Nghiên cứu ứng dụng phương pháp Georada trong điều tra tai biến địa chất, tìm kiếm nước dưới đất và khoáng sản kim loại

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GEORADA

TRONG ĐIỀU TRA TAI BIẾN ĐỊA CHẤT

TÌM KIẾM NƯỚC DƯỚI ĐẤT

VÀ KHOÁNG SẢN KIM LOẠI

7468 30/7/2009

Hà Nội, 2008

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

LIÊN ĐOÀN VẬT LÝ ĐỊA CHẤT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GEORADA TRONG ĐIỀU TRA TAI BIẾN ĐỊA CHẤT

TÌM KIẾM NƯỚC DƯỚI ĐẤT

VÀ KHOÁNG SẢN KIM LOẠI

Cơ quan chủ quản Đơn vị thực hiện

Bộ Tài nguyên và Môi trường Liên đoàn Vật lý Địa chất

Liên đoàn trưởng Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Trần Tân Nguyễn Duy Tiêu

Hà Nội, 2008

-3-

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu 4

Chương I: Tổng quan và tóm tắt cơ sở lý thuyết của phương pháp ra đa

xuyên đất

6

I. Tổng quan về phương pháp georada 6

II. Cơ sở lý thuyết phương pháp georada 8

Chương II: Máy và thiết bị georada 15

Chương III: Kết quả nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada 19

I. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada khi tìm kiếm khoáng sản kim loại 20

II. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada trong điều tra tai biến địa chất 23

III. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada khi tìm kiếm nước ngầm và địa

chất công trình 29

IV. Xây dựng các quy trình công nghệ georada 36

V. Viết hướng dẫn sử dụng máy ra đa xuyên đất RAMAC/GPR và sử dụng các

chương trình xử lý tài liệu georada 36

Chương IV: Đánh giá hiệu quả của phương pháp georada khi tìm kiếm

khoáng sản kim loại, điều tra tai biến địa chất, tìm kiếm nước ngầm và khảo

sát địa chất công trình

37

I. Đánh giá hiệu quả phương pháp georada 37

II. Những hạn chế của phương pháp georada 38

Chương V: Tổ chức thi công và kinh phí thực hiện 39

Kết luận và đề nghị 45

Danh sách các phụ lục kèm theo 47

-4-

MỞ ĐẦU

Phương pháp ra đa xuyên đất (georada-GPR) đang được triển khai ở nhiều nước

trên thế giới trong các lĩnh vực khác nhau: nghiên cứu nền móng công trình, nghiên

cứu xác định các vị trí công trình kiến trúc cổ bị chôn vùi, các đường ống, cáp ngầm,

tìm kiếm mộ cổ... Từ năm 1988 đến nay, các nhà khoa học trong ngành các khoa học

về trái đất trên thế giới đã chú trọng phát triển để dần hoàn thiện về cơ sở lý thuyết

cũng như phương pháp áp dụng thực tế.

Công nghệ georada đang từng bước được triển khai ở Việt Nam nhằm đáp ứng các

yêu cầu của thực tế phát triển kinh tế xã hội phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện

đại hoá đất nước... Từ năm 1998, phòng Địa vật lý thuộc Viện Vật lý địa cầu đã từng

bước triển khai nghiên cứu áp dụng công nghệ GPR trong tổ hợp các phương pháp địa

vật lý để giải quyết nhiệm vụ trong địa chất công trình và trong địa kỹ thuật-môi

trường, khảo sát dự báo hiện tượng trượt lở đất bờ sông Tiền trên địa bàn của các tỉnh

Đồng Tháp, An Giang, Vĩnh Long, thành phố Hồ Chí Minh...và bước đầu đã thu được

một số kết quả thiết thực góp phần giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ môi trường.

Trong những năm gần đây, nhiều cơ quan, đơn vị cũng đã trang bị các bộ máy ra

đa xuyên đất nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể của đơn vị. (Trung tâm nghiên cứu

phòng trừ mối - Viện Khoa học Thuỷ Lợi, Khoa trắc địa - Trường Đại học Mỏ-Địa

chất, Công ty Cổ phần Công nghệ ĐịaVật lý, Khoa Địa chất - Trường Đại học Khoa

học tự nhiên…).

Cuối năm 2005, Liên đoàn Vật lý Địa chất (Cục Địa chất và Khoáng sản Việt

Nam) đã được trang bị bộ máy ra đa xuyên đất RAMAC/GPRTM do hãng MALÂ

(Thuỵ Điển) sản xuất.

Báo cáo này trình bày các kết quả đã đạt được trong khuôn khổ thực hiện đề tài

nghiên cứu “Ứng dụng phương pháp georada trong điều tra tai biến địa chất, tìm kiếm

nước dưới đất và khoáng sản kim loại”.

1. Cơ sở pháp lý:

Đề tài thực hiện trên cơ sở các văn bản pháp lý sau đây:

- Hợp đồng nghiên cứu KH&CN số 03-ĐC-07/HĐKHCN ngày 16/4/2007 giữa

Bộ Tài nguyên Môi trường và Liên đoàn Vật lý Địa chất về việc thực hiện đề tài

KH&CN “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada trong điều tra tai biến địa chất,

tìm kiếm nước dưới đất và khoáng sản kim loại”.

- Quyết định số 406 QĐ/ĐCKS-KHTC ngày 30/8/2007 của Cục trưởng Cục Địa

chất và Khoáng sản Việt nam về việc giao kế hoạch và dự toán chi ngân sách Nhà

nước năm 2007 cho Liên đoàn Vật lý Địa chất.

- Quyết định số 597 QĐ/ĐCKS-KHTC ngày 14/10/2008 của Cục trưởng Cục

Địa chất và Khoáng sản Việt nam về việc giao kế hoạch và dự toán chi ngân sách Nhà

nước năm 2008 cho Liên đoàn Vật lý Địa chất.

2. Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada trong điều tra tai biến địa chất, tìm

kiếm nước dưới đất và khoáng sản kim loại.

3. Sản phẩm giao nộp của đề tài:

3.1. Báo cáo tổng kết kết qủa thực hiện đề tài.

3.2. Các Quy trình công nghệ:

- Quy trình công nghệ phương pháp georada trong điều tra tai biến địa chất

(cho đối tượng sụt và trượt lở đất)

-5-

- Quy trình công nghệ phương pháp georada khi tìm kiếm nước ngầm trong

các đới phá huỷ, dập vỡ và hang carst.

- Quy trình công nghệ phương pháp georada trong khảo sát địa chất công

trình nông.

Đề tài được thực hiện trong hai năm: 2007 và 2008. Tham gia thực hiện đề tài

gồm các kỹ sư Địa vật lý: Nguyễn Văn Bút, Trương Công Ánh, Nông Quốc Khánh,

Trần Nhật Ký, Kiều Huỳnh Phương, Nguyễn Văn Hùng với sự cộng tác của các đồng

nghiệp khác ở Liên đoàn Vật lý Địa chất, Viện Vật lý Địa cầu, phân viện Địa vật lý

TP. Hồ Chí Minh…do kỹ sư địa vật lý Nguyễn Duy Tiêu làm chủ nhiệm.

Qua 2 năm thực hiện, tập thể tác giả đã tiến hành thử nghiệm phương pháp

georada tại 11 tỉnh, thành (từ Hà Giang, Cao Bằng, Yên Bái, Lạng Sơn, Hà Nội, Hoà

Bình, Thanh Hoá, Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị, đến TP. Hồ CHí Minh) với rất

nhiều địa điểm trên các đối tượng khác nhau. Với một khối lượng tài liệu phong phú,

đủ điều kiện để tổng hợp, đánh giá hiệu quả của phương pháp georada trong các lĩnh

vực nghiên cứu của đề tài.

Sản phẩm chính của đề tài là báo cáo tổng kết và các phụ lục kèm theo (Hướng

dẫn sử dụng máy rada RAMAC/GPR; Hướng dẫn sử dụng chương trình RAMAC

GROUNDVISION, Hướng dẫn sử dụng chương trình REFLEX khi xử lý tài liệu

georada và các quy trình công nghệ đo georada).

Nội dung chính của báo cáo tổng kết thực hiện đề tài gồm các mục chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Tóm tắt cơ sở lý thuyết của phương pháp georada

Chương II: Máy và thiết bị

Chương III: Kết quả nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada

Chương IV: Đánh giá hiệu quả của phương pháp georada

Chương V: Tổ chức thực hiện và kinh phí thực hiện

Kết luận và đề nghị.

Trong quá trình thực hiện đề tài, các tác giả đã được sự giúp đỡ tận tình của các

chuyên gia địa vật lý, địa chất, các bạn đồng nghiệp công tác tại Bộ Tài nguyên và Môi

trường, Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Vật lý Địa chất, và được

các cấp lãnh đạo Liên đoàn Vật lý Địa chất, các đơn vị sản xuất, phòng ban trong Liên

đoàn, Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Tài

nguyên và Môi trường và một số đơn vị khác ngoài ngành đã quan tâm, tạo điều kiện

thuận lợi cho chúng tôi hoàn thành nhiệm vụ được giao.

Tập thể tác giả chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và quan tâm đó.

-

-6-

Chương I

TỔNG QUAN VÀ TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

PHƯƠNG PHÁP GEORADA

I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GEORADA

1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:

Phương pháp ra đa xuyên đất (georada-GPR) đang được triển khai ở nhiều nước

trên thế giới trong các lĩnh vực khác nhau: nghiên cứu nền móng công trình, tìm kiếm

nước dưới đất, tìm kiếm khoáng sản, nghiên cứu xác định các vị trí công trình kiến

trúc cổ bị chôn vùi, các đường ống, cáp ngầm, tìm kiếm mộ cổ... Công nghệ georada

được coi là một phương pháp địa vật lý rất có hiệu quả trong các lĩnh vực trên. Từ năm

1988 đến nay, các nhà khoa học trong ngành các khoa học về trái đất trên thế giới đã

chú trọng phát triển để dần hoàn thiện về cơ sở lý thuyết cũng như phương pháp áp

dụng thực tế.

Tại Pháp, GS. Maksim Bano (Viện VLĐC Strasbourg) và GS. Roger Guerin (ĐH

Tổng hợp Paris 6) đã sử dụng công nghệ georada với thiết bị Pulse EKKO và RAMAC

để phát hiện và khoanh vùng nhiều hang karst trên cả một dải núi dài và đã đánh giá

được mức độ chứa nước trong các hang hốc làm cơ sở cho việc khai thác nguồn nước

ngầm tại đây kết hợp với bảo vệ môi trường và cảnh quan thiên nhiên.

Tại Trung Quốc, công nghệ georada đã được sử dụng có hiệu quả trong việc khảo

sát nền móng đập Tam Hiệp và đã tìm ra nhiều vị trí hang hốc trong đá, đánh giá được

độ nứt nẻ và mức độ chứa nước trong các khối đá gốc. Đồng thời các nhà khoa học

còn thu được những kết quả chính xác trong xác định các đới thấm thoát nước ở nhiều

hồ chứa nước lớn đề ra giải pháp sửa chữa kịp thời; tìm kiếm các dị vật trong thân đê

đập, nhất là khe nứt và tổ mối. Xác định những đới cấu trúc có chứa nước tại một số

mỏ than đang khai thác ở phía bắc để dự báo hiểm hoạ bục nước cũng là thành công

của các nhà khoa học Trung Quốc trong việc ứng dụng georada.

Ở Hoa Kỳ đã sử dụng phương pháp georada để xác định các ranh giới nước mặn,

nước nhạt cũng như ranh giới nước sạch và nước bị ô nhiễm đối với các tầng chứa

nước gần mặt đất, ngoài ra còn phát hiện ra nhiều thấu kính chứa nước ngay trên đỉnh

các mỏ đang khai thác hầm lò hoặc đã tìm ra vị trí các đường hầm lò cổ, các giếng lò

cổ đã bị lấp đầy bằng các vật liệu trầm tích Đệ tứ. Sử dụng công nghệ georada để tìm

kiếm hang hốc, đường hầm tynnel, công trình ngầm trong các thành phố, xác định vị trí

khảo cổ học cũng là những hướng nghiên cứu rất thành công của các nhà khoa học Mỹ.

Ở Hà Lan các nhà khoa học đã áp dụng rộng rãi công nghệ georada trong khảo sát

cấu trúc của đất ngay cả trên các vùng ngập nước hoặc khoanh định các tầng chứa

nước ngầm và các thấu kính chứa nước với độ chính xác rất cao. Tại đây đã đưa công

nghệ georada như là công cụ chính trong công tác đo vẽ bản đồ địa chất.

Tại Italy các nhà khoa học đã ứng dụng thành công công nghệ georada trong tìm

kiếm hang hốc ở núi đá vôi, xác định các đường khe nứt trong đá và đánh giá mức độ

nứt nẻ, dập vỡ của khối đá. Việc ứng dụng công nghệ georada trong nghiên cứu, khảo

sát khảo cổ học cũng được các nhà khoa học Italy triển khai liên tục hàng chục năm

nay với những kết quả rất khả quan và hiện nay người ta đang dự định tiến hành khảo

-

-7-

sát bằng georada kết hợp với một số công cụ địa vật lý khác tại Mỹ Sơn (Quảng Nam)-

di sản văn hoá thế giới..

Ở Czech và Slovakia người ta đã sử dụng công nghệ georada để dự báo trượt lở

đất tại các sườn núi có hiệu quả rất cao, tránh được thiệt hại về vật chất cho cư dân

sinh sống gần các địa điểm này.

Tại Vương quốc Anh, công nghệ georada đã được sử dụng có kết quả trong việc

khoanh vùng vị trí các đụn cát có chứa nước, khoanh vùng ranh giới nước mặn, nước

nhạt tại dải ven biến và đánh giá được chất lượng của nước biến động theo thời gian.

Tại Ba Lan, công nghệ georada cùng với nhiều loại thiết bị của các hãng sản

xuất khác nhau như OYO (Nhật Bản), Ramac/GPR (Thuỵ Điển) đang được dùng khá

phổ biến trong nghiên cứu địa chất cấu trúc của các mỏ than, vị trí của hang động

trong lòng đất, đánh giá hiện trạng các đường băng sân bay và khảo sát tìm dị vật trong

thân đê đập, khoanh vùng dự báo các đoạn đê xung yếu có khả năng bị vỡ trong mùa

nước lũ.

Ở Đức, các nhà khoa học đã thu được nhiều kết quả với độ chính xác cao trong

việc sử dụng công nghệ georada để xác định độ ẩm của đất trồng góp phần tăng năng

suất cây trồng, trong tìm kiếm các túi nước ngầm nằm trong núi hoặc đánh giá mức độ

ô nhiễm của tầng chứa nước do bãi chôn rác thải hoặc các hoạt động của con người

gây ra.

Tại Izrael các nhà khoa học cũng rất thành công trong việc ứng dụng georada để

xác định vị trí các hang động và các hệ thống đường hầm dưới lòng đất, đồng thời

cũng đánh giá được hiện trạng chứa nước ở đường hầm.

Ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, công nghệ georada được sử dụng trong việc

giám định các công trình xây dựng, tìm kiếm khảo cổ học, khảo sát nền móng công

trình. nghiên cứu cấu trúc địa chất thuỷ văn.

Tại Brazil, Mexico, Thuỵ Sỹ và Tây Ban Nha, georada được dùng như là công

nghệ chủ đạo trong nghiên cứu xác định vị trí khảo cổ học và đánh giá tác động của ô

nhiễm môi trường nước, môi trường đất phục vụ cho nghiên cứu địa kỹ thuật và môi

trường.

Tại Australia và Nam Phi đã sử dụng có hiệu quả công nghệ georada trong nghiên

cứu cấu tạo của các mỏ kim loại quý hiếm và các mỏ khoáng sản thông dụng khác, xác

định chính xác bề dày của tầng đất đá phủ bên trên thân quặng và trong khảo sát địa

chất thuỷ văn để tìm kiếm những lăng kính hoặc các bồn có chứa nước nhạt trong cấu

tạo của mỏ than.

2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Công nghệ georada đang từng bước được triển khai ở Việt Nam nhằm đáp ứng các

yêu cầu của thực tế phát triển kinh tế xã hội phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện

đại hoá đất nước... Từ năm 1998 đến nay, phòng Địa vật lý thuộc Viện Vật lý địa cầu

đã từng bước triển khai nghiên cứu áp dụng công nghệ GPR trong tổ hợp các phương

pháp địa vật lý để giải quyết nhiệm vụ trong địa chất công trình và trong địa kỹ thuật￾môi trường (cấu trúc của đê Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Bắc Ninh, Hưng Yên; cấu trúc

của một số đập đất lớn ở miền Trung như đập Yên Mỹ, Vực Mẫu, Kẻ Gỗ, Tiên Lang,

La Ngà); khảo sát dự báo hiện tượng trượt lở đất bờ sông Tiền trên địa bàn của các

tỉnh Đồng Tháp, An Giang, Vĩnh Long, thành phố Hồ Chí Minh...và bước đầu đã thu

được một số kết quả thiết thực góp phần giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ môi trường.

Những công trình ứng dụng phương pháp georada ở Việt nam đáng chú ý nhất gồm:

- Phát hiện tổ mối trong thân đê của Trung tâm nghiên cứu phòng trừ mối (Viện

Khoa học thuỷ lợi) và Viện Vật lý Địa cầu.

-

-8-

- Nghiên cứu thành lập bản đồ công trình ngầm ờ Hà Nội của Khoa trắc địa, trường

Đại học Mỏ-Địa chất.

- Nghiên cứu hiện trạng và dự báo sụt lở đất ở Cam Lộ (Quảng Trị) của Liên đoàn

Vật lý Địa chất.

- Các công trình nghiên cứu liên quan đến địa chất công trình, trượt lở đất của Viện

Vật lý Địa cầu.

Do sự tiến bộ không ngừng của công nghệ nên hàng năm thiết bị georada được cải

tiến, nâng cấp cả về phần cứng cũng như phần mềm, đồng thời về phương pháp cũng

được nghiên cứu phát triển cho thích ứng với từng môi trường địa chất riêng biệt. Đối

với các quốc gia đang phát triển như Việt Nam thì việc nghiên cứu áp dụng công nghệ

tiên tiến là một đòi hỏi tất yếu của thực tiễn. Chúng ta cần công nghệ georada để giải

quyết những vấn đề về địa chất công trình, địa chất thuỷ văn (nước ngầm tồn tại trong

các hang hốc hoặc những đới nứt nẻ của vùng núi đá, nhất là đá vôi…), tìm kiếm

khoáng sản kim loại, điều tra tai biến địa chất…

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GEORADA

II.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Nền tảng của GPR nằm trong lý thuyết trường điện từ. Lý thuyết của trường

điện từ đã được mở rộng hơn hai thể kỷ qua và là chủ đề của nhiều công trình nghiên

cứu. GPR là một phần trong trường điện từ. Các tín hiệu GPR là sóng điện từ. Phương

trình Maxwell với việc mô tả toán học tính chất vật lý của điện từ cộng với mối quan

hệ về tính chất vật liệu là cơ sở để mô tả định lượng tín hiệu GPR.

II.1. 1. Phương trình Maxwell.

Về mặt toán học, trường điện từ với các đặc tính liên quan được biểu diễn như sau:

Trong đó:

E : Vector độ dài trường điện

B: Vector mật độ dòng từ

D: Vector dịch chuyển điện

H: Cường độ trường từ

J: Vector mật độ dòng điện

q: Mật độ điện tích

II.1.2. Tính chất vật lý cơ bản trong nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada.

GPR nghiên cứu cấu trúc sâu bằng việc truyền trường điện từ xuống lòng đất.

Trường điện từ (EM) biến đổi theo thời gian gồm hai thành phần: Điện trường (E) và

từ trường (H), trường điện từ này gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Cách

thức mà trường điện từ tác động đến các chất liệu tự nhiên quyết định cách thức lan

truyền và suy giảm của sóng điện từ trong môi trường.

t

B

E

∂

∂

∇ × = − t

D

H J

∂

∂

∇ × = +

∇× D = q ∇× B = 0

-

-9-

Trong hầu hết các ứng dụng địa chất, các thuộc tính về điện giữ vai trò quan

trọng. Sự biến đổi của từ trường thường là rất yếu. Tuy nhiên đôi khi các thuộc tính về

từ cũng có ảnh hưởng đến hiệu ứng rada xuyên đất, người sử dụng cần phải nhận biết

được sự ảnh hưởng này.

Các thuộc tính về từ trường được quyết định bởi đặc trưng lưu thông của các

hạt tích điện trong các nguyên tử và phân tử cân bằng.

Một điện trường trong vật chất sẽ tăng lên theo sự chuyển động của các hạt tích

điện (tức là dòng điện ). Dòng điện phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của vật chất. Có

hai kiểu điện tích của vật chất là giới hạn và tự do, tạo nên hai kiểu dòng điện là điện

dẫn hoặc phân cực. Ở đây chúng tôi sẽ nêu qua hai kiểu khái niệm trên.

1. Dòng điện dẫn

Dòng dẫn được sinh ra khi các điện tích tự do chuyển động trong vật chất. Sự

chuyển động của các electron trong dây dẫn kim loại là một ví dụ về dòng dẫn. Trong

kim loại, các electron chuyển động xuyên qua matrận kim loại để vận chuyển điện tích

từ một điểm đến điểm khác. Một cơ chế đẫn điện chung khác là sự chuyển động của

các ion trong môi trường nước. Cơ chế này giữ vai trò quan trọng trong hầu hết các

ứng dụng của rada xuyên đất.

Dòng dẫn tăng lên khi điện tích tự do tăng đến tốc độ tối đa (gần như ngay tức

thời) khi có điện trường E. Các điện tích tự do chuyển động trong suốt quá trình tồn tại

của điện trường; Khi điện trường E bị ngắt, các điện tích giảm tốc độ di chuyển và

dừng hẳn.

2. Dòng phân cực

Dòng phân cực là sự kết hợp giữa các điện tích bị dịch chyển cưỡng bức trong

một khoảng cách giới hạn.

Khi có điện trường các điện tích bền dịch chuyển theo hướng khác nhau. Sự

chuyển dịch này xảy ra gần như ngay lập tức và sau đó là dừng lại. Trong quá trình

dịch chuyển một phần năng lượng của điện trường được tryền sang và lưu giữ trong

vật chất. Khi ngắt điện trường, các điện tích dịch chuyển theo hướng ngược lại trở về

vị trí phân bố cân bằng ban đầu và năng lượng được giải phóng. Năng lượng được nạp

như một tụ điện và giải phóng trong quá trình đóng và ngắt điện trường.

Khi có tác động của điện trường dòng phân cực tăng lên tạo ra sự sắp xếp các

mô men lưỡng cực trong vật chất. Sự sắp xếp các điện tích được mô tả dưới dạng mật

độ momen lưỡng cực. Việc tạo ra các momen lưỡng cực phân bố trong vật chất liên

quan đến quá trình nạp điện. Dòng điện tích liên quan đến quá trình nạp điện này gọi

là dòng phân cực. Dòng phân cực được xác định theo công thức toán học tỷ lệ với thời

gian thay đổi mật độ momen lưỡng cực.

Việc tạo ra các momen lưỡng cực phân bố trong vật chất liên quan đến quá

trình nạp điện. Dòng điện tích liên quan đến quá trình nạp điện này gọi là dòng phân

cực. Dòng phân cực được xác định theo công thức toán học tỷ lệ với thời gian thay

đổi mật độ momen lưỡng cực.

3. Hằng số điện môi.

Hằng số điện môi không bao giờ bằng không. Ngay cả trong chân không hằng

số điện môi ε0 cũng trong khoảng 8.85*10-12. Giải thích cho hiện tượng này liên quan

đến điện động lực học lượng tử và chúng ta không bàn sâu thêm. Để thuận tiện, người

ta thường dùng khái niệm hằng số điện môi tương đối hay hằng số điện môi K. Như đã

-

-10-

mô tả, hằng số điện môi tương đối là tỷ số giữa hằng số điện môi của chất liệu và hằng

số điện môi của chân không.

4 . Dòng điện tổng

Trong vật chất tự nhiên bất kỳ, dòng xuất hiện khi có điện trường là sự pha trộn

giữa dòng dẫn và dòng phân cực. Phụ thuộc vào tỷ lệ của sự thay đổi của điện trường

mà dạng dòng này hoặc dòng kia sẽ trội hơn. Về toán học, dòng điện tổng bao gồm hai

thành phần; Một phụ thuộc vào bản thân điện trường và một phụ thuộc vào tỷ lệ thay

đổi của điện trường.

Dòng phân cực lệch pha với dòng dẫn một góc 900 . Như vậy luôn có sự lệch

pha giữa dòng dẫn và dòng phân cực, điều này được biểu thị bằng việc một thành phần

phá vỡ cơ cấu còn một thành phần sắp xếp lại cơ cấu.

Thường thường có một số tần số mà trên nó, dòng phân cực vượt trội hơn hẳn

so với dòng dẫn. Với các chất liệu bình thường có độ dẫn và hệ số điện môi là hằng

số, thì tồn tại một tần số chuyển tiếp ft mà ở đó dòng dịch chuyển và dòng dẫn bằng

nhau. Trên tần số này, dòng phân cực trội hơn; dưới tần số này dòng dẫn sẽ trội hơn.

Thực tế này rất quan trọng khi chúng ta bàn về vấn đề truyền sóng điện từ. Tần số này

xác định cơ chế suy tổn hao rất quan trọng cho GPR.

Thuật ngữ suy giảm được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện.

Độ dẫn và hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số kích thích và luôn luôn có sự

biến đổi nhất định.

5. Độ từ thẩm

Độ từ thẩm liên quan đến đặc trưng điện tích bên trong cấu trúc cơ bản của vật

chất. Trong các điều kiện bình thường, các hạt tích điện, dạng các nguyên tử, hoặc tập

hợp thành các phân tử, có thuộc tính cơ học lượng tử gọi là Spin. Khi liên kết với sự

tích điện trên các hạt, Spin đưa đến việc trên hạt có một momen lưỡng cực từ. Khi một

electron chuyển động xung quanh một hạt nhân nguyên tử, sự chuyển động của một

điện tích, cũng có thể tạo ra một momen từ.

Hiểu tương tự một cách đơn giản là có các điện tích giống nhau được phân bố

trên một quả cầu và quả cầu này đang quay. Kết quả của việc các điện tích quay tròn

tạo ra một dòng vòng tròn và chính nó là nguồn gốc sinh ra lưỡng cực từ. Các thuộc

tính về từ là thuộc tính cơ bản của của việc chuyển động trong vòng tròn khép kín của

điện tích.

Độ từ thẩm đo mức độ mà các momen lưỡng cực của các thành phần có thể sắp

xếp hoặc dịch chuyển hướng của chúng từ trạng thái bình thường khi có tác động của

trường từ bên ngoài. Càng nhiều các momen riêng rẽ được sắp xếp thì độ phân cực từ

của vật chất càng lớn. Thuộc tính về từ của các chất được xác định bởi mật độ mô men

lưỡng cực từ.

6. C¸c c«ng thøc c¬ b¶n:

VËn tèc truyÒn sãng:

(m/ns)

ε

0.3

ε

c

v = =

B−íc sãng:

(m) f 10

v λ 6

MHz × =

§é suy gi¶m:

-

-11-

(dB/m)

ε

σ

α = 1.69 ×

Cöa sè thêi gian:

(ns)

v

2 h TimeWindow 1.3

m/ns

× m = ×

TÇn sè lÊy mÉu:

MHz MHz SamplingFrequency = 6× f ÷15 × f

II.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA PHƯƠNG PHÁP GEORADA

II.2.1. Nguyên lý cơ bản của lý thuyết phương pháp georada.

Phương pháp ra đa xuyên đất (gọi tắt là georada) được áp dụng dựa trên kỹ

thuật lan truyền của sóng radio có tần số từ 1 đến 1600 MHz được dùng đề lập bản đồ

cấu trúc địa chất, tìm kiếm các vật thể bị chôn vùi trong đất….

Sóng điện từ được phát vào trong lòng đất dưới dạng xung. Khi gặp các mặt

ranh giới hay các bất đồng nhất trong môi trường, chúng phản xạ trở lại mặt đất.

Annten thu của hệ thống sẽ ghi lại xung phản xạ. Thông qua các phép xử lý, phân tích,

minh giải, ta có thể giải đoán được nguồn gây ra dị thường.

Về mặt lịch sử, GPR lần đầu tiên được sử dụng để lập bản đồ cấu trúc trong đất

và chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết và dụng cụ đo đạc phù hợp.

Công tác GPR bắt đầu vào những năm 1970. Đầu tiên, Annan và Davis đã áp

dụng để nghiên cứu lớp đất trồng bị đóng băng. Những mặt mạnh và yếu của phương

pháp bắt đầu được thể hiện rõ ràng.

Hệ thống rada có thể phát triển dựa vào 3 cơ sở được quy vào là phản xạ, điểm

sâu chung và chiếu qua (lỗ khoan…). Kiểu phổ biến nhất là đo phản xạ như minh hoạ

trên hình I.1.

Hình vẽ số I.1: Sơ đồ nguyên lý đo georada bằng phương pháp phản xạ

Sự lan truyền của sóng điện từ phụ thuộc chính vào độ thẩm điện, độ dẫn điện và

độ từ thẩm của môi trường.

II.2.2. Các tính chất điện của môi trường

-

-12-

Tính chất điện (độ dẫn và hằng số điện môi) của môi trường khảo sát quyết định

sự thành công của phương pháp georada. Môi trường có độ dẫn càng cao thì độ xuyên

sâu của tín hiệu càng giảm. Trong các vật chất của môi trường khảo sát thì nước là

thành phần quan trọng quyết định tính chất điện của môi trường.

Hình vẽ số I.2: Sự phụ thuộc độ thấm sâu sóng rada vào độ dẫn điện của môi trường

Hình vẽ số I.3: Quan hệ giữa hàm lượng nước và độ dẫn điện của môi trường

Hình vẽ số I.4: Quan hệ giữa hàm lượng nước và hằng số điện môi của môi trường

Hằng số điện môi của môi trường quy định vận tốc truyền sóng và sự lan truyền

của sóng rada như trong hình vẽ số I.5.

Đ

ộ sâu (m)

Đ

ộ sâu (feet)

Độ dẫn (mS/m)

Đ

ộ d

ẫn (mS/m)*10-a

Hàm lượng nước (%)

Hàm l

ư

ợ

n

g n

ư

ớc (%)

Hằng số điện môi

-

-13-

Hình vẽ số I.5: Quan hệ giữa hằng số điện môi và vận tốc truyền sóng rada

Các phép đo của GPR rất hiếm khi được thực hiện trên một đối tượng thuần khiết

mà hầu hết được thực hiện trên các đối tượng hỗn hợp gồm nhiều chất liệu khác nhau.

Phần nhiều các chất vô cơ và các hỗn hợp là các chất cách điện tốt. Chúng có

hằng số điện môi nằm trong khoảng từ 3 đến 8 và thường là chất cách điện với độ dẫn

hầu như bằng không. Đất, đá và các chất liệu xây dựng như bê tông, nhựa đường …có

các khoảng rỗng giữa các hạt vật liệu và có thể được lấp đầy bởi nước hoặc một chất

liệu khác nào đó. Nước chứa trong các lỗ rỗng thường chứa các ion và độ dẫn của

nước phụ thuộc sự chuyển động của các ion là yếu tố chính xác định độ dẫn của hỗn

hợp.

Bảng I.1 là các thông số gồm hằng số điện môi, độ dẫn điện, vận tốc truyền

sóng, độ suy giảm của một số chất liệu thường gặp.

Bảng I.1: Các đặc trưng về hằng số điện môi, độ dẫn điện, vận tốc truyền sóng,

độ suy giảm của một số chất liệu cơ bản

C¸c th«ng sè m«i tr−êng

VËt chÊt H»ng sè ®iÖn

m«i, ε

VËn tèc truyÒn

sãng, v [m/ns]

§é dÉn ®iÖn,

σ [mS/m]

§é suy gi¶m,

α [dB/m]

Kh«ng khÝ 1 0.300 0 0

Kim lo¹i > 81 < 0.01 (0.001) > 1000 > 10000

N−íc ngät 81 0.033 0.5 0.1

N−íc biÓn 81 0.033 3000 1000

Than 4 - 5 0.134 - 0.150

Bª t«ng 7 0.118 0.01 - 1 0.01 - 1

Nhùa ®−êng 3 - 5 0.051 - 0.173

-

-14-

Nhùa PVC 3 0.173

§¸ d¨m 13 0.083

§Êt phï sa 10 0.095 1 - 100 0.5-100

§Êt sÐt 8 - 15 0.077 - 0.106 1 - 300 2 - 1000

§Êt ®Çm lÇy 12 0.087 0.010

§Êt n«ng nghiÖp 15 0.077

§Êt ®ång cá 13 0.083

§Êt trång (kh«) 5 0.134

§Êt trång (−ít) 25 0.060

§Êt trång lÉn sÐt (kh«) 2 0.194

§Êt trång lÉn sÐt (−ít) 15 0.077

§Êt trång lÉn mïn (kh«) 3 0.190

§Êt trång lÉn mïn (−ít) 19 0.069

§Êt trång lÉn c¸t (kh«) 3 0.186

§Êt trång lÉn c¸t (−ít) 25 0.060

§Êt (trung b×nh) 16 0.075

§¸ granit 5 - 8 (6.5) 0.106 - 0.134

(0.118) 0.01 - 1 0.01 - 1 (0.06)

§¸ v«i 7 - 9 (8) 0.100 - 0.113

(0.106) 0.05 - 2 (1) 0.4 - 1

§¸ v«i ®olomit 7 - 8 0.106 - 0.115

§¸ bazan (−ít) 8 0.106

§¸ phiÕn sÐt (−ít) 7 0.113 1-100 1-100

§¸ c¸t kÕt (−ít) 6 0.122

§¸ c¸t kÕt (kh«) 7 0.113

-15-

Chương II

MÁY VÀ THIẾT BỊ GEORADA

Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng khác nhau chế tạo máy ra đa xuyên đất

(Mỹ, Cộng hoà Séc, Thuỵ Điển…) nhưng nổi tiếng nhất vẫn là hãng MALÂ (Thuỵ

Điển). Các thiết bị georada có thể chia ra 2 loại chính, phụ thuộc vào kiểu thiết kế

annten: Annten có màn chắn và annten không có màn chắn.

Ở Việt Nam, nhiều cơ quan cũng đã nhập về các bộ máy ra đa xuyên đất như

Viện Vật lý Địa cầu (bộ máy SEIKO -100A do Hãng MALÂ sản xuất), Trung tâm

nghiên cứu phòng trừ mối - Viện Khoa học Thuỷ lợi (bộ máy SIR-100 do hãng GSSI

Mỹ sản xuất), Khoa Trắc địa - Trường Đại học Mỏ - Địa chất (bộ RAMAC/GPR X3M

của hãng MALAG - Thuỵ Điển), khoa Địa chất- Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội

(bộ máy RAMAC/GPRTM do hãng MALAG Thụy Điển sản xuất), Công ty Cổ phần

Công nghệ Địa vật lý (máy do Cộng hoà Sec sản xuất)…với các loại annten có màn

chắn và không có màn chắn với tần số annten khác nhau.

Bộ máy ra đa xuyên đất RAMAC/GPRTM do Hãng MALAG (Thuỵ Điển) sản

xuất hiện có tại Liên đoàn Vật lý Địa chất gồm: máy tính, bộ điều khiển (control

Unit), annten phát và annten thu. Annten phát và thu được nối với bộ điều khiển bằng

cáp quang. Bộ điều khiến được kết nối với máy tính bằng cáp qua cổng song song.

1. Bộ điều khiển CU II:

Bộ điều khiển CU II là phần chính của hệ thống ra đa xuyên đất

RAMAC/GPRTM tương thích với tất cả các loại annten tiêu chuẩn của hãng RAMAG

(có màn chắn và không có màn chắn với tần số khác nhau) và bộ mở rộng đa kênh

MC 4.

Các thông số kỹ thuật chính:

- Tần số xung lặp: 100 KHz

- Số mẫu/trace: 128 – 8192

- Số cộng sóng: 1 – 32768

- Tần số lấy mẫu: 0.4 – 50 GHz

- Độ ổn định tín hiệu: < 100 ps

- Giao diện thông tin: IEE 1284 (ECP)

- Tốc độ truyền tín hiệu: > 700 kByte/s

- Tốc độ truyền dữ liệu: 40 – 400 kByte/s

- Chế độ thu thập số liệu: khoảng cách/thời gian/ bằng bàn phím

- Kênh ghi nhận số liệu : 1

2. Bộ phát và thu tín hiệu

Các annten không có màn chắn tần số 200 MHz, 100 MHz, 50 MHz và 25

MHz được gắn kết với bộ phát và thu qua giắc nối 9 pin.

- Annten tần số 25 MHz: có khả năng nghiên cứu sâu nhất nhưng đồng thời

cũng có độ phân giải thấp nhất. Annten phù hợp khảo sát trên các địa hình tương đối

bằng phẳng, ít các chướng ngại vật trên vùng khảo sát, nhất là khi khảo sát trên mặt nước.