TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ NỘI
BỘ MÔN ĐỊA VẬT LÝ
---o0o---

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ TRONG
ĐỊA CHẤT THỦY VĂN
(Dùng cho học viên cao học Địa chất thủy văn)

PGS. TS. Nguyễn Trọng Nga

Hà nội, năm 2011




MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 3
Chương I: MÔI TRƯỜNG ĐỊA ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN .............. 4
1.1. CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ............................. 4
1.2. CÁC MÔ HÌNH ĐỊA ĐIỆN ĐẶC TRƯNG TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ....................... 7
1.2.1. Tầng chứa nước ở vùng đồng bằng châu thổ................................................. 7
1.2.2. Thấu kính chứa nước đáy đệ tứ hoặc lòng sông cổ........................................ 7
1.2.3. Nước trong hang đới phát triển karst ............................................................ 8
1.2.4. Nước trong đới phá hủy, đứt gãy địa chất ..................................................... 8
1.2.5. Nước thượng tầng trong khe nứt của đá gốc ................................................. 9
Chương II: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D .................................................... 10
2.1. ĐIỆN TRỞ SUẤT BIỂU KIẾN ................................................................................. 10
2.1.1. Điện trở suất biểu kiến ............................................................................... 10
2.1.2. Ý nghĩa của điện trở suất biểu kiến............................................................. 10
2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D ................................................................... 12
2.2.1. Định nghĩa ................................................................................................. 12

4.2.1. Định nghĩa ................................................................................................. 34
4.2.2. Phương pháp kỹ thuật đo ............................................................................ 34
4.2.3. Phương pháp xử lý tài liệu đo sâu đa cực phân cực 2D ............................... 35
4.3.4. Áp dụng phương pháp đo sâu đa cực phân cực 2D……………………........…...35



1


Chương V: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN (TEM) .................... 37
5.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN........................................................... 37
5.1.1. Định nghĩa phương pháp đo sâu trường chuyển .......................................... 37
5.1.2. Đặc điểm của phương pháp trường chuyển ................................................. 37
5.1.3. Bản chất của phương pháp trường chuyển .................................................. 38
5.1.4. Cơ chế đo sâu trường chuyển theo nguyên lý thời gian ............................... 38
5.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TRƯỜNG CHUYỂN ................................... 38
5.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN ......................................... 39
5.3.1. Đặc điểm của tín hiệu trường chuyển ......................................................... 39
5.3.2. Nguyên tắc phát và thu trường chuyển ....................................................... 39
5.3.3. Máy đo trường chuyển ............................................................................... 40
5.3.4. Phương pháp kỹ thuật đo sâu trường chuyển .............................................. 41
5.4. XỬ LÝ TÀI LIỆU ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN ......................................................... 43
5.4.1. Công thức đường cong theo thời gian ......................................................... 43
5.4.2. Công thức đường cong đo sâu trường chuyển theo chiều sâu ...................... 44
5.4.3. Phương pháp phân tích định lượng đường cong đo sâu trường chuyển ....... 45
5.4.4. Biểu diễn kết quả đo sâu trường chuyển ..................................................... 46
5.5. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TRƯỜNG CHUYỂN.......................................................47
Chương VI: PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN .......... 49
6.1. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN .......................................... 49



MỞ ĐẦU
Đối tượng của địa chất thủy văn là các tầng chứa nước ngầm. Thông
thường các đối tượng này đều nằm dưới lớp phủ, do đó để phát hiện chúng
không thể không áp dụng các phương pháp địa vật lý.
Để áp dụng có hiệu quả các phương pháp địa vật lý trong việc phát
hiện các đối tượng chứa nước, giáo trình này sẽ giới thiệu ngắn gọn cơ sở
toán lý, phương pháp kỹ thuật thi công và xử lý tài liệu của các phương
pháp địa vật lý và các thí dụ được áp dụng trong địa chất thủy văn.
Giáo trình sử dụng cho học viên cao học ngành địa chất thủy văn, tức
là những người đã học giáo trình địa vật lý đại cương, do vậy đây là
phương pháp địa vật lý đã được nâng cao, chủ yếu là các phương pháp
thăm dò điện 2D và một số phương pháp hiện đại như: đo sâu trường
chuyển, cộng hưởng từ hạt nhân và đo sâu từ - tellua âm tần đã và đang
được sử dụng có hiệu quả trên thế giới và đã được áp dụng ở Việt Nam
trong những năm gần đây.



3


Chương I:
MÔI TRƯỜNG ĐỊA ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN
1.1. CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

Dòng điện truyền dẫn trong môi trường đất đá ở tầng nông theo hai
phương thức chính: dẫn điện điện tử và dẫn điện ion. Trong dẫn điện điện
tử, dòng điện được truyền dẫn thông qua các điện tử tự do giống như trong

(giả thiết các trầm tích chứa nước bão hòa) và hàm lượng các khoáng vật
sét. Đất sét thường có giá trị điện trở suất thấp hơn so với đất cát. Tuy
nhiên, cần chú ý rằng điện trở suất của các đá thường thay đổi trong một
giới hạn khá rộng và chồng gối lên nhau, do chúng phụ thuộc một cách chặt
chẽ vào các tham số như: độ xốp, mức độ bão hòa nước và hàm lượng của
các muối hòa tan.
Điện trở suất của nước dưới đất dao động trong khoảng từ 10 đến
100 ohm.m, phụ thuộc vào hàm lượng các muối hòa tan trong chúng. Điện
trở suất của nước dưới biển là rất thấp (khoảng 0.2 ohm.m) do hàm lượng
muối cao, điều này là cơ sở cho phương pháp thăm dò điện trở thành một
kỹ thuật lý tưởng trong việc đo vẽ bản đồ xác định ranh giới nhiễm mặn ở
các vùng duyên hải. Một phương trình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa
điện trở suất của đá xốp và tham số bão hòa của chất lỏng có trong chúng là
định luật Archie, định luật này có thể áp dụng cho một số loại đá nhất định,
đặc biệt là các đối tượng có hàm lượng khoáng vật sét thấp, theo đó độ dẫn


5


điện được giả thiết là do các chất lỏng chứa đầy trong các lỗ hổng của đá.
Định luật Archie viết dưới dạng:

  a. w  m
Trong đó:
-  là điện trở suất của đá
-  là độ rỗng của đá chứa chất lỏng
- a và m là các tham số thực nghiệm, đối với hầu hết các đá a=1,
m=2.
-  w là điện trở suất của chất lỏng.  w phụ thuộc vào nồng độ muối

suất tương đối nhỏ, các hydrocarbon như sylen có giá trị điện trở suất khá
cao. Tuy nhiên trong thực tế tỉ lệ phần trăm của các hydrocarbon trong đất
đá là khá thấp, và ảnh hưởng của chúng không có ý nghĩa trong giá trị điện
trở suất khối.
1.2. CÁC MÔ HÌNH ĐỊA ĐIỆN ĐẶC TRƯNG TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

Mô hình đối tượng địa điện trong địa chất thủy văn là các cấu trúc
địa chất thuận lợi cho việc tích tụ và tàng trữ nước ngầm. Chúng gồm có
các mô hình đặc trưng sau:
1.2.1. Tầng chứa nước ở vùng đồng bằng châu thổ
Ở vùng đồng bằng châu thổ có quá trình lắng đọng trầm tích lâu đời
nên nước ngầm có thể tồn tại ở dạng tầng chứa nước như sau:
- Tầng chứa nước trong tầng cát, cuội sỏi trầm tích đệ tứ (Q), nếu lớp
đệ tứ dày có thể có nhiều tầng chứa nước xen kẹp giữa các tầng sét, (xem
hình 1.2).
- Tầng chứa nước trong đá gốc tuổi Neogen (N), nước ở dạng này tạo
thành tầng hay lớp có điện trở suất thấp hay cao tùy thuộc vào độ khoáng
hóa và thành phần thạch học của các loại đá nằm trên hoặc dưới nó.

Hình 1.2: Mô hình lát cắt địa điện đối tượng chứa nước
vùng đồng bằng châu thổ
1.2.2. Thấu kính chứa nước đáy đệ tứ hoặc lòng sông cổ
Dạng này thường thấy ở vùng trung du, ở bậc thềm sông, nếu có lớp
cát, cuội dày thì khả năng lưu trữ nước ngầm rất lớn, (xem hình 1.3).


7


Hình 1.3: Mô hình lát cắt địa điện với đối tượng chứa nước

ρ2

ρ4

ρ
ρρ

ρ

3

Hình 1.5: Mô hình địa điện đối tượng chứa nước trong đới
phá hủy, đứt gãy địa chất.
1.2.5. Nước thượng tầng trong khe nứt của đá gốc
Đá gốc rẵn chắc nhưng bị nứt nẻ mạnh do ảnh hưởng của hoạt động
địa chất, gặp nước trên mặt thấm xuống thì cũng có khả năng chứa nước,
trường hợp này thường có ở vùng núi cao, cao nguyên bazan, cần lưu ý
mực nước ngầm càng cao gần mặt đất thì khả năng chứa nước càng tốt.

Hình 1.6: Mô hình lát cắt địa điện đối tượng chứa nước
trong khe nứt của đá gốc
Để tìm kiếm nước ngầm đạt hiệu quả cao cần nghiên cứu kỹ tài liệu
địa chất thủy văn cụ thể, nghiên cứu rõ nguồn cung cấp nước để khi phát
hiện có thể đảm bảo tìm được nước.



9




2.1.2. Ý nghĩa của điện trở suất biểu kiến
Ý nghĩa của điện trở suất biểu kiến ρk có 2 dạng sau:
a. Ý nghĩa vi phân
Ý nghĩa vi phân của điện trở suất biểu kiến là ảnh hưởng của môi
trường tại vị trí điểm quan sát, nói đúng hơn là ảnh hưởng của phần không
gian nhỏ hẹp quanh điểm quan sát.


10


Nếu ta thực hiện một vài biến đổi theo công thức tính ρk ta có:
U
MN
MN
K
.EMN  K
. MN . jMN
I
I
I
  . jMN

k  K

(2.2)

Như vậy, điện trở suất biểu kiến tỉ lệ với mật độ dòng điện tại vị trí
quan sát hay mọi sự méo mật độ dòng do yếu tố bất đồng nhất địa chất.

ri 
Ai Bi

4

(2.5)

Áp dụng để tính kích thước hệ cực khi cần nghiên cứu đến chiều sâu
H, ta có:
Z max  H


11


( AB) max  4rmax  4 zmax  4 H

Ở đây: - H là tổng chiều sâu cần khảo sát
2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN TRỞ 1D

2.2.1. Định nghĩa
Phương pháp đo sâu điện trở 1D là phương pháp đo sâu nghiên cứu
sự thay đổi điện trở suất biểu kiến theo chiều sâu bằng cách tăng kích thước
hệ cực để tăng chiều sâu khảo sát.
Công thức tính điện trở suất biểu kiến khi đo sâu gọi là đường cong
đo sâu:
 K ( r )  K ( r ).

U
(r )

UN: RMN



UM UN
I

Zi 

là một khối hình trụ có bán kính:
1
.( AB ) i
4

Với: - i là thứ tự kích thước AB được mở
- MN càng nhỏ miền ảnh hưởng RMN càng nhỏ, tính định xứ của
phương pháp đo sâu càng tốt.



12


- Nếu MN  0: tức hệ cực Schlumberger lý tưởng, tính định xứ
của phương pháp đo sâu là tốt nhất.
Thực tế; khi MN nhỏ, thì U MN nhỏ, nếu U MN   hiệu thế đo được
không chính xác, ta buộc phải mở kích thước MN hoặc tăng cường độ dòng
phát I.
2.3. PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐO SÂU 1D


M2

5

N2
N3

M3
M4

N4

Hình 2.2: Sơ đồ lắp ráp thiết bị để tiến hành đo sâu điện
Tại mỗi kích thước AB ta đo được U và I sau đó tính điện trở suất
biểu kiến k(r) theo kích thước r=AB/2:
k  r   K

U
(r )
I

Kết quả xây dựng được đường cong đo sâu trên giấy tỉ lệ loga kép,
(xem hình 2.3).
lg  k  f lg r 



13



Hình 2.3: Đường cong đo sâu đối xứng trên giấy loga kép
Để cho trên giấy loga kép các vị trí kích thước r đều nhau, nghĩa là
trong tỉ lệ loga kích thước r sẽ tăng theo cấp số cộng
lg ri 1  lg ri  lg n

Như vậy, trong thực tế kích thước r sẽ phải tăng theo cấp số nhân:

ri 1  nri
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐIỆN 1D

Bài toán cơ sở lý thuyết của phương pháp đo sâu điện là trường điện
của nguồn điểm trong môi trường phân lớp nằm ngang, mô hình một chiều
này là mô hình môi trường lý tưởng, có sự thay đổi điện trở suất theo
phương thẳng đứng: (z)=i(z).
A

2.4.1. Bài toán tổng quát
Giả sử môi trường có n lớp với

1, h1

I
d1

2, h2

các tham số: 1,h1, 2,h2…n-1,h n-1,
n,hn; tại điểm A là nguồn điểm phát

n-1, hn-1



0
r 2
r r
z 2

(2.6)

Với các điều kiện sau:
- Ở lớp thứ thứ nhất hàm thế gồm hai phần:
U1 

I1
2 r 2  z 2

(2.7)

 U' r, z 

Trong biểu thức (2.7) số hạng thứ nhất là trường của nguồn điểm
trong môi trường đồng nhất, số hạng thứ hai U ' r , z  là ảnh hưởng của các
mặt ranh giới nằm dưới, do vậy U ' r , z  , cũng như các hàm thế U1, U2,..., U n
đều phải thoả mãn phương trình Laplaxơ: U=0, nên đối với hàm thế U’ ta
có:
U '  0 ; U ' r , z   0

(2.8)

r  0, 

i z
i 1 z



15


2.4.2. Giải bài toán
Bài toán được nhà địa vật lý GS.TS Sabar Stephanescu người
Rumani giải năm 1930 bằng phương pháp phân ly biến số:
Đặt: U  U ( r ).V ( z ) rồi thay vào phương trình (2.6) ta có:
 2 U V U
 2V
V 2 
 U 2 0
r r
r
z

(2.12)

Chia 2 vế của phương trình (2.12) cho U.V ta có:
1  2 U 1 U 1  2 V


0
U r 2 Ur r V z 2

(2.13)

  2

1/
2
2
n 1  r 2  2 nh

r
 1   



(2.16)




I1  1
rk12 n

E1  r , 0  
 2  2
3/2 
2
2  r
n 1  r 2  2 nh
 1   





(2.18)

I
E1 ( r ,0)  1
2



qn r
1
 2  2
2
n 1
r
r 2  2nh1 




3 
2 


(2.19)









K12 n r 3

 k  1 1  2 
n 1 r 2  2nh 2

1





3/2 




(2.22)

- Đường cong 3 lớp:



qn r3

 k  1 1  2 
2
n 1 r 2  2 nh 

2.5.1. Lát cắt điện trở suất biểu kiến k hay lát cắt đẳng ôm
Lát cắt đẳng ôm k được thành lập như sau: trên tuyến đo sâu điện
trục hoành là vị trí điểm đo, trục tung ghi giá trị AB/2 theo tỉ lệ loga. Cột
dọc theo vị trí đo sâu ghi giá trị k(x,r). Vẽ đẳng trị k ta được lát cắt đẳng
ôm. Lát cắt đẳng ôm là bức tranh tổng hợp mô tả định tính lát cắt địa điện
trên tuyến đo sâu (hình 2.5). Lát cắt đẳng trị k ta có thể nhận biết khu vực
có bất đồng nhất, đứt gãy, nếp lõm, nếp lồi, địa hình của mặt nền đá gốc.
Lát cắt đẳng ôm k có độ phân giải kém nên người ta chỉ xem là lát cắt xử
lý định tính.



17


720

720

1

2

3

4

5

6


690

680

680

670

670

660

660

650

650

640

640

630

630

620 1

2


Kho¶ng c¸ch céng dån 0

20
20

20
40

20
60

20
80

20
100

20
120

20
140

20
160

20
180



714.01

714.84

Cao ®é

715.92

716.61

Tªn ®iÓm ®o

20
260

280

Hình 2.5: Lát cắt điện trở suất biểu kiến k

2.5.2. Xử lý tài liệu đo sâu điện 1D theo phương pháp biến đổi p
Hai nhà địa vật lý Petrovxky (Nga) và Jondy (Mỹ) đã đề xuất tìm
một phương pháp xử lý đường cong đo sâu điện phản ánh thực hơn về lát
cắt địa điện; nó có độ phân giải cao hơn, chiều sâu thực hơn so với lát cắt
đẳng ôm k bằng cách dùng công thức biến đổi như sau:
- Khi đường cong đi xuống k (ri1 )  k (ri ) :
p  z 

k
 lg 


lg
r



Với:
z i   i ri



18

2

(2.26)


- i là hệ số khắc phục sự bất dẳng hướng vĩ mô của lát cắt phân lớp,
đưa giá trị kích thước hệ cực ri về chiều sâu hiệu dụng zi. Giá trị của hệ số
 i    ri  =1 (2i ) , với các lớp tương đối dày i =1 có thể lấy i=1/2.

Đường cong ρp có độ phân
giải và định xứ tốt hơn đường
cong ρk, (xem hình 2.6).
Sau đó vẽ lát cắt đẳng trị ρp
tương tự như lát cắt đẳng trị k
trên toàn tuyến đo (xem hình
2.7). Lát cắt đẳng trị p có độ
phân giải và tính định xứ cao


10

11

12

13

14

15

700

700

690

690

680

680

670

670

660


9

10

11

12

13

15 620

14

Kho¶ng c¸ch
Kho¶ng c¸ch céng dån 0

20

20
20

20
40

20
60

20

240

703.95

704.15

704.36

704.58

704.79

705.00

706.76

708.36

709.91

711.32

712.86

714.01

714.84

715.92



5

6

-15

-35

-55

-75

-95

-115

-135

-155
0

20

40

60

80



9

-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
30

60

90

120

150

180

210

Hình 2.9: Tìm nước trong đới phá hủy karst



B

A

M
na

a
Hệ cực thế

A

a

B
na

Hệ 4 cực đối xứng (W-S)

M
na

N

N
a

A

B

i=1

X1

2 X2 3

XN-1

C

j=1
2

N
z1
z2

3
4

ij

M -1

zM-1

M

Hình 3.3. Lưới rời rạc theo lược đồ sai phân
Phương trình cơ bản theo phương Pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho


- B là ma trận cột Iεi,j
i, j-1

Giải phương trình (3.2) tính được

u , dựa vào kết quả Furier ngược ta tính

Hình 4.4: Tiết diện của một
phần tử trong lưới rời rạc 2D

được:
u ( x, z )  

U ( x, k y , z )
2
sin(
k
)
dk y
y
 0
k y

(3.3)

Người ta tính U i,j trên các nút của môi trường 2D, từ đó tính được
điện trở suất:

 k ( x, z )  k

a

+

a

+
+

a

+
+

+

+
+

+

Hình 3.5: Đo sâu hệ cực thế


23

+
+

+


3a

M a

2a
a M

M
a

+

N

N
+

+

n=3

N

+
+

+

+