Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu cơ sở lý thuyết, từ đó đề xuất cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả áp dụng của một số phương pháp phân tích và xử lý số liệu trường thế. Xây dựng hàm phân bố mật độ trung bình cho tầng trầm tích trên toàn khu vực nghiên cứu. Xác định hệ thống đứt gẫy trên khu vực nghiên cứu theo tài liệu trọng lực.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS ĐỖ ĐỨC THANH
2 TS HOÀNG VĂN VƯỢNG
Phản biện:
Phản biện:
Phản biện:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại ………
vào hồi giờ ngày tháng năm 20
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
Trang 3Mở đầu
Biển Đông Việt Nam rộng lớn gấp nhiều lần so với phần lãnh thổ trên đất liền, bao gồm toàn bộ thềm lục địa pháp lý quy định theo công ước luật biển 1982 của Liên hợp quốc và các vùng quần đảo Trường Sa - Hoàng Sa Đã có rất nhiều nghiên cứu trong nước như khảo sát, tìm kiếm thăm dò, khai thác tài nguyên đểkhẳng định chủ quyền Biển Đảo Việt Nam Từ những năm 50 đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về địa chất và địa vật lý do các nhà khoa học trong nước và ngoài nước công bố trên vùng thềm lục địa Bắc Miền Trung –Hoàng Sa thuộc Biển Đông Việt Nam Ngoài ra còn có các khảo sát địa chất – địa vật lý khác trên thềm lục địa Việt Nam Việc minh giải các tài liệu trên cũng đã được rất nhiều tác giả trong và ngoài nước thực hiện và công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước, tuy nhiên nghiên cứu sinh nhận thấy rằng còn tồn tại một vài vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng trong các nghiên cứu trước đây như việc xác định các hệ thống đứt gẫy theo tài liệu địa vật lý, cấu trúc Moho khu vực thềm lục địa Việt Nam Trên cơ sở một vài tồn tại như việc xác định hệ số hài phù hợp trong phương pháp NFG, trước đây các tác giả trong nước thường sử dụng hệ số hài bằng hai phần ba số điểm để xác định độ sâu tới nguồn theo tài liệu trọng lực, tuy nhiên việc lựa chọn này chỉ đúng cho một số ít trường hợp Chính
vì vậy Trong luận án này nghiên cứu sinh đi sâu vào nghiên cứu và
áp dụng cách thức lựa chọn số hài theo Aydin (2007, 2010), việc lựa chọn hài này đã cho kết quả phù hợp hơn đối với mô hình lý thuyết
và cũng đã được kiểm nghiệm trên số liệu thực tế Việc xác định hệ
Trang 4thống đứt gẫy theo phương pháp gradient ngang cực đại Blakely và Simpson vẫn còn hạn chế Độ sâu bề mặt Moho trên khu vực nghiên cứu đã được nhiều nghiên cứu sinh trong nước và thế giới công bố, tuy nhiên các kết quả này có sự khác nhau, điều này do không có điểm tựa độ sâu bề mặt Moho trên khu vực nghiên cứu Chính vì vậy
nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc kiến tạo
khu vực thềm lục địa bắc Miền Trung Việt Nam trên cơ sở xử lý, phân tích và minh giải tổng hợp tài liệu địa chất - địa vật lý” cho
luận án của mình
Nhiệm vụ của luận án: Với những đối tượng nghiên cứu kể trên, để
đạt được mục tiêu đề ra, luận án bao gồm những nhiệm vụ sau:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, từ đó đề xuất cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả áp dụng của một số phương pháp phân tích và xử lý số liệu trường thế
- Xây dựng hàm phân bố mật độ trung bình cho tầng trầm tích trên toàn khu vực nghiên cứu
- Xác định hệ thống đứt gẫy trên khu vực nghiên cứu theo tài liệu trọng lực
- Xác định độ sâu tới bề mặt Moho trên cơ sở các tài liệu địa chấn bổ sung trên khu vực nghiên cứu
- Phát hiện quy luật và đặc điểm cấu trúc-kiến tạo khu vực thềm lục địa Bắc miền trung-Hoàng sa
Những điểm mới luận án:
Trang 5- Áp dụng thành công việc lựa chọn hệ số hài hợp lý đối với phương pháp NFG trong việc xây dựng mô hình cấu trúc địa chất theo tài liệu trọng lực Đề xuất cải tiến và nâng cao hiệu quả phương pháp HGM nhằm xác định biêncấu trúc và hệ thống đứt gẫy trong phân tích và xử lý số liệu trường thế
- Xây dựng được hàm phân bố mật độ tầng trầm tích Kainozoi trên khu vực thềm lục địa Bắc Miền Trung –Hoàng Sa
- Đã bổ sung thêm hai điểm độ sâu tới mặt Moho theo tài liệu địa chấn, qua đó đã xác định lại độ sâu tới Moho trên khu vực nghiên cứu có kết quả sát với thực tế hơn
Kết quả khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Các kết quả đạt
được của luận án cho thấy tính ứng dụng và hiệu quả cao của hệ phương pháp và những đề xuất cải tiến đã lựa chọn trong việc nghiên cứu cấu trúc kiến tạo trên thềm lục địa Việt Nam và lân cận Các kết quả khoa học mà luận án đạt được về cấu trúc kiến tạo khu vực nghiên cứu có thể góp phần phục vụ công tác xác định đường ranh giới ngoài thềm lục địa Việt Nam, đặc biệt là vùng quần đảo Hoàng Sa
1 Tổng quan tình hình nghiên cứu về địa chất-địa vật lý trên khu vực thềm lục địa bắc Miền Trung Việt Nam
Trên vùng thềm lục địa miền Trung Việt Nam và khu vực lân cận có rất nhiều nhà khoa học về địa chất, địa vật lý tiến hành nghiên cứu theo các hướng chuyên sâu khác nhau nhằm phục vụ công tác thăm
dò tìm kiếm khoáng sản, làm sáng tỏ lịch sử phát triển địa chất, củng
Trang 6cố luận cứ khoa học để khẳng định và mở rộng đường ranh giới trên biển, bảo vệ lãnh hải của Tổ quốc
Vùng biển thuộc chủ quyền của Việt Nam trên Biển Đông rộng lớn gấp nhiều lần so với phần lãnh thổ trên đất liền, bao gồm toàn bộ thềm lục địa pháp lý quy định theo Công ước luật biển 1982 của Liên hợp quốc và các vùng quần đảo Trường Sa - Hoàng Sa Từ hàng trăm năm qua và đặc biệt là mấy chục năm gần đây, các thế hệ người Việt Nam đã liên tiếp thực hiện hàng trăm hàng ngàn lượt điều tra, khảo sát, tìm kiếm thăm dò, nghiên cứu, khai thác tài nguyên để làm chủ thực sự vùng biển rộng lớn và giàu có này Về lĩnh vực địa chất và địa vật lý, ngoài những công trình do các nhà nghiên cứu Việt Nam trực tiếp tiến hành trong 50 năm qua còn có nhiều công trình của các nghiên cứu sinh nước ngoài tiến hành độc lập hoặc hợp tác với Việt Nam trên vùng Biển Đông Có nhiều kết quả quan trọng
đã được công bố về địa chất và địa vật lý trên Biển Đông nói chung
và trên vùng biển Việt Nam nói riêng Trong số này có những kết quả tổng hợp trong dạng các tập bản đồ địa chất , địa vật lý các vùng biển Đông nam Á, trong đó có Biển Đông của các nhà nghiên cứu
Mỹ (Hayes, Taylor, 1986) Đến năm 1987, Nhà xuất bản Quảng Đông (Trung Quốc) chính thức xuất bản tập atlas địa chất - địa vật lý
biển Nam Trung hoa gồm 11 bản đồ chuyên đề ở tỷ lệ 1:2.000.000
Cho đến nay đây là các bản đồ địa chất - địa vật lý tỷ lệ lớn nhất được xuất bản chính thức cho Biển Đông Trong khi đó, trên vùng biển của chúng ta, các kết quả điều tra khảo sát, nghiên cứu trong nhiều năm qua trên các vùng khác nhau, và nhiều chuyên đề trên cả
Trang 7vùng biển, đã đạt độ chi tiết ở các tỷ lệ lớn hơn nhiều lần Có những
vùng trên thềm lục địa chúng ta đã có các bản đồ chuyên đề với mức
độ chi tiết trong các tỷ lệ 1:50.000 và lớn hơn Trong khuôn khổ của các đề tài địa chất - địa vật lý thuộc chương trình nghiên cứu biển thực hiện từ những năm 1980 trở lại đây chúng ta đã hoàn thành xây dựng nhiều bản đồ chuyên đề với phạm vi phổ biến là trên toàn thềm lục địa cũng như một số vùng biển lân cận trên Biển Đông Trong số này, có những bản đồ chuyên đề quan trọng như bản đồ địa mạo, bản
đồ trầm tích đáy, bản đồ cấu trúc kiến tạo, các bản đồ các trường trọng lực và từ, bản đồ cấu trúc sâu, bản đồ cấu tạo các bể trầm tích, các thành tạo đệ tứ đều đã đạt mức độ chính xác và độ chi tiết cao
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - MỘT SỐ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM
2.1 Cơ sở lý thuyết các phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tính và ứng dụng giá trị gradient chuẩn hóa toàn phần trong công tác xử lý và phân tích và minh giải tài liệu địa vật lý đã được công bố trong công trình của các tác giả: Berezkin V.M and Buketov 1965 với mục đích xác định và khoanh vùng dị thường địa vật lý và tìm kiếm trực tiếp dầu khí
Trang 8- Vx và Vz là các đạo hàm bậc nhất tương ứng của trường thế trọng lực V(x,z)
- 𝐺(𝑥, 𝑧) là đạo hàm toàn phần
- 𝐺𝐶𝑃(𝑍) là giá trị bình phương trung bình của đạo hàm toàn phần G(x,z)
- M là số điểm đo trên bề mặt theo tuyến
Để có thể tìm được số hài N hợp lý nhất, sẽ tính với tất cả các số hài tương ứng với các NFG cực đại và số hài N mà tại đó NFG là lớn nhất sẽ được lựa chọn cho việc xác định vị trí cũng như độ sâu tới nguồn
Thử nghiệm mô hình
- Mô hình 1: vật thể gây dị thường có dạng hình hộp chữ nhật
nằm ngang với một chiều kéo dài ra vô tận nằm gần bề mặt quan sát (bảng 2.1)
- Mô hình 2: vật thể gây dị thường có dạng hình hộp chữ
nhật nằm ngang và cũng có một chiều kéo dài ra vô tận nằm sâu hơn (bảng 2.1)
điểm)
∆𝑋 (Km)
X1 (Km)
X2 (Km)
Z1 (Km)
Z2 (Km)
𝛿 (g/cm3)
Bảng 2.1 Tham số của mô hình trọng lực
Trang 9Hình 2.6 Dị thường trọng lực mô hình 1 Hình 2.7 Dị thường trọng lực mô hình 2
Hệ số hài N liên hệ với NFG cực đại của mô hình 1 và mô hình 2 được thể hiện trên hình 2.8 và hình 2.9
Hình 2.8 Mối liên hệ giữa N và NFG cực đại Hình 2.9 Mối liên hệ giữa N và NFG cực đại
Hình 2.10 Gradient chuẩn hóa toàn phần tính trên mô hình 1 Hình 2.11 Gradient chuẩn hóa toàn phần được tính trên mô hình 2 với các hệ số N được chọn 25, 30, 35 với các hệ số N được chọn 55, 61, 70
Trang 10Dựa trên mối liên hệ giữa hệ số N và giá trị NFG cực đại trên
mô hình 1 (hình 2.8) nghiên cứu sinh đã lựa chọn ba hệ số hài khác nhau N=25, 30, 35 (hình 2.10) Việc lựa chọn này nhằm mục đích để đánh giá hiệu quả của hệ số hài N hợp lý đã được xác định so với các
hài lân cận Kết quả tính toán cho thấy với N=30 hình 2.10b dị
thường NFG đạt cực đại ở độ sâu gần trùng với tâm mô hình 1 nhất
Trên hình 2.10a với N=25, vị trí tâm của dị thường NFG nằm sâu hơn
so với mô hình Hình 2.10c có thể thấy rằng: mặc dù với N=35 tâm
của mô hình trùng với tâm của dị thường NFG nhưng lại thấy xuất hiện một cực trị ảo xuất hiện ngay dưới vị trí của mô hình (hiệu ứng bóng) Hiện tượng này có thể được lý giải là: trong quá trình hạ trường theo khai triển Fourier, khi hệ số N tăng thì đồng thời xuất hiện tín hiệu nhiễu có bước sóng ngắn dẫn tới xuất hiện những cực trị giả trong mặt cắt mô hình tính toán NFG
Trên hình 2.11: các mặt cắt NFG được tính toán và xây dựng với các
hệ số hài N= 55, 61, 70 Kết quả cho thấy là với N=61 là cho kết quả NFG phù hợp nhất so với các số hài khác
2.2.3 Đề xuất cải tiến phương pháp gradient ngang cực đại
Phương pháp xác định giá trị gradient ngang cực đại được đề xuất bởi Blakely và Simpson năm 1986 với mục đích xác định biên các khối bất đồng nhất mật độ theo tài liệu trọng lực Phương pháp này đã được nhiều nhà địa vật lý trên thế giới sử dụng để xác định bình đồ bán định lượng của mạng lưới đứt gẫy với điều kiện sau:
Trang 12Từ hệ điều kiện (2.31) thì điều kiện có cực đại trong miền d,d] cho đa thức bậc 2 với gradient ngang toàn phần thỏa mãn hai trong các bất đẳng thức của hệ điều kiệnsau đây:
Thử nghiệm trên mô hình
Mô hình 1 (hình 2.23): Với hai vật thể lăng trụ chữ nhật nằm cạnh nhau hình 2.23a với các tham số mô hình như bảng 2.6, kết quả trên cho thấy HGM theo hệ điều kiện (2.10) hình 2.23e cho thấy biên của lăng trụ 1 là rõ ràng, tuy nhiên với biên lăng trụ 2 phần nằm giáp lăng trụ 1 là không rõ ràng, chỉ xuất hiện duy nhất một điểm HGM tại biên này, kết quả tính HGM theo hệ điều kiện (2.32) hình 2.23f cho kết quả biên lăng trụ 1 là rõ ràng khi áp dụng hệ điều kiện (2.10); nhưng với lăng trụ 2 thì rõ ràng hơn rất nhiều, phần biên lăng trụ 2 tiếp giáp lăng trụ 1 xuất hiện nhiều điểm mà theo hệ điều kiện (2.10) không có
Bảng 2.6 Tham số mô hình trọng lực (dx=dy=1)
Mô hình X1(Km) X2(Km) Y1(Km) Y2(Km) Z1(Km) Z2(Km) Mật độ
𝜌 (𝑔/𝑐𝑚 3 )
Trang 13Hình 2.23 Mô hình 1: Hai vật thể lăng trụ chữ nhật nằm tách rời nhau: a) Mô hình 2 vật thể trọng lực lăng trụ đứng chữ nhật với tham số như bảng 2.36 trong không gian 3 chiều XYZ; b)
Mô hình 2 vật thể trọng lăng trụ đứng chữ nhật trên mặt phẳng XY; c) trường trọng lực do 2 vật thể lăng trụ đứng tạo ra trên mặt quan sát; d) gradient ngang toàn phần do 2 vật thể lăng trụ đứng gây ra trên mặt quan sát; e) HGM theo Blakely và Simpson (2); f) HGM theo hệ điều kiện
cải tiến (4)
Trang 14Phương pháp mô hình hóa trọng lực 3D
Trong luận án này sẽ sử dụng bài toán thuận để tính toán dị thường Bouguer và loại bỏ ảnh hưởng của trầm tích theo Bhaskara Rao D, và
xác định độ sâu tới bề mặt Moho theo Parker R L và Oldenburg
Bài toán thuận 3 chiều trọng lực trong miền không gian
Theo Bhaskara Rao D với vật thể
Có mật độ thay đổi theo độ sâu
Bởi hàm bậc 2:
(z) =a o + a 1 z + a 2 z 2
Z là độ sâu
Thì trường trọng lực gây ra tại vị
Trí p(x,y) là: Hình 2.5 Mô hình trọng lực lăng trụ 3 chiều
Trang 15Bài toán ngược trọng lực 3D trong miền tần số
Để tính toán độ sâu tới bề mặt Moho trong luận án này sử dụng thuật toán giải ngược Parker
Dựa trên thuật toán Parker, Oldenburg đưa ra cách tính độ sâu tới bề mặt theo phương trình sau:
trọng lực và các tài liệu địa chất, địa vật lý khác có trong khu vực
3.1 Nguồn tài liệu sử dụng
Nguồn tài liệu được sử dung trong luận án này gồm:
- Nguồn trọng lực vệ tinh Sandwell, trọng lực thành tầu Gagarynsky R/V cruises đo năm 1987-1992 các tuyến màu đen , nguồn số liệu trọng lực thành tầu thuộc dự án CSL07 (dự án xác định ranh giới ngoài thềm lục địa Việt Nam)
- Các mặt cắt địa chấn sâu thuộc dự án CSL07; các mặt cắt địa chấn
sâu thu thập từ nguồn Chương trình khoan sâu biển Đông
Trang 16- Tài liệu về độ sâu đáy biển nguồn Gebco (General Bathymetric Chart of the Oceans)
- Bản đồ bề dầy trầm tích tỷ lệ 1:1.000.000 (nguồn: Trung tâm dữ
liệu địa vật lý NOAA, CO (hình 3.4)
3.2 Kết quả áp dụng phương pháp gradient chuẩn hóa toàn phần cải tiến xác định các ranh giới cấu trúc sâu khu vực nghiên cứu
Hình 3.5 Mặt cắt NFG tuyến PKG09-09 với hệ số hài đựa lựa chọn hợp lý N=43
Hình 3.13 Mặt cắt NFG tuyến PK09-09 với mức nâng trường lên 20km với hệ số hài lựa chọn hợp lý N=16 (đường màu đen là độ sâu tới bề mặt Moho được tính toán từ địa chấn)
Hình 3.14 Mặt cắt cấu trúc địa chất tuyến PK09-09 theo tài liệu trọng lực trên cơ sở áp dụng phương pháp NFG để xác định các thông tin độ sâu tới đáy trầm tích và độ sâu tới bề mặt Moho
Trang 17hình 3.14 là kết quả của việc sử dụng kết quả NFG hình 3.5 cho độ sâu đáy trầm tích tuyến PK09-09 và kết quả NFG hình 3.13 cho độ sâu mặt Moho tuyến PK09-09 được đưa vào mô hình hóa trọng lực trên phần mềm GM-SYS, kết quả mô hình cấu trúc địa chất thu được với 2 thông tin tiên nghiệm trên cho sai số bình phương trung bình 1.82% giữa trường trọng lực quan sát và trọng lực tính toán từ mô hình trên Kết quả này cho thấy đưa phương pháp NFG vào làm thông tin tiên nghiệm rất tốt, nó giúp cho quá trình mô hình hóa một cách nhanh hơn khi chúng ta không có thông tin gì về cấu trúc bên dưới
Một số nhận xét:
- Xác định hệ số hài hợp lý cho phương pháp NFG là vô cùng quan trọng mối liên hệ giữa hệ số hài và cực đại NFG cho phép chúng ta
có thể lựa chọn số hài hợp lý, điều này đã được kiểm nghiệm trên các
mô hình lý thuyết cho kết quả rất phù hợp với mô hình
- Việc áp dụng cách thức lựa chọn hệ số hài hợp lý mà nghiên cứu sinh đã trình bày trong chương 2 luận án đã góp phần không nhỏ trong việc xác định các ranh giới cấu trúc địa chất, điều này được kiểm chứng qua một số mặt cắt địa chấn
- Có thể áp dụng phương pháp NFG với các mức nâng trường khác nhau đề nghiên cứu các cấu trúc sâu hơn, đặc biệt có thể áp dụng phương pháp này trong việc xác định ranh giới mặt Moho theo tài liệu trọng lực, qua đó sẽ giúp cho quá trình mô hình hóa có kết quả phù hợp hơn về cấu trúc địa chất Điều này nghiên cứu sinh sẽ tiếp tục nghiên cứu sau luận án