Luận án tiến sĩ 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

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng lý thuyết wavelet phân tích nội suy vận tốc, biến dạng không gian từ dữ liệu GPS mạng lưới địa động lực.

• 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
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Lý Thuyết Xấp Xỉ Sóng Nhỏ (Biến Đổi Wavelet) Để Phân Tích Vận Tốc Và Biến Dạng Từ Dữ Liệu GPS Mạng Lưới Địa Động Lực
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sỹ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 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. Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam
• 1.3. Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.4. Tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 1.5. Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa trên thế giới. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.6. 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
• 3.13. Tính các đại lượng biến dạng
• 3.14. Sơ đồ quy trình tính toán
• 3.15. Phần mềm tính toán các đại lượng biến dạng
• 3.16. Kết quả tính toán, biên tập bản đồ trường biến dạng khu vực miền Bắc Việt Nam
• 3.17. Đánh giá hiệu quả của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 3.18. Đánh giá kết quả phân tích biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ với phương pháp tính biến dạng Frank
• 3.19. 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
• 3.20. Thảo luận, đánh giá chung về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
• 3.21. 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. Lý thuyết wavelet và ứng dụng trong phân tích dữ liệu GPS

Lý thuyết wavelet là một công cụ toán học mạnh mẽ, được sử dụng để phân tích tín hiệu và dữ liệu không gian. Trong nghiên cứu này, lý thuyết wavelet được áp dụng để phân tích vận tốc và biến dạng từ dữ liệu GPS thu thập từ mạng lưới địa động lực. Phương pháp này cho phép xử lý dữ liệu ở nhiều mức độ chi tiết khác nhau, giúp phát hiện các biến đổi nhỏ trong vận tốc GPS và biến dạng địa chất. Ứng dụng lý thuyết wavelet trong trắc địa đã được chứng minh hiệu quả trên thế giới, đặc biệt trong việc nghiên cứu địa động lực học và dự báo tai biến tự nhiên.

1.1. Cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG

Hàm sóng nhỏ DOG (Difference of Gaussians) là một trong những hàm cơ bản trong lý thuyết wavelet, được sử dụng để phân tích dữ liệu trên mặt cầu. Hàm này cho phép xác định các biến đổi trong vận tốc chuyển dịch và biến dạng từ dữ liệu GPS. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc nội suy trường vận tốc chuyển dịch và tính toán các đại lượng biến dạng như tốc độ xoay, tốc độ biến dạng, và tốc độ trương nở. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm DOG có độ chính xác cao trong việc mô phỏng các hiện tượng địa động lực học.

II. Phân tích vận tốc và biến dạng từ dữ liệu GPS

Phân tích vận tốc và biến dạng từ dữ liệu GPS là một trong những nhiệm vụ chính của nghiên cứu này. Dữ liệu GPS được thu thập từ mạng lưới địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam, bao gồm các điểm quan trắc được đo đạc trong giai đoạn 2012-2017. Phương pháp phân tích dữ liệu dựa trên lý thuyết wavelet cho phép xác định các vận tốc chuyển dịch tuyệt đối và địa phương, cũng như nội suy trường vận tốc chuyển dịch không gian. Kết quả cho thấy, các đứt gãy khu vực miền Bắc có tốc độ biến dạng nhỏ, tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc.

2.1. Tính toán vận tốc chuyển dịch địa phương

Quy trình tính toán vận tốc chuyển dịch địa phương được thực hiện dựa trên dữ liệu GPS từ các điểm quan trắc. Phương pháp nội suy trường vận tốc sử dụng lý thuyết wavelet cho phép xác định các giá trị vận tốc tại các điểm lưới GRID. Kết quả tính toán cho thấy, vận tốc chuyển dịch khu vực miền Bắc có sự biến đổi nhỏ, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về địa động lực học khu vực này.

III. Ứng dụng lý thuyết wavelet trong địa động lực học

Ứng dụng lý thuyết wavelet trong nghiên cứu địa động lực học đã mang lại nhiều kết quả quan trọng. Phương pháp này cho phép xác định các đại lượng biến dạng như tốc độ xoay, tốc độ biến dạng, và tốc độ trương nở từ dữ liệu GPS. Kết quả nghiên cứu cho thấy, lý thuyết wavelet có độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống như phương pháp tam giác Frank. Điều này khẳng định tính hiệu quả của lý thuyết wavelet trong việc phân tích biến dạng địa chất và dự báo tai biến tự nhiên.

3.1. Tính toán các đại lượng biến dạng

Các đại lượng biến dạng được tính toán dựa trên kết quả nội suy trường vận tốc chuyển dịch. Phương pháp lý thuyết wavelet cho phép xác định tensor gradient vận tốc, tốc độ xoay, và tốc độ biến dạng với độ chính xác cao. Kết quả tính toán cho thấy, các đứt gãy khu vực miền Bắc có tốc độ biến dạng nhỏ, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về địa động lực học khu vực này.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, lý thuyết wavelet là một công cụ hiệu quả trong việc phân tích vận tốc và biến dạng từ dữ liệu GPS. Phương pháp này không chỉ giúp xác định các đại lượng biến dạng với độ chính xác cao mà còn hỗ trợ trong việc dự báo tai biến tự nhiên. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc quy hoạch và xây dựng các công trình hạ tầng, cũng như trong việc dự báo và phòng ngừa các tai biến địa chất.

4.1. Đánh giá hiệu quả của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ

Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ được đánh giá là có hiệu quả cao trong việc phân tích biến dạng địa chất. So sánh với phương pháp tam giác Frank, lý thuyết wavelet cho kết quả chính xác hơn và phù hợp hơn với các nghiên cứu về địa động lực học. Kết quả này khẳng định tính ưu việt của lý thuyết wavelet trong việc phân tích dữ liệu GPS và ứng dụng trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Trình bày tổng quan về những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất; tổng quan về tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam; tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ ở Việt Nam và trên thế giới. Cơ sở lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất: Trình bày cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu; cơ sở lý thuyết tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS; cơ sở lý thuyết nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ; cơ sở lý thuyết tính các đại lượng biến dạng của khu vực. Thực nghiệm tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam: Trình bày những phân tích đánh giá chất lượng mốc quan trắc và số liệu đo GNSS, đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán vận tốc chuyển dịch tuyệt đối trên khu vực miền Bắc Việt Nam; trình bày quy trình, phần mềm tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc, nội suy vận tốc chuyển dịch không gian cho các điểm lưới GRID đặc trưng cho trường vận tốc chuyển dịch khu vực, tính các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất trên khu vực Miền Bắc; trình bày kết quả tính toán thực nghiệm xác định trường biến dạng khu vực miền Bắc Việt Nam và thảo luận các vấn đề nghiên cứu nhằm làm rõ các ưu, nhược điểm cũng như khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong tính toán xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất ở quy mô khu vực.

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 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 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 (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 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 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.