Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật tại Việt Nam.

• Tác giả: Trần Vĩnh Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN
• 1.1. Phương pháp ảnh điện ERT, EIT hiện trường
• 1.2. Cơ sở phương pháp ảnh điện
• 1.3. Phương pháp đo điện trở suất một chiều
• 1.4. Phương pháp đo IP theo miền thời gian
• 1.5. Phép đo theo miền tần số
• 1.6. Xử lý số liệu toàn dạng sóng
• 1.7. Thiết bị khảo sát ảnh điện
• 1.8. Thiết kế khảo sát
• 1.9. Thiết bị đo DC, IP, SIP
• 1.10. Tái tạo hình ảnh
• 1.11. Các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo trong thí nghiệm hiện trường
• 1.11.1. Ảnh hưởng của điện cực
• 1.11.2. Ảnh hưởng của nguồn nhiễu ngoài
• 1.11.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng ghép cặp EM
• 1.12. Phương pháp ước lượng DC, IP, CR
• 1.13. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO PHỔ TỔNG TRỞ CHO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG
• 2.1. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo phổ tổng trở
• 2.2. Phần điện tử
• 2.3. Phần mềm thu thập dữ liệu và điều khiển
• 2.4. Phương pháp kiểm chuẩn - hiệu chỉnh EMCE
• 2.5. Đánh giá các đặc trưng của thiết bị
• 2.5.1. Đánh giá trong phòng thí nghiệm
• 2.5.2. Đánh giá ngoài hiện trường
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG
• 3.1. Giải pháp triển khai nhanh thiết bị khảo sát địa điện ERT đa cực
• 3.2. Thí nghiệm hiện trường
• 3.3. Kết quả xử lý dữ liệu
• 3.4. So sánh kết quả với SuperSting R1, AGI
• 3.5. Giải pháp nguồn năng lượng mặt trời cho thiết bị quan trắc địa điện
• 3.5.1. Giải pháp nguồn điện dùng năng lượng mặt trời
• 3.5.2. Kết quả thử nghiệm
• 3.6. Ước lượng mật độ phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ
• 3.6.1. Nhiễu địa điện do các phương tiện giao thông đường bộ
• 3.6.2. Giải pháp ước lượng mật độ phương tiện qua nhiễu địa điện
• 3.7. Kết luận chương
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết bị khảo sát địa điện hiệu quả

Nghiên cứu thiết bị khảo sát địa điện là một lĩnh vực quan trọng trong địa vật lý, giúp xác định các đặc tính điện của đất và cấu trúc bên dưới bề mặt. Phương pháp khảo sát này sử dụng các thiết bị hiện đại để đo lường điện trở suất và phân cực cảm ứng, từ đó tạo ra bản đồ phân bố điện trở của các lớp đất. Việc áp dụng công nghệ mới trong thiết bị khảo sát địa điện không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian khảo sát.

1.1. Các phương pháp khảo sát địa điện phổ biến hiện nay

Các phương pháp khảo sát địa điện như ERT (Electrical Resistance Tomography) và EIT (Electrical Impedance Tomography) đã được áp dụng rộng rãi. ERT cung cấp thông tin về điện trở suất một chiều, trong khi EIT cho phép thu thập dữ liệu phức tạp hơn về tính phân cực của môi trường. Những phương pháp này giúp cải thiện độ tin cậy của kết quả khảo sát.

1.2. Lợi ích của việc nghiên cứu thiết bị khảo sát địa điện

Nghiên cứu thiết bị khảo sát địa điện mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng phát hiện các cấu trúc ngầm, đánh giá ô nhiễm môi trường và hỗ trợ trong các dự án xây dựng. Việc sử dụng thiết bị hiện đại giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu chi phí khảo sát.

II. Những thách thức trong khảo sát địa điện hiện trường

Khảo sát địa điện hiện trường đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm nhiễu từ môi trường và sự phức tạp của cấu trúc địa chất. Nhiễu địa điện có thể đến từ các nguồn tự nhiên như mưa, hoặc từ các hoạt động nhân tạo như giao thông. Những yếu tố này ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo và cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Ảnh hưởng của nhiễu địa điện trong khảo sát

Nhiễu địa điện có thể làm sai lệch kết quả đo, đặc biệt trong các khu vực đô thị nơi có nhiều nguồn nhiễu. Việc phân tích và xử lý nhiễu là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu thu thập được.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị

Các yếu tố như thiết kế cấu hình khảo sát, chất lượng thiết bị và điều kiện môi trường đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Cần có các giải pháp kỹ thuật để tối ưu hóa các yếu tố này.

III. Phương pháp xây dựng thiết bị khảo sát địa điện hiệu quả

Việc xây dựng thiết bị khảo sát địa điện hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và các phương pháp nghiên cứu khoa học. Thiết bị cần được thiết kế để có thể hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau và đảm bảo độ chính xác cao trong việc thu thập dữ liệu.

3.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị khảo sát

Thiết kế thiết bị khảo sát địa điện cần chú trọng đến tính năng thu thập dữ liệu, khả năng chống nhiễu và độ bền. Việc sử dụng các linh kiện điện tử chất lượng cao sẽ giúp nâng cao hiệu suất của thiết bị.

3.2. Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu

Phương pháp thu thập dữ liệu cần được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian khảo sát. Sử dụng các thuật toán xử lý dữ liệu hiện đại sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của phép đo.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị khảo sát địa điện

Thiết bị khảo sát địa điện có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như xây dựng, môi trường và nông nghiệp. Việc áp dụng công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả khảo sát và giảm thiểu chi phí.

4.1. Khảo sát địa chất và xây dựng

Trong lĩnh vực xây dựng, thiết bị khảo sát địa điện giúp xác định cấu trúc địa chất, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

4.2. Ứng dụng trong quan trắc môi trường

Thiết bị khảo sát địa điện cũng được sử dụng để theo dõi ô nhiễm môi trường, đánh giá chất lượng đất và nước. Việc này giúp đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu thiết bị khảo sát địa điện không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong khảo sát mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới. Với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị khảo sát sẽ ngày càng trở nên hiệu quả và tiết kiệm hơn.

5.1. Tương lai của thiết bị khảo sát địa điện

Trong tương lai, việc phát triển các thiết bị khảo sát địa điện thông minh sẽ giúp cải thiện khả năng thu thập và xử lý dữ liệu. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của thiết bị, giảm thiểu nhiễu và phát triển các phương pháp mới trong khảo sát địa điện. Điều này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả của các dự án nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về bài toán khảo sát ảnh điện EIT hiện trường, cơ sở lý thuyết, phương pháp đo, các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo, các nghiên cứu đã thực hiện và nêu ra những vấn đề còn đang tồn tại cả về lý luận cũng như thực tiễn.  Chương 2: Xây dựng hệ đo phổ EIS cho thí nghiệm hiện trường gồm: xây dựng phần cứng bộ phát tín hiệu dòng có dạng sóng tùy ý, bộ chuyển đổi điện áp-dòng điện có hiệu điện thế bám cao, bộ thu thập dữ liệu đa kênh, thuật toán và giao diện chương trình phần mềm, các tính toán cho ước lượng tham số và hiệu chỉnh EMCE giữa cáp và cáp. Kiểm chuẩn qua các đối tượng biết trước để đánh giá các thông số của cáp tín hiệu và hệ thống. Trình bày các kết quả thu được trong quá trình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và KSTĐ, cũng như các so sánh, biện luận liên quan đến kết quả thu được.

Từ đó, chứng minh tính đúng đắn của phương pháp cũng như độ tin cậy của thiết bị.  Chương 3: Đề xuất các giải pháp và ứng dụng thực tiễn: triển khai nhanh thiết bị ERT hiện trường phù hợp điều kiện Việt Nam, chi phí thấp, các kết quả đạt được và so sánh với thiết bị thương mại. Đề xuất giải pháp nguồn năng lượng quan trắc ERT sử dụng điện mặt trời và ứng dụng của nhiễu địa điện trong quan trắc mật độ phương tiện giao thông. Kết quả công bố Kết quả đạt được: 01 báo cáo hội nghị cấp quốc gia, 03 công trình khoa học công bố trong tạp chí khoa học cấp quốc gia, 01 công trình công bố trên tạp chí quốc tế, 02 đăng ký sở hữu trí tuệ liên quan đã được chấp nhận đơn hợp lệ.

12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN Phương pháp ảnh điện trở ERT dùng cho khảo sát thực địa còn gọi là phương pháp khảo sát hay thăm dò điện xuất hiện cách đây đã hơn 100 năm và là một trong phương pháp thăm dò địa vật lý thông dụng nhất hiện nay [87, 151]. Phương pháp này dùng để vẽ ảnh phân bố điện trở suất của khu vực cần khảo sát với độ phân giải có thể từ vài milimet đến hàng kilomet thông qua việc đo điện trở một chiều ở các vị trí khác nhau với cùng cấu hình điện cực [15]. Ứng dụng của phương pháp ERT trải rộng ở nhiều lĩnh vực như: khảo sát môi trường, tìm kiếm tài nguyên, nước, khoáng sản, phát hiện tai biến ngầm, trượt lớp [22, 152, 167].

Hiện nay, các nghiên cứu phương pháp cũng như ứng dụng ERT được phát triển theo ba hướng chính: (1) phát triển thuật toán khảo sát được tối ưu hóa nhằm tiết kiệm thời gian nhưng vẫn cho độ phân giải cao [146, 169] (2) phát triển thiết bị mới có khả năng thu thập xử lý dữ liệu lớn 3D, có khả năng đo 4D - trên sơ sở sự phụ thuộc của điện trở suất (tham số của thăm dò địa điện) vào nhiều quá trình cần khảo sát theo thời gian[16, 145, 170]) (3) các phương pháp nâng cao độ chính xác của kết quả giải bài toán ngược áp dụng cho khảo sát 3D và 4D [87, 168]. Trong khi ERT là phép đo ở tần số rất thấp hay dòng điện một chiều, khi mà các hiệu ứng về phân cực thể hiện các tính chất điện hóa diễn ra trên các mặt phân lớp hoặc các biên hạt [113] bên trong môi trường không được tính đến, EIT là phương pháp ảnh tổng trở có tính đến các hiệu ứng phân cực cảm ứng IP thông qua hệ số tích điện m và cho biết nhiều thông tin về đối tượng đo [14]. Khái niệm về IP thực tế hay bị lẫn với các hiệu ứng EMC do trước đây không tính đến hiệu ứng này, đại lượng đánh giá cụ thể hơn là tham số tổng trở suất phức CR biểu kiến () với các thành phần thực-ảo hay biên độ - pha được hồi quy theo các mô hình khác nhau như mô hình Cole-Cole với các tham số thời gian hồi phục phản ánh độ phân tán của trở kháng theo tần số [111]. Các phép đo EIT được thực hiện ở một hoặc nhiều tần số tại nhiều vị trí khác nhau, các phép đo có nhiều tên gọi tùy vào phương pháp đo cũng như mục đích đo nhưng sự chuyển đổi giữa các đại lượng này hoàn toàn 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thực hiện được dễ dàng.

Phổ tổng trở đo được với TNHT được gọi điện trở suất (thực-phức) biểu kiến.Giá trị IP đo được theo các tần số khác nhau gọi là khảo sát SIP - phổ phân cực cảm ứng, đo CR theo các tần số gọi là phổ trở suất phức hay phổ tổng trở EIS, thông tin thu được là biên độ - pha hay phần Z thực-ảo. Khảo sát SIP hay phổ trở suất phức CR, EIS cho nhiều thông tin hơn khảo sát điện trở nhưng cũng gặp nhiều khó khăn hơn trong việc ước lượng giá trị của các đại lượng. Thông tin về SIP hay phổ CR được dùng để hoàn thiện những hiểu biết về tính chất điện của các môi trường xốp hay sinh hóa bởi độ dẫn phức có độ nhạy cao với các môi trường này [71]. Điều đó khiến SIP có nhiều giá trị trong khảo sát các đặc trưng bề mặt, tìm kiếm khoáng kim loại [111], ô nhiễm [158], quan trắc quá trình hồi phục môi trường [47] hay hoạt động của vi khuẩn [127], nông nghiệp [88].

Tuy nhiên, ở tần số cao hơn 100 Hz, sai số về pha trở nên đáng kể do các hiệu ứng về điện dung ngoài mong muốn tạo bởi bởi các tụ điện ký sinh trong mạch điện tử cấu thành thiết bị được quan sát bởi một số nghiên cứu [14, 71, 141]. Những hiệu ứng này khiến các phép đo SIP trở nên bất định ở tần số cao. Gần đây, phương pháp IP và SIP được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển, như mô hình hóa bài toán thuận [11, 29, 69], thu thập dữ liệu [41, 45, 97, 106, 148], minh giải bài toán ngược và tái tạo hình ảnh [44, 73, 80]. Phƣơng pháp ảnh điện ERT, EIT hiện trƣờng 1.

Cơ sở phƣơng pháp ảnh điện Về cơ bản, phương pháp ảnh điện ERT, EIT dựa trên phép đo điện trở suất () hay độ dẫn () thông qua việc phát một dòng điện có cường độ I() = FT[I(t)] xuống bề mặt đối tượng qua hai điện cực dòng, hiệu điện thế phản hồi được thực hiện qua hai điện cực khác các điện cực gắn với đối tượng cần đo U(). Hàm truyền phức H() trong trường hợp (phép đo) này là tỷ số: U ( ) FFT U (t ) H ( )  Z ( )   (1.1) I ( ) FFT I (t ) Với đối tượng là bề mặt trái đất phép đo được thực hiện với thí nghiệm hiện trường - (TNHT) hay khảo sát thực địa - (KSTĐ), không phải trong phòng thí 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Do đó, bài toán đối với phương pháp đo cho TNHT khác với bài toán đo tổng trở cơ bản ở chỗ áp dụng cho đối tượng là nửa không gian vô hạn, đồng nhất hoặc phân lớp dọc, ngang và phải tính đến các hiệu ứng ghép cặp điện cảm và điện dung hay hiệu ứng ghép cặp điện từ - (EMC) gây ra. Trong trường hợp lý tưởng, xét hệ thí nghiệm gồm vật dẫn điện chiếm nửa không gian đồng nhất, trên đó có gắn bốn điện cực bao gồm hai điện cực phát dòng và hai điện cực thu thế phản hồi.

Hệ điện cực trên tạo thành hai lưỡng cực điện như trên hình 1. Sơ đồ nguyên lý phép đo tổng trở hiện trường Tổng trở Zmeas() được tính qua định luận Ohm qua các giá trị đo được của cường độ dòng điện I() và U(). Với nửa không gian đồng nhất và dòng điện dịch trong không khí bỏ qua được thì: 1  ( ) Q r     Q( C1P1 )  Q( C2 P1 )  Q( C1P2 )  Q( C2 P2 ) (1.3) 2 ( )r 2 r 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] là hàm phản ánh thông tin cấu trúc bề mặt của đối tượng (mặt đất), r là khoảng cách giữa hai phần từ ds và dS, () là độ dẫn điện và *()=1/*() là điện trở suất phức.4) 2 r   r  2  là hàm số đặc trưng cho trở kháng liên kết đặc trưng cho ghép cặp điện từ EMC giữa hai dây với mặt đất [161, 162],   i0    1/2 là hằng số điện soáy với:  là tần số góc, 0 là hằng số từ thẩm chân không. Tuy nhiên, trong thực tế khi vỏ trái đất bị phân lớp và / hoặc dị hướng, dạng Z được đưa ra bởi phương trình (1.2) vẫn còn hiệu lực nhưng P(r) và Q(r) có dạng phức tạp hơn [38, 65, 161, 163]  i0    TE  P r      R    J 0   r  d  (1.5) 4 0  u0 u0   i0     Q r   2  4 k0 0  u0 1  RTE      RTE     RTM   J 0   r  d  (1.6) u0  Với u0   2  k02 và k02   2 0 0 , k0 là hằng số truyền của chân không, J0 là hàm Bessel bậc 0 và  là biến tích phân.

RTE và RTM là hệ số phản xạ cho mode điện trường và từ trường ngang. Những tham số đó phụ thuộc vào sự phân lớp của bề mặt và tính chất điện từ của mỗi phân lớp. Phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng: Z meas    Z IP    Z EM  K ,  ,  *    (1.7) Với C2 P2  2Q  r   *   Z IP ( )    dsdS  (1.8) C1 P1 sS K C2 P2 Z EM  K ,  ,  ( )     P  r  cos  dsdS (1.9) C1 P1 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trong đó K là hệ số cấu hình cực (hệ số thiết bị) [15], ZIP, và ZEM, tương ứng là trở kháng của đối tượng gây ra phân cực và trở kháng do EMCE (cảm kháng và dung kháng). Hay có thể viết  *   Z meas     Z EM  K ,  ,  *    (1.