Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về phương pháp địa chấn phản xạ; tìm hiểu về việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn; tìm hiểu một phương pháp cụ thể để áp dụng; xây dựng mô hình và thử nghiệm phương pháp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- TRẦN THỊ THU PHƢƠNG XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- TRẦN THỊ THU PHƢƠNG XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Vinh Hà Nội - 2015
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học khoa học tự nhiên em đã nhận được sự tận tình dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy cô trong khoa Vật Lý nói riêng và các thầy cô trong trường nói chung. Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo đã dạy em trong thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lý Địa Cầu đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản trong thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Đức Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và các bạn đã quan tâm động viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập và trong thời gian làm luận văn. Em mong nhận được sự quan tâm và góp ý của thầy cô và các bạn về luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2015. Học viên Trần Thị Thu Phƣơng
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ .....2 1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp. .........................................................................3 1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi ....................................................................3 1.1.2. Cơ sở địa chấn hình học .........................................................................5 1.1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi: ..................................7 1.2. Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn ...................................................................9 1.2.1. Kỹ thuật phát sóng địa chấn: ..................................................................9 1.2.2. Kỹ thuật thu sóng địa chấn:..................................................................11 1.2.3. Hệ thống quan sát sóng địa chấn: ........................................................15 1.3. Ứng dụng của phương pháp địa chấn phản xạ................................................16 1.3.1. Nghiên cứu địa chất khu vực. ..............................................................16 1.3.2. Tìm kiếm cấu tạo..................................................................................17 1.3.3. Công tác thăm dò chi tiết .....................................................................17 CHƢƠNG 2: XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ .................................................................................................................19 2.2. Phương pháp biểu đồ giao nhau. .............................................................21 2.3. Phương pháp biểu đồ hiệu.......................................................................23 2.4. Phương pháp tọa độ bình phương. ..........................................................24 2.5. Xây dựng phổ tốc độ. ..............................................................................24 2.6. Xác định tốc độ bằng phương pháp các điểm tương hỗ. .......................26 CHƢƠNG 3: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM TRÊN SỐ LIỆU MÔ HÌNH ..............29 3.1. Chương trình và số liệu. .................................................................................29 3.2. Mô hình 1 ........................................................................................................30 3.3. Mô hình 2 ........................................................................................................35
3.4. Mô hình 3 ........................................................................................................38 3.5. Mô hình 4 ........................................................................................................41 3.6. Mô hình 5 ........................................................................................................43 KẾT LUẬN ..............................................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................49
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.2. Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v* .....................................6 Hình 1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi ....................................8 Hình 2.1. Biểu đồ thời khoảng và đường u trung bình. .........................................20 Hình 2.2. a. BĐTK ; b. Dựng đường  (x) ..............................................................22 Hình 2.5.1. Băng địa chấn 3 trục đồng pha ............................................................26 Hình 2.5.2. Kết quả tinh phổ tốc độ .......................................................................26 Hình 3.1.1. Mô tả lựa chọn tốc độ ...........................................................................29 Hình 3.1.2. Mô tả phương pháp chia đôi ................................................................30 Bảng 3.1. Các thông số mô hình .............................................................................30 Bảng 3.2. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ...................................................31 Hình 3.2. Mô hình 1 và các BĐTK tính toán ..........................................................32 Bảng 3.3. Các thông số mô hình .............................................................................35 Bảng 3.4. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ...................................................35 Hình 3.3. Mô hình 3.2 và các BĐTK tính toán .......................................................37 Bảng 3.5. Các thông số mô hình .............................................................................38 Bảng 3.6. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ...................................................38 Hình 3.4. Mô hình 3 và các BĐTK tính toán ..........................................................40 Bảng 3.7. Các thông số mô hình .............................................................................41 Bảng 3.8. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ...................................................41 Hình 3.5. Mô hình 4 và các BĐTK tính toán ..........................................................42 Bảng 3.9. Các thông số mô hình .............................................................................43 Bảng 3.10. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ .................................................44 Hình 3.6. Mô hình 5 và các BĐTK tính toán ..........................................................45
MỞ ĐẦU Thăm dò địa chấn là một trong các phương pháp thông dụng của địa vật lý thăm dò. Nó gồm tập hợp nhiều phương pháp quan sát trường sóng đàn hồi phát triển trong môi trường đất đá để nghiên cứu cấu trúc trái đất và thăm dò tìm kiếm khoáng sản. Thăm dò địa chấn cho kết quả với độ chính xác cao. Chính vì ưu thế đó mà mặc dù đòi hỏi chi phí lớn nhưng thăm dò địa chấn vẫn được ưu tiên sử dụng, nhất là trong công tác thăm dò dầu khí. Nhiệm vụ của phương pháp thăm dò địa chấn là xác định độ sâu, hình dạng của ranh giới giữa các lớp đất đá và vận tốc truyền sóng đàn hồi trong các lớp đất đá đó. Gần đây, đã có nhiều nhà khoa học cố gắng dựa vào đặc điểm trường sóng thu được để nghiên cứu thành phần thạch học, độ rỗng … của đất đá. Trong vật lý chúng ta đã biết mối quan hệ mật thiết giữa Thời gian - Quãng đường - Vận tốc. Có nhiều cố gắng của các nhà nghiên cứu trong việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn trong các lớp đất đá. Có thể dựa vào các lỗ khoan sâu để xác định vận tốc truyền sóng. Địa chấn lỗ khoan chắc chắn sẽ cho những kết quả đáng tin cậy nhất. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có được điều kiện thuận lợi như vậy, chủ yếu công việc xác định vận tốc vẫn phải dựa trên các biểu đồ thời khoảng hay nói chung là các băng địa chấn. Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, học viên được giao đề tài theo hướng tìm hiểu bài toán xác định tốc độ truyền sóng trong phương pháp địa chấn phản xạ. Nội dung сủa luận văn : - Tổng quan về phương pháp địa chấn phản xạ. - Tìm hiểu về việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn. - Tìm hiểu một phương pháp cụ thể để áp dụng. - Xây dựng mô hình và thử nghiệm phương pháp. Cấu trúc luận văn Mở đầu. Chương 1 : Một số nét về phương pháp địa chấn phản xạ. Chương 2: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ. Chương 3: Một số thử nghiệm trên số liệu mô hình. Kết luận. 1
CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dò dầu khí và tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu nền móng công trình… Trong thăm dò địa chấn, người ta tiến hành nổ mìn, rung, đập hoặc ép hơi…để tạo ra các xung dao động, các xung dao động này truyền trong môi trường dưới dạng sóng đàn hồi. Nếu gặp các mặt ranh giới của các tầng đất đá có tính chất đàn hồi khác nhau thì chúng sẽ tạo nên các sóng thứ cấp như sóng phản xạ, khúc xạ, sóng tán xạ…Với các thiết bị máy móc thích hợp đặt ở trên mặt hoặc trong giếng khoan ta có thể thu nhận và ghi giữ các dao động sóng này trên các băng địa chấn. Sau quá trình xử lí và phân tích tài liệu sẽ cho phép hình thành các lát cắt địa chấn, các bản đồ và các thông tin khác phản ánh đặc điểm hình thái và bản chất môi trường vùng nghiên cứu. Có hai phương pháp địa chấn chính là phương pháp địa chấn phản xạ và địa chấn khúc xạ, chúng được áp dụng trên đất liền, trên biển, trong hầm lò hoặc trong các giếng khoan… Phương pháp địa chấn được hình thành từ những năm hai mươi của thế kỷ 20 và cho đến nay đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ kể cả trong lĩnh vực phương pháp, thiết bị và xử lý số liệu. Ngày nay người ta đã sử dụng các trạm địa chấn ghi số có hàng trăm mạch ghi, sử dụng hệ giao thoa “điểm sâu chung” với số bội rất cao, quan sát trong không gian 3 chiều, xử lý số liệu với chương trình xử lý khổng lồ và có thể minh giải tài liệu trên các trạm máy tính. Ở nước ta, phương pháp địa chấn phản xạ đã được áp dụng từ những năm 60 nhằm phục vụ cho tìm kiếm và thăm dò dầu khí. Hiện nay, việc khảo sát tỷ mỷ thềm lục địa đang được tiến hành với các thiết bị hiện đại và công nghệ xử lý đạt trình độ tiên tiến trên thế giới. Ngoài lĩnh vực dầu khí, phương pháp địa chấn còn được áp 2
dụng để khảo sát các vùng biển nông và tìm kiếm sa khoáng (từ năm 1991), khảo sát nền móng công trình (từ năm 1970) và nghiên cứu các mỏ hầm lò (từ năm 1991). 1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp. 1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi + Cơ sở lý thuyết đàn hồi: Người ta gọi những vật thể khi có lực tác dụng thì thay đổi về hình dạng và thể tích và khi ngừng tác dụng của lực thì lập tức trở lại trạng thái ban đầu là các vật thể đàn hồi. Sự thay đổi về hình dạng và thể tích như vậy gọi là biến dạng đàn hồi. Trong các phương pháp địa chấn, do lực tác dụng nhỏ và thời gian tác dụng lực rất ngắn nên có thể coi môi trường đất đá là môi trường đàn hồi. Có hai loại biến dạng đàn hồi là biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng. Nếu lực tác dụng chỉ làm thay đổi về thể tích mà hình dạng của vật vẫn giữ nguyên thì biến dạng đó gọi là biến dạng thể tích. Ngược lại nếu vật thể chỉ thay đổi hình dạng mà thể tích không đổi thì đó là biến dạng hình dạng. Các dạng biến dạng đàn hồi phức tạp đều được coi là tổng biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng. Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên sự biến dạng thì trong vật thể đồng thời xuất hiện nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo các phần tử vật chất về trạng thái ban đầu. Nội lực này gọi là ứng lực. Ứng lực tác dụng lên một đơn vị diện tích nhằm cân bằng với ngoại lực gọi là ứng suất. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được mô tả bới định luật Huk. Môi trường đàn hồi được đặc trưng bởi các tham số đàn hồi như mô đun giãn dọc E (mô đun Iung), mô đun nén ngang σ (hệ số poatson) hoặc hằng số Lame μ, λ và mật độ ρ. Giả sử có một hình trụ tròn chiều dài l và đường kính d. Dưới tác dụng của lực F vật bị biến dạng có độ giãn dọc là ∆l và độ nén ngang là ∆d. Gọi độ giãn dọc tương đối là ∂l = , ∂d = Ứng suất T có độ lớn là : T = = (1.1) 3
Vì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính nên ta có: ∆l = aT , ∂l = = Và ∆d = bT, ∂d = a và b là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi và kích thước của vật thể + Sự hình thành sóng đàn hồi: Trong thăm dò địa chấn, khi kích thích xung lực ở một điểm nào đó của môi trường thì sẽ gây nên sự biến dạng và suất hiện ứng suất. Do hiện tượng quán tính nên các phần tử vật chất của môi trường sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, trong môi trường đàn hồi các dao động này được lan truyền theo mọi hướng dưới dạng sóng đàn hồi. Sóng đàn hồi được truyền đi với vận tốc xác định, tấc độ truyền sóng phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trường. Trong môi trường đồng nhất, khi có kích thích dao động thì sẽ tạo ra hai loại sóng khác nhau là sóng dọc (P) và sóng ngang (S) . Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động của hạt cùng với phương truyền sóng. Khi sóng dọc truyền đi sẽ tạo ra các đới nén, dãn liên tiếp. Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của hạt vật chất thẳng góc với phương truyền sóng. Khi sóng ngang truyền đi sẽ tạo ra các đới trượt liên tiếp. Trong môi trường đồng nhất sóng dọc và sóng ngang truyền độc lập với nhau và có tốc độ khác nhau là vp và vs vp = vs = (1.2) Với ρ là mật độ đất đá, E là mô đun Iung và σ là hệ số Poatson So sánh vp và vs ta có: (1.3) 4
Trong không khí và nước không có biến dạng hình dạng nên chỉ có sóng dọc mà không có sóng ngang. Trong địa chấn, việc quan sát sóng được tiến hành bằng cách ghi các dao động tại những điểm nhất định theo thời gian. Đồ thị biểu diễn dao động tại một điểm quan sát theo thời gian gọi là hình dạng sóng. Độ lệch cực đại của đường ghi so với vị trí cân bằng gọi là biên độ (A), khoảng thời gian giữa hai cực trị cùng tên gọi là chu kì T, Đại lượng nghịch đảo với chu kỳ xác định số dao động trong một đơn vị thời gian gọi là tần số f = , Khoảng cách giữa các cực trị cùng tên là bước sóng λ, λ = vpT. 1.1.2. Cơ sở địa chấn hình học Trong quá trình nghiên cứu sự truyền sóng địa chấn có thể xét trường sóng theo các đặc điểm động lực học hoặc đặc điểm động hình học. Khi nghiên cứu các đặc điểm động lực của trường sóng, người ta xét trường véc tơ dịch chuyển theo không gian và thời gian. Các tham số được quan tâm là hình dạng sóng, biên độ, phổ tần số. Trong nhiều trường hợp, để đơn giản người ta không xét đầy đủ bản chất, hình dạng sóng mà chỉ xét đặc trưng thời gian của sóng như sự phân bố mặt sóng, thời gian, tốc độ…Các đặc trưng như vậy gọi là đặc điểm động hình học và việc nghiên cứu chúng dựa trên cơ sở địa chấn hình học. + Trường thời gian Khi gây dao động tại một điểm nào đó thì sẽ tạo ra sóng đàn hồi truyền trong môi trường. Khoảng không gian mà tại mỗi điểm của nó thời gian sóng đến hoàn toàn được xác định gọi là trường thời gian. Xét điểm quan sát bất kỳ M(x,y,z), thời gian sóng đến điểm M là t(x,y,z), trường thời gian được xác định bởi phương trình t = t(x,y,z). Cũng như các trường vật lý vô hướng khác, trường thời gian được đặc trưng bởi mặt mức, đó là các mặt đẳng thời. Mặt đẳng thời trùng với mặt phân chia vùng dao động và vùng chưa dao động gọi là mặt sóng. Mặt ranh giới vùng dao động và vùng dao động đã tắt gọi là lưng sóng. Ngoài mặt mức người ta còn sử 5
dụng khái niệm tia sóng. Tia sóng là những đường thẳng góc với mặt đẳng thời và trùng với phương truyền sóng. Trong môi trường đồng nhất tia sóng là đường thẳng. Khi tiến hành phương pháp địa chấn, người ta quan sát sóng tại nhiều điểm khác nhau trên tuyến. Tại các điểm quan sát, thời gian truyền sóng hoàn toàn được xác định. Người ta gọi đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian sóng đến và vị trí điểm quan sát là biểu đồ thời khoảng (BĐTK). Tốc độ truyền sóng quan sát được dọc theo tuyến quan sát gọi là tốc độ biểu kiến (v*) khác với tốc độ truyền sóng thực tính theo phương truyền sóng (Hình vẽ 1.2). Hình 1.2. Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v* Giả sử quan sát sóng theo tuyến x. Thời gian sóng đến tại 2 điểm A và B cách nhau ∆x là t1 và t2 . Ta có: v* = Nếu tia sóng đến hợp với mặt ranh giới góc α, tấc độ truyền sóng thực là: v= 6
∆s là quãng đường truyền sóng trong khoảng thời gian ∆t. Mối quan hệ giữa v* và v được xác định: v* = (1.4) Như vậy, khi sóng truyền theo bề mặt thì có v* = v, khi sóng đến thẳng góc với mặt ranh giới thì v* = + Các định luật cơ bản của địa chấn hình học: Để nghiên cứu các đặc điểm động hình học của trường sóng người ta cần áp dụng các định luật trong quang hình học như nguyên lý Huyghen – Fresnen, nguyên lý Fecma. Nguyên lý Huyghen- Fresnen: Theo nguyên lý này mỗi điểm của môi trường mà dao động sóng đạt tới có thể coi là nguồn phát sóng thứ cấp được xác định bởi biên độ và pha của nguồn thực. Nguyên lý Fecma : Theo nguyên lý này, thời gian sóng truyền theo tia sóng là ngắn nhất so với tia sóng truyền theo bất kỳ phương nào khác . Xét thời gian sóng truyền theo tia ds giữa 2 điểm A và B với tấc độ v(x,y,z), ta có: t= (1.6) 1.1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi: Xét môi trường có mặt ranh giới phẳng và nằm ngang R phân chia môi trường làm hai phần được đặc trưng bởi các tham số tốc độ truyền sóng dọc vp1, vp2, tốc độ truyền sóng ngang vs1,vs2 và mật độ ρ1, ρ2. + Sóng phản xạ: Giả sử có sóng tới là sóng dọc P1, khi tới mặt ranh giới R sẽ tạo ra các sóng thứ cấp. Một phần năng lượng của sóng tới tạo thành sóng phản xạ trở lại môi trường phía trên, sóng phản xạ gồm có sóng dọc P11(cùng loại sóng tới) và sóng ngang P1S1(gọi là sóng biến loại). Một phần năng lượng truyền qua mặt ranh giới tạo thành sóng qua, sóng qua cũng gồm sóng cùng loại P12 và sóng qua biến loại 7
P1S2. Góc hợp bởi tia sóng và pháp tuyến mặt ranh giới ở phía trên là α và phần môi trường dưới là Mối quan hệ giữa mặt sóng tới và các sóng thứ cấp được xác định bằng định luật Snelus: (1.7) Hình 1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi Trong đó góc phản xạ α = . Khả năng phản xạ trên mặt ranh giới R được đặc trưng bởi hệ số phản xạ K. Khi tia sóng đổ thẳng góc với mặt ranh giới, ta có: Kpp = , KPS = 0 (1.8) Ap1S1 và Ap11 là biên độ sóng phản xạ, Ap1 là biên độ sóng tới. Khi sóng đổ thẳng góc với mặt ranh giới sẽ không có sóng phản xạ biến loại. Khi sóng tới không đổ thẳng góc xuống mặt ranh giới, thì hệ số phản xạ phụ thuộc phức tạp vào góc đổ α (hoặc phụ thuộc vị trí điểm phát, điểm thu) và các tham số của môi trường. + Sóng khúc xạ: 8
Khi sóng tới đạt đến mặt ranh giới R, một phần năng lượng sẽ tạo nên sóng qua. Gọi hệ số sóng qua là Q, khi α = 0 ta có: Qpp = (1.9) Theo định luật Snelus ta có: (1.10) Khi v2 > v1 thì , khi góc α tăng dần đến góc tới hạn i thì góc β = 90o, sini = . Khi đó sóng trượt dọc theo mặt ranh giới R trong môi trường thứ 2. Đây là hiện tượng phản xạ toàn phần. Theo nguyên lý Huyghen sóng này sẽ tạo nên sóng thứ cấp quay trở về bề mặt ( sóng cầu). Sóng này chỉ tồn tại khi có mặt ranh giới khúc xạ với v2 > v1 và chỉ quan sát được xa nguồn một khoảng nhất định. + Sóng tán xạ: Khi sóng tới đập vào một bất đồng nhất của môi trường có kích thước nhỏ (so với bước sóng) thì theo nguyên lý Huyghen, bất đồng nhất đó trở thành nguồn phát sóng và sẽ tạo ra sóng tán xạ, trường sóng tán xạ gần như trường sóng của nguồn điểm phát ra từ tâm tán xạ. 1.2. Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn 1.2.1. Kỹ thuật phát sóng địa chấn: Trong thăm dò địa chấn, tùy thuộc vào điều kiện tiến hành quan sát sóng trên đất liền, trên biển, sông hồ, hầm lò… mà sử dụng các loại nguồn khác nhau. Phát sóng địa chấn trên đất liền. Khi tiến hành đo đạc địa chấn trên đất liền, loại nguồn phổ biến là nổ mìn trong giếng khoan. Người ta đặt quả mìn xuống đáy giếng khoan trong các lớp đất mềm, dẻo, ngậm nước…Chiều sâu các giếng khoan lớn hơn bề dày lớp đất đá bở rời có tốc độ nhỏ ở gần mặt đất, thường là 10-100 m. 9
Khi khối thuốc mìn nổ tạo ra một áp suất lớn đập vào môi trường đất đá làm hình thành lỗ hổng khí. Sóng đập có năng lượng giảm dần và tiếp tục tạo ra ở môi trường xung quanh các đới biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Các dao động đàn hồi do nguồn kích thích được xác định bởi điều kiện nguồn bao gồm thành phần và trọng lượng thuốc nổ, tính chất cơ lý của đất đá vùng nổ. Trong trường hợp quả mìn đẳng thước, môi trường vùng nổ đồng nhất thì đới biến dạng dẻo có dạng hình cầu, nguồn phát sóng dạng cầu này tạo ra sóng đàn hồi lan truyền theo mọi phía có mặt sóng hình cầu. Do áp suất của nguồn tác động thẳng góc vào mặt cầu nên các dao động đàn hồi được hình thành chủ yếu là sóng cầu dọc. Ngoài nguồn nổ, trong địa chấn còn sử dụng một số loại nguồn không nổ như đập, rung…Việc dùng các loại nguồn không nổ có hiệu suất kinh tế cao, ít nguy hiểm và có thể tiến hành ở những nơi có các công trình xây dựng. Nguồn không nổ được chia ra hai loại: - Nguồn đập: Dùng búa tạ hoặc búa máy tạo ra những xung tức thời (5- 10 ms), trọng lượng quả tạ có thể tới 2 – 3 tấn, độ cao nâng búa 3- 4 m. Loại nguồn này thường được dùng trong địa chấn công trình, tìm kiếm khoáng sản rắn. - Nguồn rung: Ngoài các nguồn phát xung, người ta còn sử dụng nguồn rung. Bằng các thiết bị đặc biệt, người ta kích thích môi trường đất đá bằng các dao động hình sin có tần số thay đổi và kéo dài trong khoảng thời gian khá lớn (6-8 s). Nguồn rung cho phép tích lũy năng lượng kích thích khi kéo dài xung phát vì vậy rất được quan tâm ở những vùng mà việc phát xung gặp khó khăn. Phát sóng địa chấn trong môi trường nước. Khi tiến hành địa chấn trong môi trường nước (biển, sông, hồ,…), người ta sử dụng nguồn không nổ như khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện- thủy lực,… Việc sử dụng các loại nguồn nổ này không chỉ đảm bảo việc phát sóng liên tục sau những khoảng thời gian nhất định trong khi tàu chạy mà còn bảo vệ môi trường sinh thái biển. Trong các loại nguồn nếu có cùng năng lượng phát như nhau 10
thì nguồn khí nén kích thích các dao động tần số thấp hơn nên được sử dụng để nghiên cứu phần sâu của lát cắt. Loại nguồn điện - thủy lực kích thích các dao động tần cao nên thường được sử dụng để nghiên cứu các lát cắt nông với độ chính xác cao. Khi sử dụng nguồn khí nén thường xuất hiện nhiều nổ lặp, điều này đòi hỏi sử dụng bộ lọc thích hợp để hạn chế chúng. Nguồn điện – thủy lực: Ngoài loại nguồn khí nén được sử dụng phổ biến trong địa chấn biển, khi khảo sát vùng biển nông với mục đích nghiên cứu địa chất công trình và tìm kiếm sa khoáng, người ta thường dùng loại nguồn có độ phân giải cao như nguồn điện – thủy lực. 1.2.2. Kỹ thuật thu sóng địa chấn: Trong thăm dò địa chấn, người ta thường tiến hành ghi dao động trên các tuyến hay trên diện tích quan sát. Trên đó, các dao động địa chấn được ghi nhận bằng các máy thu và sau quá trình khuếch đại, lọc tần số, điều chỉnh biên độ,…chúng được ghi trên băng địa chấn. Băng địa chấn là số liệu gốc chứa các thông tin về cấu trúc địa chất cho phép sử dụng trong quá trình xử lý và phân tích để tìm hiểu đặc điểm môi trường địa chất vùng nghiên cứu. Ngày nay, trong địa chấn người ta sử dụng các trạm địa chấn nhiều mạch. Các trạm này tiến hành ghi nhận đồng thời các dao động xuất hiện ở nhiều điểm khác nhau trên băng từ dưới dạng số, cho phép tiến hành xử lý trên máy tính một cách thuận lợi và nhanh chóng. Mạch địa chấn là một hệ thống các bộ phận các máy móc nối tiếp nhau cho phép ghi nhận các dao động sóng xuất hiện tại một điểm quan sát nhất định. Các trạm địa chấn gồm rất nhiều mạch. Số lượng các mạch trong các trạm địa chấn có thể thay đổi từ 1 đến hàng trăm (1, 6, 12, 24, 48, 96 mạch trong địa chấn hai chiều và hàng nghìn mạch trong địa chấn ba chiều). Để thu nhận các dao động xuất hiện ở điểm quan sát và ghi lên băng từ, mạch địa chấn gồm nhiều bộ phận như máy thu, máy khuếch đại, lọc tần số, điều 11
chỉnh biên độ, ghi từ,…Trong các bộ phận trên, các máy thu được đặt dọc tuyến đo còn các bộ phận còn lại được bố trí trong trạm địa chấn. Tùy vào phương pháp ghi, các mạch địa chấn được phân ra làm mạch ghi tương tự (liên tục) và mạch ghi số. Để nâng cao chất lượng ghi dao động địa chấn, các mạch địa chấn phải đạt các yêu cầu: - Có dải động học ghi lớn để ghi được toàn bộ các thông tin có ích xuất hiện ở điểm quan sát từ những độ sâu khác nhau với sự khác biệt về biên độ rất lớn giữa các sóng đi từ tầng nông và tầng sâu có thể đạt tới 100- 120 db (105 – 106 lần). - Có độ phân giải tốt về thời gian để ghi được riêng biệt các xung địa chấn trong môi trường phân lớp mỏng. - Có độ chọn lọc tốt để hạn chế phông nhiễu gây trở ngại cho việc ghi sóng có ích. Thường các mạch ghi địa chấn được trang bị các bộ lọc để hạn chế sóng mặt, vi địa chấn, nhiễu công nghiệp,… - Có độ đồng nhất về độ nhạy và về pha để có thể so sánh các dao động xuất hiện ở các điểm thu khác nhau. Máy thu địa chấn. Máy thu địa chấn là bộ phận đầu tiên của mạch địa chấn, được sử dụng để ghi các dao động cơ học của đất đá và biến đổi chúng thành tín hiệu điện. Khi tiến hành công tác địa chấn trên đất liền, người ta sử dụng loại máy thu cảm ứng và khi tiến hành địa chấn trên sông, biển, hồ…dùng máy thu biến áp. - Máy thu cảm ứng: Máy thu cảm ứng có cấu tạo gồm thanh nam châm gắn chặt với vỏ máy và cuộn dây cảm ứng, lò xo. Khi sóng địa chấn đập vào máy thu làm cho vỏ máy thu và nam châm cung dao động với đất đá. Cuộn dây cảm ứng gắn với vỏ máy qua lò xo có lực đàn hồi. Vì vậy, khi vỏ máy dao động, do hiện tượng quán tính nên giữa thanh nam châm và cuộn dây cảm ứng có sự dịch chuyển tương đối, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng cảm ứng có cường độ tỷ lệ với sự dao động của đất đá. 12
- Máy thu điện áp: Hoạt động của máy thu điện áp dựa trên hiệu ứng điện áp. Áp suất cơ học của môi trường được biến đổi trực tiếp thành dòng điện nhờ phân tử áp điện. Trong các máy thu địa chấn, phần tử áp điện thường là tinh thể gồm titanat bari hoặc muối xenhet tấm mỏng hoặc hình trụ. Trong các máy thu địa chấn biển, phần tử điện áp này là ống gốm titanat bari dày 1mm dài 40mm, đường kính 20mm, mặt trong và mặt ngoài phủ một lớp kim loại và gắn vào nó 2 dây dẫn. Áp suất của môi trường tác dụng lên mặt tinh thể làm xuất hiện điện áp tỷ lệ với áp suất tại đó. Loại máy thu này có ưu điểm là không đòi hỏi định hướng, kích thước nhỏ, ít nhạy với các tác động. Trạm địa chấn. Trạm địa chấn nhận tín hiệu từ các máy thu, thực hiện các quá trình biến đổi và ghi lên băng giấy hoặc băng ảnh (trạm ghi trực tiếp), ghi lên băng từ dưới dạng liên tục (trạm ghi từ tương tự ) hoặc ghi lên băng từ dưới dạng số ( trạm ghi số). Hiện nay trong phương pháp địa chấn phản xạ chủ yếu sử dụng trạm ghi số. Quá trình ghi ảnh hoặc ghi từ tương tự chỉ sử dụng cho các trạm khúc xạ ít mạch đơn giản. + Nguyên tắc trạm địa chấn ghi tương tự: Các trạm địa chấn ghi tương tự cho phép ghi các dao động địa chấn lên băng từ hoặc băng ảnh, chúng gồm các bộ phận sau: - Khuếch đại tín hiệu: Khi sóng địa chấn đến máy thu, biên độ dao động của đất đá rất nhỏ vào khoảng micron, do đó dòng điện xuất hiện ở máy thu chỉ có điện áp khoảng microvon đến vài chục hoặc vài trăm microvon. Tín hiệu này được đưa đến bộ khuếch đại để khuếch đại lên 104 – 106 lần. - Lọc tần số: Các bộ lọc tần số có nhiệm vụ lọc dải tần số nhằm tăng biên độ sóng có ích nằm trong những dải tần số nhất định và hạn chế nhiễu có tần số nằm ngoài dải đó. 13
- Bộ phận ghi: Bộ phận ghi dao động có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu cơ (nhằm ghi lên băng giấy hoặc băng ảnh) hoặc biến đổi trường từ (để ghi lên băng từ) + Nguyên tắc trạm địa chấn ghi số: Ngày nay, để sử dụng máy tính điện tử và tự động hóa quá trình xử lý số liệu, người ta sử dụng các trạm địa chấn ghi số. Các trạm ghi có dải động học ghi lớn, khả năng chống nhiễu cao và một loạt những ưu điểm khác. Đây là một bước phát triển quan trọng trong thăm dò địa chấn. Đối với các trạm ghi số, các dao động địa chấn được biến đổi thành các giá trị không liên tục và ghi lên băng từ dưới dạng số. Để ghi mỗi giá trị tức thời của tín hiệu dưới dạng số cần có khoảng thời gian nhất định để đo độ lớn và biểu diễn kết quả dưới dạng số. Vì vậy không thể ghi toàn bộ các giá trị tức thời của tín hiệu một cách liên tục mà phải rời rạc hóa chúng và tạo thành một tập hợp các xung. Các xung này có biên độ bằng biên độ tức thời của tín hiệu và bề rộng δ(t) nhỏ hơn nhiều so với khoảng các các xung ∆t. Nếu U(t) là điện áp của tín hiệu địa chấn liên tục thì sau khi rời rạc tín hiều sẽ có: Trong đó : U(k ) là biên độ tức thời δ(t) là hàm biểu diễn các xung ngắn (xung Dirac) Trong thăm dò địa chấn, để việc rời rạc hóa không bị méo tín hiệu, người ta chọn ∆t (fgh là tần số giới hạn trên của phổ tín hiệu). Vì thông thường dải tần số giới hạn trên của dao động địa chấn (dầu khí) bằng 125 Hz và ∆t = 2 ms. Để đo độ lớn của các xung, người ta biểu diễn chúng dưới dạng số với cơ số 2, nghĩa là tập hợp các số 0 và 1. U(k∆t) = am2m + am-12m-1 + …+ a121 + a020 Thực chất đây là quá trình chọn trong chuỗi số này ra các phần tử mà tổng của chúng xấp xỉ bằng U(k∆t). 14