Chương 1 : Một số nét về phương pháp địa chấn phản xạ. Chương 2: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ. Chương 3: Một số thử nghiệm trên số liệu mô hình. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dò dầu khí và tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu nền móng công trình… Trong thăm dò địa chấn, người ta tiến hành nổ mìn, rung, đập hoặc ép hơi…để tạo ra các xung dao động, các xung dao động này truyền trong môi trường dưới dạng sóng đàn hồi.
Nếu gặp các mặt ranh giới của các tầng đất đá có tính chất đàn hồi khác nhau thì chúng sẽ tạo nên các sóng thứ cấp như sóng phản xạ, khúc xạ, sóng tán xạ…Với các thiết bị máy móc thích hợp đặt ở trên mặt hoặc trong giếng khoan ta có thể thu nhận và ghi giữ các dao động sóng này trên các băng địa chấn. Sau quá trình xử lí và phân tích tài liệu sẽ cho phép hình thành các lát cắt địa chấn, các bản đồ và các thông tin khác phản ánh đặc điểm hình thái và bản chất môi trường vùng nghiên cứu. Có hai phương pháp địa chấn chính là phương pháp địa chấn phản xạ và địa chấn khúc xạ, chúng được áp dụng trên đất liền, trên biển, trong hầm lò hoặc trong các giếng khoan… Phương pháp địa chấn được hình thành từ những năm hai mươi của thế kỷ 20 và cho đến nay đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ kể cả trong lĩnh vực phương pháp, thiết bị và xử lý số liệu. Ngày nay người ta đã sử dụng các trạm địa chấn ghi số có hàng trăm mạch ghi, sử dụng hệ giao thoa “điểm sâu chung” với số bội rất cao, quan sát trong không gian 3 chiều, xử lý số liệu với chương trình xử lý khổng lồ và có thể minh giải tài liệu trên các trạm máy tính.
Ở nước ta, phương pháp địa chấn phản xạ đã được áp dụng từ những năm 60 nhằm phục vụ cho tìm kiếm và thăm dò dầu khí. Hiện nay, việc khảo sát tỷ mỷ thềm lục địa đang được tiến hành với các thiết bị hiện đại và công nghệ xử lý đạt trình độ tiên tiến trên thế giới. Ngoài lĩnh vực dầu khí, phương pháp địa chấn còn được áp 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dụng để khảo sát các vùng biển nông và tìm kiếm sa khoáng (từ năm 1991), khảo sát nền móng công trình (từ năm 1970) và nghiên cứu các mỏ hầm lò (từ năm 1991). Cơ sở vật lý của phương pháp.
Sự hình thành sóng đàn hồi + Cơ sở lý thuyết đàn hồi: Người ta gọi những vật thể khi có lực tác dụng thì thay đổi về hình dạng và thể tích và khi ngừng tác dụng của lực thì lập tức trở lại trạng thái ban đầu là các vật thể đàn hồi. Sự thay đổi về hình dạng và thể tích như vậy gọi là biến dạng đàn hồi. Trong các phương pháp địa chấn, do lực tác dụng nhỏ và thời gian tác dụng lực rất ngắn nên có thể coi môi trường đất đá là môi trường đàn hồi. Có hai loại biến dạng đàn hồi là biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng.
Nếu lực tác dụng chỉ làm thay đổi về thể tích mà hình dạng của vật vẫn giữ nguyên thì biến dạng đó gọi là biến dạng thể tích. Ngược lại nếu vật thể chỉ thay đổi hình dạng mà thể tích không đổi thì đó là biến dạng hình dạng. Các dạng biến dạng đàn hồi phức tạp đều được coi là tổng biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng. Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên sự biến dạng thì trong vật thể đồng thời xuất hiện nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo các phần tử vật chất về trạng thái ban đầu.
Nội lực này gọi là ứng lực. Ứng lực tác dụng lên một đơn vị diện tích nhằm cân bằng với ngoại lực gọi là ứng suất. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được mô tả bới định luật Huk. Môi trường đàn hồi được đặc trưng bởi các tham số đàn hồi như mô đun giãn dọc E (mô đun Iung), mô đun nén ngang σ (hệ số poatson) hoặc hằng số Lame μ, λ và mật độ ρ.
Giả sử có một hình trụ tròn chiều dài l và đường kính d. Dưới tác dụng của lực F vật bị biến dạng có độ giãn dọc là ∆l và độ nén ngang là ∆d. Gọi độ giãn dọc tương đối là ∂l = , ∂d = Ứng suất T có độ lớn là : T = = (1.1) 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính nên ta có: ∆l = aT , ∂l = = Và ∆d = bT, ∂d = a và b là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi và kích thước của vật thể + Sự hình thành sóng đàn hồi: Trong thăm dò địa chấn, khi kích thích xung lực ở một điểm nào đó của môi trường thì sẽ gây nên sự biến dạng và suất hiện ứng suất. Do hiện tượng quán tính nên các phần tử vật chất của môi trường sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, trong môi trường đàn hồi các dao động này được lan truyền theo mọi hướng dưới dạng sóng đàn hồi.
Sóng đàn hồi được truyền đi với vận tốc xác định, tấc độ truyền sóng phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trường. Trong môi trường đồng nhất, khi có kích thích dao động thì sẽ tạo ra hai loại sóng khác nhau là sóng dọc (P) và sóng ngang (S). Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động của hạt cùng với phương truyền sóng. Khi sóng dọc truyền đi sẽ tạo ra các đới nén, dãn liên tiếp.
Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của hạt vật chất thẳng góc với phương truyền sóng. Khi sóng ngang truyền đi sẽ tạo ra các đới trượt liên tiếp. Trong môi trường đồng nhất sóng dọc và sóng ngang truyền độc lập với nhau và có tốc độ khác nhau là vp và vs vp = vs = (1.2) Với ρ là mật độ đất đá, E là mô đun Iung và σ là hệ số Poatson So sánh vp và vs ta có: (1.3) 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong không khí và nước không có biến dạng hình dạng nên chỉ có sóng dọc mà không có sóng ngang. Trong địa chấn, việc quan sát sóng được tiến hành bằng cách ghi các dao động tại những điểm nhất định theo thời gian.
Đồ thị biểu diễn dao động tại một điểm quan sát theo thời gian gọi là hình dạng sóng. Độ lệch cực đại của đường ghi so với vị trí cân bằng gọi là biên độ (A), khoảng thời gian giữa hai cực trị cùng tên gọi là chu kì T, Đại lượng nghịch đảo với chu kỳ xác định số dao động trong một đơn vị thời gian gọi là tần số f = , Khoảng cách giữa các cực trị cùng tên là bước sóng λ, λ = vpT. Cơ sở địa chấn hình học Trong quá trình nghiên cứu sự truyền sóng địa chấn có thể xét trường sóng theo các đặc điểm động lực học hoặc đặc điểm động hình học. Khi nghiên cứu các đặc điểm động lực của trường sóng, người ta xét trường véc tơ dịch chuyển theo không gian và thời gian.
Các tham số được quan tâm là hình dạng sóng, biên độ, phổ tần số. Trong nhiều trường hợp, để đơn giản người ta không xét đầy đủ bản chất, hình dạng sóng mà chỉ xét đặc trưng thời gian của sóng như sự phân bố mặt sóng, thời gian, tốc độ…Các đặc trưng như vậy gọi là đặc điểm động hình học và việc nghiên cứu chúng dựa trên cơ sở địa chấn hình học. + Trường thời gian Khi gây dao động tại một điểm nào đó thì sẽ tạo ra sóng đàn hồi truyền trong môi trường. Khoảng không gian mà tại mỗi điểm của nó thời gian sóng đến hoàn toàn được xác định gọi là trường thời gian.
Xét điểm quan sát bất kỳ M(x,y,z), thời gian sóng đến điểm M là t(x,y,z), trường thời gian được xác định bởi phương trình t = t(x,y,z). Cũng như các trường vật lý vô hướng khác, trường thời gian được đặc trưng bởi mặt mức, đó là các mặt đẳng thời. Mặt đẳng thời trùng với mặt phân chia vùng dao động và vùng chưa dao động gọi là mặt sóng. Mặt ranh giới vùng dao động và vùng dao động đã tắt gọi là lưng sóng.
Ngoài mặt mức người ta còn sử 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dụng khái niệm tia sóng. Tia sóng là những đường thẳng góc với mặt đẳng thời và trùng với phương truyền sóng. Trong môi trường đồng nhất tia sóng là đường thẳng. Khi tiến hành phương pháp địa chấn, người ta quan sát sóng tại nhiều điểm khác nhau trên tuyến.
Tại các điểm quan sát, thời gian truyền sóng hoàn toàn được xác định. Người ta gọi đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian sóng đến và vị trí điểm quan sát là biểu đồ thời khoảng (BĐTK). Tốc độ truyền sóng quan sát được dọc theo tuyến quan sát gọi là tốc độ biểu kiến (v*) khác với tốc độ truyền sóng thực tính theo phương truyền sóng (Hình vẽ 1. Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v* Giả sử quan sát sóng theo tuyến x.
Thời gian sóng đến tại 2 điểm A và B cách nhau ∆x là t1 và t2. Ta có: v* = Nếu tia sóng đến hợp với mặt ranh giới góc α, tấc độ truyền sóng thực là: v= 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ∆s là quãng đường truyền sóng trong khoảng thời gian ∆t. Mối quan hệ giữa v* và v được xác định: v* = (1.4) Như vậy, khi sóng truyền theo bề mặt thì có v* = v, khi sóng đến thẳng góc với mặt ranh giới thì v* = + Các định luật cơ bản của địa chấn hình học: Để nghiên cứu các đặc điểm động hình học của trường sóng người ta cần áp dụng các định luật trong quang hình học như nguyên lý Huyghen – Fresnen, nguyên lý Fecma. Nguyên lý Huyghen- Fresnen: Theo nguyên lý này mỗi điểm của môi trường mà dao động sóng đạt tới có thể coi là nguồn phát sóng thứ cấp được xác định bởi biên độ và pha của nguồn thực.