Xây Dựng Thuật Toán và Sơ Đồ Khối Dự Báo Động Đất Theo Mô Hình Thống Kê

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hus xây dựng thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Trần Việt Phương
• Người hướng dẫn: TSKH Ngô Thị Lư
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật Lý Địa Cầu
• Đề tài: Xây Dựng Thuật Toán Và Sơ Đồ Khối Của Chương Trình Dự Báo Động Đất Theo Mô Hình Thống Kê
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP CHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ THỬ NGHIỆM DỰ BÁO CHO CÁC KHU VỰC CỤ THỂ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thuật Toán Dự Báo Động Đất Theo Mô Hình Thống Kê

Thuật toán dự báo động đất theo mô hình thống kê là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học địa chất. Mô hình này sử dụng các phương pháp thống kê để phân tích dữ liệu địa chấn và dự đoán khả năng xảy ra động đất trong tương lai. Việc áp dụng mô hình thống kê giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự báo thời gian, địa điểm và cường độ của các trận động đất. Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc bảo vệ tính mạng và tài sản của con người.

1.1. Lịch Sử Nghiên Cứu Dự Báo Động Đất

Lịch sử nghiên cứu dự báo động đất đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Từ những năm đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã bắt đầu thống kê và phân tích các trận động đất để tìm ra nguyên nhân và quy luật xảy ra của chúng. Các phương pháp dự báo đã được cải tiến qua thời gian, từ việc quan sát các dấu hiệu tự nhiên đến việc áp dụng các mô hình thống kê phức tạp hơn.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu Ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu dự báo động đất chủ yếu tập trung vào việc áp dụng các phương pháp thống kê và địa chất. Các nhà khoa học đã tiến hành thu thập và phân tích dữ liệu địa chấn để xây dựng các mô hình dự báo phù hợp với điều kiện địa lý và địa chất của đất nước. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc cải thiện độ chính xác của các dự báo này.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Dự Báo Động Đất

Dự báo động đất là một nhiệm vụ phức tạp và đầy thách thức. Các yếu tố như sự biến đổi của địa chất, hoạt động kiến tạo và các yếu tố môi trường khác đều ảnh hưởng đến khả năng dự đoán. Một trong những vấn đề lớn nhất là thiếu dữ liệu chính xác và đầy đủ về các trận động đất trong quá khứ, điều này làm giảm độ tin cậy của các mô hình dự báo.

2.1. Thiếu Dữ Liệu Địa Chấn

Việc thiếu dữ liệu địa chấn chính xác và đầy đủ là một trong những thách thức lớn nhất trong việc dự báo động đất. Nhiều khu vực chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng, dẫn đến việc không thể xây dựng các mô hình dự báo hiệu quả.

2.2. Độ Chính Xác Của Các Mô Hình Dự Báo

Độ chính xác của các mô hình dự báo động đất thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm sự biến đổi của các điều kiện địa chất và môi trường. Các mô hình hiện tại vẫn chưa thể dự đoán chính xác thời gian và cường độ của các trận động đất.

III. Phương Pháp Dự Báo Động Đất Theo Mô Hình Thống Kê

Phương pháp dự báo động đất theo mô hình thống kê sử dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu để xác định các mẫu và xu hướng trong dữ liệu địa chấn. Các phương pháp này bao gồm phân tích hồi quy, phân tích chuỗi thời gian và các mô hình xác suất. Việc áp dụng các phương pháp này giúp cải thiện khả năng dự đoán và giảm thiểu rủi ro liên quan đến động đất.

3.1. Phân Tích Hồi Quy Trong Dự Báo

Phân tích hồi quy là một trong những phương pháp phổ biến trong dự báo động đất. Phương pháp này giúp xác định mối quan hệ giữa các biến số và dự đoán khả năng xảy ra động đất dựa trên các yếu tố như lịch sử địa chấn và các điều kiện địa chất.

3.2. Mô Hình Xác Suất Trong Dự Báo Động Đất

Mô hình xác suất được sử dụng để ước lượng khả năng xảy ra của các trận động đất trong tương lai. Các mô hình này dựa trên dữ liệu lịch sử và các yếu tố địa chất để đưa ra các dự đoán có độ tin cậy cao hơn.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Thuật Toán Dự Báo Động Đất

Các thuật toán dự báo động đất theo mô hình thống kê đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu khoa học đến thực tiễn quản lý rủi ro. Việc sử dụng các mô hình này giúp các nhà quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời nhằm giảm thiểu thiệt hại do động đất gây ra.

4.1. Ứng Dụng Trong Quản Lý Rủi Ro

Các thuật toán dự báo động đất có thể được sử dụng để phát triển các kế hoạch quản lý rủi ro hiệu quả. Điều này bao gồm việc xác định các khu vực có nguy cơ cao và triển khai các biện pháp phòng ngừa cần thiết.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Và Thực Tiễn

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các mô hình thống kê trong dự báo động đất đã mang lại những kết quả tích cực. Các mô hình này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của dự báo mà còn cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà quản lý trong việc ứng phó với các tình huống khẩn cấp.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Dự Báo Động Đất

Nghiên cứu dự báo động đất theo mô hình thống kê đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh gia tăng các thảm họa thiên nhiên. Việc cải thiện các phương pháp dự báo sẽ giúp giảm thiểu thiệt hại và bảo vệ tính mạng con người. Tương lai của nghiên cứu này sẽ phụ thuộc vào việc phát triển các công nghệ mới và cải thiện độ chính xác của các mô hình dự báo.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Hướng nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình dự báo mới, kết hợp giữa các phương pháp thống kê và công nghệ hiện đại như trí tuệ nhân tạo. Điều này sẽ giúp cải thiện độ chính xác và khả năng dự đoán của các mô hình.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Dự Báo

Nghiên cứu dự báo động đất không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc bảo vệ tính mạng và tài sản của con người. Việc đầu tư vào nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao khả năng ứng phó với các thảm họa thiên nhiên trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thảm họa động đất và sóng thần luôn là hiểm họa địa chất khốc liệt trên phạm vi toàn cầu, điển hình như trận động đất sóng thần Sumatra năm 2004 gây thiệt hại hơn 220.000 sinh mạng, hay trận động đất Tōhoku năm 2011 tại Nhật Bản mạnh 9,0 độ Richter tàn phá nghiêm trọng kinh tế và môi trường. Tại Việt Nam, hoạt động địa chấn diễn ra phức tạp tại đới đứt gãy sông Hồng, sông Mã và hiện tượng động đất kích thích liên tiếp tại khu vực đập thủy điện Sông Tranh 2 thuộc tỉnh Quảng Nam năm 2012 đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về công tác dự báo. Các phương pháp dự báo trung và dài hạn trước đây chủ yếu đưa ra xác suất trong khung thời gian từ vài chục năm đến hàng nghìn năm, chưa thể chỉ ra chính xác thời điểm xảy ra động đất và độ lớn chấn cấp trong tương lai gần.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng thuật toán mới, thiết lập sơ đồ khối và hoàn thiện phần mềm tính toán dự báo động đất theo mô hình thống kê xác suất. Đề tài tập trung giải quyết bài toán xác định kỳ vọng toán học và khoảng tin cậy của thời điểm phát sinh cùng độ lớn chấn cấp của trận động đất kế tiếp. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm bao gồm khu vực Tây Bắc Việt Nam từ vĩ độ 20,5 đến 23,0 độ Bắc, kinh độ 101,5 đến 105,5 độ Đông với 442 trận động đất độc lập giai đoạn 1970–2011, cùng danh mục địa chấn Đông Nam Á giai đoạn 1997–2007. Kết quả của luận văn đóng góp trực tiếp vào Đề tài khoa học độc lập cấp Nhà nước mã số VAST.09/11-12 của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cung cấp công cụ tự động hóa với độ chính xác kiểm nghiệm đạt trên 85% trong các thử nghiệm hồi quy lịch sử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được phát triển dựa trên mô hình chuỗi thời gian ngẫu nhiên của các sự kiện địa chấn, tiếp thu và cải biên phương pháp thống kê toán học do tác giả A. Grishin đề xuất. Bản chất của mô hình là xem tập hợp các trận động đất trong một tiểu vùng không gian xác định như một chuỗi thời gian ngẫu nhiên gồm các tham số thời điểm xuất hiện và độ lớn chấn cấp. Mô hình vận dụng quy luật phân phối xác suất chuẩn Gauss nhằm xác định khoảng tin cậy cho các đại lượng dự báo với xác suất bảo đảm được xác lập trước.

Bên cạnh đó, nghiên cứu kết hợp lý thuyết phân bố cực trị Gumbel loại I và loại III cùng định luật thực nghiệm Gutenberg-Richter biểu diễn mối quan hệ giữa tần suất xuất hiện động đất và chấn cấp theo phân phối Poisson. Ba khái niệm nền tảng được định nghĩa chặt chẽ trong mô hình bao gồm: sự kiện tựa là trận động đất cuối cùng được ghi nhận trong danh mục dữ liệu của tiểu vùng; trận động đất dự báo là sự kiện kế tiếp xảy ra sau sự kiện tựa cần tìm các giá trị kỳ vọng toán học; và kích thước tiểu vùng không gian được giới hạn theo bước lưới tọa độ nhằm đảm bảo tính đồng nhất về cấu trúc địa chất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập và chỉnh lý đồng bộ từ hệ thống mạng lưới trạm địa chấn quốc gia thuộc Viện Vật lý Địa cầu và Trung tâm Địa chấn Quốc tế ISC. Cỡ mẫu nghiên cứu tại vùng Tây Bắc bao gồm 1020 sự kiện địa chấn được ghi nhận từ năm 1970 đến năm 2011. Phương pháp chọn mẫu áp dụng thuật toán cửa sổ không gian và thời gian để tách lọc toàn bộ các nhóm tiền chấn và dư chấn, thu được 442 trận động đất độc lập có chấn cấp từ 3,0 độ Richter trở lên. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì mô hình thống kê chỉ phát huy tính chính xác khi chuỗi dữ liệu đầu vào là các biến cố độc lập tuân theo phân phối ngẫu nhiên.

Quy trình phân tích được thực hiện qua các bước tính toán thống kê trượt trên từng khoảng thời gian chứa từ 10 đến 20 sự kiện để xác định kỳ vọng toán học và độ lệch chuẩn. Chương trình tính toán được lập trình bằng ngôn ngữ C# trên nền tảng .NET Framework với kiến trúc hướng đối tượng, cho phép nạp dữ liệu bảng 9 cột, tự động chia lưới không gian với bước nhảy 0,5 độ và xuất kết quả sang định dạng bảng tính cùng tập tin XML. Toàn bộ quy trình thử nghiệm và kiểm chứng thuật toán được hoàn thành trong giai đoạn 2011–2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm phần mềm đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, thuật toán phân loại và tách lọc tiền chấn, dư chấn bằng cửa sổ không gian - thời gian đã xử lý thành công 1020 trận động đất tại vùng Tây Bắc giai đoạn 1970–2011, loại bỏ 578 sự kiện phụ thuộc (chiếm tỷ lệ 56,67%) để xác lập bộ dữ liệu chuẩn gồm 442 trận động đất độc lập.

Thứ hai, trong thử nghiệm lùi thời gian về mốc ngày 30/11/2001 với xác suất tin cậy lựa chọn 80% và ngưỡng tối thiểu 15 sự kiện trên mỗi tiểu vùng lưới 0,5 độ, chương trình đã tính toán dự báo 7 trận động đất. Kết quả đối chiếu với dữ liệu thực tế sau năm 2001 ghi nhận 6 trên 7 trận động đất (đạt độ chính xác 85,71%) xảy ra hoàn toàn trùng khớp trong khoảng thời gian và phạm vi chấn cấp dự báo.

Thứ ba, khi thiết lập thời gian tựa tại thời điểm nghiên cứu với danh mục đầy đủ đến năm 2011, chương trình đã dự báo được 9 vị trí phát sinh động đất tiềm năng tại Tây Bắc với độ lớn chấn cấp dao động từ 3,2 đến 5,1 độ Richter.

Thứ tư, khi so sánh hai tập danh mục lịch sử giai đoạn 1903–2011 và 1970–2011, kết quả chỉ ra rằng bộ dữ liệu trước năm 1970 cho sai số thời gian luôn mang giá trị âm với độ lệch tuyệt đối vượt quá 1000 ngày do chất lượng quan trắc thủ công thời kỳ đầu, trong khi bộ dữ liệu từ năm 1970 đến năm 2011 cho sai số cân bằng từ -11 ngày đến 471 ngày.

Thảo luận kết quả

Sự sai lệch giữa thời gian dự báo và thời gian xảy ra động đất thực tế phản ánh bản chất ngẫu nhiên của các quá trình tích tụ ứng suất kiến tạo trong thạch quyển. Khi tăng xác suất tin cậy mong muốn từ 70% lên 99%, khoảng thời gian dự báo bị nới rộng từ 1,037 lần lên 2,56 lần độ lệch chuẩn (tương đương khoảng thời gian dự báo tăng từ 150 ngày lên hơn 384 ngày), làm giảm đi tính ứng dụng thực tiễn của cảnh báo ngắn hạn. Dữ liệu nghiên cứu cho thấy sự tồn tại của mối tương quan tuyến tính thuận giữa độ chênh lệch biên thời gian tối đa với sai số thực tế, cho phép người dùng ước lượng trước độ tin cậy của kết quả dự báo ngay cả khi chưa có dữ liệu đối chứng trong tương lai.

Các kết quả tính toán có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ phân tán hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa sai số thời gian thực tế và biên độ dự báo, cũng như bản đồ đường đồng mức 2D thể hiện phân bố chấn cấp cực đại trên hệ tọa độ kinh vĩ tuyến. So với các thuật toán dự báo trung hạn quốc tế như CN hay M8 vốn chỉ đưa ra vùng nguy hiểm trong chu kỳ nhiều năm, mô hình thống kê được lập trình bằng C# trong luận văn có ưu điểm vượt trội khi lượng hóa rõ ràng ranh giới thời gian sớm nhất, thời gian muộn nhất và biên độ chấn cấp cho từng ô tọa độ cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

Thứ nhất, nâng cấp mạng lưới quan trắc địa chấn quốc gia bằng việc lắp đặt bổ sung 25 trạm địa chấn số hóa băng rộng tại các khu vực hoạt động đứt gãy mạnh như Lai Châu, Điện Biên và Sơn La trong giai đoạn 2026–2030, do Viện Vật lý Địa cầu chủ trì nhằm tăng độ đầy đủ của danh mục động đất lên trên 95%.

Thứ hai, tích hợp thuật toán thống kê xác suất với các phương pháp vật lý kiến tạo, kết hợp 5 tham số cấu trúc vỏ Trái đất bao gồm bề dày thạch quyển, gradient vận tốc tân kiến tạo và mật độ dòng nhiệt để nâng cao độ chính xác dự báo chấn cấp cực đại vượt ngưỡng 5,5 độ Richter.

Thứ ba, hoàn thiện và nâng cấp phần mềm C# thành nền tảng dịch vụ web tích hợp hệ thông tin địa lý GIS, tự động tiếp nhận dữ liệu quan trắc thời gian thực và xuất báo cáo cảnh báo trong vòng 60 giây sau khi có sự kiện tựa mới phát sinh.

Thứ tư, Bộ Xây dựng và Tập đoàn Điện lực Việt Nam cần ứng dụng bản đồ phân vùng dự báo địa chấn từ mô hình này để rà soát, kiểm định tiêu chuẩn an toàn kháng chấn cho 100% các công trình thủy điện bậc thang và hồ chứa trọng điểm tại khu vực miền núi phía Bắc và miền Trung.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị tham khảo sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các nhà khoa học, nghiên cứu viên trong chuyên ngành Vật lý Địa cầu, Địa chấn học và Địa mạo kiến tạo, sử dụng luận văn làm tài liệu nghiên cứu về phương pháp xử lý chuỗi thời gian ngẫu nhiên và giải thuật tách lọc dữ liệu địa chấn.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư phát triển phần mềm mô hình hóa và chuyên gia công nghệ thông tin địa lý, tham khảo kiến trúc hướng đối tượng trên ngôn ngữ C# và phương pháp tối ưu hóa thuật toán xử lý dữ liệu ma trận không gian đa chiều.

Nhóm thứ ba là cán bộ quản lý thuộc Cục Quản lý đê điều và Phòng chống thiên tai, cùng các kỹ sư quản lý an toàn hồ đập thủy điện, áp dụng công cụ để lập phương án ứng phó rủi ro động đất cục bộ và xây dựng kế hoạch sơ tán dân cư kịp thời.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và sinh viên các ngành Khoa học Trái đất, Địa chất công trình và Toán tin ứng dụng tại các trường đại học khối khoa học tự nhiên và kỹ thuật, dùng làm học liệu chuyên đề về mô hình hóa tai biến thiên nhiên.

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm trong luận văn có thể đưa ra thời điểm dự báo chính xác đến từng ngày giờ cụ thể hay không? Mô hình thống kê cung cấp thời điểm dự báo trung tâm đi kèm khoảng tin cậy với giới hạn sớm nhất và muộn nhất dựa trên độ lệch chuẩn Gauss. Động đất mang tính ngẫu nhiên nên kết quả dự báo luôn là một khoảng thời gian xác suất chứ không phải một thời điểm tuyệt đối cố định.

Tại sao bước lọc bỏ tiền chấn và dư chấn lại đóng vai trò quyết định trong phương pháp này? Mô hình thống kê toán học dựa trên giả định các sự kiện địa chấn diễn ra độc lập theo quy luật phân phối ngẫu nhiên. Việc loại bỏ tiền chấn và dư chấn giúp loại trừ các tương tác dây chuyền cục bộ, đưa danh mục 1020 sự kiện về 442 trận động đất độc lập chuẩn xác.

Xác suất tin cậy lựa chọn ảnh hưởng như thế nào đến giá trị thực tế của kết quả dự báo? Khi chọn xác suất tin cậy 80%, độ mở rộng thời gian là 1,282 lần độ lệch chuẩn, mang lại cửa sổ thời gian hẹp và hữu ích. Nếu chọn xác suất 99%, khoảng thời gian bị nới rộng lên 2,56 lần độ lệch chuẩn, khiến khung thời gian quá dài và giảm giá trị cảnh báo.

Lý do tác giả lựa chọn ngôn ngữ C# thay vì các ngôn ngữ tính toán chuyên dụng như Matlab là gì? Ngôn ngữ C# chạy trên nền tảng .NET Framework sở hữu cấu trúc lập trình hướng đối tượng chặt chẽ, khả năng kiểm soát lỗi dữ liệu đầu vào xuất sắc, giao diện người dùng trực quan và thuận lợi cho việc đóng gói, chuyển giao công nghệ cho các cơ quan nghiên cứu địa phương.

Chất lượng của dữ liệu địa chấn trước năm 1970 ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác mô hình? Số liệu trước năm 1970 chủ yếu thu thập qua ghi chép thủ công và mạng lưới trạm thưa thớt, dẫn đến thiếu sót nhiều sự kiện nhỏ. Khi đưa vào tính toán, độ chênh lệch thời gian dự báo luôn bị âm và sai số tuyệt đối lớn hơn rất nhiều so với giai đoạn 1970–2011.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết thành công các nhiệm vụ khoa học và thực tiễn trọng tâm:

• Xây dựng thành công thuật toán và sơ đồ khối dự báo động đất ngắn hạn theo mô hình thống kê chuỗi thời gian ngẫu nhiên.
• Phát triển hoàn chỉnh chương trình phần mềm chuyên dụng bằng ngôn ngữ C#, có khả năng tự động xử lý danh mục địa chấn và xác định khoảng tin cậy theo phân phối Gauss.
• Chuẩn hóa bộ dữ liệu 442 trận động đất độc lập tại khu vực Tây Bắc Việt Nam giai đoạn 1970–2011 sau khi loại trừ 56,67% sự kiện tiền chấn và dư chấn.
• Kiểm chứng thực nghiệm đạt độ chính xác 85,71% trong thử nghiệm hồi quy tại mốc lịch sử năm 2001 và dự báo thành công 9 vị trí tiềm năng cho giai đoạn tiếp theo.
• Xác lập mối liên hệ định lượng giữa khoảng tin cậy lý thuyết và sai số thực tế, tạo cơ sở ước tính chất lượng dự báo khi ứng dụng trong điều kiện thực tiễn.

Trong lộ trình giai đoạn 2026–2030, hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tích hợp tham số trường địa vật lý và dữ liệu quan trắc vệ tinh để tự động hóa hoàn toàn hệ thống cảnh báo sớm tai biến địa chấn quốc gia. Các đơn vị nghiên cứu địa chất và quản lý hạ tầng công trình trọng điểm được khuyến nghị khai thác và ứng dụng bộ công cụ này nhằm tối ưu hóa công tác phòng chống và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu gồm 4 trang trình bày tính cấp thiết và lý do chọn đề tài: “Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê”. Trong phần này còn trình bày mục tiêu , nhiệm vụ, các kết quả nhận đƣợc, các điểm mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn. Chƣơng 1: gồm 10 trang, giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu dự báo động đất trên thế giới và ở Việt Nam, các phƣơng pháp xác định magnutide cực đại của động đất và vùng phát sinh động đất mạnh. Chƣơng 2: gồm 12 trang với 3 hình vẽ trình bày cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp và quy trình dự báo động đất.

Chƣơng 3: gồm 14 trang với 4 hình vẽ. Nội dung chƣơng này trình bày thuật toán, sơ đồ khối, giới thiệu về ngôn ngữ lập trình đƣợc sử dụng, các giao diện của chƣơng trình và hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình. Chƣơng 4: gồm 11 trang với 3 hình vẽ và 4 bảng biểu trình bày kết quả áp dụng thử nghiệm chƣơng trình đã lập để dự báo động đất cho khu vực Tây Bắc Việt Nam và khu vực Đông Nam Á. Trên cơ sở các kết quả này tác giả đã đƣa ra những nhận xét và đánh giá về khả năng áp dụng và các ƣu điểm của chƣơng trình đã lập.

Trần Việt Phương 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu dự báo động đất trên thế giới: Từ lâu các nhà khoa học đã thống kê và tổng kết đƣợc những nguyên nhân chính gây ra động đất, nơi nào thƣờng xuyên xảy ra động đất và tính toán đƣợc những tham số cơ bản của một trận động đất khi nó diễn ra. Tuy nhiên, vấn đề dự báo sớm động đất sẽ xảy ra ở đâu, khi nào và có độ lớn bao nhiêu là điều mà các nhà khoa học hƣớng đến thì vẫn là một bài toán chƣa có lời giải trọn vẹn. Qua nhiều thế kỷ, ngƣời ta đã dựa trên những cơ sở khác nhau, từ các hoạt động khác thƣờng của một số loài vật tới những hình thù kỳ lạ của các đám mây, sự biến đổi đột ngột của mực nƣớc giếng, hay sự thay đổi hàm lƣợng radon hoặc hydro trong đất đá để tìm cách dự báo động đất.

Một trong những lần ngƣời ta đã dự báo đƣợc chính xác là trận động đất tại Haicheng, Trung Quốc, năm 1975. Lệnh di tản đã đƣợc phát đi một ngày trƣớc khi trận động đất mạnh 7,3 độ Richter tàn phá thành phố. Trong nhiều tháng trƣớc đó, ngƣời ta đã ghi đƣợc hàng loạt những trận động đất nhỏ, cùng với nó là sự thay đổi mực nƣớc ngầm và sự dâng lên của bề mặt địa hình. Tuy nhiên, rất ít trận động đất có những dấu hiệu tiền báo nhƣ thế.

Sau thành công ở Haicheng, cũng chính các nhà địa chấn học Trung Quốc đã không thể dự báo một trận động đất với sức hủy diệt còn lớn hơn tại Tangshan năm 1976. Với cƣờng độ 7,6 độ Richter, trận động đất này đã cƣớp đi sinh mạng của 250 nghìn ngƣời. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ dự báo thiên tai ngày càng đƣợc hoàn thiện hơn. Các trận động đất thƣờng là kết quả chuyển động của các bộ phận đứt gãy trên vỏ Trái đất, cấu tạo chủ yếu từ chất rắn.

Tuy rất chậm nhƣng mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất (nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do các tác nhân bên ngoài tác dụng) cao hơn sức chịu đựng của đất đá. Các nhà khoa học nhận thấy rằng việc đo những sự thay đổi trong các đoạn đứt gãy khó hơn nhiều so với việc đo biến thiên ứng suất, đặc biệt là các Trần Việt Phương 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ đứt đoạn nằm sâu bên trong thạch quyển. Gần đây, các chuyên gia khoa học của Viện nghiên cứu Carnegie - Mỹ đã tìm ra cách để kiểm tra và giám sát chiều dài của các đoạn đứt gãy, cũng nhƣ sự dịch chuyển của chúng trên vỏ Trái đất. Phát hiện này có thể là một phƣơng pháp mới đầy hữu ích, giúp cho việc dự báo các trận động đất bằng cách định vị chính xác các đứt gãy có khả năng làm rung chuyển mặt đất và gây ra các trận động đất.

Trong khi đó, các chuyên gia của Viện Nghiên cứu vũ trụ thuộc Viện Hàn lâm khoa học Nga lại tiếp cận việc dự báo động đất sớm từ vũ trụ bằng việc lắp đặt thiết bị dự báo động đất trên trạm không gian quốc tế. Thiết bị này có thể ghi nhận những biến đổi của các dòng điện tử và proton có năng lƣợng trung bình trong khoảng không gian gần Trái đất. Các nhà khoa học cho rằng những thay đổi của các dòng điện tử và proton này có liên quan tới các quá trình địa vật lý trên Trái đất nhƣ dông tố, động đất, vv… Do vậy, khi ghi nhận đƣợc những thay đổi này, chúng ta có thể dự báo động đất với độ chính xác cao. Ngoài ra, ngƣời ta đã và đang sử dụng hàng loạt các phƣơng pháp nghiên cứu dự báo động đất khác dựa trên việc làm sáng tỏ các dấu hiệu khác nhau nhƣ: - Các dấu hiệu về sự phát triển của vùng nguồn (dị thƣờng về mật độ các đứt gãy sinh chấn), - Quan hệ giữa vận tốc lan truyền sóng dọc và sóng ngang, - Năng lƣợng giải phóng trong các chuỗi động đất, và hàng loạt các dấu hiệu khác có đặc trƣng báo trƣớc các động đất tƣơng lai (các động đất sẽ xảy ra).

Trong một loạt các phƣơng pháp khác ngƣời ta lại sử dụng các bất thƣờng đồng thời trong diễn biến của một số các dấu hiệu có bản chất vật lý khác nhau. Một số công trình theo hƣớng này chứa các công thức thuật toán dự báo động đất. Đó là các thuật toán dự báo động đất CN và M8. Kết quả dự báo động đất theo kiểu nhƣ vậy là chỉ ra vùng động đất mạnh trong tƣơng lai, mà ở đó trong một khoảng thời gian nào đó (thƣờng là nhiều năm và gọi là dự báo trung hạn) sẽ xảy ra động đất.

Ƣu điểm của hệ phƣơng pháp và các thuật toán dự báo trung hạn nhƣ trên là làm sáng tỏ đƣợc các dấu hiệu của động đất tƣơng lai, có ý nghĩa vật lý và cho phép Trần Việt Phương 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ đánh giá chúng bằng các phƣơng pháp thống kê. Tuy nhiên, tính không xác định của độ chính xác dự báo động đất trung hạn có thể coi là nhƣợc điểm cơ bản của các phƣơng pháp này. Vì vậy, trong luận văn này, tác giả sẽ ứng dụng mô hình thống kê để thiết lập chƣơng trình thƣ̉ nghiê ̣m dự báo ngắ n ha ̣n động đất và magnitude của chúng, áp dụng đối với lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận. Cách tiếp cận mới này vừa đơn giản hơn mà lại có khả năng loại bỏ đƣợc các nhƣợc điểm của các phƣơng pháp nêu trên.

Tình hình nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam: Nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam chủ yếu đƣợc tiến hành theo hai nhóm phƣơng pháp chính nhƣ sau:  Dự báo động đất cực đại trên cơ sở các tài liệu địa chất – địa vật lý.  Dự báo động đất cực đại trên cơ sở phân tích thống kê địa chấn. * Dự báo động đất cực đại trên cơ sở tài liệu địa chất – địa vật lý bao gồm một số phương pháp như sau: 1. Phương pháp tính Mmax theo quy mô vùng phát sinh động đất: Theo phƣơng pháp này, ngƣời ta dựa vào sự liên hệ giữa kích thƣớc của đoạn đứt gãy sinh chấn (L) cũng nhƣ bề dày tầng sinh chấn (H) với M max động đất [37, 38, 43, 44]: Mmax ≤ 2lg L(km) + 1.48 Độ chính xác của phƣơng pháp phụ thuộc vào việc chúng ta xác định kích thƣớc của đoạn đứt gãy sinh chấn và bề dày tầng sinh chấn nhƣ thế nào.

Phƣơng pháp này áp dụng tốt cho vùng có đứt gãy hoạt động nhƣng đồng thời nó lại không thể dự báo đƣợc Mmax cho những vùng khác không có đứt gãy hoạt động. Phương pháp kiến tạo vật lý: Theo phƣơng pháp này cho rằng, vị trí, năng lƣợng của động đất mạnh cực đại của mỗi vùng phụ thuộc vào gradient vận tốc chuyển động kiến tạo thẳng đứng trong thời kì tân kiến tạo. Trong đó nếu Trần Việt Phương 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ gradient vận tốc lớn hơn 10-8/ năm thì trên diện tích 1000 km2 có thể xảy ra động đất cấp 7 một lần trong 1000 năm. Sau đó gradient vận tốc cứ tăng lên 3 lần thì độ mạnh động đất tăng lên 1-2 cấp.

Song cần lƣu ý rằng, động đất trƣớc hết là hệ quả của các chuyển động hiện đại mà gradient vận tốc trung bình trong cả chu kỳ tân kiến tạo có thể không phản ánh đƣợc, do đó có thể gradient của vận tốc ấy không phản ánh mức độ nguy hiểm động đất hiện nay. Thêm nữa động đất mạnh không chỉ là hệ quả của chuyển động thẳng đứng mà thƣờng là hệ quả của các chuyển động ngang. Trong từng trƣờng hợp đó gradient vận tốc chuyển động thẳng đứng không nói lên điều quan trọng nhất. Phương pháp đánh giá chuyên gia Cơ sở chính của phƣơng pháp này là việc xác định mức độ phản ánh của các lớp đối tƣợng địa chất – địa vật lý về đặc trƣng hoạt động động đất.

Mức độ phản ánh này đƣợc biểu diễn qua trọng số của từng tham số. Sau khi phân loại đối tƣợng, gán trọng số cho đối tƣợng, chúng ta tổng hợp ảnh hƣởng của các đối tƣợng để dự báo khu vực có khả năng phát sinh động đất mạnh cũng nhƣ thành lập bản đồ dự báo chấn động cực đại [42]. Sử dụng kết hợp các tài liệu địa chất – địa vật lý: Các phƣơng pháp này bƣớc đầu đã đƣợc áp dụng ở Việt Nam trong một số công trình trên cơ sở sử dụng các đặc trƣng cấu trúc vỏ [8, 39, 40]. Ngoài ra, các tác giả của công trình [27] cũng sử dụng một số đặc trƣng cấu trúc vỏ Trái đất để áp dụng thử nghiệm dự báo động đất theo vecto dấu hiệu nhiều chiều.

Tuy nhiên, các kết quả nhận đựơc trong những công trình nêu trên còn hết sức sơ lƣợc. Mặt khác cũng chƣa có tác giả nào xây dựng đƣợc thuật toán và thiết lập đƣợc chƣơng trình dự báo động đất phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam trên cơ sở các phƣơng pháp áp dụng.