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
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
ii
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
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.
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
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
v
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 M
L
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).
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.
vii
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.
1
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
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.
3
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
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.
4 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 x
1
x
2
x
3
này, véc tơ pháp n và véc tơ trượt d được biểu diễn
qua các góc phương vị
f
, góc dốc
và góc trượt
:
sinsin
coscossinsincos
sincossincoscos
ˆ
ff
ff
d
.
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
=180
0
là đứt gãy trượt bằng
phải. Đứt gãy là đứt gãy thuận khi
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. 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 x
3
và đo trong mặt phẳng
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).
6
x
theo
r
1
.
)/(
rtM
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 )/(
rt
. (
M t)
gọi là hàm tốc độ moment địa chấn (hàm thời gian nguồn) chính là đạo hàm của
hàm moment địa chấn.
)()()( tStDtM
. (1.2)
Với
là độ cứng của vật chất, D(t) là khoảng dịch trượt và S(t) là diện tích
dịch trượt.
cos2cos)/(
4
1
3
3
rtM
r
u
rtM
r
u
. (1.5)
(a)
(b)
(c)
(d)
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.
Hình 1.5.
Biên độ mẫu bức xạ
của sóng P và sóng S trên mặt
phẳng x
1
x
3
. (Theo S.Stein và
M. Wysession, 2003).
9
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:
sinsin
coscossinsincos
sincossincoscos
ˆ
ff
ff
d
. (1.6)
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:
ˆ
,
ˆ
ˆ
. (1.8)
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
x’x’
và –M
y’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).
11
1.2.2. Ten-xơ moment địa chấn
Trong hệ toạ độ xyz, nguồn địa chấn có thể được thể hiện bởi chín cặp ngẫu
lực theo các hướng khác nhau, chúng được xem như chín thành phần ngẫu lực của
ten-xơ moment địa chấn (hình 1.7). Không có hiện tượng địa vật lý nào được biểu
diễn bằng ngẫu lực đơn, bởi vì chúng tạo ra moment quay lớn và tạo ra sự quay
Như vậy, một ngẫu lực kép tương đương với véctơ dịch trượt trên một mặt
đứt gãy. Trong không gian ba chiều với chúng, ta sẽ có chín thành phần moment lực
và được thể hiện dưới dạng ten-xơ bậc hai của ngẫu lực:
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).
12
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
MMM
MMM
zzzyyzzxxz
yzzyyyyxxy
xzzxxyyxxx
dndndndndn
dndndndndn
dndndndndn
MM
2
2
2
0
. (1.12)
Biểu thức (1.11) và (1.12) chỉ ra rằng:
1) Khi thay đổi vị trí của các véctơ n và d, M
ij
không thay đổi (có nghĩa rằng
M
ij
= M
ji
). Về ý nghĩa vật lý điều này có nghĩa là: véctơ trượt trên mặt đứt gãy hay
mặt phụ có mô hình phát xạ giống nhau.
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).
Phương trình chuyển động của vật thể đàn hồi được cho bởi công thức sau:
V
i
S
i
V
i
dV
dt
d
dSTdVF
. (2.2)
Tương quan giữa ứng suất
ij
và đạo hàm riêng của các thành phần trường
dịch chuyển u
k,l
được cho bởi biểu thức tuân theo định luật Hooke:
ij
= C
ijkl
u
k,l
. (2.3)
Trong đó C
cách giải phương trình (2.4):
15
S
jlnkiijklini
V
niisn
dSGuCTGddVGFdtxu )(),(
,
. (2.5)
Phương trình (2.5) còn gọi là lý thuyết biểu diễn nguồn địa chấn. Nó cho
phép chúng ta xác định trường dịch chuyển u bên trong thể tích V là tổng của hai
tích phân kép theo thời gian và không gian dưới dạng ten-xơ Green. Việc tìm
nghiệm cho các ten-xơ Green là bước đầu tiên trong bài toán cơ cấu chấn tiêu động
đất. Trường hợp đơn giản nhất tương ứng với môi trường đàn hồi, đồng nhất và
đẳng hướng ten-xơ Green xác định bởi:
G
ijjiji
r
r
ijjiij
(2.6)
Trong đó,
i
là cosin chỉ phương của đường từ nguồn tới điểm quan sát so với
phương nằm ngang, r là khoảng cách từ nguồn tới điểm quan sát, và là vận tốc
sóng P và sóng S. 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).
Như vậy số hạng thứ nhất biểu diễn dịch chuyển suy giảm nhanh theo
khoảng cách và gọi là trường gần. Số hạng này phụ thuộc vào cả α lẫn β và dịch
chuyển bao gồm cả sóng P và sóng S. Số hạng thứ hai và ba là trường xa nơi mà
sóng P và sóng S phân biệt nhau. Trong cả hai trường hợp dịch chuyển đều có hai
thành phần, một là mẫu bức xạ (radial pattern) phụ thuộc vào các cosines chỉ hướng
Copyright: Tài liệu đại học ©