Thăm dò địa vật lý (cg. phương pháp địa vật lý hay địa vật lý ứng dụng) là môn khoa học về ứng dụng địa vật lý cho mục đích thăm dò trong địa chất. Phương pháp địa vật lý có nội dung đo đạc, khảo sát các trường vật lý của Trái đất để xác định đặc điểm phân bố các tính chất vật lý của đất đá và môi trường bên trong Trái đất liên quan với các đối tượng thăm dò như cấu trúc địa chất, các mỏ khoáng sản, dầu khí, nước dưới đất và môi trường địa chất gần bề mặt.

Phương pháp thăm dò địa vật lý

Thăm dò địa vật lý bao gồm nhiều phương pháp khác nhau. Tùy thuộc vào trường vật lý được khảo sát, mỗi phương pháp được gọi theo tên đặc trưng của trường như thăm dò trọng lực, thăm dò từ, thăm dò điện, thăm dò địa chấn, thăm dò địa nhiệt, thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân và là những phương pháp cơ bản. Để thăm dò các đối tượng địa chất trên thực tế mỗi phương pháp cơ bản nói trên được phát triển với các quy trình đo đạc, thiết bị, phương tiện khảo sát, công nghệ thu thập và xử lý số liệu khác nhau, phù hợp điều kiện và môi trường khảo sát rất đa dạng như trên đất liền, trên biển, đại dương và trong không gian, do đó hình thành nên những phương pháp thành phần khác nhau trên cơ sở cùng sử dụng một loại trường địa vật lý. Tùy thuộc điều kiện triển khai và yêu cầu thực tế, các phương pháp địa vật lý có thể được áp dụng đơn lẻ, độc lập hoặc được kết hợp với nhau. Khi được triển khai kết hợp hai hoặc nhiều phương pháp thì thăm dò địa vật lý được gọi là tổ hợp thăm dò hoặc tổ hợp phương pháp địa vật lý.

Thời gian hình thành và phát triển của thăm dò địa vật lý

Các phương pháp địa vật lý lần lượt ra đời và phát triển trong quá trình phát triển cơ sở lý thuyết và thực tiễn của khoa học địa vật lý từ trong các thế kỷ trước. Trong các năm cuối thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX các trọng lực kế và từ kế đầu tiên để thăm dò dị vật trong lòng đất đã được chế tạo tại Nga và Thụy Điển. Trong thế kỷ XIX ở châu Âu lý thuyết trường thế được phát triển mạnh bởi các công trình của Lagre, Laplase, Green, Stoke, Diricle, Gauss và nhiều nhà nghiên cứu khác đã tạo cơ sở cho sự ra đời và phát triển của các phương pháp trọng lực và từ. Trong những năm đầu thế kỷ XX các thiết bị và máy đo đầu tiên để khảo sát các tham số địa vật lý như cường độ phóng xạ (năm 1911); đo điện trở suất của môi trường đất đá (năm 1911), máy dò âm dưới lòng đất của Fessender (năm 1914) lần lượt được chế tạo đánh dấu cho sự ra đời của các phương pháp thăm dò phóng xạ, thăm dò điện, thăm dò địa chấn. Trong những năm tiếp theo cho đến khi chiến tranh thế giới thứ II kết thúc vào năm 1945, các phương pháp thăm dò địa vật lý cơ bản hầu hết đã ra đời và khởi đầu ứng dụng, phát triển rộng rãi, ở châu Âu và châu Mỹ.

Từ giữa thế kỷ XX cho đến nay nhờ ứng dụng các thành tựu của khoa học công nghệ hiện đại, tiên tiến, các phương pháp địa vật lý được phát triển nhanh chóng về trang thiết bị, về công nghệ khảo sát, xử lý, phân tích, minh giải số liệu, đã hình thành hệ thống các phương pháp thăm dò để triển khai ứng dụng trên khắp các vùng khác nhau trên đất liền, trên biển, đại dương và trong không gian. Trong hướng sử dụng trường trọng lực phương pháp thăm dò trọng lực được phát triển hình thành các phương pháp thành phần như trọng lực mặt đất, trọng lực trong lòng đất, trọng lực biển, trọng lực chính xác cao, trọng lực hàng không, trọng lực vệ tinh. Trong hướng sử dụng trường từ có các phương pháp từ mặt đất, từ mặt biển, từ hàng không, từ biến thiên. Sử dụng trường địa nhiệt có các phương pháp địa nhiệt mặt đất, địa nhiệt đáy biển, địa nhiệt giếng khoan, địa nhiệt viễn thám. Trong hướng sử dụng trường chấn động (tự nhiên và nhân tạo) và triển khai cả trên đất liền và trên biển có các phương pháp thăm dò như địa chấn sóng khối, địa chấn sóng mặt, địa chấn đáy biển, địa chấn phản xạ, địa chấn khúc xạ, tuyến địa chấn thẳng đứng, địa chấn phản xạ 2D, phản xạ 3D, phản xạ địa chấn 4D, địa chấn nông, địa chấn nông phân giải cao. Trong hướng sủ dụng trường địa điện và điện từ hình thành các phương pháp điện trường tự nhiên, từ tellur, biến thiên từ, các phương pháp điện trở suất, phân cực kích thích, điện cảm ứng, rada xuyên đất, cộng hưởng từ, dò điện từ đáy biển. Trong hướng sử dụng trường phóng xạ tự nhiên có các phương pháp gamma mặt đất, phổ gamma công trình, đo khí radon, gamma và phổ gamma hàng không, sử dụng trường phóng xạ nhân tạo có các phương pháp địa vật lý hạt nhân, gamma- gamma mật độ, gamma-gamma chọn lọc, phân tích huỳnh quang. Trong địa vật lý giếng khoan có hai phương pháp cơ bản là Carota giếng thân trần triển khai các phương pháp điện, điện lỗ rỗng và trường tự nhiên và Carota giếng khoan ống chống triển khai các phương pháp phóng xạ và địa vật lý hạt nhân.

Thăm dò địa vật lý có mối quan hệ gắn bó và vai trò quan trọng đối với khoa học địa chất, là công cụ thăm dò các đối tượng địa chất nằm bên dưới mặt đất ẩn sâu trong các tầng đất đá và trong các điều kiện mà con người không thể tiếp cận và quan sát trực tiếp. Thăm dò các cấu trúc địa chất bên trong vỏ Trái đất và thạch quyển là cơ sở và tiền đề cho việc dự báo, đánh giá các tai biến địa chất như động đất, sóng thần, trượt lở, sụt lún và đánh giá triển vọng, định hướng tìm kiếm khoáng sản. Đối tượng thăm dò phổ biến mà phương pháp địa vật lý có thể phát hiện gián tiếp hoặc trực tiếp là các mỏ khoáng sản gồm kim loại, phi kim loại, dầu khí, nước dưới đất thường nằm khá sâu phía dưới mặt đất và đáy biển. Các vật thể và bất đồng nhất có kích thước nhỏ trong các tầng đất đá trẻ sát bề mặt đất là những đối tượng thăm dò, phát hiện phổ biến của các phương pháp địa vật lý trong địa chất công trình, địa chất thủy văn.

Căn cứ vào đối tượng nghiên cứu và thăm dò phương pháp địa vật lý còn được phân biệt theo tên và bản chất của đối tượng như địa vật lý sâu, địa vật lý nông, địa vật lý gần bề mặt, địa vật lý môi trường, địa vật lý biển, địa vật lý cấu tạo, địa vật lý khoáng sản, địa vật lý dầu khí, địa vật lý nước dưới đất, địa vật lý quặng, địa vật lý giếng khoan.

Trên thực tế các phương pháp địa vật lý đều được triển khai theo quy trình gồm ba bước cơ bản. Bước đầu tiên là đo đạc, khảo sát, thu thập số liệu liên quan về các trường vật lý Trái đất. Bước tiếp theo là đúc kết, xử lý, hiệu chỉnh, liên kết, biến đổi và đồng nhất số liệu khảo sát. Bước cuối cùng là phân tích, minh giải địa chất số liệu khảo sát để đánh giá về đối tượng thăm dò. Bước đo đạc, khảo sát và thu thập số liệu về trường địa vật lý là khâu cơ bản và quan trọng nhất, nó quyết định hiệu quả ứng dụng của phương pháp và là cơ sở cho các bước tiếp theo của quy trình thăm dò. Việc đo đạc và khảo sát được thực hiện nhờ các thiết bị đo và quan trắc và các phương tiện phục vụ cho khảo sát. Các thiết bị địa vật lý có thành phần chính là máy đo và ghi đặc tính hay cường độ của trường như trọng lực kế, từ kế, máy ghi biến thiên trường từ, địa nhiệt kế, máy đo phóng xạ, máy đo điện, máy đo địa chấn. Trong các phương pháp địa chấn, điện và phóng xạ, ngoài các máy đo như trên còn có các thiết bị phát nguồn để tạo trường (gọi là trường nhân tạo) như máy phát xung địa chấn, thiết bị để nổ mìn để tạo sóng địa chấn, máy phát tạo dòng điện trong đất, máy chiếu các tia phóng xạ vào trong tầng đất đá. Các thiết bị địa vật lý hiện đại đều có độ bền, độ chính xác, độ ổn định cao, gọn nhẹ và tùy theo công nghệ khảo sát đo đạc có thể đặt trên các phương tiện chuyển động như tàu biển, máy lặn, máy bay, phương tiện bay, chuyển động chuyên dụng,… Trong mỗi thiết bị địa vật lý đều thực hiện đo ghi tự động đồng thời nhiều tham số của trường ở dạng ghi số và tự động đúc kết, xử lý, chuyển đổi số liệu bằng nhiều phần mềm chuyên dụng khác nhau.

Trong các khâu xử lý, phân tích và minh giải địa chất các số liệu và kết quả khảo sát địa vật lý, việc đúc kết, hiệu chỉnh và liên kết các số liệu đo đã được xử lý tự động bằng chương trình cài đặt trong máy ghi và các chương trình tự động phân tích biến đổi lọc nhiễu, tăng tín hiệu có ích, đồng nhất hoặc chuyển đổi format như đưa về dạng mặt cắt đẳng thời, mặt cắt mật độ, đường cong biển đổi, đường cong đo sâu để phục vụ minh giải địa chất đối tượng thăm dò. Trong khâu minh giải địa chất kết quả khảo sát địa vật lý như trên thực chất là giải bài toán ngược địa vật lý đã có những chương trình tính hiện đại, tổng hợp nhiều số liệu và thông tin tiền nghiệm với các sơ đồ giải có khả năng giảm và hạn chế tối đa tính đa nghiệm, nâng cao độ tin cậy của kết quả minh giải địa chất.

Hiện tại các phương pháp địa vật lý tiếp tục được phát triển để mở rộng diện và đối tượng thăm dò, tăng chiều sâu nghiên cứu đồng thời nâng cao hiệu suất thăm dò và hiệu quả địa chất. Sử dụng những thành tựu của khoa học và công nghệ hiện đại như công nghệ thông tin, điện tử, vật liệu, trí tuệ nhân tạo, các thiết bị và máy địa vật lý được cải tiến và chế tạo mới, có độ ổn định, độ nhạy, độ bền cao, gọn nhẹ, tiện lợi và phù hợp với các điều kiện và quy trình khảo sát đa dạng và phức tạp. Trong hướng xử lý số liệu khảo sát địa vật lý các phương pháp và công nghệ tính toán, xử lý và phân tích số liệu luôn được cải tiến và phát triển mới, phù hợp với các quy trình đo và khảo sát khác nhau. Các thuật toán và chương trình tính tiên tiến, hiện đại được đưa vào tất cả các bước phân tích, xử lý với công nghệ ghi số và tự động để phát huy hiệu suất và nâng cao hiệu quả địa chất của các phương pháp.

Thăm dò địa vật lý tại Việt Nam

Thăm dò địa vật lý được ứng dụng ở Việt Nam từ giữa thế kỷ XX. Trong những năm tử 1955 các phương pháp trọng lực, từ, xạ, điện được Tổng cục địa chất Việt Nam triển khai trên các vùng ở miền bắc Việt Nam để phục vụ đo lập bản đồ địa chất. Từ sau 1975 các phương pháp trọng lực, từ, phóng xạ và điện cũng được triển khai ở nhiều vùng trên cả nước phục vụ thăm dò địa chất và trực tiếp thăm dò, phát hiện nhiều thân quặng và mỏ khoáng sản, đánh giá triển vọng và tìm kiếm nước dưới đất. Ở các vùng trũng đồng bằng Sông Hồng, An Châu, bể than Đông Bắc các phương pháp trọng lực, từ, phóng xạ, điện, địa chấn, địa nhiệt, carota được Tổng cục Địa chất và Tổng cục Dầu khí triển khai với các tỷ lệ khác nhau để thăm dò đánh giá triển vọng khoáng sản và dầu khí. Trên vùng biển, trong các năm từ 1980 Tổng cục dầu khí Việt Nam đã hợp tác với các công ty dầu khí nước ngoài như Nga, Mỹ, Nhật, Úc, Hàn Quốc, châu Âu khảo sát trọng lực, từ, địa chấn, đo carota trên vùng thềm lục địa, đánh giá triển vọng dầu khí của các bể trầm tích, thăm dò phát hiện hàng loạt mỏ dầu và khí thiên nhiên như Bạch Hổ, Đại Hùng, Rồng, Lan Tây, Lan Đỏ và nhiều mỏ khác. Tổng cục địa chất và khoáng sản Việt Nam triển khai các phương pháp địa chấn nông, đo trọng lực, từ và phóng xạ hàng không khảo sát chi tiết vùng nước nông ven biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất và đánh giá triển vọng khoáng sản vùng biển ven bờ và thềm lục địa Việt Nam, thăm dò phát hiện nhiều mỏ khoáng sản kim loại, sa khoáng dọc theo đường bờ biển. Trong những năm gần đây các trường, viện nghiên cứu và các ngành xây dựng, giao thông, thủy lợi đã phát triển mạnh và ứng dụng rộng rãi các phương pháp trọng lực, từ, điện, địa chấn có độ chính xác cao để khảo sát chi tiết môi trường địa chất gần bề mặt phục vụ thiết kế và xây dựng, đảm bảo an toàn các công trình công nghiệp, thủy lợi, giao thông trọng điểm và các công trình dân sinh.

Tài liệu tham khảo

1. Bùi Công Quế, Trần Tuấn Dũng, Nguyễn Hồng Phương, Nghiên cứu đặc điểm các trường địa vật lý và cấu trúc sâu vùng biển Việt Nam, Nxb. Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội, 300tr., 2015.
2. Dobrin M.B, Introduction to Geophysical prospecting, McGraw-Hill, New York., 876pp, 1991.
3. Kearey P., Brooks M., Ian Hill, An Introduction to Geophysical Exploration, Blackwell scientific publication, 254pp, 1991.
4. Sharma P.V, Environmental and Engineering Geophysics, Cambridge University Press, 476pp, 2004.
5. Tống Duy Thanh, Mai Trọng Nhuận, Trần Nghi (chủ biên), Bách khoa thư địa chất, Các mục từ thuộc lĩnh vực địa vật lý, Nxb. Đại học Quốc gia Hà Nội, tr. 654-746, 2014.