Luận văn thạc sĩ khoa học vật chất: Áp dụng tổ hợp thuật toán xử lý nhằm nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn biển nông

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

Nguyễn Đức Anh

ÁP DỤNG TỔ HỢP THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN BIỂN NÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2018


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

Nguyễn Đức Anh

ÁP DỤNG TỔ HỢP THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN BIỂN NÔNG
Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu
Mã số: 60440111

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Đức Vinh
TS. Dương Quốc Hưng

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, học viên xin bày tỏ lòng biến ơn sâu sắc tới thầy
giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Đức Vinh và thầy giáo TS. Dương Quốc Hưng. Các
thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn
này.
Đồng thời, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô giáo
trong bộ môn Vật lý Địa cầu, các thầy cô trong Khoa Vật lý và phòng Sau Đại học –
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã giảng dạy, tạo mọi điều kiện cho
học viên trong suốt quá trình học tập.
Luận văn này được hỗ trợ bởi đề tài NCKH mã số VAST.ĐTCB.02/16-17 do
TS. Dương Quốc Hưng làm chủ nhiệm. Học viên xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ quý
báu đó.
Cuối cùng, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, đồng nghiệp tại phòng
Địa chấn – Viện Địa chất và Địa vật lý biển đã giúp đỡ, động viên tinh thần để học
viên hoàn thành luận văn.
Hà Nội, tháng 05 năm 2018

Nguyễn Đức Anh


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................ii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN NÔNG PHÂN GIẢI
CAO ............................................................................................................................3
1.1. Sự phát triển của phương pháp Địa chấn nông phân giải cao .......................... 3

1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ..................................................................... 6
1.2.1. Đặc điểm trường sóng địa chấn ................................................................. 6
1.2.2. Hệ thống phát và thu sóng địa chấn ......................................................... 12
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU .....................................17
2.1. Phân tích đặc trưng tín hiệu............................................................................ 17
2.2. Phục hồi biên độ ............................................................................................. 18
2.3. Trung bình hóa các đường ghi ....................................................................... 21
2.4. Hạn chế nhiễu bằng lọc tần số........................................................................ 21
2.4.1. Cơ sở lọc sóng một mạch......................................................................... 21
2.4.2. Các bộ lọc tần số ...................................................................................... 22
2.5. Hạn chế nhiễu PXNL ..................................................................................... 26
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ÁP DỤNG ........................................................................29
3.1. Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 29
3.2. Công tác thu thập số liệu ................................................................................ 30
3.3. Kết quả áp dụng xử lý hạn chế nhiễu ............................................................. 32
3.3.1. Kiểm tra số liệu ........................................................................................ 32
3.3.2. Phân tích đặc trưng tín hiệu ..................................................................... 34
3.3.3. Kết quả phục hồi biên độ ......................................................................... 35
3.3.4. Trung bình hóa các đường ghi ................................................................. 36
3.3.5. Hạn chế nhiễu bằng bộ lọc tần số ............................................................ 38
3.3.6. Hạn chế nhiễu PXNL ............................................................................... 40
KẾT LUẬN ...............................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

ĐCNPGC

Địa chấn nông phân giải cao

PXNL

Phản xạ nhiều lần

i


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bề rộng đới Fresnel thứ nhất qui định độ phân giải ngang của số liệu [10]
...................................................................................................................9
Hình 1.2. Mối liên hệ tốc độ, tần số, bước sóng và độ sâu [3] ...................................9
Hình 1.3. Hình ảnh tia sóng PXNL và các mặt ranh giới ảo do chúng gây ra [10] ..11
Hình 1.4. Sóng lặp 2-3 lần bề mặt đáy biển, nhiễu tần số thấp che lấp bức tranh số
liệu và làm giảm độ phân giải ..................................................................11
Hình 1.5. Bố trí hệ thống thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao ..................12
Hình 1.6. Sơ đồ khối bố trí thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao ...............15
Hình 2.1. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 khu vực Cửa Đáy.................................18
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn sự suy giảm biên độ sóng địa chấn.................................19
Hình 2.3. Hàm phục hồi biên độ theo lý thuyết ........................................................20
Hình 2.4. Hàm phục hồi biên độ (Gain function) trong phần mềm Reflexw ...........20
Hình 2.5. Đặc trưng lọc tần thấp tần số của bộ .........................................................22
Hình 2.6. Đặc trưng tần số của bộ lọc dải .................................................................23
Hình 2.7. Đặc trưng tần số của bộ lọc dải trong thực tế ...........................................24
Hình 2.8. Giao diện thực hiện các module lọc trên Reflexw ....................................25
Hình 3.1. Vị trí khu vực nghiên cứu .........................................................................29
Hình 3.2. Vị trí các tuyến đo ĐCNPGC trong khu vực nghiên cứu và tuyến đo được

xử lý (tuyến bôi đậm) ..............................................................................30
Hình 3.3. Bộ tích năng lượng Geontself 97 ..............................................................31
Hình 3.4. Đầu phát Sparker .......................................................................................31
Hình 3.5. Mặt cắt địa chấn CUADAY-02B chưa qua sửa lỗi ...................................33
Hình 3.6. Sửa lỗi phần nhiễu tín hiệu trích từ mặt cắt CUADAY-02B ....................34
Hình 3.7. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 ..............................................................34
Hình 3.8. Module phục hồi biên độ Gain Function ..................................................35
Hình 3.9. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi phục hồi biên độ....36
Hình 3.10. Module trung bình hóa đường ghi (running average) .............................37

ii


Hình 3.11. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi thực hiện trung bình
hóa 5 đường ghi .......................................................................................37
Hình 3.12. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số .............38
Hình 3.13. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số
.................................................................................................................39
Hình 3.14. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số .............40
Hình 3.15. Lựa chọn (pick) tín hiệu phản xạ đầu tiên bề mặt đáy biển ....................40
Hình 3.16. Module xử lý nhiễu PXNL suppress multiple ........................................41
Hình 3.17. Vị trí sóng phản xạ lần 2 bề mặt đáy biển (mặt cắt CUADAY-03) được
loại bỏ sau khi sử dụng bộ lọc ngược tiên đoán ......................................42
Hình 3.18. Kết quả hạn chế nhiễu PXNL bề mặt đáy biển trên các đường ghi trích từ
mặt cắt CUADAY-03 ..............................................................................43
Hình 3.19. Kết quả hạn chế sóng PX lần 2 bề mặt đáy biển trích từ mặt cắt CUADAY03 .............................................................................................................43
Hình 3.20. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trái) và sau (phải) lọc PXNL....................44
Hình 3.21. Mặt cắt CUADAY-03 gốc (trên) và sau (dưới) xử lý .............................44
Hình 3.22. Mặt cắt CUADAY-03 sau xử lý (trên) và minh giải sơ bộ (dưới) ..........45

iii


MỞ ĐẦU
Địa chấn thăm dò là phương pháp đóng vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu
cấu trúc vỏ Trái Đất, địa chất kiến tạo, địa chất công trình và địa chất thăm dò, đặc
biệt trong lĩnh vực tìm kiếm thăm dò dầu khí. Với sự phát triển nhanh của khoa học
và công nghệ, phương pháp địa chấn thăm dò luôn được hoàn thiện từ phương pháp
nghiên cứu đến xử lý phân tích tài liệu và đem đến kết quả tích cực trong việc giải
quyết các nhiệm vụ địa chất.
Phương pháp Địa chấn nông phân giải cao (ĐCNPGC) (tên đầy đủ là phương
pháp Địa chấn phản xạ liên tục phân giải cao trong vùng nước nông (SHALLOW
WATER HIGH RESOLUTION CONTINUOUS REFLECTION SEISMIC
METHOD)) là một trong số rất nhiều phương pháp Địa chấn thăm dò hiện đang phục
vụ đắc lực cho công tác nghiên cứu địa chất tầng nông. Phương pháp này có nhiều ưu
điểm như độ phân giải cao (tới vài chục cm), có thể khảo sát và xây dựng được các
lát cắt địa chất với bề dày nhỏ, mức độ chi tiết và định lượng cấu trúc rõ nét hơn so
với các phương pháp truyền thống khác. Đặc biệt có thể tiến hành khảo sát trong các
địa hình khó thực hiện đối với các phương pháp khác. Ngoài ra, do chỉ có thành phần
sóng dọc (sóng P) được lan truyền trong môi trường chất lỏng nên bức tranh sóng thu
được từ phương pháp ĐCNPGC đã được giản lược các thành phần sóng ngang, qua
đó có thể quan sát được các ranh giới phản xạ một cách rõ ràng và trực quan hơn.
Ở Việt Nam, phương pháp địa chấn nông phân giải cao được sử dụng từ đầu
những năm 90 của thế kỷ trước, đã có những đóng góp quan trọng trong công tác điều
tra khảo sát nghiên cứu địa chất biển và là một trong những phương pháp nghiên cứu
chủ đạo đối với các đối tượng địa chất biển trên thềm lục địa [8] [12] [13]. Cùng với
những thành tựu to lớn đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu địa chất tầng nông, công
nghệ và kỹ thuật xử lý, phân tích số liệu ĐCNPGC cũng từng bước được hoàn thiện.
Các phần mềm xử lý tiên tiến như Seismic Unix, RadExpro, Reflexw, Kingdom
Suite,… đã được thử nghiệm và áp dụng, cho phép thu nhận những mặt cắt địa chấn

chất lượng cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại những hạn chế nhất định,
cụ thể là chất lượng tín hiệu bị chi phối rất mạnh bởi thiết bị và điều kiện khảo sát

1


thực địa, dẫn đến trên các băng ghi cũng tồn tại một lượng nhiễu lớn, nhiễu phản xạ
nhiều lần (PXNL). Các loại nhiễu này làm giảm chất lượng của mặt cắt, gây trở ngại
cho việc quan sát các sóng phản xạ có ích và cho công tác minh giải tài liệu. Vì thế,
việc áp dụng các thành tựu công nghệ tin học, máy tính trong xử lý số liệu nhằm hạn
chế các loại nhiễu là nhiệm vụ cực kỳ cần thiết.
Với mục đích hạn chế và loại bỏ các loại nhiễu (trong đó có nhiễu PXNL)
trong các mặt cắt nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả của phương pháp
ĐCNPGC ở Việt Nam, học viên lựa chọn đề tài: “Áp dụng tổ hợp thuật toán xử lý
nhằm nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn biển nông”.
Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp Địa chấn nông phân giải cao và khu
vực nghiên cứu.
Chương 2: Một số thuật toán xử lý số liệu
Chương 3: Kết quả áp dụng

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP
ĐỊA CHẤN NÔNG PHÂN GIẢI CAO
1.1. Sự phát triển của phương pháp Địa chấn nông phân giải cao
Địa chấn nông phân giải cao (ĐCNPGC) tiến hành quan sát mặt cắt địa chất
dựa vào quan sát các sóng phản xạ từ các ranh giới phản xạ khác nhau của mặt cắt.
Phương pháp này được sử dụng có hiệu quả trong công tác nghiên cứu địa chất tầng

nông, với ưu điểm là độ phân giải cao, cho phép xác định chi tiết lát cắt địa chất.
a) Trên thế giới:
Năm 1954, Pakisen L.C. và cộng sự thuộc Sở Địa chất Hoa Kỳ (Geological
Survey of America) tiến hành các cuộc thử nghiệm sử dụng địa chấn phản xạ để khảo
sát cấu trúc địa chất các tầng nông trên đất liền [19]. Các kết quả nghiên cứu của
Pakisen L.C đã được thực hiện với mục đích khảo sát đặc điểm và mức độ phá hủy
mặt cắt địa chất do nổ bom nguyên tử và phân biệt với mức độ và đặc điểm phá hủy
của các trận động đất. Tuy nhiên, việc áp dụng địa chấn phản xạ chỉ dừng lại ở các
nghiên cứu mang tính hàn lâm do giá thành khảo sát quá cao.
Các kết quả nghiên cứu của Sở Địa chất Canada (Geological Survey of
Canada) và các nghiên cứu của Hunter và cộng sự vào những năm 1982 - 1985 [16]
đã chọn được các cửa sổ (window) và khoảng quan sát (offset) tối ưu. Kết quả này đã
mở ra khả năng dùng các kỹ thuật đơn giản để quan sát sóng phản xạ nông.
Bên cạnh các kết quả nghiên cứu trên, trong những năm 80 của thế kỷ trước,
các thành tựu nhảy vọt của khoa học công nghệ đã giúp chế tạo thành công trạm địa
chấn ghi số và máy tính cá nhân với các phần mềm mở ra khả năng xử lý số liệu. Nhờ
đó, người ta đã thu được các mặt cắt địa chấn nông đáp ứng tốt các yêu cầu nghiên
cứu môi trường, khảo sát địa chất công trình và địa chất thủy văn.
Do có độ phân giải cao, nên phương pháp ĐCNPGC có khả năng phân chia
chi tiết lát cắt địa chất tới vài chục cm theo phương thẳng đứng và phát hiện được các
đứt gãy có biên độ dịch chuyển 1-2m [17] [18] [20]. Từ những năm 90 của thế kỷ XX
đến nay, ĐCNPGC đã được nhiều nước trên thế giới và khu vực, như Mỹ, Đức,
Canada, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản, Đài Loan, Indonesia, Thái Lan, áp dụng

3


phục vụ các khảo sát địa chất công trình, tìm kiếm nước dưới đất, tìm kiếm than. Đặc
biệt, phương pháp này được áp dụng rất hiệu quả để khảo sát các đứt gãy sinh chấn
và các ẩn họa môi trường.

Một số kết quả áp dụng địa chấn phản xạ nông trên thế giới:
 Năm 1998, các khảo sát địa chấn ở phụ cận thành phố Bangkok (Thái Lan)
được Đại học Công nghệ Châu Á (AIT – Asian Institude of Technology)
thực hiện với sự tài trợ của Sở Địa chất Canađa với mục đích khảo sát nước
dưới đất và tìm hiểu nguyên nhân lún đất ở Bangkok [20]. Các mặt cắt địa
chấn cho khả năng quan sát thấy hầu hết các ranh giới phản xạ liên quan
đến các tầng chứa nước.
 Các khảo sát địa chấn phản xạ nông do Steeples, D.W. và nnk. tiến hành
vào những năm 80 để phát hiện các hố sụt karst trên đường cao tốc số 70 ở
Kansas (Hoa Kỳ). Năm 1991, các khảo sát tương tự được Miller R.D.,
Steeples D.W. sử dụng để phát hiện các lỗ hổng gây sụt đất ở khu vực các
mỏ than. Cũng trong những năm này, các nhà địa chấn là Pietsch K. và R.
Slusarczyk đã áp dụng địa chấn phản xạ nông để xác định các đới sụt đất ở
các mỏ than ở Balan.
 Năm 2001, I. Chow, J.Angelien và nnk thực hiện khảo sát đứt gẫy sinh chấn
Chihshang nằm ở phía đông Đài Loan [14]. Phân tích tổng hợp các số liệu
địa chấn với các số liệu đo rađar xuyên đất (GPR - ground penetrating radar)
xác định được mức độ hoạt động của các đứt gẫy, khôi phục được quá trình
phát triển của chúng liên quan với các trận động đất cổ.
 Các khảo sát địa chấn do Timothy H. Larson và Andreas J. M Pugin thực
hiện ở khu mỏ than Illinois (Hoa Kỳ) với mục đích xác định vị trí của các
hầm mỏ cũ nằm sát đường cao tốc IL.29. Từ mặt cắt địa chấn có thể quan
sát thấy các đới mất sóng, các đới sóng yếu và các sóng phản xạ nghiêng
liên quan đến sóng tán xạ [17].
Chính nhờ khả năng trang bị dễ dàng các hệ thống thiết bị và nhờ các tiến bộ
mới trong thăm dò địa chấn, ngày nay địa chấn phản xạ nông đã được áp dụng khá

4

rộng rãi trên thế giới để giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu địa chất thủy văn, địa
chất môi trường và địa chất công trình,… với độ chi tiết và định lượng cao.
b) Tại Việt Nam:
Ở Việt Nam, từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, phương pháp ĐCNPGC đã
được đưa vào áp dụng để khảo sát lát cắt địa chấn nằm sát đáy biển dọc đới biển nông
ven bờ và vùng ngập nước quanh các đảo thuộc quần đảo Trường Sa [12]. Tiếp sau
đó, nhiều nhà khoa học trong nước sử dụng phương pháp ĐCNPGC trong công trình
nghiên của mình để tiến hành khảo sát cấu trúc địa chất trên khắp vùng biển Việt
Nam, có thể kể đến như:
 Đề án “Điều tra địa chất và tìm kiếm khoáng sản rắn biển nông ven bờ (0 –
30m nước) Việt Nam tỷ lệ 1:500.000” trong giai đoạn 1991 – 2001 do Trung
tâm Địa vật lý biển thuộc Liên đoàn Vật lý Địa chất thực hiện bằng tổ hợp
Geont-Shelf 93 đã đo được 25.148km tuyến ĐCNPGC [1].
 Năm 2003, Nguyễn Văn Lương và các cộng sự đã áp dụng phương pháp
ĐCNPGC nghiên cứu cấu trúc địa chất và kiến tạo Đệ Tứ khu vực Vịnh Bắc
bộ [8].
 Năm 2004, Phạm Năng Vũ và Nguyễn Trần Tân sử dụng phương pháp
ĐCNPGC để nghiên cứu mặt cắt trầm tích Đệ tứ khu vực biển và đồng bằng
Nam Bộ. Kết quả từ mặt cắt ĐCNPGC cho phép nhận dạng một cách trực
quan và khá chi tiết mặt cắt địa chất Đệ tứ vùng biển Nam Bộ.
 Năm 2005, trên cơ sở phân tích các số liệu đo địa chấn cũng như các kết
quả tính lý thuyết trường sóng địa chấn trên mô hình, tác giả Phạm Năng
Vũ đã chứng minh thăm dò địa chấn (trong đó có ĐCNPGC) là phương
pháp có khả năng nghiên cứu chi tiết và tin cậy các hoạt động kiến tạo trẻ ở
Việt Nam [13].
 Năm 2006, Dương Quốc Hưng và các cộng sự tiến hành xác định các đặc
điểm của trầm tích Holocene khu vực vịnh Bắc Bộ và đặc điểm trầm tích
tầng mặt vùng biển Long Châu – Bạch Long Vĩ (năm 2013). Ngoài ra, trong
luận án Tiến sĩ của mình, tác giả Dương Quốc Hưng đã sử dụng phương

5


pháp ĐCNPGC để khảo sát địa chất các tầng nông và các hoạt động kiến
tạo, magma trẻ ở vùng biển Miền Trung Việt Nam. Kết quả đã đưa ra lát cắt
địa chất Đệ tứ trên thềm lục địa miền Trung Việt với độ chi tiết và tin cậy
cao, góp phần rất lớn trong công tác minh giải tài liệu về sau [4].
 Năm 2015, nhóm nghiên cứu đứng đầu là ThS. Vũ Bá Dũng tại Trung tâm
Điều tra Tài nguyên – Môi trường biển – Bộ Tài nguyên và Môi trường đã
tiến hành nghiên cứu xử lý giảm thiểu nhiễu trong tài liệu ĐCNPGC nhằm
nâng cao chất lượng phục vụ công tác điều tra khảo sát địa chất, khoáng sản
biển. Các kết quả nghiên cứu được ứng dụng ngay tại Trung tâm, góp phần
xử lý tài liệu ĐCNPGC vùng biển Thổ Chu với hình ảnh rõ nét hơn, phản
ánh trung thực các đối tương địa chất trên lát cắt địa chấn vùng biển quanh
đảo [2].
Tính cho đến nay tổng khối lượng ĐCNPGC đo được ở vùng biển Việt Nam
là trên 40.000 km. Các kết quả khảo sát đã làm rõ được cấu trúc địa chất tầng nông
dọc đới biển nông ven bờ Việt Nam, cho phép đánh giá điều kiện địa chất công trình,
đặc điểm môi trường địa chất, tiềm năng sa khoáng và vật liệu xây dựng dọc đới ven
biển Việt Nam.
1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp
1.2.1. Đặc điểm trường sóng địa chấn
 Tốc độ truyền sóng và tần số
Tốc độ truyền sóng của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như:
thành phần thạch học, điều kiện thành tạo, chiều sâu thế nằm và độ ngậm nước…
[10].
Vận tốc trung bình của sóng âm trong môi trường nước biển nằm trong khoảng
1,46 – 1,56 km/s tùy thuộc vào các điều kiện nhiệt độ, độ mặn và áp suất (chiều sâu),
thường được lấy giá trị trung bình là 1,5 km/s. Vận tốc sóng âm trong môi trường
trầm tích tăng lên theo sự suy giảm độ rỗng và độ lớn của kích thước hạt. Các loại

bùn và cát bùn mịn có độ lỗ rỗng cao có vận tốc truyền sóng trong khoảng 1.46 đến
1,6 km/s. Các loại cát thô trong trầm tích Đệ tứ có độ rỗng thấp hơn có thể có vận tốc

6


khoảng 1,8 km/s do có các vật liệu đặc sít hơn như sét đi kèm. Khi tính bề dày các
thành tạo trầm tích trẻ nằm trên cùng của lát cắt địa chất, thông thường có thể lấy giá
trị vận tốc truyền sóng tương đương với 1,7 km/s, trừ khi có các giá trị vận tốc chính
xác hơn, vì các lớp trầm tích này thường rất mỏng nên sai số do tốc độ truyền sóng
khác nhau gây ra coi như không đáng kể.
Tín hiệu âm học phát ra bao gồm một dải các tần số khác nhau, trong đó các
tần số phổ biến nhất được gọi là tần số ưu thế. Tần số ưu thế được sử dụng từ vài trăm
Hz tới khoảng 3.5 kHz, tương đương với bước sóng từ một vài m đến vài chục cm,
liên quan trực tiếp đến độ phân giải thẳng đứng của số liệu thu được. Việc tăng tần
số cho phép nâng cao độ phân giải nhưng lại làm giảm chiều sâu khảo sát, vì vậy tùy
thuộc vào nhiệm vụ cụ thể cần nghiên cứu lựa chọn giải tần số thích hợp.
 Độ phân giải địa chấn:
Là khả năng phân biệt rõ hai đối tượng địa chất nằm sát nhau cả phương thẳng
đứng và phương ngang trên băng ghi địa chấn [10].
Độ phân giải thẳng đứng:
Xác định khả năng mà phương pháp có thể quan sát chi tiết mặt cắt địa chất
theo phương thẳng đứng. Độ phân giải thẳng đứng phụ thuộc vào chiều dài bước sóng
λ:
Δh = λ/4 = v/4f

(1.1)

Trong đó ∆h là độ phân giải đứng, λ là bước sóng và f là tần số chủ đạo của
nguồn sóng âm.

Trong địa chấn phản xạ phân giải cao thường dùng nguồn phát có tần số cao
(f = 400 – 4000Hz đối với hệ Boomer). Giả sử nguồn phát sóng có tần số là 400Hz,
tốc độ truyền sóng trong đá trầm tích là 1800m/s thì độ dày nhỏ nhất có thể xen giữa
hai tầng phản xạ là:
Δh = 1800/(4*400) = 1.125m
Công thức trên chỉ ra rằng để quan sát rõ các lớp càng mỏng, cần phải sử dụng
các dao động tần số càng cao. Tần số càng cao thì độ chi tiết để phát hiện các cấu trúc

7


giữa 2 mặt phản xạ càng lớn. Tùy thuộc vào mục đích của chuyến khảo sát, cần lựa
chọn tần số phát cho phù hợp để thu được độ phân giải mong muốn.
Độ phân giải ngang:
Là khả năng phân biệt các đối tượng khác nhau theo chiều ngang trên lát cắt
địa chấn. Độ phân giải ngang phụ thuộc vào diện tích đới Fresnel thứ nhất. Năng
lượng sóng đến một điểm trên mặt quan sát từ một mặt phản xạ không phải là một
điểm mà thực chất đến từ một diện tích nhất định trên mặt phản xạ. Diện tích đó gọi
là đới Fresnel thứ nhất, được giới hạn bởi khoảng cách giữa hai mặt sóng cách nhau
¼ bước sóng λ [10].
r=√

λh
vh
=√
2
2f

(1.2)

Trong đó:
r - bán kính đới Fresnel
λ - bước sóng
h - độ sâu
f - tần số
v - vận tốc truyền sóng trung bình
Như vậy bán kính đới Fresnel (r) là một hàm phụ thuộc vào vào các yếu tố là
bước sóng (λ), độ sâu (h), tần số (f) và vận tốc truyền sóng trung bình (v). Để có thể
lựa chọn độ phân giải ngang phù hợp ta cần lựa chọn các tham số trên. Một tín hiệu
tần cao (bước sóng ngắn) sẽ có diện tích Fresnel đầu tiên nhỏ hơn một tín hiệu tần
thấp (bước sóng dài).
Trên các mặt cắt 2D, độ phân giải ngang được thể hiện bởi đường kính của đới
Fresnel thứ nhất (hình 1.1). Các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn giá trị giới hạn này
sẽ không được phản ánh trên băng ghi địa chấn. Bằng cách giữ cho tần số phát của
nguồn đủ lớn và tốc độ chạy tàu khảo sát đủ chậm, có thể đảm bảo cho đới Fresnel
của các lần nổ được sát nhau nhằm xác định ranh giới phản xạ một cách liên tục trên
băng ghi.

8


Hình 1.1. Bề rộng đới Fresnel thứ nhất qui định độ phân giải ngang của số liệu [10]

Hình 1.2. Mối liên hệ tốc độ, tần số, bước sóng và độ sâu [3]
Hình 1.2 cho thấy, khi độ sâu tăng lên thì tần số giảm, trong khi tốc độ và bước
sóng tăng lên, có nghĩa là khi khảo sát ở những khu vực có độ sâu càng lớn thì cần
phải sử dụng nguồn phát có tần số càng nhỏ (bước sóng càng lớn), dẫn đến diện tích
đới Fresnel thứ thất tăng khiến cho độ phân giải giảm đi. Do đó trong phương pháp
ĐCNPGC, sử dụng tần số cao, sẽ cho độ phân giải tốt ở độ sâu nhỏ và kém dần khi
độ sâu tăng. Đây chính là lý do vì sao phương pháp này thường được sử dụng để khảo

sát ở khu vực nước nông trên biển.
 Các loại sóng nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng tài liệu:
Để giải quyết các nhiệm vụ địa chất, với mỗi phương pháp địa chấn thường sử
dụng một loại sóng nhất định (với phương pháp ĐCNPGC là sóng phản xạ một lần
từ các mặt ranh giới phản xạ khác nhau). Trong tập hợp các sóng ghi nhận được,
ngoài sóng có ích còn tồn tại phông nhiễu phức tạp gây trở ngại cho việc phát hiện
và theo dõi sóng có ích [10].

9


Sóng có ích là những sóng chứa thông tin liên quan đến đối tượng nghiên cứu,
được sử dụng để xử lý và phân tích tài liệu nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất.
Nhiễu là tập hợp toàn bộ các sóng không liên hệ trực tiếp với đối tượng nghiên
cứu hoặc không sử dụng để xử lý và phân tích. Có thể chia ra 2 loại là nhiễu không
có quy luật và có quy luật:
Nhiễu không có quy luật (ngẫu nhiên):
Là các sóng mà biên độ, pha, hình dạng… thay đổi ngẫu nhiên khi chuyển từ
điểm quan sát này sang điểm quan sát khác, không theo dõi được trong những đoạn
tuyến dài. Nhiễu ngẫu nhiên do nhiều nguồn khác nhau gây ra.
- Nhiễu vi địa chấn xuất hiện do những nguyên nhân không liên quan đến
nguồn nổ như mưa gió.
- Nhiễu do ảnh hưởng của các hoạt động của con người (hoạt động của tàu cá
gần tàu khảo sát), các hoạt động gây tiếng ồn trên chính tàu khảo sát, nhiễu do ảnh
hưởng của mạng lưới truyền dẫn thông tin (nhiễu công nghiệp)... gây ra.
Nhiễu có quy luật:
Là loại nhiễu mà hình dạng, biên độ, pha…không thay đổi hoặc thay đổi từ từ
dọc tuyến khảo sát. Điều này cho phép theo dõi chúng trên những đoạn tuyến dài.
Các loại nhiễu có quy luật thường liên quan đến nguồn nổ như sóng mặt, sóng âm,
sóng phản xạ nhiều lần (PXNL), sóng tán xạ… Sau đây là đặc điểm của một số loại

nhiễu phổ biến trong phương pháp ĐCNPGC:
Sóng tán xạ: được hình thành khi môi trường có các bất đồng nhất có kích
thước nhỏ hơn bước sóng. Trong môi trường địa chất đó là các đới vát nhọn, nứt nẻ,
đứt gãy, mặt gồ ghề…
Sóng PXNL là loại sóng phản xạ lớn hơn một lần từ các mặt ranh giới khác
nhau trước khi đến máy thu. Sóng này được hình thành trong quá trình truyền từ
nguồn qua môi trường nước, qua các tầng đất đá dưới đáy biển rồi phản xạ tới đầu
thu. Trong quá trình này, xung địa chấn có thể truyền đi theo nhiều hướng và bị biến
đổi bởi nhiều quá trình vật lý khác nhau, gây ảnh hưởng tới tín hiệu phản xạ ghi nhận
cuối cùng. Do bản chất cũng là sóng phản xạ nên rất dễ nhầm lẫn với sóng phản xạ

10


một lần từ các tầng sâu. PXNL là loại nhiễu rất phổ biến, nó có thể xuất hiện trong
hầu hết các điều kiện môi trường địa chất khác nhau. Trong môi trường trầm tích
phân lớp, các mặt ranh giới phản xạ mạnh thường là nguyên nhân gây ra sóng PXNL.
Sóng PXNL có thể phân thành 2 loại: sóng lặp chu kỳ ngắn và sóng lặp chu kỳ dài.

Hình 1.3. Hình ảnh tia sóng PXNL và các mặt ranh giới ảo do chúng gây ra [10]

Hình 1.4. Sóng lặp 2-3 lần bề mặt đáy biển, nhiễu tần số thấp che lấp
bức tranh số liệu và làm giảm độ phân giải
Sóng kèm (hoặc là sóng vệ tinh): hình thành khi có các ranh giới rõ rệt phía
trên nguồn nổ. Do tia sóng đi từ nguồn nổ lên phía trên, bị phản xạ từ mặt ranh giới
phía trên nguồn nổ rồi mới đi xuống nên xuất hiện chậm hơn sóng phản xạ và được
gọi là sóng đi kèm.

11

Sóng vang: khi khảo sát trong môi trường nước (biển, sông…) thường tồn tại
loại sóng lặp lại nhiều lần trong lớp nước, chúng có ảnh hưởng lớn đến việc theo dõi
sóng có ích. Cần hạn chế chúng bằng nhiều phương pháp như chọn vị trí đặt tuyến,
chiều sâu phát sóng, lọc ngược…
1.2.2. Hệ thống phát và thu sóng địa chấn
Một hệ thống địa chấn gồm một nguồn phát sóng âm, một hệ thống máy thu
để ghi nhận các tín hiệu phản xạ và một máy in tương tự để chuyển các tín hiệu này
thành các băng ghi (mặt cắt) tương tự (hình 1.5) [4]. Băng ghi này thể hiện trường
thời gian liên tục thẳng đứng bên dưới hành trình của tàu khảo sát với trục thẳng đứng
là thời gian truyền sóng 2 chiều và trục ngang là vị trí tàu khảo sát trên biển.

Hình 1.5. Bố trí hệ thống thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao
 Nguồn phát
Khi tiến hành địa chấn trong môi trường nước (biển, sông, hồ,…), thường sử
dụng nguồn không nổ như nguồn khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện - thủy lực… Đối với
phương pháp ĐCNPGC, để kích thích dao động có thể sử dụng nhiều loại nguồn nổ
khác nhau. Lựa chọn nguồn sóng âm thường dựa trên độ phân giải và độ sâu khảo
sát. Ở Việt nam đang sử dụng hai loại phổ biến trong nghiên cứu địa chất biển nông
là Boomer và Sparker.
Nguồn Boomer:

12


Là loại nguồn cơ điện hoặc điện động. Năng lượng điện phát ra được nạp vào
các tụ điện thông qua cuộn dây gắn trong chất cách điện nằm dưới một tấm kim loại.
Điện lượng này sinh ra một từ trường mạnh trong cuộn dây, tạo ra các dòng điện xoáy
làm sinh ra một từ trường mạnh trong tấm kim loại. Từ trường này đối kháng với từ
trường trong cuộn dây làm cho tấm kim loại bị bật ra rất nhanh tạo nên một xung âm

học sắc nhọn.
Năng lượng phát của Boomer phổ biến nhất trong các khảo sát phân giải cao
vào khoảng 200 đến 500J. Tần số ưu thế của tín hiệu thông thường trong khoảng 2000
đến 10.000Hz, do đó Boomer được coi là một loại nguồn âm có dải tần số rộng và
được sử dụng rất hiệu quả trong các khảo sát với yêu cầu độ phân giải rất cao. Độ
xuyên sâu trong hầu hết các trầm tích cát hoặc cát pha sét nói chung vào khoảng 30 50m và có thể sâu hơn đối với các trầm tích mịn hơn. Ưu điểm của loại thiết bị này
là tín hiệu ngắn, có thể đạt độ phân giải rất cao; dải tần số rộng, có thể áp dụng cho
nhiều mục đích khảo sát khác nhau và có thể khảo sát được trong môi trường nước
ngọt. Nhược điểm của nó là hệ thống thiết bị tương đối cồng kềnh, điều kiện thi công
phức tạp và độ xuyên sâu hạn chế, thường chỉ đạt tới khoảng 50m trong điều kiện
bình thường.
Nguồn Sparker:
Năng lượng điện được tích trong bộ tụ và phóng điện ra một hoặc nhiều đầu
cực trong nước biển. Sự phóng điện theo chu kỳ làm bốc hơi tức thời một lượng nước
nhỏ xung quanh mỗi đầu điện cực để tạo ra một bong bóng khí có áp suất lớn. Bong
bóng này co giãn sinh ra một chuỗi các xung áp lực âm - dương tắt dần kế tiếp nhau,
chính là tín hiệu âm học phát ra. Tần số và thời gian tồn tại của quá trình co giãn này
phụ thuộc vào chiều sâu thả điện cực và công suất của quá trình phóng điện tính theo
đơn vị Joule (J). Đặc điểm này sinh ra hiện tượng một tín hiệu phản xạ thường bao
gồm một chuỗi các xung liên tiếp nhau, đôi khi có thể che khuất các tín hiệu phản xạ
kế tiếp, làm giảm độ phân giải của phương pháp.
Năng lượng sử dụng trong các khảo sát nông phân giải cao thường nằm trong
khoảng 250 đến 1000J, tần số ưu thế của các tín hiệu địa chấn phát ra thường nằm

13


trong khoảng 200 - 1000Hz, số lượng điện cực có thể là 10, 100 thậm chí lớn hơn
nhằm nâng cao đáng kể độ phân giải đồng thời vẫn giữ được độ xuyên sâu tốt. Thực
tế qua nhiều chuyến khảo sát trên thềm lục địa Việt Nam cho thấy với công suất phát

của Sparker là 500J, sử dụng cực phát có 50 -100 điện cực cho kết quả tối ưu nhất.
Sparker được coi là một loại nguồn lý tưởng cho phần lớn các khảo sát thăm
dò địa chất – địa vật lý biển. Nó có thể đạt tới độ xuyên sâu tới vài trăm mét và độ
phân giải từ 2 đến 5m trong các điều kiện thông thường với các ưu điểm vượt trội là
đơn giản, gọn nhẹ, dễ lắp đặt trên tàu nhỏ, có thể phát được năng lượng lớn, với dải
tần số rộng, có thể áp dụng cho nhiều mục đích khảo sát khác nhau và nguồn điện
cung cấp tương đối đơn giản, ổn định và chi phí thấp hơn so với các hệ thống khác.
Bên cạnh đó, nó cũng có nhược điểm là rất khó loại trừ hoàn toàn xung thứ cấp (xung
bong bóng) và khó phóng điện trong môi trường nước ngọt.
 Hệ thống ghi
Máy thu địa chấn là bộ phận đầu tiên làm nhiệm vụ thu nhận các rung động và
biến đổi thành các dao động điện.
Máy thu triệt tiêu gia tốc (Acceleration Cancelling Hydrophone) được sử dụng
trong ĐCNPGC gồm hai tinh thể thạch anh áp điện được ghép đối xứng sao cho gia
tốc theo phương nằm ngang do chuyển động của tàu gây ra là bằng nhau và ngược
chiều để tự triệt tiêu. Các máy thu này được ghép song song và đặt trong một ống
chất dẻo chứa dầu kéo theo sau tàu (Streamer). Dầu có tác dụng cách điện và bù tỉ
trọng để đầu thu có thể ngập trong nước, ổn định ở một độ sâu nhất định nhằm hạn
chế một phần nhiễu đồng thời tăng đáng kể chất lượng tín hiệu có ích, qua đó có tác
dụng tăng tỉ số tín hiệu/nhiễu bằng cách tăng biên độ tín hiệu theo hiệu ứng cộng
đồng pha, đồng thời giảm các loại nhiễu trên cả hai phương diện: a) Tăng hiệu ứng
thống kê: với số lượng máy thu là N, tỷ số tín hiệu/nhiễu ngẫu nhiên sẽ lên tăng gấp
N1/2 lần; b) tăng hiệu ứng định hướng: khi đầu thu được kéo theo phương nằm ngang
trên mặt biển, tín hiệu phản xạ từ các ranh giới trầm tích sẽ được cộng đồng pha trong
khi nhiễu từ các hướng khác bị lệch pha, làm cho tỉ số tín hiệu/nhiễu được tăng lên
đáng kể.

14

Khoảng cách giữa các máy thu trong một đầu thu cũng phải tuân theo lý thuyết
lấy mẫu Nyquist. Để tránh hiện tượng méo dạng, phải có ít nhất hai máy thu đối với
mỗi bước sóng của tần số cao nhất nằm trong dải tần số cần quan tâm nhằm rời rạc
hóa chính xác hình dạng sóng. Ví dụ, trong trường hợp góc tới thẳng đứng và tần số
cao nhất (f) cần được rời rạc hóa là 750Hz, phải có ít nhất hai máy thu liên tiếp nhau
trong khoảng cách 1m theo công thức:
l=

v
1500
=
= 1m
2f 2 ∗ 750

(1.3)

Trong đó: v là vận tốc truyền sóng trong môi trường nước và l là khoảng cách
giữa hai máy thu. Đây cũng chính là khoảng cách giữa các máy thu thường được áp
dụng trong các chuyến khảo sát bằng thiết bị Sparker trên thềm lục địa Việt Nam.
Các số liệu địa chấn sau khi được biến mã tương tự - số sẽ được ghi vào bộ
nhớ của máy tính theo các định dạng (format) chuyên biệt, đồng thời được hiển thị
trên màn hình máy tính và chuyển đến thiết bị in băng địa chấn (hình 1.6).
Toàn bộ hoạt động của thiết bị địa chấn được thực hiện bởi các chương trình
điều khiển cài đặt sẵn trong máy vi tính. Chương trình này điều khiển toàn bộ quy
trình đo, ghi, biểu diễn tín hiệu và lựa chọn các tham số đo ghi liên quan ngay tại chỗ
một cách thích hợp. Các số liệu đo được tích hợp với hệ thống định vị vệ tinh toàn
cầu GPS (Global Positioning System) hoặc DGPS (Differential GPS) nhằm đảm bảo
công tác dẫn đường và xác định tọa độ các điểm đo dọc theo tuyến.

Hình 1.6. Sơ đồ khối bố trí thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao

15


Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày sơ lược về sự phát triển của phương pháp Địa chấn
nông phân giải cao trên thế giới và một số ứng dụng của phương pháp này cả trên lục
địa và vùng nước nông nhằm tìm kiếm khoáng sản, đánh giả tài nguyên nước, nghiên
cứu địa chất tầng nông, địa chất công trình. Về tình hình nghiên cứu và áp dụng tại
Việt Nam đã cho thấy: phương pháp này đã được đưa vào áp dụng từ những năm
1900 trở lại đây, tuy nhiên khu vực nghiên cứu chủ yếu là vùng thềm lục địa Việt
Nam, xung quanh một số đảo và quần đảo. Về số liệu thu được bằng phương pháp
này là rất lớn (khoảng trên 40.000km tuyến). Điều đó cho thấy việc nâng cao chất
lượng khảo sát và xử lý tín hiệu ĐCNPGC là rất cấp thiết. Chương 1 cũng tập trung
tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của phương pháp (độ phân giải, tần số ưu thế, các loại
nhiễu thường gặp trong mặt cắt ĐCNPGC,...), điều này là rất cần thiết để đưa ra một
số nhận định và các thuật toán cần thiết cho công tác xử lý các mặt cắt ĐCNPGC về
sau.

16


CHƯƠNG 2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU
Xử lý số liệu là công đoạn áp dụng các biện pháp có thể can thiệp vào số liệu
nguyên thủy thu được với mục đích tăng tỉ lệ tín hiệu/nhiễu để chuyển đổi số liệu thu
được thành một hình ảnh trung thực nhất về các cấu trúc địa chất bên dưới bề mặt
đáy biển, đồng thời phải đảm bảo chi phí về mặt thời gian và nhân lực xử lý thích hợp
[6]. Trong các phần mềm xử lý số liệu ĐCNPGC ở Việt Nam hiện nay, phần mềm
Reflexw (CHLB Đức) được đánh giá là có thể đáp ứng tốt tiêu chí trên và đã được sử
dụng rộng rãi tại Liên đoàn Vật lí địa chất, Trung tâm Địa vật lý - Liên đoàn Bản đồ

địa chất miền Nam và tại Viên Địa chất và Địa vật lý biển trong khoảng 20 năm trở
lại đây.
Trong khuôn khổ luận văn, học viên tìm hiểu và sử dụng phần mềm Reflexw
phục vụ cho việc xử lý các mặt cắt ĐCNPGC khu vực nghiên cứu, cụ thể là sử dụng
một số thuật toán sau: Hiệu chỉnh số liệu, phục hồi biên độ, trung bình hóa đường
ghi, các bộ lọc tần số hạn chế các loại nhiễu, hạn chế nhiễu PXNL. Đối với xử lý số
liệu ĐCNPGC một mạch, một số bước xử lý có thể cần dùng có thể không, một số có
thể dùng trước có thể dùng sau, thứ tự sử dụng không/hoặc ít ảnh hưởng tới kết quả
xử lý [6].
2.1. Phân tích đặc trưng tín hiệu
Trong mỗi chuyến khảo sát, với mục đích, điều kiện hoạt động của thiết bị và
phương tiện khảo sát khác nhau, đồng thời điều kiện môi trường địa chất, khí tượng,
thủy văn cũng khác nhau, tạo ra sự khác biệt về chất lượng của tín hiệu thu được trong
mỗi đợt khảo sát. Các đặc điểm này dẫn đến đòi hỏi cần phải xác định rõ các đặc
trưng động học của tín hiệu với những tham số thu phát cụ thể ở mỗi chuyến khảo
sát. Để làm được điều này, chúng ta cần phân tích chi tiết phổ tần số toàn mặt cắt và
phân tích từng đường ghi tín hiệu ở những chế độ đo ghi khác nhau. Ví dụ quan sát
phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 khu vực Cửa Đáy (hình 2.1) có thể chỉ ra được
khoảng nhiễu tần số thấp (1) và nhiễu ngoài khoảng tín hiệu thiết đặt (2). Do đó cần
loại bỏ nhiễu nằm trong 2 khoảng tần số này.

17


Hình 2.1. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 khu vực Cửa Đáy
2.2. Phục hồi biên độ
Môi trường địa chất nói chung và địa chất tầng nông nói riêng bao gồm các
trầm tích bở rời, được xem là môi trường hấp thụ năng lượng sóng khá mạnh. Hấp
thụ là quá trình trong đó một phần năng lượng sóng địa chấn bị mất đi do chuyển
thành nhiệt lượng khi đi qua các lớp trầm tích, khi đó năng lượng sóng địa chấn sẽ bị

suy giảm nhanh theo chiều sâu. Vì vậy cần phục hồi lại phần nào năng lượng sóng đã
mất đi trong khi truyền đi qua các lớp đất đá khác nhau. Để tính ảnh hưởng hấp thụ
trên quãng đường truyền sóng người ta sử dụng công thức:
A = A0 eαz = A0 e−ρz/λ

(2.1)

A /A0 = e−ρz/λ

(2.2)

Hay:
Trong đó z là độ sâu; ρ và α là hệ số hấp thụ và hệ số hấp thụ theo chu kỳ của
môi trường; A0 và A là biên độ sóng cực đại (trên mặt) và tại độ sâu z; ρ có giá trị
trung bình là 0.05 đối với môi trường trầm tích bở rời ngậm nước.
Người ta dùng thang Decibel (bB) là thang logarit để so sánh tỉ lệ giữa biên độ
tín hiệu suy giảm và tín hiệu ban đầu:
N = 20lg(A/A0 ) (dB)

18

(2.3)