Tổng quan luận án
Biến dạng vỏ Trái Đất là kết quả của các quá trình vận động động lực học thạch quyển, gắn liền với nguy cơ phát sinh các tai biến địa chất như động đất và nứt đất. Để quan trắc và định lượng chuyển động này, các phương pháp trắc địa vệ tinh (GNSS/GPS) đã được triển khai nhằm xác định trường vận tốc chuyển dịch của các mốc quan trắc với độ chính xác cao. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất trước đây chủ yếu tiếp cận trên phạm vi hẹp theo từng đới đứt gãy riêng biệt hoặc trên các đa giác phẳng 2 chiều ($V_N, V_E$), chưa tính toán đồng thời thành phần chuyển dịch đứng ($V_U$) và chưa phân tích trường biến dạng trong không gian 3 chiều trên quy mô khu vực. Nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật này, luận án "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" của nghiên cứu sinh Lại Văn Thủy (chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Mã số: 9.03, năm 2020) đã nghiên cứu áp dụng hàm sóng nhỏ trên mặt cầu để phân tích và nội suy trường vận tốc chuyển dịch cũng như các tham số biến dạng vỏ Trái Đất.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là 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 xử lý dữ liệu đo đạc GPS mạng lưới địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam. Để đạt được mục tiêu này, luận án thực hiện 5 nhiệm vụ cụ thể:
- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ và khả năng ứng dụng trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới.
- 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.
- Xây dựng phần mềm tính toán, phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái Đất bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.
- 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.
- Tính toán, phân tích, minh giải trường biến dạng hiện đại khu vực miền Bắc Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án được xác định rõ ràng:
- 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 không gian: Khu vực miền Bắc Việt Nam giới hạn trong tọa độ từ $19{,}5^\circ$ đến $23^\circ$ vĩ độ Bắc và từ $103^\circ$ đến $108^\circ$ kinh độ Đông, tập trung vào các đới đứt gãy có dấu hiệu hoạt động mạnh.
- Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu đo đạc GPS lặp qua 6 chu kỳ từ năm 2012 đến năm 2017.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa tại Việt Nam đã trải qua hơn 40 năm phát triển. Từ năm 1980, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước đã xây dựng mạng lưới tam giác để quan trắc khu vực khe nứt Chí Linh và sử dụng phương pháp thủy chuẩn hình học để xác định chuyển dịch đứng (1986). Từ năm 1982 đến năm 1994, Viện Địa chất triển khai mạng lưới Thác Bà - Yên Bái gồm 13 điểm tam giác và 8 điểm GPS; tác giả Dương Chí Công (1994) đã sử dụng nhóm tham số kỹ thuật (vận tốc biến dạng trượt $\dot{\gamma}_1, \dot{\gamma}_2$) để xác định xu thế trượt phải của đứt gãy Sông Hồng với vận tốc không vượt quá $0{,}6\text{ rad/năm}$ (tương đương $6\text{ mm/năm}$ trên $10\text{ km}$). Trong giai đoạn 1994–2000, các đợt đo hợp tác quốc tế với Đức và Pháp tiếp tục chỉ ra chuyển dịch đới đứt gãy Sông Hồng không lớn hơn $5\text{ mm/năm}$. Giai đoạn 2006–2007, Vi Quốc Hải sử dụng phần mềm GPSurvey 2.2 tính toán trong khung ITRF-2000 trên lưới Tam Đảo - Ba Vì, ghi nhận điểm HUN1 chuyển dịch $33{,}4\text{ mm/năm}$ hướng Đông và $12{,}6\text{ mm/năm}$ hướng Nam. Nguyễn Tuấn Anh (2005) sử dụng Bernese 5.0 xử lý 11 trạm GPS khu vực Hà Nội, xác định tốc độ chuyển dịch tuyệt đối về phía Đông Nam từ $22$ đến $32\text{ mm/năm}$. Trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên, Hà Minh Hòa (2004) chủ trì đo 3 chu kỳ (2002–2004) với phần mềm ECME-GPS và GUST, ghi nhận xu thế trượt phải và tách dãn (chuyển dịch mặt bằng $2\text{–}6\text{ mm/năm}$, chuyển dịch đứng từ $-7{,}5$ đến $+4{,}5\text{ mm/năm}$). Trên đới đứt gãy Sông Mã, Hà Minh Hòa (2008) xác định chuyển dịch ngang từ $2\text{ đến }6\text{ mm/năm}$. Đề tài trọng điểm cấp Nhà nước KC.09.21/06-10 do Phan Trọng Trịnh chủ nhiệm đã xử lý 4 chu kỳ đo (2007–2010) của 12 trạm GPS Biển Đông bằng Bernese 5.0 và GAMIT trong khung ITRF-08, ghi nhận chuyển dịch hướng Đông $22\text{–}25\text{ mm/năm}$ và hướng Nam $5\text{–}8\text{ mm/năm}$.
Trên thế giới, việc ước tính trường biến dạng từ dữ liệu GNSS thường dựa vào phương pháp tam giác (Frank, 1966), phương pháp nội suy spline lập phương (Haines et al., 1998) hoặc phương pháp nghịch đảo biến thiên cạnh cơ sở (Spakman & Nyst, 2002). Về lý thuyết sóng nhỏ, các nghiên cứu quốc tế đã ứng dụng xấp xỉ sóng nhỏ để lọc nhiễu tín hiệu GNSS (Yandong Gao et al., 2011; Mosbeh R. Kaloop & Dookie Kim; Sideris, 2001; Rizos, 2008; Huang Shengxiang & Liu Jingnan, 2007), xác định trượt chu kỳ pha sóng mang (Huo Guoping & Miao Lingjuan, 2008), xây dựng mô hình trọng lực (Isabelle Panet et al., 2011) và phân tích chuỗi thời gian trạm IGS (nghiên cứu tại Ba Lan, 2013). Đặc biệt, Tape C. (2009) đã đề xuất phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu để ước lượng trường vận tốc không gian và các tham số biến dạng (tốc độ xoay, tốc độ biến dạng, tốc độ trương nở) từ mạng lưới GPS tại Parkfield (Mỹ). Segall (2010) kết hợp sóng nhỏ với lọc Kalman để tách tín hiệu chuyển dịch chậm tại Nhật Bản, Cascadia và California. Cheng Pengfei et al. (2015) áp dụng sóng nhỏ mặt cầu phân tích biến dạng trên toàn lãnh thổ Trung Quốc từ mạng lưới hơn 1000 trạm GPS. Tại Việt Nam, phương pháp sóng nhỏ mới chỉ được ứng dụng bước đầu trong phân tích dị thường trọng lực (Dương Hiếu Đẩu & Đặng Văn Liệt, 2005), nội suy độ cao Geoid (Lương Bảo Bình, 2008) và xử lý dữ liệu ra-đa xuyên đất (Dương Quốc Chánh Tín, 2014).
Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết là: áp dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu (Difference of Gaussians - DOG) vào việc mô hình hóa, nội suy trường vận tốc chuyển dịch 3 chiều ($V_N, V_E, V_U$) và tính toán các trường đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất quy mô khu vực tại miền Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc trắc địa địa động lực.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án xây dựng khung phân tích dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết cơ học môi trường liên tục trên mặt cầu và lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ:
-
Khung lý thuyết biến dạng trên mặt cầu:
Vỏ Trái Đất được mô hình hóa dưới dạng hình cầu, chuyển động bề mặt được mô tả thông qua tensor gradient vận tốc $\mathbf{L}$:
$$\mathbf{L} = \nabla \mathbf{v}$$
Tensor $\mathbf{L}$ được phân rã thành thành phần đối xứng $\mathbf{D}$ (tensor vận tốc biến dạng - strain rate tensor) và thành phần phản đối xứng $\mathbf{W}$ (tensor tốc độ xoay - rotation rate tensor):
$$\mathbf{L} = \mathbf{D} + \mathbf{W}$$
Trong đó:
- $\mathbf{D} = \frac{1}{2}(\mathbf{L} + \mathbf{L}^T)$
- $\mathbf{W} = \frac{1}{2}(\mathbf{L} - \mathbf{L}^T)$
Từ các tensor này, các đại lượng vô hướng đặc trưng cho trường biến dạng được tính toán:
- Tốc độ xoay (Rotation rate) $\omega$:
$$\omega = \frac{1}{2} |\nabla \times \mathbf{v}|$$
- Tensor tốc độ biến dạng $\mathbf{D}$ phân rã thành tốc độ mở rộng/nén ép và tốc độ trượt (shear strain rate).
- Tốc độ trương nở (Dilatation rate) $\Theta$:
$$\Theta = \operatorname{div}(\mathbf{v}) = \operatorname{tr}(\mathbf{D}) = \operatorname{tr}(\mathbf{L})$$
Giá trị $\Theta > 0$ biểu thị sự giãn nở diện tích, $\Theta < 0$ biểu thị sự nén ép co ngót, và $\Theta = 0$ là trạng thái không nén.
-
Lý thuyết hàm sóng nhỏ DOG (Difference of Gaussians) trên mặt cầu:
Hàm sóng nhỏ mặt cầu $\Psi(\theta, a)$ được xác định trong không gian các hàm bình phương khả tích $T^2(S^2)$:
$$\Psi(\theta, a) = \frac{1}{2\pi \kappa(a)} \left( \frac{1}{\alpha} e^{-\frac{4\sin^2(\theta/2)}{\alpha a^2}} - \alpha e^{-\frac{4\sin^2(\theta/2)}{a^2}} \right)$$
Trong đó $a_q = 2^{-q}$ ($q = 0, 1, 2, \dots, q_{\max}$) là tỷ lệ rời rạc hóa ở bậc $q$; $\theta$ là khoảng cách góc ở tâm giữa điểm quan trắc và cực trung tâm sóng nhỏ; $\alpha > 1$ là tham số hình học; $\kappa(a)$ là hàm chuẩn hóa.
-
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp hồi cứu: Tổng hợp và đánh giá các công trình khoa học, báo cáo quan trắc địa động lực trong và ngoài nước.
- Phương pháp toán học và chuẩn hóa: Sử dụng kỹ thuật đánh giá chéo thông thường (Ordinary Cross-Validation - OCV) để tối ưu hóa tham số làm trơn (chính tắc hóa) cho các thành phần vận tốc $V_N, V_E, V_U$.
- Phương pháp so sánh: Đối chiếu kết quả nội suy và tính toán biến dạng bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ với phương pháp tam giác cổ điển của Frank (1966) và các công bố trước đây.
- Phương pháp tin học: Lập trình xây dựng bộ công cụ tính toán hoàn chỉnh trên nền tảng Matlab.
-
Nguồn dữ liệu thực nghiệm:
- Dữ liệu 6 chu kỳ đo GNSS (2012–2017) 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" theo Quyết định số 1665/QĐ-BTNMT ngày 26/8/2011 của Bộ Tài nguyên và Môi trường.
- Dữ liệu quan trắc của mạng lưới các trạm GNSS quốc tế (IGS) lân cận khu vực nghiên cứu tại thời điểm quy chiếu ngày 01/01/2005.
- Dữ liệu được xử lý bình sai chặt chẽ bằng phần mềm Bernese 5.2 trong Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế ITRF-2008.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức nền tảng về kiến tạo mảng và đứt gãy kiến tạo tại Việt Nam và Đông Nam Á. Lãnh thổ Việt Nam nằm ở phía Đông Nam mảng Á-Âu, chịu sự chi phối của hai khối kiến tạo chính là khối Nam Trung Hoa (South China Block) và khối Sunda (Sundaland Block) với ranh giới phân tách là đứt gãy Sông Hồng.
Theo phân loại của Cao Đình Triều, trên lãnh thổ Việt Nam và vùng lân cận có 11 đới đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp I quốc gia, ký hiệu $F_{II}$) và 34 đới đứt gãy cấp III thạch quyển (cấp II quốc gia, ký hiệu $F_{III}$). Hệ thống đứt gãy phân bố dày đặc ở khu vực Tây Bắc với hai phương chủ đạo là Tây Bắc - Đông Nam và Bắc - Nam.
| TT |
Ký hiệu |
Tên đới đứt gãy |
Phương phát triển |
Hướng cắm và góc cắm |
Mức độ xuyên cắt |
Bề rộng ảnh hưởng (km) |
| 1 |
$F_{II}.1$ |
Lai Châu - Điện Biên |
KT |
Tây: $60^\circ \div 80^\circ$ |
Thạch quyển (TQ) |
30 |
| 2 |
$F_{II}.2$ |
Sông Hồng |
TB - ĐN |
Đông Bắc: $60^\circ \div 70^\circ$ |
Thạch quyển (TQ) |
30 |
| 3 |
$F_{II}.3$ |
Sông Lô |
TB - ĐN |
Tây Nam: $60^\circ \div 70^\circ$ |
Thạch quyển (TQ) |
30 |
| 4 |
$F_{II}.4$ |
Bắc Hoàng Sa |
ĐB - TN |
Tây Bắc |
Thạch quyển (TQ) |
40 |
| 5 |
$F_{II}.5$ |
Phú Lâm - Linh Cẩu |
ĐB - TN |
Tây Bắc |
Thạch quyển (TQ) |
30 |
| 6 |
$F_{II}.7$ |
Thuận Hải - Minh Hải |
ĐB - TN |
Tây Bắc: $50^\circ \div 70^\circ$ |
Thạch quyển (TQ) |
30 |
| 7 |
$F_{II}.9$ |
Ba Tháp |
TB - ĐN |
Tây Nam: $70^\circ \div 80^\circ$ |
Thạch quyển (TQ) |
30–40 |
| 8 |
$F_{III}.1$ |
Phong Thổ |
TB - ĐN |
Tây Nam: $65^\circ \div 85^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
20–30 |
| 9 |
$F_{III}.2$ |
Phan Sipan |
TB - ĐN |
Tây Nam: $60^\circ \div 80^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
10–20 |
| 10 |
$F_{III}.3$ |
Mường La - Bắc Yên |
TB - ĐN |
Đông Bắc: $50^\circ \div 70^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
10–20 |
| 11 |
$F_{III}.4$ |
Sơn La |
TB - ĐN |
Đông Bắc: $60^\circ \div 70^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
30–40 |
| 12 |
$F_{III}.5$ |
Điện Biên - Sầm Nưa - Thường Xuân |
TB - ĐN |
Đông Bắc: $50^\circ \div 80^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
30–40 |
| 13 |
$F_{III}.7$ |
Cao Bằng - Tiên Yên |
TB - ĐN |
Đông Bắc: $70^\circ \div 80^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
10–20 |
| 14 |
$F_{III}.9$ |
Sông Cả |
TB - ĐN |
Đông Bắc: $50^\circ \div 60^\circ$ |
Xuyên vỏ (XV) |
20–30 |
Chương này cũng phân tích hai hướng tiếp cận toán học trong nghiên cứu biến dạng: tiếp cận trên mặt phẳng thông qua ma trận Jacobi 2 chiều (Dương Chí Công, 1994) và tiếp cận trên mặt cầu 3 chiều thông qua tensor gradient vận tốc (Tape, 2009). Qua đánh giá tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án chỉ ra tính cần thiết của việc áp dụng biến đổi sóng nhỏ trên mặt cầu để khắc phục hạn chế của các mô hình phẳng cục bộ.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất
Chương 2 trình bày chi tiết cấu trúc giải thuật xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu. Không gian mặt cầu được rời rạc hóa thành lưới tam giác đều (TIN) lồng nhau xuất phát từ khối 20 mặt đều ban đầu ($G_0$). Tổng số đỉnh lưới ở bậc $q$ là $N_q = 2 + 10 \times 4^q$.
| Bậc rời rạc $q$ |
Chiều dài cung trên mặt cầu (độ) |
Khoảng cách giữa các điểm lưới $G$ (km) |
| 0 |
$82{,}9^\circ$ |
8290 |
| 1 |
$37{,}4^\circ$ |
4160 |
| 2 |
$19{,}0^\circ$ |
2100 |
| 3 |
$9{,}5^\circ$ |
1050 |
| 4 |
$4{,}8^\circ$ |
525 |
| 5 |
$2{,}4^\circ$ |
263 |
| 6 |
$1{,}2^\circ$ |
131 |
| 7 |
$0{,}6^\circ$ |
66 |
| 8 |
$0{,}3^\circ$ |
33 |
| 9 |
$0{,}15^\circ$ |
16 |
Để thiết lập cấu trúc lưới phù hợp với mật độ quan trắc tại miền Bắc Việt Nam, luận án tính toán diện tích mặt cầu khu vực nghiên cứu:
$$S = 1{,}7358 \times 10^{11}\text{ m}^2 \implies r = \sqrt{\frac{S}{\pi}} = 4{,}7012 \times 10^5\text{ m}$$
Căn cứ vào diện tích và mật độ trạm đo thực tế:
- Luận án xác định các bậc sóng nhỏ tham gia tính toán từ $q_{\min} = 7$ đến $q_{\max} = 9$.
- Nguyên tắc chọn lọc đỉnh lưới $G$: Trong mỗi tam giác cầu ở bậc $q$, nếu chứa từ 3 điểm đo GNSS trở lên thì các đỉnh của tam giác cầu đó được giữ lại tham gia tính toán; nếu ít hơn 3 điểm đo thì đỉnh lưới đó bị loại bỏ.
- Vận tốc tuyệt đối của điểm đo trong hệ ITRF-2008 được tách thành vận tốc chuyển động quay khối mảng tổng thể (thông qua cực quay Euler và vận tốc góc Euler) và vận tốc chuyển dịch địa phương $(\mathbf{v}{\text{loc}} = \mathbf{v}{\text{abs}} - \mathbf{v}_{\text{Euler}})$.
- Nội suy vận tốc chuyển dịch địa phương được thực hiện độc lập cho 3 thành phần $V_N, V_E, V_U$ bằng xấp xỉ sóng nhỏ, kết hợp xác định tham số chính tắc hóa tối ưu bằng thuật toán OCV.
Chương 3. Thực nghiệm tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam
Chương 3 triển khai toàn bộ quy trình tính toán trên chuỗi dữ liệu thực nghiệm 6 chu kỳ (2012–2017) của mạng lưới địa động lực miền Bắc:
- Kiểm định chất lượng dữ liệu: Đánh giá độ ổn định mốc, chất lượng đo cao anten thẳng đứng và đo nghiêng, kết nối mạng lưới với các trạm IGS quốc tế xung quanh Việt Nam tại thời điểm quy chiếu ngày 01/01/2005.
- Xác định vận tốc chuyển dịch chung của khối: Xây dựng mô-đun phần mềm tính tham số góc Euler, tọa độ cực quay Euler và vận tốc quay của mảng. Sau khi loại trừ chuyển động khối mảng, thu được véc tơ vận tốc chuyển dịch địa phương tại từng mốc quan trắc.
- Nội suy trường vận tốc: Sử dụng phần mềm tự lập trình trên Matlab, áp dụng thuật toán OCV để xác định tham số chính tắc hóa cho véc tơ vận tốc theo hướng Bắc ($V_N$), hướng Đông ($V_E$) và hướng đứng ($V_U$). Nội suy trường vận tốc ra mạng lưới điểm GRID bao trùm khu vực miền Bắc, thành lập bản đồ trường vận tốc chuyển dịch ngang và đứng.
- Tính toán các trường biến dạng: Phần mềm thực hiện vi phân trường vận tốc nội suy trên mặt cầu để tính toán các tham số:
- Trường tốc độ xoay (Rotation rate): Thể hiện xu thế xoay của các khối kiến tạo.
- Trường tốc độ biến dạng (Strain rate): Định lượng mức độ tích tụ biến dạng tổng thể.
- Trường tốc độ trượt (Shear rate): Phản ánh cường độ trượt cắt ngang dọc theo các đới đứt gãy.
- Trường tốc độ trương nở (Dilatation rate): Phân định các đới nén ép ($\Theta < 0$) và đới tách giãn ($\Theta > 0$).
- Đánh giá và so sánh kết quả:
- So sánh với phương pháp mạng lưới tam giác của Frank (1966): Phương pháp sóng nhỏ cho kết quả trường biến dạng liên tục, triệt tiêu được các bước nhảy cục bộ do sai số hình học tam giác gây ra, phản ánh quy luật biến dạng trơn tru trên toàn khu vực.
- So sánh với các kết quả nghiên cứu đã công bố trước đây trên khu vực miền Bắc: Độ phù hợp cao về xu thế động học đứt gãy, khẳng định độ tin cậy của thuật toán sóng nhỏ trên mặt cầu.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới của luận án
- Về phương pháp luận: Luận án đã đề xuất giải pháp nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương 3 chiều ($V_N, V_E, V_U$) trên cơ sở mối quan hệ không gian giữa các điểm lân cận bằng hàm xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu (DOG Wavelet). Đây là lần đầu tiên phương pháp sóng nhỏ mặt cầu được ứng dụng đầy đủ trong phân tích biến dạng vỏ Trái Đất tại Việt Nam.
- Về mặt kỹ thuật và thực tiễn: Ứng dụng thành công phương pháp sóng nhỏ để xác định đồng thời 4 trường đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất (trường tốc độ xoay, trường tốc độ biến dạng, trường tốc độ trượt và trường tốc độ trương nở) từ dữ liệu GNSS địa động lực.
- Về công cụ tính toán: Xây dựng quy trình công nghệ chuẩn và phát triển bộ phần mềm tính toán, phân tích, nội suy trường vận tốc và biến dạng vỏ Trái Đất bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.
Kết quả phát hiện chính
- Vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại trên khu vực miền Bắc Việt Nam trong giai đoạn 2012–2017 nhìn chung có giá trị nhỏ.
- Hoạt động kiến tạo và tích tụ biến dạng tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc, rõ nét nhất xung quanh đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên.
- Các bản đồ trường vận tốc và trường biến dạng được biên tập cung cấp bức tranh định lượng chi tiết về trạng thái động lực học vỏ Trái Đất khu vực nghiên cứu.
Kiến nghị và đề xuất ứng dụng
- Ứng dụng quy trình và phần mềm của luận án vào công tác xử lý số liệu định kỳ cho mạng lưới trắc địa địa động lực quốc gia.
- Sử dụng bản đồ trường biến dạng làm cơ sở khoa học để phân tích, khoanh vùng nguy cơ tai biến địa chất (động đất, trượt lở đất); phục vụ công tác quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, xây dựng các công trình công nghiệp và dân dụng trọng điểm (thủy điện, hồ chứa, giao thông) và lập phương án phòng chống thiên tai.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế về chuỗi dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm của luận án giới hạn trong 6 chu kỳ đo (2012–2017) của Dự án 1665/QĐ-BTNMT. Chuỗi thời gian quan trắc 5 năm là tương đối ngắn đối với các chu kỳ vận động kiến tạo thế kỷ, do đó cần tiếp tục tích lũy chuỗi số liệu dài hơn để nâng cao độ tin cậy của ước tính vận tốc dài hạn.
- Hạn chế về mật độ phân bố trạm: Mật độ các trạm đo GNSS phân bố chưa hoàn toàn đồng đều giữa vùng đồi núi hiểm trở phía Tây Bắc và vùng đồng bằng ven biển, ảnh hưởng đến việc lựa chọn bậc sóng nhỏ cục bộ ($q_{\max}$).
- Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ 3D cho mạng lưới trắc địa địa động lực trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và vùng biển đảo; tích hợp dữ liệu trắc địa vệ tinh liên tục (CORS/GNSS liên tục) kết hợp dữ liệu giao thoa radar vệ tinh (InSAR) để theo dõi biến dạng bề mặt Trái Đất theo thời gian thực.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu và có giá trị thiết thực đối với:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa vật lý, Địa chất cấu tạo và Địa động lực học; đặc biệt là phần cơ sở toán học của sóng nhỏ DOG trên mặt cầu (Chương 2) và quy trình xử lý dữ liệu GNSS địa động lực (Chương 3).
- Các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu: Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam, Viện Địa chất, Viện Vật lý Địa cầu trong việc chuẩn hóa quy trình tính toán xử lý mạng lưới quan trắc biến dạng.
- Các kỹ sư và nhà quy hoạch công trình: Tham khảo các bản đồ phân bố trường tốc độ biến dạng, tốc độ trượt và tốc độ trương nở để đánh giá mức độ ổn định kiến tạo nền móng công trình hạ tầng trọng điểm tại khu vực miền Bắc.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng loại sóng nhỏ nào để mô hình hóa biến dạng vỏ Trái Đất trên mặt cầu?
Luận án sử dụng hàm sóng nhỏ DOG (Difference of Gaussians) xác định trên mặt cầu trong không gian các hàm bình phương khả tích $T^2(S^2)$, với các bậc rời rạc hóa được lựa chọn từ $q_{\min} = 7$ đến $q_{\max} = 9$ tương ứng với khoảng cách điểm lưới cầu từ $66\text{ km}$ đến $16\text{ km}$.
2. Dữ liệu thực nghiệm được sử dụng trong luận án có nguồn gốc từ đâu và bao gồm những giai đoạn nào?
Dữ liệu thực nghiệm gồm 6 chu kỳ đo GNSS (2012–2017) 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 1665/QĐ-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường), kết hợp dữ liệu các trạm IGS quốc tế lân cận và được bình sai trong khung ITRF-2008 bằng phần mềm Bernese 5.2.
3. Bốn đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất được tính toán trong luận án gồm những tham số nào?
Bốn đại lượng biến dạng được tính toán gồm:
- Trường tốc độ xoay (Rotation rate - $\omega$).
- Trường tốc độ biến dạng (Strain rate - tensor $\mathbf{D}$).
- Trường tốc độ trượt (Shear strain rate).
- Trường tốc độ trương nở (Dilatation rate - $\Theta$).
4. Kết quả tính toán thực nghiệm cho thấy đặc điểm vận động kiến tạo hiện đại tại miền Bắc Việt Nam ra sao?
Kết quả 6 chu kỳ đo (2012–2017) cho thấy hoạt động của các đới đứt gãy khu vực miền Bắc có tốc độ chuyển dịch nhỏ, trạng thái tích tụ biến dạng tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc, đặc biệt là khu vực xung quanh đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên.
5. Luận án sử dụng kỹ thuật toán học nào để tối ưu hóa tham số làm trơn khi nội suy trường vận tốc?
Luận án áp dụng phương pháp Đánh giá chéo thông thường (Ordinary Cross-Validation - OCV) để xác định tham số chính tắc hóa tối ưu cho từng thành phần véc tơ vận tốc ($V_N, V_E, V_U$) trong quá trình nội suy sóng nhỏ.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Lại Văn Thủy đã giải quyết trọn vẹn bài toán ứng dụng lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu để phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch 3 chiều và xác định các tham số biến dạng vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam. Công trình đã xây dựng thành công quy trình công nghệ và phần mềm tính toán trên nền tảng Matlab, đem lại công cụ xử lý dữ liệu trắc địa địa động lực có độ tin cậy cao. Kết quả thực nghiệm 6 chu kỳ đo GNSS (2012–2017) đã làm sáng tỏ bức tranh định lượng về trường biến dạng hiện đại, chỉ ra sự tập trung hoạt động kiến tạo tại khu vực Tây Bắc quanh đứt gãy Lai Châu - Điện Biên. Đây là nguồn tài liệu học thuật và thực tiễn có giá trị cao trong nghiên cứu địa động lực học và phục vụ công tác phòng chống tai biến địa chất tại Việt Nam.
