Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ (phép biến đổi wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian từ kết quả xử lý

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOVIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ LẠI VĂN THỦY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ BIẾN ĐỔI WAVELET ĐỂ PHÂN TÍCH NỘI SUY VẬN TỐC

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

LẠI VĂN THỦY

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ (BIẾN ĐỔI WAVELET) ĐỂ PHÂN TÍCH NỘI SUY VẬN TỐC CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TỪ KẾT QUẢ XỬ

LÝ DỮ LIỆU ĐO GPS MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐỊA ĐỘNG LỰC KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM

Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ

Mã số : 9.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TSKH ĐẶNG HÙNG VÕ

TS DƯƠNG CHÍ CÔNG

HÀ NỘI, 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu,kết quả trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất cứ công trìnhnào khác

Tác giả luận án

Lại Văn Thủy

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ dưới sựhướng dẫn khoa học của GS.TSKH Đặng Hùng Võ và TS Dương Chí Công.Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hướng dẫn tận tình,sát sao của các Thầy trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành dự án.Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Khoa học Đo đạc và Bản

đồ đã cho phép tham khảo, sử dụng tài liệu, số liệu đo; tạo điều kiện về thời gian

và cơ sở vật chất trong quá trình học tập và nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơncác nhà khoa học đã góp ý, trao đổi để Nghiên cứu sinh hoàn thiện các nội dungnghiên cứu; nghiên cứu sinh cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, khích lệkịp thời của đồng nghiệp, bạn bè và người thân, tạo điều kiện thuận lợi đểnghiên cứu sinh hoàn thành luận án trong thời gian ngắn nhất

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7

1.1 Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất 7

1.1.1 Mảng kiến tạo 7

1.1.2 Đứt gãy kiến tạo 9

1.1.3 Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất 13

1.2 Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam 20

1.3 Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới 23

1.3.1 Tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ [22],[33] 23

1.3.2 Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa trên thế giới 27

1.3.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 31

1.4 Kết luận Chương 1 32

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT 34

2.1 Cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu 34

2.2 Tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS 39

2.3 Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ 46

2.4 Tính các đại lượng biến dạng 53

2.4.1 Tính tensor gradient vận tốc 53

2.4.2 Tính tốc độ xoay (Rotation rate) 58

2.4.3 Tính tốc độ biến dạng (Strain rate) 59

2.4.4 Tính tốc độ trương nở (Dilatation rate) 60

2.5 Kết luận Chương 2 61

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM 63

3.1 Đánh giá, phân tích chất lượng số liệu thực nghiệm 63

3.1.1 Đánh giá, phân tích chất lượng mốc quan trắc 63

3.1.2 Đánh giá, phân tích chất lượng dữ liệu quan trắc 64

3.1.3 Đánh giá, phân tích kết quả tính vận tốc chuyển dịch tuyệt đối của các điểm trong mạng lưới quan trắc 69

3.2 Tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc 72

3.2.1 Sơ đồ quy trình tính toán 72

3.2.2 Xây dựng modul tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực 73

3.2.3 Kết quả tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực 74

3.3 Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương 80

3.3.1 Sơ đồ quy trình tính toán 80

3.3.2 Phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch 81

3.3.3 Kết quả phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch 82

3.4 Tính các đại lượng biến dạng 89

3.4.1 Sơ đồ quy trình tính toán 89

3.4.2 Phần mềm tính toán các đại lượng biến dạng 90

3.4.3 Kết quả tính toán, biên tập bản đồ trường biến dạng khu vực miền

Bắc Việt Nam 91

3.5 Đánh giá hiệu quả của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ 99

3.5.1 Đánh giá kết quả phân tích biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ với phương pháp tính biến dạng Frank 99

3.5.2 Đánh giá kết quả tính biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ so với các kết quả tính biến dạng trên khu vực Miền Bắc trước đó 107

3.5.3 Thảo luận, đánh giá chung về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ 108

3.6 Kết luận Chương 3 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

I Kết luận 111

II Kiến nghị 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH 119

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI

CWT Continuos Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ liên tục

DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ rời rạc

DOG Difference of Gaussians Hàm sóng nhỏ trên mặt cầu

GNSS Global Navigation Satellite Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu

System

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầuIGS International GNSS Service Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tếITRF International Terrestrial Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế

Reference Frame

MRA Multiresolution analysis Phân tích đa phân giải

OCV Ordinary Cross-Validation Đánh giá chéo thông thường

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam 9Bảng 1.2 Kết quả tính chuyển dịch của đề tài KC.09.11/06-10 22Bảng 2.1 Khoảng cách giữa các điểm lưới trên mặt cầu tương ứng với q 36Bảng 3.1 Tổng hợp tọa độ và vận tốc chuyển dịch của các điểm IGS 68

xung quanh Việt Nam tại thời điểm ngày 01/01/2005

Bảng 3.2 Tổng hợp véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng lưới GPS 70

Bảng 3.4 Kết quả tính vận tốc quay và tọa độ cực quay Ơ-le 75Bảng 3.5 Kết quả tính vận tốc chuyển dịch khu vực tại điểm quan trắc 75Bảng 3.6 Kết quả tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại điểm quan trắc 77Bảng 3.7 Kết quả tính nội suy vận tốc chuyển dịch không gian 84Bảng 3.8 Bảng so sánh kết quả tính các vận tốc biến dạng theo khu 102vực

Bảng 3.9 Kết quả tính vận tốc biến dạng của các đới đứt gãy 104Bảng 3.10 Bảng so sánh kết quả tính biến dạng theo đứt gãy 106Bảng 3.11 Bảng so sánh kết quả tính biến dạng đã được công bố 107

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam

Á Hình 1.2 Bản đồ hệ thống đứt gãy chính trên lãnh thổ Việt Nam

Hình 1.3 Tốc độ biến dạng của điểm Hình 1.4 Mô tả hình thái của

sự trương nở

Hình 2.1 Tập hợp các điểm lưới tam giác ở các quy mô khác nhau

Hình 2.2 Sóng nhỏ trên cầu tương ứng với cáckhác nhau khi q =3

Hình 2.3 Sự thay đổi biên độ dọc đường kinh tuyến theokhi q = 3

Hình 2.4 Phạm vi điểm đo khu vực miền Bắc được chọn để phân tích

Hình 2.5 Tập hợp các điểm trên hình cầu G ở Miền Bắc (q từ 7 đến 9)

Hình 2.6 Tập hợp các điểm lưới và bậc được chọn để phân tích

biến dạng khu vực Miền Bắc

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí điểm quan trắc trên khu vực Miền Bắc

Hình 3.2 Xác định chiều cao Antenna theo phương pháp đo nghiêng

Hình 3.3 Xác định chiều cao Antenna theo phương pháp đo thẳng

đứng

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố các điểm IGS xung quanh Việt Nam

Hình 3.5 Sơ đồ quy trình tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực

Hình 3.6 Giao diện phần mềm tính vận tốc chuyển dịch chung của khu

vực

Hình 3.7 Sơ đồ quy trình nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa

phương

Hình 3.8 Giao diện phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch

Hình 3.9 Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng Bắc

8

12

18

19

35

36

37

38

38

39

63

65

666

74

80

82

83vi

Hình 3.10 Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng Đông 83Hình 3.11 Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng đứng 84Hình 3.12 Bản đồ trường vận tốc chuyển dịch ngang khu vực Miền Bắc 87Hình 3.13 Bản đồ trường vận tốc chuyển dịch đứng khu vực Miền Bắc 88Hình 3.14 Sơ đồ quy trình tính các đại lượng biến dạng 89Hình 3.15 Giao diện phần mềm tính trường biến dạng 90Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn trường tốc độ xoay 91

Hình 3.26 Bản đồ trường tốc độ biến dạng khu vực Miền Bắc theo

101phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ

Hình 3.27 Bản đồ biến dạng theo đứt gẫy trên khu vực Miền Bắc 106

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Trắc địa là ngành khoa học nghiên cứu các đặc trưng hình học của TráiĐất trong trạng thái tĩnh và trạng thái động Phương pháp luận chủ yếu là thunhận thông tin về bề mặt Trái Đất, xử lý thông tin thu nhận được để xác định,

mô phỏng bề mặt, kích thước, hình dạng Trái Đất và nghiên cứu chuyển độnghiện đại của vỏ Trái Đất bằng các phương pháp đo đạc Các phương pháp đo đạcđược hình thành dựa trên sự tiến bộ của công nghệ thu nhận thông tin về TráiĐất, gọi chung là thông tin địa lý hay thông tin không gian Theo thời gian, đãlần lượt trải qua các công nghệ như: Công nghệ quang học để đo góc, công nghệ

sử dụng sóng điện từ để đo khoảng cách, công nghệ sử dụng các hiệu ứng vật lý

để đo khoảng cách từ các vật thể chuyển động, v.v

Kể từ khi công nghệ vệ tinh nhân tạo ra đời, một phần lớn thành quả củacông nghệ này tập trung vào phát triển các phương pháp thu nhận thông tinkhông gian từ các vệ tinh nhân tạo như đo tọa độ bằng hiệu ứng Doppler, đokhoảng cách bằng laser, đo độ cao mặt biển Altimetry, đo trọng lực Trái Đất từ

vệ tinh Gradiometry, chụp ảnh mặt đất từ vệ tinh bằng camera quang học hoặcradar và hiệu quả nhất là công nghệ dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GlobalNavigation Satellite System - GNSS)

Ngày nay, công nghệ vệ tinh GNSS được coi là hạ tầng kỹ thuật hiện đại,xuất phát từ công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu GPS (Global PositioningSystem) với các ưu điểm nổi trội như không đòi hỏi sự thông hướng; công tác đođạc được tiến hành trong mọi điều kiện thời tiết; có thể nhanh chóng phát triểnmạng lưới không gian ba chiều trên phạm vi lớn… đã cho phép xác định véc tơchuyển dịch ngang của vỏ Trái Đất với độ chính xác đến milimet và véc tơchuyển dịch đứng với độ chính xác dưới centimet Công nghệ vệ tinh GNSS đã

và đang là một trong những giải pháp chủ yếu được sử dụng trong xây dựngmạng lưới trắc địa quan trắc chuyển động hiện đại của vỏ Trái Đất Cùng với sựphát triển mạnh mẽ về công nghệ vệ tinh GNSS, các phần mềm GAMIT do Mỹ

phát triển hoặc phần mềm BESNESE do Trường Đại học Bern, Thụy Sỹ pháttriển cho phép tính véc tơ chuyển dịch có độ chính xác cao rất nhanh chóng,thuận tiện Các phần mềm phân tích biến dạng cũng đã được nhiều nước trên thếgiới xây dựng dựa trên các thuật toán cơ bản như phương pháp tam giác (Frank1966); phương pháp nội suy spline lập phương (Haines et al.1998); phương phápnghịch đảo biến thiên cạnh cơ sở (Spakman& Nyst 2002), v.v Các phần mềmnày bảo đảm các chức năng và những lợi thế riêng để có thể đáp ứng các mụcđích tính toán khác nhau và phù hợp với yêu cầu phân tích biến dạng của từngkhu vực.

Ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS trước đây (nay là GNSS) đểnghiên cứu biến dạng vỏ Trái đất theo đới đứt gãy đã được các nhà khoa học ởViệt Nam thực hiện trong 20 năm qua Tuy nhiên, các kết quả tính toán, phântích chuyển dịch và biến dạng mới chỉ thực hiện riêng lẻ cho từng đới đứt gãyhoặc trên khu vực nhỏ theo các đa giác phẳng; việc nghiên cứu đánh giá chuyểndịch của vỏ Trái Đất theo quy mô khu vực trong mô hình không gian hiện chưađược nghiên cứu ở Việt Nam

Năm 2009, tác giả Tape, C [41] đã giới thiệu phương pháp xấp xỉ sóngnhỏ để phân tích, ước lượng trường biến dạng từ kết quả đo GNSS và đã được

áp dụng ở Mỹ và Trung Quốc Các kết quả được công bố đã chỉ ra được thựctrạng biến dạng vỏ Trái đất trong khu vực nghiên cứu Ở Việt Nam, phươngpháp xấp xỉ sóng nhỏ chưa được áp dụng trong nghiên cứu chuyển động hiện đại

vỏ Trái Đất Qua nghiên cứu về khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉsóng nhỏ trong trắc địa đã phát hiện ra những ưu điểm của phương pháp này khiphân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và tính toán các đại lượng biến dạng của

vỏ Trái Đất Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn phương pháp xấp xỉ

sóng nhỏ để thực hiện luận án: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xấp xỉ

sóng nhỏ (phép biến đổi Wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch

và biến dạng không gian từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS mạng lưới trắc địa địa động lực khu vực miền Bắc Việt Nam”.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy và minhgiải chuyển dịch, biến dạng không gian 3 chiều từ kết quả tính toán xử lý dữ liệu

đo đạc bằng công nghệ GPS mạng lưới địa động lực trên khu vực miền Bắc ViệtNam

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

a Nghiên cứu tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ và khả năng ứng dụng của phương pháp này trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới

b Nghiên cứu, áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nộisuy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái đất khu vực miềnBắc Việt Nam từ kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địađộng lực

c Xây dựng phần mềm tính toán, phân tích, nội suy trường vận tốcchuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam từkết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực

d Thu thập, phân tích, chuẩn hoá véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam

g Tính toán, phân tích, minh giải trường biến dạng hiện đại khu vực miềnBắc Việt Nam

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ;

vận tốc chuyển dịch của các điểm, trường chuyển dịch và trường biến dạng của

vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam

Phạm vi nghiên cứu: Các đứt gãy có dấu hiệu hoạt động mạnh trên khu vực miền Bắc Việt Nam trong phạm vi từ 19,5 độ đến 23 độ vĩ Bắc và từ 103 độ

đến 108 độ kinh Đông trong thời gian từ năm 2012 đến năm 2017

5 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh sử dụng một số phương pháp sau:

- Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các

thông tin trên internet và thư viện;

- Phương pháp toán học: Nghiên cứu phương pháp tính toán nội suy và

đánh giá độ chính xác nội suy của trường vận tốc chuyển dịch địa phương;

- Phương pháp so sánh: So sánh phân tích ưu nhược điểm của phương pháp sóng nhỏ với phương pháp tam giác do Frank đề xuất;

- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm để chứng minh cho việc lựa chọn cơ sở lý thuyết là hoàn toàn đúng đắn;

-Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng và triển khai các thuật toán bằng

ngôn ngữ lập trình Matlab

6 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ là giải pháp kỹ thuật phù hợp

và có hiệu quả cao trong xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất từ các sốliệu đo mạng lưới GNSS địa động lực tại khu vực miền Bắc Việt Nam

Luận điểm 2: Kết quả tính toán thực nghiệm với vận tốc chuyển dịch nhận

được trong 6 chu kỳ đo (từ năm 2012-2017) đã cho thấy hoạt động của các đứtgẫy trên khu vực miền Bắc Việt Nam có tốc độ nhỏ và tập trung chủ yếu ở vùngTây Bắc (xung quanh đứt gẫy Lai Châu - Điện Biên)

7 Điểm mới của luận án

Một là, Đưa ra giải pháp nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương

trên cơ sở mối quan hệ trong không gian của các điểm lân cận dựa trên hàm xấp

xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu

Hai là, Ứng dụng thành công phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên

cứu, xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất (trường tốc độ xoay; trườngtốc độ biến dạng; trường tốc độ trượt; trường tốc độ trương nở) từ kết quả nộisuy trường vận tốc chuyển dịch địa phương

Ba là, Đề xuất quy trình tính toán và xây dựng được phần mềm tính toán

phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch; tính toán các đại lượng biến dạng

vỏ Trái Đất bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển lý thuyết xử

lý số liệu quan trắc địa động lực; làm sáng tỏ thêm đặc điểm chuyển động kiếntạo hiện đại của vỏ Trái Đất trên khu vực miền Bắc Việt Nam

- Ý nghĩa thực tiễn: Quy trình tính toán và phần mềm tính toán hỗ trợ có

hiệu quả trong xử lý số liệu của các mạng lưới trắc địa địa động lực Kết quảnghiên cứu về trường biến dạng khu vực có thể sử dụng trong phân tích dự báotai biến tự nhiên do hoạt động kiến tạo hiện đại vỏ Trái đất gây ra; xây dựng và

bố trí hệ thống điểm quan trắc cảnh báo, dự báo hoạt động tai biến tự nhiên; làmcăn cứ để quy hoạch và xây dựng phương án bố trí di dời khi có dự báo xảy ratai biến địa chất; là căn cứ trong xây dựng các công trình và hạ tầng phục vụ chophát triển kinh tế - xã hội có lưu ý tới tai biến địa chất; cung cấp số liệu chínhxác về tọa độ địa lý và vận tốc chuyển dịch của các điểm phục vụ cho các côngtrình nghiên cứu khác nhau về kiến tạo hiện đại vỏ Trái đất

9 Cơ sở tài liệu

Luận án được xây dựng trên những cơ sở sau: Vận tốc chuyển dịch nhậnđược trong 6 chu kỳ đo (2012 - 2017) của mạng lưới trắc địa địa động lực do

Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ thực hiện tại Dự án “Xây dựng mạng lưới trắc địa địa động lực trên khu vực các đứt gãy thuộc miền Bắc Việt Nam phục vụ công tác dự báo tai biến tự nhiên” theo Quyết định số 1665/QĐ-BTNMT ngày

26 tháng 8 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường; số liệu quantrắc của lưới trắc địa IGS (lưới trắc địa toàn cầu - International GNSS Service);kết quả nghiên cứu đề tài khoa học công nghệ cấp cơ sở và công bố trong tạpchí, hội nghị khoa học trong và ngoài nước của tác giả Ngoài ra, nghiên cứusinh còn tham khảo 47 công trình nghiên cứu, bài báo khoa học đã công bố cóliên quan đến luận án

10 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục các côngtrình đã công bố liên quan đến luận án của nghiên cứu sinh, nội dung luận ánđược trình bày trong 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Trình bày tổng quan về

những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất; tổng quan vềtình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở ViệtNam; tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ ở ViệtNam và trên thế giới

Chương 2 Cơ sở lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu biến dạng

vỏ Trái Đất: Trình bày cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu; cơ

sở lý thuyết tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS; cơ sở lýthuyết nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉsóng nhỏ; cơ sở lý thuyết tính các đại lượng biến dạng của khu vực

Chương 3 Thực nghiệm tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất

khu vực miền Bắc Việt Nam: Trình bày những phân tích đánh giá chất lượng

mốc quan trắc và số liệu đo GNSS, đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán vậntốc chuyển dịch tuyệt đối trên khu vực miền Bắc Việt Nam; trình bày quy trình,phần mềm tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc, nội suyvận tốc chuyển dịch không gian cho các điểm lưới GRID đặc trưng cho trườngvận tốc chuyển dịch khu vực, tính các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất trên khuvực Miền Bắc; trình bày kết quả tính toán thực nghiệm xác định trường biếndạng khu vực miền Bắc Việt Nam và thảo luận các vấn đề nghiên cứu nhằm làm

rõ các ưu, nhược điểm cũng như khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉsóng nhỏ trong tính toán xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất ở quy môkhu vực

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất

1.1.1 Mảng kiến tạo

Theo thuyết kiến tạo mảng, lớp ngoài cùng của Trái Đất (thạch quyển) làchất rắn gắn kết nằm trên một quyển yếu hơn là quyển mềm Thạch quyển vỡ ralàm nhiều phần được gọi là mảng kiến tạo Bề mặt Trái Đất có thể chia ra thànhbẩy (07) mảng chính, gồm: Mảng Thái Bình Dương, mảng Á-Âu, mảng Ấn Độ -Ôxtrâylia, mảng Châu Phi, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Nam Cực vànhiều mảng kiến tạo nhỏ Ranh giới giữa hai mảng kiến tạo là các đứt gãy, đứtgãy sâu hoặc các kiểu phá hủy tổng hợp khác

Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyểnđộng theo một tiến trình gọi là sự trôi dạt lục địa trên quyển mềm Các mảng này

di chuyển tương đối với nhau theo một trong ba dạng chính đó là: Hội tụ (xô húcvào nhau); tách giãn (trượt dọc với phương trượt gần như song song với phươngtách dãn); trượt ngang (phương trượt vuông góc với phương tách dãn) Các lựcđược tạo ra tại các ranh giới hình thành các dãy núi gây nên núi lửa phun trào vàđộng đất Hiện tượng này cùng với các quá trình kèm theo được gọi là hoạt độngkiến tạo

Trong các mô hình động học thạch quyển, chuyển động của mảng haykhối được đại diện bởi vận tốc quay của phần nội mảng (nội khối) ổn định vàđược mô tả bằng véc tơ Ơ-le bao gồm 3 thành phần tọa độ điểm gốc và 3 thànhphần vận tốc góc quay của véc tơ Các thành phần góc quay Ơ-le có thể xác địnhchuyển động của mảng hoặc khối kiến tạo bằng các phương pháp khác nhau.Tuy nhiên, hiện nay phương pháp trắc địa được coi là chính xác và tin cậy hơn

cả vì đây là phương pháp hình học có định lượng

Để đơn giản hóa việc lập mô hình biến dạng mảng lục địa, một cách tiếpcận khá phổ biến là nhấn mạnh vai trò của các đứt gãy, đồng thời thừa nhận môhình biến dạng gián đoạn trong lớp vỏ trên dễ vỡ hoặc đàn hồi và ứng dụng

phương pháp tiếp cận khối, trong đó mỗi khối bao gồm vùng nội khối ổn địnhnằm xa đứt gãy và đới biến dạng nằm kề đứt gãy Khi nghiên cứu chuyển độngphần nội khối, thành phần chuyển động đứng được coi bằng không Ở khu vựcrìa chuyển động mảng sẽ tạo ra sự phá hủy, nâng hạ theo các kiểu phá hủy tổnghợp khác nhau, nên thành phần chuyển động đứng của vỏ Trái Đất có sự thayđổi [17].

Khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam nằm ở phía đông nam củamảng Á-Âu và chủ yếu được hình thành bởi hoạt động kiến tạo tại ranh giới cácmảng hay khối bao quanh, được thể hiện trên Hình 1.1 dưới đây

Hình 1.1 Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam Á [39]

Có thể nhận thấy, lãnh thổ Việt Nam nằm trên hai khối kiến tạo đó là khốiNam Trung Hoa (South China Block) và khối Sunda (Sundaland Block) mà ranhgiới là đứt gãy Sông Hồng Trong kiến tạo địa phương, thuật ngữ “khối kiếntạo” còn được dùng để chỉ những khối cấu trúc là yếu tố cấu thành của một khốitrong kiến tạo khu vực [17].

Xét dưới góc độ chuyển động mặt và vỏ Trái Đất liên quan tới động đất,người ta phân biệt chuyển dịch đồng thời với động đất (coseismic displacement)

và chuyển dịch giữa hai lần động đất (interseismic displacement) Mô hìnhchuyển dịch mặt đất do động đất phụ thuộc vào từng loại đứt gãy gây nên độngđất, chuyển động của khối kiến tạo được coi là tổng của chuyển dịch đồng thờivới động đất và chuyển dịch giữa hai lần động đất [17]

1.1.2 Đứt gãy kiến tạo

Đứt gãy (còn gọi là biến vị, đoạn tầng hoặc phay) là một hiện tượng địa chất

liên quan tới các quá trình kiến tạo trong vỏ Trái Đất Đứt gãy chia làm nhiều loại:Đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch, đứt gãy ngang Thông thường, đứt gãy thường xảy

ra tại nơi có điều kiện địa chất không ổn định Đứt gãy kiến tạo, nhất là những đứtgãy lớn, chạy dài hàng trăm, hàng ngàn cây số qua nhiều vùng lãnh thổ với địa hình

và kiến tạo khác nhau Do nằm cách xa phần ranh giới của mảng kiến tạo nên cácđứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam là những đứt gãy nội mảng, các đứt gãy này đóngvai trò phân chia các khối thạch quyển cấp II, III và IV Theo tác giả Cao ĐìnhTriều [19], các đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp 1 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động

ở Việt Nam và lân cận bao gồm 11 đứt gãy, được ký hiệu là FII; các đứt gãy cấp IIIthạch quyển (cấp 2 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động ở Việt Nam và lân cận baogồm 34 đứt gãy, được ký hiệu là FIII Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Namđược thống kê trong Bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1.1 Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam [19]

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

1 Đới đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp I Việt Nam)

3 F III.3 Mường La - Bắc Yên TB ĐB: 500 ÷ 700 XV 10-20

7 F III.7 Cao Bằng - Tiên Yên TB ĐB: 700 ÷ 800 XV 10-20

13 F III.13

A Lưới - Rào Quán - Sơn

Tây - Quy Nhơn

14 F III.14 Kinh tuyến 110 (Phú Khánh) KT T XV 20-30

10

15 F III.15 Ốc Tai Voi ĐB XV 20-30

20 F III.20 Lộc Ninh - Hàm Tân TB TN: 600 ÷ 800 XV 20-30

21 F III.21 Sông Pô Cô KT T: 600 ÷ 800 XV 30-40

23 F III.23 Tây Côn Sơn ĐB TB: 600 ÷ 700 XV 20-30

24 F III.24 Đông Côn sơn ĐB TB: 500 ÷ 600 XV 10-20

Cột 1: Số thứ tự của đứt gãy theo thống kê của bảng 1

Cột 2: Ký hiệu của đứt gãy dùng để tra cứu trên hình vẽ

Cột 3: Tên đứt gãy

Cột 4: Phương phát triển của đứt gãy: TB (Tây Bắc - Đông Nam); ĐB (Đông Bắc - Tây Nam); KT (Kinh tuyến); áKT (á Kinh tuyến); VT (Vĩ tuyến) và áVT (á Vĩ tuyến)

Cột 5: Hướng cắm và góc cắm của đứt gãy: ĐB (Đông Bắc); TN (Tây Nam); B (Bắc) và N (Nam)

Cột 6: Mức độ xuyên cắt của đứt gãy: TQ - Đứt gãy Thạch quyển (có khả năng xuyên cắt và là ranh giới khối địa động lực thạch quyển); XV - Đứt gãy xuyên vỏ (xuyên cắt vỏ và là ranh giới khối địa động lực)

Cột 7: Bề rộng ảnh hưởng (đới động lực) của đứt gãy

Hệ thống đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam tập trung chủ yếu ở khu vực TâyBắc, các đứt gãy đa phần có hướng Tây Bắc - Đông Nam hoặc hướng Bắc -Nam như thể hiện trong Hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2 Bản đồ hệ thống đứt gãy chính trên lãnh thổ Việt

Hoạt động của đứt gãy tích cực được coi là nguyên nhân của nhiều tai biến vàthảm họa thiên nhiên mà động đất là một dạng tiêu biểu Theo lý thuyết kinh điển,động đất là kết quả của dịch trượt nhanh dọc mặt đứt gãy, sự dịch trượt này gây nênbởi sự giải phóng đột ngột năng lượng (chủ yếu được sản sinh do biến dạng đànhồi) tại một vùng trong vỏ Trái Đất Động đất chủ yếu (chiếm 95%) xẩy ra tại ranhgiới giữa các mảng kiến tạo Tuy nhiên, động đất cũng xẩy ra tại phần trong củamảng mà nguyên nhân trước hết được cho là liên quan tới chuyển động mảng kiếntạo, tiếp theo đó là do sự gia tăng hay giảm đi của các vùng băng, tác động của tíchhoặc xả nước tại các hồ chứa và sự dâng lên của dòng mác ma [19].

1.1.3 Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất

Sự vận động nhiệt và trọng lực xảy ra trong lớp manti và vỏ Trái Đất lànguyên nhân đầu tiên gây ra trường lực và trường áp lực Hoạt động này gây racác uốn nếp, các đứt gãy và các dạng kiến trúc phá hủy khác Biến dạng vỏ TráiĐất được xem là một trong những loại biến dạng cơ bản Khi nghiên cứu biếndạng vỏ Trái Đất do hoạt động địa chất kiến tạo thường tập trung vào hai hướngchính đó là:

1 Nghiên cứu biến dạng trên mặt phẳng

Trong nghiên cứu này, người ta coi vỏ Trái Đất có cấu tạo là các khối vậtthể rắn được gọi là khối kiến tạo (mảng hoặc vi mảng), giữa các khối này đượcngăn cách bằng các đứt gãy Khi lớp vật chất trong lòng Trái Đất thay đổi thì cáckhối kiến tạo này cũng sẽ chuyển dịch tương tác với nhau quanh đới đứt gãy trêncùng một mặt phẳng Để nghiên cứu biến dạng của các khối kiến tạo nằm ở haibên cánh của đứt gãy, người ta thực hiện tính toán các đại lượng biến dạng trên

hệ tọa độ phẳng (Hệ tọa độ Oxy), theo tác giả Dương Chí Công [3] thì các đạilượng cần phải tính toán gồm:

Trên mặt phẳng, các vận tốc biến dạng giãn nở, nén ép ( ), trượt ( ),

trương nở (nén ép diện tích) ( ) và xoay ( ) được xác định từ 4 phần tử của

ma trận gradient vận tốc chuyển dịch ngang (hay ma trận Jacobi) Ma trận

(1.5)

Vận tốc biến dạng trượt , theo phương vị được tính như sau:

(1.6)Vận tốc trượt lớn nhất và nhỏ nhất được tính theo công thức:

(1.7)Trong đó:

Các thành phần vận tốc biến dạng trượt , được tính theo công thức:

(1.8)

Vận tốc giãn nở (co ngót) diện tích được tính theo công thức:

(1.9)Các vận tốc biến dạng được phân chia thành 3 nhóm tương đương nhau:nhóm tham số “gradient”, nhóm tham số “giá trị riêng” và nhóm tham số “kỹthuật” để minh giải biến dạng tùy thuộc vào các loại trị đo lưới nghiên cứu biếndạng Tác giả Dương Chí Công [3] đã sử dụng nhóm tham số “kỹ thuật” trong

đó có vận tốc biến dạng trượt , để mô tả biến dạng đứt gẫy Sông Hồng khu vựcThác Bà - Yên Bái giai đoạn 1963-1994 Ngày nay, công nghệ GNSS được sửdụng để đo lặp trong các mạng lưới nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất nên việcphân nhóm vận tốc biến dạng như trên không cần thiết nữa Đối với lưới đobằng công nghệ GNSS người ta dùng các vận tốc giãn nở, nén ép (tương đươngvới vận tốc trượt), vận tốc giãn nở và vận tốc xoay để phân tích minh giải biếndạng vỏ Trái Đất khu vực nghiên cứu

2 Nghiên cứu biến dạng trên mặt cầu [42, 43]

Nghiên cứu biến dạng trên mặt cầu được thực hiện bằng cách tính toán,phân tích không gian các điểm trong hệ tọa độ không gian địa tâm (hệ tọa độcầu) Để thực hiện các nghiên cứu này, người ta coi vỏ Trái Đất dịch trượt nhanhdọc mặt đứt gãy, chuyển dịch này chủ yếu do biến dạng đàn hồi tác động làmthay đổi vị trí của các điểm quan trắc trên bề mặt đất khi lớp vật chất trong lòngTrái Đất thay đổi Trong trường hợp này, Trái Đất được coi là một hình cầu vàviệc tính toán biến dạng được dựa vào tensor gradient vận tốc của điểm quantrắc trên mặt cầu Các thành phần biểu diễn biến dạng trên mặt cầu là đại lượng

vô hướng được tính theo tài liệu [42, 43] như sau:

a) Tính tensor gradient vận tốc

Gradient vận tốc là tốc độ biến dạng của sự chuyển dịch được dùng để đo

sự thay đổi của một trường vô hướng theo những hướng khác nhau Khi đó,gradient vận tốc được ký hiệu là L và được định nghĩa bởi công thức sau:

(1.10)

Trong bất kỳ khung tham chiếu nào, gradient vận tốc có liên quan đến matrận Jacobi và được phân tích thành 2 thành phần đối xứng và không đối xứngnhư sau:

(1.14)Tensor vận tốc biến dạng D được tính theo các thành phần gradient vậntốc như sau:

(1.15)

Tensor tốc độ xoay W được tính theo các thành phần gradient vận tốc nhưsau:

(1.16)

b) Tính tốc độ xoay (Rotation rate)

Tốc độ xoay của vật thể được ký hiệu là theo [42, 43] sẽ là:

(1.17)Lúc này, công thức tính tốc độ xoay theo gradient vận tốc như sau:

(1.18)

Tích giữa gradient vận tốc với vận tốc chuyển dịch được gọi là rô-to(thành phần xoay) của trường vector Đây là phần xoay cứng không thay đổi vịtrí tương đối, do đó thành phần W của gradient vận tốc không góp phần làm thayđổi tỷ lệ biến dạng Tuy nhiên, tốc độ xoay có ý nghĩa trong việc xác định chiềuhướng vặn xoắn của biến dạng

c) Tính tốc độ biến dạng (Strain rate)

Tốc độ biến dạng tại một số điểm thể hiện sự thay đổi theo thời gian trongvùng lân cận của điểm đó Nó bao gồm cả tốc độ mở rộng hoặc co lại của vật

liệu (tốc độ mở rộng) và tốc độ bị biến dạng do cắt liên tục mà không thay đổi

thể tích (tốc độ cắt ) như mô tả trong hình vẽ sau:

Hình 1.3 Tốc độ biến dạng của điểm [43]

Tensor tốc độ biến dạng D là số đo đối xứng của gradient vận tốc, có thểđược coi là tổng của hai thành phần, gồm tốc độ mở rộng và tốc độ trượt dần dầnnhư sau:

(1.19)trong đó:

- là thành phần của ma trận tensor tốc độ biến dạng có kích thước(3x3);

- là thành phần của ma trận tensor tốc độ mở rộng được tính theocông thức:

(1.20)

Ở đây, là đơn vị tensor, khi i = j và khi i ≠ j;

- là thành phần của ma trận tensor tốc độ mở rộng được tính theocông thức:

(1.21)

trong đó:

- i là số hàng và j là số cột của ma trận (3x3), tương ứng với các trục tọa

độ x, y, z (i = 1, j = 1 tương ứng với trục x, i = 2, j = 2 tương ứng với trục y, i =

3, j = 3 tương ứng với trục z),

- là đạo hàm riêng theo các trục tương ứng (i = 1 thì );

d) Tính tốc độ trương nở (Dilatation rate)

Tốc độ trương nở là sự mở rộng trên một đơn vị thể tích của một thànhphần vật chất đang diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định và trong quátrình này chỉ có sự trương nở mà không có sự phân chia của vật thể Như vậy,trương nở trong một khối đàn hồi được mô tả như trong Hình 1.4 dưới đây:

Hình 1.4 Mô tả hình thái của sự trương nở

Tốc độ trương nở được ký hiệu là Θ và được tính theo công thức:

(1.22)Công thức tính tốc độ trương nở theo gradient vận tốc như sau:

(1.23)

Phương trình trên gắn với ý nghĩa vật lý đưa đến sự phân nhánh của tốc

độ trương nở, khi Θ có giá trị dương thì vật thể đang giãn nở, ngược lại nếu Θgiá trị âm thì vật thể co lại và khi Θ = 0 tốc độ trương nở không tồn tại và đượcgọi là trạng thái không nén

1.2 Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt Nam

Nghiên cứu chuyển dịch ngang vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ởViệt Nam đã được triển khai từ năm 1980 với công trình đầu tiên là mạng lướitam giác do Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước xây dựng phục vụ quan trắcchuyển dịch trên khu vực khe nứt Chí Linh [13] Tiếp theo là nghiên cứu chuyểndịch thẳng đứng của vỏ Trái Đất bằng phương pháp thuỷ chuẩn hình học [12].Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước đã sử dụng phương pháp bình sai mạng lướitrắc địa tự do để nghiên cứu sự ổn định của các điểm thuỷ chuẩn và mạng lướithuỷ chuẩn gốc dựa trên kết quả đo lặp được thực hiện năm 1986 [10]

Từ năm 1982, Viện Địa chất đã xây dựng mạng lưới Thác Bà - Yên Báibao gồm 13 điểm tam giác hạng I, II phân bố đều trên các cánh của các đứt gãySông Hồng và Sông Chảy thuộc địa phận các tỉnh Yên Bái, Tuyên Quang, VĩnhPhú, Phú Thọ Cuối năm 1993, mạng lưới được bổ sung thêm 08 điểm GPS [3].Kết quả nhận được đã chỉ ra đứt gẫy Sông Hồng từ năm 1963 đến 1994 ứng vớimức xác suất 95% không phát hiện thấy vận tốc biến dạng trượt lớn hơn 0,6

rad/năm (tương ứng với vận tốc chuyển dịch ngang 06 mm/năm trên 10 km).Vận tốc có giá trị dương cho phép kết luận xu thế trượt phải của đứt gẫy SôngHồng phù hợp với các nghiên cứu địa chất [3]

Trong khuôn khổ hợp tác với đồng nghiệp Cộng hòa Liên bang Đức vàCộng hòa Pháp, Viện Địa chất đã triển khai một loạt các chu kỳ đo để nghiêncứu biến dạng vỏ Trái Đất vào các thời điểm năm 1994, 1996, 1998, 2000 Cáctệp số liệu đã được xử lý, bước đầu kết luận chuyển dịch của đới đứt gãy SôngHồng không lớn hơn 05 mm/năm [16] Tiếp tục đo lặp chu kỳ từ năm 2006 -

2007 kết hợp với dữ liệu các đợt đo trước (trên 10 năm) trong khu vực lưới GPSTam Đảo - Ba Vì, TS Vi Quốc Hải [6] đã sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35 vàBERNESE 4.2 để tính toán vận tốc chuyển dịch trong hệ tọa độ toàn cầu ITRF-

2000, kết quả cho thấy chuyển dịch tuyệt đối của khu vực dọc đới đứt gãy SôngHồng (đại diện là điểm HUN1) với tốc độ 33.9 ± 0.4 mm/năm về hướng Đông

và 12.6 ± 0.6 mm/năm theo hướng Nam và chuyển dịch địa phương giữa haicánh đứt gãy không quá 0.8 mm/năm

Trong giai đoạn các năm 2001, 2002, 2004 và 2005, Viện Địa chất đã xâydựng một mạng lưới gồm 7 điểm với các cạnh có độ dài từ 10 - 45 km trên khuvực Sông Đà - Sơn La - Bỉm Sơn để nghiên cứu các hệ đứt gãy lân cận đới đứtgãy Sông Hồng Kết quả thu được về chuyển động ngang đới đứt gãy Sông Đà

và Sơn La - Bỉm Sơn khoảng 1.0 ± 0.5 mm/năm [5]

Để tiếp tục có những số liệu trong đánh giá chuyển dịch của đứt gãy SôngHồng, tác giả Nguyễn Tuấn Anh [1] đã xây dựng 11 điểm đo GPS ở khu vực HàNội và lân cận, được đo bằng máy GPS loại 2 tần số, dữ liệu đo được xử lý bằngphần mềm BERNESE 5.0 Kết quả cho thấy, hầu hết các trạm đang bị chuyểndịch tuyệt đối về phía Đông Nam với tốc độ từ 22 đến 32 mm/năm

Nghiên cứu về hệ đứt gãy Lai Châu - Điện Biên cũng đã được Bộ Tàinguyên và Môi trường cùng với Viện Địa chất triển khai trong khuôn khổ đề tàicấp Bộ do PGS TSKH Hà Minh Hòa chủ trì thực hiện [9] Tác giả đã xây dựng

05 điểm GPS và đã tiến hành đo 03 chu kỳ đo, mỗi năm 01 chu kỳ bằng các máyGPS loại 02 tần số, tác giả đã xây dựng phần mềm ECME-GPS và GUST để xử

lý dữ liệu đo Kết quả nghiên cứu chuyển dịch nhận được sau 03 chu kỳ đo chothấy, giai đoạn từ tháng 02/2002 đến tháng 02/2004, đứt gãy Lai Châu - ĐiệnBiên có xu hướng dịch chuyển phải và tách dãn: Chuyển dịch vị trí mặt bằng tạiđiểm NGA1 với tốc độ 06 mm/1năm; điểm DON1 với tốc độ 02 mm/năm vàđiểm TAU2 với tốc độ 06 mm/năm; tốc độ trồi lún của điểm DON1 là 4,5mm/năm; điểm LEM1 là -04 mm/năm và điểm TAU2 là - 7,5 mm/năm

Nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất khu vực đới đứt gãy Sông Mã cũng

đã được PGS.TSKH Hà Minh Hòa thực hiện trong khuôn khổ dự án sản xuất thửnghiệm cấp Bộ [7] Dự án này được triển khai từ năm 2006 đến năm 2008 với

08 điểm GPS xây dựng phủ trùm trên khu vực đới đứt gãy Sông Mã và đới đứtgãy Sơn La Các kết quả nghiên cứu cho thấy đới đứt gãy Sông Mã chỉ có hiệntượng trượt bằng Tốc độ chuyển dịch ngang trên đới đứt gãy Sông Mã tronggiai đoạn từ tháng 11/2006 đến tháng 10/2008 đạt giá trị lớn nhất là 06 mm/nămtại điểm PLO1 và nhỏ nhất là 02 mm/năm tại điểm KTH1

Trong khuôn khổ đề tài trọng điểm cấp Nhà nước mang mã sốKC.09.11/06-10, do PGS.TS Phan Trọng Trịnh làm chủ nhiệm [20] cũng đã

tiến hành đo đạc và xử lý dữ liệu GPS với 04 chu kỳ đo trong các năm từ 2007đến 2010 của lưới GPS Biển Đông Lưới này bao gồm các trạm đo GPS Láng(LANG), Bạch Long Vĩ (BLV1), Song Tử Tây (STT1), Côn Đảo (CDA1), Huế(HUES), Đồng Hới (DOHO) và Hồ Chí Minh (HOCM) Kết quả xử lý độc lậptrên hai phần mềm GAMIT và BERNESE đã xác định sự chuyển dịch và tốc độchuyển dịch tuyệt đối của các điểm trong hệ toạ độ toàn cầu IGS05 Kết quảnhận được cho thấy:

Bảng 1.2 Kết quả tính chuyển dịch tuyệt đối của các điểm trong đề tài KC.09.11/06-10 [20]

STT Trạm Chuyển dịch về phía Chuyển dịch về phía Nam

Đông theo năm (mm) theo năm (mm)

Dựa trên kết quả nghiên cứu của các đề tài khoa học công nghệ và các dự

án sản xuất thử nghiệm trong giai đoạn từ năm 1998 đến năm 2010, Bộ Tàinguyên và Môi trường đã giao cho Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ chủ trìphối hợp với Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản triển khai xây dựng mạnglưới trắc địa địa động lực phủ trùm lãnh thổ Việt Nam nhằm phục vụ công tác

dự báo tai biến tự nhiên với tổng số điểm đo GPS bố trí trên 22 đới đứt gãy

22

chính Sau 05 năm quan trắc ở khu vực Miền Bắc đã đưa ra kết quả tính toán vậntốc dịch chuyển vỏ Trái Đất tại các đới đứt gãy chính trên khu này.

Ngoài ra, từ năm 2015 Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ đã chủ trì triểnkhai thực hiện xây dựng mạng lưới điểm quan trắc chuyển dịch đứng trên 13trạm khí tượng hải văn bằng phương pháp tổ hợp đo GNSS kết hợp với đo thủychuẩn và đo trọng lực tuyệt đối độ chính xác cao để cung cấp số liệu phục vụquan trắc độ dâng cao của mặt nước biển trung bình

1.3 Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới

1.3.1 Tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ [22],[33]

Lý thuyết và ứng dụng của sóng nhỏ được phát triển để khắc phục nhượcđiểm thiếu định vị thời gian của phân tích Fourier Một trong những nhược điểmlớn của biến đổi Fourier thời gian ngắn là độ phân giải thời gian giống nhau chotất cả các tần số Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã sử dụng một xungdao động (Wavelet - dịch theo từ gốc là một sóng nhỏ) và thay đổi kích thướccủa nó rồi so sánh với tín hiệu ở từng đoạn riêng biệt

Kỹ thuật này bắt đầu với sóng nhỏ gốc chứa các dao động tần số khá thấp.Sóng nhỏ này được so sánh với tín hiệu phân tích để có một bức tranh toàn cụccủa tín hiệu ở độ phân giải thô Sau đó, sóng nhỏ được nén lại để nâng cao dầndần tần số dao động Quá trình này gọi là làm thay đổi quy mô (scale) phân tíchrồi tiến hành so sánh tín hiệu chi tiết ở các độ phân giải cao hơn Từ đó phát hiệnđược các thành phần biến thiên nhanh còn ẩn bên trong tín hiệu Đó chính làmục đích của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ hay còn gọi là phép xấp xỉ sóng nhỏ.Quá trình thực hiện xấp xỉ sóng nhỏ thường được thực hiện theo ba dạng nhưsau:

a Xấp xỉ sóng nhỏ liên tục

Sóng nhỏ được sử dụng là hàm cơ bản đại diện cho các hàm tín hiệu số được biểu diễn theo quan hệ như sau:

Xấp xỉ sóng nhỏ diễn tả sự tương quan giữa hàm f(t) và sóngnhỏ Xấp xỉ sóng nhỏ liên tục là giải pháp phân tích sự giống nhau giữahàm sóng nhỏ gốc và các tín hiệu riêng của chúng Việc xác định các hệ số sóngnhỏ liên tục (CWT) của tín hiệu bắt đầu bằng cách sử dụng các sóng nhỏ có thểphát hiện các tần số cao nhất hiện có trong tín hiệu đó

b Xấp xỉ sóng nhỏ rời rạc

Xấp xỉ sóng nhỏ liên tục chứa nhiều giá trị trùng lặp và đòi hỏi tính toáncông phu nên ít được dùng Vào năm 1976, người ta đã sử dụng kỹ thuật biếnđổi tín hiệu theo thời gian rời rạc ở dạng mã hóa hình tháp để xử lý tín hiệu số.Phương pháp này được gọi là xấp xỉ sóng nhỏ rời rạc (DWT, Discrete WaveletTransform) Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ rời rạc đã khắc phục được những

nhược điểm của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ liên tục bằng cách rời rạc hóathông số a, b như sau:

(1.27)trong đó m, n là số nguyên

Khi đó hàm sóng nhỏ sẽ được viết thành:

(1.28)Trong thực tế, thông số thường được chọn bằng 2 và được chọnbằng 1, như vậy hàm sóng nhỏ được viết lại là:

(1.29)Với sự chọn lựa thông số a, b như trên, xấp xỉ sóng nhỏ rời rạc (DWT)cho hàm tín hiệu theo thời gian như sau:

cả các tầng, dùng các hệ số cải tiến này để phục hồi lại tín hiệu, lúc đó sẽ có tínhiệu loại nhiễu Tuy nhiên, điều quan trọng là phải chọn được một ngưỡng cắtthích hợp cho mỗi tầng để có thể lọc bỏ nhiễu mà vẫn không làm mất các thôngtin có ích trong tín hiệu

c Phân tích đa phân giải

Phân tích đa phân giải (multiresolution analysis - MRA) là giải pháp kỹthuật được thực hiện trên cơ sở sóng nhỏ trực giao, bằng cách cho phân tách

nhanh tín hiệu f từ một không gian hẹp nhất định thành hai dải tần số khác nhau gồm tần số thấp và tần số cao Phần tần số thấp thu được bằng

phép chiếu trực giao vào không gian hẹp nhỏ hơn , ở đó chỉ chứa các phương trình làm trơn của Phần bổ sung trực giao của trong sẽ được ký hiệu là Hình chiếu của tín hiệu f vào sẽ được ký hiệu là , khi đó có công thức:

(1.31)và

(1.32)Khi tiếp tục phân tích bằng cách biểu diễn là tổng trực giao của ,

nó bao gồm phần mịn hơn của và phần thô hơn của Các phần tương ứngđược gọi là và Như vậy, tín hiệu f sẽ được phân tích như sau:

(1.33)Khi phân tích tín hiệu f trong n trạng thái ta có:

(1.34)Cùng với việc phân tích trạng thái ta có chuỗi lồng nhau của không gian Vdạng:

(1.35)Phân tích đa phân giải dùng hai hàm bổ trợ là hàm quy mô (scalefunction) và hàm sóng nhỏ liên kết lần lượt với các kỹ thuật lọc thông thấp vàlọc thông cao (low- pass filter, high-pass filter) Từ các hệ số sóng nhỏ nhậnđược sau phân tích, có thể phục hồi lại tín hiệu f nguyên thủy, kỹ thuật này đượcgọi là phân tích đa phân giải

Xấp xỉ sóng nhỏ được sử dụng để nén dữ liệu và hình ảnh; giải phươngtrình vi phân riêng phần; phát hiện trạng thái bất thường; nhận dạng mẫu; phântích kết cấu dữ liệu; giảm nhiễu và thực hiện nhiều công việc khác Ưu điểmchính của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ so với các phương pháp Fourier truyềnthống là sử dụng các hàm cơ bản cục bộ và tốc độ tính toán nhanh hơn

1.3.2 Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc địa trên thế giới

Hiện nay, phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ được các nhà khoa học trên thếgiới nghiên cứu, ứng dụng khá rộng rãi trong công tác trắc địa Một số kết quảtiêu biểu được giới thiệu dưới đây

Trong quá trình giám sát biến dạng bằng công nghệ GNSS, sai số đo(nhiễu) là không thể tránh khỏi trong các kết quả quan trắc do ảnh hưởng củađiều kiện bên ngoài như phương pháp đo, dụng cụ đo, truyền dữ liệu và nhữngyếu tố khác Để giảm nhẹ tác động nhiễu trắng từ hiệu ứng đa đường truyền củacác phép đo và cải thiện chất lượng xử lý dữ liệu GNSS, các tác giả YandongGao, Maolin Xu, Fengyun Yang, Yachun Mao, Shuang Sun [27] đã nghiên cứuứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để cải thiện và làm giảm ngưỡng nhiễuthông qua việc phân tích giảm ngưỡng nhiễu cứng, ngưỡng nhiễu mềm với thựcnghiệm là số liệu đo tĩnh nhanh trong 05 ngày với thời gian thu tín hiệu 30 phútmột ngày và khoảng giãn cách thu tín hiệu là 10 giây Từ kết quả nghiên cứu,các tác giả đã chỉ ra rằng, ứng dụng xấp xỉ sóng nhỏ để giảm ngưỡng nhiễu đạthiệu quả cao, tốt hơn phương pháp thông thường

Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được các tác giả Mosbeh R.Kaloop và Dookie Kim [32] nghiên cứu áp dụng trong quan trắc liên tục biếndạng kết cấu công trình cầu Để giảm nhỏ sai số của cảm biến, các tác giả đã dựavào phân tích sóng nhỏ rời rạc trong phân tích thành phần chủ yếu của trị đo,nén dữ liệu sóng nhỏ và giảm nhiễu để chứng minh hiệu quả bằng cách sử dụngcác dữ liệu đo GPS thu thập từ hệ thống quan trắc thời gian ngắn bố trí trên cầuđường sắt tại Mansoura Kết quả thực nghiệm đã được thực hiện dựa trên hệthống thiết bị đo GPS động tức thời (GPS-RTK) Các kết quả đã được đánh giá

là các phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ khá đơn giản và nhanh chóng chiết xuấtgiảm nhiễu trị đo GPS trong hệ thống quan trắc trạng thái kết cấu công trình Sốliệu đo GPS được sử dụng để mô tả biến động của cầu theo thời gian và tần sốbiến động đáng tin cậy; các sai số đa đường truyền tín hiệu GPS chiếm khoảng30% đến 50% tổng số sai số của số liệu đo và hoàn toàn có thể loại bỏ được

Các tác giả M El-Habiby, M G Sideris [25] đã ứng dụng xấp xỉ sóngnhỏ rời rạc để xác định ngưỡng và lọc dữ liệu đo trọng lực hàng không Từ kếtquả nghiên cứu thực nghiệm trên dữ liệu đo trọng lực hàng không do Đại họcCalgary thu thập năm 1996, các tác giả đã chỉ ra sự kết hợp của kỹ thuật tạongưỡng tự động và lọc dữ liệu có hiệu quả hơn trong việc giảm thiểu và giới hạnnhiễu trị đo trọng lực Ngưỡng mềm được chứng minh là có hiệu quả hơn so vớingưỡng cứng với những sóng nhỏ khác nhau có hiệu ứng khác nhau trên các kếtquả phân tích và giảm nhiễu của tín hiệu Áp dụng xấp xỉ sóng nhỏ trong giảmnhiễu đạt độ chính xác tốt hơn so với bộ lọc thông thấp.

Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được các tác giả Isabelle PANET,Yuki KUROISHI, Matthias HOLSCHNEIDER [37] nghiên cứu áp dụng để xâydựng mô hình trường trọng lực của Nhật Bản theo hướng kết hợp dữ liệu trọnglực vệ tinh với dữ liệu trọng lực mặt đất Dựa vào tính chất cục bộ hóa của sóngnhỏ trong không gian và tần số, các nhà khoa học đã xác định miền con của sóngnhỏ ở các quy mô khác nhau Trên mỗi quy mô của miền con được xác địnhbằng cách sử dụng phân chia không gian của khu vực, sau đó thực hiện xấp xỉ

ma trận cho mỗi khối bằng cách đưa vào xấp xỉ cục bộ sóng nhỏ theo quy mô.Cuối cùng, thực hiện kỹ thuật xử lý lặp các dữ liệu tổng hợp từ mô hình toàn cầuGRACE, Eigen-GL04S, dữ liệu đo trọng lực mặt đất, dữ liệu đo trọng lực biển,

mô hình độ cao mặt biển altimetry để tạo ra mô hình hoàn thiện hơn cho trườngtrọng lực trên toàn lãnh thổ Nhật Bản

Xấp xỉ sóng nhỏ đa tỷ lệ trực giao đối xứng đã được các tác giả HUOGuoping, MIAO Lingjuan [31] áp dụng để phát hiện và xác định trượt chu kỳcủa phép đo pha sóng mang trong định vị GPS Từ dữ liệu thực nghiệm trên các

vệ tinh PRN1, PRN3 và PRN8, đo bằng máy Novatel SuperStarII OEM GPS vớikhoảng thời gian thu tín hiệu 01 giây, các tác giả đã giới thiệu các thuật toán xấp

xỉ sóng nhỏ đa tỷ lệ để phát hiện trượt chu kỳ, kết hợp với các phương pháp đun cực đại của nguyên tắc phát hiện dị thường để phát hiện và xác định vị trícác trượt chu kỳ Phương pháp này cho kết quả xử lý hiệu quả và tốt hơnphương pháp xấp xỉ sóng nhỏ vô hướng

mô-Các tác giả Satirapod C., Ogaja C., Wang J and Rizos C [38] đã áp dụngphương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để chia phần dư phân sai kép của trị đo GPS ra haithành phần chỉ số chênh lệch tần số thấp và chỉ số nhiễu tần số cao Các thànhphần chênh lệch này sau đó được áp dụng trực tiếp cho các trị đo GPS để hiệuchỉnh cho chỉ số này kết hợp với việc ước lượng ma trận hiệp phương sai VCV

để kiểm soát việc xây dựng các mô hình ngẫu nhiên Các kết quả cho thấyphương pháp này có thể cải thiện cả về độ phân giải nhiễu và tính chính xác củacác thành phần cơ bản được tính

Ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong giám sát biến dạng cấu trúcđộng của tòa nhà hoặc tháp cao tầng (như cầu, tháp cao, tòa nhà chọc trời) đãđược Huang Shengxiang và Liu Jingnan [30] trình bày trong giám sát động khixây dựng tòa nhà Ngân hàng Hạ Môn ở Trung Quốc Các kết quả cho thấy, khitần số dao động lớn hơn 0.05 Hz, cụ thể là khoảng thời gian rung động nhỏ hơn

20 giây, biên độ nhỏ hơn 01 mm hoặc nhỏ hơn nhiều so với sự rung động cấutrúc có thể hoàn toàn được xác định bằng công nghệ đo động GPS Xấp xỉ sóngnhỏ có thể trích xuất hiệu quả tín hiệu yếu nhưng hữu ích từ tín hiệu nhiễu loạnban đầu bởi nhiễu mạnh Phương pháp cho kết quả tốt hơn so với phương pháptruyền thống

Nghiên cứu phi tuyến tính sự thay đổi tọa độ tại các trạm GNSS cố địnhtheo chuỗi thời gian bằng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ cũng đã được nhà khoahọc Ba Lan [23] thực hiện bằng cách phân tích chuỗi thời gian của các trị đoGPS trong khoảng từ 13-19 năm của 05 trạm thường trực IGS (InternationalGNSS Service) nằm trong khu vực kiến tạo không ổn định (hút chìm, tách dãn).Kết quả đã cho thấy rằng, nghịch đảo vận tốc GPS sử dụng xấp xỉ sóng nhỏ cóthể tốt hơn so với biến dạng đàn hồi được dự đoán đối với các yếu tố hữu hạn

mô hình xấp xỉ hình học của các đới hút chìm, tách dãn hoặc vùng chuyển tiếp

Các nhà khoa học K Vijay Kumar, Kaoru Miyashita, Jianxin Li [34] đã

áp dụng phương pháp sóng nhỏ trong phân tích, loại bỏ tín hiệu nhiễu và ảnhhưởng sai số theo mùa của chuỗi dữ liệu GPS thuộc mạng lưới điểm đo liên tục

từ năm 1996 đến năm 1999 để ước tính dịch chuyển đều vỏ Trái Đất và trườngbiến dạng trong nghiên cứu và khảo sát về kiến tạo trong và xung quanh Miền