Chương I TỔNG QUAN VÀ TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP GEORADA I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GEORADA 1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài: Phương pháp ra đa xuyên đất (georada-GPR) đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới trong các lĩnh vực khác nhau: nghiên cứu nền móng công trình, tìm kiếm nước dưới đất, tìm kiếm khoáng sản, nghiên cứu xác định các vị trí công trình kiến trúc cổ bị chôn vùi, các đường ống, cáp ngầm, tìm kiếm mộ cổ. Công nghệ georada được coi là một phương pháp địa vật lý rất có hiệu quả trong các lĩnh vực trên.
Từ năm 1988 đến nay, các nhà khoa học trong ngành các khoa học về trái đất trên thế giới đã chú trọng phát triển để dần hoàn thiện về cơ sở lý thuyết cũng như phương pháp áp dụng thực tế. Tại Pháp, GS. Maksim Bano (Viện VLĐC Strasbourg) và GS. Roger Guerin (ĐH Tổng hợp Paris 6) đã sử dụng công nghệ georada với thiết bị Pulse EKKO và RAMAC để phát hiện và khoanh vùng nhiều hang karst trên cả một dải núi dài và đã đánh giá được mức độ chứa nước trong các hang hốc làm cơ sở cho việc khai thác nguồn nước ngầm tại đây kết hợp với bảo vệ môi trường và cảnh quan thiên nhiên.
Tại Trung Quốc, công nghệ georada đã được sử dụng có hiệu quả trong việc khảo sát nền móng đập Tam Hiệp và đã tìm ra nhiều vị trí hang hốc trong đá, đánh giá được độ nứt nẻ và mức độ chứa nước trong các khối đá gốc. Đồng thời các nhà khoa học còn thu được những kết quả chính xác trong xác định các đới thấm thoát nước ở nhiều hồ chứa nước lớn đề ra giải pháp sửa chữa kịp thời; tìm kiếm các dị vật trong thân đê đập, nhất là khe nứt và tổ mối. Xác định những đới cấu trúc có chứa nước tại một số mỏ than đang khai thác ở phía bắc để dự báo hiểm hoạ bục nước cũng là thành công của các nhà khoa học Trung Quốc trong việc ứng dụng georada. Ở Hoa Kỳ đã sử dụng phương pháp georada để xác định các ranh giới nước mặn, nước nhạt cũng như ranh giới nước sạch và nước bị ô nhiễm đối với các tầng chứa nước gần mặt đất, ngoài ra còn phát hiện ra nhiều thấu kính chứa nước ngay trên đỉnh các mỏ đang khai thác hầm lò hoặc đã tìm ra vị trí các đường hầm lò cổ, các giếng lò cổ đã bị lấp đầy bằng các vật liệu trầm tích Đệ tứ.
Sử dụng công nghệ georada để tìm kiếm hang hốc, đường hầm tynnel, công trình ngầm trong các thành phố, xác định vị trí khảo cổ học cũng là những hướng nghiên cứu rất thành công của các nhà khoa học Mỹ. Ở Hà Lan các nhà khoa học đã áp dụng rộng rãi công nghệ georada trong khảo sát cấu trúc của đất ngay cả trên các vùng ngập nước hoặc khoanh định các tầng chứa nước ngầm và các thấu kính chứa nước với độ chính xác rất cao. Tại đây đã đưa công nghệ georada như là công cụ chính trong công tác đo vẽ bản đồ địa chất. Tại Italy các nhà khoa học đã ứng dụng thành công công nghệ georada trong tìm kiếm hang hốc ở núi đá vôi, xác định các đường khe nứt trong đá và đánh giá mức độ nứt nẻ, dập vỡ của khối đá.
Việc ứng dụng công nghệ georada trong nghiên cứu, khảo sát khảo cổ học cũng được các nhà khoa học Italy triển khai liên tục hàng chục năm nay với những kết quả rất khả quan và hiện nay người ta đang dự định tiến hành khảo -6- - sát bằng georada kết hợp với một số công cụ địa vật lý khác tại Mỹ Sơn (Quảng Nam)- di sản văn hoá thế giới. Ở Czech và Slovakia người ta đã sử dụng công nghệ georada để dự báo trượt lở đất tại các sườn núi có hiệu quả rất cao, tránh được thiệt hại về vật chất cho cư dân sinh sống gần các địa điểm này. Tại Vương quốc Anh, công nghệ georada đã được sử dụng có kết quả trong việc khoanh vùng vị trí các đụn cát có chứa nước, khoanh vùng ranh giới nước mặn, nước nhạt tại dải ven biến và đánh giá được chất lượng của nước biến động theo thời gian. Tại Ba Lan, công nghệ georada cùng với nhiều loại thiết bị của các hãng sản xuất khác nhau như OYO (Nhật Bản), Ramac/GPR (Thuỵ Điển) đang được dùng khá phổ biến trong nghiên cứu địa chất cấu trúc của các mỏ than, vị trí của hang động trong lòng đất, đánh giá hiện trạng các đường băng sân bay và khảo sát tìm dị vật trong thân đê đập, khoanh vùng dự báo các đoạn đê xung yếu có khả năng bị vỡ trong mùa nước lũ.
Ở Đức, các nhà khoa học đã thu được nhiều kết quả với độ chính xác cao trong việc sử dụng công nghệ georada để xác định độ ẩm của đất trồng góp phần tăng năng suất cây trồng, trong tìm kiếm các túi nước ngầm nằm trong núi hoặc đánh giá mức độ ô nhiễm của tầng chứa nước do bãi chôn rác thải hoặc các hoạt động của con người gây ra. Tại Izrael các nhà khoa học cũng rất thành công trong việc ứng dụng georada để xác định vị trí các hang động và các hệ thống đường hầm dưới lòng đất, đồng thời cũng đánh giá được hiện trạng chứa nước ở đường hầm. Ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, công nghệ georada được sử dụng trong việc giám định các công trình xây dựng, tìm kiếm khảo cổ học, khảo sát nền móng công trình. nghiên cứu cấu trúc địa chất thuỷ văn.
Tại Brazil, Mexico, Thuỵ Sỹ và Tây Ban Nha, georada được dùng như là công nghệ chủ đạo trong nghiên cứu xác định vị trí khảo cổ học và đánh giá tác động của ô nhiễm môi trường nước, môi trường đất phục vụ cho nghiên cứu địa kỹ thuật và môi trường. Tại Australia và Nam Phi đã sử dụng có hiệu quả công nghệ georada trong nghiên cứu cấu tạo của các mỏ kim loại quý hiếm và các mỏ khoáng sản thông dụng khác, xác định chính xác bề dày của tầng đất đá phủ bên trên thân quặng và trong khảo sát địa chất thuỷ văn để tìm kiếm những lăng kính hoặc các bồn có chứa nước nhạt trong cấu tạo của mỏ than. Tình hình nghiên cứu trong nước Công nghệ georada đang từng bước được triển khai ở Việt Nam nhằm đáp ứng các yêu cầu của thực tế phát triển kinh tế xã hội phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Từ năm 1998 đến nay, phòng Địa vật lý thuộc Viện Vật lý địa cầu đã từng bước triển khai nghiên cứu áp dụng công nghệ GPR trong tổ hợp các phương pháp địa vật lý để giải quyết nhiệm vụ trong địa chất công trình và trong địa kỹ thuật- môi trường (cấu trúc của đê Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Bắc Ninh, Hưng Yên; cấu trúc của một số đập đất lớn ở miền Trung như đập Yên Mỹ, Vực Mẫu, Kẻ Gỗ, Tiên Lang, La Ngà); khảo sát dự báo hiện tượng trượt lở đất bờ sông Tiền trên địa bàn của các tỉnh Đồng Tháp, An Giang, Vĩnh Long, thành phố Hồ Chí Minh.và bước đầu đã thu được một số kết quả thiết thực góp phần giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ môi trường.
Những công trình ứng dụng phương pháp georada ở Việt nam đáng chú ý nhất gồm: - Phát hiện tổ mối trong thân đê của Trung tâm nghiên cứu phòng trừ mối (Viện Khoa học thuỷ lợi) và Viện Vật lý Địa cầu. -7- - - Nghiên cứu thành lập bản đồ công trình ngầm ờ Hà Nội của Khoa trắc địa, trường Đại học Mỏ-Địa chất. - Nghiên cứu hiện trạng và dự báo sụt lở đất ở Cam Lộ (Quảng Trị) của Liên đoàn Vật lý Địa chất. - Các công trình nghiên cứu liên quan đến địa chất công trình, trượt lở đất của Viện Vật lý Địa cầu.
Do sự tiến bộ không ngừng của công nghệ nên hàng năm thiết bị georada được cải tiến, nâng cấp cả về phần cứng cũng như phần mềm, đồng thời về phương pháp cũng được nghiên cứu phát triển cho thích ứng với từng môi trường địa chất riêng biệt. Đối với các quốc gia đang phát triển như Việt Nam thì việc nghiên cứu áp dụng công nghệ tiên tiến là một đòi hỏi tất yếu của thực tiễn. Chúng ta cần công nghệ georada để giải quyết những vấn đề về địa chất công trình, địa chất thuỷ văn (nước ngầm tồn tại trong các hang hốc hoặc những đới nứt nẻ của vùng núi đá, nhất là đá vôi…), tìm kiếm khoáng sản kim loại, điều tra tai biến địa chất… II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GEORADA II.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Nền tảng của GPR nằm trong lý thuyết trường điện từ. Lý thuyết của trường điện từ đã được mở rộng hơn hai thể kỷ qua và là chủ đề của nhiều công trình nghiên cứu. GPR là một phần trong trường điện từ. Các tín hiệu GPR là sóng điện từ.
Phương trình Maxwell với việc mô tả toán học tính chất vật lý của điện từ cộng với mối quan hệ về tính chất vật liệu là cơ sở để mô tả định lượng tín hiệu GPR. Phương trình Maxwell. Về mặt toán học, trường điện từ với các đặc tính liên quan được biểu diễn như sau: ∂B ∂D ∇×E = − ∇×H = J + ∂t ∂t ∇× D = q ∇× B = 0 Trong đó: E : Vector độ dài trường điện B: Vector mật độ dòng từ D: Vector dịch chuyển điện H: Cường độ trường từ J: Vector mật độ dòng điện q: Mật độ điện tích II. Tính chất vật lý cơ bản trong nghiên cứu ứng dụng phương pháp georada.
GPR nghiên cứu cấu trúc sâu bằng việc truyền trường điện từ xuống lòng đất. Trường điện từ (EM) biến đổi theo thời gian gồm hai thành phần: Điện trường (E) và từ trường (H), trường điện từ này gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Cách thức mà trường điện từ tác động đến các chất liệu tự nhiên quyết định cách thức lan truyền và suy giảm của sóng điện từ trong môi trường. -8- - Trong hầu hết các ứng dụng địa chất, các thuộc tính về điện giữ vai trò quan trọng.
Sự biến đổi của từ trường thường là rất yếu. Tuy nhiên đôi khi các thuộc tính về từ cũng có ảnh hưởng đến hiệu ứng rada xuyên đất, người sử dụng cần phải nhận biết được sự ảnh hưởng này. Các thuộc tính về từ trường được quyết định bởi đặc trưng lưu thông của các hạt tích điện trong các nguyên tử và phân tử cân bằng. Một điện trường trong vật chất sẽ tăng lên theo sự chuyển động của các hạt tích điện (tức là dòng điện ).
Dòng điện phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của vật chất.