Luận án tiến sĩ: Ứng dụng phương pháp wavelet để phân tích vận tốc và biến dạng không gian

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ và biến đổi wavelet trong phân tích vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian.

• Tác giả: Lại Văn Thủy
• Người hướng dẫn: GS. Đặng Hùng Võ
• Trường học: Viện Khoa Học Đo Đạc Và Bản Đồ
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Trắc Địa Bản Đồ
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Phương Pháp Wavelet Trong Phân Tích Vận Tốc Và Biến Dạng Không Gian
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất
• 1.2. Mảng kiến tạo
• 1.3. Đứt gãy kiến tạo
• 1.4. Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất
• 1.5. Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam
• 1.6. Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.7. Tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 1.8. Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa trên thế giới. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.9. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu
• 2.2. Tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS
• 2.3. Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 2.4. Tính các đại lượng biến dạng
• 2.5. Tính tensor gradient vận tốc
• 2.6. Tính tốc độ xoay (Rotation rate)
• 2.7. Tính tốc độ biến dạng (Strain rate)
• 2.8. Tính tốc độ trương nở (Dilatation rate)
• 2.9. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM
• 3.1. Đánh giá, phân tích chất lượng số liệu thực nghiệm
• 3.2. Đánh giá, phân tích chất lượng mốc quan trắc
• 3.3. Đánh giá, phân tích chất lượng dữ liệu quan trắc
• 3.4. Đánh giá, phân tích kết quả tính vận tốc chuyển dịch tuyệt đối của các điểm trong mạng lưới quan trắc
• 3.5. Tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc
• 3.6. Sơ đồ quy trình tính toán
• 3.7. Xây dựng modul tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực
• 3.8. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực
• 3.9. Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương
• 3.10. Sơ đồ quy trình tính toán
• 3.11. Phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch
• 3.12. Kết quả phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch. Tính các đại lượng biến dạng
• 3.13. Sơ đồ quy trình tính toán
• 3.14. Phần mềm tính toán các đại lượng biến dạng
• 3.15. Kết quả tính toán, biên tập bản đồ trường biến dạng khu vực miền Bắc Việt Nam
• 3.16. Đánh giá hiệu quả của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 3.17. Đánh giá kết quả phân tích biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ với phương pháp tính biến dạng Frank
• 3.18. Đánh giá kết quả tính biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ so với các kết quả tính biến dạng trên khu vực Miền Bắc trước đó
• 3.19. Thảo luận, đánh giá chung về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 3.20. Kết luận Chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp wavelet

Phương pháp wavelet là một công cụ mạnh mẽ trong phân tích tín hiệu và hình ảnh. Nó cho phép phân tích các tín hiệu không ổn định và biến đổi theo thời gian. Trong nghiên cứu này, phương pháp wavelet được áp dụng để phân tích vận tốc và biến dạng không gian của vỏ Trái Đất. Kỹ thuật này giúp xác định các đặc điểm của chuyển động địa chất một cách chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng phương pháp wavelet trong phân tích vận tốc cho phép phát hiện các biến đổi nhỏ trong chuyển động của vỏ Trái Đất, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho việc dự báo các hiện tượng địa chất. Theo nghiên cứu của Tape, C (2009), phương pháp này đã được áp dụng thành công ở nhiều quốc gia, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của nó trong việc phân tích biến dạng không gian.

1.1. Lý thuyết cơ bản về phương pháp wavelet

Lý thuyết wavelet dựa trên việc phân tích tín hiệu thành các thành phần khác nhau bằng cách sử dụng các hàm sóng nhỏ. Các hàm này cho phép phân tích tín hiệu ở nhiều tần số khác nhau, từ đó giúp phát hiện các đặc điểm quan trọng trong dữ liệu. Trong nghiên cứu này, phương pháp wavelet được sử dụng để phân tích vận tốc chuyển dịch của các điểm quan trắc trong mạng lưới GPS. Kỹ thuật này cho phép nội suy và xác định các trường biến dạng không gian một cách chính xác. Việc áp dụng phương pháp wavelet trong phân tích biến dạng giúp cải thiện độ chính xác của các kết quả tính toán, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho các nghiên cứu về địa chất và trắc địa.

II. Phân tích vận tốc và biến dạng không gian

Phân tích vận tốc và biến dạng không gian là một phần quan trọng trong nghiên cứu địa chất. Việc xác định các trường vận tốc chuyển dịch giúp hiểu rõ hơn về các hoạt động kiến tạo của vỏ Trái Đất. Trong nghiên cứu này, dữ liệu từ mạng lưới GPS được xử lý bằng phương pháp wavelet để xác định các trường biến dạng. Kết quả cho thấy rằng các đứt gãy trong khu vực miền Bắc Việt Nam có hoạt động mạnh, với tốc độ chuyển dịch đáng kể. Việc sử dụng phương pháp wavelet cho phép phát hiện các biến đổi nhỏ trong vận tốc chuyển dịch, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho việc dự báo các hiện tượng địa chất. Theo kết quả phân tích, các điểm quan trắc cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong biến dạng không gian, điều này có thể liên quan đến các hoạt động kiến tạo trong khu vực.

2.1. Kết quả phân tích vận tốc

Kết quả phân tích vận tốc cho thấy rằng các điểm quan trắc trong mạng lưới GPS có sự chuyển dịch đáng kể. Việc áp dụng phương pháp wavelet đã giúp xác định chính xác các trường vận tốc chuyển dịch địa phương. Các số liệu cho thấy rằng tốc độ chuyển dịch ở khu vực Tây Bắc Việt Nam cao hơn so với các khu vực khác. Điều này cho thấy sự hoạt động mạnh mẽ của các đứt gãy trong khu vực. Kết quả này không chỉ cung cấp thông tin về hoạt động kiến tạo mà còn có thể được sử dụng để dự báo các hiện tượng địa chất trong tương lai.

III. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp wavelet trong phân tích vận tốc và biến dạng không gian có nhiều giá trị thực tiễn. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để xây dựng các hệ thống cảnh báo sớm cho các hiện tượng địa chất như động đất hay lở đất. Việc hiểu rõ về biến dạng không gian giúp các nhà khoa học và kỹ sư có thể thiết kế các công trình xây dựng an toàn hơn. Hơn nữa, các kết quả từ nghiên cứu này có thể hỗ trợ trong việc quy hoạch và phát triển hạ tầng, đặc biệt là ở những khu vực có nguy cơ cao về tai biến địa chất. Theo các chuyên gia, việc áp dụng phương pháp wavelet trong phân tích vận tốc và biến dạng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu địa chất và trắc địa tại Việt Nam.

3.1. Tác động đến quy hoạch và phát triển

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong quy hoạch và phát triển hạ tầng tại các khu vực có nguy cơ cao về tai biến địa chất. Việc hiểu rõ về vận tốc và biến dạng không gian giúp các nhà quy hoạch có thể đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc xây dựng các công trình. Hơn nữa, thông tin từ nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống cảnh báo sớm, từ đó giảm thiểu thiệt hại do các hiện tượng địa chất gây ra. Việc áp dụng phương pháp wavelet trong phân tích biến dạng không chỉ mang lại lợi ích cho nghiên cứu mà còn cho sự phát triển bền vững của khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất 1. Mảng kiến tạo Theo thuyết kiến tạo mảng, lớp ngoài cùng của Trái Đất (thạch quyển) là chất rắn gắn kết nằm trên một quyển yếu hơn là quyển mềm.

Thạch quyển vỡ ra làm nhiều phần được gọi là mảng kiến tạo. Bề mặt Trái Đất có thể chia ra thành bẩy (07) mảng chính, gồm: Mảng Thái Bình Dương, mảng Á-Âu, mảng Ấn Độ - Ôxtrâylia, mảng Châu Phi, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Nam Cực và nhiều mảng kiến tạo nhỏ. Ranh giới giữa hai mảng kiến tạo là các đứt gãy, đứt gãy sâu hoặc các kiểu phá hủy tổng hợp khác. Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyển động theo một tiến trình gọi là sự trôi dạt lục địa trên quyển mềm.

Các mảng này di chuyển tương đối với nhau theo một trong ba dạng chính đó là: Hội tụ (xô húc vào nhau); tách giãn (trượt dọc với phương trượt gần như song song với phương tách dãn); trượt ngang (phương trượt vuông góc với phương tách dãn). Các lực được tạo ra tại các ranh giới hình thành các dãy núi gây nên núi lửa phun trào và động đất. Hiện tượng này cùng với các quá trình kèm theo được gọi là hoạt động kiến tạo. Trong các mô hình động học thạch quyển, chuyển động của mảng hay khối được đại diện bởi vận tốc quay của phần nội mảng (nội khối) ổn định và được mô tả bằng véc tơ Ơ-le bao gồm 3 thành phần tọa độ điểm gốc và 3 thành phần vận tốc góc quay của véc tơ.

Các thành phần góc quay Ơ-le có thể xác định chuyển động của mảng hoặc khối kiến tạo bằng các phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, hiện nay phương pháp trắc địa được coi là chính xác và tin cậy hơn cả vì đây là phương pháp hình học có định lượng. Để đơn giản hóa việc lập mô hình biến dạng mảng lục địa, một cách tiếp cận khá phổ biến là nhấn mạnh vai trò của các đứt gãy, đồng thời thừa nhận mô hình biến dạng gián đoạn trong lớp vỏ trên dễ vỡ hoặc đàn hồi và ứng dụng 7 luan an phương pháp tiếp cận khối, trong đó mỗi khối bao gồm vùng nội khối ổn định nằm xa đứt gãy và đới biến dạng nằm kề đứt gãy. Khi nghiên cứu chuyển động phần nội khối, thành phần chuyển động đứng được coi bằng không.

Ở khu vực rìa chuyển động mảng sẽ tạo ra sự phá hủy, nâng hạ theo các kiểu phá hủy tổng hợp khác nhau, nên thành phần chuyển động đứng của vỏ Trái Đất có sự thay đổi [17]. Khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam nằm ở phía đông nam của mảng Á-Âu và chủ yếu được hình thành bởi hoạt động kiến tạo tại ranh giới các mảng hay khối bao quanh, được thể hiện trên Hình 1. Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam Á [39] 8 luan an Có thể nhận thấy, lãnh thổ Việt Nam nằm trên hai khối kiến tạo đó là khối Nam Trung Hoa (South China Block) và khối Sunda (Sundaland Block) mà ranh giới là đứt gãy Sông Hồng. Trong kiến tạo địa phương, thuật ngữ “khối kiến tạo” còn được dùng để chỉ những khối cấu trúc là yếu tố cấu thành của một khối trong kiến tạo khu vực [17].

Xét dưới góc độ chuyển động mặt và vỏ Trái Đất liên quan tới động đất, người ta phân biệt chuyển dịch đồng thời với động đất (coseismic displacement) và chuyển dịch giữa hai lần động đất (interseismic displacement). Mô hình chuyển dịch mặt đất do động đất phụ thuộc vào từng loại đứt gãy gây nên động đất, chuyển động của khối kiến tạo được coi là tổng của chuyển dịch đồng thời với động đất và chuyển dịch giữa hai lần động đất [17]. Đứt gãy kiến tạo Đứt gãy (còn gọi là biến vị, đoạn tầng hoặc phay) là một hiện tượng địa chất liên quan tới các quá trình kiến tạo trong vỏ Trái Đất. Đứt gãy chia làm nhiều loại: Đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch, đứt gãy ngang.

Thông thường, đứt gãy thường xảy ra tại nơi có điều kiện địa chất không ổn định. Đứt gãy kiến tạo, nhất là những đứt gãy lớn, chạy dài hàng trăm, hàng ngàn cây số qua nhiều vùng lãnh thổ với địa hình và kiến tạo khác nhau. Do nằm cách xa phần ranh giới của mảng kiến tạo nên các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam là những đứt gãy nội mảng, các đứt gãy này đóng vai trò phân chia các khối thạch quyển cấp II, III và IV. Theo tác giả Cao Đình Triều [19], các đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp 1 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động ở Việt Nam và lân cận bao gồm 11 đứt gãy, được ký hiệu là FII; các đứt gãy cấp III thạch quyển (cấp 2 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động ở Việt Nam và lân cận bao gồm 34 đứt gãy, được ký hiệu là F III.

Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam được thống kê trong Bảng 1. Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam [19] Đặc điểm Số Ký Hình thái - Hình động học Tên đới đứt gãy TT hiệu Phương Độ Bề Hướng cắm phát triển sâu rộng 9 luan an (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 1. Đới đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp I Việt Nam) 1 FII.1 Lai Châu - Điện Biên KT ?: 600 ÷ 800 TQ 30 2 FII.2 Sông Hồng TB ĐB: 600 ÷ 700 TQ 30 3 FII.3 Sông Lô TB TN: 600 ÷ 700 TQ 30 4 FII.4 Bắc Hoàng Sa ĐB TB TQ 40 5 FII.5 Phú Lâm - Linh Cẩu ĐB TB TQ 30 6 FII.6 Ranh giới vỏ Đại Dương TQ 7 FII.7 Thuận Hải - Minh Hải ĐB TB: 500 ÷ 700 TQ 30 8 FII.8 Nam Côn Sơn - Tư Chính ĐB TQ 9 FII.9 Ba Tháp TB TN: 700 ÷ 800 TQ 30-40 10 FII.10 Natuna KT T TQ 30 TB, ĐB, 11 FII.11 Sarawak - Baram - Palawan TQ 30 ĐB 2. Đới đứt gãy cấp III thạch quyển (cấp II Việt Nam) 1 FIII.1 Phong Thổ TB TN: 650 ÷ 850 XV 20-30 2 FIII.2 Phan Sipan TB TN: 600 ÷ 800 XV 10-20 3 FIII.3 Mường La - Bắc Yên TB ĐB: 500 ÷ 700 XV 10-20 4 FIII.4 Sơn La TB ĐB: 600 ÷ 700 XV 30-40 Điện Biên - Sầm Nưa - 5 FIII.5 TB ĐB: 500 ÷ 800 XV 30-40 Thường Xuân Yên Minh - Bắc Kạn (Sông 6 FIII.6 Á KT T XV 10-20 Đáy) 7 FIII.7 Cao Bằng - Tiên Yên TB ĐB: 700 ÷ 800 XV 10-20 8 FIII.8 Cô Tô ĐB ĐN XV 10-20 9 FIII.9 Sông Cả TB ĐB: 500 ÷ 600 XV 20-30 10 FIII.10 Lôi Châu ĐB TB: 600 ÷ 750 XV 20-30 11 FIII.11 Rào Nậy TB TN: 600 ÷ 800 XV 20-30 12 FIII.12 Hải Nam ĐB ĐB: 600 ÷ 700 XV 20-30 A Lưới - Rào Quán - Sơn 13 FIII.13 ĐB ĐB: 600 ÷ 800 XV 20-30 Tây - Quy Nhơn 14 FIII.14 Kinh tuyến 110 (Phú Khánh) KT T XV 20-30 10 luan an 15 FIII.15 Ốc Tai Voi ĐB XV 20-30 16 FIII.16 Nam Hoàng Sa TB XV 10-20 17 FIII.17 Kinh tuyến 117 KT XV 20-30 18 FIII.18 Buôn Hồ TB ĐB: 400 ÷ 500 XV 20-30 19 FIII.19 Tuy Hòa ĐB ĐN: 500 ÷ 700 XV 20-30 20 FIII.20 Lộc Ninh - Hàm Tân TB TN: 600 ÷ 800 XV 20-30 21 FIII.21 Sông Pô Cô KT T: 600 ÷ 800 XV 30-40 22 FIII.22 Nam Du KT T XV 20-30 23 FIII.23 Tây Côn Sơn ĐB TB: 600 ÷ 700 XV 20-30 24 FIII.24 Đông Côn sơn ĐB TB: 500 ÷ 600 XV 10-20 25 FIII.25 Trường Sa VT XV 100 26 FIII.26 Palawa TB XV 10-20 27 FIII.27 Vũng Mây VT B XV 10-20 28 FIII.28 An Bang ĐB XV 10-20 29 FIII.29 Kiêu Ngựa ĐB ĐN XV 10-20 30 FIII.30 Tây Baram TB ĐB XV 10-20 31 FIII.31 Bắc Sarawak TB-VT TN-N XV 10-20 32 FIII.32 Đông Natuna KT Đ XV 20-30 33 FIII.33 Pantani KT Đ XV 20-30 34 FIII.34 Đông Malaysia TB ĐB XV 20-30 Chú thích: Cột 1: Số thứ tự của đứt gãy theo thống kê của bảng 1 Cột 2: Ký hiệu của đứt gãy dùng để tra cứu trên hình vẽ Cột 3: Tên đứt gãy Cột 4: Phương phát triển của đứt gãy: TB (Tây Bắc - Đông Nam); ĐB (Đông Bắc - Tây Nam); KT (Kinh tuyến); áKT (á Kinh tuyến); VT (Vĩ tuyến) và áVT (á Vĩ tuyến) Cột 5: Hướng cắm và góc cắm của đứt gãy: ĐB (Đông Bắc); TN (Tây Nam); B (Bắc) và N (Nam) 11 luan an Cột 6: Mức độ xuyên cắt của đứt gãy: TQ - Đứt gãy Thạch quyển (có khả năng xuyên cắt và là ranh giới khối địa động lực thạch quyển); XV - Đứt gãy xuyên vỏ (xuyên cắt vỏ và là ranh giới khối địa động lực) Cột 7: Bề rộng ảnh hưởng (đới động lực) của đứt gãy Hệ thống đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Bắc, các đứt gãy đa phần có hướng Tây Bắc - Đông Nam hoặc hướng Bắc - Nam như thể hiện trong Hình 1.2 dưới đây: Hình 1.

Bản đồ hệ thống đứt gãy chính trên lãnh thổ Việt Nam [19] 12 luan an Hoạt động của đứt gãy tích cực được coi là nguyên nhân của nhiều tai biến và thảm họa thiên nhiên mà động đất là một dạng tiêu biểu. Theo lý thuyết kinh điển, động đất là kết quả của dịch trượt nhanh dọc mặt đứt gãy, sự dịch trượt này gây nên bởi sự giải phóng đột ngột năng lượng (chủ yếu được sản sinh do biến dạng đàn hồi) tại một vùng trong vỏ Trái Đất. Động đất chủ yếu (chiếm 95%) xẩy ra tại ranh giới giữa các mảng kiến tạo. Tuy nhiên, động đất cũng xẩy ra tại phần trong của mảng mà nguyên nhân trước hết được cho là liên quan tới chuyển động mảng kiến tạo, tiếp theo đó là do sự gia tăng hay giảm đi của các vùng băng, tác động của tích hoặc xả nước tại các hồ chứa và sự dâng lên của dòng mác ma [19].

Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất Sự vận động nhiệt và trọng lực xảy ra trong lớp manti và vỏ Trái Đất là nguyên nhân đầu tiên gây ra trường lực và trường áp lực. Hoạt động này gây ra các uốn nếp, các đứt gãy và các dạng kiến trúc phá hủy khác. Biến dạng vỏ Trái Đất được xem là một trong những loại biến dạng cơ bản. Khi nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất do hoạt động địa chất kiến tạo thường tập trung vào hai hướng chính đó là: 1.