Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ (biến đổi Wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS mạng lưới trắc địa địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:131

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy và minh giải chuyển dịch, biến dạng không gian 3 chiều từ kết quả tính toán xử lý dữ liệu đo đạc bằng công nghệ GPS mạng lưới địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ (biến đổi Wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS mạng lưới trắc địa địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam

BỘ TÀI NGUYÊNVIỆN KHOA VÀ MÔI HỌC ĐO ĐẠC TRƯỜNG VÀ BẢN BỘ GIÁO DỤC ĐỒ VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ LẠI VĂN THỦY LẠI VĂN THỦY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ (BIẾN ĐỔI WAVELET) NGHIÊN CỨU ĐỂ ỨNGPHÂN DỤNGTÍCH NỘI SUY XẤP LÝ THUYẾT VẬN XỈ TỐC CHUYỂN SÓNG NHỎ DỊCH VÀ BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TỪ KẾT QUẢ XỬ (BIẾN ĐỔI WAVELET) ĐỂ PHÂN TÍCH NỘI SUY VẬN TỐC LÝ DỮ LIỆU ĐO GPS CHUYỂN MẠNG DỊCH VÀ LƯỚI TRẮC KHÔNG BIẾN DẠNG ĐỊA ĐỊAGIAN ĐỘNG LỰC TỪ KẾTKHU QUẢVỰC XỬ MIỀN BẮC VIỆT NAM LÝ DỮ LIỆU ĐO GPS MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐỊA ĐỘNG LỰC KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2020 HÀ NỘI, 2020
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ LẠI VĂN THỦY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ (BIẾN ĐỔI WAVELET) ĐỂ PHÂN TÍCH NỘI SUY VẬN TỐC CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TỪ KẾT QUẢ XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐO GPS MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐỊA ĐỘNG LỰC KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ Mã số : 9.52.05.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH. ĐẶNG HÙNG VÕ TS. DƯƠNG CHÍ CÔNG HÀ NỘI, 2020 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận án Lại Văn Thủy iii
LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TSKH. Đặng Hùng Võ và TS. Dương Chí Công. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hướng dẫn tận tình, sát sao của các Thầy trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành dự án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ đã cho phép tham khảo, sử dụng tài liệu, số liệu đo; tạo điều kiện về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học đã góp ý, trao đổi để Nghiên cứu sinh hoàn thiện các nội dung nghiên cứu; nghiên cứu sinh cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, khích lệ kịp thời của đồng nghiệp, bạn bè và người thân, tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án trong thời gian ngắn nhất.
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI ................. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................ 7 1.1. Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất ........ 7 1.1.1. Mảng kiến tạo .......................................................................................... 7 1.1.2. Đứt gãy kiến tạo ...................................................................................... 9 1.1.3. Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất ...................................... 13 1.2. Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam ........................................................................................... 20 1.3. Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới ...................................................... 23 1.3.1. Tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ [22],[33] ......................... 23 1.3.2. Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa trên thế giới.................................................................................................... 27 1.3.3. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ........................................................ 31 1.4. Kết luận Chương 1 ..................................................................................... 32 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT ................................................. 34 2.1. Cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu ........................... 34 2.2. Tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS..................... 39 2.3. Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ......................................................................................... 46 i
2.4. Tính các đại lượng biến dạng .................................................................... 53 2.4.1. Tính tensor gradient vận tốc.................................................................. 53 2.4.2. Tính tốc độ xoay (Rotation rate) ........................................................... 58 2.4.3. Tính tốc độ biến dạng (Strain rate) ....................................................... 59 2.4.4. Tính tốc độ trương nở (Dilatation rate) ................................................. 60 2.5. Kết luận Chương 2 ..................................................................................... 61 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM .......................... 63 3.1. Đánh giá, phân tích chất lượng số liệu thực nghiệm............................... 63 3.1.1. Đánh giá, phân tích chất lượng mốc quan trắc ..................................... 63 3.1.2. Đánh giá, phân tích chất lượng dữ liệu quan trắc ................................. 64 3.1.3. Đánh giá, phân tích kết quả tính vận tốc chuyển dịch tuyệt đối của các điểm trong mạng lưới quan trắc .................................................................... 69 3.2. Tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc ............... 72 3.2.1. Sơ đồ quy trình tính toán ....................................................................... 72 3.2.2. Xây dựng modul tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực ............ 73 3.2.3. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực .......................... 74 3.3. Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương .................................... 80 3.3.1. Sơ đồ quy trình tính toán ....................................................................... 80 3.3.2. Phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch ............................... 81 3.3.3. Kết quả phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch ........................ 82 3.4. Tính các đại lượng biến dạng .................................................................... 89 3.4.1. Sơ đồ quy trình tính toán ....................................................................... 89 3.4.2. Phần mềm tính toán các đại lượng biến dạng ....................................... 90 ii
3.4.3. Kết quả tính toán, biên tập bản đồ trường biến dạng khu vực miền Bắc Việt Nam ...................................................................................................... 91 3.5. Đánh giá hiệu quả của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ ............................ 99 3.5.1. Đánh giá kết quả phân tích biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ với phương pháp tính biến dạng Frank................................................ 99 3.5.2. Đánh giá kết quả tính biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ so với các kết quả tính biến dạng trên khu vực Miền Bắc trước đó ................. 107 3.5.3. Thảo luận, đánh giá chung về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ............. 108 3.6. Kết luận Chương 3 ................................................................................... 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 111 I. Kết luận ......................................................................................................... 111 II. Kiến nghị ..................................................................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH ........................................................... 119 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI Ký hiệu Viết đầy đủ bằng Giải thích bằng viết tắt tiếng nước ngoài tiếng Việt CWT Continuos Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ liên tục DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ rời rạc DOG Difference of Gaussians Hàm sóng nhỏ trên mặt cầu GNSS Global Navigation Satellite Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu System GPS Global Positioning System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu IGS International GNSS Service Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế ITRF International Terrestrial Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế Reference Frame MRA Multiresolution analysis Phân tích đa phân giải OCV Ordinary Cross-Validation Đánh giá chéo thông thường iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam 9 Bảng 1.2. Kết quả tính chuyển dịch của đề tài KC.09.11/06-10 22 Bảng 2.1. Khoảng cách giữa các điểm lưới trên mặt cầu tương ứng với q 36 Bảng 3.1. Tổng hợp tọa độ và vận tốc chuyển dịch của các điểm IGS 68 xung quanh Việt Nam tại thời điểm ngày 01/01/2005 Bảng 3.2. Tổng hợp véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng lưới GPS 70 Bảng 3.3. Kết quả tính tham số góc Ơ-le 75 Bảng 3.4. Kết quả tính vận tốc quay và tọa độ cực quay Ơ-le 75 Bảng 3.5. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch khu vực tại điểm quan trắc 75 Bảng 3.6. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại điểm quan trắc 77 Bảng 3.7 Kết quả tính nội suy vận tốc chuyển dịch không gian 84 Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả tính các vận tốc biến dạng theo khu vực 102 Bảng 3.9. Kết quả tính vận tốc biến dạng của các đới đứt gãy 104 Bảng 3.10. Bảng so sánh kết quả tính biến dạng theo đứt gãy 106 Bảng 3.11. Bảng so sánh kết quả tính biến dạng đã được công bố 107 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam Á 8 Hình 1.2. Bản đồ hệ thống đứt gãy chính trên lãnh thổ Việt Nam 12 Hình 1.3. Tốc độ biến dạng của điểm 18 Hình 1.4. Mô tả hình thái của sự trương nở 19 Hình 2.1. Tập hợp các điểm lưới tam giác ở các quy mô khác nhau 35 Hình 2.2. Sóng nhỏ trên cầu tương ứng với các khác nhau khi q =3 36 Hình 2.3. Sự thay đổi biên độ dọc đường kinh tuyến theo khi q = 3 37 Hình 2.4. Phạm vi điểm đo khu vực miền Bắc được chọn để phân tích 38 Hình 2.5. Tập hợp các điểm trên hình cầu G ở Miền Bắc (q từ 7 đến 9) 38 Hình 2.6. Tập hợp các điểm lưới và bậc được chọn để phân tích biến 39 dạng khu vực Miền Bắc Hình 3.1. Sơ đồ bố trí điểm quan trắc trên khu vực Miền Bắc 63 Hình 3.2. Xác định chiều cao Antenna theo phương pháp đo nghiêng 65 Hình 3.3. Xác định chiều cao Antenna theo phương pháp đo thẳng đứng 66 Hình 3.4. Sơ đồ phân bố các điểm IGS xung quanh Việt Nam 67 Hình 3.5. Sơ đồ quy trình tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực 73 Hình 3.6. Giao diện phần mềm tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực 74 Hình 3.7. Sơ đồ quy trình nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương 80 Hình 3.8. Giao diện phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch 82 Hình 3.9. Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng Bắc 83 Hình 3.10. Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng Đông 83 vi
Hình 3.11. Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng đứng 84 Hình 3.12. Bản đồ trường vận tốc chuyển dịch ngang khu vực Miền Bắc 87 Hình 3.13. Bản đồ trường vận tốc chuyển dịch đứng khu vực Miền Bắc 88 Hình 3.14. Sơ đồ quy trình tính các đại lượng biến dạng 89 Hình 3.15. Giao diện phần mềm tính trường biến dạng 90 Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn trường tốc độ xoay 91 Hình 3.17. Bản đồ trường tốc độ xoay 92 Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn tốc độ biến dạng 93 Hình 3.19. Bản đồ trường tốc độ biến dạng 94 Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn tốc độ trượt 95 Hình 3.21. Bản đồ trường tốc độ trượt 96 Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn tốc độ trương nở 97 Hình 3.23. Bản đồ trường tốc độ trương nở 98 Hình 3.24. Đồ hình tam giác tính biến dạng khu vực Miền Bắc 100 Hình 3.25. Bản đồ trường vận tốc biến dạng khu vực Miền Bắc theo 101 phương pháp Frank Hình 3.26. Bản đồ trường tốc độ biến dạng khu vực Miền Bắc theo 101 phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ Hình 3.27. Bản đồ biến dạng theo đứt gẫy trên khu vực Miền Bắc 106 vii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trắc địa là ngành khoa học nghiên cứu các đặc trưng hình học của Trái Đất trong trạng thái tĩnh và trạng thái động. Phương pháp luận chủ yếu là thu nhận thông tin về bề mặt Trái Đất, xử lý thông tin thu nhận được để xác định, mô phỏng bề mặt, kích thước, hình dạng Trái Đất và nghiên cứu chuyển động hiện đại của vỏ Trái Đất bằng các phương pháp đo đạc. Các phương pháp đo đạc được hình thành dựa trên sự tiến bộ của công nghệ thu nhận thông tin về Trái Đất, gọi chung là thông tin địa lý hay thông tin không gian. Theo thời gian, đã lần lượt trải qua các công nghệ như: Công nghệ quang học để đo góc, công nghệ sử dụng sóng điện từ để đo khoảng cách, công nghệ sử dụng các hiệu ứng vật lý để đo khoảng cách từ các vật thể chuyển động, v.v. Kể từ khi công nghệ vệ tinh nhân tạo ra đời, một phần lớn thành quả của công nghệ này tập trung vào phát triển các phương pháp thu nhận thông tin không gian từ các vệ tinh nhân tạo như đo tọa độ bằng hiệu ứng Doppler, đo khoảng cách bằng laser, đo độ cao mặt biển Altimetry, đo trọng lực Trái Đất từ vệ tinh Gradiometry, chụp ảnh mặt đất từ vệ tinh bằng camera quang học hoặc radar và hiệu quả nhất là công nghệ dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Global Navigation Satellite System - GNSS). Ngày nay, công nghệ vệ tinh GNSS được coi là hạ tầng kỹ thuật hiện đại, xuất phát từ công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu GPS (Global Positioning System) với các ưu điểm nổi trội như không đòi hỏi sự thông hướng; công tác đo đạc được tiến hành trong mọi điều kiện thời tiết; có thể nhanh chóng phát triển mạng lưới không gian ba chiều trên phạm vi lớn… đã cho phép xác định véc tơ chuyển dịch ngang của vỏ Trái Đất với độ chính xác đến milimet và véc tơ chuyển dịch đứng với độ chính xác dưới centimet. Công nghệ vệ tinh GNSS đã và đang là một trong những giải pháp chủ yếu được sử dụng trong xây dựng mạng lưới trắc địa quan trắc chuyển động hiện đại của vỏ Trái Đất. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ vệ tinh GNSS, các phần mềm GAMIT do Mỹ 1
phát triển hoặc phần mềm BESNESE do Trường Đại học Bern, Thụy Sỹ phát triển cho phép tính véc tơ chuyển dịch có độ chính xác cao rất nhanh chóng, thuận tiện. Các phần mềm phân tích biến dạng cũng đã được nhiều nước trên thế giới xây dựng dựa trên các thuật toán cơ bản như phương pháp tam giác (Frank 1966); phương pháp nội suy spline lập phương (Haines et al.1998); phương pháp nghịch đảo biến thiên cạnh cơ sở (Spakman& Nyst 2002), v.v. Các phần mềm này bảo đảm các chức năng và những lợi thế riêng để có thể đáp ứng các mục đích tính toán khác nhau và phù hợp với yêu cầu phân tích biến dạng của từng khu vực. Ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS trước đây (nay là GNSS) để nghiên cứu biến dạng vỏ Trái đất theo đới đứt gãy đã được các nhà khoa học ở Việt Nam thực hiện trong 20 năm qua. Tuy nhiên, các kết quả tính toán, phân tích chuyển dịch và biến dạng mới chỉ thực hiện riêng lẻ cho từng đới đứt gãy hoặc trên khu vực nhỏ theo các đa giác phẳng; việc nghiên cứu đánh giá chuyển dịch của vỏ Trái Đất theo quy mô khu vực trong mô hình không gian hiện chưa được nghiên cứu ở Việt Nam. Năm 2009, tác giả Tape, C [41] đã giới thiệu phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, ước lượng trường biến dạng từ kết quả đo GNSS và đã được áp dụng ở Mỹ và Trung Quốc. Các kết quả được công bố đã chỉ ra được thực trạng biến dạng vỏ Trái đất trong khu vực nghiên cứu. Ở Việt Nam, phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ chưa được áp dụng trong nghiên cứu chuyển động hiện đại vỏ Trái Đất. Qua nghiên cứu về khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa đã phát hiện ra những ưu điểm của phương pháp này khi phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và tính toán các đại lượng biến dạng của vỏ Trái Đất. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để thực hiện luận án: “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ (biến đổi Wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS mạng lưới trắc địa địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam”. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy và minh giải chuyển dịch, biến dạng không gian 3 chiều từ kết quả tính toán xử lý dữ liệu đo đạc bằng công nghệ GPS mạng lưới địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu a. Nghiên cứu tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ và khả năng ứng dụng của phương pháp này trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới. b. Nghiên cứu, áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái đất khu vực miền Bắc Việt Nam từ kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực. c. Xây dựng phần mềm tính toán, phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam từ kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực. d. Thu thập, phân tích, chuẩn hoá véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam. g. Tính toán, phân tích, minh giải trường biến dạng hiện đại khu vực miền Bắc Việt Nam. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ; vận tốc chuyển dịch của các điểm, trường chuyển dịch và trường biến dạng của vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu: Các đứt gãy có dấu hiệu hoạt động mạnh trên khu vực miền Bắc Việt Nam trong phạm vi từ 19,5 độ đến 23 độ vĩ Bắc và từ 103 độ đến 108 độ kinh Đông trong thời gian từ năm 2012 đến năm 2017. 5. Phương pháp nghiên cứu 3
Để hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh sử dụng một số phương pháp sau: - Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các thông tin trên internet và thư viện; - Phương pháp toán học: Nghiên cứu phương pháp tính toán nội suy và đánh giá độ chính xác nội suy của trường vận tốc chuyển dịch địa phương; - Phương pháp so sánh: So sánh phân tích ưu nhược điểm của phương pháp sóng nhỏ với phương pháp tam giác do Frank đề xuất; - Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm để chứng minh cho việc lựa chọn cơ sở lý thuyết là hoàn toàn đúng đắn; - Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng và triển khai các thuật toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. 6. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ là giải pháp kỹ thuật phù hợp và có hiệu quả cao trong xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất từ các số liệu đo mạng lưới GNSS địa động lực tại khu vực miền Bắc Việt Nam. Luận điểm 2: Kết quả tính toán thực nghiệm với vận tốc chuyển dịch nhận được trong 6 chu kỳ đo (từ năm 2012-2017) đã cho thấy hoạt động của các đứt gẫy trên khu vực miền Bắc Việt Nam có tốc độ nhỏ và tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc (xung quanh đứt gẫy Lai Châu - Điện Biên). 7. Điểm mới của luận án Một là, Đưa ra giải pháp nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương trên cơ sở mối quan hệ trong không gian của các điểm lân cận dựa trên hàm xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu. Hai là, Ứng dụng thành công phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu, xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất (trường tốc độ xoay; trường tốc độ biến dạng; trường tốc độ trượt; trường tốc độ trương nở) từ kết quả nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương. 4
Ba là, Đề xuất quy trình tính toán và xây dựng được phần mềm tính toán phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch; tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển lý thuyết xử lý số liệu quan trắc địa động lực; làm sáng tỏ thêm đặc điểm chuyển động kiến tạo hiện đại của vỏ Trái Đất trên khu vực miền Bắc Việt Nam. - Ý nghĩa thực tiễn: Quy trình tính toán và phần mềm tính toán hỗ trợ có hiệu quả trong xử lý số liệu của các mạng lưới trắc địa địa động lực. Kết quả nghiên cứu về trường biến dạng khu vực có thể sử dụng trong phân tích dự báo tai biến tự nhiên do hoạt động kiến tạo hiện đại vỏ Trái đất gây ra; xây dựng và bố trí hệ thống điểm quan trắc cảnh báo, dự báo hoạt động tai biến tự nhiên; làm căn cứ để quy hoạch và xây dựng phương án bố trí di dời khi có dự báo xảy ra tai biến địa chất; là căn cứ trong xây dựng các công trình và hạ tầng phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội có lưu ý tới tai biến địa chất; cung cấp số liệu chính xác về tọa độ địa lý và vận tốc chuyển dịch của các điểm phục vụ cho các công trình nghiên cứu khác nhau về kiến tạo hiện đại vỏ Trái đất. 9. Cơ sở tài liệu Luận án được xây dựng trên những cơ sở sau: Vận tốc chuyển dịch nhận được trong 6 chu kỳ đo (2012 - 2017) của mạng lưới trắc địa địa động lực do Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ thực hiện tại Dự án “Xây dựng mạng lưới trắc địa địa động lực trên khu vực các đứt gãy thuộc miền Bắc Việt Nam phục vụ công tác dự báo tai biến tự nhiên” theo Quyết định số 1665/QĐ-BTNMT ngày 26 tháng 8 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường; số liệu quan trắc của lưới trắc địa IGS (lưới trắc địa toàn cầu - International GNSS Service); kết quả nghiên cứu đề tài khoa học công nghệ cấp cơ sở và công bố trong tạp chí, hội nghị khoa học trong và ngoài nước của tác giả. Ngoài ra, nghiên cứu sinh còn tham khảo 47 công trình nghiên cứu, bài báo khoa học đã công bố có liên quan đến luận án. 5
10. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của nghiên cứu sinh, nội dung luận án được trình bày trong 3 chương: Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Trình bày tổng quan về những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất; tổng quan về tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam; tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ ở Việt Nam và trên thế giới. Chương 2. Cơ sở lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất: Trình bày cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu; cơ sở lý thuyết tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS; cơ sở lý thuyết nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ; cơ sở lý thuyết tính các đại lượng biến dạng của khu vực. Chương 3. Thực nghiệm tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam: Trình bày những phân tích đánh giá chất lượng mốc quan trắc và số liệu đo GNSS, đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán vận tốc chuyển dịch tuyệt đối trên khu vực miền Bắc Việt Nam; trình bày quy trình, phần mềm tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc, nội suy vận tốc chuyển dịch không gian cho các điểm lưới GRID đặc trưng cho trường vận tốc chuyển dịch khu vực, tính các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất trên khu vực Miền Bắc; trình bày kết quả tính toán thực nghiệm xác định trường biến dạng khu vực miền Bắc Việt Nam và thảo luận các vấn đề nghiên cứu nhằm làm rõ các ưu, nhược điểm cũng như khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong tính toán xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất ở quy mô khu vực. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất 1.1.1. Mảng kiến tạo Theo thuyết kiến tạo mảng, lớp ngoài cùng của Trái Đất (thạch quyển) là chất rắn gắn kết nằm trên một quyển yếu hơn là quyển mềm. Thạch quyển vỡ ra làm nhiều phần được gọi là mảng kiến tạo. Bề mặt Trái Đất có thể chia ra thành bẩy (07) mảng chính, gồm: Mảng Thái Bình Dương, mảng Á-Âu, mảng Ấn Độ - Ôxtrâylia, mảng Châu Phi, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Nam Cực và nhiều mảng kiến tạo nhỏ. Ranh giới giữa hai mảng kiến tạo là các đứt gãy, đứt gãy sâu hoặc các kiểu phá hủy tổng hợp khác. Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyển động theo một tiến trình gọi là sự trôi dạt lục địa trên quyển mềm. Các mảng này di chuyển tương đối với nhau theo một trong ba dạng chính đó là: Hội tụ (xô húc vào nhau); tách giãn (trượt dọc với phương trượt gần như song song với phương tách dãn); trượt ngang (phương trượt vuông góc với phương tách dãn). Các lực được tạo ra tại các ranh giới hình thành các dãy núi gây nên núi lửa phun trào và động đất. Hiện tượng này cùng với các quá trình kèm theo được gọi là hoạt động kiến tạo. Trong các mô hình động học thạch quyển, chuyển động của mảng hay khối được đại diện bởi vận tốc quay của phần nội mảng (nội khối) ổn định và được mô tả bằng véc tơ Ơ-le bao gồm 3 thành phần tọa độ điểm gốc và 3 thành phần vận tốc góc quay của véc tơ. Các thành phần góc quay Ơ-le có thể xác định chuyển động của mảng hoặc khối kiến tạo bằng các phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, hiện nay phương pháp trắc địa được coi là chính xác và tin cậy hơn cả vì đây là phương pháp hình học có định lượng. Để đơn giản hóa việc lập mô hình biến dạng mảng lục địa, một cách tiếp cận khá phổ biến là nhấn mạnh vai trò của các đứt gãy, đồng thời thừa nhận mô hình biến dạng gián đoạn trong lớp vỏ trên dễ vỡ hoặc đàn hồi và ứng dụng 7
phương pháp tiếp cận khối, trong đó mỗi khối bao gồm vùng nội khối ổn định nằm xa đứt gãy và đới biến dạng nằm kề đứt gãy. Khi nghiên cứu chuyển động phần nội khối, thành phần chuyển động đứng được coi bằng không. Ở khu vực rìa chuyển động mảng sẽ tạo ra sự phá hủy, nâng hạ theo các kiểu phá hủy tổng hợp khác nhau, nên thành phần chuyển động đứng của vỏ Trái Đất có sự thay đổi [17]. Khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam nằm ở phía đông nam của mảng Á-Âu và chủ yếu được hình thành bởi hoạt động kiến tạo tại ranh giới các mảng hay khối bao quanh, được thể hiện trên Hình 1.1 dưới đây. Hình 1.1. Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam Á [39] 8
Có thể nhận thấy, lãnh thổ Việt Nam nằm trên hai khối kiến tạo đó là khối Nam Trung Hoa (South China Block) và khối Sunda (Sundaland Block) mà ranh giới là đứt gãy Sông Hồng. Trong kiến tạo địa phương, thuật ngữ “khối kiến tạo” còn được dùng để chỉ những khối cấu trúc là yếu tố cấu thành của một khối trong kiến tạo khu vực [17]. Xét dưới góc độ chuyển động mặt và vỏ Trái Đất liên quan tới động đất, người ta phân biệt chuyển dịch đồng thời với động đất (coseismic displacement) và chuyển dịch giữa hai lần động đất (interseismic displacement). Mô hình chuyển dịch mặt đất do động đất phụ thuộc vào từng loại đứt gãy gây nên động đất, chuyển động của khối kiến tạo được coi là tổng của chuyển dịch đồng thời với động đất và chuyển dịch giữa hai lần động đất [17]. 1.1.2. Đứt gãy kiến tạo Đứt gãy (còn gọi là biến vị, đoạn tầng hoặc phay) là một hiện tượng địa chất liên quan tới các quá trình kiến tạo trong vỏ Trái Đất. Đứt gãy chia làm nhiều loại: Đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch, đứt gãy ngang... Thông thường, đứt gãy thường xảy ra tại nơi có điều kiện địa chất không ổn định. Đứt gãy kiến tạo, nhất là những đứt gãy lớn, chạy dài hàng trăm, hàng ngàn cây số qua nhiều vùng lãnh thổ với địa hình và kiến tạo khác nhau. Do nằm cách xa phần ranh giới của mảng kiến tạo nên các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam là những đứt gãy nội mảng, các đứt gãy này đóng vai trò phân chia các khối thạch quyển cấp II, III và IV. Theo tác giả Cao Đình Triều [19], các đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp 1 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động ở Việt Nam và lân cận bao gồm 11 đứt gãy, được ký hiệu là FII; các đứt gãy cấp III thạch quyển (cấp 2 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động ở Việt Nam và lân cận bao gồm 34 đứt gãy, được ký hiệu là F III . Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam được thống kê trong Bảng 1.1 dưới đây. Bảng 1.1. Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam [19] Đặc điểm Số Ký Hình thái - Hình động học Tên đới đứt gãy TT hiệu Phương Độ Bề Hướng cắm phát triển sâu rộng 9