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
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
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.
40
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1
Dao động hạt của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản
8
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).
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 T
0
và chiều dầy lớp phủ D
K
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 T
0
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
Tp. Hà Nội
thành phố Hà Nội
1
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
(T
0
) 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
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.
3
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
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
5
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.
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
7
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
9 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].
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.
10
-1
10
0
10
1
10
-1
10
0
10
1
Period t, sec
H/V amplitude
H/V Plot of H02
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.
(c)
(d)
(b)
(a)
13 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.
(c)
(d)
(a)
(b)
14 Hình 1.7 Đường cong HVSR đo được và các đường cong HVSR mô phỏng cho 4
trường hợp nhằm kiểm tra tính không rõ của DĐVĐC (N101, N102, N103 và
N104) [33]. Đường cong màu đen là HVSR của DĐVĐC đo được; đường cong màu
17
Chƣơng 2 – NGHIÊN CỨU VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. Khái niệm về vi phân vùng động đất
Vi phân vùng động đất là một nhánh của địa chấn công trình. Ở đây, sử dụng
số liệu địa chấn thu thập tại khu vực nghiên cứu để đánh giá chính xác mức độ nguy
hiểm động đất cho khu vực nghiên cứu.
2.2. Sự khuếch đại sóng địa chấn qua lớp phủ.
Ohta (1978) đã thực hiện nghiên cứu chu kỳ trội nền đất tại vùng Hachinohe,
Nhật Bản bằng cả số liệu đo DĐVĐC và số liệu đo dao động mạnh cho thấy sự
khuếch đại gây ra tại đây là do các lớp trầm tích phù sa sâu [47].
Năm 1984, tại vùng McGee Creek, Mỹ người ta đã tiến hành nghiên cứu sự
khuếch đại sóng địa chấn khi truyền qua lớp phủ của các động đất bằng cách đặt 3
máy ghi động đất tại các độ sâu khác nhau, 1 máy đặt trên mặt lớp phủ; 2 máy đặt
trong đá gốc (hình 2.1(a)). Năm 1984, động đất tại Round Valley có M
L
=5,8, độ sâu
13,4 km, cách vị trí này 22 km. Kết quả ghi nhận được tại các máy ghi, gia tốc đỉnh
(PGA) của máy ghi đặt trên mặt lớp phủ là 120 cm
2
, còn PGA của 2 máy ghi đặt
trong đá gốc có giá trị nhỏ hơn 5 lần so với máy ghi đặt trên mặt lớp phủ (hình
đặc tính truyền sóng địa chấn khi động đất. Các vùng có các lớp trầm tích dầy
thường cho sự khuếch đại lớn, điều này được cho là các sóng địa chấn (sóng S) bị
phản xạ nhiều lần khi truyền qua các lớp trầm tích này. Kết quả là nền đất sẽ dao
động với một chu kỳ dao động riêng. Chu kỳ này gọi là chu kỳ trội nền đất. Phương
pháp xác định chu kỳ trội nền đất thông dụng nhất hiện nay là phương pháp đo
DĐVĐC theo phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V 1 trạm của Nakamura (1989).
2.3. Các phƣơng pháp vi phân vùng động đất
Một số phương pháp sử dụng để thực hiện vi phân vùng động đất:
(1) Khoan thăm dò là phương pháp có độ chính xác nhất. Tuy nhiên, phương
pháp này có giá thành cao, tốn nhiều thời gian và nói chung là không thích hợp để
thực hiện vi phân vùng động đất.
(2) Đo địa chấn phản xạ, khúc xạ, phân tích đa kênh sóng mặt, là phương pháp
thường dùng để xây dựng các lát cắt vận tốc sóng ngang (Vs). Tuy nhiên, chúng
khó thực hiện trong các khu đông dân cư vì thường phải sử dụng nguồn nổ và chịu
ảnh hưởng nhiều bởi các nguồn nhiễu bề mặt.
(3) Sử dụng băng ghi dao động mạnh tại các nền đất khác nhau là phương pháp
cho kết quả trung thực nhất. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải ghi được đầy
đủ các sự kiện tại các loại nền này. Do vậy, phương pháp này chỉ áp dụng được ở
một vài quốc gia có hệ thống trạm ghi dao động mạnh dầy đặc và thường xuyên có
động đất.
(4) Đo DĐVĐC là phương pháp đo tín hiệu thụ động, được dùng phổ biến để
thực hiện vi phân vùng động đất vì giá thành rẻ, tốn ít thời gian và không cần tham
khảo đầy đủ các băng ghi dao động mạnh mà vẫn đánh giá chính xác chu kỳ khuếch
đại dao động nền đất. Đo DĐVĐC được ứng dụng tốt nhất cho các vùng có các lớp
Copyright: Tài liệu đại học ©