Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xác định cơ cấu chấn tiêu một số trận động đất miền Bắc Việt Nam bằng số liệu địa chấn dải rộng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày khái niệm về nguồn động đất và ten-xơ moment địa chấn; hàm Green và bài toán nghịch đảo ten-xơ moment; các chương trình xác định cơ cấu chấn tiêu động đất sử dụng số liệu động đất địa phương; kết quả áp dụng phương pháp nghịch đảo ten-xơ moment bằng chương trình ISOLA cho một số trận động đất ở khu vực Tây bắc Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xác định cơ cấu chấn tiêu một số trận động đất miền Bắc Việt Nam bằng số liệu địa chấn dải rộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hà Thị Giang XÁC ĐỊNH CƠ CẤU CHẤN TIÊU MỘT SỐ TRẬN ĐỘNG ĐẤT MIỀN BẮC VIỆT NAM BẰNG SỐ LIỆU ĐỊA CHẤN DẢI RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hà Thị Giang XÁC ĐỊNH CƠ CẤU CHẤN TIÊU MỘT SỐ TRẬN ĐỘNG ĐẤT MIỀN BẮC VIỆT NAM BẰNG SỐ LIỆU ĐỊA CHẤN DẢI RỘNG 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 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................ iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................. viii MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………… 1 Chương 1 - KHÁI NIỆM VỀ NGUỒN ĐỘNG ĐẤT VÀ TEN-XƠ MOMENT ĐỊA CHẤN............................................................................................................. 3 1.1. Khái niệm về nguồn động đất......................................................................... 3 1.1.1. Lý thuyết nguồn địa chấn ......................................................................3 1.1.2. Sự lan truyền sóng và các mô hình phát xạ...........................................5 1.1.3. Biễu diễn giải tích của hình thái đứt gãy...............................................9 1.2. Ten-xơ moment địa chấn................................................................................ 9 1.2.1. Các lực tương đương .............................................................................9 1.2.2. Ten-xơ moment địa chấn.....................................................................11 Chương 2 - HÀM GREEN VÀ BÀI TOÁN NGHỊCH ĐẢO TEN-XƠ MOMENT............................................................................................................ 14 2.1. Khái niệm hàm Green .................................................................................. 14 2.2. Bài toán nghịch đảo ten-xơ moment ............................................................ 18 2.3. Các phép phân tích ten-xơ moment ............................................................. 20 Chương 3 - CÁC CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CƠ CẤU CHẤN TIÊU ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG SỐ LIỆU ĐỘNG ĐẤT ĐỊA PHƯƠNG ...................... 23 3.1. Chương trình FOCMEC (SEISAN 8.3 – 2010) ........................................... 23 3.2. Chương trình nghịch đảo ten-xơ moment bằng phần mềm INVRAD ....... 23 3.3. Chương trình nghịch đảo ten-xơ moment bằng phần mềm PINV ............. 24 3.4. Chương trình nghịch đảo ten-xơ moment bằng phần mềm ISOLA........... 24 3.4.1. Giới thiệu chương trình tính ............................................................... 24 3.4.2. Các bước tính toán ..............................................................................25 3.4.2.1. Chuẩn bị số liệu ............................................................................. 25 i
3.4.2.2. Chọn mô hình vỏ Trái Đất.............................................................. 25 3.4.2.3. Lựa chọn các trạm sử dụng trong quá trình nghịch đảo ................. 26 3.4.2.4. Lựa chọn băng ghi địa chấn trong quá trình nghịch đảo ................ 27 3.4.2.5.Lựa chọn các phương thức tính nguồn động đất từ nguồn giả định ban đầu....................................................................................................... 29 3.4.2.6.Tính toán hàm Green và nghịch đảo ten-xơ moment........................ 30 Chương 4 - KẾT QUẢ ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGHỊCH ĐẢO TEN-XƠ MOMENT CHO MỘT SỐ TRẬN ĐỘNG ĐẤT Ở KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM..................................................................................................................... 32 4.1. Số liệu địa chấn ............................................................................................. 32 4.2. Các kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu......................................................... 34 4.2.1. Trận động đất ở Mường La – Bắc Yên................................................34 4.2.1.1. Trận động đất chủ chấn ML ........................................................... 34 4.2.1.2. Trận động đất dư chấn thứ nhất ML01........................................... 38 4.2.1.3. Trận động đất dư chấn thứ hai ML02............................................. 40 4.2.2. Trận động đất Quan Sơn – Thanh Hóa...............................................45 4.2.3. Trận động đất huyện Sốp Cộp – Sơn La..............................................48 4.3. Nhận xét kết quả ........................................................................................... 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 59 ii
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Mô hình cấu trúc 1D của lớp vỏ được sử dụng trong tính toán Bảng 4.1: Danh sách các trận động đất dùng để xác định cơ cấu chấn tiêu Bảng 4.2: Kết quả cơ cấu chấn tiêu của trận chủ chấn Bảng 4.3: Kết quả cơ cấu chấn tiêu của trận dư chấn ML01 Bảng 4.4: Kết quả tính toán cơ cấu chấn tiêu của động đất Mường La – Bắc Yên (ML) và hai dư chấn ML01, ML02 Bảng 4.5: Nghiệm cơ cấu chấn tiêu động đất Quan Sơn – Thanh Hóa Bảng 4.6: Nghiệm cơ cấu chấn tiêu động đất Sốp Cộp – Sơn La Bảng 4.7: Bảng so sánh kết quả cơ cấu chấn tiêu tính toán bằng ISOLA của động đất Sốp Cộp với USGS và ISC Bảng 4.8: Kết quả tính toán cơ cấu chấn tiêu áp dụng chương trình ISOLA. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ biễu diễn mặt phẳng đứt gãy (Theo Kanamori và Cipar, 1974. Phys. Earth Planet. Inter., 9,128-36). Hình 1.2. Các dạng cơ bản của đứt gãy. (Eakins, 1987). Hình 1.3. Dao động sóng P đầu tiên đối với mặt phẳng đứt gãy và mặt phẳng phụ trợ. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Hình 1.4. a) Hệ trục tọa độ đề các định hướng đứt gãy. b) Hệ trục tọa độ cầu định hướng đứt gãy. c) Mẫu bức xạ sóng khối P trong mặt phẳng (x1x3). d) Mẫu bức xạ sóng khối S. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Hình 1.5. Biên độ mẫu bức xạ của sóng P và sóng S trên mặt phẳng x1x3. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Hình 1.6. Các loại lực khối tương đương. Trên cùng là lực đơn, ở giữa là ngẫu lực và cuối cùng là cặp ngẫu lực. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Hình 1.7. Chín thành phần ngẫu lực của ten-xơ moment địa chấn. Mỗi thành phần bao gồm hai cặp lực ngược chiều nhau và được phân cách một khoảng cách d. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Hình 1.8. Mối quan hệ giữa ten-xơ moment địa chấn và các dạng cơ cấu chấn tiêu động đất. Hàng trên cùng là nổ (trái) và sụt (phải). Ba hàng tiếp theo là nguồn cặp ngẫu lực. Hai hàng cuối là các nguồn CLVD. (Theo Dahlen và Tromp (1998), với phép biến đổi ten-xơ moment trong các hệ toạ độ theo các véc tơ cơ bản. Bản quyền của đại học Princeton). Hình 2.1. Lực tác dụng trong một thể tích, các ứng suất và trường dịch chuyển tại bề mặt; trường dịch u chuyển tại điểm bất kỳ dưới dạng hàm Green (theo Udías, 2002). Hình 2.2. Biểu diễn băng ghi địa chấn bằng nhân chập của các yếu tố: hàm thời gian nguồn x(t); cấu trúc trái đất q(t); đáp ứng thiết bị i(t).(Theo Chung và iv
Kanamori, 1980. Phys. Earth Planet. Inter.,23,134-59, Bản quyền từ Elsevier Science). Hình 3.1. Hình vẽ mô hình cấu trúc vận tốc được sử dụng trong tính toán. Hình 3.2. Minh họa lựa chọn băng ghi địa chấn tại trạm Hà Giang (HGVB) trong quá trình tính toán chuyển băng ghi từ vận tốc sang dịch chuyển. a) Băng ghi ban đầu chưa lọc và chưa chuyển sang băng ghi dịch chuyển. b) Băng ghi đã lọc và chuyển từ vận tốc sang băng ghi dịch chuyển. Hình 3.3. Hai phương thức tính nguồn được sử dụng để tính toán: 1) nguồn thay đổi theo độ sâu (hình bên trái); 2) nguồn thay đổi theo diện (hình bên phải). Hình 3.4. Sự tương quan giữa băng ghi lý thuyết (đường màu đỏ) và băng ghi thực tế (đường màu đen) trên bảy trạm của trận động đất Bắc Yên 2009. Hình 3.5. Kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu theo phương pháp lựa chọn lưới. Cơ cấu chấn tiêu màu đỏ là kết quả cuối cùng với hệ số tương quan cao nhất. Hình 4.1. Mạng lưới 25 trạm địa chấn dải rộng ở miền bắc Việt Nam (tam giác màu đen). Tọa độ chấn tâm các trận động đất có ML3.0 từ 2005 đến 2011 (hình tròn màu vàng và ngôi sao màu đỏ). Các trận động đất lớn và dư chấn (ngôi sao màu đỏ) được dùng để tính cơ cấu chấn tiêu trong bài báo. Hình 4.2. Minh họa băng sóng địa chấn ghi nhận được tại 14 trạm của trận động đất Bắc Yên (2009). Hình 4.3. Tọa độ chấn tâm động đất ML (ngôi sao màu đỏ) và bảy trạm sử dụng trong quá trình nghịch đảo (tam giác màu đỏ). Hình 4.4. Sự tương quan giữa băng ghi lý thuyết (đường màu đỏ) và băng ghi thực tế (đường màu đen) trên trận động đất Mường La-Bắc Yên (ML). Hình 4.5. Kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Mường La-Bắc Yên (ML) theo phương pháp lựa chọn lưới (grid-search). Cơ cấu chấn tiêu màu đỏ là kết quả cuối cùng với hệ số tương quan cao nhất. Hình 4.6. Các tham số cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Mường La-Bắc Yên được tổng hợp trên bảng (phía phải) và nghiệm cơ cấu chấn tiêu được vẽ (phía trái). v
Hình 4.7. Sự tương quan giữa băng ghi lý thuyết (đường màu đỏ) và băng ghi thực tế (đường màu đen) trên trận dư chấn ML01. Hình 4.8. Kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu của trận dư chấn ML01 theo phương pháp lựa chọn lưới (grid-search). Cơ cấu chấn tiêu màu đỏ là kết quả cuối cùng với hệ số tương quan cao nhất. Hình 4.9. Các tham số cơ cấu chấn tiêu của trận dư chấn ML01 được tổng hợp trên bảng (phía phải) và nghiệm được vẽ (phía trái). Hình 4.10. Sự tương quan giữa băng ghi lý thuyết (đường màu đỏ) và băng ghi thực tế (đường màu đen) trên trận dư chấn thứ hai (ML02). Hình 4.11. Kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu của trận dư chấn thứ hai (ML02) theo phương pháp lựa chọn lưới (grid-search). Cơ cấu chấn tiêu màu đỏ là kết quả cuối cùng với hệ số tương quan cao nhất. Hình 4.12. Các tham số cơ cấu chấn tiêu của trận dư chấn thứ hai (ML02) được tổng hợp trên bảng (phía phải) và nghiệm được vẽ (phía trái). Hình 4.13. Bản đồ biểu diễn cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Mường La Bắc Yên (ML) và hai dư chấn (ML01, ML02). Hình 4.14. Bản đồ đường đẳng chấn của trận động đất Mường La – Bắc Yên 2009 (đường màu xanh). Hình tròn màu vàng là chấn tâm động đất và các dư chấn. Hình 4.15. Sự tương quan giữa băng ghi lý thuyết (đường màu đỏ) và băng ghi thực tế (đường màu đen) trên trận động đất Quan Sơn-Thanh Hóa. Hình 4.16. Kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Quan Sơn – Thanh Hóa (TH) theo phương pháp lựa chọn lưới (grid-search). Cơ cấu chấn tiêu màu đỏ là kết quả cuối cùng với hệ số tương quan cao nhất. Hình 4.17. Các tham số cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Quan Sơn – Thanh Hóa (TH) được tổng hợp trên bảng (phía phải) và nghiệm được vẽ phía trái. Hình 4.18. Bản đồ đường đẳng chấn của trận động đất Quan Sơn – Thanh Hóa 2010 (đường màu xanh). Ngôi sao màu đỏ là chấn tâm động đất. vi
Hình 4.19. Sự tương quan giữa băng ghi lý thuyết (đường màu đỏ) và băng ghi thực tế (đường màu đen) trên trận động đất Sốp Cộp – Sơn La. Hình 4.20. Kết quả xác định cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Sốp Cộp – Sơn La theo phương pháp lựa chọn lưới (grid-search). Cơ cấu chấn tiêu màu đỏ là kết quả cuối cùng với hệ số tương quan cao nhất. Hình 4.21. Các tham số cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Sốp Cộp – Sơn La được tổng hợp trên bảng (phía phải) và nghiệm được vẽ (phía trái). Hình 4.22. Bản đồ đường đẳng chấn của trận động đất Sốp Cộp – Sơn La năm 2010 (đường màu xanh). Hình tròn màu vàng là chấn tâm động đất và các dư chấn. Hình 4.23. Cơ cấu chấn tiêu của trận động đất Sốp Cộp – Sơn la (màu đen) so sánh với cơ cấu chấn tiêu đã được công bố của USGS (màu xanh) và ISC (màu đỏ). Hình 4.24. Bản đồ cơ cấu chấn tiêu của ba trận động đất (màu xanh) và hai dư chấn (màu đỏ) trong khu vực Tây bắc Việt Nam trong năm 2009 và 2010. vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CCCT : Cơ cấu chấn tiêu. CLVD : Compensated linear vector dipole (Lưỡng cực véc-tơ tuyến tính bù). DC : Double – Couple (Ngẫu lực kép). GMT : Greenwich Mean Time (giờ trung bình tại Greenwich). MSK : Thang đo Cường độ động đất (Medvedev Sponheuer Karnik). M : Magnitude (Độ lớn của động đất). ML : Local magnitude (Độ lớn của động đất địa phương). viii
MỞ ĐẦU Động đất xảy ra chính là kết quả của các vận động kiến tạo hiện đại. Bởi vậy, việc nghiên cứu các quá trình xảy ra trong chấn tiêu động đất và xác định cơ cấu của chúng là một trong những quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Để xác định cơ cấu chấn tiêu động đất nhiều lý thuyết đã được xây dựng và đã sử dụng các cách tiếp cận khác nhau. Năm 1996, Nguyễn Văn Lương [3] sử dụng mô hình trường chấn động để xác định cơ cấu chấn tiêu của các trận động đất. Nguyễn Ngọc Thủy [8] đã dùng dấu dịch chuyển trong sóng dọc P tại các trạm địa chấn ở Việt Nam và quốc tế để xác định cơ cấu chấn tiêu của động đất Hòa Bình ngày 23-5-1989 và động đất Tạ Khoa ngày 6-10-1991. Lê Tử Sơn [5] cũng sử dụng dấu dịch chuyển trong sóng dọc P để xác định cơ cấu chấn tiêu của động đất Tạ Khoa 6-10-1991, động đất Lai Châu 29-03-1993 và động đất Mường Luân 22-6- 1996. Trần Thị Mỹ Thành và nnk [7] sử dụng nghịch đảo dạng sóng trên băng ghi của một trạm địa chấn ba thành phần để xác định cơ cấu chấn tiêu của động đất Điện Biên 19-02-2001… Tuy nhiên việc nghiên cứu cơ cấu chấn tiêu còn có nhiều mặt hạn chế do ở Việt Nam các trận động đất có Magnitude lớn rất ít và quan trọng hơn là thiếu số liệu địa chấn cả về mặt số lượng lẫn chất lượng. Từ năm 2005 tới nay, đề án hợp tác khoa học giữa viện Vật lý Địa cầu và Viện các Khoa học Trái Đất, Đài Loan đã tiến hành lắp đặt mạng lưới 25 trạm địa chấn dải rộng trong khu vực miền Bắc Việt Nam, với công nghệ hiện đại, đồng bộ, hệ thống trạm quan sát này có khả năng ghi nhận được các trận động đất trong lãnh thổ Việt Nam và trên thế giới. Trong thời gian này, mạng lưới trạm địa chấn này đã ghi nhận được rất nhiều trận động đất mạnh xảy ra trong lãnh thổ Việt Nam và lân cận có kèm theo nhiều dư chấn, ví dụ như: Động đất xảy ra ở huyện Bắc Yên, tỉnh Sơn la (2009), động đất xảy ra tại huyện Quan Sơn, tỉnh Thanh Hóa (2010), động đất xảy ra ở huyện Sốp Cộp, tỉnh Sơn La (2010)… Các trận động đất này nằm chủ yếu về phía tây đứt gãy Sông Hồng, nơi mà hoạt động kiến tạo tương đối phức tạp và bị khống chế bởi các đứt gãy hoạt động như đứt gãy Sơn La, đứt gãy Sông Mã, 1
đứt gãy Sông Cả, và đứt gãy Lai Châu - Điện Biên. Phương pháp nghịch đảo ten-xơ moment (moment tensor inversion) tính toán từ các băng ghi địa chấn dải rộng để xác định cơ cấu chấn tiêu động đất đã và đang trở thành một công cụ được áp dụng rộng rãi và thành công trên thế giới. Nhằm bổ xung vào các phương pháp nghiên cứu cơ cấu chấn tiêu động đất ở Việt Nam và góp phần làm sáng tỏ bức tranh kiến tạo khu vực phía tây sông Hồng, trong luận văn này chúng tôi áp dụng phương pháp nghịch đảo ten-xơ moment để xác định cơ cấu chấn tiêu của một số trận động đất xảy ra trên khu vực Tây Bắc Việt Nam trong hai năm 2009 và 2010. Luận văn “Xác định cơ cấu chấn tiêu một số trận động đất miền Bắc Việt Nam bằng số liệu địa chấn dải rộng” ngoài phần mở đầu và kết luận gồm có bốn chương: Chương 1: Khái niệm về nguồn động đất và ten-xơ moment địa chấn. Chương 2: Hàm Green và bài toán nghịch đảo ten-xơ moment. Chương 3: Các chương trình xác định cơ cấu chấn tiêu động đất sử dụng số liệu động đất địa phương. Chương 4: Kết quả áp dụng phương pháp nghịch đảo ten-xơ moment bằng chương trình ISOLA cho một số trận động đất ở khu vực Tây bắc Việt Nam. 2
Chương 1 - KHÁI NIỆM VỀ NGUỒN ĐỘNG ĐẤT VÀ TEN-XƠ MOMENT ĐỊA CHẤN 1.1. Khái niệm về nguồn động đất Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày cơ sở lý thuyết nguồn địa chấn, sự lan truyền sóng và các mô hình phát xạ. 1.1.1. Lý thuyết nguồn địa chấn Nguồn động đất là nơi phá hủy môi trường đàn hồi trong lòng đất, giải phóng năng lượng gây ra sóng địa chấn, lan truyền ra không gian xung quanh làm chấn động mặt đất và ghi nhận bằng máy địa chấn. Nguồn động đất có thể là các sụp đổ ngầm, các vụ nổ như phun trào núi lửa…Trong rất nhiều nguyên nhân gây nên chuyển động đột ngột trong lòng đất, các hoạt động kiến tạo làm phát sinh các đứt gãy là nguyên nhân chính và chủ yếu nhất. Hình thái đứt gẫy được dùng trong nghiên cứu động đất (hình 1.1), mặt đứt gẫy thường được giả thiết là mặt phẳng phân chia cánh treo và cánh nằm. Mặt đứt gẫy với véctơ pháp tuyến n, phân chia phần thấp hơn (cánh nằm - foot wall) với phần cao hơn (cánh treo – hanging wall). Véctơ d mô tả chuyển động của cánh treo so với cánh nằm. Hệ toạ độ Đề các với x3 hướng lên trên, x1 nằm trên mặt đất hướng dọc theo đứt gẫy sao cho góc nghiêng  tính từ trục –x 2 là nhỏ hơn 900, x2 vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục x1 và x3. Hình thái mặt phẳng đứt gãy (hình 1.1) được xác định bằng: góc phương vị, góc dốc và hướng dịch trượt của cánh treo. Bài toán xác định cơ cấu chấn tiêu (CCCT) động đất chính là nhằm xác định các thông số trên. Như vậy, cơ cấu chấn tiêu động đất sẽ được xác định qua các thông số: 1) Góc phương vị  f (strike) là góc hợp bởi giao tuyến của mặt đứt gẫy với mặt đất và phương bắc. 2) Góc dốc  là góc được tạo bởi mặt đứt gẫy và mặt đất. 3) Hướng trượt đo bằng góc trượt  giữa đường phương và véc tơ trượt tính theo chiều kim đồng hồ. 3
Hình 1.1. Sơ đồ biễu diễn mặt phẳng đứt gãy (Theo Kanamori và Cipar, 1974. Phys. Earth Planet. Inter., 9,128-36). Trong hệ tọa độ x1x2x3 này, véc tơ pháp n và véc tơ trượt d được biểu diễn qua các góc phương vị  f, góc dốc  và góc trượt :   sin  sin  f   cos  cos  f  sin  cos  sin  f      nˆ    sin  cos  f , dˆ    cos  sin  f  sin  cos  cos  f .      sin  sin    cos     Góc trượt  có thể thay đổi từ 0 đến 360 0. Một số dạng đứt gẫy cơ bản liên quan đến góc trượt như: Khi hai phía của đứt gẫy dịch trượt ngang đó là đứt gẫy trượt bằng: Nếu =0 là đứt gãy trượt bằng trái, nếu =1800 là đứt gãy trượt bằng phải. Đứt gãy là đứt gãy thuận khi =2700 và đứt gãy là đứt gãy nghịch khi =900(hình 1.2). Hình 1.2. Các dạng cơ bản của đứt gãy. (Eakins, 1987.) 4
Phần lớn các đứt gẫy là kết hợp các kiểu chuyển động này. Ba dạng chuyển động cơ bản này rất có ích khi nghiên cứu về cơ cấu chấn tiêu động đất. 1.1.2. Sự lan truyền sóng và các mô hình phát xạ Các băng động đất (seismogram) ghi tại nhiều khoảng cách và phương vị được sử dụng để nghiên cứu hình thái của đứt gẫy trong động đất – cơ cấu chấn tiêu (focal mechanism). Để thực hiện được điều này, ta cần nghiên cứu về mẫu bức xạ của sóng địa chấn phụ thuộc vào hình thái đứt gẫy. Phương pháp đơn giản nhất là dựa trên chuyển động đầu tiên (tính phân cực) của sóng khối. Các kỹ thuật phức tạp hơn dùng dạng sóng của sóng khối và sóng mặt. Xem xét mô hình về các chuyển động của sóng P đối với một sự biến vị trượt có hướng tùy ý. Trên hình 1.3 cho thấy trên các cung phần tư xen kẽ nhau sẽ có các dao động đầu tiên của sóng P là nén – đi lên (+) đối với các trạm nằm ở nơi vật chất gần đứt gãy chuyển dịch về hướng trạm hoặc là dãn – đi xuống (-) đối với vật chất chuyển dịch đi ra khỏi trạm. Do vậy khi sóng P đến trạm thành phần thẳng đứng ghi chuyển động đi lên hoặc đi xuống tương ứng với nén hoặc dãn. Các biến dạng tĩnh của sóng P đầu tiên trên mặt sóng được biểu diễn trên hình 1.3 dưới đây. Hình 1.3. Dao động sóng P đầu tiên đối với mặt phẳng đứt gãy và mặt phẳng phụ trợ. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Để xem xét mẫu bức xạ thay đổi như thế nào với hướng của đầu thu, ta xem xét trường bức xạ trong toạ độ cầu, nơi  được đo từ x3 và  đo trong mặt phẳng 5
x1x2 (hình 1.4b). Lý thuyết nguồn địa chấn chỉ ra rằng xa nguồn, dịch chuyển do sóng nén tạo nên thành phần hướng tâm (er) của dịch chuyển (ur) vì vậy chuyển động của nó dọc theo hướng truyền là: 1 ur  3 M  (t  r /  ) sin 2 cos  . (1.1) 4 r Trong đó: 1 là thành phần biên độ, trong môi trường vô hạn biên độ suy giảm 4 3 r 1 theo . r M  (t  r /  ) là thành phần phản ánh xung bức xạ từ đứt gãy. M  ( t) lan truyền với vận tốc sóng dọc  và đến khoảng cách r tại thời điểm (t  r /  ) . M  ( t) gọi là hàm tốc độ moment địa chấn (hàm thời gian nguồn) chính là đạo hàm của hàm moment địa chấn. M (t )  D(t ) S (t ) . (1.2) Với  là độ cứng của vật chất, D(t) là khoảng dịch trượt và S(t) là diện tích dịch trượt. Độ lớn của động đất có thể xác định thông qua moment vô hướng: M 0  D S . (1.3) Hàm moment địa chấn được xác định thông qua M0: M (t )  M 0 x (t ) . (1.4) Trong đó: x(t) là hàm thời gian nguồn. Số hạng cuối cùng sin 2 cos  mô tả mẫu phát xạ sóng P là mô hình phương vị bốn thùy đơn giản tương ứng với các phần tư trong hình 1.4c với sự đảo ngược về dấu xảy ra tại các nơi biên độ gần như bằng không. Các sóng P mạnh nhất nằm ở khoảng giữa bốn góc phần tư. Cũng tương tự, dịch chuyển sóng S có hai thành phần, u e  u e trong đó: 6
1 u  3 M  (t  r /  ) cos 2 cos 4 r 1 . (1.5)  u  M (t  r /  )( cos sin  ) 4 3r (a) (b) (c) (d) Hình 1.4: a) Hệ trục tọa độ đề các định hướng đứt gãy. b) Hệ trục tọa độ cầu định hướng đứt gãy. c) Mẫu bức xạ sóng khối P trong mặt phẳng (x1x3). d) Mẫu bức xạ sóng khối S. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Các mô hình hình học đơn giản là đặc trưng của sự bức xạ từ đứt gãy và việc đưa ra dạng hình học nguồn địa chấn sẽ là vấn đề đưa việc đo các sóng về hệ tọa độ có gốc đặt tại nguồn và các trục hướng theo tọa độ địa lý, nơi các mô hình bức xạ có tính đối xứng bậc thấp đơn giản. 7
Hình 1.5. Biên độ mẫu bức xạ của sóng P và sóng S trên mặt phẳng x1x3. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). Vì rằng các sóng địa chấn bức xạ thay đổi như hàm của  và , băng địa chấn ghi tại các hướng khác nhau từ động đất có thể dùng để tìm hình thái đứt gẫy. Sóng P là sóng đến đầu tiên trên băng ghi địa chấn do vậy dấu của nó thường dễ dàng xác định. Tập hợp chuyển động đầu tiên của sóng P thường có khả năng xác định mặt phẳng phân chia các vùng có dấu khác nhau. Sóng S tới khó dùng hơn bởi vì chúng thường đến sau trong băng địa chấn và có thể bị chìm trong các sóng phức tạp. Tuy nhiên, vẫn có khả năng sử dụng các thông tin về sóng S. Như vậy chúng ta đã xem nguồn của động đất kiến tạo chính là các đứt gãy kiến tạo và dịch trượt trên mặt đứt gãy sẽ tạo ra các sóng địa chấn có biên độ và dấu dịch chuyển đầu tiên tạo thành các thùy nén (+) và dãn (-) xen kẽ và đối xứng. Để có thể sử dụng các đặc trưng của sóng địa chấn để xác định hình thái của đứt gãy, chúng ta cần tìm kiếm mô hình các lực khối có thể tạo ra các sóng địa chấn tương đương với mô hình đứt gãy kiến tạo. Rất nhiều mô hình lực đã được khảo sát như: lực đơn, lưỡng cực và cặp ngẫu lực. Trong trường hợp chung nhất, cặp ngẫu lực cho kết quả phù hợp nhất với các quan sát thực tế. 8
1.1.3. Biễu diễn giải tích của hình thái đứt gãy Trong nhiều ứng dụng kể cả phân tích ten-xơ moment địa chấn, rất hữu ích khi có biểu diễn giải tích đối với quan hệ giữa mặt đứt gẫy, mặt phụ trợ và các trục ứng suất. Trong phần đầu, chúng ta biểu diễn véc tơ pháp tuyến n của mặt đứt gẫy và véc tơ trượt d theo toạ độ địa lý: strike , góc dốc , và góc trượt  theo công thức:   sin  sin  f   cos  cos  f  sin  cos  sin  f      nˆ    sin  cos f . dˆ    cos  sin  f  sin  cos  cos  f . (1.6)      sin  sin    cos     Trục ứng suất trung gian (trục null) vuông góc với véc tơ pháp và véc tơ trượt, véc tơ đơn vị của các hướng này có thể viết:   sin  cos f  cos  cos  sin  f    ˆ ˆ b  nˆ  d   sin  sin  f  cos  cos  cos f . (1.7)    cos  sin   Tương tự ta tìm véc tơ p và t dọc theo trục P và T: t  nˆ  dˆ , ti  ni  d i p  nˆ  dˆ , pi  ni  d i . (1.8) bˆ  nˆ  dˆ , b   n d i ijk j k Quan hệ giữa mặt đứt gẫy và mặt phụ trợ có thể xuất phát từ thực tế là véc tơ trượt nằm trên mặt đứt gẫy và là pháp tuyến của mặt phụ trợ và ngược lại. Điều này cho phép chúng ta tìm mặt nodal thứ hai và véc tơ truợt trên nó (f2, 2, 2) từ mặt nodal thứ nhất và véc tơ trượt trên nó (f1, 1, 1). 1.2. Ten-xơ moment địa chấn 1.2.1. Các lực tương đương Như đã nói ở trên, sóng địa chấn được tạo ra bởi sự dịch trượt trên đứt gãy và ta có thể tìm ra mô hình của nó bằng cách giải phương trình động lực với đứt đoạn được biểu diễn bằng các lực khối tương đương. Mặc dù những lực này là các nguồn địa chấn tương đương với chuyển động đứt gẫy nhưng nó không mô tả quá trình đứt 9
đoạn thực. Các lực khối tương đương cũng xuất phát từ các nguồn địa chấn khác như nổ mìn, trượt đất hoặc va chạm bề mặt đất. Những hiện tượng này có thể tạo các sóng địa chấn có thể quan sát được khi chúng xẩy ra đủ nhanh giải phóng năng lượng trong trái đất trong dải tần sóng địa chấn. Hình 1.6 biểu diễn các loại lực khối tương đương sử dụng trong nghiên cứu địa chấn là lực đơn (single force), ngẫu lực (single couple) và cặp ngẫu lực (double couple). Theo cách biểu diễn này ngẫu lực bao gồm hai lực tác động cùng nhau. Ngẫu lực Mxy chính là sự kết hợp của hai lực đơn với độ lớn f có hướng ngược chiều nhau trên hướng x và cách nhau một khoảng d theo hướng y để đưa ra moment quay. Khi đó giá trị Mxy là fd có đơn vị là dyn-cm hoặc N-m. Loại thứ hai của ngẫu lực là véc tơ lưỡng cực gồm hai lực cách nhau d theo hướng của lực, Mxx gồm hai lực có độ lớn f tác động trên hướng x cách nhau một khoảng d dọc theo trục x. Độ lớn là fd và cũng lấy giới hạn theo cùng một cách như trên. Sự khác biệt giữa hai loại ngẫu lực là loại thứ hai đưa vào không tạo ra moment quay. Dịch trượt trên đứt gãy có thể được mô tả bằng các cặp ngẫu lực có moment quay Mxy và Myx hoặc các ngẫu lực không có moment quay Mx’x’ và –My’y’ tạo nên cặp ngẫu lực (hình 1.6). Hình 1.6. Các loại lực khối tương đương. Trên cùng là lực đơn, ở giữa là ngẫu lực và cuối cùng là cặp ngẫu lực. (Theo S.Stein và M. Wysession, 2003). 10