Các phương pháp chính để nghiên cứu trường địa từ bao gồm:
quan trắc trực tiếp sự phân bố không gian của trường địa từ trên bề mặt Trái đất và sự thay đổi của nó theo thời gian.
3.1. Quan trắc sự phân bố không gian của trường địa từ
Quan trắc sự phân bố không gian của trường địa từ bao gồm việc đo các yếu tố trường địa từ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt Trái đất và được gọi là đo vẽ bản đồ từ. Phụ thuộc vào nơi tiến hành đo vẽ bản đồ từ, ta có thể chia thành đo từ trên mặt đất, đo từ trên biển, đo từ hàng không và đo từ trên vệ tinh. Mỗi loại đo vẽ yêu cầu kỹ thuật đo khác nhau và đòi hỏi thiết bị đo chuyên dụng thích hợp.
3.1.1. Đo từ trên mặt đất
Việc đo vẽ bản đồ được tiến hành ngay từ khi Christophe Colomb [10, 12, 15, 21-22, 27, 29, 33-35] phát hiện ra độ từ thiên.
Tuy nhiên trong 200 năm đầu tiên (1500-1700) sau phát kiến của Colomb, đo vẽ bản đồ mới chỉ được tiến hành lẻ tẻ và chủ yếu do những nhà đi biển tiến hành, vì đối với họ độ từ thiên rất quan trọng trong việc xác định hướng lái tàu biển khi sử dụng la bàn. Việc đo vẽ độ từ thiên và độ từ khuynh có hệ thống đầu tiên do một nhà hàng hải người Anh tiến hành vào năm 1700 [16, 21-22]. Các số liệu này đã cho phép lập bản đồ từ thế giới đầu tiên.
Ngày nay việc đo vẽ bản đồ từ được tiến hành tại hầu khắp các nước trên thế giới. Tuy nhiên để tìm ra quy luật về sự phân bố không gian của các yếu tố trường địa từ và xây dựng các cơ sở lý thuyết của trường địa từ, thì không thể chỉ hạn chế việc quan sát các yếu tố trường địa từ tại một lãnh thổ nhất định nào, mà phải tiến hành tại trên toàn bộ bề mặt Trái đất vào những niên đại khác nhau.
Để làm việc này IAGA đã thành lập Uỷ ban về Các đài địa từ, các chuyến đo từ thực địa và phân tích số liệu [17, 24] . Mục đích của Uỷ ban này nhằm thu thập số liệu về bản đồ từ tại mỗi quốc gia, sau đó dùng kết quả phân tích biến thiên thế kỷ và phép nội suy để nối
các đường đồng mức tại biên giới giữa các nước. Trong hai mươi năm gần đây công việc này được thực hiện trên máy tính nên nhanh chóng và giảm được rất nhiều công sức.
3.1.2. Đo từ trên biển
Biển và đại dương chiếm khoảng 5/6 diện tích bề mặt của Trái đất. Vì vậy khoa học về trường địa từ sẽ mất ý nghĩa, nếu như không tiến hành đo từ trên biển. Mặt khác, chính các nhà đi biển là những người đã ứng dụng rộng rãi hiện tượng trường địa từ ngay từ khi nó được phát hiện trong mục đích định hướng lái. Độ từ thiên được xác định đầu tiên tại Đại tây Dương và Ấn Độ Dương [1, 22] . Năm 1757 danh mục về độ từ thiên cho Đại tây Dương và Ấn Độ Dương dựa theo các kết quả đo tại 50.000 vị trí, các vị trí cách đều nhau 5 độ theo vĩ độ, cũng như theo kinh độ đã được thành lập [22].
Danh mục này đã đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc định hướng lái bằng la bàn .
Một khối lượng lớn công việc đo vẽ bản đồ từ trường trên biển đã được Viện Carnegi (Mỹ) tiến hành trong các năm 1905-1929 [1,27]. Từ năm 1905 đến năm 1908, để đo từ trên biển Viện này đã sử dụng tàu Galile. Đó là một tàu bằng gỗ, có trọng tải 600 tấn. Để cách ly các thiết bị đo từ với khối lượng sắt thép trên tàu ra xa khoảng 6-9m, trên khoang chính người ta đã thiết kế những cái cầu nhỏ. Trên tàu đã tiến hành đo độ từ thiên, độ từ khuynh và thành phần nằm ngang của trường địa từ, còn các thành phần khác đã được tính từ các kết quả đo. Trong 3 năm họ đã tiến hành 3 tuyến đo trên biển Thái Bình dương. Vào năm 1909 họ lại cho thiết kế một con tàu mới Carnegi [2, 21-22, 33-34]. Tàu này đã tiến hành đo tại Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương. Nhược điểm của việc đo trên những tàu này là vị trí đo độ từ thiên không trùng với vị trí đo thành phần nằm ngang, đồng thời các kết quả đo lặp cho thấy hiểu biết về biến thiên thế kỷ trên biển của chúng ta còn rất hạn chế.
Tại Liên xô đã thiết kế tàu buồm phi từ “Rạng Đông” hoạt động từ năm 1953 cho tới năm 1987 [34]. Trên tàu này đã tiến hành đo các vectơ trường địa từ liên tục trong khi tàu chuyển động. Thiết bị đo từ tổng hợp dựa trên những nguyên lý khác nhau và việc xác định vectơ trường địa từ bằng hai thiết bị độc lập. Những kết qủa đo từ của tàu “Rạng Đông” trên biển Thái Bình Dương, Đại Tây
Dương và Ấn Độ Dương đã cho phép:
• Xây dựng được bản đồ đường đồng mức cho Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương, dựa trên các kết quả đo trực tiếp. Khi sử dụng những số liệu này, có thể hiệu chỉnh toàn bộ các số liệu đo từ trước đó về cùng một niên đại để phục vụ cho việc đo đạc bản đồ từ hiện đại [22].
• Xác định được những vùng từ trường dị thường và những vùng từ trường yên tĩnh. Trên cơ sở việc xác định độ sâu của các nguồn gây biến thiên, những khảo sát thống kê tiếp tục sẽ cho phép xây dựng được bức tranh phân bố móng kết tinh trong khu vực dị thường từ. Những vùng dị thường phát hiện được trên biển có liên quan với các khối phun trào và siêu bazơ lớn dưới đáy biển.
3.1.3. Đo từ hàng không
Mục đích chính của đo từ hàng không là xây dựng các bản đồ đường đồng mức của vectơ trường từ toàn phần, bản đồ này được sử dụng để xác định các dị thường từ trong vỏ Trái đất phục vụ cho việc thăm dò chi tiết bằng các phương pháp địa vật lý khác. Việc đo từ hàng không được tiến hành bởi từ kế prôton với phần sensor được đặt ở đuôi máy bay, hoặc đưa ra ngoài, đặt nằm dưới cánh máy bay. Việc đo thường được tiến hành ở độ cao 500 m theo các tuyến cách nhau 1-2 km.
Thành công của phương pháp đo từ hàng không là ở chỗ khi lập bản đồ từ hàng không sẽ cho phép phát hiện được sự khác biệt rõ rệt về độ từ dư giữa các loại đá thể hiện qua các dị thường từ. Sự khác biệt này chính là các bể trầm tích bị nhiễm từ yếu phủ lên trên các tầng đá gốc. Số liệu đo từ sẽ cho phép chúng ta đánh giá được bề dầy của tầng trầm tích. Sự tương phản về độ nhiễm từ còn chỉ ra những vùng có khả năng chứa khoáng sản.
Đo từ hàng không được ứng dụng rộng rãi trong việc lập bản đồ từ, kể từ khi xuất hiện các từ kế đo 3 thành phần [16, 21, 33]. Lợi thế quan trọng và rõ rệt nhất của việc đo từ hàng không là một số lượng lớn phép đo được thu thập nhanh và phủ được một vùng rộng lớn trong một thời gian ngắn, việc đo từ có thể thực hiện được cả ở những khu vực mà việc đo trên mặt đất không thể thực hiện được.
Tại Mỹ, chương trình đo từ hàng không toàn cầu Magnet đã đo 3 thành phần trên đại dương, khoảng cách các tuyến là 400-500 km,
bay ở độ cao 6 km. Các kết quả bay đo sẽ cho phép lập bản đồ phân bố từ trường bình thường của Trái đất, tức là loại bỏ được phần dị thường địa phương [3, 21].
Các kết quả đo vectơ từ này đã được phối hợp cùng với các kết quả đo từ trên biển nói trên để xây dựng bản đồ từ thế giới cho các niên đại 1960- 1965. Theo các bản đồ này đã phát hiện các dị thường có độ lớn tới 1.500-2.000 nT hoặc về độ từ thiên tới 5 độ.
Sau này việc đo từ hàng không đã được phát triển mạnh mẽ tại Canađa, tại Nhật Bản.
Hiện nay bay đo hàng không ở độ cao thấp, đo vẽ bản đồ trên mặt đất vẫn tiếp tục được triển khai đáp ứng các đòi hỏi của địa vật lý thăm dò để xác định vị trí của khoáng sản gần mặt đất.
Tại Việt Nam, bản đồ trường từ hàng không T1990 (phần đất liền) do Liên đoàn Vật lý địa chất tién hành trong các năm 1993-1995 [31]. Bản đồ được thành lập trên cơ sở sử dụng và liên kết các tài liệu sau:
• Bản đồ dị thường từ hàng không ΔTa miền bắc Việt Nam tỷ lệ 1:200.000 là kết quả khảo sát từ hàng không tỷ lệ 1:200.000 trên diện tích 110.400 km2 (từ Hà Giang đến Quảng Bình, trừ dãy núi Hoàng Liên Sơn) được tiến hành trong các năm 1961-1963.
• Bản đồ trường từ hàng không T1985 miền Nam Việt Nam tỷ lệ 1:200.000 là kết quả của khảo sát từ hàng khôngtỷ lệ 1:200.000 trên diện tích 155.600 km2 từ Huế đến mũi Cà Mau, trừ dải dọc biên giới ở phía tây Quảng Nam đến Kon Tum và khu vực phía bắc Kon Plông, được tiến hành trong các năm 1984-1991.
• Bản đồ dị thường từ hàng không ΔT vùng Bình Trị Thiên là kết quả khảo sát từ hàng không tỷ lệ 1:100.000 (vùng đồng bằng ven biển) và tỷ lệ 1:500.000 (vùng núi phía tây) trên diện tích 10.000 km2 từ Đồng Hới đến Vụng Cầu Hai, được tiến hành trong hai năm 1977, 1980.
• Mạng lưới tựa từ hàng không Việt Nam là kết quả khảo sát từ hàng không trên hệ thống các tuyến nối tiếp nhau, kéo dài từ bắc vào nam, phủ phần đất liền của lãnh thổ Việt Nam, được tiến hành trong hai năm 1985-1986 với độ cao bay là 1.000÷2.000m.
• Các bản đồ trường địa từ chuẩn quốc tế IGRF của các năm từ 1960 đến 1990.
Trên cơ sở của bản đồ từ hàng không T1990, các tác giả đã xây
dựng bản đồ dị thường từ hàng không (ΔT)a Việt Nam (phần đất liền) tỷ lệ 1:1.000.000 [32]).
3.1.4. Đo từ trên vệ tinh
Việc đo vẽ bản đồ từ toàn cầu đã có một bước phát triển vượt bậc khi sử dụng phương tiện vệ tinh. Các phép đo từ trên vệ tinh đầu tiên được tiến hành bởi vệ tinh Sputnik 3 vào năm 1958 [4, 21]. Từ đó đến nay đã có hàng loạt vệ tinh mang theo từ kế. Đầu tiên phương tiện này chỉ cho phép đo trường toàn phần. Khi số liệu đo từ trên vệ tinh đã phủ được toàn bộ mặt địa cầu, thì chỉ cần dùng một số biểu thức toán học đã có thể nhìn thấy rõ ràng hơn về bản chất của trường địa từ, về sự phân bố không gian của các yếu tố trường địa từ. Từ năm 1980 các phương tiện kỹ thuật đã cho phép kiểm tra và đo được định hướng của vệ tinh một cách chính xác, và vệ tinh MAGSAT mang các từ kế đã có thể đo được vectơ trường địa từ. Số liệu đo từ MAGSAT đã cung cấp một bức tranh chính xác về trường địa từ, đáp ứng đòi hỏi của việc lập bản đồ từ thế giới.
Các kết quả đo vẽ trên vệ tinh MAGSAT cho phép khẳng định là ở độ cao bay của MAGSAT phần trường chính có nguồn gốc bên trong Trái đất biến thiên trong khoảng từ 30 000 đến 65 000 nT, phần trường có nguồn gốc bên ngoài Trái đất biến thiên trong khoảng từ 0 đến 1.000 nT, còn phần trường gây ra do các nguồn nằm trong vỏ Trái đất là rất nhỏ, chỉ chiếm khoảng 0-50 nT.
3.2. Quan trắc sự biến thiên theo thời gian của trường địa từ
Thang thời gian để quan trắc sự thay đổi của các yếu tố trường địa từ được hiểu là từ thời gian hiện tại ngược về thời tiền sử và tới các niên đại địa chất xa xôi. Do vậy, việc nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các yếu tố trường địa từ được tiến hành dựa trên các quan trắc sau đây:
• Quan trắc tại các đài, trạm địa từ nằm ở các vị trí khác nhau trên Trái đất
• Quan trắc tại mạng lưới điểm tựa biến thiên thế kỷ
• Quan trắc khảo cổ từ (archeomagnetism)
• Khảo sát cổ từ
Trên cơ sở những đo đạc về trường địa từ, các nhà khoa học đã xây dựng được một bức tranh chi tiết toàn cầu về phân bố không
gian và biến thiên theo thời gian của trường địa từ.
3.2.1. Hệ thống đài địa từ trên toàn cầu
Chúng ta biết rằng trường địa từ không chỉ có đặc tính là thay đổi trong không gian trên bề mặt Trái đất mà còn chịu sự biến đổi theo thời gian. Để quan trắc được cả hai loại đặc tính này của trường địa từ, chúng ta cần thiết phải xây dựng các đài quan trắc địa từ.
Đài địa từ cổ nhất là Đài địa từ London, tại đó người ta đã tiến hành đo độ từ thiên D từ năm 1652 cho tới 1670. Tiếp theo là đo D tại Issy, gần Pari từ năm 1663 đến 1681. Từ năm 1830 Alexander von Humboldt và Gauss đã quan trắc liên tục và đồng thời độ từ thiên trong tám ngày mỗi năm. Dần dần số đài quan trắc địa từ tăng lên hàng năm, nhất là sau các Năm quốc tế về Cực quang 1882- 1883 và 1932-1933. Số lượng đài trạm quan trắc địa từ tăng lên tới con số 200 vào Năm Vật lý địa cầu quốc tế 1957-1958 [21]. Đài địa từ Sa Pa của Việt Nam cũng ra đời vào dịp này nhờ sự giúp đỡ của Viện Vật lý địa cầu Ba Lan. Cho đến nay, con số đài địa từ trên toàn cầu là ổn định trong khoảng 160 đến 180 đài. Do công cuộc đô thị hoá, các đài địa từ ở vào vị trí bị nhiễu công nghiệp và không còn cung cấp được số liệu có chất lượng cho công tác nghiên cứu sẽ phải đóng cửa hay dịch chuyển vị trí. Tuy nhiên, hàng năm lại có một số đài địa từ mới được thành lập. Vị trí các đài địa từ trên toàn cầu năm 1987 được dẫn trên H.1.15.
Yêu cầu đối với việc chọn vị trí đài địa từ
Hình 1.15.
Phân bố các đài quan trắc địa từ trên toàn cầu (nguồn tư liệu:
NASA [25])
Một trong những yêu cầu đối với một đài địa từ là chọn được vị trí thích hợp. Vị trí của đài địa từ phải nằm xa các nguồn gây nhiễu nhân tạo, đặc biệt là tránh các giao thoa về điện, đồng thời đài quan trắc phải nằm ở vị trí mà gradient tự nhiên của trường là thấp nhất.
Đài quan trắc phải được xây dựng bằng vật liệu phi từ tính, mỗi viên gạch phải kiểm tra một cách cẩn thận về từ tính trước khi xây.
Văn phòng của đài địa từ cần phải tách biệt với nhà quan trắc.
Thiết bị quan trắc tại đài địa từ
Nhiệm vụ của các đài địa từ là quan trắc liên tục trường địa từ và biến thiên của nó tại một vị trí cố định. Tại mỗi đài địa từ thường đo 3 yếu tố thành phần của trường là D, H và Z, tuy nhiên có một số đài ở vĩ độ cao lại đo X, Y và Z. Như vậy, mỗi đài địa từ phải được trang bị các thiết bị đo tuyệt đối các yếu tố trường địa từ. Những biến thiên từ suốt ngày đêm được ghi bằng máy ghi biến thiên từ.
Cho tới những năm 1980 tại hầu hết các đài địa từ các máy ghi biến thiên từ được ghi trên giấy ảnh, sau đó chuyển dần sang ghi bằng giấy thường, sau đó sử dụng kỹ thuất số để ghi trên đĩa máy tính (xem giản đồ từ của Đài địa từ Phú Thụy trên H.1.16).
Xử lý số liệu thu được tại các đài địa từ
Để biết được giá trị của trường địa từ trên băng từ, cần phải biết độ nhạy, tức là số nT trên 1 mm trên băng từ, biết được giá trị tuyệt đối ít nhất tại một vị trí trên băng từ. Trên thực tế thì người ta thường sử dụng một đường cơ sở để đo. Các băng từ ghi trên giấy ảnh của các trạm MBC được tiến hành đo milimet, nghĩa là đo giá trị trung bình trong một giờ của các thành phần D, H và Z so với các đường cơ sở của chúng. Toàn bộ số liệu này được đưa vào máy tính dưới dạng bảng cho từng tháng được gọi là bảng số liệu biến thiên.
Dùng các số liệu đo tuyệt đối, tiến hành tính giá trị đường các cơ sở.
Dùng số liệu đo trong cả tháng, tiến hành san bằng theo các định luật thống kê và xác định được giá trị đường cơ sở trung bình cho mỗi ngày trong tháng, hoặc cho cả tháng, hoặc một số ngày trong tháng, tùy thuộc vào việc đặt vị trí tương đối của đường biến thiên so với đường cơ sở có bị dịch chuyển hay không. Bảng số liệu biến thiên sau đó được nhân với độ nhạy đã xác định trên mỗi băng từ, cộng với giá trị đường cơ sở, tính giá trị trung bình ngày, trung bình tháng, trung bình giờ trong tháng.