Nghiên cứu chế tạo thử nguồn phát sóng âm (Sparker và boomer) trong địa chấn phân giải cao

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM

LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ

NGUỒN PHÁT SÓNG ÂM (SPARKER VÀ BOOMER)

TRONG ĐỊA CHẤN PHÂN GIẢI CAO

5942

07/7/2006

Hà nội - 2005

CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM

LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT

Tác giả: Hoàng Hải Hà, Nguyễn Ngậu

Nguyễn Trường Lưu,Phạm Quốc Phôn

Nguyễn Trần Tân, Nguyễn Duy Tiêu

Lê Văn Xuyên.

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ

NGUỒN PHÁT SÓNG ÂM (SPARKER VÀ BOOMER)

TRONG ĐỊA CHẤN PHÂN GIẢI CAO

CHỦ NHIỆM LIÊN ĐOÀN TRƯỞNG

Nguyễn Trần Tân

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

3.2. Vùng ngoài khơi Tranh Đề 37

3.3. Vùng sông Đuống 38

3.4. Vùng cửa sông Trà Bồng 39

3.5. Vùng Thị xã Thái Bình 40

3.6. Hồ Yên Xá 41

Chương 4 : Tổ chức thi công và tính toán chi phí 43

4.1. Tổ chức thi công 43

4.2. Khối lượng thực hiện 44

4.3. Chi phí thực hiện đề tài 44

Kết luận 49

Tài liệu tham khảo 50

12

MỞ ĐẦU

Phương pháp địa chấn phân giải cao đã được áp dụng khá rộng rãi ở nhiều

nước trên thế giới như Anh, Pháp, Mỹ, Nga để nghiên cứu các tập trầm tích Đệ

tứ với mức độ chi tiết cao. Ở Việt Nam, vào năm 1991, công tác địa chấn phân

giải cao đầu tiên được tiến hành tại vùng ven biển Bình Thuận dưới sự giúp đỡ

của CCOP. Từ đó đến nay phương pháp này được tiến hành liên tục trên các

vùng biển nông ven bờ, từ Móng Cái cho đến Cà Mau ở tỷ lệ 1:500.000 và hiện

đang thi công ở một số vùng biển miền Trung ở tỷ lệ 1:100.000 và 1:50.000.

Từ năm 2002 đến 2003, Sở Địa chất Nhật Bản đã phối hợp với Liên đoàn

Vật lý Địa chất tiến hành khảo sát một số tuyến địa chấn phân giải cao ở vùng

đồng bằng Sông Cửu Long để nghiên cứu cấu trúc các tập 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 gồm 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 cứu 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 tạo thành

công nguồn phát sparker và nguồn phát boomer, đã áp dụng đo thử nghiệm ở các

vùng: Tây nam sông Hậu, ngoài khơi cửa Trần Đề, vùng sông Đuống, cửa sông

Trà Bồng (cảng Dung Quất), Thị xã Thái Bình, hồ Yên Xá (Thanh Trì), vùng

biển Đồ Sơn - Hải Phòng.

13

Nội dung của báo cáo, ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương :

Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phương pháp địa chấn phân giải cao.

Chương 2: Máy và thiết bị địa chấn phân giải cao

Chương 3: Kết quả áp dụng thử nghiệm ngoài trời

Chương 4: Tổ chức thi công và tính toán chi phí

Tham gia thực hiện đề tài gồm : Ks Phạm Quốc Phôn, Ks Hoàng Hải Hà,

Ks Lê văn Xuyên, Ks Nguyễn Ngậu, Ks Nguyễn Duy Tiêu, Ths Nguyễn Trường

Lưu và một số cán bộ kỹ thuật điện tử, địa vật lý khác của Liên đoàn Vật lý Địa

chất dưới sự chỉ đạo của Tiến sĩ Nguyễn Trần Tân, chủ nhiệm đề tài.

Trong quá trình thực hiện đề tài, tập thể tác giả đã nhận sự quan tâm giúp

đỡ của Lãnh đạo Liên đoàn Vật lý Địa chất, các phòng ban chức năng của Liên

đoàn, Cục Địa chất và Khoáng sản Việt nam, Vụ KHCN Bộ Tài nguyên và Môi

trường, GS TSKH Phạm Năng Vũ và các đồng nghiệp.

Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu đó.

.

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).

Như chúng ta đã biết, dưới tác dụng của nguồn phát sóng âm, các phần tử của

môi trường địa chất sẽ chuyển động xung quanh vị trí cân bằng của chúng. Sự

chuyển động này lan truyền ra môi trường xung quanh vị trí đặt nguồn theo quy

luật phụ thuộc vào thời gian và không gian. Biên độ dịch chuyển của các phần tử

của môi trường địa chất giảm dần theo thời gian và theo khoảng cách từ vị trí đặt

nguồn phát.

Biên độ dịch chuyển của các phần tử của môi trường được biểu diễn theo

công thức:

A = A0 . e-α.x.sin ωt (1.1)

Trong đó : A - Biên độ dịch chuyển tại vị trí quan sát

A0 - Biên độ dịch chuyển tại vị trí điểm gốc tọa độ.

α - Hệ số tắt dần tính bằng đơn vị 1/m.

x - Tọa độ điểm quan sát (tính bằng mét) và x = c.t ;

c - tốc độ truyền sóng

t - thời gian quan sát.

ω - Tần số của sóng.

Quá trình lan truyền sóng được biểu diễn dưới dạng đường cong hình sin

tắt dần (hình 1.1).

Hình số 1.1 : Dạng đường cong biểu diễn biên độ đàn hồi tần số cao

t (ms)

1 2 3

0

1

0.5

-0.5

A

A = A0e

-αx

A = A0e

-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

phân lớp thì chúng sẽ phản xạ trở lại một phần để quay về mặt đất. Một trong

những nhiệm vụ quan trọng nhất của phương pháp này là ghi tín hiệu của sóng

phản xạ. Nghiên cứu trường sóng phản xạ ghi được có thể luận giải cấu trúc địa

chất của các tập trầm tích mà sóng đã đi qua và phản xạ trở lại.

1.2- MỐI LIÊN HỆ GIỮA ĐỘ PHÂN GIẢI THẲNG ĐỨNG

VÀ CHIỀU SÂU NGHIÊN CỨU

Như chúng ta đã biết, vỉa mỏng thường có độ kháng âm khác so với đá

vây quanh. Hệ số phản xạ của chúng phụ thuộc vào tần số sóng âm. Mối liên hệ

này thường có dạng hình sóng có chu kỳ (xem hình 1.2).

Như vậy, trong môi trường khi có vỉa mỏng có chiều dày nhỏ hơn bước

sóng thì sóng phản xạ từ hai mặt của vỉa sẽ giao thoa với nhau và tạo thành như

một sóng phản xạ tổng cộng. Trong trường hợp này có thể phát hiện được sự tồn

tại của mặt phản xạ do vỉa mỏng gây nên, song không xác định được chiều dày

của nó.

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 tồn 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

0,5. =

4

1 λ (1.2)

Trong đó: d - độ phân giải thẳng đứng

v - tốc độ truyền sóng

f - tần số sóng âm

λ- bước sóng sóng âm

Ví dụ : Nếu tần số chủ đạo của nguồn sóng âm là 500 Hz và vận tốc truyền sóng

dọc trong các tập đá trầm tích Đệ tứ là 1.800 m/s thì độ phân giải đứng của

phương pháp khảo sát là :

d =

2 *500

0,5*1800

= 0,9 m (1.3)

Như vậy, để tăng độ phân giải thẳng đứng cần phải tăng tần số phát thu

sóng âm. Ngược lại trong khảo sát, cần thu thập thông tin ở dưới sâu. Năng

lượng của tín hiệu âm học bị giảm dần trong quá trình lan truyền và liên quan

đến các yếu tố: khuyếch tán mặt sóng, tán xạ, hấp thụ năng lượng khi truyền qua

các tập đất đá. Hiệu ứng chung là năng lượng của sóng âm giảm dần khi tần số

sóng được nâng cao. Sóng âm có tần số càng cao thì năng lượng bị mất đi càng

lớn. Do vậy để tăng chiều sâu nghiên cứu cần phải giảm tần số của nguồn phát

sóng âm. Như vậy có thể rút ra kết luận: Độ phân giải thẳng đứng và chiều sâu

nghiên cứu là hai vấn đề đối lập nhau trong việc thay đổi tần số.

Tùy thuộc vào mục đích của nhiệm vụ khảo sát chúng ta cần phải chọn

tần số phát sóng âm phù hợp. Ví dụ, khi cần nghiên cứu chi tiết chỉ các tập trầm

tích gần bề mặt nên chọn nguồn phát boomer, còn khi muốn nghiên cứu cả phần

sâu hơn cỡ 100m phải dùng nguồn phát sparker, còn muốn sâu hơn nữa (400 đến

600m) nên dùng nguồn súng hơi (air gun).

Đối với đồng bằng sông Cửu Long, các trầm tích Đệ tứ có tốc độ truyền

sóng cỡ 1500m/s đến 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 ".

Độ phân giải ngang trong thăm dò địa chấn phản xạ phân giải cao phụ thuộc

phần lớn vào kích thước của vùng fresnel đầu tiên. Bán kính của vùng fresnel

đầu tiên được tính theo công thức sau :

R =

2

h..λ

=

2

V

f

t (1.4)

Ở đây : R - Bán kính đới Fresnel

h - độ sâu đến mặt phản xạ

t - thời gian lan truyền của sóng

f - tần số sóng.

Như vậy, để tăng độ phân giải ngang, cần phải giảm diện tích vùng fresnel

đầu tiên, tức là tăng tần số phát sóng âm (giảm độ dài bước sóng). Để hiểu rõ

hơn vấn đề này chúng ta tính thử cho một số trường hợp (bảng 1.1).

Từ bảng 1.1 cho thấy khi tốc độ không thay đổi thì độ phân giải càng cao

(R giảm) chiều sâu mặt phản xạ càng bé và tần số phát sóng âm càng cao. Ở đây

chúng ta mới xem xét về mặt thuần túy lý thuyết, còn trong thực tế, sóng phản

xạ ngoài “vùng fresnel đầu tiên” hầu như không tham gia vào tín hiệu sóng phản

xạ từ các đối tượng nằm trong vùng fresnel đầu tiên mà chỉ tạo ra các chấm lốm

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 năng 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

B¶ng 1.1: KÕt qu¶ x¸c ®Þnh b¸n kÝnh “vùng Fresnel đầu tiên”

t−¬ng øng víi v=1700m/s

TT ChiÒu s©u TÇn sè (Hz)

( mÐt) 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

11 100.00 29.15 20.62 13.04 9.22 6.52 4.61 3.26

12 110.00 30.58 21.62 13.67 9.67 6.84 4.83 3.42

13 120.00 31.94 22.58 14.28 10.10 7.14 5.05 3.57

14 130.00 33.24 23.51 14.87 10.51 7.43 5.26 3.72

15 140.00 34.50 24.39 15.43 10.91 7.71 5.45 3.86

16 150.00 35.71 25.25 15.97 11.29 7.98 5.65 3.99

17 160.00 36.88 26.08 16.49 11.66 8.25 5.83 4.12

18 170.00 38.01 26.88 17.00 12.02 8.50 6.01 4.25

19 180.00 39.12 27.66 17.49 12.37 8.75 6.18 4.37

20 190.00 40.19 28.42 17.97 12.71 8.99 6.35 4.49

21 200.00 41.23 29.15 18.44 13.04 9.22 6.52 4.61

. 0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

-140

-160

-180

-200

Chiều sâu mặt phản xạ (m)

v = 1700 Hz 100Hz

8000 Hz

4000 Hz

2000Hz

1000 Hz

500 Hz

200Hz

Hình vẽ số 1.4: Mối liên hệ giữa độ phân giải ngang và chiều sâu

ứng với tần số khác 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

nghiên cứu cấu trúc địa chất phần trên mặt cắt địa chất (cỡ vài ba trăm mét). Ở

Việt Nam phương pháp này đã được áp dụng có hiệu quả trên đới ven biển gần

bờ có độ sâu từ 0 đến 30 mét nước [1] và trên một số kênh rạch đồng bằng Sông

Cửu Long [15]. Trong quá trình thực hiện đề tài này chúng tôi đã sử dụng

phương pháp phản xạ địa chấn phân giải cao để đo thử nghiệm đối với các máy

và thiết bị do chúng tôi tự chế tạo.

Về lý thuyết, phương pháp phản xạ trong địa chấn phân giải cao cũng tuân

theo nguyên lý địa chấn hình học.

Giả sử trong môi trường địa chất tồn tại ranh giới phẳng (R) phân môi

trường thành hai lớp ρ1 và ρ2. Hai lớp này được đặc trưng bởi tốc độ truyền sóng

V1, V2 và mật độ ρ1 và ρ2. Khi trở kháng Z1 = V1ρ1 và Z2 = V2ρ2 khác nhau và

giả sử trong lớp thứ nhất xuất hiện một sóng dọc P1 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 P11 và sóng ngang P1S1, trong lớp

thứ hai xuất hiện sóng khúc xạ. Trong địa chấn phân giải cao người ta chỉ quan

tâm đến sóng phản xạ P11, còn sóng ngang P1S1 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

vuông góc với mặt phản xạ và hệ số phản xạ R được tính theo công thức sau :

Ở đây, A11 - Biên độ sóng phản xạ; A1 - Biên độ sóng đến

Z1 - Độ kháng âm của lớp 1; Z2 - Độ kháng âm của lớp 2

Cần lưu ý là trong trầm tích Đệ tứ, các tập đất đá được hình thành trong

những điều kiện khác nhau (trầm tích biển, biển sông, sông, v.v…) có thành

phần thạch học khác nhau, dẫn đến có sự khác nhau về tốc độ truyền sóng và về

mật độ gắn kết để tạo nên các mặt phản xạ sóng địa chấn. Tuy nhiên, chiều dày

của các tập trầm tích này không lớn nên chỉ có sóng địa chấn phân giải cao mới

có thể phản xạ và mang thông tin về cấu trúc địa chất của các tập trầm tích tạo

nên mặt cắt địa chất.

K = = = (1.5)

A11

A1

Z2 - Z1

Z2 + Z1

V2 ρ2 - V1 ρ1

V2 ρ2 + V1 ρ1