Luận Văn: Áp Dụng Phương Pháp Cộng Hưởng Từ Để Tìm Kiếm Nước Ngầm Ở Miền Bắc Việt Nam

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu áp dụng phương pháp cộng hưởng từ để tìm kiếm nước ngầm một số vùng trọng điểm, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Ts. Tăng Đình Nam
• Trường học: Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản
• Chuyên ngành: Địa chất
• Đề tài: Nghiên cứu, áp dụng phương pháp cộng hưởng từ để tìm kiếm nước ngầm một số vùng trọng điểm ở miền Bắc Việt Nam
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đo sâu cộng hưởng từ

Đo sâu cộng hưởng từ (ĐSCHT) là phương pháp địa vật lý duy nhất trên thế giới được sử dụng để khảo sát trực tiếp nước ngầm từ mặt đất. Phương pháp này dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân, đặc biệt là proton trong phân tử nước. Các phương pháp địa vật lý khác chỉ có thể khảo sát nước ngầm một cách gián tiếp thông qua các tham số vật lý như điện trở suất, hằng số điện môi, hoặc tốc độ truyền sóng địa chấn. ĐSCHT được phát triển từ những năm 1980 bởi các nhà khoa học Nga, với máy Hydroscope là thiết bị đầu tiên được sử dụng. Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia như Ấn Độ, Đức, Mỹ, và Trung Quốc. Tại Việt Nam, ĐSCHT được nghiên cứu và áp dụng tại các vùng trọng điểm ở miền Bắc Việt Nam, đặc biệt là trong các khu vực đá vôi karst.

1.1 Nguyên lý cơ bản của đo sâu cộng hưởng từ

Nguyên lý cơ bản của ĐSCHT dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân của proton trong phân tử nước. Proton có momen từ và spin, khi đặt trong trường từ tĩnh B0, các momen từ này sẽ định hướng theo phương của trường từ. Khi phát một xung điện từ với tần số Larmor, các momen từ sẽ lệch khỏi phương ban đầu và tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ. Tín hiệu này được thu nhận và phân tích để xác định sự hiện diện và phân bố của nước ngầm. Phương pháp này cho phép xác định trực tiếp lượng nước tự do trong lòng đất, loại bỏ các yếu tố nhiễu từ nước liên kết hoặc chất rắn.

1.2 Bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ

Bài toán thuận của ĐSCHT liên quan đến việc mô hình hóa tín hiệu cộng hưởng từ trong môi trường dẫn điện. Các nghiên cứu của Weichman và cộng sự (1999, 2000) đã đưa ra biểu thức tổng quát cho tín hiệu cộng hưởng từ trong môi trường 3D, tính đến sự phân cực elip của trường từ kích thích. Tín hiệu cộng hưởng từ phụ thuộc vào các tham số như độ từ khuynh, điện trở suất, và vị trí địa lý. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết này đã mở đường cho việc áp dụng ĐSCHT trong các điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt là ở các vùng đá vôi karst.

II. Thu thập xử lý và giải thích số liệu đo sâu cộng hưởng từ

Quá trình thu thập và xử lý số liệu ĐSCHT đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo kết quả khảo sát nước ngầm được tin cậy. Các bước chính bao gồm thu thập số liệu, chống nhiễu điện từ, xử lý và nghịch đảo số liệu. Nhiễu điện từ là một trong những thách thức lớn nhất khi áp dụng ĐSCHT, đặc biệt là trong các khu vực có mật độ dân cư cao hoặc gần các công trình công nghiệp. Các biện pháp chống nhiễu như sử dụng khung dây bù và lọc tín hiệu đã được áp dụng để cải thiện chất lượng số liệu. Sau khi thu thập, số liệu được xử lý và nghịch đảo để xác định phân bố nước ngầm trong lòng đất.

2.1 Thu thập số liệu và chống nhiễu

Thu thập số liệu ĐSCHT đòi hỏi sự chính xác trong việc lựa chọn khung dây và các tham số đo. Nhiễu điện từ, đặc biệt là từ các đường dây tải điện và giông sét, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng số liệu. Các biện pháp chống nhiễu như sử dụng khung dây bù và lọc tín hiệu đỉnh nhọn đã được áp dụng để giảm thiểu nhiễu. Việc đánh giá chất lượng số liệu ngay tại hiện trường là bước quan trọng để đảm bảo kết quả khảo sát chính xác.

2.2 Xử lý và nghịch đảo số liệu

Sau khi thu thập, số liệu ĐSCHT được xử lý để loại bỏ nhiễu và ngoại suy các giá trị ban đầu. Quá trình nghịch đảo số liệu được thực hiện để xác định phân bố nước ngầm trong lòng đất. Các phần mềm như SAMOVAR được sử dụng để giải bài toán nghịch trong môi trường 1D. Tuy nhiên, trong các môi trường phức tạp như đá vôi karst, việc áp dụng các mô hình 2D/3D vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.

III. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm tại miền Bắc Việt Nam

Nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm ĐSCHT tại hai khu vực trọng điểm ở miền Bắc Việt Nam: thị xã Lai Châu và Bó Mười, Thuận Châu, Sơn La. Các kết quả cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc xác định nước ngầm tại các vùng đá vôi karst. Tại thị xã Lai Châu, ĐSCHT đã xác định được các tầng chứa nước với độ sâu và phân bố rõ ràng. Tại Bó Mười, phương pháp này cũng cho kết quả khả quan, giúp xác định các vị trí khoan nước ngầm tiềm năng. Các kết quả này đã chứng minh tính ứng dụng cao của ĐSCHT trong việc tìm kiếm và khai thác tài nguyên nước tại các khu vực địa chất phức tạp.

3.1 Kết quả tại thị xã Lai Châu

Tại thị xã Lai Châu, ĐSCHT đã được áp dụng để khảo sát nước ngầm trong điều kiện địa chất phức tạp. Các kết quả đo sâu phân cực và cộng hưởng từ đã xác định được các tầng chứa nước với độ sâu từ 20 đến 50 mét. Các kết quả khoan thực tế đã xác nhận tính chính xác của phương pháp, mở ra tiềm năng khai thác nước ngầm phục vụ nhu cầu kinh tế - xã hội của địa phương.

3.2 Kết quả tại Bó Mười Thuận Châu Sơn La

Tại Bó Mười, ĐSCHT đã được áp dụng để khảo sát nước ngầm trong các tầng đá vôi karst. Các kết quả đo sâu cộng hưởng từ đã xác định được các vị trí có tiềm năng chứa nước ngầm, với độ sâu từ 30 đến 60 mét. Các kết quả này đã được xác nhận thông qua các đợt khoan thực tế, chứng minh hiệu quả của phương pháp trong việc tìm kiếm nước ngầm tại các khu vực địa chất phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO SÂU CỘNG HƯỞNG TỪ Đo sâu cộng hưởng từ (viết tắt: ĐSCHT; tiếng Anh: Magnetic Resonance Sounding, viết tắt: MRS) dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân và hiện là phương pháp địa vật lý duy nhất trên thế giới được dùng để khảo sát trực tiếp nước ngầm từ mặt đất. Tất cả các phương pháp địa vật lý khác dùng trong tìm kiếm nước ngầm đều là gián tiếp theo các tham số vật lý như điện trở suất, các tham số phân cực kích thích, hằng số điện môi, tốc độ truyền sóng địa chấn,….G và các cộng tác viên ở Nga đã nghiên cứu phương pháp, giải bài toán thuận và nghịch cho ĐSCHT bằng khung dây đơn (một khung dây làm chức năng phát trong quá trình phát sóng điều hoà đơn sắc, sau đó nhờ bộ chuyển mạch để làm chức năng thu), trong môi trường điện trở suất cao, sáng chế máy cộng hưởng từ đầu tiên phục vụ khảo sát nước ngầm mang tên Hydroscope, nhận bằng sáng chế ở Liên Xô năm 1988 [61] và ở Anh năm 1989 [62]. Đến năm 1999 và 2000 Weichman và nnk công bố công trình nghiên cứu lý thuyết tổng quát về ĐSCHT trong môi trường dẫn điện, tính tới hiện tượng phân cực elip cho loại khung dây bất kỳ (khung dây đơn, khung dây tách biệt,. Lần đầu tiên việc đánh giá các tính chất của các khung dây tách biệt và các tính chất của các đường cong ĐSCHT tương ứng được trình bày vào năm 2003 [19] và thể hiện đầy đủ trong luận án tiến sỹ của Hertrich M năm 2005 [17], cho thấy độ phân giải cao trong khảo sát môi trường 2D nông.

Những nghiên cứu lý thuyết về ĐSCHT trên thế giới tập trung chủ yếu ở bốn trung tâm là Nga, Pháp, Đức và Mỹ. Sau đây sẽ trình bày cơ sở vật lý của ĐSCHT , cơ sở toán học - kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình hoá toán học dựa vào những công trình của bốn trung tâm nêu trên cho đến năm 2008. Một số bài báo tiếng Việt đã giới thiệu ĐSCHT [10,45,46] và kết quả thử nghiệm đầu tiên ở Việt Nam [47].1 Nguyên lý cơ bản và bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ 1. Nguyên lý cơ bản của đo sâu cộng hưởng từ Hydro có 3 đồng vị: 1H, 2H và 3H, trong đó 1H phong phú nhất, chiếm 99.

Hydro có trong phân tử nước. Trong hạt nhân của 1H chỉ có một proton và đó là đối tượng khảo sát trực tiếp nước ngầm của ĐSCHT. Proton là hạt tích điện dương, có khối lượng đặc trưng, có momen từ µ (ký hiệu chữ hạt 4 tích điện dương, có khối lượng đặc trưng, có momen từ µ (ký hiệu chữ đậm là vectơ) và có spin. Spin là đại lượng mang tính lượng tử, đặc trưng cho hạt vi mô, có thể coi đó là momen động lượng quay nội tại của hạt vi mô, thường gọi là momen spin, nó mô tả bản chất trường từ của hạt vi mô.

Momen từ liên hệ cộng tuyến với momen spin I theo biểu thức: µ = γh I (1.1) Trong đó : h I là xung lượng góc của hạt nhân ( h là hằng số Plank rút gọn: h = h/2 π = 1,054592. 10-34 J s, h là hằng số Plank), γ là tỉ số từ hồi chuyển (có giá trị đặc trưng cho mỗi hạt nhân, đối với hạt nhân hydro 8 -1 -1 γ = 2,675. Khi các proton nằm trong trường từ tĩnh bên ngoài, trong ĐSCHT là trường địa từ B0, thì các momen từ định hướng theo phương z của trường từ bên ngoài, các momen từ quay đảo quanh trục z với tần số vòng Larmor ω0 (tần số Larmor f 0 ) và ở trạng thái cân bằng thì tạo ra độ từ hoá M0 được xác định theo các biểu thức sau: (1.3) Trong đó kB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, N/V là số spin trong đơn vị thể tích. Dấu âm ở biểu thức của tần số vòng Larmor ω0 thể hiện sự quay đảo của các momen từ quanh trục z theo chiều kim đồng hồ (Levitt, 1997).

Khi các momen từ đã nằm trong trường từ tĩnh B0 người ta phát dòng xoay chiều với tần số vòng Larmor: I(t) = I0cos( ω0 t) vào khung dây phát trong một thời gian ngắn τ p (xung điện từ) để tạo ra trường từ điều hoà cộng hưởng BT. Dưới tác dụng của BT, các momen từ quay đảo sẽ lệch khỏi phương z của trường từ tĩnh B0 một góc θ về phương của trường BT. Do trường điện từ điều hoà truyền trong môi trường đất đá dẫn điện nên trường từ kích thích BT sẽ phân cực elip và tạo ra lệch pha giữa trường đã truyền đi (transmitted field) so với trường kích thích do sự dẫn điện của môi trường. Các nghiên cứu trước đây của Trushkin và nnk (1995) và Shushakov (1996) đã xem xét điện trở suất của đất đá trong khi tính biên độ và pha của tín hiệu cộng hưởng từ và mô tả tín hiệu cộng hưởng từ có giá trị phức, nhưng lại không khảo sát phân cực elip mà dùng phép xấp xỉ cho trường hợp độ từ khuynh 900 thích hợp cho vùng gần cực địa từ ở Xiberi, Nga.

Weichman và nnk (1999, 2000) đã khảo sát đầy đủ sự phân cực elip của trường kích thích và biểu thức của tín hiệu phức cho loại khung dây và vị trí địa lý bất kỳ. 5 Weichman và nnk (2000) đã chứng tỏ rằng chỉ có thành phần BT⊥ của trường kích thích BT vuông góc với trường địa từ B0 mới có tác dụng tới các spin. Trong quá trình tính toán B T⊥ phân cực elip được phân tích thành hai phân cực tròn với các biên độ khác nhau và quay trái chiều nhau B T⊥ và B T_ , trong đó B T+ quay theo chiều kim đồng hồ và như vậy là quay cùng chiều với momen từ, còn B -T quay ngược chiều kim đồng hồ quanh trường từ tĩnh B0. Trong quá trình ĐSCHT người ta tăng dần độ sâu khảo sát tại mỗi điểm đo bằng cách tăng momen xung q (q = I0 τ p ).

Momen xung q trong ĐSCHT đóng vai trò gần tương tự như khoảng cách giữa 2 điện cực phát AB trong đo sâu điện thẳng đứng. Sau khi ngắt xung, các momen từ hồi phục, suy giảm dần để trở lại trạng thái ban đầu theo phương của trường địa từ B0 và tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ (điện áp) trong khung dây thu. Điện áp đo được ngay sau ngắt xung càng lớn khi hạt nhân hydro càng nhiều. Chúng có trong phân tử nước, dầu khí (đối tượng khảo sát của carota cộng hưởng từ) và cả trong phân tử ở thể rắn.

Chúng được phân biệt dựa vào đặc điểm hồi phục khác nhau, theo hằng số thời gian suy giảm T khác nhau do mức độ linh động khác nhau. Có hai loại T tương ứng với hai loại vectơ từ hoá, đó là T1 đối với vectơ từ hoá dọc (dọc theo phương của trường địa từ B0) và T2 đối với vectơ từ hoá ngang (vuông góc với phương của trường địa từ B0). Sự suy giảm đó được gọi là suy giảm cảm ứng tự do (Free Induction Decay, FID) và được dùng trong ĐSCHT. Trong thực tế thường hay gặp loại suy giảm cảm ứng tự do nhanh chóng hơn, gọi là suy giảm T2* do tính bất đồng nhất của trường vật lý cũng như sự biến đổi độ cảm từ trong môi trường.

Các hằng số thời gian suy giảm tuân theo quan hệ sau : T2* ≤ T2 ≤ T1 [12,29]. Hạt nhân trong phân tử chất rắn có mức độ linh động rất hạn chế và suy giảm rất nhanh (T2 rất nhỏ), như bitum (một loại hydrocarbon ở thể rắn) có T2 ≤ 0,1 ms. Trong đất đá lỗ hổng như cát kết, trầm tích vỡ vụn giàu thạch anh, các hạt nhân trong phân tử chất lỏng liên kết với bề mặt chất rắn (nước liên kết) hoặc trong lỗ hổng nhỏ khi dao động luôn va chạm với bề mặt chất rắn, tiêu hao năng lượng nhiều nên năng lượng suy giảm nhanh (T2 nhỏ), hạt nhân ở trong hổng lớn hơn (nước tự do) có T2 lớn hơn [11,58]. Máy đo có thời gian chết (“dead time”, máy chưa đo được) 30 ÷ 40 ms, nên chỉ đo được tín hiệu của nước tự do.

Đó là cơ sở vật lý của việc xác định trực tiếp nước ngầm của ĐSCHT ở mặt đất. Tín hiệu dao động với tần số vòng Larmor, suy giảm theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian T2* , lệch pha ϕ 0 so với trường phát và phụ thuộc vào momen xung q như sau: 6 (1.4) Tín hiệu ban đầu E0 và ϕ 0 (ngay sau khi ngắt xung: t = 0) không đo được do có thời gian chết τ d của máy, nên phải ngoại suy để tính ra theo các biểu thức sau (Legchenko A.6) Trong đó: ∆ω ( ∆ω = ω0 − ωrf ) được gọi là dịch chuyển tần số (frequency shift hoặc frequency offset), là hiệu số giữa tần số Larmor vòng ω0 của trường kích thích và tần số vòng của tín hiệu cộng hưởng từ đo được ω rf. Bốn tham số E( τ d ,q), T2* (q), ϕ ( τ d ,q) và ∆ω (q) được tính theo các thành phần cùng pha và lệch pha trong quá trình xử lý số liệu (Legchenko A. Các tham số đó được dùng để ngoại suy theo các biểu thức (1.5) từ các giá trị đo được sau thời gian chết τ d thành giá trị biên độ (1.5) ban đầu ở thời điểm t = 0.

Đường ghi biên độ suy giảm với thời gian theo hàm mũ, còn pha thay đổi tuyến tính. Các kết quả khảo sát đều dùng biên độ và pha ban đầu. Thế phức = liên hệ tuyến tính với phân bố hàm lượng nước f(r) qua hàm nhân : (1.7) Trong đó hàm nhân phức phụ thuộc vào độ từ khuynh, điện trở suất ρ (V ) trong thể tích khảo sát, phương tuyến đo so với hệ toạ độ từ và hệ quan sát. Bài toán thuận của đo sâu cộng hưởng từ 1.

Tín hiệu cộng hưởng từ tổng quát Bài toán thuận của ĐSCHT tổng quát cho môi trường dẫn điện, độ từ thẩm bằng độ từ thẩm của không khí, ba chiều (3D) với các khung dây bất kỳ được trình bầy đầu tiên trong công trình của Weichman và nnk (1999, 2000). Sau đây là biểu thức thế V của tín hiệu ĐSCHT (Weichman và nnk, 2000) ở thời điểm t = 0: 7 (1.