Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

TRẦN THỊ THU PHƢƠNG

XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG
TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

TRẦN THỊ THU PHƢƠNG

XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG
TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ

Chuyên ngành: Vật lý địa cầu
Mã số: 60440111

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. Nguyễn Đức Vinh

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học khoa học tự nhiên em đã
nhận được sự tận tình dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy cơ trong khoa Vật Lý nói riêng
và các thầy cơ trong trường nói chung. Em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể các thầy
cơ giáo đã dạy em trong thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lý Địa Cầu
đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản trong thời gian học tập tại trường. Và
đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Đức Vinh người đã trực tiếp
hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và các bạn đã quan tâm động
viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập và trong thời gian làm luận văn.
Em mong nhận được sự quan tâm và góp ý của thầy cô và các bạn về
luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2015.
Học viên
Trần Thị Thu Phƣơng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6
CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ .....7
1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp. .........................................................................8
1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi ....................................................................8
1.1.2. Cơ sở địa chấn hình học ....................... Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi: ..... Error! Bookmark
not defined.

1.2. Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn ................. Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Kỹ thuật phát sóng địa chấn: ................ Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Kỹ thuật thu sóng địa chấn:.................. Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Hệ thống quan sát sóng địa chấn: ........ Error! Bookmark not defined.
1.3. Ứng dụng của phương pháp địa chấn phản xạ.............. Error! Bookmark not
defined.
1.3.1. Nghiên cứu địa chất khu vực. .............. Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Tìm kiếm cấu tạo.................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Cơng tác thăm dị chi tiết ..................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN
PHẢN XẠ ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Phương pháp biểu đồ giao nhau. ............. Error! Bookmark not defined.
2.3. Phương pháp biểu đồ hiệu....................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Phương pháp tọa độ bình phương. .......... Error! Bookmark not defined.
2.5. Xây dựng phổ tốc độ. .............................. Error! Bookmark not defined.
2.6. Xác định tốc độ bằng phương pháp các điểm tương hỗ. ............... Error!
Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM TRÊN SỐ LIỆU MƠ HÌNH ........ Error!
Bookmark not defined.


3.1. Chương trình và số liệu. ................................. Error! Bookmark not defined.
3.2. Mơ hình 1 ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3.3. Mơ hình 2 ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3.4. Mơ hình 3 ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3.5. Mơ hình 4 ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3.6. Mơ hình 5 ........................................................ Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................10

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v* ..... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.1. Biểu đồ thời khoảng và đường u trung bình. ........... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.2. a. BĐTK ; b. Dựng đường  (x) .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5.1. Băng địa chấn 3 trục đồng pha ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5.2. Kết quả tinh phổ tốc độ ........................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.1. Mơ tả lựa chọn tốc độ ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.2. Mơ tả phương pháp chia đôi .................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.1. Các thông số mơ hình ................................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.2. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2. Mơ hình 1 và các BĐTK tính tốn .............. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.3. Các thơng số mơ hình ................................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.4. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3. Mơ hình 3.2 và các BĐTK tính tốn ........... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.5. Các thơng số mơ hình ................................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.6. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4. Mơ hình 3 và các BĐTK tính tốn .............. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.7. Các thơng số mơ hình ................................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.8. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5. Mơ hình 4 và các BĐTK tính tốn .............. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.9. Các thơng số mơ hình ................................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.10. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6. Mơ hình 5 và các BĐTK tính toán .............. Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU
Thăm dò địa chấn là một trong các phương pháp thơng dụng của địa vật lý
thăm dị. Nó gồm tập hợp nhiều phương pháp quan sát trường sóng đàn hồi phát
triển trong môi trường đất đá để nghiên cứu cấu trúc trái đất và thăm dị tìm kiếm
khống sản. Thăm dị địa chấn cho kết quả với độ chính xác cao. Chính vì ưu thế đó
mà mặc dù địi hỏi chi phí lớn nhưng thăm dị địa chấn vẫn được ưu tiên sử dụng,
nhất là trong công tác thăm dị dầu khí.
Nhiệm vụ của phương pháp thăm dị địa chấn là xác định độ sâu, hình dạng
của ranh giới giữa các lớp đất đá và vận tốc truyền sóng đàn hồi trong các lớp đất đá
đó. Gần đây, đã có nhiều nhà khoa học cố gắng dựa vào đặc điểm trường sóng thu
được để nghiên cứu thành phần thạch học, độ rỗng … của đất đá.
Trong vật lý chúng ta đã biết mối quan hệ mật thiết giữa Thời gian - Quãng
đường - Vận tốc. Có nhiều cố gắng của các nhà nghiên cứu trong việc xác định vận
tốc truyền sóng địa chấn trong các lớp đất đá. Có thể dựa vào các lỗ khoan sâu để
xác định vận tốc truyền sóng. Địa chấn lỗ khoan chắc chắn sẽ cho những kết quả
đáng tin cậy nhất. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có được điều kiện thuận lợi
như vậy, chủ yếu công việc xác định vận tốc vẫn phải dựa trên các biểu đồ thời
khoảng hay nói chung là các băng địa chấn.
Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, học viên được giao đề tài theo hướng
tìm hiểu bài tốn xác định tốc độ truyền sóng trong phương pháp địa chấn phản xạ.
Nội dung сủa luận văn :
-

Tổng quan về phương pháp địa chấn phản xạ.

-

Tìm hiểu về việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn.

-

Tìm hiểu một phương pháp cụ thể để áp dụng.

-

Xây dựng mô hình và thử nghiệm phương pháp.

Cấu trúc luận văn
Mở đầu.
Chương 1 : Một số nét về phương pháp địa chấn phản xạ.
Chương 2: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ.
Chương 3: Một số thử nghiệm trên số liệu mơ hình.
Kết luận.


CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ
Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường
sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa
chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dị dầu khí và tài
ngun khống sản, nghiên cứu nền móng cơng trình…
Trong thăm dị địa chấn, người ta tiến hành nổ mìn, rung, đập hoặc ép
hơi…để tạo ra các xung dao động, các xung dao động này truyền trong mơi trường
dưới dạng sóng đàn hồi. Nếu gặp các mặt ranh giới của các tầng đất đá có tính chất
đàn hồi khác nhau thì chúng sẽ tạo nên các sóng thứ cấp như sóng phản xạ, khúc xạ,
sóng tán xạ…Với các thiết bị máy móc thích hợp đặt ở trên mặt hoặc trong giếng
khoan ta có thể thu nhận và ghi giữ các dao động sóng này trên các băng địa chấn.
Sau q trình xử lí và phân tích tài liệu sẽ cho phép hình thành các lát cắt địa chấn,
các bản đồ và các thơng tin khác phản ánh đặc điểm hình thái và bản chất mơi
trường vùng nghiên cứu.
Có hai phương pháp địa chấn chính là phương pháp địa chấn phản xạ và địa

chấn khúc xạ, chúng được áp dụng trên đất liền, trên biển, trong hầm lò hoặc trong
các giếng khoan…
Phương pháp địa chấn được hình thành từ những năm hai mươi của thế kỷ 20
và cho đến nay đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ kể cả trong lĩnh vực
phương pháp, thiết bị và xử lý số liệu.
Ngày nay người ta đã sử dụng các trạm địa chấn ghi số có hàng trăm mạch
ghi, sử dụng hệ giao thoa “điểm sâu chung” với số bội rất cao, quan sát trong không
gian 3 chiều, xử lý số liệu với chương trình xử lý khổng lồ và có thể minh giải tài
liệu trên các trạm máy tính.
Ở nước ta, phương pháp địa chấn phản xạ đã được áp dụng từ những năm 60
nhằm phục vụ cho tìm kiếm và thăm dị dầu khí. Hiện nay, việc khảo sát tỷ mỷ thềm
lục địa đang được tiến hành với các thiết bị hiện đại và cơng nghệ xử lý đạt trình độ
tiên tiến trên thế giới. Ngồi lĩnh vực dầu khí, phương pháp địa chấn còn được áp


dụng để khảo sát các vùng biển nơng và tìm kiếm sa khống (từ năm 1991), khảo
sát nền móng cơng trình (từ năm 1970) và nghiên cứu các mỏ hầm lò (từ năm
1991).
1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp.
1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi
+ Cơ sở lý thuyết đàn hồi:
Người ta gọi những vật thể khi có lực tác dụng thì thay đổi về hình dạng và thể
tích và khi ngừng tác dụng của lực thì lập tức trở lại trạng thái ban đầu là các vật thể
đàn hồi. Sự thay đổi về hình dạng và thể tích như vậy gọi là biến dạng đàn hồi.
Trong các phương pháp địa chấn, do lực tác dụng nhỏ và thời gian tác dụng lực rất
ngắn nên có thể coi mơi trường đất đá là mơi trường đàn hồi.
Có hai loại biến dạng đàn hồi là biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng. Nếu
lực tác dụng chỉ làm thay đổi về thể tích mà hình dạng của vật vẫn giữ ngun thì
biến dạng đó gọi là biến dạng thể tích. Ngược lại nếu vật thể chỉ thay đổi hình dạng
mà thể tích khơng đổi thì đó là biến dạng hình dạng. Các dạng biến dạng đàn hồi

phức tạp đều được coi là tổng biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng.
Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên sự biến dạng thì trong vật thể đồng
thời xuất hiện nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo các phần tử vật
chất về trạng thái ban đầu. Nội lực này gọi là ứng lực. Ứng lực tác dụng lên một
đơn vị diện tích nhằm cân bằng với ngoại lực gọi là ứng suất. Mối quan hệ giữa ứng
suất và biến dạng được mô tả bới định luật Huk. Môi trường đàn hồi được đặc trưng
bởi các tham số đàn hồi như mô đun giãn dọc E (mô đun Iung), mô đun nén ngang
σ (hệ số poatson) hoặc hằng số Lame μ, λ và mật độ ρ.
Giả sử có một hình trụ trịn chiều dài l và đường kính d. Dưới tác dụng của lực F
vật bị biến dạng có độ giãn dọc là ∆l và độ nén ngang là ∆d. Gọi độ giãn dọc tương
đối là ∂l =

, ∂d =

Ứng suất T có độ lớn là : T =

=

(1.1)


Vì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính nên ta có:
∆l = aT ,
Và

∂l =

∆d = bT,

=

∂d =

a và b là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi và kích thước của vật thể

+ Sự hình thành sóng đàn hồi:
Trong thăm dị địa chấn, khi kích thích xung lực ở một điểm nào đó của mơi
trường thì sẽ gây nên sự biến dạng và suất hiện ứng suất. Do hiện tượng qn tính
nên các phần tử vật chất của mơi trường sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, trong
mơi trường đàn hồi các dao động này được lan truyền theo mọi hướng dưới dạng
sóng đàn hồi. Sóng đàn hồi được truyền đi với vận tốc xác định, tấc độ truyền sóng
phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của mơi trường. Trong mơi trường đồng nhất,
khi có kích thích dao động thì sẽ tạo ra hai loại sóng khác nhau là sóng dọc (P) và
sóng ngang (S) .
Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động của hạt
cùng với phương truyền sóng. Khi sóng dọc truyền đi sẽ tạo ra các đới nén, dãn liên
tiếp.
Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của hạt
vật chất thẳng góc với phương truyền sóng. Khi sóng ngang truyền đi sẽ tạo ra các
đới trượt liên tiếp.
Trong mơi trường đồng nhất sóng dọc và sóng ngang truyền độc lập với nhau
và có tốc độ khác nhau là vp và vs
vp =

vs =

(1.2)

Với ρ là mật độ đất đá, E là mô đun Iung và σ là hệ số Poatson
So sánh vp và vs ta có:

(1.3)


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Tạ Văn Đĩnh (1994), Phương pháp tính, Nhà xuất bản Giáo dục.
2. Mai Thanh Tân(2005), Địa vật lý đại cương, Nhà xuất bản GTVT.
3. Nguyễn Đức Tiến (2013), Địa vật lý đại cương, Nhà xuất bản ĐHQG Tp

HCM.
4. Phạm Năng Vũ và NNK(1983), Thăm dò địa chấn, Nhà xuất bản ĐH và TH

Chuyên nghiệp.
5. Dương Thuỷ Vỹ (2001), Phương pháp tính, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ

thuật.
Tiếng Anh
6. Golden Sofware Inc. SURFER User’s Guide.
7. Geldart 4444444444444, Sheriff L.P (1995), Exploration Seismology [2 ed.],

Cambridge University Press,.
8.

Reynolds John M (1997), An Introduction to Applied and Environmental
Geophysics ,Wiley.

Tiếng Nga
9. Phedynxki А (1964), Thăm dò địa vật lý, Nhà xuất bản "Nhedra".
10. Urupov A.K(1966), Nghiên cứu đánh giá tốc tộ trong thăm dò địa

chấn, Nhà xuất bản Nhedra.