Kết quả áp dụng địa vật lý phục vụ nghiên cứu đánh giá nguyên nhân cơ chế nứt sụt đất ở khu vực huyện thanh ba tỉnh phú thọ; đề xuất giải pháp phòng tránh

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

ĐẶNG NGỌC THÙY

KẾT QUẢ ÁP DỤNG ĐỊA VẬT LÝ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU ĐÁNH
GIÁ NGUYÊN NHÂN, CƠ CHẾ NỨT SỤT ĐẤT Ở KHU VỰC
HUYỆN THANH BA, TỈNH PHÚ THỌ; ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
PHÒNG TRÁNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2012

1


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 6
1. Tính cấp thiết của luận văn ..................................................................................................... 6
2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................................. 7
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 7
4. Các phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 7
5. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................................... 8
6. Tài liệu sử dụng ...................................................................................................................... 8
7. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của luận văn ................................................................................ 9

8. Cấu trúc của luận văn.............................................................................................................. 9
CHƢƠNG 1 TAI BIẾN ĐỊA CHẤT VÀ NGUYÊN NHÂN, CƠ CHẾ HÌNH THÀNH .. 10
TAI BIẾN NỨT SỤT ĐẤT..................................................................................................... 10
1.1. Tai biến địa chất liên quan đến vận động lớn của Trái đất ......................................... 10
1.2. Tai biến địa chất liên quan với các tai biến khí hậu và mơi trƣờng ............................ 12
1.3. Tai biến địa chất có tính cục bộ, địa phƣơng ................................................................ 13
1.4. Tai biến lún, nứt sụt đất .................................................................................................. 13
1.4.1. Nguyên nhân dẫn đến lún, nứt sụt đất............................................................................. 13
1.4.2. Cơ chế của lún, nứt sụt đất karst ..................................................................................... 18
1.4.3. Các tác hại tai biến nứt su ̣t đấ t ........................................................................................ 19
CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TAI BIẾN NỨT SỤT ĐẤT ........... 20
2.1. Khái quát .......................................................................................................................... 20
2.2. Khả năng ứng dụng của các phƣơng pháp địa vật lý ................................................... 20
2.3. Các phƣơng pháp điện và điện từ .................................................................................. 22
2.3.1. Phương pháp điện trở suất .............................................................................................. 23
2.3.2. Phương pháp điện từ dùng thiết bị ERA ......................................................................... 26
CHƢƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM NỨT SỤT ĐẤT Ở HUYỆN THANH BA TRÊN CƠ SỞ GIẢI
ĐOÁN ĐỊA VẬT LÝ VÀ CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG TRÁNH ......................................... 28

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

3

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

3.1. Đặc điểm tự nhiên và điều kiện địa chất trong mối liên quan với hiện tượng nứt sụt
đất ............................................................................................................................................. 28
3.1.1. Đặc điểm tự nhiên ........................................................................................................... 28
3.1.2. Đặc điểm địa chất ........................................................................................................... 28
3.1.3. Đặc điểm địa hình – điạ ma ̣o .......................................................................................... 30
3.1.4. Đặc điểm của các kiến trúc đứt gãy kiến tạo .................................................................. 32
3.1.5. Đặc điểm địa chất thủy văn............................................................................................. 32
3.1.5.1. Các tầng chứa nước dưới đất ...................................................................................... 32
3.1.5.2. Động thái nước dưới đất .............................................................................................. 32
3.1.6. Đặc điểm địa chất công trình .......................................................................................... 33
3.1.6.1. Điều kiện ĐCCT........................................................................................................... 33
3.1.7. Hiện trạng nứt sụt đất...................................................................................................... 34
3.1.7.1. Nứt sụt đất tại xã Ninh Dân ......................................................................................... 35
3.1.7.2. Nứt sụt đấ t tại xã Đồ ng Xuân ...................................................................................... 36
3.1.7.3. Mối quan hệ giữa các yếu tố địa chất kiến tạo và sự xuất hiện tai biến nứt sụt đất ở
khu vực nghiên cứu ................................................................................................................... 37
3.2. Kết quả khảo sát địa vật lý ................................................................................................ 38
3.2.1. Nhiệm vụ và phạm vi khảo sát: ...................................................................................... 38
3.2.2. Công tác đo thử nghiệm để lựa chọn phương pháp và quy trình thích hợp: ................... 38
3.2.3. Kết quả áp dụng phương pháp đo sâu cắt lớp điện trở và điện từ tần số thấp sử dụng
thiết bị ERA. ............................................................................................................................. 40
3.2.3.1. Khu vực xã Ninh Dân................................................................................................... 42
3.2.3.2. Khu vực xã Đồ ng Xuân ................................................................................................ 54
3.3. Luận giải cơ chế, nguyên nhân nứt sụt đất ở Thanh Ba và đề xuất giải pháp phòng
tránh ......................................................................................................................................... 59
3.3.1. Nguyên nhân chính (yếu tố tự nhiên) ............................................................................. 59
3.3.2. Nguyên nhân ngoại sinh ................................................................................................ 60
3.3.3. Giải pháp phòng tránh nứt, sụt lún đất............................................................................ 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 66

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

3

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Các giai đoạn phát triển lún karst.
Hình 1.2. Q trình sụt karst.
Hình 1.3. Mơ hình lún, sập sụt đất do vận động của nước.
Hình 2.1. Tính chất dẫn điện (điện trở suất) của một số loại đá.
Hình 2.2. Sơ đồ mô tả nguyên lý thực hiện và kết quả áp dụng phương pháp thăm dò
điện bằng quy trình 2D để xác định cấu trúc địa chất.
Hình 2.3. Sơ đồ mô tả phương pháp và thiết bị điện từ tần số thấp với các điện cực
nguồn và thu khơng tiếp đất.
Hình 3.1. Bản đồ địa chất huyện Thanh Ba – tỉnh Phú Thọ.
Hình 3.2. Đối sánh kết quả giữa phương pháp đo địa chấn và phương pháp đo sâu cắt
lớp điện trở.
Hình 3.3. Sơ đồ bố trí các tuyến và diện tích khảo sát địa vật lý tại 3 địa điểm khu vực
xã Ninh Dân.
Hình 3.4. Kết quả xử lý đo sâu cắt lớp điện trở tuyến T5đ.
Hình 3.5. Kết quả xử lý đo sâu cắt lớp điện trở tuyến T1đ.
Hình 3.6. Kết quả xử lý đo sâu cắt lớp điện trở tuyến T8đ.
Hình 3.7. Chú giải địa chất mặt cắt địa điện.

Hình 3.8. Bản đồ cấu trúc phân bố đất đá và hang karst theo cường độ điện trường Ex
bằng thiết bị ERA khu vực nhà thờ Ninh Dân.
Hình 3.9. Kết quả xử lý đo sâu cắt lớp điện trở tuyến T10đ.
Hình 3.10. Thiết đồ lỗ khoan kiểm tra hang karst trên tuyến T8đ.
Hình 3.11. Thiết đồ lỗ khoan trên tuyến T10đ.
Hình 3.12. Bản đồ phân chia cấu trúc đất đá theo cường độ Ex từ kết quả đo điện từ
thiết bị ERA khu vực nhà văn hóa khu 2 xã Ninh Dân.
Hình 3.13. Kết quả xử lý đo sâu cắt lớp điện trở tuyến T3đ khu tái định cư Ninh Dân.
Hình 3.14. Bản đồ phân chia cấu trúc đất đá theo cường độ Ex từ kết quả đo điện từ
thiết bị ERA khu vực quy hoạch định cư xã Ninh Dân.
Hình 3.15. Sơ đồ bố trí các tuyế n khảo sát điạ vâ ̣t lý khu vực xã Đờ ng Xn .
Hình 3.16. Kết quả xử lý đo sâu điện cắt lớp điện trở Tuyến T6đ.
Hình 3.17. Kết quả xử lý đo sâu điện cắt lớp điện trở Tuyến T7đ.
Hình 3.18. Bản đồ phân chia cấu trúc đất đá theo cường độ Ex từ kết quả đo điện từ
thiết bị ERA khu vực chi nhánh điện Thanh Ba.
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

4

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận văn
Tai biến địa chất là một dạng thiên tai xảy ra rất phổ biến trên thế giới. Các tai
biến lớn liên quan đến hoạt động động đất thƣờng gây thiệt hại nghiêm trọng nên đƣợc

chú trọng đầu tƣ và nghiên cứu một cách thƣờng xuyên bằng một hệ thống trạm quan
trắc. Ngồi ra, cịn có hàng loạt các tai biến quy mô nhỏ hơn, diễn biến từ từ liên quan
đến các hoạt động địa chất nhƣng thƣờng diễn ra ở nhiều nơi và gây thiệt hại không
nhỏ, ảnh hƣởng đến đời sống và kinh tế xã hội ở các địa phƣơng. Đó là các hiện tƣợng
trƣợt lở đất, sụt lún đất, nứt đất…, làm cho nhiều cơng trình nhƣ đƣờng giao thơng, cầu
cống, nhà cửa, nhà máy…, bị biến dạng và hƣ hại, nhiều trƣờng hợp gây thiệt hại về
tính mạng con ngƣời.
Lãnh thổ nƣớc ta là vùng tiếp giáp của nhiều đới kiến trúc lớn của vỏ Trái đất có
tính hoạt động địa chất – kiến tạo mạnh mẽ, thêm vào đó là các biến động thời tiết khí
hậu phức tạp nên các tai biến địa chất thƣờng rất đa dạng, xuất hiện ở nhiều nơi từ
đồng bằng đến các vùng trung du, miền núi. Những tai biến địa chất gây thiệt hại đáng
kể nhƣ sụt lún karst ở thôn Tân Hiệp - Quảng Trị (2006), Mỹ Đức – Hà Nội (2011),
Thanh Ba - Phú Thọ (2011), lở mỏ quặng tại Yên Bái (2012), sụt lún đất gần hồ thủy
lợi Đắk Long Thƣợng ở Quảng Nam (Thanh Niên Online 22-11-2012).

Ảnh 2. Hố sụt trong khu dân cƣ ở
New Ziland, tháng 12-2001
(Nguồn: Báo Lao Động, 4-11-2010)

Ảnh 1. Hố sụt lún bất thƣờng tại xã Ninh
Dân, Thanh Ba, Phú Thọ, tháng 10-2011
(Nguồn: VietnamNet 23 -10 -2011)
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

6

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Tham khảo các văn liệu khoa học cũng nhƣ truyền thông cho thấy, dạng tai biến
địa chất gây sụt đất có tính phá hủy cũng xuất hiện thƣờng xuyên ở nhiều nƣớc trên thế
giới (ảnh 2) và là đối tƣợng nghiên cứu của nhiều bộ môn khoa học và nhiệm vụ
nghiên cứu cơ chế, xác định vùng tiềm ẩn nguy cơ, quy luật xuất hiện các dạng tai biến
khác nhau và từ đó có thể dự báo, đề xuất các giải pháp phịng tránh, giảm nhẹ thiệt hại
do chúng gây nên cũng là một nhu cầu thực tiễn cấp thiết.
Xuất phát từ yêu cầu khoa học và kinh nghiệm trong quá trình tham gia giải
quyết nhiệm vụ thực tiễn, học viên đã lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ: “Kế t quả áp
dụng địa vật lý phục vụ nghiên cứu đánh giá nguyên nhân , cơ chế nƣ́t su ̣t đấ t ở khu vƣ̣c
huyê ̣n Thanh Ba, tỉnh Phú Thọ; đề xuất các giải pháp phịng tránh”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu bản chất, nguyên nhân, cơ chế hình thành và xuất hiện các tai biến
địa chất gây sụt đất.
- Nghiên cứu sử dụng tổ hợp các phƣơng pháp để khảo sát đánh giá các điều
kiện địa chất gây ra hiện tƣợng sụt đất ở vùng nghiên cứu.
- Nghiên cứu lựa chọn các phƣơng pháp địa vật lý thích hợp nhằm xác định đặc
điểm các yếu tố cấu trúc nứt sụt đất, phát hiện và dự báo các hang hốc và cấu trúc ẩn có
nguy cơ gây sụt đất.
- Đề xuất các giải pháp quy hoạch, phòng tránh tai biến sụt đất ở vùng nghiên
cứu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là các cấu trúc đá vơi có điều kiện phát triển karst.
- Phạm vi nghiên cứu: các khu vực phân bố đá vôi ở các xã Đồng Xuân, Ninh
Dân, Yên Nội, thị trấn Thanh Ba – Tỉnh Phú Thọ.
4. Các phƣơng pháp nghiên cứu
1) Các phƣơng pháp nghiên cứu, điều tra khái quát:
- Phƣơng pháp điều tra lịch sử hiện trạng nứt sụt đất.

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

7

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

- Các phƣơng pháp địa chất – kiế n ta ̣o.
- Các phƣơng pháp điạ chấ t thủy văn – điạ chấ t công trin
̀ h.
2) Các phƣơng pháp địa vật lý.
5. Nội dung nghiên cứu
- Cơ sở khoa học về bản chất, nguyên nhân, điều kiện và cơ chế quá trình lún,
nứt sụt đất.
- Đánh giá điều kiện tự nhiên và các yếu tố địa chất - kiến tạo tác động đến quá
trình phát triển, phân bố và xuất hiện tai biến nứt sụt đất ở vùng nghiên cứu.
- Nghiên cứu, lựa chọn phƣơng pháp địa vật lý thích hợp, triển khai áp dụng để
xác định đặc điểm và quy mô phân bố, phát hiện, dự báo các cấu trúc tiềm ẩn nguy cơ
nứt sụt đất ở vùng nghiên cứu.
6. Tài liệu sử dụng
Luận văn dựa trên các tài liệu, báo cáo địa chất, địa vật lý khu vực nhƣ sau:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học : “Nghiên cƣ́u khoanh vùng dƣ̣ báo su ̣t đấ t ở
huyê ̣n Thanh Ba , tỉnh Phú Tho ;̣ đề xuất các giải pháp phòng tránh và quy hoạch phục
vụ phát triển bền vững” , 2009. Lƣu trữ Viện địa chất – Viện khoa học và công nghệ
Việt Nam.
Báo cáo: “Điề u tra điạ chấ t thủy văn huyê ̣n Thanh Ba , tỉnh Phú Thọ”, 1998. Lƣu

trữ Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Mỏ Điạ Chấ t .
Báo cáo: “Điề u tra đánh giá tổ ng hơ ̣p tài nguyên nƣớc tin
̉ h Phú Tho ̣” , 2000. Lƣu
trữ Trung tâm điề u tra đánh giá tài nguyên nƣớc .
Báo cáo: “Điều tra, khảo sát đánh giá hiện trạng điều kiện địa chất và dự báo tai
biến địa chất vùng Ninh Dân và khu vực lân cận trên địa bàn huyện Thanh Ba”, 2012.
Lƣu trữ Liên đoàn Quy Hoạch và Điều tra tài nguyên nƣớc Miền Bắc.
Báo cáo : “Đo vẽ bản đồ điạ chấ t và điề u tra khoáng sản nhóm tờ Thanh Ba

–

Phú Thọ, tỷ lệ 1/50.000”, năm 2000. Lƣu trữ Liên đoàn Điạ chấ t Tây Bắ c , Cục Địa
Chấ t và Khoáng sản .
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

8

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

7. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của luận văn
- Luận giải cơ sở khoa học về bản chất, nguyên nhân, cơ chế gây nứt sụt đất tại
khu vực Thanh Ba – tỉnh Phú Thọ nhƣ một ví dụ điển hình về tai biến nứt sụt đất ở
Việt Nam.
- Lựa chọn một tổ hợp phƣơng pháp hợp lý để khảo sát đánh giá hiện trạng và
phân vùng dự báo các khu vực tiềm ẩn có nguy cơ sụt lún cao, đề xuất các giải pháp

phòng tránh, giảm thiểu thiệt hại do tai biến gây ra ở vùng nghiên cứu.
8. Cấu trúc của luận văn
Ngồi phần mở đầu, kết luận, Luận văn đƣợc trình bày thành ba chƣơng:
Chương 1: Tai biến địa chất và nguyên nhân, cơ chế hình thành tai biến nứt sụt
đất.
Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu tai biến nứt sụt đất.
Chương 3: Đặc điểm nứt sụt đất ở huyện Thanh Ba trên cơ sở giải đoán địa vật
lý và các giải pháp phịng tránh.
Luận văn đƣợc hồn thành trong chƣơng trình thực hiện khóa cao học 20092011 của học viên tại khoa Địa chất - trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học
Quốc Gia Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn của TS-NCVCC Đồn Văn Tuyến (Phịng Địa
Vật lý – Viện Địa chất – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Tác giả xin chân
thành cảm ơn khoa Địa chất - trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia
Hà Nội, Phòng Địa Vật lý – Viện Địa chất – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
Liên đoàn Quy hoạch và điều tra tài nguyên nƣớc Miền Bắc đã giúp đỡ tạo mọi điều
kiện để học viên hoàn thành luận văn này.

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

9

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy
CHƢƠNG 1

TAI BIẾN ĐỊA CHẤT VÀ NGUYÊN NHÂN, CƠ CHẾ HÌNH THÀNH
TAI BIẾN NỨT SỤT ĐẤT

Nứt sụt đất là một dạng của tai biến địa chất hiện nay đang xảy ra khá phổ biến
trên thế giới và nhiều vùng lãnh thổ của nƣớc ta. Quá trình hình thành và xuất hiện tai
biến này gắn liền với các vận động địa chất, kiến tạo trong lòng đất (yếu tố nội sinh),
sự thay đổi điều kiện khí hậu, khí tƣợng, thảm thực vật,…và trong nhiều trƣờng hợp do
tác động của các hoạt động sản xuất (yếu tố ngoại sinh). Để xác định đƣợc nguyên
nhân, cơ chế xuất hiện, đặc biệt là phát hiện dự báo các vùng tiềm ẩn nguy cơ của hiện
tƣợng nứt sụt đất là một nhiệm vụ khó khăn địi hỏi phải có sự hiểu biết và kiến thức
của nhiều lĩnh vực khoa học cũng nhƣ tiến hành các khảo sát bằng công cụ và thiết bị
chuyên dụng.
1.1. Tai biến địa chất liên quan đến vận động lớn của Trái đất [Nguồn:Cục địa
chất Hoa Kỳ]
Các tai biến địa chất có cƣờng độ phá hủy lớn và phạm vi ảnh hƣởng rộng
thƣờng liên quan đến các cấu trúc địa chất và vận động kiến tạo sâu trong vỏ Trái đất:
động đất, sóng thần, núi lửa.
Phầ n lớn đô ̣ng đấ t có quan hê ̣ nguồ n gố c với các ranh giới mảng

(dọc đới hút

chìm, các sống núi đại dƣơng , các đứt gãy chuyển dạng ) và dọc các đứt gãy sâu phân
chia nô ̣i mảng.
Núi lửa tập trung chủ yếu ở rìa các mảng thạch quyển, ở chỗ các mảng đang
tách ra dọc sống núi giữa đại dƣơng, ở chỗ các mảng đang hội tụ.
Sóng thần sinh ra do một số nguyên nhân sau: do động đất với cƣờng độ lớn
(thông thƣờng >7,5 độ richter); do hoạt động của núi lửa; do trƣợt lở đất với khối
lƣợng lớn dƣới đáy biển.

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

10

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Sóng thần chứa năng lƣợng cực lớn, lan truyền với tốc độ cao và có thể vƣợt
khoảng cách lớn qua đại dƣơng mà chỉ mất rất ít năng lƣợng.

Ảnh 3.Phá hủy do động đất xảy ra tại

Ảnh 4.Núi lửa Merapi phun trào ngày

Haiti năm 2010.

20/3/2011 tại Indonesia.

(Nguồn: Tuoitre.vn)

(Nguồn: Vietnamplus.vn)

Trận sóng thần ngày 26/12/2004 tại các quốc gia Đông nam á và Nam á giết hại
khoảng 230.000 ngƣời (gồm 168.000 ngƣời tại riêng Indonesia).

Ảnh 5. Sóng thần xảy ra tại phía đơng bắc Nhật Bản năm 2011.
(Nguồn: Dantri.com.vn)
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

11

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

1.2. Tai biến địa chất liên quan với các tai biến khí hậu và môi trƣờng [Nguồn:
Cục địa chất Hoa Kỳ]
Lũ lụt là một dạng tai biến do các hiện tƣợng khí hậu gây ra, nhƣng quá trình
vận động và tác hại của nó trên mặt đất lại dẫn đến những biến đổi lớn về môi trƣờng
địa chất ở gần bề mặt nên có thể coi nhƣ một tai biến địa chất.
Lũ là hiện tƣợng dòng chảy với tốc độ lớn, mặt dòng chảy nâng cao nhanh
thƣờng xảy ra ở miền núi: do thung lũng hẹp, địa hình dốc, lƣợng nƣớc tập trung lớn.
Lụt là q trình mặt dịng chảy nâng cao từ từ, diện tích bị ngập nƣớc rất lớn
(xảy ra ở hạ lƣu, vùng đất trũng).

Ảnh 6. Lũ lụt xảy ra tại Miền trung Việt Nam
(Nguồn: Vietnamnet 12/10/2010)
Lũ quét xảy ra ở vùng miền núi, có địa hình dốc, thung lũng hẹp. Lƣợng nƣớc
tập trung tạo thành dòng lớn trong thời gian ngắn, chảy với tốc độ lớn cuốn theo các
vật liệu cứng với kích thƣớc khác nhau (từ mảnh cho đến tảng). Lũ quét có động năng
lớn. Lƣợng vật chất cứng trong dòng chảy chiếm 40 – 60%.
Lũ bùn đá: bản chất nhƣ lũ quét nhƣng chỉ khác là các vật liệu cứng trong dịng
chảy chiếm 80%, có sức tàn phá rất ghê gớm.
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

12

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Hoạt động của các dạng lũ lụt trên dẫn đến những biến động địa hình, chế độ địa
chất thủy văn và tính chất cơ lý các tầng đất đá khác nhau là những yếu tố tác động
hoặc kích thích các tai biến địa chất.
1.3. Tai biến địa chất có tính cục bộ, địa phƣơng [Nguồn: Cục địa chất Hoa Kỳ]
Các tai biến địa chất có tính cục bộ địa phƣơng thƣờng xuất hiện trong phạm vi
hẹp, độ sâu hoạt động không lớn liên quan đến các vận động và điều kiện địa chất gần
mặt đất, điển hình là các hiện tƣợng: trƣợt đất, xói ngầm, lún, nứt, sụt đất,…
Trƣợt đất là sự di chuyển đất đá xảy ra trên bề mặt địa hình ở những chỗ sƣờn
dốc, thung lũng sông, vách bờ các hồ và biển liên quan với vận động trọng lực. Trƣợt
đất bao gồm các hiện tƣợng: trƣợt, chảy và đổ lở. Trƣợt đất có thể xảy ra ở khắp nơi và
ở các vùng khí hậu khác nhau. Trƣợt đất xảy ra khi lực gây trƣợt của trọng lực vƣợt
quá độ bền của đất đá nói chung hoặc vƣợt quá ở các bề mặt hoặc trong các đới yếu
đang tồn tại.
Xói ngầm là quá trình moi chuyển những hạt nhỏ ra khỏi đất đá, ra khỏi chất
nhét ở khe nứt và hốc karst, là một dạng của q trình rửa xói ngầm đất đá. Sự phát
triển xói đặc trƣng cho tác dụng phá hoại do thấm. Xói ngầm là một dạng phá hoại đất
hòn mảnh hoặc chất nhét trong khe nứt và hốc karst và đá nửa cứng do dòng thấm gây
ra. Xói ngầm thƣờng là nguyên nhân của nhiều loại biến dạng mặt đất và thành tạo các
trũng, phễu lún, hố sụt, khe nứt,... phá hoại các cơng trình xây dựng, ảnh hƣởng rất lớn
đến hoạt động kinh tế xã hội của con ngƣời. Xói ngầm liên quan chặt chẽ với tai biến
nứt sụt đất.
1.4. Tai biến lún, nứt sụt đất [Nguồn: Cục địa chất Hoa Kỳ]
Nƣ́t su ̣t đấ t là hiê ̣n tƣơ ̣ng phá vỡ bề mă ̣t điạ hin

̀ h hiê ̣n ta ị bằ ng nhƣ̃ng đƣờng nƣ́t,
hớ su ̣t với quy mơ, kích thƣớc khác nhau. Nứt sụt đất là một dạng tai biến địa chất đang
xảy ra khá phổ biến ở Việt Nam.
1.4.1. Nguyên nhân dẫn đến lún, nứt sụt đất
+ Nứt sụt đất do phá hủy kiến tạo.
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

13

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

+ Nứt sụt đất do phá hủy tại chỗ (phi kiến tạo).
+ Nứt sụt đất do ngoại sinh.
a. Nứt sụt đất do phá hủy kiến tạo: đối với nứt sụt đất có nguồn gốc kiến tạo
thƣờng phát triển thành đới và kéo dài theo tuyến, dọc theo các đứt gãy tái hoạt động.
Sự vận động tƣơng đối của các cánh đứt gãy theo phƣơng thẳng đứng và ngang là
nguyên nhân sinh ra các đƣờng nứt, hố sụt. Nứt sụt đất có nguồn gốc kiến tạo khơng bị
các yếu tố tự nhiên (địa hình, tính cơ lý của đất đá…) khống chế, chúng ổn định, hoạt
động mạnh, phát triển đƣờng nứt, hố sụt có hệ thống, quy mô lớn, gây nguy hại lớn.
Tại các vùng động đất mạnh thƣờng xuất hiện nứt sụt đất.
b. Nứt sụt đất do phá hủy tại chỗ: Nứt sụt đất có nguồn gốc tại chỗ thƣờng phân
bố có tính địa phƣơng, gắn liền với các vị trí có tiềm năng trƣợt, sụt lún mặt đất và sập
mặt đất. Nứt sụt đất có nguồn gốc tại chỗ do một số nguyên nhân nhƣ:
- Tạo lỗ hổng trong đá cacbonat (karst).
- Tạo hố sụt trên mặt đất trong đá trầm tích gắn kết kém (giả karst).

- Quá trình kết hợp hai dạng trên.
Nứt sụt đất do lỗ hổng trong đá cacbonat (karst):
Đá vơi và đá cacbonat đƣợc hình thành trong mơi trƣờng biển nông. Thành phần
chủ yếu là calxi cacbonat dễ hịa tan trong nƣớc, đặc biệt là nƣớc có chứa axit, trong
các lớp đá vôi không đồng nhất sẽ xảy ra q trình phá hủy đá vơi khơng đều do vận
động của nƣớc. Đó chính là q trình hoạt động karst.
Có hai ngun nhân chính làm cho karst hoạt động là:
Nguyên nhân do nguồn gốc và điều kiện hình thành: do nguồn gốc và điều kiện
hình thành của mơi trƣờng biển cổ mà từng vỉa hay lớp có thành phần khác nhau trong
khối đá vơi khơng đồng nhất. Có những vỉa hay lớp có hoạt tính hóa học cao hơn nên
bị phá hủy bởi vận động dòng nƣớc tạo ra các dạng karst mạnh hơn trong vỉa hay lớp
liền khối.

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

14

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Nguyên nhân do các hoạt động địa chất - kiến tạo: các hoạt động địa chất, kiến
tạo gây ra các phá hủy, khe nứt trong đá vôi tạo ra đới dập vỡ, thay đổi bề mặt địa hình
tạo điều kiện chứa nƣớc và chuyển động của nƣớc. Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm thay đổi
làm q trình phong hóa đá vơi tích cực hơn trong các vỉa không đồng nhất cũng tạo
các điều kiện xuất hiện karst.
Dựa vào điều kiện phân bố, các đối tƣợng karst đƣợc chia thành 2 dạng chính là

karst lộ và karst ngầm. Karst lộ là các đối tƣợng có thể quan sát đƣợc hình thái, xác
định đƣợc kích thƣớc, theo dõi đƣợc diễn biến của chúng bằng mắt thƣờng hay các
thiết bị đo vẽ thông thƣờng: vùng cảnh quan karst, rãnh sâu karst, suối karst, phễu
karst,… Karst ngầm là các cấu trúc hay phần lớn kích thƣớc của chúng bị phủ bởi lớp
đất đá hoặc nằm ẩn sâu dƣới mặt đất: hang karst ngầm, tầng chứa nƣớc karst, suối
ngầm,… Các tai biến liên quan đến karst ngầm do không theo dõi đƣợc bằng các quan
sát đơn giản nên khơng phịng tránh kịp thời thƣờng gây hậu quả và thiệt hại lớn. Có
hai đối tƣợng tai biến karst ngầm đƣợc chú ý là: lún đất bề mặt trên hang karst và sụt
đất trên hang karst có thể gọi chung là sụt lún karst [Randazzo, A.F. and Smith, D.L.,
2003, Sandra Friend., 2003, Đoàn Văn Tuyến, Vũ cao Minh , 2008].
Hiện tƣợng lún đất bề mặt vùng hoạt đông karst: thƣờng xảy ra ở những nơi có
karst ngầm với lớp đất phủ là cát pha, sét có tính chất biến dạng dẻo trên vỉa đá vơi nứt
nẻ có thể mơ tả theo 4 giai đoạn (hình 1.1).

<--- N-íc m-a
<--- Líp đất phủ

<--- Mực
n-ớc ngầm

<--- Lớp đất sét
đới nứt nẻ

<--- đá vôi

dòng n-ớc thấm

1

2

3

4

Hỡnh 1.1. Cỏc giai on phỏt trin lỳn karst
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

15

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Đới đá vôi dập vỡ, nứt nẻ do hoạt động kiến tạo là điều kiện làm xuất hiện quá
trình thu nƣớc mặt và dẫn nƣớc xuống tầng sâu. Theo thời gian các khe nứt trong đá
vôi ngày càng đƣợc mở rộng và bề mặt đá vơi bị bóc mịn dẫn đến sự thiếu hụt khối
lƣợng gây ra hiện tƣợng lún đất bề mặt. Quá trình này thƣờng xảy ra chậm, tạo ra
thung lũng karst, phễu karst. Hoạt động lún karst có thể xảy ra mạnh mẽ hơn khi có
những biến động mực nƣớc ngầm do điều kiện thời tiết hay khai thác quá mức.
Hiện tƣợng sụt karst: thƣờng xảy ra khi lớp đất phủ có độ dẻo yếu (cát pha, sét
pha) và dịng chảy ngầm có lƣu lƣợng lớn (hình 1.2). Ở giai đoạn đầu thƣờng diễn ra
tƣơng tự quá trình lún karst làm cho bề mặt lõm xuống với biên độ nhỏ tạo điều kiện
thu nƣớc mặt. Tiếp theo đó ở các vùng lõm xuất hiện các vết nứt, khe nứt có dạng kéo
dài hay vòng cung. Cuối cùng xuất hiện các hố sụt dạng hang hoặc phễu.
VÕt, khe nøt

Hè, phƠu sơt

VÕt, khe nứt

đất

đất
đá vôi
nứt nẻ

đá vôi
nứt nẻ
Dòng chảy ngầm
đá vôi khối

Dòng chảy ngầm
đá vôi khối

Hố, phễu sụt

2

1
Hỡnh 1.2. Quỏ trỡnh st karst

Diễn biến và quá trình phát triển sụt karst liên quan chặt chẽ với các yếu tố: độ
dẻo, độ rỗng của lớp đất phủ, lƣu lƣợng và tốc độ nƣớc mặt có khả năng thấm qua lớp
đất và làm xói mịn đá vơi nứt nẻ xuống tầng nƣớc ngầm, sự biến động mực nƣớc và
tốc độ dòng chảy ngầm. Hiện tƣợng sụt karst thƣờng xảy ra đột ngột, phá hủy mạnh
gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Các hố sụt karst có thể xuất hiện với một số lƣợng

nhỏ, một chuỗi kéo dài hay từng bãi với số lƣợng lớn phụ thuộc vào cấu trúc địa chất
và đặc điểm hoạt động karst ở từng vùng cụ thể.
Nứt sụt đất trong đá trầm tích gắn kết kém (giả karst):
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

16

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Trong thiên nhiên đơi khi ta gặp các hiện tƣợng nhìn bề ngồi rất giống karst
nhƣng về bản chất lại hoàn toàn khác hẳn, do đó đƣợc gọi là giả karst. Có thể chia ra
một số loại nhƣ sau:
+ Karst đá vụn: biểu hiện ở các tầng đá vụn nhƣ cát kết, sạn kết, trong đó vật
chất hịa tan mang tính chất bộ phận, tản mạn trong xi măng gắn kết đá. Khi xi măng
gắn kết bị hòa tan, mà các bộ phận đá khơng hịa tan, khơng cịn gắn kết với nhau nữa
sẽ dễ dàng bị dòng nƣớc mang đi. Nhƣ vậy, các địa hình rỗng ở đây đƣợc hình thành
chủ yếu do tác dụng cơ giới của dòng nƣớc, còn tác dụng hịa tan là khơng đáng kể.
+ Karst trong sét và hồng thổ: thƣờng đặc trƣng cho các miền khí hậu nửa khô
hạn. Hiện tƣợng thƣờng gặp ở đây là chuỗi các hố hút nƣớc, giếng, phân bố dọc theo
đƣờng đáy của các mƣơng xói, đơi khi gặp các bồn lòng đĩa, lòng chảo…
+ Karst nhiệt: phát triển trong các miền đất đông kết vĩnh cửu. Do tác dụng
nhiệt của khơng khí mà từng bộ phận băng hoặc khối đất đông kết dƣới sâu bị tan ra
gây sụt lớn tạo nên các dạng giả karst.

Ảnh 7. Nƣ́t su ̣t đấ t ở London – Anh tháng

Ảnh 8. Nƣ́t su ̣t đấ t ở Arnsberg – Đức tháng

7/2002
(Nguồn: VnExpress.net)

8/2007
(Nguồn: VnExpress.net)

c. Nứt sụt đất do các yếu tố ngoại sinh
Căn cứ vào những đặc điểm nêu trên, có thể thấy rằng khi có mƣa bão lớn,
lƣợng nƣớc ngầm dồi dào có khả năng phá hủy các chất dễ hòa tan, sẽ tạo nên các hố

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

17

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

và hang ngầm. Khi vịm của những hang ngầm sụt xuống, nó kéo theo cả phần đất phía
trên khiến miệng hố hiện ra.
Ngồi hai nguyên nhân chủ yếu nêu trên, nứt sụt đất cịn do tác động nhân sinh
của con ngƣời: đó là q trình khai thác nƣớc ngầm, đào hầm lị,… các q trình này
cũng góp phần làm gia tăng hiện tƣợng nứt sụt đất trên bề mặt. Khai thác nƣớc ngầm
tràn lan khiến các tầng đất đá bị mất cân đối, đào hầm lị vơ hình chung lại tạo ra các

hang sâu trong lòng đất,….
1.4.2. Cơ chế của lún, nứt sụt đất karst
Do tính chất bất đồng nhất (vật lý, hóa học, cơ học…) trong quá trình thành tạo
các cấu trúc địa chất khác nhau, tác động của các hoạt động địa chất, môi trƣờng… gây
ra mất cân bằng kết cấu. Có một số cơ chế sau:
- Thiếu nguồn cấp vật liệu cho lấp lỗ hổng
tầng đất nền.
- Sập mái tầng, lớp đất bề mặt do lớp đất
nền mở rộng hoặc tăng tải trọng.
- Có q trình bóc mịn đáy hay bề mặt lớp
bề mặt.
- Do vận động nƣớc (sự thay đổi mực
nƣớc ngầm, sự thay đổi dòng chảy ngầm,
sự mở rộng dịng chảy ngầm…).
- Q trình xuất hiện nứt sụt đất có thể xảy
ra nhanh hơn nếu có các tác động ngoại
sinh: dịng chảy, thấm của nƣớc bề mặt

Hình 1.3. Mơ hình lún, sập sụt đất do vận
động của nƣớc

theo khe nứt, các rung động lớn do nổ
mìn, vận tải nặng,…
Hiện tƣợng nứt sụt đất gắn liền với các quá trình vận động địa chất hồn tồn có
thể sử dụng, lựa chọn các phƣơng pháp và thiết bị theo dõi, dự báo, cảnh báo đƣợc để
đƣa ra các giải pháp phòng tránh kịp thời, giảm thiểu thiệt hại do chúng gây ra.
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Khoa Địa Chất
18

Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

1.4.3. Các tác hại tai biến nứt sụt đấ t
Ở vùng sản xuất nơng nghiệp nƣ́t su ̣t đấ t có thể gây ra thiệt hại đến vật nuôi , cây
trồng, ảnh hƣởng đến mùa màng, hủy hoại và làm mất đất canh tác, làm hƣ hỏng các
cơng trình thủy lợi nhƣ mƣơng máng, cống, hồ, đập nƣớc; ở khu vực dân cƣ sẽ gây
thiệt hại về nhà cửa, đƣờng xá ảnh hƣởng đến sự ổn định đời sống . Trong nhiều trƣờng
hợp nƣ́t su ̣t đấ t chính là tác nhân gây ra lũ lụt lớn ở các thung lũng miền núi .
Ở đô thị và khu công nghiệp nƣ́t su ̣t đấ t gây ra sự phá hủy nhà cửa kiên cố , nhà
xƣởng, đƣờng giao thông, làm giảm tuổi thọ các cơng trình dân sinh, cơng nghiệp và
quốc phịng gây thiệt hại lớn về kinh tế và an ninh xã hội.
Nƣ́t su ̣t đấ t còn hủy hoại lớp bảo vệ bề mặt gây ô nhiễm tầng nƣớc ngầm

, làm

giảm khả năng đến mất nƣớc các hồ chứa gây hậu quả nghiêm trọng về môi trƣờng.

Ảnh 9. Nƣ́t su ̣t đấ t ở Guatemala 2010

Ảnh 10. Nƣ́t su ̣t đấ t ở Quảng Tri ̣2006

(Nguồn: VnExpress.net)

(Nguồn: Vietbao.vn)

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

19

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy
CHƢƠNG 2

CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TAI BIẾN NỨT SỤT ĐẤT
2.1. Khái quát
Nhiệm vụ chính trong nghiên cứu tai biến nứt sụt đất bao gồm: 1) Nghiên cứu có
tính bao qt các yếu tố tự nhiên, điều kiện địa chất, kiến tạo, phân vùng có điều kiện
tồn tại và xuất hiện các tai biến địa chất nói chung, trong đó có tai biến nứt sụt đất;
2) Nghiên cứu chi tiết đặc điểm cấu trúc các vùng tiềm ẩn nguy cơ cao về tai biến nứt
sụt đất để đánh giá, xác định các yếu tố cấu trúc, diện phân bố, độ sâu phân bố, cơ chế
tồn tại và tiềm ẩn tai biến nứt sụt đất để đề xuất giải pháp phòng tránh.
Để giải quyết nhiệm vụ trên, tùy từng điều kiện cụ thể phải sử dụng các nhóm
phƣơng pháp:
Nhóm 1 là các phƣơng pháp điều tra, khảo sát gồm: địa chất, kiến tạo, viễn thám,
thủy văn, địa chất thủy văn và các tài liệu về điều kiện tự nhiên, các hoạt động dân
sinh, kinh tế, cơng nghiệp khác,…
Nhóm 2 là các phƣơng pháp nghiên cứu khảo sát chi tiết các vùng tiềm ẩn nguy
cơ cao xuất hiện tai biến gồm: địa vật lý, địa chất cơng trình, phân tích mẫu,…
Các phƣơng pháp trong nhóm 1 cũng nhƣ các phƣơng pháp địa chất cơng trình,
phân tích mẫu trong nhóm 2 là những phƣơng pháp có tính truyền thống trong giải
quyết các nhiệm vụ điều tra khảo sát địa chất, khi áp dụng trong nghiên cứu nứt sụt đất
khơng có những thay đổi lớn về quy trình cũng nhƣ trang thiết bị. Riêng việc sử dụng
các phƣơng pháp địa vật lý trong nghiên cứu nứt sụt đất thƣờng địi hỏi chi phí lớn, nên

cần phải lựa chọn quy trình áp dụng, phạm vi nghiên cứu cũng nhƣ phƣơng pháp, thiết
bị thích hợp cho điều kiện cụ thể ở mỗi vùng nghiên cứu.
2.2. Khả năng ứng dụng của các phƣơng pháp địa vật lý

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

20

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Trong lĩnh vực địa vật lý có rất nhiều phƣơng pháp để giải quyết nhiệm vụ
nghiên cứu tai biến nứt sụt đất, mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu điểm và hạn chế
riêng cho những đối tƣợng địa chất cụ thể [Smith, D.L. and Randazzo, A.F., 2003].
Phƣơng pháp trọng lực: có hiệu quả để xác định ranh giới phân bố các thành hệ
địa chất có sự khác biệt về mật độ: đá vơi với các đá trầm tích khác. Trong đá vơi có
thể phát hiện hang karst rỗng, vì đá vơi có mật độ tƣơng đối lớn 2,7g/cm3 tạo nên sự
chênh lệch đáng kể so với phần rỗng có mật độ bằng 0. Vì vậy tại ví trí phát hiện hang
karst sẽ quan sát thấy dị thƣờng trọng lực âm. Tuy nhiên bằng các tính tốn lý thuyết
cũng nhƣ khi áp dụng trong thực tế ngƣời ta nhận thấy rằng các hang karst có khả năng
gặp trong thực tế thƣờng có kích thƣớc nhỏ, nên dị thƣờng trọng lực thƣờng khá nhỏ,
biểu hiện không rõ ràng và dị thƣờng thƣờng nhỏ nhƣ sai số đo vẽ trọng lực, đặc biệt
trong điều kiện địa hình thay đổi phức tạp.
Phƣơng pháp từ: cho khả năng xác định các thể địa chất có từ tính cao chứa
khoáng vật sắt từ hay phát hiện hang karst bị lấp đầy bởi các vật chất có từ tính mạnh.
Đá vơi có từ tính nói chung là thấp, chủ yếu phụ thuộc vào lƣợng siđerit bị ơxy hóa

biến thành hydroxit sắt. Độ từ cảm của đá vôi chỉ khoảng χ = (4÷70).10-6CGS, so với
hang karst rỗng có χ = 0, nhƣ vậy giữa hang karst và môi trƣờng xung quanh có phân
dị từ tính âm. Tuy nhiên trong thực tế rất ít khi phát hiện các hang karst bị lấp nhét bởi
các vật chất có từ tính mạnh, thơng thƣờng chỉ gặp các hang karst rỗng hoặc các hang
lấp nhét sét, cuội… có từ tính rất yếu.
Phƣơng pháp địa chấn: phƣơng pháp này nghiên cứu dựa trên cơ sở quan sát các
đặc điểm của trƣờng dao động sóng đàn hồi phát triển trong mơi trƣờng đất đá. Sóng
đàn hồi trong q trình truyền sâu vào lịng đất, khi gặp các tầng đất đá khác nhau bị
phản xạ và khúc xạ, sự phản xạ và khúc xạ hình thành các sóng phản xạ và khúc xạ
quay trở về mặt đất, tiến hành thu các sóng này và xử lý sẽ cho chúng ta thông tin về
môi trƣờng dƣới mặt đất. Phƣơng pháp đƣợc áp dụng rất có hiệu quả để xác định ranh
giới các tầng cấu trúc địa chất có tốc độ truyền song khác biệt nhƣ lớp phủ Đệ Tứ và
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

21

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

lớp đá gốc rắn chắc phía dƣới, phân chia lớp đá gốc rắn chắc và lớp đá gốc nứt nẻ. Tuy
nhiên phƣơng pháp này cũng có một số hạn chế nhất định: các vùng sụt lún thƣờng
xuất hiện ở các khu dân cƣ, vì vậy khi phƣơng pháp này thi cơng sẽ gặp phải rất nhiều
loại nhiễu, đặc biệt là nhiễu giao thông. Khi sử dụng để tìm các hốc karst nhỏ, bị lấp
nhét bởi các vật liệu xung quanh thì nó có đặc điểm trƣờng sóng giống với mơi trƣờng
xung quanh, do vậy trƣờng sóng thu đƣợc khơng có sự khác biệt so với môi trƣờng
xung quanh.

2.3. Các phƣơng pháp điện và điện từ
Trong mơi trƣờng địa chất tính chất điện từ (điện trở suất và các tham số điện từ
khác nhƣ tính phân cực kích thích, độ điện thẩm, từ thẩm,…) có mối quan hệ chặt chẽ
khơng chỉ với thành phần khoáng vật (độ chứa nƣớc, chứa muối khoáng, khoáng
vật,…) mà cịn có tính phân dị cao với trạng thái, nguồn gốc của vật chất và thành hệ
địa chất khác nhau (độ rắn chắc, độ rỗng, mức độ chứa nƣớc,…).

Hình 2.1. Tính chất dẫn điện (điện trở suất) của một số loại đá [Loke]
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

22

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

Trên thực tế trong môi trƣờng địa chất và hầu hết các vùng tồn tại và tiềm ẩn
nguy cơ lún, nứt sụt đất có các yếu tố cấu trúc có thành phần khác nhau (đá gốc rắn, đá
gốc dập vỡ chứa nƣớc, lớp phủ dẻo hoặc xốp,…) và các quá trình biến động gây nứt,
sụt lún (khe nứt, thấm nƣớc ở lớp phủ, nƣớc ngầm và dòng chảy ngầm,…) đều gây ra
các biến động tham số điện và điện từ (điện trở suất, điện thẩm, tính phân cực kích
thích, điện thế tự nhiên,…). Vì vậy, khảo sát các tính chất điện từ cho các thông tin
phong phú để nghiên cứu về trạng thái cấu trúc, phát hiện theo dõi sự phát triển tai biến
lún, nứt sụt đất. Các phƣơng pháp điện từ là phƣơng pháp địa vật lý đƣợc ứng dụng
rộng rãi nhất trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam trong giải quyết các nhiệm vụ địa chất,
địa chất thủy văn, địa chất cơng trình và mơi trƣờng trong đó có tai biến nứt sụt đất
[Loke, Randazzo, A.F. and Smith, D.L., 2003,…].

Do sự đa dạng về các tham số và thiết bị, quy trình áp dụng đo điện từ cho các
yêu cầu thực tế và đối tƣợng địa chất môi trƣờng khác nhau nên hiện nay có đến hàng
chục phƣơng pháp và thiết bị điện từ cho nghiên cứu các đối tƣợng địa chất khác nhau
[Zhdanov,2009,…]. Các phƣơng pháp sau thích hợp cho nghiên cứu tai biến nứt sụt
đất:
2.3.1. Phương pháp điện trở suất
Phƣơng pháp điện trở suất dựa trên bài toán vật lý về mối quan hệ giữa sự phân
bố mật độ dịng điện trong mơi trƣờng từ một nguồn điện phát vào mơi trƣờng đó với
độ dẫn điện của mơi trƣờng. Nó đƣợc mơ tả bằng phƣơng trình tốn học nhƣ sau:
 div ( x, y, z ) gradU ( x, y, z ) 

I
 ( x  x s ) ( y  y s ) ( z  z s )
V

(2.1)

Trong đó: div, grad là các ký hiệu tốn học (tốn tử);  - là hàm số mơ tả sự
phân bố độ dẫn điện (trong thực tế thƣờng dùng tham số điện trở suất là giá trị ngƣợc
của độ dẫn  = 1/ đo bằng đơn vị ôm.mét –Om.m) trong môi trƣờng theo toạ độ x, y,
z; U - là hàm điện thế mô tả sự phân bố điện thế trong môi trƣờng theo toạ độ x, y, z; I
-là cƣờng độ dịng điện phát vào mơi trƣờng;  - là một hàm số toán học đƣợc gọi là

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

23

Khoa Địa Chất

Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

hàm Đirac mô tả tính chất phân bố nguồn điện trong mơi trƣờng ở toạ độ xs, ys, zs; Vlà thể tích cực phát của nguồn điện.
Trong phƣơng trình trên dịng điện I là nguồn phát chủ động ln có cƣờng độ
xác định; giá trị điện thế U trong môi trƣờng cũng xác định đƣợc bằng thiết bị đo trên
thực địa. Còn hàm phân bố độ dẫn điện của môi trƣờng  là điều ta cần biết có thể xác
định đƣợc bằng cách giải phƣơng trình trên khi đã biết các tham số I, U. Tuy nhiên việc

Sơ đồ mô tả nguyên lý 1 điểm đo sâu điện với 4 khoảng thu -phát

MAY THU

MAY PHAT
PC
M1N1,... -->
A1B1

M5N5

XU LY

nuoc
nong

nguon

Thang dien tro suat, Ohm.m
<=== Da chua nuoc/ Da ran chac ===>

Hình 2.2. Sơ đồ mơ tả nguyên lý thực hiện và kết quả áp dụng phƣơng pháp thăm
dị điện bằng quy trình 2D để xác định cấu trúc địa chất.
(Nguồn: Viện Địa Chất – viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam)
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

24

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

giải phƣơng trình nêu trên trong môi trƣờng địa chất phức tạp là cả một vấn đề lớn có
tính chun mơn sâu, cơng việc đó đã đƣợc nghiên cứu hồn thiện, đối với môi trƣờng
phức tạp chỉ thực hiện đƣợc bằng các chƣơng trình chun dụng trên máy tính điện tử.
Quy trình ứng dụng phƣơng pháp này gồm hai công đoạn: 1) Đo thực địa; 2) Xử lý
phân tích số liệu.
Đo thực địa: tùy thuộc vào các nhiệm vụ và yêu cầu về mức độ chi tiết thông tin
môi trƣờng sẽ thực hiện các phƣơng pháp đo: 1) Đo mặt cắt bằng 1-2 cự ly thiết bị để
theo dõi đặc điểm biến động môi trƣờng dọc tuyến đo; 2) Vẽ bản đồ là thực hiện mạng
lƣới tuyến đo mặt cắt cho thông tin về đặc điểm bất đồng nhất mơi trƣờng trong diện
tích khảo sát; 3) Đo sâu điện trở suất để xác định tham số các lớp từ mặt đất xuống độ
sâu cần thiết; 4) Đo cắt lớp cho phép xác định đặc điểm phân bố điện trở suất thể hiện
cấu trúc môi trƣờng dƣới tuyến đo gọi là phƣơng pháp cắt lớp hai chiều (2D), hay dƣới
diện tích khảo sát đƣợc gọi là phƣơng pháp cắt lớp ba chiều (3D). Nguyên lý và quy
trình, kết quả ứng dụng phƣơng pháp điện trở hiện nay thƣờng đƣợc áp dụng theo quy
trình cắt lớp điện trở đƣợc mơ tả trên hình 2.2

Phân tích tài liệu: việc phân tích tài liệu bằng quy trình 2D và 3D chỉ thực hiện
đƣợc bằng các phần mềm chun dụng trên máy tính điện tử có tốc độ tính tốn mạnh
và bộ nhớ lớn. Các phần mềm này đƣợc bán rộng rãi trên thị trƣờng quốc tế và bán
kèm thiết bị, phần mềm đƣợc sử dụng phổ biến rộng rãi nhất là RES2DINV [Loke].
Máy tính thơng dụng hiện nay cho phép thực hiện phân tích sơ bộ tài liệu ngay trên
thực địa cho thông tin nhanh về đặc điểm cấu trúc môi trƣờng, nhận biết đƣợc ngay các
đối tƣợng cần quan tâm tƣơng tự nhƣ kỹ thuật cắt lớp trong y học (hình 2.2).
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp điện trở suất là địi hỏi phải có điều kiện nối tiếp
đất các điện cực, để thực hiện trên thực địa phải di chuyển liên tục các điện cực mất
nhiều thời gian và nhân lực nên năng xuất lao động thấp và chi phí cao. Trong nghiên
cứu tai biến nứt sụt đất thƣờng đòi hỏi mức độ khảo sát chi tiết cao (khoảng cách giữa
các điện cực chỉ 1-2m đến 5m), khi bề mặt là đá rắn, bê tông, trên diện tích đo có nhiều
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

25

Khoa Địa Chất


Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặng Ngọc Thùy

địa vật cản trở nhƣ tƣờng nhà, tƣờng rào chắn ngang tuyến đo sẽ rất khó thực hiện hoặc
thực hiện khơng liên tục sẽ không đáp ứng đƣợc yêu cầu chi tiết cần thiết.
Hiện nay có các phƣơng pháp và thiết bị điện từ sử dụng kết hợp để khắc phục
nhƣợc điểm của phƣơng pháp điện trở suất nêu trên nhƣ ERA, EM, Ohmmeter, radar
xuyên đất,... (Wait, 1992, Zhdanov, 2009,...).
2.3.2. Phương pháp điện từ dùng thiết bị ERA
Thiết bị ERA đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở lời giải bài tốn đo tín hiệu điện và từ

ở khơng gian phía trên bề mặt đất (trong khơng khí) của một nguồn phát là lƣỡng cực
điện tiếp đất hoặc không tiếp đất đƣợc mô tả trên hình 2.3.




I

a
h

U(r)

x
y

r

hMN

I

b
h

r*

z

I*

Hình 2.3. Sơ đồ mơ tả phƣơng pháp và
thiết bị điện từ tần số thấp với các điện cực
nguồn và thu khơng tiếp đất.
Chú giải hình vẽ a: I - cường độ nguồn phát
dịng đặt trong khơng khí ở độ cao h; 0=0
độ dẫn điện của khơng khí;  - độ dẫn điện môi trường dưới mặt đất; 0 - tính điện
thầm của khơng khí; x, y, z – trục toạ độ quy ước. Hình vẽ b: tham số hình học mơ tả
nguồn phát và thu tín hiệu điện từ trong khơng khí: hMN - độ cao đo tín hiệu điện thế
U(r); I – Cường độ nguồn phát dòng ở độ cao h; I* - Ảnh xạ của nguồn phát; r –
Khoảng cách từ nguồn đến điểm thu tín hiệu;
Tín hiệu thu đƣợc khi điện cực đặt trên mặt đất hay trong khơng khí:
U (r ) 

I  1
1 
I
I 1 1 
 K12

i

  , z  0
* 
*
i 0  4r
 0 4  r r * 
4r  2r 

(2.2)

Tín hiệu thu đƣợc khi điện cực đặt dƣới mặt đất:

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

26

Khoa Địa Chất