Nghiên cứu xác lập tổ hợp phương pháp địa vật lý hợp lý trong nghiên cứu cấu trúc không gian ngầm, áp dụng thử nghiệm tại vị trí điển hình trong phạm vi thành phố Hồ Chí Minh

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM

LIÊN ĐOÀN BẢN ĐỒ ĐỊA CHẤT MIỀN NAM

***

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC R-RD CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP TỔ HỢP

PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ HỢP LÝ

TRONG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC KHÔNG GIAN NGẦM.

ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM TẠI VÀI VỊ TRÍ ĐIỂN HÌNH

TRONG PHẠM VI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

6833

05/5/2008

TP HỒ CHÍ MINH 05-2007

1

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

CỤC ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN VIỆT NAM

LIÊN ĐOÀN BẢN ĐỒ ĐỊA CHẤT MIỀN NAM

***

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC R-RD CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP TỔ HỢP

PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ HỢP LÝ

TRONG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC KHÔNG GIAN NGẦM .

ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM TẠI VÀI VỊ TRÍ ĐIỂN HÌNH

TRONG PHẠM VI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì

TS. Nguyễn Ngọc Thu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 5-2007

2

MỞ ĐẦU 4

Chương 1 . TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ 7

Chương 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT-ĐỊA VẬT LÝ VÙNG TP. HỒ CHÍ MINH

14

2.1 Đặc điểm tự nhiên................................................................................................14

2.1.1 Vị trí..............................................................................................................14

2.1.2 Điều kiện tự nhiên.........................................................................................14

2.2 Đặc điểm địa chất-địa vật lý vùng TP. Hồ Chí Minh ..........................................16

2.2.1 Đặc điểm cấu trúc.........................................................................................16

2.2.3 Các tham số Địa vật lý: ................................................................................24

Chương 3. CÁC TIÊU CHÍ XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHÔNG GIAN NGẦM 31

3.1 Đối tượng .............................................................................................................32

3.2 Đặc trưng của các phương pháp địa vật lý...........................................................33

3.2.1 Độ phân giải .................................................................................................33

3.2.2 Tính đa nghiệm .............................................................................................33

3.3 Các phương pháp địa vật lý. ................................................................................34

3.4 Phân vùng địa chất công trình vùng Thành phố Hồ Chí Minh............................35

3.4.1. Khu vực thứ nhất..........................................................................................36

3.4.2. Khu vực thứ hai............................................................................................36

3.4.3. Khu vực thứ ba.............................................................................................36

Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM 44

4.1 Mô hình điện trở suất...........................................................................................44

4.1.1 Cơ sở lý thuyết ..............................................................................................44

4.1.2 Các tính chất điện của môi trường ...............................................................49

4.1.3 Thăm dò điện trở suất 1D và các bài toán ngược. Các ứng dụng, hạn chế và

khó khăn.................................................................................................................51

4.2 Cơ sở lý thuyết bài toán ngược ............................................................................55

4.2.1 Các phương pháp rời rạc hóa mô hình 2D ..................................................59

4.2.2 Thu thập dữ liệu, trình bày kết quả và các loại thiết bị trong thăm dò điện

2D. .........................................................................................................................60

4.2.3 Xây dựng mô hình cho các khu vực đặc trưng vùng Thành phố Hồ Chí Minh.

...............................................................................................................................89

4.2.4 Chương trình giải bài toán ngược................................................................92

4.3 Phương pháp địa chấn..........................................................................................98

4.3.1 Các phương pháp địa chấn thông dụng........................................................98

4.3.2 Thiết bị địa chấn .........................................................................................102

4.3.3 Địa chấn khúc xạ ........................................................................................104

4.3.4 Các mô hình................................................................................................118

4.3.5 Tổ chức thi công. ........................................................................................121

4.3.6 Phân tích.....................................................................................................122

4.4 Áp dụng thử nghiệm phương pháp địa chấn trong các vùng đặc trưng của Thành

phố: ..........................................................................................................................128

4.4.1 Vị trí và khối lượng thực hiện.....................................................................128

4.4.2 Quy trình thu thập tài liệu ..........................................................................129

4.4.3 Phương pháp xử lý và phân tích tài liệu.....................................................132

4.5 Phương pháp thăm dò điện ................................................................................138

4.5.1 Phương pháp ảnh điện................................................................................138

4.5.2 Kết quả thử nghiệm phương pháp ảnh điện. ..............................................140

3

4.5.3 Kết luận và đề nghị. ....................................................................................141

4.6 Phương pháp điện từ..........................................................................................145

4.6.1 Tổng quan phương pháp Radar xuên đất (GPR)........................................145

4.6.2 Hướng dẫn thực hành. ................................................................................159

4.7 Các phương pháp địa chấn lỗ khoan (downhole seismic) .................................165

4.7.1 Các nguồn downhole. ................................................................................165

4.7.2 Các chặng máy thu downhole.....................................................................165

4.7.3 Các khảo sát vận tốc...................................................................................165

4.7.4 Phương pháp đo sóng tới thẳng đứng (VSP)..............................................168

4.8 Phương pháp đo sóng ngang thành giếng khoan (Crosshole Seismic)..............170

4.8.1 Giới thiệu. ...................................................................................................170

4.8.2 Lý thuyết và thiết bị.....................................................................................171

4.8.3 Phân tích.....................................................................................................175

4.8.4 Mô hình và xử lý dữ liệu. ............................................................................179

4.8.5 Thuận lợi và bật lợi. ...................................................................................180

4.8.6 Bài toán mẫu...............................................................................................181

4.9 Phương pháp đo địa chất dọc thành giếng khoan (Downhole seismic).............181

4.9.1 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................181

4.9.2 Ý nghĩa và việc sử dụng ..............................................................................182

4.9.3 Hệ thiết bị đo đạc........................................................................................182

4.9.4 Quy trình gia công lỗ khoan ......................................................................184

4.9.5 Quy trình thu thập tài liệu ..........................................................................185

4.9.6. Xử lý và phân tích tài liệu........................................................................185

4.10 Phương pháp nhiệt trở suất 192

4.10.1 Phương pháp đo đạc tham số nhiệt trong môi trường địa chất. ..............193

4.10.2 Thiết bị. .....................................................................................................194

4.10.3 Các kết quả thử nghiệm trên mô hình 1,2,3..............................................195

4.11 Phương pháp xác định điện trở suất.................................................................197

4.11.1 Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................197

4.11.2 Thiết bị. .....................................................................................................198

4.11.3. Kỹ thuật thi công......................................................................................199

4.11.4 Quy trình phân tích tài liệu......................................................................199

4.11.5 Biểu diễn kết quả. .....................................................................................200

4.12.1 Giới thiệu ..................................................................................................202

4.12.2 Những lợi ích của phương pháp địa vật lý lỗ khoan ................................202

4.12.3 Các hạn chế của phương pháp địa vật lý giếng khoan.............................203

4.12.4 Chi phí công tác đo địa vật lý lỗ khoan....................................................204

4.12.5 Lập dự án cho việc đo địa vật lý lỗ khoan................................................204

4.12.6 Phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan .................................................205

4.12.7 Thử nghiệm phương pháp karotaz tại một số lỗ khoan khu vực Thành phố

Hồ Chí Minh ........................................................................................................210

Chương 5. TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÁC PPHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỀ

XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TỔ HỢP PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC KHÔNG GIAN NGẦM TP HỒ CHÍ MINH 213

5.3 Tổ hợp các phương pháp địa vật lý hợp lý trong nghiên cứu cấu trúc không gian

ngầm.........................................................................................................................219

KẾT LUẬN…………………………………………………………………............ 221

Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………..………. 223

4

MỞ ĐẦU

Ra đời từ thế kỷ thứ XVII, trải qua hơn 300 năm hình thành và phát triển, đã

từng được mệnh danh là “Hòn ngọc Viễn đông”, với vai trò đầu tàu trong đa giác

chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, thành phố Hồ Chí Minh đã trở thành trung tâm

kinh tế, văn hóa - du lịch, giáo dục - khoa học kỹ thuật - y tế lớn của cả nước. Tốc

độ phát triển mạnh mẽ về mọi mặt như hiện nay hứa hẹn trong tương lai không xa,

nơi đây sẽ một trong những thành phố hiện đại tầm cỡ nhất ở khu vực Đông Nam

Á. Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về nhiều mặt kinh tế - xã hội – văn hóa , cơ sở

hạ tầng hiện có trở nên không còn phù hợp nữa. Việc chỉnh trang, nâng cấp, cải tạo

và xây dựng mới cơ sở hạ tầng đáp ứng tình hình phát triển trong giai đoạn hiện nay

là việc làm hết sức cấp bách và cần thiết. Trong khi diện tích đất bề mặt, và ngay cả

không gian nổi không còn có chỗ cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng thì không gian

ngầm là một cứu cánh. Đây là đối tượng cần được nghiên cứu, điều tra, quy hoạch

để khai thác hợp lý phục vụ cho việc phát triển Thành phố trước mắt và lâu dài.

Trong những năm gần đây, Thành phố đã và đang triển khai một số dự án xây

dựng các công trình ngầm phục vụ cho dân sinh, trong đó có: đường hầm Thủ

Thiêm, đường xe điện ngầm Hóc Môn-Bến Thành, Bình Chánh-Bến Thành và

nhiều dự án khác đang và sẽ được xây dựng trong tương lai. Đặc biệt là các công

trình đào sâu trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp như: hầm đậu xe,

hầm máy... cũng đang ngày một gia tăng. Do vậy, việc xác lập một tổ hợp các

phương pháp địa vật lý hợp lý ứng dụng trong khảo sát thiết kế các công trình ngầm

là một đề tài hết sức thiết thực nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của công

tác khảo sát.

Mục tiêu của đề tài:

Xác lập một tổ hợp phương pháp địa vật lý tối ưu, phù hợp với đặc điểm tự

nhiên và dân sinh, phục vụ nghiên cứu các đặc điểm địa chất - địa vật lý trong khảo

sát thiết kế và xây dựng các công trình ngầm khu vực Thành phố Hồ Chí Minh một

cách có hiệu quả nhất về mặt kinh tế và kỹ thuật.

Các bước đã tiến hành nhằm thiết lập tổ hợp phương pháp địa vật lý tối ưu,

bao gồm:

• Thu thập các tài liệu địa chất, địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa vật

lý và các tài liệu khác có liên quan đến cấu trúc không gian ngầm vùng thành phố.

• Đánh giá một cách tổng quan các đặc điểm vùng cùng với các thông số địa

vật lý có liên quan.

• Xác lập mối quan hệ lý thuyết giữa các phương pháp địa vật lý và các thuộc

tính của các đối tượng trong việc nghiên cứu cấu trúc không gian ngầm.

• Phân chia các khu vực thuộc Thành phố theo các nhóm có cùng đặc điểm

địa chất và có tính chất vật lý tương đồng.

• Ứng dụng thử nghiệm tại 3 vùng đặc trưng thuộc khu vực thành phố Hồ

Chí Minh. Trong đó, chú ý đến các khu vực dự kiến xây dựng các công trình ngầm

5

theo quy họach của thành phố đến năm 2010 và 2020. Cụ thể các khu vực đã được

lựa chọn là: khu vực Quận 1- Quận 4, khu vực Quận 2 và khu vực Quận Tân Bình.

Các phương pháp địa vật lý đã được áp dụng thử nghiệm là: địa chấn khúc xạ,

ảnh điện, phương pháp nhiệt, phương pháp điện trở, phương pháp Downhole

Seismic, phương pháp radar xuyên đất, và địa vật lý lỗ khoan. Kết quả áp dụng thử

nghiệm đã khẳng định thêm một lần nữa các nhận định và đánh giá đưa ra trên cơ sở

lý thuyết bài toán thuận của các phương pháp địa vật lý được xác lập theo đặc điểm

thực tế của môi trường. Từ đó lựa chọn một tổ hợp phương pháp địa vật lý vừa hợp

lý vừa hiệu quả trong việc nghiên cứu không gian ngầm, đưa ra các đề xuất cho quy

trình công nghệ địa vật lý trong nghiên cứu cấu trúc không gian ngầm theo các đặc

điểm địa chất - địa vật lý khác nhau.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Nội dung của đề tài đã cung cấp một cách khái quát về tính năng, hiệu quả và

khả năng ứng dụng các phương pháp địa vật lý tầm nông ứng dụng trong việc giải

quyết các nhiệm vụ địa kỹ thuật và môi trường vào điều kiện và đặc điểm của

Thành phố Hồ Chí Minh. Trên cơ sở đó đề tài đã đề xuất một tổ hợp các phương

pháp địa vật lý hợp lý cùng với quy trình thực hiện cho từng dạng phương pháp

nhằm nâng cao hiệu quả của công tác.

Nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm có các điểm cơ bản như sau:

• Tổng quan về các phương pháp địa vật lý tầm nông.

• Đặc điểm địa chất địa vật lý vùng Thành phố Hồ Chí Minh

• Xây dựng các mô hình đặc trưng và áp dụng các phương pháp thử nghiệm.

• Nhận xét đánh giá hiệu quả và khả năng áp dụng của từng phương pháp.

• Xây dựng quy trình thực hiện các phương pháp địa vật lý.

• Kết luận.

Kết quả nghiên cứu từ đề tài cho thấy hầu hết các phương pháp nghiên cứu địa

vật lý tầm nông đều có thể áp dụng được cho việc nghiên cứu cấu trúc không gian

ngầm vùng Thành phố Hồ Chí Minh với các mức độ khác nhau. Tuy nhiên, việc áp

dụng một số các phương pháp trường thế gặp nhiều trở ngại, nhất là sự tác động của

nhiễu do các yếu tố khác nhau ở một thành phố công nghiệp phát triển với nhiều

quá trình cải tạo xây dựng đang diễn ra hàng ngày khắp nơi.

Kết quả của đề tài cũng cho thấy được việc áp dụng một số các phương pháp

địa vật lý là hoàn toàn khả thi, trong đó bao gồm các phương pháp: Radar xuyên đất

(Georadar), phương pháp thăm dò điện, phương pháp địa chấn và một số phương

pháp trực tiếp khác như: phương pháp điện trở suất, phương pháp địa chấn lỗ

khoan, phương pháp địa vật lý lỗ khoan, phương pháp nhiệt trở suất. Việc thiết lập

quy trình công nghệ cho các phương pháp này cũng đã được đề cập đến trong kết

quả đề tài, đây là các kết quả bước đầu tiến tới việc xây dựng hoàn chỉnh quy trình

công nghệ của các phương pháp.

6

Đề tài này được thực hiện dưới sự chủ trì của TS. Nguyễn Ngọc Thu, cùng với

sự tham gia của các tác giả: PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, TS. Nguyễn Kim Quang,

TS. Vũ Văn Vĩnh, Th.S Nguyễn Xuân Khá, Th.S Võ Thị Hồng Quyên, KS. Nguyễn

Văn Lưu, KS. Vũ Trọng Tấn, KS. Nguyễn Tiến Hoá, KS. Đinh Hữu Chinh, KS.

Phạm Văn Hưng, KS. Nguyễn Ngọc Sơn, CN. Phan Thị Nguyệt Minh cùng toàn thể

cán bộ kỹ thuật thuộc Trung tâm Địa Vật Lý. Chúng tôi xin chân thành cám ơn Vụ

Khoa học Công nghệ - Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Địa chất và Khoáng sản

Việt Nam, Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền Nam đã tận tình giúp đỡ và hỗ trợ cho

chúng tôi trong việc thực hiện đề tài này.

7

Chương 1 . TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊA

VẬT LÝ

Trong những thập niên gần đây, xuất phát từ những nhu cầu phát sinh trên

thực tế cùng với sự tiến bộ nhiều mặt trong các ngành khoa học kỹ thuật khác nhau

đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển cũng như nâng cao hiệu quả của các

phương pháp địa vật lý. Ngày nay, các phương pháp địa vật lý tầm nông đã được

ứng dụng ngày một phổ biến trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và đời sống, phục vụ

một cách thiết thực cho con người. Có thể kể đến các trường hợp cụ thể như sau:

ứng dụng địa vật lý khảo sát tai biến môi trường, sạt lở, ô nhiễm, phát hiện các khí

cụ bị chôn vùi sau chiến tranh, tìm kiếm thăm dò các loại khoáng sản, nước sinh

hoạt, khảo sát các công trình ngầm, khảo cổ,… Ngoài ra, các phương pháp địa vật

lý tầm nông còn được sử dụng như các công cụ thí nghiệm không xâm lấn để xác

định các tính chất vật lý của các đối tượng và môi trường, phục vụ cho các yêu cầu

về địa kỹ thuật, môi trường, văn hóa và nông nghiệp… Trên cơ sở các tiến bộ trong

kỹ thuật tính toán, xử lý máy tính và cuộc cách mạng trong lĩnh vực chế tạo các

thiết bị, các phương pháp thu thập và xử lý tài liệu địa vật lý mới đã ra đời làm cho

các phương pháp nghiên cứu địa vật lý tầm nông có những bước tiến bộ đáng kể tạo

nên một vị trí quan trọng trong các ngành khoa học kỹ thuật khác nhau.

Các tham số vật lý đo được một cách trực tiếp từ các khảo sát địa vật lý nông

bao gồm: tính chất đàn hồi, trọng lực, từ trường, độ dẫn điện, độ truyền dẫn và phân

cực của sóng điện từ, và các bức xạ gamma tự nhiên. Các tham số này được sử dụng

để dẫn xuất ra các tham số khác nhau của môi trường như: độ từ thẩm, độ xốp,

thành phần hóa học, địa tầng, cấu trúc địa chất và các tính chất khác nhau của các

đối tượng nằm trong môi trường gần mặt đất.

Có thể đề cập đến một số lĩnh vực ứng dụng của các phương pháp địa vật lý

tầm nông cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu các đặc điểm địa kỹ thuật và môi trường, cung cấp thông tin

cần thiết nhằm có biện pháp thích hợp để phòng tránh và giảm thiểu những thiệt hại

do các tai biến tự nhiên và nhân sinh, chẳng hạn như: sạt lở, động đất, rò rỉ phóng

xạ và các yếu tố môi trường khác. Trong lĩnh vực này, các phương pháp địa vật lý

tầm nông có thể cung cấp các thông tin quan trọng cho việc đánh giá rủi ro động đất

như tiên đoán mức độ nguy hiểm đối với nguy cơ động đất trong từng khu vực, trên

cơ sở đánh giá đáp ứng cơ học của môi trường đối với các trận động đất tại các vị trí

xung yếu khác nhau. Giám sát và dự báo sự lan truyền các nguồn ô nhiễm dưới mặt

đất và định hướng cho việc thiết kế các lỗ khoan nông.

2. Cung cấp các thông tin thiết yếu (các tham số địa vật lý) sử dụng khi thiết

kế các công trình, kèm theo các đặc trưng cần thiết cho việc phòng tránh những sự

cố trong các vấn đề kỹ thuật và môi trường trong tương lai. Các nghiên cứu địa vật

lý tiền xây dựng đang được sử dụng ngày một gia tăng để thẩm định tính xác thực

của các công trình tại các vị trí quan trọng như: đập thủy điện, thủy lợi, nhà máy

điện, xưởng hóa chất, nhà máy lọc dầu, bãi thải phế liệu…

8

3. Để tìm kiếm, đánh giá, thăm dò khoáng sản, quy hoạch khai thác và sử

dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nước, than và các loại khoáng

sản rắn.

4. Để tăng cường hoạt động nghiên cứu cũng như điều tra cơ bản về địa chất

và các kiến thức địa chất thủy văn.

Phụ thuộc vào từng mục tiêu cụ thể, mức độ chi tiết đòi hỏi, cùng với khả

năng tài chính và các đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, việc lựa chọn các phương

pháp địa vật lý sẽ thay đổi khác nhau. Trong hầu hết các trường hợp, bài toán ngược

của các phương pháp địa vật lý là bài toán đa nghiệm. Vì vậy, việc sử dụng một tổ

hợp các phương pháp địa vật lý hợp lý là giải pháp tốt nhất để có thể cung cấp các

thông tin đầy đủ hơn cho việc giải đoán những vấn đề cần quan tâm tại các vị trí

nghiên cứu, nhất là khi phối hợp với các chuyên ngành có liên quan.

Sau đây tóm tắt một số các phương pháp địa vật lý đã và đang được sử dụng

phổ biến hiện nay trong lĩnh vực địa vật lý tầm nông.

Các phương pháp truyền thống

1. Phương pháp điện trở suất

Phương pháp thăm dò điện trở suất được sử dụng để xác định điện trở suất của

môi trường bằng cách đo đạc sự phân bố điện thế tại các vị trí khác nhau dưới đáp

ứng bởi dòng điện nguồn chạy qua môi trường giữa các điện cực dòng cắm trên mặt

đất. Đối với các thành tạo địa chất bở rời, thông thường giá trị điện trở suất của môi

trường bị chi phối bởi các yếu tố như: Thành phần thạch học, độ xốp, độ lỗ rỗng, độ

ẩm, độ chứa nước, đặc biệt là độ khoáng hóa của nước trong các thành tạo chứa

nước bão hòa. Đối với các thành tạo đá, giá trị điện trở suất phụ thuộc vào thành

phần thạch học, độ xốp, độ lỗ rỗng đặc biệt là mức độ chứa nước và hàm lượng hóa

học có trong nước ở các lỗ rỗng. Với những đặc điểm như vậy, các phương pháp

điện trở suất được sử dụng khá hiệu quả trong việc theo dõi sự lan truyền các chất ô

nhiễm dẫn điện, phân chia và xác định ranh giới của các thành tạo địa chất khác

nhau, xác định ranh giới của các tầng chứa nước. Các phương pháp này cũng có thể

được sử dụng trong việc xác định các đứt gãy và thung lũng cổ bị chôn vùi.

Trong những thập niên gần đây, sự phát triển các hệ thống thăm dò điện đa

cực đã làm tăng độ linh hoạt và tốc độ thu thập tài liệu thực tế của phương pháp, tạo

điều kiện thuận tiện cho việc áp dụng phương pháp cắt lớp điện trở (Electrical

tomography) trong việc nghiên cứu môi trường địa chất phức tạp bên dưới lớp phủ.

2. Phương pháp phân cực kích thích (IP)

Việc thu thập tài liệu trong phương pháp phân cực kích thích tương tự như

trong phương pháp điện trở suất, tuy nhiên, phương pháp phân cực kích thích ghi

nhận các đáp ứng của môi trường theo thời gian sau quá trình kết thúc dòng điện

kích thích. Theo ý nghĩa của điện tử, tốc độ phóng điện của môi trường tương tự

như một tụ điện, tốc độ suy giảm của điện thế cảm ứng phụ thuộc vào độ linh động

ion trong thể tích tích điện, ví dụ như các ion trong sét có độ linh động cao. Việc đo

đạc IP có thể thực hiện trong vùng thời gian, với sự suy giảm điện thế tuân theo quy

9

luật hàm mũ theo thời gian, hoặc trong vùng tần số, trong đó phép đo thực hiện việc

đo thời gian trễ pha tương ứng với các tần số kích thích khác nhau. Để thực hiện

việc đo đạc tại hiện trường trong phương pháp phân cực kích thích, các máy đo và

máy phát phải được đồng bộ với nhau một cách chính xác bằng đồng hồ có độ chính

xác cao hoặc liên kết đồng bộ với nhau để có thể xác định thời gian trễ ở mỗi tần số

trên các điện cực thế. Tần số phổ biến thường thay đổi trong khoảng từ 0,5 cho đến

1kHz. Phương pháp này được sử dụng trong thăm dò sulfit và cũng đã được sử

dụng trong thăm dò nước ngầm ở một số nơi.

3. Phương pháp điện thế tự nhiên (SP)

Cung cấp phép đo sự tác động điện hóa của môi trường dưới dạng điện thế tự

nhiên. Giá trị này ít khi vượt quá giá trị 100mV so với giá trị điện thế quy ước,

thường được lấy trung bình bằng 0 tại các vị trí lớn hơn khoảng vài lần dị thường.

Chất lỏng, ion, hoặc sự mất nhiệt trong môi trường cũng có thể tạo ra điện thế tự

nhiên.Vì các kỹ thuật thụ động được sử dụng để ghi nhận sự sai biệt điện thế nhỏ,

nguồn dòng điện và các cấu hình còn lại không thay đổi trong quá trình khảo sát.

Điện thế do các quá trình điện hóa khá nhỏ, các tín hiệu đo được dễ bị ảnh hưởng

bởi các nhiễu loạn từ các đường dây dẫn điện, đường ống nước, các hiện tượng bão

từ và các nguồn nhiễu khác trong môi trường. Một vấn đề khác của phương pháp

điện thế thiên nhiên là việc đo đạc thiếu các quá trình đo lặp. Các dữ liệu có thể

được phân tích bằng cách tạo ra các bản đồ đẳng trị, hoặc định lượng hơn bằng cách

tính toán các tham số khác dựa vào các yếu tố hình học tương tự như các phương

pháp được sử dụng trong thăm dò từ và trọng lực. Công dụng chính của phương

pháp SP là quan sát sự di chuyển của nước ngầm (có nghĩa là quan sát sự di chuyển

của các vật dẫn điện trong từ trường). Phương pháp điện thế thiên nhiên cũng đã

được sử dụng thành công trong một số trường hợp khảo sát địa nhiệt. Ở đó, điện thế

được tạo ra không chỉ bởi sự di chuyển dòng, mà còn do phản ứng điện hóa nhiệt

của nước khoáng. Việc vẽ bản đồ các đới gradien tập trung của tác động ngấm lọc

hóa học cũng là một trong các ứng dụng của SP.

4. Phương pháp điện từ EM (Electromagnetic)

Phương pháp này ngày càng được sử dụng thông dụng hơn trong lĩnh vực địa

vật lý tầm nông, chúng đo đạc trường điện từ liên quan đến dòng điện biến đổi trong

môi trường cảm ứng bởi trường sơ cấp trên mặt đất. Trong phương pháp EM tích

cực, trường từ sơ cấp được sinh ra bởi dòng điện biến đổi chạy qua một cuộn dây,

trường này lan truyền trong không gian và tạo thành dòng điện chạy qua các vật dẫn

điện trong môi trường theo các định luật cảm ứng vật lý. Do có dòng điện thay đổi

chạy trong các vật dẫn điện nên trường điện từ thứ cấp được sinh ra làm nhiễu loạn

và biến dạng trường sơ cấp và trường cuối cùng tiếp theo được ghi nhận bởi một

cuộn dây thu. Trường cảm ứng khác với trường sơ cấp về pha, cường độ và phương

lan truyền, điều đó cho phép phát hiện các thông tin về vật dẫn trong môi trường.

Các phương pháp điện từ không đòi hỏi đặt các điện cực trên mặt đất và đôi khi

được tiến hành bởi các máy bay tầm thấp. Sự phát triển phương pháp điện từ hàng

không đã tạo ra một lợi thế to lớn trong việc tiết kiệm thời gian thực hiện và cho

phép đo đạc tại các vùng ô nhiễm, nguy hiểm, không người ở bẳng các máy bay

10

không người lái. Tuy nhiên, việc thực hiện bằng phương pháp EM máy bay cũng có

những mặt hạn chế của nó: thứ nhất là khoảng cách giữa nguồn phát và thiết bị thu.

Thứ hai là mức độ nhiễu cao hơn do sự di chuyển các cuộn dây trong từ trường ở

vận tốc cao.

Trong phương pháp thụ động, trường điện từ tự nhiên của trái đất được sử

dụng để cung cấp các thông tin về sự thay đổi điện trường. Trong các phương pháp

này có kỹ thuật trường từ tần số âm sử dụng trường điện tạo ra bởi các tia chớp từ

xa. Một phương pháp thụ động khác là phương pháp VLF sử dụng tần số phát thanh

rất thấp, phương pháp này dựa vào trường điện có tần số 15-25 kHz, phát ra bởi các

trạm phát sóng dùng để liên lạc với tàu ngầm và dẫn đường cho các tàu biển.

5. Các phương pháp thăm dò từ độ phân giải cao

Đặc biệt là các phương pháp sử dụng từ kế gradien là đặc biệt hữu dụng trong

các nghiên cứu nông và trong tìm kiếm các vật thể kim loại như các thùng kim loại.

Từ kế gradien là thiết bị ghi nhận đồng thời hai giá trị trường từ ở hai độ cao khác

nhau so với mặt đất bởi hai cảm biến từ đặt cách nhau khoảng vài cm đến vài mét

tại một vị trí điểm đo, cho phép phân tích sự khác biệt giá trị bởi hai số đọc đồng

thời của thiết bị. Thăm dò từ cũng hữu dụng trong việc vẽ bản đồ, xác định các đứt

gãy, định vị các vật thể gây từ, và đánh giá chiều sâu đến các vật thể có từ tính trong

môi trường. Các cuộc thăm dò như vậy được sử dụng để phát hiện sự thay đổi hàm

lượng các khoáng vật magnetic trong đá và các vật liệu không cố kết. Và vì vậy, nó

có thể được sử dụng trong việc phát hiện sự thay đổi thành phần thạch học trong

một số loại đá núi lửa và các cấu trúc địa chất khác. Chúng cũng được sử dụng tại

các vị trí bị ô nhiễm để đo sự nhiễu loạn của trường từ trái đất gây ra bởi các vật thể

kim loại bị chôn vùi như các thùng kim loại, các vật liệu kim loại phá hủy chôn vùi

trong các vụ trượt lở đất, và các đường ống kim loại. Mặc dù phương pháp thăm dò

từ đã phát triển khá lâu đời và tương đối hoàn chỉnh, tuy nhiên, việc cải thiện độ

chính xác và tốc độ thu thập dữ liệu đã cho phép một số cuộc thăm dò gradient đạt

hiệu quả rất cao.

6. Thăm dò vi trọng lực

Phương pháp này thỉnh thoảng cũng được sử dụng trong nghiên cứu địa vật lý

tầm nông đặc biệt khi nghiên cứu các đối tượng có sự tương phản mật độ khá rõ rệt

với môi trường chung quanh. Trong các cuộc thăm dò như vậy, các máy đo trọng

lực được sử dụng có độ nhạy dưới 1 miliGal với khoảng cách các điểm đo 1- 10m.

Độ nhạy của các phép đo vi trọng lực tương ứng với một phần tỉ trường trọng lực

tổng của trái đất. Một số đối tượng địa chất như: hang động, nếp uốn, bất đồng nhất

ngang, có thể gây ra các dị thường trọng lực. Các đối tượng nhân tạo như: mương

rãnh, đường hầm, bãi thải, và các vấn đề bắt đầu lún chìm. Phương pháp vi trọng

lực không thể phát hiện trực tiếp sự ô nhiễm, mặc dù chúng khá nhạy với sự mất

nước từ các lớp đất đá gần mặt đất. Phương pháp gradien trọng lực ngày càng được

sử dụng phổ biến khi phát triển các máy đo trọng lực nhanh, chính xác và rẻ tiền,

đặc biệt là khi được liên kết sử dụng với hệ thống định vị toàn cầu.

7. Các phương pháp địa chấn

11

Được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực kỹ thuật và địa kỹ thuật, tuy nhiên,

cho đến những năm giữa thập niên 1980, phương pháp phản xạ cũng chưa được sử

dụng phổ biến trong các nghiên cứu nông nhỏ hơn 30m .

Từ những năm thuộc thập niên 1980, phương pháp địa chấn đã có những bước

tiến bộ đáng kể trong thăm dò địa chấn phản xạ sóng P tầm nông cùng với các kỹ

thuật sóng mặt. Việc sử dụng các phương pháp phản xạ sóng S tầm nông chưa được

phổ biến, nhưng bước đầu đã được ứng dụng thành công ở một số công trình. Việc

tách các sóng phản xạ S thường xuất hiện đồng thời với các sóng mặt trên các ký đồ

địa chấn còn là vấn đề đem lại nhiều khó khăn. Tuy nhiên, đã có một số công trình,

bài báo trình bày việc áp dụng sóng Rayleigh gần mặt đất xuất hiện trong thập niên

vừa qua cho thấy việc áp dụng phương pháp sóng mặt đa kênh hứa hẹn nhiều triển

vọng trong tương lai, có ít các ứng dụng của sóng Love trong cùng độ sâu.

8. Các ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, các phương pháp phản xạ liên kết sóng P và sóng S sẽ nâng

lên một tầm cao mới. Trong đó, việc đánh giá tính chất đàn hồi của các loại đất đá

thông qua việc đo đạc vận tốc của sóng P, S, kết hợp với các dữ liệu mật độ ghi

nhận được bởi phương pháp trọng lực hoặc phương pháp mật độ lỗ khoan, cho phép

tính toán các tham số đàn hồi của môi trường như: tỉ số Poisson, modun Young,

modun cắt (biến dạng). Khi các tham số đàn hồi này đã được xác định, việc định

dạng các loại đá và xác định sơ bộ hàm lượng chất lỏng có trong lỗ hổng cũng có

thể thực hiện được.

Những tiến bộ về thiết bị như ngày nay là một hỗ trợ đắc lực cho việc thu thập

dữ liệu đạt đến độ chính xác ngày càng cao, chẳng hạn phương pháp địa chấn độ

phân giải cao, các dữ liệu gần mặt đất mở ra các cơ hội mới cho việc ghi nhận 3

thành phần và phân tích nhiều kiểu. Khả năng của các phương pháp địa chấn hướng

đến các chiều sâu nông hơn 30m có thể được mở rộng bởi việc phân tích các sóng

địa chấn thường đã bị loại bỏ trong các thăm dò địa chấn phản xạ cũ trong quá trình

xử lý và phân tích tài liệu đặc biệt là các thí nghiệm trường sóng dãi rộng đang trở

thành hiện thực bằng cách sử dụng vector 3 thành phần hơn là một thành phần và phân

tích nhiều loại sóng hơn là chỉ một loại sóng P.

Các kỹ thuật phóng xạ, đo các bức xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ, các

phương pháp có thể được sử dụng trong thăm dò mỏ phóng xạ, hoặc phát hiện các

vùng bị nhiễm phóng xạ. Các phương pháp phổ gamma là có ích trong việc chỉ ra

các đồng vị phóng xạ nằm dưới mặt đất 1-2m, phương pháp này cũng hữu dụng

trong việc nghiên cứu sự hiện diện của bức xạ tự nhiên, chẳng hạn như hàm lượng

khí Radon tích lũy trong môi trường, cung cấp các thông tin cần thiết cho việc thiết

kế các công trình xây dựng.

9. Các phương pháp mới

Các phương pháp thăm dò cắt lớp cùng phương pháp toán học đã được sử

dụng khá thành công trong ngành y học trong việc phát triển hình ảnh X quang 3

chiều trong cơ thể con người, thường được gọi là CAT scan (Computed Axial

Tomography). Kỹ thuật này phụ thuộc vào việc đo đạc một số tính chất vật lý thông

12

qua một số lớn các phép chiếu xuyên qua vật thể trong môi trường. Các phép đo đạc

có thể bao gồm các phương pháp điện, điện từ hoặc tính chất cơ học của vật chất

bên trong thể tích cần quan tâm.

Một trong các phương pháp địa vật lý phát triển gần đây, có nhiều hứa hẹn

trong các ứng dụng vào thực tế là phương pháp Radar xuyên đất (GPR). Trong

nhiều khu vực GPR được coi là phương pháp được lựa chọn cho việc khảo sát các

lớp có chiều sâu khoảng vài mét bên dưới mặt đất bằng cách chiếu một chùm sóng

tần số cao vào môi trường tại thời điểm nhất định. Thời gian đòi hỏi cho các sóng

dội trở lại mặt đất được sử dụng để tính toán sự thay đổi chiều sâu của các lớp trong

môi trường. Mặc dù việc xác định tham số vận tốc là một tham số tới hạn, trong

nhiều cách ứng xử GPR cũng giống như phương pháp địa chấn phản xạ, các dữ liệu

cũng được hiển thị giống như trong các mặt cắt địa chấn. Phương pháp GPR được

ứng dụng tốt nhất trong điều kiện môi trường khô, và vắng mặt các lớp sét hoặc các

vật liệu dẫn điện, vì các bức xạ điện từ không thấm qua các vật dẫn điện.

Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đã được giới thiệu như một phương pháp đo

đạc trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các hiện tượng có kích thước phân tử

bằng cách quan sát sự thay đổi trạng thái năng lượng của hạt nhân. Kích thích hạt

nhân nguyên tử từ trạng thái thấp lên trạng thái cao bởi một xung tần số vô tuyến,

rồi quan sát sự quay về trạng thái nguyên thủy của nó, mô hình tổng các suy giảm

theo quy luật hàm mũ và ghi nhận hai hằng số hồi phục. Hằng số hồi phục T1 liên

kết với thành phần dọc của từ hóa, và T2 nhận được bởi thành phần nằm ngang. Kỹ

thuật NMR có thể được sử dụng để nghiên cứu các hạt nhân bất kỳ có momen từ

nội tại như Hydro hoặc Carbon 13.

Sự kết hợp đặc biệt của phương pháp này đối với các khoa học về trái đất là

phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân proton (proton NMR) đáp ứng với trạng thái

của hạt nhân hydro trong môi trường. Trong địa vật lý tầm nông, việc sử dụng NMR

có thể được xem như một công cụ hình ảnh độ từ thẩm, tuy nhiên, những thử

nghiệm trên các mẫu thuận từ như Fe3+ gây ra một sự thay đổi ấn tượng trong T2,

do có sự kết hợp trực tiếp với tỉ số của diện tích bề mặt đối với thể tích vật liệu

trong các môi trường phân rã, do đó hiện tượng này đã làm cho việc đánh giá độ từ

thẩm trở thành khó khăn hơn. Ví dụ như hai loại cát hạt thô và hạt mịn có sự phân

bố giống nhau có thể xuất hiện độ từ thẩm khác nhau khi một trong hai loại có hàm

lượng Fe3+ cao và loại còn lại thì không có. Vì vậy, trong các ứng dụng gần bề mặt,

sự thay đổi hàm lượng Fe3+ và các mẫu thuận từ khác có thể làm phức tạp hoặc phủ

nhận việc đánh giá độ từ thẩm trên cơ sở dữ liệu NMR. Phụ thuộc vào vị trí đặc biệt

của Fe3+ (ví dụ trong nước lỗ hổng, đã hấp thụ trong pha rắn, hoặc trong hạt khoáng

sản rắn), T2 phải bị ảnh hưởng nhưng với các quy mô khác nhau.

10. Các phương pháp lỗ khoan

Có rất nhiều phương pháp địa vật lý tầm nông dựa vào việc đo đạc lỗ khoan vì

chúng có độ phân giải cao hơn và giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu bởi các ảnh

hưởng của các yếu tố gần mặt đất, cũng như tính không đồng nhất của các thành tạo

trong môi trường và các loại nhiễu do các nguyên nhân khác. Các thiết bị địa vật lý

13

lỗ khoan dùng trong nghiên cứu địa vật lý tầm nông là các phiên bản đường kính

nhỏ của các thiết bị phát triển theo các yêu cầu và đòi hỏi của ngành công nghiệp

dầu khí.

11. Dự báo tương lai

Có thể nói rằng, các phương pháp địa vật lý tầm nông được ứng dụng ngày

một rộng rãi trong các lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng và đời sống khác nhau. Điều

đó cho thấy hiệu quả thiết thực của các phương pháp ngày càng được khẳng định

trong nhiều lĩnh vực gắn với sự tồn tại và phát triển của con người, từ kỹ thuật đến

môi trường cũng như khoáng sản.

Dự đoán trong một tương lai gần, với sự ra đời của nông nghiệp chính xác mà

trong đó các thông tin về tính chất vật lý và hóa học đất kết hợp với các vị trí xác

định bằng GPS là các dữ liệu đầu vào không thể thiếu được trong hệ thông tin địa lý

GIS. Hơn nữa, nhiều kỹ thuật địa vật lý đang phát triển một cách nhanh chóng, đặc

biệt là phương pháp Radar xuyên đất (GPR). Trong những thập niên gần đây,

phương pháp GPR đã chứng tỏ tính ưu việt của nó trong một số lĩnh vực khảo sát

cần độ phân giải cao. Trong giai đoạn sắp tới, chắc chắn phương pháp này sẽ tiếp

tục phát huy tính hiệu quả của nó, cùng với sự phát triển các hệ thống GPR đa

ăngten có thể tăng cường khả năng và hiệu quả của phương pháp GPR giống như kỹ

thuật điểm giữa chung (CMP) trong thăm dò địa chấn phản xạ trong những năm

thuộc thập niên 1960.

Việc phân tích các sóng mặt trong thăm dò địa chấn có thể làm gia tăng tính

hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế của phương pháp này trong các nghiên cứu tầm

nông. Nếu như trong lĩnh vực dầu khí, người ta cần một nỗ lực rất lớn để loại trừ

ảnh hưởng của các sóng mặt trong các dữ liệu địa chấn phản xạ, thì ngược lại, việc

tăng cường và phân tích các sóng này lại đòi hỏi một nỗ lực ít hơn nhiều, ngay cả

khi chúng được ghi nhận một cách thông thường và xem như một phần của thông

tin trong các phương pháp phản xạ và khúc xạ tầm nông.

Các phương pháp địa vật lý tầm nông có thể thừa hưởng những thành quả

trong lĩnh vực kỹ thuật tự động để phát triển các phương tiện thu thập tài liệu khác

nhau - từ các robot di động trên mặt đất cho đến các máy bay không người lái, mang

theo các vi cảm biến để thực hiện các đo đạc địa vật lý trên các vùng khó khăn,

nguy hiểm và kể cả các vùng bị ô nhiễm. Ngay cả các phương pháp địa chấn nông

cũng bị chi phối bởi việc thu thập dữ liệu tự động trong quá trình thực hiện việc

khảo sát.

Như đã đề cập trên đây, với những tiến bộ trong áp dụng các phương pháp địa

vật lý tầm nông vào lĩnh vực nghiên cứu môi trường, việc nghiên cứu cấu trúc

không gian ngầm trên cơ sở các đặc điểm tự nhiên và nhân sinh là hết sức quan

trọng và cần thiết. Một tổ hợp các phương pháp địa vật lý hợp lý có khả năng hỗ trợ,

định hướng và trực tiếp áp dụng trong khảo sát các đặc điểm địa chất, nâng cao hiệu

quả kinh tế công tác địa kỹ thuật, đồng thời đáp ứng tốt nhất yêu cầu về công nghệ

sẽ được thực hiện và đánh giá trong đề tài này.

14

Chương 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT-ĐỊA VẬT LÝ VÙNG TP. HỒ CHÍ

MINH

2.1 Đặc điểm tự nhiên

2.1.1 Vị trí

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khu vực có tọa độ Địa lý 10o

10’ đến

10o

38’ vĩ Bắc và 106o

22’ đến 106o

54’ kinh Đông, phía Bắc giáp tỉnh Bình Dương,

phía Tây giáp tỉnh Tây Ninh, phía Đông và Đông Bắc giáp tỉnh Đồng Nai, phía

Đông Nam giáp tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, Tây và Tây Nam giáp tỉnh Long An và tỉnh

Tiền Giang, phía Nam giáp biển Đông, với bờ biển kéo dài khoảng 15km. Thành

phố Hồ Chí Minh có 24 quận huyện trải dài 150km theo phương Tây Bắc-Đông

Nam từ Củ Chi cho đến Cần Giờ, với chiều ngang lớn nhất: 50km qua Thủ Đức￾Bình Chánh, và hẹp nhất là 31km ở đoạn cắt ngang qua Long Đức Hiệp - Nhà Bè.

Diện tích tự nhiên 2.093,7 km2

(hình 2.1).

Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền Đông Nam bộ

và đồng bằng sông Cửu Long; là nơi hội lưu của các con sông lớn như sông Đồng

Nai, sông Sài Gòn, và sông Vàm Cỏ Đông, nối liên thông ra biển qua sông Lòng

Tàu và sông Nhà Bè - Soài Rạp. Các con sông này cùng với các kênh rạch lớn nhỏ,

và các cảng biển, đặc biệt là cảng Sài Gòn nổi tiếng từ lâu đã hình thành một hệ

thống giao thông đường thủy quan trọng đảm bảo cho việc giao lưu giữa Thành phố

Hồ Chí Minh, các tỉnh lân cận và các cảng biển trên cả nước cũng như trên thế giới.

Sự giao lưu thuận lợi đó đã biến Thành phố Hồ Chí Minh thành một trung tâm kinh

tế - kỹ thuật quan trọng của phía Nam cũng như của cả nước.

2.1.2 Điều kiện tự nhiên

2.1.2.1 Đặc điểm địa chất

Thành phố Hồ Chí Minh thuộc rìa Tây Nam của đới Đà Lạt, trên hầu hết diện

tích vùng Thành phố Hồ Chí Minh thường có mặt đồng thời hai tầng cấu trúc chính:

tầng móng gồm các đá gốc cứng chắc và tầng phủ gồm các tầng trầm tích gắn kết

yếu hoặc bở rời.

Hầu hết trên địa bàn Thành phố, tầng đá gốc đều bị phủ bởi các trần tích bở

rời, chúng lộ ra rất hạn chế ở phường Long Bình - quận 9, và Giồng Chùa thuộc

huyện Cần Giờ. Các thành tạo trầm tích bở rời thuộc tầng phủ chiếm hầu hết diện

tích vùng Thành phố, chúng có tuổi từ Miocen muộn cho đến ngày nay, được xếp

thành các tập, các lớp từ hạt thô đến mịn xen kẽ nhau, phân bố tương đối nằm ngang

với bề dày tổng cộng có nơi lên đến hơn 350m.

Nước ngầm ở Thành phố Hồ Chí Minh khá phong phú và được chia thành 4

tầng chứa nước khác nhau. Trong khu vực nội thành, nước ngầm được khai thác chủ

yếu ở 3 tầng: 0-20m, 60-90m và 170-200m, trong khi đó, ở các khu vực ngoại thành

như ở quận 12, Hóc Môn, Củ Chi, nước ngầm có chất lượng tốt và thường được

khai thác ở tầng thứ 3, từ 60-90m.

Tuy các yếu tố địa chất được hình thành về cơ bản đã ổn định, nhưng các quá

trình xâm thực, bóc mòn, bồi lấp, xói lở vẫn thường xuyên xảy ra do diễn biến của