ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------

Nguyễn Đức Anh

ÁP DỤNG TỔ HỢP THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN BIỂN NÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------

Nguyễn Đức Anh

ÁP DỤNG TỔ HỢP THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN BIỂN NÔNG
Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu
Mã số: 60440111

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Đức Vinh
TS. Dương Quốc Hưng


1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ..................................................................... 6
1.2.1. Đặc điểm trường sóng địa chấn ................................................................. 6
1.2.2. Hệ thống phát và thu sóng địa chấn ......................................................... 12
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU .....................................17
2.1. Phân tích đặc trưng tín hiệu............................................................................ 17
2.2. Phục hồi biên độ ............................................................................................. 18
2.3. Trung bình hóa các đường ghi ....................................................................... 21
2.4. Hạn chế nhiễu bằng lọc tần số........................................................................ 21
2.4.1. Cơ sở lọc sóng một mạch......................................................................... 21
2.4.2. Các bộ lọc tần số ...................................................................................... 22
2.5. Hạn chế nhiễu PXNL ..................................................................................... 26
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ÁP DỤNG ........................................................................29
3.1. Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 29
3.2. Công tác thu thập số liệu ................................................................................ 30
3.3. Kết quả áp dụng xử lý hạn chế nhiễu ............................................................. 32
3.3.1. Kiểm tra số liệu ........................................................................................ 32
3.3.2. Phân tích đặc trưng tín hiệu ..................................................................... 34
3.3.3. Kết quả phục hồi biên độ ......................................................................... 35
3.3.4. Trung bình hóa các đường ghi ................................................................. 36
3.3.5. Hạn chế nhiễu bằng bộ lọc tần số ............................................................ 38
3.3.6. Hạn chế nhiễu PXNL ............................................................................... 40
KẾT LUẬN ...............................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Ý nghĩa


xử lý (tuyến bôi đậm) ..............................................................................30
Hình 3.3. Bộ tích năng lượng Geontself 97 ..............................................................31
Hình 3.4. Đầu phát Sparker .......................................................................................31
Hình 3.5. Mặt cắt địa chấn CUADAY-02B chưa qua sửa lỗi ...................................33
Hình 3.6. Sửa lỗi phần nhiễu tín hiệu trích từ mặt cắt CUADAY-02B ....................34
Hình 3.7. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 ..............................................................34
Hình 3.8. Module phục hồi biên độ Gain Function ..................................................35
Hình 3.9. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi phục hồi biên độ....36
Hình 3.10. Module trung bình hóa đường ghi (running average) .............................37

ii


Hình 3.11. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi thực hiện trung bình
hóa 5 đường ghi .......................................................................................37
Hình 3.12. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số .............38
Hình 3.13. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số
.................................................................................................................39
Hình 3.14. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số .............40
Hình 3.15. Lựa chọn (pick) tín hiệu phản xạ đầu tiên bề mặt đáy biển ....................40
Hình 3.16. Module xử lý nhiễu PXNL suppress multiple ........................................41
Hình 3.17. Vị trí sóng phản xạ lần 2 bề mặt đáy biển (mặt cắt CUADAY-03) được
loại bỏ sau khi sử dụng bộ lọc ngược tiên đoán ......................................42
Hình 3.18. Kết quả hạn chế nhiễu PXNL bề mặt đáy biển trên các đường ghi trích từ
mặt cắt CUADAY-03 ..............................................................................43
Hình 3.19. Kết quả hạn chế sóng PX lần 2 bề mặt đáy biển trích từ mặt cắt CUADAY03 .............................................................................................................43
Hình 3.20. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trái) và sau (phải) lọc PXNL....................44
Hình 3.21. Mặt cắt CUADAY-03 gốc (trên) và sau (dưới) xử lý .............................44
Hình 3.22. Mặt cắt CUADAY-03 sau xử lý (trên) và minh giải sơ bộ (dưới) ..........45


chất lượng cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại những hạn chế nhất định,
cụ thể là chất lượng tín hiệu bị chi phối rất mạnh bởi thiết bị và điều kiện khảo sát

1


thực địa, dẫn đến trên các băng ghi cũng tồn tại một lượng nhiễu lớn, nhiễu phản xạ
nhiều lần (PXNL). Các loại nhiễu này làm giảm chất lượng của mặt cắt, gây trở ngại
cho việc quan sát các sóng phản xạ có ích và cho công tác minh giải tài liệu. Vì thế,
việc áp dụng các thành tựu công nghệ tin học, máy tính trong xử lý số liệu nhằm hạn
chế các loại nhiễu là nhiệm vụ cực kỳ cần thiết.
Với mục đích hạn chế và loại bỏ các loại nhiễu (trong đó có nhiễu PXNL)
trong các mặt cắt nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả của phương pháp
ĐCNPGC ở Việt Nam, học viên lựa chọn đề tài: “Áp dụng tổ hợp thuật toán xử lý
nhằm nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn biển nông”.
Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp Địa chấn nông phân giải cao và khu
vực nghiên cứu.
Chương 2: Một số thuật toán xử lý số liệu
Chương 3: Kết quả áp dụng

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP
ĐỊA CHẤN NÔNG PHÂN GIẢI CAO
1.1. Sự phát triển của phương pháp Địa chấn nông phân giải cao
Địa chấn nông phân giải cao (ĐCNPGC) tiến hành quan sát mặt cắt địa chất
dựa vào quan sát các sóng phản xạ từ các ranh giới phản xạ khác nhau của mặt cắt.
Phương pháp này được sử dụng có hiệu quả trong công tác nghiên cứu địa chất tầng

Một số kết quả áp dụng địa chấn phản xạ nông trên thế giới:
 Năm 1998, các khảo sát địa chấn ở phụ cận thành phố Bangkok (Thái Lan)
được Đại học Công nghệ Châu Á (AIT – Asian Institude of Technology)
thực hiện với sự tài trợ của Sở Địa chất Canađa với mục đích khảo sát nước
dưới đất và tìm hiểu nguyên nhân lún đất ở Bangkok [20]. Các mặt cắt địa
chấn cho khả năng quan sát thấy hầu hết các ranh giới phản xạ liên quan
đến các tầng chứa nước.
 Các khảo sát địa chấn phản xạ nông do Steeples, D.W. và nnk. tiến hành
vào những năm 80 để phát hiện các hố sụt karst trên đường cao tốc số 70 ở
Kansas (Hoa Kỳ). Năm 1991, các khảo sát tương tự được Miller R.D.,
Steeples D.W. sử dụng để phát hiện các lỗ hổng gây sụt đất ở khu vực các
mỏ than. Cũng trong những năm này, các nhà địa chấn là Pietsch K. và R.
Slusarczyk đã áp dụng địa chấn phản xạ nông để xác định các đới sụt đất ở
các mỏ than ở Balan.
 Năm 2001, I. Chow, J.Angelien và nnk thực hiện khảo sát đứt gẫy sinh chấn
Chihshang nằm ở phía đông Đài Loan [14]. Phân tích tổng hợp các số liệu
địa chấn với các số liệu đo rađar xuyên đất (GPR - ground penetrating radar)
xác định được mức độ hoạt động của các đứt gẫy, khôi phục được quá trình
phát triển của chúng liên quan với các trận động đất cổ.
 Các khảo sát địa chấn do Timothy H. Larson và Andreas J. M Pugin thực
hiện ở khu mỏ than Illinois (Hoa Kỳ) với mục đích xác định vị trí của các
hầm mỏ cũ nằm sát đường cao tốc IL.29. Từ mặt cắt địa chấn có thể quan
sát thấy các đới mất sóng, các đới sóng yếu và các sóng phản xạ nghiêng
liên quan đến sóng tán xạ [17].
Chính nhờ khả năng trang bị dễ dàng các hệ thống thiết bị và nhờ các tiến bộ
mới trong thăm dò địa chấn, ngày nay địa chấn phản xạ nông đã được áp dụng khá

4



5


pháp ĐCNPGC để khảo sát địa chất các tầng nông và các hoạt động kiến
tạo, magma trẻ ở vùng biển Miền Trung Việt Nam. Kết quả đã đưa ra lát cắt
địa chất Đệ tứ trên thềm lục địa miền Trung Việt với độ chi tiết và tin cậy
cao, góp phần rất lớn trong công tác minh giải tài liệu về sau [4].
 Năm 2015, nhóm nghiên cứu đứng đầu là ThS. Vũ Bá Dũng tại Trung tâm
Điều tra Tài nguyên – Môi trường biển – Bộ Tài nguyên và Môi trường đã
tiến hành nghiên cứu xử lý giảm thiểu nhiễu trong tài liệu ĐCNPGC nhằm
nâng cao chất lượng phục vụ công tác điều tra khảo sát địa chất, khoáng sản
biển. Các kết quả nghiên cứu được ứng dụng ngay tại Trung tâm, góp phần
xử lý tài liệu ĐCNPGC vùng biển Thổ Chu với hình ảnh rõ nét hơn, phản
ánh trung thực các đối tương địa chất trên lát cắt địa chấn vùng biển quanh
đảo [2].
Tính cho đến nay tổng khối lượng ĐCNPGC đo được ở vùng biển Việt Nam
là trên 40.000 km. Các kết quả khảo sát đã làm rõ được cấu trúc địa chất tầng nông
dọc đới biển nông ven bờ Việt Nam, cho phép đánh giá điều kiện địa chất công trình,
đặc điểm môi trường địa chất, tiềm năng sa khoáng và vật liệu xây dựng dọc đới ven
biển Việt Nam.
1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
1.2.1. Đặc điểm trường sóng địa chấn
 Tốc độ truyền sóng và tần số
Tốc độ truyền sóng của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như:
thành phần thạch học, điều kiện thành tạo, chiều sâu thế nằm và độ ngậm nước…
[10].
Vận tốc trung bình của sóng âm trong môi trường nước biển nằm trong khoảng
1,46 – 1,56 km/s tùy thuộc vào các điều kiện nhiệt độ, độ mặn và áp suất (chiều sâu),
thường được lấy giá trị trung bình là 1,5 km/s. Vận tốc sóng âm trong môi trường
trầm tích tăng lên theo sự suy giảm độ rỗng và độ lớn của kích thước hạt. Các loại

Trong địa chấn phản xạ phân giải cao thường dùng nguồn phát có tần số cao
(f = 400 – 4000Hz đối với hệ Boomer). Giả sử nguồn phát sóng có tần số là 400Hz,
tốc độ truyền sóng trong đá trầm tích là 1800m/s thì độ dày nhỏ nhất có thể xen giữa
hai tầng phản xạ là:
Δh = 1800/(4*400) = 1.125m
Công thức trên chỉ ra rằng để quan sát rõ các lớp càng mỏng, cần phải sử dụng
các dao động tần số càng cao. Tần số càng cao thì độ chi tiết để phát hiện các cấu trúc

7


giữa 2 mặt phản xạ càng lớn. Tùy thuộc vào mục đích của chuyến khảo sát, cần lựa
chọn tần số phát cho phù hợp để thu được độ phân giải mong muốn.
Độ phân giải ngang:
Là khả năng phân biệt các đối tượng khác nhau theo chiều ngang trên lát cắt
địa chấn. Độ phân giải ngang phụ thuộc vào diện tích đới Fresnel thứ nhất. Năng
lượng sóng đến một điểm trên mặt quan sát từ một mặt phản xạ không phải là một
điểm mà thực chất đến từ một diện tích nhất định trên mặt phản xạ. Diện tích đó gọi
là đới Fresnel thứ nhất, được giới hạn bởi khoảng cách giữa hai mặt sóng cách nhau
¼ bước sóng λ [10].
r=√

λh
vh
=√
2
2f

(1.2)


sát ở khu vực nước nông trên biển.
 Các loại sóng nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng tài liệu:
Để giải quyết các nhiệm vụ địa chất, với mỗi phương pháp địa chấn thường sử
dụng một loại sóng nhất định (với phương pháp ĐCNPGC là sóng phản xạ một lần
từ các mặt ranh giới phản xạ khác nhau). Trong tập hợp các sóng ghi nhận được,
ngoài sóng có ích còn tồn tại phông nhiễu phức tạp gây trở ngại cho việc phát hiện
và theo dõi sóng có ích [10].

9


Sóng có ích là những sóng chứa thông tin liên quan đến đối tượng nghiên cứu,
được sử dụng để xử lý và phân tích tài liệu nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất.
Nhiễu là tập hợp toàn bộ các sóng không liên hệ trực tiếp với đối tượng nghiên
cứu hoặc không sử dụng để xử lý và phân tích. Có thể chia ra 2 loại là nhiễu không
có quy luật và có quy luật:
Nhiễu không có quy luật (ngẫu nhiên):
Là các sóng mà biên độ, pha, hình dạng… thay đổi ngẫu nhiên khi chuyển từ
điểm quan sát này sang điểm quan sát khác, không theo dõi được trong những đoạn
tuyến dài. Nhiễu ngẫu nhiên do nhiều nguồn khác nhau gây ra.
- Nhiễu vi địa chấn xuất hiện do những nguyên nhân không liên quan đến
nguồn nổ như mưa gió.
- Nhiễu do ảnh hưởng của các hoạt động của con người (hoạt động của tàu cá
gần tàu khảo sát), các hoạt động gây tiếng ồn trên chính tàu khảo sát, nhiễu do ảnh
hưởng của mạng lưới truyền dẫn thông tin (nhiễu công nghiệp)... gây ra.
Nhiễu có quy luật:
Là loại nhiễu mà hình dạng, biên độ, pha…không thay đổi hoặc thay đổi từ từ
dọc tuyến khảo sát. Điều này cho phép theo dõi chúng trên những đoạn tuyến dài.
Các loại nhiễu có quy luật thường liên quan đến nguồn nổ như sóng mặt, sóng âm,
sóng phản xạ nhiều lần (PXNL), sóng tán xạ… Sau đây là đặc điểm của một số loại


Sóng vang: khi khảo sát trong môi trường nước (biển, sông…) thường tồn tại
loại sóng lặp lại nhiều lần trong lớp nước, chúng có ảnh hưởng lớn đến việc theo dõi
sóng có ích. Cần hạn chế chúng bằng nhiều phương pháp như chọn vị trí đặt tuyến,
chiều sâu phát sóng, lọc ngược…
1.2.2. Hệ thống phát và thu sóng địa chấn
Một hệ thống địa chấn gồm một nguồn phát sóng âm, một hệ thống máy thu
để ghi nhận các tín hiệu phản xạ và một máy in tương tự để chuyển các tín hiệu này
thành các băng ghi (mặt cắt) tương tự (hình 1.5) [4]. Băng ghi này thể hiện trường
thời gian liên tục thẳng đứng bên dưới hành trình của tàu khảo sát với trục thẳng đứng
là thời gian truyền sóng 2 chiều và trục ngang là vị trí tàu khảo sát trên biển.

Hình 1.5. Bố trí hệ thống thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao
 Nguồn phát
Khi tiến hành địa chấn trong môi trường nước (biển, sông, hồ,…), thường sử
dụng nguồn không nổ như nguồn khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện - thủy lực… Đối với
phương pháp ĐCNPGC, để kích thích dao động có thể sử dụng nhiều loại nguồn nổ
khác nhau. Lựa chọn nguồn sóng âm thường dựa trên độ phân giải và độ sâu khảo
sát. Ở Việt nam đang sử dụng hai loại phổ biến trong nghiên cứu địa chất biển nông
là Boomer và Sparker.
Nguồn Boomer:

12


Là loại nguồn cơ điện hoặc điện động. Năng lượng điện phát ra được nạp vào
các tụ điện thông qua cuộn dây gắn trong chất cách điện nằm dưới một tấm kim loại.
Điện lượng này sinh ra một từ trường mạnh trong cuộn dây, tạo ra các dòng điện xoáy
làm sinh ra một từ trường mạnh trong tấm kim loại. Từ trường này đối kháng với từ
trường trong cuộn dây làm cho tấm kim loại bị bật ra rất nhanh tạo nên một xung âm

của Sparker là 500J, sử dụng cực phát có 50 -100 điện cực cho kết quả tối ưu nhất.
Sparker được coi là một loại nguồn lý tưởng cho phần lớn các khảo sát thăm
dò địa chất – địa vật lý biển. Nó có thể đạt tới độ xuyên sâu tới vài trăm mét và độ
phân giải từ 2 đến 5m trong các điều kiện thông thường với các ưu điểm vượt trội là
đơn giản, gọn nhẹ, dễ lắp đặt trên tàu nhỏ, có thể phát được năng lượng lớn, với dải
tần số rộng, có thể áp dụng cho nhiều mục đích khảo sát khác nhau và nguồn điện
cung cấp tương đối đơn giản, ổn định và chi phí thấp hơn so với các hệ thống khác.
Bên cạnh đó, nó cũng có nhược điểm là rất khó loại trừ hoàn toàn xung thứ cấp (xung
bong bóng) và khó phóng điện trong môi trường nước ngọt.
 Hệ thống ghi
Máy thu địa chấn là bộ phận đầu tiên làm nhiệm vụ thu nhận các rung động và
biến đổi thành các dao động điện.
Máy thu triệt tiêu gia tốc (Acceleration Cancelling Hydrophone) được sử dụng
trong ĐCNPGC gồm hai tinh thể thạch anh áp điện được ghép đối xứng sao cho gia
tốc theo phương nằm ngang do chuyển động của tàu gây ra là bằng nhau và ngược
chiều để tự triệt tiêu. Các máy thu này được ghép song song và đặt trong một ống
chất dẻo chứa dầu kéo theo sau tàu (Streamer). Dầu có tác dụng cách điện và bù tỉ
trọng để đầu thu có thể ngập trong nước, ổn định ở một độ sâu nhất định nhằm hạn
chế một phần nhiễu đồng thời tăng đáng kể chất lượng tín hiệu có ích, qua đó có tác
dụng tăng tỉ số tín hiệu/nhiễu bằng cách tăng biên độ tín hiệu theo hiệu ứng cộng
đồng pha, đồng thời giảm các loại nhiễu trên cả hai phương diện: a) Tăng hiệu ứng
thống kê: với số lượng máy thu là N, tỷ số tín hiệu/nhiễu ngẫu nhiên sẽ lên tăng gấp
N1/2 lần; b) tăng hiệu ứng định hướng: khi đầu thu được kéo theo phương nằm ngang
trên mặt biển, tín hiệu phản xạ từ các ranh giới trầm tích sẽ được cộng đồng pha trong
khi nhiễu từ các hướng khác bị lệch pha, làm cho tỉ số tín hiệu/nhiễu được tăng lên
đáng kể.

14




15


Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày sơ lược về sự phát triển của phương pháp Địa chấn
nông phân giải cao trên thế giới và một số ứng dụng của phương pháp này cả trên lục
địa và vùng nước nông nhằm tìm kiếm khoáng sản, đánh giả tài nguyên nước, nghiên
cứu địa chất tầng nông, địa chất công trình. Về tình hình nghiên cứu và áp dụng tại
Việt Nam đã cho thấy: phương pháp này đã được đưa vào áp dụng từ những năm
1900 trở lại đây, tuy nhiên khu vực nghiên cứu chủ yếu là vùng thềm lục địa Việt
Nam, xung quanh một số đảo và quần đảo. Về số liệu thu được bằng phương pháp
này là rất lớn (khoảng trên 40.000km tuyến). Điều đó cho thấy việc nâng cao chất
lượng khảo sát và xử lý tín hiệu ĐCNPGC là rất cấp thiết. Chương 1 cũng tập trung
tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của phương pháp (độ phân giải, tần số ưu thế, các loại
nhiễu thường gặp trong mặt cắt ĐCNPGC,...), điều này là rất cần thiết để đưa ra một
số nhận định và các thuật toán cần thiết cho công tác xử lý các mặt cắt ĐCNPGC về
sau.

16


CHƯƠNG 2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU
Xử lý số liệu là công đoạn áp dụng các biện pháp có thể can thiệp vào số liệu
nguyên thủy thu được với mục đích tăng tỉ lệ tín hiệu/nhiễu để chuyển đổi số liệu thu
được thành một hình ảnh trung thực nhất về các cấu trúc địa chất bên dưới bề mặt
đáy biển, đồng thời phải đảm bảo chi phí về mặt thời gian và nhân lực xử lý thích hợp
[6]. Trong các phần mềm xử lý số liệu ĐCNPGC ở Việt Nam hiện nay, phần mềm
Reflexw (CHLB Đức) được đánh giá là có thể đáp ứng tốt tiêu chí trên và đã được sử
dụng rộng rãi tại Liên đoàn Vật lí địa chất, Trung tâm Địa vật lý - Liên đoàn Bản đồ

suy giảm nhanh theo chiều sâu. Vì vậy cần phục hồi lại phần nào năng lượng sóng đã
mất đi trong khi truyền đi qua các lớp đất đá khác nhau. Để tính ảnh hưởng hấp thụ
trên quãng đường truyền sóng người ta sử dụng công thức:
A = A0 eαz = A0 e−ρz/λ

(2.1)

A /A0 = e−ρz/λ

(2.2)

Hay:
Trong đó z là độ sâu; ρ và α là hệ số hấp thụ và hệ số hấp thụ theo chu kỳ của
môi trường; A0 và A là biên độ sóng cực đại (trên mặt) và tại độ sâu z; ρ có giá trị
trung bình là 0.05 đối với môi trường trầm tích bở rời ngậm nước.
Người ta dùng thang Decibel (bB) là thang logarit để so sánh tỉ lệ giữa biên độ
tín hiệu suy giảm và tín hiệu ban đầu:
N = 20lg(A/A0 ) (dB)

18

(2.3)