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
07/7/200
6



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 t
ục 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 t

ập 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 g
ồm 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 c
ứu 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 Trườ
ng
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, Cụ
c 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 trườ
ng 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 = A
0
. e
-α.x
.sin ωt (1.1)
Trong đó : A - Biên độ dịch chuyển tại vị trí quan sát
A
0
- 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 = A
0
e
-αx

A = A
0
e
-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 trườ
ng 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 t
ồn 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
.5,0
=
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 =
500*2
1800*5,0
= 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 củ
a 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 củ
a 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 đế

n 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 ch
ấn 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

λ
h
=
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 nă
ng 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
Bảng 1.1:
Kết quả xác định bán kính vựng Fresnel u tiờn
tơng ứng với v=1700m/s
TT Chiều sâu Tần số (Hz)

( mét) 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




Chiu sõu mt phn x (m)
v = 1700 Hz
100Hz
200Hz
500 Hz
1000 Hz
2000Hz
4000 Hz
8000 Hz
Hỡnh v s 1.4: Mi liờn h gia phõn gii ngang v chiu sõu
n
g
vi
t
ns khỏc 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 g
ần
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.
Gi
ả sử trong môi trường địa chất tồn tại ranh giới phẳng (R) phân môi
trường thành hai lớp ρ
1
và ρ
2
. Hai lớp này được đặc trưng bởi tốc độ truyền sóng
V
1
, V
2
và mật độ ρ
1
và ρ
2
. Khi trở kháng Z
1
= V
1
ρ
1

và Z
2
= V
2
ρ
2
khác nhau và
giả sử trong lớp thứ nhất xuất hiện một sóng dọc P
1
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 P
11
và sóng ngang P
1
S
1
, trong lớp
thứ hai xuất hiện sóng khúc xạ. Trong địa chấn phân giải cao người ta chỉ quan
tâm đến sóng phản xạ P
11
, còn sóng ngang P
1
S
1
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, A
11
- Biên độ sóng phản xạ; A
1
- Biên độ sóng đến
Z
1
- Độ kháng âm của lớp 1; Z
2
- 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 đị
a 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)
A
11

A
1
Z2 - Z1
Z2 + Z1
V
2
ρ
2
- V
1
ρ
1
V
2
ρ
2
+ V
1
ρ
1

20




P
1
S
1

P
11
R
P1S
2
P
12
P
ρ
1
ρ
2
Hình số 1.5 : Quá trình phản xạ và khúc xạ
qua mặt ranh giới R
21
Chương 2

MÁY VÀ THIẾT BỊ TRONG ĐỊA CHẤN PHÂN GIẢI CAO
oOo
Phương pháp địa chấn phân giải cao là một trong những phương pháp yêu
cầu cao về kỹ thuật điện tử và tin học. Các máy chủ yếu phục vụ cho địa chấn
phân giải cao là máy phát sóng tần số cao, hệ thống thu thập số liệu và máy định
vị vệ tinh toàn cầu GPS. Trong khuôn khổ của đề tài này chúng tôi chỉ đề cập
đến máy phát nguồn và một phần về bộ phận ghi tín hiệu. Trong địa chấ
n phân
giải cao chủ yếu sử dụng hai loại nguồn phát là sparker và boomer.
2.1- MÁY PHÁT NGUỒN SPARKER
2.1.1- Nguyên lý hoạt động
Nguồn phát sparker là một loại nguồn phát không quá phức tạp về cấu tạo. Năng
lượng điện được tích trong một bộ tụ điện có điện dung tương đối lớn và hiệu

điện thế cỡ 4 đến 5 KV được phóng qua một dàn điện cực đặt trong nước mặn.
Mỗi lần phóng điện, một thể tích nhỏ nước m
ặn xung quanh các nguồn điện cực
bị đốt nóng và tạo nên các bóng hơi, các bóng hơi này làm cho các phần tử nước
xung quanh điện cực áp sát vào nhau và tạo ra xung áp suất, từ đó sinh ra sóng
địa chấn tần số cao lan truyền trong môi trường địa chất [19, 21].
2.1.2- Cấu tạo của máy phát nguồn sparker
Máy phát nguồn sparker gồm 2 bộ phận chính là nguồn tích năng lượng và dàn
phát sóng Sparker.
2.1.2.1- Nguồn tích năng lượng.
Nguồn tích năng lượng gồm: Biến th
ế (1) để biến điện thế từ 220V50-
60Hz thành nguồn điện 4000 - 5000V ; Bộ chỉnh lưu (2) dòng điện xoay chiều
thành dòng điện một chiều ; Trở tải (3) ; Tụ điện không phân cực (4) ; Công tắc
điều khiển (5) để phóng điện (xem hình vẽ số 2.1) .

1
2
3
4
5
6
1 - Biến thế nguồn; 2 - Bộ chỉnh lưu; 3 - Trở tải ;
4 - Tụ tích điện ; 5 - Công tắc; 6 – Dàn điện cực
Hình số 2.1 : Sơ đồ điện của nguồn tích năng lượng
22
Năng lượng sóng phụ thuộc vào điện dung và hiệu điện thế trên tụ tích điện và
được xác định bằng công thức :
E =
2

1
CU
2
(2.1)
Ở đây, E - Năng lượng sóng, tính bằng Jul.
C - điện dung, tính bằng Fara
U - hiệu điện thế, tính bằng vôn.
Vấn đề khó khăn nhất đối với bộ tích năng lượng là nguồn điện áp lối ra
quá cao nên cần phải chọn nguyên liệu phù hợp. Mặt khác, vấn đề điều khiển
khóa (5) để phát xung cũng là vấn đề không đơn giản. Đối với máy Geont-Shelf,
các chuyên gia đã sử
dụng chổi than nên đã làm mất đi một phần năng lượng
không nhỏ khi điều khiển khoá mở, còn đối với máy Applied Acoustic (Anh) thì
dùng khóa bán dẫn. Khi thử chế tạo bộ tích năng lượng, chúng tôi đã sử dụng
khóa bán dẫn và sẽ được trình bày cụ thể trong mục 2.1.2.3.
2.1.2.2- Dàn phát sóng sparker
Có nhiều cách để chế tạo dàn phát sóng sparker trong địa chấn phân giải cao.
Vấn đề ở đây là làm thế nào để có công suất phóng
điện tối ưu. Công suất phóng
điện phụ thuộc vào năng lượng tích trên tụ điện tại thời điểm phóng điện và thời
gian phóng điện. Hệ số chuyển tải năng lượng điện thành áp suất sóng âm được
xác định bởi công thức sau :
N =
t
E
=
t
CU
2
2

(2.2)

Ở đây : N - Hệ số chuyển tải năng lượng
t - Thời gian phóng điện.

Thời gian phóng điện t = Π
LC phụ thuộc chủ yếu vào trở cảm của
đường dây và thường thay đổi từ 0,01 ~ 1,00 microgiây. Công suất điện dưới
dạng xung có thể đạt đến vài chục Megawatt.
Có khá nhiều cách để chế tạo dàn phát sparker trong địa chấn phân giải
cao. Để nguồn phát sparker đạt được tần số thích hợp và chiều sâu nghiên cứu
mong muốn thì có thể chọn một số tham số như số cực phát, kích thước cực,
khoảng cách giữa cực âm với cực dương và năng lượng phóng ra ở mỗi cực.
Thông thường, khoảng cách giữa cực dương và cực âm tăng lên tỷ lệ thuận với
hệ số chuyển đổi điện năng thành áp năng. Song trong trường hợp đó thời gian
phóng điện lại kéo dài và dòng điện lại giảm, dẫn đến công suất phóng điện
giảm.
Chính vì lẽ
đó nên cần phải chọn một khoảng cách thích hợp để có công
suất tốt nhất. Trong khi khảo sát các tuyến gần bờ biển vùng đồng bằng sông
Cửu Long chúng tôi đã sử dụng dàn phát sóng với 4 chùm cực, mỗi chùm 30
cực đơn và khoảng cách giữa cực dương và cực âm trong khoảng 0.1-0.15m.
Với kích thước này đã thu được kết quả tương đối tốt (xem kết quả ở chương 3).
Hệ
thống dàn phát sparker này cho độ phân giải thẳng đứng cỡ (1- 3m) và độ
23
sõu nghiờn cu c vi ba trm một. Cựng vi nhng u im k trờn, dn phỏt
sparker cng cú nhc im l cng xung phỏt khụng n nh v khú ỏp
dng cho mụi trng nc ngt.
2.1.2.3 - Quỏ trỡnh thit k v ch to

a) B ngun tớch nng lng
B ngun tớch nng lng c chỳng tụi ch to theo cụng ngh mi
nht trờn th gii. Ngun in xoay chiu 220V tn s 50Hz c chnh lu
thnh ngun 1 chiu. Sau ú c bin i thnh ngun xoay chiu tn s
38KHz v c nõng lờn nh bin th cao tn n 1800V. Ngun in ny li
c chnh lu thnh ngun in 1 chi
u np lờn t cao ỏp t hiu in th
3600V. S khi ca b ngun tớch nng lng c trỡnh by trờn hỡnh v s 2.2.

S khi ngun tớch nng lng




Khối
cung
cấp
nguồn

Khối
dao
động
Khối
Công
suất
Khối
Khống
chế
điện
áp

Biến áp
Cao áp
Chỉnh lu



cao áp
Khối
đồng
bộ
Tụ tích
Năng
lợng
Công
tắc
ĐIệN T
ử

Cao
áp
Tải Boomer hoặc Spacke
r
Xung
đồng
bộ
220 V
AC
Hỡnh 2.2 -S khi
n

g
un tớch nn
g
l

n
g
24
Để tăng công suất nguồn phát, chúng tôi đã sử dụng bộ tụ điện có điện
dung 120 µF và nhờ đó công suất đạt được 600 J (Hình vẽ số 2.3).















Hình vẽ số 2.3 : Bộ nguồn tích năng lượng

25

27


27
40
42
4
9
36
3
60
42
Trách nhiệm Họ và tên Ký Ngày Tỷ lệ: 2:1 Khối l ợng:
Số tờ:Tờ:Duyệt
Duyệt
Thiết kế
Đầu phát Sparker
109
Vật liệu: Nhựa kỹ thuật P.T.E
3x45

Hỡnh v s 2.4 : Thit k ngun phỏt sparker
28
48
51
13.5
4
54
1632

41
Jắc chuyển đổi
Thiết kế
Duyệt
Duyệt Tờ: Số tờ:
Khối lợng:Tỷ lệ: 2:1
NgàyKý Họ và tênTrách nhiệm
Vật liệu: Nhựa kỹ thuật P.T.E
5x45
4x45
106
R
4

Hỡnh v s 2.5 : Thit k Jc chuyn i ngun phỏt sparker

29
b) Quá trình chế tạo dàn phát sóng sparker.
Trong những năm vừa qua, Việt Nam đã nhập hai trạm máy địa chấn phân
giải cao để nghiên cứu cấu trúc các tập trầm tích Đệ tứ trên biển. Đó là loại máy
"Geont-Shelf" do Liên bang Nga sản xuất và loại máy "Applied Acoustic" do
Liên hiệp Anh chế tạo. Mỗi loại máy có những ưu điểm riêng của nó. Theo
chúng tôi thì loại máy "Geont-Shelf" có độ sâu nghiên cứu lớn hơn một ít,
nhưng loại máy "Applied Acoustic" có độ nghiên cứu chi tiết hơn. Ngoài ra, dàn
phát sóng sparker của máy "Applied Acoustic" có
ưu điểm là dễ điều chỉnh
khoảng cách giữa cực âm và cực dương của điện cực. Với những ưu điểm này,
chúng tôi đã chọn nguyên lý hoạt động của nguồn phát sparker kiểu của Liên
hiệp Anh để chế tạo. Từ các vật liệu có sẵn trong nước (nhựa kỹ thuật PA; dây
đồng Φ1.5mm bọc nhựa, cách điện 600V; keo cách đi

ện eboxy; nguồn ghép nối
với cao áp…), chúng tôi chế tạo thành công loại nguồn phát sparker gồm 8
chùm cực, mỗi chùm gồm 30 cực đơn lẻ . Kích thước của từng chùm cực được
trình bày trong trên hình vẽ số 2.4. Để đạt được công suất 1000J cần phải sử
dụng bốn chùm cực đặt thành một hàng (hình vẽ trang 25). Trong các trường
hợp cần thiết có thể sử dụng cả tám chùm điện cực được gắ
n thành hai hàng để
đạt được công suất 2000J. (xem hình trang 26 & hình vẽ số 2.6).


Hình 2.6 - Dàn phát sóng sparker
Với cách ghép này chúng tôi đã tiến hành đo thử nghiệm ở vùng cửa Trần Đề
(Sông Hậu) và thu được kết quả tương đối tốt (xem hình vẽ số 3.3)

30
BẢNG MÔ TẢ CHỈ TIÊU KỸ THUẬT, CẤU TẠO SPARKER

CHI TIẾT
SỐ
LƯỢNG
MÔ TẢ
Nguồn phát SPARKER 2000
Thân chùm cực
phát
08
Kích thước 109mm x 42mm; vật liệu : nhựa kỹ thuật PA, lõi
đổ nhựa EBOXI
Điện cực
phát/chùm cực
phát

30
Vật liệu : Dây điện đơn , qui cách Ø1.5mm x 200mm; cách
điện 600V
Dây kết nối các
chùm cực phát
8
Vật liệu : Dây điện 2 vỏ Korea, Ø10mm, loại 3x2.5, cách điện
1KV
Nguồn phát SPARKER 1000
Thân chùm cực
phát
04
Kích thước 109mm x 42mm; vật liệu : nhựa kỹ thuật PA, lõi
đổ nhựa EBOXI
Điện cực
phát/chùm cực
phát
30
Vật liệu : Dây điện đơn , qui cách Ø1.5mm x 200mm; cách
điện 600V
Dây kết nối các
chùm cực phát
4
Vật liệu : Dây điện 2 vỏ Korea, Ø10mm, loại 3 x 2.5, cách
điện 1KV
Jắc chuyển đổi
Thân jắc chuyển
đổi
02
Kích thước 106mm x 51mm; vật liệu : nhựa kỹ thuật PA, lõi

đổ nhựa EBOXI
Dây kết nối 02
Vật liệu : Dây điện 2 vỏ Korea, Ø10mm, loại 3x2.5, cách điện
1KV

ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT SPACKER 2000 / 1000
Kích thước 1350cm x 50cm x 950cm
Trọng lượng 50kg / 42kg
Dải năng lượng 240 – 2000J / 240 – 1000J
Năng lượng đầu vào cực
đại
2000J / 1000J

31
2.2. MÁY PHÁT NGUỒN BOOMER
Trong địa chấn phân giải cao, nguồn phát boomer thường được chế tạo đi
kèm với nguồn phát sparker. Cả hai nguồn phát này đều sử dụng chung một bộ
nguồn tích năng lượng đã được đề cập đến trong mục 2.1.2.1. Như chúng ta đã
biết nguồn phát boomer tạo ra sóng địa chấn có tần số cỡ 800 Hz đến 4000 HZ.
2.2.1- Nguyên lý hoạt động.
Nguồn phát boomer hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ trường.
Dưới tác dụng của một từ trường do dòng điện gây nên sẽ xuất hiện dòng điện
xoáy trong vật dẫn điện. Chính dòng xoáy này lại tạo ra từ trường thứ cấp có
hướng ngược chiều với từ trường sơ cấp. Sự tác dụng của hai từ trường ngược
chiều này đã t
ạo ra một lực làm cho vật dẫn điện chuyển động và từ đó gây nên
sóng địa chấn có tần số tương đối cao.
2.2.2- Cấu tạo nguồn phát boomer
Nguồn phát boomer có cấu tạo không quá phức tạp, gồm một đĩa dây dẫn
điện tốt gắn chặt trong một khối ỳ không dẫn điện. Trên bề mặt cuộn đĩa được

gắn gián tiếp một tấm nhôm mỏng. Khi năng lượng điện được tích tụ trong bộ
tích điện phóng qua đĩa dây thì xung quanh đĩa dây sẽ tạo nên một từ tr
ường
biến đổi từ 0 đến giá trị cực đại. Từ trường biến đổi này sinh ra dòng điện xoáy
trong tấm nhôm (theo định luật Fuco). Chính dòng điện xoáy này lại sinh ra từ
trường thứ cấp có phương ngược chiều với từ trường trong đĩa dây và đẩy đột
ngột tấm nhôm ra xa đĩa dây. Khi dòng điện trong đĩa dây tắt thì từ trường sơ
cấp giảm t
ừ giá trị cực đại về 0 và dòng xoáy trong tấm nhôm lại xuất hiện
nhưng có chiều ngược lại. Từ trường thứ cấp lại kéo tấm nhôm về gần với đĩa
dây dẫn. Sự đẩy ra và kéo về của tấm nhôm tạo ra xung sóng âm ngắn và nhọn.
Đó chính là sóng địa chấn tần số cao có dải tần cỡ 0,8 đến 4 KHz. Để tạo ra
xung sóng âm cao tần có cường độ đủ mạnh c
ần phải có dòng điện cỡ vài trăm
ampe hoặc lớn hơn. Chiều dày tấm nhôm phải đủ dày để hạn chế dòng xoáy xuất
hiện phía ngoài đĩa dây dẫn (Hình vẽ số 2.7).
2.2.3- Quá trình thiết kế và chế tạo nguồn phát boomer
Dựa vào nguyên lý hoạt động nêu trên chúng tôi đã thiết kế nguồn phát
boomer lần thứ nhất với kích thước như hình vẽ số 2.7.
Nguyên vật liệu được dùng làm khối ỳ là một khối hợp kim nhôm dày 5
(cm) được gắn trực tiếp với đĩa dây đồng dẹt (35 vòng). Keo dính được chọn là
eboxy sản xuất trong nước. Tấm nhôm cảm ứng được tạo ra bằng cách khoét
rãnh sâu cỡ 1cm trên khối nhôm làm khối ỳ củ
a nguồn phát. Máy phát nguồn
loại này chúng tôi gọi là “ nguồn phát boomer màng nhôm”
Nguồn phát boomer này có công suất và tần số tương đương với nguồn
phát boomer của máy Geont-Shelf do Liên bang Nga sản xuất. Công suất lớn
nhất của nguồn phát đạt đến 400 J và tần số khoảng 800 đến 4000 Hz (Hình số
2.8).

32
1
2
3
4
Trách nhiệm Họ và tên Ký Ngày Tỷ lệ: 1:5 Khối lợng:
Số tờ:Tờ:Duyệt
Duyệt
Thiết kế
TT Tên gọi S.l Vật liệu
Đ.vị Tổng
Khối lợng
Ghi chú
1
3
2
4 Dây điện
Tấm lót
Lõi cách điện
Đế
1
1
1
1Nhôm
Vật liệu cách điện
Cao su
Đồng đỏ 1x5
BOOMER
Chi tiết Đế
30

40 460
40
48
48
540
540
30 60 110
5
2
3
5
4x 8
28
90
460
46040

Hỡnh v s 2.7 : Thit k ngun phỏt boomer


33
ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT NGUỒN PHÁT BOOMER MÀNG NHÔM

Kích thước 54cm x 54cm x 9cm
Trọng lượng 21kg
Năng lượng đầu vào cực
đại
400J/phát nổ
Năng lượng đầu vào tốt
nhất

150J – 240J/ phát nổ
Đĩa dây dẫn điện Dây dẹt (đồng đỏ); qui cách 1mm x 5 mm
Dây dẫn kết nối Đồng đỏ; qui cách : Ø6; vỏ cách điện 1KV
Lõi cách điện Nhựa Eboxi
Đế (tấm ỳ) Hợp kim nhôm
Tấm lót Cao su xốp dày 10cm