Nghiên cứu đánh giá chuyển động ngang đứt gãy sông hồng bằng phương pháp xử lý hỗn hợp số liệu trắc địa mặt đất và trắc địa vệ tinh

TÍNH CẤP THIẾT CUA DE TAL Nghiên cứu đánh giá hoạt động các đới đứt gẫy bằng phương pháp trắc địa cho phép xác định về định lượng các chuyển động ngang, thẳng đứng, các yếu tố biến dạn

SO LIEU TRAC DIA MAT DAT

VA TRAC DIA VE TINH

Chuyên ngành: Trac dia dai cương

Mã số: 2.16.01

HÀ NỘI -2000

Công trình được hoàn thành tại Khoa Trắc địa

TRUONG DAI HOC MO-DIA CHAT HA NOI

Người hướng dẫn khoa học:

1-PGS TS Đỗ Ngọc Đường

2- TS, Trần Đình Tá

Phản biện 1: GS TSKH Hoang Ngọc Hà, Bộ Giáo dục và Đào tạo

Phản biện 2: TS Đào Chí Cường, Cục Bản đồ Bộ Tổng tham mưu

Phản biện 3: TSKH Hà Minh Hòa, Tổng cục Địa chính

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại Phòng hop C, Trường Đại học Mỏ-Địa chất (Đông Ngạc-Từ Liêm, Hà Nội)

vào hồi 08 giờ 30, Thứ Năm, ngày 19 tháng 10 năm 2000

Có thểtìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia

hoặc tại Thư viện Trường Đại bọc Mó-Địa chất Hà Nội

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CUA DE TAL

Nghiên cứu đánh giá hoạt động các đới đứt gẫy bằng phương

pháp trắc địa cho phép xác định về định lượng các chuyển động

ngang, thẳng đứng, các yếu tố biến dạng của khu vực

Kết quả thu được từ đề tài luận án sẽ cung cấp những thông tin mới về mức độ hoạt động của đứt gẫy Sông Hồng (ĐGSH) Điều này

có ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân và cần thiết cho các mục đích quy hoạch phân vùng lãnh thổ ở nước 1a

2 PHẠM VI ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

là ĐGSH khu vực lưới nghiên cứu biến dạng Thác Bà-Yên Bái thuộc địa phận các tỉnh Yên Bái, Tuyên Quang, Vĩnh Phúc, Phú Thọ

3 Ý NGHĨA KHOA HOC, THUC TIEN CUA ĐỀ TÀI

ĐGSH được thừa nhận là ranh giới địa chất quan trọng ở chau A

Sự hiểu biết về hoạt động kiến tạo của ĐGSH cho phép đánh giá sự

dịch chuyển tương đối của khối Nam Trung Hoa so với mảng Âu-Á

và là một trong những điểu kiện ràng buộc cho những mô hình động học của sự va chạm giữa Ấn Độ và châu Á (Hình 1)

Việc sử dụng số liệu đo GPS (Global Positioning System) kết

hợp với số liệu trắc địa mặt đất góp phần hoàn thiện và nâng cao chất

lượng công tác nghiên cứu chuyển dịch và biến dạng ngang vỏ Trái

đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam hiện nay Một số kết quả

nghiên cứu liên quan đến luận án đã được báo cáo trong các đề tài cấp nhà nước thực hiện tại Viện Địa Chất (VĐC)

4 MUC DICH CUA DE TAI

Áp dụng công nghệ GPS (đo đạc và xử lý), mô hình tham số biến

dang vào mục đích nghiên cứu hoạt động đứt gẫy tại Việt Nam

5 NỘI DƯNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

® Đề xuất ứng dụng công nghệ GPS trong nghiên cứu địa động lực ở Việt Nam trên cơ sở phân tích một số vấn đề liên quan đến việc nâng cao chất lượng xử lý số liệu đo GPS và ứng dụng của chúng trong phần mềm GAMITT.

e_ Giới thiêu mò hình tham số biến dạng dẻo môi trường liên tục xử

lý số liệu trắc địa mật đất và vệ tỉnh phục vụ nghiên cứu chuyển

dịch và biên dạng ngang

© Xiu ly sở liệu ba chu kỳ đo lưới Thác Bà-Yên Bái theo mô hình

tham số biến dạng nhằm đưa ra những đánh giá về chuyển dịch và

biến dạng ngang ĐGSH

6 LUẬN ĐIỀM CẦN BẢO VỆ:

Luận điển thứ nhất: Công nghệ GPS cùng phần mềm GAMTT và

GLOBK đáp ứng đầy đủ mục đích nghiên cứu chuyển dịch và biến

dạng ngang vỏ Trái đất ở nước ta hiện nay

Luận điển thứ hai: Hoàn thiện và áp dụng thành công mô hình

tham số biến dang dẻo môi trường liên tục để xử lý đồng thời số liệu

đo mặt đất và vệ tính trong nghiên cứu chuyển dịch và biến dạng

ngang vỏ Trái đất ở Việt Nam

Luận điểm thứ ba: Vận tốc biến dạng trượt ĐGSH khu vực Thác

Bà-Yên Bái từ 1963 đến 1994 là không lớn hơn Ô,6 trad/năm (tương đương với 6 mm/nãm trên 10 km) ứng với mức xác suất 95%

Trong quá trình thực hiện luận án tác giả đã có hai đóng góp:

một là đã thay đổi một phần cách biểu diễn vận tốc biến dạng trượt

z, để việc tính toán trở nên đơn giản và thuận tiện hơn và bổ sung

cách tính phương của vận tốc biến dạng trượt cực đại 7„, vào phần

mém FONDA, hai là nhân định về mức độ hoạt động của ĐGSH khu

vực Thác Bà-Yên Bái

7 KHỐI LƯỢNG CỦA LUẬN ÁN

Luận án được trình bày trong 75 trang gồm Š chương và các

phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, có 6 hình vẽ, I bảng, cùng danh

mục 120 tài liệu tham khảo và 2 phụ lục (gồm 36 trang) kèm theo

Luận án sử dụng số liệu đo trắc địa mật đất và trắc địa vệ tỉnh ở lưới Thác Bà-Yên Bái, từ đề tài cấp Nhà nước và để tài hợp tác với

Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp mà tác giả đã tham gia

CHUONG 1: VAL NET VE DIA DONG LUC HIEN DAI LANH

THO VIET NAM VA DUT GAY SONG HONG

Việt Nam nằm ở rìa phía tây của khu vực Đông Nam Á, là nơi có trường ứng suất kiến tạo hiện dai bi chi phối chủ yếu bởi sự va chạm

giữa hai mảng thạch quyền Ấn Độ và Âu-Á

Trường ứng suất kiến tạo lãnh thổ Việt Nam được đặc trưng bởi

ứng suất chính Š¡; có phương chủ yếu kinh tuyến và gần kinh tuyến, gây nên nén ép ngang theo hướng kinh tuyến, gần kinh tuyến và tách giãn ngang theo hướng vĩ tuyến, gần vĩ tuyến với chế độ ứng suất biến dạng chủ yếu là trượt bằng

Déi DGSH bao gồm các đứt gãy sâu (ĐGSH, đứt gay Song Chay, đứt gây Sông Lô ) và đới trượt Sông Hồng Các kết quả nghiên cứu

địa chất địa mạo cho thấy: ĐGSH đã dịch chuyển trượt bằng trái

trong giai đoạn trước cuối Mioxen (khoảng 5 triệu năm) và sau đó có

biểu hiện đổi thành trượt bằng phải

CHUONG 2: MOT SO NET TONG QUAN NGHIEN CUU

CHUYEN DICH NGANG VO TRAI DAT BANG

CÁC PHUONG PHAP TRAC DIA TREN THE

GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

2.1 Nghiên cứu chuyển dịch ngang vỏ Trái đất bằng các phương

pháp trắc địa trên Thế giới

Đã từ rất lâu các nhà khoa học đã ứng dụng các phương pháp trac địa để nghiên cứu địa động lực, đầu tiên là đánh giá chuyển động thẳng đứng vỏ Trái đất, về sau cùng với sự phát triển của kỹ thuật đo

đạc là nghiên cứu chuyển động ngang trên gui mô địa phương, qui

mô khu vực và qui mô toàn cầu

Ở các nước Đông Âu và Liên Xô cũ nhiều kết quả đã đạt được trong nghiên cứu các thuật toán xác định chuyển dịch cùng các tham

số biến dạng từ các số liệu trắc địa đo lặp, minh giải các kết quả thu được kết hợp với các loại số liệu địa vật lý, với các tính chất và cấu trúc vỏ Trái đất nơi nghiên cứu

Ở Nhật Bản từ lâu người ta đã sử dụng các số liệu trắc địa đo lặp

để tính toán chuyển dịch biến dạng vỏ Trái đất và phục vụ dự báo động đất

Ở Hoa Kỳ đã thu được những kết quả xử lý số liệu trắc địa đo lập phù hợp với các nghiên cứu cấu trúc địa chất, cơ chế chấn tâm động

đất, mặt cắt địa chất và những mô hình động học khu vực khi nghiên

cứu chuyển dịch, biến dạng vùng trung tâm và nam California nơi có

đứt gây San Andreas là ranh giới giữa mảng Thái Bình Dương và

mảng Bắc Mỹ

Sự ra đời của công nghệ GPS đã tạo một bước ngoặt phát triển về

lượng cũng như về chất phương pháp trắc địa nghiên cứu chuyển động hiện đại vỏ Trái đất

Các nhà khoa hợc châu Âu và Hoa Kỳ cũng đã hợp tác cùng các nhà khoa học Trung Quốc ứng dụng công nghệ đo đạc vệ tính để

nghiên cứu hoạt động các đứt gẫy sâu tại lục địa Trung Quốc, trong

đó có ĐGSH

2.2 Nghiên cứu chuyển dịch ngang vỏ Trái đất bằng các phương pháp trắc địa ở Việt Nam

Đối với ĐGSH đã đạt được những thành tựu sau:

~ Từ 1980 đến 1990 đã bước đầu xác định chuyển động ngang

khu vực Thác Bà-Yên Bái trên cơ sở xử lý lưới tam giác đo lặp gồm

12 điểm hạng I, II Viện các Khoa học vẻ Trái đất (Viên các KHTĐ)

nay là VĐC xác định chuyển động tương đối giữa các cánh của hệ

thống ĐGSH với vận tốc chuyển dịch phải trung bình 23 mm/năm

Tính chất trượt bằng phải là phù hợp với các nghiên cứu địa chất,

nhưng giá trị vận tốc lại không phù hợp với số liệu địa chấn khu vực

Có thể cho rằng trong kết quả trên, sai số số liệu gốc đã làm tăng giá

trị vận tốc trung bình

~ Cũng với tập số liệu trên, Cục Đo đạc và Bản đổ Nhà Nước (Cục ĐĐBĐNN) nay là Tổng cục Địa chính (TCĐC) đã đánh giá chuyển động so với 3 điểm hạng Ï nhận cố định (NNA, CDU, NLA);

3 điểm này nằm trên ba cánh của hệ thống ĐGSH tại khu vực nghiên cứu nên nhận chúng cố định là không phù hợp với mục đích đánh giá chuyển động tương đối của đứt gẫy Cục cũng đã xác định các tham

số biến dang tách dãn, nén ép và trương nở mặc dù không có đủ trị đo

cạnh lặp lại

Mặt khác cả hai kết quả công bố trên đều chưa được minh giải

kèm theo mức xác suất tin cây

Vì vậy để nâng cao độ chính xác các kết quả nghiên cứu, năm

1994, hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp,

'VĐC đã ứng dụng công nghệ GPS đo lại lưới Thác Bà-Yên Bái và đo

thêm 8 điểm khác

CHƯƠNG 3: UNG DUNG CONG NGHE GPS TRONG

NGHIEN CUU CHUYEN BONG HIEN DAI VO

TRÁI ĐẤT Ở VIỆT NAM

3.1 Một số đặc điểm lưới khảo sát chuyển động vỏ Trái đất

Lưới khảo sát chuyển động vô Trái đất cần thỏa mãn một số yêu

cầu riêng: loại dấu mốc, số lượng mốc, vị trí đặt mốc,

Ngoài việc thiết lập lưới mới chuyên dụng, có thể lập lưới bao

gồm những mốc trắc địa nhà nước có tại khu vực nghiên cứu

Bên cạnh các thiết bị đo góc, đo cạnh kinh điển, ngày nay công nghệ GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu chuyển động vỏ Trái dat

3.2 Ứng dụng công nghệ GPS trong nghiên cứu chuyển động hiện đại vỏ Trái đất

3.2.1 Các ưu việt của công nghệ GPS

Ngày nay công nghệ GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong

nghiên cứu địa động lực ở mọi quốc gia và trong mọi quy mô nhờ các

tính ưu việt của nó

Một khác biệt trong việc lập lưới GPS so với lưới trắc địa truyền thống là các điểm lưới không bị ràng buộc bởi tầm nhìn thông với

nhau Nhờ vậy có thể bố trí điểm lưới GPS trong các khối đá gốc giảm thiểu các ảnh hưởng ngoại sinh

3.2.2 Sử dụng pha sóng tải trong xứ lý số liệu đo GPS

Hiện nay trong bối cảnh các biện pháp AS (Anti-Spoofing) va SA

(Selective Availability) đang hoạt động, để đạt được độ chính xác cao

nhất, xuất phát từ phương trình pha sóng tải GPS hay phương trình số

do pha một chiều:

6i; () =—fi¡Œ01/¡Œ)) +C¡;Œ) + Out Os, (3.2.12) người ta còn sử dụng thêm một số loại trị đo pha như: hiệu don pha sóng tải giữa hai máy thu với mội vệ tình, hiệu đơn pha sóng tải giữa

hai vệ tình với một máy thu, hiệu kép pha sóng tải giữa hai vệ tình với

hai máy thu, hiệu giữa các thời diểm đo (hiệu bội ba hay hiệu

Doppler pha séng tat}

Một số nguồn sai số ảnh hưởng tới thời trễ truyền tín hiệu 7,(t,):

sai số đa phương, sai số quỹ đạo vệ tỉnh ồ „ (theo chiều thẳng đứng),

số hiệu chỉnh tầng đối lưu At„„„, số hiệu chỉnh tầng điện ly A+,„„, số hiệu chỉnh ăng ten At„,

Từ những số hiệu chỉnh kể trên ta có thể biểu diễn phương trình

trị đo pha sóng tải (3.2.12) dưới dạng sau:

FAT a if A+ Ci (t+ oat os (32.17) 3.3 Xử lý số liệu đo GPS bằng phần mềm GAMTT phục vụ nghiên

cứu địa động học

3.3.1 Giới thiệu chung về phần mềm GAMILT

Phần mềm GAMITT xử !ý số liệu từng ca đo nhằm xác định vị trí tương đối các điểm đo mặt đất và quỹ đạo vệ tỉnh GAMTT sử dụng: trị đo pha sóng tải của hai tần số LI, L2, nguyên lý số bình phương nhỏ nhất có trọng số theo Bayes, thuật toán bình sai chia nhóm theo

Helmert và thuật toán trực giao hóa, phép thử thống kê để đánh giá

chất lượng các tham số, trị đo sau bình sai Sau đó phẩn mềm GLOBK được sử dụng để đưa ra lời giải chung cuối cũng cho các ca

đo cũng như các chu kỳ đo khác nhau

Sau đây là một số biện pháp tính toán của GAMIT nhằm nâng

cao độ chính xác phục vụ nghiên cứu địa động học

3.3.2 Tính trị cải chính đồng hồ vệ tỉnh

GAMIT cho phép tính trị cải chính đồng hồ vệ tinh cho ca hai

trường hợp: sử dụng và không sử dụng biện pháp SA

3.3.3 Tính trị cải chính đồng hồ máy thu

Khi đã biết vị trí trạm đo, vị trí vệ tỉnh và độ lệch đồng hồ vệ

tinh, tit tri đo tựa khoảng cách ta có thể tính được độ lệch đồng hồ máy thu

3.3.4 Xử lý trị đo với 2 tần số

a) Tri do pha tan số LC (còn gọi là L3) không bị ảnh hưởng của tầng điện ly:

Xuất phát từ 3 phương trình trị hiệu chỉnh trị đo pha sóng tải tần

số L1, L2 và trễ pha tầng điện ly, sử dụng các trị đo pha độc lập Øcị=

Ø¡c Và Ø c; người ta thiết lập hệ phương trình chuẩn trong đó các ấn

số bao gồm cả số nguyên đa trị miền rộng nạ—n; và số nguyên đa trị miền hẹp nạ Trước hết số nguyên đa trị nạ—n, được xác định theo phương pháp cuốn chiếu Từ đó, thiết lập lại hệ phương trình chuẩn nói trên, giải hệ này ta xác định được số nguyên đa trị nụ

* Ding chương trình MAKEXP để tạo các tệp xử lý bó cho các

chương trình MAKEX, MAKEI, MAKEK, BCTOT, và tệp D phục

vụ cho chương trình F[XDRV sau này

® Chạy các chương trình MAKEI, MAKEK, MAKEX tạo tệp J, K

chứa trị cải chính đồng hồ vệ tỉnh và máy thu và tệp X chứa trị đo,

tọa độ khởi tính các điểm đo,

= Chạy chương trình BCTOT để tạo tệp T và G từ tệp dao hang

® Thiết lập tệp điểm đo và tệp tham số xử lý ca đo chứa các thông tin

về trạm đo và phương án xử lý ca đo

Chạy chương trình FIXDRV để tạo tệp xử lý bó cho giai đoạn chính của xứ lý một ca đo thực hiện các bước tính toán sau:

s Chay chương trình CEMRG để tạo nên tệp M trong đó thiết lập các

số liệu đo và các tham số để đưa vào bình sai

s Dùng chương trinh SOLVE để bình sai theo phương pháp sế bình phương nhỏ nhất: xác định tọa độ điểm đo xác định các tham số

quỹ đạo vệ tình,

* Thực hiện chính lý số liệu do bằng các chương trình CVIEW,

SCANDD, SCANM, SHOWRMS

Tùy thuộc vào kiểu xử lý (được ghi trong tệp tham số xử lý ca đo) mà 6 bước tính toán nêu trên có thể lặp lại một hay nhiều lần

Xử lý số liệu đo GPS đòi hỏi một sự chú ý đặc biệt để có thể đạt

được độ chính xác cao, nhất là trong nghiên cứu chuyển động hiện

đại vỏ Trái đất Việc sử dụng máy thu 2 tần số là cần thiết Phần mềm GAMIT trinh bay ở trên là rất thích hợp cho công tác nghiên cứu địa

động học

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG BẰNG XỦ LÝ HỒN

HOP SO LIEU TRAC BIA MAT DAT VA TRAC

DIA VE TINH

4.1 Khái quát nội dung

Quá trình xử lý bao gồm một số bước đặc trưng như: kiểm tra

chất lượng trị đo, xác định các điểm mốc ổn định, bình sai lưới, đánh

giá độ chính xác kết quả đo, minh giải kết quả bình sai Trong thực

tiên các lưới khảo sát biến dạng có thể có cùng loại trị đo (hoặc mặt

đất hoặc GPS), hoặc có cả hai loại tri do

Việc xác định các mốc ổn định tương đối với nhau trong phạm vi

một lưới được thực hiện trên cơ sở phân tích các tập hợp trị do Có thể

sử dụng các điểm đo liên tục IGS nằm xa khu vực nghiên cứu như là

các điểm cơ sở Ở nước ta hiện nay việc chọn các mốc ổn định cần

tính đến vị trí của chúng cùng nằm trên một cánh đứt gẫy

Để có thể bình sai hỗn hợp các loại số liệu trắc địa khác nhau cần phải tính chuyền chúng về một hệ chung

Đánh giá độ chính xác sau bình sai thực chất là tiến hành kiểm định thống kê đối với giá trị sai số trung phương trọng số đơn vị và

giá trị sai số xác định từ ma trận hiệp phương sai tọa độ và ma trận

hiệp phương sai các hàm số của tọa độ

Tọa độ các điểm sau bình sai và sai số của chúng là cơ sở để xác định các véc tơ chuyển dịch

4.2 Xác định chuyến dịch ngang vẻ Trái đất

Trong nghiên cứu chuyển dịch biến dạng ngang phải tính đến

ảnh hưởng của 4 tham số định vị hệ tọa độ phẳng xy: 2 tọa độ điểm

gốc góc định hướng trục tọa độ và hệ số tý lệ khi so sánh tọa độ

điểm mốc trắc địa ở những thời điểm khác nhau

Với mục đích giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố nói trên người ta đã sử dụng các tham số biến dạng trong mới trường liên tục

và déo để mô tả biến dạng vỏ Trái đất

4.2.1 Xác định chuyển dịch ngang bằng so sánh tọa độ

a) Dịch chuyển ngang của các điểm lưới giữa hai thời điểm tị, t;

theo toa dé x, y là:

Ax=x2-xU và Ay =yØ-yU, (4.2.3)

hay dưới dạng số phức:

b) Dịch chuyển ngang có tính đến các yếu tố định vị lưới: gang

Acy=[Az, + 20 (e!4? - 1) +Az,] (1= Am), (4.2.11)

10

c) Ma trận hiệp phương sai của chuyển dịch ngang Ax, Ay là:

So với phương pháp xác định chuyển dịch ngang bằng so sánh

tọa độ tính theo từng chu kỳ riêng lẻ, phương pháp này được giảm

thiểu khối lượng tính toán

Tuy nhiên cả hai cách tính này đều có cùng hạn chế về tính bất định Đây là một vấn đề cần quan tâm và chính việc giải quyết chúng

đã thúc đẩy sự phát triển và áp dụng mê hình tham số biến dạng dẻo

môi trường liên tục trong nghiên cứu chuyển động hiện đại vỏ Trái

đất

4.3 Mô hình tham số biến dạng

a) Định nghĩa vận tốc biến dạng trên mặt phẳng xy theo trục x, ÿ của một vật thể dẻo nhỏ tùy ý với trục x và y chỉ hướng đông và