PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN, LÝ THUYẾT VÀ ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐIỆN ĐỊA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



LƯƠNG VĂN THỌ



PHƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN,
LÝ THUYẾT VÀ ÁP DỤNG
NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG ĐIỆN ĐỊA



Chuyên ngành: Vật lý Địa Cầu
Mã số: 60 44 15




LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN THÀNH VẤN

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009
LỜI CẢM ƠN
[ \
Luận văn được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Trái Đất, thuộc
Khoa Vật lý của trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thành Vấn.
Em xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, người đã
bỏ công sức hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để cho em có th
ể hoàn thành
luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong Bộ môn Vật lý Trái Đất, những
người đã truyền thụ cho em những kiến thức cơ bản của ngành Vật lý Địa Cầu và
những tư duy về vật lý.
Em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Ngọc Thu, Ks.Nguyễn Trọng Tấn và
các anh chị thuộc Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam đã tạo điều kiện hướ
ng dẫn
tài liệu và kinh nghiệm xử lý tình huống trong thực tập và thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự
nhiên ĐHQG TP.HCM, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật Lý đã tạo điều kiện thuận lợi để
em hoàn thành luận văn và xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè thân hữu, những
người đã cùng em sát cánh.

Tp. Hồ Chí Minh, 09/2009
Học viên
Lương Vă
n Thọ

MỤC LỤC
[ \
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các kí hiệu
Danh mục các hình vẽ
Mở đầu 01
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN 06
1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 06
1.1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 06
1.1.2 Các yếu tố ảnh hưở
ng đến tính dẫn điện của vật chất dưới mặt đất 08
1.2 Lý thuyết phương pháp thăm dò điện 12
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò điện 12
1.2.1.1 Bài toán cơ sở 12
1.2.1.2 Xác định hàm thế 15
1.2.2 Nhiệm vụ, mục tiêu của phương pháp thăm dò điện 23
1.2.3 Sơ lược về các phương pháp thăm dò điện 29
1.2.3.1 Phương pháp đo sâu điện 29
1.2.3.2 Ph
ương pháp mặt cắt điện 29
1.2.3.3 Phương pháp ảnh điện 30
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ẢNH ĐIỆN HAI CHIỀU (2D) 31

2.1 Lý thuyết cơ bản của phương pháp ảnh điện 31
2.2 Bài toán thuận trong phương pháp thăm dò ảnh điện 2D 32
2.3 Bài toán ngược trong phương pháp thăm dò ảnh điện 2D 34
2.3.1 Phương pháp bình phương tối thiểu 35

2.3.2 Mô hình cho môi trường nửa không gian đồng nhất 39
2.3.2.1 Hàm độ nhạy 1D 41
2.3.2.2 Hàm độ nhạy 2D 45
2.3.3 Tính toán các đạo hàm riêng phần 47
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MÁY MÓC VÀ QUY TRÌNH ĐO ĐẠC 50

3.1 Thiết bị đo đạc 50
3.1.1 Các thiết bị phổ biến trong thăm dò 2D 50
3.1.1.1 Cáp, điện cực 50
3.1.1.2 Máy đo 50
3.1.2 Đánh giá độ nhạy của một số thiết bị cơ bản 55
3.1.2.1 Thiết bị Wenner 55
3.1.2.2 Thiết bị lưỡng cực (Dipole-dipole) 57
3.1.2.3 Thiết bị Wenner-Schlumberger 60
3.1.2.4 Thiết bị Pole-dipole 62
3.2 Nguyên tắc hoạt động máy thăm dò điện Ministing 67
3.2.1 Hướng dẫn sử dụng máy đo Ministing 67
3.2.2 Các thao tác cơ bản với máy đo Ministing 70
3.2.3 Các bước thực hiện của phép đo 73
3.2.4 Thao tác với điện trở kiểm tra (Test Resistor) 73
3.2.5 Tải số liệu đã đo vào máy tính 74
3.2.6 Định dạng số liệu 74
3.3 Quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa 75
3.3.1 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị Wenner 76
3.3.2 Quy trình đo đạc của hệ thiết b
ị Wenner-Schlumberger 78
3.3.3 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị lưỡng cực (Dipole-dipole) 80
3.3.4 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị Pole-pole 82
3.3.5 Quy trình đo đạc của hệ thiết bị Pole-dipole 83
3.3.6 Thăm dò điện độ phân giải cao chồng chất các mức dữ liệu 85

3.3.7 Những trở ngại trong thăm dò và nghịch đảo điện trở suất 87
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CỦA PH
ƯƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN 2D 92

4.1 Khảo sát ảnh điện tại khu vực Bán đảo Sơn Trà, Tp.Đà Nẵng 92
4.1.1 Tính toán mặt cắt điện trở suất theo mô hình lý thuyết 93
4.1.2 Quá trình giải bài toán ngược của đối tượng khảo sát 103
4.1.2.1 Triển khai đo đạc thực địa và thu thập số liệu 103
4.1.2.2 Tính toán mặt cắt điện trở suất theo số liệu thực địa 105
4.1.3 Nhận xét kết quả và đánh giá vai trò của bài toán thuận 111
4.2 Kh
ảo sát hiện tượng sụt lún ở Ấp Suối Râm, Xã Long Giao, 113
4.1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ 113
4.2.2 Vị trí địa lý và các đặc điểm địa chất, kiến tạo, địa vật lý 113
4.2.3 Kết quả, nhận xét và kết luận 115
4.3 Khảo sát môi trường tại khu vực gần Núi Ngũ Hành Sơn, Tp.Đà Nẵng 118
4.3.1 Thông tin về khu vực 118
4.3.2 Phương pháp và vị trí khu vực khảo sát 119
4.3.3 Kết quả và nhận xét 120
KẾT LUẬN 122
TÀI LI
ỆU THAM KHẢO 124
PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
[ \
+ ρ(Ω.m): Điện trở suất của vật chất.
+ ρ
a
(Ω.m): Điện trở suất biểu kiến đo được từ thực nghiệm.
+ ε(F/m): Độ điện thẩm.

+ μ(H/m): Độ từ thẩm.
+ η: Độ phân cực.
+ σ(1/ Ω.m): Độ dẫn điện.
+ λ: Hệ số bất đẳng hướng (hệ số thấm).
+ λ
i
: Hệ số bất đẳng hướng của phân lớp thứ i.
+ ρ
n
(Ω.m): Điện trở suất dọc.
+ ρ
ni
(Ω.m): Điện trở suất dọc của phân lớp thứ i.
+ ρ
t
(Ω.m): Điện trở suất ngang.
+ ρ
ti
(Ω.m): Điện trở suất ngang của phân lớp thứ i.
+
i
ρ (Ω.m): Trung bình nhân của điện trở suất.
+ ρ
x
: Điện trở suất theo phương x.
+ ρ
y
: Điện trở suất theo phương y.
+ ρ
z

: Điện trở suất theo phương z.
+ δρ(Ω.m): Sự thay đổi điện trở suất trong một yếu tố thể tích nhỏ tại (x,y,z).
+ h
i
(m): Bề dày của phân lớp thứ i.
+ t (
o
C) : Nhiệt độ.
+ρ
18
: Điện trở suất ở 18
o
C.
+ α: Hệ số nhiệt.
+ ρ
w
(Ω.m): Điện trở suất của chất lỏng.
+ Ф: Tỷ lệ đá chứa chất lỏng.
+ J(A/m
2
) : Mật độ dòng điện.
+ GradJ =
J∇ : Đạo hàm của mật độ dòng điện theo hướng của các trục tọa độ.
+ δ: Hàm delta Dirac.
+ E(V/m) : Cường độ điện trường.
+ I(A): Dòng phát.
+ U(V) : Điện thế.
+∆U(V): Hiệu điện thế giữa hai cực thu.
+ δU(V): Sự thay đổi điện thế ứng với sự thay đổi điện trở suất δρ.
+ U

i
(r,ζ): Hàm thế trên mặt của phân lớp thứ i.
+R
i
(λ); T
i
(λ): Hàm nhân.
+ J
o
(mr); Y
o
(mr): Các nghiệm riêng của hàm Betxen cấp zero.
+ J
1
(x): Hàm Betxen bậc 1.
+GradU=
∇ U: Tốc độ biến thiên của điện thế theo các trục tọa độ.
+∂U/∂r: Đạo hàm của điện thế theo tọa độ.
+ ∆x
1
(m): Khoảng cách giữa điểm nút thứ 1 và thứ 2 theo phương
ngang (x) trong mạng lưới chữ nhật của bài toán thuận.
+ ρ
ij
(Ω.m): Điện trở suất tại dòng i, cột j của ô chữ nhật trong mạng lưới
chữ nhật.
+ r
C1
, r
C2

(m): Khoảng cách từ một điểm trong môi trường (kể cả trên bề
mặt) đến điện cực dòng thứ nhất và thứ hai.
+ r
C1P1
= C
1
P
1
(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 1 và điện cực thế thứ 1.
+ r
C1C2
= C
1
C
2
(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 1 và thứ 2.
+ r
C2P1
= C
2
P
1
(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 2 và điện cực thế thứ 1.
+ r
C2P2
= C
2
P
2
(m): Khoảng cách giữa điện cực dòng thứ 2 và điện cực thế thứ 2.

+ k: Tham số hình học.
+ R(Ω): Điện trở.
+ y= col(y
1
,y
2
,…): Biểu diễn tập các dữ liệu quan sát được.
+ f= col(f
1
,f
2
,…): Biểu diễn dữ liệu đáp ứng mô hình.
+ q=col(q
1
,q
2
,…): Biểu diễn các tham số mô hình.
+ ∆q: Vector độ lệch của tham số mô hình.
+ g: Vector biểu diễn sự sai lệch giữa dữ liệu quan sát và đáp
ứng mô hình.
+ g
T
: Chuyển vị của vector g.
+ E: Tổng bình phương sai số của độ sai lệch giữa các dữ liệu quan sát
được và đáp ứng mô hình.
+ J: Ma trận Jacobi kích thước (m x n).
+ J
T
: Chuyển vị ma trận Jacobi.
+ J

ij
=∂f
i
/∂q
j
: Phần tử ma trận Jacobi ở dòng i cột j.
+ I: Ma trận đồng nhất.
+ C
x
, C
y
, C
z
: Các ma trận làm trơn theo phương x, y, z .
+ C
x
T
, C
y
T
, C
z
T
: Chuyển vị các ma trận làm trơn theo phương x, y, z .
+ α
x
, α
y
, α
z

: Các trọng số tương đối cho các bộ lọc trơn theo phương x, y, z .
+ R
d
, R
m
: Các ma trận gia trọng.
+ dτ: Yếu tố thể tích mà trong đó δρ có giá trị không đổi.
+ F
3D
, F
2D
, F
1D
: Đạo hàm Frechet hay hàm độ nhạy 3D, 2D, 1D.
+ “a(m)”: Khoảng cách giữa hai điện cực liên tiếp.
+ “L(m)”: Chiều dài tối đa của thiết bị.
+ “n”: Thừa số độ sâu của thiết bị.
+ Ze(m): Chiều sâu khảo sát trung bình.
+ n
x
, n
z
: Số các đánh giá hàm theo hướng x và z.
+ W
k
, W
l
: Các trọng số tương ứng với các giá trị của n
x
, n

z
.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
[ \
Hình 1.1:
Mô hình phân lớp ngang của môi trường đồng nhất bất đẳng hướng.
Hình 1.2: Dáng điệu của hàm
)mr(J
o
và )mr(Y
o
.
Hình 1.3:
Dáng điệu của các hàm thx và cthx.
Hình 1.4:
Dòng điện chạy từ nguồn dòng điểm và sự phân bố điện thế.
Hình 1.5:
Sự phân bố điện thế gây ra bởi một cặp điện cực dòng đặt cách nhau
1m, với dòng điện 1 Ampere trong môi trường nữa không gian đồng
nhất có điện trở suất 1
m
Ω
.
Hình 1.6:
Mô hình thiết bị truyền thống với 4 điện cực được sử dụng trong thăm
dò điện.
Hình 1.7:
Các mô hình thiết bị thường được sử dụng trong thăm dò điện và các
tham số hình học của chúng.
Hình 1.8:

Hệ thiết bị bốn cực đối xứng.
Hình 2.1:
Mạng lưới chữ nhật sử dụng trong phương pháp sai phân hữu hạn và
phần tử hữu hạn của chương trình Res2Dmod.
Hình 2.2:
Thiết bị Pole-pole với điện cực dòng ở điểm gốc và điện cực thế đặt
cách nó một khoảng cách “a” trên bề mặt môi trường.
Hình 2.3:
Đồ thị hàm độ nhạy 1D: a)Thiết bị Pole-pole; b)Thiết bị Wenner. Chú
ý là độ sâu trung bình gấp 2 lần độ sâu ứng với giá trị cực đại của hàm
độ nhạy.
Hình 2.4:
Các m
ặt cắt độ nhạy 2D cho thiết bị Wenner-alpha, Wenner-beta,
Wenner-gamma.
Hình 2.5:
Các tham số của một khối chữ nhật có liên quan đến việc tính toán đạo
hàm riêng 2D của khối. C và P là các điện cực dòng và điện cực thế
tương ứng.
Hình 3.1:
Hình ảnh về hệ thống thiết bị thăm dò điện.
Hình 3.2:
Minh họa hệ thống Abem Lund. Mỗi vạch trên các cáp biểu diễn một
vị trí điện cực.Các cáp được đặc dọc theo tuyến đơn (trên hình trình
bày dịch chuyển sang một bên để dễ hình dung). Trên hình vẽ cũng
biểu diễn nguyên tắc dịch chuyển của các cáp theo kỹ thuật cuốn chiếu.
Tổng chiều dài phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nút.
Hình 3.3:
Hệ thống Aarhus, hệ thống có hai điện cực dòng và 6 điện cực thế.
Hình 3.4:

Hệ thống Geometric OhmMaper dùng các điện cực nối điện dung.
Hình 3.5:
Sơ đồ hệ thống di
động dưới nước, cáp có hai điện cực dòng cố định và
các điện cực thế để có thể thực hiện các phép đo với các khoảng cách
khác nhau. Cấu hình thiết bị là cấu hình thiết bị Wenner, ngoài ra còn
có thể áp dụng các cấu hình thiết bị khác, như thiết bị gradient,…
Hình 3.6:
Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Wenner, cho các cấu hình thiết bị:
Wenner alpha, Wenner beta và Wenner gamma.
Hình 3.7:
Các mặt cắt của đườ
ng cong độ nhạy 2D của thiết bị lưỡng cực. Các
mặt cắt ứng với a) n = 1, b) n = 2, c) n = 4, d) n = 6.
Hình 3.8:
Có hai cách sắp xếp khác nhau đối với thiết bị lưỡng cực trong đo đạc.
Cả hai cấu hình có cùng chiều dài nhưng có thừa số “a” và “n” khác
nhau, kết quả là cường độ tín hiệu rất khác nhau.
Hình 3.9:
1) So sánh cấu hình điện cực; 2) Dạng điểm dữ liệu, cho hai cấu hình
thiết bị Wenner và Wenner-Schlumberger.
Hình 3.10:
Mặt cắt đường cong độ nhạy 2D của thiết bị Wenner-Schlumberger,
ứng với n = 1, n = 2, n = 4, n = 6.
Hình 3.11:
Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Pole-dipole ứng với n = 1, n = 2,
n = 4, n= 6.
Hình 3.12:
Cấu hình thiết bị Pole-dipole thuận và nghịch.
Hình 3.13:

Các mặt cắt độ nhạy 2D của thiết bị Pole-dipole với chiều dài lưỡng
cực là 1m ứng với các giá trị n = 6,12,18. Chú ý, khi n tăng, đới có độ
nhạy dương cao trở nên tập trung hơn trong một đới nông bên dưới
lưỡng cực.
Hình 3.14:
Mặt cắt giả điện trở suất biểu kiến của thiết bị Pole-dipole với các giá
trị “n” lớn. Ảnh hưởng của các khối nhỏ điện trở suất cao gần bề mặt
trở nên lớn hơn khi “n” gia tăng, điều này có nghĩa là khi thừa số “n”
gia tăng thì độ nhạy của thiết bị đối với vùng gần bề mặt giữa lưỡng
cực P
1
-P
2
cũng gia tăng.
Hình 3.15:
Sơ đồ khoảng thời gian cho một lần đo bao gồm: phát dòng +ON, tắt
OFF, đổi chiều đòng phát – ON và tắt dòng.
Hình 3.16:
Máy đo Ministing.
Hình 3.17:
Máy Sting-R
1
với hộp Swift.
Hình 3.18:
Cách sắp xếp các điện cực trong thăm dò điện 2D và trình tự các phép
đo để xây dựng một mặt cắt giả cho hệ thiết bị Wenner-alpha.
Hình 3.19:
Cách bố trí điện cực và quy trình thực hiện các phép đo để xây mặt cắt
giả cho hệ thiết bị Wenner-Schlumberger.
Hình 3.20:

Quy trình tiến hành các phép đo để xây dựng một mặt cắt giả cho thiết
bị lưỡng c
ực (Dipole-dipole). Thừa số “n” tăng đến giá trị tối đa là 6.
Hình 3.21:
Sử dụng phương pháp cuốn chiếu để kéo dài tuyến trong khảo sát 2D.
Hình 3.22:
Quy trình thực hiện các phép đo để xây dựng một mặt cắt giả của thiết
bị Pole-pole.
Hình 3.23:
Quy trình khảo sát thực địa của thiết bị Pole-dipole.
Hình 3.24:
Quy trình khảo sát thực địa tiến hành các phép đo điện trở suất trên
tuyến 7 theo phương pháp chồ
ng chất các mức dữ liệu cho hệ thiết bị
Pole-dipole, để xây dựng một mặt cắt giả.
Hình 4.1:
Mô hình bất đồng nhất điện trở suất của đối tượng khảo sát. Ở đây, ta
nhìn mặt cắt theo phương nằm ngang (theo phương của chiều rộng).
Hình 4.2:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết bị
Wenner-alpha, ứng với khoảng cách điện cực “a” được mở
rộng từ 1m đến 10m.
Hình 4.3:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết bị Pole-pole, ứng với khoảng cách điện cực “a” được mở rộng từ
1m đến 10m.
Hình 4.4:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết bị Gradient, ứng với khoảng cách điện cực “a” được mở rộng từ

1m đến 10m.
Hình 4.5:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết bị lưỡng cực xích đạo, ứng với khoảng cách điện cực “a” được
mở rộng từ 1m đến 10m.
Hình 4.6:
Mặt cắt điện trở suấ
t biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết bị lưỡng cực, ứng với khoảng cách điện cực a = 1m và thừa số “n”
thay đổi từ 1 đến 16.
Hình 4.7:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết Wenner-Schlumberger, ứng với khoảng cách điện cực a = 1m và
thừa số “n” thay đổi từ 1 đến 16.
Hình 4.8:
Mặt c
ắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết Pole-dipole “thuận”, ứng với khoảng cách điện cực a = 1m và
thừa số “n” thay đổi từ 1 đến 16.
Hình 4.9:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo lý thuyết của mô hình trên cho hệ
thiết Pole-dipole “nghịch”, ứng với khoảng cách điện cực a = 1m và
thừa số “n” thay đổi từ
1 đến 16.
Hình 4.10:
Quy trình đo đạc thực địa của hệ thiết bị Wenner-alpha, với các mức
đo sâu khác nhau cho từng thiết bị.
Hình 4.11:
Máy đo điện, một số điện cực và cuộn cáp sử dụng để đo đạc và thu
thập số liệu.

Hình 4.12:
Một buổi đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa.
Hình 4.13:
Tuyến khảo sát khi nhìn về hướng tây (giáp núi Sơ
n Trà).
Hình 4.14:
Tuyến đo khi nhìn về hướng đông (giáp biển).
Hình 4.15:
Vị trí điểm đo tại khu vực bán đảo Sơn Trà.
Hình 4.16:
Tập dữ liệu đo đạc thực địa đã nêu ở trên được biểu diễn dưới dạng
tuyến.
Hình 4.17:
Kết quả nghịch đảo ở vòng lặp thứ 2, sai số 3,6%. Từ mặt cắt, ta thấy
đối tượng khảo sát xuất hiệ
n rõ ràng (phần màu tím đậm ở trung tâm).
Hình 4.18:
Mặt cắt điện trở suất biểu kiến đo đạc thực địa phản ánh đối tượng
khảo sát được biểu diễn theo Surfer.
Hình 4.19:
Bản đồ vị trí địa lý của ấp Suối Râm, xã Long Giao, huyện Cẩm Mỹ,
tỉnh Đồng Nai.
Hình 4.20:
Một buổi đo đạc thực địa tuyến 7tại khu vực Suối Râm-Long Giao-
Cẩm Mỹ-Đồng Nai.
Hình 4.21:
Mặt c
ắt mô hình điện trở suất của tuyến 7, khu vực Suối Râm-Long
Giao-Cẩm Mỹ-Đồng Nai.
Hình 4.22:

Mặt cắt mô hình điện trở suất của tuyến 8, khu vực Suối Râm-Long
Giao-Cẩm Mỹ-Đồng Nai.
Hình 4.23:
Mặt cắt mô hình điện trở suất của tuyến 9, khu vực Suối Râm-Long
Giao-Cẩm Mỹ-Đồng Nai.
Hình 4.24:
Sơ đồ vị trí của tuyến khảo sát tại khu vực g
ần Ngũ Hành Sơn.
Hình 4.25:
Một số hình ảnh đo đạc thực địa tại khu vực gần Ngũ Hành Sơn.
Hình 4.26:
Mặt cắt điện trở suất của tuyến khảo sát gần Ngũ Hành Sơn.



Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 1 \
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những thập niên gần đây, từ những nhu cầu thực tế cùng với sự tiến bộ
và phát triển của nhiều 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 đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực nghiên cứu khoa học và đời sống, nhằm phục vụ cuộc sống con người. Một số
lĩnh vực đã được áp dụng phương pháp địa vật lý, cụ thể là:

+ Nghiên cứu các đặc điểm địa kỹ thuật và môi trường, nhằm cung cấp thông
tin cần thiết để có biện pháp thích hợp phòng tránh và giảm thiểu đáng kể những
thiệt hại do các biến cố tự nhiên và nhân sinh như: sạt lở, động đất, rò rỉ phóng xạ
và các yếu tố môi trường khác.

+ Cung cấp các thông tin cần thiết (các tham số địa vật lý) cho thiết kế công
trình kèm theo các dự báo cần thiết cho việc phòng tránh các sự
cố trong vấn đề kỹ
thuật và môi trường trong tương lai.
+ 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.
+ Tăng cường hoạt động nghiên cứu cũng như điều tra cơ bản về địa chất và
các kiến thức địa chất thủy văn.
Ngoài ra, các phương pháp địa vật lý còn được sử dụng nh
ư 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 nhu cầu về địa kỹ thuật, văn hoá, nông nghiệp và môi trường…
Cùng với sự ra đời và phát triển vượt bậc trong kỹ thuật tính toán, xử lý máy tính và
cuộc cách mạng trong chế tạo thiết bị, các phương pháp thu thập và xử lý tài liệu địa
vật lý mới đã tạo điều ki
ện cho các phương pháp địa vật lý có những bước phát triển
đáng kể, giữ một vai trò quan trọng trong các ngành khoa học kỹ thuật khác nhau,
đặc biệt là trong nghiên cứu và khảo sát địa chất.
Các khảo sát địa vật lý sẽ giúp ta thu được trực tiếp các tham số vật lý như:
tính đàn hồi, trọng lực, từ trường, độ dẫn điện, độ truyền dẫn và sự phân cực của

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 2 \
sóng điện từ và các bức xạ gamma tự nhiên,… Các tham số này được dùng để dẫn
suất ra các tham số khác nhau của môi trường như: thành phần hóa học, độ xốp, độ
từ thẩm, địa tầng, cấu trúc địa chất và các tính chất khác nhau của các đối tượng
nằm trong môi trường gần mặt đất.
Tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể, cùng với khả năng tài chính và các đặc điểm
của đố
i tượng nghiên cứu mà các phương pháp địa vật lý khác nhau sẽ được lựa

chọn, có thể là thăm dò địa chấn, thăm dò từ, hoặc thăm dò trọng lực, phương pháp
phóng xạ, hay là thăm dò điện,… Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm nhất
định đối với từng đối tượng nghiên cứu cụ thể. Như phương pháp địa chấn có độ
phân giải tốt đối với các cấu trúc phân lớp và đứt gãy nhưng lại hạn chế đối với môi
trường có vận tốc thấp (lớp phủ bở rời), còn phương pháp thăm dò điện có hiệu quả
với các cấu trúc nông, nhưng bị hạn chế khi nghiên cứu cấu trúc dưới mặt móng kết
tinh. Tuy nhiên, xét về mặt kinh tế và hiệu quả của nó thì phương pháp thăm dò điện
thể hiện tính ưu việt của mình trong thực tiễn nhờ vào giá thành, thiết bị gọn nhẹ, dễ
thao tác thu thập số liệu
. Cơ sở của phương pháp thăm dò điện là bài toán phân bố
điện trường và điện thế trong môi trường dẫn điện do nguồn điện tự nhiên và nhân
tạo sinh ra. Từ đó, người ta phát triển các phương pháp tính cho môi trường bất
đồng nhất hai chiều và ba chiều.
Phương pháp thăm dò điện được sử dụng từ lâu trong các nghiên cứu và
khảo sát địa chất. Trước đây, các thă
m dò điện đều được thực hiện và giải đoán dưới
dạng 1D. Hạn chế lớn nhất của phương pháp điện trở suất 1D là bài toán thuận và
bài toán ngược được xây dựng trên cơ sở giả thiết rằng môi trường bên dưới có cấu
trúc phân lớp ngang, giá trị của điện trở suất của môi trường chỉ thay đổi theo
phương thẳng đứng, mô hình này thường ít khi gặp trong thực tế. Trong nhiều
nghiên cứu địa kỹ thuật và môi trường, môi trường địa chất bên dưới mặt đất là môi
trường rất phức tạp, giá trị điện trở suất thay đổi bất thường trong phạm vi hẹp. Do
vậy, phương pháp đo sâu điện trở suất 1D không đủ chính xác để xác định các đối
tượng như vậy và thường dẫn đến kết quả giải đ
oán sai lệch. Để nhận được một mô
hình bên dưới mặt đất chính xác và gần gũi với thực tế hơn, ta cần phải sử dụng một

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 3 \
mô hình tốt hơn đó là mô hình 2D, với mô hình này ta có thể biết thêm thông tin về

sự thay đổi giá trị của điện trở suất dọc theo tuyến khảo sát. Mô hình này được áp
dụng khá hiệu quả cho công tác khảo sát địa kỹ thuật và môi trường trong những
thập niên gần đây, đặc biệt những nơi có điều kiện địa chất phức tạp và thường được
gọi là phương pháp ảnh điện hai chiều (2D). Ngày nay, phương pháp ảnh điện 2D
được sử dụng nhiều trong các cuộc thăm dò điện do đáp ứng được tính kinh tế và độ
chính xác của cuộc khảo sát.
Với tính ưu việt của mình, phương pháp ảnh điện (2D) là một phần không
thể thiếu trong tổ hợp các phương pháp địa vật lý hiện đại, ứng dụng trong nghiên
cứu cấu trúc g
ần mặt đất với hiệu quả rất cao. Để có cái nhìn đầy đủ về lý thuyết
cũng như khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp này trong nghiên cứu môi
trường điện địa, trong luận văn của mình, tôi chọn đề tài nghiên cứu:
“ Phương pháp ảnh điện, lý thuyết và áp dụng nghiên cứu
môi trường điện địa ”
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
+
Thứ nhất: Trình bày tổng quan về lý thuyết của phương pháp thăm dò
điện. Trong đó, nêu lên được tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất, dẫn ra
được biểu thức hết sức quan trọng trong thăm dò điện, đó là biểu thức phân bố điện
thế trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang do nguồn dòng phát ra tại một điểm
cũng nằm trên bề mặt của môi trường phân lớp ngang đó.
+ Thứ hai: Trình bày tổng quan lý thuyết ảnh điện hai chiều: giới thiệu cơ sở
lý thuy
ết của phương pháp ảnh điện, bài toán thuận, bài toán ngược trong thăm dò
điện: trong đó có trình bày cách tính đạo hàm riêng phần cho môi trường nửa không
gian đồng nhất, phương pháp bình phương tối thiểu.
+ Thứ ba: Trình bày về thiết bị máy móc và quy trình đo đạc, thu thập số
liệu ngoài thực địa: trong đó có giới thiệu các thiết bị phổ biến trong thăm dò điện
2D, đánh giá độ nhạy của các thiết bị cơ bản, trình bày về nguyên tắc hoạt động của
máy đo Ministing

và quy trình đo đạc ngoài thực địa của một số hệ thiết bị Wenner-

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 4 \
alpha, Wenner-Schlumberger,… Đặc biệt là trình bày về phương pháp thăm dò điện
độ phân giải cao chồng chất các mức dữ liệu, rất linh hoạt và hiệu quả trong thăm
dò điện.
+ Thứ tư: Áp dụng phương pháp ảnh điện vào thực tiễn để giải để giải quyết
các vấn đề địa vật lý cụ thể: Khảo sát ảnh điện tại khu vực Bán Đảo Sơn Trà, Tp.Đà
Nẵng để đánh giá vai trò của bài toán thuận đối với bài toán ngược trong thăm dò
ảnh điện nói riêng, cũng như trong thăm dò điện nói chung, thông qua đó giới thiệu
hai chương trình giải bài toán thuận (Res2Dmod) và bài toán ngược (Res2Dinv);
khảo sát ảnh điện tại khu vực gần Ngũ Hành Sơn, Phường Bắc Mỹ An, Tp. Đà Nẵng
để giải quyết vấn đề môi trường; khảo sát hiện tượ
ng sụt lún tại Ấp Suối Râm, xã
Long Giao, huyện Cẩm Mỹ, Tĩnh Đồng Nai.
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
+
Tổng quan hóa, cho ta cái nhìn bao quát về cơ sở của phương pháp thăm
dò điện.
+ Nghiên cứu lý thuyết của phương pháp ảnh điện hai chiều, trong đó có tìm
hiểu mối quan hệ giữa bài toán thuận và bài toán ngược trong phương pháp ảnh điện
nói riêng và trong thăm dò điện nói chung.
+ Giới thiệu về các hệ thống thiết bị thăm dò điện phổ biến, đồng thời trình
bày quy trình đo đạc và thu thập số liệu ngoài thực địa của một số hệ thiết bị phổ
biến hiện nay và đặc biệt có trình bày về nguyên tắc hoạt động của máy thăm dò
điện MINISTING của Mỹ, một trong những máy đo điện mới nhất hi
ện nay.
+ Kiểm tra, đánh giá vai trò của bài toán thuận trong việc lựa chọn triển khai
hệ thiết bị phù hợp với đối tượng khảo sát, cũng như việc giải bài toán ngược trong

thăm dò ảnh điện hai chiều (2D), nhằm nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian của
mỗi cuộc khảo sát. Ứng dụng thực tế phương pháp ảnh điện để khảo sát vấn đề môi
tr
ường tại một số nơi như: Tp.Đà Nẵng và Tĩnh Đồng Nai.
4. Bố cục của luận văn
Luận văn được trình bày trong 125 trang, bao gồm:

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 5 \
- Mở đầu: gồm 5 trang là phần giới thiệu chung về luận văn.
- Chương 1: gồm 25 trang là phần “ Tổng quan về phương pháp thăm dò
điện”.
- Chương 2: gồm 19 trang, là phần trình bày “ Lý thuyết ảnh điện hai
chiều (2D)”.
- Chương 3: gồm 42 trang, là phần trình bày “ Thiết bị máy móc và quy
trình đo đạc của các thiết bị”.
- Chương 4: gồm 31 trang, là phần “ Kế
t quả ứng dụng của phương pháp
ảnh điện 2D”.
- Kết luận: Trình bày vai trò và tầm quan trọng của phương pháp ảnh điện
hai chiều (2D) trong thăm dò điện nói riêng, cũng như trong thăm dò địa
vật lý nói chung. Đồng thời đưa ra các kiến nghị để nâng cao hiệu quả
trong thăm dò ảnh điện hai chiều (2D).
Với điều kiện nghiên cứu trong nước, mặ
c dù chúng tôi đã cố gắng
tận dụng mọi khả năng và điều kiện để có thể giải quyết tốt nhất những
nhiệm vụ đặt ra. Nhưng do yếu tố khách quan hay chủ quan, chắc chắn
không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong muốn nhận được sự quan
tâm đóng góp ý kiến của các thầy và bạn đồng nghiệp.

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 6 \
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐIỆN
#"
1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất
1.1.1 Tính chất dẫn điện của vật chất dưới mặt đất
Hình dạng và tính chất của trường điện từ trong đất phụ thuộc vào nguồn gây
ra trường và các tính chất điện từ của đất đá. Tính chất điện từ của đất đá được thể

hiện qua các tham số: Điện trở suất ρ, độ điện thẩm ε, độ từ thẩm μ, ngoài ra ta còn
xét đến độ hoạt động điện hóa α, độ phân cực η. Đối với một loại đất đá bất kỳ, các
tham số điện từ đã nêu phản ánh định lượng khách quan thành phần khoáng vật và
thạch học, cấu trúc và lịch sử tạo thành, điều kiện và thế nằm của chúng… Ngoài ra,
các tham số đã nêu cũng phụ thuộc vào tần số biến đổi của trường điện từ và các
điều kiện vật lý khác. Điện trở suất là tham số điện từ quan trọng nhất được nghiên
cứu trong địa điện, trong hệ SI điện trở suất được đo bằng ohm.m(Ω
.m), còn đại
lượng ngược lại là độ dẫn điện

σ
, được đo bằng (1/Ω.m).
Dòng điện trong môi trường đất đá ở tầng nông (gần mặt đất) truyền dẫn
theo hai cách chính: dẫn điện điện tử và dẫn điện điện phân (hay dẫn điện ion).
Trong dẫn điện điện tử, phần tử tải điện là các điện tử tự do giống như trong các
kim loại. Còn trong d
ẫn điện điện phân, phần tử tải điện là các ion của môi trường
nước dưới mặt đất. Trong các khảo sát địa kỹ thuật và môi trường, thì cơ chế dẫn
điện điện phân là thông dụng nhất, dẫn điện điện tử chỉ đóng vai trò quan trọng khi
có sự hiện diện của khoáng vật dẫn điện như các sulfit và graphit kim loại trong
thăm dò khoáng sản.
Chúng ta có thể phân loại một số vật chất bên dưới mặt đất theo cách dẫn
điện của chúng theo Bảng 1.1:
Bảng 1.1: Phân loại vật chất theo cách dẫn điện của chúng
Loại 1: Dẫn điện điện tử
+ Các kim loại tự nhiên (Pt, Au, Ag, Cu)
+ Các sulfua (bornit, galenit, covellin, pirrotin,

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 7 \
Pentlandit, acxenopirit, calcopirit, …)
+ Một vài loại oxyt (magnetic, caxiterit, …)
+ Graphit và các loại thanh cacbon hóa cao
Loại 2: Dẫn điện điện phân
+ Tất cả các nham thạch, trầm tích, biến chất và phún xuất
chưa được kể ở trên, các loại nước tự nhiên.
Điện trở suất của đất đá bên dưới mặt đất có mối quan hệ chặt chẽ vào đặc
tính và độ dẫn của khoáng vật tạo nên chúng. Dựa vào độ lớn của điện trở suất,
khoáng vật có thể được phân loại theo Bảng 1.2:
Bảng 1.2: Phân loại khoáng vật theo điện trở suất

Khoáng vật Điện trở suất
▪ Vàng, bạch kim, bạc tự nhiên < 10
-5
Ω.m
▪ Các sunfua: pirit, calcopirit, arxenopirit, galenit, …
▪ Một vài loại oxyt: canxiterit, barnit, marcazit, …
▪ Grafic và vài loại than
10
-5
÷
1 Ω.m
▪ Hêmatit, bôcxit, kinôvar, anhydrit, selit, … 1÷10
5
Ω.m
▪ Tràng thạch, thạch anh, calxit, mica, dầu, … 10
5
÷10
22
Ω.m
Trong đất đá nói chung, tỷ lệ khoáng vật có điện trở suất thấp chứa trong
chúng càng lớn thì chúng dẫn điện càng tốt. Tuy nhiên, phần lớn trong đất đá,
khoáng vật có điện trở suất rất cao. Do đó, gần đúng có thể xem các đất đá có thể
được tạo nên bởi các khung khoáng vật và dung dịch nước tự nhiên chứa đầy các lỗ
rỗng và khe trong khung khoáng vật ấy. Nước chứa trong khung khoáng vật có thể
chia làm hai loại: nước tự do chứa trong các lỗ rỗng gọi là nước khối và nước liên
kết trên mặt gọi là nước mặt.
Nước khối di chuyển trong đất đá dưới tác dụng của trọng lực và lực mao
dẫn. Phần tử tải điện trong chúng là các ion muối khoáng. Do vậy, lượng nước khối
và độ khoáng hóa của nó xác định điện trở suất của đất đ
á. Vì các quá trình điện hóa

khác nhau, nên bề mặt các hạt rắn của đất đá có hấp thụ một lớp nước mỏng, mặt

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 8 \
trong của lớp nước trên mặt này có các điện tích của pha rắn, còn mặt ngoài có các
ion ngược dấu của pha lỏng. Kết quả là một lớp điện kép được tạo thành. Tùy theo
khả năng giữ ion, mà lớp nước trên mặt được gọi là liên kết bền hay không bền, khi
có dòng điện chạy qua các ion của nước trên mặt bị phân cực.
1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẫn điện c
ủa vật chất dưới mặt đất
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất của đất đá gồm: thành phần khoáng
vật, độ rỗng, độ nứt nẻ, độ ẩm, độ khoáng hóa của nước ngầm, kiến trúc bên trong,
nhiệt độ và áp suất. Thông thường, các khoáng vật trong đất đá không dẫn điện, vì
vậy điện trở suất củ
a phần lớn các đất đá trầm tích, biến chất và phún suất ít phụ
thuộc vào thành phần khoáng vật, mà được quyết định bởi các yếu tố còn lại. Khi
tăng độ rỗng, điện trở suất của đất đá giảm do số lượng nước khối và nước trên mặt
tăng lên. Cũng như khi tăng độ ẩm, tức độ ngấm nước của phần rỗ
ng, điện trở suất
của đất đá giảm đi. Vì vậy, độ dẫn điện của đất đá ở dưới mực nước ngầm thường
lớn hơn trên mực nước ngầm. Điều này được thể hiện rõ ở các loại như cát thô, loại
đá có nhiều khe nứt… vì trong chúng nước khối chiếm ưu thế. Còn đối với sét sự
chênh lệch đó không rõ rệt, vì ở sét nước trên mặt giữ vai trò quan trọng hơn nước
khối.
Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào điện trở suất của nước khoáng. Trong
điều kiện tự nhiên, thường có độ muối nhỏ, thì điện trở suất có thể xem là đại lượng
tỷ lệ nghịch với độ khoáng hóa và ít phụ thuộc vào thành phần của muối hòa tan.
Do đó, trong thực tế, có thể xác định điện trở suất của nước khoáng bằng cách xem
nó chỉ do một loại muối nào đó trong vùng tạo nên. Thông thường, người ta lấy
NaCl làm đại diện và có thể dùng công thức thực nghiệm (

M
4,8
~
ρ
, trong đó M là
độ khoáng hóa, đơn vị g/l).
Các đặc tính của kiến trúc và cấu tạo của đất đá không những làm thay đổi
giá trị của điện trở suất của nó, mà còn gây tính bất đẳng hướng về điện. Tính bất
đẳng hướng được thể hiện trước tiên trong các loại sét trầm tích và trong các phiến

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 9 \
thạch, đó là các loại được cấu tạo bởi các lớp mỏng có điện trở suất khác nhau.
Theo phương phân lớp điện trở suất nhỏ hơn theo phương cắt ngang lớp.
Đối với đất đá biến chất cũng vậy. Nếu đất đá bị nứt nẻ, mà các khe nứt có
phương ưu tiên theo quy luật thống kê thì sẽ có tính bất đẳng hướng về tính dẫ
n
điện. Để đặc trưng cho tính bất đẳng hướng về điện, người ta thường dùng tham số
bất đẳng hướng:

t
n
ρ
ρ
λ
=
(1.1)
Trong đó:
n
ρ

là điện trở suất theo phương thẳng góc với lớp.

t
ρ
là điện trở suất theo phương phân lớp.
Ngoài ra, điện trở suất của đất đá còn thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ
tăng, độ linh động của ion trong nước khoáng tăng, điện trở suất giảm. Sự phụ thuộc
ấy được thể hiện bởi công thức:

)18(1
18
−+
=
t
t
α
ρ
ρ

(1.2)
Trong đó: t là nhiệt độ (
o
C)

18
ρ
là điện trở suất ở
C
o
18

α
là hệ số nhiệt, trong khoảng nhiệt độ
o
5018 −
, hệ số này ít thay đổi
với các dung dịch nước muối khác nhau.
Khi nhiệt độ tăng theo chiều sâu, điện trở suất sẽ giảm. Khi nhiệt độ giảm
xuống dưới
C
o
0
, điện trở suất thay đổi đột ngột, vì các đất đá dẫn điện thông
thường bằng ion có trong khung khoáng vật và dung dịch trong các lỗ rỗng, nay
xuất hiện thêm thành phần dung dịch đóng băng. Còn sự phụ thuộc của điện trở suất
vào áp suất thì khá phức tạp, tùy thuộc vào các loại đất đá. Đối với các đất đá trầm
tích xốp và ngậm nước, đi
ện trở suất tăng khi áp suất tăng, vì khi đó thể tích các lỗ
rỗng và các đường rỗng chứa dung dịch dẫn điện giảm.
Để có cái nhìn định lượng về điện trở suất của đất, đá, vật liệu và một số hóa
chất. Keller, Frischknecht (1966) và Daniels, Alberty (1966) đã đưa ra bảng số liệu
được trình bày trong bảng 1.3. Điện trở suất của các đá xâm nhậ
p và biến chất

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 10 \
thường có giá trị rất cao, giá trị điện trở suất của các loại đá này phụ thuộc nhiều
vào độ nứt nẻ và mức độ chứa nước trong các đới nứt nẻ đó. Do vậy, giá trị của điện
trở suất ứng với mỗi loại đất đá có thể thay đổi trong một giới hạn khá rộng, từ hàng

triệu
m.Ω
đến nhỏ hơn một
m.
Ω
, phụ thuộc vào độ ẩm và độ khoáng hóa của nước.
Đây là một trong những đặc tính rất thiết thực trong việc phát triển các đới nứt nẻ,
dập vỡ, các đặc trưng phong hóa trong khảo sát địa kỹ thuật và thăm dò nước ngầm.
Các đá trầm tích thường có độ xốp và độ chứa nước cao hơn nên có giá trị
điện trở suất thấp hơn so với các đá thâm nhập và
đá biến chất, giá trị điện trở suất
của các đá này thường thay đổi trong khoảng từ 10
m.
Ω

đến 10000
m.Ω
, hầu hết đều
có giá trị nhỏ hơn 1000
m.Ω
, giá trị của điện trở suất phụ thuộc rất lớn vào độ xốp,
độ chứa nước của đá và đặc biệt là độ khoáng hóa của nước chứa trong các lỗ rỗng.
Các trầm tích bở rời không gắn kết thường có giá trị điện trở suất thấp hơn
các đá trầm tích, với giá trị thay đổi từ vài
m.
Ω
đến nhỏ hơn 1000
m.Ω
. Giá trị điện
trở suất của chúng phụ thuộc vào độ xốp (chẳng hạn các trầm tích chứa nước bảo

hòa) và hàm lượng các khoáng vật sét, đất sét thường có giá trị điện trở suất thấp
hơn đất cát. Chú ý rằng, điện trở suất của các loại đất đá thường thay đổi trong một
giới hạn khá rộng và chồng chéo lên nhau vì chúng phụ thuộc một cách chặt ch
ẽ
vào các tham số như: độ xốp, mức độ nước bão hoà và hàm lượng các muối hoà tan.
Giá trị điện trở suất của nước dưới đất dao động trong khoảng từ 10 đến 100
Ω.m, phụ thuộc vào hàm lượng các muối hoà tan có trong chúng. Chú ý rằng, điện
trở suất của nước biển rất thấp (khoảng 0.2
m.
Ω
) do hàm lượng muối cao. Điều này
giúp cho phương pháp thăm dò điện trở thành một kỹ thuật khá lý tưởng trong việc
đo vẽ bản đồ xác định ranh giới nhiễm mặn ở các vùng Duyên Hải. Phương trình
đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở suất của đá xốp và tham số bão hoà
của chất lỏng có trong chúng đó là định luật Archie. Định luật này có thể áp d
ụng
cho một số loại đá và trầm tích nhất định, đặc biệt là các đối tượng có hàm lượng sét
thấp. Trong đó, độ dẫn điện có thể được giả thiết là do các chất lỏng chứa đầy trong
các lỗ xốp của đá. Từ định luật Archie, ta có:
ρ = bρ
w
Ф
-d

(1.3)

Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 11 \
Trong đó: ρ là điện trở suất của đá.
ρ

w
là điện trở suất của chất lỏng.
Φ là tỉ lệ đá chứa chất lỏng.
b và d là các tham số thực nghiệm.
Hầu hết các đá, b có giá trị vào khoảng 1 và d có giá trị vào khoảng 2. Đối
với các đá trầm tích có một hàm lượng sét đáng kể thì có các phương trình liên hệ
phức tạp hơn.
Các giá trị điện trở suất củ
a một số quặng cũng đã được đưa ra và cho thấy
các sulfit kim loại như pyrhotite, galena và pyrit có giá trị điện trở suất đặc trưng
thấp, thường nhỏ hơn 1
m.Ω
. Điểm đặc biệt là giá trị điện trở suất của một thân
quặng hoặc một đối tượng nhất định có thể có sự khác biệt rất lớn so với giá trị điện
trở suất của các tinh thể riêng. Các tham số khác như đặc tính của thân quặng (đặc
sít hoặc xâm tán), cũng có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị điện trở suấ
t. Một điểm
quan trọng nữa là than chì có giá trị điện trở suất thấp tương tự như sulfit kim loại.
Đó là các tiên đề thuận lợi cho việc ứng dụng phương pháp thăm dò điện, cũng như
đáp ứng của các bài toán trong thăm dò khoáng sản. Hầu hết các oxid như hematite
có giá trị điện trở suất không thấp lắm, ngoại trừ magnetic.
Giá trị điện trở
suất của một số loại vật liệu hoặc hóa chất ô nhiễm công
nghiệp cũng đã được trình bày trong Bảng 1.3. Một số kim loại như sắt có giá trị
điện trở suất rất thấp. Các hoá chất điện phân mạnh như KCl và NaCl có thể làm
giảm một cách đáng kể điện trở suất của nước dưới đất đến một giá trị nh
ỏ hơn
1
m.Ω
ngay cả khi các hóa chất này có hàm lượng tương đối thấp. Ảnh hưởng của

các chất điện phân yếu như acetic acid, tương đối nhỏ hơn. Các hydrocarbon như
xylen có giá trị điện trở suất đặc biệt khá cao. Tuy nhiên, trong thực tế, tỉ lệ phần
trăm của hydrocarbon trong đá hoặc đất là khá nhỏ, do vậy chúng không ảnh hưởng
đáng kể đến điện trở suất chung.
Bảng 1.3:
Điện trở suất của một số đất, đá, khoáng sản và hóa chất phổ biến
Vật liệu Điện trở suất (Ωm) Độ dẫn điện (1/Ωm)
Nham thạch và đá biến chất


Luận văn thạc sỹ Vật lý Học viên: Lương Văn Thọ
[ 12 \
- Granite (đá granit)
- Basalt (đá bazan)
- Slate (đá phiến)
- Marble (đá cẩm thạch)
- Quartzite (thạch anh)
5.10
3
÷
10
6

10
3
÷
10
6

6.10

2
÷
4.10
7

10
2
÷
2,5.10
8

10
2
÷
2.10
8

10
-6
÷
2.10
-4

10
-6
÷
10
-3

2,5.10

-8
÷
1,7.10
-3

4.10
-9
÷
10
-2

5.10
-9
÷
10
-2

Trầm tích
- Sandstone (sa thạch)
- Shale (đá phiến sét)
- Limestone (đá vôi)

8
÷
4.10
3

20
÷
2.10

3

50
÷
4.10
2


2,5.10
-4
÷
0,125
5.10
-4
÷
0,05
2,5.10
-3
÷
0,02
Đất và nước
- Clay (đất sét)
- Alluvium (đất phù sa)
- Goundwater (nước ngầm)
- Sea water (nước biển)

1
÷
100
10

÷
800
10
÷
100
0,2

0,01
÷
1
1,25.10
-3
÷
0,1
0,01
÷
0,1
5
Hóa chất
- Iron (sắt)
- 0,01 phân tử gam KCl
- 0,01 phân tử gam NaCl
- 0,01M axit Axetic
- Xylene

9,074.10
-8

0,708
0,843

6,13
6,998.10
16


1,102.10
7

1,413
1,185
0,163
1,429.10
-17
1.2 Lý thuyết phương pháp thăm dò điện
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò điện
1.2.1.1 Bài toán cơ sở
Ta biết rằng, các đất đá trầm tích trong điều kiện kiến tạo ổn định thường có
dạng phân lớp ngang. Do đó, bài toán nghiên cứu điện trường không đổi trong môi
trường phân lớp ngang có ý nghĩa thực tiễn. Dựa trên lời giải của bài toán này,
người ta xây dự
ng các phương pháp đo sâu điện là phương pháp nghiên cứu cấu tạo
và tính chất điện của môi trường phân lớp theo chiều sâu.