Địa chất đới bờ ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 5 pptx

Để đánh giá những biến đổi địa chất và địa mạo của đới bờ, người ta thường lồng ghép các nhóm nghiên cứu theo 3 thể loại sau: 1 Những nghiên cứu đương đại về các qúa trình xảy ra trong đ

CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT ĐỚI BỜ

5.1 GIỚI THIỆU

a Để đánh giá những biến đổi địa chất và địa mạo của đới bờ, người ta thường lồng ghép các nhóm nghiên cứu theo 3 thể loại sau: (1) Những nghiên cứu đương đại về các qúa trình xảy ra trong điều kiện tự nhiên dựa trên các số liệu khảo sát thực địa và phân tích trong phòng thí nghiệm; (2) Những thông tin, tư liệu thu thập từ các nguồn lưu trữ như ảnh, bản đồ,…; (3) Những nghiên cứu trước đây dựa trên cơ sở địa tầng học và các nguyên lý địa chất liên quan (H.5.1) Trong phạm vi mỗi nhóm, những dấu hiệu thể hiện sự biến đổi của đới bờ có thể xuất hiện trong một quy mô thời gian nào đó Chẳng hạn, những biến đổi theo thuỷ triều và theo mùa thường rất quan trọng trong các nghiên cứu hiện đại, nhưng những biến đổi mực nước trong thời Holocene thì lại có ý nghĩa lớn đối với các nghiên cứu môi trường cổ Trong các nghiên cứu về những biến đổi diễn ra ở môi trường cổ, những dao động thủy triều thường rất khó xác định, nhưng với quá trình nghiên cứu đương đại thì sự biến đổi của mực nước biển chỉ là yếu tố thứ yếu vì nó diễn ra quá chậm chạp

b Có rất nhiều kênh thông tin sẵn có giúp chúng ta có thể dễ dàng tiếp cận được lịch sử địa chất và địa mạo của đới ven bờ Một trong những phương pháp tìm kiếm các nguồn thông tin đó là dựa vào việc thu thập các tư liệu nghiên cứu và số liệu khảo sát tại thực địa Những dữ liệu này có thể là dưới dạng số hoặc thông tin nghiên cứu được xử lý, phân tích tại thực địa, trong phòng thí nghiệm hoặc tại văn phòng Những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được dùng để thu thập dữ liệu thông quá các cuộc thí nghiệm mô hình vật lý, chẳng hạn như bể tạo sóng, hoặc để phân tích các đặc điểm địa chất theo số liệu thực địa, chẳng hạn như phân tích độ hạt và thành phần khoáng vật Những nghiên cứu trong phòng gồm luận giải các bản đồ thời xưa, ảnh và các tài liệu tham khảo cũng như phân tích và mô phỏng

số hoá các dữ liệu thực địa, thực nghiệm và văn phòng Tiêu bảng nhất là phải có được nhận thức tổng thể đầy đủ về các quá trình môi trường và lịch sử địa chất của các bờ thông qua một tổ hợp rộng rãi các phương pháp và các kênh thu thập thông tin

c Chất lượng của kết quả phụ thuộc một số yếu tố, kể cả những dữ liệu hiện có Nếu các nghiên cứu dữ liệu đã được xử lý (các bản đồ, ảnh và văn liệu hiện có) là hạn chế thì việc đánh giá lịch sử địa chất sẽ khó khăn, tốn kém hơn và chính là ít chính xác hơn Do đó, trước khi tiến hành các nghiên cứu tại thực địa, trong phòng thí nghiệm hay trong văn phòng, cần phải tổng hợp tài liệu thật chu đáo và tìm kiếm những nguồn dữ liệu đã được xử lý Phụ lục E và F liệt kê những nguồn và cơ quan có thể tư vấn cho việc tìm kiếm những nguồn dữ liệu đã được xử lý

d Chất lượng của các thiết bị và công cụ, tiện nghi kỹ thuật cũng ảnh hưởng đến chất lượng đánh giá lịch sử địa chất và địa mạo Thí dụ, các thiết bị đi biển và máy đo độ sâu bằng dò tiếng dội (echo sounding) mới đây đã được cải tiến Khi sử dụng những công cụ này việc vẽ bản đồ địa chất và địa mạo có thể tiến hành được ở những vùng ngoài biển xa hơn, với độ chính xác cao hơn so với trước đây Điều quan trọng là các nhà nghiên cứu bờ phải sử dụng được những thiết bị và phương pháp mới như viễn thám và các máy móc địa vật lí, các

phương tiện máy tính điện tử, phần cứng cũng như phần mềm và các phương pháp trong phòng thí nghiệm Thí dụ Hệ thống Thông tin Địa lý GIS vừa mới được xây dựng gần đây giúp các nhà nghiên cứu bờ trong việc phân tích và luận giải những tập dữ liệu không gian

có độ phức tạp cao Bài viết này đề cập một vài phát kiến và kỹ thuật mới được sử dụng để phân tích các tập dữ liệu về bờ

Hình 5-1: Các phương pháp nghiên cứu địa mạo dới bờ theo quy mô thời gian Mũi ten chỉ quang thời gian

tương ứng với phương pháp được ứng dụng Không có đơn vị theo trục x Độ đậm nhạt của các đường thể

hiện tính mức độ ứng dụng của phương pháp trong các nghiên cứu đới bờ

e Các nhà khoa học phải phát hiện được những sai sót và những giả định khi thu thập

và phân tích dữ liệu và phải chỉnh lí chúng trước khi có ý định luận giải chúng Điều rất quan trọng là phải giải thích được nguồn gốc các sai sót trong việc đánh giá những biến đổi đã sảy

ra và thấy được những giới hạn của việc lí giải và đưa ra kết luận khi chúng dựa trên những

dữ liệu bao quát một thời gian ngắn hoặc cho một vùng hạn hẹp

f Nhiều thiết bị và phương pháp được dùng để kiểm soát các quá trình và địa hình ở đới ven bờ là cực kỳ phức tạp Chương này đề cập một vài trong số nhiều sai sót có thể xảy ra khi người sử dụng các thiết bị và phương pháp này còn thiếu kinh nghiệm, hoặc sử dụng các

dữ liệu từ nguồn bậc hai mà không có một đánh giá có tính phê phán nào Phần này không

có ý định làm nản chí các nhà nghiên cứu bờ mà chỉ mong muốn hướng dẫn họ tìm kiếm những nguồn tham khảo khác hoặc dành cho những chuyên gia đang cần những lời khuyên chuyên gia

5.2 CÁC NGUỒN THÔNG TIN HIỆN CÓ VỀ BỜ

a Các nguồn văn liệu

(1) Các khoa ở các trường đại học và cao học và các thư viện

Trong nhiều trường hợp sách, ấn phẩm định kỳ, luận văn, luận án và các báo cáo về các

dự án nghiên cứu của khoa… đều chứa các dữ liệu Những dữ liệu này có nhiều, đặc biệt ở những cơ quan đóng ở gần bờ, nơi các nhà khoa học được các ban ngành chính quyền của bang, liên bang cấp kinh phí (như Sea Grant), nơi mà trường thì dạy và các khoa thì tích cực tham gia nghiên cứu trong các lãnh vực thích hợp Những trường đại học lớn đều có các kho lưu trữ của bang, nơi các tư liệu, ấn phẩm của chính quyền liên bang và bang được lưu trữ

(2) Các nguồn địa phương

Các nguồn này có thể cung cấp dữ liệu chi tiết và đôi khi là duy nhất liên quan địa phương cục bộ này Các nguồn này bao gồm báo chí địa phương, hồ sơ của các cơ quan địa phương, nhật ký lịch sử, hồ sơ của trạm đèn biển, báo chí địa phương, hồ sơ hợp đồng xây dựng, những cuộc mua bán đất và bảo tàng

(3) Các cơ quan chính phủ

Các tư liệu địa chất miền ven bờ có thể tìm thấy trong các cơ quan chính phủ ở các cấp liên bang, bang và địa phương (phụ lục E và F) Những cơ quan liên bang có tư liệu gồm Sở địa chất Hoa Kỳ (USGS), Sở Trắc địa và Quản lý bờ Hoa Kỳ (USCGS), Cục Hải dương học

và Khí quyển Quốc gia (NOAA), các đơn vị Công binh Hoa Kỳ (USACE) (gồm các trạm thí nghiệm đường thuỷ, các cơ quan của USACE và đơn vị quân đội), Bộ Vận tải, Cục Bảo vệ Môi trường, Cục Ngư nghiệp và Sinh vật hoang dã, và Phòng Nghiên cứu Thí nghiệm Hải quân (NRL) Phụ lục G cung cấp danh mục các báo cáo địa chất và kiểm soát ven bờ của CERC Các cơ quan bang có thông tin về miền ven bờ bao gồm các cục địa chất bang (hoặc các sở địa chất), các sở vận tải, các sở tài nguyên môi trường và/hoặc tài nguyên nước, và các cơ sở kế hoạch Một vài sở y tế cũng lưu trữ những tư liệu tốt

(4) Các cơ quan công nghiệp

Các công ty năng lượng (dầu và khí) thường có các tư liệu mà các nhà khoa học có thể tiếp cận được Đó là các tư liệu về các quá trình diễn ra ở ven bờ có liên quan với các hoạt động khoan ở ngoài khơi Các công ty xây dựng có tài liệu trong đĩa máy tính về các dự án xây dựng Các hãng xây dựng và môi trường cũng có thể có những dữ liệu rút ra từ các dự

án đã làm cho bang Các báo cáo tác động môi trường của các nhà máy điện nguyên tử xây ở các miền ven bờ cũng có nhiều dữ liệu về các quá trình và địa chất ven bờ

(5) Các tạp chí và các biên bản hội nghị

Nhiều thư viện của các trường đại học lớn đều có các tạp chí khoa học quốc gia và quốc

tế Số lớn văn liệu khoa học liên quan lịch sử địa chất ven bờ thuộc các lãnh vực địa chất, đại dương học, khoa học về biển, địa lý tự nhiên, khoa học về khí quyển, về trái đất và các nghiên cứu các miền cực trái đất

(6) Các văn liệu nghiên cứu trong máy tính

Nhiều thư viện của các trường đại học lớn và cơ quan bang đều có các cơ sở dữ liệu máy tính có thể tiếp cận được Những cơ sở dữ liệu này chứa các thông tin mà có thể thu thập được bằng các từ khóa, chủ đề, tên gọi và tên tác giả

b Dữ liệu khí tượng và khí hậu

(1) Dữ liệu khí tượng và khí hậu nhiều khi rất hữu ích để nghiên cứu các quá trình môi trường quan trọng và để phát hiện những đặc điểm của những trận bão lớn Những trận bão lớn hoặc những biến động bão trong nhiều năm đều tác động sâu sắc đến hình thái ven bờ (Carter,1998) Điều này được thể hiện, thí dụ, qua những biến đổi ở các bờ được che chắn gây ra bởi gió, sóng, sự dâng cao mực nước làm ngập lụt và bào rửa trong thời gian bão (2) Dữ liệu khí tượng và khí hậu cũng có thể thu thập được từ các nguồn bậc hai hoặc bằng chương trình thu thập dữ liệu gốc Như phần lớn các yếu tố môi trường quan trọng, số lớn thông tin hiện có đều thuộc loại những nghiên cứu có quy mô thời gian lâu dài thuộc quá khứ hoặc thuộc thời hiện đại Trung tâm Dữ liệu Khí hậu Quốc gia và Trung tâm bão Quốc gia thuộc NOAA có nguồn dữ liệu khí tượng và khí hậu quan trọng

c Dữ liệu về sóng

(1) Cần có dữ liệu về sóng để xác định quy mô của các phản ứng trước các quá trình diễn ra ở đới ven bờ Những thông số sóng quan trọng bao gồm độ cao, chu kỳ, độ dốc và hướng của sóng và kiểu sóng xô Người ta đặc biệt quan tâm đến tính chất của sóng ở bên trong đới sóng xô, nơi có đến 50% dòng di chuyển trầm tích, chủ yếu là trầm tích đáy (Ingle, 1966) Dữ liệu về sóng có thể: a) Được thu thập từ các nguồn hiện có; b) Được đánh giá tại văn phòng nhờ sử dụng phương pháp dự báo quá khứ (hindcast techniques) trên cơ sở bản

đồ thời tiết, các quan trắc trên tàu thuỷ và các quan trắc môi trường ven bờ; hoặc c) Được trắc đạc tại thực địa bằng sử dụng các dụng cụ đo sóng

(2) Dữ liệu trắc đạc sóng được thu thập nhờ các cơ quan Bang và Liên bang cũng như các công ty tư nhân Đối với những dự án nghiên cứu đòi hỏi dữ liệu sóng thì những dữ liệu thống kê sóng đã được xử lý có thể có được nếu như các phao, các cấu trúc ngoài khơi và các cầu tàu được trang bị máy đo được lắp đặt gần khu vực nghiên cứu Những dữ liệu thuộc các vùng rải rác đã công bố bao gồm các số thống kê dữ liệu đo sóng, dự báo sóng quá khứ (wave hindcasting), và những quan sát bằng mắt thường từ boong tàu biển hoặc từ đới ven

bờ

(3) Phương pháp dự báo sóng quá khứ là một thủ pháp được sử dụng rộng rãi để đánh giá các số liệu thống kê sóng nhờ vào phân tích các bản đồ thời tiết bằng các phương pháp

kỹ thuật được xây dựng trên cơ sở tư duy lí thuyết và dữ liệu thực nghiệm Một nhà khoa học ven bờ có thể sử dụng các dữ liệu dự báo quá khứ đã công bố hoặc có thể tự xử lí trên máy tính những dữ liệu gốc về vùng nghiên cứu Phụ lục D là danh mục các báo cáo nghiên cứu thông tin về sóng của USACE, bao trùm các vùng bờ Đại Tây Dương, Thái Bình Dương, Vịnh Mêxico và Hồ Lớn Ưu việt của phương pháp dự báo quá khứ là có dữ liệu dài hạn của các bản đồ thời tiết và chi phí ít tốn kém Điểm yếu là phải quy đổi sóng về vùng nước nông, đặc biệt là khi ta đang nghiên cứu tại các vùng có độ sâu phức tạp

(4) Những quan sát sóng bằng mắt thường từ tầu biển ở ngoài biển hoặc từ các trạm trên

bờ dọc theo bờ biển nước Mỹ cũng đã được công bố trong một số ấn phẩm Mặc dù số liệu kém chính xác hơn so với những số liệu trắc đạc, song, người quan sát có kinh nghiệm có thể thu được những kết quả với độ chính xác hợp lý và một khối lượng lớn các quan sát làm cho

nó trở thành một nguồn đáng giá Những dữ liệu quan sát sóng ngoài khơi trên boong tàu đã được cơ quan Nghiên cứu Hải dương học và Hoạt động triển khai Hải Quân Hoa Kỳ (nay là Phòng Nghiên cứu Hải quân (NRL) đúc kết và công bố dưới dạng các bản đồ và tổng hợp dữ liệu biển và vùng sóng lừng như Bản tổng hợp các dữ liệu quan sát khí tượng học từ tàu biển Trong khi những dữ liệu này bao phủ một khu vực địa lý cực lớn, thì những quan sát trên các boong tầu biển và các vùng biển khác có tàu đi lại thì dữ liệu lại lớn về số lượng (5) Đối với đới ven bờ, có một chương trình được cơ quan USACE tài trợ để thu thập

dữ liệu đó là Chương trình Quan sát Môi trường ven bờ (LEO- Littoral Environment Observation Program) (Schneider, 1981; Sherlock và Szuwalski 1987) Chương trình này bắt đầu từ năm 1966, sử dụng những người quan sát tình nguyện, họ lập báo cáo hàng ngày về tình hình ở từng vùng cụ thể dọc theo bờ biển Hoa kỳ CERC có số liệu từ hơn 200 vị trí quan sát khác nhau (H.5.2) Như đã thấy, dữ liệu theo LEO không chỉ bao gồm các thông số của sóng, mà còn là những thông tin về gió, dòng chảy và một số chi tiết địa hình LEO được triển khai tốt đẹp ở từng vùng cụ thể, nhưng nó không cung cấp thông

QUAN SÁT MÔI TRƯỜNG VEN BỜ

Ghi chép mọi dữ liệu cẩn thận và rõ ràng

Số hiệu vùng Năm Tháng Ngày Thời gian

19 20 21

GÓC SÓNG Ở ĐẦU SÓNG XÔ (at breaker)

Dùng thước đo độ đo thật chính xác hướng sóng

đến ( xem hướng dẫn dùng thước đo độ ở cuối bảng

mẫu này)

22 23

KIỂU SÓNG

0 – Lặng sóng 3 – Sóng dồn (surging)

1 – Sóng tràn (spilling) 4 – Tràn/chúi đầu

2 – Sóng chúi đầu (plunging)

1 – Bắc ; 3 – Đông ; 5 – Nam ; 7 – Tây

2 – ĐB ; 4 – ĐN ; 6 – TN ; 8 – TB

28

ĐỘ DỐC BÃI TRIỀU TRUNG ĐỘ RỘNG CỦA ĐỚI SÓNG NHÀO (surf zone)

Ghi độ dốc bãi triều trung chính xác nhất bằng độ Đánh giá khoảng cách từ bờ (shore) đến các đầu

sóng xô (breakers) (m) Nếu lặng sóng ghi 0

29 30

31 32 33 34

DÒNG CHẢY DỌC BỜ THUỐC NHUỘM MÀU

Đánh giá khoảng cách (m) từ đường bờ tới điểm

phun thuốc màu

36 37 38

VẬN TỐC DÒNG CHẢY HƯỚNG DÒNG CHẢY

Hình 5-2: Phiếu điều tra nghiên cứu môi trường đới bờ được sử dụng trong các cuộc khảo sát

thuộc chương trình của LEO

d Nguồn dữ liệu mức nước

Cục Hải dương học Quốc gia (NOS) thuộc NOAA chịu trách nhiệm về giám sát biến đổi mức nước biển ở 115 trạm trên toàn lãnh thổ quốc gia (Hicks,1972) Các văn phòng địa phương thuộc USACE thu thập dữ liệu về độ cao thuỷ triều ở các vùng ngoài các trạm trên Những số đo hàng ngày được công bố trong các báo cáo mang tên “Stages and Discharges ở địa hạt … (địa danh)” Những mức nước được dự báo và thông tin về dòng triều từng ngày

có thể thu thập được từ các ấn phẩm do NOS công bố hàng năm như “Bảng thống kê thuỷ triều (Tidal Tables….): Dự báo mức nước cao và thấp” và “Bảng thống kê dòng triều” (“Tidal current Tables”) Một cách thu thập số liệu nhật ký sóng khác là các chương trình máy tính thương phẩm Nhiều chương trình kiểu này được cập nhật hàng quý hoặc hàng năm Những thông tin cơ bản trong lãnh vực dữ liệu về thuỷ triều và các trạm quan trắc thuỷ triều có thể tìm thấy trong các ấn phẩm của NOS mang tên “Chỉ báo về các trạm thuỷ triều của Hoa Kỳ và các trạm hỗn hợp khác”, và “Sổ tay Công vụ và Các sản phẩm của NOS”

e Dữ liệu địa chất và trầm tích

Trong nghiên cứu lịch sử địa chất và địa mạo đới ven bờ điều quan trọng là cần đánh giá dữ liệu địa chất và trầm tích hiện có Loại thông tin này có rải rác ở nhiều cơ quan và nhiều nguồn cung cấp và bao gồm hàng loạt tư liệu như bản đồ địa chất, các khảo sát thổ nhưỡng, các tài liệu khoan làm đường cao tốc và các tư liệu về quá trình như hàm lượng và dòng trầm tích lơ lửng từ các sông kề cận Những dữ liệu đã công bố thường có ở các cơ quan như Sở Địa chất Hoa Kỳ (USGS), Sở Bảo tồn Đất Hoa Kỳ, Viện Địa chất Mỹ và CERC Những khác biệt về địa chất và loại hình đất có thể cung cấp những điểm chốt để tìm hiểu các mô hình bào mòn và bồi đắp Những dữ liệu địa chất học và trầm tích luận thường

là bổ ích để xác định các quá trình và các phản ứng môi trường quan trọng như tác động của các trận bão lớn đối với đường bờ

f Ảnh hàng không

(1) Những ảnh hàng không chụp ngày nay và trước đây cung cấp những dữ liệu quý giá

để lý giải lịch sử địa chất và địa mạo Ảnh có thể thu thập được từ các cơ quan Bang và Liên Bang như USGS, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, Trung tâm Dữ liệu EROS và các cơ quan khác liệt kê ở các phụ lục E và F Các cặp ảnh lập thể với độ chồng ghép tới 60% thường có sẵn, chúng chứa đựng những thông tin kỹ thuật trắc ký ảnh (photogrammetric techniques) Phạm

vi thời gian của ảnh hàng không Hoa Kỳ là từ 1930 đến nay đối với nhiều vùng Nội dung phân tích và luận giải ảnh phụ thuộc một phần vào tỷ lệ, độ phân giải và độ che phủ mây của ảnh Những tác động của những biến cố lớn có thể được ghi nhận bằng phương pháp chụp ảnh hàng không vì các thiết bị chụp ảnh và máy bay có thể huy động được một cách nhanh chóng Nhờ vào khả năng này, việc mở rộng diện che phủ ảnh hàng không trong một thời gian ngắn để giám sát các vùng mà hiện nay khả năng tiếp cận bằng đường bộ chưa sẵn sàng

(2) Đối với những nghiên cứu về các quá trình đương đại, có hàng loạt ảnh hàng không

có thể cung cấp nhiều dữ liệu để xem xét các vấn đề khác nhau Sử dụng ảnh hàng không có

thể phân tích được những thông tin liên quan vẽ bản đồ môi trường và phân loại môi trường như bản chất của các dạng địa hình (landforms) và vật liệu ven bờ đến các công trình xây dựng, các tác động của các trận bão mới đây, vị trí của các dòng chảy khe trũng (rip currents), tính chất của sự bồi cạn do sóng (wave shoaling) và sự phát triển của các doi cát

và các chi tiết địa hình ven bờ khác Các phương pháp trắc ký ảnh cũng rất hữu ích để đánh giá một số chi tiết địa hình Nói chung, nên có những ảnh chụp khi triều thấp để có thể lộ ra hoặc nhìn qua nước thấy được một phần các chi tiết địa hình gần bờ

(3) Đối với các nghiên cứu với quy mô thời gian thuộc quá khứ cần có các bộ ảnh hàng không chụp trong nhiều thời điểm khác nhau Các ảnh và bản đồ thời xưa này là những phần thống nhất để đánh giá sự biến đổi đường bờ biển Mực nước và từ đó, vị trí đường bờ, cho thấy những biến đổi lớn tương ứng với các thời điểm tiến hành các chuyến bay chụp ảnh hàng không

Do đó các nhà khoa học nghiên cứu ven bờ phải coi những biến động này là những nguyên nhân tiềm tàng của những sai sót khi lập và luận giải các bản đồ biến đổi đường bờ Phần 5.5 đề cập chi tiết hơn về phép phân tích ảnh hàng không

g Dữ liệu viễn thám từ vệ tinh

(1) Những dữ liệu thu được nhờ vệ tinh có ở các cơ quan Hoa Kỳ, mạng dữ liệu vệ tinh thuộc hệ thống của Pháp SPOT (Pour L’Observation de la Terre) và của Nga Có thể có các ảnh vệ tinh Sojuzkarta của Nga thông qua chương trình hợp tác về ảnh SPOT (Phụ lục E) Những dữ liệu rada sử dụng ống kính (aperture) bằng kim cương tổng hợp có thể thu thập được qua chương trình hợp tác STX Hughes Trong nhiều trường hợp có thể mua những dữ liệu này hoặc ở dạng các bản ảnh sao hoặc các tệp dữ liệu số để dùng cho các ứng dụng máy tính Những dữ liệu số và ảnh có thể giúp tìm kiếm các hiện tượng có quy mô lớn, đặc biệt là những quá trình được coi là những chỉ thị cho các bối cảnh địa chất và động lực học ở đới ven bờ Những cơ quan thu thập và phổ biến ảnh vệ tinh được liệt kê ở phụ lục E Danh mục các dữ liệu vệ tinh có ở Trung tâm Dữ liệu Khoa học Vũ trụ Quốc gia (NSSDC) được in trong các sách của Horowitz và King (1990) Có thể truy cập những dữ liệu này qua máy tính

(2) Những dữ liệu vệ tinh đặc biệt hữu ích để đánh giá những biến đổi địa hình quy mô lớn ở đới ven bờ Ở khu vực kề cận châu thổ, phương pháp viễn thám có thể phát hiện các cửa sông và các nơi khác mang trầm tích, mô hình không gian của các trầm tích lơ lửng (H.5.3) Có thể chụp được những dải đất, những chi tiết địa hình của đáy bờ, kể cả những sống của các doi hoặc bãi ngầm ở chỗ nước trong và nông Có thể xác định phạm vi không gian của các dòng triều nhờ vào những dữ liệu hồng ngoại nhiệt; chúng rất hữu ích để phân biệt nhiệt độ của các dòng triều lên, triều xuống và nước ngọt thải ra ở cửa sông Ở những vùng nước sâu hơn, vệ tinh cũng có thể cung cấp dữ liệu về các dòng chảy và sự lưu thông ở đại dương (Barrik, Evans, và Weber, 1977) Những dữ liệu rada đặt trên máy bay cũng cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc phân tích trạng thái biển

(3) Chương trình vệ tinh Landsat được Cục Hàng không và Vũ trụ Quốc gia hợp tác với

Bộ Nội Vụ Hoa Kỳ xây dựng Năm 1972, khi mới triển khai chương trình, nó chỉ được thiết

kế như một hệ thống thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi của việc thu thập dữ liệu tài nguyên

trái đất từ các vệ tinh không người lái Các vệ tinh của Landsat sử dụng các loại cảm biến khác nhau có các đặc tính cảm thụ các bước sóng khác nhau từ ánh sáng nhìn thấy (lục) đến hồng ngoại nhiệt có bước sóng lớn nhất tới 12 μm H.5.4 cho thấy biên độ của từng dải và độ phân giải không gian của các loại cảm biến khác nhau đặt trên vệ tinh Trong số 5 vệ tinh của Landsat, chỉ riêng Landsat-4 và Landsat-5 hiện còn trên quỹ đạo Được trang bị máy quét đa phổ, cả hai vệ tinh này đều có độ phân giải 82m đối với 4 dải sóng nhìn thấy và một dải hồng ngoại gần, còn máy vẽ bản đồ nhiệt có độ phân giải 30m trong 6 dải ánh sáng nhìn thấy và dải hồng ngoại giữa và độ phân dải 120m đối với dải sóng hồng ngoại nhiệt (10,4-12,5μm)

(4) SPOT là một chương trình vệ tinh thương mại Vệ tinh đầu tiên được chính phủ Pháp tài trợ đã được phóng năm 1986 Vệ tinh SPOT-1 có hai bộ cảm biến phát hiện gọi là

hệ chụp ảnh HRV (phân giải cao đối với ánh sáng nhìn thấy) Mỗi hệ HRV có thể có độ phân giải 10m khi hoạt động theo chế độ toàn sắc với một dải rộng ánh sáng nhìn thấy, hoặc

có độ phân giải 20m theo chế độ đa phổ (ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần) với ba dải sóng (H.5.3)

(5) Trong loạt của NOAA có vài thế hệ vệ tinh đã bay Những vệ tinh gần đây nhất được trang bị bộ đo phóng xạ tiên tiến với độ phân giải cực lớn (AVHRR) Loại này có độ phủ không gian lớn nhưng độ phân giải kém hơn so với các vệ tinh của Landsat hay SPOT

Có thể tìm thấy nhiều thông tin khác về các loại vệ tinh trong các sách giáo khoa viễn thám (như Colwell,1983; Lillesand và Kiefer, 1987; Richards,1986; Sabins,1987; Siegal và Gillespic,1980; Stewart,1985)

Hình 5-3: Ảnh vệ tinh SPOT, chụp ở vịnh Atchafalaya, LA Trong ảnh có thể nhìn rõ các dòng chảy mang

những hạt trầm tích lơ lửng (nguồn dữ liệu của phòng nghiên cứu các khoa học trái đất,

thuộc trường đại học quốc gia Louisana, Baton Rouge, LA

(6) Những bộ quét lắp trên máy bay gồm các bộ cảm biến và rada nhiệt và các máy sử dụng vi sóng, cũng có thể có các ứng dụng trong nghiên cứu bờ Các hệ LIDAR (hướng và biên độ ánh sáng), SLAR (Rada lắp trên máy bay quan sát sườn), SAR (Rada có ống kính bằng vật liệu tổng hợp – synthetic aperture), SIR (Rada con thoi chụp ảnh) và các hệ vi sóng thụ động cũng có các ứng dụng để vẽ đường đồng mức đới ven bờ ngầm dưới nước Có một

hệ LIDAR gọi là SHOALS (Hệ Lidar quét lắp trên máy bay hoạt động ở vùng nước) đang được Công binh Mỹ sử dụng để đo vẽ vùng ven bờ và lạch triều Hệ này dựa trên nguyên lí truyền và khúc xạ ánh sáng laser cộng hưởng xung phát ra từ trực thăng được trang bị hệ máy SHOALS cùng với thiết bị xử lí dữ liệu và dẫn đường bay (Lillycrop và Banic, 1992) Khi hoạt động, laser SHOALS quét một cung cắt ngang đường bay của trực thăng, tạo ra một vệt quét rộng khoảng bằng nửa độ cao của đường bay Chùm phản xạ mạnh từ mặt nước được ghi lại, tiếp sát sau là đợt phản hồi yếu hơn từ đáy biển Chênh lệch thời gian giữa hai

đợt sóng phản xạ được quy đổi ra độ sâu nước SHOALS có thể làm cuộc cách mạng trong công tác khảo sát thuỷ văn đối với nước nông vì một vài lí do Ưu việt quan trọng nhất là hệ này có thể khảo sát tới 8 km2 trong một giờ, do đó có thể phủ một dải bờ rộng lớn trong một vài ngày Điều này tạo ra khả năng thu thập tức thì dữ liệu dọc theo những bờ chịu những biến đổi nhanh Hệ này có thể huy động nhanh để làm việc, nó cho phép thực hiện những cuộc khảo sát quy mô lớn ngay sau bão, hoặc các cuộc khảo sát trong những tình huống không lường trước như khi các doi chắn bị xuyên thủng Cuối cùng, độ sâu nước chỉ cần ít nhất 1m là đủ nên nó cho phép bao phủ có hiệu quả các vùng bãi ngầm, kênh hoặc bờ mà thường là rất khó hoặc không thể thực hiện được bằng các phương pháp truyền thống, đặc biệt là vào mùa đông Độ sâu tối đa của nước đã chứng minh là khoảng 10m phụ thuộc độ trong của nước

Hình 5-4: Độ phan giải phổ và phân giải không gian gần đúng của các sensor được lắp đặt trên vệ tính

Landsat, SPOT và NOAA (nguồn dữ liệu của Earth Observation Satellite Company và Huh

và Leibowitz, 1996)

h Những dữ liệu địa hình và trắc đạc độ sâu

(1) Các bản đồ địa hình và đo độ sâu có sắn ở Sở Địa chất Hoa Kỳ (USGS), ở nhiều văn phòng địa phương của USACE và ở USCGS

Các bản đồ địa hình ở USGS thường được chỉnh sửa sau mỗi thời kỳ 20-30 năm và đôi khi ngắn hơn đối với những vùng có ưu tiên Tuy nhiên, các bản đồ này cũng dễ trở nên lạc hậu khi sử dụng cho một số dạng nghiên cứu vì nhiều đường bờ không tồn tại được lâu dài Các tấm bản đồ của USGS thường có ở loạt 7,5’ (tỷ lệ 1:24000) và loạt 15’ (tỷ lệ 1:62500)

Độ phân giải của những bản đồ này không đủ để phản ảnh nhiều chi tiết địa hình, nhưng cũng có thể đủ để đánh giá những địa hình quy mô lớn và những biến đổi lớn, đặc biệt là qua một thời gian dài

(2) Những dữ liệu khảo sát thuỷ văn gần đây và trước đây cũng có sẵn ở Sở Hải dương học Quốc gia (NOS) Có thể thu thập được những dữ liệu này ở dạng các bản vẽ sơ bộ tỷ lệ lớn, ở đây những số liệu thăm dò bằng âm thanh và những số đo đáy biển là nhiều hơn so với những sơ đồ đã công bố tuy cùng dựa trên những dữ liệu gốc này

(3) Đôi khi những bản đồ khảo sát độ sâu bị lỗi thời vì những biến đổi địa mạo ở nhiều vùng đáy biển xảy ra rất nhanh chóng Ở một số bản đồ hàng hải, các số đo độ sâu là những con số từ hơn 50 năm trước và những độ sâu được đánh dấu có khi đã hoàn toàn khác so với

độ sâu hiện nay Những biến đổi mạnh mẽ nhất có thể xảy ra ở những vùng có các dòng chảy mạnh, có bão tổ mạnh hoặc có sự di chuyển trầm tích ngầm đáy biển hoặc có sự nạo vét ở những luồng tàu biển Người dùng phải luôn luôn cảnh giác trước những dữ liệu đã biến đổi khác đi trên những bản đồ khác nhau Những khảo sát địa lý thuỷ văn hàng năm hoặc ngắn hơn cũng có ở nhiều dự án đường biển liên bang

i Bản đồ biến đổi đường bờ

(1) Những biến đổi đường bờ có thể được phân tích, lí giải trên cơ sở các bản đồ hàng hải, bản đồ địa hình, ảnh hàng không và các hồ sơ bất động sản Ở một số vùng, bản đồ cho thấy những biến đổi đường bờ và sự trôi lở đất, có thể là do các cơ quan bang và liên bang, các trường đại học hoặc các công ty xây dựng xuất bản Tuy nhiên, người dùng phải cảnh giác trước những sai sót tiềm ẩn do không được chỉnh lí thoả đáng khi xuất bản

(2) Các bản đồ biến đổi bờ và đường bờ được lập ra trên cơ sở ảnh và bản đồ thời trước,

có thể có lỗi Thí dụ ở những bản đồ này các số liệu có thể không trùng khớp nhau, có thể ở các tỷ lệ khác nhau, có thể có mức độ chính xác khác nhau do thời hạn bản đồ hoặc những sai sót ấn loát hoặc có thể là do có sự khác biệt về phép chiếu hình mà do đó gây ra sự méo lệch về hình thái Lý tưởng mà nói, các bản đồ biến đổi đường bờ được lập trên cơ sở ảnh hàng không, phải được chỉnh sửa về độ méo lệch do độ dốc, độ nghiêng và độ lệch đường bay của máy bay gây ra Phổ biến nhất là những khó khăn trong việc xác định các góc độ chụp trong các thời gian khác nhau, trong việc chỉnh lí tỷ lệ và độ méo lệch gần mép hoặc gần góc tấm ảnh Những khó khăn khác nữa là các tấm ảnh không đáp ứng yêu cầu mong muốn về chủng loại, tỷ lệ, độ sáng hay độ phân giải Sương mù, mây phủ có thể che khuất địa hình Cuối cùng là mức nước lúc chụp ảnh hưởng mạnh đến vị trí các đường bờ Những nguồn dữ liệu đặc biệt và phương pháp phân tích các bản đồ biến đổi đường bờ được trình bày ở phần 5.5

5.3 KHẢO SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THỰC ĐỊA

a Những vấn đề chung

(1) Để có thể áp dụng những công nghệ thích ứng phục vụ nghiên cứu thực địa, nhà khoa học phải hiểu ít nhiều về bản chất của vấn đề và kết quả mong đợi Chẳng hạn, một điểm dân cư đang bị xói lở đe doạ thì những số đo về các quá trình, bản đồ địa hình và bản

đồ độ sâu là cần thiết để xác định các xu hướng xói mòn do bão gây ra hoặc do thời gian dẫn đến Cũng vậy, cũng có thể cần đến những dữ liệu trước đây để xác định tốc độ và sự biến thiên không gian của những biến đổi đường bờ biển theo thời gian Những nghiên cứu địa tầng có thể cũng cần đến để phục vụ mục đích tìm kiếm nguồn vật liệu bồi đắp bờ Bản thiết

kế công trình nghiên cứu phải bao gồm việc lập kế hoạch đầy đủ về các mục đích nhiệm vụ

và chiến lược quan trắc, thời hạn, hậu cần, kinh phí Sẽ lãng phí rất nhiều thời gian và tiền của trong thời gian ở thực địa nếu như không xác định được rõ mục tiêu, nhiệm vụ và kế hoạch quan trắc cho thích ứng

(2) Trước khi tiến hành nghiên cứu chi tiết tại thực địa điều quan trọng là phải làm tổng quan các dữ liệu có sẵn về bờ liên quan đến vùng và vấn đề nghiên cứu Những thông tin hiện có là rất quan trọng đối với việc thiết kế các nhiệm vụ nghiên cứu tại thực địa và có thể

đề xuất được những công việc thực địa ít tốn kém hơn Nhiều khi những hạn chế về thời gian

và kinh phí ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc thu thập dữ liệu, kể cả những dữ liệu quan trọng 3) Khi ở thực địa phải ghi chép cẩn thận những dữ liệu và thông tin liên quan vào sổ thực địa không thấm nước Những chi tiết cũng phải được ghi lại trên băng Các tấm ảnh là những tư liệu có giá trị về bối cảnh hiện trưòng, thiết bị và quy trình quan trắc Các máy ghi hình ngày càng được sử dụng nhiều hơn cho công tác khảo sát thực địa

(4) Có một vài dạng công tác tiến hành ngoài thực địa Nó có thể chỉ đơn giản là những quan sát sơ lược bằng mắt thường đến việc thu thập dữ liệu như dữ liệu đo lường các quá trình, thu thập mẫu trầm tích, mẫu địa tầng, dữ liệu địa hình và độ sâu biển và dữ liệu địa vật

lý Những nghiên cứu có thể bao gồm việc điều tra những lực tác động, mức độ hoạt động, các tương tác giữa lực và trầm tích và sự biến động của hoạt động này theo thời gian Nếu công tác thực địa trù tính việc thu thập một khối lượng lớn dữ liệu thì rất cần có cuộc khảo sát sơ bộ đến thực địa để giúp xác định các điều kiện cụ thể ở vùng nghiên cứu và để xây dựng kế hoạch quan trắc

(5) Các khía cạnh không gian và thời gian của việc khảo sát sơ lược là rất quan trọng

Về không gian việc quan trắc phải tính đến diện tích bao phủ bờ theo chiều dọc, chiều ngang

và mạng lưới quan trắc, khoảng cách quan trắc sao cho đáp ứng được yêu cầu, mục đích nghiên cứu Mật độ quan trắc và độ dài thời gian quan trắc tại một điểm là những vấn đề cần xem xét khi lập kế hoạch thời gian thực địa Tần suất và thời gian quan trắc là những yếu tố rất quan trọng đối với các nghiên cứu quá trình hiện đại, chẳng hạn như việc kiểm soát các biến đổi địa hình và độ sâu có liên quan đến bão Những nghiên cứu môi trường cổ hoặc có quy mô thời gian địa chất thường không đòi hỏi những chuyến khảo sát thường xuyên đến thực địa, mà việc quan trắc rộng trong không gian lại là quan trọng

(6) Trước khi thiết kế chương trình thu thập dữ liệu thực địa cần xây dựng mô hình lí thuyết (conceptual model) “Mô hình” này là tập hợp các giả thuyết công cụ, nó sử dụng những hiểu biết hiện có để tìm hiểu thông tin còn thiếu hụt Sau khi thu thập được những thông tin này, mô hình lý thuyết được xem xét lại và trở nên có giá trị Có thể cần đến những

quan sát bổ sung để kiểm tra trong những điều kiện khác nhau và mô hình cũng có thể cần xem xét lại phụ thuộc vào kết quả nghiên cứu

b Khảo sát thực địa và nguồn lực địa phương

(1) Khảo sát sơ lược vùng thực địa có thể cung cấp những thông tin giúp xác định những vấn đề lớn cần nghiên cứu, xác nhận và hoàn thiện dữ liệu đã thu thập được từ các nguồn ảnh hàng không và viễn thám và giúp xây dựng chiến lược quan trắc trong công tác thực địa lớn hơn sau này Ngay cả khi chỉ lướt qua vùng nghiên cứu ngắn ngày thôi cũng cần chuẩn bị chu đáo Sự chuẩn bị này bao gồm điểm lại những văn liệu hiện có về địa chất, hải dương học và địa chất công trình, lập các bản đồ và làm ảnh, và tìm hiểu quy mô của vấn đề hay tình trạng Khi khảo sát thực địa sơ lược, nếu có thể được, mọi thành viên của nhóm nghiên cứu đều phải tiến hành quan sát

(2) Thời gian khảo sát thực địa phải đủ để giải quyết được những nhiệm vụ mục đích nghiên cứu chính Cũng có thể cần đến cư dân địa phương, những tư liệu hiện có và những thiết bị dùng tại thực địa Cuộc khảo sát sơ bộ ở thực địa cần bao gồm các việc: quan trắc các lực và quá trình diễn ra ở biển, đánh giá các dấu hiệu chỉ thị địa hình, khảo sát các khu vực

kề cận, tiếp xúc trao đổi với cư dân địa phương và những người có hiểu biết khác Những câu hỏi đặt ra cho họ có thể bao gồm cái gì, tại sao, khi nào, ở đâu và xảy ra như thế nào? Tại sao phần này của bờ có hình dáng như ta thấy? Con người đã tác động đến môi trường địa phương như thế nào? Đây là vấn đề địa chất (tự nhiên) hay do con người làm ra? Những thảm hoạ, như dông bão nhiệt đới có ảnh hưởng như thế nào đối với khu vực? Trong thời gian khảo sát tại thực địa cần thu thập dữ liệu kiểm tra theo danh mục trình bày ở phụ lục H

Sổ tay thực địa tiện dụng với các phiếu dữ liệu địa chất được Viện Địa chất Mỹ ấn hành (Dietrich, Durto và Foose,1982)

c Ảnh và trình tự thời gian

Chụp ảnh nhiều khi là một công cụ quan trọng để bắt đầu công việc khảo sát sơ bộ cũng như để đánh giá chi tiết hơn về vùng nghiên cứu Một ứng dụng đặc biệt của máy ghi hình là chụp ảnh liên tục hay ngắt quãng; đó là phương tiện hữu ích để nghiên cứu biến đổi địa hình với việc quan sát các trạng thái đường bờ, vận tải cát (Cook và Gorslinb,1972) và xác định đặc tính của sóng Nếu máy ghi hình được dùng để ghi các quá trình ngắn hạn, thì rất cần các tấm ảnh được chụp tương đối thường xuyên hơn Nếu có sẵn các tấm ảnh chụp đất liền từ thời trước đây thì cần có những tấm ảnh chụp bổ sung cũng chính những khu vực đó Những biến đổi ở một vùng theo thời gian để dùng cho các nghiên cứu ngắn hạn cũng như dài hạn, cũng có thể được ghi lại bằng băng ghi hình Điều quan trọng là những thông tin liên quan chụp ảnh phải được ghi lại trong nhật ký thực địa:

- Ngày tháng

- Thời gian

- Vị trí đặt máy

- Hướng của mỗi tấm ảnh

- Những mốc tiêu nổi bật, nếu có

Ngày tháng, địa điểm và hướng phải được đánh dấu trên khung mỗi tấm ảnh

d Quan trắc và đo đạc sóng

Để nghiên cứu các quá trình thuộc quá khứ hoặc nghiên cứu quy mô thời gian của quá trình thì một việc làm rất thích hợp là thu thập dữ liệu liên quan các đặc điểm sóng ở địa điểm đó Những dữ liệu đo sóng bằng thiết bị đo thường cung cấp dữ liệu về sóng với độ chính xác cao nhất Đáng tiếc là chi phí khá tốn kém cho việc mua sắm, triển khai và bảo dưỡng thiết bị đo sóng cũng như phân tích các số đo Thường chúng được sử dụng trong thời gian ngắn để xác nhận các dữ liệu thu thập được bằng quan sát mắt thường hay bằng các phương pháp dự báo quá khứ (hindcasting methods) Những dữ liệu được các thiết bị đo đặt cắt ngang đới bờ từ miền nước nông đến miền nước sâu cung cấp có thể được sử dụng để xác định độ chính xác của các biến đổi sóng cho một địa điểm cụ thể đã tìm được bằng tính toán

(1) Các loại thiết bị đo sóng

(a) Có thể phân thiết bị đo sóng thành hai nhóm tổng quát: có định hướng và không định hướng Nói chung, thiết bị đo có định hướng và các giàn thiết bị này thường có chi phí lớn hơn so với các thiết bị không định hướng trong sản xuất, triển khai và bảo dưỡng Tuy nhiên, có nhiều nghiên cứu không thể thiếu các thiết bị định hướng vì sự phân bố có định hướng năng lượng sóng là một thông số quan trọng có nhiều ứng dụng, như để phân tích quá trình vận tải trầm tích và tính toán sự chuyển đổi sóng Các thiết bị đo sóng có thể lắp đặt trên phao, trực tiếp trên mặt đáy hồ, biển khoặc gắn vào các công trình xây dựng ở đó như kè

đá, đê chắn sóng, cầu tàu hay các dàn ở ngoài khơi

(b) Trong số các thiết bị đo sóng không định hướng, các hệ lắp trên phao như Datawell Waverider cho số đo chính xác và tương đối dễ triển khai và bảo dưỡng Những dữ liệu thường được truyền đi bằng vô tuyến giữa phao với các bộ thu và bộ ghi đặt trên bờ Những thiết bị đo áp suất lắp ở đây đo sự biến đổi mực nước bằng cảm nhận những biến động áp suất mỗi khi có sóng đi qua Các thiết bị có thể là loại tự ghi hoặc có tiếp nối bằng cáp đến các thiết bị ghi đặt trên bờ Các thiết bị đặt ở đáy phải do các thợ lặn bảo dưỡng trừ phi chúng được tời vớt lên khỏi giá đỡ Các thiết bị tự ghi (internal-reacording) thường cần bảo dưỡng nhiều hơn vì có thể phải thay băng dữ liệu hoặc khi các bộ nhớ trong bị đầy Ưu, nhược điểm của các thiết bị đo tự ghi hoặc đo từ xa bằng cáp được liệt kê ở Bảng 5.1 Các thiết bị đo lắp trên các công trình là loại kinh tế nhất và phổ biến là loại không định hướng mặc dù vị trí lắp đặt chúng chỉ giới hạn ở những nơi có công trình Những bộ phận đo và phát có thể được lắp đặt an toàn ở bên trên mặt nước trong những vị trí được bảo vệ

(c) Các thiết bị đo có định hướng cũng được lắp đặt trên các phao hoặc ở đáy bể (H.5.5) Các giàn với các thiết bị đo không định hướng có thể được sử dụng để phân tích sóng định hướng Các thiết bị đo sóng có định hướng lắp đặt trên phao thường được thiết kế

để sao thu thập được các thông số khác nữa như khí tượng

Hình 5.5: Thiết bị Sea DataDM 635-12 dùng lắp đặt dưới đáy biển

(2) Lắp đặt các thiết bị đo

Việc lắp đặt thiết bị đo dọc bờ phụ thuộc mục đích của dự án kiểm soát, kinh phí và thời gian, tai biến môi trường và sự có sẵn những tài liệu đã thu thập được trước đây Không có một hướng dẫn cứng nhắc nào cho việc lắp đặt các thiết bị đo ở một địa điểm và mỗi dự án

là một trường hợp riêng biệt Có hai cách tiếp cận việc đo sóng bằng thiết bị đo Một là triển khai các thiết bị ở gần vùng dự án để đo sóng và các điều kiện biển trực tiếp tác động đến công trình đó hoặc phải được tính toán đến khi thiết kế dự án Cách tiếp cận thứ hai là lắp một thiết bị đo ở xa ngoài khơi để thu thập dữ liệu đo các sóng tới có tính khu vực Trước đây, khi thiết bị đo sóng còn rất đắt các nhà nghiên cứu thường thu thập dữ liệu bằng một thiết bị duy nhất Ngày nay, các phần cứng cũng như phần mềm có giá thấp hơn, chúng tôi khuyên nên lắp một vài máy ở gần bờ có tiếp giáp với vùng dự án Những hiểu biết có trước

về một vùng hoặc những toan tính thực tế có thể mách bảo vị trí lắp đặt các máy đo Người

sử dụng phải luôn luôn dung hoà được giữa nhu cầu thu thập được một khối lượng lớn dữ liệu, làm được thật nhiều thí nghiệm trong một thời gian ngắn với việc duy trì các thiết bị này trên biển trong một thời gian dài hơn nhằm quan sát các biến đổi theo mùa Bảng 5.2 tập hợp một vài gợi ý giải pháp thực tiễn dựa trên kinh phí và mục đích nghiên cứu Những gợi

ý về mạng quan trắc để thu thập dữ liệu sẽ đề cập ở phần 5.5

(3) Thiết bị đo sóng địa chấn

Những đánh giá về sóng dựa trên đo lường vi sóng địa chấn là một giải pháp thay thế để thu thập dữ liệu sóng trong môi trường năng lượng cao Vi sóng địa chấn là những di động (motions) đất rất nhỏ mà có thể phát hiện được bằng các máy địa chấn ký đặt trong phạm vi cách bờ vài km Điều được thừa nhận chung là các vi sóng địa chấn được sinh ra bởi các sóng đại dương và rằng biên độ và chu kỳ của những di động này tương ứng với khí hậu sóng toàn khu vực (regional wave climate) Kết quả so sánh các số đo của các thiết bị đo sóng địa chấn đặt ở vùng Oregon với các số đo thu được từ các máy đo lắp tại chỗ cho kết quả tốt (Howell và Rhee,1990; Thompson,Howell và Smith,1985) Các hệ máy địa chấn vốn

có những hạn chế, song sự thiếu hụt các dữ liệu về chu kỳ sóng có thể giải quyết được bằng các phương pháp xử lí dữ liệu tiên tiến tinh xảo hơn Việc sử dụng địa chấn kế vào mục đích

đo sóng là một nhiệm vụ dài hạn đòi hỏi thời gian để chia độ (calibrate) và đối chiếu dữ liệu

Ưu việt của địa chấn ký là nó có thể đặt trên đất liền trong nhà đư

e Quan sát và đo mực nước

(1) Để thu thập dữ liệu về mực nước một cách liên tục phục vụ nghiên cứu các quá trình đương đại ở một vùng đặc biệt, các thiết bị đo triều phải được triển khai gần khu dự án Có 3 loại thiết bị thường được dùng để đo mực nước:

(a) Các thiết bị chuyển đổi áp suất Những thiết bị này thường được lắp đặt ở đáy biển hoặc được gắn vào một cấu trúc nào đó Chúng đo áp suất thuỷ tĩnh để sau đó chuyển đổi thành mức nước bằng các phương pháp xử lí dữ liệu Ưu việt chính của những thiết bị này là chúng đặt dưới nước và ít nhiều tránh bị kẻ lạ phá hoại Ngoài ra, các thiết bị đo như máy đo nhiệt độ biển dưới sâu (Sea Data Temperature Depth Recorder) rất gọn gàng và dễ triển khai (b) Thiết bị đo có phao trong ống tĩnh Những thiết bị này được sử dụng từ năm 1930 gồm một phao được gắn vào một bộ ghi Một động cơ điện hay động cơ kiểu đồng hồ kéo băng giấy đồ thị chạy qua bút ghi tạo ra một đồ thị liên tục ghi mực nước Cái phao đặt trong ống tĩnh (stilling well) có tác dụng dập tắt sóng biên hoặc sóng rẽ nước của tàu thuyền Khiếm khuyết lớn nhất của các thiết bị này là phải bảo vệ khỏi bị kẻ gian phá hoại Chúng thường được đặt ở vùng cửa sông hoặc ở các đường thuỷ nội địa, tức là ở nơi có cầu hoặc cọc để lắp đặt ống phao và hộp ghi H.5.6 trình bày dữ liệu triều ở vịnh Choctawhatchee, Florida

(6) Mia đo mức nước (Staff gauges) Mức nước có thể do nguời theo dõi xác định thủ công hoặc được tính toán từ các số đo điện trở Các mia điện trở phải được bảo dưỡng thường xuyên vì dễ bị gỉ mòn và hà bám Mia đo thủ công khó sử dụng trong đêm và trong khi bão vì lúc đó nguy hiểm

Thông thường số đo mực nước biển do mia ghi, được quy định cho một thông số nhất định, chẳng hạn mức nước biển trung bình Điều đòi hỏi là độ cao điểm đặt mia phải được xác định bằng các phương pháp trắc đạc chính xác Mức dâng cao nhất mực nước biển trong những biến cố cực đoan cũng có thể được xác định bằng ngấn nước trên cấu trúc xây dựng hoặc các chi tiết địa hình cao

(2) Những thông tin về mức nước biển trong các môi trường cổ đại cũng được nghiên cứu bằng sử dụng phương pháp khoan địa tầng, địa chấn và định tuổi bằng phương pháp

phóng xạ Các nhà địa chất dầu khí sử dụng dữ liệu nghiên cứu địa tầng bằng phương pháp địa chấn để xác định mực nước biển cổ (Payton,1977; Sheriff,1980)

Bảng 5-1: Ưu điểm và nhược điểm của các thiết bị đo sóng tự ghi và đo xa bằng cáp

I Các thiết bị tự ghi (có bộ ghi lắp sẵn)

A Ưu điểm

1 Triển khai thường đơn giản vì thiết bị gọn, một đội nhỏ thợ lặn có thể xử lí được

2 Thiết bị đo dễ lắp vào cọc, cấu trúc xây dựng hoặc giá ba chân

3 Thiết bị đo tại thực địa có thể chuyên chở đến vùng xa bằng máy bay

4 Thiết bị đo tiếp tục hoạt động trong bão lớn chừng nào giá đỡ còn đứng vững

5 Dễ xin giấy phép lắp đặt (đặc biệt là trên các biển báo đường biển)

B Nhược điểm

1 Thiết bị đo phải được định kỳ tháo gỡ ra để thu dữ liệu hoặc thay thế các bộ lưu dữ liệu

2 Thời gian thu thập thông tin bị hạn chế vì công suất của bộ nhớ trong hoặc băng dữ liệu Nhà nghiên cứu phải dung hoà giữa mật độ quan trắc với khoảng thời gian mà thiết bị có thể ghi dữ liệu giữa các chuyến thăm bảo dưỡng theo lịch bảng

3 Công suất của pin có thể là yếu tố hạn chế thời gian sử dụng

4 Nếu thời tiết sấu buộc phải trì hoãn việc bảo dưỡng đúng lịch bảng thì thiết bị đo có thể sử dụng hết công suất lưu trữ Điều này sinh ra các khoảng thời gian không được đo đạc

5 Không thể kiểm soát được các thiết bị đo khi chúng ở dưới nước Nếu hỏng hóc, dữ liệu thường là bị mất vĩnh viễn

6 Thiết bị đo có thể bị mỏ neo hoặc tàu đánh cá va chạm gây hỏng hoặc mất hoàn toàn mà không được phát hiện cho đến khi có chuyến thăm tiếp sau

C Ghi chú Các phương pháp ép nén dữ liệu, xử lí dữ liệu trên boong và những tiến bộ của bộ nhớ tiết

kiệm năng lượng đã nâng cao đáng kể công suất lưu trữ của các thiết bị đặt dưới nước Một số tồn tại được đến

2 Do có thể kiểm soát được hoạt động của thiết bị cho nên chỉ cần những chuyến thăm không định kỳ vẫn

có thể duy trì máy hoạt động được

3 Tần suất và mật độ thu thập dữ liệu chỉ phụ thuộc vào công suất lưu trữ của máy tính đặt trên bờ

4 Thiết bị có thể được nạp lại chương trình tại chỗ (không cần vớt lên) để thay đổi chương trình thu thập

dữ liệu

5 Điện năng được cung cấp từ bờ

B Nhược điểm

1 Xin giấy phép khó khăn và nhiều khi phải vất vả

2 Sét là nguyên nhân chính gây hư hỏng và mất dữ liệu

3 Cáp dẫn vào bờ dễ bị tổn thương do mỏ neo tầu hoặc tầu đánh cá

4 Trạm mặt đất có thể hư hỏng do bão lớn làm mất đi những dữ liệu quan trọng về bão

5 Các trạm mặt đất và cáp dẫn dễ bị kẻ vô ý thức phá hoại

6 Cần có nguồn cung cấp điện dự phòng trường hợp mất điện

7 Việc kéo cáp có thể khó khăn, đặc biệt là ở vùng cảng hoặc khi đi qua vùng sóng nhào

8 Việc lắp đặt rất tốn công tại thực địa phải huy động xe ở trên bờ và cần một đến hai thuyền Phải chở cáp nặng đến khu vực quan trắc

f Quan sát và đo dòng chảy

(1) Phương pháp chung để đo dòng chảy

(a) Việc quan sát các hiện tượng thuỷ lực có thể được thực hiện với hai cách tiếp cận Một là cách Lagrangian, là theo dõi sự vận động của một yếu tố quan tâm trong diễn biến không gian và thời gian của nó Cách khác, Eulerian, là xác định sự vận động của nước tại một điểm cố định và xác định quá trình tiến hoá của nó theo thời gian Các công cụ đo dòng theo cách Lagrangian thường được dùng cho các nghiên cứu vận tải trầm tích, để kiểm soát ô nhiễm môi trường hoặc để theo dõi băng trôi Dữ liệu đo dòng chảy bằng phương pháp Eulerian hay phương pháp cố định là quan trọng để xác định những biến động của dòng chảy theo thời gian tại một vị trí cố định Những thiết bị đo mới sản xuất gần đây đã phối hợp cả hai cách tiếp cận này

b) Hiện nay đang sử dụng 4 dòng công nghệ đo dòng chảy (Appell và Curtin,1990): Các phương pháp rada và Lagrangian

Các phương pháp hợp nhất không gian

Điểm nguồn (Point sourse) và các công nghệ liên quan

Các thiết bị đo biên dạng của dòng bằng hiệu ứng Doppler của sóng âm thanh (Acoustic Doppler current Profilers (ADCP) và công nghệ liên quan

Số lớn thiết bị và phương pháp được dùng để đo dòng chảy cho thấy việc phát hiện và phân tích sự vận động của dòng chất lỏng trong biển là một quá trình cực kỳ phức tạp Những khó khăn phát sinh là do quy mô vận động trong nước là liên tục và rất lớn Như McCullough (1980) đã phát bảng “Trong nước không chỉ có một vận tốc duy nhất mà còn rất nhiều vận tốc khác, chúng có những đặc trưng riêng theo không gian và thời gian Vậy, trong khái niệm về “vận tốc” của dòng chảy lỏng có sự hiểu ngầm là thừa nhận quá trình

bình quân hoá về không gian và thời gian được vận dụng để đo vận tốc Những phương thức trung bình hoá không gian và/ hoặc thời gian sử dụng ngày nay là không chính xác hoặc không thích ứng chính là nguồn gốc phong phú của những sai sót đo lường dòng chảy ở gần mặt nước Nhận xét của McCullough là nhằm vào việc đo lường các dòng chảy ở đại dương

Ở vùng nước nông, đặc biệt là đới sóng nhào (surf zone) còn có những khó khăn bổ sung do

có sự chảy rối và dòng không khí cuốn theo do các sóng xô tạo ra, do có sự trôi nổi lơ lửng của một khối lượng lớn trầm tích, sự can thiệp của môi trường tự nhiên Việc đo dòng sao cho chính xác trong những điều kiện như thế này quả là một nhiệm vụ đáng sợ

(2) Cách tiếp cận kiểu Lagrangian

(a) Thuốc nhuộm, thuốc thử, tầu trôi, chai lọ, cấu trúc mang nhiệt (temperature structures), vết dầu tràn, vật liệu phóng xạ, giấy, gỗ vụn, băng, cây cối, thực vật và sinh vật… tất cả đều có thể sử dụng để nghiên cứu sự vận động trên bề mặt của đại dương (McCullough,1980) Một số trong những phương pháp này, cùng với việc sử dụng thuốc thử

ở độ sâu vừa và các vật trôi ở đáy biển cũng được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu ven

bờ Điểm yếu của tất cả các vật trôi là chúng chỉ là các bộ cảm biến giả Lagrangian vì bất kì hình dáng hoặc khối lượng của chúng như thế nào, chúng cũng không thể trôi đúng theo dòng chảy của nước (Vachon,1980) Tuy nhiên, chúng rất hữu ích để phát hiện các mô hình dòng chảy bề mặt nếu chúng được chụp ảnh và ghi hình lại một cách liên tục Những thí nghiệm đơn giản với vật trôi cũng rất hữu ích để xây dựng chương trình thu thập dữ liệu (sampling strategy) trong các cuộc khảo sát thực địa quy mô lớn về sau Phao, vật trôi ở đáy, thuốc thử và thuốc nhuộm được sử dụng, đặc biệt ở đới ven bờ, tức là nơi mà các thiết bị đo dòng chảy đặt cố định lại bị các dòng chảy rối gây tác động phản lại Resio và Hands (1994) phân tích việc sử dụng các vật trôi ở đáy và đánh giá giá trị của chúng so với các thiết bị đo lường khác

(b) Các hệ thống vẽ bản đồ dòng chảy bề mặt bằng rada tần số cao (radar HF) đã được thử nghiệm từ những năm 1970 Ưu việt của rada tần số cao là những tần số này phát hiện chính xác các dòng chảy ngang ở độ sâu trung bình của nước chỉ 1m (tổng chiều dày của lớp nước khoảng 2m) Do đó radar HF cảm nhận chính xác các dòng chảy ngang ở các lớp cao nhất ở đại dương, nơi mà các công cụ khác, như các thiết bị đo dòng được bỏ neo và các thiết bị ADCP, không hoạt động được (Barrik, Lipa, và Lilleboc, 1990) Tuy nhiên, radar HF cho kết quả hạn chế trong lãnh vực hải dương học vì có những khó khăn trong việc kiểm tra

độ chính xác của các đo lường và giá thành tương đối cao của hệ máy này (Apell và Curtion 1990)

c) Sự lưu thông quy mô lớn ở ven bờ có thể quan sát được trong ảnh vệ tinh như ở H.5.3

Bảng5-2: Hướng dẫn lắp đặt các thiết bị đo sóng đối với các dự án quan trắc đới bờ

I Những dự án có kinh phí lớn (cảng lớn: khu vực đông cư dân)

A Vị trí được gợi ý

1 Một (hoặc nhiều) thiết bị đo sóng đặt sát bờ, gần những dạng địa hình đặc biệt đang cần theo dõi (thí dụ gần một lạch triều – inlet) Mặc dù gọi là gần bờ, song thiết bị đo cần phải đặt ở vùng nước trung hoặc bãi sâu, căn cứ vào chu kỳ sóng phổ biến nhất có thể xảy ra Độ sâu này phải được tính toán theo công thức nêu trong sách hướng dẫn bảo vệ bờ (1984)

2 Ngoài ra, một thiết bị đặt ở vùng nước sâu, nếu cần, để xác định các điều kiện biên của mô hình

B Lịch thời gian

1 Tối thiểu: 1 năm Kiểm soát mô hình sóng mùa đông/mùa hè (đặc biệt cần thiết đối với các dự án ở Ấn

Độ Dương)

2 Tối ưu: 5 năm hoặc đủ lâu để xác định được liệu ở đây có những biến đổi đáng kể về khí hậu hay không

Cố gắng có một mùa El Nino đối với những dự án vùng Bắc Mỹ

C Ghi chú

1 Lập mô hình đông quy vật lí hoặc mô hình số: khi đặt một thiết bị đo cần tính đến yêu cầu của nhà lập

mô hình về đầu vào hoặc việc chia độ mô hình (model calibration)

2 Những dữ liệu về sóng trước đây có thể mách bảo những địa điểm cụ thể để đặt máy Một giải pháp thay thế là có thể đặt thiết bị đo ở nơi tương tự như đã đặt trước đây để có những dữ liệu mới đối sánh được với những

dữ liệu cũ Một tập hợp dữ liệu liên tục dài hạn là cực kỳ quý giá!

II Dự án kinh phí trung bình

A Vị trí được khuyến nghị

1 Đặt một thiết bị đo sóng ở sát bờ gần địa điểm dự án

2 Thu thập dữ liệu từ phao gần nhất của Trung tâm Dữ liệu phao Quốc gia (NDBC) thuộc NOAA để tìm hiểu khí tượng học miền nước sâu

B Lịch bảng: triển khai 1 năm là tối thiểu; dài hơn nếu có thể

C Ghi chú: như 1C nói trên Đối chiếu với dữ liệu hiện có là rất hữu ích

III Những dự án ngắn hạn, ít kinh phí

A Vị trí đặt máy: một máy sát gần khu dự án

B Lịch bảng: Nếu không thể lắp đặt trong một năm, cố kiểm soát trong 1 mùa khi có sóng cao nhất (thường là mùa đông, mặc dù có thể không đúng đối với những vùng có băng)

C Ghi chú: như 1C ở trên Rất cần sử dụng moi dữ liệu thuộc các vùng kề cận, sử dụng bất kỳ tài liệu nào

có thể cung cấp thông tin bổ sung về khí hậu sóng (wave climatology) của vùng

Hình 5-6: Biên độ triều tại 7 trạm quan trắc đặt ở vịnh Choctawhatchee, FL và vịnh Mexico

(3) Các phương pháp tích phân không gian (spatial integrating)

Ngày nay người ta tiến hành những thí nghiệm đánh giá trung bình vận tốc theo không gian bằng cách quan sát các trường điện cảm ứng Thí nghiệm được tiến hành bằng kéo các cực điện từ một con tàu hoặc bằng phóng điện áp vào các cáp điện thoại bỏ đi Một số trong

số những thí nghiệm này được thực hiện nhằm mục đích đo các luồng hướng áp (barotropic flow) ở bắc Thái Bình Dương (Chave, Luther và Filloux,1990; Spain,1990 – Hai bài báo này tập hợp một khối lượng lớn các vấn đề về phương pháp và phép tính toán) Tác giả cuốn sách này chưa biết rằng các phương pháp này đã được kiểm nghiệm ở vùng nước nông hay

trong các đường thuỷ giới hạn, như kênh, hay chưa Do đó lúc này các phương pháp tích phân không gian chưa được ứng dụng trực tiếp cho các

(4) Phương pháp điểm nguồn (Point sourse) (Eulerian) và công nghệ liên quan

(a) Ở kênh, vịnh và ngoài khơi việc đo vận tốc và hướng của dòng chảy có thể thực hiện được bằng các thiết bị đặt ở đáy hoặc ở bất kỳ độ cao nào của cột nước Có hai loại thiết bị

đo dòng: cơ học (kiểu cánh quạt) và điện tử Một vài loại công cụ đo dòng điện tử được sử dụng phổ biến, bao gồm các công cụ đo bằng điện tử, dụng cụ đo góc nghiêng (inclinometer)

và thời gian hành trình âm thanh (accoustic travel-time) (Fredette et al.,1990; Mc Clullough,1980; Pinkel,1980)

(b) Các dụng cụ đo dòng có cánh quạt đo dòng bằng cánh quạt quay do dòng chảy kích động Những công cụ này coi như những cảm biến gần đúng một hợp phần của tốc độ vì chúng nhạy cảm trước hết với hợp phần nào của dòng mà chảy theo hướng song song trục của chúng Người ta thiết kế nhiều kiểu dụng cụ cánh quạt để đo dòng chảy, song thực nghiệm và các nghiên cứu lí thuyết đã chỉ rằng các cánh quạt đặt trong ống (ducted propeller) là thích hợp hơn cả để đo các dòng chảy gần mặt nước ở đại dương hơn là các lưu

kế kiểu chong chóng/cánh quạt (rotor/vane) (Davis và Weller,1980) Những lưu kế kiểu chong chóng/cánh quạt được coi là hiện thực nhất để sử dụng cho các đới sóng nhào (Teleki, Musialowski, và Prins,1976) và cũng là loại rẻ nhất Loại lưu kế Endeco 174 được CERC sử dụng rộng rãi nhiều năm trên khắp đất nước Thiết bị đo dòng chong chóng dễ bị hư hỏng (bị xoắn, sinh vật bám vào…) nhưng cũng dễ sửa chữa tại chỗ, và dễ chia độ hơn các loại khác (Fredette et al 1990)

(c) Các lưu tốc kế điện tử có nhiều điểm chung, mặc dù khác nhau về nguyên lý hoạt động Ưu việt phổ biến lớn nhất của chúng là phản ứng nhanh và thuộc loại tự ghi, không có các bộ phận chuyển động lòi ra ngoài Chúng có thể sử dụng trong hệ thời gian thực và đo được ít nhất hai hợp phần của tốc độ dòng chảy Trình độ của người sử dụng máy có lẽ có ảnh hưởng nhiều hơn đến loại máy được dùng (Fredette et al.,1990) Lưu tốc kế điện từ S4 thuộc Hệ Liên Đại dương được CERC sử dụng có hiệu quả cho các thí nghiệm ngoài thực địa

(5) ADCP – Biên dạng ký Doppler hoạt động trên nguyên lý dịch chuyển Doppler của năng lượng âm thanh tán xạ phản hồi từ các hạt lơ lửng đang vận động trong nước

Giả thử rằng các hạt có cùng vận tốc như nước vây quanh, độ dịch chuyển Dopper sẽ tỷ

lệ với các vận tốc hợp phần của nước trong đường đi của xung âm thanh phát ra từ máy đo (Boss,1990) Tín hiệu âm thanh tán xạ phản hồi được chia thành hai phần tương ứng với các hộp (cells) đặt ở các độ sâu được xác định mà thường gọi là các “thùng” (bins) Các thùng này có thể có kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào độ sâu nước nơi đặt máy, vào tần số của xung tín hiệu, thời gian thu tín hiệu của mỗi thùng được và sai số cho phép của vận tốc dòng

ta đo Phương pháp ADCP đã gây nhiều điều lý thú đối với các nhà khoa học hoạt động ở vùng nước nông cũng như ở đại dương nước sâu (Gordon et al.,1990, đã liệt kê danh sách lớn các nhà khoa học này) Ưu điểm lớn nhất của ADCP sử dụng ở vùng nước nông là nó cho ta profin của các tốc độ trong toàn bộ cột nước, và do đó cho ta hình ảnh toàn diện hơn

về sự vận động của nước hơn là chuỗi các lưu tốc kế kiểu điểm nguồn Dữ liệu ADCP vốn dĩ

có tiếng ồn và việc xử lí tín hiệu cũng như tính toán đại lượng trung bình là điều rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động của máy (Trump,1990)

(6) Những đánh giá gián tiếp vận tốc dòng

Vận tốc và chiều hướng dòng có thể được đánh giá gián tiếp nhờ vào chiều hướng, kích thước và hình dáng của các dạng địa hình đáy biển, đặc biệt là ở vùng nước nông Các máy Sonar quét biên (Sonar = Sound Navigation And Ranging = hệ thống máy định vị bằng thuỷ âm) được sử dụng rộng rãi làm cho dạng nghiên cứu này có thể thực hiện được ở vịnh, lạch triều và ngoài khơi Các cấu tạo trầm tích ở đáy biển được hình thành bởi lực cản thuỷ động lực của dòng nước tác động lên các hạt trầm tích Hình thể và diện dạng của các cấu tạo ở đáy phản ảnh các tác động và mối tương tác giữa các dòng thuỷ triều, sóng, dòng chảy sông

và các dòng dọc bờ Những tương tác phức tạp này tác động đến các viả trầm tích đáy ở các kênh triều (tidal channels) và các đường thuỷ có giới hạn Các vỉa đáy phản ảnh vật tốc dòng, song nói chung không phụ thuộc vào độ sâu (Clifton và Dingler, 1984; Boothroyd, 1985) Hình dạng của chúng biến thiên tuỳ thuộc cường độ của dòng (Hayes và Kana,1976)

Sự định hướng và mặt trượt của dạng địa hình đáy cũng cung cấp căn cứ then chốt để xác định hướng của dòng chảy (Morang và McMaster,1980; Wright, Sonu và Kielhorn, 1972)

g Cách lấy mẫu trầm tích bằng gầu múc và các mẫu gầu múc

(1) Các tầm tích ở các vùng đáy biển và ven bờ có thể cho thấy những biến động trong không gian và thời gian Các trầm tích trên bề mặt có thể cung cấp thông tin về năng lượng của môi trường cũng như về các quá trình dài hạn và sự di chuyển vật liệu thí dụ đường vận tải, nguồn cung cấp và bồn chứa trầm tích Các trầm tích trên bề mặt đáy thông thường được thu thập qua các mẫu lấy bằng gầu múc và sau đó đem phân tích bằng các phương pháp chuẩn mực trong pòng thí nghiệm Những loại xét nghiệm này được mô tả chi tiết trong các tài liệu khác (Fredette et al.,1990; Buller và McManus,1979)

(2) Có rất nhiều loại mẫu gầu múc, khác nhau về kích thước và kiểu dáng, được sử dụng

để thu thập mẫu trầm tích bề mặt (Chi tiết xem Bouma,1969) Phần lớn chúng cấu tạo bởi một bộ gồm 2 hàm hình con sò lắp đối diện nhau và khép mở được; gàu múc này được hạ xuống tới đáy ở dạng mở và sau đó khép kín lại để thu lượm mẫu Có rất nhiều dụng cụ lấy mẫu gầuồngạm cỡ nhỏ có thể vận hành bằng tay được; một số khác lớn hơn đòi hỏi có các

bộ bánh răng để nâng - hạ Nếu trầm tích có cuội, mẫu phải có khối lượng 2-3 lit mới đủ để phân tích phân bố độ hạt một cách tin cậy được

(3) Một loại công cụ lấy mẫu đơn giản, rẻ tiền là ống hút (dredge sampler), nó được làm bằng một đoạn ống đóng kín một đầu Ống này được kéo đi một đoạn trên đáy biển để lấy mẫu Không như mẫu gầu múc (grab sample) các mẫu ống út (dredged sample) không đại diện cho một điểm duy nhất và có thể bị mất các hợp phần mịn trong khi lấy mẫu Tuy nhiên, các mẫu ống hút vẫn hữu ích ở những miền thềm lục địa hoặc những nơi có cuội vì cuội có thể làm cho hai hàm gầu múc không khép kín được

(4) Mặc dù việc lấy mẫu trầm tích bề mặt là có lợi để xác định các quá trình hiện tại, nó chỉ có giá trị giới hạn trong nghiên cứu địa tầng vì dụng cụ lấy mẫu gầu múc chỉ đạt được độ sâu nhỏ hơn 15cm xuyên vào lớp trầm tích Nói chung, xét về chi phí thì việc thực hiện các tuyến lấy mẫu ở vùng ven bờ chỉ để lấy mẫu trầm tích bề mặt không thôi thì không kinh tế,

trừ phi có thể sử dụng các tầu rẻ tiền Đôi khi các mẫu gầu múc và mẫu ống hút được thu thập trong khi khảo sát địa vật lí, song việc lấy mẫu lại đòi hỏi tầu phải dừng lại ở mỗi điểm lấy mẫu và như vậy sẽ làm mất thời gian khảo sát và làm cho việc thu thập dữ liệu bị gián đoạn Phương pháp định vị chính xác ở ngoài khơi hiện nay cho phép lấy mẫu gầu múc ở những địa điểm đặc biệt dọc theo tuyến tàu chạy sau khi đã hoàn thành khảo sát và dữ liệu

đã được xử lý

h Lấy mẫu địa tầng

(1) Trình tự các lớp trầm tích (bỏ rời) và đá trầm tích là bản ghi chép lịch sử trái đất và

sự biến động môi trường của nó, bao gồm biến động mực nước biển, cổ khí hậu, sự lưu thông ở đại dương, những biến động của khí quyển và địa hoá của đại dương và lịch sử từ trường của trái đất Bằng phân tích dữ liệu địa tầng, ta có thể xác định tuổi tương quan của các lớp đá, thế nằm và sự phân bố nham thạch, thành phần trầm tích, hoá thạch, cổ địa lí sinh vật học và các giai đoạn bào mòn và lắng đọng ở đới bờ Sự bào mòn xoá đi một phần của bản ghi tự nhiên này và nó tạo ra các bất chỉnh hợp Nhiều khi có thể thu thập được các bằng chứng về sự xói mòn bằng các dấu hiệu tự nhiên hoặc bằng các phương pháp xác định tuổi nham thạch/trầm tích

(2) Những tích tụ trầm tích phân bố cắt ngang một đới từ điểm nước dâng cao nhất kéo dài suốt đến độ sâu chân sóng (to the depth of the wave base) được coi là những dấu hiệu về các quá trình hiện đại Có nhiều phương pháp khảo sát thực địa đơn giản để thu thập dữ liệu trong phạm vi đới trầm tích bở rời này Các phương tiện kỹ thuật thường dùng các thiết bị có kết cấu thông thường hay công cụ cầm tay Những công cụ như xẻng, gầu xúc tay, khoan tay hoặc những loại khác vận hành thủ công không đòi hỏi tốn sức lắm Tốn công sức hơn là đào hào, giếng và các nạo vét vết lộ để quan sát được bằng mắt thường, lấy mẫu và chụp ảnh (H.5.7) Mẫu lớp bề mặt có thể lấy trực tiếp ở bề mặt trầm tích được lộ ra Lớp vỏ ngoài này bảo tồn sự sắp xếp ban đầu các tính chất của quá trình trầm tích (Bouma,1969) Nhiều khi người ta thu thập các mẫu nguyên khối hoặc các mẫu lớn từ các công trình nạo vét vết lộ để làm xét nghiệm

(3) Có thể sử dụng các tầng đánh dấu để xác định tốc độ và mô hình trầm tích Các tầng đánh dấu có thể được hình thành do kết quả của các biến cố thiên nhiên và các hoạt động vô tình của con người; chúng cũng có thể được dùng để xác định tốc độ và mô hình của quá trình trầm tích Gần đây người ta tiến hành một số thí nghiệm đánh giá tốc độ trầm tích bằng việc rải khoáng vật fenspar làm vật đánh dấu trên bề mặt vùng đầm lầy và lâu về sau người

ta đo bề dày lớp trầm tích kết đọng trên lớp đánh dấu bằng các thiết bị khoan có tạo băng (4) Nghiên cứu thành phần thạch học và thành phần khoáng vật của nham thạch trong các mẫu giúp ta xác định nguồn cung cấp trầm tích Kết quả nghiên cứu này cũng chỉ cho ta biết sông có đổi dòng hay các dòng ven bờ có đổi hướng hay không Khoáng vật học và nguồn cấp trầm tích được đề cập trong sách của Meisburger,1993; Wilde và Case,1977)

Hình 5-7: Hào lấy mẫu ve rìa một cồn cát ở tây Alabama gần ranh giới Alabama/ Floria

(5) Việc lấy mẫu trực tiếp từ các tầng nằm dưới lớp đáy là rất quan trọng để nghiên cứu địa tầng cổ đại Bảng 5.3 liệt kê chi tiết các dụng cụ lấy mẫu trầm tích ngầm dưới nước mà không cần các máy khoan Một trong số này là ống lấy mẫu khoan rung, thường được các nhà địa chất dùng để lấy mẫu ngoài biển và ven bờ Ống mẫu khoan rung gồm 3 bộ phận: khung, ống/ cần khoan và đầu dẫn động có bộ rung (H.5.8) Khung gồm một giá 4 hoặc 3 chân, các chân nối với một dầm đứng Dầm này làm trụ đỡ và định hướng cho ống khoan và

bộ rung và làm cho máy khoan có thể đứng tự do trên mặt đất hoặc đáy biển Lõi khoan có thể dài đến 3 – 4m, khối lượng của nó đủ để phục vụ các nghiên cứu về vùng dự án và cho các nghiên cứu ven bờ sau này nữa

(6) Công suất của các ống khoan rung phổ biến là có thể xâm nhập vào trầm tích bở rời tới 5m hoặc sâu hơn, nhưng công suất thực tế còn phụ thuộc tính chất của vật liệu đáy biển Trong những điều kiện không thuận lợi có thể không thu thập được nhiều mẫu vật Lí do lớn nhất là ống khoan không khoan được vào tầng trầm tích Nói chung, thường rất khó xuyên thủng sét quánh, sỏi cuội và cát mịn hoặc rất mịn được kết nén chặt Sự nén chặt và mất mẫu

khi thu hồi có thể gây ra sự không ăn khớp giữa độ xâm nhập của ống khoan và độ thu hồi mẫu So với các dụng cụ khoan xoay thì việc lắp đặt, vận hành và thu lượm mẫu bằng ống khoan rung nhanh hơn Thường trong ít phút có thể khoan được một lõi khoan dài 3m Để lấy các lõi khoan dài hơn phải có cần cẩu hoặc các thiết bị nâng kéo khác, một thao tác tốn kém thời gian nhất, song vẫn là nhanh Kết quả của phương pháp khoan rung phụ thuộc vào mức độ hiểu biết có trước về thành phần trầm tích của vùng nghiên cứu

(7) Các lõi khoan là vô giá vì chúng cho phép trực tiếp xác định tỷ mỉ các lớp trầm tích

và các quá trình tự nhiên diễn ra trong thời kỳ lắng đọng trầm tích Phụ thuộc vào nội dung thông tin cần có, ta có thể tiến hành các dạng phân tích khác nhau như phân tích độ hạt, cấu tạo trầm tích, xác định thành phần khoáng vật, vật chất hữu cơ, hoá thạch vi sinh vật, phân tích X-quang (cho phấn hoa), định tuổi tuyệt đối và các xét nghiệm cơ lí Nếu chỉ cần các thông tin liên quan quá trình hiện tại, thì mẫu lõi khoan dài 0,6m là hoàn toàn đủ Hộp lấy mẫu (box corer) có đường kính lớn nên có thể thu lượm lõi khoan không bị phá huỷ cấu trúc trực tiếp từ các lớp dưới mặt đáy biển; mẫu này có thể dùng để phân tích vi cấu trúc và tính phân lớp Những cấu trúc này thường bị phá huỷ khi sử dụng các phương pháp khoan rung

và khoang xoay truyền thống

(8) Nếu cần thu thập mẫu lõi khoan ở sâu hơn, hoặc gặp tầng trầm tích gắn kết chắc hoặc trầm tích cứng rắn thì cần đến khoan xoay Máy khoan xoay đặt trên xe tải hoặc xe trượt rất tiện lợi khi dùng trên bờ biển hoặc đặt trên phà để lấy mẫu ở vùng nước nông Khoan xoay ở ngoài khơi thì phức tạp và tốn kém hơn, thường cần có phà khoan hoặc tàu khoan được bỏ neo ở 4 điểm (H.5.9) Một đội khoan có kinh nghiệm có thể khoan tới 100m trong 24 giờ Thông tin về khoan và lấy mẫu được trình bày ở EM1110 – 1 – 1906 và ấn phẩm của Hunt,1984

i Chuyển động của trầm tích và các địa hình bề mặt

Trong nghiên cứu lịch sử địa chất điều có ý nghĩa quan trọng là xác định đường vận chuyển trầm tích Việc này bao gồm xác định vị trí nguồn cung cấp vật liệu và bồn tích đọng, xác định định lượng tốc độ vận tải trầm tích và xác định đường đi của chúng Khả năng vận tải trầm tích chịu tác động bởi các tính chất của hạt như kích thước, hình dáng và

tỷ trọng, trong đó kích thước hạt là đáng kể nhất Sự vận tải tách biệt trầm tích mịn và thô, góc cạnh và tròn nhẵn, và giữa nhẹ và nặng dẫn đến sự phân loại Những cuộc khảo sát thực địa thường được lặp đi lặp lại để phát hiện những biến động theo thời gian của hiện tượng này Những số đo đồng thời về các quá trình mang năng lượng như dòng chảy và sóng, thường là rất cần để hiểu biết về tốc độ và cơ chế của sự chuyển động

Hình 5-8: Thiết bị lấy mẫu bằng ống viba loại nhẹ đặt trên tàu

Hình 5-9: Giàn khoan đặt trên tàu với 4 mỏ neo, hai kíp làm việc trực 24/24

(1) Đo sự vận động của trầm tích

(a) Việc đo đạc sự di chuyển trầm tích lơ lửng hoặc trầm tích lắng đọng nơi mặt đáy ở đới sóng nhào là một quá trình cực kỳ khó khăn Có hàng loạt kiểu thiết bị lấy mẫu để đánh giá sự vận tải trầm tích lơ lửng và trầm tích đáy ở thực địa (Dugdale,1981; Seymour,1989), song những công cụ này trong một số điều kiện sẽ hoạt đông không chắc chắn hoặc đắt đỏ hoặc khó sử dụng Vì những lí do đó, CERC và các phòng thí nghiệm khác đang xây dựng

và thử nghiệm các quy trình, phương pháp mới Đo vận động trầm tích tại 1 điểm (point measurements) có thể thực hiện bằng 2 cách:

Lấy mẫu trực tiếp và cân khối lượng vật liệu

Phát hiện luồng chảy lỏng bằng các thiết bị đo điện quang hoặc âm học đặt trong nước (b) Có hai phương pháp chung được sử dụng để lấy mẫu trầm tích ở dạng lơ lửng hoặc lắng đọng trên mặt đáy Thứ nhất, có thể dùng chai cầm tay thu thập nước tại chỗ vào hoặc hút từ xa vào thùng chứa có các ông dẫn và bơm hút Sau đó mẫu được xấy khô và cân cặn khô Phương pháp thứ hai là bẫy lọc một số khối lượng đại diện mẫu trầm tích bằng sàng bẫy

để nước có thể chảy qua trong một thời gian xác định Vấn đề cơ bản mà cả hai phương pháp đều vấp phải là liệu mẫu thu được có đại diện cho trầm tích đang di chuyển hay không Thí dụ: ống hút phải đặt cách đáy biển thế nào để lấy được mẫu trầm tích đáy? Nếu để cao sao cho vỉa đáy không bị di chuyển thì liệu nó có làm mất đi một số lượng trầm tích lắng trên mặt đáy? Những chiếc bẫy đặt chắn dòng làm bằng sàng/rây thì dễ kiếm nhưng khó sử dụng

Lỗ phải đủ nhỏ để có thể hứng được hết trầm tích nhưng lại phải để sao cho nước được chảy

tự do Kraus (1987) đã đặt các bẫy ở cống Duck, NC, làm bằng khung thép không gỉ (H.5.10) Kraus và Dean (1987) đã xác định được sự phân bố các dòng vận tải cát dọc bờ bằng sử dụng các bẫy trầm tích Vào thời điểm này các bẫy trầm tích vẫn còn được sử dụng nhưng không rộng rãi nữa

Hạn chế cơ bản của các bẫy là chúng thường chỉ dùng được trong những điều kiện ôn hoà Mùa đông hoặc khi có bão rất nguy hiểm đối với cán bộ kỹ thuật ở thực địa khi lấy mẫu Tiếc thay là trong những điều kiện khắc nghiệt ấy lại xuất hiện những sự vận động trầm tích lớn nhất Vấn đề cơ bản khác nữa là mối liên hệ giữa số đo tức thời sự vận tải trầm tích lơ lửng và trầm tích lắng đọng ở đáy với sự chuyển động trầm tích trong thời kỳ lâu dài

Do những khó khăn lớn khi tiến hành nghiên cứu ở đới sóng nhào nên câu hỏi này chưa có lời giải

(c) Các thiết bị đo điện tử đang được sáng chế để đo vận tải trầm tích Chúng có một số

ưu việt so với các phương pháp lấy mẫu trực tiếp Đó là khả năng đo những biến đổi theo thời gian của sự vận động trầm tích lơ lửng và trầm tích lắng đọng ở đáy và khả năng sử dụng được trong điều kiện khắc nghiệt (Tuy vậy, cần nhớ rằng trong điều kiện bão nguy hại,

về cơ bản không một thiết bị người làm ra nào có thể tồn tại được ở đới sóng nhào) Điểm yếu của chúng còn ở chỗ có khó khăn trong việc chia độ các bộ cảm biến và thử nghiệm sử dụng chúng với các loại cát khác nhau dưới nhiệt độ khác nhau Ngoài ra, nhiều thiết bị loại này khá đắt tiền và không luôn luôn sẵn có Steinberg đã sáng chế và thử nghiệm một thiết bị

đo dùng để nghiên cứu vận tải trầm tích ở cửa sông và đới ven bờ

Hình 5-10: Mẫu thiết kế thiết bị lấy mẫu trầm tích (bao gồm khung thép và túi lưới nhựa thu mẫu)

được sử dụng ở Duck, NC trong chương trình DUCK-85 của CERC (Krau, 1987)

d) Sự di chuyển trầm tích của cả hai loại - trầm tích đáy và tổng lượng trầm tích - đều

có thể đo được bằng sử dụng các vật đánh dấu tự nhiên và nhân tạo (Dugdale,1981) Các khoáng vật nặng là vật đánh dấu tự nhiên, đã được dùng để nghiên cứu trầm tích di chuyển (McMaster,1960; Wilde và Case,1977) Cát tự nhiên cũng có thể được đánh dấu bằng tạo lớp phủ phóng xạ hoặc huỳnh quang (Arlman, Santema, và Svasek, 1958; Duane,1970; Inman và Chamberlain,1959; Takeli,1966) Các chất đánh dấu phóng xạ không được phép dùng nữa vì

lí do bảo vệ sức khoẻ và an toàn Khi dùng thuốc nhuộm huỳnh quang thì có thể sử dụng đồng thời các màu khác nhau ở các bể trầm tích có cỡ hạt khác nhau để phân biệt các thí nghiệm tiến hành kế tiếp nhau ở cùng một địa điểm (Ingle,1966) Các hạt nhân tạo có cùng

tỷ trọng và cùng phản ứng thuỷ lực như các hạt tự nhiên, cũng có thể được dùng trong các nghiên cứu có sử dụng vật đánh dấu Nicholls và Webber (1987) đã dùng cuội nhôm ở vùng

bờ đá ở Anh Các đá chứa nhôm này được định vị ở bờ bằng sử dụng các dụng cụ dò kim loại Nelson và Coakley (1974) đã điểm qua các phương pháp và khái niệm dùng vật đánh dấu

(e) Các phương pháp Eulerian và Lagrangian dùng thuốc đánh dấu cũng có thể áp dụng thử nghiệm để nghiên cứu các hiện tượng khác Đối với phương pháp tích phân thời gian (time integration) hay phương pháp Eulerian, các thuốc đánh dấu được phun với mức độ đồng nhất qua từng khoảng thời gian định trước Đối với phương pháp tích phân không gian (space integration) hay phương pháp Langragian, các thuốc đánh dấu được bơm ra trên một vùng ở cùng một thời điểm Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc bản chất của vấn đề Phải thiết kế các thực nghiệm tại thực địa một cách chu đáo để tách biệt được thông số ta quan tâm đo đạc hay theo dõi Thí dụ, nếu mục đích nghiên cứu là sự vận tải trầm tích lắng đáy thì phải chú ý không để các chất đánh dấu được hút vào trầm tích lơ lửng trong cột nước

Bảng 5-3: Lấy mẫu đất dưới nước không dùng máy khoan và ống chống

Một tải trọng lắp chong chóng nối với ống chống được thả trực tiếp từ thuyền xuống

trong ống có ống lót và ống mẫu

Thiết bị treo trên dây ở sườn tàu cách đáy ~ 5m rồi thả rơi tự

do

Tương tự như ống mẫu rơi tự

do, trừ các pít tông để giữ thiết

bị đứng chắc trên đáy biển khi lấy mẫu

Khoảng 10cm

Khoảng 9m

Đất mềm ~ 5,1m

Đất cứng ~ 3,0

m

Ống mẫu chuẩn dài 3,0m; có thể lắp thêm ống 3,0m nữa

Mẫu có

Hoạt động tốt ở nước sâu đến 66m Sâu hơn thì cần trọng lượng bổ sung

Độ sâu nước tối đa chỉ phụ thuộc tải trọng Có thể lấy được mẫu nguyên khối bằng ống đường kính lớn và ngắn

Độ sâu nước tối đa chỉ phụ thuộc tải trọng Có thể lấy được mẫu nguyên khối bằng ống đường kính lớn và ngắn

Có thể lấy mẫu nguyên khối chất lượng cao

Đã dùng có kết quả ở

độ sâu nước 6000m (20,000ft)

va vào đáy biển cứng, nòng súng trượt qua lẫy cò mổ vào kíp nổ Sức ép thuốc nổ đẩy ống mẫu vào sâu trầm tích đáy

Tương tự thiết bị lấy mẫu kiểu pít tông Osterberg trừ việc pít tông ở ống lấy mẫu được kích hoạt bằng áp suất khí

Máy đặt trên đáy biển Áp suất không khí của tàu biển kích hoạt bộ tạo rung bằng khí nén

để ống thâm nhập vào đất; có ống lót nhựa để giữ lõi mẫu

Một hộp có tải trọng có cửa đóng ở đáy để lấy mẫu sinh học đáy biển

đườngkính 2,5– 20 cm, dài 3,0m (core

to 1 – 7/8 in

and to 10 ft lengths)

Khoảng 10,5m

Tốc độ xuyên đất tuỳ thuộc

độ cứng trầm tích

Khoảng 0,3m

Độ sâu nước tối đa 60m Lấy mẫu dài 6m trong đất mềm hết 2 phút

Phần tâm của lõi mẫu không bị phá cấu trúc

(2) Sử dụng địa hình dưới mặt nước để đánh giá chế độ luồng chảy

Chương 4 đã giới thiệu hình dáng địa hình bề mặt (bed form shape) và danh pháp của chúng

(a) Jopling (1966) đã chỉ ra các dấu chỉ thị hữu ích như sự phân lớp của tập đầu vỉa, (foreset laminae) nhờ đó có thể đánh giá định lượng sức mạnh của các dòng chảy trầm tích

cổ và hiện đại những dấu hiệu chỉ thị này gồm: (1) Góc dốc cực đại của tập đầu vỉa (với tốc

độ thấp góc này có thể lớn hơn góc dốc tĩnh tự nhiên (static angle of repose) trong khi đó nếu tốc độ thấp thì góc này nhỏ hơn góc tĩnh); (2) Tính chất của ranh giới giữa tập đầu vỉa (foreset) và tập đáy (bottomset) (ranh giới tiếp giáp biến đổi từ dạng góc sang dạng tiếp

tuyến đến dạng chữ sigma ( ∑ ) cùng với sự tăng vận tốc) (3) Tần suất phân lớp được đo theo đường vuông góc với mặt phân lớp (số lượng mặt phân lớp trên một đơn vị diện tích tăng cùng với sự tăng tốc độ) (4) Độ rõ nét hay độ tương phản kiến trúc giữa các mặt lớp kề cận (ở tốc độ cao không phân biệt rõ các lớp); và (5) Sự xuất hiện các vết gợn sóng thoái lui (gợn sóng thoái lui – regressive ripples – là chỉ thị cho biết tốc độ tương đối cao)

(b) Có thể đo các địa hình bề mặt (bed form) ở dải cát lộ ra ở vùng nước thấp với việc

sử dụng các kỹ thuật trắc đạc hoặc chụp ảnh hàng không tỷ lệ lớn Các thông số phi thứ nguyên của gợn sóng và của các địa hình bề mặt khác có thể là chỉ thị môi trường trầm tích (Tanner, 1967) Có thể được xác định chiều dòng chảy dựa vào đường sống của các gợn sóng (the trace of the crestline) (Allen,1988) Các địa hình dạng sóng phản ảnh tốc độ và hướng của các dòng chảy dao động cũng như bước của hợp phần nằm ngang trong chuyển động quỹ đạo và tính bất đối xứng tốc độ của dòng chảy (Clifton và Dingler,1984) Dựa vào trình tự tốc độ theo chiều sâu của các dòng tạo ra các địa hình bề mặt cũng có thể đánh gía cường độ ở một độ sâu nhất định của dòng chảy đã tạo ra các địa hình bề mặt ở vùng cửa sông trong đới gian triều [The flow strength for intertidal estuarine bed forms can also be estimated for a given flow depth by the velocity – depth sequence of bed forms] Boothroyd,1985)

j Các thiết bị dẫn đường hàng hải và định vị

(1) Định vị chính xác là điều tối quan trọng đối với số lớn các nghiên cứu kiểm soát về địa chất Đã có một vài hệ thống định vị và hướng dẫn hàng hải phục vụ các nghiên cứu ven

bờ, trong số đó phổ biến nhất là hệ Loran-C, và Hệ Định vị Toàn cầu (GPS) Các công nghệ khác như các hệ vi sóng tầm gần (short-range microwave) và hệ quang học cũng được sử dụng phổ biến (Fredette et al.1990)

(2) Hệ Loran-C dùng sóng xung vô tuyến tần số thấp để tính chênh lệch thời gian bằng micro giây giữa máy phát và máy thu Sau đó độ chênh lệch này được tính toán như đường định vị (as lines of position) Máy thu có thể đặt ở xa tới 2000km cách máy phát vẫn bảo đảm chính xác chấp nhận được Độ chính xác tuyệt đối của hệ Loran-C là từ 180-450m, trong đó sai số 15-90m là phổ biến

(3) Hệ Định vị Toàn cầu (GPS) là cuộc cách mạng trong ngành đạo hàng điện tử phục

vụ mục đích quân sự vì khả năng có một không hai của nó trong việc cung cấp thông tin vị trí nhanh chóng và cực kỳ chính xác ở khắp nơi trên thế giới và trong mọi điều kiện thời tiết

Hệ này vẫn chưa hoạt động đầy đủ vì còn một vài vệ tinh nữa chưa được phóng lên quỹ đạo Đáng tiếc cho người sử dụng dân sự là Bộ Quốc phòng đã thực hiện chương trình an ninh quốc gia gọi là “Sử dụng có lựa chọn” đã cố tình làm giảm độ chính xác của GPS bằng làm lệch tín hiệu của vệ tinh Có hai loại máy thu tín hiệu GPS

Hệ định vị chính xác (PPS - Precise Positioning Systems) có các con chip điện tử để nhận biết và chỉnh lý tín hiệu lệch Hệ này chỉ có trong quân đội và các công dân được phép

Hệ định vị thông dụng (SPS - Standard Positioning Systems) có sẵn bán cho người đi thuyền và mọi công dân Hệ này cho độ chính xác 100m trong 95% thời gian sử dụng và 300m cho 5% thời gian còn lại Vấn đề đối với hệ SPS là ở chỗ người công dân sử dụng

không biết được đại lượng độ lệch cố tình tạo ra kia là bao nhiêu và khi nào nó xuất hiện, do

đó họ không thể xác định được độ chính xác của chỉ số đo của GPS ở một thời điểm cụ thể Nhằm bảo đảm độ chính xác đến 12-20m trong các việc liên quan đến bến cảng và lối vào cảng tàu, Cơ quan Bảo vệ bờ biển Hoa Kỳ đã thiết kế hệ GPS vi sai (differential GPS) Phương pháp này cố triệt tiêu sai sót do tín hiệu bị làm lệch đi gây ra để sử dụng cho đới nước nông ven bờ Bằng việc đặt các máy thu tín hiệu ở những vị trí biết trước toạ độ (Trạm Kiểm soát bờ, trạm đèn biển) để thu tín hiệu đồng thời từ 12 vệ tinh, sau đó tính toán sai số giữa vị trí chính xác biết trước với vị trí do vệ tinh cung cấp và từ đó tính ra hệ số điều chỉnh Hệ số điều chỉnh được truyền đi bằng vô tuyến cho các tàu ở gần cảng Tàu phải được trang bị máy thu đặc biệt để giải điều biến tín hiệu và xử lý tín hiệu định vị mà tàu nhận được từ hệ GPS

Cũng như từ năm 1994, đến nay vẫn chỉ có 10 trong số 47 trạm GPS vi sai hoạt động và vẫn ở giai đoạn thử nghiệm

(4) Các sai số chuẩn đạo hàng (định vị) đã được USACE xây dựng cho công việc khảo sát địa lí thuỷ văn Có ba cấp nhóm khảo sát cơ bản:

Nhóm cấp 1 - Khảo sát theo hợp đồng được thanh toán

Nhóm cấp 2 - Khảo sát theo điều kiện của dự án

Nhóm cấp 3 - Khảo sát điều tra sơ bộ

Mặc dù những yêu cầu khảo sát địa chất không hoàn toàn như yêu khảo sát địa lý thuỷ văn của USACE, các tiêu chuẩn về độ chính xác là rất quan trọng khi xác định những yêu cầu kiểm tra chất lượng để làm hợp đồng Độ chi tiết của bảng chia độ là yếu tố chủ yếu phân biệt các cấp nhóm khảo sát và tác động trực tiếp đến độ chính xác và độ tin cậy của kết quả cuối cùng Với việc Hệ Thông tin Địa lí GIS ngày càng được sử dụng nhiều hơn để phân tích và xử lí dữ liệu, việc có các tiêu chuẩn chính xác cao là yêu cầu bức thiết Sự chia độ (calibration) là tốn kém thời gian và làm giảm thời gian thực tế thu thập dữ liệu Tuy nhiên, điều này lại là yêu cầu bức súc vì lợi ích kinh tế vì dữ liệu kém chất lượng sẽ là vô dụng hoặc có thể dẫn đến những kết luận sai sót (đến lượt nó lại dẫn đến những sai sót trong thiết kết và có thể cả vấn đề pháp lí)

(5) Bảng 5-4: trình bày sai số cho phép đối với mỗi nhóm khảo sát

(6) Bảng 5.5 trình bày các hệ thống định vị thích hợp cho từng cấp nhóm khảo sát Bảng này giả định một dự án tiêu bảng triển khai trong phạm vi 40km cách mốc quy chiếu đặt ở đường bờ hồ, biển Những khảo sát ở ngoài khơi xa hơn phải tuân thủ các tiêu chuẩn nêu trong cẩm nang công tác địa lí thuỷ văn của NOAA (NOAA,1976) Lập kế hoạch khảo sát ngoài khơi và thực hiện có kết quả là một hoạt động tinh tế và phải do người hoặc nhà thầu

có kinh nghiệm thực hiện

Bảng 5-4: Sai số lớn nhất cho phép trong công tác khảo sát địa lý thuỷ văn

Phân chia cấp nhóm khảo sát Loại sai số

Hợp đồng thanh toán

Theo điều kiện

dự án

Khảo sát điều tra sơ bộ Sai số định vị 1 – sigma RMS hai chiều chung cuộc

không quá

Sai số chuẩn 1 – sigma trong đo đạc độ sâu thẳng

đứng chung cuộc không quá

mô hình phân lớp bảng kiến Có thể rút ra những kết luận dựa trên những dữ liệu địa tầng và trầm tích học và những gián đoạn địa tầng quan trọng Bảng 5.6 trình bày các tần số được dùng trong các phương pháp địa vật lí phổ biến

(2) Các máy đo độ sâu bằng tiếng âm vọng hay các máy dò độ sâu, các sonar quét biên,

và các máy đo profin dưới mặt đáy (Subbottom profilers) là ba loại thiết bị chính được dùng

để thu thập dữ liệu địa vật lí trong các chương trình khai thác ở ngoài biển Cả ba hệ thống thiết bị này đều sử dụng âm thanh, các xung âm thanh được phát và truyền đi trong nước rồi

đo quãng thời gian giữa xung phát đi và xung đến của tín hiệu phản hồi từ các vật thể khác nhau trên mặt đáy hoặc ở dưới bề mặt đáy Các hệ thiết bị này được dùng để khảo sát địa hình đáy biển, các đặc điểm địa hình bề mặt đáy như dấu gợn sóng, các vết lộ và địa tầng ở dưới sâu Các máy đo độ sâu bằng âm thanh được dùng để khảo sát độ sâu Các sonar quét biên cung cấp hình ảnh về sự phân bố không gian của trầm tích và về địa hình bề mặt (surface bed forms) và các dạng địa hình lớn hơn như các bãi ngầm (shoals) và các kênh Phương phát này cũng được dùng để đo hướng vận động của trầm tích Các subbottom profilers được dùng để xác định phần địa tầng gần mặt đất của các cấu trúc nằm dưới mặt đáy biển

(3) Một phương pháp địa vật lí đơn lẻ ít khi cung cấp đầy đủ thông tin về cấu tạo địa chất dưới mặt đáy nếu không thu thập mẫu trầm tích hoặc có dữ liệu bổ sung thu được từ các phương pháp địa vật lí khác Mỗi phương pháp địa vật lí thường xác định một vài tính chất vật lý khác nhau của trầm tích và việc đối sánh dữ liệu theo một vài phương pháp sẽ cho

những kết quả có ý nghĩa lớn Mọi phương pháp địa vật lí đều dựa nhiều trên kinh nghiệm của người vận hành và người phân tích

(4) Các khảo sát điều tra độ sâu đòi hỏi phải nghiên cứu nhiều về địa chất và địa mạo ở vùng nước ven bờ Các máy dò bằng âm vọng thường được dùng nhiều nhất để đo độ sâu nước ở ngoài khơi Vài yếu tố gây sai số đo độ sâu bằng âm thanh:

(a) Vận tốc âm thanh truyền trong nước Vận tốc này ở gần mặt nước chừng 1500m/s,

nhưng giao động theo tỷ trọng nước và là hàm của nhiệt độ, độ sâu và độ mặn Đối với

những khảo sát đòi hỏi độ chính xác cao phải đo tốc độ âm thanh tại chỗ

(b) Những chỉnh lí liên quan đến tàu Mớn nước của tàu thay đổi do dầu và nước được

tiêu thụ dần theo tiến độ khảo sát Để chia độ (calibrate) cho bộ dò độ sâu phải kiểm tra độ

sâu vài lần trong ngày

(c) Vị trí của tàu khảo sát so với điểm mốc đã biết (known datum) Một máy dò độ sâu

đặt trên tàu chỉ đo độ sâu của nước khi tàu di chuyển trên đáy biển Tuy nhiên, thuyền là một

bệ di động thẳng đứng phụ thuộc điều kiện ở biển như triều và sóng Để có được độ sâu của

nước có đối chiếu với một điểm dữ liệu biết trước, thì dữ liệu của máy dò bằng âm dội phải

được điều chỉnh theo 1 trong 2 cách Thứ nhất, phải đo thuỷ triều ở một trạm gần nhất và

điều chỉnh dữ liệu của máy đo cho tương hợp Thứ hai, phải luôn giám sát vị trí thẳng đứng

của thuyền so với một điểm mốc đã biết trên đất liền và những kết quả này phải được cộng

thêm vào độ sâu của nước Đối với các khảo sát thuộc nhóm 1, bất kể dùng phương pháp này

hay khác để chỉnh lí dữ liệu đều phải đặc biệt chú ý đến việc kiểm tra chất lượng

(d) Sóng Khi thuyền khảo sát dâng lên hạ xuống thì đáy biển được đo vẽ như có hình

gợn sóng Để có được hình ảnh thật với độ chính xác cao, ngày nay người ta lắp thêm các bộ

chuyển đổi và bộ thu (transducer và receiver) trên các giá đỡ cân bằng độ dâng Các giá này

giữ toàn bộ cụm dụng cụ đo ở một vị trí thẳng đứng, cố định trong khi tầu bị dâng lên hạ

xuống theo sóng Phương pháp phổ biến nhất để loại trừ tín hiệu sóng là bằng xử lí dữ liệu

sau cuộc khảo sát Cả hai phương pháp đều hiệu quả, mặc dù một số nhà thầu coi trọng

phương pháp này hơn phương pháp khác Mặc cho mọi cố gắng về chia độ thiết bị và xử lí

dữ liệu, độ chính xác thực tế tối đa đối với các máy đo bằng âm dội ở độ sâu ven bờ là

I0-15m Phần 5.5 đề cập phép đánh giá sai số tính toán khối lượng Các tuyến khảo sát thường

được vạch song song nhau với khoảng cách tuyến phụ thuộc mục đích khảo sát và tỷ lệ đo

vẽ

Bảng 5-5: Những sai số mặt bằng cho phép của hệ thống định vị GPS

Chỉ tiêu cho phép đối với các nhóm khảo

(Sextant Angle Resection)

Giao cắt góc chuyển tiếp/ kinh vĩ 1 – 5

Giao cắt tầm phương vị 0,5 – 3

Không được phép Được phép

- - +

- + +

+ + +

+ +

Tuyến đánh dấu (thuyền chạy theo tuyến cơ sở) 5 – 50+

Hệ định vị điện tử tần số cao (EPS)

(vi sóng hoặc UHF) 1 – 4

Hệ định vị toàn cầu NAVSTAR

Định vị điểm tuyệt đối (không bị làm lệch) 15

Định vị điểm tuyệt đối (có bị làm lệch) 50 – 100

Xác định khoảng cách vi sai giả 2 – 5

Xác định khoảng cách vi sai động học (tương lai) 0,1 – 1,0

+

+ + +

- + +

- + +

+ + +

- + +

- - +

- - +

+ + +

- + +

- - +

- -

-

- + +

Bảng 5-6: Tổng hợp các hệ máy khảo sát bằng âm thanh

Các hệ dùng sóng âm thanh Tần số (kHz) Mục đích

Đáy biển và cột nước

Máy đo bằng âm dội

Máy phát hiện cột nước bằng bọt (Bộ

chuyển đổi điều chỉnh được)

Sonar quét biên

Vẽ bản đồ địa hình đáy biển, vẽ các kiến trúc, vết lộ, các mảnh vụn do người tạo ra và đặc điểm địa hình

Sub-bottom profilers

Bộ biến chuyển đổi điều chỉnh được

Các máy cơ điện tử:

Xung âm thanh AcoustipulseR

-0,4

50 – 5000Hz

Độ xuyên sâu tới 30m

Độ xuyên 30 – 60m với độ phân giải

15 – 30cm Tương tự UniboomR

Dùng ở nước mặt (tối thiểu 20‰, độ xuyên sâu tới 1000m

Độ phân giải ngang được nâng cao

Độ phân giải ngang và đứng được nâng cao

Độ phân giải tuyệt vời, phát hiện trầm tích chứa khí

Xử lí bằng máy tính để tăng cao độ phân giải

và giảm tiếng ồn

(5) Trong các khảo sát địa vật lí khoảng cách giữa nguồn phát và bộ thu được tính toán như tốc độ của âm thanh đi trong môi trường đó (đá cứng, trầm tích hoặc nước) chia ½ thời gian đi khứ hồi Số đo này được chuyển đổi thành đại lượng tương đương độ sâu và được ghi lại bằng số trong sơ đồ đường băng (strip chart)

(6) Những nguyên lí của phương pháp đo biên dạng bằng sóng địa chấn đối với các tầng dưới mặt đáy về cơ bản cũng như phương pháp đo độ sâu bằng âm thanh Các thiết bị địa chấn đo đáy biển ứng dụng tần số thấp, tức là các tín hiệu có năng lượng mạnh hơn để xuyên sâu xuống lòng biển (H.5.11) Sự truyền sóng đi qua các tầng trầm tích phụ thuộc vào tính chất của các tầng đá đó như tỷ trọng và thành phần Tính hiệu phản xạ từ các mặt tiếp giáp giữa các lớp trầm tích có âm trở khác nhau (Sheriff, 1980) Khi dùng các thiết bị đo biên dạng thông thường sóng địa chấn rất khó xuyên qua cát thô và sỏi, tảng sét băng hà và trầm tích chứa nhiều vật chất hữu cơ, các băng ghi dữ liệu có chất lượng xấu và hay ngắt quãng

Xử lí các dữ liệu tín hiệu số theo phương phá p đa kênh đôi khi có thể cho ta những dữ liệu tốt mặc dù độ xuyên thông tín hiệu kém Mạng lưới đo đạc lại một lần nữa phụ thuộc nội dung khảo sát và độ phân giải mong muốn!

(7) Các tính chất âm học thường có liên quan với thành phần trầm tích cho nên các biên dạng thấy được nhờ sóng địa chấn phản hồi có thể coi gần đúng như là mặt cắt ngang địa chất của vật chất dưới bề mặt đáy biển Tuy nhiên, do sự biến đổi nhỏ yếu của âm trở, các sóng phản hồi có thể xuất hiện trên băng ghi ứng với những nơi mà thành phần trầm tích sai khác nhau rất ít Cũng vậy, khi các lớp có bề dày mỏng, chúng có âm trở giống nhau cho nên những khác biệt lớn về thành phần trầm tích cũng có thể bị bỏ qua, không ghi lại được, hoặc vì khí đã xoá mờ đi sự khác biệt này (Sheriff,1980) Vì những lí do trên chỉ nên xem địa tầng được xác lập bằng phương pháp địa chấn chỉ là dự kiến chừng nào chưa xác định được thành phần trầm tích bằng các mẫu lõi khoan USACE đang xây dựng các phương pháp xử lí tín hiệu để phân tích xung phát đi và xung phản hồi Với sự kiểm tra thích đáng tại thực địa ta có thể lập được mô hình thành phần trầm tích đáy biển và độ cứng, làm như vậy sẽ giảm bớt được nhu cầu khoan mẫu ở thực địa

Ở các miền bờ nông, một biện pháp thực tiễn vẫn hay dùng là lấy mẫu phóng (jet probing) trong lúc tiến hành khảo sát địa chấn dưới mặt đáy biển Điều này đặc biệt quan trọng khi có một lớp cát mỏng phủ trên một nền đá cứng

(8) Có hai thông số quan trọng nhất trong phương pháp phản xạ địa chấn đáy biển là độ phân giải thẳng đứng hay là khả năng phân tách được các máy phản xạ đặt sát nhau, và độ xuyên thông sóng thẳng đứng Khi tăng tần số của tính hiệu ra thì độ phân giải trở nên mịn hơn Đáng tiếc là tăng cao tần số của các xung âm thanh lại làm tắt dần tín hiệu và cuối cùng

là làm giảm lực xuyên nhập vào tầng đất Do vậy, có một biện pháp thực tiễn phổ biến là sử dụng đồng thời hai hệ phản xạ sóng địa chấn; một có độ phân giải cao và cái thứ hai có khả năng xuyên thấu mạnh hơn

(9) Máy sonar quét biên được dùng để xác định địa hình đáy biển Tín hiệu âm thanh từ máy phát kéo ngầm dưới mặt nước, được hướng dưới một góc nhỏ tới một hoặc cả hai bên của tuyến khảo sát, trái ngược với máy đo độ sâu bằng hồi âm (fathometer) và phương pháp tín hiệu phản xạ địa chấn là phát sóng hướng xuống dưới (H.5.12) Hình ảnh chung cuộc thu được về đáy là tương tự như một ảnh hàng không chụp liên tục Bằng phương pháp quét biên

có thể phát hiện những thông tin chi tiết như độ giãn cách và hướng của các địa hình bề mặt

và những khác biệt khái quát của trầm tích đáy biển, cũng như những chi tiết địa hình như vết lộ đá, các tảng lăn, các địa hình bề mặt và các vật thể do người tạo ra Vì vậy nên tiến hành kết hợp phương pháp đo độ sâu với phương pháp quét biên để xác định các vật thể nhỏ

Hệ quét biên rất nhạy cảm với các chuyển động của tàu thuyền, cho nên thích hợp nhất là sử dụng trong các điều kiện yên tĩnh

Hình 5-11: Nguyên lý thu nhận sóng địa chấn dưới đáy biển

(10) Các thiết bị sonar quét biên khá dễ mua, có tần số 100kHz, có khả năng khảo sát đáy biển trong một dải rộng tới 500m ở bất kỳ phía nào của tàu; như vậy mỗi tuyến tàu có thể quét một vệt rộng 1km hoặc hơn Để tín hiệu ra có độ phân giải cao hơn ở cự li gần, một vài hệ thống có khả năng hoạt động song trùng bằng sử dụng các tín hiệu ở cả hai dải tần số 500kHz và 100kHz Một máy ghi 4 kênh đồng thời ghi dữ liệu ở hai kênh riêng biệt Hệ sonar quét biên số hoá có sẵn trên thị trường, nó xử lí tin hiệu để chỉnh lí độ nghiêng so với các vật thể ở đáy biển và chỉnh lí tốc độ tàu khảo sát Băng ghi chung cuộc cho thấy vị trí x-

y thực của các vật thể ở đáy biển, tương tự như các bản đồ hoặc các ảnh hàng không Các dữ liệu số cũng có thể được ghi lại trên băng từ, việc này cho phép xử lí tín hiệu bổ sung hoặc

sử dụng sau này

(11) Việc tìm kiếm những địa điểm khai thác vật liệu cát sỏi để bồi đắp bờ đã trở thành vấn đề kinh tế và môi trường ngày càng cấp bách trong những năm gần đây Người ta thường dùng các phương pháp đo tuyến địa chấn có độ phân giải cao, sonar quét biên và máy đo sâu bằng tiếng vọng để tìm kiếm những địa điểm triển vọng Phụ lục I trình bày các phương pháp được gợi ý

(12) Rada xuyên cắt (Ground-penetrating Radar – GPR) là phương pháp kỹ thuật tương đối mới để khảo sát dưới sâu Khác với các hệ dùng âm thanh nói trên, GPR được dùng trên mặt đất Phần sóng vô tuyến trong dải điện từ được phát đi từ một nguồn và tín hiệu phản hồi được thu lại ở bộ cảm biến (sensor) Độ thông sóng (transparency) của các tầng địa chất là khác nhau Cát và đá vôi có độ thông sóng tốt Việc sử dụng GPR trong môi trường biển bị hạn chế vì nước mặn không truyền dẫn bức xạ điện từ ở dải tần số sóng vô tuyến Fitzgerald