Thăm Dò Điện Trở - Đồng hồ đo điện trở (Phần 1)

Thăm Dò Điện Trở - Đồng Hồ Đo Điện Trở (Phần 1)

Thăm dò điện trở (Resistivity survey), là một phương pháp của Địa vật lý Thăm dò, bố trí phát dòng điện vào đất đá và đo hiệu điện thế tại các vị trí thích hợp thông qua hệ thống các điện cực (gọi gọn là Hệ điện cực, Electrode array), từ đó thu được thông tin về phân bố điện trở suất thuần (Ohmic) của môi trường. Từ đó thực hiện phân tích giải đoán để xác định và phân chia đất đá theo thành phấn, tính chất và trạng thái của chúng.

Phương pháp được sử dụng cho lập bản đồ địa chất, tìm kiếm dầu khí, khoáng sản, tìm nước ngầm, khảo sát địa chất công trình, địa chất môi trường và tai biến tự nhiên, khảo cổ học, tìm vật chưa nổ (UXO)... trên đất liền và trên biển gần bờ.

Tại Việt Nam, nhiều dạng thực hiện trên mặt đất của phương pháp này được quy chuẩn trong TCVN 9432: 2012.

Lịch sử

Các dạng ban đầu của phương pháp điện trở được Conrad Schlumberger đưa ra từ năm 1912.

Ngày nay phương pháp điện chiếm vị trí hàng đầu trong các phương pháp thăm dò về tính phổ biến, rẻ về mức thông tin, đa dạng kiểu đo, và còn đang phát triển kiểu đo mới.

Nội dung phương pháp

Trong đo đạc truyền thống, thăm dò điện trở dùng nguồn điện dòng không đổi (DC), ví dụ các pin hòm (Batt.), phát dòng vào đất qua hai điện cực dòng A và B (có nước gọi là C1 và C2, Current), có Ampe kế đo dòng phát I. Tại điểm cần đo là hai điện cực thế M và N (có nước gọi là P1 và P2, Potential), và MiliVolt kế đo hiệu điện thế ∆U.

Vì dòng điện là không đổi, nên phân bố dòng và điện thế trong đất là quá trình dừng, tức là các phân bố này được xem xét giống như với trường tĩnh điện, khi biểu diễn bằng các đường dòng (Current Flow Lines) và mặt đẳng thế (Equipotential Surfaces) thì có dạng tương tự với đường dòng và mặt đẳng thế của các điện tích điểm, cũng như áp dụng Nguyên lý chồng chập để tính toán các phân bố này.

Gọi các khoảng cách giữa các điện cực là AM, AN, BM, BN, và nửa không gian vô hạn có điện trở suất ρ. Nếu đẩy các điện cực B và N ra cực xa (tốt nhất là ngược hướng nhau), ta sẽ đo được điện thế tại M của nguồn điểm A là U = (ρ I/2π)/AM. Đó là hệ cực Pol - Pol.

Đưa cực N lại gần M để lập ra lưỡng cực (Dipol) MN, thì hiệu điện thế đo được là ∆U = (ρ I/2π)[1/AM - 1/AN]. Đó là hệ cực Pol - Dipol.

Với đủ 4 cực, thì hiệu điện thế đo được là ∆U = (ρ I/2π) [1/AM - 1/AN - 1/BM + 1/BN].

Từ phép đo sẽ tính được điện trở suất ρ = K ∆U/I, trong đó K = 2π / [1/AM - 1/AN - 1/BM + 1/BN] cho trường hợp tổng quát, gọi là Hệ số thiết bị (Geometric Factor). Khi ∆U tính ra Volt, I tính ra Ampere, khoảng cách là mét, thì ρ là Ωm hay Ohm.m.

Trong môi trường thực điện trở suất thay đổi theo cả bề đứng và ngang. Kết quả đo và tính như trên cho ra điện trở suất biểu kiến ρa (Apparent Resistivity, trong các văn liệu ở Việt Nam trước đây hay dùng ρK theo tiếng Nga Кажущееся Сопротивление). Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy ρa phản ánh trung bình của khối đất đá đến độ sâu trong tầm trong tầm 1/3 khoảng cách giữa điện cực dòng và thế ngắn nhất. Khoảng cách này thường được gọi là Kích thước thiết bị, và độ sâu phản ánh gọi là Độ sâu khảo sát.

Từ đây chia ra hai phân nhóm chính của Thăm dò Điện trở:

Giữ nguyên Kích thước thiết bị và đo di chuyển dọc tuyến, gọi là đo mặt cắt (Profiling) để khảo sát đến tầm sâu có chủ đích.
Giữ nguyên vị trí đo và tăng dần Kích thước thiết bị để thu thập thông tin từ nông đến sâu, gọi là đo sâu (Sounding).

Ngày nay tại các nước phát triển không thực hiện dạng đo mặt cắt đơn thuần, mà chuyển sang rải nhiều cực và thực hiện dạng hợp của mặt cắt và đo sâu, và đặt tên là ảnh điện trở (Resistivity Imaging).

Các hệ điện cực thường dùng

Pol - Pol: Cả hai điện cực B và N đặt xa vô tận so với A và M.
Pol - Dipol: Điện cực B đặt ở nơi coi là xa vô tận so với các điện cực còn lại.
Wenner: Tất cả 4 điện cực nằm trên đường thẳng (A, M, N, B) cách đều nhau.
Schlumberger: Cả 4 điện cực nằm trên đường thẳng (A, M, N, B), nhưng cặp M và N gần sát nhau còn A và B thì cách xa chúng.
Dipol - Dipol: Khoảng cách giữa trung điểm của cặp điện cực A, B với M, N lớn hơn độ dài lưỡng cực AB hay MN nhiều lần. Các điện cực không nhất thiết phải nằm trên một đường thẳng.

Các nguồn nhiễu

Điện trường thiên nhiên: Do các hiệu ứng điện hóa trong đất sinh ra, giá trị có thể đến ±500mV. Nó là đối tượng quan sát của Thăm dò Điện trường thiên nhiên.
Hiện tượng nạp điện của đất đá (Chargeability): Do hiện tượng này mà lúc đóng/cắt dòng phát thì mức điện thế không thiết lập được ngay, phải đợi một vài giây mới đo được điện thế thật. Nó là đối tượng quan sát của Thăm dò Điện phân cực kích thích.
Điện thế phân cực tại điện cực: Do các hiệu ứng điện hóa sinh ra khi vật kim loại là điện cực đo cắm vào đất. Nó cộng vào điện trường thiên nhiên và hiện ra ở ngõ vào máy đo. Để giảm điện thế này, sử dụng điện cực đồng, hoặc bạch kim (Pt) như trong máy đo của IRIS Instruments (Pháp).
Dòng lang thang trong đất do cảm ứng với tác động của tầng điện ly và các hiện tượng điện từ khác. Nó là đối tượng quan sát của Thăm dò Điện từ Tellur.
Dò điện giữa các dây phát - thu - đất: Phải dùng dây có độ cách điện cao.
Nguồn cấp dòng phát I không ổn định: Cần tự khắc phục, trong đó có lau sạch các điện cực phát để tiếp địa tốt.

Xem Tiếp Về Máy Đo Thăm Dò Điện Trở - Đồng Hồ Đo Điện Trở (Phần 2)