Phương pháp thăm dò ảnh địa điện (ERT - Electrical Resistivity Tomography) xuất hiện cách đây đã hơn 100 năm và là một trong phương pháp thăm dò địa vật lý thông dụng nhất hiện nay. Trong vài thập kỷ qua, các hệ đo đa kênh - đa cực, có khả năng đo tự động ra đời nhằm mục đích giải quyết những vấn đề trên.

Các nghiên cứu triển khai về thiết bị khảo sát này được phát triển với nhiều cải tiến khác nhau dưới dạng kiến trúc các điện cực kiểu tập trung hoặc phân tán. Một số nghiên cứu đã xem xét đến việc ghi nhận toàn bộ các dạng tín hiệu thu được từ các tín hiệu điện thế và xử lý tín hiệu để đưa ra nhiều thông tin hơn, nhất là tăng tỉ số tín hiệu / nhiễu bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý số liệu. Các hệ đo liên lục cho khảo sát mặt đất cũng được phát triển. Các hệ thống quan sát tự động điều khiển bằng máy tính được phát triển dùng để phát hiện những hiện tượng quá độ như sự thấm nước, trượt lớp, và sự trao đổi chất. Những hệ quan sát đang trở nên phức tạp nhanh chóng và đang được triển khai từ xa với các mảng điện cực được đặt cố định, điều khiển và truyền dữ liệu từ xa, được hỗ trợ bởi các hệ thống quản lý dữ liệu tự động để thu giữ một lượng lớn dữ liệu qua quá trình thu thập dữ liệu theo thời gian. Cùng với sự ra đời và phát triển của các thiết bị điện tử, linh kiện mới, các phương pháp xử lý số liệu hiện đại, phương pháp thu nhận và xử lý dữ liệu địa điện toàn dạng sóng được áp dụng và triển khai, góp phần nâng cao độ chính xác và hiệu quả của khảo sát ảnh điện. Các máy tính điện tử dung cho thí nghiệm hiện trường ngày càng phổ biến, có cấu hình mạnh cũng như năng lượng tiêu thụ thấp, điều đó cho phép việc xử lý số liệu mạnh và tái tạo hình ảnh cấu trúc địa chất ngay tại hiện trường.

Hiện nay có rất nhiều sản phẩm khảo sát ảnh điện trở ERT đa cực đã được thương mại hóa và có mặt ở Việt Nam như SYSCAL Switch-48 (IRIS Instruments, France) với 48 điện cực, SuperSting R8 IP của AGI, USA 8 kênh và đến 256 điện cực. Các hệ đó có cấu trúc kiểu tập trung hoặc bán tập trung các điện cực về bộ chuyển mạch qua cáp nhiều sợi và có đặc điểm chung là cồng kềnh và đắt tiền. Quá trình xử lý số liệu chưa phải toàn dạng sóng và đóng kín, khả năng tùy biến không cao, người dùng không có khả năng phát triển và tăng thêm lượng thông tin ngoài những tham số do nhà sản xuất cung cấp. Hạn chế này khiến việc nghiên cứu sâu hơn về phương pháp ảnh điện hiện trường như trong lĩnh vực khảo sát địa vật lý khó phát triển xa hơn trong điều kiện Việt Nam ví dụ như chỉ dung được cho mục đích ứng dụng trên các cấu hình cố định, không thuận lợi cho việc phát triển các các phương pháp giải bài toán mới hay các thuật toán tối ưu hóa khảo sát.

Nhiều vấn đề về bản chất khoa học của môi trường đất đá cũng như kỹ thuật của phương pháp và thiết bị thu thập dữ liệu còn đang chưa được giải quyết trọn vẹn, cần được nghiên cứu. Trong đó phải tính đến sự ảnh hưởng của các tham số môi trường lên độ tin cậy của dữ liệu đo đạc như nhiễu điện từ (EM coupling), nguồn nhiễu ngoài nhất là hoạt động của con người ở khu vực đô thị ảnh hưởng đến giới hạn phát hiện tín hiệu của thiết bị, điện trở suất biến thiên rộng từ rất thấp hoặc rất cao, điều kiện thực địa khắc nghiệt, ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định của thiết bị xuất phát từ điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa ở nước ta hay vấn đề về nguồn năng lượng tiêu thụ với thiết bị quan trắc dài ngày...

Trên cơ sở nghiên cứu về phương pháp EIT, ERT cũng như những hạn chế của ứng dụng và nghiên cứu phát triển thiết bị trong nước từ trước đến nay đang tồn tại, đặc điểm về điều kiện hoạt động của thí nghiệm hiện trường với nền nhiễu cao và môi trường thực địa khắc nghiệt, giá thành chế tạo....nhóm nghiên cứu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội do ThS. Trần Vĩnh Thắng làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu và triển khai chế tạo thử nghiệm thiết bị thăm dò địa điện đa cực” với các tiêu chí mới và hiện đại hơn như: mô đun hóa thiết bị theo chuẩn công nghiệp có khả năng chịu đựng môi trường tốt, có chi phí thấp, phần mềm thu thập dữ liệu có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu toàn dạng sóng, ước lượng tham số qua hồi quy tuyến tính để bảo đảm phép đo điện trở suất đáng tin cậy, tăng hiệu quả phép đo bằng hệ thống đa điện cực tập trung sử dụng cáp đa cực có chi phí hợp lý và khả năng triển khai nhanh chóng đáp ứng yêu cầu của các thí nghiệm khảo sát địa điện và ứng dụng thực tiễn.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận sau:

- Phép đo và đánh giá nhiễu địa điện sử dụng hai điện cực như với khảo sát địa điện ở khu vực đô thị như Hà Nội được thực hiện với bộ thu thập số liệu độ phân giải cao đến 31 bít. Kết quả cho thấy mức phát hiện nhiễu có thể đạt - 150 dB của toàn thang đo ± 2.5V tương đương 2.5 nV/bit, nền nhiễu địa điện ở khu vực HUS khoảng -100 dBFS với hai vùng tần số xung quanh 2 Hz và 17 Hz biến đổi theo thời gian có thể ảnh hưởng đến dải tần số thấp khi khảo sát ảnh điện trở. Bên cạnh đó, sự hoạt động của con người trên bề mặt cũng gián tiếp ảnh hưởng đến vùng tần số thấp thông qua phân tích phổ Time-FFT, ví dụ tồn tại nhiễu cố định ở tần số 97 Hz.

Thiết bị ảnh điện (ERT) được nghiên cứu và triển khai thành công. Đây là thiết bị đa cực, điều khiển bằng máy tính, triển khai nhanh nhờ sử dụng các mô-đun thu thập dữ liệu chuẩn công nghiệp kết hợp với các mạch điện tử tự thiết kế và xây dựng, kết hợp với cáp đa lõi có giá thành thấp, điều đó làm cho thiết bị có khả năng hoạt động cho thí nghiệm hiện trường trong môi trường nguy hại có nhiễu lớn và dải nhiệt độ rộng. Xung kích thích hai chiều với điện áp tới 200 Vpp và 1.5 App. Hai bốn điện cực có thể được lựa chọn thông qua ma trận rơ-le để tạo thành cấu hình cực tùy ý với khoảng cách giữa hai điện cực gần nhất đạt đến 5.5m. Phần mềm viết bằng Visual Basic gọn nhẹ ghi lại toàn bộ dạng sóng dưới dạng file ASCII và ước lượng điện trở suất biểu kiến bằng R script, lưu file dưới cấu trúc có thể đọc được trực tiếp bằng phần mềm EarthImager của AGI. Thiết bị được thử nghiệm ở một số khu vực quanh Hà Nội, kết quả thu được so sánh với thiết bị thương mại SuperSting là đáng tin cậy trong dải từ 20 to 80 Ωm.

Ở Việt Nam cũng như các nước đang phát triển, các vấn đề về ô nhiễm môi trường đất, xâm nhập mặn hay khảo sát cơ sở hạ tầng đô thị đang là những vấn đề mang tính thời sự cần được nghiên cứu và giải quyết. Các kết quả đạt được của đề tài góp phần bổ sung thông tin và giải pháp nhằm mục đích góp phần giải quyết các vấn đề đó. Các thông tin bổ sung về nhiễu địa điện khu vực đô thị, nơi chịu ảnh hưởng của các hoạt động nhân tạo trên bề mặt có thể ứng dụng để lựa chọn những tần số khảo sát phù hợp. Những kết quả bước đầu cũng mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng của nhiễu địa điện có liên quan đến hoạt động của con người trên bề mặt trái đất. Với giải pháp chế tạo thiết bị dựa trên việc sử dụng các mô-đun chuẩn công nghiệp, việc triển khai ứng dụng thực tiễn được thực hiện nhanh chóng, thiết bị có độ tin cậy cao và hoạt động ổn định và với mức năng lượng tiêu thụ thấp, thiết bị có khả năng hoạt động khảo sát hoặc quan trắc dài ngày. Chi phí triển khai chế tạo thử nghiệm thấp, chỉ dưới 1500$, thấp hơn nhiều so với các sản phầm thương mại. Hệ thống ERT này sẽ mở ra một cách hiệu quả để phát triển nhanh các công cụ thăm dò và quan trắc ERT hiện trường cho nhiều mục đích như giám sát môi trường hoặc nông nghiệp chính xác.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17562/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)