Tìm hiểu phép hiệu chỉnh kết quả đo đạc thời gian truyền sóng cơ học trong môi trường đất đá tự nhiên phục vụ giảng dạy môn vật lí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

LÊ ĐỨC ĐẠT

Tìm hiểu phép hiệu chỉnh kết quả đo đạc thời gian
truyền sóng cơ học trong mơi trường đất đá tự nhiên
phục vụ giảng dạy mơn Vật lí
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội, 2018


Mục lục
Mở đầu ............................................................................................................. 1
1. Lí do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Cấu trúc khoá luận .................................................................................. 2
Chương 1: Vài nét về phương pháp thăm dò địa chấn ............................... 3
1.1. Thế nào là phương pháp thăm dò địa chấn? ...................................... 3
1.2. Cơ sở vật lí của phương pháp thăm dị địa chấn ............................... 5
1.2.1. Sự hình thành sóng đàn hồi ............................................................ 5
1.2.1.1. Cơ sở lí thuyết đàn hồi .............................................................. 5
1.2.1.2. Sự hình thành sóng đàn hồi ...................................................... 6
1.2.2. Cơ sở địa chấn hình học .................................................................. 8
1.2.2.1. Trường thời gian ....................................................................... 9
1.2.2.2. Các định luật cơ bản của địa chấn hình học .......................... 10
1.2.3. Sự phản xạ của sóng đàn hồi ........................................................ 11
1.3. Kĩ thuật phát và thu sóng địa chấn ................................................... 12
1.3.1. Kĩ thuật phát sóng địa chấn .......................................................... 12
1.3.1.1. Phát sóng địa chấn trên đất liền ............................................. 12

1.3.1.2. Phát sóng địa chấn trong mơi trường nước............................ 13
1.3.2. Kĩ thuật thu sóng địa chấn ............................................................ 14
1.3.3. Mạch địa chấn................................................................................ 14
1.3.4. Máy thu địa chấn ........................................................................... 15
1.3.5. Trạm địa chấn ................................................................................ 16
1.3.6. Hệ thống quan sát sóng phản xạ................................................... 17


Chương 2: Xử lí số liệu ................................................................................. 19
2.1. Mục đích của xử lí số liệu ................................................................... 19
2.2. Hiệu chỉnh tĩnh .................................................................................... 19
2.3. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ .................................................... 21
2.4. Giải bài toán thuận địa chấn phản xạ ............................................... 24
2.4.1. Mơ hình tuyến quan sát lí tưởng................................................... 25
2.4.2. Mơ hình tuyến quan sát thực tế .................................................... 26
Chương 3: Một số ví dụ hiệu chỉnh ............................................................. 29
3.1. Mơ hình 1 ............................................................................................. 29
3.2. Mơ hình 2 ............................................................................................. 33
3.3. Mơ hình 3 ............................................................................................. 37
Chương 4: Xây dựng một số bài tập phục vụ giảng dạy chương Sóng cơ,
chương trình Vật lí 12 ................................................................................... 41
4.1. Cơ sở của việc xây dựng bài toán xác định tốc độ truyền sóng cơ học
bằng biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ .................................................. 41
4.2. Phương pháp giải bài tốn tính tốc độ truyền sóng theo biểu đồ thời
khoảng ......................................................................................................... 41
4.3. Bài tập ví dụ ......................................................................................... 43
4.3.1. Bài tập 1 .......................................................................................... 43
4.3.2. Bài tập 2 .......................................................................................... 46
Kết luận và khuyến nghị ............................................................................... 48
Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 49

Danh mục hình ảnh
Hình 1. 1. Sơ đồ cơng tác địa chấn trên đất liền ............................................... 3
Hình 1. 2. Hình ảnh một băng địa chấn phản xạ ............................................... 4
Hình 1. 3. Hình ảnh một lát cắt địa chấn........................................................... 4
Hình 1. 4. Mối quan hệ giữa biểu đồ thời khoảng và tốc độ biểu kiến............. 9
Hình 1. 5. Sự hình thành sóng phản xạ và sóng qua ....................................... 11
Hình 1. 6. Máy thu địa chấn cảm ứng ............................................................. 16
Hình 1. 7. Trạm địa chấn Stratavisor NZXP ................................................... 16
Hình 2. 1. Hiệu chỉnh tĩnh ............................................................................... 21
Hình 2. 2. Mơ tả biểu đồ thời khoảng mặt ...................................................... 22
Hình 2. 3. Mơ tả biểu đồ thời khoảng điểm nổ chung .................................... 23
Hình 2. 4. Mơ tả tuyến quan sát lí tưởng ........................................................ 25
Hình 2. 5. Mô tả tuyến quan sát thực tế .......................................................... 26


Danh mục bảng

Bảng 3. 1. Kết quả tính cho Mơ hình 1 ........................................................... 30
Bảng 3. 2. Kết quả tính cho Mơ hình 2 ........................................................... 33
Bảng 3. 3. Kết quả tính cho Mơ hình 3 ........................................................... 37

Bảng 4. 1. Bảng số liệu Bài tập 1 .................................................................... 43
Bảng 4. 2. Bảng kết quả tính tốn Bài tập 1.................................................... 44
Bảng 4. 3. Bảng số liệu Bài tập 2 .................................................................... 46
Bảng 4. 4. Bảng kết quả tính tốn Bài tập 2.................................................... 47


Danh mục biểu đồ

Biểu đồ 3. 1. Địa hình tuyến quan sát ............................................................. 29
Biểu đồ 3. 2. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mơ hình 1 khi chưa hiệu
chỉnh về mặt mức và khi đã hiệu chỉnh về mặt mức....................................... 31
Biểu đồ 3. 3. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mơ hình 1 khi đã hiệu
chỉnh về mặt mức và biểu đồ thời khoảng tại mặt quan sát lí tưởng (mặt mức)
......................................................................................................................... 32
Biểu đồ 3. 4. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mơ hình 2 khi chưa hiệu
chỉnh về mặt mức và khi đã hiệu chỉnh về mặt mức....................................... 34
Biểu đồ 3. 5. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mơ hình 2 khi đã hiệu
chỉnh về mặt mức và biểu đồ thời khoảng tại mặt quan sát lí tưởng (mặt mức)
......................................................................................................................... 35
Biểu đồ 3. 6. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mơ hình 3 khi chưa hiệu
chỉnh về mặt mức và khi đã hiệu chỉnh về mặt mức....................................... 38
Biểu đồ 3. 7. Biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ của Mơ hình 3 khi đã hiệu
chỉnh về mặt mức và biểu đồ thời khoảng tại mặt quan sát lí tưởng (mặt mức)
......................................................................................................................... 39
Biểu đồ 4. 1. Biểu đồ thời khoảng Bài tập 1 ................................................... 43
Biểu đồ 4. 2. Biểu đồ thời khoảng Bài tập 2 ................................................... 46


Mở đầu
1. Lí do chọn đề tài
Địa vật lí thăm dò là tập hợp các phương pháp sử dụng các trường vật
lí có nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo để nghiên cứu Trái Đất, nhằm mục đích xác
định thành phần, tính chất, trạng thái vật chất ở đó. Các phương pháp địa vật lí
phục vụ các nghiên cứu địa chất, tìm kiếm khống sản, địa chất mơi trường để
bảo vệ môi trường và giảm nhẹ thiên tai, khảo sát di tích khảo cổ, khảo sát địa
chất cơng trình kể cả việc đánh giá tham số cơng trình ở thế nằm tự nhiên [3,
4].
Thăm dò địa chấn là một trong những phương pháp địa vật lí thăm dị,

sử dụng sóng địa chấn hoặc sóng âm thanh để nghiên cứu mơi trường. Kết quả
khảo sát là vị trí các ranh giới phản xạ - khúc xạ, tốc độ truyền sóng trong các
lớp đất đá và có thể cả đặc trưng kết cấu cơ lí của đất đá [5]. Trong thăm dị địa
chấn, có rất nhiều nhóm cơng việc phải thực hiện, từ các quan sát thực địa đến
xử lí và phân tích số liệu. Cũng như mọi phép đo vật lí khác, một trong những
việc ban đầu trong khâu xử lí số liệu là tiến hành các hiệu chỉnh. Khác với các
phép đo trong phịng thí nghiệm với các điều kiện thuận lợi hơn, trên thực địa,
yếu tố địa hình ảnh hưởng rất lớn và không tránh khỏi. Trên mặt bằng thực
địa, trong q trình đo đạc, các máy thu sóng địa chấn được đặt ở những độ cao
khác nhau, phụ thuộc vào địa hình bề mặt của khu vực khảo sát. Điểm phát
sóng cũng khơng phải đặt tùy tiện mà cũng phụ thuộc vào điều kiện địa hình và
địi hỏi kỹ thuật. Như vậy, địa hình sẽ ảnh hưởng lớn đến thời gian phát – thu
sóng, đường đồ thị thời gian (biểu đồ thời khoảng) sẽ bị “méo” so với khi phát
– thu trong điều kiện lí tưởng (trên cùng mặt phẳng). Để tiến hành được các
khâu xử lí tiếp theo, bắt buộc phải tiến hành các hiệu chỉnh để đưa các điểm thu
và phát về một mặt quan sát lí tưởng (thường là mặt phẳng ngang, gọi là mặt
mức). Công việc này trong chuyên môn gọi là “hiệu chỉnh tĩnh”.

1


Trong chương trình Vật lí 12 Nâng cao, ở chương III. Sóng cơ, học sinh
sẽ được tìm hiều về sóng cơ học. Thăm dị địa chấn sẽ là một ví dụ sinh động
về ứng dụng sóng cơ trong nghiên cứu, sản xuất hay nói chung là trong cuộc
sống. Tìm hiểu về thăm dị địa chấn, tham gia thực địa ngồi trời sẽ là cơ hội
tốt để học sinh tăng hứng thú, củng cố kiến thức, phát triển năng lực của mình.
Trên cơ sở các tìm hiểu về phương pháp thăm dị địa chấn nói chung và việc
xử lí số liệu địa chấn nói riêng có thể xây dựng một số dạng bài tập vận dụng
phục vụ giảng dạy chương Sóng cơ. Bài toán hiệu chỉnh tĩnh (cụ thể hơn nữa
là hiệu chỉnh địa hình) trong thăm dị địa chấn được thực hiện trên đối tượng là

đại lượng thời gian phát – thu sóng vì thế xin được phép tạm gọi là “hiệu chỉnh
thời gian truyền sóng”.
Với mục đích như đã trình bày ở trên, sinh viên đã lựa chọn đề tài: “Tìm
hiểu phép hiệu chỉnh kết quả đo đạc thời gian truyền sóng cơ học trong mơi
trường đất đá tự nhiên phục vụ giảng dạy mơn Vật lí”.
2. Cấu trúc khố luận
Khố luận gồm có 04 chương:
Chương 1: Vài nét về phương pháp thăm dị địa chấn
Chương 2: Xử lí số liệu
Chương 3: Một số ví dụ hiệu chỉnh
Chương 4: Xây dựng một số bài tập phục vụ giảng dạy chương Sóng cơ, chương
trình Vật lí 12.

2


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

điểm hình thái và bản chất mơi trường vùng nghiên cứu [2, tr. 113].
Hình 1. 1. Sơ đồ công tác địa chấn trên đất liền

3


Hình 1. 2. Hình ảnh một băng địa chấn phản xạ

Hình 1. 3. Hình ảnh một lát cắt địa chấn

4


Có hai phương pháp địa chấn chính là phương pháp địa chấn phản xạ và
địa chấn khúc xạ, chúng được áp dụng trên đất liền, trên biển, trong hầm lò
hoặc trong các giếng khoan…[2, tr. 113].
1.2. Cơ sở vật lí của phương pháp thăm dị địa chấn
1.2.1. Sự hình thành sóng đàn hồi
1.2.1.1. Cơ sở lí thuyết đàn hồi
Người ta gọi những vật thể khi có lực tác dụng thì thay đổi về hình dạng
và thể tích và khi ngừng tác dụng của lực thì lập tức trở lại trạng thái ban đầu
là các vật thể đàn hồi. Sự thay đổi về hình dạng và thể tích như vậy gọi là biến
dạng đàn hồi. Trong các phương pháp địa chấn, do lực tác dụng nhỏ và thời
gian tác dụng lực rất ngắn nên có thể coi mơi trường đất đá là mơi trường đàn
hồi.
Có hai loại biến dạng đàn hồi là biến dạng thể tích và biến dạng hình
dạng. Nếu lực tác dụng chỉ làm thay đổi về thể tích mà hình dạng của vật vẫn
giữ nguyên thì biến dạng đó gọi là biến dạng thể tích. Ngược lại nếu vật thể chỉ
thay đổi hình dạng mà thể tích khơng đổi thì đó là biến dạng hình dạng. Các
dạng biến dạng đàn hồi phức tạp đều được coi là tổng biến dạng thể tích và biến

dạng hình dạng.
Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên sự biến dạng thì trong vật thể
đồng thời xuất hiện nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo các phần
tử vật chất về trạng thái ban đầu. Nội lực này gọi là ứng lực. Ứng lực tác dụng
lên một đơn vị diện tích nhằm cân bằng với ngoại lực gọi là ứng suất. Mối quan
hệ giữa ứng suất và biến dạng được mô tả bới định luật Húc. Môi trường đàn
hồi được đặc trưng bởi các tham số đàn hồi như mô-đun giãn dọc E (mô-đun Iâng), mô-đun nén ngang  (hệ số Pốt-xơng) hoặc hằng số Lame  , bước sóng
 và mật độ  .

5


Xét một hình trụ có chiều dài l và đường kính d bị gắn chặt một đầu.
Dưới tác dụng của lực F , vật bị biến dạng và có độ giãn dọc là l , độ nén
ngang là d .
Gọi độ giãn dọc tương đối là l và độ nén ngang tương đối là d . Ta có:
l =

l
l

d =

và

d
d

Ứng suất T có độ lớn là:
T=

F
F
=
S 4 d 2

Vì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính nên ta có:
a
l
l = a.T ; l = T = T
l
E

và

d = b.T ; d =

b
T
d

Với a, b là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi và kích thước của
vật thể. Ta có:
d b l
=
=
l d a

Mơ-đun I-âng có trị số bằng ứng suất khi vật thể bị giãn gấp hai lần. Các
đại lượng E và  đặc trưng cho tính chất đàn hồi của vật thể và không phụ thuộc

vào nhau [2, tr. 114-115].
1.2.1.2. Sự hình thành sóng đàn hồi
Trong thăm dị địa chấn, khi kích thích xung lực ở một điểm nào đó của
mơi trường thì sẽ gây nên sự biến dạng và xuất hiện ứng suất. Do hiện tượng
quán tính nên các phần tử vật chất của môi trường sẽ dao động quanh vị trí cân
bằng, trong mơi trường đàn hồi các dao động này được lan truyền theo mọi
hướng dưới dạng sóng đàn hồi. Sóng đàn hồi được truyền đi với tốc độ xác
định, tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trường.
Trong môi trường đồng nhất, khi có kích thích dao động thì sẽ tạo ra hai loại
sóng khác nhau là sóng dọc (P) và sóng ngang (S).

6


Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động của hạt
cùng phương với phương truyền sóng. Khi sóng dọc truyền đi sẽ tạo ra các đới
nén, giãn liên tiếp.
Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của
hạt vật chất vng góc với phương truyền sóng. Khi sóng ngang truyền đi sẽ
tạo ra các đới trượt liên tiếp.
Trong môi trường đồng nhất sóng dọc và sóng ngang truyền độc lập với
nhau và có tốc độ khác nhau là vP và vS :
vP =

E (l−  )
 (l+  )(l− 2 )

vS =

E

2  (l+  )

với ρ là mật độ đất đá, E là mơ-đun I-âng và σ là hệ số Pốt-xơng.
So sánh giữa vP và vS ta có:
vP
2(l−  )
=
 2
vS
(l− 2 )

Nếu xác định được vP và vS thì có thể xác định được hệ số Pốt-xơng
đặc trưng cho tính chất đàn hồi của đất đá.
l v P 2 − 2 vS 2
=
2 vP 2 − vS 2

Trong khơng khí và nước khơng có biến dạng hình dạng nên chỉ có sóng
dọc mà khơng có sóng ngang.

7


Trong địa chấn, việc quan sát sóng được tiến hành bằng cách ghi các dao
động tại những điểm nhất định theo thời gian. Đồ thị biểu diễn dao động tại
một điểm quan sát theo thời gian gọi là hình dạng sóng. Độ lệch cực đại của
đường ghi so với vị trí cân bằng gọi là biên độ (A), khoảng thời gian giữa hai
cực trị cùng tên gọi là chu kì T. Đại lượng nghịch đảo với chu kì xác định số
dao động trong một đơn vị thời gian gọi là tần số f =

1
.
T

Nếu xét sự dịch chuyển của dao động theo tia sóng tại một thời điểm nhất
định thì đồ thị biểu diễn dao động tại một thời điểm theo khoảng cách là tuyến
sóng. Khoảng cách giữa các cực trị cùng tên gọi là bước sóng  . Mối quan hệ
giữa bước sóng và chu kì được xác định bởi cơng thức:  = vPT , trong đó vP là
tốc độ truyền sóng dọc [4, tr.115-117].
1.2.2. Cơ sở địa chấn hình học
Trong q trình nghiên cứu sự truyền sóng địa chấn có thể xét trường
sóng theo các đặc điểm động lực học hoặc đặc điểm động hình.
Khi nghiên cứu các đặc điểm động lực của trường sóng, người ta xét
trường véc-tơ dịch chuyển theo không gian và thời gian. Các tham số được
quan tâm là hình dạng sóng, biên độ, phổ tần số. Trong nhiều trường hợp, để
đơn giản người ta khơng xét đầy đủ bản chất, hình dạng sóng mà chỉ xét đặc
trưng thời gian của sóng như sự phân bố mặt sóng, thời gian, tốc độ… Các đặc
trưng như vậy gọi là đặc điểm động hình học và việc nghiên cứu chúng dựa
trên cơ sở địa chấn hình học [2, tr. 117].

8


1.2.2.1. Trường thời gian
Khi phát dao động tại một điểm nào đó thì sẽ tạo ra sóng đàn hồi truyền
trong môi trường. Khoảng không gian mà tại mỗi điểm của nó thời gian sóng
đến hồn tồn được xác định gọi là trường thời gian. Xét điểm quan sát bất kì
M ( x, y, z ) , thời gian sóng đến điểm M là t ( x, y, z) , trường thời gian được xác

định bởi phương trình t = t ( x, y, z ) . Cũng như các trường vật lí vơ hướng khác,

trường thời gian được đặc trưng bởi mặt mức, đó là các mặt đẳng thời. Mặt
đẳng thời trùng với mặt phân chia vùng dao động và vùng chưa dao động gọi
là mặt sóng. Mặt ranh giới vùng dao động và vùng dao động đã tắt gọi là lưng
sóng. Ngồi mặt mức người ta cịn sử dụng khái niệm tia sóng. Tia sóng là
những đường vng góc với mặt đẳng thời và trùng với phương truyền sóng.
Trong mơi trường đồng nhất tia sóng là đường thẳng.
Khi tiến hành phương pháp địa chấn, người ta quan sát sóng tại nhiều
điểm khác nhau trên tuyến. Tại các điểm quan sát, thời gian truyền sóng hồn
tồn được xác định. Người ta gọi đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian
sóng đến và vị trí điểm quan sát là biểu đồ thời khoảng (biểu đồ thời khoảng).
Tốc độ truyền sóng quan sát được dọc theo tuyến quan sát gọi là tốc độ biểu
kiến (v* ) khác với tốc độ truyền sóng thực tính theo phương truyền sóng.
Hình 1. 4. Mối quan hệ giữa biểu đồ thời khoảng và tốc độ biểu kiến

9


Giả sử quan sát sóng theo tuyến x . Thời gian sóng đến tại 2 điểm A và
B cách nhau x là t1 và t2 . Ta có:
v* =

AB
x
=
t2 − t1 t

Nếu tia sóng đến hợp với mặt ranh giới góc  thì tốc độ truyền sóng thực
là:
v=

CB s
=
t t

với s là quãng đường truyền sóng trong khoảng thời gian t .
Mối quan hệ giữa v và v* được xác định bởi hệ thức:
v* =

v
sin 

Như vậy, khi sóng truyền theo bề mặt thì có v* = v , khi sóng đến vng
góc với mặt ranh giới thì v* =  [2, tr. 118].
1.2.2.2. Các định luật cơ bản của địa chấn hình học
Để nghiên cứu các đặc điểm động hình học của trường sóng người ta cần
áp dụng các định luật trong quang hình học như ngun lí Huyghen – Fresnen,
nguyên lí Fecma.
Theo nguyên lí Huyghen – Fresnen, mỗi điểm của mơi trường mà dao
động sóng đạt tới có thể coi là nguồn phát sóng thứ cấp được xác định bởi biên
độ và pha của nguồn thực. Nhờ nguyên lí này có thể xác định được đặc điểm
của trường sóng trong mơi trường, nói cách khác là xác định được vị trí mặt
sóng ở một thời điểm bất kì nếu biết mặt sóng ở một thời điểm nhất định.
Theo ngun lí Fecma, thời gian sóng truyền theo tia sóng là ngắn nhất
so với tia sóng truyền theo bất kì phương nào khác. Xét thời gian sóng truyền
theo tia ds giữa 2 điểm A và B với tốc độ v( x, y, z) , ta có [2, tr. 118]:
t=

ds

 v( x, y, z ) = min

AB

10


1.2.3. Sự phản xạ của sóng đàn hồi
Ta xét mơi trường có mặt ranh giới phẳng và nằm ngang R phân chia
môi trường làm hai phần được đặc trưng bởi các tham số tốc độ truyền sóng
dọc vP1 , vP 2 , tốc độ truyền sóng ngang vS 1 , vS 2 và mật độ 1 ,  2 .
Hình 1. 5. Sự hình thành sóng phản xạ và sóng qua

Giả sử có sóng tới là sóng dọc P1, khi tới mặt ranh giới R sẽ tạo ra các
sóng thứ cấp. Một phần năng lượng của sóng tới tạo nên sóng phản xạ trở lại
mơi trường phía trên, sóng phản xạ gồm có sóng dọc P11 (cùng loại sóng tới) và
sóng ngang P1S1 (gọi là sóng biến loại). Một phần năng lượng truyền qua mặt
ranh giới tạo nên sóng qua, sóng qua cũng gồm sóng cùng loại P12 và sóng qua
biến loại P1S2. Góc hợp bởi tia sóng và pháp tuyến mặt ranh giới ở phía trên là
 và phần môi trường dưới là  .

Mối quan hệ giữa mặt sóng tới và các sóng thứ cấp được xác định bằng
định luật Snell:
v
v
vP1
v
v
= P1 = S 1 = P 2 = S 1
sin  sin  P sin  S sin  P sin  S

Đối với sóng phản xạ dọc (cùng loại) P11, do có cùng tốc độ với sóng tới
nên góc tới bằng góc phản xạ, tức là  =  P [2, tr. 119].

11


1.3. Kĩ thuật phát và thu sóng địa chấn
1.3.1. Kĩ thuật phát sóng địa chấn
Trong thăm dị địa chấn, tùy thuộc vào điều kiện tiến hành quan sát sóng
trên đất liền, trên biển, sơng hồ, hầm lị… mà sử dụng các loại nguồn khác nhau
[2, tr. 126].
1.3.1.1. Phát sóng địa chấn trên đất liền
Khi tiến hành địa chấn trên đất liền, loại nguồn phổ biến là nổ mìn trong
giếng khoan. Người ta đặt quả mìn xuống đáy giếng khoan trong các lớp đất
mềm, dẻo, ngậm nước…Chiều sâu các giếng khoan lớn hơn bề dày lớp đất đá
bở rời có tốc độ nhỏ ở gần mặt đất, thường là 10 - 100 m.
Khi khối thuốc mìn nổ tạo ra một áp suất lớn đập vào mơi trường đất đá
làm hình thành lỗ hổng khí. Sóng đập có năng lượng giảm dần và tiếp tục tạo
ra ở môi trường xung quanh các đới biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Các
dao động đàn hồi do nguồn kích thích được xác định bởi điều kiện nguồn bao
gồm thành phần và trọng lượng thuốc nổ, tính chất cơ lí của đất đá vùng nổ.
Trong trường hợp quả mìn đẳng thước, mơi trường vùng nổ đồng nhất
thì đới biến dạng dẻo có dạng hình cầu, nguồn phát sóng dạng cầu này tạo ra
sóng đàn hồi lan truyền theo mọi phía có mặt sóng hình cầu. Do áp suất của
nguồn tác động vng góc vào mặt cầu nên các dao động đàn hồi được hình
thành chủ yếu là sóng cầu dọc.
Ngồi ngng nổ, trong địa chấn cịn sử dụng một số loại nguồn khơng
nổ như đập, rung…Việc dùng các loại nguồn khơng nổ có hiệu suất kinh tế cao,
ít nguy hiểm và có thể tiến hành ở những nơi có các cơng trình xây dựng. Nguồn
không nổ được chia ra hai loại:

12


- Nguồn đập: Dùng búa tạ hoặc búa máy tạo ra những xung tức thời (5 –
10 ms), trọng lượng quả tạ có thể tới 2 – 3 tấn, độ cao nâng búa 3 – 4 m. Loại
nguồn này thường được dùng trong địa chấn cơng trình, tìm kiếm khống sản
rắn.
- Nguồn rung: Ngoài các nguồn phát xung, người ta cịn sử dụng ngng
rung. Bằng các thiết bị đặc biệt, người ta kích thích mơi trường đất đá bằng các
dao động hình sin có tần số thay đổi và kéo dài trong khoảng thời gian khá lớn
(6 – 8 s). Nguồn rung cho phép tích lũy năng lượng kích thích khi kéo dài xung
phát vì vậy rất được quan tâm ở những vùng mà việc phát xung gặp khó khăn
[2, tr. 126-127].
1.3.1.2. Phát sóng địa chấn trong mơi trường nước
Khi tiến hành địa chấn trong môi trường nước (biển, sông, hồ,…),
người ta sử dụng nguồn khơng nổ như khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện - thủy
lực,…
Việc sử dụng các loại nguồn nổ này khơng chỉ đảm bảo việc phát
sóng liên tục sau những khoảng thời gian nhất định trong khi tàu chạy mà cịn
bảo vệ mơi trường sinh thái biển. Trong các loại nguồn nếu có cùng năng lượng
phát như nhau thì nguồn khí nén kích thích các dao động tần số thấp hơn nên
được sử dụng để nghiên cứu phần sâu của lát cắt. Loại nguồn điện - thủy lực
kích thích các dao động tần cao nên thường được sử dụng để nghiên cứu các
lát cắt nông với độ chính xác cao.
Khi sử dụng nguồn khí nén thường xuất hiện nhiều nổ lặp, điều này
đòi hỏi sử dụng bộ lọc thích hợp để hạn chế chúng [2, tr. 127].

13

1.3.2. Kĩ thuật thu sóng địa chấn
Trong thăm dị địa chấn, người ta thường tiến hành ghi dao động trên các
tuyến hay trên diện tích quan sát. Trên đó, các dao động địa chấn được ghi nhận
bằng các máy thu và sau quá trình khuếch đại, lọc tần số, điều chỉnh biên độ,…
Chúng được ghi trên băng địa chấn. Băng địa chấn là số liệu gốc chứa các thông
tin về cấu trúc địa chất cho phép sử dụng trong quá trình xử lí và phân tích để
tìm hiểu đặc điểm môi trường địa chất vùng nghiên cứu.
Ngày nay, trong địa chấn người ta sử dụng các trạm địa chấn nhiều mạch.
Các trạm này tiến hành ghi nhận đồng thời các dao động xuất hiện ở nhiều điểm
khác nhau trên băng từ dưới dạng số, cho phép tiến hành xử lí trên máy tính
một cách thuận lợi và nhanh chóng [2, tr. 128].
1.3.3. Mạch địa chấn
Mạch địa chấn là một hệ thống các bộ phận các máy móc nối tiếp nhau
cho phép ghi nhận các dao động sóng xuất hiện tại một điểm quan sát nhất định.
Các trạm địa chấn gồm nhiều rất nhiều mạch. Số lượng các mạch trong các trạm
địa chấn có thể thay đổi từ 1 đến hàng trăm (1, 6, 12, 24, 48, 96 mạch trong địa
chấn hai chiều và hàng nghìn mạch trong địa chấn ba chiều).
Để thu nhận các dao động xuất hiện ở điểm quan sát và ghi lên băng từ,
mạch địa chấn gồm nhiều bộ phận như máy thu, máy khuếch đại, lọc tần số,
điều chỉnh biên độ, ghi từ,…Trong các bộ phận trên, các máy thu được đặt dọc
tuyến đo còn các bộ phận cịn lại được bố trí trong trạm địa chấn.
Tùy vào phương pháp ghi, các mạch địa chấn được phân ra làm mạch
ghi tương tự (liên tục) và mạch ghi số [2, tr. 128-129].

14


1.3.4. Máy thu địa chấn
Máy thu địa chấn là bộ phận đầu tiên của mạch địa chấn, được sử dụng

để ghi các dao động cơ học của đất đá và biến đổi chúng thành tín hiệu điện.
Khi tiến hành cơng tác địa chấn trên đất liền, người ta sử dụng loại máy thu
cảm ứng và khi tiến hành địa chấn trên sông, biển, hồ… dùng máy thu biến áp.
- Máy thu cảm ứng: Máy thu cảm ứng có cấu tạo gồm thanh nam châm
gắn chặt với vỏ máy và cuận dây cảm ứng, lị xo. Khi sóng địa chấn đập vào
máy thu làm cho vỏ máy thu và nam châm cung dao động với đất đá. Cuộn dây
cảm ứng gắn với vỏ máy qua lị xo có lực đàn hồi. Vì vậy, khi vỏ máy dao động,
do hiện tượng quán tính nên giữa thanh nam châm và cuận dây cảm ứng có sự
dịch chuyển tương đối, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dịng cảm ứng có cường độ
tỉ lệ với sự dao động của đất đá.
- Máy thu điện áp: Hoạt động của máy thu điện áp dựa trên hiệu ứng điện
áp. Áp suất cơ học của môi trường được biến đổi trực tiếp thành dòng điện nhờ
phân tử áp điện. Trong các máy thu địa chấn, phần tử áp điện thường là tinh thể
gồm titanat bari hoặc muối xenhet tấm mỏng hoặc hình trụ. Trong các máy thu
địa chấn biển, phần tử điện áp này là ống gốm titanat bari dày 1mm, dài 40mm,
đường kính 20mm, mặt trong và mặt ngoài phủ một lớp kim loại và gắn vào nó
hai dây dẫn. Áp suất của mơi trường tác dụng lên mặt tinh thể làm xuất hiện
điện áp tỉ lệ với áp suất tại đó. Loại máy thu này có ưu điểm là khơng địi hỏi
định hướng, kích thước nhỏ, ít nhạy với các tác động [2, tr. 129-130].

15


Hình 1. 6. Máy thu địa chấn cảm ứng

1.3.5. Trạm địa chấn
Trạm địa chấn nhận tín hiệu từ các máy thu, thực hiện các quá trình biến
đổi và ghi lên băng giấy hoặc băng ảnh (trạm ghi trực tiếp), ghi lên băng từ
dưới dạng liên tục (trạm ghi từ tương tự) hoặc ghi lên băng từ dưới dạng số
(trạm ghi số). Hiện nay trong phương pháp địa chấn phản xạ chủ yếu sử dụng

trạm ghi số. Quá trình ghi ảnh hoặc ghi từ tương tự chỉ sử dụng cho các trạm
khúc xạ ít mạch đơn giản.
Hình 1. 7. Trạm địa chấn Stratavisor NZXP

16


Các trạm địa chấn ghi tương tự cho phép ghi các dao động địa chấn lên
băng từ hoặc băng ảnh, chúng gồm các bộ phận sau:
- Khuếch đại tín hiệu: Khi sóng địa chấn đến máy thu, biên độ dao động
của đất đá rất nhỏ vào khoảng micron, do đó dịng điện xuất hiện ở máy thu chỉ
có điện áp khoảng microvon đến vài chục hoặc vài trăm microvon. Tín hiệu
này được đưa đến bộ khuếch đại để khuếch đại lên 104 – 106 lần.
- Lọc tần số: Các bộ lọc tần số có nhiệm vị lọc dải tần số nhằm tăng biên
độ sóng có ích nằm trong những dải tần số nhất định và hạn chế nhiễu có tần
số nằm ngồi dải đó.
- Bộ phận ghi: Bộ phận ghi dao động có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện
thành tín hiệu cơ (nhằm ghi lên băng giấy hoặc băng ảnh) hoặc biến đổi trường
từ (để ghi lên băng từ) [2, tr. 130-131].
1.3.6. Hệ thống quan sát sóng phản xạ
Hệ thống quan sát là sự bố trí tương đối các điểm nổ và chặng máy (đoạn,
tuyến hoặc diện tích trên đó đặt máy thu để ghi nhận dao động do một nguồn
gây ra).
Hiện nay, trong phương pháp địa chấn phản xạ, người ta sử dụng phổ
biến hệ thống quan sát “điểm sâu chung”. Trong hệ quan sát này bảo đảm thu
đươc nhiều lần sóng phản xạ từ một điểm (hoặc một đoạn) của mặt ranh giới.
Phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa điểm nổ và chặng máy mà có thể sử dụng
hệ thống cách hoặc hệ thống trung tâm.
Trong hệ thống cách, chặng máy thu nằm về một phía của nguồn nổ. Để
tránh phông nhiễu sát điểm nổ và quan sát được khoảng cách xa (ở đó có sự

khác biệt của biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ và nhiễu) người ta đặt chặng
máy cách nguồn nổ một khoảng xác định, gọi là hệ quan sát có cửa sổ.

17


Trong hệ thống trung tâm, điểm nổ nằm giữa chặng đặt máy. Trong hệ
quan sát này cũng có thể bố trí hệ thống có cửa sổ khi đặt máy thu ở xa nguồn
nổ một khoảng nhất định.
Trong những điều kiện như nhau, hệ quan sát trung tâm cho phép quan
sát dao động với số lần bội lớn hơn so với quan sát cánh, do đó có hiệu ứng
thống kê mạnh hơn để hạn chế phông nhiễu. Tuy nhiên ở những vùng tồn tại
sóng nhiễu phản xạ nhiều lần mạnh thì cần sử dụng hệ thống cánh có thể quan
sát ở các vùng xa mà ở đó biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ nhiều lần và sóng
có ích khác biệt rõ rệt hơn [2, tr. 133-134].

18


Chương 2: Xử lí số liệu
2.1. Mục đích của xử lí số liệu
Xử lí số liệu địa chấn thăm dị là quá trình áp dụng hệ thống thiết bị
chuyên dụng, máy tính điện tử và các phần mềm nhằm khai thác và biến
đổi thông tin nhận được từ băng địa chấn để có các kết quả là các lát cắt,
bản đồ địa chấn,… phản ánh đặc điểm môi trường và đối tượng địa chất cần
nghiên cứu.
Q trình xử lí số liệu băng địa chấn phải đạt được mục đích tăng tỉ
số năng lượng tín hiệu so với nhiễu và tăng độ phân giải. Đây là vấn đề rất
phức tạp, đòi hỏi sự phát triển các thiết bị xử lí và hệ thống phần mềm.
Q trình xử lí số liệu bao gồm nhiều khâu như: lọc và xử lí nhiễu,

hiệu chỉnh bất đồng nhất phần trên lát cắt (hiệu chỉnh tĩnh), hiệu chỉnh
khoảng cách thu nổ (hiệu chỉnh động), cộng sóng điểm sâu chung, xác định
tốc độ, hiệu chỉnh dịch chuyển địa chấn... [2, tr. 135]
Do thời gian và trình độ chuyên môn hạn chế, trong chương này sinh
viên tập trung tìm hiểu khâu hiệu chỉnh tĩnh và bài tốn thuận địa chấn phản
xạ.
2.2. Hiệu chỉnh tĩnh
Trong khi giải bài toán lí thuyết, biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ
được xác định có dạng hypebol với điều kiện vị trí máy thu và nguồn nổ
đều nằm trên cùng một đường nằm ngang chuẩn (tạm gọi là điều kiện lí
tưởng). Trong thực tế thu nổ ngoài thực địa, đặc biệt là khi tiến hành khảo
sát trên đất liền, sự bất đồng nhất phần trên lát cắt (địa hình đặt máy thu,
độ sâu phát sóng, chiều dầy đới tốc độ nhỏ...) đã ảnh hưởng làm méo dạng
biểu đồ thời khoảng.

19