Chương 1: Một số nét về phương pháp thăm dò địa chấn - Chương 2: Bài toán thuận địa chấn phản xạ cho môi trường các ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng - Chương 3: Một số kết quả thử nghiệm - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA CHẤN 1. Cơ sở vật lý phƣơng pháp thăm dò địa chấn Khi dùng phƣơng pháp thăm dò địa chấn để thăm dò và nghiên cứu địa chất, nhiệm vụ đầu tiên là chúng ta cần hiểu rõ về đối tƣợng chúng ta nghiên cứu, cụ thể là môi trƣờng nghiên cứu, hình thành sóng đàn hồi, truyền sóng và hình thức phát sóng vào môi trƣờng thực địa. Dƣới đây chúng ta tìm hiểu một số cơ sở vật lý cơ bản trong thăm dò địa chấn.
Sự hình thành sóng đàn hồi Mọi vật thể khi không bị lực tác dụng thì các phân tử của chúng đƣợc sắp xếp theo qui luật nhất định, dƣới tác dụng của ngoại lực, có sự dịch chuyển tƣơng đối của các phần tử trong vật thể đó, dẫn đến sự thay đổi hình dạng của vật thể hoặc một phần vật thể; nói khác đi là xảy ra sự biến dạng. Còn sự thay đổi hình dạng các vật thể gọi là sự biến dạng đàn hồi. Nếu giữa sự biến dạng và nội lực xuất hiện bên trong vật thể (ứng suất) tỉ lệ thuận với nhau thì đó là các vật thể đàn hồi tuyệt đối (hoặc đàn hồi lý tƣởng), Các vật thể đàn hồi tuyệt đối lập tức trở lại trạng thái ban đầu sau khi ngừng tác động của ngoại lực. Nếu sau khi ngừng tác động của ngoại lực, vật thể có dạng mới hoặc trở lại trạng thái ban đầu từ từ thì gọi là vật thể đàn hồi không lý tƣởng, hoặc dẻo [3, 4, 8, 10].
Tuỳ thuộc vào bản chất vật chất của vật thể, giá trị và đặc điểm của ngoại lực, điều kiện nhiệt độ, áp suất và các yếu tố khác mà có thể xảy ra biến dạng đàn hồi hay biến dạng dẻo. Khi ngoại lực nhỏ và tác dụng trong thời gian ngắn hầu hết môi trƣờng địa chất đƣợc coi là đàn hồi. Ngƣợc lại nếu lực tác dụng lớn và kéo dài thì hầu nhƣ là biến dạng dẻo. Trong thăm dò địa chấn, khi xét các vùng ở xa nguồn thì các lực do sóng địa chấn tạo ra trong đất đá rất nhỏ, và môi trƣờng địa chất đƣợc coi là môi trƣờng đàn hồi, chính vì vậy có cơ sở để áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết đàn hồi.
Từ việc 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghiên cứu cơ sở lý thuyết đàn hồi, xác định mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất có thể xác định điều kiện cân bằng động lực và từ đó xác định đặc điểm quá trình truyền sóng trong môi trƣờng đàn hồi. Môi trƣờng đàn hồi là môi trƣờng khi bị lực tác dụng sẽ thay đổi thể tích, hình dạng, nhƣng khi thôi tác dụng lại trở về trạng thái ban đầu. Đất đá trong môi trƣờng đàn hồi khi chịu tác dụng của một ngoại lực thì tại mọi điểm trong đấy đều xuất hiện một ứng lực để cần bằng với ngoại lực. Ứng lực đó gọi là ứng suất.
Các tham số đặc trƣng cho môi trƣờng đàn hồi là modun khối k, mô đun biến dạng µ, mô đun dãn dọc E, hệ số poatson , hằng số lame , mật độ đất đá Sự hình thành sóng đàn hồi: Giả sử tại miền O nằm trong môi trƣờng đàn hồi, đặc trƣng bởi các tham số , , , ở đó tại thời điểm t có ngoại lực tức thời tác dụng dƣới dạng xung F. Tác dụng của lực F làm cho trƣờng bị biến dạng. Trƣớc tiên lớp thứ I nằm sát vùng O bị biến dạng, các phần tử của lớp này bị dịch chuyển và làm xuất hiện ứng suất có xu hƣớng kéo dài các phần tử vật chất trở về trạng thái cân bằng. Do đặc điểm quán tính, các phần tử vật chất không trở về trạng thái cân bằng ngay tức thời mà dao động quanh vị trí cân bằng.
Sự dao động trong lớp I làm xuất hiện ứng suất trong lớp II nằm sát cạnh lớp I, kết quả là tiếp theo lớp I, các phân tử lớp II dao động và cứ nhƣ vậy sự dao động đƣợc lan truyền. ta gọi sự truyền dao động đó là sự truyền sóng đàn hồi. Sự truyền sóng đàn hồi trong môi trƣờng đƣợc đặc trƣng bởi tốc độ truyền sóng xác định, giá trị tốc độ phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trƣờng. Khi có lực tác dụng vào môi trƣờng đàn hồi thì các phần tử của nó sẽ dao động và lan truyền trong không gian.
Sự lan truyền trong không gian gọi là sóng đàn hồi, và đƣợc truyền trong môi trƣờng với vận tốc phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trƣờng. Có 2 loại sóng đàn hồi: Sóng dọc (P) và sóng ngang (S). 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Sóng dọc liên quan đến biến dạng thể tích, có phƣơng dao động trùng với phƣơng truyền sóng E (1 ) vp (1.1) (1 )(1 2 ) + Sóng ngang liên quan đến biến dạng hình dạng và có phƣơng dao động vuông góc với phƣơng truyền sóng E vs (1.1 : Quá trình truyền sóng của sóng dọc (a) và sóng ngang (b) 1. Sự truyền sóng địa chấn trong môi trƣờng địa chất Quy luật truyền sóng trong môi trƣờng địa chất phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cấu tạo địa chất, thành phần đất đá, điều kiện hình thành và phát triển, điều kiện thế nằm của chúng.
Những đặc điểm này có ý nghĩa rất quan trọng, khi 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghiên cứu sự hình thành và phát triển trƣờng sóng, nghiên cứu khả năng áp dụng của các phƣơng pháp địa chấn khác nhau. Đất đá tồn tại trong vỏ quả đất có tính chất đàn hồi rất khác nhau, trong đó các loại đá macma, đá trầm tích có độ gắn kết rắn chắc, có tính chất đàn hồi gần môi trƣờng đàn hồi tuyệt đối, một số loại đất đá khác trong các vùng phát triển nứt nẻ, mềm yếu, trầm tích bở rời thì lại rất khác đáng kể với môi trƣờng đàn hồi tuyệt đối, trong các loại đất đá này khả năng hấp thụ sóng rất mạnh mẽ. Các số liệu nghiên cứu tốc độ truyền sóng trong vỏ quả đất chỉ ra rằng các đất đá cấu tạo nên vỏ quả đất có tốc độ truyền sóng rất khác nhau, các lớp đất trồng nằm sát mặt đất có tốc độ truyền sóng nhỏ khoảng 300 – 400m/s, trong khi đó tốc độ truyền sóng trong đá macma và một số loại đá trầm tích ở dƣới sâu lên tới 6000 - 7000m/s [3]. Trong quá trình hình thành và phát triển, đất đá có những thay đổi tính chất vật lý, địa chất rất khác nhau làm cho tính chất đàn hồi thay đổi; vì vậy tốc độ truyền sóng của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất khác nhau nhƣ: thành phần thạch học, điều kiện thành tạo, chiều sâu thế nằm và độ ngậm nƣớc.
Các yếu tố ảnh hƣơng đến tốc độ truyền sóng địa chấn: Phụ thuộc thành phần thạch học đất đá Thành phần thạch học là yếu tố ảnh hƣởng quyết định đến tốc độ truyền sóng [3,4]. Đá macma và biến chất có tốc độ truyền sóng thay đổi trong khoảng 4000 - 6500m/s. Đá trầm tích có tốc độ truyền sóng nhỏ hơn, trong trầm tích lục nguyên có tốc độ truyền sóng ít khi vƣợt quá 3500m/s. Các trầm tích thuỷ hoá và cacbonat có giá trị lớn hơn có thể đạt tới 6500m/s xấp xỉ tốc độ truyền sóng trong đá macma và biến chất (bảng 1.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Vận tốc truyền sóng trong một số môi trường[3]. Đất đá, môi VP (km/s) VS/vP Đất đá, môi VP (km/s) VS/vP trƣờng trƣờng Không khí 0,31 0,36 Cát kết 1,5 4,0 0,5 0,6 Đất trồng, 0,1 0,5 0,5 0,6 Đá vôi, 2,6 6,5 0,5 0,6 phong hoá dolomit Cát khô 0,1 0,6 0,55 0,7 Muối mỏ 4,5 6,0 0,5 0,6 Cát ƣớt 1,5 1,6 0,1 0,3 Diệp thạch 4,0 6,0 0,46 0,62 kết tinh Sét ẩm 1,5 2,5 0,1 0,3 Granit 4,0 6,0 0,57 0,02 Nƣớc 1,43 1,59 0,4 0,6 Bazan 5,0 6,5 Ảnh hưởng của các yếu tố khác Tốc độ truyền sóng trong một loại đất đá có cùng thành phần thạch học có thể thay đổi trong phạm vi rộng tuỳ thuộc vào một loạt các yếu tố nhƣ áp suất, độ rỗng, độ ngậm nƣớc, tuổi. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Sự phụ thuộc tốc độ VP vào mật độ của các loại đất đá khác nhau. Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào áp suất: Khi áp suất tăng lên làm giảm độ rỗng của đất đá, mô đun đàn hồi Young tăng làm cho tốc độ truyền sóng tăng.
Đối với các loại đất đá khác nhau, quy luật thay đổi tốc độ truyền sóng theo áp suất cũng khác nhau. Sự thay đổi này rõ nhất đối với đất đá trầm tích lục nguyên, còn trong đá macma và cacbonat ít hơn. Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào độ rỗng và độ ngậm nƣớc: Khi độ rỗng và độ ngậm nƣớc bão hoà tăng thì tốc độ truyền sóng giảm đi. Trong đất đá bở rời sát mặt đất, nếu lỗ hổng chứa không khí thì tốc độ truyền sóng có thể nhỏ hơn tốc độ âm trong không khí.
Khi độ rỗng giảm thì tốc độ tăng lên trong đá trầm tích, mối quan hệ này gần nhƣ tuyến tính, nếu lỗ hổng ngậm nƣớc thì tốc độ truyền sóng còn phụ thuộc độ bão hoà nƣớc. Khi áp suất nhỏ thì tốc độ truyền sóng tăng khi độ ngậm nƣớc tăng, đến khi bão hoà thì vP giữ nguyên, quá bão hoà thì tốc độ truyền sóng giảm. Sở dĩ nhƣ vậy là do khi độ ngậm nƣớc nhỏ, nƣớc tạo ra những màng làm tăng sự tiếp xúc giữa hai mặt với nhau nên tốc độ truyền sóng tăng, khi bão hoà các màng này bị phá vỡ, diện tích tiếp xúc giảm làm cho tốc độ truyền sóng giảm. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nếu đất đá ngậm nƣớc (khoáng hoá) thì tốc độ truyền sóng tăng với độ khoáng hoá.3: Mối quan hệ giữa tốc độ và độ rỗng [3].
Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào chiều sâu: khi chiều sâu thế nằm tăng lên, áp suất tải trọng tác dụng lên đất đá tăng dẫn đến sự tăng tốc độ truyền sóng. Mức tăng tốc độ truyền sóng theo chiều sâu phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đất đá.