KHẢO SÁT ĐỊA VẬT LÝ

Địa chấn nông phân giải cao (High Resolution Seismic) là một phương pháp của địa vật lý thăm dò, thực hiện trên mặt vùng nước như biển hay sông hồ, dùng nguồn phát chuyên dụng phát sóng địa chấn trên mặt và thu nhận các sóng phản xạ ở các tầng đất đá dưới sâu.
Nó là dạng rút gọn của Địa chấn phản xạ, là thành phần chủ chốt của khảo sát địa vật lý trong nghiên cứu địa chất biển, tìm kiếm khoáng sản nông ở đáy biển hay hồ. Độ sâu khảo sát tính từ đáy nước vào cỡ 50 m đến ngàn mét tùy theo nguồn phát sóng được sử dụng

B. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP

* Thiết bị quan sát:
Hệ thống đo gồm một nguồn phát xung sóng địa chấn có tần số chính cỡ 70–200 Hz, phát vào nước, và dãy đầu thu sóng địa chấn kiểu điện áp (Hydrophones Group) thu nhận các phản xạ, đặt cách đầu phát một khoảng L, đưa đến máy ghi địa chấn trên thuyền.
Mỗi lần phát (bắn) thu được một đường ghi địa chấn, được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu cùng với số liệu định vị GPS. Khi xuất số liệu ở dạng băng ghi thì nó biểu hiện ảnh hồi âm của đất đá dọc theo hành trình
* Đầu thu:
Đầu thu gồm dãy 8 chiếc trở lên các cảm biến sóng kiểu điện áp nối song song. Độ dài của dãy thu được tính toán sao cho nó thu nhận tốt nhất tín hiệu phản xạ từ bên dưới, nhưng lại triệt bớt sóng trực tiếp từ đầu phát sóng. Tất cả được đặt trong ống nhựa Polyurethane (PU), đổ kín dầu Silicone (có thể dùng diesel) không được lẫn bọt khí, và nếu cần thì gắn theo vật nặng để nó lửng lơ trong nước. Ống này thường gọi là con lươn (văn liệu Mỹ: Eel) hay con rắn (tiếng Đức: Schlange, tiếng Nga: Шланговый)
* Nguồn phát sóng:
Các nghiên cứu sâu, như ở tàu nghiên cứu Hải dương học, thường dùng súng hơi (Air Gun) cỡ trung bình, có tần số chính cao hơn loại dùng trong dầu khí. Hệ thống nén khí là máy nén dùng động cơ cỡ 100 mã lực.
Các nghiên cứu nông hơn thì dùng nguồn phóng điện. Nó gồm có khối tích điện cỡ 4kJ và điện áp 4kV, và hai kiểu đầu phát sóng:
Đầu phát phóng điện (Sparker), dùng để phát trong nước mặn. Nó là dãy điện cực, đơn giản nhất là dùng đinh sắt đóng xuyên qua lõi đồng của cáp dẫn điện, hoặc làm thành dàn các đầu dây dẫn hở đầu dây. Khi đóng điện 4kV, các điện cực phóng điện, năng lượng tập trung cao sẽ làm nóng và sinh bóng khí, tạo ra vụ nổ nhỏ, sóng có tần số chính giảm theo kích thước bóng khí. Cường độ sóng tổng là tổng vector các vụ nổ con, nên sẽ có phương ưu tiên. Thiết kế dàn điện cực cần tính các yếu tố này.
Đầu phát từ giảo (Boomer), dùng để phát trong nước ngọt. Nó gồm thớt nhôm tròn, bao quanh bởi vòng dây solenoid bằng đồng. Khi phát xung điện lớn vào solenoid, nhôm sẽ co giãn, phát dao động vào môi trường. Kích thước hoạt động của khối nhôm xác định tần số chính của xung, và thường cỡ 120 Hz.
Chú ý rằng các vụ nổ trong nước đều gây ra “cú đập thứ cấp”. Sau vụ nổ các bóng khí co lại và dãn tiếp lần thứ hai. Nó có thể gây nhiễu thường trực cho tài liệu.
* Xử lý, phân tích tài liệu:
Các bộ thiết bị thương phẩm đều có phần mềm điều hành đo, và hỗ trợ xác định sóng, tính toán và xuất mặt cắt. Bản thân băng ghi của phương pháp đã thể hiện trực quan hình ảnh các lớp trầm tích đáy, và khá giống với băng ghi của Đo sâu hồi âm (Echo sounding) dùng cho đo độ sâu đáy nước trong giao thông đường thủy.
Các phần mềm xử lý tài liệu địa chấn phản xạ nông đa năng như Sandmeier Reflexw, hoặc chuyên cho riêng phương pháp này, hướng vào việc xử lý triệt nhiễu, triệt sóng lặp, và tự động nhận dạng ranh giới theo khởi đầu của người phân tích. Nhờ vậy việc chuyển tài liệu sang mặt cắt địa chất khá thuận lợi.
Tuy nhiên, đánh giá tính chất trạng thái các lớp phải dựa trên xem xét trực quan đặc trưng động lực của sóng trên băng ghi, và phụ thuộc vào kinh nghiệm của người phân tích.

C. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP

Phương pháp địa chấn nông phân giải cao thực hiện trên vùng mặt nước như biển hay sông hồ cho phép nghiên cứu đất đá đến độ sâu cỡ 50m.
Trong công tác thi công nạo vét luồng lạch, cảng biển tại các vùng có các đá tảng phân bố rải rác, công tác khoan không thể kiểm soát hết sự phân bố của các tảng đá đó thì phương pháp địa chấn nông phân giải cao là một phương pháp kết hợp hữu hiệu.

Thăm dò Địa chấn phản xạ (Seismic Reflection), là một phương pháp của địa vật lý thăm dò, phát sóng đàn hồi vào môi trường và bố trí thu trên mặt các sóng phản xạ từ các ranh giới địa chấn ở các tầng trầm tích dưới sâu. Giải đoàn tài liệu sẽ xác định được các ranh giới kết hợp với xem xét định tính đặc trưng động lực của sóng cho phép xác lập cấu trúc địa chất của vùng và định vị đối tượng quan tâm, như các tầng chứa khoáng sản, đứt gãy,…

B. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP:

* Nguồn phát sóng:
– Nguồn nổ: Nguồn nổ được dùng phổ biến trên bộ, nổ trong hố khoan ở tầng đất đá ổn định, độ sâu cỡ 1 – 15 m. Nguồn nổ cho ra xung lực gần với dạng hàm Dirac , hướng tỏa tròn nên gần như chỉ tạo ra sóng dọc. Nổ trong hố khoanthì cần lèn chặt bằng sét/bùn để không sinh ra sóng âm thanh làm giảm chất lượng tài liệu
– Nguồn đập búa: Nguồn đập búa được dùng trên bộ, thực hiện đập lên đe bằng gỗ/sắt đủ lớn truyền rung và để chống lún. Nguồn cho ra xung lực có hướng mạnh nhất ở hướng đập. Nếu đập đứng sẽ tạo ra cả sóng ngang SV (Shear vertical). Nếu đập ngang phần lớn năng lượng tạo ra sóng ngang SH (Shear Horizontal).
– Nguồn rung: Nguồn rung được dùng trên bộ. Có hai dạng: Rung kéo dài (Vibrator), như Sercel Nomad 65 Neo, thực hiện rung dạng sin với tần số biến đổi từ vài Hz đến vài trăm Hz. Khi làm việc thì chọn được các tham số như dải tần phát, phát kiểu tăng/giảm tần, thời gian phát,… Đập búa kiểu quét (Beat Sweep), như Geometrics PSR-3 Coded Seismic Source. Nguồn rung đáp ứng yêu cầu đo địa chấn trong khu dân cư, không gây phá hủy công trình. Tuy nhiên để hoàn nguyên được đường ghi kết quả tương đương với nguồn nổ, thì đường ghi thực địa dài hơn nó hàng chục lần, và phải ghi được tín hiệu mốc (Reference Signal) chất lượng cao để tính tương quan (Correlation) trong phép hoàn nguyên. Nếu “tín hiệu mốc” kém chất lượng thì băng ghi hỏng
– Nguồn súng hơi: Nguồn súng hơi (Air Gun) là loại súng chuyên dụng để bắn trong nước hoặc hố nước. Nguồn tích năng là máy nén khí công suất từ chục đến vài trăm mã lực. Các súng công suất lớn thường có nhiều nòng bắn. Nguồn này được dùng trên sông biển. Khi dùng trên bộ thì phải dùng súng nhỏ và phải tạo bồn hoặc hố chứa nước
– Nguồn phóng điện: Nguồn phóng điện (Sparker) dùng nguồn tích năng điện áp DC cao 3 – 4 KV công năng đến vài KJ, phóng xung vào các điện cực trong môi trường nước mặn ở biển hoặc nước pha muối. Nguồn cho ra xung có tần số chính cỡ 100 Hz. Nguồn được dùng trong khảo sát nông trên sông biển. Cùng làm việc với nguồn tích năng của sparker thường có “đầu phát sóng từ giảo” gọi là boomer, phát sóng ở nơi nước ngọt. Boomer có cấu tạo là một đĩa nhôm có quấn vài vòng dây đồng, khi phóng xung điện thì tạo ra xung từ trường mạnh gây biến dạng đĩa nhôm, tạo ra rung động theo hiệu ứng từ giảo.

* Các đầu thu sóng địa chấn:
– Đầu thu sóng địa chấn kiểu cơ điện: Đầu thu sóng địa chấn kiểu cơ điện (Geophone): Nó giống cái loa nghe nhạc, có thể tháo xem. Điểm khác là màng đỡ được thay bằng vành đàn hồi, phía đáy có chân cắm vào đất, gia cố cách nước, và giải pháp kỹ thuật để chế loạt lớn nhưng đồng nhất về các chỉ tiêu kỹ thuật: Tần số riêng, đặc tuyến tần số, hệ số cơ điện. Dùng cho thu sóng trên bộ. Trở kháng ra của máy nhỏ, cỡ 300Ω, có thể yên tâm ngâm điểm đấu dây và đầu thu trong nước suối khi đo đạc. Đầu thu là loại có hướng, thu thành phần dọc trục cuộn dây, và có hai phiên bản: thu thành phần dao động đứng Z, thu thành phần dao động ngang H. Ví dụ: GeoSpace GS-20DM. Thu phản xạ sóng dọc P dùng đầu thu thành phần dao động đứng Z. Thu phản xạ sóng ngang SH dùng đầu thu thành phần dao động ngang H, đặt trục đầu thu vuông góc với tuyến đo.
– Đầu thu sóng địa chấn kiểu điện áp: Đầu thu sóng địa chấn kiểu điện áp hay đầu thu gốm (Piezoelectric sensor), là mảnh cắt tinh thể gốm, thường là titanat bari, có gắn điện cực. Nó chuyển sóng áp suất (sóng dọc) sang điện áp, được dùng cho thu sóng trong môi trường nước nên gọi là hydrophone. Đầu thu này không có tính hướng. Chúng thường được ghép thành cáp đa kênh, đặt trong ống nhựa chứa dầu khoáng, thường gọi là con lươn/rắn (Eel Cable). Trở kháng ra của đầu gốm cao, nên phải có tiền khuếch đại tại đầu cáp. Geometrics còn đặt luôn khối số hóa tín hiệu trong cáp và truyền số liệu về máy tính trung tâm theo giao thức mạng, như Digital Marine Streamer System DMS-1

C. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP

Địa chấn phản xạ là công cụ hàng đầu trong tìm kiếm thăm dò dầu khí, được đầu tư nhiều tiền của và trí tuệ vào phát triển phương tiện và xử lý tài liệu, kết tinh trong các giáo trình ngàn trang. Nó cũng được ứng dụng vào tìm kiếm khoáng sản ở vùng trầm tích chưa biến chất, như mỏ muối Na-K, than nâu, than đá,… Đôi khi nó cũng được sử dụng vào khảo sát địa chất công trình, ví dụ trong dự án Nhà máy Điện hạt nhân 1 tại Phước Dinh, Ninh Thuận, Việt Nam, thực hiện năm 2012.

Địa chấn khúc xạ (Seismic Refraction) là một phương pháp của Địa vật lý Thăm dò, phát sóng địa chấn vào môi trường và bố trí thu trên mặt các sóng thứ cấp phát sinh do khúc xạ sóng ở các tầng đất đá dưới sâu, từ đó xác định được phân bố tốc độ truyền sóng và các ranh giới địa chấn, giải đoán ra cấu trúc địa chất và tính chất, trạng thái, thành phần của đất đá.

B. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP

Đất đá dưới sâu bị nén và rắn chắc hơn các lớp phủ, nên đa phần có tốc độ truyền sóng cao hơn. Tại những nơi đất đá chia lớp có thành phần hay trạng thái khác hẳn nhau, như bùn đất phủ lên đá núi, trầm tích trẻ phủ lên móng đá kết tinh,… thì tốc độ truyền sóng thay đổi nhảy bậc, từ V1 ở lớp phủ, lên V2 ở lớp dưới, với V2>>V1. Những ranh giới thường gọi là ranh giới rõ hay ranh giới tương phản cao.
Diễn giải địa chấn khúc xạ với môi trường 3 lớp
Khi phát sóng địa chấn tại điểm nguồn (Source Point, SP), sóng xâm nhập môi trường V2, nó sẽ lan truyền nhanh hơn môi trường V1. Theo Nguyên lý Huygens-Fresnel, các rung động ở môi trường V2 sẽ kích thích rung động ở môi trường V1, tạo ra sóng thứ cấp gọi là sóng đầu (Head Wave), lan truyền lên mặt đất và thu nhận được tại các điểm thu (Geophone Point, GP). Dùng biểu diễn kiểu Tia sóng, thì khi tia tới trong môi trường V1 đạt góc tới hạn i, với
sin i = V1/V2, thì tia khúc xạ trong môi trường V2 sẽ chạy dọc ranh giới, gọi là Tia sóng trượt, còn các tia của sóng đầu thì song song với nhau.
Sự song song này dẫn đến biểu đồ sóng (còn gọi là biểu đồ thời khoảng, Travel Time Diagram) có dạng đường thẳng. Ví dụ một mẫu môi trường 3 lớp sẽ cho ra:
– Sóng trực tiếp: t1 = x/V1
– Khúc xạ từ lớp thứ hai hay lớp trung gian: t2 = t02 + x/V2
– Khúc xạ từ lớp nền (Bed rock): tb = t0b + x/Vb.
Biểu đồ của sóng khúc xạ bắt đầu từ Điểm tới hạn (Critical Point) ở khoảng cách tới hạn (Critical Distance), và cắt trục thời gian tại t0, là thời gian tiếng vang tại điểm nguồn (Intercept Time).
Các biểu đồ giao nhau tại các điểm cắt (Crossover Point) ở khoảng cách lộ sóng (Crossover Distance) tương ứng.
Các biểu thức biều đồ nói trên là cơ sở để tính tốc độ và độ sâu ranh giới trong lớp phủ tại vùng gần SP trong các quan sát khúc xạ và thí nghiệm địa chấn/siêu âm đa kênh ở thành hố khoan/hầm lò.
Việc xác định biểu đồ sóng nói trên thuần túy theo hình học địa chấn, với giả định nguồn sóng có dạng xung Dirac δ tại t=0. Trong thực tế do các phone thu nhận tốc độ và gia tốc dịch chuyển của hạt đất đá, nên tín hiệu sóng bị mất phần tần số thấp, còn sự hấp thụ dao động làm nó mất phần tần số cao, tức là có băng tần hữu hạn. Tín hiệu sóng chứa vài kỳ dao động và được đặc trưng bởi xung sóng w(t) (Wavelet).
Phần lớn trường hợp quan sát thực hiện với sóng dọc P. Trong thí nghiệm địa chấn/siêu âm cần quan sát cả sóng dọc và sóng ngang.

C. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP

Phương pháp được sử dụng trong tìm kiếm dầu khí, khảo sát địa chất công trình, địa chất tổng quát, tìm nước ngầm, tìm kiếm khoáng sản,… trên đất liền và trên biển gần bờ. Tại nhiều nước nó là thành phần không thể thiếu để khảo sát công trình xây dựng thủy điện.
Địa chấn khúc xạ là phương pháp Địa chấn ra đời đầu tiên, vào năm 1914. Khi xem xét sự lan truyền sóng động đất, người ta thấy nó phản ánh độ sâu của nền móng kết tinh của bể trầm tích chứa dầu khí. Từ đó, việc chuyển sang dùng vụ nổ nhân tạo để kích thích sóng, và hệ lý thuyết phương pháp để phân tích giải đoán tài liệu ra đời.
Đến những năm 1950 thì Địa chấn khúc xạ được sử dụng vào khảo sát địa chất công trình, để xác định độ sâu và tốc độ truyền sóng các lớp đất đá, do tham số này có liên quan chặt chẽ với tham số cơ lý đá. Các tiến bộ kỹ thuật trong chế tạo thiết bị và phần mềm xử lý làm cho phương pháp ngày càng rẻ hơn, có mặt nhiều hơn trong khảo sát địa chất công trình và tìm kiếm khoáng sản. Tuy nhiên trong tìm kiếm dầu khí thì Địa chấn phản xạ đã thế chỗ của nó.