Giải Bài Toán Thuận Địa Chấn Với Mô Hình Các Ranh Giới Phẳng Nghiêng

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu giải bài toán thuận địa chấn với mô hình các ranh giới phẳng nghiêng, mang lại những kết quả đáng chú ý.

• Tác giả: Nguyễn Đình Như
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý địa cầu
• Đề tài: Giải Bài Toán Thuận Địa Chấn Với Mô Hình Các Ranh Giới Phẳng Nghiêng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA CHẤN
• 1.1. Cơ sở vật lý phương pháp thăm dò địa chấn
• 1.2. Sự hình thành sóng đàn hồi
• 1.3. Sự truyền sóng địa chấn trong môi trường địa chất
• 1.4. Phát sóng địa chấn
• 1.5. Trường thời gian
• 1.6. Sơ lược về xử lý số liệu trong địa chấn
• 1.7. Ứng dụng các phương pháp địa chấn thăm dò
• 2. CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN THUẬN ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ CHO MÔI TRƯỜNG CÁC RANH GIỚI PHẲNG NGANG HOẶC NGHIÊNG
• 2.1. Bài toán thuận địa chấn thăm dò
• 2.2. Bài toán thuận động hình trong địa chấn phản xạ
• 2.3. Mô hình 2 lớp có 1 ranh giới phẳng ngang hay nghiêng
• 2.4. Mô hình nhiều ranh giới phẳng ngang song song
• 2.5. Mô hình nhiều ranh giới phẳng nghiêng song song
• 2.6. Mô hình nhiều ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng
• 3. CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
• 3.1. Mô hình 1 ranh giới
• 3.2. Mô hình 1 ranh giới phẳng ngang
• 3.3. Mô hình 1 ranh giới phẳng nghiêng
• 3.4. Mô hình 2 ranh giới
• 3.5. Mô hình 2 ranh giới phẳng ngang
• 3.6. Mô hình 2 ranh giới phẳng, nghiêng, song song
• 3.7. Mô hình 2 ranh giới phẳng nghiêng khác nhau
• 3.8. Mô hình 2 ranh giới: 1 mặt phẳng ngang và 1 mặt phẳng nghiêng
• 3.9. Mô hình 3 ranh giới phẳng
• 3.10. Mô hình 3 ranh giới phẳng ngang và song song
• 3.11. Mô hình 3 ranh giới phẳng nghiêng và song song
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giải Bài Toán Thuận Địa Chấn

Giải bài toán thuận địa chấn là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu địa chất. Phương pháp này giúp xác định các đặc điểm của môi trường địa chất thông qua việc phân tích sóng địa chấn. Việc hiểu rõ về mô hình ranh giới nghiêng là cần thiết để áp dụng hiệu quả trong thực tiễn. Mô hình này cho phép nghiên cứu sự phản xạ và khúc xạ của sóng địa chấn, từ đó cung cấp thông tin quý giá về cấu trúc địa chất.

1.1. Định Nghĩa Bài Toán Thuận Địa Chấn

Bài toán thuận địa chấn liên quan đến việc tính toán các trường địa vật lý dựa trên các thông số của môi trường. Điều này bao gồm việc xác định thời gian truyền sóng từ nguồn phát đến các ranh giới phân chia giữa các lớp địa chất.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình Ranh Giới Nghiêng

Mô hình ranh giới nghiêng giúp mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thực tế trong môi trường địa chất. Việc áp dụng mô hình này cho phép cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán sự phản xạ của sóng địa chấn.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Giải Bài Toán Địa Chấn

Giải bài toán thuận địa chấn với mô hình ranh giới nghiêng gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như độ phức tạp của môi trường địa chất, sự biến đổi của sóng địa chấn và các thông số vật lý của đất đá đều ảnh hưởng đến kết quả. Việc xác định chính xác các thông số này là rất quan trọng để có được kết quả đáng tin cậy.

2.1. Độ Phức Tạp Của Môi Trường Địa Chất

Môi trường địa chất có thể rất đa dạng với nhiều loại đất đá khác nhau. Sự khác biệt về tính chất vật lý và hóa học của các loại đất đá này có thể làm cho việc tính toán trở nên khó khăn.

2.2. Ảnh Hưởng Của Sóng Địa Chấn

Sóng địa chấn có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ sâu, thành phần đất đá và điều kiện môi trường. Điều này có thể dẫn đến sự sai lệch trong kết quả tính toán nếu không được xem xét kỹ lưỡng.

III. Phương Pháp Giải Bài Toán Thuận Địa Chấn Hiệu Quả

Để giải bài toán thuận địa chấn, nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán số để tính toán thời gian truyền sóng và mô phỏng các điều kiện địa chất. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại như mô phỏng máy tính cũng giúp nâng cao độ chính xác của kết quả.

3.1. Sử Dụng Thuật Toán Số Trong Tính Toán

Các thuật toán số giúp tính toán nhanh chóng và chính xác thời gian truyền sóng trong môi trường địa chất. Việc áp dụng các phương pháp này giúp giảm thiểu sai số trong kết quả.

3.2. Mô Phỏng Máy Tính Trong Nghiên Cứu Địa Chấn

Mô phỏng máy tính cho phép nghiên cứu các điều kiện địa chất phức tạp mà không cần phải thực hiện các thí nghiệm thực tế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong nghiên cứu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Giải Bài Toán Địa Chấn

Giải bài toán thuận địa chấn với mô hình ranh giới nghiêng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành địa chất. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc tìm kiếm tài nguyên khoáng sản, đánh giá rủi ro địa chất và thiết kế công trình xây dựng.

4.1. Tìm Kiếm Tài Nguyên Khoáng Sản

Việc áp dụng các phương pháp địa chấn giúp xác định vị trí và trữ lượng của các mỏ khoáng sản. Điều này rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

4.2. Đánh Giá Rủi Ro Địa Chất

Các nghiên cứu địa chấn giúp đánh giá các rủi ro liên quan đến động đất và lũ lụt. Điều này giúp các nhà hoạch định chính sách đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

V. Kết Luận Về Giải Bài Toán Thuận Địa Chấn

Giải bài toán thuận địa chấn với mô hình ranh giới nghiêng là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Việc hiểu rõ về các phương pháp và ứng dụng của nó sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong công tác thăm dò địa chất. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ nhờ vào sự phát triển của công nghệ và các phương pháp nghiên cứu mới.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Địa Chấn

Nghiên cứu địa chấn sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới. Các phương pháp mới sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong việc giải bài toán thuận địa chấn.

5.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Thêm

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình mới để giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực địa chấn. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các tổ chức sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong công tác thăm dò địa vật lý và tìm kiếm khoáng sản, phương pháp địa chấn phản xạ giữ vị trí then chốt khi chiếm hơn 80% khối lượng khảo sát cấu trúc địa tầng sâu tại các bể trầm tích dầu khí và công trình ngầm. Việc mô phỏng chính xác đường truyền sóng đàn hồi trong lòng đất giúp giảm thiểu rủi ro khoan thăm dò lên tới 35% và tiết kiệm hàng triệu USD chi phí vận hành thực địa. Tuy nhiên, các cấu trúc địa chất thực tế hiếm khi duy trì trạng thái nằm ngang đồng nhất mà thường có các vỉa dốc, đứt gãy và uốn nếp phức tạp, làm biến dạng phi tuyến biểu đồ thời khoảng của sóng phản xạ. Nhận thức rõ thách thức kỹ thuật này, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý địa cầu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội đã tập trung nghiên cứu đề tài giải bài toán thuận địa chấn với mô hình các ranh giới phẳng nghiêng.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng thuật toán phương trình tia kết hợp kỹ thuật số để tính toán chính xác thời gian truyền sóng phản xạ từ điểm nguồn qua nhiều tầng ranh giới có góc dốc bất kỳ đến hệ thống máy thu trên mặt đất. Phạm vi nghiên cứu được thực nghiệm trên các mô hình địa chấn từ 1 đến 3 lớp ranh giới với độ sâu khảo sát từ 20 mét đến 135 mét, dải vận tốc truyền sóng 1000 m/s đến 2000 m/s và góc nghiêng biến thiên từ 0 độ đến 7 độ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc cung cấp công cụ mô phỏng chuẩn xác với sai số thời gian kiểm soát dưới 0,0001 giây, tạo tiền đề vững chắc cho việc giải bài toán ngược và nâng cao độ tin cậy minh giải cấu trúc ngầm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền sóng đàn hồi trong môi trường địa chất, nguyên lý Fermat về đường truyền thời gian cực tiểu và nguyên lý Huygens-Fresnel về sự lan truyền mặt sóng. Định luật khúc xạ và phản xạ Snell được áp dụng để xác định góc tới và góc phản xạ tại từng mặt ranh giới phân lớp. Các khái niệm trung tâm bao gồm: sóng dọc P gắn liền với biến dạng thể tích, sóng ngang S gắn liền với biến dạng hình dạng, trường thời gian vô hướng, mặt đẳng thời và biểu đồ thời khoảng (hodograph).

Vận tốc truyền sóng phụ thuộc trực tiếp vào các tham số đàn hồi và mật độ đất đá, với vận tốc sóng dọc trong lớp trầm tích bở rời dao động từ 1500 m/s đến 4000 m/s, trong khi tại tầng đá macma và biến chất đạt từ 4000 m/s đến 6500 m/s. Khi tiến hành kích nổ trong hố khoan sâu từ 10 mét đến 50 mét, khối khí áp suất cao khoảng 100.000 kg/cm2 tạo ra sóng đập và chuyển hóa thành sóng đàn hồi truyền qua các ranh giới có độ trở kháng âm học khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô hình tổng hợp gồm 8 kịch bản cấu trúc địa chấn đại diện cho các trường hợp ranh giới đơn lẻ và đa tầng. Cỡ mẫu kiểm thử bao gồm hệ thống quan sát 25 điểm thu sóng phân bố đều với khoảng cách bước thu dx = 5 mét dọc theo tuyến đo chiều dài 120 mét (từ tọa độ -60 mét đến +60 mét quanh điểm nổ trung tâm). Phương pháp chọn mẫu là thiết kế mô hình phân tầng có chủ đích nhằm bao quát toàn diện các trường hợp ranh giới ngang, ranh giới nghiêng song song và ranh giới nghiêng có góc dốc bất đối xứng.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phương trình tia kết hợp giải thuật chia đôi là nhằm khắc phục triệt để tính phi tuyến khi giải hệ phương trình hình học phức tạp của chùm tia qua nhiều lớp nghiêng. Thuật toán thiết lập phương trình đường thẳng cho từng đoạn tia sóng, xác định giao điểm với các mặt ranh giới dựa trên hệ phương trình bậc nhất và tính góc tới thông qua hệ số góc của hai đường thẳng cắt nhau. Toàn bộ chương trình tính toán và kiểm thử mô phỏng được hoàn thành trong giai đoạn đào tạo cao học 2013 - 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số trên 8 kịch bản cấu trúc địa chấn đã ghi nhận các phát hiện khoa học mang tính định lượng rõ rệt:

Thứ nhất, đối với mô hình 1 ranh giới nằm ngang ở độ sâu 60 mét với vận tốc truyền sóng 1000 m/s, thời gian truyền sóng tại gốc tọa độ t0 đạt chính xác 0,1200 giây, trùng khớp 100% với giá trị tính theo công thức giải tích cổ điển. Khi ranh giới nghiêng một góc 7 độ ở độ sâu 77,4 mét, thời gian truyền sóng tại điểm phát là 0,1536 giây và đạt 0,1716 giây tại khoảng cách x = +60 mét, với sai số tuyệt đối so với công thức giải tích luôn nhỏ hơn 0,0001 giây.

Thứ hai, ở mô hình 2 ranh giới nghiêng song song cùng góc dốc 5 độ (độ sâu lớp thứ nhất 20 mét, lớp thứ hai 45 mét, vận tốc lần lượt là 1000 m/s và 1500 m/s), thời gian sóng phản xạ từ đáy lớp thứ hai tại vị trí máy thu x = -60 mét là 0,0948 giây và tại x = +60 mét là 0,0894 giây. Độ tương đồng giữa kết quả thuật toán số và nghiệm giải tích đạt mức trên 99,98%.

Thứ ba, đối với mô hình 2 ranh giới nghiêng khác nhau (lớp thứ nhất nghiêng 3 độ ở độ sâu 43 mét; lớp thứ hai nghiêng 6 độ ở độ sâu 86 mét), thuật toán phản ánh rõ sự bất đối xứng của trường sóng khi thời gian truyền sóng tại điểm x = -60 mét là 0,1432 giây, trong khi tại điểm x = +60 mét là 0,1542 giây, chênh lệch 7,68% do ảnh hưởng tương hỗ giữa các tầng dốc không đồng hướng.

Thứ tư, trên mô hình 3 ranh giới nghiêng song song 5 độ với độ sâu lần lượt là 40 mét, 85 mét và 135 mét (vận tốc tương ứng 1000 m/s, 1500 m/s và 2000 m/s), thời gian phản xạ từ ranh giới sâu nhất tại điểm x = 0 mét đạt 0,1929 giây và tại x = +60 mét đạt 0,1976 giây, phản ánh đầy đủ hiệu ứng khúc xạ liên tầng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu có thể được biểu diễn trực quan thông qua bảng đối sánh số liệu thời gian truyền sóng và hệ thống đồ thị biểu đồ thời khoảng (hodograph). Trên biểu đồ, đường cong thời khoảng của các ranh giới phẳng nằm ngang có dạng hypebol hoàn toàn đối xứng qua trục tung x = 0 mét. Ngược lại, khi xuất hiện góc nghiêng từ 3 độ đến 7 độ, đỉnh cực tiểu của đường cong hodograph bị dịch chuyển lệch tâm về phía cấu trúc nâng cao của ranh giới địa chất.

Nguyên nhân chính dẫn đến sai số nhỏ giữa thuật toán số và nghiệm lý thuyết bắt nguồn từ giới hạn dung sai hội tụ của phương pháp chia đôi. Khi kiểm thử độ chính xác từ mức sai số 10^-2 giây xuống mức 10^-4 giây, số vòng lặp tính toán tăng từ 7 vòng lên 18 vòng nhưng đã triệt tiêu hầu hết sai lệch hình học, đưa độ chính xác đạt mức xấp xỉ tuyệt đối. So với các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích truyền thống vốn chỉ áp dụng được cho các mặt phẳng song song, thuật toán phương trình tia trong luận văn thể hiện tính ưu việt vượt trội khi giải quyết trơn tru các cấu trúc địa tầng có độ dốc thay đổi tùy ý.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm phát triển và ứng dụng thực tế:

Nâng cấp thuật toán mô phỏng từ không gian 2D sang mô hình không gian 3D với các mặt ranh giới cong uốn nếp phức tạp, hướng tới mục tiêu đáp ứng 100% các dạng cấu trúc bẫy kiến tạo dầu khí trong lộ trình thực hiện 12 tháng do các viện nghiên cứu chuyên ngành địa vật lý chủ trì.

Tối ưu hóa mã nguồn thuật toán bằng cách kết hợp phương pháp chia đôi với giải thuật Newton-Raphson nhằm giảm 40% thời gian chạy lặp máy tính, đồng thời nâng cao độ chính xác thời gian lên mức 10^-5 giây, hoàn thành trong thời gian 6 tháng bởi các kỹ sư phát triển phần mềm địa chấn.

Tích hợp trực tiếp module bài toán thuận này vào chuỗi quy trình giải bài toán ngược tự động và phần mềm xử lý địa chấn phản xạ thực địa, nhằm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu thêm 25% và nâng độ chính xác xác định chiều sâu ranh giới lên trên 95%, triển khai trong vòng 18 tháng tại các doanh nghiệp thăm dò dầu khí và khoáng sản.

Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu chuẩn gồm ít nhất 50 kịch bản mô hình địa chất phân tầng mẫu tại các bể trầm tích Việt Nam để phục vụ công tác giảng dạy và thực hành mô phỏng số, hoàn thiện trong 24 tháng dưới sự điều phối của các trường đại học khối khoa học trái đất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm thứ nhất là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Vật lý địa cầu, Kỹ thuật địa vật lý và Địa chất học: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về thuật toán phương trình tia và phương pháp giải số, hỗ trợ trực tiếp cho các học phần địa chấn thăm dò với hơn 10 bảng biểu và hình vẽ chi tiết.

Nhóm thứ hai là kỹ sư xử lý và minh giải tài liệu địa chấn tại các tập đoàn năng lượng, dầu khí: Có thể ứng dụng thuật toán để kiểm tra độ tin cậy của lát cắt địa chấn, hiệu chỉnh động (NMO) chính xác cho các vỉa chứa có góc dốc từ 5 độ đến 30 độ và giảm thiểu sai số khoan ngầm.

Nhóm thứ ba là chuyên gia khảo sát địa chất công trình và địa chất thủy văn: Khai thác giải thuật để mô phỏng đường truyền sóng trong tầng phủ bở rời có độ dày từ 10 mét đến 100 mét, phục vụ khảo sát nền móng công trình ngầm, cầu cảng và các đới nứt nẻ.

Nhóm thứ tư là các lập trình viên phát triển phần mềm mô phỏng khoa học: Tham khảo cấu trúc thuật toán giải hệ phương trình hình học tia sóng và kỹ thuật kiểm soát sai số số trị để xây dựng các công cụ tính toán địa vật lý hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Bài toán thuận địa chấn phản xạ có vai trò như thế nào trong thăm dò địa vật lý? Bài toán thuận là công cụ tính toán thời gian truyền sóng và biên độ dao động dựa trên mô hình môi trường giả định. Trong thực tế thăm dò, việc giải bài toán thuận giúp định hướng quy hoạch mạng lưới tuyến đo thu nổ tối ưu, đánh giá độ chính xác của tài liệu địa chấn thực tế và là bước đối sánh bắt buộc để hiệu chỉnh kết quả giải bài toán ngược trong hơn 90% dự án tìm kiếm tài nguyên khoáng sản.

Góc nghiêng của ranh giới địa chất làm thay đổi biểu đồ thời khoảng như thế nào? Khi ranh giới phản xạ nghiêng từ 3 độ đến 7 độ, điểm phản xạ sóng thực tế bị dịch chuyển ngược lên phía cấu trúc nâng cao theo quy tắc phản xạ gương. Hiện tượng này làm cho đường cong hypebol của biểu đồ thời khoảng mất tính đối xứng qua gốc tọa độ điểm nổ, tạo ra sự chênh lệch thời gian truyền sóng từ 7% đến 15% giữa hai nhánh máy thu đối diện.

Tại sao nghiên cứu lại kết hợp phương pháp phương trình tia với phương pháp chia đôi? Phương pháp phương trình tia cho phép mô tả chính xác đường đi hình học của sóng qua từng mặt ranh giới phân lớp. Tuy nhiên, để xác định chính xác góc phát ban đầu sao cho tia phản xạ đi trúng vị trí máy thu định trước, phương pháp chia đôi được sử dụng để thu hẹp khoảng nghiệm một cách ổn định, giúp thuật toán đạt độ chính xác vị trí dưới 0,01 mét sau 10 đến 20 bước lặp.

Các yếu tố thạch học nào chi phối mạnh nhất đến vận tốc truyền sóng trong đất đá? Vận tốc truyền sóng dọc thay đổi rõ rệt từ 300 m/s ở lớp đất phủ sát mặt đất lên tới 6500 m/s ở tầng đá vôi kết tinh và đá macma đặc sít. Các nhân tố chi phối hàng đầu bao gồm thành phần khoáng vật học, áp suất tải trọng gia tăng theo độ sâu chôn vùi, độ rỗng thể tích và mức độ bão hòa chất lưu trong lỗ hổng đất đá.

Độ chính xác tính toán của thuật toán trong luận văn đạt ngưỡng bao nhiêu? Thông qua việc kiểm thử trên 8 kịch bản mô hình từ 1 đến 3 ranh giới, kết quả tính toán của thuật toán tia khi áp dụng dung sai 10^-4 giây cho thấy sự trùng khớp gần như tuyệt đối với công thức giải tích lý thuyết. Độ lệch thời gian ghi nhận tối đa chỉ ở mức dưới 0,0001 giây trên toàn tuyến khảo sát dài 120 mét.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán thuận địa chấn phản xạ cho môi trường đa lớp chứa các ranh giới phẳng nghiêng bằng thuật toán phương trình tia kết hợp phương pháp chia đôi.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công trên 8 bộ mô hình cấu trúc địa chất với độ sâu từ 20 mét đến 135 mét, đạt độ chính xác cao với sai số thời gian kiểm soát dưới 0,0001 giây so với nghiệm giải tích.
• Xác lập quy luật biến dạng phi tuyến và sự lệch tâm của biểu đồ thời khoảng dưới tác động của các góc nghiêng ranh giới từ 0 độ đến 7 độ.
• Cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc và công cụ tính toán số tin cậy cho công tác nghiên cứu, đào tạo học thuật và ứng dụng minh giải tài liệu địa chấn tại Việt Nam.
• Vạch ra định hướng phát triển thuật toán trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới nhằm mở rộng sang bài toán 3D và tích hợp vào các phần mềm xử lý chuyên dụng.

Đóng góp của luận văn là bước tiến quan trọng trong lĩnh vực Vật lý địa cầu ứng dụng. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và kỹ sư chuyên ngành hãy tham khảo toàn văn công trình tại thư viện để ứng dụng hiệu quả giải thuật mô phỏng địa chấn tiên tiến này vào các dự án nghiên cứu và sản xuất thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] + 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.