Thăm dò điện phân cực kích thích

Thăm dò Điện Phân cực kích thích, viết tắt là PKKT, (tiếng Anh: Induced Polarization, IP) hay Phân cực cảm ứng là một phương pháp của địa vật lý thăm dò, trong đó bố trí hệ điện cực đo như trong thăm dò điện trở, nhưng phát dòng điện vào đất đá và đo hiệu điện thế theo cách thức thích hợp, để thu được thông tin về phân bố độ nạp (Chargeability) hay độ phân cực của môi trường đất đá. Có hai cách thức đo là:

Đo trong miền thời gian (Time Domain IP): Phát dòng một chiều và đo suy giảm hiệu điện thế trên đôi cực thu sau khi cắt dòng phát.
Đo trong miền tần số (Frequency Domain IP): Phát dòng dạng sin, đo giá trị và độ lệch pha của hiệu điện thế trên đôi cực thu. Thông thường thì đo với dãy tần số có chủ đích. Nếu quét phổ tần từ cỡ 0,01 đến 10000&nbsp;Hz thì gọi là Đo phổ phân cực cảm ứng (Spectral Induced Polarisation, SIP).

Trong thạch quyển chỉ một số đất đá hay khoáng vật quặng có khả năng nạp điện. Đo được độ nạp sẽ xác định sự có mặt và phân bố của chúng trong tầng đất đá.

Phương pháp được sử dụng cho lập bản đồ địa chất, tìm kiếm khoáng sản, tìm nước ngầm, khảo sát địa chất công trình, địa chất môi trường và tai biến tự nhiên,... trên đất liền và trên biển gần bờ.

Tại Việt Nam phương pháp được nhập vào những năm 1970, với tên gọi PCKT dịch từ tiếng Nga вызванная поляризация. Tuy nhiên một số văn liệu Nga đã chuyển sang dùng thuật ngữ Индуцированная поляризация (phân cực cảm ứng). Phương pháp PCKT được quy chuẩn trong TCVN 9423: 2012.

Nội dung phương pháp
Năm 1920 khi thực hiện thăm dò điện trở Schlumberger đã phát hiện ra hiện tượng sau khi cắt dòng phát thì trên điện cực thu còn tồn tại điện thế dư, nó suy giảm dần, và gọi là phân cực cảm ứng. Hiệu ứng này rất nhỏ trong phần lớn các loại đất đá, tuy nhiên nó đặc biệt lớn ở nơi có thân quặng sulfide hay graphite. Sau đó nó được ứng dụng cho tìm kiếm quặng này.

Nguồn gốc hiện tượng
Từ 1959 đến 1980, các nghiên cứu ứng dụng phương pháp phát triển. Các thảo luận đã đưa ra nhiều ý kiến khác nhau về nguyên nhân của hiện tượng, song vẫn chưa thỏa đáng, mà mới nhất trí được hai quan niệm quan trọng:

Phân cực điện cực (Electrode Polarization), tức là sự thay đổi về cơ chế dẫn điện giữa các khối trong đất đá (dẫn điện ion - điện tử, giống như cắm thanh kim loại vào đất ẩm), thường xảy ra ở thân quặng như pyrite, pyrrhotit, chalcopyrit, graphit, galena, bornit, magnetit, pyrolusit,... Hiệu ứng càng lớn nếu hạt quặng càng mịn và phân bố đều trong khối đá.
Phân cực điện giải (Electrolytic Polarization) hay thấm lọc màng (Membrane Polarization), do sự khác nhau về độ linh động của các ion trong các hợp phần của đất đá. Khi có dòng điện hay nước chảy thì các ion di chuyển khác nhau dẫn đến sự tích điện. Nó thường liên quan đến khoáng vật sét, và trong tìm kiếm nước ngầm thì là dấu hiệu không chứa nước.

Dòng điện kích thích làm phân bố lại các ion, và là quá trình nạp điện. Khi dòng điện này cắt, giảm hay đổi hướng thì điện tích được xả ra. Đo đạc thực địa khó mà phân tách được các hiện tượng nói trên. Điểm quan trọng nằm ở chỗ, một số nhà địa vật lý đưa ra khái niệm về độ dẫn phức và điện trở phức (Complex Conductivity / Resistivity), tính đến sự có mặt của độ nạp trong phần ảo của độ dẫn, và nó thuận lợi cho việc xây dựng thuật giải ngược ra ảnh 2D hay 3D của điện trở phức từ các quan sát đa cực.

Lược đồ xung đo đạc
Dạng đo đầu tiên của PCKT là đo trong miền thời gian. Nội dung của nó là phát dòng ITx với độ dài TOn vào cực phát. Trên đôi cực thu tiếp nhận được tín hiệu URx, thực hiện đo hiệu điện thế điện trở suất V0. Sau khi cắt dòng phát, thì đo đường suy giảm V(t) tại các trễ (Delay) t1, t2,... tN.

Độ dài TOn chọn theo độ sâu khảo sát cần có. Cường độ dòng ITx thì chọn sao cho trên vùng chờ đợi có dị thường phân cực thì các V(t) đầu phải cỡ vài mV. Điều này dẫn đến dòng phát khi đo PCKT lớn hơn dòng khi đo điện trở suất cỡ vài chục đến trăm lần.

Ngày nay xung phát có dạng đảo chiều tuần hoàn với chu kỳ bằng 4 lần TOn, nhằm loại trừ các nhiễu và tăng độ chính xác.

Khi đo trong miền tần số thì phát dòng I dạng sin, đo giá trị và độ lệch pha của hiệu điện thế U trên đôi cực thu.

Bố trí quan sát

Vào những năm 1970, phương pháp PCKT nhập vào Việt Nam với các bộ máy như ВП-59 (Liên Xô cũ), DGJ-1 (Trung Quốc). Đo đạc thực hiện với dòng phát lớn có công suất cỡ 2 - 4 KVA, việc đóng chùm cực phát dòng khá rắc rối, nên đã thực hiện với hệ cực gradient trung gian. Điện cực thu là điện cực không phân cực. Định thời cho kỳ phát dòng và các thời điểm đo điện thế bằng đồng hồ bấm giây. Người đo máy dùng chân đóng/cắt công tắc phát dòng rồi đo bằng MiliVolt kế thăm dò thông thường. Các hướng dẫn đo đạc thì khuyến cáo rằng cần dòng phát lớn để mật độ dòng đủ tác động quá trình nạp, và thời gian phát TOn đủ dài (2 đến 16 sec) để nạp điện đủ no. Kết quả thu được là độ phân cực biểu kiến ηK (кажущаяся поляризуемость), ví dụ đo tại t1 và t3 thì ηK = [V(t1) - V(t3)]/V0, tính ra %.

Từ khoảng 1985 các máy tự động và hiện số ra đời, như Terrameter SAS 4000 Resistivity, IP & SP (Thụy Điển), DWJ-2 (Trung Quốc),... phát xung đảo cực, đo đồng thời điện trở suất và độ nạp với nhiều thời điểm sau cắt dòng, và dùng kỹ thuật tích lũy để nâng cao chất lượng đo. Mức dòng phát cho đo đạc cũng giảm về cỡ 1 - 3 Amp.

Hiện nay các máy đều đo đồng thời điện trở suất và độ nạp, tự động điều hành bằng máy tính PC, làm việc với hệ thống đa cực. Chương trình điều hành đo sẽ căn theo chỉ định hệ điện cực đo, chọn ra số cực phù hợp, đo quét dọc chặng và từ "kích thước thiết bị" nhỏ đến lớn nhất có thể.

Các máy có chức năng đo PCKT trong miền thời gian thường hay đưa chỉ tiêu kỹ thuật Độ dài xung phát TOn (Pulse Duration), ví dụ Syscal Pro (IRIS Instruments, Pháp): 0.2 đến 8 s; máy TQ (DZD-6A): 1 đến 16 s; Terrameter SAS 4000 : 0.1 đến 4 s,... Số khác lại đưa theo chu kỳ làm việc T, như SuperSting R8/IP (Advanced Geosciences, Inc., Mỹ): IP cycle times 0.5 đến 8 s.

Cách thức đo của các máy trong miền thời gian cũng có chút khác nhau, trong đó một số máy đo trị tích phân (Integral) trong khoảng thời gian định trước.

Vì điện cực không phân cực không dùng được cho phát dòng, nên trong hệ thống đa cực phải dùng điện cực bạch kim, là loại có điện thế tự phân cực thấp nhất trong nhóm kim loại. Đo PCKT cần tỷ mỷ và lâu hơn chỉ đo điện trở, vì phải dùng dòng phát lớn hơn và thời gian đo dài hơn.

Đo điện phân cực kích thích trong hố khoan
Trong Đo điện phân cực kích thích hố khoan (Induced polarization log) thì hệ điện cực bố trí cố định trong đầu thu ở hố khoan.
Kết quả thu được là phản ánh thông tin độ nạp (Chargeability) của đất đá trong các đới hình trụ quanh hố khoan, được dùng cho đánh giá bản chất và mức độ triển vọng của đối tượng tìm kiếm các tầng đất đá quan tâm. Nó được ứng dụng cho hố khoan không quá sâu.
Tìm kiếm khoáng sản có tính oxy hóa cao như pyrit, graphit, galena, bornit, magnetit, đồng chì kẽm,... trong đó dị thường mạnh là dấu hiệu tốt.
Tìm kiếm nước ngầm, khảo sát địa chất thủy văn, địa chất công trình, trong đó dị thường mạnh là dấu hiệu chứa sét và không có khả năng chứa nước.
Ví dụ đầu đo QL40-IP Induced Polarization. Đầu này đo đồng thời điện trở suất theo phân bố cực 8-16-32-64", độ nạp tại cực 16" và 64" với 10 cửa sổ, điện trường thiên nhiên (SP) và trở tiếp địa (SPR) tại cực phát A.

Xử lý phân tích tài liệu
Trước đây tài liệu đo PCKT được phân tích định tính là chính. Dựa trên đường cong độ phân cực ηK xác định ra vị trí đới chứa quặng. Khoảng cách từ cực phát đến lưỡng cực thu, tức kích thước thiết bị, cho ra độ sâu áng chừng mà độ phân cực phản ánh. Việc gắn độ lớn của độ phân cực với hàm lượng quặng gây phân cực được ước lượng theo kinh nghiệm trong đối chiếu với các đoạn có thông tin về vỉa quặng, ví dụ tài liệu khoan hay hố đào.

Ngày nay, đo PCKT thực hiện đồng thời với đo điện trở suất, nên chúng được phân tích cùng nhau, ví dụ bằng phần mềm IX1D của hãng Interpex (Mỹ) Các phần mềm như vậy có yêu cầu chỉ định kiểu tài liệu là đo điện trở suất (DC Resistivity) hay đo điện trở suất cùng PCKT (DC Resistivity/IP). Thực ra, không có phân tích PCKT chính thức, mà là xác định độ phân cực dựa theo phân tích lớp của đo điện trở suất.

Đối tượng nghiên cứu
Thạch quyển
Thủy quyển

Xem thêm
Thăm dò điện trở
Membrane potential

Tham khảo

Liên kết ngoài