Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê

Lời cảm ơnLuận văn này được hoàn thành tại Viện Vật lý Địa cầu - Viện KH&CN Việt Nam trên cơ sở giải quyết một trong các nhiệm vụ của đề tài độc lập cấp Viện khoa học Việt Nam, mã số: VA

Lời cảm ơn

Luận văn này được hoàn thành tại Viện Vật lý Địa cầu - Viện KH&CN Việt Nam trên cơ sở giải quyết một trong các nhiệm vụ của đề tài độc lập cấp Viện khoa học Việt Nam, mã số: VAST.ĐL.09/11-12: “Xây dựng bộ chương trình thử nghiệm dự báo ngắn hạn động đất trên cơ sở mô hình thống kê kết hợp sử dụng các phương pháp Vật lý kiến tạo, áp dụng đối với lãnh thổ Việt Nam và các cùng lân cận” do TSKH Ngô Thị Lư làm chủ nhiệm Trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tôi đã nhận được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TSKH Ngô Thị Lư Tôi xin bày tỏ

sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới cô Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Vật lý Địa cầu đã quan tâm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Vinh (ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐH Quốc Gia Hà Nội (ĐHKHTN – ĐHQGHN), TS Phạm Đình Nguyên (Viện Vật lý Địa cầu - Viện KH&CN Việt Nam) đã có những góp ý quý báu trong quá trình hoàn thiện luận văn Tác giả xin cảm ơn các đồng nghiệp Viện Vật lý Địa cầu, các cán bộ phòng Vật lý kiến tạo, phòng Địa động lực, đặc biệt

là Ths Phùng Thị Thu Hằng, CN Lê Thị Thuấn và KS Đỗ Thị Hiên vì sự giúp đỡ nhiệt tình, thiết thực cho tôi trong suốt quá trình thực hiện các nhiệm vụ cụ thể của luận văn.

Luận văn này là sự tiếp tục trau dồi, hoàn thiện và phát triển những kiến thức tôi đã tiếp thu được trong thời gian học tập tại trường ĐHKHTN - ĐHQGHN Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở bộ môn Vật lý Địa cầu, đặc biệt là TS Đỗ Đức Thanh, TS Nguyễn Đức Vinh, TS Nguyễn Đức Tân.

Tôi vô cùng biết ơn gia đình đã luôn động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học tập và làm việc!

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô, các bạn đồng nghiệp!

Tôi xin chân thành cảm ơn!

môc lôc

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dự báo động đất trên thế giới

1.2 Tình hình nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam 11

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp

2.2 Qui trình dự báo động đất theo mô hình thống kê 26

Chương 3: THIẾT LẬP CHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ 31

3.1 Thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê: 31

3.2 Ngôn ngữ lập trình 35

3.3 Chương trình 36

3.4 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 37

3.5 Các giao diện của chương trình 40

3.6 Code chương trình 41

Chương 4: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ THỬ NGHIỆM DỰ BÁO CHO CÁC KHU VỰC CỤ THỂ 45

4.1 Các tài liệu sử dụng 45

4.2 Áp dụng thử nghiệm chương trình đối với khu vực tây bắc việt nam 45

4.3 Áp dụng thử nghiệm dự báo đối với danh mục động đất đông nam á 50

4.4 So sánh kết quả dự báo trong 2 trường hợp khi lựa chọn xác xuất tin cậy của dự báo khác nhau 53

4.5 Nhận xét 55

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58PHỤ LỤC 1 65PHỤ LỤC 2 72

Bảng ký hiệu các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Bảng 4.1 Kết quả áp dụng chương trình thử nghiệm dự báo động đất cho

khu vực Tây Bắc Việt Nam trong 2 trường hợp

47

Bảng 4.2 So sánh độ chênh lệch Tmax-Tdb với Tthực- Tdb 48Bảng 4.3 Ví dụ về kết quả dự báo đối với một số trận động đất 49Bảng 4.4 So sánh kết quả dự báo động đất với xác xuất tin cậy khác nhau 54

Danh mục các hình

Hình 2.3 Sơ đồ miêu tả chuỗi các sự kiện trong DMĐĐ và các khái niệm

dùng trong thuật toán

Hình 4.1 So sánh độ chênh lệch về thời gian Tmax-Tdb và Tthực- Tdb 48Hình 4.2 Biểu đồ thể hiện tính liên tục của dải số liệu về thời gian xuất

hiện động đất

50

Hình 4.3 Phân bố độ chênh lệch giữa thời gian dự báo và thời gian đã xảy

ra sự kiện trên thực tế (ngày)

52

Các công trình đã công bố

Trong quá trình học tập và làm việc tại viện Vật lý địa cầu để hoàn thành luậnvăn, tác giả luận văn đã tham gia và là đồng tác giả của các công trình đã được công

bố dưới đây:

1 Ngô Thị Lư, Trần Việt Phương (2009), “Tách các nhóm tiền chấn, dư chấn từ

danh mục động đất khu vực Đông Nam Á (chu kỳ 1278-2008) bằng phương

pháp cửa sổ không gian thời gian” Các khoa học về Trái đất 31(1), Hà Nội,

2009.Tr 35- 43

2 Burmin V.Yu., Ngô Thị Lư, Trần Việt Phương (2009), “Đánh giá tính hiệu quả của hệ thống trạm địa chấn hiện có của Việt Nam” Các thiết bị địa chấn, Viện

Hàn lâm khoa học Nga, 45(1), Moscow, 2009 Tr 44-61 (Tiếng Nga)

3 Rodkin M.V.*, Ngo Thi Lu **, Pisarenko V.F.*, Tran Viet Phuong** and Vu

Thi Hoan **(2010), “Change in the regime of growth of cumulative seismic

energy with time: examination from the regional catalogue of Vietnam”, 8 th

General Assembly of Asian Seismological Commision (ASC 2010)

(*-International Institute of Earthquake Prediction Theory and MathematicalGeophysics Russian Academy of Sciences (IIEPT RAS); **- Institute ofGeophysics VAST (Vietnam Academy of Science and Technology)

4 V.Yu Burmin*, Ngo Thi Lu**, Tran Viet Phuong**(2010), “Design of an optimal network of seismic stations in North Vietnam” 8 th General Assembly of Asian Seismological Commision (ASC 2010) *Schmidt Institute of Physics of the

Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; **Institute of Geophysics ofVietnamese Academy of Science and technology, Hanoi

5 Ngo Thi Lu, Nguyen Anh Quan, Tran Viet Phuong (2010), “Establishing a

computer program for earthquake prediction on the vietnamese territory and

adjacent regions by zoning of Earth’s crust types” Journal of Geology, series

B(35-36/2010) tr 111-130)

6 Ngô Thị Lư, Trần Việt Phương (2012) “Thiết lập chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê”, Địa chất, Số 331-332; 5-8/2012, tr 40-49 ISSN 0866-

7381

7 Ngô Thị Lư, Trần Việt Phương (2012) “Cải biên thuật toán và xây dựng sơ đồ

khối của chương trình dự báo động đất cực đại bằng phương pháp vật lý kiến

tạo”, Tc Địa chất 331-332; 5-8/2012, tr 50-58 ISSN 0866-7381.

8 Ngô Thị Lư, Trần Việt Phương (2012) “Về một cách tiếp cận mới đề xây dựng thuật toán và quy trình dự báo động đất theo mô hình thống kê”, Các khoa học

về Trái đất 34(3), Hà Nội, 2012, tr 3-7.

9 Ngô Thị Lư (Chủ nhiệm đề tài), Trần Việt Phương, Phùng Thị Thu Hằng, Nguyễn Hữu Tuyên và nnk (2011) Đánh giá tiềm năng địa chấn lãnh thổ Việt Nam theo tổ hợp các tài liệu địa chất-địa vật lý và địa chấn, Nhiệm vụ hợp tác

khoa học quốc tế giữa hai viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam và viện HLKHLiên bang Nga theo Nghị định thư cấp Nhà nước (giai đoạn 2008-2010) HàNội, 2011 Báo cáo tổng kết đề tài 163tr

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, thảm hoạ động đất, sóng thần trên toàn cầu ngày một giatăng, nhất là đối với khu vực Đông Nam Á Do có vị trí địa lý nằm tại nơi tiếp giápgiữa 2 vành đai hoạt động địa chấn lớn liên quan với 2 vành đai phá huỷ kiến tạochính hoạt động mạnh mẽ nhất trên hành tinh, nên Đông Nam Á không những chịuảnh hưởng của hoạt động phá huỷ kiến tạo mạnh mà còn chịu độ nguy hiểm độngđất và sóng thần rất cao Đặc biệt, thảm hoạ động đất sóng thần Sumatra ngày26.12.2004, thảm hoạ do động đất Tứ Xuyên (12.05.2008) và động đất (4.2010)(Trung Quốc), thảm họa động đất Tōhoku (Nhật Bản) vào ngày 11 tháng 3 năm

2011 đã gây tổn thất vô cùng nghiêm trọng về người, về của và cả về sự phá huỷmôi trường Gần đây nhất, hiện tượng động đất liên tục xảy ra tại khu vực đập thủyđiện sông Tranh 2 gây hoang mang trong dư luận cả nước nói chung và tỉnh QuảngNam nói riêng Tình hình thực tế nêu trên làm cho vấn đề dự báo động đất, sóngthần, vốn là vấn đề nan giải và luôn mang tính thời sự trên qui mô toàn cầu, càng trởnên cấp thiết hơn và đang được các nhà khoa học vô cùng quan tâm Lãnh thổ VNtham gia vào thành phần của ĐNA, nên ít nhiều chịu ảnh hưởng của vùng hoạt độngkiến tạo và vùng nguy hiểm địa chấn, được đặc trưng bởi tính địa chấn và hoạt độngkiến tạo tích cực như vậy Do đó, nghiên cứu dự báo động đất đối với lãnh thổ ViệtNam và các vùng lân cận không những là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễncao mà còn là một nhiệm vụ có tính cấp thiết đối với thực tế địa chấn Việt Nam Đểgiải quyết vấn đề mang tính thời sự như vậy đối với một lãnh thổ bất kỳ, một trongnhững nhiệm vụ quan trọng hàng đầu là cần xây dựng và thiết lập một chương trình,cho phép dự báo thời gian, địa điểm và độ mạnh của trận động đất có thể xảy ratrong tương lai gần nhằm xây dựng các biện pháp phòng tránh, giảm thiểu tối đathiệt hại có thể Nhiệm vụ như vậy càng có ý nghĩa hơn trong bối cảnh Viện VLĐCđang thực hiện Dự án tăng cường trang thiết bị trạm, phục vụ báo tin động đất vàcảnh báo sóng thần

Để giải quyết vấn đề nêu trên, một trong những nhiệm vụ có tính cấp thiết là

cần tiến hành là “Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động

đất theo mô hình thống kê” Đó chính là lý do mà tác giả luận văn đã chọn tên đề tài

nghiên cứu này

Mục tiêu của luận văn

1 Xây dựng thuật toán mới và thiết lập chương trình dự báo động đất theo môhình thống kê

2 Áp dụng thử nghiệm chương trình được thiết lập đối với khu vực Tây BắcViệt Nam và khu vực Đông Nam Á để so sánh kết quả dự báo với với các sự kiện

đã xảy ra trong thực tế nhằm kiểm tra tính đúng đắn của chương trình

Nhiệm vụ của luận văn

1 Tìm hiểu phương pháp dự báo động đất theo mô hình thống kê trên cơ sở tổhợp các tài liệu địa vật lý và địa chấn

2 Thu thập các tài liệu địa vật lý và địa chấn cho khu vực nghiên cứu, phântích, lựa chọn và chỉnh lý số liệu phục vụ hướng nghiên cứu

3 Xây dựng thuật toán, sơ đồ khối, lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp vàthiết lập chương trình phân loại vỏ Trái đất trên máy tính

4 Áp dụng thử nghiệm chương trình đã được thiết lập đối với các khu vực khácnhau, nhận xét và đánh giá khả năng ứng dụng của chương trình

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

1 Đã chuyển giao, áp dụng một cách sáng tạo phương pháp dự báo bằng mô

hình thống kê, góp phần giải quyết nhiệm vụ dự báo được thời gian, tọa độ vàmagnitude của động đất ở Việt Nam và lân cận

2 Thời gian gần đây có rất nhiều các trận động đất mạnh xảy ra, gây nên

những tổn thất vô cùng nặng nề về người và của Vì vậy, xây dựng một phần mềm

có khả năng dự báo trước được động đất là một yêu cầu vô cùng cấp thiết có ýnghĩa khoa học và có ý nghĩa thực tiễn

3 Những nội dung đã được thực hiện trong luận văn này góp phần thiết thực vào việc giải quyết một trong nhiệm vụ của Đề tài độc lập cấp Viện khoa học Việt Nam, mã số: VAST.ĐL.09/11-12: “Xây dựng bộ chương trình thử nghiệm dự báo ngắn hạn động đất trên cơ sở mô hình thống kê kết hợp sử dụng các phương pháp Vật lý kiến tạo, áp dụng đối với lãnh thổ Việt Nam và các cùng lân cận”.

Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và 2 phụlục Toàn bộ các nội dung nêu trên được trình bày trên 76 trang đánh máy khổ A4,với 10 hình vẽ và 4 bảng biểu minh họa (không kể phần phụ lục)

Phần mở đầu gồm 4 trang trình bày tính cấp thiết và lý do chọn đề tài: “Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê” Trong phần này còn trình bày mục tiêu , nhiệm vụ, các kết quả nhận

được, các điểm mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Chương 1: gồm 10 trang, giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu dự báođộng đất trên thế giới và ở Việt Nam, các phương pháp xác định magnutide cực đạicủa động đất và vùng phát sinh động đất mạnh

Chương 2: gồm 12 trang với 3 hình vẽ trình bày cơ sở lý thuyết của phươngpháp và quy trình dự báo động đất

Chương 3: gồm 14 trang với 4 hình vẽ Nội dung chương này trình bày thuậttoán, sơ đồ khối, giới thiệu về ngôn ngữ lập trình được sử dụng, các giao diện củachương trình và hướng dẫn sử dụng chương trình

Chương 4: gồm 11 trang với 3 hình vẽ và 4 bảng biểu trình bày kết quả áp dụngthử nghiệm chương trình đã lập để dự báo động đất cho khu vực Tây Bắc Việt Nam

và khu vực Đông Nam Á Trên cơ sở các kết quả này tác giả đã đưa ra những nhậnxét và đánh giá về khả năng áp dụng và các ưu điểm của chương trình đã lập

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu dự báo động đất trên thế giới:

Từ lâu các nhà khoa học đã thống kê và tổng kết được những nguyên nhânchính gây ra động đất, nơi nào thường xuyên xảy ra động đất và tính toán đượcnhững tham số cơ bản của một trận động đất khi nó diễn ra Tuy nhiên, vấn đề dựbáo sớm động đất sẽ xảy ra ở đâu, khi nào và có độ lớn bao nhiêu là điều mà cácnhà khoa học hướng đến thì vẫn là một bài toán chưa có lời giải trọn vẹn

Qua nhiều thế kỷ, người ta đã dựa trên những cơ sở khác nhau, từ các hoạt độngkhác thường của một số loài vật tới những hình thù kỳ lạ của các đám mây, sự biếnđổi đột ngột của mực nước giếng, hay sự thay đổi hàm lượng radon hoặc hydrotrong đất đá để tìm cách dự báo động đất Một trong những lần người ta đã dự báođược chính xác là trận động đất tại Haicheng, Trung Quốc, năm 1975 Lệnh di tản

đã được phát đi một ngày trước khi trận động đất mạnh 7,3 độ Richter tàn phá thànhphố Trong nhiều tháng trước đó, người ta đã ghi được hàng loạt những trận độngđất nhỏ, cùng với nó là sự thay đổi mực nước ngầm và sự dâng lên của bề mặt địahình Tuy nhiên, rất ít trận động đất có những dấu hiệu tiền báo như thế Sau thànhcông ở Haicheng, cũng chính các nhà địa chấn học Trung Quốc đã không thể dựbáo một trận động đất với sức hủy diệt còn lớn hơn tại Tangshan năm 1976 Vớicường độ 7,6 độ Richter, trận động đất này đã cướp đi sinh mạng của 250 nghìnngười

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ dự báo thiên taingày càng được hoàn thiện hơn Các trận động đất thường là kết quả chuyển độngcủa các bộ phận đứt gãy trên vỏ Trái đất, cấu tạo chủ yếu từ chất rắn Tuy rất chậmnhưng mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất (nội lực phátsinh trong vật thể biến dạng do các tác nhân bên ngoài tác dụng) cao hơn sức chịuđựng của đất đá Các nhà khoa học nhận thấy rằng việc đo những sự thay đổi trongcác đoạn đứt gãy khó hơn nhiều so với việc đo biến thiên ứng suất, đặc biệt là các

đứt đoạn nằm sâu bên trong thạch quyển Gần đây, các chuyên gia khoa học củaViện nghiên cứu Carnegie - Mỹ đã tìm ra cách để kiểm tra và giám sát chiều dài củacác đoạn đứt gãy, cũng như sự dịch chuyển của chúng trên vỏ Trái đất Phát hiệnnày có thể là một phương pháp mới đầy hữu ích, giúp cho việc dự báo các trận độngđất bằng cách định vị chính xác các đứt gãy có khả năng làm rung chuyển mặt đất

và gây ra các trận động đất Trong khi đó, các chuyên gia của Viện Nghiên cứu vũtrụ thuộc Viện Hàn lâm khoa học Nga lại tiếp cận việc dự báo động đất sớm từ vũtrụ bằng việc lắp đặt thiết bị dự báo động đất trên trạm không gian quốc tế Thiết bịnày có thể ghi nhận những biến đổi của các dòng điện tử và proton có năng lượngtrung bình trong khoảng không gian gần Trái đất Các nhà khoa học cho rằng nhữngthay đổi của các dòng điện tử và proton này có liên quan tới các quá trình địa vật lýtrên Trái đất như dông tố, động đất, vv… Do vậy, khi ghi nhận được những thayđổi này, chúng ta có thể dự báo động đất với độ chính xác cao

Ngoài ra, người ta đã và đang sử dụng hàng loạt các phương pháp nghiên cứu dựbáo động đất khác dựa trên việc làm sáng tỏ các dấu hiệu khác nhau như:

- Các dấu hiệu về sự phát triển của vùng nguồn (dị thường về mật độ các đứtgãy sinh chấn),

- Quan hệ giữa vận tốc lan truyền sóng dọc và sóng ngang,

- Năng lượng giải phóng trong các chuỗi động đất, và hàng loạt các dấu hiệukhác có đặc trưng báo trước các động đất tương lai (các động đất sẽ xảyra)

Trong một loạt các phương pháp khác người ta lại sử dụng các bất thường đồng thời trong diễn biến của một số các dấu hiệu có bản chất vật lý khác nhau Một số công trình theo hướng này chứa các công thức thuật toán dự báo động đất Đó là các thuật toán dự báo động đất CN và M8 Kết quả dự báo động đất theo kiểu như vậy là chỉ ra vùng động đất mạnh trong tương lai, mà ở đó trong một khoảng thời gian nào đó (thường là nhiều năm và gọi là dự báo trung hạn) sẽ xảy ra động đất

Ưu điểm của hệ phương pháp và các thuật toán dự báo trung hạn như trên là làmsáng tỏ được các dấu hiệu của động đất tương lai, có ý nghĩa vật lý và cho phép

đánh giá chúng bằng các phương pháp thống kê Tuy nhiên, tính không xác địnhcủa độ chính xác dự báo động đất trung hạn có thể coi là nhược điểm cơ bản củacác phương pháp này Vì vậy, trong luận văn này, tác giả sẽ ứng dụng mô hìnhthống kê để thiết lập chương trình thử nghiệm dự báo ngắn hạn động đất vàmagnitude của chúng, áp dụng đối với lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận Cáchtiếp cận mới này vừa đơn giản hơn mà lại có khả năng loại bỏ được các nhược điểmcủa các phương pháp nêu trên

1.2 Tình hình nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam: Nghiên cứu dự báođộng đất ở Việt Nam chủ yếu được tiến hành theo hai nhóm phương pháp chínhnhư sau:

• Dự báo động đất cực đại trên cơ sở các tài liệu địa chất – địa vật lý

• Dự báo động đất cực đại trên cơ sở phân tích thống kê địa chấn

* Dự báo động đất cực đại trên cơ sở tài liệu địa chất – địa vật lý bao gồm một số phương pháp như sau:

1.2.1 Phương pháp tính M max theo quy mô vùng phát sinh động đất: Theo

phương pháp này, người ta dựa vào sự liên hệ giữa kích thước của đoạn đứt gãysinh chấn (L) cũng như bề dày tầng sinh chấn (H) với Mmax động đất [37, 38, 43,44]:

1.2.2 Phương pháp kiến tạo vật lý: Theo phương pháp này cho rằng, vị trí,

năng lượng của động đất mạnh cực đại của mỗi vùng phụ thuộc vào gradient vậntốc chuyển động kiến tạo thẳng đứng trong thời kì tân kiến tạo Trong đó nếu

gradient vận tốc lớn hơn 10-8/ năm thì trên diện tích 1000 km2 có thể xảy ra động đấtcấp 7 một lần trong 1000 năm Sau đó gradient vận tốc cứ tăng lên 3 lần thì độmạnh động đất tăng lên 1-2 cấp Song cần lưu ý rằng, động đất trước hết là hệ quảcủa các chuyển động hiện đại mà gradient vận tốc trung bình trong cả chu kỳ tânkiến tạo có thể không phản ánh được, do đó có thể gradient của vận tốc ấy khôngphản ánh mức độ nguy hiểm động đất hiện nay Thêm nữa động đất mạnh khôngchỉ là hệ quả của chuyển động thẳng đứng mà thường là hệ quả của các chuyểnđộng ngang Trong từng trường hợp đó gradient vận tốc chuyển động thẳng đứngkhông nói lên điều quan trọng nhất

1.2.3 Phương pháp đánh giá chuyên gia

Cơ sở chính của phương pháp này là việc xác định mức độ phản ánh của các lớpđối tượng địa chất – địa vật lý về đặc trưng hoạt động động đất Mức độ phản ánhnày được biểu diễn qua trọng số của từng tham số Sau khi phân loại đối tượng, gántrọng số cho đối tượng, chúng ta tổng hợp ảnh hưởng của các đối tượng để dự báokhu vực có khả năng phát sinh động đất mạnh cũng như thành lập bản đồ dự báochấn động cực đại [42]

1.2.4 Sử dụng kết hợp các tài liệu địa chất – địa vật lý: Các phương pháp

này bước đầu đã được áp dụng ở Việt Nam trong một số công trình trên cơ sở sửdụng các đặc trưng cấu trúc vỏ [8, 39, 40] Ngoài ra, các tác giả của công trình [27]cũng sử dụng một số đặc trưng cấu trúc vỏ Trái đất để áp dụng thử nghiệm dự báođộng đất theo vecto dấu hiệu nhiều chiều Tuy nhiên, các kết quả nhận đựơc trongnhững công trình nêu trên còn hết sức sơ lược Mặt khác cũng chưa có tác giả nàoxây dựng được thuật toán và thiết lập được chương trình dự báo động đất phù hợpvới điều kiện thực tế Việt Nam trên cơ sở các phương pháp áp dụng

* Các phương pháp dự báo động đất cực đại trên cơ sở phân tích thống kê địa chấn đã và đang được sử dụng ở Việt Nam chủ yếu là:

1 Bài toán phân bố cực trị Gumbel:

Cơ sở lý thuyết các hàm phân bố cực trị của Gumbel đã được trình bày trongnhiều công trình nghiên cứu ở Việt Nam và thế giới [52, 53, 10, 27, 28, 34].

Nếu ta coi X là các biến ngẫu nhiên có hàm phân bố là F(X)

F(X) = P{X ≤ x} thì xác suất để cho x là lớn nhất trong n mẫu độc lập từ cùngphân bố F(X) sẽ là:

G(x) = P{ X1 ≤ x, X2 ≤ x, , Xn ≤ x } = Fn (x)

Đó chính là hàm phân bố của các cực trị Nếu như ta biết được hàm phân bố banđầu F(X) thì sẽ rất đơn giản để nhận được chính xác phân bố của các cực trị Nhưngthông thường ta không biết được hàm phân bố ban đầu, nên cần phải xem đến dạngđường tiệm cận của sự phân bố các cực trị Khi áp dụng lý thuyết phân bố cực trịGumbel vào trong dự báo động đất luôn phải tuân thủ 2 giả thiết, đó là [10]:

- Các cực trị quan sát được trong một khoảng thời gian cho trước độc lập đối vớinhau

- Các điều kiện đã xảy ra trong quá khứ vẫn có thể xảy ra trong tương lai

Gumbel đã xây dựng được 3 loại hàm phân bố tiệm cận các cực trị, trong đó hàmphân bố cực trị loại I có dạng:

]exp[

x w x

Từ 3 hàm phân bố tiệm cận trên ta thấy phân bố tiệm cận loại II có tồn tại giá trị cậndưới ε nên chúng không được sử dụng để đánh giá chấn cấp cực đại động đất Thôngthường chúng ta chỉ dùng 2 hàm còn lại để giải quyết nhiệm vụ trên.

Nguyễn Kim Lạp và Nguyễn Duy Nuôi [19] đã sử dụng hàm phân bố tiệmcận loại I của Gumbel để tính độ nguy hiểm động đất cho các vùng ở khu vựcĐông Nam Á với chu kỳ khoảng số liệu cực trị là 6 tháng và 1 năm Nguyễn HồngPhương [28] sử dụng hàm phân bố loại III của Gumbel kết hợp với hợp lý cực đại

và phân bố β để tính cho các vùng nhỏ trên lãnh thổ Việt Nam Nguyễn Đình Xuyên

và Nguyễn Ngọc Thủy sử dụng hàm Gumbel loại I cải tiến để tính cho các vùngthuộc khu vực thủy điện Sơn La [43] Trần Thị Mỹ Thành đã tính Mmax cho 23 vùngnguồn dựa theo hàm Gumbel III [34]…

2 Phương pháp hợp lý cực đại có thể tính được giới hạn chặn hai phía của

dãy những trận động đất chính và hoạt động địa chấn theo luật phân bố Poisson vàbiểu thức Gutenberg-Richter Phương trình biểu diễn quan hệ giữa tần suất xuấthiện động đất NM và chấn cấp M là phương trình nổi tiếng Gutenberg-Richter [53]:

lgNM = a - bM

Quy luật xuất hiện động đất tuân theo quy luật phân bố Poisson Trong mỗivùng nguồn, coi động đất là các sự kiện độc lập (loại bỏ tiền chấn và dư chấn), xácsuất PNđể xảy ra N trận động đất có chấn cấp M ≥ m0, gây ra cường độ chấn động Ilớn hơn mức i nào đó, trên toàn vùng nguồn trong khoảng thời gian t năm thỏa mãnphương trình:

PN= P [ N= n ] =

!

)(

N = P [ N = n ] = e p t

n

p t i n i

3 Sử dụng quy luật biểu hiện hoạt động động đất :

Phương pháp ngoại suy địa chấn dựa trên cơ sở là động đất cực đại đã xảy

ra trên một vùng nào đó tại một đoạn của đứt gãy thì nó cũng có thể xảy ra ở nhữngđoạn khác của đứt gãy đó, hoặc ở trên những đoạn đứt gãy khác tương đương với

nó về vai trò cũng như đặc trưng của chúng trong kiến tạo khu vực

Phương pháp dự báo Mmax dựa vào hoạt động tiền chấn – dư chấn

Trước những trận động đất lớn thường có một vài trận động đất nhỏ (tiềnchấn) báo hiệu thời kì yên tĩnh đã chuyển sang thời kì hoạt động động đất và saukích động chính cũng xuất hiện những trận động đất nhỏ (dư chấn) Nghiên cứu quyluật hoạt động tiền chấn – dư chấn giúp dự báo được kích động chính (nếu đã cótiền chấn) và những dư chấn (khi biết kích động chính) Bài toán này đã được đềcập và giải quyết năm 2003 bởi các tác giả của công trình [45]

Mô hình thời gian – magnitude để đánh giá khả năng phát sinh động đất

Theo mô hình này, một số tác giả của Nhật Bản và Thổ Nhĩ Kỳ (PapazachosB.C., Karakaisis G.F., ) đã chỉ ra rằng, thời gian xuất hiện của một trận động đất tạimột nguồn phát sinh động đất phụ thuộc vào magnitude và thời gian xuất hiện củatrận động đất xảy ra trước trong vùng theo công thức:

Log T = bMmin +cMp +aTrong đó, Mp là magnitude của trận động đất chính xảy ra trước đó, Mmin

ngưỡng magnitude của trận động đất dùng trong thống kê xảy ra tại nguồn sinhchấn, T là khoảng thời gian giữa các trận động đất Mp và Mmin Các hệ số a, b, cđược xác định theo phương pháp hồi quy bội từ các giá trị thực tế của T, Mp và

Mmin Dựa vào mô hình thời gian – magnitude có thể đánh giá được khả năng phátsinh động đất theo thời gian cho từng vùng nguồn Kết quả nhận được là xác suấttrận động đất cấp M xảy ra sau khoảng thời gian ∆t năm tính từ năm hiện tại làmmốc

Ở Việt Nam, bài toán dự báo động đất kiều này được áp dụng lần đầu năm

2002 cho khu vực Lai Châu - Điện Biên [9] Sau đó, năm 2004, Đặng Thanh Hải lạitiếp tục áp dụng phương pháp này cho phần phía Bắc lãnh thổ Việt Nam [10]

Tóm lại, dự báo thời gian phát sinh động đất ở Việt Nam chủ yếu mới chỉ là dựbáo trung hạn và dài hạn dựa trên các quy luật phát sinh động đất thông qua thuậttoán thông kê, như dự báo tần suất lặp lại động đất, mô hình thời gian – magnitud,quy luật hoạt động tiền chấn… Các phương pháp: hợp lý cực đại và sử dụng hàmphân bố Gumbel nêu trên đều mang bản chất của xác suất thống kê Ưu điểm củacác phương pháp này là áp dụng thuận tiện, dễ dàng Nhưng nó cũng mang nhượcđiểm chung của các phương pháp xác suất là các mô hình được xây dựng trên giảđịnh rằng lịch sử lặp lại, độ tin cậy của kết quả phụ thuộc vào tính đầy đủ và độchính xác của số liệu sử dụng Thêm nữa, kết quả của việc áp dụng các phươngpháp thống kê kiểu này chỉ cho phép nhận được những đánh giá rất sơ lược về quiluật phân bố động đất và tần suất lặp lại động đất (thường là trung hạn và dài hạn

(từ vài trăm năm đến hàng nghìn năm) đối với một khu vực mà không thể chỉ ramột cách cụ thể ngày giờ, địa điểm và độ lớn của trận động đất có khả năng xảy ratrong tương lai gần

Phương pháp ngoại suy địa chấn thì dựa trên cơ sở là động đất cực đại đã xảy ratrên một vùng nào đó tại một đoạn của đứt gãy thì nó cũng có thể xảy ra ở nhữngđoạn khác của đứt gãy đó, hoặc ở trên những đoạn đứt gãy khác tương đương với

nó về vai trò cũng như đặc trưng của chúng trong kiến tạo khu vực Nguyên lý này

có thể dẫn đến đánh giá sai về Mmax vì động đất mạnh nhất đã quan sát thấy có thểchưa phải là động đất cực đại có khả năng xảy ra, thêm vào đó, điều kiện địa chấnkiến tạo khó có thể xem là đồng nhất Để khắc phục những hạn chế đã nêu, cần phải

mở rộng vùng nghiên cứu để có thể đánh giá tính tương đồng của vỏ Trái đất trênquy mô lớn hơn, điều này sẽ làm tăng tính đúng đắn khi lấy Mmax là đại diện chonhững mảnh có đặc trưng kiến tạo tương đồng Đồng thời cũng cần phải thu thập và

sử dụng một lượng lớn các tham số liên quan đến đặc trưng địa chấn, đặc điểm kiếntạo của khu vực, ví dụ như tài liệu từ, trọng lực, móng kết tinh, các mặt gián đoạn,các đứt gãy và số liệu về động đất…Có nghĩa là, chúng ta phải sử dụng tổ hợp cáctài liệu địa chất, địa vật lý và địa chấn để có thể đánh giá một cách đúng đắn nhất vềtiềm năng địa chấn khu vực nghiên cứu

Trong giai đoạn 2008-2010 tác giả luận văn đã tham gia thực hiện Nhiệm vụHợp tác quốc tế Việt-Nga theo Nghị định thư cấp Nhà nước: “Đánh giá tiềm năngđịa chấn lãnh thổ Việt Nam theo tổ hợp các tài liệu địa chất, địa vật lý và địa chấn”.Trong quá trình thực hiện Nhiệm vụ này, tác giả đã cùng các đồng nghiệp bước đầu

đã xây dựng một chương trình cho phép đánh giá dự báo tiềm năng địa chấn(Mmax) trên cơ sở áp dụng phương pháp phân loại vỏ Trái đất Tuy nhiên, các kếtquả nhận được mới chỉ là những đánh giá bước đầu Đặc biệt, do bản chất củaphương pháp đòi hỏi phải sử dụng tổ hợp 5 tham số đặc trưng của vỏ Trái đất, màtrên thực tế tại Việt Nam các số liệu chưa có đầy đủ trên toàn khu vực nghiên cứu,nhất là số liệu về mật độ dòng nhiệt Q Bản thân chương trình được xây dựng bởi

tác giả và các đồng nghiệp cũng cần được tiếp tục hiệu chỉnh, cải biến và hoàn thiện

để có thể áp dụng phù hợp với các điều kiện thực tế của Việt Nam

Như vậy, thực tế của công tác nghiên cứu dự báo động đất trong nước và quốc

tế nêu trên cho thấy bài toán dự báo thời gian, địa điểm và độ lớn của trận động đất

có khả năng xảy ra trong tương lai gần với độ chính xác nhất định vẫn là một bàitoán chưa có lời giải trọn vẹn và vẫn là điều mà các nhà khoa học cần hướng đến.Mặt khác, trong các nghiên cứu dự báo động đất đã được tiến hành ở Việt Nam như

đã nêu trên, hầu hết các tác giả đều áp dụng các phần mềm của các tác giả nướcngoài, được thiết kế phù hợp với các điều kiện số liệu thực tế của các nước đó Vìvậy, áp dụng các phần mềm đó đối với thực tế địa chấn Việt Nam phần lớn đềuphải tự động mặc nhiên chấp nhận một số điều kiện ở đầu vào như các qui luật haycác thông số chuẩn của các nước khác Điều này không những không phù hợp vớiđiều kiện thực tế của Việt Nam mà còn chắc chắn luôn dẫn đến một sai số hệ thốngnào đó trong các đánh giá dự báo động đất Phần mềm nhận được trong các nghiêncứu gần đây nhất của tác giả luận văn cùng các đồng nghiệp là một đóng góp mớicho thực tế địa chấn của Việt Nam [25] Tuy nhiên cũng cần phải có những nghiêncứu so sánh, bổ sung để có thể đánh giá tính đúng đắn của nó

Tất cả những lý do nêu trên đã dẫn dắt tập thể tác giả đến ý tưởng “Xây dựng

bộ chương trình thử nghiệm dự báo ngắn hạn động đất trên cơ sở mô hình thống kê kết hợp sử dụng các phương pháp vật lý kiến tạo, áp dụng đối với lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận” nhằm giải quyết bài toán nan giải không chỉ

đối với thực tế địa chấn Việt Nam nói riêng, mà cả trong thực tế địa chấn quốc tế

nói chung Tác giả luận văn lựa chon đề tài: “Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê” nhằm giải quyết một

trong những nội dung của ý tưởng nêu trên

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO ĐỘNG ĐẤT THEO MÔ HÌNH THỐNG KÊ

Trên thế giới, người ta đã và đang sử dụng hàng loạt các phương phápnghiên cứu dự báo động đất khác nhau như; dựa trên việc làm sáng tỏ các dấu hiệu

về dị thường mật độ các đứt gãy sinh chấn [50]; hay quan hệ giữa vận tốc lan truyềnsóng dọc và sóng ngang[26]; năng lượng giải phóng từ chuỗi các trận động đất [3],cũng như hàng loạt các dấu hiệu khác có đặc trưng báo trước các động đất tươnglai, và cũng sử dụng các bất thường đồng thời trong diễn biến của một số các dấuhiệu có bản chất vật lý khác nhau [1, 18, 30, 31] Một số công trình theo hướng nàychứa các công thức thuật toán dự báo động đất như: các thuật toán dự báo động đất

KH và M8 [3, 13, 17] Kết quả dự báo đông đất theo các phương pháp này là chỉ ravùng động đất mạnh trong tương lai, mà ở đó trong một khoảng thời gian nào đó(thường là nhiều năm và gọi là dự báo trung hạn) sẽ xảy ra động đất Các phươngpháp và thuật toán dự báo trung hạn như trên có ưu điểm là làm sáng tỏ được cácdấu hiệu của động đất tương lai, có ý nghĩa vật lý và cho phép đánh giá chúng bằngcác phương pháp thống kê trên cơ sở các thông tin địa chấn có được Tuy nhiên, cácphương pháp này lại có nhược điểm chính là không xác định được độ chính xác củacác kết quả dự báo và không xác định được thời gian và magnitude của sự kiện dựbáo Vì vậy, trong luận văn này, tác giả sẽ áp dụng cách tiếp cận mới, được đề xuấtbởi tác giả A.P Grishin [5, 6] trên cơ sở ứng dụng mô hình thống kê để thiết lậpchương trình thử nghiệm dự báo thời điểm xảy ra động đất và magnitude của chúng

và áp dụng dự báo động đất đối với lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận Cáchtiếp cận này vừa đơn giản hơn mà lại có khả năng loại bỏ được các nhược điểm củacác phương pháp dự báo trung hạn nói trên [5, 6]

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp:

Bản chất của phương pháp là dựa trên ý tưởng về khái niệm tập hợp các trậnđộng đất với chấn tiêu trong một tiểu vùng S nào đó ở dạng chuỗi thời gian của các

tham số ngẫu nhiên (thời điểm xảy ra động đất Ti, độ lớn của trận động đất(magnitude) Mi) với các khoảng cách thời gian ngẫu nhiên giữa chúng (∆ti)

Như vậy nhiệm vụ của mô hình thống kê là dự báo thời điểm xảy ra động đất

Ti tại vùng S và độ mạnh (magnitude Mi) của nó Khi đó, thời điểm xảy ra động đất

Ti và magnitude Mi của động đất dự báo được coi là sự kiện ngẫu nhiên Bài toán

dự báo thời điểm xảy ra động đất Ti và magnitude Mi của nó chính là là bài toánxác định kỳ vọng toán học và các khoảng tin tưởng của chúng với xác suất bảo đảm

Pg đặc trưng cho độ chính xác của dự báo

Với ý nghĩa đó, nguồn số liệu xuất phát duy nhất để làm việc theo mô hìnhthống kê là danh mục (hay đoạn danh mục) động đất đối với khu vực chứa tiểuvùng dự báo Mô hình dự báo sẽ cho các khoảng tin tưởng đối với thời gian vàmagnitude của trận động đất với chấn tiêu thuộc giới hạn của tiểu vùng đó, mà nó

sẽ xảy ra sau sự kiện cuối cùng trong vùng với danh mục động đất nêu trên

Khoảng tin tưởng thỏa mãn xác suất Pg thường được hiểu là đoạn ∆x(Pg)

trên trục của tham số dự báo ξ, mà đối với nó xác suất để cho giá trị ngẫu nhiên ξ

rơi vào đoạn ∆x(Pg) bằng Pg (SX{ξ € ∆ x(Pg)} = Pg).

Mô hình này đưa ra giả định đơn giản về khả năng sử dụng trong đoạn danhmục xử lý một giới hạn về magnitude của các sự kiện theo một dải đã cho, giả định

về khả năng suy giảm cực đại mật độ phân bố đối với các tham số ngẫu nhiên củatập hợp và về tính độc lập thống kê của tập hợp các số gia ngẫu nhiên ∆M i từ tập

hợp các khoảng thời gian ngẫu nhiên ∆T i = T i=1 -T i

Các giả định như trên đã được kiểm chứng trên các ví dụ về tính toán các

hệ số tương quan giữa chúng và có thể coi là chấp nhận được [5, 6]

Theo đó, có thể mô tả mô hình và thuật toán dự báo như sau:

Giả sử có một tiểu vùng S trong khu vực nguy hiểm địa chấn có danh mụcđộng đất độc lập (đã được loại bỏ khỏi các tiền chấn và dư chấn) Giả sử đã biết

thời điểm xảy ra động đất và magnitude của trận động đất sau cùng trong tiểu vùng

S với magnitude M không nhỏ hơn ngưỡng Mmin cho trước Ngưỡng Mmin được xác

định tùy theo mục đích dự báo Trận động đất sau cùng này được gọi là trận động

đất tựa (sự kiện tựa) và được ký hiệu là Zop Khi dự báo động đất mạnh, thường

thường Mmin = 4-5 Trong các trường hợp còn lại, giá trị M min được xác định bởi

mức đại diện của danh mục động đất theo ngưỡng magnitude

Nhiệm vụ của mô hình là dự báo thời điểm xảy ra động đất và magnitude củatrận động đất với chấn tâm trong tiểu vùng S, xảy ra ngay sau sự kiện tựa Trậnđộng đất đó được gọi là trận động đất dự báo Thời điểm xảy ra và magnitude củatrận động đất dự báo được coi là các đại lượng ngẫu nhiên Khi đó, khái niệm dựbáo động đất được hiểu là xác định kỳ vọng toán học và khoảng tin cậy của chúng

khi cho trước xác suất đảm bảo Pg, đặc trưng cho độ chính xác của dự báo

Nhiệm vụ dự báo gồm các bước như sau:

1 Tiến hành phép chọn Vb từ danh mục động đất (DMĐĐ) tất cả những trận

động đất với chấn tâm thuộc tiểu vùng S có magnitude M≥ Mmin và với thời điểm xảy ra chúng thuộc khoảng thời gian nào đó (Tvb , T cat).

- Ranh giới dưới Tvb của nó được chọn sao cho phép chọn Vb lấy được

hết những trận động đất từ DMĐĐ thuộc chu kỳ số liệu quan sát nào

đó (nếu trong danh mục có các sự kiện đó) và những trận động đất từ

một phần của DMĐĐ mà đối với nó Mmin không phải là mức đại diện.

- Ranh giới trên Tcat là ranh giới thời gian trên của DMĐĐ

Phép chọn Vb nhận được có nghĩa đối với đoạn danh mục mà mô hình sẽ xử lý nó

Giả sử phép chọn Vb là tuần tự theo thời gian và trong đó:

T 1 và Top là các thời điểm xảy ra sự kiện đầu tiên và sự kiện cuối cùng,

Còn sự kiện j xảy ra ở thời điểm Tj với magnitude Mj

2 Từ lựa chon Vb xác định sự kiện tựa Z op (nó xảy ra ở thời điểm Top).

3 Thành lập từ phép chọn chuỗi các khoảng thời gian ngẫu nhiên

1

j j j

t t + t

chuỗi các số gia: ∆ mj = mj+1− mj giữa các trận động đất liền nhau trong phépchọn

4 Xác định trong khoảng thời gian đã chọn (Tvb , T cat) nhóm các khoảng thời

gian chạy {t ti, i+1 } với i=1,2, k, Ti ≥ Tvb , Tk+1≤ Tcat, sao cho trong mỗi khoảng

chạy có từ 10 đến 20 sự kiện Những khoảng này sẽ được coi là ngẫu nhiên bởi vìchúng ta chưa biết tất cả những nguyên nhân gây ra sự thay đổi của chúng

Thay cho các giá trị σ tpr và σ mpr với tư cách đặc trưng của độ chính xác

dự báo có thể sử dụng các ranh giới dưới và các ranh giới trên của các khoảng tintưởng đối với thời điểm phát sinh và magnitude của trận động đất tựa (sự kiện tựa)như sau:

- Các ranh giới dưới:

Khi cho trước xác suất dự báo Pg và qui luật phân bố chuẩn đã biết (ví dụ phân

bố Gauss) đối với các giá trị ngẫu nhiên ∆t và ∆m dễ dàng tính được σ Tpr ,

pr

m

σ ,δT và δ m

- Ví dụ: với Pg=0.8 và theo qui luật phân bố chuẩn (Gauss) của các đại lượng ngẫu nhiên ∆ ti và ∆ mi ta có:

Các công thức 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 hoàn thành thuật toán dự báo thời gian

và magnitude của trận động đất xảy ra tiếp theo sự kiện tựa Các đại lượng σ Tpr

và σ mpr đặc trưng cho độ chính xác của việc dự báo trận động đất tiếp theo.Dấu hiệu của độ tin cậy của dự báo động đất tiếp theo sau sự kiện tựa là các sự phụthuộc sau:

∆Tj , ∆Mj có thể dựa trên cơ sở của lý thuyết giới hạn để sử dụng qui luật phân bốchuẩn

Như đã biết theo lý thuyết xác suất, phân phối chuẩn, còn gọi là phân phối

Gauss, là một phân phối xác suất cực kì quan trọng trong nhiều lĩnh vực Nó là họ

phân phối có dạng tổng quát giống nhau, chỉ khác tham số vị trí (giá trị trung bình μ) và tỉ lệ (phương sai σ2)

Phân phối chuẩn chuẩn hóa (standard normal distribution) là phân phối chuẩn

với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1 (đường cong màu đỏ trong

hình 2.1) Phân phối chuẩn còn được gọi là đường cong chuông (bell curve) vì đồ

thị của mật độ xác suất có dạng chuông

Hình 2.1 : hàm phân bố mật độ xác suất

Đường màu đỏ (có cực đại bằng 0.4) là phân phối chuẩn hóa

Hàm mật độ xác suất của phân phối chuẩn với trung bình μ và phương sai σ2 (hay,

độ lệch chuẩn σ) là một ví dụ của một hàm Gauss,

(2.7)

Nếu một biến ngẫu nhiên X có phân phối này, ta kí hiệu là X ~ N(μ,σ2) Nếu μ = 0

và σ = 1, phân phối được gọi là phân phối chuẩn hóa và hàm mật độ xác suất rút

gọn thành:

Trên hình 1 biểu diễn các hàm mật độ xác suất cho phân phối chuẩn với các tham sốkhác nhau

Phân phối chuẩn có một số tính chất đặc trưng sau đây:

• Hàm mật độ là đối xứng qua giá trị trung bình

• Trị trung bình cũng là mode và trung vị của nó

• 68.26894921371% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 1 tính từ trị trung bình

• 95.44997361036% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 2

• 99.73002039367% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 3

• 99.99366575163% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 4

• 99.99994266969% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 5

• 99.99999980268% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 6

• 99.99999999974% của diện tích dưới đường cong là nằm trong độ lệch chuẩn 7

Điểm uốn của đường cong xảy ra tại độ lệch chuẩn 1 tính từ trị trung bình

Các tính chất nêu trên sẽ được sử dụng trong mô hình thống kê để xác định xácsuất tin cậy của các dự báo

2.2 Qui trình dự báo động đất theo mô hình thống kê:

Như vậy, dựa trên cơ sở lý thuyết về cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu vàcác đặc điểm của mô hình thống kê như đã trình bày ở trên, có thể biểu diễn mộtcách tóm lược các bước cơ bản của qui trình dự báo động đất theo mô hình thống kênhư sau:

1 Thành lập danh mục động đất (DMĐĐ) chứa T S, M S , ϕS , λS (s=1,2,…,n) đối

với một vùng nguy hiểm động đất S

2 Tách các nhóm tiền chấn và dư chấn khỏi DMĐĐ

3 Chọn vùng nghiên cứu S giới hạn bởi các tọa độ như sau: (hình 2.2)

λ λ λ1≤ s ≤ 2 & ϕ ϕ ϕ1≤ s ≤ 2 & T0 ≤ ≤T s T k & M0 ≤M s

Với T T0, K: các ranh giới đối với ngày xảy ra động đất thuộc DMĐĐ

M0: ranh giới dưới của magnitude của động đất trong khoảng thời gian từ

0

T đến T K M không nhỏ hơnM0 (M≥ M0)

Hình 2.2 Giới hạn của tiểu vùng S

Tập hợp các trận động đất này được gọi là tập hợp chạy Sơ đồ miêu tả chuỗicác sự kiện trong DMĐĐ và các khái niệm dùng trong thuật toán được trình bàytrên hình 2.3.

Hình 2.3 Sơ đồ miêu tả chuỗi các sự kiện trong DMĐĐ và các khái niệm dùng

trong thuật toán

- Sự kiện cuối cùng trong tập hợp gọi là sự kiện tựa, ngày xảy ra nó sẽ kí hiệu

là top = tn

- Động đất xảy ra ngay sau sự kiện tựa là động đất dự báo, xảy ra ở thời điểm

k

T với M ≥ M0 Tất cả các sự kiện của tập hợp chạy sẽ có M M ≥ 0

Chú thích: M 0 là ranh giới dưới của Magnitude, là Magnitude tối thiểu được sử dụng trong danh mục động đất.

Nhiệm vụ của mô hình là đánh giá các đại lượng T prvà M pr Để Làm điều đócần:

5 Thành lập chuỗi các khoảng thời gian ngẫu nhiên: ∆ = ti ti+1 − ti và các số gia

1

∆ = − giữa các trận động đất liền nhau trong phép chọn

6 Xác định trên khoảng thời gian đã chọn ([T0, T K]) các khoảng thời gian chạy

{t ti, i+1 } với i=1,2, n, sao cho trong mỗi khoảng có từ 10 đến 20 sự kiện

9 Lập bản đồ dự báo thống kê động đất chứa họ các đường đồng mứcmagnitude (mặt M max( , )ϕ λ , Mmin( , )ϕ λ ).

10 Thành lập danh mục các sự kiện dự báo chứa các tham số cơ bản sau đây củacác sự kiện (ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây, tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ),

độ lớn động đất (magnitude)

Như vậy, trên cơ sở cách tiếp cận mới tác giả sẽ tiến hành xây dựng thuậttoán và qui trình dự báo động đất theo mô hình thống kê Đây là một cách tiếp cậnmới mang đặc trưng thống kê Có thể áp dụng phương pháp này phối hợp với cáccách tiếp cận khác mang đặc trưng vật lý kiến tạo sẽ cho kết quả khả quan trongnghiên cứu dự báo động đất Với thuật toán và sơ đồ khối được xây dựng, có thểthiết lập một chương trình dự báo động đất bằng mô hình thống kê với việc sử dụngcác thủ thuật toán học cần thiết

Dựa trên cơ sở lý thuyết của phương pháp đã trình bày ở chương 2, chúng tôi đã

xây dựng thuật toán của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê gồm

các bước cơ bản như sau:

- Bước 1: - Tạo mảng "dd" là tập hợp các trận động đất có ngày trước ngày topmax,

mỗi một phần tử trong mảng gồm có thông tin về tọa độ, thời gian và magnitudecủa một trận động đất

- Tìm max min tọa độ của tất cả các trận động đất (φmax, φmin, λmax, λmin)

- Bước 2: Ứng với từng phần tử (trận động đất) trong mảng dd, gán giá trị hàng và

cột (y và x) trong vùng được chia theo kích thước tiểu vùng dfi cho mỗi một đơn vị,tìm xmax, ymax

- Bước 3: Tạo mảng sotrantrongtieuvung [cột][hàng] là tập hợp ghi số lượng trận

động đất trong các tiểu vùng có vị trí cột hàng x,y; Ví dụ tại x=2, y = 3 có 7 trậnđộng đất thì sotrantrongtieuvung [2][3] = 7

- Bước 4: Dựa vào mảng sotrantrongtieuvung, tạo được mảng tieuvung[x][y][i = 1

-> n] với x, y là tọa độ tiểu vùng, n = số trận trong ô x,y; Ví dụ tại lưới tọa độ cột 3,hàng 2, có 5 trận động đất thì ta có tieuvung[3][2][i = 1 đến 5]

- Bước 5: Loại các tieuvung có số trận động đất trong nó nhỏ hơn nmin.

- Bước 6: Với các tiểu vùng còn lại, tạo mảng dubao[i = 1 -> n] với n là số tiểu

đại lượng dự đoán là Xdb, đại lượng dự đoán tối đa là Xmax, hay Xmin, đại lượngtương ứng ở thời điểm tựa là Xop Như vậy ta sẽ có :

Xdb = Xtựa + Mo(ΔXop)

Xdbmax, min = Xdb ± δX

Chú thích:

- M o là kỳ vọng toán học (hay là giá trị trung bình)

- δX là một nửa giá trị độ lớn của các khoảng tin cậy đối với các giá trị ngẫu nhiên T, được xác định dựa theo hệ số % mong muốn đạt kết quả đúng của người sử dụng phần mềm Để dễ hình dung có thể nhìn vào hình sau đây:

Hình 3.1: Đồ thị của hàm mật độ xác suất của phân phối chuẩn

Mật độ xác suất của phân phối chuẩn được tính theo công thức sau đây:

(theo công thức 2.8) Kết quả như trên đồ thị hình 3.1 là trường hợp riêng khi X db = 0, và khi người dùng chọn xác suất dự báo Pg = 68% giá trị X ∈[Xdbmin,Xdbmax] thì δX = 1, tức là

X dbmax, min = X db ± δX = 0 ± 1 hay

Xdbmin = -1 ; Xdbmax =1.(với hàm phân phối chuẩn thì với δX=1 thì tương ứng với 68% xác suất phân bố trong khoảng từ [-δX, δX])(Chương 2, trang 26)

Trong trường hợp khi người dùng muốn chọn xác suất tin cậy Pg = 100% thì

δX = ∞ Nghĩa là trong thực tế không thể đạt được độ tin cậy Pg = 100% Đây là bản chất của phương pháp xác suất thống kê và cũng phù hợp với thực tế vì động đất là các sự kiện ngẫu nhiên Còn trên hình 3.1 đường phân bố chỉ là tiệm cận với trục hoành từ 2 phía

- Bước 7: Kiểm tra mức độ đúng đắn của kết quả dự báo bằng cách lùi danh mục

động đất về quá khứ để so sánh với các sự kiện đã thực xảy ra sau thời điểm Topmax.Với các bước cơ bản trong thuật toán đã trình bày ở trên, sơ đồ khối của chương

trình dự báo động đất theo mô hình thống kê đã được xây dựng và được trình bày

trên hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ khối của chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê

Tạo mảng dd chứa các trận trước ngày

topmax

dd[i].x = chuyểnhệtrục(dd[i].λ)dd[i].y = chuyểnhệtrục(dd[i].φ)

với hệ trục x,y là các số nguyên, điểm trên cùng bên trái có giá trị (0,0), bước của x,y là dφ được chọn bởi người sử

dụng phần mềm

i:=1 → n

Tạo mảng sốtrậntrongtiểuvùng[x][y] chứa số

lượng các trận động đất trong ô (x,y)

Tạo mảng tiểuvùng[x][y][i] chứa các trận động

đất thứ tự i=1-> n trong tiểuvùng (x,y)

mdbmin,mdbmax

db = tựa + max,min= db ± k.2(db)với kđược tính theo phân bố Gauss

Kết thúc và kiểm tra kết quả so với

3.2 Ngôn ngữ lập trình

Trong quá trình xây dựng chương trình dự báo động đất theo mô hình thống kê,

tác giả sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình C#, một trong những ngôn ngữ phổ biến nhất

hiện nay Ngôn ngữ C# có một số các ưu nhược điểm sau:

+ Rất nhiều lập trình viên được học về ngôn ngữ này, do đó sử dụng C# sẽ có ưu

thế cho việc chuyển giao, phát triển và ứng dụng theo nhóm tập thể (chứ không phảichỉ sử dụng và phát triển trong phạm vi hẹp, đơn lẻ)

+ Là ngôn ngữ hướng đối tượng, các câu lệnh hầu hết được tổ chức theo các lớp(class), dễ đọc, dễ hiểu và rất chặt chẽ

+ Tuy không phải ngôn ngữ mạnh về toán như Matlab, nhưng bù lại ngôn ngữ

C# có cơ chế kiểm soát lỗi rất tốt, ngoài ra, khi không cần xử lý những phép toán

ma trận, những ngôn ngữ như Matlab sẽ gặp nhiều bất tiện, dễ gây nhầm lẫn khi lậptrình, và rất khó dò lỗi, do kiểu dữ liệu của Matlab quá đa dạng và định nghĩa thiếu

chặt chẽ, do đó, trong trường hợp này thì những ngôn ngữ kiểu C# sẽ là lựa chọn

hợp lý hơn

- Nhược điểm:

+ C# không phải là ngôn ngữ chuyên dùng cho khoa học, do đó sẽ phải mất

nhiều công để lập trình hơn trong các trường hợp phải xử lý nhiều với số phức, hay

ma trận, v.v…

+ Vì C# là ngôn ngữ bậc cao, nên sẽ chậm hơn một số ngôn ngữ khác, ví dụ như

C++ hoặc các ngôn ngữ khác theo nền tảng của ngôn ngữ C++ như Matlab v.v…

Tuy nhiên, những nhược điểm của ngôn ngữ C# chỉ ảnh hưởng đến người lập trình,

chứ không gây khó khăn cho người sử dụng, và các nhược điểm này có thể khắc

phục được vì C# có thể kết nối với các hàm do Matlab tạo ra Trong trường hợp giải

quyết nhiệm vụ cụ thể trên đây, thì ngôn ngữ C# hoàn toàn không gặp trở ngại nào phải cần đến sự hỗ trợ của các ngôn ngữ khác Đó là lý do ngôn ngữ C# được chọn

để viết chương trình

3.3 Chương trình:

Trên cơ sở sơ đồ khối của chương trình với các bước trong thuật toán đã đượcxây dựng, chương trình được thiết lập gồm 3 bước với các nội dung chính như sau:Chuẩn bị dữ liệu đầu vào; xử lý dữ liệu; xuất kết quả ra màn hình và lưu kết quảvào ổ cứng

• Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu đầu vào.

Dữ liệu đầu vào chính là danh mục các trận động đất đối với khu vực cần dựbáo Danh mục này đã được loại bỏ các tiền chấn, dư chấn Danh mục chứa cácthông tin về thời điểm xảy ra trận động đất, tọa độ chấn tâm, magnitude của các trậnđộng đất đó

Một số dữ liệu để tùy biến tham số dùng cho việc xử lý tính toán

- Dfi: là kích thước cửa sổ của tiểu vùng S tính theo đơn vị độ (1 độ bằng 111km),

các tiểu vùng này được chia ra tùy theo đặc trưng và qui mô của khu vực nghiêncứu Tiểu vùng không được quá lớn để tránh bị chứa các trận động đất không liênquan đến tính chất hoạt động của khu vực đó, cũng không nên quá nhỏ dẫn đếnthiếu dữ liệu dự báo

- Số sự kiện tối thiểu phục vụ dự báo: là số lượng tối thiểu các trận động đất xuất

hiện trong 1 tiểu vùng, nếu một tiểu vùng chưa đạt đủ số trận động đất được điền ởtiểu vùng này, tiểu vùng đó sẽ không được dự báo

- Top max: thời gian tựa cực đại:

Trước hết cần giải thích khái niệm về thời gian tựa: đó là thời điểm xuất hiện một

sự kiện sau cùng trong danh mục động đất Các sự kiện xuất hiện sau thời điểm đó

sẽ là sự kiện dự báo có khả năng xảy ra trong tương lai Trong thực tế nghiên cứu

dự báo động đất, thời gian tựa luôn là thời điểm hiện tại Nhưng việc dự báo độngđất chỉ mang tính xác suất, vì nó là dự báo các hiện tượng xảy ra có tính chất ngẫunhiên, khó có thể lường trước Vì thế, cần có nhiều lần thử nghiệm phương pháp dự

báo bằng cách lùi danh mục động đất về quá khứ để so sánh với các sự kiện đã từngthực sự xảy ra sau thời điểm tựa đó nhằm kiểm tra và đánh giá mức độ đúng đắncủa dự báo

Sau khi chuẩn bị dữ liệu, sẽ nạp vào chương trình nhờ chức năng “Nhập” trêngiao diện của chương trình (Hình 3.3)

• Bước 3: Xuất kết quả ra.

Sau khi chương trình đã xử lý xong, sử dụng chức năng “xuất dạng bảng” đểhiển thị các kết quả ở dạng bảng (Hình 3.4) Ngoài ra, cũng có thể thống kê các kếtquả dự báo bằng cách nhấn nút “thống kê” trên giao diện (Hình 3.4)

Kết quả xử lý của chương trình sẽ được hiển thị ra màn hình theo dạng bảng sốliệu (Hình 3.4) Có thể copy thẳng bảng này vào excel để thực hiện các thao tácthống kê tùy mục đích nghiên cứu khác nhau dựa theo các tính năng của Excel.Bảng kết quả bao gồm các thông tin về tọa độ của tiểu vùng chứa trận động đất dự

báo, Dfi được sử dụng, tọa độ trận động đất tựa (sự kiện tựa), thời gian tựa, thời

điểm xảy ra sự kiện dự báo và giới hạn muộn nhất, giới hạn sớm nhất của thời điểm

đó (trận động đất được dự báo sẽ xảy ra trong phạm vi giới hạn (từ thời điểm sớm nhất đến muộn nhất), phạm vi đó được xác định bởi tỷ lệ mong muốn đúng (tính bằng phần trăm) do người sử dụng phần mềm lựa chọn tùy theo yêu cầu của bài toán dự báo Xác suất cực đại tương ứng với thời điểm giữa của giới hạn này, và đây chính là thời điểm dự báo).

3.4 Hướng dẫn sử dụng phần mềm:

Để làm việc với chương trình cần chuẩn bị các loại dữ liệu chính sau đây :

• Dữ liệu động đất:

Dữ liệu động đất nhập vào ở dạng bảng, gồm các hàng và các cột Mỗi hàngứng với một trận động đất với các cột biểu diễn các tham số cơ bản sau đây của nó:Năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây, vĩ độ (độ), kinh độ (độ), magnitude Định dạng

dữ liệu như sau: mỗi giá trị trong một hàng được ngăn cách nhau bởi dấu tab (tab).Mỗi hàng bắt buộc phải chứa đủ 9 cột, nếu bất kỳ hàng nào thiếu, chương trình sẽ bịlỗi không xử lý được Việc nhập dữ liệu có thể đơn giản hóa bằng cách lưu dữ liệutrong file excel theo định dạng số cột như trên, và copy thẳng vào chương trình khicần xử lý Chương trình sẽ tự hiểu được kiểu dữ liệu hàng /cột của excel

Lưu ý: Nếu máy tính đang sử dụng dấu phảy thập phân là dấu “,” thì phải

chuyển thành dấu “.”, nếu không chương trình có thể sẽ bị lỗi không hiểu được kýhiệu

Ngoài ra, dữ liệu động đất có thể nạp tự động từ một file dữ liệu khác thôngqua nút bấm “load danh mục từ commonresult.xml” – file chứa danh mục các trậnđộng đất đã được loại bỏ các tiền chấn và dư chấn

dự báo sẽ rộng (lớn) thì thực chất là sẽ không xác định được dự báo sẽ rơi chính xácvào gần thời điểm nào; Ngược lại, nếu giả sử chỉ có nhu cầu dự báo đúng khoảng70%, thì giới hạn thời gian dự báo chỉ là 1.037

Giả sử trường hợp cụ thể như sau: Trên một tiểu vùng S đang xét, các trậnđộng đất xảy ra ngẫu nhiên đủ điều kiện số lượng để dự báo và các khoảng thời gianxảy ra giữa các trận liên tiếp có độ lệch với nhau trung bình khoảng 150 ngày Nếu

chọn xác suất dự báo đúng khoảng 70%, chương trình sẽ ra kết quả là thời điểm dự

báo T ∈[Tdb-150x1.037, Tdb+150x1.037], kết quả này có nghĩa là trận động đất

được dự báo tại thời điểm Tdb, và khả năng 70% sẽ xuất hiện động đất thật trongphạm vi Tdb ± 150x1.037 Lưu ý là lý thuyết của phân bố Gauss dùng cho trường hợp các phép thử một đại lượng ngẫu nhiên nói chung, ở trường hợp bài toán này, thì đại lượng đó là thời gian nên trước và sau thời điểm hiện tại là khác hẳn nhau, hơn nữa thời gian dự báo phải xảy ra sau thời điểm làm phép dự báo, do đó tỷ lệ

dự báo đúng sẽ không hoàn toàn tương ứng với tỷ lệ mong muốn mà người sử dụng

lựa chọn Nếu như chọn xác suất là 99 %, thì kết quả lại được ± 150x2.56 ngày, tức

là khoảng hơn 1 năm Như vậy, dự báo đúng với xác xuất rất cao nhưng trong giớihạn thời gian dự báo lớn (như ví dụ trên là trong vòng 1 năm), thì ý nghĩa của kếtquả dự báo đó bị giảm đi nhiều so với trường hợp xác suất dự báo thấp hơn (70%)nhưng giới hạn thời gian dự báo chỉ trong cửa sổ 150 ngày Vì thế, tùy điều kiện địa

lý, cơ sở hạ tầng của từng khu vực, và cũng tùy yêu cầu của nhiệm vụ nghiên cứu

mà người sử dụng cần phải chọn xác suất dự báo hợp lý (là bao nhiêu %) để vừa cóxác suất dự báo “đúng” cao, vừa có giới hạn thời gian dự báo ngắn vừa phải

• Dfi: nhập kích thước của ô cửa sổ lưới

• Số sự kiện tối thiểu trong một tiểu vùng để dự báo: điền 1 số nguyên

đủ lớn để chương trình tự động thống kê từ danh mục động đất để đảmbảo đủ tính chu kỳ

• T op max: Chọn thời điểm tựa cực đại (sau cùng): nếu muốn dự báo các

trận trong tương lai ( không phải lùi về quá khứ để kiểm tra và đối sánhvới các sự kiện đã xảy ra) thì không cần chọn Top max, chương trình sẽ tựchọn thời điểm hiện tại làm Top max

Sau khi nhập đủ các dữ liệu trên, ta ấn vào nút “xử lý” trên giao diện đểchương trình xử lý Mặc nhiên là kết quả sẽ cho các sự kiện dự báo xuất hiệnsau thời điểm Top Chương trình sẽ chạy một lát, trong khi chương trình đangchạy tránh click vào chương trình, có thể sẽ làm chương trình bị đơ Khi xử

lý xong sẽ có dòng chữ thông báo “xử lý xong” hiện lên giao diện làm việccủa chương trình Khi chương trình xử lý xong, ta chuyển qua mục “xuất