Các phương pháp địa vật lý ghi lại sự thay đổi tự nhiên của trọng lực và từ trường trái đất một cách thụ động trên phạm vi một khu vực và liên kết sự biến thiên này với các đặc điểm địa chất trong lòng đất. Khi thiếu một nguồn kiểm soát được, các khảo sát thường không chính xác về môi trường.

Với chi phí tương đối thấp, có thể thực hiện các khảo sát mỏ tiềm năng từ trên không tại các khu vực có diện tích rộng lớn. Không chỉ cho phép khảo sát nhanh, các khảo sát trọng lực hiện nay còn có thể được thu nhận từ các máy bay chuyên dụng với mức độ tin cậy cao.

Tại Canada, tài liệu trọng lực và  từ trường khu vực dưới dạng số được các cơ quan nhà nước cung cấp miễn phí. Các khảo sát chi tiết hơn sẽ do các công ty thăm dò thực  hiện.

Do chương trình đào tạo đại học chủ yếu tập trung vào phương pháp địa chấn, coi đó như là phương pháp địa vật lý duy nhất trong công tác tìm kiếm, thăm dò dầu khí nên các phương pháp khác đôi khi  bị các chuyên gia thăm dò và các nhà quản lý bỏ qua. Việc bỏ qua dữ liệu từ trường và trọng lực có thể gia tăng rủi ro, làm giảm mức độ tin cậy của các dự án thăm dò.

Ý nghĩa của các dị thường

Đặc trưng cho tính chất vật lý của đất đá liên quan đến các dị thường trọng lực là mật độ.  Còn  đặc tính  từ hóa tổng của đất đá liên quan tới các dị thường từ trường. Do đó, mỗi phương pháp xác định mỏ tiềm năng sẽ đưa ra các hình ảnh riêng biệt cung cấp thông tin bên dưới lòng đất.

Mật độ là một đại lượng vô hướng. Độ từ hóa là một vector tổng của nhiều loại từ dư và từ cảm ứng không dự đoán trước được.  Khác  với mật độ, độ từ hóa có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi rất nhỏ do sự xuất hiện và phân bố của các khoáng vật đặc trưng có liên quan đến thành phần  thạch học.

Một dị thường địa vật lý là sự khác biệt giữa giá trị trường địa vật  lý quan sát được (đo được) với giá trị tại cùng vị trí đó với giả thiết trái đất đồng nhất hơn. Sự bất đồng nhất trong tính chất vật lý của đất đá làm xuất hiện các dị thường địa vật  lý.

Bằng việc phản ánh sự thay đổi tính chất đất đá theo phương nằm ngang, từ trường và trọng lực là phương pháp phù hợp nhất để xác định sự không liên tục theo dạng bậc thang, ví dụ như các đứt gãy. Ngược lại, phương pháp địa chấn là cách tốt nhất để phát hiện sự thay đổi của đất đá theo chiều thẳng đứng và sự không liên tục theo dạng góc nhỏ như các ranh giới lớp.

Trường trọng lực thường đơn giản, đơn cực và gần như thẳng đứng. Trường địa từ phức tạp hơn với hai hay nhiều cực và thường không theo chiều thẳng đứng. Bên cạnh đó, trường địa từ luôn thay  đổi theo thời gian, đòi hỏi phải cập nhật thường xuyên.

Các trường trọng lực thấp (dị thường âm) xuất hiện khi đất đá dưới sâu có mật độ tương đối thấp, dẫn đến lực hấp dẫn giữa chúng giảm dần. Ngược lại, tại nơi mật độ đất đá tương đối lớn, lực hấp dẫn tăng, một trường trọng lực lớn xuất hiện (dị thường dương).

Dị thường từ thường phức tạp hơn vì trường từ và độ từ hóa của  đất đá rất phức tạp. Với một trường lưỡng cực không thẳng đứng, nguồn dị thường được tạo ra từ một vật chất đất đá đơn lẻ có thể bị nhầm lẫn liên quan đến sự xuất hiện của một cặp dị thường biểu kiến, một bên thấp một bên cao.

Khảo sát từ trường và trọng lực nên được thiết kế để giải quyết các  dị thường đặc trưng xuất hiện từ các đối tượng địa chất cụ thể trong một nghiên cứu riêng  biệt.

Nếu khảo sát quá dày sẽ gây lãng phí và thông tin bị trùng lặp rất nhiều. Trong khi khảo sát quá thưa thì không đủ mẫu và không mô tả đầy đủ được các dị thường mong muốn. Do vậy, phải thiết kế một khảo sát vừa đủ với chi phí thấp nhất nhưng giải quyết được tất cả các kỳ vọng về dị thường.

Ứng dụng trong công tác tìm kiếm thăm dò

Tại bể Phanerozoic Alberta và Williston, các dị thường từ và trọng lực lớn liên quan tới các cấu trúc cong (dẻo) và sự thay đổi thành phần đất đá trong móng kết tinh thừa hưởng từ các hoạt động tạo núi trong thời kỳ tiền Cambrian. Có thể thấy ở các cấu trúc cổ biến dạng dẻo ít khi bị tái hoạt động và ít ảnh hưởng đến bể Pha- nerozoic kể trên.

Đặc biệt, sự xuất hiện của các đứt gãy và nứt nẻ trong tầng móng muộn giòn, mà biên độ dịch chuyển có thể là một vài mét, đôi khi dưới độ phân giải địa chấn.

Các đứt gãy giòn có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp theo nhiều đoạn trong trầm tích Phanerozoic. Chúng thường liên quan tới các cấu trúc từ trường và trọng lực khó quan sát, trong đó một số đứt gãy cắt qua dị thường chính trong khu vực. Để xác định mạng lưới đứt gãy, các nhà nghiên cứu đã lập bản đồ từ trường và trọng lực tại khu vực phía Nam và trung tâm bể Alberta.

Các dị thường từ hay trọng lực thể hiện nối tiếp nhau trên bản đồ từ trường trọng lực có thể là một đới gradient, dị thường đứt đoạn nối tiếp nhau hay dị thường thẳng đứng hoặc các dị thường tách biệt mang tính địa phương nằm thẳng hàng. Các  dị thường kéo dài có khuynh hướng liên kết với đứt gãy nhiều hơn so với các đoạn dị thường ngắn, đặc biệt khi chúng xuất hiện theo nhóm hay là một phần của dị thường khu vực.

Các phương pháp xử lý tài liệu tốt nhất

Các phương pháp xử lý tài liệu tốt nhất là phải đơn giản và trực quan, sao cho các bản đồ đạo  hàm và dị thường dễ liên kết tới các dị thường thô trong tài liệu gốc.

Tài liệu trọng lực và từ trường  có thể được xử lý đặc biệt để làm  nổi bật các đặc trưng khó quan sát (Hình 1).

Đặc biệt, các phương pháp xử lý hiệu dụng nhất có xu hướng xử  lý các đạo hàm bậc 1, bậc 2 theo phương nằm ngang và thẳng đứng, các dị thường dư bậc 3 kiểm soát khuếch đại tự động, tín hiệu giải tích và bản đồ thay đổi màu theo địa hình. Phương pháp lọc bước sóng có 1 bẫy lớn trong xử lý vì các đường khuyên Gibbs có thể tạo ra các sự kiện giả giống như nối tiếp     nhau, do đó cần phải chú ý khi sử dụng phương pháp này.

Để xác định các đứt gãy, các cấu trúc từ và trọng lực tuyến tính trên bản đồ từ trường và trọng lực nên so sánh với các cấu trúc địa hình tuyến tính và cấu trúc mạng lưới gom nước trong khu vực. Tài liệu địa chấn và các nghiên cứu địa chất cũng có thể giúp xác định các đứt  gãy  còn  nghi  ngờ có ảnh hưởng lên bất kỳ khoảng bẫy riêng biệt.

Tại các bể địa hào hay địa lũy giống như bể Queen Charlotte ngoài khơi phía Tây bờ biển British Columbia, bước đầu tiên là nghiên cứu thông tin địa chất từ các khu vực xung quanh trên  đất  liền  và  từ các giếng khoan trong bể. Các cấu trúc nâng lên và hạ xuống của vỏ trái đất tại các lô trong và    xung quanh bể được lập từ các bản đồ địa chất, tài liệu địa chấn kết hợp tài liệu trọng lực.

Cụ  thể,  tài  liệu  từ  trường (Hình 2) ở bể Queen Charlotte đã được sử dụng để xác định rõ hơn mạng lưới các đứt gãy địa phương và khu vực. Do khu vực này có nhiều mạch núi lửa, tín hiệu địa chấn bị cản trở khi xâm nhập sâu vào lòng đất. Tài liệu  từ trường trên bờ và ngoài khơi đã trở thành công cụ để xác định các đá núi lửa phun trào và xâm nhập, yếu tố quan trọng để nắm bắt được mô hình trưởng thành của vật chất hữu cơ.

Công tác đào tạo về phương pháp từ trường và trọng lực

Các khóa học về phương pháp từ trường và trọng lực quá tập trung vào lý thuyết với các công thức toán học nâng cao, các thông số vật lý của các mỏ tiềm năng, chi phí ứng dụng vào công tác tìm kiếm thăm dò, thiết kế khảo sát và phương pháp minh giải địa chất…

Sách tham khảo về  từ  trường  và trọng lực chủ yếu đi sâu về mặt toán học, trong khi đó rất ít khi đề cập đến mối quan hệ giữa dị thường và sự biến đổi trong thành phần đất đá - chìa khóa trong công tác minh giải địa chất.

Một sai lầm là các phương pháp nghịch đảo số các dữ liệu của các mỏ tiềm năng đôi khi được dùng như một cách minh giải. Trong chuyên môn gọi là phương pháp giải bài toán nghịch, lấy dữ liệu địa chất để suy ra dữ liệu địa vật lý rồi so sánh với kết quả đo đạc thực tế trên hiện trường để minh giải tài liệu địa vật lý. Các thuật toán chỉ mang tính trừu tượng. Công tác minh giải là việc giải thích thông tin địa chất sử dụng tài liệu địa vật lý.

Trong khi các nhà địa chất,  địa chấn và các chuyên gia mỏ chuyên sâu về một lĩnh vực và không hiểu sâu về phương pháp này, thì việc trao đổi trở nên khó khăn hơn và thường bỏ qua các thông tin về từ trường và trọng lực. Ngược lại minh giải định lượng càng sâu (thể hiện kết quả minh giải bằng số) càng giúp hiểu rõ thông tin địa chất về khu vực nghiên cứu.

Các chuyên gia trong lĩnh vực từ trường và trọng lực cần đưa ra các nguyên lý cơ bản với càng ít công thức toán học, càng nhiều nghiên cứu về địa chất càng tốt. Chỉ khi rào cản về học thuật được dỡ bỏ, các nhà quản lý trong lĩnh vực thăm dò dầu khí có thể thấy rõ hơn các giá trị thực tiễn của phương pháp từ trường và trọng lực.

Nguyễn Anh Tuấn (theo E&P, 10/2016)