5942
07/7/200
6
Hà nội - 2005 CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM
LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT Hà nội - 2005
MỤC LỤC

Trang
Mở đầu 12
Chương 1 : Cơ sở lý thuyết của phương pháp địa chấn phân giải cao
14
1.1. Bản chất của phương pháp 14
1.2. Mối liên hệ giữa độ phân giải thẳng đứng và chiều sâu
nghiên cứu

15
1.3. Mối liên hệ giữa độ phân giải ngang và tần số sóng 16
1.4. Phương pháp quan sát sóng địa chấn phân giải cao 19
Chương 2: Máy và thiết bị địa chấn phân giải cao
21
2.1. Máy phát nguồn sparker 21
2.2. Máy phát nguồn boomer 28
2.3. Hệ thống thu thập số liệu 31
Chương 3: Kết quả áp dụng thử nghiệm ngoài trời
35
3.1. Vùng tây nam sông Hậu 35

ập trầm tích Đệ tứ và thu
được kết quả tương đối khả quan.
Nói chung máy địa chấn phân giải cao được nhiều nước chế tạo và ngày
một hoàn thiện. Một trong những nước đi đầu trong lĩnh vực chế tạo máy địa
chấn phân giải cao là nước Anh với tổ hợp máy có tên gọi là "Applied Acoustic"
và Liên bang Nga với tổ hợp máy có tên gọi là "Geont-Shelf". Ngoài ra, Hoa Kỳ
và Pháp cũng là những nước sản xuất loại máy này. Máy g
ồm nhiều bộ phận,
trong đó bộ phận phát xung và bộ phận ghi tín hiệu là quan trọng hơn cả.
Trong những năm qua, công tác khảo sát địa vật lý biển nông ven bờ đã
sử dụng các loại máy địa chấn phân giải cao được nhập vào Việt nam. Đó là
máy "Geont-Shelf" của Liên bang Nga và máy "Applied Acoustic" của Anh.
Để tự chủ trong công tác địa chấn phân giải cao, Bộ Tài nguyên và Môi
trường đã có Hợp đồng Nghiên cứu và Phát triển công nghệ số 326/BTNMT-
HĐKHCN ngày 09 tháng 11 năm 2004 với Liên đoàn Vật lý Địa chất thực hiện
đề tài : “Nghiên cứu chế tạo thử nguồn phát sóng âm (sparker và boomer) trong
địa chấn phân giải cao”.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài :
+ Mục tiêu: Nghiên cứu chế tạo thử nguồn phát sóng âm (sparker và
boomer) trong địa chấn phân giải cao.
+ Nội dung nghiên cứu : Nghiên cứu chế tạo thử nguồn phát sóng âm
trong địa chấn phản xạ phân giải cao, bao gồm các nội dung:
- Nghiên c
ứu nguyên lý kỹ thuật.
- Thiết kế kỹ thuật, chế tạo thử.
- Thử nghiệm thực tế, đánh giá hiệu quả kinh tế-kỹ thuật
Về nguyên lý, bộ phận phát sóng âm có nhiều dạng, nhưng dạng sparker
và dạng boomer được sử dụng nhiều hơn và đây là đối tượng nghiên cứu của đề
tài.
Sau hai năm nghiên cứu và thực hiện, tập thể tác giả đã chế


14
Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
ĐỊA CHẤN PHÂN GIẢI CAO
oOo

1.1 - BẢN CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP
Phương pháp địa chấn phân giải cao là một trong những phương pháp địa
vật lý nghiên cứu chi tiết cấu trúc phần nông mặt cắt địa chất nhờ sử dụng nguồn
phát sóng âm có tần số cao (400 HZ đến 4000 HZ).

)

1
2
3
0
1
0.5

-0.5
A

A = A
0
e
-αx

A = A
0
e
-αx
sinωt
15
Từ hình 1.1 có thể nhận thấy, càng ra xa nguồn phát, sóng càng yếu dần.
Ngoài ra, quá trình giải toả năng lượng sóng tần số cao trong môi trường
địa chất còn phụ thuộc vào tần số. Tần số càng cao thì sự mất năng lượng càng
lớn, đặc biệt trong môi trường có nhiều khe nứt do sóng bị phản xạ nhiều lần.
Thực nghiệm cho thấy, sóng địa chấn tần số cao cỡ 400 - 4000 Hz bị mất năng
lương chủ yếu do độ nhớt và độ dẫn nhiệt của môi trường mà chúng đi qua. Mặt
khác, sóng địa chấn phân giải cao khi lan truyền trong môi trường địa chất bị

Như hình vẽ trên, hệ số phản xạ đạt giá trị cực đại khi chiều dày của vỉa
mỏng bằng 0,25 hoặc 0,75 bước sóng. Chính vì lẽ đó mà việc thay đổi tần số
sóng âm để phát hiện sự t
ồn tại của vỉa mỏng là rất quan trọng. Khả năng phát
hiện và ghi được trên băng địa chấn các sóng phản xạ sít nhau chính là độ phân
giải thẳng đứng của phương pháp khảo sát. Độ phân giải thẳng đứng phụ thuộc
chủ yếu vào tần số, công suất nguồn phát sóng âm, phông nhiễu và tốc độ tàu
Hình số 1.2: Sự phụ thuộc hệ số phản xạ và tỷ số
chiều dày của vỉa và bước sóng
0 0.25 0.5 0.75 1.00
0.50
0.25
l/λ
K
K - Hệ số phản xạ
λ - Bước sóng của
sóng cao tần
16
chạy (khoảng cách giữa các điểm nổ).
Đối với tần số, độ phân giải thẳng đứng được tính theo công thức sau:

d =
f
V
2
.5,0
=
4
1
λ (1.2)

n 1700m/s và tần số sóng chủ đạo cỡ 1000Hz thì độ phân
giải thẳng đứng được xác định từ 0,4 - 0,5m.

1.3- MỐI LIÊN HỆ GIỮA ĐỘ PHÂN GIẢI NGANG VÀ TẦN SỐ SÓNG
Trong mục trên chúng ta đã đề cập đến độ phân giải thẳng đứng, song
trong địa chấn phân giải cao, ngoài độ phân giải thẳng đứng cần xem xét đến độ
phân giải ngang.
Như chúng ta đã biết, năng lượng địa chấn phát ra từ nguồn phát sóng sẽ
truyền trong môi trường địa chất theo dạng hình cầu (mặt sóng có dạng hình cầu
trong môi trường đồng nhất). Đối với mỗi mặt phản xạ
phẳng, diện tích tác động
của sóng âm có dạng hình cầu và lớn dần theo thời gian (hình 1.3).
17
Khi sóng đập vào mặt phản xạ, chỉ có một diện tích hình tròn nhất định có
sóng phản xạ quay lại điểm thu đủ mạnh để máy thu có thể ghi nhận được tín
hiệu địa chấn. Đoạn mặt phản xạ gạch chéo trong hình vẽ số 1.3 được giới hạn
bởi hai mặt sóng cách nhau 1/4 bước sóng gọi là " vùng fresnel đầu tiên ".


đốm nhỏ trên băng ghi địa chấn. Để tăng độ liên kết sóng trên băng ghi địa chấn
(tức là làm cho các vùng fresnel đầu tiên trùm lên nhau dọc tuyến khảo sát) cần
phải bố trí các điểm nổ gần nhau (tức là giảm tốc độ chuyển động của tàu khảo
sát).
Như vậy, đối với độ phân giải ngang, việc tăng tần số phát sóng âm, giảm
tốc độ tàu chạy là rất quan trọng. Cả hai vấn đề này dẫn đến giảm chiều sâu
nghiên cứu, cũng như giảm nă
ng suất lao động.Chính vì lẽ đó mà chúng ta cần
phải tính toán sao cho có lợi nhất trong việc khảo sát địa chấn phân giải cao.
¼ bước
sóng (λ/4)
Đới Fresnel
Hình số 1.3: Giới hạn của đới Fresnel thứ nhất
18
Bảng 1.1:
Kết quả xác định bán kính vựng Fresnel u tiờn
tơng ứng với v=1700m/s
TT Chiều sâu Tần số (Hz)

( mét) 100(Hz) 200(Hz) 500(Hz) 1000(Hz) 2000(Hz) 4000(Hz) 8000(Hz)
1 5.00 6.52 4.61 2.92 2.06 1.46 1.03 0.73
2 10.00 9.22 6.52 4.12 2.92 2.06 1.46 1.03
3 20.00 13.04 9.22 5.83 4.12 2.92 2.06 1.46
4 30.00 15.97 11.29 7.14 5.05 3.57 2.52 1.79
5 40.00 18.44 13.04 8.25 5.83 4.12 2.92 2.06
6 50.00 20.62 14.58 9.22 6.52 4.61 3.26 2.30
7 60.00 22.58 15.97 10.10 7.14 5.05 3.57 2.52
8 70.00 24.39 17.25 10.91 7.71 5.45 3.86 2.73
9 80.00 26.08 18.44 11.66 8.25 5.83 4.12 2.92
10 90.00 27.66 19.56 12.37 8.75 6.18 4.37 3.09

-100
-120
-140
-160
-180
-200

Chiu sõu mt phn x (m)
v = 1700 Hz
100Hz
200Hz
500 Hz
1000 Hz
2000Hz
4000 Hz
8000 Hz
Hỡnh v s 1.4: Mi liờn h gia phõn gii ngang v chiu sõu
n
g
vi
t
ns khỏc nhau
19
1.4- PHƯƠNG PHÁP QUAN SÁT SÓNG ĐỊA CHẤN PHÂN GIẢI CAO
Trong địa chấn thăm dò truyền thống, phương pháp quan sát sóng phản xạ
và sóng khúc xạ đều được áp dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên đối với địa chấn
phân giải cao, cho đến nay chỉ có phương pháp phản xạ được ứng dụng để

và Z
2
= V
2
ρ
2
khác nhau và
giả sử trong lớp thứ nhất xuất hiện một sóng dọc P
1
đập vào ranh giới (R) làm
kích động cả phần môi trường tiếp giáp ranh giới R (xem hình vẽ số 1.5) . Sự
kích động này làm xuất hiện sóng trong cả lớp thứ nhất và lớp thứ hai. Trong lớp
thứ nhất xuất hiện sóng phản xạ gồm sóng dọc P
11
và sóng ngang P
1
S
1
, trong lớp
thứ hai xuất hiện sóng khúc xạ. Trong địa chấn phân giải cao người ta chỉ quan
tâm đến sóng phản xạ P
11
, còn sóng ngang P
1
S
1
bị chặn lại khi quan sát trên biển
hoặc trên kênh rạch. Để đánh giá khả năng phản xạ của một ranh giới người ta
đưa ra tham số K - hệ số phản xạ. Thông thường, đối với địa chấn phân giải cao
các máy phát và máy thu được đặt gần nhau (cỡ 3 ÷ 5m) nên có thể coi sóng đến

A
1
Z2 - Z1
Z2 + Z1
V
2
ρ
2
- V
1
ρ
1
V
2
ρ
2
+ V
1
ρ
1

20

P
1
S
1

điện thế cỡ 4 đến 5 KV được phóng qua một dàn điện cực đặt trong nước mặn.
Mỗi lần phóng điện, một thể tích nhỏ nước m
ặn xung quanh các nguồn điện cực
bị đốt nóng và tạo nên các bóng hơi, các bóng hơi này làm cho các phần tử nước
xung quanh điện cực áp sát vào nhau và tạo ra xung áp suất, từ đó sinh ra sóng
địa chấn tần số cao lan truyền trong môi trường địa chất [19, 21].
2.1.2- Cấu tạo của máy phát nguồn sparker
Máy phát nguồn sparker gồm 2 bộ phận chính là nguồn tích năng lượng và dàn
phát sóng Sparker.
2.1.2.1- Nguồn tích năng lượng.
Nguồn tích năng lượng gồm: Biến th
ế (1) để biến điện thế từ 220V50-
60Hz thành nguồn điện 4000 - 5000V ; Bộ chỉnh lưu (2) dòng điện xoay chiều
thành dòng điện một chiều ; Trở tải (3) ; Tụ điện không phân cực (4) ; Công tắc
điều khiển (5) để phóng điện (xem hình vẽ số 2.1) .

1
2
3
4
5
6
1 - Biến thế nguồn; 2 - Bộ chỉnh lưu; 3 - Trở tải ;
4 - Tụ tích điện ; 5 - Công tắc; 6 – Dàn điện cực
Hình số 2.1 : Sơ đồ điện của nguồn tích năng lượng
22
Năng lượng sóng phụ thuộc vào điện dung và hiệu điện thế trên tụ tích điện và
được xác định bằng công thức :
E =
2

(2.2)

Ở đây : N - Hệ số chuyển tải năng lượng
t - Thời gian phóng điện.

Thời gian phóng điện t = Π
LC phụ thuộc chủ yếu vào trở cảm của
đường dây và thường thay đổi từ 0,01 ~ 1,00 microgiây. Công suất điện dưới
dạng xung có thể đạt đến vài chục Megawatt.
Có khá nhiều cách để chế tạo dàn phát sparker trong địa chấn phân giải
cao. Để nguồn phát sparker đạt được tần số thích hợp và chiều sâu nghiên cứu
mong muốn thì có thể chọn một số tham số như số cực phát, kích thước cực,
khoảng cách giữa cực âm với cực dương và năng lượng phóng ra ở mỗi cực.
Thông thường, khoảng cách giữa cực dương và cực âm tăng lên tỷ lệ thuận với
hệ số chuyển đổi điện năng thành áp năng. Song trong trường hợp đó thời gian
phóng điện lại kéo dài và dòng điện lại giảm, dẫn đến công suất phóng điện
giảm.
Chính vì lẽ
đó nên cần phải chọn một khoảng cách thích hợp để có công
suất tốt nhất. Trong khi khảo sát các tuyến gần bờ biển vùng đồng bằng sông
Cửu Long chúng tôi đã sử dụng dàn phát sóng với 4 chùm cực, mỗi chùm 30
cực đơn và khoảng cách giữa cực dương và cực âm trong khoảng 0.1-0.15m.
Với kích thước này đã thu được kết quả tương đối tốt (xem kết quả ở chương 3).
Hệ
thống dàn phát sparker này cho độ phân giải thẳng đứng cỡ (1- 3m) và độ
23
sõu nghiờn cu c vi ba trm một. Cựng vi nhng u im k trờn, dn phỏt
sparker cng cú nhc im l cng xung phỏt khụng n nh v khú ỏp
dng cho mụi trng nc ngt.
2.1.2.3 - Quỏ trỡnh thit k v ch to


Biến áp
Cao áp
Chỉnh lu
cao áp
Khối
đồng
bộ
Tụ tích
Năng
lợng
Công
tắc
ĐIệN T
ử

Cao
áp
Tải Boomer hoặc Spacke
r
Xung
đồng
bộ
220 V
AC
Hỡnh 2.2 -S khi
n


2727
40
42
4
9
36
3
60
42
Trách nhiệm Họ và tên Ký Ngày Tỷ lệ: 2:1 Khối l ợng:
Số tờ:Tờ:Duyệt
Duyệt
Thiết kế
Đầu phát Sparker
109
Vật liệu: Nhựa kỹ thuật P.T.E
3x45

Hỡnh v s 2.4 : Thit k ngun phỏt sparker
28
48
51
13.5
4
54
1632

ện eboxy; nguồn ghép nối
với cao áp…), chúng tôi chế tạo thành công loại nguồn phát sparker gồm 8
chùm cực, mỗi chùm gồm 30 cực đơn lẻ . Kích thước của từng chùm cực được
trình bày trong trên hình vẽ số 2.4. Để đạt được công suất 1000J cần phải sử
dụng bốn chùm cực đặt thành một hàng (hình vẽ trang 25). Trong các trường
hợp cần thiết có thể sử dụng cả tám chùm điện cực được gắ
n thành hai hàng để
đạt được công suất 2000J. (xem hình trang 26 & hình vẽ số 2.6). Hình 2.6 - Dàn phát sóng sparker
Với cách ghép này chúng tôi đã tiến hành đo thử nghiệm ở vùng cửa Trần Đề
(Sông Hậu) và thu được kết quả tương đối tốt (xem hình vẽ số 3.3)

30
BẢNG MÔ TẢ CHỈ TIÊU KỸ THUẬT, CẤU TẠO SPARKER

CHI TIẾT
SỐ
LƯỢNG
MÔ TẢ
Nguồn phát SPARKER 2000
Thân chùm cực
phát
08
Kích thước 109mm x 42mm; vật liệu : nhựa kỹ thuật PA, lõi
đổ nhựa EBOXI
Điện cực
phát/chùm cực
phát

đổ nhựa EBOXI
Dây kết nối 02
Vật liệu : Dây điện 2 vỏ Korea, Ø10mm, loại 3x2.5, cách điện
1KV

ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT SPACKER 2000 / 1000
Kích thước 1350cm x 50cm x 950cm
Trọng lượng 50kg / 42kg
Dải năng lượng 240 – 2000J / 240 – 1000J
Năng lượng đầu vào cực
đại
2000J / 1000J

31
2.2. MÁY PHÁT NGUỒN BOOMER
Trong địa chấn phân giải cao, nguồn phát boomer thường được chế tạo đi
kèm với nguồn phát sparker. Cả hai nguồn phát này đều sử dụng chung một bộ
nguồn tích năng lượng đã được đề cập đến trong mục 2.1.2.1. Như chúng ta đã
biết nguồn phát boomer tạo ra sóng địa chấn có tần số cỡ 800 Hz đến 4000 HZ.
2.2.1- Nguyên lý hoạt động.
Nguồn phát boomer hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ trường.
Dưới tác dụng của một từ trường do dòng điện gây nên sẽ xuất hiện dòng điện
xoáy trong vật dẫn điện. Chính dòng xoáy này lại tạo ra từ trường thứ cấp có
hướng ngược chiều với từ trường sơ cấp. Sự tác dụng của hai từ trường ngược
chiều này đã t
ạo ra một lực làm cho vật dẫn điện chuyển động và từ đó gây nên
sóng địa chấn có tần số tương đối cao.
2.2.2- Cấu tạo nguồn phát boomer
Nguồn phát boomer có cấu tạo không quá phức tạp, gồm một đĩa dây dẫn
điện tốt gắn chặt trong một khối ỳ không dẫn điện. Trên bề mặt cuộn đĩa được

32
1
2
3
4
Trách nhiệm Họ và tên Ký Ngày Tỷ lệ: 1:5 Khối lợng:
Số tờ:Tờ:Duyệt
Duyệt
Thiết kế
TT Tên gọi S.l Vật liệu
Đ.vị Tổng
Khối lợng
Ghi chú
1
3
2
4 Dây điện
Tấm lót
Lõi cách điện
Đế
1
1
1
1Nhôm
Vật liệu cách điện
Cao su
Đồng đỏ 1x5
BOOMER
Chi tiết Đế
30

150J – 240J/ phát nổ
Đĩa dây dẫn điện Dây dẹt (đồng đỏ); qui cách 1mm x 5 mm
Dây dẫn kết nối Đồng đỏ; qui cách : Ø6; vỏ cách điện 1KV
Lõi cách điện Nhựa Eboxi
Đế (tấm ỳ) Hợp kim nhôm
Tấm lót Cao su xốp dày 10cm