Nghiên cứu cấu trúc địa chất trong khảo sát địa chất công trình phục vụ thiết kế thủy điện nhỏ bằng phương pháp địa chấn khúc xạ

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

Lê Quang Dần

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT TRONG KHẢO SÁT ĐỊA
CHẤT CƠNG TRÌNH PHỤC VỤ THIẾT KẾ THỦY ĐIỆN NHỎ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN KHÚC XẠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2011


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

Lê Quang Dần

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT TRONG KHẢO SÁT ĐỊA
CHẤT CƠNG TRÌNH PHỤC VỤ THIẾT KẾ THỦY ĐIỆN NHỎ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN KHÚC XẠ

Chuyên ngành: Vật lý địa cầu
Mã số: 60 44 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐỨC TÂN

Hà Nội - 2011


MỞ ĐẦU
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 quả đất, tìm kiếm thăm dị dầu khí, tài
ngun khống sản, nghiên cứu nền móng cơng trình, tìm kiếm nước dưới đất...
Hoạt động nghiên cứu ứng dụng công nghệ, kỹ thuật mới trong địa chất thăm dị và
địa chất cơng trình đã và đang được các cơ quan nghiên cứu Địa vật lí ứng dụng tích cực
triển khai. Hàng loạt máy móc, thiết bị hiện đại được nhập khẩu và đưa vào sử dụng trong
ngành địa chất-địa vật lý. Nhằm giúp công tác giảng dạy và nghiên cứu tiếp cận với các
công nghệ ứng dụng, năm 2005 Bộ môn Địa vật lí Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
được trang bị trạm STRATAVISOR-NZ. Đây là trạm địa chấn khá hiện đại. Từ đó trạm
này đã được khai thác, sử dụng một cách có hiệu quả trong các nghiên cứu và giảng dạy
của Bộ môn.
Ở Việt Nam, phương pháp địa chấn đã được ứng dụng trong các khảo sát địa chất
nông trên đất liền bắt đầu từ những năm 60 khi người ta sử dụng phương pháp địa chấn
khúc xạ nông để quan sát lát cắt địa chất nằm sát mặt đất phục vụ xây dựng cơng trình thủy
điện Hịa Bình. Cho đến nay phương pháp khúc xạ nông vẫn là phương pháp địa chấn duy
nhất được sử dụng để khảo sát hầu hết nền móng các cơng trình xây dựng lớn ở Việt Nam
nói riêng, và các cấu trúc địa chất nơng nói chung.
Phương pháp khúc xạ nơng được tiến hành đơn giản, khơng địi hỏi các biện pháp
quan trắc phức tạp và các công nghệ xử lý đặc biệt như phương pháp phản xạ nông. Tuy
nhiên, kinh nghiệm thực tiễn cho thấy phương pháp khúc xạ nơng chỉ có khả năng khảo sát
nền đá gốc khi lớp phủ trên nó là các lớp phong hóa và các thành tạo đệ tứ bở rời gắn kết
yếu. Nó bộc lộ nhiều hạn chế khi giải quyết các nhiệm vụ địa chất như: phân chia chi tiết
lớp phủ nằm trên nền đá gốc, khảo sát nền đá gốc khi trong lớp phủ trên đá gốc có các lớp
đá cứng có tốc độ truyền sóng bằng hoặc lớn hơn tốc độ truyền sóng trong đá gốc, phát

hiện đứt gãy trong lớp phủ trầm trích và lớp phong hóa bở rời cũng như xác định hướng đổ
và biên độ dịch chuyển đứt gãy. Làm rõ thêm các ý kiến nêu trên nhằm tìm kiếm các giải
pháp khắc phục vẫn là một vấn đề đáng quan tâm khi áp dụng phương pháp địa chấn khúc
xạ trong khảo sát Địa chất cơng trình.

1


Luận văn đã được thực hiện trên cơ sở hoạt động liên kết với các cơ quan khoa học
kĩ thuật bên ngoài. Qua nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả cố gắng trình bày một
số kết quả khảo cứu công nghệ Địa chấn khúc xạ trong Địa chất cơng trình cũng như một
số kết quả thực tế ứng dụng phương pháp cho khảo sát nền móng cơng trình thủy điện
Thakhor và cơng trình thủy điện Nậm-Hinbun.
Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phương pháp
địa chấn khúc xạ trong địa chấn cơng trình; Chương 2: Cơng nghệ thực địa đo địa chấn
khúc xạ trong địa chấn cơng trình; Chương 3: Một số cơng trình khảo sát địa vật lý dùng
phương pháp địa chấn khúc xạ
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đức Tân – Trường đại học Khoa học Tụ
nhiên – ĐH QGHN đã tận tình hướng dẫn , góp ý và động viên tơi trong q trình thực
hiện luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Vật lý Địa cầu – Khoa Vật lý Trường
đh Khoa học Tự nhiên đã tận tình giúp đỡ trong q trình học tập tại bộ mơn

2


CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN KHÚC
XẠ TRONG ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH
1.1. Sự phản xạ và khúc xạ của sóng đàn hồi
1.1.1. Sự phản xạ khúc xạ sóng đàn hồi khi gặp mặt phân cách giữa hai

mơi trường
Khi sóng cơ học truyền qua mặt ranh giới giữa hai mơi trường có vận tốc
truyền khác nhau (có độ đàn hồi và mật độ khác nhau), sẽ xuất hiện sóng phản xạ và
khúc xạ. Ở hình 1.1 khi sóng P truyền từ mơi trường I đến mơi trường II sẽ xuất
hiện bốn loại sóng khác nhau, sóng phản xạ P (PP 1 ), sóng phản xạ S (PS 1 ), sóng
khúc xạ P (PP 2 ) và sóng khúc xạ S (PS 2 ). Nếu tương ứng gọi vận tốc sóng P và
sóng S ở mơi trường I là vP1 và vS1, ở môi trường II là vP2 và vS2, ta có:

vP1

sin 



vP1

sin  P



vS1

sin  S



vP2

sin P



vS2

sin S

(1.1)

Trong phương pháp địa chấn khúc xạ ta phải chú ý đến các đầu sóng của cả
sóng trực tiếp và sóng khúc xạ, khi đó mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ là:
sin  v1

sin   2

(1.2)

Khi v1  v2 thì    , điều kiện tới hạn có thể xảy ra. Sóng khúc xạ có thể sẽ
trượt dọc theo mặt ranh giới giữa hai mơi trường, gọi góc tới hạn này là i thì
sin i  v1 / v2

Hình 1.1: Sự phản xạ và khúc xạ sóng đàn hồi khi gặp mặt phân cách giữa

3


hai mơi trường
1.1. 2. Mơ hình phân lớp
a. Mơi trường hai lớp với ranh giới nằm ngang

(b)

(a)

Hình 1.2:

(a) Biểu đồ thời khoảng với mơ hình 2 lớp ngang
(b) Mơ hình vận tốc tương ứng

Từ các giản đồ sóng khúc xạ đo ngoài thực địa ta sẽ nhận được biểu đồ thời
khoảng tương ứng. Hình1.2a cho thấy với mơi trường hai lớp ngang biểu đồ thời
khoảng sẽ có một điểm gãy. Trên Hình1.2b chúng ta sử dụng mơ hình vật lí với cấu
trúc hai lớp có mặt ranh giới là đường bcde cách bề mặt một khoảng là h và song
song với mặt đất, vận tốc lớp trên là v1 , vận tốc lớp dưới là v2 ( v1  v2 ). Giả sử a là
điểm nổ, f là điểm thu. Bây giờ ta thu được hai sóng từ điểm nổ a tới điểm thu f,
một là sóng trực tiếp và hai là sóng khúc xạ. Nếu khoảng cách từ a đến f là x và thời
gian truyền của sóng trực tiếp ở điểm f là T 1 thì:
T1  x / v1

(1.3)

Trên đường truyền của sóng khúc xạ a  c  d  f , thời gian truyền sóng đến
điểm f là T 2 thì:

4


T2 

ac cd df



v1 v2 v1

Từ mơ tả ở hình trên chúng ta có:
ac  df  h / cos(ic )
T2 

Suy ra:
Biết
tan(ic ) 

bc de
;

h
h

bc  de  h tan(ic ) ;

Thay vào (1.4) ta có:
Hay

T2 

2h
cd

v1 cos(ic ) v2

T2 

(1.4)

cd  x  bc  de  x  2h tan(ic )

x  2h tan(ic )
2h

v1 cos(ic )
v2

(1.5)

tan(ic )  x

2h tan(ic ) x
1
2h

= 2h 



v2  v2
v1 cos(ic )
v2
v2
 v1 cos(ic )

v sin(ic )  x

v2
T2  2h 
 1

 v1v2 cos(ic ) v1v2 cos(ic )  v2

Suy ra

sin(ic )  (v1 / v2 )

Theo định luật Snell:

Tiếp tục thay vào biểu thức trên ta có:
 v / sin(ic )  v1 sin(ic )  x
T2  2h  1

v1v2 cos(ic )

 v2

Mặt khác:

(1.6)

1-sin2(ic) = cos2(ic)

 T2  2h
T2  2h

cos(ic )

x

mà sin(ic)=(v1/v2) nên :
v2 sin(ic ) v2

cos(ic ) x

v1
v2

(1.7)

thay cos(ic )  1  sin 2 (ic ) vào 1.7 ta có:

5


 v1

1

1  sin 2 (ic ) x
 v2
T2  2h
 = 2h
v1
v2
v1

Hay:





2



x
v2

v22  v12 x
T2  2h

v1v2
v2

Đặc biệt khi x=0 thì với lớp thứ i:
2h v22  v12
Ti 
v1v2

.

(1.8)

Hay theo (1.7) trường hợp khi x=0
Ti 

2h cos(ic )
v1

(1.9)

Theo định luật Snell, từ (1.8) suy ra:
Ti 

T1v1
1
2 cos(sin 1 v1 / v2 )

(1.10)

Thay (1.8) vào (1.10) ta nhận được độ sâu tới ranh giới:
h

1 T1v1v2
2 v22  v12

(1.11)

Như vậy với (1.10) hoặc (1.11), thông qua phép đo Ti, V1, V2 ta có thể nhận
được độ sâu h tới ranh giới lớp bằng cách sử dụng biểu đồ thời khoảng..
Cũng thấy rằng T1=T2 tại điểm gãy xc trên biểu đồ thời khỏang nên theo (1.3)
và (1.8) ta có thể tính độ sâu của lớp dưới h theo thời gian giao nhau.
h

1 v2  v1
xc

2 (v2  v1 )

(1.12)

Các biểu thức (1.11) và (1.12) biểu diễn mối liên hệ giữa bề dày lớp với các
vận tốc nhận được qua biểu đồ thời khỏang (rút ra từ các giản đồ sóng đo ngồi
thực địa).
b. Mơ hình hai lớp với ranh giới nghiêng

6


Độ sâu lớp được tính theo cơng thức
x A 2h A cos i v A sin(i   )


v1
v1
v1

(1.30a)

x B 2hB cos i v B sin(i   )


v1
v1
v1

hA 



xA
1  sin(i   )  x A 1  v*1 
2 cos i
2 cos i  v 2 A 


xB
1  sin(i   )  x B 1  v*1
hA 
2 cos i
2 cos i  v 2 B





(1.30b)

Trong thực tế, để áp dụng các công thức trên cho xử lí tài liệu địa chấn khúc xạ
người ta phải thực hiện 2 điểm nổ trái (A) và phải (B) so với điểm đặt máy thu. Khi
đó 2 biểu đồ thời khỏang (nhánh trái và nhánh phải) nhận được sẽ được dùng để
phân tích.
Các bài tốn với mơ hình nhiều lớp phẳng ngang hoặc phẳng nghiêng, hoặc
cong cũng có thể được phân tích để nhận được các tham số vận tốc và chiều sâu
đến ranh giới. Ta thấy với các ranh giới khúc xạ phẳng ngang hoặc nghiêng, bài
toán được giải quyết khá đơn giản. Tuy nhiên, các mô hình áp dụng cho các đối
tượng thực tế thường khơng đơn giản như vậy. Cần phải có những thuật tốn hợp

lý áp dụng được cho việc giải các bài toán trên những mơ hình đó.
1.2. Phƣơng pháp địa chấn khúc xạ trong địa chấn cơng trình
Địa chấn thăm dị gồm hai nhóm phương pháp chính là phương pháp địa
chấn phản xạ và phương pháp địa chấn khúc xạ. Phương pháp địa chấn phản xạ thu
sóng phản xạ từ mặt ranh giới hai môi trường (khác biệt vận tốc truyền) của đất đá
phía dưới lịng đất. Nó tương tự như phương pháp thu sóng phản xạ âm (đo độ sâu
đáy biển) hay sóng ra đa (đo khoảng cách tới vật chắn sóng trong khơng gian).
Phương pháp địa chấn khúc xạ thu sóng khúc xạ trượt dọc theo các ranh giới; thơng
qua việc ghi nhận, xử lý, phân tích các mặt đầu sóng đến máy thu; nó cho phép ta
suy ra ranh giới các lớp khác biệt vận tốc cũng như một số tham số đàn hồi của mỗi
lớp đất đá. Trên cơ sở xây dựng các mơ hình truyền sóng khúc xạ trong môi trường

7


phân lớp, cần phải giải bài toán địa chấn khúc xạ để xác định các tham số lớp và
vận tốc truyền. Đó là cơ sở cho các phương pháp phân tích các giản đồ sóng khúc
xạ được sử dụng trong các cơng nghệ đo của địa chấn cơng trình và địa chấn thăm
dị.
Trong xử lí tài liệu của địa chấn cơng trình, trên cơ sở các băng ghi giản đồ
sóng tại các điểm thu thực địa, từ các trục đồng pha sóng có thể xác định vận tốc
lớp, góc nghiêng, độ sâu của ranh giới phản xạ. Đây là những tham số quan trọng
giúp cho đánh giá tính chất cơ lí cuả nền móng cơng trình. Một số mơ hình ứng
dụng cho môi trường địa chất hai lớp và nhiều lớp đã được giải quyết trong các tài
liệu nghiên cứu và giáo trình chun khảo.
Việc giải bài tóan cho các môi trường phức tạp hơn như môi trường ba hoặc
nhiều lớp với các mặt ranh giới nghiêng hoặc gãy khúc… tiếp tục được nghiên cứu
giải quyết. Một số kết quả đã đạt được. Ví dụ mơ hình tính vận tốc lớp bằng phương
pháp bình phương tối thiểu, xác định độ sâu ranh giới bằng phương pháp thời gian
tương hỗ, các mơ hình xác định ranh giới phản xạ bằng phương pháp các điểm

tương hỗ hay bằng phương pháp các điểm giao hội… Nhiều bài tốn đã được hiện
thực hóa trong các nhiệm vụ khảo sát địa chấn cơng trình và thương mại hóa trên
các sản phẩm kĩ thuật của các công ty thiết bị Địa vật lý. Đơn cử chương trình
SIPQC được cài đặt trên các máy đo địa chấn đa kênh của cơng Mĩ Geometrics Co.
(Ví dụ StrataVizor™ NZ) hay bộ chương trình PickWin. Chương trình này gồm các
mơ đun cho phép tự động vạch các điểm đầu sóng trên băng địa chấn khúc xạ thực
địa, tạo file để lập đường ranh giới vận tốc, xác lập độ sâu đến mặt ranh giới ứng
với mỗi vị trí đặt máy thu…Trên cơ sở đó một mơ đun chương trình khác sẽ cho
phép hiển thị ảnh mặt cắt phân lớp.

8


CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ THỰC ĐỊA ĐO ĐỊA CHẤN KHÚC XẠ TRONG ĐỊA
CHẤN CƠNG TRÌNH

2.1. Các vấn đề chung của phƣơng pháp địa chấn khúc xạ
2.1.1 Yêu cầu chung
Quy trình công nghệ đo địa địa chấn khúc xạ để giải quyết một số nhiệm vụ địa chất
cơng trình và địa chất mỏ được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu áp dụng phương
pháp địa chấn khúc xạ để giải quyết một số nhiệm vụ địa chất cơng trình và địa chất mỏ.
Quy trình cơng nghệ này bao gồm các vấn đề về thiết bị, lập phương án, tổ chức thi công
thực địa, các phương pháp xử lý và các phương pháp minh giải được sử dụng để khảo sát
mơi trường địa chất bằng cách dùng sóng địa chấn khúc xạ (phương pháp địa chấn khúc
xạ). Phương pháp địa chấn khúc xạ có thể dùng để đánh giá các yếu tố địa chất như: chiều
sâu đến bề mặt đá gốc hoặc đến mực nước ngầm, nghiên cứu địa tầng, thạch học, cấu trúc,
các đứt gãy hoặc đới dập vỡ (các ứng dụng nghiên cứu cấu trúc địa chất). Vận tốc truyền
sóng địa chấn liên quan tới thuộc tính cơ học của các loại đất đá trong nghiên cứu địa chất
cơng trình nên các mơ tả về tính chất của đất đá (loại đá, mức độ phong hóa…) được dựa
trên vận tốc truyền sóng và các thơng tin địa chất đã có sẵn.

Quy trình dưới đây nêu khái qt phương pháp địa chấn khúc xạ dùng sóng dọc. Nó
chỉ giới hạn cho đo địa chấn khúc xạ trên đất liền mà không đề cập đến một số ứng dụng
đặc biệt của phương pháp như đo trên mặt nước hoặc trong hố khoan.

2.1.2. Các vấn đề công nghệ khi khảo sát thực địa
Để xác định cấu trúc địa chất nông dùng phương pháp địa chấn khúc xạ cần phải có:
Máy ghi đa kênh, cáp địa chấn, máy thu (geophone), bộ khởi ghi (trigger) và nguồn gây
sóng (thuốc nổ, búa).
Nguồn gây sóng địa chấn có thể là búa tay, búa máy hoặc thuốc nổ. Thuốc nổ được
dùng khi đối tượng nghiên cứu ở chiều sâu lớn hoặc trong các điều kiện cần dùng nguồn
gây sóng có năng lượng lớn. Các máy thu biến đổi sự rung động của mặt đất do sự lan
truyền sóng cơ học thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó được máy ghi xử lý rời rạc hóa
và ghi lại tạo ra băng ghi sóng địa chấn. Thời gian sóng địa chấn lan truyền từ nguồn gây

9


sóng địa chấn đến các máy thu được xác định theo mặt đầu của sóng địa chấn trên các băng
ghi địa chấn.
Năng lượng của nguồn gây sóng địa chấn sinh ra sóng đàn hồi lan truyền cả trong
mơi trường địa chất và khơng khí. Trong mơi trường địa chất, nếu sóng này gặp một ranh
giới tiếp xúc giữa hai loại đất đá có vận tốc truyền sóng khác nhau thì sẽ bị khúc xạ rồi
phản xạ lại mặt đất và được máy thu ghi lại.
Có nhiều loại sóng đàn hồi sinh ra từ năng lượng của nguồn gây sóng địa chấn.
Trong các khảo sát địa chấn khúc xạ hiện nay người ta chủ yếu quan tâm đến sóng sóng
dọc và sóng ngang. Vận tốc của sóng dọc (Vp) lan truyền trong một loại đất đá phụ thuộc
vào modul khối, modul trượt và mật độ của loại đất đá đó theo công thức:

K  4 3    

Vp 
Trong đó:

Vp: vận tốc sóng dọc,
K: Modul khối,
: Modul trượt
: Mật độ.

Thời gian sóng địa chấn lan truyền từ nguồn tới các máy thu phụ thuộc vào loại sóng,
đường truyền của tia sóng và vận tốc truyền sóng địa chấn của mơi trường. Đường truyền
của tia sóng địa chấn khúc xạ phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng của mơi trường và hình
dạng của mặt ranh giới phản xạ.
Hệ số phản xạ của ranh giới là tham số đánh giá lượng năng lượng sóng địa chấn bị
phản xạ khi gặp bề mặt ranh giới:
R

V
2V2  1V1
và A  2 21
1V1
2V2  1V1

Trong đó:
R: hệ số phản xạ
V1, V2: vận tốc truyền sóng của lớp thứ nhất và lớp thứ hai
1,2: mật độ của lớp thứ nhất và lớp thứ hai
 V: trở kháng âm học
A: tỷ số trở kháng âm học.

10

Tại ranh giới phản xạ, năng lượng sóng địa chấn bị phân chia thành hai phần. Một phần bị
phản xạ và một phần tiếp tục truyền qua ranh giới đó theo định luật Snell nêu trên (công
thức 1.2). Vận tốc truyền của sóng địa chấn phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của đất đá.
Các tham số địa chấn của một số loại đất đá
Loại đất đá

Vận tốc sóng dọc

Mật độ

Trở kháng

(m/s)

(kg/m3)

âm học

Cát khơ, sỏi

750

1800

1.35106

Sét

900

2000

1.80106

Cát bão hịa nước

1500

2100

3.15106

Sét bão hịa nước

1800

2200

3.96106

Đá phiến sét

3500

2500

8.75106

Đá cát kết

2800

2100

5.99106

Đá vôi

4000

2600

10.4106

Granite

6000

2600

15.6106

Bảng 2.1: tham số địa chấn của một số loại đất đá.

2.1.3. Lập phương án
Việc lập phương án thi công cho một khảo sát địa chấn khúc xạ phải dựa trên các yếu tố
như: đối tượng, mục đích của khảo sát, đặc điểm của vùng khảo sát. Các yếu tố trên sẽ xác
định: loại thiết bị sẽ dùng, nhu cầu về nhân lực, lựa chọn phương pháp xử lý và minh giải

số liệu. Những điểm cần lưu ý là: đặc điểm địa chất, chiều sâu cần khảo sát, độ phân giải
cần đạt được, địa hình và giao thơng đến vị trí khảo sát… Ngồi ra, các điều kiện về nhiễu
(ví dụ khi thi cơng cùng với phương pháp khảo sát khác như khoan) và về pháp lý (khi sử
dụng chất nổ) cũng cần phải được xem xét trong quá trình lập phương án khảo sát.
Trước hết phải xây dựng mơ hình địa chất tại khu vực khảo sát nhằm đánh giá mức
độ tương phản về vận tốc truyền sóng địa chấn của các lớp có thể có mặt trong vùng
nghiên cứu. Điều này càng chi tiết càng tốt và nên bao gồm các thông tin như chiều dày và
loại đất phủ trên mặt, chiều sâu tới các lớp đất đá, chiều sâu mực nước ngầm, tính liên tục

11


của lớp cần khảo sát và khả năng phát hiện chúng bằng phương pháp địa chấn khúc xạ. Từ
mơ hình này xây dựng các biểu đồ thời khoảng cho sóng khúc xạ. Dựa vào biểu đồ này sẽ
cho phép đưa ra những phác thảo ban đầu về thiết kế hệ thống quan sát sóng khúc xạ ngồi
thực địa.
Phải xác định được phương pháp sẽ dùng để xử lý số liệu địa chấn khúc xạ. Việc lựa
chọn phụ thuộc vào đối tượng khảo sát và yêu cầu về mức độ chi tiết cần đạt được về đối
tượng địa chất. Phương pháp xử lý cũng quyết định đến cấu hình đo đạc sẽ được sử dụng vì
mỗi phương pháp xử lý sẽ có những địi hỏi nhất định về số liệu cần phải nhận ngoài thực
địa.
Các phương pháp xử lý số liệu địa chấn khúc xạ có thể gồm các kỹ thuật sau: phương
pháp thời gian tương hỗ tổng quát, phương pháp tomography …
Trong đa số trường hợp, nên sử dụng kết hợp các phương pháp nêu trên
Khoảng chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải theo chiều đứng chịu ảnh hưởng lớn bởi các
yếu tố như: đặc trưng kỹ thuật của máy ghi sóng, loại nguồn và kỹ thuật gây chấn rung, tần
số dao động riêng và kiểu của máy thu, bố trí hình học của nguồn chấn rung và các máy
thu cũng như điều kiện tự nhiên của lớp đất phủ. Với các đối tượng nơng thì khoảng cách
giữa các máy thu và khoảng cách giữa các điểm chấn rung phải nhỏ, nguồn chấn rung phải
có năng lượng thấp và tần số cao. Ngược lại, với các đối tượng nằm sâu thì khoảng cách

giữa các máy thu cũng như khoảng cách giữa các điểm chấn rung phải rộng hơn, nguồn
chấn rung phải có năng lượng
lớn hơn và tần số phải thấp hơn.
Các máy thu và nguồn chấn rung phải được tiếp xúc tốt với bề mặt đất đá (nén chặt
hoặc đổ nước). Các máy thu phải được rải dọc tuyến thẳng (gọi là cable địa chấn). Nguồn
chấn rung địa chấn có thể là búa tay, búa máy hoặc thuốc nổ. Thời gian sóng địa chấn lan
truyền từ nguồn gây sóng địa chấn đến các máy thu được xác định theo hình dạng của sóng
địa chấn trên các băng ghi địa chấn (hình 2.1).

12


Hình 2.1: Băng ghi địa chấn khúc xạ với 24 kênh điểm nổ giữa
Máy thu địa chấn nên dùng loại có tần số dao động riêng phù hợp với việc ghi sóng
khúc xạ.
Các loại nhiễu tồn tại thường xuyên khi đo địa chấn nói chung và địa chấn khúc xạ
nói riêng có thể kể như sau:
- Nhiễu tự nhiên gây ra do gió, mưa, nước chảy, sóng nước.
- Nhiễu địa chất gây ra do các thay đổi bất thường về vận tốc trong một lớp vận tốc
(ví dụ như sự tồn tại các tảng lăn lớn trong đất phong hóa).
- Nhiễu gây ra do người đi lại, xe cộ, máy bay, đường điện cao thế.
Ngoài các loại nhiễu kể trên thì nhiễu do nguồn chấn rung (nổ hay đập búa)
gây ra là một trong những khó khăn đáng kể nhất khi triển khai phương pháp. Nhiễu nguồn
là các loại sóng có cường độ cao xuất hiện cùng với các sóng phản xạ với cường độ nhỏ từ
các ranh giới.
Thời gian sóng khúc xạ truyền từ nguồn gây sóng trượt trên mặt ranh giới khúc xạ để
tới các máy thu được dựng thành đồ thị theo khoảng cách và gọi là biểu đồ thời khoảng.
Nó là hàm của khoảng cách thu nổ, chiều sâu đến ranh giới khúc xạ và vận tốc truyền sóng
địa chấn của mơi trường đất đá.

13


Hình 2.2: Mơ tả sóng khúc xạ trong mơi trường 2 lớp
Như trên đã nêu (mục 1.1 trang 11) ta cần ít nhất 2 biểu đồ thời khoảng cho việc
nhận giá trị độ sâu đến mặt ranh giới ( tại điểm thu sóng). Trên hai biểu đồ thời khoảng này
cũng xác định được vận tốc truyền sóng biểu kiến của các lớp. Từ đó có thể tính được vận
tốc truyền sóng thực và góc dốc của các lớp .
Những giới hạn cần lưu ý của phương pháp địa chấn khúc xạ:
- Lỗi khi xác định chiều sâu đến ranh giới khúc xạ tỷ lệ với góc dốc và sự tương phản về
vận tốc của hai lớp nằm trên và dưới ranh giới khúc xạ đó.
- Nếu trong mơi trường địa chất mà lớp nằm dưới có vận tốc nhỏ hơn lớp nằm trên
nó thì phương pháp địa chấn khúc xạ sẽ không phát hiện được lớp bên dưới và việc xác
định chiều dày của lớp trên sẽ khơng chính xác.
- Các lớp phải có chiều dày đủ lớn để có thể xác định được vận tốc biểu kiến trên
biểu đồ thời khoảng.
- Sự tương phản về vận tốc của lớp nằm trên và bên dưới ranh giới khúc xạ
phải đủ lớn để có thể phân biệt được trên biểu đồ thời khoảng.
Độ phân giải ngang phụ thuộc vào khoảng cách giữa các máy thu và khoảng cách
giữa các điểm phát sóng. Độ phân giải đứng thể hiện khả năng xác định sự thăng giáng của
ranh giới khúc xạ theo chiều sâu và mức độ dày hay mỏng của bề dày lớp mà phương pháp
cịn có thể xác định được. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như: khoảng cách giữa các máy
thu, chiều sâu đến các ranh giới khúc xạ, mức độ tương phản về tốc độ truyền sóng của các
lớp trên, dưới ranh giới và tình hình bề mặt nơi đặt máy thu và nguồn phát.

2.2. Thi công thực địa, xử lý số liệu lập báo cáo
2.2.1. Thiết kế hệ thống tuyến đo
Hệ thống tuyến đo phải được thiết kế sao cho đạt được hiệu quả cao nhất với đối tượng
khảo sát. Chiều dài của tuyến khảo sát nên dài hơn đối tượng cần khảo sát để có thể quan

14


sát được cả phông địa chất chung và đối tượng khảo sát. Hướng của tuyến phải cắt qua các
cấu trúc cần khảo sát như đứt gãy, đới dập vỡ v.v.. Số lượng điểm phát sóng và vị trí của
chúng phụ thuộc vào phương pháp xử lý đã được lựa chọn. Khoảng cách giữa các máy thu
phụ thuộc vào chiều sâu của các ranh giới khúc xạ và mức độ chi tiết cần phải đạt được về
hình dạng ranh giới khúc xạ cũng như sự thay đổi vận tốc truyền sóng của nó. Khoảng
cách giữa nguồn và máy thu thường trong khoảng từ 2 đến 5 lần chiều sâu lớn nhất cần
nghiên cứu.
Nếu chiều dài tuyến lớn hơn chiều dài của một cable thu thì phải bố trí các cable thu
liên tiếp nhau cho hết chiều dài tuyến khảo sát. Các điểm nguồn chấn rung nên bố trí ở
giữa hai máy thu vì nó cho phép xác định thời gian tương hỗ chính xác hơn và khơng gây
ra sự thay đổi về môi trường lân cận điểm cắm máy thu (nhất là khi dùng thuốc nổ). Các
điểm nổ xa của cable tiếp theo nên bố trí trùng với điểm nổ trong cable hoặc đầu cable của
cable trước đó.
Các tuyến đo địa chấn khúc xạ phải được xác định chính xác. Trước đó phải thực
hiện phát tuyến để tiện di chuyển trên tuyến. Các vị trí máy thu phải được cắm cọc, đánh
số và đo độ cao.
Các bước tiến hành ngoài thực địa như sau:

- Kiểm tra nguồn nuôi (acquy cung cấp cho cả hệ đo): đảm bảo nguồn nuôi đủ
điện để cung cấp cho cả hệ trong suốt quá trình đo thực địa của chặng đo
- Rải máy thu: Các máy thu được cắm dọc trên tuyến đo tại vị trí các cọc đã cắm khi
chuẩn bị tuyến đo. Máy thu phải được cắm thẳng đứng và bám chắc vào mặt đất. Trong
trường hợp bề mặt đất cứng (trên đá, bê tơng) thì máy thu phải được giữ thẳng (như cắm
vào một miếng sốp) và dùng vật nặng đè chặt. Máy thu cắm khơng tốt là một trong những
ngun nhân chính làm giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu khi thu sóng địa chấn.
- Nối các máy thu vào cable thu tín hiệu, kiểm tra các tiếp xúc nếu khơng thấy tín hiệu từ
máy thu về máy đo.

- Kiểm tra bộ định thời (triger).
- Kiểm tra mức độ nhiễu, ngưỡng nhiễu nên đặt sao cho không lớn quá hoặc nhỏ quá.
- Xác định vị trí điểm nổ, các điểm thu và cài đặt các tham số đó vào trong máy và ghi vào
sổ đo địa chấn.
- Kiểm tra các điều kiện an toàn lao động khác (nhất là khi sử dụng chất nổ).

15


- Khi đo địa chấn khúc xạ, hệ thống thiết bị ghi sóng phải được cài đặt các chương
trình điều khiển máy ghi sóng (chọn bước số hóa tín hiệu, chọn độ dài tín hiệu ghi, chọn
thời gian trễ (delay), chọn bộ lọc tương tự (analog filter). Trong địa chấn khúc xạ phục vụ
cơng trình thường chọn bộ lọc thấp từ 20 đến 40 Hz
- Hiển thị lại số liệu, nếu số liệu có tỷ số tín hiệu/nhiễu lớn và sóng khúc xạ có thể
xác định được rõ thì tiến hành với các điểm phát sóng tiếp theo. Nếu khơng thì hiệu chỉnh
lại và phát sóng lại.
Trong q trình đo đạc thực địa phải ghi chép đầy đủ các thông tin về trình tự tiến
hành, vị trí điểm phát sóng, vị trí của các máy thu, tên file số liệu, điều kiện thời tiết và các
yếu tố có khả năng gây nhiễu (gần nước chảy, máy khoan, đường đi,
công trường đang thi công ...) vào sổ thực địa

2.2.2 Thiết bị
Tổ hợp bộ ghi sóng:
Tổ hợp bộ ghi sóng là một bộ gồm 2 thành phần là Geode và máy tính:
Geode: là tổ hợp điện tử gồm 2 card phân tích đa kênh (mỗi kênh 12 đường
ghi) cho phép ghi 24 đường sóng (theo tiêu chuẩn của Geometrics Co.)
Máy tính: Sử dụng bộ phần mềm tương thích với Geode với mục đích thực
hiện cơng việc quản lý, điều khiển hệ đo và xử lý ban đầu tại thực địa.

(a)

(b)

Hình 2.3 : Tổ hợp Geode và máy tính
(a) Geode và máy tính riêng rẽ
(b) Geode và máy tính được tích hợp trong máy ghi STRATAVISOR™ NZ

16


Geophone (máy thu)
Các geophone là bộ cảm biến rung có nhiệm vụ chuyển các dao động cơ
thành tín hiệu điện. Geophone có hai thơng số đặc trưng là tần số riêng và tần số
ghi dao động cơ (tần số làm việc tối ưu).
Số lượng các geophone sử dụng trên mỗi chặng phụ thuộc vào độ dài chặng
và khoảng cách giữa hai geophone . Trên một tuyến đo thông thường ta sử dụng 24
geophone với khoảng cách các geophone là 5 mét
Nguồn rung: là nguồn kích động tạo ra sóng đàn hồi truyền trong môi trường
khảo sát.
Trong thực tế, địa chấn khúc xạ thường sử dụng các nguồn rung sau: đập búa,
đầm rung, búa máy, nổ mìn …
Khi lập kế hoạch thực địa, tùy thuộc vào nhiệm vụ khảo sát địa chấn, đối tượng
khảo sát mà ta chọn nguồn rung cho phù hợp.
Đối với một nguồn rung, phải thõa mãn các yêu cầu về mặt kỹ thuật như sau:
-

Tần số rung phải phù hợp với geophone: Như đã nói ở trên, các geophone có

tần số làm việc là một thơng số cơ bản nên khi lựa chọn nguồn rung ta phải chọn
tần só sao cho phù hợp với thơng số làm việc của các geophone

-

Cường độ rung phải đủ mạnh: Khi các sóng địa chấn truyền trong mơi trường

vật chất khơng tránh khỏi việc mất mát năng lượng. Nếu cường độ rung khơng đủ
mạnh, các sóng địa chấn khơng thể truyền đi xa và cũng khó nhận biết được chúng
với nhiễu xung quanh. Vì vậy cường độ rung phải có độ mạnh phù hợp.
Vì yêu cầu trên nên khi sử dụng nguồn rung là đập búa ta thường sử dụng chế
độ cộng sóng của nhiều lần đập: đây là một chế độ cho phép ta thực hiện liên tiếp
nhiều lần đập búa trên một điểm nổ để chọn ra một băng ghi địa chấn đảm bảo yêu
cầu kỹ thuật.

17


Do đặc thù riêng của nguồn nổ mìn nên ta khơng sử dụng chế độ cộng sóng của
nhiều lần nổ. Vì nguồn nổ mìn phải đảm bảo một lần nổ duy nhất cho ta băng ghi
địa chấn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nên khi triển khai ngoài thực địa ta phải đặc biệt
chú ý đến kỹ thuật gói và chơn mìn sao cho chỉ một lần nổ có thể thu được các
đường sóng ghi đạt yêu cầu.
Khi thao tác ngồi thực địa, tùy thuộc vào đối tượng ghi (sóng P, sóng S, sóng
mặt …) mà khi sử dụng nguồn rung ta phải đặt tác động theo những thủ thuật khác
nhau: để thu được sóng P trên băng ghi địa chấn ta phải đập thẳng nguồn, thu được
sóng S và sóng mặt ta tác động một góc nghiêng phù hợp. (xem hình 2.4)
Thực hiện nổ là một khâu kĩ thuật quan trọng của công tác thực địa nhằm sao cho thu
được giản đồ sóng (băng sóng địa chấn) đúng cho đối tượng nghiên cứu

(a) Đập búa tay trên đe gỗ

(b) Dùng đầm rung (ta rơi)

18


(c) Dùng búa máy loại P-Wave ghi
sóng P (đập thẳng)

(d) Dùng búa máy S-Wave cho ghi sóng S
(đập xiên)

(e) Nổ mìn trên tuyến thực địa địa
chấn

(f). Máy rung chuyên dụng

Hình 2.4: Các nguồn rung phổ biến
2.2.3 Xử lý số liệu thực địa
Xử lý số liệu địa chấn khúc xạ được bắt đầu bằng việc dựng các biểu đồ thời khoảng.
Các biểu đồ thời khoảng được dựng từ các thời gian sóng truyền từ một điểm phát sóng
đến các máy thu đối với vị trí của chúng trên tuyến. Việc xác định thời gian truyền sóng
trên băng địa chấn gọi là vạch sóng đầu và phải thống nhất trong q trình xử lý. Biểu đồ
thời khoảng của các điểm phát sóng có chung một cable thu (chặng đo) được dựng trên
cùng một tọa độ. Biểu đồ thời khoảng của các chặng đo được dựng liên tục, nối tiếp nhau
cho đến hết tuyến đo.
Đánh gía chất lượng và chỉnh biểu đồ thời khoảng dựa vào 3 đặc tính sau:
- Tính đồng đều: nhằm loại bỏ các lỗi khi vạch sóng đầu. Nếu có sự dao động một
cách bất thường thời gian truyền sóng từ một nguồn phát sóng đến một vài máy thu khơng
liền nhau thì nhiều khả năng ngun nhân là do lỗi khi vạch sóng đầu. Khi đó cần xem xét
lại q trình chọn sóng đầu để hiệu chỉnh lại.
- Tính tương hỗ: dùng để kiểm tra thời gian tương hỗ trên biểu đồ thời khoảng của

các nguồn phát có hướng ngược nhau trên cùng một cable thu.
- Tính song song: Dùng để kiểm tra biểu đồ thời khoảng của các nguồn phát sóng
cùng một hướng trên một cable thu.

19


Các phép hiệu chỉnh cần tiến hành tiếp theo là hiệu chỉnh độ cao và hiệu chỉnh lớp
phong hóa.

h

e

Lớp "vận tốc thấp"

E

V0
V1
d

V2

Hình 2.5: Hiệu chỉnh độ cao và phong hóa
Sau khi tiến hành hiệu chỉnh là giai đoạn xử lý. Các phương pháp xử lý đã lựa chọn
trong phương án sẽ được áp dụng.
Ngoài các phương pháp xử lý bằng tay, hiện nay có nhiều phần mềm máy tính cho
phép xử lý theo một hoặc tất cả các phương pháp đã nêu.
Một số phần mềm tiêu biểu như sau: Viewseis, Rayract, Seisimage 2D (Pic Win &

Plotera),…
Kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ là mặt cắt vận tốc biểu diễn mơ hình địa vật lý địa chất của tuyến khảo sát dưới dạng ảnh khối-lớp hoặc đường đồng mức. Các mơ hình
này mơ tả một số tính chất như vận tốc truyền sóng dọc, modul nén, modul trượt ... của
mơi trường địa chất.
Mức độ phù hợp của khảo sát địa chấn khúc xạ với tài liệu khoan thường được dùng
để đánh giá mức độ chính xác của kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ. Thông thường chiều
sâu đến các ranh giới khúc xạ khá phù hợp với kết quả khoan (10%). Tuy nhiên, có nhiều
trường hợp các kết quả này lại không phù hợp với nhau mặc dù kết quả khảo sát địa chấn
khúc xạ đạt được là khá chính xác. Có thể kể đến những lý do dẫn đến các trường hợp này
như sau:
- Ranh giới của kết quả khoan có thể khơng được xác định trong kết quả khảo sát địa
chấn khúc xạ vì tương phản vận tốc không đủ lớn giữa hai lớp. Địa chấn khúc xạ chỉ có thể
xác định được ranh giới khi sự khác biệt về vận tốc truyền sóng của hai lớp trên và dưới nó
đủ lớn.

20


- Phương pháp địa chấn khúc xạ thường không phản ánh được một cách chính xác sự thay
đổi đột ngột của chiều sâu đến các ranh giới (ví dụ như môi trường hang động đá vôi) mà
chỉ đưa ra chiều sâu trung bình.
2.2.4 Báo cáo khảo sát địa chấn khúc xạ
Bao gồm những phần sau:
- Các phần mềm và phương pháp đã sử dụng để xử lý số liệu.
- Các loại tài liệu đã tham khảo khi xử lý và minh giải kết quả.
- Kết quả khảo sát địa chấn khúc xạ (bản vẽ) và các minh giải về mô hình địa chất cũng
như tính chất vật lý của các loại đất đá trong mơ hình đó.
- So sánh, đối chiếu với các loại tài liệu khác.

2.3 Khó khăn khi ứng dụng địa chấn khúc xạ

Lý thuyết xử lý số liệu địa chấn khúc xạ đã được phát triển từ rất sớm, phong phú,
chặt chẽ, tin cậy và được chấp nhận một cách rộng rãi.
Các khảo sát địa chấn khúc xạ nông hiện nay tập trung chủ yếu vào các đánh giá điều
kiện địa chất cơng trình. Khi khảo sát ở những nơi có điều kiện địa hình phân cắt, chiều
sâu lớp phủ và vận tốc của nó thay đổi nhanh và liên tục thì biểu đồ thời khoảng thu được
sẽ khác xa so với mơ hình lý tưởng. Khi đó, việc xử lý tài liệu địa chấn khúc xạ trở nên
thiếu chính xác vì rất khó xác định được vận tốc truyền sóng biểu kiến (là một đoạn thẳng
trên biểu đồ thời khoảng) của các ranh giới khúc xạ và thời gian pháp tuyến (t0). Điều này
làm giảm độ chính xác của phương pháp.

21


CHƢƠNG 3: MỘT SỐ CƠNG TRÌNH KHẢO SÁT ĐỊA VẬT LÝ DÙNG
PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN KHÚC XẠ
3.1. Cơng trình thủy điện Thakhor
3.1.1 Kế hoạch khảo sát địa chất địa vật lý
Nhiệm vụ cơng tác thăm dị địa vật lý
Mục đích của công tác địa chấn:
- Xác định ranh giới các tập đá, ranh giới các đới địa chất cơng trình và các
thông số vật lý đặc trưng.
- Xác định các đới phá huỷ kiến tạo và tính chất của chúng.
Để giải quyết các nhiệm vụ trên, ta thiết kế phương pháp đo địa chấn khúc xạ
tại các vị trí mặt cắt chính và ngang với tổng chiều dài khoảng 2400 m.
- Xem bản đồ tuyến đo địa chấn (hình 3.1)
Thiết bị địa chấn và phương pháp kỹ thuật
- Thiết bị:
Trạm đo địa chấn 24 kênh STRATA VISOR NZ XP, seri No 83035. Máy do
hãng Geometrics - Mỹ sản xuất năm 2006. Với các Geophone dung loại Geometrics
GS-20DM (Tần số riêng: 28 Hz; Dải tần số làm việc: 25 – 500 Hz)

Các Thông số máy được chọn như sau:
- Dải tần số làm việc: 1.75 đến 20.000 Hz
- Nhịp số hóa: 20 μs đến 16 ms
- Bậc số hóa: 24 bit dấu phảy động (IFP)
- Dải động học ghi tín hiệu: 144 dB (± 2.8 V)
- Đo ghi thực hiện với bộ lọc cắt tần thấp 35 Hz.
- Nhịp số hoá 125 μs, độ dài ghi 250 - 300 ms.
- Dạng file tín hiệu: SEG-2, SEG-D, và SEG-Y.
- Hệ phương pháp kỹ thuật:
Đo địa chấn khúc xạ theo phương pháp liên kết sóng khúc xạ với phương
pháp quan sát dùng 7 điểm nổ

22


Hình 3.1: Sơ đồ thiết kế đo địa chấn cơng trình thủy điện Thakhor

29