Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá đặc điểm vi địa chấn, áp dụng vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là kiểm chứng giả thiết của Nakamura (1989, 2000, 2007) đó là xung quanh miền tần số trội trên HVSR của DĐVĐC chủ yếu là các dao động ngang giống như sóng S, còn xung quanh tần số vùng lõm trên HVSR của DĐVĐC chủ yếu là các các dao động đứng giống như sóng Rayleigh; vi phân vùng động đất Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC bằng phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V 1 trạm của Nakamura,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá đặc điểm vi địa chấn, áp dụng vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Tiến Hùng ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM VI ĐỊA CHẤN, ÁP DỤNG VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Tiến Hùng ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM VI ĐỊA CHẤN, ÁP DỤNG VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60 44 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TỬ SƠN Hà Nội – 2012
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 - ĐẶC ĐIỂM DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN 3 1.1. Miền thời gian - Dao động hạt. 3 1.2. Miền tần số - tỷ số phổ H/V 4 1.3. HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của động đất. 7 Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT 17 2.1 Khái niệm về vi phân vùng động đất 17 2.2. Sự khuếch đại sóng địa chấn qua lớp phủ. 17 2.3. Các phƣơng pháp vi phân vùng động đất 18 2.4. Nghiên cứu vi phân vùng động đất trên thế giới 19 2.5. Nghiên cứu vi phân vùng động đất tại Việt Nam 20 Chƣơng 3 - PHƢƠNG PHÁP, CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN PHỤC VỤ VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT 24 3.1. Khái niệm về dao động vi địa chấn. 24 3.2. Xác định chu kỳ trội của dao động vi địa chấn 24 3.3. Đánh giá chiều dầy lớp phủ nông theo số liệu đo DĐVĐC 26 Chƣơng 4 - VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI 31 4.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 31 4.1.1. Vị trí 31 4.1.2. Địa hình 31 4.1.3. Đặc điểm địa chất công trình 31 4.1.4. Tính địa chấn khu vực nghiên cứu và lân cận 32 4.2 Thu nhận và xử lý số liệu 33 4.2.1. Thiết bị 33 4.2.2. Số liệu 33 4.2.3. Minh giải số liệu 33 4.3. Thảo luận kết quả 35 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 63
Danh mục các bảng biểu Bảng 4.1 Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam “TCXDVN 375: 2006: Thiết kế công trình chịu động đất” 38 Bảng 4.2 Kỹ thuật phân loại nền đất theo chu kỳ trội của Đài Loan. 39 Bảng 4.3 Các điểm đo và hố khoan sử dụng để đánh giá mối liên hệ giữa chiều dầy lớp phủ D và chu kỳ trội T0 của DĐVĐC 40
Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Dao động hạt của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản 8 Hình 1.2 Dao động hạt của sóng S 9 Hình 1.3 Đồ thị HVSR của điểm đo DĐVĐC và các dao động hạt 10 Hình 1.4 Đồ thị HVSR tại điểm đo H02 và các dao động hạt 11 Hình 1.5 Các đƣờng cong HVSR mô phỏng theo phƣơng trình hàm truyền sóng S và HVSR mô phỏng theo phƣơng trình tính elip của sóng Rayleigh. 12 Hình 1.6 Mô phỏng sự không ổn định vận tốc pha của Dutta 13 Hình 1.7 Các đƣờng cong HVSR đo đƣợc và các đƣờng cong HVSR mô phỏng 4 trƣờng hợp nhằm kiểm tra tính không rõ của DĐVĐC. 14 Hình 1.8 Đƣờng cong HVSR đo đƣợc, HVSR mô phỏng theo phƣơng trình hàm truyền sóng S và HVSR mô phỏng theo phƣơng trình tính elip của sóng Rayleigh (theo Kuo (2008)) 15 Hình 1.9 Đồ thị so sánh HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của các trận động đất ghi đƣợc 7 trạm ghi dao động mạnh phân bố trong bồn trũng Đài Bắc, Đài Loan 16 Hình 2.1 Vị trí lắp đặt thiết bị và lát cắt địa chất tại vùng McGee Creek 22 Hình 2.2 Biểu đồ mô tả vị trí các trạm động đất từ chấn tâm tới thành phố Mêxicô và các trạm phân bố trong thành phố Mêxicô 23 Hình 3.1 Hai phƣơng pháp đo DĐVĐC thƣờng đƣợc sử dụng để xác định chu kỳ trội của DĐVĐC 28 Hình 3.2 Mô hình 2 lớp đơn giản dùng để đánh giá mối liên hệ giữa chu kỳ trội và chiều dầy lớp phủ. 29 Hình 3.3 Mối quan hệ giữa chiều dầy lớp phủ và tần số trội tại vùng Lower Rhine Embayment (Đức). 30 Hình 4.1 Khu vực nghiên cứu và phân bố các điểm đo DĐVĐC 41 Hình 4.2 Bản đồ phân bố các điểm đo DĐVĐC tại Tp. Hà Nội. 42
Hình 4.3 Bản đồ địa chất công trình Tp.Hà nội (theo Nguyễn Đức Đại, 1996) 43 Hình 4.4 Bản đồ đƣờng đẳng chấn của một số chận động đất đã xẩy ra và gây chấn động cho Tp. Hà Nội với cƣờng độ IV-VI (thang MSK-64) 44 Hình 4.5 Bản đồ phân bố đứt gẫy và chấn tâm động đất Việt Nam và lân cận 45 Hình 4.6 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này 46 Hình 4.7 Bản đồ phân bố các điểm đo DĐVĐC sử dụng để so sánh với tài liệu lỗ khoan. 47 Hình 4.8 Các đồ thị tỉ số phổ H/V tại một số điểm đo DĐVĐC đƣợc chọn ra từ 93 điểm đo DĐVĐC. 48 Hình 4.9 Sơ đồ vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội 49 Hình 4.10 Bản đồ phân loại nền đất Tp. Hà Nội theo số liệu vi địa chấn 50 Hình 4.11 Mối liên hệ giữa chu kỳ trội T0 và chiều dầy lớp phủ DK tại thành phố Hà Nội. 51 Hình 4.12 Bản đồ phân bố chiều dầy lớp phủ thu đƣợc từ phƣơng trình (4.2) và chu kỳ trội T0 theo Hùng (2011). 52 Hình 4.13 So sánh chiều dầy lớp phủ theo mặt cắt 1 53 Hình 4.14 So sánh chiều dầy lớp phủ theo mặt cắt 2 54
Bảng ký hiệu các chữ viết tắt TT Ký hiệu Nghĩa 1 DĐVĐC dao động vi địa chấn 2 HVSR tỉ số phổ dao động ngang và dao động đứng (H/V) 3 PGA gia tốc đỉnh 4 Tp. Hà Nội thành phố Hà Nội
MỞ ĐẦU Dao động vi địa chấn là những dao động có biên độ nhỏ trên mặt đất. Chúng có thể được tạo ra từ các hoạt động như: gió, thuỷ triều, sóng biển, giao thông, động đất,.... Phần lớn các nhà nghiên cứu đều cho rằng thành phần chủ yếu của dao động vi địa chấn là các sóng mặt (sóng Rayleigh). Tuy nhiên, Nakamura (1989, 2000, 2007) cho rằng thành phần của dao động vi địa chấn biến đổi trên các dải tần khác nhau. Thành phần chủ yếu của dao động vi địa chấn xung quanh miền tần số trội (T0) là các dao động ngang giống như các sóng S, còn xung quanh dải tần số vùng lõm là các dao động đứng giống như các sóng Rayleigh. Hai thập kỷ qua, một số phương pháp sử dụng để thực hiện vi phân vùng động đất như: Khoan thăm dò, đo địa chấn phản xạ/khúc xạ, sử dụng các băng ghi dao động mạnh ghi được tại các nền đất khác nhau và đo DĐVĐC. Những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và các cách cải tiến kỹ thuật đo, phương pháp đo DĐVĐC thường được lựa chọn để thực hiện vi phân vùng động đất. Phương pháp đo DĐVĐC không cần khoan hay không cần sử dụng các nguồn nổ nên nó dễ dàng thực hiện trong các khu đông dân cư. Hơn nữa, các nguồn tại ra DĐVĐC luôn có sẵn, do đó thời gian thực hiện đo khảo sát ngắn hơn và giá thành rẻ hơn so với các phương pháp khác. Cho đến nay, vi phân vùng động đất bằng phương pháp đo DĐVĐC đã thực hiện thành công tại nhiều nơi trên thế giới [2-10, 12-58]. Ở Việt Nam, ngay từ năm 90 của thế kỷ trước, vi phân vùng động đất bằng phương pháp đo DĐVĐC theo phương pháp độ cứng địa chấn đã được thực hiện tại thành phố Hà Nội [7, 10]. Từ năm 2003 đến nay, đo DĐVĐC theo phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V của Nakamura (1989) đã thực hiện thành công tại một số thành phố lớn, các công trình trọng điểm, các vùng hoạt động động đất,… [2-7, 9, 10, 54, 57]. Xuất phát từ những nhận định trên nên tôi chọn để tài “Đánh giá đặc điểm vi địa chấn, áp dụng vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội” làm luận văn Thạc sỹ của mình. Trong khuôn khổ luận văn này, tôi sẽ thực hiện một số vấn đề sau: 1
(1) Kiểm chứng giả thiết của Nakamura (1989, 2000, 2007) đó là xung quanh miền tần số trội trên HVSR của DĐVĐC chủ yếu là các dao động ngang giống như sóng S, còn xung quanh tần số vùng lõm trên HVSR của DĐVĐC chủ yếu là các các dao động đứng giống như sóng Rayleigh. (2) Vi phân vùng động đất Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC bằng phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V 1 trạm của Nakamura (1989). (3) Đánh giá chiều dầy lớp phủ Tp. Hà Nội từ số liệu đo DĐVĐC. Kết quả sau đó được so sánh với 2 mặt cắt địa chất công trình nhằm đưa ra nhận định khách quan giữa kết quả đánh giá từ đo DĐVĐC và tài liệu khoan. Với mục tiêu đó, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn này được trình bày trong bốn chương với nội dung cụ thể như sau: Chƣơng 1: Mô tả các đặc điểm dao động vi địa chấn theo miền thời gian và miền tần số và đưa ra minh chứng của tác giả về thành phần cấu tạo của DĐVĐC dựa trên giả thiết của Nakamura (1989, 2000, 2007). Chƣơng 2: Mô tả các nghiên cứu vi phân vùng động đất đã thực hiện trên thế giới và Việt Nam. Chƣơng 3: Mô tả phương pháp, cơ sở lý thuyết sử dụng dao động vi địa chấn phục vụ vi phân vùng động đất. Chƣơng 4: Mô tả đặc điểm địa chất công trình Tp. Hà Nội, số liệu sử dụng trong nghiên cứu, áp dụng vi phân vùng động đất Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC và đánh giá chiều dầy lớp phủ Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC. Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Tử Sơn. 2
Chƣơng 1 - ĐẶC ĐIỂM DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN 1.1. Miền thời gian - Dao động hạt. Phần lớn các nhà khoa học cho rằng DĐVĐC được cấu tạo chủ yếu từ các sóng có dao động đứng (sóng Rayleigh), đặc biệt là trên miền tần số trội. Tuy nhiên, theo Nakamura (1989, 2000, 2007), thành phần cấu tạo của DĐVĐC biến đổi trên các dải tần khác nhau. Đó là, mặc dù DĐVĐC chủ yếu là các sóng Rayleigh, nhưng các sóng có dao động ngang (sóng S) lại là thành phần chủ yếu trên miền tần số trội, còn các sóng Rayleigh phân bố tập trung trên dải tần cao hơn miền tần số trội. Để minh họa thành phần cấu tạo của DĐVĐC trên các dải tần số khác nhau, tôi đi biểu diễn DĐVĐC dưới dạng các dao động hạt trên các dải tần khác nhau. Dao động hạt là dạng dao động mô tả trạng thái hạt dao động khi bị tác động của ngoại lực. Dao động hạt của các sóng Rayleigh là dạng dao động chủ yếu theo phương đứng, ngược chiều kim đồng hồ tại mặt phân lớp và bị phản xạ trở lại theo chiều kim đồng hồ (hình 1.1). Dao động hạt của các sóng S là dạng dao động chủ yếu theo phương ngang (theo các thành phần E và N) tại bề mặt (hình 1.2). Do đó, bằng cách quan sát các dạng dao động hạt trên các dải tần khảo sát khác nhau chúng ta có thể phát hiện được tại các dải tần này là sóng S hay sóng Rayleigh. Di Giulio (2006) [22], Kuo (2008) [34] đã tiến hành biểu diễn dao động hạt của DĐVĐC tại các dải tần xung quanh đỉnh trội và vùng lõm của HVSR. Kết quả của họ đều cho thấy dao động hạt xung quanh miền tần số trội của HVSR có dao động ngang giống như sóng S. Ngược lại, dao động hạt tại các dải tần xung quanh vùng lõm của HVSR có dạng dao động đứng giống như sóng Rayleigh (hình 1.3). Hình 1.4(a) mô tả đồ thị HVSR và các dao động hạt tại điểm đo DĐVĐC (H02) trong nghiên cứu này. Hình bên phải là các dao động hạt của DĐVĐC được lọc xung quanh dải tần vùng lõm của HVSR, hình bên trái là các dao động hạt của DĐVĐC được lọc xung quanh dải tần đỉnh trội của HVSR. Hình này cho thấy các dao động hạt của DĐVĐC có sự khác nhau rất rõ tại miền tần số xung quanh đỉnh trội và vùng lõm. Dao động hạt của DĐVĐC tại tần số xung quanh đỉnh trội chủ yếu theo phương ngang giống như sóng S. Nếu như tần số xung quanh đỉnh trội này 3
được cấu tạo bởi sóng Rayleigh (chế độ cơ bản hay cao) thì dạng dao động hạt của nó tại đây phải thể hiện dạng dao động đứng giống như sóng Rayleigh. Ngược lại, khi biểu diễn dao động hạt tại miền tần số xung quanh vùng lõm cho thấy các dao động tại đây chủ yếu theo phương đứng giống như dao động của sóng Rayleigh. Hơn nữa, kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả của Giulio, Kuo, …. và lý thuyết của Nakamura, đó là các sóng Rayleigh phổ biến ở miền tần số xung quanh vùng lõm của HVSR. Trong trường hợp cụ thể này, giá trị biên độ khuếch đại vi địa chấn trên HVSR tại tần số vùng lõm, nhỏ hơn 1 có thể là do năng lượng của dao động sóng theo phương đứng cao hơn năng lượng trung bình của dao động sóng theo phương ngang. 1.2 Miền tần số - HVSR Xung quanh miền tần số đỉnh trội vẫn có thể tồn tại sóng Rayleigh vì dao động đứng ở đó vẫn nhỏ. Sự biến mất của sóng Rayleigh tại miền tần số này được cho là các vận tốc pha của sóng Rayleigh của DĐVĐC đôi khi trở nên không ổn định từ miền tần số cao tới miền tần số trội (Nakamura 2007), đặc biệt tại các vùng đất chặt và đá cứng. Ohori (2002) [44], Bonnefoy-Claudet (2006) [16], sử dụng mô hình 2 lớp đơn giản để xây dựng mô phỏng phương trình hàm truyền sóng S và mô phỏng phương trình tính elip của sóng Rayleigh (hình 1.5). Hình 1.5(a) mô tả các vận tốc pha đo được tại điểm khảo sát (các chấm đen); hình 1.5(b) là tỉ số phổ tính được theo mô hình nghịch đảo vận tốc pha (đường liền) và tỉ số phổ của sóng S đo được bằng thiết bị PS-logging (đường đứt); hình 1.5(c) là HVSR của DĐVĐC đo được, HVSR tính được theo mô phỏng phương trình hàm truyền của sóng S và HVSR tính được theo mô phỏng phương trình tính elip của sóng Rayleigh (chế độ cơ bản và chế độ cao); hình 1.5(d) Mô tả các vận tốc pha của DĐVĐC sử dụng để mô phỏng (các chấm màu xám) và đường cong phân tán vận tốc pha ở chế độ cơ bản và 2 chế độ cao theo lý thuyết (đường đậm màu đen). Các hình này đều cho thấy có hiện tượng vận tốc pha không ổn định tại tần số xung quanh miền tần số trội (từ 5,5 tới 9 Hz (hình 1.5 (a, b) và 2 Hz (hình 1.5 (c, d)). Tuy nhiên, các tác giả này đã giải thích 4
hiện tượng này như là hiện tượng bất thường. Một ví dụ khác của Dutta (2007) [24] (hình 1.6), cũng cho thấy có trạng thái không ổn định xung quanh tần số 1 Hz (điểm A1) và 0,8 Hz (điểm B3), 2 đồ thị bên trái và 2 đồ thị bên phải cho thấy tần số trội cũng tại 1 Hz và 0,8 Hz. Các ví dụ trên cho thấy có trạng thái không ổn định vận tốc pha tại tần số xung quanh tần số đỉnh trội. Đây không phải là kết quả ngẫu nhiên. Điều này có nghĩa xung quanh tần số trội của HVSR của DĐVĐC không bị ảnh hưởng bởi các sóng Rayleigh. Nakamura (2007) [43] đã thực hiện xây dựng phương trình mô phỏng hàm truyền sóng S và tính elip của sóng Rayleigh cho thấy có 2 hiện tượng quan trọng đó là: (i) Tại miền tần số trội, sự khuếch đại của DĐVĐC đo được giống với sự khuếch đại của phương trình mô phỏng hàm truyền sóng S, nhưng không giống với sự khuếch đại của phương trình mô phỏng tính elip của sóng Rayleigh; (ii) Các vận tốc pha của DĐVĐC đo được “không ổn định” xung quanh tần số 2 Hz, tần số này cũng là tần số trội của DĐVĐC. Năm 2006, Hội nghị khoa học quốc tế lần thứ 3 về ảnh hưởng địa chấn nông đến DĐVĐC được tổ chức tại Grenoble, Pháp [33]. Vấn đề đặt ra trong hội nghị này là kiểm tra tính không rõ của DĐVĐC. Kuo (2008) [34] thực hiện mô phỏng 4 trường hợp (N101 - N104) nhằm kiểm tra tính không rõ này (hình 1.7). Hình này cho thấy xung quanh miền tần số trội, các đường cong HVSR của DĐVĐC (màu đen) giống (cả về biên độ khuếch đại và hình dạng) với HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S (màu xanh). Tuy nhiên, HVSR được mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản (màu đỏ) cũng trội xung quanh tần số này, nhưng biên độ khuếch đại lại khác nhiều. Trường hợp N102 và N104 cho thấy sự khuếch đại tại miền tần số trội của HVSR được mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh lớn hơn 10 lần so với sự khuếch đại của HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S và sự khuếch đại của DĐVĐC đo được. Sự khuếch đại tại miền tần số xung quanh vùng lõm cũng cho hiện tượng tương tự. Fäh (2001) [25] giải thích đỉnh trội tạo ra là do tính elip của sóng Rayleigh ở chế độ cao. Ông đã đưa ra 2 nhận định sau: (i) Ở miền tần số cao, 5
HVSR của DĐVĐC đo được không thể lớn hơn HVSR của DĐVĐC mô phỏng, vì DĐVĐC đo được bị ảnh hưởng bởi sóng các S; (ii) Sóng Rayleigh ở chế độ cao không thể trội tại miền tần số xung quanh đỉnh trội, vì miền tần số này đã hạn chế nó (sóng mặt mức cao chỉ tồn tại được tại dải tần số lớn hơn tần số cắt của nó). Hình 1.7 cho thấy sự khuếch đại tại miền tần số trội là do các sóng S bị phản xạ nhiều lần, tại miền tần số xung quanh vùng lõm chủ yếu là các sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản và tại miền tần số cao các sóng S sẽ suy yếu còn các sóng Rayleigh chế độ cơ bản sẽ mạnh lên. Do đó, tại tần số cao, đường cong HVSR của DĐVĐC thường nằm giữa đường cong HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền của sóng S và đường cong HVSR được mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh. Ở miền tần số cao hơn miền tần số trội, đỉnh trội của HVSR đo được thường nhỏ hơn đỉnh trội của HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S là do các sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản tập trung nhiều hơn tại miền tần số này. Kuo (2008) [34] đưa ra một dấu hiệu mới để chứng tỏ đỉnh trội của HVSR của DĐVĐC chủ yếu là do sóng S chứ không phải là do các sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản hay chế độ cao. Ông thực hiện khảo sát trường hợp HVSR có đỉnh trội kép, điểm TAP089, các băng ghi DĐVĐC được lọc xung quanh tần số trội của đỉnh trội thứ nhất, đỉnh trội thứ 2 và vùng lõm. Sau đó, ông tiến hành biểu diễn các dao động hạt tại các dải tần số này. Kết quả cho thấy dao động hạt tại đỉnh trội thứ nhất và đỉnh trội thứ 2 có xu hướng dao động ngang giống như dao động của sóng S, còn dao động hạt tại tần số vùng lõm chủ yếu dao động đứng giống như sóng Rayleigh. Sau đó, ông thực hiện mô phỏng HVSR theo phương trình hàm truyền sóng S (đường xanh lá cây) và phương trình tính elip của sóng Rayleigh chế độ cơ bản (đường đỏ) và chế độ cao thứ nhất (đường xanh nước biển). Kết quả của ông cho thấy, cả 2 đỉnh trội đều được mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S, còn mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh chỉ phù hợp với đỉnh trội ở chế độ cơ bản, còn đỉnh trội ở chế độ cao thứ nhất lại khác xa so với đỉnh trội thứ 2 của HVSR đo được. Hơn nữa, khi xét đến sự khuếch đại tương đối giữa các đỉnh 6
trội của HVSR đo được và HVSR mô phỏng cho thấy sự khuếch đại tại đỉnh trội thứ 2 lớn hơn sự khuếch đại tại đỉnh trội thứ nhất. Điều này có thể là do đỉnh trội thứ 2 được tạo ra từ lớp đất mềm (đất mềm sẽ tạo ra sự khuếch đại lớn hơn) nằm trên (đỉnh thuộc lớp nông hơn sẽ xuất hiện tại tần số cao hơn) lớp đất của đỉnh trội thứ nhất. Nhưng nếu giải thích theo tính elip của sóng Rayleigh thì lại bị ngược (hình 1.8). Hình này cho thấy mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S cũng mô phỏng được cả 2 đỉnh trội và đỉnh trội thứ 2 cũng nhô cao hơn đỉnh trội thứ nhất. Điều này khẳng định các giá trị sử dụng cho mô phỏng phương trình hàm truyền sóng S rất phù hợp với các giá trị đo được. 1.3. HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của động đất. DĐVĐC chủ yếu gồm các sóng S tập trung xung quanh miền tần số trội và các sóng Rayleigh tập trung ở tần số cao hơn tần số trội. Do đó, HVSR của vi địa chấn và HVSR sóng S của động đất phải có một số đặc điểm như sau: (i) Hình dạng và vị trí đỉnh trội giữa HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của động đất phải giống nhau; (ii) tại miền tần số cao, HVSR của DĐVĐC phải nhỏ hơn HVSR sóng S của động đất, do DĐVĐC bị ảnh hưởng bởi các sóng Rayleigh. Dựa trên các nhận định này Kuo (2008) [34] đã thực hiện so sánh HVSR trung bình của DĐVĐC với HVSR sóng S của các trận động đất ghi được tại 7 trạm ghi dao động mạnh phân bố trong bồn trũng Đài Bắc, Đài Loan, Trung Quốc. Số liệu DĐVĐC cũng được đo gần khu vực đặt trạm dao động mạnh. Một số băng DĐVĐC đo theo kiểu mảng, một số băng khác đo theo kiểu 1 trạm (Lin 2005) [38]. HVSR trung bình của các trận động đất mà ông sử dụng lấy từ kết quả nghiên cứu của Chen (2005) [20]. Kết quả so sánh được mô tả trong (hình 1.9). Hình này cho thấy đường cong HVSR của DĐVĐC và đường cong HVSR sóng S của động đất có 3 điểm đặc điểm sau: (i) Sự khuếch đại của HVSR của DĐVĐC lớn hơn sự khuếch đại của HVSR sóng S của các trận động đất; (ii) Xung quanh đỉnh trội, HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của các trận động đất rất giống nhau; (iii) Ở miền tần số cao, HVSR của DĐVĐC phần lớn thấp hơn HVSR sóng S của động đất, ngoại trừ điểm TA019. 7
Hình 1.1 Dao động hạt của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản. Hình này cho thấy, trong 1 chu kỳ sóng Rayleigh truyền từ trái sang phải và dao động ngược chiều kim đồng hồ. Khi đến bề mặt nó bị phản xạ trở lại trở rồi dao động thẳng đứng hoàn toàn ở độ sâu bằng 1/5 lần bước sóng sau đó dao động theo chiều kim đồng hồ tại các độ sâu lớn hơn. Các chấm đen là các điểm ổn định theo thời gian (theo Shearer 1999, hình 8.3). 8
Hình 1.2 Dao động hạt của sóng S. Trục x là thành phần E hay N. Trục y là thành phần Z. Hình này cho thấy, dao động hạt của sóng S theo phương ngang mạnh hơn theo phương đứng [34]. 9
(a) (b) Hình 1.3(a) Đồ thị HVSR của mảng A và các dao động hạt của DĐVĐC được lọc trong dải tần số tô màu xám, xung quanh đỉnh trội và vùng lõm (theo Di Giulio, 2006) [22]. Hình 1.3(b) Đồ thị HVSR tại điểm TA022 và các dao động hạt của DĐVĐC được lọc trong dải tần tô màu xám, xung quanh đỉnh trội và vùng lõm (theo Kuo, 2008) [34]. Các kết quả này đều cho thấy dao động hạt của DĐVĐC tại miền tần số xung quanh đỉnh trội dao động chủ yếu theo phương ngang giống sóng S, còn dao động hạt của DĐVĐC tại miền miền tần số xung quanh vùng lõm dao động chủ yếu theo phương đứng giống sóng Rayleigh. 10
H/V Plot of H02 1 10 H/V amplitude (a) 0 10 -1 10 -1 0 1 10 10 10 Period t, sec (b) Hình 1.4(a) Đồ thị HVSR tại điểm H02 và các dao động hạt của DĐVĐC được lọc trong các miền tần số tô màu xám, xung quanh vùng lõm và đỉnh trội. Hai hình bên trái là các dao động hạt tại miền tần số xung quanh vùng lõm; 2 hình bên phải là các dao động hạt tại tần số xung quanh đỉnh trội. Hình này cho thấy hai dao động bên trái dao động chủ yếu theo thẳng đứng giống sóng Rayleigh, còn 2 dao động bên phải dao động chủ yếu theo phương ngang giống sóng S. Hình 1.4(b) Băng ghi DĐVĐC tại điểm H02 dài 60 giây được lọc trong các dải tần số tô màu xám trong hình 1.4(a). Hình bên trái là băng ghi được lọc tại dải tần xung quanh vũng lõm, còn hình bên phải là băng ghi được lọc tại dải tần xung quanh vùng đỉnh trội. 11
(b) (a) (c) (d) Hình 1.5 Các đường cong mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S và mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh, (hình 1.5(a, b) theo Ohori (2002) [44]; hình 1.5(c, d) theo Bonnefoy-Claudet (2006) [16]). Hình 1.5(a) Các chấm màu đen là các vận tốc pha đo được; các đường liền và đường gạch là các đường cong phân tán vận tốc mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản (0th) và các chế độ cao (1st, 2nd và 3rd); Hình 1.5(b) đường cong liền là đường cong mô phỏng theo phương pháp nghịch đảo vận tốc pha, đường cong gạch là đường tính được từ số liệu đo sóng S bằng thiết bị PS-logging; Hình 1.5(c) HVSR của DĐVĐC đo được, HVSR tìm được theo mô phỏng phương trình hàm truyền sóng S và HVSR tìm được theo mô phỏng phương trình tính elip của sóng Rayleigh (chế độ cơ bản và cao đầu tiên); Hình 1.5(d) Các vận tốc pha của DĐVĐC (các chấm màu xám) và đường cong phân tán vận tốc pha theo lý thuyết ở chế độ cơ bản và 2 chế độ cao (các đường đen đậm). Các hình này đều cho thấy có sự không ổn định vận tốc pha tại tần số xung quanh đỉnh trội của HVSR. 12
(a) (b) (c) (d) Hình 1.6 Mô phỏng sự không ổn định các vận tốc pha của Dutta (2007) [24]. Hình 1.6(a, c), ba biểu tượng (tròn, tam giác và vuông) biểu diễn các phép đo mảng DĐVĐC với kích thước khác nhau; Hình 1.6(b, d) các đường cong liền là HVSR tính được từ phép đo mảng; đường cong gạch là HVSR tính được từ mô hình mô phỏng. Hình này cho thấy có sự không ổn định vận tốc pha tại tần số xung quanh 1 Hz và 0,8 Hz (mảng A1 và B3), các tần số này cũng là các tần số trội của HVSR. 13