Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Khóa luận khảo sát cấu trúc địa chất bằng phương pháp chụp cắt lớp ảnh điện 2d 3...

Tài liệu Khóa luận khảo sát cấu trúc địa chất bằng phương pháp chụp cắt lớp ảnh điện 2d 3d (có kiểm chứng bằng khoan thăm dò) tại khu vực thuộc quận ngũ hành sơn, thành phố đà nẵng

.PDF
75
143
141

Mô tả:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ NGỌC DUYÊN KHẢO SÁT CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP CHỤP CẮT LỚP ẢNH ĐIỆN 2D-3D (CÓ KIỂM CHỨNG BẰNG KHOAN THĂM DÒ) TẠI KHU VỰC THUỘC QUẬN NGŨ HÀNH SƠN, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Vật lý học Khóa học: 2014 - 2018 Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Lƣơng Văn Thọ Đà Nẵng, 2018 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm. ĐH Đà Nẵng đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại giảng đƣờng đại học. Đặc biệt là thầy Th.S. Lƣơng Văn Thọ, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành bài khóa luận này một cách tốt nhất. Ngoài ra, tôi xin cảm ơn những ngƣời bạn thân thiết đã giúp đỡ, đóng góp những ý kiến hữu ích cho đề tài nghiên cứu này. Cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến bố mẹ và anh chị, những ngƣời đã luôn theo sát, giúp đỡ con cả về vật chất, tinh thần và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để con có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ học tập của mình. Trong quá trình thực hiện bài khóa luận này vì kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót cần bổ sung kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và góp ý chân thành từ thầy và các bạn để bài khóa luận đƣợc hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 24 tháng 04 năm 2018 Sinh viên thực hiện Trần Thị Ngọc Duyên Trang I MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................................I MỤC LỤC ............................................................................................................................ II DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................VI DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................... VII A. MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................... 2 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3 4.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................ 3 4.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 3 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................................. 3 5.1. Phƣơng pháp lý thuyết ............................................................................................... 3 5.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ......................................................................................... 3 B. NỘI DUNG .................................................................................................................. 4 CHƢƠNG I ............................................................................................................................ 4 CƠ SỞ VẬT LÍ - ĐỊA CHẤT CỦA PHƢƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN ........................... 4 1.1. Tính chất dẫn điện của vật chất dƣới mặt đất ............................................................... 4 1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính dẫn điện của vật chất dƣới mặt đất ............................. 6 1.2.1. Thành phần khoáng vật .............................................................................................. 6 1.2.2. Kiến trúc bên trong đất đá .......................................................................................... 6 1.2.3. Độ ẩm ......................................................................................................................... 7 1.2.4. Độ rỗng và độ nứt vỏ ................................................................................................. 7 1.2.5. Độ khoáng hóa của nƣớc ngầm .................................................................................. 8 1.2.6. Nhiệt độ và áp suất ..................................................................................................... 9 1.2.6.1. Nhiệt độ ................................................................................................................... 9 1.2.6.2. Áp suất ................................................................................................................... 10 CHƢƠNG II ........................................................................................................................ 13 2.1. Tổng quan lý thuyết của phƣơng pháp thăm dò điện ................................................. 13 2.1.1. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp thăm dò điện ....................................................... 13 2.1.2. Bài toán cơ sở của môi trƣờng nửa không gian ....................................................... 13 2.1.3. Xác định hàm thế ..................................................................................................... 15 2.1.4. Điện trở suất biểu kiến trong phƣơng pháp thăm dò điện ........................................ 23 2.2. Tổng quan lý thuyết của phƣơng pháp ảnh điện hai chiều (2D) ................................ 27 Trang II 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp ảnh điện hai chiều (2D) ...................................... 28 2.2.2. Bài toán thuận trong phƣơng pháp thăm dò ảnh điện hai chiều (2D) ...................... 29 2.2.3. Bài toán ngƣợc trong phƣơng pháp thăm dò ảnh điện hai chiều (2D) ..................... 30 2.2.3.1. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu ...................................................................... 31 2.2.3.2. Tính toán các đạo hàm riêng phần ......................................................................... 34 2.2.3.2.1. Mô hình cho môi trƣờng nửa không gian đồng nhất 34 2.2.3.2.2. Tính các đạo hàm riêng phần 36 CHƢƠNG 3 ......................................................................................................................... 40 3.1. Độ nhạy của cấu hình thiết bị Wenner-Alpha ............................................................ 40 3.1.1. Hàm độ nhạy 1D ...................................................................................................... 40 3.1.2. Hàm độ nhạy 2D ...................................................................................................... 42 3.1.3. Độ nhạy của thiết bị Wenner-Alpha ....................................................................... 44 3.2. Cấu hình thiết bị Wenner-Alpha trong khảo sát ảnh điện 2D .................................... 46 3.2.1. Điện cực ................................................................................................................... 46 3.2.2. Máy đo ..................................................................................................................... 46 CHƢƠNG 4 ......................................................................................................................... 49 4.1. Vị trí khu vực khảo sát ............................................................................................... 49 4.2. Quy trình đo thực địa .................................................................................................. 51 4.3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận ................................................................................ 52 4.3.1. Kết quả nghiên cứu .................................................................................................. 52 4.3.2. Thảo luận và giải đoán kết quả ................................................................................ 53 4.4. Kết quả khoan thăm dò ............................................................................................... 55 C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 56 D. TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 57 E. PHỤ LỤC ...........................................................................................................................I F. Ý KIẾN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN ..............................................................................I Trang III DANH MỤC KÍ HIỆU + ρ(Ω.m) Điện trở suất của vật chất. + ρapp (Ω.m) Điện trở suất biểu kiến đƣợc đo từ thực nghiệm. + ε (F/m) Độ điện thẩm. + μ (H/m) Độ từ thẩm. +η Độ phân cực. +ζ Độ dẫn điện +λ Hệ số bất đẳng hƣớng (hệ số thấm). + ρn (Ω.m) Điện trở suất theo phƣơng thẳng góc với lớp. + ρt (Ω.m) Điện trở suất theo phƣơng phân lớp ngang. + t (oC) Nhiệt độ. + ρ18 (Ω.m) Điện trở suất ở 18oC. +α Hệ số nhiệt. + Tỷ lệ đá chứa trong chất lỏng. + a,m Tham số thực nghiệm. + J (A/m2) Mật độ dòng điện. +δ Hàm Delta Dirac + ρx Điện trở suất theo phƣơng x + ρy Điện trở suất theo phƣơng y + ρz Điện trở suất theo phƣơng z + ρw (Ω.m) Điện trở suất của chất lỏng + E (V/m) Cƣờng độ điện trƣờng. Trang IV + I (A) Dòng phát. + U (V) Điện thế. + Grad U = ∆U Đạo hàm của điện thế theo các trục tọa độ. + ∂U/∂r Đạo hàm của điện thế theo tọa độ. + rC1P1= C1P1 (m) Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ nhất và điện cực thế thứ nhất. + rC1C2= C1C2 (m) Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ nhất và điện cực dòng thứ hai. + rC2P1= C2P1 (m) Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ hai và điện cực thế thứ nhất. + rC2P2= C2P2 (m) Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ hai và điện cực thế thứ hai. +k Tham số hình học. + R (Ω) Điện trở. + F3D, F2D, F1D Đạo hàm Frechet hay hàm độ nhạy 3D, 2D, 1D. + “a (m)” Khoảng cách giữa hai điện cực liên tiếp. + “L (m)” Chiều dài tối đa của thiết bị. + “n” Thừa số độ sâu của thiết bị. Trang V DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng. Bảng 1.2. Phân loại khoáng vật theo điện trở suất. Bảng 1.3. Độ ngậm nƣớc của một số loại đất. Bảng 1.4. Điện trở suất của một số đất, đá, khoáng sản và hóa chát phổ biến. Bảng 3.1. Chiều sâu khảo sát trung bình (Ze) cho các thiết bị khác nhau (Ater Adward, 1997). Trang VI DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quan hệ giữa độ dẫn điện và nồng độ khoáng hóa. Hình 2.1. Mô hình phân lớp ngang của môi trƣờng đồng nhất bất đẳng hƣớng. Hình 2.2. Dáng điệu của hàm J0 (mr) và Y0 (mr). Hình 2.3. Dáng điệu của hai hàm thx và cthx. Hình 2.4. Dòng điện chạy từ nguồn dòng điểm và sự phân bố điện thế . Hình 2.5. Sự phân bố điện thế gây ra bởi một cặp điện cực dòng đặt cách nhau 1m với dòng điện 1A trong môi trƣờng nửa không gian đồng nhất có điện trở suất 1Ωm. Hình 2.6. Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực sử dụng trong thăm dò điện Hình 2.7. Hệ thiết bị bốn cực đối xứng. Hình 2.8. Một số mô hình thiết bị đƣợc sử dụng trong thăm dò điện trở suất và các tham số hình học của chúng. Hình 2.9. Mạng lƣới chữ nhật sử dụng trong phƣơng pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn của chƣơng trình Res2Dmod. Hình 2.10. Thiết bị Pole-Pole với điện cực dòng ở điểm gốc và điện cực thế cách nó một khoảng “a” trên mặt môi trƣờng. Hình 2.11. Các tham số của một khối chữ nhật có liên quan đến việc tính toán đạo hàm riêng 2D của khối. Hình 3.1. Đồ thị hàm độ nhạy 1D. Hình 3.2. Các mặt cắt độ nhạy 2D cho thiết bị Wenner-Alpha, Wenner-Beta, Wenner-Gamma. Hình 3.3. Máy đo ảnh điện đơn kênh. Hình 3.4. Hệ máy thăm dò điện. Hình 4.1. Vị trí khu vực khảo sát tại bên phải góc ngã ba đƣờng Bùi Tá Hán và Chƣơng Dƣơng (dọc sông Đô Tỏa), quận Ngũ Hành Sơn, Tp. Đà Nẵng Hình 4.2. Vị trí tuyến đo tại khu vực địa chất bên phải góc ngã ba đƣờng Bùi Tá Hán và Chƣơng Dƣơng (dọc sông Đô Tỏa). Hình 4.3. Một số hình ảnh trong quá trình đo đạc. Hình 4.4. Cách sắp xếp các điện cực trong quy trình đo sử dụng thiết bị WennerAlpha . Hình 4.5. Kết quả ảnh điện biểu diễn trong hệ trục OXYZ của khu vực khảo sát. Hình 4.6. Kết quả khoan thăm dò trên tuyến 3 tại khu vực khảo sát. Trang VII A. MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài 1. Trong những năm gần đây, nhà cao tầng đƣợc xây dựng nhiều ở các thành phố lớn. Đặc biệt là thành phố Đà Nẵng ta đang trên đà đô thị hóa toàn diện, các công trình không ngừng mọc lên, đặt ra nhiều thách thức cho việc khảo sát công trình địa chất. Khi đó, công việc tính toán ổn định hạng mục hố móng sâu (tầng hầm) và biện pháp thi công phụ thuộc rất nhiều vào chất lƣợng tài liệu khảo sát địa chất công trình. Nhƣ vậy, khảo sát địa chất công trình là công tác không thể thiếu đƣợc trong hoạt động xây dựng, đƣợc tiến hành tƣơng ứng với giai đoạn thiết kế công trình. Khảo sát địa chất công trình có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi thiết kế xây dựng công trình ở những nơi có điều kiện địa chất phức tạp, thiết kế xây dựng nhà cao tầng, công trình ngầm. . ., nhằm mục đích: ‒ Đánh giá mức độ thích hợp của địa điểm và môi trƣờng đối với các công trình dự kiến xây dựng. ‒ Thiết kế, lựa chọn giải pháp móng cho công trình dự kiến xây dựng một cách hợp lý và tiết kiệm. ‒ Đề xuất biện pháp thi công hữu hiệu nhất, thấy trƣớc và dự đoán đƣợc những khó khăn, trở ngại có thể nảy sinh trong thời gian xây dựng. ‒ Xác định các biến đổi của môi trƣờng địa chất do hoạt động kinh tế – công trình của con ngƣời, cũng nhƣ ảnh hƣởng của các biến đổi đó đối với bản thân công trình và công trình lân cận. ‒ Đánh giá mức độ an toàn của các công trình đang tồn tại, thiết kế cải tạo nâng cấp công trình hiện có và nghiên cứu những trƣờng hợp đã xảy ra gây hƣ hỏng công trình. Chính vì những mục đích trên, việc tìm phƣơng pháp khảo sát phù hợp là rất quan trọng. Trong đó, phƣơng pháp đo địa vật lý đƣợc ghi lại bằng thiết bị tự động nên tính khách quan trong số liệu rất cao. Thiết bị đo gọn nhẹ và tính cơ động cao, năng suất làm việc tƣơng đối lớn nên rất phù hợp trong khảo sát địa chất. Trang 1 Các phƣơng pháp địa vật lý dựa trên việc quan sát trƣờng địa vật lý giúp ta hiểu đƣợc cấu trúc địa chất, sự ô nhiễm môi trƣờng đất cũng nhƣ tìm kiếm các khoáng sản trong lòng đất. Trong các phƣơng pháp địa vật lý, thăm dò điện giữ vai trò chủ đạo để tìm kiếm khoáng sản, phát hiện các chất gây ô nhiễm trong nền địa chất cũng nhƣ nghiên cứu cấu trúc gần mặt đất của vỏ trái đất. Hiện nay, phƣơng pháp ảnh điện 2D-3D là một sự kết hợp tối ƣu để ta thu đƣợc một kết quả chính xác theo cả 2 chiều-3 chiều trong không gian. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là triển khai đo đạc tƣơng đối đơn giản, xử lý số liệu nhanh bằng các phần mềm trên máy tính. Bên cạnh đó, khoan thăm dò là phƣơng pháp khoan lấy mẫu để phân tích thành phần đất-đá của môi trƣờng địa chất, có ƣu điểm là quan sát địa tầng, các đặc điểm địa chất trực quan, chính xác. Thấy đƣợc tiện ích, hiệu quả của các phƣơng pháp trên và sự cần thiết của việc khảo sát cấu trúc địa chất công trình hiện nay nên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài khóa luận: “ Khảo sát cấu trúc địa chất bằng phƣơng pháp chụp cắt lớp ảnh điện 2D-3D (có kiểm chứng bằng khoan thăm dò) tại khu vực thuộc Quận Ngũ Hành Sơn, Tp.Đà Nẵng” Mục tiêu nghiên cứu 2. - Nghiên cứu về tổng quan lý thuyết cơ sở địa chất – vật lý trong thăm dò điện. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp ảnh điện hai chiều (2D). - Nghiên cứu thực địa sau đó lựa chọn cấu hình thiết bị thích hợp với khu vực nghiên cứu và quy trình đo tại khu vực này. - Tiến hành triển khai đo đạc thực nghiệm kiểm tra tại khu vực này, sau đó xử lý bằng phần mềm Res2D để đánh giá cấu trúc địa hình tại khu vực. - Dùng khoan thăm dò kiểm chứng kết quả. Nhiệm vụ nghiên cứu 3. - Trình bày tổng quan về cở sở lý thuyết địa chất – vật lý của phƣơng pháp thăm dò điện. - Trình bày cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp ảnh điện hai chiều (2D). Trang 2 - Đánh giá độ nhạy của hệ thiết bị Wenner-Alpha, để lập bảng thiết bị đo phù hợp với đối tƣợng nghiên cứu. - Nghiên cứu quy trình đo đạc thực nghiệm, xử lý số liệu và giải đoán kết quả về đối tƣợng khảo sát. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Khảo sát sự dẫn điện, thông số điện trở suất tại khu vực địa chất (tại khu vực góc ngã ba đƣờng Bùi Tá Hán và Chƣơng Dƣơng). 4.2. - Cấu trúc phân bố địa chất của khu vực nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng của phƣơng pháp ảnh điện vào vấn đề thực tiễn trong lĩnh vực khoa học - kỹ thuật và môi trƣờng. - Khảo sát thực địa tại khu vực góc ngã ba đƣờng Bùi Tá Hán và Chƣơng Dƣơng nhằm phân tích cấu trúc phân bố địa chất nơi này. - Thời gian nghiên cứu: 12-2/2018 5. Phƣơng pháp nghiên cứu 5.1. Phƣơng pháp lý thuyết - Tổng quan cơ sở địa chất – vật lý của phƣơng pháp thăm dò điện. - Tổng quan lý thuyết ảnh điện hai chiều (2D). 5.2. - Phƣơng pháp thực nghiệm Đánh giá độ nhạy, lựa chọn cấu hình thiết bị thích hợp cho đối tƣợng khảo sát. - Triển khai quy trình đo đạc thực hiện trên cấu hình thiết bị Wenner-Alpha. - Thu thập, xử lý số liệu và giải đoán kết quả bằng phần mềm Res2D. - Dùng khoan thăm dò để kiểm chứng kết quả thu đƣợc. Trang 3 B. NỘI DUNG CHƢƠNG I CƠ SỞ VẬT LÍ - ĐỊA CHẤT CỦA PHƢƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 1.1. Tính chất dẫn điện của vật chất dƣới mặt đất Thăm dò điện là phƣơng pháp nghiên cứu đặc điểm trƣờng điện và trƣờng điện từ trong quả đất do các quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo tạo ra nhằm giải quyết các vấn đề địa chất khác nhau. Đối tƣợng nghiên cứu của thăm dò điện là đất đá và khoáng vật nằm trong vỏ trái đất, đó là môi trƣờng bất đồng nhất có sự khác nhau về tham số điện, điện trở suất  , độ hoạt động điện hóa  , độ phân cực  , hằng số điện môi  , độ từ thẩm  ... Do có nhiều nguồn gốc tạo ra từ trƣờng và nhiều tham số đo vì vậy thăm dò điện có đặc điểm là rất đa dạng về phƣơng pháp và cũng phong phú về thể loại. Đối với một loại đất đá bất kỳ, các tham số điện từ đã nêu ở trên phản ánh định lƣợng khách quan thành phần khoáng vật và thạch học, cấu trúc và lịch sử tạo thành, điều kiện và thế nằm của chúng… Trong đó điện trở suất là tham số điện từ quan trọng nhất đƣợc nghiên cứu trong địa điện. Trong hệ SI điện trở suất đƣợc đo bằng ohm.m (Ω.m), còn đại lƣợng ngƣợc lại là độ dẫn điện  đƣợc đo bằng ( 1 ). Thăm dò điện đƣợc sử dụng phổ biến trong lĩnh vực địa vật lý .m tầng nông (gần mặt đất). Dòng điện trong môi trƣờng đất đá ở tầng nông truyền dẫn theo hai cách chính: dẫn điện điện tử và dẫn điện điện phân (hay dẫn điện ion). Trong dẫn điện điện phân, phần tử tải điện là các ion của môi trƣờng nƣớc dƣới mặt đất. Trong dẫn điện điện tử, phần tử tải điện là các điện tử tự do giống nhƣ trong các kim loại. Trong lĩnh vực khảo sát địa kỹ thuật và môi trƣờng, thì cơ chế dẫn điện điện phân là thông dụng nhất vì đất trong tự nhiên luôn chứa một lƣợng nƣớc nhất định. Còn dẫn điện điện tử chỉ đóng vai trò quan trọng khi có sự hiện diện của khoáng vật dẫn điện nhƣ các sulfit và graphit kim loại trong thăm dò khoáng sản. Chúng ta có thể phân loại một số vật chất bên dƣới mặt đất theo cách dẫn điện của chúng theo Bảng 1.1. Trang 4 Bảng 1.1. Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng Dẫn điện điện tử Dẫn điện điện phân + Các kim loại tự nhiên (Pt, Au, Ag, + Tất cả các nham thạch, trầm tích, biến Cu). chất và phún xuất chƣa đƣợc kể ở trên. + Các sulfua (bornit, galenit, covellin, + Các loại nƣớc tự nhiên. pirrotin, Pentlandit, acxenopirit, calcopirit, …). + Một vài loại oxyt (magnetic, caxiterit, …). + Graphit và các loại thanh cacbon hóa cao. Trong thạch quyển chỉ có một số đất đá hay khoáng vật có khả năng dẫn điện. Các khoáng vật có sự phân bố khác nhau và điện trở suất của đất đá bên dƣới mặt đất sẽ quyết định sự phân bố đó. Dựa vào độ lớn của điện trở suất, khoáng vật có thể đƣợc phân loại theo Bảng 1.2. Bảng 1.2. Phân loại khoáng vật theo điện trở suất Khoáng vật Điện trở suất < 10-5 Ω.m ▪ Vàng, bạch kim, bạc tự nhiên ▪ Các sunfua: pirit, calcopirit, arxenopirit, galenit, … ▪ Một vài loại oxyt: canxiterit, barnit, marcazit, … 10-5  1 Ω.m ▪ Grafic và vài loại than ▪ Hêmatit, bôcxit, kinôvar, anhydrit, selit, … 1  105 Ω.m ▪ Tràng thạch, thạch anh, calxit, mica, dầu, … 105  1022 Ω.m Trong đất đá nói chung, tỷ lệ khoáng vật có điện trở suất thấp chứa trong chúng càng lớn thì chúng dẫn điện càng tốt. Nếu đất đá chứa khoáng vật không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém thì thƣờng có điện trở rất cao. Phần lớn trong đất đá, khoáng vật ít dẫn điện nên có điện trở suất rất cao. Do đó, gần đúng có thể xem các đất đá có thể đƣợc tạo nên bởi các khung khoáng vật và dung dịch nƣớc tự nhiên chứa đầy các lỗ rỗng và khe trong khung khoáng vật ấy. Nƣớc chứa trong khung Trang 5 khoáng vật có thể chia làm hai loại: nƣớc tự do chứa trong các lỗ rỗng gọi là nƣớc khối và nƣớc liên kết trên mặt gọi là nƣớc mặt. Nƣớc khối là nƣớc tồn tại trong đất nhƣng không liên quan đến cấu trúc mạng tinh thể của khoáng vật cũng nhƣ nằm ngoài phạm vi của lực hút điện trƣờng hạt đất. Nƣớc khối di chuyển trong đất đá dƣới tác dụng của trọng lực và lực mao dẫn nên đƣợc phân thành hai loại là nƣớc trọng lực và nƣớc mao dẫn. Phần tử tải điện trong chúng là các ion muối khoáng. Độ dẫn điện của nƣớc liên quan đến sự có mặt của các ion trong nƣớc. Do đó, điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào lƣợng nƣớc và độ khoáng hóa của nƣớc trong nó. Vì các quá trình điện hóa khác nhau, nên bề mặt các hạt rắn của đất đá có hấp thụ một lớp nƣớc mỏng, mặt trong của lớp nƣớc trên mặt này có các điện tích của pha rắn, còn mặt ngoài có các ion ngƣợc dấu của pha lỏng. Kết quả là một lớp điện kép đƣợc tạo thành. Tùy theo khả năng giữ ion, mà lớp nƣớc trên mặt đƣợc gọi là liên kết bền hay không bền, khi có dòng điện chạy qua các ion của nƣớc trên mặt bị phân cực. 1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính dẫn điện của vật chất dƣới mặt đất Đối với các thành tạo địa chất bở rời, thông thƣờng giá trị điện trở suất của môi trƣờng bị chi phối bởi các yếu tố nhƣ thành phần khoáng vật, độ rỗng và độ nứt vỏ, độ ẩm, kiến trúc bên trong của đất đá, nhiệt độ và áp suất đặc biệt là độ khoáng hóa của nƣớc ngầm. 1.2.1. Thành phần khoáng vật Thông thƣờng, các khoáng vật trong đất đá không dẫn điện. Vì vậy điện trở suất của phần lớn các đất đá trầm tích, biến chất và phun trào ít phụ thuộc vào thành phần khoáng vật mà chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố khác. 1.2.2. Kiến trúc bên trong đất đá Kiến trúc của đất đá gây nên bất đẳng hƣớng về tính dẫn điện. Có hai hƣớng chính theo phƣơng pháp tuyến và tiếp tuyến của đá phân lớp. Hệ số bất đẳng hƣớng λ xác định theo công thức:  n t (1.1) Trong đó:  n Điện trở suất theo phƣơng pháp tuyến. Trang 6  t Điện trở suất theo phƣơng tiếp tuyến. Tính bất đẳng hƣớng sẽ ảnh hƣởng đến mọi giá trị đo của các thiết bị đo điện trở khác nhau. 1.2.3. Độ ẩm Khi tăng độ ẩm đồng thời độ ngậm nƣớc của đất đá sẽ cao thì điện trở suất của đất đá giảm đi. Vì vậy, độ dẫn điện của đất đá ở dƣới mực nƣớc ngầm thƣờng lớn hơn trên mực nƣớc ngầm. Đất đá Độ ngậm nƣớc (%) Cát thô 1.57 Cát nhỏ 2.73 Bụi 4.75 Bùn 10.18 Sét 44.85 Bảng 1.3: Độ ngậm nước của một số loại đất. Từ bảng 1.3 ta thấy độ ngậm nƣớc của đất sét cao nhất tức là độ ẩm lớn nhất nên độ dẫn điện của đất sét nhỏ nhất là 0,01  1 (1/ Ω.m). 1.2.4. Độ rỗng và độ nứt vỏ Nếu đất đá không chứa khoáng vật dẫn điện thì yếu tố dẫn điện duy nhất trong đất đá là nƣớc trong các lỗ rỗng giữa hạt. Độ rỗng và mức độ nứt nẻ của đất đá quyết định tốc độ vận động của nƣớc khối dƣới tác dụng của trọng lực hay còn gọi là nƣớc trọng lực. Khi tăng độ rỗng thì số lƣợng nƣớc trọng lực và nƣớc trên mặt tăng lên nên điện trở suất của đất đá giảm. Độ rỗng ( ) và hệ số rỗng ( ) có mối liên hệ qua công thức:   (1.1) 1  Các đất đá rắn nứt nẻ thì có điện trở suất cao nhất. Nếu các đất đá này nằm dƣới mạch nƣớc ngầm thì điện trở suất lại thấp. Trang 7 1.2.5. Độ khoáng hóa của nƣớc ngầm Độ dẫn điện trong lớp đất đá phụ thuộc vào độ dẫn điện của nƣớc ngầm. Nƣớc ngầm là nƣớc trong tự nhiên thƣờng đƣợc hòa tan một lƣợng muối nhất định. Độ dẫn điện của nƣớc liên quan đến sự có mặt của các ion trong nƣớc (nồng độ của các ion) và phụ thuộc trực tiếp vào khả năng linh động của các ion trong nƣớc cũng nhƣ số lƣợng muối khoáng hòa tan trong nó. Các ion trong nƣớc thƣờng là muối của kim loại nhƣ NaCl, KCl.. Độ khoáng hóa của nƣớc càng cao thì đất đá càng dẫn điện tốt điều đó cũng có nghĩa là điện trở suất của đất đá tỷ lệ nghịch với độ khoáng hóa trong nƣớc. Hình 1.1 cho thấy quan hệ phụ thuộc giữa độ dẫn  ( 1 ) với nồng độ .m muối hòa tan trong dung dịch tính bằng mol/l. Hình 1.1: Quan hệ giữa độ dẫn điện và nồng độ khoáng hóa. Từ hình vẽ ta thấy nồng độ dƣới 100 000 mol/l thì quan hệ này đồng biến, khi nồng độ tiếp tục tăng lên thì chuyển sang quan hệ nghịch biến với các giá trị nồng độ khác nhau. Hiện tƣợng quan hệ phụ thuộc giữa độ dẫn điện vào nồng độ muối khoáng hòa tan là đồng biến ở nồng độ thấp nhƣng nghịch biến ở nồng độ cao. Điều đó đƣợc giải thích khi nồng độ cao đạt mức bão hòa hay vƣợt mức bão hòa, các ion trong dung dịch mất dần hoạt tính và độ linh điện của các ion giảm nên khả năng dẫn điện của dung dịch giảm. Dễ nhận thấy đƣợc rằng các dung dịch muối trong nhóm halogen thì KCl và NaCl có tính dẫn điện mạnh hơn CaCl và MgCl… và mạnh hơn dung dịch muối ở nhóm sunfat. Trang 8 Do đó, trong thực tế, có thể xác định điện trở suất của nƣớc khoáng bằng cách xem nó chỉ do một loại muối nào đó trong vùng tạo nên. Trong điều kiện tự nhiên NaCl vừa có hoạt tính mạnh vừa có hàm lƣợng lớn nên trong nghiên cứu ngƣời ta thƣờng đƣa nồng độ các muối khoáng của dung dịch về nồng độ tƣơng đƣơng với muối NaCl và có thể dùng công thức thực nghiệm: ~ 8,4 M (1.2) Trong đó:  là điện trở suất của muối khoáng mà ta đang xét có đơn vị Ω.m. M là độ khoáng hóa có đơn vị g . l 1.2.6. Nhiệt độ và áp suất 1.2.6.1. Nhiệt độ Giá trị điện trở suất của đất đá còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong đất có nƣớc, trong nƣớc có các ion từ các muối khi nhiệt độ tăng thì độ linh động của các ion trong nƣớc tăng nên độ dẫn điện tăng đồng thời điện trở suất giảm. Hay nói theo cách khác, điện trở suất là đại lƣợng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Nhiệt độ tăng lên 10oC thì độ dẫn điện của nƣớc sẽ tăng 2  3% . Thông thƣờng, độ dẫn điện đƣợc đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn là 25oC. Sự phụ thuộc đó đƣợc thể hiện qua công thức: t  Trong đó: 18 1   (t  18) (1.3) t là nhiệt độ (oC) 18 là điện trở suất ở 18oC  là hệ số nhiệt, trong khoảng nhiệt độ 18 ÷ 50oC, hệ số này ít thay đổi với các dung dịch nƣớc muối khác nhau. Khi nhiệt độ tăng theo chiều sâu, điện trở suất sẽ giảm. Khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 0oC điện trở suất thay đổi đột ngột. Vì các đất đá dẫn điện thông thƣờng bằng ion có trong khung khoáng vật và dung dịch trong các lỗ rỗng, nay xuất hiện thêm thành phần dung dịch đóng băng. Trang 9 1.2.6.2. Áp suất Còn sự phụ thuộc của điện trở suất vào áp suất thì khá phức tạp, tùy thuộc vào các loại đất đá. Đối với các đất đá trầm tích xốp và ngậm nƣớc, điện trở suất tăng khi áp suất tăng, vì khi đó thể tích các lỗ rỗng và các đƣờng rỗng chứa dung dịch dẫn điện giảm do đó điện trở suất tăng. Để có cái nhìn định lƣợng về điện trở suất của đất, đá, vật liệu và một số hóa chất. Keller, Frischknecht (1966) và Daniels, Alberty (1966) đã đƣa ra bảng số liệu đƣợc trình bày trong bảng 1.4. Bảng 1.4: Điện trở suất của một số đất, đá, khoáng sản và hóa chất phổ biến Vật liệu Điện trở suất (Ωm) Độ dẫn điện (1/Ωm) Nham Granite (đá granit) 5.103  106 10-6  2.10-4 thạch và Basalt (đá bazan) 103  106 10-6  10-3 đá biến Slate (đá phiến) 6.102  4.107 2,5.10-8  1,7.10-3 Marble (đá cẩm thạch) 102  2,5.108 4.10-9  10-2 Quartzite (thạch anh) 102  2.108 5.10-9  10-2 Sandstone (sa thạch) 8  4.103 2,5.10-4  0,125 Trầm Shale (đá phiến sét) 20  2.103 5.10-4  0,05 tích Limestone (đá vôi) 50  4.102 2,5.10-3  0,02 Clay (đất sét) 1  100 0,01  1 Đất và Alluvium (đất phù sa) 10  800 1,25.10-3  0,1 nước Goundwater (nƣớc ngầm) 10  100 0,01  0,1 0,2 5 Iron (sắt) 9,074.10-8 1,102.107 Hóa chất 0,01 phân tử gam KCl 0,708 1,413 0,01 phân tử gam NaCl 0,843 1,185 0,01M axit Axetic 6,13 0,163 6,998.1016 1,429.10-17 chất Sea water (nƣớc biển) Xylene  Dựa vào số liệu của bảng 1.4 có thể đƣa ra một số nhận xét: Chú ý rằng, điện trở suất của các loại đất đá thƣờng thay đổi trong một giới hạn khá rộng và chồng Trang 10 chéo lên nhau vì chúng phụ thuộc một cách chặt chẽ vào các tham số nhƣ: độ xốp, mức độ nƣớc bão hoà và hàm lƣợng các muối hoà tan. - Đất đá dƣới mặt đất thƣờng chứa sét. Đất sét không những tồn tại ở các lớp riêng biệt dƣới đất mà còn trộn lẫn trong các đá khác nhƣ đá phiến, đá vôi… Khi có thành phần sét trong đá là thêm yếu tố dẫn điện trong đá đó. Vì hàm lƣợng các khoáng vật sét nên đất sét thƣờng có giá trị điện trở suất thấp. Chẳng hạn có hai mẫu đá cùng một loại đá, một mẫu là đá sạch và một mẫu đá là có sét thì điện trở suất khác nhau hoàn toàn. Cụ thể là đá phiến sạch thì điện trở suất là 6.102  4.107 .m nhƣng khi có sét vào thì điện trở suất của đá phiến sét lại giảm rõ rệt chỉ còn 20  2.103 .m . - Các đá trầm tích thƣờng có độ xốp và độ chứa nƣớc cao hơn nên có giá trị điện trở suất thấp hơn so với các đá thâm nhập và đá biến chất. Giá trị điện trở suất của đá thâm nhập và đá biến chất phụ thuộc nhiều vào độ nứt nẻ và mức độ chứa nƣớc trong các đới nức nẻ. - Các trầm tích bở rời không gắn kết nên độ rỗng cao thƣờng có giá trị điện trở suất thấp hơn các đá trầm tích với giá trị thay đổi từ vài .m đến nhỏ hơn 1000 .m . - Giá trị điện trở suất của đất và nƣớc dao động trong khoảng 10  100 .m phụ thuộc vào lƣợng muối hoà tan có trong chúng. Nƣớc biển có độ dẫn điện lớn bằng 5 (1/ .m ) vì nƣớc biển chứa hàm lƣợng muối hòa tan nhiều. Điều này giúp cho phƣơng pháp thăm dò điện trở thành một kỹ thuật khá lý tƣởng trong việc đo vẽ bản đồ xác định ranh giới nhiễm mặn ở các vùng Duyên Hải. Phƣơng trình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở suất của đá xốp và tham số bão hoà của chất lỏng có trong chúng đó là định luật Archie. Định luật này có thể áp dụng cho một số loại đá trầm tích nhất định, đặc biệt là các đối tƣợng có hàm lƣợng sét thấp. Trong đó, độ dẫn điện có thể đƣợc giả thiết là do các chất lỏng chứa đầy trong các lỗ xốp của đá. Từ định luật Archie, ta có:   b w   d Trong đó: ρ là điện trở suất của đá. ρw là điện trở suất của nƣớc chứa trong đá. Φ là tỉ lệ đá chứa nƣớc. b và d là các tham số thực nghiệm. Trang 11 (1.4) Hầu hết các đá b có giá trị vào khoảng 1 và d có giá trị vào khoảng 2. Đối với các đá trầm tích có một hàm lƣợng sét đáng kể thì có các phƣơng trình liên hệ phức tạp hơn. - Các giá trị điện trở suất của một số quặng cũng đã đƣợc đƣa ra và cho thấy các sulfit kim loại nhƣ pyrhotite, galena và pyrit có giá trị điện trở suất đặc trƣng thấp thƣờng nhỏ hơn 1 .m . Điểm đặc biệt là giá trị điện trở suất của một thân quặng hoặc một đối tƣợng nhất định có thể có sự khác biệt rất lớn so với giá trị điện trở suất của các tinh thể riêng. Các tham số khác nhƣ đặc tính của thân quặng (đặc sít hoặc xâm tán) cũng có ảnh hƣởng đáng kể đến giá trị điện trở suất. Một điểm quan trọng nữa là than chì có giá trị điện trở suất thấp tƣơng tự nhƣ sulfit kim loại. Đó là các tiên đề thuận lợi cho việc ứng dụng phƣơng pháp thăm dò điện cũng nhƣ đáp ứng của các bài toán trong thăm dò khoáng sản. Hầu hết các oxid nhƣ hematite có giá trị điện trở suất không thấp lắm ngoại trừ magnetic. - Giá trị điện trở suất của một số loại vật liệu hoặc hóa chất ô nhiễm công nghiệp cũng đã đƣợc trình bày trong Bảng 1.3. Một số kim loại nhƣ sắt có giá trị điện trở suất rất thấp. Các hoá chất điện phân mạnh nhƣ KCl và NaCl có thể làm giảm một cách đáng kể điện trở suất của nƣớc dƣới đất đến một giá trị nhỏ hơn 1 .m ngay cả khi các hóa chất này có hàm lƣợng tƣơng đối thấp. Ảnh hƣởng của các chất điện phân yếu nhƣ acetic acid tƣơng đối nhỏ hơn. Các hydrocarbon nhƣ xylen có giá trị điện trở suất đặc biệt khá cao. Tuy nhiên, trong thực tế, tỉ lệ phần trăm của hydrocarbon trong đá hoặc đất là khá nhỏ, do vậy chúng không ảnh hƣởng đáng kể đến điện trở suất chung. Trang 12
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan