Tổng quan nghiên cứu

Vi địa chấn là những dao động có biên độ rất nhỏ trên mặt đất, phát sinh từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo như gió, sóng biển, giao thông và động đất. Thành phần chủ yếu của dao động vi địa chấn (DĐVĐC) được xác định là sóng mặt, đặc biệt là sóng Rayleigh và sóng S. Tại thành phố Hà Nội, một khu vực có mức độ hoạt động địa chấn trung bình với nhiều trận động đất có cường độ từ cấp IV đến cấp VIII, việc đánh giá đặc điểm vi địa chấn và vi phân vùng động đất là rất cần thiết để giảm thiểu rủi ro thiên tai. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng phương pháp phân tích tỉ số phổ dao động ngang và đứng (HVSR) của Nakamura để xác định chu kỳ trội và đặc điểm khuếch đại nền đất tại 93 điểm đo DĐVĐC trên địa bàn thành phố.

Mục tiêu chính của luận văn là kiểm chứng giả thiết về thành phần dao động vi địa chấn quanh miền tần số trội, thực hiện vi phân vùng động đất cho thành phố Hà Nội dựa trên số liệu DĐVĐC, đồng thời đánh giá chiều dày lớp phủ trầm tích qua dữ liệu vi địa chấn và so sánh với số liệu khoan địa chất công trình. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ khu vực thành phố Hà Nội với tọa độ từ 20º52’N đến 21º14’N và kinh độ từ 105º42’E đến 106º02’E, trong giai đoạn thu thập số liệu từ năm 2008 đến 2010.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp bản đồ phân bố chu kỳ trội nền đất và chiều dày lớp phủ, giúp xác định các vùng có nguy cơ động đất cao, hỗ trợ công tác quy hoạch xây dựng và thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn quốc gia. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về đặc điểm dao động vi địa chấn tại khu vực đồng bằng sông Hồng, đồng thời phát triển phương pháp vi phân vùng động đất phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Giả thiết của Nakamura về thành phần dao động vi địa chấn: Theo đó, dao động vi địa chấn quanh miền tần số trội chủ yếu là dao động ngang giống sóng S, trong khi dao động quanh vùng lõm của phổ HVSR chủ yếu là dao động đứng giống sóng Rayleigh. Giả thiết này được kiểm chứng thông qua phân tích dao động hạt và so sánh với mô hình mô phỏng hàm truyền sóng S và tính elip sóng Rayleigh.

  2. Mô hình 2 lớp đơn giản về truyền sóng địa chấn qua lớp phủ: Mô hình gồm một lớp trầm tích yếu phủ lên đá gốc rắn chắc, với chiều dày D và vận tốc truyền sóng ngang Vs. Tần số trội fr liên hệ với chiều dày lớp phủ theo công thức $D = a f_r^b$, trong đó hệ số a, b được xác định từ dữ liệu thực nghiệm. Mô hình này giúp đánh giá chiều dày lớp phủ dựa trên chu kỳ trội của DĐVĐC.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Dao động vi địa chấn (DĐVĐC): Dao động nhỏ trên mặt đất, biên độ dịch chuyển khoảng 0,1-1 µm, vận tốc 0,001-0,01 cm/s.
  • Tỉ số phổ H/V (HVSR): Tỉ số phổ dao động ngang và dao động đứng, dùng để xác định chu kỳ trội nền đất.
  • Chu kỳ trội (T0): Chu kỳ tại đỉnh trội của phổ HVSR, phản ánh đặc tính khuếch đại nền đất.
  • Gia tốc đỉnh (PGA): Giá trị gia tốc lớn nhất đo được trong một trận động đất, dùng để đánh giá mức độ nguy hiểm động đất.
  • Vi phân vùng động đất: Phân chia khu vực nghiên cứu thành các vùng có đặc điểm địa chấn khác nhau dựa trên dữ liệu DĐVĐC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Số liệu vi địa chấn: 93 điểm đo DĐVĐC tại Hà Nội, trong đó 24 điểm gần các lỗ khoan địa chất, thu thập trong giai đoạn 2008-2010 bằng hệ thống máy ghi DĐVĐC Servo của Tokyo Sukushin, Nhật Bản.
  • Số liệu lỗ khoan: 42 lỗ khoan, trong đó 33 lỗ khoan có độ sâu tới đá gốc, cung cấp thông tin về chiều dày lớp phủ và thành phần địa chất.

Phương pháp phân tích:

  • Mỗi điểm đo được ghi liên tục khoảng 18 phút với tần số lấy mẫu 200 Hz.
  • Dữ liệu được chia thành các đoạn 20,48 giây, loại bỏ đoạn nhiễu, áp dụng biến đổi Fourier nhanh để tính phổ dao động từng thành phần (bắc-nam, đông-tây, đứng).
  • Tính tỉ số phổ H/V theo công thức $(NS \times EW) / V$ và lấy trung bình các đoạn để xác định chu kỳ trội nền đất.
  • Nội suy không gian các giá trị chu kỳ trội để tạo bản đồ phân bố chu kỳ trội và phân loại nền đất theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 và kỹ thuật phân loại của Đài Loan.
  • Xác định hệ số a, b trong phương trình liên hệ chiều dày lớp phủ và chu kỳ trội bằng phần mềm Matlab dựa trên dữ liệu lỗ khoan và chu kỳ trội.
  • Tính chiều dày lớp phủ tại các điểm đo DĐVĐC và so sánh với số liệu khoan qua hai mặt cắt địa chất công trình.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 3 năm, từ 2008 đến 2010, bao gồm thu thập số liệu, xử lý và phân tích dữ liệu, xây dựng bản đồ vi phân vùng động đất và đánh giá chiều dày lớp phủ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác nhận giả thiết thành phần dao động vi địa chấn: Qua phân tích dao động hạt tại các dải tần xung quanh đỉnh trội và vùng lõm của phổ HVSR, dao động quanh miền tần số trội chủ yếu theo phương ngang giống sóng S, trong khi dao động quanh vùng lõm chủ yếu theo phương đứng giống sóng Rayleigh. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và lý thuyết của Nakamura.

  2. Phân bố chu kỳ trội nền đất tại Hà Nội: Chu kỳ trội nền đất dao động từ dưới 0,6 giây đến trên 1,2 giây, tăng dần từ bắc xuống nam và từ tây sang đông. Khu vực phía bắc có chu kỳ trội nhỏ nhất (<0,6 s), tương ứng với nền đất cứng, trong khi khu vực nội thành và phía đông có chu kỳ trội lớn hơn 1,2 s, tương ứng với lớp phủ trầm tích dày. Kết quả phân loại nền đất chia thành hai loại chính: nền C (chu kỳ trội ≤ 0,6 s) và nền D (chu kỳ trội > 0,6 s).

  3. Đánh giá chiều dày lớp phủ trầm tích: Phương trình liên hệ chiều dày lớp phủ và chu kỳ trội được xác định là $D = 82 \times T_0^{1.11}$. Chiều dày lớp phủ tại các điểm đo dao động từ khoảng 30 m đến trên 90 m, tăng dần từ bắc xuống nam. So sánh với số liệu khoan cho thấy sự phù hợp cao, ngoại trừ một số điểm có sai lệch do vị trí đo chưa sát hoặc biến đổi vận tốc sóng ngang chưa được tính đến.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện địa chất đến mức độ khuếch đại sóng địa chấn: Các vùng có lớp phủ trầm tích dày và mềm như khu vực nội thành có hệ số khuếch đại sóng S lớn, làm tăng gia tốc đỉnh PGA lên đến 5 lần so với đá gốc, làm tăng nguy cơ phá hủy công trình khi xảy ra động đất.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính hiệu quả của phương pháp đo DĐVĐC và phân tích tỉ số phổ H/V trong việc xác định đặc điểm dao động nền đất và vi phân vùng động đất tại khu vực đô thị phức tạp như Hà Nội. Việc xác nhận giả thiết của Nakamura về thành phần dao động vi địa chấn giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền sóng địa chấn qua lớp phủ trầm tích.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại Đài Loan, Đức và Mỹ, kết quả tại Hà Nội có sự tương đồng về mối quan hệ giữa chu kỳ trội và chiều dày lớp phủ, đồng thời phản ánh đặc điểm địa chất riêng biệt của vùng đồng bằng sông Hồng. Việc phân loại nền đất theo chu kỳ trội giúp xác định các vùng có nguy cơ động đất cao, hỗ trợ thiết kế công trình phù hợp với tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tỉ số phổ H/V tại các điểm đo, bản đồ phân bố chu kỳ trội nền đất và chiều dày lớp phủ, cũng như bảng so sánh chiều dày lớp phủ tính toán và số liệu khoan. Những biểu đồ này minh họa rõ sự biến đổi không gian của đặc điểm địa chấn và giúp trực quan hóa mức độ rủi ro động đất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống đo DĐVĐC định kỳ tại các khu vực đô thị trọng điểm nhằm cập nhật dữ liệu dao động nền đất, phục vụ công tác giám sát và cảnh báo sớm động đất. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Viện Vật lý địa cầu, các cơ quan quản lý địa chấn.

  2. Xây dựng bản đồ vi phân vùng động đất chi tiết cho toàn bộ khu vực Hà Nội dựa trên dữ liệu DĐVĐC và số liệu khoan địa chất, làm cơ sở cho quy hoạch xây dựng và thiết kế công trình chịu động đất. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Sở Xây dựng, Viện Khoa học và Công nghệ.

  3. Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất theo TCXDVN 375:2006 kết hợp với phân loại nền đất dựa trên chu kỳ trội để nâng cao độ an toàn cho các công trình xây dựng mới và cải tạo. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Các đơn vị thiết kế, nhà thầu xây dựng.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo chuyên sâu về vi địa chấn và vi phân vùng động đất tại các trường đại học và viện nghiên cứu nhằm phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao. Thời gian: dài hạn; Chủ thể: Bộ Giáo dục và Đào tạo, các trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia địa chấn học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp phân tích tiên tiến, hỗ trợ nghiên cứu sâu về dao động vi địa chấn và vi phân vùng động đất.

  2. Cơ quan quản lý đô thị và xây dựng: Thông tin về phân loại nền đất và bản đồ vi phân vùng động đất giúp hoạch định chính sách quy hoạch, quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả.

  3. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình: Dữ liệu về chu kỳ trội và đặc điểm khuếch đại nền đất là cơ sở để thiết kế công trình chịu động đất phù hợp với điều kiện địa chất địa phương.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Vật lý địa cầu, Địa chất công trình: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp đo và phân tích dao động vi địa chấn, cũng như ứng dụng thực tiễn trong vi phân vùng động đất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dao động vi địa chấn là gì và tại sao nó quan trọng trong nghiên cứu động đất?
    Dao động vi địa chấn là các dao động nhỏ trên mặt đất do nhiều nguồn khác nhau tạo ra. Chúng phản ánh đặc tính truyền sóng địa chấn qua lớp phủ đất và giúp xác định chu kỳ trội nền đất, từ đó đánh giá mức độ nguy hiểm động đất tại khu vực nghiên cứu.

  2. Phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp H/V chỉ cần đo tại một điểm, không cần khoan hay nguồn nổ, tiết kiệm thời gian và chi phí. Nó cho phép xác định chu kỳ trội và hệ số khuếch đại nền đất chính xác, phù hợp với khu vực đô thị đông dân cư.

  3. Chu kỳ trội nền đất ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế công trình?
    Chu kỳ trội phản ánh đặc tính dao động của nền đất. Công trình có chu kỳ dao động gần với chu kỳ trội của nền đất sẽ chịu tác động khuếch đại lớn hơn, do đó cần thiết kế để giảm thiểu nguy cơ phá hủy khi động đất xảy ra.

  4. Làm thế nào để đánh giá chiều dày lớp phủ trầm tích từ dữ liệu vi địa chấn?
    Dựa trên mối quan hệ giữa chu kỳ trội và chiều dày lớp phủ trong mô hình 2 lớp, chiều dày được tính theo công thức $D = a f_r^b$, trong đó $f_r$ là tần số trội, hệ số a, b được xác định từ dữ liệu thực nghiệm và số liệu khoan.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng như thế nào trong công tác phòng chống động đất tại Hà Nội?
    Bản đồ phân bố chu kỳ trội và chiều dày lớp phủ giúp xác định vùng có nguy cơ động đất cao, hỗ trợ quy hoạch xây dựng, thiết kế công trình phù hợp, đồng thời nâng cao nhận thức và chuẩn bị ứng phó với động đất cho cộng đồng.

Kết luận

  • Xác nhận thành phần dao động vi địa chấn quanh miền tần số trội chủ yếu là sóng S theo phương ngang, còn quanh vùng lõm là sóng Rayleigh theo phương đứng, phù hợp với giả thiết của Nakamura.
  • Phân bố chu kỳ trội nền đất tại Hà Nội dao động từ dưới 0,6 s đến trên 1,2 s, tăng dần từ bắc xuống nam và từ tây sang đông, phân loại nền đất thành hai nhóm chính.
  • Thiết lập phương trình liên hệ chiều dày lớp phủ và chu kỳ trội: $D = 82 \times T_0^{1.11}$, với chiều dày lớp phủ từ khoảng 30 m đến trên 90 m, phù hợp với số liệu khoan địa chất.
  • Kết quả vi phân vùng động đất cung cấp cơ sở khoa học cho quy hoạch xây dựng và thiết kế công trình chịu động đất tại Hà Nội.
  • Đề xuất triển khai hệ thống đo DĐVĐC định kỳ, xây dựng bản đồ vi phân vùng chi tiết và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế công trình phù hợp nhằm giảm thiểu rủi ro động đất.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng vi địa chấn trong đánh giá rủi ro động đất và phát triển hệ thống cảnh báo sớm. Đề nghị các cơ quan chức năng và nhà nghiên cứu tiếp tục phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn nhằm bảo vệ an toàn cộng đồng và phát triển bền vững đô thị.