CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC XÁC ĐỊNH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC BIỂN BẰNG SỐ LIỆU ĐO CAO VỆ TINH Tóm tắt: Nội dung chính của chương, trình bày tóm tắt khái niệm về dị thường trọng lực, tổng quan các vấn đề đo trọng lực ở Việt Nam. Trình bày tổng quan về các công trình đã nghiên cứu trên thế giới và trong nước có liên quan đến vấn đề xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh và các giải pháp để nâng cao độ chính xác xác định dị thường trọng lực biển. Từ các công trình đó sẽ phân tích, đánh giá và chỉ ra được các vấn đề mà luận án cần phải nghiên cứu. Tổng quan về vấn đề đo trọng lực ở Việt Nam 1.
Khái niệm về dị thường trọng lực Dị thường trọng lực (g) tại một điểm quan sát là hiệu số giữa giá trị trọng lực thực đo được (g) với giá trị trọng lực chuẩn () tại điểm quan sát đó và được biểu diễn bằng công thức tổng quát sau [5], [8], [9]: g = g - (1.1) Nếu các giá trị trọng lực đo được (g) và giá trị chuẩn () cùng tương ứng với một điểm thì dị thường trọng lực được gọi là thuần nhất. Nếu các giá trị nêu trên tương ứng với các điểm khác nhau trong không gian, thì dị thường trọng lực được gọi là "hỗn hợp". Đơn vị của trọng lực được ký hiệu là Gal là tên viết tắt của nhà thiên văn học, vật lý học, toán học, triết học người Ý Galileo (15/02/1564 – 05/01/1642).s-2 1 mGal = 10-3Gal = 10-3 cm.s-2 1 μGal = 10-3 mGal= 10-6 Gal Giá trị trọng lực chuẩn 0 trên mặt ellipsoid được xác định theo công thức [34], [50], [59], [62]: -8- 1 + k sin 2 B b p − a e 0 = e , với: k = (1.2) 1 − e2 sin 2 B a e trong đó, e và p tương ứng là trọng lực chuẩn trên xích đạo và cực của ellipsoid, được xác định bằng các công thức sau: GM 3 3 e = (1 − m − e ' m) (1.6) a2 b2 trong đó, GM là hằng số trọng trường địa tâm của Trái Đất; là tốc độ quay của Trái Đất; e và e’ tương ứng là tâm sai thứ nhất và tâm sai thứ hai; a và b tương ứng là bán kính bán trục lớn và bé của ellipsoid; B là vĩ độ trắc địa của điểm đo. Ngoài ra, giá trị trọng lực chuẩn 0 trên mặt ellipsoid còn có các dạng như sau [19]: Năm 1884, trên cơ sở 108 số liệu trọng lực quan sát.
Tác giả Helmert người Đức đã đưa ra công thức tính trọng lực chuẩn 0 trên mặt ellipsoid có dạng: 0 = 978000(1 + 0.7) Từ năm 1901 đến 1909 trên cơ sở 1603 phép đo tương đối trọng lực tại 09 khu vực trên Trái Đất có vĩ độ khác nhau, Helmert đã đưa ra công thức trọng lực chuẩn 0 trên mặt ellipsoid, tương ứng với ellipsoid quay có độ dẹt 1/f = 1/298.005302sin2 B - 0,000007 sin22B) mGal (1.8) Năm 1915, trên cơ sở lựa chọn 410 trong số 2000 giá trị trọng lực quan sát, Helmert đưa ra công thức trọng lực chuẩn 0 trên mặt ellipsoid như sau: 0 = 987502[1 + 0.0000018cos2Bcos2(L+ 17°)] mGal (1.9) -9- Năm 1930, Hội nghị quốc tế về Trắc địa tại Stockholm đã công nhận công thức Cassinis - Ý làm công thức trọng lực chuẩn quốc tế: 0 = 978049 (1 + 0.10) Các công thức trọng lực chuẩn sau đó cũng đã được các tác giả khác lần lượt đưa ra: Công thức của Zhongolovich – Nga, năm 1952: 0 = 978057.11) Công thức của Heiskanen - Đức, năm 1957: 0 = 978049.0000106cos2Bcos2( + 6°5)] mGal (1.13) Công thức của Uotila - Mỹ, năm 1959: 0 = 978049.0052934sin2B - 0,0000059sin22B) mGal (1.14) Công thức Groushinsky – Nga: 0 = 978053.15) Công thức quốc tế năm 1971: 0 = 978031.16) Theo tài liệu [1], giá trị trọng lực chuẩn 0 trên mặt ellipsoid WGS-84 được xác định bằng công thức thực dụng sau: 0 = 978032. Tổng quan về vấn đề đo trọng lực ở Việt Nam [20] Ở Việt Nam, dữ liệu về trọng trường Trái Đất ở dạng các giá trị trọng lực đã được thu thập từ những năm 30 của thế kỷ trước, ngay trong thời gian người Pháp thiết lập chế độ thực dân trên bán đảo Đông Dương. Dưới sự chủ trì và tham gia trực tiếp của nhà địa vật lý Lerai, người ta đã sử dụng máy con lắc loại cổ điển để đo trọng lực theo nguyên tắc tương đối tại hơn 200 điểm thuộc khu vực phía Nam Trung Quốc và một số nước Đông Nam Á, trong đó trên lãnh thổ Việt Nam có 9 điểm tựa (điểm khống chế) với sai số ±1,0 mGal và 30 điểm thường với sai số ±2,5 mGal. Do độ chính xác đo đạc không cao và mật độ điểm đo quá thưa nên các điểm trọng lực nói -10- trên chủ yếu mang ý nghĩa lịch sử chứ không có giá trị thực tiễn đáng kể.
Năm 1957, để phục vụ cho việc phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên trên thế giới, Viện sĩ thông tấn Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô (cũ) Iu. Bulanze đã đo 01 điểm trọng lực ở nhà chờ của sân bay Gia Lâm. Vào các năm 1960 – 1967 trên lãnh thổ miền Nam Việt Nam người Mỹ đã tiến hành đo trọng lực tương đối bằng máy tĩnh học kim loại của Mỹ loại LRG (La Coste and Romberg) dùng cho các điểm tựa và máy tĩnh học thạch anh loại Worden dùng cho các điểm thường. Cả thảy đo được hơn 10 điểm tựa với sai số 0.10 mGal và trên 200 điểm thường với sai số 0.
Các điểm đo được bố trí dọc theo một số tuyến quốc lộ chính. Điểm gốc được lấy tại sân bay Tân Sơn Nhất, có đo nối với mạng lưới trọng lực quốc tế. Ở miền Bắc Việt Nam, xuất phát từ điểm gốc lấy tại sân bay Gia Lâm có đo nối với mạng lưới trọng lực quốc tế, từ năm 1957 đến năm 1967 bằng các máy trọng lực tĩnh học thạch anh, chuyên gia Liên Xô đã đo được gần 400 điểm tựa với độ chính xác 0.40 mGal và trên 5.300 điểm thường với độ chính xác 0. Tiếp đó vào giai đoạn 1971 – 1977 với sự hỗ trợ của Liên Xô, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước đã xây dựng được mạng lưới trọng lực quốc gia trên toàn bộ lãnh thổ xuất phát từ điểm gốc đặt tại Láng (Hà Nội), được đo nối vào hệ thống trọng lực quốc tế Potsdam thông qua điểm gốc Matxcơva của Liên Xô bằng máy trọng lực con lắc OVM với độ chính xác 0.
Mạng lưới đã đo gồm 25 điểm hạng I với sai số 0.03 mGal và 148 điểm hạng II với sai số 0. Ngoài ra, còn xây dựng được hai đường đáy kiểm định là: Vĩnh Yên - Tam Đảo và Vũng Tàu - TP. Hồ Chí Minh. Thiết bị được sử dụng là máy trọng lực tĩnh học thạch anh loại GAG - 2, đo theo nguyên tắc tương đối.
Trong giai đoạn 1978 - 1981 đã xây dựng được khoảng 500 điểm trọng lực hạng III với mật độ 20 - 30 km/1 điểm. Các điểm này được đo bằng máy GAG-2. Năm 1988-1989 đã tiến hành hiện đại hoá mạng lưới trọng lực Nhà nước: xây dựng mạng lưới trọng lực cơ sở, đo nối điểm gốc và điểm cơ sở TP. Hồ Chí Minh với -11- điểm Liôdôvô, xây dựng bổ sung một số điểm hạng I.
Mạng lưới trọng lực cơ sở gồm 4 điểm: điểm gốc Hà Nội, các điểm Đà Nẵng, Nha Trang và thành phố Hồ Chí Minh xây dựng mới. 6 cạnh cơ sở được đo bằng 4 bộ máy con lắc AGAT theo chương trình A-B-A. Tại mỗi điểm đo 9 lần đo trở lên, sai số khép đạt từ 0,008 mGal đến 0,018 mGal, sai số giá trị trọng lực của các điểm sau bình sai đạt 0,019 mGal (điểm gốc và điểm thành phố Hồ Chí Minh) và 0,021 mGal (điểm Đà Nẵng và Nha Trang). Lưới trọng lực hạng I bổ sung gồm 10 điểm: Cao Bằng, Lào Cai, Điện Biên, Kiến An, Vinh, Qui Nhơn, Ban Mê Thuột, Vũng Tàu, Cà Mau và Kiên Lương tạo thành 17 cạnh, 7 hình khép.
Tại mỗi điểm đo 5 lần đo trở lên, sai số khép đạt từ 0,007 mGal đến 0,039 mGal, sai số giá trị trọng lực của các điểm sau bình sai đạt từ (0,026 - 0,029) mGal. Công tác đo trọng lực trên lãnh thổ nước ta còn được nhiều cơ quan và đơn vị khác thực hiện, như: Tổng cục Địa chất (1975 - 1980), Tổng cục Dầu mỏ và khí đốt (1976 – 1979), Viện Khoa học Việt Nam (1978 – 1980), Cục Địa chất và khoáng sản Việt Nam (1985 – 2001), Liên đoàn Vật lý địa chất (1997 – 2006). Kết quả là trên phần đất liền đã đo được trên 2.000 điểm tựa với độ chính xác 0.10 mGal và trên 73.000 điểm thường với độ chính xác ± (0. Thiết bị đo chủ yếu là các máy trọng lực tĩnh học thạch anh do Liên Xô (LB Nga) chế tạo, như: GNUK- B, GNUK-C, GR-K2; về sau có thêm máy của Mỹ, như: Z -400.
Ngày nay, với việc phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo máy đo trọng lực tuyệt đối laser rơi tự do với độ chính xác rất cao ở mức ± (1 ÷5) Gal, ví dụ các máy trọng lực tuyệt đối FG5, A10 (Mỹ) và GBL (Nga), các quốc gia có thể tự mình xây dựng hệ quy chiếu trọng lực độ chính xác cao mà không cần đo nối với hệ quy chiếu trọng lực quốc tế IGSN71. Như vậy, việc phát triển các mạng lưới trọng lực gồm các điểm trọng lực tuyệt đối, đo lặp mạng lưới này theo chu kỳ và hoàn chỉnh các tiêu chuẩn trọng lực đối với Trắc địa và Địa Vật lý là những yêu cầu hiện đại của trọng lực Trắc địa. Với mục đích hiện đại hoá mạng lưới trọng lực của đất nước nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nhiều ngành khoa học kỹ thuật, kinh tế và an ninh quốc phòng, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường với sự hợp tác của Liên Bang Nga đã thực hiện dự án Xây dựng và hoàn chỉnh hệ -12- thống trọng lực nhà nước từ năm 2003 đến 2012 với kết quả như sau: ❖ Lưới trọng lực đường đáy: Khôi phục 02 đường đáy Vĩnh Yên – Tam Đảo và TP.