§ç Tö CHUNG¹, §OµN THÕ HïNG²

I. NGUY£N Lý C¥ Së CñA PH¦¥NG PH¸P CéNG H¦ëNG Tõ PROTON

Céng h­ëng tõ proton (PMR - Proton Magnetic Resonance), cßn gäi lµ céng h­ëng tõ h¹t nh©n (NMR - Nuclear Magnetic Resonance), lµ tÝnh chÊt cña nguyªn tö hydro ph¸t sinh tr­êng tõ thø sinh khi cã t¸c ®éng cña tr­êng tõ biÕn ®æi trong mét tr­êng tõ tÜnh.

HÇu hÕt c¸c nguyªn tö hydro d­íi mÆt ®Êt ®Òu n»m trong c¸c ph©n tö n­íc, do vËy qua viÖc x¸c ®Þnh sè nguyªn tö hydro cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc hµm l­îng n­íc. T×m kiÕm n­íc b»ng ph­¬ng ph¸p PMR cã thÓ coi lµ ph­¬ng ph¸p trùc tiÕp, c¸c ph­¬ng ph¸p ®Þa vËt lý th«ng th­êng kh¸c (tõ, ®iÖn, ®Þa chÊn...) chØ cho c¸c th«ng tin gi¸n tiÕp vÒ cÊu tróc hoÆc c¸c tham sè vËt lý cña ®Êt ®¸.

Trong ph­¬ng ph¸p PMR, cã 3 thµnh phÇn tr­êng cÇn ®­îc nghiªn cøu:

1. Tr­êng tõ Tr¸i ®Êt, biªn ®é ®­îc x¸c ®Þnh qua tÇn sè tuÕ sai cña proton.

2. Tr­êng kÝch thÝch, ph¸t sinh bëi dßng ®iÖn trong khung d©y trªn mÆt ®Êt ë tÇn sè b»ng tÇn tuÕ sai (tÇn sè Larmor).

3. Thµnh phÇn tr­êng phôc håi sinh ra do c¸c proton bÞ kÝch thÝch tr­íc ®ã. Biªn ®é tr­êng phôc håi ®­îc ®o trªn mÆt ®Êt ngay sau khi ng¾t dßng kÝch thÝch cã liªn hÖ trùc tiÕp víi sè proton bÞ kÝch thÝch, tøc lµ cã quan hÖ trùc tiÕp víi hµm l­îng n­íc.

II. C¸C BIÓU THøC C¥ B¶N CñA PH¦¥NG PH¸P CéNG H¦ëNG Tõ PROTON (PMR)

1. TÇn sè tuÕ sai cña proton liªn hÖ víi tr­êng tõ Tr¸i ®Êt H_o qua biÓu thøc:

2. Sù suy gi¶m cña tr­êng tõ phôc håi sinh ra bëi c¸c proton sau khi ng¾t dßng kÝch thÝch ®­îc biÓu diÔn qua biÓu thøc sau:

3. BiÓu thøc cña ®iÖn thÕ phôc håi ®o ®­îc trªn bÒ mÆt ngay sau khi ng¾t dßng kÝch thÝch nh­ sau:

trong ®ã:

M_o lµ momen tõ cña c¸c ph©n tö n­íc

f(r) lµ hµm l­îng n­íc

q lµ momen ph¸t

H_#(r) lµ thµnh phÇn trùc giao víi tr­êng tõ Tr¸i ®Êt cña tr­êng kÝch thÝch ë c­êng ®é dßng ph¸t I = 1A.

Trong biÓu thøc sau cïng cã thÓ thÊy tr­êng kÝch thÝch kh«ng chØ xuÊt hiÖn d­íi dÊu tÝch ph©n nh­ c¸c ph­¬ng tr×nh vËt lý th«ng th­êng mµ cßn lµ mét ®èi sè cña hµm sin; ®©y lµ ®iÒu Ýt thÊy nh­ng l¹i phï hîp víi thùc tÕ c¸c ®¸p øng cña proton ®èi víi kÝch thÝch.

III. Sù KH¸C BIÖT GI÷A THIÕT BÞ CéNG H¦ëNG Tõ PROTON Vµ Tõ KÕ PROtON

TÝnh chÊt céng h­ëng tõ proton th­êng ®­îc c¸c nhµ ®Þa vËt lý sö dông trong c¸c tõ kÕ proton ®Ó ®o c­êng ®é tr­êng tõ Tr¸i ®Êt. Trong tr­êng hîp ®ã, c¸c proton n»m trong ®Çu dß bÞ kÝch thÝch. B»ng viÖc ®o tÇn sè céng h­ëng vµ sè l­îng c¸c proton bÞ kÝch thÝch sÏ x¸c ®Þnh ®­îc c­êng ®é tr­êng tõ Tr¸i ®Êt, cßn sù biÕn thiªn cña nã cã liªn hÖ víi tr­êng tõ cña cÊu tróc d­íi ®Êt. Trong øng dông PMR ®Ó t×m kiÕm n­íc d­íi ®Êt, c¸c proton n»m trong lßng ®Êt bÞ kÝch thÝch, qua viÖc ®o c­êng ®é tr­êng phôc håi vµ c¸c tham sè vËt lý cña nã cho phÐp x¸c ®Þnh l­îng n­íc d­íi ®Êt ë c¸c ®é s©u kh¸c nhau.

IV. SO S¸NH PH¦¥NG PH¸P CéNG H¦ëNG Tõ PROTON (PMR) Vµ §O S¢U §IÖN

Nh­ ®· tr×nh bµy ë phÇn tr­íc, cã thÓ ®o ®¹c PMR ë trªn mÆt ®Êt ®Ó dß t×m n­íc ë c¸c ®é s©u kh¸c nhau, do vËy mét c¸ch t­¬ng

øng cã thÓ sö dông thuËt ng÷ "®o s©u céng h­ëng tõ proton" t­¬ng tù nh­ "®o s©u ®iÖn th¼ng ®øng" (VES) - mét ph­¬ng ph¸p ®· ®­îc c¸c nhµ ®Þa vËt lý vµ ®Þa chÊt thñy v¨n biÕt rÊt râ.

Trong ®o s©u ®iÖn th¼ng ®øng, gi¸ trÞ ®iÖn trë suÊt ®o ®­îc t­¬ng øng víi c¸c kÝch th­íc thiÕt bÞ AB/2 vµ c¸c tham sè vËt lý kh¸c cho phÐp x¸c ®Þnh ®iÖn trë suÊt thËt cña c¸c líp ®Êt ®¸ kh¸c nhau ë d­íi s©u. Trong ®o s©u PMR ngoµi c¸c tham sè ®o trªn mÆt ®Êt gåm kÝch th­íc vßng d©y, momen cña xung ph¸t, viÖc ®o ®¹c ®Þnh l­îng tr­êng tõ sinh ra bëi c¸c proton bÞ kÝch thÝch vµ c¸c tham sè vËt lý cho phÐp x¸c ®Þnh ®é chøa n­íc cña c¸c líp kh¸c nhau ë d­íi s©u.

§o s©u ®iÖn th¼ng ®øng lµ mét trong c¸c ph­¬ng ph¸p ®o s©u h×nh häc, muèn t¨ng chiÒu s©u nghiªn cøu b¾t buéc ph¶i t¨ng kÝch th­íc thiÕt bÞ. Ph­¬ng ph¸p ®o s©u PMR vÒ h×nh thøc t­¬ng tù nh­ ®o s©u c¶m øng, v× thÕ Ýt chÞu ¶nh h­ëng cña ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh vïng ®o. Mét ­u ®iÓm n÷a lµ do viÖc ph¸t tr­êng kÝch thÝch vµ thu tÝn hiÖu ph¶n håi ®­îc thùc hiÖn th«ng qua anten kh«ng tiÕp ®Êt nªn kh¾c phôc ®­îc khã kh¨n do ®iÒu kiÖn tiÕp ®Þa; ®ång thêi do b¶n chÊt cña tr­êng s¬ cÊp vµ tr­êng thø cÊp lµ tr­êng ®iÖn tõ nªn ph­¬ng ph¸p PMR Ýt chÞu ¶nh h­ëng cña líp mµn ch¾n ®iÖn trë cao.

V. CHIÒU S¢U NGHI£N CøU Vµ §é PH¢N GI¶I CñA PH¦¥NG PH¸P PMR

Trong ®o ®¹c PMR trªn mÆt, chiÒu s©u nghiªn cøu vµ ®é ph©n gi¶i phô thuéc vµo hai yÕu tè chÝnh:

1. KÝch th­íc anten quyÕt ®Þnh ®é s©u nghiªn cøu lín nhÊt;

2. Momen ph¸t cña xung kÝch thÝch cho phÐp ph©n chia c¸c líp kh¸c nhau n»m gi÷a mÆt ®Êt vµ chiÒu s©u nghiªn cøu tèi ®a giíi h¹n bëi kÝch th­íc anten.

Hai yÕu tè kh¸c phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn m«i tr­êng khu vùc còng ¶nh h­ëng ®Õn chiÒu s©u nghiªn cøu vµ ®é ph©n gi¶i lµ:

1. §iÖn trë suÊt cña ®Êt ®¸: víi cïng mét anten vµ momen ph¸t th× ®Êt ®¸ dÉn ®iÖn lµm gi¶m chiÒu s©u nghiªn cøu so víi ®Êt ®¸ kh«ng dÉn ®iÖn.

2. Tr­êng tõ cña Tr¸i ®Êt: tr­êng tõ Tr¸i ®Êt cã biªn ®é cµng lín th× tÝn hiÖu cµng lín vµ viÖc dß t×m c¸c líp chøa n­íc ë d­íi s©u trë nªn dÔ h¬n; bªn c¹nh ®ã gãc nghiªng tõ hãa còng ¶nh h­ëng tíi chiÒu s©u nghiªn cøu, khi tõ hãa th¼ng ®øng (vïng cùc) ¶nh h­ëng Ýt h¬n khi tõ hãa n»m ngang (vïng xÝch ®¹o).

Nh­ vËy, tïy thuéc vµo ®Æc ®iÓm cña diÖn tÝch kh¶o s¸t, cÇn x¸c ®Þnh c¸c th«ng tin tiªn nghiÖm khi thiÕt kÕ vµ khi thi c«ng cÇn thùc hiÖn ®o thö nghiÖm ®Ó lùa chän c¸c th«ng sè tèi ­u tr­íc khi tiÕn hµnh ®o ®¹i trµ.

ChiÒu s©u nghiªn cøu cña ph­¬ng ph¸p PMR víi thiÕt bÞ hiÖn t¹i cã thÓ ®¹t ®Õn 150 m.

VI. LUËN GI¶I TµI LIÖU PMR

ViÖc luËn gi¶i tµi liÖu PMR bao gåm viÖc x¸c ®Þnh ®é chøa n­íc, chiÒu s©u cña mçi líp vµ c¸c th«ng sè kh¸c cña chóng. ViÖc gi¶i bµi to¸n ng­îc bao gåm viÖc xö lý c¸c dßng d÷ liÖu ë thêi ®iÓm ph¸t t­¬ng øng víi c¸c ®é s©u nghiªn cøu kh¸c nhau. T­¬ng tù ë ®o s©u ®iÖn, tÝnh bÊt ®Þnh vµ nguyªn lý t­¬ng ®­¬ng còng tån t¹i trong PMR ®èi víi viÖc gi¶i bµi to¸n lý thuyÕt b»ng thuËt gi¶i nghÞch ®¶o. V× thÕ kÕt qu¶ ph©n tÝch ®Þnh l­îng cña ph­¬ng ph¸p nµy còng chøa ®ùng nh÷ng sai sè. Tuy nhiªn cã mét vµi tham sè ®­îc x¸c ®Þnh tèt h¬n, vÝ dô nh­ tÝch sè cña chiÒu dµy vØa máng víi ®é chøa n­íc cña nã. H¬n n÷a, lîi thÕ chÝnh cña ph­¬ng ph¸p PMR so víi c¸c ph­¬ng ph¸p truyÒn thèng kh¸c lµ ph­¬ng ph¸p PMR chøa ®ùng tham sè liªn hÖ trùc tiÕp víi sù cã mÆt cña n­íc.

ViÖc gi¶i thÝch còng cho phÐp x¸c ®Þnh ®é trÔ h»ng sè thêi gian cña mçi líp b¼ng viÖc nghÞch ®¶o ®é trÔ h»ng sè thêi gian cña tÝn hiÖu ®o trong thêi ®iÓm ph¸t, do ®ã mçi líp chøa n­íc ®­îc ®Æc tr­ng bëi mét kÝch th­íc trung b×nh c¸c lç hæng cña nã, ®ã lµ mét th«ng tin rÊt tèt ®Ó x¸c ®Þnh ®é thÊm cña ®Êt ®¸.

VII. TæNG QUAN VÒ §O S¢U PMR.

HiÓu râ kh¶ n¨ng cña ®o s©u PMR rÊt cã Ých trong viÖc tÝnh to¸n sù ph¶n håi trong viÖc gi¶i bµi to¸n m« h×nh hãa 1D. §Ó cã thÓ h×nh dung ®­îc vai trß cña c¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn kh¶ n¨ng nghiªn cøu cña PMR cã thÓ xem xÐt mét vµi kÕt qu¶ m« h×nh hãa nh­ sau.

H×nh 1 tr×nh bµy hiÖu øng PMR thu ®­îc cho mét m« h×nh 2 líp víi 0% n­íc ë bªn trªn vµ 20% n­íc cho líp d­íi. §é s©u mùc n­íc (mÐp trªn cña líp thø hai) lÇn l­ît lµ 10, 20, 40 vµ 80 m. Biªn ®é ®iÖn thÕ nhËn ®­îc gi¶m râ rÖt do ¶nh h­ëng cña c¸c mùc n­íc ë c¸c ®é s©u nghiªn cøu kh¸c nhau víi cïng mét momen ph¸t.

Mét m«i tr­êng nöa kh«ng gian ®ång nhÊt ®­îc chia thµnh c¸c líp cã cïng hµm l­îng n­íc (20%) vµ chiÒu dµy 1 m. TÝn hiÖu ®¸p øng ®­îc vÏ ng­îc víi chiÒu s©u lÇn l­ît cho c¸c momen ph¸t 0,1; 0,5; 2 vµ 8 A.ms. Kh¶ n¨ng ®o s©u cña mçi momen ph¸t cã thÓ ®­îc kiÓm tra, tÝn hiÖu ®¸p øng cña c¸c momen ph¸t thÊp h¬n ®Õn tõ líp n«ng h¬n trong khi tÝn hiÖu cña momen ph¸t cao h¬n ®Õn tõ c¸c líp ë s©u h¬n (H×nh 3).

Trong ph­¬ng ph¸p PMR, c¸c tham sè ®­îc ®o ®¹c mçi khi xung kÝch thÝch ®­îc ph¸t vµo vßng d©y lµ:

- Biªn ®é E_o cña tr­êng phôc håi do c¸c proton g©y ra ngay sau khi dßng ®iÖn kÝch thÝch bÞ ng¾t; E_o liªn hÖ trùc tiÕp ®Õn ®é chøa n­íc.

- §é trÔ h»ng sè thêi gian T₂^* cña tr­êng phôc håi cã liªn hÖ víi kÝch th­íc lç hæng, cho phÐp ph©n biÖt gi÷a n­íc tù do trong lç hæng víi n­íc liªn kÕt trong sÐt.

5.2. Toµn bé thiÕt bÞ lµ mét hÖ ®ång bé, khÐp kÝn; d÷ liÖu ®­îc kiÓm tra, ghi nhËn vµ qu¶n lý b»ng m¸y tÝnh ngay t¹i thùc ®Þa mét c¸ch trùc quan sau ®ã ®­îc xö lý b»ng phÇn mÒm chuyªn dông cho ra kÕt qu¶ lµ mét lo¹t c¸c th«ng sè liªn quan, quan träng nhÊt lµ chiÒu s©u vµ hµm l­îng cña c¸c líp n­íc.

Quy tr×nh ®o ®¹c tiÕn hµnh qua c¸c b­íc:

- §o tr­êng tõ Tr¸i ®Êt ®Ó x¸c ®Þnh tÇn sè sö dông

- Ph¸t dßng ®iÖn biÕn ®æi qua vßng d©y víi tÇn sè ®· biÕt

- §o biªn ®é tÝn hiÖu céng h­ëng proton

- §o h»ng sè thêi gian

- Thay ®æi c­êng ®é dßng ph¸t ®Ó thay ®æi ®é s©u nghiªn cøu

- Sö dông ch­¬ng tr×nh gi¶i bµi to¸n ng­îc ®Ó x¸c ®Þnh ®é chøa n­íc vµ chiÒu s©u.

VIII. KH¶ N¡NG øNG DôNG C¤NG NGHÖ PMR ë VIÖT NAM

Tõ n¨m 2001, ChÝnh phñ ®· cho phÐp triÓn khai Ch­¬ng tr×nh ph¸t triÓn kinh tÕ 6 tØnh miÒn nói phÝa B¾c ®Æc biÖt khã kh¨n (Ch­¬ng tr×nh 186) vµ Ch­¬ng tr×nh ph¸t triÓn kinh tÕ T©y Nguyªn (Ch­¬ng tr×nh 168), trong ®ã viÖc t×m kiÕm nguån n­íc ngÇm ®­îc coi lµ mét trong c¸c nhiÖm vô träng t©m. ViÖc ph¸t hiÖn vµ ®­a c¸c nguån n­íc ngÇm vµo sö dông ë nh÷ng n¬i nµy kh«ng nh÷ng chØ phôc vô d©n sinh vµ ph¸t triÓn kinh tÕ cña ®Þa ph­¬ng mµ cßn cã ý nghÜa chÝnh trÞ vµ x· héi v« cïng to lín.

Thùc tÕ thùc hiÖn nhiÒu n¨m qua cho thÊy, tæ hîp c¸c ph­¬ng ph¸p ®Þa vËt lý ®· ®­îc sö dông trong t×m kiÕm n­íc d­íi ®Êt ®· ph¸t huy hiÖu qu¶ râ rÖt vµ ngµy cµng ®­îc hoµn thiÖn. MÆc dï vËy, tû lÖ lç khoan gÆp n­íc th­êng chØ ®¹t 65-85%, c¸ biÖt cã vïng tû lÖ lç khoan gÆp n­íc rÊt thÊp, thËm chÝ kh«ng lç khoan nµo gÆp n­íc. §iÒu ®ã chøng tá cã nh÷ng ®èi t­îng kh«ng chøa n­íc, nh­ng cã tÝnh chÊt vËt lý kh«ng kh¸c biÖt nhiÒu so víi c¸c ®èi t­îng chøa n­íc, v× lÏ ®ã c¸c ph­¬ng ph¸p ®Þa vËt lý th«ng th­êng kh«ng thÓ ph©n biÖt ®­îc.

Ph­¬ng ph¸p PMR nh­ ®· giíi thiÖu ë trªn hoµn toµn cã thÓ kh¾c phôc ®­îc nh÷ng tån t¹i nªu trªn, v× thÕ nã høa hÑn sÏ ®­îc øng dông réng r·i ®Ó t×m kiÕm n­íc ngÇm ë ViÖt Nam, nhÊt lµ ë nh÷ng vïng cã ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt khã kh¨n, n¬i mµ tæ hîp c¸c ph­¬ng ph¸p ®Þa vËt lý kh¸c Ýt thu ®­îc hiÖu qu¶ mong muèn. Trong mét sè tr­êng hîp, vÝ dô t×m n­íc ngÇm ë vïng ph¸t triÓn réng r·i ®Þa h×nh karst cã mùc x©m thùc lín, mùc n­íc tÜnh ë s©u nh­ Hµ Giang, Lai Ch©u, S¬n La ... hoÆc n­íc ngÇm d­íi c¸c cån c¸t ven biÓn, h¶i ®¶o ... th× cã thÓ ®©y lµ ph­¬ng ph¸p ®Þa vËt lý duy nhÊt cã hiÖu qu¶.

Ngoµi ra, cã thÓ sö dông ph­¬ng ph¸p nµy ®Ó nghiªn cøu hiÖn t­îng thÊm t¹i c¸c ®Ëp ®Êt, ®ª ®iÒu thñy lîi...

NhËn thøc ®­îc vai trß quan träng cña viÖc øng dông c¸c c«ng nghÖ míi trong ngµnh ®Þa chÊt kho¸ng s¶n trong giai ®o¹n hiÖn nay, mµ mét trong nh÷ng h­íng ­u tiªn lµ c«ng nghÖ ®Þa vËt lý, Bé Tµi nguyªn vµ M«i tr­êng ®· cã kÕ ho¹ch ®Çu t­ thiÕt bÞ céng h­ëng tõ proton cho Liªn ®oµn VËt lý ®Þa chÊt thuéc Côc §Þa chÊt vµ Kho¸ng s¶n ViÖt Nam. Hoµn toµn cã thÓ tin t­ëng r»ng khi cã thiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ míi nµy, víi ®éi ngò chuyªn gia ®Þa vËt lý s½n cã, Liªn ®oµn VËt lý ®Þa chÊt sÏ tæ chøc nghiªn cøu øng dông vµ khai th¸c cã hiÖu qu¶, tr­íc hÕt phôc vô viÖc t×m kiÕm n­íc ngÇm t¹i nh÷ng ®Þa bµn khã kh¨n nhÊt ë ViÖt Nam, ®¸p øng nhu cÇu n­íc cho sinh ho¹t vµ gãp phÇn ®¾c lùc vµo viÖc ph¸t triÓn kinh tÕ x· héi ë c¸c ®Þa ph­¬ng nµy./.

V¡N LIÖU