Tài liệu Nâng cao hiệu quả của phương pháp thăm dò trọng lực trong nghiên cứu cấu trúc địa chất ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHẠM NAM HƯNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ TRỌNG LỰC TRONG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu Mã số: 62 44 01 11 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội, năm 2015 1 Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Cao Đình Triều 2. PGS.TS. Đinh Văn Toàn Phản biện 1: GS.TS. Bùi Công Quế Phản biện 2: PGS.TS. Đỗ Đức Thanh Phản biện 3: TS. Nguyễn Tài Thinh Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: ................................................................................................. Vào lúc ........... giờ ........ ngày ........ tháng ......... năm 2015. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia, Hà Nội - Thư viện Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Thực tế kết quả công tác đo vẽ trọng lực thời gian qua ở Việt Nam cho thấy: Vẫn sử dụng các máy trọng lực thế hệ cũ với sai số lớn khi đo vẽ ở tỷ lệ lớn, tỷ lệ đo vẽ chưa đồng bộ giữa các vùng, khi thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer sử dụng công thức trường trọng lực bình thường của Helmert 1901-1909 với sự điều chỉnh giảm đi một hệ số 14 mGal mà chưa có tính toán cụ thể để chứng minh tính đúng đắn của công thức (1.3) và các hiệu chỉnh còn bỏ qua các yếu tố như: hiệu chỉnh biến thiên trọng lực, hiệu chỉnh địa hình chưa đầy đủ còn bỏ qua các yếu tố nằm trong bán kính trong là 30 m và yếu tố nằm ngoài bán kính ngoài 7.29 m. Mặt khác, số liệu tựa ban đầu (địa chấn, khoan, ...) hiện có ở Việt Nam là không nhiều cho việc minh giải tài liệu trọng lực. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài: “Nâng cao hiệu quả của phương pháp thăm dò trọng lực trong nghiên cứu cấu trúc địa chất ở Việt Nam” nhằm tiến hành xem xét các yếu tổ ảnh hưởng như biến thiên trọng lực và vấn đề hiệu chỉnh địa hình tới chất lượng tài liệu trọng lực Bouguer. Cũng như xem xét giảm thiểu tính đa nghiệm của bài toán ngược trọng lực trong điều kiện không có nhiều tài liệu tựa ban đầu. 2. Mục tiêu của luận án Nâng cao chất lượng của tài liệu trọng lực thăm dò và giảm thiểu tính đa nghiệm trong giải bài toán ngược trọng lực, phục vụ nghiên cứu cấu trúc địa chất ở Việt Nam. 3. Nhiệm vụ của luận án 1. Tính toán ảnh hưởng của biến thiên trọng lực và ảnh hưởng của địa hình đến tài liệu đo đạc trọng lực. 2. Lựa chọn và ứng dụng thử nghiệm các phương pháp phân tích định tính và định lượng tài liệu trọng lực trong nghiên cứu cấu trúc địa chất ở Việt Nam. 3. Giải bài toán thuận và ngược trọng lực 2D và 3D (ví dụ tại một khu vực cụ thể). 2 4. Kết quả khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 1. Nghiên cứu sinh đã khảo sát, đánh giá giá trị biến thiên trọng lực ở Việt Nam là 0.3 mGal, từ đó cho thấy cần phải tính hiệu chỉnh biến thiên đối với từng tỷ lệ bản đồ trong đo vẽ trọng lực. 2. Trong luận án nghiên cứu sinh đã khảo sát, đánh giá hiệu chỉnh địa hình phần đất liền lãnh thổ Việt Nam. Từ đó thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer đầy đủ tỷ lệ 1: 1.000.000 theo công thức trường bình thường Quốc tế 1980. 3. Xây dựng một số mô hình lý thuyết hợp lý từ đó phân tích và nhận định kết quả có đối sánh với các tuyến thăm dò địa chấn khu vực Biển Đông và các tuyến địa chấn dò sâu trên đất liền nhằm hạn chế được tính đa nghiệm của bài toán ngược trọng lực khi không có nhiều tài liệu tựa. 4. Các bản đồ độ sâu các mặt cơ bản vỏ Trái đất như mặt Kết tinh, Conrad, Moho lưu vực Sông Cả-Rào Nậy được xây dựng bằng phương pháp mô hình 2D, 3D có độ tin cậy cao. Đây là những thông tin độc lập có giá trị trong luận giải các quy luật về cấu trúc địa chất, địa động lực và các tai biến địa chất liên quan trong khu vực nghiên cứu. 5. Những điểm mới của luận án 1. Đã xác định được giá trị biến thiên trọng lực theo thời gian ở Việt Nam có biên độ thay đổi khoảng 0.3 mGal. 2. Lần đầu tiên thành lập bản đồ hiệu chỉnh địa hình với bán kính ngoài tới 70 km và bản đồ trọng lực Bouguer theo công thức Quốc tế 1980 cho toàn lãnh thổ Việt Nam, tương ứng với tỷ lệ 1/1.000.000. 3. Gợi ý phân tích lựa chọn mô hình bài toán thuận nhằm hạn chế tính đa nghiệm giải bài toán ngược trọng lực trong điều kiện không có số liệu tựa ban đầu (kết quả khoan thăm dò, địa chấn thăm dò,…). 6. Luận điểm bảo vệ 1. Nhằm loại trừ tối đa ảnh hưởng của địa hình tới chất lượng bản đồ dị thường trọng lực Bouguer cần thiết phải tiến hành tính toán hiệu chỉnh địa hình với bán kính vòng ngoài tối thiểu là 50 km. 3 2. Việc nhận dạng mô hình ban đầu trên cơ sở kết hợp các phương pháp: Gradient ngang, Gradient chuẩn hóa toàn phần và hệ số cấu trúc/mật độ có thể giảm được tính đa nghiệm giải bài toán ngược trọng lực 2D tại những khu vực thiếu tài liệu tựa ban đầu. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về phát triển phương pháp thăm dò trọng lực trên thế giới và ở Việt Nam. Chương 2: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biến thiên trọng lực và hiệu chỉnh địa hình tới chất lượng bản đồ trọng lực Bouguer. Chương 3: Giải pháp giảm thiểu tính đa nghiệm giải bài toán ngược trọng lực. Chương 4: Áp dụng quy trình đo đạc phân tích tài liệu trọng lực nhằm nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vỏ trái đất lưu vực Sông Cả - Rào Nậy. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ TRỌNG LỰC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Trên thế giới phương pháp thăm dò trọng lực được sử dụng từ những năm đầu của thế kỷ XX, ở Việt Nam phương pháp trọng lực được sử dụng sau năm 1960, chủ yếu tập trung vào các hướng nhiệm vụ: 1) Tìm kiếm thăm dò các cấu trúc chứa dầu khí; 2) Phục vụ nghiên cứu cấu trúc sâu và địa chất khu vực; 3) Đo đạc lập mạng lưới trọng lực cơ sở hạng cao quốc gia; 4) Đo giá trị trọng lực dọc các tuyến thuỷ chuẩn hạng cao phục vụ giải các bài toán trắc địa liên quan đến thông số tọa độ, độ cao Nhà nước. Và đã có một số kết quả cụ thể trong nghiên cứu cấu trúc địa chất lãnh thổ Việt Nam. Tuy nhiên trong công tác thăm dò trọng lực vẫn còn một số hạn chế về máy móc thiết bị, phương pháp xử lý đúc kết và phân tích tài liệu trọng lực, ... 1.1. Tổng quan về phát triển phương pháp thăm dò trọng lực trên thế giới 1.1.1. Về thiết bị đo trọng lực Đi cùng với sự phát triển về các máy đo trọng lực biển và hàng không thì các máy đo trọng lực mặt đất ngày càng hiện đại và có độ chính xác cao. 4 Từ các máy trọng lực thế hệ cũ như GAK-7T, GAK-PT, GAK-7S sản xuất những năm 1960, có độ chính xác không cao với sai số từ  0.03  0.06 mGal. Ngày nay trên thế giới đã có các máy trọng lực điện tử thế hệ mới với độ chính xác cao như: CG-3, CG-5, ZLS,... đạt độ chính xác từ 0.001 đến 0.005 mGal có thể đáp ứng được phép đo trọng lực chi tiết đến vi thăm dò trọng lực. 1.1.2. Về kỹ thuật đo đạc Tùy theo tỷ lệ đo vẽ bản đồ và chất lượng yêu cầu của tài liệu mà người ta thiết kế khoảng cách giữa các điểm và tuyến đo trong khu vực nghiên cứu. 1.1.3. Về phương pháp phân tích tài liệu trong nghiên cứu cấu trúc địa chất Trong nghiên cứu cấu trúc địa chất sâu vỏ Trái đất thì phương pháp thăm dò trọng lực đã chứng tỏ được tính hiệu quả vượt trội của nó so với các phương phá địa vật lý khác. Vì vậy, mấy chục năm trở lại đây các nhà địa vật lý trên thế giới và nước ta đã tập trung nghiên cứu và đưa ra được nhiều phương pháp mới để giải các bài toán thuận và ngược trọng lực được áp dụng cho trường hợp bài toán hai chiều của Manik Talwani và n.n.k (1959) và ba chiều của Talwani và Eving (1960), Parker (1973), đồng thời có những phần mềm chuyên dụng về xử lý tài liệu địa vật lý đã từng bước được thương mại hoá và ngày càng hiện đại như: bộ chương trình trường thế, phần mềm Oasis Montaj của Mỹ, Coscad 2D, 3D của Liên Bang Nga, ... 1.2. Công tác thăm dò trọng lực ở Việt Nam 1.2.1. Phát triển mạng lưới tựa trọng lực ở Việt Nam Hệ thống điểm tựa Quốc gia được phân làm 3 giai đoạn: Xây dựng 1973-1978, bổ xung và hiện đại hóa 1987-2000 và hoàn thiện nâng cấp 20012011. Đến nay, mạng lưới điểm tựa các hạng có được khoảng 500 điểm trọng lực phân bổ trên phạm vi phần đất liền lãnh thổ Việt Nam. 1.2.2. Thiết bị đo đạc trọng lực thăm dò Một số loại máy và thiết bị chủ yếu sử dụng đo đạc số liệu trọng lực đã được sử dụng ở Việt Nam trong thời gian qua gồm: - Các máy đo trọng lực tuyệt đối: OBM, AGAT của Liên Xô cũ, L&R 5 của Mỹ với độ chính xác 0.01÷0.05 mGal và các máy hiện đại GBL, GBL.M của Liên Bang Nga, với độ chính xác 5µGal. - Các máy đo điểm tương đối: Trước đây vẫn sử dụng các máy trọng lực thạch anh của Liên Xô cũ GAK-7T, GNU-K2, GNU-KV và Z400 của Trung Quốc, gần đây sử dụng thế hệ máy trọng lực điện tử có độ chính xác cao như CG-3, CG-5 của Canada và ZLS của Mỹ. Đi cùng với các máy trọng lực chính xác cao là các máy trắc địa phục vụ xác định tọa độ và độ cao: máy GPS 4.000 SI, GPS 4.600 LS, GPS 5.700 với sai số xác định toạ độ (Mxy)  ± 1m và độ cao (Mh)  ± 0.20 m. 1.2.3. Về tỷ lệ bản đồ nghiên cứu Trong những năm 1960-1964 đo vẽ trọng lực ở tỷ lệ nhỏ (1 : 500.000) chỉ mới được tiến hành trên phần lãnh thổ phía Bắc và sau năm 1975, đo vẽ trọng lực phần lãnh thổ phía Nam ở tỷ lệ 1 : 500.000 mới được triển khai và đều do các đơn vị trực thuộc Tổng Cục địa chất và Khoáng sản Việt Nam thực hiện. Từ sau những năm của thập kỷ 80, do nhu cầu tìm kiếm các loại khoáng sản rắn, tìm kiếm dầu khí và lập bản đồ địa chất ở các tỷ lệ khác nhau, công tác đo vẽ trọng lực được tiến hành trên từng vùng hoặc theo từng tờ bản đồ địa chất ở các tỷ lệ lớn hơn (từ 1: 200.000 đến 1: 100.000). Thời gian gần đây, công tác đo vẽ trọng lực phục vụ tìm kiếm, phát hiện khoáng sản có sự chuyển biến dần về chất trong quá trình đo vẽ lập bản đồ địa chất và điều tra khoáng sản ở tỷ lệ 1:50.000 và lớn hơn. Cho đến nay, nhờ những nỗ lực to lớn của ngành Địa chất Việt Nam mà chúng ta đã có được tờ bản đồ dị thường trọng lực Bouguer thống nhất toàn quốc tỷ lệ 1 : 500.000 [9]. 1.3. Phương pháp phân tích tài liệu trọng lực ở Việt Nam 1.3.1. Lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer Các bản đồ dị thường trọng lực Bouguer ở Việt Nam thành lập ở các năm 1985, 1995 và năm 2011 [8, 9] chủ yếu được thành lập trên cở sở công thức trường trọng lực bình thường Helmert (1901-1909) với một lượng hiệu chỉnh là 14 mGal và liên kết với hệ chuẩn Quốc tế Posdam với mật độ lớp 6 trung gian  = 2.67g/cm3, xác định theo công thức sau: g B  g qs  g 0  0.3086  0.0419 *  H  g dh (1.1) Trong đó: - g qs : Giá trị trọng lực tại điểm quan sát - g 0 : Giá trị trọng lực bình thường được xác định theo công thức Helmert (1901-1909) g 0  978016(1  0.005302 sin 2   0.000007 sin 2 2 ) (1.3) -  : Mật độ lớp trung gian lấy theo thế giới thừa nhận   2.67 g/cm3 - H: Độ cao điểm trọng lực so với mặt Geoit. - g dh : Giá trị ảnh hưởng địa hình xung quanh điểm trọng lực xác định theo phương pháp Prisivanco. Mặt khác, ở Việt Nam trước đây khi thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer còn bỏ qua một số hiệu chỉnh khác như: hiệu chỉnh đẳng tĩnh, ảnh hưởng biến thiên trọng lực theo Mặt trăng và Mặt trời và hiệu chỉnh địa hình chưa đầy đủ. 1.3.2. Phương pháp biến đổi trường trọng lực và giải bài toán ngược trọng lực Tùy thuộc vào đối tượng nghiên cứu và số liệu hiện có mà các tác giả sử dụng các phương pháp phân tích khác nhau trong nghiên cứu cấu trúc địa chất. Có thể kể đến các công trình của Bùi Công Quế [28, 29, 30], Cao Đình Triều [50, 51, 55, 59], Đinh Văn Toàn [42, 43], Đỗ Đức Thanh [38, 39], ... Các tác giả chủ yếu sử dụng các phương pháp phân tích truyền thống như phương pháp lựa chọn, biến đổi trường, phân tích thống kê, phương pháp tính đạo hàm bậc cao, phương pháp phân tích bài toán thuận và ngược 2 và 3D. Từ các công trình trình bày trên, nghiên cứu cấu trúc vỏ Trái đất theo tài liệu trọng lực ở nước ta vẫn còn một số ưu điểm và hạn chế: Về công tác xử lý, phân tích tài liệu trọng lực ở nước ta trong thời gian qua đã có nhiều đóng góp quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc địa chất, công tác điều tra khoáng khản rắn và lỏng. Tuy nhiên cũng bộc lộ một số hạn chế về các kết quả cần tiếp tục nghiên cứu khắc phục. 7 1.4. Kết luận chương 1 Từ nội dung đã trình bày trong chương 1, nghiên cứu sinh có một số kết luận như sau: - Vẫn sử dụng các máy trọng lực thế hệ cũ, với sai số lớn (sai số phép đo là ± 0.05 - 0.08 mGal). Chưa tính đến hiệu chỉnh biến thiên trọng lực khi đo đạc ở tỷ lệ 1:100.000 và lớn hơn. - Tỷ lệ nghiên cứu không đồng đều, khi tính toán dị thường trọng lực Bouguer vẫn thường sử dụng công thức trường trọng lực bình thường Helmert (1901-1909) với một sự điều chỉnh giảm đi 14 mGal mà chưa có tính toán cụ thể để chứng minh. - Hiệu chỉnh địa hình chưa đầy đủ, còn bỏ qua các yếu tố địa hình nằm ở vùng trong cùng nhỏ hơn 30m (đây là vùng gây nên giá trị lớn của hiệu chỉnh địa hình trong điều kiện địa hình thay đổi phức tạp như ở những vùng núi cao) và vùng ngoài bán kính lớn hơn 7.290m. - Hệ phương pháp sử dụng: Sử dụng các phương pháp định tính mang tính khu vực nhiều hơn, còn các phương pháp phân tích định lượng chủ yếu dựa vào tài liệu trọng lực ở tỷ lệ nhỏ. Mặt khác với tài liệu tựa ban đầu hiện có ở Việt Nam còn thiếu nên kết quả mang tính định lượng không cao. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN THIÊN TRỌNG LỰC VÀ HIỆU CHỈNH ĐỊA HÌNH TỚI CHẤT LƯỢNG BẢN ĐỒ TRỌNG LỰC BOUGUER 2.1. Ảnh hưởng của biến thiên trọng lực tới chất lượng của tài liệu trọng lực thăm dò ở Việt Nam 2.1.1. Biến thiên trọng lực Trọng lực tại một điểm bất kỳ trên mặt đất đều chịu tác dụng của các hành tinh trong hệ Mặt trời và vệ tinh Mặt Trăng dẫn đến một sự thay đổi hình dạng Trái đất. Sự biến đổi trọng lực như vậy gọi là biến thiên trọng lực theo Mặt trăng và Mặt trời. Theo Telford et. al, 1990 cho thấy biên độ biến thiên trong một ngày đêm có thể đạt 0.3 mGal, phụ thuộc vào vị trí (vĩ độ, kinh độ) và thời gian tại điểm thời điểm quan sát. Trong công tác thăm dò trọng lực đòi 8 hỏi độ chính xác cao, hay đo đạc mạng lưới điểm tựa Quốc gia với sai số phép đo là nhỏ hơn 0.3 mGal cần phải tiến hành hiệu chỉnh biến thiên trọng lực. 2.1.2. Biến thiên trọng lực ở Việt Nam Để khảo sát giá trị biến thiên trọng lực ở Việt Nam theo tính toán lý thuyết, NCS sử dụng công thức Longman, 1959 [115] tính cho 3 vị trí có vĩ độ khác nhau tại: Hà Nội, Đà Nẵng và Tp. Hồ Chí Minh trong năm 2014. Kết quả tính toán cho thấy đại lượng biến thiến lớn nhất đạt tới +0.19 mGal và thấp nhất -0.09 mGal, 0.25 Biến thiên (mGal) với biên độ biến thiên trong ngày lớn nhất gần bằng 0.3 mGal. Giá trị biến thiên là tương đối phức tạp, trong một ngày đêm có thể có 3 giá trị cao và 2 giá trị thấp, vị trí một quy luật phân bố nhất định Hà Nội 0.2 Đà Nẵng 0.15 0.15 Hồ Chí Minh 0.1 0.1 0.05 0.05 0 0 -0.05 -0.05 -0.1 -0.1 -0.15 0:00 các giá trị cao nhất luôn luôn thay đổi và chưa thấy biểu hiện 0.25 0.2 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 -0.15 0:00 Thời gian Hình 2.2: Giá trị biến thiên trọng lực theo vĩ tuyến tại Hà Nội, Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh tính trong 5 ngày từ ngày 2/2/2014 đến ngày 6/2/2014 nào. Mặt khác, theo kết quả giá trị biến thiên nhận được bằng máy trọng lực chính xác cao CG-5 trong các ngày 4 tháng 11 năm 2013 và ngày 4 tháng 12 năm 2014 tại Tp. Hồ chí minh cho thấy: Giá trị biên độ biến đổi lớn nhất cũng khoảng 0.3 mGal và các giá trị thu nhận được cũng khá trùng khớp với giá trị được tính toán bằng lý thuyết. 2.1.3. Ảnh hưởng của biến thiên tới chất lượng của tài liệu trọng lực thăm dò Theo kết quả khảo sát giá trị biến thiên ngày đêm ở Việt Nam có biên độ đạt gần 0.3 mGal. Chính vì vậy, theo yêu cầu về sai số điểm thường và sai số xác định dị thường trọng lực Bouguer khi đo vẽ bản đồ trọng lực ở tỷ lệ từ 1:100.000 và lớn hơn bắt buộc phải thực hiện phép hiệu chỉnh biến thiên trọng lực đối với các máy trọng lực thế hệ cũ. Còn đối với yêu cầu độ chính của sai số quan trắc ở tỷ lớn lớn hơn như tỷ lệ 1: 25.000, 1: 10.000 hoặc vi thăm dò 9 trọng lực thì ngoài phép hiệu chính biến thiên ra còn phải đưa vào các phép hiệu chỉnh khác như: hiệu chỉnh thủy triều, hiệu chỉnh lượng mưa, hiệu chỉnh áp suất không khí. 2.2. Về giá trị hiệu chỉnh địa hình ở Việt Nam Việc tính toán hiệu chỉnh địa hình trọng lực là một công việc rất khó khăn nhưng rất cần thiết và đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong việc thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer. Ở Việt Nam trước đây vẫn thường dùng các phương pháp truyền thống như: phương pháp Lucaptrenco, Beriozkin và phương pháp Prisivanco. Hạn chế của các phương pháp này là tính thủ công với bán kính hiệu chỉnh là không lớn nên chưa đảm bảo được độ chính xác của phép hiệu chỉnh. Ngày nay, với sự phát triển của phương pháp tính dựa trên thuật toán của Kane và Nagy được tính trên máy tính cá nhân, cho phép tính toán hiệu chỉnh một cách nhanh chóng và có độ chính xác cao, với sai số đảm bảo từ phép đo trọng lực chi tiết đến đo vi trọng lực. 2.2.1. Bài toán và số liệu tính hiệu chỉnh địa hình 2.2.1.1. Bài toán tính toán tính hiệu chỉnh địa hình Bài toán tính hiệu chỉnh địa hình dựa trên cơ sở thuật toán của Kane và Nagy được tính dựa trên sự ảnh hưởng của 4 vùng [106, 123]: 1/ Vùng ngoài, nằm ở khoảng cách có bán kính từ 16r trở ra; 2/ Vùng xa là vùng nằm trong phạm vi từ khoảng cách 8r đến 16r; 3/ Vùng gần (r- 8r); và 4/ Vùng trong cùng, có bán kính r, đặc điểm của vùng này là chứa điểm đo trọng lực. 2.2.1.2. Số liệu được sử dụng tính toán Để tính toán hiệu chỉnh địa hình phần đất liền lãnh thổ Việt Nam, tác giả sử dụng các nguồn số liệu sau: 1/ Bản đồ địa hình phần đất liền lãnh thổ Việt Nam ở tỷ lệ 1:500.000 (Cục Đo đạc và bản đồ). 2/ Bản đồ địa hình số độ cao DEM-30: được cung cấp bởi cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ với khoảng cách điểm là 30'' (xấp xỉ khoảng 1 km), 10 với hệ tọa độ trắc địa UTM-WGS84. 3/ Nguồn số liệu các điểm trọng lực: được cung cấp bởi Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam và các đơn vị khác có được, bao gồm 42.591 điểm phân bổ trên phạm vi phần đất liền lãnh thổ Việt Nam. 2.2.1.3. Phương pháp tính hiệu chỉnh địa hình Để nâng cao tính chính xác của phép hiệu chỉnh và giảm thiểu thời gian tính toán hiệu chỉnh, cần thiết phải tìm bán kính nhỏ nhất của vùng trong cùng (r) và vùng ngoài (R). Chú ý rằng, sự chọn các bán kính phụ thuộc vào mức độ phức tạp của địa hình trong vùng nghiên cứu. Chính vì vậy tác giả đã chọn 10 điểm đặc trưng cho khu vực miền núi Tây bắc và 4 điểm đặc trưng cho khu vực Tây Nguyên để khảo sát bán kính vùng trong và vùng ngoài trước khi tính hiệu chỉnh địa hình. 2.2.2. Khảo sát bán kính vùng trong (r) khi tính hiệu chỉnh địa hình Vì bán trong (r) phục thuộc rất lớn vào mức độ phức tạp của địa hình. Nhằm xác định r tối ưu tác giả đã tiến hành phép tính sau đây: 1- Chọn theo xác xuất một số điểm bất kỳ trong khu vực nghiên cứu và tiến hành tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình theo cách cho r thay đổi từ giá trị nhỏ nhất có thể được đến giá trị lớn nhất có thể được. 2- Thiết lập phân bố giá trị hiệu chỉnh trong quan hệ với r ta có được tập hợp đường cong phân bố. 3- Xác định vùng giá trị cực đại của hiệu chỉnh, từ đó xác định được bán kính tối ưu cho vùng trong cùng. 4 8 7 mGal 6 5 4 3 2 3.5 B¶o Léc Di Linh L¹c NghiÖp §µ L¹t 3 mGal Lµo cai Lai ch©u yªn ch©u Th¶o Nguyªn Cß Nßi S¬n La ThuËn Ch©u TuÇn Gi¸o §iÖn Biªn Sapa 2.5 2 1.5 500 m 1000 m 1500 m 2000 m 2500 m 3000 m 4000 m 5000 m Hình 2.13: Đồ thị khảo sát bán kính vùng trong cùng cho vùng núi Tây Bắc 500m 1000 m 1500 m 2000 m 2500 m 3000 m 4000 m 5000 m Hình 2.14: Đồ thị khảo sát bán kính vùng trong cùng cho vùng núi Tây Nguyên 11 Theo kết quả khát sát bán kính vùng trong hình ở hình 2.13 và hình 2.14 ta thấy: với bán kính r = 2.000 mét thì giá trị hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình vùng trong cùng đạt lớn nhất. Hay nói cách khác, bán kính vùng trong tối ưu vùng núi cao lãnh thổ Việt Nam là 2.000 mét. 2.2.3. Khảo sát bán kính vòng ngoài (R) trong hiệu chỉnh địa hình ở Việt Nam Cho R thay đổi với các khoảng cách khác nhau tăng dần từ bé đến lớn với số gia là 2.5 km ta vẽ được đường cong phụ thuộc giữa giá trị hiệu chỉnh của vùng ngoài với bán kính cần tính hiệu chỉnh (Hình 2.15 và 2.16). Với kết quả khảo sát bán kính tối thiểu cho vùng núi cao lãnh thổ Việt Nam ta thấy với bán kính ngoài từ R = 50 km trở đi thì giá trị hiệu chỉnh địa hình gần như ít thay đổi. Nếu khảo sát đến R = 70 km thì giá trị hiệu chỉnh gần như không tăng nữa. Hay có thể nói, với bán bính vòng ngoài R = 70 km thì giá trị hiệu chỉnh địa hình đạt giá trị tối thiểu cho phép tính hiệu chỉnh ở vùng núi cao. 8 4 7 mGal 5 4 3 3.5 B¶o Léc Di Linh L¹c NghiÖp §µ L¹t 3 mGal S¬n La Cß Nßi Th¶o Nguyªn ThuËn Ch©u §iÖn Biªn TuÇn Gi¸o Lµo cai yªn ch©u Sapa Lai ch©u 6 2.5 2 2 1.5 1 10 km 20 km 30 km 40 km 50 km 60 km 70 km 80 km 90 km 100 km Hình 2.15: Khảo sát bán kính vùng ngoài cùng R cho khu vực Tây Bắc 10 km 20 km 30 km 40 km 50 km 60 km 70 km 80 km 90 km 100 km Hình 2.16: Khảo sát bán kính vùng ngoài cùng R cho khu vực Tây Nguyên 2.2.4. Bản đồ giá trị hiệu chỉnh địa hình phần đất liền lãnh thổ Việt Nam Với việc khảo sát chọn bán kính vùng trong cùng được lấy bằng 2 km, bán kính vùng ngoài cùng lấy là 70 km và mật độ đất đá lấy bằng 2.67g/cm3. Kết quả tính hiệu chỉnh cho thấy (Hình 2.25): giá trị hiệu chỉnh địa hình cao nhất có thể lên đến 20.76 mGal ở vùng núi phía Bắc Việt Nam như tại Lai 12 Châu, Lào Cai,... và giá trị nhỏ dần về phía vùng đồng bằng. Nói chung, hầu hết giá trị hiệu chỉnh nhỏ hơn 10 mGal. 2.3. Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer phần đất liền lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở hiệu chỉnh địa hình đầy đủ 2.3.1. Về công thức tính trường bình thường Có rất nhiều công thức tính giá trị trọng lực bình thường như công thức Helmert 1901-1909, Kassignit, 1930, 1967,...Tuy nhiên, phổ biến nhất trên thế giới hiện nay sử dụng công thức Quốc tế 1980 khi thành lập bản đồ dị thường trọng lực Bouguer [119].Công thức như sau: g 0  978032.7(1  0.0053024 sin 2   0.0000058 sin 2 2 ) (2.17) Với độ chính xác 0.7 Gal 2.3.2. Giá trị trường trọng lực ở Việt Nam Phần đất liền Việt Nam trải dài từ vĩ độ 8030' đến 23030', với vĩ tuyến tuyến () trung bình là 150, giá trị trọng lực bình thường (g0) dao động trong khoảng rất lớn là 708.72 mGal, từ g0 = 978145.52 mGal ở vĩ độ  = 8030' đến vĩ độ giá trị g0 = 978854.23 mGal ở vĩ độ  = 23030'. Giá trị trọng lực bình thường (g0) càng tăng khi điểm trọng lực bình thường tăng theo chiều từ Nam ra Bắc. 2.3.3. Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer phần đất liền lãnh thổ Việt Nam Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer được xây dựng trên cơ sở Hình 2.25: Bản đồ phân bố giá trị hiệu chỉnh địa hình phần đất liện lãnh thổ Việt Nam 13 công thức trường bình thường Quốc tế 1980 và hiệu chỉnh địa hình đầy đủ phần đất liền lãnh thổ Việt Nam cho thấy: Cường độ trường dị thường trọng lực Bouguer Việt Nam có giá trị lớn đạt -175 mGal ở Mèo Vạc- Hà Giang và ở Sapa-Lào Cai và ở Mường Tè-Lai Châu cho đến giá trị +20 mGal ở Rạch GócCà Mau, Biên Hòa, Long An. Giá trị dị thường có xu thế tăng cao từ Bắc vào Nam và tăng dần từ Tây sang Đông. Các đường đẳng trị của trường phát triển có dạng dải, uốn lượn, gấp khúc tạo nên nhiều dị thường địa phương có hình dáng rất phức tạp về kích thước hình dạng và diện phân bố. Phương phát triển của đường đẳng trị cũng như phương phát triển của các trục dị thường cũng rất đa dạng, theo phương Tây Bắc-Đông Nam, phương Đông Bắc-Tây Nam là chủ yếu, tiếp theo là phương Á vĩ tuyến và Á kinh tuyến. Miền trường có giá trị dương dao động từ 0 đến 20 mGal trải dài cách đoạn dọc theo bờ biển từ Móng Cái-Quảng Ninh đến Bà Rịa-Vũng Tàu và bao trùm hầu hết đồng bằng Nam Bộ. Miền trường có giá trị âm phân bố trên diện rộng, bao trùm hầu hết các miền núi phía Bắc, Đông bắc và Tây Nguyên. 2.4. Kết luận chương 2: Trên cơ sở trình bày các phép hiệu chỉnh ảnh hưởng tới chất lượng tài liệu trọng lực Bouguer, có thể đưa ra một số nhận định sau: 1. Các máy đo trọng lực thế hệ mới có chế độ tự động hiệu chỉnh biến thiên, các loại máy còn lại thì phải tính hiệu chỉnh biến thiên trọng lực. Giá trị biến thiên trọng lực ở Việt Nam thay đổi với biên độ khoảng 0.3 mGal. Với phép đo trọng lực ở tỷ lệ 1:100.000 và lớn hơn cần thiết phải thực hiện hiệu chỉnh biến thiên trọng lực. 2. Cần thiết phải tiến hành khảo sát lựa chọn bán kính vùng trong cùng và bán kính vùng ngoài cùng trước khi tiến hành thiết lập quy trình tính hiệu chỉnh địa hình. Khảo sát vùng trong cùng tối ưu là nhằm lựa chọn bán kính mà có mô hình lý thuyết phù hợp nhất với địa hình thực tế nhằm nâng cao được tính đầy đủ của phép hiệu chỉnh. Khảo sát vùng ngoài tối thiểu để tìm ra bán kính bao nhiêu là đủ cho tính hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trong một phương án thăm dò cụ thể để đạt yêu cầu kỹ thuật đặt ra từ trước. 14 3. Với bán kính vùng trong lấy bằng r = 2 km và bán kính vùng ngoài R = 70 km được sử dụng để tính hiệu chỉnh địa hình phần đất liền lãnh thổ Việt Nam. Kết quả cho thấy hơn một nửa giá trị hiệu chỉnh nhỏ hơn 10 mGal. Giá trị hiệu chỉnh ở vùng đồng bằng nhỏ hơn 2 mGal. Giá trị hiệu chỉnh lớn nằm ở vùng miền núi phía Bắc, gần bằng 21 mGal. Bản đồ trọng lực Bouguer đầy đủ theo công thức trường bình thường Quốc tế 1980 được thành lập cho toàn lãnh thổ Việt Nam có độ tin cậy cao. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU TÍNH ĐA NGHIỆM GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC 3.1. Mở đầu Với thực tế hiện nay, số liệu tựa ban đầu cho việc giải toán ngược trọng lực là rất thiếu, trong khi bài toán ngược trọng lực là bài toán đa nghiệm. Mục đích của việc xây dựng mô hình là để khảo sát trường dị thường bằng các phương pháp đã chọn trên mô hình lý thuyết để nhận biết và đưa ra các thông tin tiên nghiệm về các đặc điểm nhận dạng hình dạng vật thể, hình thái cấu trúc, ranh giới phân chia địa chất (đứt gãy), đặc điểm thay đổi của trường theo từng mức tính chuyển trường, tính đạo hàm bậc cao và gradient trọng lực theo tuyến. Từ đó có phân tích, nhận định và đánh giá quy trình xử lý tài liệu trọng lực áp dụng trong nghiên cứu cấu trúc địa chất. Thông thường để giải bài toán trọng lực trên mô hình lý thuyết, các bước sau đây được áp dụng: 1. Tạo mô hình ban đầu: Tức là xây dựng một mô hình hình học lý thuyết dựa trên một số giả định về địa chất như: mật độ, đặc điểm địa mạo,v.v. 2. Khảo sát mô hình đã lập: Tính đường cong lý thuyết của mô hình, thực hiện các phép biến đổi trường trên mô hình đã lập. 3. Ứng dụng mô hình: Từ tính toán trên mô hình lý thuyết, đưa ra các thông tin tiên nghiệm để áp dụng cho việc giải bài toán ngược trọng lực. 3.2. Hệ phương pháp xác định thông tin tiên nghiệm và ứng dụng trong bài toán mô hình hóa cấu trúc 2D 3.2.1. Xây các mặt cắt biến đổi trường trọng lực 15 Có rất nhiều phương pháp biến đổi trường trọng lực trong minh giải tài liệu trọng lực theo tuyến, nhưng theo các kết quả nghiên cứu trước đây của Cao Đình Triều 2004, 2006 có thể sử dụng 3 phương pháp sau: Mặt cắt gradient ngang, gradient chuẩn hóa toàn phần và hệ số cấu trúc/mật độ. Các phương pháp này được sử dụng hỗ trợ cho nhau nhằm xác định vị trí đứt gãy, cấu trúc phục vụ xây dựng mô hình cấu trúc ban đầu trong luận án của mình. 3.2.2. Xây dựng bài toán mô hình lý thuyết 2D trong phân tích tài liệu trọng lực NCS đã xây dựng các dạng bài toán mô hình lý thuyết cho trường hợp một hoặc hai vật thể thẳng đứng và nghiêng có giá trị mật độ thay đổi trong từng phân lớp cấu trúc địa chất. Từ giá trị đường cong trọng lực nhận được trên các mô hình lý thuyết đã lập, sử dụng các phép biến đổi trường ở trên nhằm nhận dạng lại mô hình ban đầu. Kết quả trên các mặt cắt cho thấy: 1. Đối với vật thể cắm thẳng đứng: - Mặt cắt gradient ngang có sự đổi dấu khi đi qua tâm của vật thể gây dị thường và có hai dải cực trị trùng với hai mép biên của vật thể. - Mặt cắt gradient chuẩn hoá toàn phần cho thấy vùng cực trị tương ứng với vị trí không gian vật thể. Ranh giới phân lớp ngang trùng với tâm các điểm cực trị,... - Đối với mặt cắt hệ số cấu trúc/mật độ: Khi đi qua đứt gãy có sự đổi dấu và tạo ra dị thường dương âm ngay vị trí vật thể. Đường đẳng trị "0" gần như có hướng trùng với vị trí đứt gãy, cũng chính là các điểm đặc biệt liên quan đến mép bên của vật thể, tức là ranh giới thẳng đứng phân chia môi trường. 2. Đối với vật thể cắm nghiêng: Về dáng điệu thay đổi của đường cong dị thường cũng giống như dạng mô hình đứt gãy thẳng đứng, tuy nhiên dáng điệu đường đẳng trị thay đổi khác nhiều. Xu thế của các đường đẳng trị nghiêng theo xu thế góc nghiêng của đứt gãy. Đó cũng là một dấu hiệu khi ta xác định góc cắm của đứt gãy. 16 3.3. Mô hình cấu trúc vỏ Trái đất theo 2 tuyến địa chấn dò sâu Ở đây, NCS xây dựng mô hình ban đầu cho 2 tuyến phân tích trọng lực dựa theo các kết quả phân tích bài toán thuận ở mục 3.2, từ đó giải bài toán ngược trọng lực và đối sánh kết quả nhận được theo 2 tuyến địa chấn dò sâu của Đinh Văn Toàn, 2012 [44]. 3.3.1. Xây dựng mô hình ban đầu dọc 2 tuyến nghiên cứu Áp dụng các phép biến đổi và phân tích 3 thành phần trường trên các mô hình lý thuyết để xây dựng mô hình ban đầu cho 2 tuyến trọng lực: Tuyến 1: Thái Nguyên - Hòa Bình và Tuyến 2: Hòa Bình - Thanh Hóa. Kết quả mô hình xây dựng ban đầu phản ánh sơ bộ cấu trúc địa chất với độ lệch giữa đường cong đo đạc và đường cong nhận được từ mô hình ban đầu nằm trong khoảng 5-7 mGal và ta chỉ cần điều chỉnh mô hình sao cho 2 đường cong trùng khít nhất. 3.3.2. Mặt cắt cấu trúc vỏ Trái đất dọc 2 tuyến nghiên cứu Từ mô hình ban đầu có được ở trên, tiến hành giải bài toán ngược. Kết quả theo 2 tuyến phân tích trọng lực cho thấy: + Mặt kết tinh thay đổi từ 1 km đến 5 km, với mật độ lớp trầm tích thay đổi trong khoảng 2.63÷2.67 g/cm3. + Mặt Conrad thay đổi từ 11 km đến 18 km, với mật độ lớp granit thay đổi 2.68÷2.75 g/cm3. + Mặt Moho thay đổi từ 28 km đến 36 km, với mật độ lớp Bazan thay đổi trong khoảng 2.89÷2.94 g/cm3. 3.3.3. Đối sánh kết quả phân tích theo tài liệu trọng lực và địa chấn dò sâu Theo các bước phân tích từ bài toán mô hình hóa và kết quả nhận được từ giải bài toán ngược trọng lực, tác giả có đối sánh với 2 tuyến địa chấn dò sâu của Đinh Văn Toàn [44] cho thấy: - Về mặt ranh giới ngang các mặt cơ bản vỏ Trái đất như: Kết tinh, Conrad và Moho là khá tương đồng nhau về độ sâu. - Vị trí các đứt gãy được xác định trên 2 tuyến trọng lực cũng khá trùng 17 với các đứt gãy lớn phân chia các ranh giới cấu trúc như: Sông Lô, Sông Chảy, Sông Mã, Mường La-Bắc Yên,... Sự phù hợp chặt chẽ giữa bài toán trọng lực và phương pháp địa chấn thăm dò chứng tỏ hiệu quả của bài toán phân tích trọng lực và khả năng áp dụng phương pháp phân tích kết hợp giữa hai loại tài liệu: trọng lực và địa chấn thăm dò. 3.4. Kết luận chương 3 1. Qua 3 phép biến đổi và phân tích các thành phần trường trọng lực khảo sát trên mô hình lý thuyết và thực tế là: Gradient ngang, gradient chuẩn hóa toàn phần và bài toán mô hình cấu trúc/mật độ cho phép chúng ta có thể xác định được sơ bộ hình dạng vật thể tương đối chính xác về vị trí đứt gãy và ranh giới ngang của các mặt cơ bản vỏ Trái đất. Đó là các thông tin tiên nghiệm ban đầu phục vụ cho việc giải bài toán ngược trọng lực. 2. Quy trình nhận biết và phân tích tài liệu đưa ra kết hợp chặt chẽ các phép biến đổi định tính và định lượng được áp dụng trên 2 tuyến trọng lực có đối sánh với các tuyến chuẩn địa chấn là khá tương đồng về cấu trúc địa chất, đứt gãy. Vì vậy có thể áp dụng hướng phân tích này cho các vùng khác khi chúng ta không có nhiều tài liệu tựa ban đầu. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG QUY TRÌNH ĐO ĐẠC PHÂN TÍCH TÀI LIỆU TRỌNG LỰC NHẰM NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VỎ TRÁI ĐẤT LƯU VỰC SÔNG CẢ - RÀO NẬY 4.1. Mở đầu Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu biến thiên trọng lực và hiệu chỉnh địa hình trên lãnh thổ Việt Nam, hệ phương pháp xử lý và phân tích đã thử nghiệm và áp dụng trên mô hình theo nhiều phương án khác nhau được nghiên cứu sinh trình bày trong chương 2 và chương 3. Trong chương này nghiên cứu sinh áp dụng quy trình đo đạc và phân tích tài liệu trọng lực nhằm nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vỏ Trái đất lưu vực Sông Cả - Rào Nậy. 4.2. Mô hình cấu trúc vỏ Trái đất dọc 6 tuyến nghiên cứu 4.2.1. Đo đạc và tính toán dị thường trọng lực Bouguer 18 4.2.1.1 Công tác đo đạc Đo đạc 6 tuyến trọng lực tỷ lệ 1/200.000 (khoảng cách điểm đo là 1.000 – 1.500m) với tổng số điểm đo là 1.109, được phân bố cắt ngang qua phương cấu trúc khu vực nghiên cứu. 4.2.1.2 Tính toán dị thường trọng lực Bouguer Việc tính toán dị thường trọng lực Bouguer được xác định trên cở sở công thức trọng lực bình thường Quốc tế 1980. Đã tính ảnh hưởng của biến thiến trọng lực và hiệu chỉnh địa hình với bán kính ngoài được lấy 50 km. Với chất lượng tài liệu đo đạc tính toán được bằng 0.089 mGal, giá trị này nằm trong giới hạn yêu cầu của phương án đo trọng lực tỷ lệ 1 : 200.000 (da = ±0.3 mGal) [70]. 4.2.2. Cấu trúc vỏ Trái đất dọc 6 tuyến nghiên cứu Quá trình phân tích tài liệu trọng lực Bouguer theo 6 tuyến đo đạc được tiến hành theo các bước phân tích ở chương 3. Kết quả cho ta bức tranh về mô hình cấu trúc vỏ Trái đất dọc theo các tuyến nghiên cứu cho thấy: - Mặt móng kết tinh biến đổi khá phức tạp, từ lộ ra trên bề mặt đến 5 km. Có biểu hiện phân khối cấu trúc rõ nét đối với ranh giới này với mật độ nằm ngang của lớp trầm tích trong khoảng 2.63 ÷ 2.67 g/cm3. - Mặt Conrad biến đổi khá phức tạp, biến động trong giới hạn 12 ÷ 16 km. Có biểu hiện phân khối cấu trúc rõ nét đối với ranh giới này với mật độ nằm ngang lớp granit thay đổi trong khoảng 2.69 ÷ 2.73 g/cm3. - Và mặt Moho biến động trong giới hạn 26 km ÷ 35 km. Có biểu hiện phân khối cấu trúc rõ nét đối với ranh giới này với mật độ nằm ngang của lớp bazan thay đổi trong giới hạn 2.89 ÷ 2.92 g/cm3. 4.3. Đặc điểm cấu trúc vỏ Trái đất lưu vực Sông Cả - Rào Nậy 4.3.1. Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer lưu vực Sông Cả-Rào Nậy Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer lưu vực Sông Cả - Rào Nậy được thành lập dựa trên cơ sở công thức trọng lực bình thường Quốc tế (năm 1980). Bao gồm 1.832 điểm đo mới và 713 điểm thu thập được.