Tài liệu Giáo trình địa vật lý đại cương

Giáo trình Địa vật lý đại cương LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Địa vật lý đại cương” đã được các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Địa vật lý giảng dạy trong nhiều năm không những cho ngành Địa vật lý mà còn cho các ngành Địa chất Dầu khí, Kỹ thuật khoan, Địa chất thăm dò, Địa chất thủy văn và Địa chất công trình. Trước đây Bộ môn vẫn sử dụng giáo trình “Địa vật lý đại cương” do GS.TSKH Mai Thanh Tân biên soạn để giảng dạy theo chương trình niên chế với thời lượng dành cho môn học này là 60 tiết. Hiện nay dạy theo chương trình tín chỉ, thời lượng dạy môn học này chỉ còn là 30 tiết. Điều đó gây không ít khó khăn cho các CBGD, nhất là các CBGD trẻ. Để đáp ứng yêu cầu giảng dạy “Địa vật lý đại cương” theo chương trình tín chỉ, Bộ môn Địa vật lý thống nhất biên soạn lại giáo trình này với với tiêu chí vẫn bảo đảm kiến thức cơ bản, khái quát các phương pháp địa vật lý, cơ sở vật lý địa chất, máy móc thiết bị đo, phương pháp xử lý tài liệu và phạm vi áp dụng của nó. Giáo trình do PGS. TS Nguyễn Trọng Nga biên soạn, được tập thể Bộ môn Địa vật lý chỉnh biên. Nội dung chỉ còn lại 6 chương: Mở đầu Chương 1: Phương pháp Trọng lực do TS. Đào Ngọc Tường chỉnh biên. Chương 2: Phương pháp Thăm dò Từ do GVC Bùi Thế Bình chỉnh biên. Chương 3: Phương pháp Thăm dò Điện, do ThS Kiều Duy Thông bổ sung, PGS.TS Nguyễn Trọng Nga chỉnh biên. Chương 4: Phương pháp Thăm dò Địa chấn do TS Phan Thiên Hương chỉnh biên. Chương 5: Phương pháp Phóng xạ do GS.TS Lê Khánh Phồn chỉnh biên. Chương 6: Phương pháp Địa vật lý giếng khoan do PGS.TS Lê Hải An chỉnh biên. Giáo trình này được biên soạn rất ngắn gọn nhưng vẫn cập nhật các kiến thức mới với các thí dụ minh họa được áp dụng trong thực tế sản xuất ở Việt Nam. Với thời gian biên tập ngắn để kịp phục vụ sinh viên đào tạo theo tín chỉ nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu xót. Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quí báu để giáo trình được hoàn hảo hơn. TÁC GIẢ PGS.TS Nguyễn Trọng Nga 1 MỞ ĐẦU CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ 1. Định nghĩa Phương pháp địa vật lý là phương pháp quan sát trường địa vật lý để nghiên cứu cấu trúc địa chất vỏ quả đất và tìm kiếm khoáng sản có ích. 2. Phân loại Để phân loại phương pháp địa vật lý người ta dựa trên các nguyên tắc sau: * Dựa vào lĩnh vực nghiên cứu người ta chia ra: - Vật lý địa cầu: Nghiên cứu vỏ quả đất, cấu trúc sâu từ một vài km đến manti. - Địa vật lý thăm dò: Nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất từ mặt đất đến một vài km. Nếu chia nhỏ hơn ta có: + Cấu trúc từ một vài m đến 25 m: Thuộc lĩnh vực “Địa chất công trình - Địa kĩ thuật”; + Cấu trúc từ một vài chục m đến vài trăm m: Thuộc lĩnh vực “Tìm nước ngầm và khoáng sản rắn”; + Cấu trúc sâu một vài km: Thuộc lĩnh vực “Tìm kiếm dầu khí”. * Dựa vào các trường địa vật lý được áp dụng người ta chia thành các phương pháp địa vật lý sau: + Phương pháp “Thăm dò Trọng lực” - khảo sát trường Trọng lực; + Phương pháp “Thăm dò Từ” - khảo sát trường Địa từ; + Phương pháp “Thăm dò Phóng xạ” - khảo sát trường Phóng xạ; + Phương pháp “Thăm dò Địa chấn” - khảo sát trường Sóng đàn hồi; + Phương pháp “Thăm dò Điện” - khảo sát trường Điện; + Phương pháp “Thăm dò Địa nhiệt” - khảo sát trường Địa nhiệt; + Phương pháp “Địa vật lý giếng khoan” - khảo sát trong lỗ khoan. 3. So sánh với phương pháp địa chất Khác với phương pháp địa chất, nghiên cứu trực tiếp qua mẫu khoan và vết lộ, các phương pháp địa vật lý nghiên cứu gián tiếp qua trường địa vật lý. 4. Trường địa vật lý Trường là khoảng không gian xảy ra các tương tác vật lý. Trái đất luôn tồn tại các trường địa chấn (động đất), trường địa từ, trường trọng lực, trường địa điện, trường phóng xạ, trường địa nhiệt. Quan sát các trường này trên mặt đất giúp ta tìm ra nguồn gây ra chúng. * Để phân loại trường người ta dựa trên nguồn gốc sinh ra nó: + Trường có nguồn gốc tự nhiên là trường vốn có trong tự nhiên như động đất, phóng xạ…; + Trường có nguồn gốc nhân tạo là trường do con người tạo ra như nổ mìn, phát điện… 5. Bài toán thuận và bài toán ngược địa vật lý * Bài toán thuận địa vật lý Bài toán thuận địa vật lý là bài toán tính toán trường trên mô hình môi trường đã biết rõ về hình dạng, kích thước đối tượng, cấu trúc môi trường vây quanh và các tham số vật lý của nó. Bài toán thuận luôn đơn trị, có nghĩa là chỉ có một nghiệm duy nhất. * Bài toán ngược địa vật lý Bài toán ngược địa vật lý là bài toán xuất phát từ việc quan sát trường dẫn đến việc giải đoán cấu trúc môi trường trên cơ sở xử lý, biến đổi toán học trường quan sát. Bài toán 2 ngược có tính đa trị, nghĩa là có thể có nhiều kết quả. 6. Kênh thông tin địa vật lý Quá trình khảo sát đo đạc địa vật lý, từ khâu tài liệu quan sát, xử lý tài liệu dẫn đến kết luận địa chất thực chất là một kênh thông tin như sau: Nguồn trường Môi trường địa chất Trường địa vật lý Đo đạc khảo sát trường Số liệu địa vật lý Xử lý phân tích Kết quả địa vật lý địa chất 7. Tín hiệu và nhiễu địa vật lý Các số liệu đo trường địa vật lý f(t, r) trong không gian và thời gian bao gồm tín hiệu có ích phản ánh đúng đối tượng trong môi trường S(t, r) và nhiễu n(t, r) - do nguồn khác với đối tượng như nhiễu kĩ thuật, nhiễu có trong tự nhiên, tất cả tác động vào số liệu đo: f(t, r) = S(t, r) + n(t, r) Trong thực tế sẽ xảy ra các trường hợp như sau: - S(t, r) >> n(t, r) nghĩa là tín hiệu mạnh hơn nhiễu, khi xử lý sẽ dễ nhận biết đối tượng; - S(t, r)  n(t, r) nghĩa là tín hiệu xấp xỉ nhiễu, khi xử lý khó nhận biết đối tượng; - S(t, r) << n(t, r) nghĩa là tín hiệu nhỏ yếu so với nhiễu, khi xử lý sẽ rất khó nhận biết đối tượng. Người ta sử dụng bộ lọc k(t, r) để làm yếu nhiễu, làm rõ tín hiệu có ích nghĩa là tín hiệu đo chập với bộ lọc sẽ cho tín hiệu có ích mạnh lên. f’(t, r) = f(t, r) * k(t, r)  S(t, r) 8. Điều kiện áp dụng phương pháp địa vật lý Để áp dụng có hiệu quả các phương pháp địa vật lý phải có hai điều kiện: - Đối tượng có tính chất vật lý (tham số) khác biệt với đất đá môi trường vây quanh. Với tính chất vật lý nào đó thì phải áp dụng phương pháp địa vật lý tương ứng thích hợp mới có hiệu quả. - Đặc điểm hình thái đối tượng: Đối tượng gây ra trường địa vật lý nằm càng nông, kích thước lớn thì càng dễ phát hiện. Gọi kích thước đối tượng là d, nằm ở chiều sâu h, thì điều kiện phát hiện là h phải nhỏ hơn d. Để đánh giá khả năng phát hiện của một phương pháp địa vật lý nào đó người ta thường làm như sau: - Dự kiến mô hình đối tượng với các tham số của nó; -Tính bài toán thuận từ mô hình đã cho, kết quả có tín hiệu phản ánh đối tượng là tốt. 9. Mạng lưới quan sát và biểu diễn kết quả địa vật lý a. Mạng lưới quan sát địa vật lý Mạng lưới quan sát địa vật lý gồm tuyến đo hay mạng lưới tuyến đo có giá trị nhất định đến hiệu quả của phương pháp địa vật lý. Vì vậy khi quan sát địa vật lý phải chọn mạng lưới như sau: - Phương tuyến đo phải chọn vuông góc với phương kéo dài của đối tượng để bảo đảm gặp đối tượng và tín hiệu có ích mạnh nhất; 3 - Khoảng cách điểm đo phải đủ dày sao cho có ít nhất 2 hoặc 3 điểm đo nằm trên đối tượng để bảo đảm độ tin cậy của tín hiệu có ích; - Căn cứ vào mức độ khảo sát chọn tỉ lệ đo vẽ thích hợp từ tỉ lệ nhỏ tới tỉ lệ lớn: 1:1.000.000 đến 1:500, cứ 1÷2 cm trong tỉ lệ đo vẽ có một tuyến đo. Như vậy bảo đảm không bỏ xót đối tượng ở tỉ lệ đo. b. Biểu diễn kết quả địa vật lý - Kết quả khảo sát theo tuyến thường biểu diễn dưới dạng: + Đồ thị kết quả đo địa vật lý và kèm theo lát cắt địa chất vẽ ở dưới ; + Lát cắt địa vật lý theo tham số địa vật lý là bức tranh “Lát cắt kết quả theo hai chiều x, z” - Kết quả khảo sát theo diện tích được biểu diễn dưới dạng bản đồ đẳng trị tham số đo địa vật lý ở hai mức: + Bản đồ kết quả địa vật lý trên mặt đất (z = 0); + Bản đồ kết quả địa vật lý ở các chiều sâu (z = h). 10. Tổ hợp phương pháp địa vật lý Để hạn chế tính đa trị của bài toán ngược địa vật lý phải áp dụng nhiều phương pháp địa vật lý, mỗi phương pháp phản ánh một tính chất địa vật lý của đối tượng, khi tổng hợp số liệu sẽ cho kết quả khẳng định về đối tượng tìm kiếm, trong những trường hợp thuận lợi có thể cho phép khẳng định về bản chất của đối tượng tìm kiếm. Thí dụ như đó là loại quặng gì, cấu tạo có khả năng chứa dầu khí cao hay thấp… 4 CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ TRỌNG LỰC Thăm dò trọng lực là phương pháp địa vật lý quan sát (đo) trường trọng lực trên mặt đất để nghiên cứu cấu trúc địa chất, tìm kiếm khoáng sản và giải quyết các nhiệm vụ địa chất. Cơ sở áp dụng của phương pháp trọng lực là do đất đá khác nhau về mật độ (khối lượng của một đơn vị thể tích đất đá) nghĩa là đối tượng phải có sự chênh lệch về mật độ hay tồn tại mật độ dư:     0 . Với:  là mật độ của đối tượng; 0 là mật độ của đất đá vây quanh. Mật độ  luôn dương nhưng mật độ dư  có thể dương hoặc âm do   0 hoặc   0 . §1.1 Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp trọng lực 1.1.1. Trường trọng lực Trường trọng lực của trái đất bằng tổng của trường hấp dẫn do khối lượng trái đất và trường ly tâm do sự quay quanh trục trái đất tạo ra tại mặt đất (xem hình 1.1)    (1.1) g f C  M  Với: f  k 3 R là trường hấp dẫn do khối lượng M của trái R đất gây ra.   C  2 .d là trường ly tâm do sự quay của trái Hình 1.1: Trọng lực và các   thành phần của nó đất.Trường ly tâm C nhỏ, bằng 1/300 trường hấp dẫn f . -8 3 2 Ở đây: k = 6,67 .10 cm /g.s là hằng số hấp dẫn. Nguồn gây ra trường trọng lực là khối lượng M và vận tốc quay  của trái đất. Đơn vị đo trọng lực trong hệ CGS là cm/s2, gọi là Gal. 1Gal = 1 cm/s2 1mGal = 10-3 Gal 1.1.2. Trường hấp dẫn của một vật thể Giả sử vật thể có thể tích V, xét yếu tố khối lượng  dm  .dV gây ra trường hấp dẫn df tại điểm M trên mặt đất (xem hình 1.2).  .dV  df  k 3 r r 1/2 2 2 2 Với r     x      y      z      df có các thành phần theo các trục tọa độ và tương ứng có các thành phần trường hấp dẫn là: 5 Hình 1.2: Trường hấp dẫn của một vật thể df x  k .    x  .dV   x   f x  k  dV 3  r r3 V df y  k .    y  .dV   y   f y  k  dV 3  r r3 V df z  k .   z  .dV   z   f z  k  dV 3  r r3 V (1.2) 1.1.3. Giá trị trọng lực bình thường và dị thường a. Giá trị trọng lực bình thường Giá trị trọng lực bình thường là giá trị trọng lực trên mặt đất lý thuyết có dạng elipxoit gồm các lớp đồng tâm, đồng nhất. Với một vùng nhỏ hẹp trên mặt đất lý thuyết gần như trùng với mặt geoit là mặt biển yên tĩnh nên ta có giá trị trọng lực bình thường là:   0  g e 1  .sin 2   1.sin 2 2  2 .cos 2.cos2  ...  (1.3) Trong đó: ge là giá trị trọng lực ở xích đạo; , 1, 2 là các hệ số liên quan đến độ dẹt, vận tốc quay, sự phân bố khối lượng của trái đất; ,  là vĩ độ, kinh độ của vị trí điểm xác định. Vì giá trị 2  1 nên thực tế  0 coi như không phụ thuộc vào kinh độ. b. Dị thường trọng lực * Dị thường trọng lực Dị thường trọng lực là giá trị trọng lực quan sát trừ đi giá trị trọng lực bình thường tại điểm quan sát:     g  g qs  g 0 (1.4) * Ý nghĩa của dị thường trọng lực:          g  gqs  g0  f qs  C  f 0  C  f qs  f 0     (1.5) Như vậy trường trọng lực hoàn toàn khác trường hấp dẫn nhưng dị thường trọng lực lại hoàn toàn trùng dị thường hấp dẫn. Nguồn gây ra dị thường trọng lực là khối lượng dư m  .V . Do đó dị thường trọng lực càng lớn khi đối tượng có mật độ dư  càng lớn và kích thước càng lớn. * Tính dị thường trọng lực Do điểm quan sát và điểm có giá trị trọng lực bình thường  0 không cùng một vị trí. Do đó phải thực Hình 1.3: Hiệu chỉnh trọng lực hiện một số hiệu chỉnh để đưa  0 về g 0 :     g  g qs   0  g hc (1.6) Trong đó: g hc là lượng hiệu chỉnh ảnh hưởng do điều kiện đo đạc. * Lượng hiệu chỉnh  g hc gồm các hiệu chỉnh sau: - Hiệu chỉnh độ cao: Khi tăng độ cao, giá trị trọng lực sẽ giảm như vậy hiệu chỉnh độ cao có giá trị dương (gọi là hiệu chỉnh Fai). g H  0,3086.H 6 - Hiệu chỉnh lớp giữa: Có lớp đất đá mật độ  nằm giữa điểm đo với mặt geoit, coi như là lớp mỏng có chiều dày H làm tăng giá trị trọng lực vì vậy hiệu chỉnh lớp giữa có giá trị âm. g lg  0,0418..H - Hiệu chỉnh địa hình: Địa hình lồi lõm quanh điểm quan sát làm cho dư thừa vật chất hoặc thiếu vật chất đều làm giảm giá trị trọng lực, vì vậy hiệu chỉnh địa hình có giá trị dương và được tính khi biết mặt địa hình quanh điểm quan sát. Người ta chia diện tích quanh điểm quan sát thành các yếu tố xéctơ có diện tích Sij và sự chênh độ cao Hij với điểm đo. Giá trị hiệu chỉnh địa hình là: g dh   g ij i j Trong đó: g ij là giá trị hiệu chỉnh của xéctơ có thể tích là một khối diện tích đáy Sij và chiều cao là Hij Như vậy dị thường trọng lực sẽ là: g  g qs   0  g H  g lg  g dh  g qs   0   0,3086  0, 0418  H  g dh (1.7) 1.1.4. Cơ sở địa chất - Mật độ đất đá Mật độ đất đá là khối lượng riêng của đất đá   m / V . Đơn vị đo mật độ  là g/cm3, được xác định bằng cân kỹ thuật. Mật độ đất đá được tính theo ba lần cân mẫu. P1  (1.8) P2  P1  P2  P3   P Trong đó: P1 là trọng lượng mẫu cân lần 1 trong không khí; P2 là trọng lượng mẫu bọc parafin cân lần 2 trong không khí; P3 là trọng lượng mẫu bọc parafin cân lần 3 trong nước;  P là mật độ parafin (đã biết trước). Các loại đá khác nhau có mật độ khác nhau, phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đá (xem bảng 1.1) Bảng 1.1: Mật độ đất đá Tên đá Mật độ Tên đá Mật độ Tên đá Mật độ 3 3 (g/cm ) (g/cm ) (g/cm3) Đá trầm tích Đá biến chất Đá macma Đất 1,20 – 2,40 Quaczit 2,50 – 2,70 Riolit 2,35 – 2,70 Sét 1,63 – 2,60 Diệp thạch 2,39 – 2,90 Andesit 2,40 – 2,80 Cát 1,70 – 2,30 Gơnai 2,69 – 3,70 Granit 2,50 – 2,81 Cát kết 1,61 – 2,76 Cẩm thạch 2,60 – 2,90 Granodiorit 2,67 – 2,79 Phiến sét 1,77 – 3,20 Amphibon 2,90 – 3,04 Điorit 2,72 – 2,99 Đá vôi 1,93 – 2,90 Secpentin 2,40 – 3,10 Điabaz 2,50 – 3,20 Đolomit 2,28 – 2,90 Bazan 2,70 – 3,30 Gabro 2,70 – 3,50 7 Nhìn chung mật độ đá trầm tích nhỏ hơn đá biến chất và đá magma:  tt  bc  mm . Gây ra dị thường trọng lực là khối lượng của vật thể cómật độ dư     0 . Dị thường trọng lực phụ thuộc vào độ lớn của mật độ dư  và thể tích của vật thể V. Ví dụ: Dị thường hang Kast rỗng có   0 nên g có giá trị âm, còn dị thường do móng kết tinh có   0 nên g có giá trị dương. §1.2 Phương pháp kỹ thuật đo trọng lực 1.2.1. Máy đo trọng lực * Nguyên tắc máy đo trọng lực: Các máy đo trọng lực dựa trên các nguyên tắc sau: - Nguyên tắc động: Quan sát chuyển động của vật thể trong trường trọng lực. Ví dụ: Quan sát dao động của con lắc (đo thời gian, chu kỳ dao động) hay quan sát sự rơi tự do của một vật. - Nguyên tắc tĩnh: Quan sát trạng thái cân bằng khi trọng lực tác dụng vào thiết bị đo. a. Máy đo trọng lực con lắc Dựa trên nguyên tắc động: Với con lắc tự do chu kỳ dao Hình 1.4: Con lắc tự do động của con lắc là (xem hình 1.4). l T  T 2 .g  2 .l  const g Giả sử ở điểm chuẩn đo được chu kỳ là T0, trọng trường là g0. Tương ứng ở điểm thứ i đo được chu kỳ Ti, trọng trường là gi. Như vậy:  ΔT  Ti = T0 + ΔT = T0 1+  T0   2  T   2T  gi  g 0 1    g 0 1   T0  T0    T g  g i  g 0  2.g 0 . T0 Như vậy đo chu kì dao động, người ta xác định được gia số trọng lực gi . Sau đó tính giá trị trọng lực tuyệt đối: gi  g0  gi (1.9) Đó là giá trị trọng lực tuyệt đối 1. Vỏ máy 2. Khung thạch anh tại điểm i. 3. Sợi dây thạch anh b. Trọng lực kế thạch anh 4. Lò xo thạch anh Dựa trên nguyên tắc tĩnh người ta 5. Cánh tay đòn gắn trọng vật chế tạo trọng lực kế thạch anh (hình 1.5) 6. Hệ thống quang học Điều chỉnh độ căng của lò xo cho phép cân bằng mô men đàn hồi Hình 1.5: Sơ đồ hệ đàn hồi máy trọng lực thạch anh của lò so với mô men trọng lực. Ở 8 trạng thái cân bằng thông qua hệ thống quang học, xác định giá trị tương đối trọng lực tại điểm đo so với điểm gốc: (1.10) g iI  C  Si  SI  Trong đó: C là hằng số máy tức giá trị trọng lực của một vạch chia; Si, SI là số đo tại điểm đo thứ i và điểm gốc I. Hiện nay thường dùng các loại máy đo trọng lực loại này là: GNUK (Nga), Z-400 (Trung quốc), CG-3, CG-4, CG-5 (Scintrex- Canada), Sodin (Canada)… có độ chính xác từ 0,03÷0,001mGal. 1.2.2. Đo vẽ trọng lực Phương pháp trọng lực được đo vẽ theo tỷ lệ đo từ 1:1.000.000 ÷1:5 000. - Mạng lưới đo: Phân bố đều trên diện tích khảo sát; - Hệ thống các điểm đo: Các điểm đo trọng lực được chia thành:  Điểm đo tựa là các điểm đo có độ chính xác cao hơn và được tính ra giá trị trọng lực tuyệt đối, được phân bố theo mạng lưới đa giác phủ tương đối đều trên diện tích đo.  Điểm đo thường là các điểm đo nằm giữa các điểm tựa theo các chuyến đo. - Tọa độ điểm đo phải được biết với độ chính xác cần thiết. 1.2.3. Tính dị thường trọng lực Bughe Dị thường trọng lực Bughe được tính theo công thức (1.6). g B  g qs   0  g hc (1.11) Trong đó: g qs  g g  g i gg là giá trị trọng lực ở điểm gốc; gi là giá trị trọng lực tương đối tại điểm đo so với điểm gốc; g hc   0,3086  0, 0418  .H  g dh Kết quả đo trọng lực được biểu diễn dưới dạng đồ thị dị thường (khi đo theo tuyến) hay bản đồ đẳng trị dị thường Bughe trên diện tích đo. §1.3 Xử lý tài liệu trọng lực, phạm vi áp dụng của phương pháp trọng lực Để xử lý tài liệu trọng lực, trước hết phải biết dị thường trọng lực của một số vật thể đơn giản. 1.3.1. Dị thường trọng lực của một số vật thể đơn giản Dị thường trọng lực của vật thể quyết định bởi hình dạng vật thể có thể tích V và mật độ dư     0 , do khối dư m  .V (xem hình 1.6). Xét yếu tố dV gây ra dị thường trọng lực: z dg  df z  x, y, z   k.. 3 dV r Hình 1.6: Dị thường trọng lực của vật thể Nên vật thể m  .V gây ra dị thường trọng lực: z g  k.  3 dV (1.12) r V 9 a. Dị thường trọng lực của vật thể dạng cầu Với   x,   0,   h  r  x 2  h 2 , vật thể có dạng cầu gây ra dị thường trọng lực là: V..h 4 h (1.13) g cau  k. 3  k. ..a 3 . 3/ 2 2 2 r 3 x h   Dị thường trọng lực của quả cầu có dạng như hình 1.7a Trường hợp   0 (thí dụ hang kast rỗng) gây nên dị thường trọng lực âm (hình 1.7.b). b. Dị thường trọng lực của hình trụ tròn nằm ngang Với vật thể là hình trụ tròn nằm ngang gây ra trường như trường của một thanh nằm ngang có mật độ dài   .a 2 . (xem hình 1.8). Khi tuyến vuông góc với trục của hình trụ ta có dị thường trọng lực là. .h .a 2 ..h (1.14)  2.k. r2 x2  h2 Dị thường trọng lực của hình trụ trên các tuyến vuông góc với trục của hình trụ đều có dạng như nhau. c. Dị thường trọng lực của bậc thẳng đứng Bậc thẳng đứng như một nửa lớp mỏng phẳng có độ dày h = z2 - z1, mật độ dư  gây nên biên độ dị thường (hình 1.9). g bâc  2.k..  z 2  z1  (1.15) Hình 1.7: Dị thường trọng lực của vật thể hình cầu g tru  2.k. Các kết quả trên được sử dụng để nhận biết sơ bộ dị thường trọng lực. d. Dị thường mặt móng đá gốc Với đá gốc có dạng là một vòm nâng, do mật độ dư   0 nên gây ra dị thường trọng lực g đồng dạng với địa hình mặt móng (xem hình 1.10). 1.3.2. Xử lý tài liệu trọng lực Tài liệu trọng lực đo được ở một diện tích nghiên cứu được biểu diễn dưới dạng bản đồ dị thường Bughe: g B  g qs   0  g hc Dị thường trọng lực Bughe phản ánh cấu trúc địa chất, nhưng do hiệu ứng gộp gồm nhiều đối tượng nên phải dùng phương pháp xử lý để tách ra từng đối tượng gây ra dị thường. 10 Hình 1.8: Dị thường trọng lực củavật thể hình trụ tròn nằm ngang Hình 1.9: Biên độ dị thường trọng lực của nửa vỉa mỏng nằm ngang Hình 1.10: Dị thường trọng lực của vòm nâng * Các tài liệu tiếp tục được xử lý bao gồm: a. Chuyển trường lên trên Chuyển trường lên trên (quan sát xa đối tượng) như vậy cho thấy các cấu trúc lớn nằm sâu. Muốn vậy người ta thực hiện nâng trường lên cao (xem hình 1.11). b. Hình ảnh chuyển trường lên trên 16km a. Trường bất thường Bughe quan sát Hình 1.11: Hình ảnh biến đổi trường trọng lực b. Chuyển trường xuống dưới Mục đích chuyển trường xuống dưới ở mức gần đối tượng hơn, với mục đích xác định rõ các bất đồng nhất địa phương ở chiều sâu nào đó, nguyên tắc tính hạ trường cũng tương tự như nâng trường. c. Đạo hàm theo phương thẳng đứng Người ta có thể tính đạo hàm theo phương thẳng đứng g / z , kết quả làm rõ cấu trúc đối tượng nằm nông. d. Phân chia trường Do dị thường quan sát là tổng các dị thường khu vực (do các đối tượng nằm sâu) và dị thường địa phương (do các đối tượng nằm nông) nên có thể tách thành các phần: g  g kv  g đp (1.16) Dùng các phép trung bình trường ở các bán kính khác nhau cho phép tính các dị thường địa phương và khu vực. Dị thường g đp thường gây ra do các đối tượng là mỏ quặng hoặc vật thể đá gốc địa phương. 1.3.3. Phạm vi áp dụng của phương pháp thăm dò trọng lực a. Áp dụng trong vật lý địa cầu: Nghiên cứu dị thường khu vực g kv cho phép: - Nghiên cứu hình thái cấu trúc vỏ trái đất nằm sâu vài trăm km; - Nghiên cứu cấu trúc vỏ quả đất: Mặt Moho, lớp bazan, đứt gãy sâu vài chục kilomet; - Nghiên cứu cấu trúc địa chất sâu: Phân vùng địa máng, miền nền, chuẩn nền, các đới sụt lún, đứt gãy sâu đến vài chục kilomet. b. Áp dụng trong địa chất thăm dò: Nghiên cứu dị thường địa phương g đp cho phép: + Tìm kiếm khoáng sản: - Nghiên cứu địa chất khu vực: Cấu trúc các vùng trũng, cấu tạo tích tụ dầu khí, cấu trúc bể than; - Cấu trúc chứa quặng, vùng đá xâm nhập; 11 - Tìm các mỏ quặng sắt (hematit, manhetit) ở vùng đá xâm nhập, đá vôi, khảo sát dị thường địa phương. + Nghiên cứu phục vụ địa chất công trình: - Phát hiện đứt gãy qua đập thủy điện; - Phát hiện đá gốc dưới trầm tích bở rời; - Phát hiện hang Karst hoặc hầm ngầm nếu các đối tượng này đủ lớn. 12 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ TỪ Phương pháp thăm dò từ là phương pháp địa vật lý khảo sát trường địa từ để nghiên cứu cấu trúc địa chất và tìm kiếm khoáng sản có ích. Cơ sở áp dụng của phương pháp thăm dò từ là do các khối đá hoặc quặng bị từ hóa có nhiễm từ ở các mức độ khác nhau. §2.1. Cở sở vật lý địa chất của phương pháp từ 2.1.1. Trường từ của vật thể có từ tính a. Vật thể có từ tính Ta biết vật thể có từ tính (nam châm) đều có hai cực tính dương (N), âm (S) và coi như hai khối từ trái dấu nên tạo ra trong không gian xung quanh một trường từ (hình 2.1). Trái đất có trường từ rất mạnh do nó như một nam châm cực lớn đặt ở tâm. Cực Bắc là cực từ âm còn cực Nam là cực từ dương làm cho kim la bàn có cực dương chỉ về hướng Bắc (hình 2.2). Mômen từ của lưỡng cực từ hay một nam châm có hai khối từ trái dấu  m đặt cách nhau một khoảng 2l là:   M  2.m.l (2.1) Một vật thể nhiễm từ thể tích V có mô men  từ M sẽ gây ra trường từ. Khi từ hóa đều thì cường độ từ hóa tại mọi điểm P trong vật là:   M J P  (2.2) V Với P thuộc V.  Khi từ hóa không đều thì J thay đổi theo P. Lúc đó lấy vi phân thể tích dV quanh P.  Mô men từ của dV là dM và:   dM J P  dV b. Trường từ của vật thể có từ tính - Thế từ của lưỡng cực từ: Xét một lưỡng cực từ (hình 2.3), gây ra trường từ là tổng trường từ của hai khối từ độc lập. m m r r U P    m B A rA rB rA rB 13 Hình 2.1: Trường từ của thanh nam châm Hình 2.2: Trường từ của quả đất Hình 2.3: Thế từ của lưỡng cực từ Vì: rA  rB  r, rB  rA  2.l.cos  2.l.m M  2 cos (2.3) r2 r - Thế từ của vật thể nhiễm từ:   Coi yếu tố dV là một lưỡng cực từ có mô men dM  JdV gây ra thế từ dU(M). dM JdV dU  P   2 cos  2 cos r r Nên vật thể có thể tích là V sẽ có thế từ là: Jcos U  P    2 dV (2.4) r V Trường từ T có liên quan đến thế từ U bởi biểu thức:   U  U  U (2.5) T  gradU  i j k x y z Đơn vị đo trường từ là Tesla: 1T = 10 9 nT Đơn vị thường dùng có giá trị nhỏ hơn là nano tesla: 1nT = 1  = 10-9 T gọi là một gamma. 2.1.2. Sự từ hóa của vật thể Vật thể đặt trong trường từ sẽ bị từ hóa (nhiễm từ) như sắt non. Mức độ từ hóa phụ thuộc vào cường độ trường từ hóa và đặc tính của vật chất bị từ hóa. a. Độ từ hóa  Véc tơ từ hóa J tức mô men từ của một đơn vị thể tích tỷ lệ với trường từ hóa:   J  .H  Trong đó: H là cường độ trường từ hóa;  là độ từ cảm của chất bị từ hóa. b. Độ từ cảm  Độ từ cảm  đặc trưng cho khả năng nhiễm từ của vật thể và được chia thành 3 nhóm: - Chất thuận từ:   0 và nhỏ (  = n.10-6 CGS) bị từ hóa yếu theo chiều trường từ tác dụng. Các khoáng vật thuộc nhóm này như: chancopyrit, biotit, pyrit….. - Chất nghịch từ:   0 , nhỏ và yếu bị từ hóa ngược chiều trường từ tác dụng. Các khoáng vật thuộc nhóm này như: sfalerit, caxiterit, thạch anh, galenit…. - Các chất sắt từ:   0 và mạnh (  > n.10-4 CGS) bị từ hóa mạnh theo trường từ tác dụng. Các khoáng vật thuộc nhóm này như: manhetit, hematite, pyrotin…  Với chất sắt từ khảo sát J theo trường từ  hóa H như (hình 2.4) ta có đường cong từ trễ, qua đó ta thấy: Đoạn (1) J tăng từ 0 đến giá trị Js và luôn Hình 2.4: Đường cong từ trễ của luôn dương. quá trình từ hóa Đoạn (2) J giảm khi H = 0, J = Jr giá trị này Nên: U P  14 được gọi là từ hóa dư vì lúc đó không tồn tại trường từ hóa. Khi J = 0, H = -Hk giá trị này gọi là trường khử từ. Đoạn sau có H là âm và khi H = 0 đạt giá trị J = -Js. Đoạn (3) là đoạn ngược lại với đoạn (2). Dựa vào đường cong từ trễ có các loại: - Sắt từ mềm: Đường từ trễ dẹt, Hk nhỏ, Jr lớn; - Sắt từ cứng: Đường từ trễ dày, Hk lớn, Jr nhỏ (loại sắt làm nam châm); Khi nhiệt độ môi trường tăng thì độ từ cảm  cũng tăng dần đạt cực đại và giảm đột ngột về 0 ở 800oC (nhiệt độ Curi). 2.1.3. Trường từ của quả đất a. Trường từ trái đất (trường địa từ) Tại mọi điểm trên mặt đất, trường địa từ với cường độ T, có các thành phần X, Y, Z hoặc H, Z (hình 2.5). - D là góc lệch từ (độ từ thiên); - I là góc nghiêng từ (độ từ khuynh). Trường địa từ được tạo thành do nhiều yếu tố, trước hết do trường của lưỡng cực từ ở tâm trái đất  T lc , do các nguồn gây dị thường ở sâu cỡ 1/2 bán kính  trái đất gọi là trường từ lục địa T lđ, do các đá cấu trúc  khu vực (đá móng: nền, địa máng, magma)  T kv , do  các đá địa phương hay mỏ quặng sắt từ T đp và các Hình 2.5: Các thành phần của trường  biến thiên từ T chủ yếu do hoạt động của gió mặt trời từ trái đất tại mặt đất làm biến dạng đường sức địa từ.       T  T lc + T lđ +  T kv + T đp + T (2.6) b. Trường từ bình thường và dị thường Trong thăm dò từ người ta phân chia trường từ thành trường bình thường và dị thường như sau:         T  T lc + T lđ + T + T = T 0 + T + T     Trong đó: T 0  T lc + T lđ, T 0 gọi là trường từ bình thường thay đổi trên bề mặt trái đất  nên mỗi nước có công thức tính riêng T 0  ,   phụ thuộc kinh tuyến  và vĩ tuyến  .     T là dị thường từ, T =  T kv + T đp   T là biến thiên từ, những ngày bình thường T tương đối nhỏ khoảng vài gamma  (  ) nên có thể bỏ qua, ngày có bão từ T lớn phải quan sát riêng để hiệu chỉnh. 2.1.4. Cơ sở địa chất của phương pháp từ Đất đá có từ tình khác nhau  , J  sẽ gây ra trường từ khác nhau góp phần tạo nên dị thường từ. a. Độ từ cảm  của đất đá và khoáng vật - Đá trầm tích: từ tính yếu, có thể coi là không có từ tính; - Đá biến chất: có từ tính trung bình; - Đá magma: có từ tính mạnh; 15 - Quặng sắt từ có từ tính rất mạnh.  b. Véc tơ từ hóa J   Véc tơ từ hóa J gồm 2 phần: từ hóa cảm ứng J i (là từ hóa hiện tại) và từ hóa dư  J r (tạo ra lúc hình thành đá).    J  Ji  J r (2.7)  Thường J i , và T0 có mối quan hệ:  J i  .T0  Độ từ hóa dư J r của đá magma lớn hình thành từ lúc đá được sinh ra khi nguội lạnh,  nghiên cứu từ hóa dư cho phép nghiên cứu lịch sử phát triển vỏ quả đất (cổ từ). J r đổi chiều chứng tỏ cực từ trái đất đổi chiều, trong thực tế trái đất đã hai lần đổi chiều. §2.2 Phương pháp kỹ thuật đo trường địa từ 2.2.1. Máy từ thường dùng- Từ kế Proton  a. Từ kế Proton: Được dùng phổ biến hiện nay để đo mô đun trường từ toàn phần T . * Nguyên tắc hoạt động: Các proton trong chất lỏng (nước, cồn, kanoven) bị trường từ trong ống dây của bộ cảm biến kích động làm các proton chuyển động tuế sai quanh trường từ trái đất T với tần số tuế sai f. Khi đó proton vừa quay quanh nó theo một trục,  đồng thời trục quay lại quay quanh T . (hình 2.6)  Giữa T (tính ra  ) và f (tính ra Hz)có mối quan hệ sau: T  23, 48.f Tần số f bằng tần số của dòng điện cảm ứng trong ống dây. Người ta thiết kế từ kế proton có bộ phận đếm tần số  * f , bộ nhận và hiện kết quả giá trị T . Hình 2.6: Nguyên tắc từ kế proton * Ưu, nhược điểm của từ kế proton - Ưu điểm: Máy không bị ảnh hưởng của nhiệt độ, khi đo không cần định hướng máy. Đo nhanh (một phép đo mất khoảng 5 giây), độ chính xác cao (<1 ).  - Nhược điểm: Chỉ đo mô đun trường từ toàn phần T . 2.2.2. Đo trường từ mặt đất a. Mạng lưới tuyến đo Khi đo trường địa từ cần bố trí mạng lưới tuyến đo theo nguyên tắc: - Tuyến trục cùng phương với phương kéo dài của đối tượng; - Tuyến đo vuông góc với tuyến trục là phương trường biến đổi mạnh nhất để thu được dị thường rõ nhất; - Khoảng cách tuyến phụ thuộc tỷ lệ bản đồ khảo sát như bảng dưới đây: 16 Bảng 2.1: Tỷ lệ bản đồ khảo sát Tỉ lệ Khoảng cách tuyến Khoảng cách điểm 1:500 000 nKm 50 ÷ 200m 1:100 000 1:50 000 200 ÷ 500m 10 ÷ 50m 1:10 000 1:10 000 20 ÷ 100m 5 ÷ 20m 1:2000 b. Kết quả đo vẽ trường địa từ Khi thi công thực địa với dị thường lớn cỡ vài trăm  trở lên, không cần hiệu chỉnh biến thiên (vì Việt Nam biến thiên thay đổi khoảng vài chục đến 100  /ngày đêm). Khi diện  tích nghiên cứu bé (vài chục km2) thì T 0 coi như không đổi nên:     T  T qs  T 0  Trong đó T 0 là giá trị không đổi ứng với giá trị T0 của vùng. Kết quả đo vẽ được biểu diễn dưới dạng: - Đồ thị dị thường từ T theo tuyến; - Bản đồ đẳng trị hoặc bản đồ đồ thị dị thường từ T theo diện tích. §2.3 Xử lý tài liệu - Phạm vi áp dụng của phương pháp thăm dò từ Trước khi xử lý tài liệu từ ta cần phải biết dị thường từ của đối tượng điển hình, như vật thể có hình dạng đơn giản là vật thể đẳng thước với kích thước 3 chiều gần như nhau nên có thể xem như vật thể dạng quả cầu bị từ hóa nghiêng. 2.3.1. Hình ảnh dị thường từ của vật thể dạng cầu a. Dị thường từ theo tuyến Vật thể có dạng đẳng thước được  coi là một quả cầu từ hóa nghiêng với véc tơ từ hóa J (hình 2.7).  Đồ thị dị thường từ T theo tuyến chứa J của quả cầu từ hoá nghiêng như trên hình 2.7 b. Hình ảnh dị thường từ trên diện tích khảo sát Ở Bắc bán cầu bản đồ dị thường từ T quan Hình 2.7: Trường từ của quả cầu sát được do vật thể quả cầu từ hóa nằm trong trường từ hóa nghiêng địa từ có dị thường âm và dị thường dương nằm trên trục theo phương kinh tuyến từ, dị thường âm ở phía Bắc, dị thường dương ở phía Nam. (hình 2.8) 2.3.2. Xử lý tài liệu thăm dò từ Tương tự như phương pháp trọng lực, xử lý tài liệu từ cũng được tiến hành với các bước như sau: a. Biến đổi trường Các phép biến đổi trường có thể tiến hành: nâng trường, hạ trường, tính đạo hàm theo phương thẳng đứng, chuyển trường từ quy về trường hợp từ hóa thẳng Hình 2.8: Hình ảnh dị thường từ trên diện tích khảo sát đứng. Mỗi phương pháp có nhiệm vụ cụ thể như: 17 - Nâng trường sẽ làm mờ hiệu ứng địa phương làm rõ Tkv . - Hạ trường sẽ tăng hiệu ứng địa phương và thấy rõ dị thường từ địa phương T đp. b. Xác định nguồn gây dị thường Giải bài toán ngược bằng cách sử dụng phương pháp lựa chọn nhờ máy tính. - Nội dung của phương pháp này là ước lượng mô hình nguồn, tính trường lý thuyết của nó so với trường đo. Nếu sai số lớn thì điều chỉnh mô hình cho đến khi đạt sai số cho phép thì dừng và coi mô hình cuối là mô hình nguồn dã gây dị thường. c. Giải thích địa chất tài liệu từ Giải thích địa chất tài liệu từ là bước xác định và tìm nguyên nhân địa chất gây dị thường từ (do đất đá móng granite thể xâm nhập hay quặng sắt từ,…). 2.3.3. Phạm vi áp dụng của phương pháp từ Phương pháp từ được áp dụng với mục đích để giải quyết các nhiệm vụ sau: a. Nghiên cứu địa chất khu vực - Xác định địa hình móng kết tinh liên quan đến ranh giới cấu trúc sâu, đứt gãy sâu; - Xác định các khối magma xâm nhập trong lớp vỏ trầm tích phủ trên đá gốc; - Xác định các đá phun trào mafic, siêu mafic, đứt gãy nằm dưới lớp trầm tích phủ. b. Tìm kiếm khoáng sản có chứa quặng sắt từ Một số loại mỏ quặng sau có thể áp dụng phương pháp từ: - Mỏ sắt: Ở Việt Nam đã áp dụng phương pháp từ tìm được mỏ sắt Thạch Khê (dị thường hàng vạn  ), Tòng Bá (Hà Giang), Làng Lếch (Yên Bái), Làng Mỳ - Hưng Khánh (Nghĩa Lộ)… - Các mỏ mangan, đồng, chì, kẽm, sunfur đa kim, các mỏ sa khoáng, vàng, bạch kim,… c. Tìm vật sắt từ nhân tạo Phương pháp từ đã được áp dụng để tìm các vật có từ tính nhân tạo như con tàu đắm, mỏ neo, bom mìn,…còn để lại dưới nước hoặc bị lấp đất (kho chôn vũ khí chiến tranh). 18 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN Thăm dò điện là phương pháp Địa vật lý khảo sát trường điện, trường điện từ tự nhiên hoặc nhân tạo để nghiên cứu cấu trúc địa chất và tìm kiếm khoáng sản có ích. Cơ sở áp dụng của các phương pháp thăm dò điện là đo đất đá có sự khác nhau về tham số điện: , ,  . Nguồn gây ra trường điện là các điện tích   K12 .E n xuất hiện tại ranh giới giữa các môi trường đất đá bất đồng nhất dưới tác dụng của trường điện En. Thăm dò điện có nhiều phương pháp và được áp dụng rất rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong điều tra địa chất, tìm kiếm khoáng sản, tìm nước ngầm, khảo sát nền móng địa chất công trình và nghiên cứu môi trường địa chất. §3.1 Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp thăm dò điện dòng một chiều 3.1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp điện dòng một chiều Cơ sở vật lý của phương pháp điện dòng một chiều là xét trường của điện cực trên nửa không gian đồng nhất. I a. Trường của điện cực điểm Điện cực điểm phát dòng I có điện tích Q  I. A M gây ra điện thế tại khoảng cách r (xem hình 3.1): I. U(M)  (3.1) 2..r =const Mặt đẳng thế là các mặt bán cầu, đường dòng điện có hướng xuyên tâm (xem hình 3.1). Hình 3.1: Trường của điện cực điểm b. Trường của mạch hai cực Mạch hai cực gồm 2 cực phát A, B phát dòng  I , điện tích ở hai điện cực là  I gây ra điện thế tại điểm M (xem hình 3.2a, b): I.  1 1  (3.2) U(M)     2  AM BM  Đồ thị hàm thế U, điện trường E mặt đẳng thế và đường dòng điện xem trên hình 3.2a, b. Hình 3.2a: Trường điện của mạch hai cực Hình 3.2b: Phân bố thế và dòng của mạch hai cực trên nửa không gian đồng nhất Đường đứt nét thể hiện giá trị thế U(V), đường liền nét là điện trường E(V/m) 19