Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ (biến đổi Wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS mạng lưới trắc địa địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam" do nghiên cứu sinh Lại Văn Thủy thực hiện tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ (Bộ Tài nguyên và Môi trường - Bộ Giáo dục và Đào tạo), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Đặng Hùng Võ và TS. Dương Chí Công, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (Mã số: 9.03), bảo vệ năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công nghệ hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS), phát triển từ công nghệ GPS, là công cụ trắc địa chủ yếu để quan trắc chuyển động hiện đại của vỏ Trái Đất. Phương pháp đo vệ tinh cho phép xác định véc tơ chuyển dịch ngang với độ chính xác cỡ milimet và chuyển dịch đứng dưới centimet. Tại Việt Nam, việc ứng dụng GPS để nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất theo các đới đứt gãy đã được thực hiện trong khoảng 20 năm qua. Tuy nhiên, các kết quả tính toán trước đây chủ yếu thực hiện riêng lẻ cho từng đới đứt gãy hoặc trên các phạm vi hẹp theo các mô hình đa giác phẳng hai chiều ($V_N, V_E$) mà chưa tính toán đồng thời thành phần chuyển dịch đứng ($V_U$) trong mô hình không gian ba chiều quy mô khu vực.

Năm 2009, Tape C. đã công bố phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ (Wavelet) trên mặt cầu để phân tích và ước tính trường biến dạng từ số liệu GNSS tại Mỹ và Trung Quốc. Tại Việt Nam, phương pháp này chưa từng được áp dụng để nghiên cứu chuyển động hiện đại của vỏ Trái Đất. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ để nội suy trường vận tốc và xác định các đại lượng biến dạng không gian ba chiều từ mạng lưới trắc địa địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam là vấn đề có tính cấp thiết cao.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

  • Mục tiêu nghiên cứu: Ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy và minh giải chuyển dịch, biến dạng không gian 3 chiều từ kết quả tính toán xử lý dữ liệu đo đạc bằng công nghệ GPS mạng lưới địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Nghiên cứu tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ và khả năng ứng dụng của phương pháp này trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới.
    2. Nghiên cứu, áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam từ kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực.
    3. Xây dựng phần mềm tính toán, phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam từ kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực.
    4. Thu thập, phân tích, chuẩn hóa véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam.
    5. Tính toán, phân tích, minh giải trường biến dạng hiện đại khu vực miền Bắc Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ; vận tốc chuyển dịch của các điểm, trường chuyển dịch và trường biến dạng của vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Các đứt gãy có dấu hiệu hoạt động trên khu vực miền Bắc Việt Nam trong tọa độ từ 19,5° đến 23° vĩ Bắc và từ 103° đến 108° kinh Đông.
    • Thời gian: Dữ liệu quan trắc qua 6 chu kỳ đo trong giai đoạn từ năm 2012 đến năm 2017.

Phương pháp nghiên cứu và luận điểm bảo vệ

Luận án kết hợp 5 phương pháp: phương pháp hồi cứu tư liệu; phương pháp toán học (tính toán nội suy trên mặt cầu, đánh giá độ chính xác); phương pháp so sánh (đối chiếu phương pháp sóng nhỏ với phương pháp tam giác của Frank); phương pháp thực nghiệm (tính toán trên chuỗi số liệu đo thực tế 2012–2017); phương pháp ứng dụng tin học (lập trình thuật toán trên môi trường Matlab).

Tác giả đưa ra 2 luận điểm bảo vệ:

  • Luận điểm 1: Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ là giải pháp kỹ thuật phù hợp và có hiệu quả cao trong xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất từ các số liệu đo mạng lưới GNSS địa động lực tại khu vực miền Bắc Việt Nam.
  • Luận điểm 2: Kết quả tính toán thực nghiệm với vận tốc chuyển dịch nhận được trong 6 chu kỳ đo (từ năm 2012-2017) đã cho thấy hoạt động của các đứt gãy trên khu vực miền Bắc Việt Nam có tốc độ nhỏ và tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc (xung quanh đứt gãy Lai Châu - Điện Biên).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Bối cảnh kiến tạo và hệ thống đứt gãy tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam nằm ở phía Đông Nam của mảng Á-Âu, thuộc hai khối kiến tạo chính là khối Nam Trung Hoa (South China Block) và khối Sunda (Sundaland Block), được ngăn cách bởi đới đứt gãy Sông Hồng. Đứt gãy tại Việt Nam là các đứt gãy nội mảng đóng vai trò phân chia các khối thạch quyển. Theo phân loại của Cao Đình Triều, hệ thống đứt gãy gồm 11 đới cấp II thạch quyển (cấp I Việt Nam, ký hiệu $F_{II}$) và 34 đới cấp III thạch quyển (cấp II Việt Nam, ký hiệu $F_{III}$).

Cấp đứt gãy Ký hiệu Tên đới đứt gãy tiêu biểu Phương phát triển Hướng cắm và góc cắm Mức độ xuyên cắt
Cấp II thạch quyển $F_{II}.1$ Lai Châu - Điện Biên Kinh tuyến Tây: $60^\circ \div 80^\circ$ Thạch quyển (TQ)
Cấp II thạch quyển $F_{II}.2$ Sông Hồng Tây Bắc - Đông Nam Đông Bắc: $60^\circ \div 70^\circ$ Thạch quyển (TQ)
Cấp II thạch quyển $F_{II}.3$ Sông Lô Tây Bắc - Đông Nam Tây Nam: $60^\circ \div 70^\circ$ Thạch quyển (TQ)
Cấp II thạch quyển $F_{II}.7$ Thuận Hải - Minh Hải Đông Bắc - Tây Nam Tây Bắc: $50^\circ \div 70^\circ$ Thạch quyển (TQ)
Cấp II thạch quyển $F_{II}.9$ Ba Tháp Tây Bắc - Đông Nam Tây Nam: $70^\circ \div 80^\circ$ Thạch quyển (TQ)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.1$ Phong Thổ Tây Bắc - Đông Nam Tây Nam: $65^\circ \div 85^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.2$ Phan Sipan Tây Bắc - Đông Nam Tây Nam: $60^\circ \div 80^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.3$ Mường La - Bắc Yên Tây Bắc - Đông Nam Đông Bắc: $50^\circ \div 70^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.4$ Sơn La Tây Bắc - Đông Nam Đông Bắc: $60^\circ \div 70^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.5$ Điện Biên - Sầm Nưa - Thường Xuân Tây Bắc - Đông Nam Đông Bắc: $50^\circ \div 80^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.7$ Cao Bằng - Tiên Yên Tây Bắc - Đông Nam Đông Bắc: $70^\circ \div 80^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.9$ Sông Cả Tây Bắc - Đông Nam Đông Bắc: $50^\circ \div 60^\circ$ Xuyên vỏ (XV)
Cấp III thạch quyển $F_{III}.11$ Rào Nậy Tây Bắc - Đông Nam Tây Nam: $60^\circ \div 80^\circ$ Xuyên vỏ (XV)

Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng trắc địa tại Việt Nam

Nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa tại Việt Nam bắt đầu từ năm 1980 với mạng lưới tam giác đo khe nứt Chí Linh của Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước, tiếp theo là quan trắc chuyển dịch đứng bằng thủy chuẩn hình học và bình sai lưới tự do năm 1986. Từ năm 1982 đến năm 1994, Dương Chí Công nghiên cứu mạng lưới Thác Bà - Yên Bái (13 điểm tam giác và 8 điểm GPS bổ sung năm 1993), xác định vận tốc biến dạng trượt của đứt gãy Sông Hồng không vượt quá $0,6\text{ rad/năm}$ (tương đương $6\text{ mm/năm}$ trên cự ly $10\text{ km}$) với xu thế trượt phải. Giai đoạn 1994–2000, Viện Địa chất hợp tác với các nhà khoa học Đức và Pháp xác định chuyển dịch đới đứt gãy Sông Hồng không lớn hơn $5\text{ mm/năm}$.

Giai đoạn 2006–2007, Vi Quốc Hải xử lý dữ liệu lưới GPS Tam Đảo - Ba Vì bằng phần mềm GPSurvey 2.2 trong khung quy chiếu ITRF-2000, ghi nhận điểm HUN1 chuyển dịch tuyệt đối với vận tốc $33,4\text{ mm/năm}$ về hướng Đông và $12,6\text{ mm/năm}$ về hướng Nam. Tại khu vực Sông Đà - Sơn La - Bỉm Sơn (2001–2005), 7 điểm GPS cho kết quả chuyển động ngang khoảng $1\text{ mm/năm}$ đến $2\text{ mm/năm}$. Nguyễn Tuấn Anh xử lý mạng lưới 11 điểm GPS khu vực Hà Nội bằng phần mềm BERNESE 5.0, chỉ ra các trạm chuyển dịch tuyệt đối về hướng Đông Nam từ $22\text{ mm/năm}$ đến $32\text{ mm/năm}$.

Hà Minh Hòa nghiên cứu đứt gãy Lai Châu - Điện Biên (2002–2004) qua 3 chu kỳ đo bằng phần mềm ECME-GPS và GUST, ghi nhận xu thế trượt phải và tách dãn: trạm NGA1 dịch chuyển mặt bằng $6\text{ mm/năm}$, DON1 dịch chuyển $2\text{ mm/năm}$ (nâng $4,5\text{ mm/năm}$), TAU2 dịch chuyển $6\text{ mm/năm}$ (lún $-7,5\text{ mm/năm}$), LEM1 lún $-4\text{ mm/năm}$. Trên đới đứt gãy Sông Mã (2006–2008), kết quả đo 8 trạm GPS cho thấy hiện tượng trượt bằng với tốc độ ngang lớn nhất tại PLO1 là $6\text{ mm/năm}$ và nhỏ nhất tại KTH1 là $2\text{ mm/năm}$. Đề tài KC.09.11/06-10 do Phan Trọng Trịnh chủ nhiệm (2007–2010) xử lý lưới GPS Biển Đông (LANG, BLV1, STT1, CDA1, HUES, DOHO, HOCM) trên GAMIT và BERNESE trong hệ IGS05/ITRF-08, xác định vận tốc chuyển động kiến tạo về phía Đông khoảng $22\text{ mm/năm} \div 25\text{ mm/năm}$ và phía Nam khoảng $5\text{ mm/năm} \div 8\text{ mm/năm}$.

Căn cứ các nghiên cứu trên, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành Quyết định số 1665/QĐ-BTNMT ngày 26/8/2011 giao Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ xây dựng mạng lưới trắc địa địa động lực trên các đứt gãy miền Bắc phục vụ dự báo tai biến tự nhiên.

Tổng quan ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong và ngoài nước

Lý thuyết sóng nhỏ giải quyết hạn chế về độ phân giải thời gian cố định của biến đổi Fourier thông qua việc co giãn quy mô (scale) và tịnh tiến sóng nhỏ mẹ. Kỹ thuật gồm ba dạng: Biến đổi sóng nhỏ liên tục (CWT), Biến đổi sóng nhỏ rời rạc (DWT) và Phân tích đa phân giải (MRA) theo cấu trúc không gian lồng nhau $V_j \subset V_{j+1}$.

Trên thế giới, sóng nhỏ được ứng dụng rộng rãi trong trắc địa:

  • Yandong Gao và cộng sự ứng dụng xấp xỉ sóng nhỏ giảm ngưỡng nhiễu đa đường truyền cho số liệu GNSS tĩnh nhanh.
  • Mosbeh R. Kaloop và Dookie Kim ứng dụng DWT lọc nhiễu dữ liệu GPS-RTK quan trắc cầu đường sắt Mansoura, loại bỏ $30% \div 50%$ sai số đa đường truyền.
  • Sideris kết hợp tạo ngưỡng tự động và lọc DWT xử lý dữ liệu trọng lực hàng không thu thập năm 1996 tại Đại học Calgary.
  • Isabelle Panet, Yuki Kuroishi, Matthias Holschneider kết hợp dữ liệu vệ tinh GRACE, Eigen-GL04S, đo trọng lực mặt đất, trọng lực biển và đo cao vệ tinh Altimetry để xây dựng mô hình trọng lực Nhật Bản bằng sóng nhỏ cục bộ.
  • Huo Guoping và Miao Lingjuan dùng sóng nhỏ đa tỷ lệ trực giao đối xứng phát hiện trượt chu kỳ pha sóng mang máy thu Novatel SuperStarII OEM GPS.
  • Rizos C. phân tách phần dư phân sai kép GPS thành thành phần tần số thấp và nhiễu tần số cao, cải thiện ma trận hiệp phương sai VCV.
  • Huang Shengxiang và Liu Jingnan quan trắc dao động động học tòa nhà Ngân hàng Hạ Môn, trích xuất dao động biên độ $<1\text{ mm}$ ở tần số $>0,05\text{ Hz}$.
  • K. Vijay Kumar, Kaoru Miyashita, Jianxin Li phân tích chuỗi GPS 1996–1999 tại miền Trung Nhật Bản, xác định tốc độ biến dạng trượt từ $0,12$ đến $0,18\text{ microstrain/năm}$ (cao nhất tại vịnh Sagami và Tokyo).
  • Tape C. (2009) áp dụng hàm sóng nhỏ DOG (Difference of Gaussians) trên mặt cầu để ước tính trường vận tốc không gian và trường biến dạng từ mạng lưới GPS không đều tại đứt gãy Parkfield ($1,5\ \mu\text{rad/năm}$).
  • Cheng Pengfei và nhóm tác giả Trung Quốc sử dụng sóng nhỏ phân tích mạng lưới hơn 1.000 trạm GPS lục địa Trung Quốc, đạt độ lệch bình phương trung bình $0,95\text{ mm/năm}$ (hướng Đông) và $0,97\text{ mm/năm}$ (hướng Bắc) ở khu vực trạm dày.

Tại Việt Nam, Dương Hiếu Đẩu và Đặng Văn Liệt áp dụng sóng nhỏ Daubechies DWT phân tích dị thường trọng lực Nam Bộ. Lương Bảo Bình ứng dụng MRA nội suy độ cao Geoid toàn cầu (đến bậc 10) và khu vực lãnh thổ Áo (5.796 điểm, bậc 32 đến 900) với độ chênh lệch $5\text{ cm}$. Dương Quốc Chánh Tín ứng dụng CWT xử lý ảnh ra-đa xuyên đất dò tìm công trình ngầm tuyến ống cấp nước đường Lê Văn Sỹ với sai số $3,3% \div 10,9%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết tính biến dạng vỏ Trái Đất

Luận án xem xét hai mô hình tính toán biến dạng:

  1. Mô hình biến dạng trên mặt phẳng (hệ tọa độ Oxy): Vận tốc biến dạng được xác định qua ma trận Jacobi của trường vận tốc: $$J = \begin{bmatrix} \frac{\partial V_x}{\partial x} & \frac{\partial V_x}{\partial y} \ \frac{\partial V_y}{\partial x} & \frac{\partial V_y}{\partial y} \end{bmatrix}$$

    • Vận tốc xoay: $\omega = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial V_y}{\partial x} - \frac{\partial V_x}{\partial y} \right)$
    • Vận tốc giãn nở, nén ép cực đại $\dot{\epsilon}_1$ và cực tiểu $\dot{\epsilon}2$: $$\dot{\epsilon}{1,2} = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial V_x}{\partial x} + \frac{\partial V_y}{\partial y} \right) \pm \frac{1}{2} \sqrt{\left( \frac{\partial V_x}{\partial x} - \frac{\partial V_y}{\partial y} \right)^2 + \left( \frac{\partial V_x}{\partial y} + \frac{\partial V_y}{\partial x} \right)^2}$$
    • Vận tốc biến dạng trượt lớn nhất: $\dot{\gamma}_{max} = \dot{\epsilon}_1 - \dot{\epsilon}_2$
    • Vận tốc trương nở diện tích: $\dot{\Delta} = \frac{\partial V_x}{\partial x} + \frac{\partial V_y}{\partial y}$

  2. Mô hình biến dạng trên mặt cầu (hệ tọa độ không gian địa tâm): Trái Đất được mô hình hóa dạng hình cầu, gradient vận tốc $L$ được phân tách thành thành phần đối xứng $D$ (tensor tốc độ biến dạng) và thành phần phản đối xứng $W$ (tensor tốc độ xoay): $$L = \nabla v = D + W$$ Trong đó:

    • Tensor tốc độ biến dạng: $D = \frac{1}{2} (L + L^T)$, với $D_{ij} = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial v_i}{\partial x_j} + \frac{\partial v_j}{\partial x_i} \right)$
    • Tensor tốc độ xoay: $W = \frac{1}{2} (L - L^T)$, với $W_{ij} = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial v_i}{\partial x_j} - \frac{\partial v_j}{\partial x_i} \right)$
    • Véc tơ tốc độ xoay (Rotation rate): $\omega = -\frac{1}{2} (\nabla \times v)$
    • Tốc độ biến dạng $D$ được phân rã thành tốc độ mở rộng $\dot{e}{ij}$ và tốc độ trượt $\dot{\gamma}{ij}$: $$D_{ij} = \dot{e}{ij} + \dot{\gamma}{ij}$$ Với $\dot{e}{ij} = \frac{1}{3} \delta{ij} \text{tr}(D)$ ($\delta_{ij}$ là Kronecker delta); $\dot{\gamma}{ij} = D{ij} - \dot{e}_{ij}$.
    • Tốc độ trương nở (Dilatation rate $\Theta$): $$\Theta = \text{tr}(D) = \nabla \cdot v = \frac{\partial v_x}{\partial x} + \frac{\partial v_y}{\partial y} + \frac{\partial v_z}{\partial z}$$ Khi $\Theta > 0$ thể hiện khối đất đá giãn nở; $\Theta < 0$ thể hiện khối đất đá bị nén ép; $\Theta = 0$ là trạng thái không nén.

Cơ sở lý thuyết sóng nhỏ DOG trên mặt cầu

Luận án sử dụng hàm sóng nhỏ DOG (Difference of Gaussians) trên mặt cầu trong không gian Hilbert các hàm bình phương khả tích $L^2(S^2)$. Hàm sóng nhỏ DOG $\Psi$ ứng với cực trung tâm $x$ và tỷ lệ quy mô $a$ được xác định theo công thức: $$\Psi(x) = \frac{1}{4\pi a^2} \left[ 2 e^{-\frac{\gamma^2}{2a^2}} - \frac{2}{\alpha^2} e^{-\frac{\gamma^2}{2\alpha^2 a^2}} \right]$$ Trong đó:

  • $\alpha$ là hằng số được chọn thỏa mãn $\alpha > 1$.
  • $\gamma$ là khoảng cách góc ở tâm hình cầu giữa điểm lưới $(\theta, \phi)$ và điểm tính toán $(\theta', \phi')$.
  • Tỷ lệ rời rạc hóa $a_q = 2^{-q}$ ứng với bậc $q = 0, 1, 2, \dots, q_{max}$.

Lưới mặt cầu $G_q$ được thiết lập bằng cách phân chia liên tiếp khối tam giác đều ban đầu $G_0$ có 20 mặt ($20 \times 4^q$). Tổng số điểm đỉnh của tam giác cầu $N_q$ ở bậc $q$ là: $$N_q = 10 \times 4^q + 2$$

Bậc $q$ Tổng số điểm lưới $N_q$ Chiều dài cung trên mặt cầu (độ) Khoảng cách giữa các điểm lưới $G$ (km)
0 12 82,9 ~9.200
1 42 41,4 ~4.600
2 162 20,7 ~2.300
3 642 10,4 ~1.150
4 2.562 5,2 ~580
5 10.242 2,6 ~290
6 40.962 1,3 ~145
7 163.842 0,65 ~72
8 655.362 0,32 ~36
9 2.621.442 0,16 ~18

Quy tắc xác định quy mô lưới khu vực miền Bắc Việt Nam

Theo diện tích phân bố mạng lưới quan trắc miền Bắc, tác giả xác định:

  • Diện tích mặt cầu khu vực nghiên cứu: $S = 1,7358 \times 10^{11}\text{ m}^2$.
  • Bán kính tương đương của khu vực: $R_{area} = \sqrt{S/\pi} = 4,7012 \times 10^5\text{ m} \approx 470\text{ km}$.
  • Xác định bậc phân giải: Luận án chọn dải bậc từ $q_{min} = 7$ đến $q_{max} = 9$.
  • Tiêu chí chọn lọc điểm nút $G$: Đối với mỗi tam giác cầu ở các bậc $q$, nếu tam giác chứa ít hơn 3 trạm quan trắc GPS thì các đỉnh lưới sẽ bị loại bỏ; nếu tam giác chứa từ 3 trạm quan trắc trở lên thì các đỉnh lưới được giữ lại để tham gia tính toán nội suy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về chuyển động mảng kiến tạo, cơ chế trượt đứt gãy sinh chấn (gồm chuyển dịch đồng thời và giữa hai kỳ động đất), và các mô hình biểu diễn chuyển động quay của khối qua véc tơ Euler. Tác giả tổng hợp chi tiết 11 đới đứt gãy cấp II và 34 đới đứt gãy cấp III trên lãnh thổ Việt Nam; phân tích toàn diện lịch sử nghiên cứu trắc địa địa động lực từ các mạng lưới tam giác đo góc (Chí Linh, Thác Bà) đến các chu kỳ đo GPS khu vực Ba Vì, Hà Nội, Sơn La, Lai Châu - Điện Biên, Sông Mã và Biển Đông. Chương này cũng phân tích cơ sở toán học của biến đổi sóng nhỏ CWT, DWT, MRA, đồng thời tổng quan các ứng dụng sóng nhỏ trong trắc địa quốc tế (lọc nhiễu GNSS, quan trắc công trình, mô hình Geoid, phát hiện trượt chu kỳ, xử lý chuỗi thời gian) và các nghiên cứu sóng nhỏ bước đầu tại Việt Nam (trường trọng lực, ra-đa xuyên đất).

Chương 2. Cơ sở lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học giải bài toán biến dạng:

  1. Thiết lập công thức giải tích của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu, quy luật biến thiên biên độ theo đường kinh tuyến khi thay đổi hệ số $\alpha$ và bậc rời rạc $q$.
  2. Xây dựng giải thuật tách chuyển dịch khu vực: Từ tọa độ và vận tốc tuyệt đối của các trạm IGS xung quanh Việt Nam trong khung ITRF-2008, tính toán véc tơ tham số quay Euler của mảng để loại bỏ thành phần chuyển dịch chung, thu nhận véc tơ chuyển dịch địa phương ($V_N, V_E, V_U$) tại từng trạm.
  3. Xây dựng thuật toán nội suy trường vận tốc liên tục trên mặt cầu bằng cách biểu diễn trường vận tốc qua chuỗi hàm sóng nhỏ DOG, tối ưu hóa hệ số chính tắc hóa (regularization parameters) theo phương pháp đánh giá chéo thông thường (Ordinary Cross-Validation - OCV).
  4. Thiết lập công thức vi phân trên mặt cầu để tính tensor gradient vận tốc $L$, từ đó suy biến ra 4 trường đại lượng biến dạng: trường tốc độ xoay ($\omega$), trường tốc độ biến dạng ($D$), trường tốc độ trượt ($\dot{\gamma}$) và trường tốc độ trương nở ($\Theta$).

Chương 3. Thực nghiệm tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình xử lý số liệu thực nghiệm:

  • Đánh giá số liệu và tính chuyển dịch tuyệt đối: Sử dụng số liệu đo GPS qua 6 chu kỳ (2012–2017) của mạng lưới địa động lực miền Bắc và các trạm IGS lân cận tại thời điểm quy chiếu chuẩn 01/01/2005. Xử lý chuẩn hóa bằng phần mềm BERNESE 5.2.
  • Phát triển phần mềm tính toán: Tác giả xây dựng module trên Matlab gồm 3 khối chức năng chính:
    1. Khối 1: Tính toán tham số góc quay Euler, vận tốc quay, tọa độ cực quay và tách vận tốc chuyển dịch địa phương tại các trạm.
    2. Khối 2: Phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch không gian ($V_N, V_E, V_U$) trên lưới GRID đều với các tham số chính tắc hóa tối ưu cho từng thành phần.
    3. Khối 3: Tính toán các trường đại lượng biến dạng và xuất dữ liệu biên tập bản đồ trường biến dạng.
  • Kết quả và bản đồ trường biến dạng:
    • Biên tập bản đồ trường vận tốc chuyển dịch ngang và chuyển dịch đứng khu vực miền Bắc.
    • Biên tập bản đồ trường tốc độ xoay, trường tốc độ biến dạng, trường tốc độ trượt và trường tốc độ trương nở.
  • So sánh và đánh giá hiệu quả: So sánh kết quả tính toán của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ với phương pháp tam giác truyền thống của Frank (1966) và các nghiên cứu đã công bố trước đây dọc các đới đứt gãy chính.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về phương pháp nội suy: Đưa ra giải pháp nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương trên cơ sở mối quan hệ trong không gian của các điểm lân cận dựa trên hàm xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu (DOG). Phương pháp cho phép nội suy đồng thời cả 3 thành phần chuyển dịch không gian ($V_N, V_E, V_U$) trên lưới đều mà không bị phụ thuộc vào hình dạng hình học tam giác cục bộ.
  2. Về xác định trường biến dạng: Ứng dụng thành công phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu, xác định đầy đủ các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất (trường tốc độ xoay, trường tốc độ biến dạng, trường tốc độ trượt, trường tốc độ trương nở) từ kết quả nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương trên mặt cầu.
  3. Về công cụ tính toán và quy trình công nghệ: Đề xuất quy trình tính toán hoàn chỉnh và xây dựng bộ phần mềm tính toán phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch và tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

  • Ý nghĩa khoa học: Phát triển và hoàn thiện lý thuyết xử lý dữ liệu trắc địa địa động lực trong mô hình không gian 3 chiều; làm sáng tỏ các đặc trưng định lượng về trường chuyển dịch và biến dạng kiến tạo hiện đại của vỏ Trái Đất tại khu vực miền Bắc Việt Nam.
  • Ý nghĩa thực tiễn:
    • Cung cấp quy trình và phần mềm phục vụ trực tiếp công tác xử lý số liệu mạng lưới quan trắc địa động lực định kỳ.
    • Kết quả trường biến dạng là cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ phân tích, dự báo các tai biến địa chất (động đất, nứt đất, trượt lở).
    • Cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch lãnh thổ, bố trí dân cư, thiết kế công trình xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng kinh tế - xã hội tại các vùng có nguy cơ tai biến kiến tạo.
    • Cung cấp bộ số liệu chính xác về tọa độ và vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa phục vụ các ngành khoa học Trái Đất liên quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Chuỗi dữ liệu thực nghiệm được giới hạn trong 6 chu kỳ đo định kỳ (giai đoạn 2012–2017) của Dự án xây dựng mạng lưới trắc địa địa động lực theo Quyết định 1665/QĐ-BTNMT.
    • Phạm vi phân tích thực nghiệm giới hạn trong tọa độ địa lý từ 19,5° đến 23° vĩ Bắc và 103° đến 108° kinh Đông.
    • Độ phân giải không gian của sóng nhỏ phụ thuộc vào mật độ trạm quan trắc thực tế, bậc phân giải tối đa trong thực nghiệm dừng lại ở cấp $q = 9$ (khoảng cách điểm lưới xấp xỉ $18\text{ km}$).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trên quy mô toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và các vùng biển lân cận khi có đủ số liệu quan trắc GNSS.
    • Tích hợp chuỗi số liệu từ các trạm GNSS quan trắc liên tục (CORS) để nâng cao độ phân giải thời gian và độ chính xác của trường vận tốc và trường biến dạng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa động lực, Địa chất cấu tạo, Địa vật lý và Kỹ thuật Địa kỹ thuật. Chương 2 và Chương 3 có giá trị học thuật cao về thuật toán sóng nhỏ DOG trên mặt cầu, cách thức dẫn xuất tensor biến dạng và kỹ thuật lập trình xử lý số liệu GNSS trên Matlab.
  • Các cơ quan quản lý và nghiên cứu chuyên ngành: Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Viện Địa chất, Viện Vật lý Địa cầu, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam. Quy trình công nghệ và các module phần mềm Matlab có thể áp dụng trực tiếp trong công tác tính toán, phân tích định kỳ các mạng lưới quan trắc địa động lực quốc gia và chuyên dụng.
  • Kỹ sư và nhà quy hoạch hạ tầng: Cung cấp thông tin tham khảo về hiện trạng hoạt động, tốc độ trượt và mức độ tích tụ ứng suất biến dạng của các đới đứt gãy khu vực miền Bắc phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình thủy điện, hồ chứa, cầu hầm và đô thị vùng núi.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu giải quyết được nhược điểm gì của các phương pháp tính biến dạng trước đây tại Việt Nam?

Trước đây, các nghiên cứu tại Việt Nam chủ yếu tính biến dạng trên từng đới đứt gãy riêng lẻ theo các đa giác phẳng 2D (chỉ xét $V_N, V_E$), phụ thuộc vào hình dạng mạng lưới tam giác cục bộ (như phương pháp Frank) và bỏ qua thành phần chuyển dịch đứng ($V_U$). Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ DOG trên mặt cầu cho phép nội suy liên tục và đồng thời cả 3 thành phần vận tốc ($V_N, V_E, V_U$) trên quy mô toàn khu vực, không phụ thuộc vào cấu trúc đồ hình tam giác cục bộ, đồng thời cho phép phân tích đa phân giải theo từng cấp quy mô không gian.

2. Dữ liệu thực nghiệm chính trong luận án được thu thập từ nguồn nào và trong giai đoạn nào?

Dữ liệu thực nghiệm gồm kết quả đo 6 chu kỳ (2012–2017) của mạng lưới trắc địa địa động lực miền Bắc thuộc Dự án "Xây dựng mạng lưới trắc địa địa động lực trên khu vực các đứt gãy thuộc miền Bắc Việt Nam phục vụ công tác dự báo tai biến tự nhiên" (Quyết định số 1665/QĐ-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường), kết hợp với số liệu của mạng lưới trạm IGS toàn cầu xung quanh Việt Nam.

3. Quy mô phân giải của lưới sóng nhỏ (bậc $q$) được xác định như thế nào cho khu vực miền Bắc?

Dựa trên diện tích mặt cầu khu vực nghiên cứu ($S = 1,7358 \times 10^{11}\text{ m}^2$, bán kính tương đương $R_{area} \approx 470\text{ km}$), luận án xác định bậc phân giải khả thi từ $q_{min} = 7$ (khoảng cách điểm lưới ~72 km) đến $q_{max} = 9$ (khoảng cách điểm lưới ~18 km). Quy tắc lọc lưới giữ lại các đỉnh tam giác cầu chứa từ 3 trạm quan trắc trở lên và loại bỏ các tam giác có dưới 3 điểm đo.

4. Bốn đại lượng biến dạng chính được luận án tính toán và lập bản đồ là gì?

Bốn đại lượng biến dạng không gian được dẫn xuất từ tensor gradient vận tốc gồm:

  • Trường tốc độ xoay (Rotation rate): Xác định sự quay cứng và chiều hướng vặn xoắn của khối đất đá.
  • Trường tốc độ biến dạng (Strain rate): Đo lường mức độ biến dạng tổng hợp theo thời gian.
  • Trường tốc độ trượt (Shear rate): Thể hiện cường độ trượt cắt dọc theo các đới đứt gãy.
  • Trường tốc độ trương nở (Dilatation rate): Thể hiện sự giãn nở tích cực ($\Theta > 0$) hoặc co rút, nén ép ($\Theta < 0$) của thể tích khối vật chất.

5. Kết quả thực nghiệm 6 chu kỳ đo rút ra kết luận gì về hoạt động đứt gãy tại miền Bắc Việt Nam?

Kết quả tính toán thực nghiệm giai đoạn 2012–2017 chỉ ra rằng hoạt động của các đới đứt gãy trên khu vực miền Bắc Việt Nam nhìn chung có tốc độ nhỏ, trong đó hoạt động chuyển dịch và biến dạng tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc, đặc biệt xung quanh đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên.

Kết luận

Luận án của tác giả Lại Văn Thủy đã nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ hàm DOG trên mặt cầu để phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch 3D và xác định các trường đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam từ dữ liệu GNSS 6 chu kỳ (2012–2017). Tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ và các module phần mềm trên môi trường Matlab để tự động hóa quá trình tính toán từ dữ liệu trắc địa thực tế. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của phương pháp sóng nhỏ trong xử lý số liệu địa động lực quy mô khu vực, đồng thời cung cấp các bản đồ trường biến dạng định lượng phục vụ công tác nghiên cứu khoa học Trái Đất và dự báo tai biến địa chất.