngậm nước, điện trở suất sẽ tăng khi áp suất tăng, do sự giảm thể tích của các lỗ rỗng và đường rỗng chứa dung dịch dẫn điện.
Hệ số thiết bị
, ta có thể rút ra:
Hệ số thiết bị, phụ thuộc vào vị trí các điện cực trong hệ, là một hàm thuần túy hình học và được dùng để đo điện trở suất Thiết bị này có thứ nguyên độ dài, cho thấy sự quan trọng của việc xác định chính xác vị trí các điện cực trong quá trình đo lường.
Ta sẽ xét một vài loại thiết bị thường dùng trong thăm dò điện a) Thiết bị bốn cực đối xứng:
Thiết bị bốn cực trong đó có hai cực phát và hai cực thu nằm cùng trên một đường thẳng và đối xứng qua một tâm chung
Hình 2.1: Cấu hình thiết bị bốn cực đối xứng
Ta có AM BN , AN BM
Ta xét hai trường hợp đặc biệt thường dùng của thiết bị bốn cực đối xứng
- Trường hợp thứ nhất, khi AM MN NB AB / 3, hệ cực gọi là thiết bị Wenner Khi đó:
- Trường hợp thứ hai, khi AM AB đến mức sao cho
U xem như bằng gradient thế ở điểm giữa hai điện cực, hệ được gọi là thiết bị Schlumberger
Với: r/2 là khoảng cách mở thiết bị
Khi thiết bị chỉ có một cực phát A (cực B->∞) thì trở thành thiết bị nữa
Schkumberger b) Thiết bị lưỡng cực:
Hình 2.2: Cấu hình thiết bị lưỡng cực
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Thiết bị bao gồm hai cực phát A-B và hai cực thu M-N, được sắp xếp sao cho kích thước của AB và MN rất nhỏ so với khoảng cách r=OO’, trong đó O và O’ là tâm của cặp cực phát và cặp cực thu.
Thiết bị này thường được áp dụng để khảo sát bất đồng nhất ngang, tìm kiếm quặng mỏ và nghiên cứu độ sâu, giúp khắc phục khó khăn trong việc bố trí hệ cực phát dòng A-B với kích thước lớn của thiết bị bốn cực đối xứng.
Thiết bị lưỡng cực được chia làm hai loại chính:
- Thiết bị lưỡng cực xuyên tâm: là thiết bị có hai cực thu M-N đặt dọc theo phương OO’ Hệ số thiết bị được tính theo công thức
Khi = 0 0 , thiết bị này được gọi là thiết bị lưỡng cực trục
- Thiết bị lưỡng cực phương vị: là thiết bị lưỡng cực có hai cực thu M-n đặt vuông góc với OO’ Hệ số thiết bị được tính theo công thức
Khi = 90 0 thiết bị này được gọi là thiết bị lưỡng cực xích đạo.
Điện trở suất biểu kiến
Trong môi trường đồng nhất vô hạn, giá trị được tính theo biểu thức trên sẽ là điện trở suất thật của môi trường
Khi môi trường không đồng nhất hoặc không vô hạn, điện trở suất tính theo công thức đơn giản sẽ không phản ánh giá trị thực Trong trường hợp này, đại lượng điện trở suất được gọi là điện trở suất biểu kiến Để tính toán điện trở suất biểu kiến của môi trường, cần áp dụng một biểu thức tổng quát hơn.
Điện trở suất biểu kiến là đại lượng phản ánh tác động tổng thể của môi trường bất đồng nhất lên điện trường Giá trị này được xác định bởi cấu trúc, tính chất của môi trường và cách bố trí các điện cực đo trong môi trường đó.
Trong môi trường bất đồng nhất và môi trường vô hạn đồng nhất, khi bố trí các thiết bị đo và phát dòng giống nhau, ta có thể xác định tỷ số giữa điện trở suất biểu kiến trong môi trường bất đồng nhất và điện trở suất thật trong môi trường đồng nhất.
U0 và E0 đại diện cho hiệu điện thế và trường trong môi trường đồng nhất Điện trở suất biểu kiến không chỉ đơn thuần là giá trị trung bình của các điện trở suất trong môi trường, mà có thể lớn hơn giá trị lớn nhất hoặc nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất của điện trở suất Trong một số trường hợp, nó cũng có thể bằng giá trị điện trở suất của một phần nào đó trong môi trường.
TÌM HIỂU ĐỘ NHẠY, LỰA CHỌN CẤU HÌNH THIẾT BỊ VÀ
Hàm độ nhạy 1D- chiều sâu khảo sát
Trong thăm dò đo sâu điện trở suất, khi khoảng cách giữa các điện cực gia tăng, thiết bị sẽ ghi nhận thông tin về giá trị điện trở suất của các lớp sâu hơn Một câu hỏi thường đặt ra là chiều sâu nghiên cứu của thiết bị là bao nhiêu Để xác định chiều sâu khảo sát, có thể sử dụng hàm độ nhạy hay đạo hàm Frechet Trong mô hình thăm dò, nửa không gian bên dưới được giả thiết là môi trường phân lớp ngang Cần xác định cách điện thế đo được thay đổi trên bề mặt khi giá trị điện trở suất của một lớp mỏng bên dưới thay đổi Đối với môi trường phân lớp ngang, giới hạn của x và y được xem là từ -∞ đến ∞ Hàm độ nhạy của lớp mỏng nằm ngang có thể được tính bằng cách tích phân hàm độ nhạy 3D theo phương x và y.
Phương trình trên có nghiệm đơn giản (Roy and Apparao, 1971) cho bởi biểu thức sau
Phương trình này, được gọi là độ sâu khảo sát đặc trưng, đã được nhiều nhà địa vật lý áp dụng để xác định các đặc tính của thiết bị trong thăm dò đo sâu điện trở suất (Edward, 1977; Barker, 1991; Merrick, 1997).
Đồ thị hàm trong Hình 3.2a cho thấy rằng bắt đầu từ giá trị Zero, đồ thị tăng lên đến giá trị cực đại tại độ sâu khoảng 0.35a, sau đó giảm dần và tiệm cận về Zero Một số tác giả đã coi điểm cực đại này là chiều sâu khảo sát của thiết bị Tuy nhiên, Edwards (1977) và Barker (1991) đã chỉ ra rằng, để có đánh giá chính xác hơn, đây chỉ nên được xem là chiều sâu trung bình của khảo sát.
Chiều sâu khảo sát là độ sâu tại đó diện tích dưới đường cong và trục hoành được chia thành hai phần bằng nhau Tại điểm này, vùng phía dưới đường cong cũng được phân chia thành hai diện tích tương đương, tạo nên sự cân bằng giữa diện tích do đường cong và trục hoành.
Đồ thị hàm độ nhạy 1D cho thiết bị pole-pole cho thấy chiều sâu trung bình khảo sát (mũi tên đỏ) gấp 2 lần chiều sâu có độ nhạy cực đại (mũi tên xanh) Bên cạnh đó, đồ thị hàm độ nhạy và chiều sâu trung bình khảo sát cũng được trình bày cho thiết bị wenner.
Trong các số hạng Leyman, phần phía trên của môi trường khảo sát có ảnh hưởng tương tự đến điện trở suất đo được như phần phía dưới Điều này cho thấy độ sâu có thể ghi nhận bởi thiết bị không phụ thuộc vào điện trở suất biểu kiến hay điện trở suất của mô hình đồng nhất Mặc dù chiều sâu khảo sát tính toán chỉ hoàn toàn chính xác cho mô hình đồng nhất, nó vẫn hữu ích cho thiết kế khảo sát thực địa Tuy nhiên, nếu điện trở suất ở các lớp gần mặt đất có sự tương phản lớn, chiều sâu thực tế của khảo sát có thể thay đổi.
Hàm độ nhạy của thiết bị có thể xác định thông qua việc sử dụng 4 cặp điện cực dòng-thế thích hợp Đồ thị hàm độ nhạy cho thiết bị Wenner alpha được trình bày trong Hình 3.2b, với sự chú ý đến phần diện tích xung quanh đường cong.
GVHD: Thiết bị Wenner alpha cho thấy độ phân giải theo phương thẳng đứng tốt hơn so với thiết bị Pole-Pole, với trí cực đại hẹp hơn, điều này chứng minh hiệu suất vượt trội của Wenner trong việc khảo sát địa chất.
Bảng 3.1 thể hiện chiều sâu khảo sát trung bình cho các thiết bị khác nhau Để xác định chiều sâu tối đa trong một khảo sát, cần nhân khoảng cách điện cực tối đa.
Chiều dài thiết bị cực đại L được xác định dựa trên thừa số độ sâu thích hợp Chẳng hạn, với thiết bị Wenner có khoảng cách điện cực "a" là 100m, chiều dài tối đa là 300m, thì chiều sâu đo tối đa đạt 51m Đối với các thiết bị như lưỡng cực, Pole-dipole và Wenner-Schlumberger, thừa số n cũng cần được tính toán Đối với thiết bị 4 cực, việc sử dụng chiều dài L để tính toán chiều sâu là thuận tiện hơn Ví dụ, với thiết bị lưỡng cực có khoảng cách điện cực a là 10m và thừa số n là 6, chiều dài tối đa sẽ là 80m, tương ứng với chiều sâu khảo sát tối đa là 17m (80 x 0,216).
Bảng 3.1 trình bày các tham số hình học cho các thiết bị ở khoảng cách a = 1m, bao gồm nghịch đảo của tham số hình học cho chỉ báo điện thế giữa các điện cực P1 và P2 Bảng cũng chỉ ra tỉ số giữa điện thế đo được và điện thế của thiết bị Wenner Alpha Chẳng hạn, giá trị 0,01 cho thấy điện thế đo được bởi thiết bị này chỉ bằng 1% so với điện thế của thiết bị Wenner Alpha tại cùng khoảng cách a.
Loại thiết bị Ze/a Ze/L Tham số hình học
Nghịch đảo tham số hình học (tỉ số) Wenner Alpha 0.519 0.173 6.2832 0.15915 (1000) Wenner Beta 0.416 0.139 18.850 0.05305 (0.3333) Wenner Gamma 0.594 0.198 9.428 0.10610 (0.6667)
Bảng 3.1 trình bày chiều sâu khảo sát trung bình (Ze) cho các thiết bị khác nhau theo nghiên cứu của Ater Adward (1977) Tổng chiều dài của thiết bị được ký hiệu là L Đặc biệt, các giá trị Ze/a cho thiết bị Wenner-Schlumberger và Pole-dipole là giống nhau, với tham số điện cực được tính cho "a" có giá trị 1m.
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Thiết bị Wenner-Schlumberger
3.3.1 Độ nhạy Đây là loại thiết bị lai giữa hai loại thiết bị Wenner và Schlumberger (Pazdirek and Blaha, 1996) đã được sử dụng gần đây trong các thăm dò ảnh điện Thiết bị Schlumberger cổ điển là một trong các thiết bị thông dụng nhất trong thăm dò đo sâu điện Dạng số hoá của loại thiết bị này để nó có thể được sử dụng trong một hệ thống với sự sắp xếp các hệ điện cực ở các khoảng cách giống nhau được trình bày trong hình 3.4b Thừa số n cho thiết bị này là tỉ số khoảng cách giữa các điện cực C1-P1 (hoặc C2-P2) với khoảng cách giữa các điện cực của cặp điện cực thế P1-P2 Chú ý rằng, thiết bị Wenner là một trường hợp đặc biệt của thiết bị này, khi thừa số n=1
Biểu diễn độ nhạy của thiết bị khi thừa số n tăng từ 1 (Wenner) đến 6 (Schlumberger cổ điển) cho thấy vùng độ nhạy cao nhất tập trung dưới tâm các điện cực P1-P2 Khi n gia tăng, các đường đẳng trị độ nhạy có độ cong nhẹ theo phương đứng Ở n=6, độ nhạy dương cao dưới các điện cực P1-P2 tách biệt hơn với độ nhạy dương gần các điện cực C1-C2, cho thấy thiết bị này có độ nhạy đồng đều cho cả cấu trúc ngang và đứng Trong khu vực có sự hiện diện của cả hai loại cấu trúc địa chất, thiết bị này tạo ra sự thoả hiệp tốt giữa thiết bị Wenner và lưỡng cực Chiều sâu trung tuyến khảo sát lớn hơn khoảng 10% so với thiết bị Wenner với cùng khoảng cách điện cực C1-C2 cho n lớn hơn 3 Mặc dù cường độ tín hiệu yếu hơn thiết bị Wenner, nhưng vẫn lớn hơn thiết bị lưỡng cực và gấp hai lần thiết bị Pole-Dipole.
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Mô hình các điểm dữ liệu trong các mặt cắt giả định cho thiết bị Wenner và Wenner-Schlumberger cho thấy sự khác biệt trong mức độ bao phủ ngang Thiết bị Wenner có ít hơn 3 điểm dữ liệu ở mỗi mức độ sâu hơn so với mức trên, trong khi thiết bị Wenner-Schlumberger chỉ thiếu 2 điểm dữ liệu, đồng thời có mức độ bao phủ ngang rộng hơn so với Wenner nhưng hẹp hơn so với thiết bị lưỡng cực.
Cấu hình thiết bị Wenner-Schlumberger cho thấy độ nhạy cao đối với cấu trúc phân bố ngang khi n nhỏ và nhạy với cấu trúc thẳng đứng khi n lớn Điều này mang lại tính linh hoạt cho phương pháp mặt cắt điện trong việc xác định cấu trúc phân bố thẳng đứng trong các khảo sát địa chất phân chia cục bộ theo phương thẳng đứng Vì vậy, chúng tôi đã chọn cấu hình này cho các đo đạc thực nghiệm với các thông số cụ thể.
- Chiều sâu khảo sát Ze = 20.93m
- Tổng chiều dài của thiết bị L = 110m
- Chiều dài của tuyến đo A = 140m
- Bước nhảy của điểm dữ liệu dọc theo tuyến đo : 2m
- Sơ đồ cấu hình thiết bị đo:
Bảng 3.2: Bảng thiết bị đo
Số điểm dữ liệu dọc theo tuyến đo
Tọa độ các điểm dữ liệu
Thiết bị đo đạc
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Điện cực là thiết bị dẫn điện có chức năng truyền dòng điện nhân tạo từ nguồn phát vào đất đá thông qua dây dẫn, hoặc dẫn dòng điện sinh ra trong đất đá tới các máy đo điện.
Trong thăm dò điện, có hai loại điện cực chính: điện cực phát và điện cực thu Điện cực phát thường được chế tạo từ sắt, trong khi điện cực thu thường được làm từ đồng (Cu) hoặc chì (Pb).
Máy đo điện: máy Diapir E, Diapir 10R, do Hungari sản xuất
Các thiết bị bổ trợ: cuộn cáp,búa, dây điện,…
Quy trình đo đạc của thiết bị Wenner- Schlumberger
Sau khi lựa chọn hệ thiết bị Wenner – Schlumberger và khoảng cách điện cực phù hợp, chúng tôi tiến hành cắm cọc dọc theo tuyến đo dài 140m theo hai hướng Bắc-Nam và Đông-Tây Trong quá trình khảo sát thực địa, công việc chính là bố trí cáp và các điện cực Sau khi hoàn tất việc đi cáp và cắm điện cực, máy sẽ tự động thực hiện các phép đo theo cấu hình và vị trí đã được định sẵn Chúng tôi chỉ cần chờ máy ổn định và bấm nút để thu kết quả cường độ dòng phát và hiệu điện thế thu Trong khảo sát, việc đi dây cáp và cắm điện cực được thực hiện cách đều nhau trên tuyến đo, với cấu hình thiết bị được trình bày trong chương 2, trong đó a = 10m và n = 5, hai cực thu P1, P2 nằm giữa hai cực phát C1, C2 với khoảng cách giữa các điện cực (C1P1 = P2C2 = na).
P1P2 = a ) được giữ không đổi trong suốt quá trình đo Đối với điểm đo đầu tiên, cặp điện cực phát là 1 và 56, còn cặp điện cực thu là
Trong phép đo, cặp điện cực phát đầu tiên được sử dụng là 2 và 57, trong khi cặp điện cực thu là 27 và 32 Quá trình đo tiếp tục được thực hiện dọc theo tuyến đo cho đến khi cặp điện cực phát cuối cùng là m-55 và m, còn cặp điện cực thu là m–30 và m–25, với m là tổng số điện cực dọc theo tuyến đo Thiết bị này di chuyển dọc theo tuyến đo với bước nhảy 2m và độ sâu nghiên cứu trung bình đạt 20.93m.
Hình 3.5:Quy trình đo đạc của phương pháp mặt cắt điện cho cấu hình thiết bị
• Một số hình ảnh về thiết bị, máy đo, vị trí điểm đo và quá trình đo đạc thu thập số liệu thực địa:
Hình 3.6: Máy đo điện, một số điện cực và cuộn cáp sử dụng để đo đạc và thu thập số liệu
(Độ sâu nghiên cứu Ze = 20.93m) m
GVHD: Th.S Lương Văn Thọ
Hình 3.7: Một buổi đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa
Hình 3.8: Tuyến khảo sát khi nhìn về Hình 3.9: Tuyến khảo sát khi nhìn về hướng Nam-Bắc hướng Đông - Tây
Hình 3.10: Vị trí điểm đo tại khu vực phía sau giảng đường H1 của Trường Đại Học