Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Đứt Gãy Sông Hồng Tại Sơn Tây Bằng Phương Pháp Đo Sâu Từ Telua

• Tác giả: Đào Văn Quyền
• Người hướng dẫn: TS. Lê Huy Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý địa cầu
• Đề tài: Nghiên cứu đứt gãy sông Hồng khu vực Sơn Tây bằng phương pháp đo sâu từ Telua
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU TỪ TELUA
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Cơ sở phương pháp
• 1.2.1. Nguồn gốc trường từ - telua (MT)
• 1.2.2. Giả thiết của Cagniard và định nghĩa điện trở suất biểu kiến MT
• 1.2.3. Cấu trúc không phân lớp: Trường hợp cấu trúc hai chiều 2D. Các trở kháng tenxơ
• 1.2.4. Sự quay trục đo để tìm kiếm các hướng chính
• 1.2.5. Độ sâu thâm nhập
• 1.2.6. Cơ sở địa điện của phương pháp đo sâu từ telua
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỨT GÃY KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC THU THẬP SỐ LIỆU ĐO SÂU TỪ TELUA
• 2.1. Hệ thống đứt gãy khu vực nghiên cứu
• 2.2. Công tác thu thập số liệu đo sâu từ telua. Bộ thiết bị đo sâu từ telua MTU-5A và phần mềm đi kèm. Công tác thực địa bố trí điểm đo
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO SÂU TỪ TELUA
• 3.1. Xử lý số liệu thu thập
• 3.2. Cơ sở phép nghịch đảo 1D bằng phương pháp Occam
• 3.3. Kết quả nghịch đảo
• 3.4. Cơ sở phương pháp minh giải số liệu 2D bằng phương pháp giảm dư nhanh
• 3.5. Kết quả minh giải
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về phương pháp đo sâu từ Telua

Phương pháp đo sâu từ Telua (Magnetotelluric - MT) là một kỹ thuật địa vật lý hiện đại, cho phép xác định cấu trúc độ dẫn của đất đá vỏ Trái Đất. Phương pháp này dựa trên việc đo đạc hai thành phần điện telua và các thành phần từ Trái Đất vuông góc với nhau. Đứt gãy sông Hồng là một trong những khu vực quan trọng để áp dụng phương pháp này, nhằm nghiên cứu cấu trúc địa chất phức tạp. Việc sử dụng phương pháp đo sâu từ Telua đã cho thấy hiệu quả trong việc phát hiện các đới điện trở suất thấp, liên quan đến các vùng đất đá bị dập vỡ. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, tại các vị trí có đứt gãy, nhiều quá trình vật lý phức tạp diễn ra, ảnh hưởng đến trạng thái vật chất trong vỏ Trái Đất. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc địa chất mà còn có thể dự đoán các hiện tượng địa chấn trong tương lai.

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, việc nghiên cứu mối liên hệ giữa mặt cắt cấu trúc địa điện và phân bố chấn tiêu động đất đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các nghiên cứu tại vùng Himalaya và cao nguyên Tây Tạng đã cho thấy lớp điện trở suất thấp ở phần vỏ giữa, liên quan đến sự va chạm của mảng Ấn Độ và mảng Châu Á. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu cấu trúc sâu bằng phương pháp đo sâu từ Telua đã được thực hiện từ nhiều năm trước, với sự hợp tác giữa các viện nghiên cứu. Kết quả từ các tuyến đo cho thấy sự hiện diện của các đứt gãy lớn như đứt gãy sông Hồng, giúp khẳng định sự xuyên sâu của chúng trong thạch quyển.

II. Hệ thống đứt gãy khu vực nghiên cứu và công tác thu thập số liệu đo sâu từ Telua

Khu vực Sơn Tây là một trong những điểm quan trọng để nghiên cứu đứt gãy sông Hồng. Hệ thống đứt gãy này không chỉ có ý nghĩa về mặt địa chất mà còn ảnh hưởng đến các hoạt động kinh tế và xã hội trong khu vực. Công tác thu thập số liệu đo sâu từ Telua được thực hiện bằng thiết bị MTU-5A, cho phép đo đạc chính xác các thông số địa vật lý. Việc bố trí điểm đo được thực hiện cẩn thận, nhằm đảm bảo thu thập được dữ liệu đầy đủ và chính xác. Các số liệu thu thập được sẽ được sử dụng để phân tích cấu trúc địa điện của khu vực, từ đó đưa ra những nhận định về hoạt động địa chất trong khu vực này.

2.1 Công tác thu thập số liệu

Công tác thu thập số liệu đo sâu từ Telua được thực hiện theo một quy trình nghiêm ngặt. Thiết bị MTU-5A được sử dụng để đo đạc các thành phần điện và từ tại các điểm đã được xác định trước. Các điểm đo được bố trí dọc theo tuyến cắt qua đứt gãy sông Hồng, nhằm thu thập thông tin về cấu trúc địa điện. Số liệu thu thập được sẽ được xử lý và phân tích để xác định các đặc điểm địa chất của khu vực. Việc sử dụng phương pháp đo sâu từ Telua không chỉ giúp phát hiện các đới điện trở suất thấp mà còn cung cấp thông tin quan trọng về trạng thái vật chất trong lòng đất.

III. Phương pháp và kết quả xử lý số liệu đo sâu từ Telua

Kết quả xử lý số liệu đo sâu từ Telua cho thấy sự hiện diện của các đới điện trở suất thấp tại khu vực Sơn Tây. Các phương pháp nghịch đảo 1D và 2D được áp dụng để phân tích số liệu, giúp xây dựng mặt cắt điện trở suất của vỏ Trái Đất. Kết quả cho thấy sự phân bố không đồng đều của điện trở suất, cho thấy sự ảnh hưởng của các đứt gãy trong khu vực. Những thông tin này có thể được sử dụng để dự đoán các hiện tượng địa chấn trong tương lai, từ đó có những biện pháp phòng ngừa thích hợp.

3.1 Kết quả nghịch đảo

Kết quả nghịch đảo cho thấy sự phân bố điện trở suất trong khu vực nghiên cứu. Các mặt cắt điện trở suất được xây dựng từ số liệu đo sâu từ Telua cho thấy sự hiện diện của các đới điện trở suất thấp, liên quan đến các đứt gãy trong khu vực. Những kết quả này không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc địa chất mà còn có thể giúp dự đoán các hiện tượng địa chấn trong tương lai. Việc phân tích các mặt cắt điện trở suất sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về hoạt động địa chất trong khu vực, từ đó có những biện pháp ứng phó kịp thời.

Tổng quan nghiên cứu

Đới đứt gãy sông Hồng (ĐĐGSH) là hệ thống đứt gãy lớn nhất và hoạt động mạnh mẽ nhất tại miền Bắc Việt Nam, có chiều dài hơn 1560 km, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc địa chất và sinh khoáng khu vực. Với sự phát triển của công nghệ địa vật lý, đặc biệt là phương pháp đo sâu từ telua (Magnetotelluric - MT), việc nghiên cứu cấu trúc sâu và hoạt động của đới đứt gãy này trở nên khả thi và có ý nghĩa thiết thực. Phương pháp MT cho phép xác định điện trở suất biểu kiến của đất đá dựa trên biến thiên trường điện từ tự nhiên, từ đó suy ra cấu trúc địa điện và trạng thái vật chất trong vỏ Trái Đất.

Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng phương pháp đo sâu từ telua để khảo sát đứt gãy sông Hồng khu vực Sơn Tây, Hà Nội, nhằm làm rõ cấu trúc địa điện, đặc điểm đứt gãy và đánh giá hoạt động kiến tạo. Nghiên cứu sử dụng số liệu thu thập tại 9 điểm đo sâu từ telua trong khu vực từ năm 2018 đến 2019, với thiết bị MTU-5A hiện đại, dải tần số từ 0.0000129 Hz đến 10000 Hz, cho phép khảo sát sâu đến 20-30 km. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về đặc điểm địa động lực và hỗ trợ công tác dự báo động đất, quy hoạch xây dựng công trình và phát triển bền vững khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Phương pháp đo sâu từ telua dựa trên nguyên lý đo biến thiên trường điện từ tự nhiên của Trái Đất, bao gồm trường điện telua và trường từ vuông góc với nhau. Điện trở suất biểu kiến ($\rho_a$) được xác định theo công thức của Cagniard:

$$ \rho_a = 0.2 T |Z|^2 $$

trong đó $T$ là chu kỳ sóng điện từ, $Z$ là trở kháng vô hướng. Phương pháp này cho phép khảo sát cấu trúc địa điện của môi trường đất đá dưới bề mặt, đặc biệt hiệu quả trong việc phát hiện các đới điện trở suất thấp liên quan đến đứt gãy hoạt động.

Nghiên cứu áp dụng các lý thuyết về trường hợp cấu trúc 1 chiều (1D) và 2 chiều (2D) trong môi trường không phân lớp, sử dụng trở kháng tenxơ để mô tả mối quan hệ giữa các thành phần trường điện và từ. Việc quay trục đo nhằm xác định hướng chính của đứt gãy dựa trên phân tích trở kháng tenxơ và độ lệch (skew). Các khái niệm chính bao gồm: điện trở suất biểu kiến, trở kháng tenxơ, phân cực E và H, độ sâu thâm nhập sóng điện từ, và giả thiết của Cagniard.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu đo sâu từ telua thu thập tại 9 điểm thuộc khu vực Sơn Tây, Hà Nội, trong giai đoạn 2018-2019, sử dụng thiết bị MTU-5A của Phoenix Canada. Cỡ mẫu gồm 9 điểm đo, được bố trí dọc theo tuyến cắt ngang đới đứt gãy sông Hồng, với khoảng cách giữa các điểm từ 2 đến 3 km, tọa độ chính xác được xác định bằng GPS.

Phương pháp phân tích số liệu gồm hai bước chính: xử lý tín hiệu thô bằng biến đổi Fourier (TS to FT) trên phần mềm SSMT2000, sau đó tính toán và loại bỏ nhiễu, xử lý làm trơn đường cong điện trở suất bằng hàm đa thức trong Matlab. Kết quả được minh giải bằng phương pháp nghịch đảo 1D theo phương pháp Occam và nghịch đảo 2D bằng phương pháp giảm dư nhanh để xây dựng mặt cắt điện trở suất biểu kiến. Timeline nghiên cứu kéo dài từ khâu thu thập số liệu thực địa, xử lý số liệu đến phân tích và luận giải kết quả trong vòng 2 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố điện trở suất biểu kiến: Kết quả nghịch đảo 2D cho thấy sự tồn tại của đới điện trở suất thấp (khoảng 3 - 30 $\Omega$.m) dọc theo đứt gãy sông Hồng, đặc biệt rõ nét tại các điểm đo SH08 và ST03. Giá trị điện trở suất này thấp hơn nhiều so với vùng xung quanh, phản ánh sự hiện diện của chất lỏng và biến chất trong đới đứt gãy.

2. Độ sâu thâm nhập và cấu trúc vỏ Trái Đất: Độ sâu khảo sát đạt tới 20-30 km, với mặt cắt điện trở suất biểu kiến cho thấy đứt gãy sông Hồng là đứt gãy sâu xuyên vỏ, ảnh hưởng đến mặt Moho với độ chênh lệch lên đến 4-5 km giữa hai bên đứt gãy.

3. Hướng chính của đứt gãy: Phân tích trở kháng tenxơ và độ lệch (skew) xác định hướng chính của đứt gãy là Tây Bắc - Đông Nam (phương vị khoảng 140°), phù hợp với các kết quả địa chất và địa vật lý trước đó.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả tương đồng với các nghiên cứu đo sâu từ telua tại các đới đứt gãy khác ở miền Bắc Việt Nam như đứt gãy Lai Châu - Điện Biên và đứt gãy sông Mã, khẳng định tính hiệu quả của phương pháp MT trong việc phát hiện đới điện trở suất thấp liên quan đến hoạt động đứt gãy.

Thảo luận kết quả

Sự tồn tại đới điện trở suất thấp dọc theo đứt gãy sông Hồng phản ánh trạng thái vật chất có chứa chất lỏng tự do, làm giảm điện trở suất so với đá xung quanh. Điều này phù hợp với giả thuyết về sự biến chất và khử nước trong đới đứt gãy, góp phần làm tăng áp suất chất lỏng và có thể liên quan đến hoạt động động đất. Mặt cắt điện trở suất 2D minh họa rõ ràng sự phân bố không đồng nhất của điện trở suất, cho thấy cấu trúc phức tạp của đới đứt gãy.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này bổ sung thêm thông tin chi tiết về cấu trúc sâu và trạng thái vật chất trong khu vực Sơn Tây, đồng thời khẳng định vai trò của đứt gãy sông Hồng trong kiến tạo vùng Đông Bắc Việt Nam. Việc sử dụng thiết bị MTU-5A với dải tần rộng và độ nhạy cao đã giúp thu thập số liệu chất lượng, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế về nhiễu tín hiệu và yêu cầu xử lý thủ công để loại bỏ dữ liệu không tốt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong điện trở suất biểu kiến theo chu kỳ tại từng điểm đo, bảng so sánh giá trị điện trở suất giữa các điểm và mặt cắt điện trở suất 2D minh họa cấu trúc đứt gãy, giúp trực quan hóa sự khác biệt về điện trở suất và độ sâu thâm nhập.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng mạng lưới đo sâu từ telua: Tăng số lượng điểm đo dọc theo đới đứt gãy sông Hồng và các đứt gãy phụ để có mặt cắt chi tiết hơn, nâng cao độ phân giải không gian, dự kiến thực hiện trong 3 năm tới, do Viện Vật lý Địa cầu chủ trì.

2. Ứng dụng kết hợp đa phương pháp: Kết hợp dữ liệu MT với địa chấn, trọng lực và địa từ để xây dựng mô hình cấu trúc địa chất toàn diện, cải thiện độ tin cậy của kết quả, thực hiện song song trong vòng 2 năm.

3. Phát triển phần mềm xử lý số liệu: Nâng cấp và đào tạo sử dụng phần mềm xử lý số liệu MT hiện đại, giảm thiểu thao tác thủ công, tăng hiệu quả và độ chính xác, triển khai trong 1 năm, phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

4. Nghiên cứu mối liên hệ giữa điện trở suất và hoạt động động đất: Phân tích sâu hơn về ảnh hưởng của chất lỏng trong đới đứt gãy đến nguy cơ động đất, xây dựng mô hình dự báo dựa trên biến đổi điện trở suất, thực hiện trong 3 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu địa chấn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu địa vật lý và địa chất: Sử dụng kết quả để hiểu rõ hơn về cấu trúc đứt gãy và phương pháp đo sâu từ telua, áp dụng trong nghiên cứu cấu trúc vỏ Trái Đất và dự báo động đất.

2. Chuyên gia quy hoạch và xây dựng công trình: Tham khảo để đánh giá rủi ro địa chất, đặc biệt trong quy hoạch xây dựng công trình thủy điện, đê điều và khu công nghiệp tại khu vực miền Bắc.

3. Cơ quan quản lý thiên tai và môi trường: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả dự báo động đất, quản lý rủi ro thiên tai và bảo vệ môi trường trong vùng đứt gãy hoạt động.

4. Doanh nghiệp khai thác khoáng sản và dầu khí: Sử dụng thông tin về cấu trúc địa điện để định hướng tìm kiếm khoáng sản, dầu khí và đánh giá tiềm năng khai thác tại khu vực nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đo sâu từ telua là gì?
   Phương pháp MT đo biến thiên trường điện từ tự nhiên của Trái Đất để xác định điện trở suất biểu kiến của đất đá, giúp khảo sát cấu trúc địa điện sâu dưới bề mặt.

2. Tại sao chọn khu vực Sơn Tây để nghiên cứu đứt gãy sông Hồng?
   Sơn Tây nằm trên tuyến cắt ngang đới đứt gãy sông Hồng, có đặc điểm địa chất phức tạp và hoạt động kiến tạo rõ rệt, phù hợp để khảo sát cấu trúc sâu bằng phương pháp MT.

3. Thiết bị MTU-5A có ưu điểm gì?
   MTU-5A có dải tần số rộng (0.0000129 Hz đến 10000 Hz), độ nhạy cao, cho phép đo sâu đến 20-30 km, phù hợp với nghiên cứu cấu trúc sâu và phát hiện đới điện trở suất thấp.

4. Điện trở suất thấp trong đới đứt gãy có ý nghĩa gì?
   Điện trở suất thấp thường liên quan đến sự hiện diện của chất lỏng tự do hoặc đá biến chất, phản ánh trạng thái vật chất và hoạt động kiến tạo trong đới đứt gãy.

5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng như thế nào trong thực tế?
   Kết quả giúp đánh giá nguy cơ động đất, hỗ trợ quy hoạch xây dựng, tìm kiếm khoáng sản và dầu khí, đồng thời nâng cao hiểu biết về cấu trúc địa chất khu vực.

Kết luận

• Đới đứt gãy sông Hồng khu vực Sơn Tây có cấu trúc địa điện phức tạp với đới điện trở suất thấp rõ nét, phản ánh hoạt động kiến tạo và trạng thái vật chất đặc biệt.
• Phương pháp đo sâu từ telua MTU-5A đã chứng minh hiệu quả trong khảo sát cấu trúc sâu đến 20-30 km, cung cấp dữ liệu chất lượng cao.
• Kết quả nghiên cứu bổ sung thông tin quan trọng cho công tác dự báo động đất và quy hoạch phát triển bền vững khu vực miền Bắc Việt Nam.
• Đề xuất mở rộng mạng lưới đo đạc, kết hợp đa phương pháp và nâng cao công nghệ xử lý số liệu để tăng cường hiệu quả nghiên cứu.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, chuyên gia và cơ quan quản lý sử dụng kết quả để ứng dụng trong thực tiễn và phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất nghiên cứu mở rộng và phối hợp đa ngành nhằm nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn của phương pháp đo sâu từ telua trong nghiên cứu đứt gãy và dự báo thiên tai.