Luận văn: Biến đổi trường trọng lực và áp dụng tại thềm lục địa Việt Nam

Luận văn thạc sĩ phân tích phương pháp biến đổi trường trọng lực và áp dụng tại thềm lục địa Việt Nam, phục vụ nghiên cứu cấu trúc địa chất.

• Tác giả: Phạm Ngọc Chiến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Vinh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Địa Cầu
• Đề tài: Phương pháp biến đổi trường trọng lực và việc áp dụng chúng cho khu vực X thuộc thềm lục địa Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp biến đổi trường trọng lực

Phương pháp biến đổi trường trọng lực là một trong những kỹ thuật địa vật lý quan trọng được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu địa chất và thăm dò dầu khí tại Việt Nam. Phương pháp này giúp phân tích và xử lý dữ liệu trọng lực quan sát được, từ đó nhấn mạnh các thành phần quan trọng của trường và giảm bớt tác động của các yếu tố không cần thiết. Biến đổi trường trọng lực cho phép các nhà khoa học tính chuyển dữ liệu lên xuống các mức khác nhau, tính toán các đạo hàm bậc cao và làm trơn trường với các mức độ khác nhau. Đây là một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu cấu trúc địa chất sâu của thềm lục địa Việt Nam, đặc biệt là trong các khu vực có tiềm năng dầu khí lớn.

1.1. Khái niệm cơ bản về trường trọng lực

Trường trọng lực là biểu hiện của lực hấp dẫn được phát sinh từ sự phân bố khối lượng trong lòng đất. Các dị thường trọng lực quan sát được phản ánh toàn bộ hiệu ứng do các yếu tố địa chất gây ra. Mỗi yếu tố địa chất đều có đóng góp một phần nhất định vào trường tổng cộng. Việc tách riêng các thành phần trường từ trường tổng là một bài toán cơ bản và quan trọng trong phân tích dữ liệu địa vật lý.

1.2. Tầm quan trọng trong nghiên cứu thềm lục địa

Trong những năm gần đây, thăm dò trọng lực được quan tâm đặc biệt trong việc nghiên cứu cấu trúc địa chất vùng thềm lục địa Việt Nam. Phương pháp này rất có thế mạnh trong nghiên cứu cấu trúc sâu, nhất là đối với các khu vực có điều kiện địa chất phức tạp. Ứng dụng phương pháp biến đổi trường giúp cải thiện chất lượng dữ liệu và tăng độ chính xác trong việc xác định cấu trúc địa khối.

II. Các phép biến đổi trường trong miền không gian

Các phép biến đổi trường trong miền không gian bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau để xử lý và phân tích dữ liệu trọng lực. Phương pháp trung bình hóa giúp làm trơn dữ liệu và giảm nhiễu, trong khi phương pháp tiếp tục giải tích trường cho phép tính chuyển dữ liệu lên nửa không gian trên hoặc xuống nửa không gian dưới. Kỹ thuật tính các đạo hàm bậc cao của thế trọng lực và tính đạo hàm ngang cực đại là những công cụ mạnh mẽ để nhấn mạnh các dị thường địa chất và cải thiện độ phân giải của dữ liệu quan sát được.

2.1. Phương pháp trung bình hóa và tiếp tục giải tích

Phương pháp trung bình hóa được sử dụng để làm mịn trường trọng lực bằng cách lấy giá trị trung bình trong một bán kính xác định. Tiếp tục giải tích trường là quá trình tính chuyển giá trị trường từ mức quan sát đến các mức khác. Các phương pháp này giúp loại bỏ thành phần nhiễu và làm nổi bật các anomali quan trọng liên quan đến cấu trúc địa chất.

2.2. Tính toán đạo hàm và dị thường trọng lực

Đạo hàm bậc cao của thế trọng lực và đạo hàm ngang cực đại cho phép xác định chính xác vị trí của các ranh giới địa chất. Những kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong việc phát hiện các đứt gãy, nếp gấp và các cấu trúc địa chất khác. Ứng dụng hiệu quả các phép tính này giúp nâng cao độ chính xác trong giải thích dữ liệu thực tế.

III. Các phép biến đổi trường trong miền tần số

Các phép biến đổi trường trong miền tần số cung cấp một cách tiếp cận khác để phân tích dữ liệu trọng lực. Sử dụng phép biến đổi Fourier, các nhà khoa học có thể chuyển dữ liệu từ miền không gian sang miền tần số, nơi có thể dễ dàng tách riêng các thành phần khác nhau của trường. Các định lý về phổ cung cấp cơ sở lý thuyết để hiểu rõ đặc tính tần số của các phép biến đổi. Công thức cơ bản để tiếp tục giải tích trường bằng phương pháp phổ cho phép thực hiện các phép biến đổi phức tạp một cách hiệu quả. Phương pháp này đặc biệt có giá trị trong xử lý dữ liệu quy mô lớn từ thềm lục địa.

3.1. Phép biến đổi Fourier và lý thuyết phổ

Phép biến đổi Fourier cho phép phân tách trường trọng lực thành các thành phần tần số khác nhau. Các định lý về phổ giúp hiểu mối quan hệ giữa các thành phần tần số và các cấu trúc địa chất tương ứng. Đặc trưng tần số của các phép biến đổi trường trọng lực cung cấp thông tin quan trọng về mối liên hệ giữa tần số và độ sâu của các nguồn dị thường.

3.2. Ứng dụng công thức cơ bản trong xử lý dữ liệu

Công thức cơ bản để tiếp tục giải tích trường bằng phương pháp phổ cho phép tính chuyển dữ liệu trọng lực một cách chính xác và nhanh chóng. Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi xử lý khối lượng dữ liệu lớn từ các cuộc thăm dò thềm lục địa. Ứng dụng hiệu quả giúp nâng cao độ tin cậy của kết quả phân tích.

IV. Ứng dụng thực tế trên thềm lục địa Việt Nam

Ứng dụng phương pháp biến đổi trường trọng lực trên thềm lục địa Việt Nam đã mang lại những kết quả đáng kể trong nghiên cứu địa chất và thăm dò dầu khí. Các nhà khoa học đã phát triển thuật toán và chương trình tính toán để áp dụng các phương pháp này trên dữ liệu thực tế. Những kết quả thử nghiệm trên mô hình đã được kiểm chứng trước khi áp dụng cho khu vực X thuộc thềm lục địa Việt Nam. Các bản đồ nâng trường lên các mức khác nhau (5 km, 10 km, 15 km, 20 km, 30 km) và tính toán đạo hàm ngang cực đại đã giúp xác định rõ cấu trúc kiến tạo của khu vực nghiên cứu.

4.1. Thuật toán chương trình và thử nghiệm trên mô hình

Thuật toán được xây dựng dựa trên lý thuyết biến đổi trường trọng lực với các bước xử lý được tối ưu hóa. Chương trình tính toán cho phép thực hiện các phép biến đổi phức tạp một cách tự động. Kết quả thử nghiệm trên mô hình với các cầu thể đơn giản và phức tạp đã xác nhận tính chính xác của phương pháp trước khi áp dụng cho dữ liệu thực tế.

4.2. Kết quả ứng dụng cho khu vực X thềm lục địa

Bản đồ trọng lực Bouguer của khu vực X được xử lý bằng các phép biến đổi để nhấn mạnh các dị thường địa chất khác nhau. Bản đồ nâng trường ở các mức độ sâu khác nhau giúp phân tích cấu trúc kiến tạo ở các độ sâu tương ứng. Tính đạo hàm ngang cực đại trên nền trường nâng mức cho phép xác định chính xác vị trí ranh giới địa chất và các cấu trúc quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Phương pháp thăm dò trọng lực là một trong những phương pháp địa vật lý được sử dụng từ rất sớm và rộng rãi ở Việt Nam. Thăm dò trọng lực đã đóng góp một vai trò rất lớn trong nghiên cứu địa chất, dầu khí những năm qua. Phương pháp địa vật lý này rất có thế mạnh trong nghiên cứu cấu trúc địa chất, nhất là cấu trúc sâu. Trong thăm dò dầu khí, thăm dò trọng lực cũng đóng vai trò đáng kể.

Những năm gần đây, thăm dò trọng lực rất được quan tâm trong việc nghiên cứu cấu trúc địa chất vùng thềm lục địa. Biến đổi trường trọng lực quan sát được là một trong các bài toán cơ bản và quan trọng trong lĩnh vực phân tích và xử lý số liệu. Từ các số liệu quan sát được, sau khi tiến hành các hiệu chỉnh cần thiết người ta có thể tính chuyển lên xuống các mức khác nhau so với mức quan sát được, có thể tính các đạo hàm, làm trơn với các mức độ khác nhau. Nhìn chung, mục đích của bài toán biến đổi trường là để nhấn mạnh thành phần nào đó của trường và giảm bớt ảnh hưởng của thành phần trường mà ta chưa hoặc không quan tâm.

Bài toán biến đổi trường thế nói chung đã được các thày giáo và nhiều thế hệ sinh viên ở bộ môn Vật lý địa cầu, trường ĐH Khoa học Tự nhiên quan tâm nghiên cứu. Nhiều phần mềm loại này có xuất sứ từ bộ môn đã được cả các cơ sở bên ngoài trường sử dụng. Tuy nhiên, chúng ta đều biết, các bài toán biến đổi thông tin rất khó tránh khỏi sự mất mát hoặc méo mó một phần nào đó của thông tin ban đầu. Trong phạm vi bản luận văn này, học viên được giao nhiệm vụ tìm hiểu lý thuyết, xây dựng chương trình và thử nghiệm xem xét một bài toán ứng dụng nhỏ của phép biến đổi trường trong nghiên cứu địa chất trên một khu vực thuộc thềm lục địa Việt nam.

Bài toán đặt ra thuộc loại cơ bản, truyền thống, được trình bày trong các tài liệu giáo khoa nhưng đối với một học viên mới làm quen với lĩnh vực địa vật lý, nhiệm vụ đặt ra vẫn là mới mẻ. Các kết quả thử nghiệm có được mới chỉ là khởi đầu. Luận văn với tiêu đề “Phương pháp biến đổi trường trọng lực và việc áp dụng chúng cho khu vực X thuộc thềm lục địa Việt Nam” được trình bày trong ba chương: 1 Chƣơng 1: Các phương pháp biến đổi trường trong miền không gian Chƣơng 2: Các phép biến đổi trường trong miền tần số Chƣơng 3: Một số kết quả thử nghiệm trên mô hình và khu vực X thềm lục địa Việt nam Do thời gian và trình độ còn hạn chế, chắc chắn luận văn còn những khiếm khuyết, rất mong được các thầy các cô chỉ bảo, bổ khuyết. 2 CHƢƠNG 1 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRONG MIỀN KHÔNG GIAN Các dị thường trọng lực quan sát được phản ánh toàn bộ hiệu ứng trọng lực do các yếu tố địa chất gây ra.

Trong trường tổng cộng mỗi yếu tố địa chất đó đều có đóng góp một phần nhất định. Vì vậy, trong khi giải quyết các nhiệm vụ địa chất cụ thể, từ trường tổng đó phải tách ra được các thành phần trường riêng biệt có liên hệ trực tiếp đến đối tượng cần nghiên cứu. Muốn vậy, người ta phải tiến hành biến đổi trường quan sát được nhằm nhấn mạnh thành phần trường cần thiết (được coi là phần hữu ích) và làm yếu đi các thành phần khác (được coi là nhiễu). Như vậy, các phép biến đổi trường dị thường trọng lực có điểm chung như phép lọc nhiễu, phân tách tín hiệu trong lý thuyết truyền tin.

Mục đích chính của phép biến đổi trường trọng lực (hoặc từ) là tách trường quan sát thành các thành phần tương ứng với đối tượng địa chất nằm ở các độ sâu khác nhau. Hiện nay có rất nhiều phương pháp biến đổi trường dị thường trọng lực. Tuỳ thuộc vào phép biến đổi mà hàm số sau khi biến đổi có thể có thứ nguyên của hàm số xuất phát (nhưng thuộc về mức khác) hoặc là các đạo hàm của hàm xuất phát. Các đạo hàm sau khi biến đổi có thể thuộc mức xuất phát hoặc là mức mới.

Các hàm biến đổi đôi khi có thứ nguyên là tích của hàm xuất phát với toạ độ. Dưới dạng toán học, tất cả các phép biến đổi đều được biểu diễn bằng công thức sau đây [3]: Vbđ(x0,y0,z0)=  Vxp ( , ,0)K (x0   , y0   , (1.1) z0)dd Trong trường hợp bài toán ba chiều, và: Vbđ(x0,z0)=  Vxp ( ,0)K (x0   , (1.2) z0)d Trong trường hợp bài toán hai chiều, trong đó: + V (x0, y0, z0) và b V (x0, z0) b là các hàm số đã được biến đổi. Vì K(x0  , y0 , z0) và K(x0   , thường là các toán tử tuyến tính nên tất z0) cả các biến đổi tương ứng gọi là các biến đổi tuyến tính. Phép biến đổi trường trọng lực và từ trong miền không gian chia làm ba nhóm chính: + Trung bình hoá.

+ Tiếp tục giải tích các dị thường trọng lực (xem như là các hàm điều hoà). + Tính các đạo hàm bậc cao của thế trọng lực. Chúng ta lần lượt xét đến các nhóm phương pháp trên. Phƣơng pháp trung bình hóa Việc phân chia các dị thường trọng lực ra thành các thành phần khu vực và địa phương nhờ phương pháp trung bình hoá được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

Bản chất của phương pháp trung bình hoá như sau: Xem trường trọng lực quan sát được gồm hai thành phần, thành phần khu vực Vr và thành phần địa phương Vl.3) Lấy trung bình trường quan sát được trong phạm vi của đường tròn bán kính R. Giá trị trung bình đó được biểu diễn bằng tích phân sau [1,2,3]: 1 2  V (0,0,0)=  V (1.4) R 2 (r,,0)rdrd 00 Bán kính R được chọn sao cho lớn hơn nhiều so với kích thước của các dị thường địa phương và nhỏ hơn nhiều so với kích thước của các dị thường khu vực. Khi thoả mãn điều kiện này thì thành phần khu vực được tách riêng ra từ trường quan sát. Do các dị thường địa phương âm và dương bù trừ lẫn nhau trong khi đó các thành phần khu vực ít bị thay đổi.

Do đó V  Vr , trường hợp đặc biệt nếu trường khu vực thay đổi theo quy luật tuyến tính nó hoàn toàn không bị thay đổi khi lấy trung bình, tức: V (0,0,0) = Vr(0,0,0) (1.5) 4 Sau khi tính được trường khu vực Vr, trường dị thường địa phương tính theo công thức: Vl = V -V (1.6) Để làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý của phương pháp trung bình hoá, người ta đưa vào khái niệm về mức độ trung bình hoá, đó là tỷ số giữa trường được trung bình hoá và trường xuất phát.7) V Mức độ trung bình hoá đồng thời đặc trưng cho mức độ chính xác của việc tách trường địa phương. Trong thực tế bán kính trung bình hoá R được chọn bằng phương pháp thực nghiệm theo trường đo được bằng cách áp dụng phương pháp tại các điểm khác nhau của trường với các bán kính trung bình khác nhau người ta vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa trường trung bình và bán kính trung bình. Theo đồ thị [1] ta sẽ chọn được bán kính trung bình tối ưu Rtư, Rtư được chọn là đại lượng R mà từ đó Vz(R) không thay đổi theo R nữa, hoặc Rtư là giá trị Vz(R) của R tương ứng với điểm uốn. Trong phương pháp trung bình hoá, ngoài cách lấy trung bình theo vòng tròn người ta còn lấy trung bình theo các hình khác nhau.

Một trong các hình hay được dùng là hình vuông , nhờ có Pa-lét vuông mà khối lượng phép tính được giảm đi rất 5 nhiều. Phương pháp trung bình hoá cũng như phép biến đổi trường trong miền không gian thường được thực hiện bằng Pa-lét. Người ta đưa ra các tiêu chuẩn để đánh giá khả năng lọc của Pa-lét qua việc đánh giá độ sâu. Đó là quá trình theo dõi sự biến đổi dị thường theo chiều sâu do một đơn vị nguồn điểm nằm tại độ sâu Z chứa toàn bộ nguồn của dị thường cần tách ra.

Trong phương pháp trung bình hoá, để đánh giá độ sâu người ta thường đưa vào một đại lượng gọi là đại lượng đặc trưng tương đối ký hiệu là N(z). Đại lượng này được định nghĩa như sau: Đặc trưng độ sâu tương đối N(z) là tỷ số giữa dị thường trọng lực đã biến đổi và khi chưa biến đổi. N(z) = M (z) Mbt(z) Nhờ biểu thức này ta sẽ biết vật thể ở độ sâu Z sau phép biến đổi dị thường của nó biến đổi như thế nào. M(z) - Dị thường trọng lực sau biến đổi.

Mbt(z) - Dị thường trọng lực chưa biến đổi. Các công thức này được Andrêep và Klusin xây dựng công thức tính như sau:    z  Mbt(z) =  d  g()J 0 ()d   d  21 (1.8) e z 0 0 0 + g() là giá trị trung bình của trường dị thường được quan sát trên đường tròn bán kính  nhận được sau khi tính toán với các giá trị đọc được tại các điểm nút của Palét. +  đóng vai trò như tần số vòng trong trường hợp hàm điều hoà.10) Z 2  R 2 (Z Z 2  R2 ) với : Z- Độ sâu đến vật thể gây ra dị thường. R- Bán kính trung bình hoá.

Theo công thức trên ta thấy N(z) là một hàm phụ thuộc vào độ sâu thế nằm Z. Khảo sát hàm N(z) thấy Z  0 thì N(z)  0 Z   thì N(z)  1 Nhìn đồ thị ta thấy dị thường gây ra bởi các vật thể nằm ở độ sâu bằng khoảng lấy trung bình Z = 2R và độ sâu hơn nữa là hầu như không thể thay đổi. Có thể chọn Z=2R làm độ sâu nghiên cứu. R là bán kính trung bình hoá tối ưu.

Có thể xác định R theo cách trình bày ở trên, biết R tìm được ra Z. Phƣơng pháp tiếp tục giải tích trƣờng. Cơ sở của phương pháp tiếp tục giải tích trường các dị thường trọng lực và từ là: Hàm thế được xem như một hàm điều hoà. Theo lý thuyết trường thế, nếu biết trước sự phân bố của các hàm thế hay các đạo hàm của chúng trong một miền nào đó không chứa vật thể gây dị thường, ta có thể xác định chúng trong toàn bộ không gian kể cả phần bên trong của vật thể chỉ 7 trừ các điểm đặc biệt, tại đó tính điều hoà của hàm số không tồn tại.