CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN NÔNG PHÂN GIẢI CAO 1. Sự phát triển của phương pháp Địa chấn nông phân giải cao Địa chấn nông phân giải cao (ĐCNPGC) tiến hành quan sát mặt cắt địa chất dựa vào quan sát các sóng phản xạ từ các ranh giới phản xạ khác nhau của mặt cắt. Phương pháp này được sử dụng có hiệu quả trong công tác nghiên cứu địa chất tầng nông, với ưu điểm là độ phân giải cao, cho phép xác định chi tiết lát cắt địa chất.
a) Trên thế giới: Năm 1954, Pakisen L. và cộng sự thuộc Sở Địa chất Hoa Kỳ (Geological Survey of America) tiến hành các cuộc thử nghiệm sử dụng địa chấn phản xạ để khảo sát cấu trúc địa chất các tầng nông trên đất liền [19]. Các kết quả nghiên cứu của Pakisen L.C đã được thực hiện với mục đích khảo sát đặc điểm và mức độ phá hủy mặt cắt địa chất do nổ bom nguyên tử và phân biệt với mức độ và đặc điểm phá hủy của các trận động đất. Tuy nhiên, việc áp dụng địa chấn phản xạ chỉ dừng lại ở các nghiên cứu mang tính hàn lâm do giá thành khảo sát quá cao.
Các kết quả nghiên cứu của Sở Địa chất Canada (Geological Survey of Canada) và các nghiên cứu của Hunter và cộng sự vào những năm 1982 - 1985 [16] đã chọn được các cửa sổ (window) và khoảng quan sát (offset) tối ưu. Kết quả này đã mở ra khả năng dùng các kỹ thuật đơn giản để quan sát sóng phản xạ nông. Bên cạnh các kết quả nghiên cứu trên, trong những năm 80 của thế kỷ trước, các thành tựu nhảy vọt của khoa học công nghệ đã giúp chế tạo thành công trạm địa chấn ghi số và máy tính cá nhân với các phần mềm mở ra khả năng xử lý số liệu. Nhờ đó, người ta đã thu được các mặt cắt địa chấn nông đáp ứng tốt các yêu cầu nghiên cứu môi trường, khảo sát địa chất công trình và địa chất thủy văn.
Do có độ phân giải cao, nên phương pháp ĐCNPGC có khả năng phân chia chi tiết lát cắt địa chất tới vài chục cm theo phương thẳng đứng và phát hiện được các đứt gãy có biên độ dịch chuyển 1-2m [17] [18] [20]. Từ những năm 90 của thế kỷ XX đến nay, ĐCNPGC đã được nhiều nước trên thế giới và khu vực, như Mỹ, Đức, Canada, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản, Đài Loan, Indonesia, Thái Lan, áp dụng 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phục vụ các khảo sát địa chất công trình, tìm kiếm nước dưới đất, tìm kiếm than. Đặc biệt, phương pháp này được áp dụng rất hiệu quả để khảo sát các đứt gãy sinh chấn và các ẩn họa môi trường. Một số kết quả áp dụng địa chấn phản xạ nông trên thế giới: Năm 1998, các khảo sát địa chấn ở phụ cận thành phố Bangkok (Thái Lan) được Đại học Công nghệ Châu Á (AIT – Asian Institude of Technology) thực hiện với sự tài trợ của Sở Địa chất Canađa với mục đích khảo sát nước dưới đất và tìm hiểu nguyên nhân lún đất ở Bangkok [20].
Các mặt cắt địa chấn cho khả năng quan sát thấy hầu hết các ranh giới phản xạ liên quan đến các tầng chứa nước. Các khảo sát địa chấn phản xạ nông do Steeples, D. tiến hành vào những năm 80 để phát hiện các hố sụt karst trên đường cao tốc số 70 ở Kansas (Hoa Kỳ). Năm 1991, các khảo sát tương tự được Miller R.
sử dụng để phát hiện các lỗ hổng gây sụt đất ở khu vực các mỏ than. Cũng trong những năm này, các nhà địa chấn là Pietsch K. Slusarczyk đã áp dụng địa chấn phản xạ nông để xác định các đới sụt đất ở các mỏ than ở Balan.Angelien và nnk thực hiện khảo sát đứt gẫy sinh chấn Chihshang nằm ở phía đông Đài Loan [14]. Phân tích tổng hợp các số liệu địa chấn với các số liệu đo rađar xuyên đất (GPR - ground penetrating radar) xác định được mức độ hoạt động của các đứt gẫy, khôi phục được quá trình phát triển của chúng liên quan với các trận động đất cổ.
Các khảo sát địa chấn do Timothy H. Larson và Andreas J. M Pugin thực hiện ở khu mỏ than Illinois (Hoa Kỳ) với mục đích xác định vị trí của các hầm mỏ cũ nằm sát đường cao tốc IL. Từ mặt cắt địa chấn có thể quan sát thấy các đới mất sóng, các đới sóng yếu và các sóng phản xạ nghiêng liên quan đến sóng tán xạ [17].
Chính nhờ khả năng trang bị dễ dàng các hệ thống thiết bị và nhờ các tiến bộ mới trong thăm dò địa chấn, ngày nay địa chấn phản xạ nông đã được áp dụng khá 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com rộng rãi trên thế giới để giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu địa chất thủy văn, địa chất môi trường và địa chất công trình,… với độ chi tiết và định lượng cao. b) Tại Việt Nam: Ở Việt Nam, từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX, phương pháp ĐCNPGC đã được đưa vào áp dụng để khảo sát lát cắt địa chấn nằm sát đáy biển dọc đới biển nông ven bờ và vùng ngập nước quanh các đảo thuộc quần đảo Trường Sa [12]. Tiếp sau đó, nhiều nhà khoa học trong nước sử dụng phương pháp ĐCNPGC trong công trình nghiên của mình để tiến hành khảo sát cấu trúc địa chất trên khắp vùng biển Việt Nam, có thể kể đến như: Đề án “Điều tra địa chất và tìm kiếm khoáng sản rắn biển nông ven bờ (0 – 30m nước) Việt Nam tỷ lệ 1:500.000” trong giai đoạn 1991 – 2001 do Trung tâm Địa vật lý biển thuộc Liên đoàn Vật lý Địa chất thực hiện bằng tổ hợp Geont-Shelf 93 đã đo được 25.148km tuyến ĐCNPGC [1]. Năm 2003, Nguyễn Văn Lương và các cộng sự đã áp dụng phương pháp ĐCNPGC nghiên cứu cấu trúc địa chất và kiến tạo Đệ Tứ khu vực Vịnh Bắc bộ [8].
Năm 2004, Phạm Năng Vũ và Nguyễn Trần Tân sử dụng phương pháp ĐCNPGC để nghiên cứu mặt cắt trầm tích Đệ tứ khu vực biển và đồng bằng Nam Bộ. Kết quả từ mặt cắt ĐCNPGC cho phép nhận dạng một cách trực quan và khá chi tiết mặt cắt địa chất Đệ tứ vùng biển Nam Bộ. Năm 2005, trên cơ sở phân tích các số liệu đo địa chấn cũng như các kết quả tính lý thuyết trường sóng địa chấn trên mô hình, tác giả Phạm Năng Vũ đã chứng minh thăm dò địa chấn (trong đó có ĐCNPGC) là phương pháp có khả năng nghiên cứu chi tiết và tin cậy các hoạt động kiến tạo trẻ ở Việt Nam [13]. Năm 2006, Dương Quốc Hưng và các cộng sự tiến hành xác định các đặc điểm của trầm tích Holocene khu vực vịnh Bắc Bộ và đặc điểm trầm tích tầng mặt vùng biển Long Châu – Bạch Long Vĩ (năm 2013).
Ngoài ra, trong luận án Tiến sĩ của mình, tác giả Dương Quốc Hưng đã sử dụng phương 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com pháp ĐCNPGC để khảo sát địa chất các tầng nông và các hoạt động kiến tạo, magma trẻ ở vùng biển Miền Trung Việt Nam. Kết quả đã đưa ra lát cắt địa chất Đệ tứ trên thềm lục địa miền Trung Việt với độ chi tiết và tin cậy cao, góp phần rất lớn trong công tác minh giải tài liệu về sau [4]. Năm 2015, nhóm nghiên cứu đứng đầu là ThS. Vũ Bá Dũng tại Trung tâm Điều tra Tài nguyên – Môi trường biển – Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành nghiên cứu xử lý giảm thiểu nhiễu trong tài liệu ĐCNPGC nhằm nâng cao chất lượng phục vụ công tác điều tra khảo sát địa chất, khoáng sản biển.
Các kết quả nghiên cứu được ứng dụng ngay tại Trung tâm, góp phần xử lý tài liệu ĐCNPGC vùng biển Thổ Chu với hình ảnh rõ nét hơn, phản ánh trung thực các đối tương địa chất trên lát cắt địa chấn vùng biển quanh đảo [2]. Tính cho đến nay tổng khối lượng ĐCNPGC đo được ở vùng biển Việt Nam là trên 40. Các kết quả khảo sát đã làm rõ được cấu trúc địa chất tầng nông dọc đới biển nông ven bờ Việt Nam, cho phép đánh giá điều kiện địa chất công trình, đặc điểm môi trường địa chất, tiềm năng sa khoáng và vật liệu xây dựng dọc đới ven biển Việt Nam. Cơ sở lý thuyết của phương pháp 1.
Đặc điểm trường sóng địa chấn Tốc độ truyền sóng và tần số Tốc độ truyền sóng của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: thành phần thạch học, điều kiện thành tạo, chiều sâu thế nằm và độ ngậm nước… [10]. Vận tốc trung bình của sóng âm trong môi trường nước biển nằm trong khoảng 1,46 – 1,56 km/s tùy thuộc vào các điều kiện nhiệt độ, độ mặn và áp suất (chiều sâu), thường được lấy giá trị trung bình là 1,5 km/s. Vận tốc sóng âm trong môi trường trầm tích tăng lên theo sự suy giảm độ rỗng và độ lớn của kích thước hạt. Các loại bùn và cát bùn mịn có độ lỗ rỗng cao có vận tốc truyền sóng trong khoảng 1.
Các loại cát thô trong trầm tích Đệ tứ có độ rỗng thấp hơn có thể có vận tốc 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khoảng 1,8 km/s do có các vật liệu đặc sít hơn như sét đi kèm. Khi tính bề dày các thành tạo trầm tích trẻ nằm trên cùng của lát cắt địa chất, thông thường có thể lấy giá trị vận tốc truyền sóng tương đương với 1,7 km/s, trừ khi có các giá trị vận tốc chính xác hơn, vì các lớp trầm tích này thường rất mỏng nên sai số do tốc độ truyền sóng khác nhau gây ra coi như không đáng kể. Tín hiệu âm học phát ra bao gồm một dải các tần số khác nhau, trong đó các tần số phổ biến nhất được gọi là tần số ưu thế. Tần số ưu thế được sử dụng từ vài trăm Hz tới khoảng 3.5 kHz, tương đương với bước sóng từ một vài m đến vài chục cm, liên quan trực tiếp đến độ phân giải thẳng đứng của số liệu thu được.
Việc tăng tần số cho phép nâng cao độ phân giải nhưng lại làm giảm chiều sâu khảo sát, vì vậy tùy thuộc vào nhiệm vụ cụ thể cần nghiên cứu lựa chọn giải tần số thích hợp. Độ phân giải địa chấn: Là khả năng phân biệt rõ hai đối tượng địa chất nằm sát nhau cả phương thẳng đứng và phương ngang trên băng ghi địa chấn [10]. Độ phân giải thẳng đứng: Xác định khả năng mà phương pháp có thể quan sát chi tiết mặt cắt địa chất theo phương thẳng đứng. Độ phân giải thẳng đứng phụ thuộc vào chiều dài bước sóng λ: Δh = λ/4 = v/4f (1.