ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRỊNH KIM TÂN

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH
TÀI LIỆU TỪ TELLUA

Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu
Mã số: 60 44 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN THÀNH VẤN

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2012


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Trái Đất, thuộc khoa
Vật lý - Vật lý Kỹ thuật của Trường ĐH KHTN, ĐHQG TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS. Nguyễn Thành Vấn.
Tôi xin gửi lời tri ân chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Thành Vấn đã
tận tình hướng dẫn tôi trên con đường nghiên cứu khoa học và hoàn thành tốt luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Lê Văn Anh Cường, các bạn công tác tại phòng
bộ môn Vật Lý Trái Đất đã giúp tôi hoàn thiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy: PGS. TS. Lê Quang Toại, TS. Nguyễn Ngọc
Thu, PGS.TS. Trần Văn Nhạc, PGS.TS. Trần Vĩnh Tuân, TS. Nguyễn Hồng Bàng và
PGS.TS. Lê Cảnh Đại và các thầy ở bộ môn Vật Lý Trái Đất đã truyền thụ cho tôi những

kiến thức trong lĩnh vực Vật lý nói chung và Địa Vật lý nói riêng.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQG TP. HCM, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật đã tạo điều kiện thuận
lợi để tôi hoàn thành luận văn của mình.
Con xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, người thân trong gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều
trong thời gian qua.

Trịnh Kim Tân


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các kí hiệu
Danh mục các hình vẽ
Danh mục các bảng
Mở đầu

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TỪ TELLUA...................................3
1.1. KHÁI NIỆM VỀ TRƯỜNG TỪ TELLUA .............................................................3
1.2. NHỮNG GIẢ ĐỊNH TRONG BÀI TOÁN CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP
TỪ TELLUA .............................................................................................................6

1.3. THIẾT BỊ ĐO VÀ CÁCH TIẾN HÀNH ĐO TỪ TELLUA ....................................7
1.3.1 CẢM BIẾN TỪ ................................................................................................8
1.3.2 CẢM BIẾN ĐIỆN ............................................................................................10
1.3.3 HỆ THỐNG THU DỮ LIỆU ...........................................................................12
1.3.4 LẮP ĐẶT MÁY MÓC VÀ XÂY DỰNG TUYẾN ĐO ..................................14
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỪ TELLUA ...............................................................17
1.4.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ TELLUA, ĐO MẶT CẮT TỪ TELLUA
VÀ BẢN ĐỒ DÒNG TỪ ................................................................................17
1.4.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP
ĐO MẶT CẮT TỪ BIẾN ĐỔI ........................................................................20
1.4.3 PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU ĐỊA TỪ ...............................................................22
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỪ TELLUA ..................................................23
2.1. PHƯƠNG PHÁP QUAY TEN XƠ TỔNG TRỞ .....................................................23
2.2. PHƯƠNG PHÁP THAM SỐ BÁT BIẾN ZS, ZP ....................................................25
2.2.1 PHÉP BIẾN ĐỔI CHUẨN ..............................................................................25
2.2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI PHỨC ..................................................................................26
2.2.3 TỔNG TRỞ NỐI TIẾP ....................................................................................28


2.2.4 TỔNG TRỞ SONG SONG ..............................................................................29
2.2.5 PHÉP BIẾN ĐỔI NỐI TIẾP - SONG SONG ..................................................30
2.2.6 PHÉP BIẾN ĐỔI NGƯỢC ..............................................................................32
2.3. PHƯƠNG PHÁP VÒNG MORH .............................................................................34
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TRỰC GIAO VÀ PHƯƠNG PHÁP TỪ BIẾN ĐỔI
3.1. PHƯƠNG PHÁP TRỰC GIAO ...............................................................................37
3.1.1 TÍNH TRỰC GIAO CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ PHÂN CỰC........................37
3.1.2 PHƯƠNG PHÁP TRỰC GIAO .......................................................................39
3.2. PHƯƠNG PHÁP TỪ BIẾN ĐỔI .............................................................................43
3.2.1 MA TRẬN WIESE-PARKINSON ..................................................................43
3.2.2 PHƯƠNG PHÁP VECTƠ CẢM ỨNG ...........................................................44

3.2.3 VECTƠ TỪ BIẾN ĐỔI PHA TỪ BIẾN ĐỔI
VÀ ĐỘ ELIP PHÂN CỰC TỪ .......................................................................50
CHƯƠNG 4. XỬ LÝ VÀ NHẬN XÉT ........................................................................54
4.1. VÍ DỤ .......................................................................................................................54
4.2. MÔ HÌNH ELIP ĐO TẠI 9 ĐIỂM ...........................................................................55
4.2.1 PHƯƠNG PHÁP TRỰC GIAO .......................................................................56
4.2.2 PHƯƠNG PHÁP VECTƠ CẢM ỨNG ...........................................................60
4.2.3 PHƯƠNG PHÁP VECTƠ TỪ BIẾN ĐỔI ......................................................61
4.3. MÔ HÌNH EKE ĐO TẠI 20 ĐIỂM..........................................................................65
4.3.1 PHƯƠNG PHÁP TRỰC GIAO .......................................................................66
4.3.2 PHƯƠNG PHÁP VECTƠ CẢM ỨNG ...........................................................69
4.3.3 PHƯƠNG PHÁP VECTƠ TỪ BIẾN ĐỔI ......................................................70
4.4. MÔ HÌNH ELIP MỞ RỘNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP Zs-Zp ...............................72
4.4.1 PHƯƠNG PHÁP VECTO CẢM ỨNG ...........................................................75
4.4.2 PHƯƠNG PHÁP TỪ BIẾN ĐỔI .....................................................................76
4.5. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỪ BIẾN ĐỔI VÀO PHÂN TÍCH
NAM KAMCHATKA VÀ ĐỨT GÃY KIROVAGRADSKI .................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ PHỤ LỤC


BẢNG CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT
MT : Magnetotelluric

: Từ tellua

EM : Electromagnetic

: Điện từ


GPS : Global Positioning System

: Hệ thống định vị toàn cầu

GDS : Geomagnetic deep sounding

: Đo sâu địa từ

A/D : Analogue-to-digital

: Kĩ thuật số tương tự

MTS : Magnetotelluric sounding

: Đo sâu từ tellua

MTP : Magnetotelluric profiling

: Mặt cắt từ tellua

TCM : Telluric current mapping

: Bản đồ dòng từ

MVS : Magnetovariation sounding

: Đo sâu từ biến đổi

MVP : Magnetovariational profiling


: Mặt cắt từ biến đổi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1:

Số liệu xử lý bằng phương pháp trực giao của mô hình 1

Bảng 2:

Số liệu xử lý bằng phương pháp trực giao của mô hình 2

Bảng 3:

Số liệu xử lý mô hình 1 bằng phương pháp vectơ từ biến đổi

Bảng 4:

Số liệu xử lý mô hình 2 bằng phương pháp vectơ từ biến đổi:

Bảng 5:

Số liệu đã xử lý bằng phương pháp trực giao của mô hình 3

Bảng 6:

Số liệu đã xử lý bằng phương pháp vectơ từ biến đổi của mô hình 3

Bảng 7:


Số liệu đã xử lý bằng phương pháp Zs-Zp

Bảng 8:

Số liệu đã xử lý bằng phương pháp từ biến đổi

Bảng 9:

Số liệu đã xử lý bằng phương pháp vectơ từ biến đổi của đứt gãy

Bảng 10:

Số liệu đã xử lý bằng phương pháp vectơ từ biến đổi Nam Kamchatka


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1:

Biểu đồ năng lượng phổ

Hình 1.2:

Từ kế Fluxgate

Hình 1.3:

Điện cực Ag-AgCl

Hình 1.4:


Ví dụ mô tả hiện tượng “aliasing” trong miền thời gian.

Hình 1.5:

Mô hình bố trí điểm đo

Hình 1.6:

Một số cách bố trí các điện cực

Hình 2.1:

Hệ trục quay

Hình 2.2:

Biểu diễn vòng Mohr

Hình 2.3:

Các tham số bất biến thực và ảo của vòng tròn Mohr.

Hình 3.1:

Elip phân cực trực giao a và liên hợp trực giao b

Hình 3.2:

Hệ trục quay


Hình 3.3:

Vectơ cảm ứng

Hình 3.4:

ˆ tương ứng với mô hình 2D, 3D và với tần số khác
Vectơ cảm ứng của W

nhau
Hình 3.5:

Vectơ cảm ứng đối với môi trường hai chiều

Hình 3.6:

Vectơ cảm ứng của môi trường ba chiều bất đối xứng

Hình 3.7:

Trường từ H τ⊥ phân cực elip

Hình 4.1:

Giãn đồ cực các thành phần Zxx, Zxy, Zyx, Zyy

Hình 4.2:

Phương pháp trực giao: (a) Elip E1, H1. (b) Elip E2, H2. (c) Elip E1, E2


Hình 4.3:

(a) Mô hình ba lớp với bất đồng nhất 3D gần mặt về độ dẫn điện, (b) Sơ
đồ điểm đo.

Hình 4.4:

Kết quả xử lý mô hình 1 và 2 bằng phương pháp trực giao

Hình 4.5:

Kết quả phân tích mô hình 1 và 2 bằng phương pháp vectơ cảm ứng

Hình 4.6:

Kết quả phân tích mô hình 1 và 2 bằng phương pháp vectơ từ biến đổi


Hình 4.7:

Pha từ biến đổi

Hình 4.8:

(a) khối eke 3D và tấm đệm 2D, (b) Sơ đồ điểm đo.

Hình 4.9:

Kết quả xử lý mô hình 3 bằng phương pháp trực giao


Hình 4.10:

Kết quả phân tích mô hình 3 bằng phương pháp vectơ cảm ứng

Hình 4.11:

Kết quả xử lý mô hình 3 bằng phương pháp vectơ từ biến đổi

Hình 4.12:

Pha từ biến đổi

Hình 4.13:

(a) khối elip 3D và tấm đệm 2D, (b) Sơ đồ điểm đo.

Hình 4.14:

Biểu diễn kết quả xử lý ZS (a) và ZP mô hình 4 (b)

Hình 4.15:

Biểu diễn kết quả xử lý bằng phương pháp vecto cảm ứng

Hình 4.16:

Biểu diễn kết quả xử lý bằng phương pháp từ biến đổi

Hình 4.17:


Biểu diễn kết quả xử lý bằng phương pháp pha từ biến đổi

Hình 4.18:

Kết quả phân tích đứt gãy

Hình 4.19:

Kết quả phân tích Nam Kamchatka với T2500s

Hình 4.20:

Kết quả phân tích Nam Kamchatka với T4900s

Hình 4.21:

Kết quả phân tích Nam Kamchatka với T10000s


1

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phương pháp từ tellua là một trong các phương pháp địa vật lý nghiên cứu bất đồng
nhất về tính chất điện của môi trường. Nghiên cứu địa chất khu vực và địa chất cấu tạo
tỉ lệ nhỏ để tìm các cấu tạo có triển vọng dầu mỏ, nghiên cứu cấu trúc sâu đứt gãy nói
chung và đứt gãy hoạt động nói riêng. Lát cắt điện có nền tựa điện trở suất cao với tầng
phủ dày có độ sâu từ vài chục mét đến hàng trăm kilômét là đối tượng thuận lợi cho
các phương pháp từ tellua. Các phương pháp này đặc biệt có hiệu quả ở các vùng mà

trong lát cắt điện có tồn tại màn chắn điện trở suất thấp ngăn dòng điện một chiều.
Nhưng để đạt được kết quả cao hơn cần phải cải tiến việc tính toán trong từng phương
pháp và đánh giá các mối liên hệ giữa các phương pháp với nhau. Sự phát triển và hoàn
thiện của các phương pháp từ tellua đưa đến những kết quả thú vị trong việc nghiên
cứu hành tinh – trái đất và việc ứng dụng các phương pháp này ngày càng được đánh
giá đúng mức hơn. Do đó, đề tài nghiên cứu: “PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH
TÍNH TÀI LIỆU TỪ TELLUA” được đặt ra nhằm tìm hiểu và đánh giá việc sử dụng
các phương pháp từ tellua hiện nay.
2. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn
Mục tiêu của đề tài là trình bày và xem xét lý thuyết của một số phương pháp từ
tellua thông qua các bất biến. Dựa trên các phương pháp này để nghiên cứu bất đồng
nhất về tính chất điện trên mô hình hai chiều, ba chiều, sau đó đưa ra các nhận xét và
kết luận.
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Việc áp dụng phương pháp từ tellua có tính định hướng và tổng quát cao đã được
thực hiện từ lâu và đem lại những kết quả quan trọng trong công tác nghiên cứu cấu
trúc lớn sâu trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Do đó, hiệu quả ứng dụng
của các bất biến trong phương pháp đã thể hiện được tính thực tiễn cao của đề tài.
4. Bố cục của luận văn


2

Luận văn được trình bày 84 trang bao gồm:
Mở đầu: phần giới thiệu chung về luận văn.
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan từ Tellua.
- Chương 2: Các phương pháp từ Tellua.
- Chương 3: Phương pháp trực giao và phương pháp từ biến đổi.
- Chương 4: Xử lí và nhận xét.
Kết luận: Trình bày những nội dung làm được và một số nhận xét.

Với điều kiện nghiên cứu trong nước, mặc dù chúng tôi đã cố gắng tận dụng mọi
khả năng và điều kiện để có thể giải quyết tốt nhất những nhiệm vụ đặt ra, nhưng do
yếu tố khách quan hay chủ quan, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, chúng tôi mong
muốn nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp.


3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TỪ TELLUA
Thăm dò từ tellua được Louis Cagniard công bố năm 1953 (viết tắt MT), các
công trình song song tiến hành ở Liên Xô bởi A.N.Tikhonov (1950 và 1965). Ông xác
định rằng tại một điểm cho trước, các trường từ tellua (trường điện từ tự nhiên) có
những biến thiên tương quan theo thời gian. Từ quan hệ này, phương pháp MT cho biết
điện trở suất của tầng đất bên dưới cho tới những độ sâu có thể là lớp trên của manti.
Những biến thiên trường điện từ này có nguồn gốc là sự nhiễu loạn của tầng ion hay
điện ly gây ra bởi hoạt động mặt trời và dòng điện do những cơn bão từ tạo ra.
Trong phương pháp từ tellua người ta quan tâm đến sự lan truyền sóng điện từ
phẳng trong Trái đất; sau đó đo đạc những thành phần của trường điện, trường từ và
mối quan hệ tuyến tính của chúng qua tenxơ tổng trở Zˆ ; Zˆ là một ma trận phức trong
vùng tần số.
1.1. Khái niệm về trường từ Tellua
Thuật ngữ trường từ Tellua dùng để chỉ thành phần biến đổi của trường địa từ
(Tellus tiếng Latinh có nghĩa là Trái Đất). Nguồn gốc của trường này liên quan đến sự
tương tác giữa các dòng hạt tích điện (plasma) từ mặt trời phóng vào quyển địa từ. Các
dòng hạt này tập trung chủ yếu ở các vùng gần từ cực, làm tầng điện ly của khí quyển
trái đất mất cân bằng: các các dòng xoáy xuất hiện trong tầng điện ly bức xạ sóng điện
từ và truyền xuống đất.
Biến thiên của trường điện từ của trái đất có phổ tần rất rộng. Người ta quan sát

được các biến thiên yên tĩnh cho chu kỳ trùng với ngày đêm theo mặt trời và các nhiễu
động á toàn hoàn có chu kì ngắn hơn. Để phục vụ mục đích thực tiễn, trong địa vật lý
người ta sử dụng nhiều nhất loại nhiễu động từ chu kỳ ngắn từ một phần giây đến vài
phút.


4

Hình 1.1: Biểu đồ năng lượng phổ
“ Đặc tính 1/f” của biến thiên từ tự nhiên, tín hiệu chu kì ngắn được sinh ra do
sự tương tác giữa các dòng trong tầng điện li của Trái Đất, ngược lại tín hiệu chu kì dài
được sinh ra do ảnh hường của gió Mặt Trời lên từ quyển. Phổ tại những chu kì khoảng
chừng 105s là điều hòa trong biến thiên yên tĩnh ngày Mặt Trời (Sq). Biểu đồ được
lồng vào minh họa sự suy giảm cường độ tín hiệu (|B2|) trong “dải chết”(dead-band)
Phương pháp thăm dò từ tellua (MT) là một phương pháp thăm dò điện từ (EM)
tự nhiên. Phương pháp này tiến hành trên cơ sở lý thuyết điện từ và bằng cách đo đạc
sự dao động của trường điện E và trường từ B trong tự nhiên, trên những phương trực
giao tại bề mặt của Trái Đất. Phương pháp này cho ta biết được cấu trúc điện trở suất
của tầng đất bên dưới từ độ sâu vài chục mét đến vài trăm kilomet, những độ sâu có thể
là lớp trên của manti.
Trong thực tế, ngoài những quan niệm về tham số (chẳng hạn như độ dẫn điện),
phương pháp MT khác hẳn với những phương pháp địa điện nhân tạo. Bên cạnh đó,
phương pháp MT có mối liên quan mật thiết với các phương pháp đo sâu địa từ (GDS)


5

được phát triển vào cuối thế kỷ 19, sau khi Schuster và Lamb chứng minh sự tồn tại
của trường từ biến thiên có nguồn gốc từ sự cảm ứng. Họ đã áp dụng phương pháp toán
học, được phát minh bởi Gauss (1839), để tách trường từ biến thiên có nguồn gốc bên

trong Trái đất khỏi những biến thiên của trường từ có nguồn gốc bên ngoài Trái đất từ
những dữ liệu của đài quan địa từ, và đã phát hiện ra những thành phần đặc biệt bên
trong. Trong những năm 1950, Tikhonov và Cagniard nhận ra rằng nếu sự biến thiên
trường điện và trường từ được xác định đồng thời, những tỉ số phức (các tổng trở) có
thể được tìm thấy và nó mô tả sự thâm nhập của trường điện từ vào bên trong Trái đất.
Độ xuyên sâu của trường điện từ vào trong Trái đất phụ thuộc vào chu kỳ truyền sóng
điện từ và cấu trúc dẫn điện của Trái đất. Đây là nền tảng của phương pháp MT.
Lúc ban đầu phương pháp phương pháp thăm dò từ tellua vô hướng, được đề
nghị bởi Cagniard (1953 và 1965) để ghi nhận lại tại một trạm cô lập những biến thiên
theo thời gian của một thành phần nằm ngang của trường từ tellua và của thành phần từ
vuông góc (Wait, 1962; Ward, 1967), như vậy người ta sử dụng từ ngữ “MT cho 2
thành phần”. Từ đó người ta đưa ra khái niệm về một trở kháng phức (tenxơ trở kháng)
cho những chu kì được tính từ tỉ số trung bình giữa thành phần điện và thành phần từ
liên kết. Cũng từ đó người ta định nghĩa điện trở suất biểu kiến và độ lệch pha cho
cùng những chu kì này. Việc phân tích được tiến hành dựa vào những palet, những
đường cong biểu diễn những biến thiên của điện trở suất biểu kiến và của pha (độ lệch
pha giữa trường điện và trường từ) theo chu kì, được biểu diễn dưới dạng 1D hay dạng
cấu trúc nằm ngang, cho biết sự phân bố điện trở suất thật theo chiều sâu. Tuy nhiên
phương pháp này chỉ áp dụng tốt với những cấu trúc nằm ngang. Thực vậy bất kì dị
thường nào của điện trở suất ở lân cận điểm đo, bất kì một bề mặt nào tiếp xúc không
nằm ngang giữa hai thành tạo địa chất (bao gồm cả bề mặt của đất) đều dẫn tới những
sai lệch khi áp dụng phương pháp này. Nhiều công trình đo ba và năm thành phần
trường điện từ đã cho phép phương pháp thăm dò MT được áp dụng để nghiên cứu bất
đồng nhất hai chiều (2- D) và (3-D). Người ta cũng tìm cách để cải thiện việc xử lý các


6

dữ liệu, đặc biệt là trong việc sử dụng trạm đo xa để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu của
điểm đo tại chỗ.

Như vậy phương pháp MT với hệ quy chiếu từ xa đã được thực hiện với năm
thành phần của trường MT (Ex, Ey, Hx, Hy, và Hz) được ghi nhận đồng bộ ở các trạm
với những thành phần quy chiều tại một trạm ở xa. Khi thay đổi tần số, những thành
phần được liên kết với nhau bởi những tenxơ quan hệ, và tính được các trở kháng khác
nhau (Zij) cùng hàm chuyển dời xung (Wij).
Nhiều công trình nghiên cứu về tenxơ trở kháng, Groom và Bailey (1998) đã
chứng minh rằng người ta có thể cắt một cấu trúc bất kì (hay một tập hợp cấu trúc) dù
nó rất phức tạp, thành một họ hay một hệ cấu trúc 3-D địa phương và những cấu trúc 2D khu vực, bằng cách tách các tenxơ trở kháng thành tích các tenxơ.
Ảnh hưởng của những vật 3-D có kích thước nhỏ ở gần bề mặt gây ra những
biến thiên hoàn toàn không có ích gây phức tạp cho việc phân tích những cấu trúc sâu.
Ngày nay chúng ta đã được nhiều tiến bộ trong việc hiệu chỉnh lại những ảnh hưởng
của những dị thường gần bề mặt nhờ vào các phương pháp gián tiếp. Những cải tiến về
kĩ thuật này chủ yếu là thực hiện các phép đo bổ sung, ví dụ bởi sự thăm dò điện từ
chuyển tiếp ở những nơi mà đường cong điện trở suất ρ xy và ρ yx song song ở tần số
cao (ảnh hưởng tĩnh xảy ra bởi những tần số thấp đi đôi với những cấu trúc sâu) trong
khi những đường cong về pha thì chồng khớp lên nhau.
1.2. Những giả định trong bài toán cơ sở của phương pháp từ Tellua
Để tính được hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trên Trái Đất, người ta đưa ra
một số giả thuyết đơn giản:
(i) Hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa các thành phần của trường
điện từ được tuân theo.
(ii) Trái Đất không sinh ra năng lượng điện từ, mà chỉ làm hao phí hoặc hấp thu
nó. Trái đất có tính chất như là một vật dẫn, điện tích được bảo toàn theo phương trình
của định luật Ohm.


7

j = σE


(1.1)

Ở đây j là mật độ dòng điện tổng cộng (Am-2 )
σ là độ dẫn điện của môi truờng (Sm-1)
E là cuờng độ điện truờng(Vm-1)
(iii) Tất cả các trường đều có thể nghiên cứu được bằng cách phân tích tỉ mỉ từ
những nguồn của chúng
(iv) Trường của nguồn điện từ tự nhiên được sinh ra bởi phần lớn dòng điện ở
tầng điện ly, cách xa bề mặt trái đất, tức là đới sóng của nguồn. Khu vực nghiên cứu
thường bé so với trái đất và khoảng cách đến nguồn, trong khu vực như vậy trường có
thể xem là đồng nhất. Sóng truyền đến Trái Đất là sóng phẳng đồng nhất và thẳng
đứng, độ dẫn của đất rất lớn so với không khí nên sóng khúc xạ vào đất phải truyền
thẳng đứng. Lúc đó bản đồ đẳng trị của cường độ điện trường sẽ có cùng dạng với bản
đồ đẳng trị của mặt tầng dẫn điện. Giả thuyết này có thể không chính xác đối với vùng
cực và vùng gần xích đạo
(v) Không có sự tích điện tự do được duy trì liên tục trong phạm vi từng lớp đất.
Trong cấu trúc nhiều lớp đất, điện tích có thể không tích tụ dọc theo những vùng phân
cách. Điều này sinh ra hiện tượng cảm ứng sớm hay còn được biết như là hiện tượng
dịch chuyển tĩnh.
(vi) Sự dịch chuyển trường điện gần như là không thay đổi đối với những chu kì
đo sâu MT. Vì thế, biến thiên thời gian của dòng dịch chuyển (sinh ra bởi sự phân cực)
thì không đáng kể so với sự chênh lệch thời gian của những dòng dẫn, điều này đẩy
mạnh việc nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ trong Trái Đất giống như là quá
trình truyền sóng.
(vii) Một số thay đổi về hằng số điện môi và độ thẩm từ của lớp đất đá được
nghiên cứu không đáng kể so với sự thay đổi của tính dẫn của lớp đất đá.
1.3. Thiết bị đo và cách tiến hành đo từ Tellua
Mỗi trạm đo MT thường gồm có những thiết bị sau:



8

- Một datalogger (hệ thống thu dữ liệu)
- Một từ kế Fluxgate và ba cuộn cảm từ
- Bốn điện cực
- Bốn cuộn cáp tellua
- Một cuộn cáp từ kế và 3 cuộn cáp của cuộn cảm từ
- Một cọc kim loại đóng xuống đất
- Một máy GPS
- Nguồn năng lượng để máy móc hoạt động ( chẳng hạn như pin)
Ngoài ra, thường thì có một máy tính nhỏ được mang theo để tải dữ liệu về từ
datalogger và xử lý dữ liệu. Thêm vào vào đó, có một số đồ phụ tùng được mang theo
trong suốt quá trình đo để bảo dưỡng những trạm đo MT: compa, thước dây, ống nivo,
dây cáp dữ trữ, dụng cụ đào bới, ổ lưu dữ liệu, pin dữ trữ, bộ nạp pin, dây bảo vệ,…
Từ những định nghĩa về độ xuyên sâu:
p=

2

μ 0σω

(1.2)

chúng ta có thể ước lượng miền chu kì kết hợp với độ sâu thực tế của công tác
khảo sát, với điều kiện ước lượng được độ dẫn dưới mặt đất. Dĩ nhiên độ dẫn điện
không biết được chính xác cho đến khi chúng ta đã thực hiện, nhưng mục đích của việc
chuẩn bị cho công tác khảo sát trường là chúng ta cần chấp nhận một môi trường giả
định. Chú ý rằng môi trường giả định không có thật, chỉ dùng để xác định cảm biến
thích hợp cho phép đo, và sẽ được thay thế bằng một mô hình phức tạp hơn khi đã thu
được số liệu.

1.3.1. Cảm biến từ
Có hai dạng cảm biến từ chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu MT: cuộn cảm
và từ kế Fluxgate. Cuộn cảm thường gồm có 1 cuộn dây bằng đồng quấn quanh 1 lõi
bằng chất có độ từ thẫm cao, được bọc 1 lớp vỏ chống sốc. Xếp 3 cuộn cảm ứng quanh
ống nivo (1 ống nhỏ bằng thủy tinh đổ đầy nước bên trong có 1 bọt khí nhỏ dùng để


9

thử xem 1 cái gì đó có nằm ngang không) và 1 cái la bàn dành cho việc xắp xếp
phương của các cuộn dây để có thể đo được cả 3 thành phần của trường từ trong những
thời điểm khác nhau. Điện áp đầu ra của các cuộn cảm tỷ lệ chính xác với với số vòng
của cuộn dây và tiết diện của nó. Việc thiết kế các cuộn dây sao cho phù hợp với công
tác khảo sát MT ngoài trời (về cân nặng và kích thước) và độ nhạy. Sự hưởng ứng của
một cuộn cảm chịu ảnh hưởng bởi độ biến thiên của từ thông gửi qua cuộn dây, nó
ngay lập tức tỷ lệ chính xác với dB/dt, độ nhạy của cuộn dây cao nhất khi trường biến
thiên nhanh (chu kì ngắn).
Từ kế Fluxgate (hình 1.2) nói chung gồm có ba cảm biến hình tròn (thành phần
tạo nên mỗi cảm biến gồm hai lõi bằng vật liệu dễ bão hòa, có độ từ thẫm cao, những
cuộn dây kích thích được xếp đối xứng tiếp xúc đồng trục, đặt lên trên 1 tấm kim loại
sao cho trục của chúng trực giao với nhau và đặt trong một vỏ bọc không thấm nước để
có thể chôn xuống đất. Thông thường cấu tạo từ kế thường bao gồm một ống nivo để
đảm bảo tấm kim loại nằm ngang trên mặt đất và một máy xoay để có thể dễ dàng định
hướng. Từ kế Fluxgate dựa vào nguyên lý của hiện tượng trễ từ (hiện tượng xảy ra khi
lõi của cảm biến được truyền động đến độ bão hòa bởi những dòng qua lại trong cuộn
dây bao quanh). Chu kì trễ từ sinh ra một đầu ra nhạy với cường độ biến thiên của từ
trường kích thích.
Việc lựa chọn thiết bị sử dụng trong khảo sát thực tế nên dựa vào việc tính toán
độ sâu khảo sát: công tác nghiên cứu vỏ Trái Đất, sử dụng cuộn dây cảm ứng từ thường
xuyên, lấy mẫu nhanh chóng và luôn xử lý số liệu trong trường khảo sát. Từ kế

Fluxgate ghi được ở những chu kỳ dài hơn so với những cuộn dây cảm ứng, và được sử
dụng khi cần khảo sát ở những độ sâu lớn. Trong một số trường hợp ta cần có cả những
dữ liệu từ những phép đo ở chu kì ngắn lẫn chu kì dài thì tại các điểm đo ta sử dụng kết
hợp cả hai loại cảm biến.


10

Hình 1.2: Từ kế Fluxgate
1.3.2. Cảm biến điện
Sự dao động của điện trường được xác định bằng cách đo hiệu điện thế U
giữa từng cặp điện cực, một cặp điện cực được nối với nhau bằng dây cáp tạo thành các
lưỡng cực và được đóng xuống đất cách nhau một khoảng d đã biết, d khoảng từ 10100m:
E=

U
d

(1.3)

Ta cần có hai lưỡng cực để xác định hai thành phần nằm ngang của
trường điện. Những lưỡng cực này được bố trí trực giao với nhau, với một lưỡng cực
định hướng theo phương Bắc-Nam của từ trường, cái còn lại định hướng theo phương
Đông-Tây. Những cái đinh thép cũng đủ để tạo thành những điện cực cho những phép
đo từ tellua tần số cao; nhưng đối với những phép đo chu kì dài ta cần dùng những điện
cực không phân cực, trong những điện cực này quá trình điện ly (quá trình này làm


11


giảm hiệu điện thế đo được) bị hạn chế tới mức thấp nhất có thể. Những điện cực
không phân cực thì thường được cấu tạo từ một bình xốp chứa kim loại (chẳng hạn như
[Ag]) và muối của những kim loại đó (chẳng hạn như [AgC])

Junge (1990) đã sửa lại điện cực MT chứa Ag-AgCl dùng để đo đáy đại
dương của Filloux (1973,1987) để dùng trong những phép đo với chu kì dài trên mặt
đất. Trong thiết kế này, môi trường đại dương được mô phỏng bằng một dung dịch KCl
bão hòa, và liên kết điện giữa dung dịch KCl bão hòa và mặt đất là một màng chắn
bằng gốm (hình 1.3). Dụng cụ này được dùng cho việc đo đạc MT đối với miền chu kì
của biến thiên ngày. Trong lúc ghi số liệu, một vấn đề quan trọng là không được để các
điện cực chịu sự biến thiên nhiệt độ làm kéo dài chu kỳ khảo sát. Trong một số trường
hợp đòi hỏi cao, khi phải đo sự biến thiên ngày đêm của trường điện, đầu dưới của điện
cực nên được chôn sâu xuống đất 50cm. Độ sâu 50cm gấp hai lần độ xuyên sâu của
sóng nhiệt có chu kì một ngày, do đó biên độ của biến thiên nhiệt ngày giảm so với giá
trị của nó trên mặt đất.


12

Một số nhà thực địa MT ủng hộ việc sử dụng đất sét ẩm để làm điện cực
trong lỗ khoan để cho việc tiếp xúc trở nên thuận tiện hơn giữa các điện cực và đất.
Phương pháp này không áp dụng cho phép đo MT đối với chu kì dài, bởi vì đất sét bị
khô phía bên ngoài trong khoảng thời gian đo, gây nên hiệu điện thế.
1.3.3. Hệ thống thu dữ liệu
Có một số hệ thống dùng để thu dữ liệu khác hay còn gọi là “dataloggers”
được dùng trong địa vật lý, một số trong số đó được thiết kế đặc biệt để phù hợp với
việc nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ. Điều đáng quan tâm nhất là tốc độ lấy
mẫu dữ liệu của datalogger, phân tích tín hiệu và dạng và kích cỡ của bộ nhớ dữ liệu.
Để xác định tốc độ lấy mẫu (tức là chuỗi thời gian điện từ cần cho việc
lấy mẫu), chúng ta cần phải hiểu nguyên lý và quy trình lấy mẫu. Nguyên tắc lấy mẫu

được phát biểu như sau: nếu ta lấy mẫu chuỗi thời gian trong khoảng Δ t ,chuỗi số liệu
thời gian tương ứng mô tả những tín hiệu có chu kì dài hơn 2 Δ t (được gọi là chu kì
Nyquist, TNY), trong khi đó chu kì thấp hơn 2 Δ t không được lấy mẫu, và gây nên tín
hiệu nhân tạo có tần số thấp (có thể tín hiệu thực tế có tần số cao hơn) trong chuỗi số
liệu thời gian. Sự sai lệch của chuỗi số thời gian do những tần số không được lấy mẫu
gọi là “aliasing” và là yêu cầu quan trọng cho việc thiết kế datalogger. Một ví dụ đơn
giản cho aliasing được biểu diễn trong hình 1.4, trong đó tín hiệu sin được lấy mẫu
trong những khoảng thời gian đều đặn dài hơn nửa chu kì của tín hiệu gốc. Bởi vì lấy
mẫu thưa thớt cho nên tín hiệu không thể được khôi phục từ những dữ liệu mẫu. Thay
vào đó tín hiệu tái lập có bước sóng dài hơn tín hiệu gốc. Nếu T0 là chu kì ước lượng
ngắn nhất, và Δ t là tốc độ lấy mẫu, chúng ta đặt ra yêu cầu rằng Δt ≤
ta lấy Δt ≤

T0
. Trong thực tế
2

T0
. Nếu bộ nhớ dữ liệu rẻ và có sức chứa cao, Δ t ngắn hơn cũng có thể
4

được sử dụng kết hợp với một bộ lọc tương tự.


13

Hình 1.4: Ví dụ mô tả hiện tượng “aliasing” trong miền thời gian.
Những chấm trên hình là dữ liệu số mà ta ghi được. Trên hình:
--------: Tín hiệu gốc
: Tín hiệu khôi phục lại từ những điểm dữ liệu

Để biết chắc rằng ta cần dùng đến máy chuyển đổi A/D (analogue-todigital converter) 16 bit hay 24 bit thì chúng ta cần tính đến việc xử lý mẫu. Nếu chúng
ta sử dụng máy chuyển đổi A/D 16 bit, tỷ lệ giữa biên độ lớn nhất mà hệ thống có thể
điều khiển với biến thiên nhỏ nhất mà nó có thể phân tích là 216 = 65536. Trong
trường hợp hệ thống MT chu kì dài, biến thiên từ lớn nhất là bão từ, và bình thường thì
nó không vượt quá ± 500 nT. Cho nên máy khuyếch đại của từ kế Fluxgate được thiết
kế sao cho 65536 tương ứng với 1000 nT, tức là đơn vị đếm nhỏ nhất là “1” thì tương
đương với 1000nT/65536 = 15,2588 pT. Đơn vị đếm nhỏ nhất này là sự thay đổi nhỏ
nhất của từ trường mà hệ thống thu dữ liệu với máy đổi A/D 16 bit có thể ghi được. Dù
vậy cũng có một số lợi ích khi sử dụng máy chuyển đổi A/D 24 bit thay vì máy đổi
A/D 16 bit phụ thuộc vào mức độ nhiễu của từ kế Fluxgate. Nếu như nhiễu của từ kế
Fluxgate thấp hơn 15pT đáng kể, khi đó máy đổi A/D 24 bit có thể giúp thay điểm bắt


14

đầu phân tích của hệ thống vào khoảng độ lớn biến thiên từ thấp hơn. Mặt khác, việc
gia tăng độ nhạy của hệ thống đối với tín hiệu tự nhiên sẽ hạn chế nhiễu của từ kế
Fluxgate.
Trong việc xác định cách phân tích mẫu, ta chỉ cần quan tâm đến sự biến
thiên của từ trường.điều này cho thấy rằng chúng ta cần bù thêm từ trường chính của
Trái Đất trước khi khuyếch đại. Phần bù này được thực hiện bằng cách đưa một điện áp
ổn định tương đương với điện áp do từ trường chính của Trái đất đóng vai trò là một
cảm biến sinh ra – bên kia tương tự một mạch phản hồi và trừ điện thế này từ đầu ra
của cảm biến trước khi khuyếch đại. Những điện thế cùng loại với lớn hơn của biến
thiên điện trường cũng được bù theo cách này. Việc duy trì điện thế bù ổn đinh được
quyết định bởi hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng này làm thay đổi điện trở suất của điện trở
trong mạch tương tự chỉ khoảng 0,01%, sẽ gây nên một từ trường ảo khoảng
50000/10000 = 5nT, từ trường ảo này có thể sánh với biến thiên từ trong tự nhiên.
Cuối cùng, chúng ta cần coi rằng dạng của ổ nhớ được sử dụng cho dữ
liệu số, và khả năng lưu trữ cần có được của nó. Khi chúng ta đã xác định được tốc độ

lấy mẫu, ta xác định khả năng lưu trữ cần có, nó sẽ phụ thuộc vào khoảng thời gian ghi
được. Nói chung, chúng ta nên tập trung để đạt được ít nhất là một trăm mẫu tại chu kì
khảo sát. Một cách lý tưởng, chúng ta có thể sẽ cần đến một ổ nhớ dữ liệu có thể lưu
trữ liệu từ khoảng hai mươi ngày trở lên và năm kênh (ba thành phần của trường từ, và
hai thành phần của trường điện).
1.3.4. Lắp đặt máy móc và xây dựng tuyến đo
Một số các tín hiệu trong các phép đo trường điện từ tương ứng với các
dao động không phải do hiện tượng cảm ứng hoặc là do các nguồn cảm ứng địa
phương (nghĩa là những cảm ứng ngắn tỷ lệ với chiều dài có thể so sánh với độ sâu lớp
da mà ta quan tâm) có thể được tính là nhiễu. Dịch chuyển tĩnh và hệ thống dòng (là sự
tập trung của các dòng cảm ứng trong các cấu trúc kéo dài có độ dẫn điện cao) có thể
được coi như là sự biểu thị của nhiễu xuất hiện do sự phức tạp là không đồng nhất của


15

Trái đất. Thêm vào đó các nguồn nhiễu được coi là từ bên ngoài đến Trái Đất có ba
dạng :
™ Các tác động bởi con người
™ Các tác động bởi môi trường
™ Các tác động bởi thiết bị như cảm biến...
Việc chọn vị trí để đặt máy đo cũng phải quan tâm tới một số điều kiện để
hạn chế nhiễu. Cách bố trí mày đo được biểu diễn trong hình 1.5:

Hình 1.5: Mô hình bố trí điểm đo


16

Hình 1.6: Một số cách bố trí các điện cực

Điểm đo được đặt tránh xa các khu dân cư để tránh những nhiễu sinh ra
do sự phát triển của hệ thống đường dây điện. Bên cạnh đó người ta cũng chọn những
điểm đo cách xa đường lộ ít nhất 20m có nền đá móng chắc để tránh nhiễu phát sinh do
việc di chuyển của con người gây rung động mặt đất gây ra sự biến thiên hiệu điện thế
giữa điện cực và mặt đất. Thêm vào đó người ta chôn các datalogger và các điện cực
dưới đất hoặc để dưới bóng cây để tránh sự biến thiên nhiệt độ môi trường.Từ kế
Fluxgate hoặc những cuộn cảm nên được chôn cách xa datalogger ít nhất 5m. Chúng ta


17

đưa ra một nguyên tắc về khoảng cách giữa các điểm đo: không quá gần cũng như
không quá thưa thớt. Việc khảo sát trường mang lại lợi ích kinh tế thông thường chú
trọng đến việc sao cho số lượng điểm đo là nhiều nhất, trong khi đó việc khảo sát khoa
học nhắm mục tiêu phân tích chi tiết những dữ liệu tốt từ những điểm đo riêng lẻ cần
giữ điểm đo trong một khoảng thời gian dài hơn.
Trong khi các nhà địa chất học thường sắp xếp các điểm thu địa chấn trên
1 mạng lưới, thì nhìn chung hầu hết MT vẫn được tập trung vào việc rút ra dữ liệu dọc
theo 1 tuyến đo. Tuy nhiên một số nghiên cứu về việc dùng mạng lưới MT hiện nay đã
có kết quả (thí dụ Simpson, 2001b; Bahr and Simson, 2002; Leibecker và nhiều người
khác, 2002), những kết quả này không thể thu được khi sắp xếp các điểm đo dọc theo 1
tuyến đơn lẻ. Dữ liệu của mạng lưới đã được chứng minh là đặc biệt có ích cho việc
hạn chế tính bất đẳng hướng điện. Những lợi thế khác của số liệu của mạng lưới MT là
nó có thể sử dụng để tính toán hàm chuyển đổi của phương pháp đo sâu địa từ (GDS)
mà không tốn thêm chi phí. Kết hợp giữa việc giải thích MT và hàm chuyển đổi của
phương pháp GDS sẽ đưa ra cách hạn chế tốt hơn so với cách giải thích cơ bản chỉ
dùng hàm chuyển đổi MT.
1.4. Các phương pháp đo từ Tellua
Trong những năm qua, nhiều phương pháp hiệu quả và thiết thực cho các khảo sát
trong lĩnh vực từ tellua đã được phát triển. Một số phương pháp tiếp cận cơ bản khảo

sát lĩnh vực khác nhau đã được giới thiệu: đo sâu từ tellua (MTS), đo mặt cắt từ tellua
(MTP), bản đồ dòng từ (TCM), đo sâu từ biến đổi (MVS), đo mặt cắt từ biến đổi
(MVP), đo sâu địa từ (GDS), đo sâu toàn diện. Bây giờ chúng tôi sẽ tóm tắt sơ lược về
các phương pháp này:
1.4.1. Phương pháp đo sâu từ tellua, đo mặt cắt từ tellua và bản đồ dòng từ
Các phương pháp từ tellua chuẩn hóa trên đất bao gồm việc ghi lại năm
thành phần trường từ tellua Ex, Ey, Hx, Hy, và Hz (Ez được coi là không tồn tại trên bề
mặt của trái đất) đồng thời tại một hoặc một số địa điểm. Hệ thống cảm biến trường