Ứng dụng phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh trong khảo sát tầng nông khu vực phía đông thành phố hồ chí minh

Phương pháp nghiên cứu: phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp đo đạc thực địa chuyên môn bao gồm phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh - MASW, các phương pháp dùng để so sánh v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN NHẬT KIM NGÂN

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÓNG MẶT ĐA KÊNH TRONG KHẢO SÁT TẦNG NÔNG KHU VỰC PHÍA ĐÔNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP HỒ CHÍ MINH, 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN NHẬT KIM NGÂN

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÓNG MẶT ĐA KÊNH TRONG KHẢO SÁT TẦNG NÔNG KHU VỰC PHÍA ĐÔNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Ngành: Vật lý Địa cầu

Mã số ngành: 62 44 01 11

Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Thái Lan

Phản biện 2: TS Nguyễn Thanh Sơn

Phản biện 3: TS Nguyễn Xuân Thành

Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Văn Giảng

Phản biện độc lập 2: TS Nguyễn Xuân Thành

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS Đỗ Văn Lưu

2 PGS TS Nguyễn Thành Vấn

TP Hồ Chí Minh – Năm 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận án là do tôi tìm ra, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến TS Đỗ Văn Lưu và PGS TS Nguyễn Thành Vấn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và khuyến khích tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Quí Thầy, Quí Cô Chú, Anh Chị Em, Bạn

bè thuộc Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam đã luôn hết lòng giúp đỡ trong quá trình đo đạc thu thập số liệu

Bên cạnh đó, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Quí Thầy Cô và Đồng nghiệp Bộ môn Vật lý Địa cầu, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Phòng Sau Đại học và Nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án Cuối cùng, tôi xin gửi đến Gia đình và Người thân những lời yêu thương nhất Xin tri ân và gửi đến tất cả những lời chúc hạnh phúc và tốt đẹp nhất

MỤC LỤC

2.4.1 Phân tích sự tán sắc của sóng mặt và xây dựng đường cong

Chương 3 – KẾT QUẢ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÓNG MẶT

3.3 Khảo sát MASW tại dự án phát triển khu dân cư đường Vũ Tông Phan 74

3.3.3 Kết quả MASW tại dự án phát triển khu dân cư

Chương 4 – KẾT QUẢ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÓNG MẶT

4.3.3 Kết quả MASW tại dự án OneHub khu công nghệ cao 103

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MASW: Multichannel Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân tích sóng mặt

SASW: Spectral Analysis of Surface Wave (Phương pháp phân tích phổ sóng mặt) CSW: Continuous Surface Wave (Phương pháp đo sóng mặt liên tục)

NEHRP: National Earthquake Hazards Reduction Program (Chương trình giảm thiểu rủi ro động đất quốc gia)

SPT: Standard penetration test (Thí nghiệm đóng cọc xuyên tiêu chuẩn)

SPT-N: Standard penetration test blow count (Số búa đập trong thí nghiệm đóng cọc xuyên tiêu chuẩn)

SCPT: Standard cone penetration test (Thí nghiệm địa chấn xuyên tiêu chuẩn) TCXDVN 375: Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam 375

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

ĐCCT: Địa chất công trình

ĐCTV: Địa chất thủy văn

L: Chiều dài hệ máy thu

N: Tổng số máy thu được sử dụng

X: Khoảng cách thu nổ

dx: Khoảng cách giữa các geophone

T: Tổng thời gian ghi nhận tín hiệu của băng ghi địa chấn

dt: Bước lấy mẫu

FFT: Phép biến đổi Fourier nhanh

h: Bề dày

J: Ma trận Jacobian

s(t): Hàm số quét

u(x, t): Băng ghi địa chấn ban đầu

u(x, t) : Băng ghi địa chấn sau khi áp dụng phép tích chập với hàm số quét

: Căn bậc hai của sai số toàn phương trung bình R: Hệ số xấp xỉ, độ lệch tương đối

D: Độ lệch

S: Độ lệch chuẩn

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các tham số mô hình

Bảng 2.2 Thang phân loại nền đất dựa trên vận tốc truyền sóng ngang VS (NEHRP) [134]

Bảng 2.3 Thang phân loại nền đất (TCXDVN 375, 2006) [16]

Bảng 3.1 Các tham số đo đạc 1D MASW

Bảng 3.2 Hàm tương quan VS = aNb giữa VS và SPT-N với hệ số a và b khác nhau của các tác giả trên thế giới và kết quả nghiên cứu tại quận 2 (2016), quận 9 (2019)

Bảng 3.3 Vận tốc sóng VS và mô đun biến dạng cắt G theo MASW (BH07)

Bảng 3.4 Vận tốc sóng VS và mô đun biến dạng cắt G theo MASW (PBH02)

Bảng 3.5 So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và downhole

Bảng 3.6 Độ lệch tương đối trung bình của VS theo MASW và các phương pháp khác và kết quả nghiên cứu quận 2 (2016), quận 9 (2014, 2019)

Bảng 3.7 So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và hàm tương quan thực

Bảng 3.8 So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và hàm tương quan thực

Bảng 4.1 Các số liệu thu thập được tương ứng với khoảng cách thu nổ X, bước lấy

mẫu và loại đe khác nhau

Bảng 4.2 So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và downhole tương ứng với khoảng cách thu nổ, bước lấy mẫu và loại đe khác nhau

Bảng 4.3 Các tham số đo đạc 1D MASW

Bảng 4.4 Các tham số đo đạc 2D MASW

Bảng 4.5 Vận tốc sóng VS và mô đun biến dạng cắt G theo MASW (BH07)

Bảng 4.6 Vận tốc sóng VS và mô đun biến dạng cắt G theo MASW (BH17)

Bảng 4.7 So sánh giữa vận tốc sóng ngang VS theo MASW và downhole

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1 Các dạng sóng địa chấn: (a) sóng dọc P, (b) sóng ngang S, (c) sóng Love,

(d) sóng Rayleigh

Hình 2.2 Tia sóng tới bề mặt ranh giới tự do phân cách và thành phần vận tốc dọc

theo bề mặt

Hình 2.3 Đường cong vận tốc pha của sóng Rayleigh trong một phân lớp đàn hồi

Hình 2.4 Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh (a) Sơ đồ tuyến đo MASW sử

dụng nguồn chủ động là búa tạ (b) Mặt cắt địa chấn ghi nhận được (c) Hình ảnh tán

đổi vận tốc truyền sóng S theo độ sâu

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí tuyến đo MASW chủ động Khoảng cách giữa các máy thu là

Hình 2.6 Hệ thống máy móc và thiết bị dùng trong phương pháp phân tích sóng mặt

đa kênh Mũi tên đỏ là đường truyền tín hiệu dao động cơ học ghi nhận từ máy thu Mũi tên màu xanh là đường truyền tín hiệu số sau khi đã được máy địa chấn chuyển đổi từ tín hiệu dao động cơ học

Hình 2.7 Sơ đồ khảo sát 1D MASW trên mặt đất và mặt cắt 1D VS thể hiện sự thay đổi giá trị vận tốc truyền sóng ngang theo độ sâu bên dưới mặt đất Đồ thị đường cong (vùng màu cam) biểu diễn tỷ lệ tương đối mức độ thể hiện của mô hình vận tốc dưới mặt đất tại các vị trí kế cận trong giới hạn chiều dài hệ thống máy thu

Hình 2.8 Các bước đo đạc 2D MASW

Hình 2.9 Sơ đồ mô tả các bước xử lý số liệu MASW

Hình 2.10 Phép tích chập cho một đường ghi từ băng ghi địa chấn thô với hàm số

quét (a) Hàm tần số quét (b) Đường ghi số liệu của băng địa chấn thô (c) Đường ghi số liệu sau phép tích chập

Hình 2.11 Băng ghi tần số quét thu được sau phép tích chập với hàm tần số quét

Hình 2.12 Dấu sao màu đỏ là các cực đại cục bộ được nhận diện trên mỗi đường ghi

sẽ được sử dụng cho quá trình phân tích tiếp theo Dấu sao màu xanh là các cực đại địa phương sẽ bị loại bỏ trong quá trình phân tích

Hình 2.13 Hai đường tuyến tính được nhận diện trên băng ghi tần số quét tương ứng

với tần số 16,6 và 28,5 Hz

Hình 2.14 Đường cong vận tốc pha thu được sau thuật toán tần số quét (các điểm

tròn màu xanh và đỏ)

Hình 2.15 (a) Các đường cong hình sin được chuẩn hóa (b) Biên độ cộng dồn được

chuẩn hóa được biểu diễn dưới dạng hàm của vận tốc pha theo tổng số đường ghi khác nhau

Hình 2.16 Hình ảnh tán sắc hai chiều (hình ảnh phổ vận tốc pha hai chiều)

Hình 2.17 Hình ảnh tán sắc ba chiều (hình ảnh phổ vận tốc pha ba chiều)

Hình 2.18 Các điểm số liệu tương ứng với các cực đại nằm trên đường cong vận tốc

pha cơ bản được lựa chọn trên hình ảnh tán sắc sóng mặt

Hình 2.19 Mô hình môi trường địa chất bên dưới mặt đất gồm các phân lớp theo

Hình 2.20 Ảnh hưởng của sự thay đổi mật độ, vận tốc sóng dọc P, vận tốc sóng

ngang S và bề dày phân lớp mô hình lên vận tốc pha sóng Rayleigh Nét liền mảnh là vận tốc pha sóng Rayleigh của mô hình Hình vuông, hình thoi, hình tròn, hình tam giác thể hiện vận tốc pha sóng Rayleigh sau khi mật độ, vận tốc sóng P, vận tốc sóng

S, bề dày phân lớp thay đổi 25%

Hình 2.21 Kết quả giải bài toán ngược mô hình hai phân lớp (a) Các đường cong

vận tốc pha của các mô hình thật, mô hình ban đầu và mô hình giải đoán (b) Mặt cắt

Hình 2.22 Ví dụ về các giá trị VS và bề dày của các phân lớp ước tính ban đầu từ

S ban đầu của mỗi phân lớp được giả sử bằng 1,09 lần vận tốc pha sóng Rayleigh và

bề dày từng phân lớp được ước tính theo bước sóng của các điểm trên đường cong vận tốc pha thực nghiệm

Hình 3.1 Khu vực khảo sát và vị trí 14 lỗ khoan địa chất MASW được tiến hành đo

đạc trên 2 lỗ khoan BH07 và PBH02

Hình 3.2 Sơ đồ khảo sát 1D MASW

Hình 3.3 Hình ảnh khảo sát MASW tại quận 2 tháng 09/2016

Hình 3.4 Băng ghi địa chấn tương ứng với các vị trí và khoảng cách thu nổ khác

Hình 3.5 Lỗ khoan BH07: (a), (b), (c), (d) Hình ảnh tán sắc sóng mặt với khoảng

liệu sau khi được cộng dồn, (f) Các điểm số liệu được lựa chọn trên đường cong vận tốc pha sóng mặt

Hình 3.6 Lỗ khoan PBH02: (a), (b), (c), (d) Hình ảnh tán sắc sóng mặt với khoảng

liệu sau khi được cộng dồn, (f) Các điểm số liệu được lựa chọn trên đường cong vận tốc pha sóng mặt

Hình 3.7 Đồ thị tương quan giữa VS và SPT-N của môi trường: (a) Tất cả các loại đất, (b) Đất sét

Hình 3.8 VS theo SPT-N theo nghiên cứu của một số tác giả khác nhau và kết quả tại khu vực quận 2: (a) Tất cả các loại đất, (b) Đất sét

Hình 3.9 Mặt cắt 1D VS theo MASW Chấm xanh là đường cong vận tốc pha số liệu

mô hình Chấm đỏ là đường cong vận tốc pha số liệu đo đạc: (a) BH07 và (b) PBH02

Hình 3.10 Biểu diễn 1D VS thay đổi theo độ sâu theo MASW, downhole, hàm tương quan thực nghiệm, chỉ số SPT-N và cột địa tầng lỗ khoan: (a) BH07 và (b) PBH02

Hình 3.11 Khu vực khảo sát, vị trí đo đạc 1D MASW và tuyến đo 2D MASW qua

ba lỗ khoan BH1, BH3, BH5

Hình 3.12 Sơ đồ khảo sát 1D MASW

Hình 3.13 Hình ảnh đo đạc thực địa MASW tháng 06/2015

Hình 3.14 Băng ghi địa chấn tương ứng với 3 lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5 Hình 3.15 Sơ đồ khảo sát 2D MASW

Hình 3.16 Hình ảnh tán sắc của sóng mặt và ba mươi điểm được lựa chọn trên đường

cong vận tốc pha tại các lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5

Hình 3.17 Giá trị 1D VS theo độ sâu (MASW) tại vị trí lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5 Chấm xanh là đường cong vận tốc pha số liệu mô hình Chấm đỏ là đường cong vận tốc pha số liệu đo đạc

Hình 3.18 Mặt cắt 1D VS theo độ sâu theo MASW và hàm tương quan thực nghiệm, chỉ số SPT-N và cột địa tầng lỗ khoan: (a) BH1, (b) BH3, (c) BH5

Hình 3.19 Mặt cắt 2D VS của tuyến khảo sát 2D MASW

Hình 4.1 Khu vực khảo sát và vị trí đo đạc 1D MASW trên lỗ khoan S34

Hình 4.2 Sơ đồ khảo sát 1D MASW Khoảng cách thu nổ X (m)

Hình 4.3 Hình ảnh đo đạc thực địa MASW tháng 09/2014

Hình 4.4 Băng ghi địa chấn tương ứng với khoảng cách thu nổ X (m), bước lấy mẫu

dt (ms) và các loại đe khác nhau: (a) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (c) X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe sắt, (e)

X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (f) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe sắt

Hình 4.5 Hình ảnh các điểm số liệu được lựa chọn trên đường cong vận tốc pha sóng

mặt tương ứng với khoảng cách thu nổ X (m), bước lấy mẫu dt (ms) và các loại đe khác nhau: (a) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (c) X =

5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe sắt, (e) X = 10 m, dt = 0,25 ms,

đe gỗ, (f) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) X = 10

m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe sắt Chấm xanh là đường cong vận tốc pha số liệu mô hình Chấm đỏ là đường cong vận tốc pha số liệu đo đạc

Hình 4.7 Biểu diễn 1D VS thay đổi theo độ sâu của downhole và MASW tương ứng với khoảng cách thu nổ X, bước lấy mẫu dt và loại đe khác nhau: (a) MASW 1: X =

5 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (b) MASW 2: X = 5 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (c) MASW 3: X

= 5 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (d) MASW 4: X = 5 m, dt = 0,25 ms, đe sắt, (e) MASW 5:

X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe gỗ, (f) MASW 6: X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe gỗ, (g) MASW 7: X = 10 m, dt = 0,5 ms, đe sắt, (h) MASW 8: X = 10 m, dt = 0,25 ms, đe sắt

Hình 4.8 Khu vực khảo sát và vị trí đo đạc 1D, 2D MASW và downhole

Hình 4.9 Sơ đồ khảo sát 1D MASW Khoảng cách thu nổ X = 10 m

Hình 4.10 Hình ảnh đo đạc thực địa MASW tháng 05/2019

Hình 4.11 Băng ghi địa chấn 1D MASW tại hai vị trí: (a) BH07, (b) BH17

Hình 4.17 Bản đồ đẳng trị VS30 của khu vực khảo sát

Hình 4.18 Mô hình 3D VS của khu vực khảo sát: (a) 3D VS, (b) 2D VS theo hướng

Hình 4.19 Mặt cắt 2D VS theo MASW

MỞ ĐẦU

Địa vật lý là lĩnh vực khoa học nghiên cứu các đối tượng trên cơ sở khảo sát sự phân bố các trường vật lý tự nhiên và nhân tạo để luận giải về mặt bản chất của môi trường Đặc điểm chung của khảo sát địa vật lý thông thường là không tiếp cận trực tiếp với đối tượng cần nghiên cứu, mà chỉ thông qua sự phân bố các đặc trưng của trường vật

lý do chúng gây ra hoặc các đáp ứng bởi các trường nhân tạo để suy đoán các thông số hình học và tính chất vật lý của nguồn trường

Phương pháp thăm dò địa chấn là một trong các phương pháp lâu đời và giữ một vai trò quan trọng trong lĩnh vực địa vật lý cho phép nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dò dầu khí và tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu nền móng công trình, … [1, 5] Phương pháp địa chấn bao gồm nhiều phương pháp khác nhau như khúc xạ, phản xạ, địa chấn lỗ khoan (downhole, crosshole),

… Trong đó, có những phương pháp được sử dụng từ rất lâu, cũng có những phương pháp ra đời sau và ngày càng phát triển cả về mặt ứng dụng, phương pháp đo đạc, phân tích, phần mềm và thiết bị

Độ sâu nghiên cứu của phương pháp thăm dò địa chấn từ vài km đến vài chục mét tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu Trong đó, môi trường gần mặt đất đến độ sâu khoảng

30 m đóng vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu địa kỹ thuật, thiết kế nền móng công trình xây dựng theo tiêu chuẩn kháng chấn, khảo sát môi trường, … Đặc biệt, vận

trường đất đá bên dưới mặt đất, là mối quan tâm hàng đầu trong địa kỹ thuật [6-7, 135]

Tính cấp thiết của đề tài luận án

định Môi trường địa chất từ mặt đất đến độ sâu 30 m rất quan trọng trong thiết kế nền

móng địa kỹ thuật phù hợp với tiêu chuẩn kháng chấn, đặc biệt tại các khu vực thường xuyên xảy ra động đất trên thế giới Các tiêu chuẩn quốc tế IBC (2012) và NEHRP (2003)

và Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam - TCVN 375 (2006) được ban hành, trong đó, vận tốc

chấn khác nhau Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, hai phương pháp địa chấn truyền thống là downhole và crosshole được sử dụng một cách rộng rãi trong việc xác

có lỗ khoan tại khu vực khảo sát, thời gian khảo sát lâu và chi phí cao [6, 8-9, 14]

Vào những năm 1999 trở lại đây, phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh (Multichannel analysis of surface wave - MASW) được tiến sĩ Choon Park giới thiệu lần đầu tiên trên tạp chí Geophysics (1999) và ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới [89, 135] MASW là một trong các phương pháp địa chấn thăm dò không phá hủy cho

sát, quy trình đo đạc đơn giản, tiết kiệm chi phí và thời gian khảo sát [89, 135] Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay vẫn chưa có một nghiên cứu sâu rộng nào về phương pháp MASW nhằm ứng dụng vào thực tế Việc nghiên cứu, tìm hiểu về quy trình, kỹ thuật, phương pháp thi công, phân tích, xử lý và minh giải trong phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh là điều hết sức mới mẻ và cần thiết đối với lĩnh vực địa vật lý Việt Nam [6] Nếu phương pháp MASW được tiến hành áp dụng tại Việt Nam, sẽ mang lại nhiều lợi ích trong khảo sát địa chất công trình

Mục tiêu nghiên cứu

gồm quận 2 và quận 9, kiểm chứng kết quả minh giải bằng lỗ khoan địa chất và kết quả của phương pháp địa vật lý khác

Mục tiêu cụ thể

Để hoàn thành mục tiêu tổng quát, luận án tập trung nghiên cứu các mục tiêu cụ thể như sau: (i) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương pháp MASW, (ii) Nghiên cứu phương pháp đo đạc giúp tăng cường tín hiệu có ích, hạn chế nhiễu, (iii) Nghiên cứu

ảnh tán sắc của sóng Rayleigh, (iv) Nghiên cứu bài toán 1D, 2D và 3D MASW, (v)

thang phân loại NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) và

thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT)

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: hình ảnh tán sắc, đường cong vận tốc pha sóng mặt, các mặt cắt

môi trường, các thông số vật lý của môi trường

Phương pháp nghiên cứu: phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp đo đạc thực

địa chuyên môn (bao gồm phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh - MASW, các phương pháp dùng để so sánh với MASW như downhole, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

- SPT, …), phương pháp chuyên gia (hội thảo, lấy ý kiến, …), phương pháp công nghệ thông tin (sử dụng phần mềm chuyên ngành như Easy MASW, PS, … và các phần mềm

xử lý, trình bày khác như Word, Excel, MapInfo, GIS mapping, …)

Phạm vi và các vấn đề cần đi sâu nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: phạm vi nghiên cứu của luận án là môi trường địa chất nông khu

vực phía đông TP HCM, bao gồm hai quận có tốc độ phát triển rất cao về xây dựng là

quận 2 và quận 9 (dự án phát triển khu dân cư quận 2 và khu công nghệ cao quận 9)

Các vấn đề cần đi sâu nghiên cứu: cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích sóng mặt

đa kênh, bố trí đo đạc, thông số các tuyến đo đạc thực địa, các ứng dụng phần mềm xử

lý sóng mặt trong minh giải số liệu khảo sát thực địa, xử lý số liệu thực tế, các kết quả

minh giải của phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh

Luận điểm bảo vệ

Nghiên cứu kỹ thuật đo đạc, phân tích và khả năng ứng dụng phương pháp phân

dụng vào thực tiễn đối với hoạt động phục vụ khảo sát công trình và nghiên cứu môi trường địa chất là rất cần thiết đối với địa vật lý Việt Nam trong giai đoạn hiện nay

MASW là phương pháp địa vật lý không phá hủy, mang nhiều ưu điểm vượt trội

và có thể thay thế hoặc bổ sung cho các phương pháp địa kỹ thuật truyền thống đã có trước đây tại Việt Nam Nhờ đó, số lượng lỗ khoan trong khu vực khảo sát có thể giảm thiểu một cách đáng kể

khác nhau trên thế giới nghiên cứu từ 1966 đến nay có khả năng áp dụng trong điều kiện nền đất tại TP HCM với các giá trị a và b khác nhau đối với từng khu vực khảo sát

Những điểm mới của luận án

Lần đầu tiên, ứng dụng đo đạc phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh cho

nhiệm vụ khảo sát địa chất và nghiên cứu địa chất công trình ở một số khu vực phía đông TP.HCM Kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trên các tạp chí uy tín trong và ngoài nước, các báo cáo tại các hội nghị quốc tế (Poster và Oral)

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng như tài liệu tham khảo cho các nhà địa vật lý Việt Nam khi bắt đầu nghiên cứu về phương pháp phân tích sóng mặt

đa kênh

sát lần đầu tiên được công bố trong nước và quốc tế mang tính chi tiết và khoa học

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

Chương 1 sẽ trình bày nguồn gốc của phương pháp sóng mặt, các nghiên cứu của phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh trên thế giới kể từ khi ra đời cho đến nay, các hướng ứng dụng và phương hướng phát triển của phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh trong giai đoạn hiện nay trên thế giới và tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Vào những năm 1950, Poel (1951) và Jones (1955) bắt đầu nghiên cứu kỹ thuật sử dụng nguồn rung trong khảo sát độ cứng của các phân lớp đất đá gần mặt đất thông qua sự phụ thuộc của vận tốc pha sóng mặt vào tần số (hiện tượng tán sắc sóng mặt) [61, 124] Trong phương pháp này, một máy rung được sử dụng như nguồn địa chấn và một máy thu (geophone) được sử dụng để ghi nhận tín hiệu dao động Geophone được di chuyển ra xa dần nguồn địa chấn dọc theo tuyến đo để xác định

cho phép xây dựng đường cong tán sắc (đường cong vận tốc pha sóng mặt)

Vào những năm 1980, nhờ sự hỗ trợ của các máy vi tính hiện đại có tốc độ xử

lý cao, phương pháp sóng mặt liên tục (CSW) ra đời trên cơ sở phương pháp sử dụng nguồn rung địa chấn trước đây Tuy nhiên, phương pháp gặp khó khăn trong quá trình khảo sát các phân lớp nhựa đường [93] Các nghiên cứu của Jones (1962) và Vidale (1964) nghiên cứu đường cong tán sắc trong các khảo sát nền đường trong vùng bước sóng là các giá trị phức [62, 125] Tuy nhiên, nghiên cứu bị giới hạn do khả năng xử

lý của các máy tính thời bấy giờ còn chưa phát triển Năm 1994, Marincek kết luận

về việc tính toán đường cong tán sắc từ hệ thống nền đường là rất khó khăn ngay cả khi sử dụng các máy tính hiện đại [73]

Năm 1982, phương pháp phân tích phổ sóng mặt (Spectral Analysis of Surface Waves - SASW) sử dụng hai máy thu trong quá trình đo đạc được Heisey giới thiệu lần đầu tiên [52] Nhiều nghiên cứu đáng kể được thực hiện sử dụng SASW như các công bố của Nazarian và cộng sự (1987), Rix và cộng sự (1991), Aouad (1993), Stokoe và cộng sự (1994), Fonquinos (1995) [23, 42, 77, 106, 110] Tính chất tán sắc của sóng mặt được phân tích dựa trên phổ tần số của các giá trị thời khoảng được đo bởi hai máy thu Cơ sở lý thuyết của SASW dựa trên lý thuyết về cơ chế tán sắc của sóng Rayleigh, mô hình phân lớp đất đá nằm ngang được sử dụng và tính chất tán sắc của đường cong vận tốc pha bậc 1 được xem gần giống như đường cong phân tích

Việc cải tiến phương pháp SASW tập trung vào việc tăng cường độ chính xác của đường cong đo đạc thông qua đo đạc, xử lý số liệu và thuật giải bài toán ngược thể hiện trong các nghiên cứu của nhiều tác giả như Nazarian và cộng sự (1987), Rix

và cộng sự (1991), Gucunski và Woods (1992), Stokoe và cộng sự (1994), Ganji và cộng sự (1998) [45, 47, 77, 106, 110] Các nghiên cứu sau đó đưa đến kết luận về bản chất tán sắc của sóng Rayleigh phức tạp hơn đường cong vận tốc pha đơn giản được

sử dụng trước đây Một số nhà khoa học như Gucunski và Woods (1992), Ganji và cộng sự (1998) xác định đường cong vận tốc pha biểu kiến là sự chồng chập của nhiều đường cong vận tốc pha bao gồm cả các đường cong vận tốc pha bậc cao [45, 47]

Độ lệch pha giữa hai máy thu được đo đạc tương ứng với một số các tần số nào đó Vận tốc pha sóng c tương ứng với một tần số xác định f được xác định từ độ

nhiên, phương pháp SASW còn nhiều hạn chế vì chịu nhiều ảnh hưởng từ các đường cong vận tốc pha bậc cao, khoảng cách thu nổ quá gần hoặc quá xa, các sóng không phải là tín hiệu có ích như sóng trực tiếp, sóng phản xạ, sóng khúc xạ đều có thể được ghi nhận trong quá trình đo đạc, các biến đổi theo phương ngang của vận tốc pha theo khoảng cách thu nổ, thời gian thu thập và xử lý số liệu kéo dài, … [94, 135]

Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh (Multichannel Analysis of Surface Wave - MASW) được chính thức giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1999 qua các nghiên cứu khảo sát tại Kansas của Tiến sĩ Park [89, 135] MASW được phát triển lên từ nền

tảng của phương pháp phân tích phổ sóng mặt SASW, sử dụng hệ nhiều máy thu trong quá trình thu thập số liệu Sự khác biệt chính giữa hai phương pháp SASW và MASW là cách thức thu thập số liệu và phân tích số liệu khác nhau Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh MASW có nhiều ưu điểm như quá trình đo đạc và phân tích số liệu nhanh chóng, khắc phục được các hạn chế của phương pháp SASW

Sự tán sắc của sóng Rayleigh được phân tích thông qua phép biến đổi trường sóng trong miền không gian - thời gian sang miền tần số - vận tốc pha Trong đó, tính chất tán sắc của sóng mặt được hình ảnh hóa thông qua quá trình tích trữ năng lượng sóng (Park, 1998) [88] Kỹ thuật biến đổi trường sóng của Park đưa ra giúp phương

f-k Các khảo sát sóng mặt đa kênh và kỹ thuật biến đổi trường sóng 2D được ứng dụng rộng rãi khảo sát môi trường đất đá sử dụng sóng mặt là tín hiệu có ích (các khảo sát của Zywicki (1999), Foti (2000), Beaty và cộng sự (2002), Strobia (2003), Moro và cộng sự (2003)) [29, 43, 76, 111, 133] Kỹ thuật hình ảnh hóa có thể trung bình hóa các ảnh hưởng của khoảng cách thu nổ quá gần hoặc quá xa, sóng khối và nhiễu Kỹ thuật thu thập số liệu đơn giản hơn và ít chịu ảnh hưởng nhiều từ các tham

số đo đạc thực địa Kỹ thuật hình ảnh hóa mang đến khả năng phân tích cả các đường vận tốc pha bậc cao trên hình ảnh tán sắc sóng mặt Kỹ thuật phân tích và giải bài toán ngược đối với các đường cong vận tốc pha bậc cao được ứng dụng và phát triển qua các nghiên cứu của Xia và cộng sự (2000a) [128]

Nhu cầu mở rộng độ sâu khảo sát của phương pháp MASW trở nên ngày một lớn dẫn đến sự ra đời của phương pháp MASW thụ động, sử dụng các nguồn địa chấn thụ động như các hoạt động của con người như xe cộ, giao thông, các hoạt động nông nghiệp hoặc các hoạt động khác trong tự nhiên Trong khi phương pháp MASW chủ động cho phép nghiên cứu đường cong tán sắc trong một dải tần số hẹp tương ứng

của đường cong vận tốc pha tại các dải tần số thấp hơn tương ứng với độ sâu lớn hơn

dạng tròn, vuông, tam giác, dấu chéo, phân bố bất kỳ, Park và cộng sự (2005, 2006,

2007) [92-93, 95] đề xuất ý tưởng kết hợp MASW chủ động và thụ động, qua đó, hình ảnh tán sắc sóng mặt trong hai phương pháp được cộng dồn để tăng cường độ tin cậy và khả năng phân tích đường cong vận tốc pha sóng mặt [94]

Kể từ khi được giới thiệu chính thức vào năm 1999 đến nay, MASW ngày càng được sử dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới trong lĩnh vực địa kỹ thuật như là một phương pháp bổ sung hoặc thay thế cho các phương pháp lỗ khoan truyền thống

phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh và các phương pháp lỗ khoan nhỏ Các công trình nghiên cứu so sánh kết quả giữa MASW và phương pháp lỗ khoan lần lượt được công bố qua các bài báo của nhiều tác giả khác nhau trên thế giới qua các năm như công trình mang tính mở đầu của Xia và cộng sự (2000b, 2002), Hunter và cộng sự (2002), Thitimakorn (2010), Enamul và cộng sự (2013), Haque và cộng sự (2013), Fiore và cộng sự (2015), Aziman và cộng sự (2016), Madun và cộng sự (2016) [27,

36, 41, 49, 54, 71, 120, 129-130] Năm công thức cho phép đánh giá độ sai khác giữa

và cộng sự (2000b) đưa ra gồm độ lệch lớn nhất, độ lệch trung bình, độ lệch tương đối lớn nhất, độ lệch tương đối trung bình, độ lệch chuẩn được các tác giả khác sử dụng trong các công trình nghiên cứu sau đó trong việc so sánh độ lệch kết quả của hai phương pháp [129]

Ngoài ra, MASW còn thể hiện nhiều ưu điểm trong nghiên cứu các đặc tính động học của đất đá, khảo sát đánh giá nền móng công trình xây dựng, đánh giá độ

(2003) [134] phục vụ thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng, đặc biệt tại những nơi có mật độ xây dựng cao và thường xuyên xảy ra động đất trên thế giới như các nghiêu cứu của Mhaske và cộng sự (2011), Arif và cộng sự (2012), Eker và cộng sự (2012), Trupti và cộng sự (2012), Abdelmoneam và cộng sự (2015), Raef và cộng sự (2015), Aziman và cộng sự (2016), Eren và cộng sự (2017), Rahman và cộng sự 2016,

2017, 2018) [17, 25, 27, 35, 37, 74, 100-103, 121]

Trong đó, đáng kể nhất là các công trình của Rahman và cộng sự qua các năm

từ 2016 đến 2018 trong việc khảo sát các đặc tính động học của đất đá qua giá trị vận

thành phố lớn như Chittagong, Moulvibazar, Sylhet, Dhaka thuộc Bangladesh (nơi động đất thường xuyên xảy ra ảnh hưởng đến công trình xây dựng, sinh hoạt và đời sống dân cư) MASW được sử dụng kết hợp với các phương pháp địa kỹ thuật khác như downhole, vi địa chấn, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT để xây dựng bản đồ

Rahman và cộng sự nghiên cứu độ cứng, sự biến đổi vận tốc truyền sóng ngang trong các phân lớp đất đá có thành phần thạch học khác nhau [101-103]

nhau tương ứng với môi trường đất đá đa dạng khác nhau trên thế giới Các hàm tương quan thực nghiệm được xây dựng thể hiện qua các công bố của Maheswari và cộng sự (2010), Thaker và Rao (2011), Tsiambaos và Sabatakakis (2011), Anbazhagan và cộng sự (2013), Kirar và cộng sự (2016), Rahman và cộng sự (2018) [22, 66, 72, 103, 118, 122]

Đo đạc 2D MASW được sử dụng để xác định ranh giới đất và đá móng, thể hiện

sự phong hóa trong đá móng dần dần theo thời gian qua những giá trị thay đổi của

khảo sát 1D và 2D MASW, kỹ thuật đo 3D MASW cũng được Park (2010) nghiên cứu, cải tiến và phát triển lên từ thuật toán nội suy không gian, mô hình mô phỏng

đó xác định chính xác độ sâu và kích thước hố bùn tại khu vực khảo sát [96] Năm

Mỹ, phục vụ công tác nghiên cứu các đặc tính động học đất đá và xác định ranh giới

đá móng [55]

Bên cạnh các nghiên cứu ứng dụng MASW trong địa kỹ thuật, MASW còn được phát triển và cải tiến về mặt phương pháp như nghiên cứu các tham số đo đạc thực địa tối ưu giúp tăng cường tín hiệu có ích, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu được công

bố qua các nghiên cứu của Park và cộng sự (2002) [90], Hartantyo và cộng sự (2014) [50], Olafsdottir và cộng sự (2016) [85], phương pháp tăng độ phân giải của các hình ảnh tán sắc sóng mặt thể hiện qua các nghiên cứu của Park và cộng sự (1998) [88], Taipodia và cộng sự (2018a, 2018b, 2018c) [114-116] Ngoài ra, phương pháp tăng cường độ phân giải theo phương ngang cho các khảo sát 2D MASW được Park (2005a) thể hiện trong các báo cáo tại Đại học Kansas [91] và các công bố trên tạp chí quốc tế Geophysics của Mi và cộng sự (2017) [75]

1.1.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ngày nay, thiết kế kháng chấn đang là mối quan tâm hàng đầu trong xây dựng tại Việt Nam, đặc biệt tại TP HCM, nơi có tốc độ phát triển về kinh tế, dân số, xây dựng rất cao Trong đó tham số vô cùng quan trọng trong việc tính toán các tham số đàn hồi là vận tốc truyền sóng ngang (Vs) của môi trường địa chất Phương pháp downhole và crosshole đã được Liên đoàn Bản đồ địa chất miền Nam tiến hành trong

nhiên, để thực hiện được các phương pháp này, cần phải có các lỗ khoan tại khu vực khảo sát, điều này gây ra những bất lợi trong thực tế và đặc biệt là đòi hỏi chi phí cao

[3-4, 8-10, 14]

Vào năm 2014, tác giả và cộng sự tại Bộ môn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, trường ĐH KHTN, TP HCM kết hợp với Trung tâm Địa vật lý, Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam Việt Nam nghiên cứu đo đạc thử nghiệm 1D MASW

quận 1, các kết quả được tác giả trình bày trong báo cáo poster tại Hội nghị khoa học lần thứ 9, ĐH KHTN, TP HCM năm 2014 Cũng trong năm 2014, tác giả và cộng sự tiến hành đo đạc 1D MASW tại dự án Samsung thuộc khu công nghệ cao, quận 9, số

so sánh với downhole và lỗ khoan địa chất, một phần kết quả được trình bày trong bài báo đăng trên Tạp chí Địa chất năm 2015 [6]

Năm 2015, tác giả và cộng sự đo đạc 1D và 2D MASW tại dự án phát triển khu dân cư đường Vũ Tông Phan, quận 2, nơi có địa tầng yếu với tầng bùn dày xuất hiện gần mặt đến độ sâu khoảng 19 – 20 m Mục tiêu của cuộc khảo sát là xây dựng

so sánh với SPT-N trong thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn trong thành lỗ khoan Kết quả nghiên cứu được báo cáo tại Hội nghị Khoa học Kỹ thuật lần 41 tại Thái Lan [78]

Năm 2016, tác giả và cộng sự đo đạc 1D MASW tại hai lỗ khoan thuộc dự án phát triển khu dân cư, quận 2, nơi có địa tầng yếu với tầng bùn dày 1D MASW được tiến hành với khoảng cách thu nổ thuận nghịch khác nhau, số liệu được cộng dồn và phân tích sử dụng phần mềm có bản quyền PS, kết quả được so sánh với downhole, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT và lỗ khoan địa chất Ngoài ra, hàm tương quan

tương quan thực nghiệm sau đó được kiểm tra mức độ chính xác bằng cách so sánh

tại Hội nghị CASEAN năm 2017, bài báo được nhận đăng trên Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ năm 2018 [3-5, 80]

Năm 2019, 1D MASW được đo đạc trên 17 lỗ khoan trong tổng số 24 lỗ khoan, thuộc dự án OneHub Saigon, Khu công nghệ cao, quận 9 Ngoài ra, 1 tuyến đo 2D

các tác giả tại các khu vực khác nhau trên thế giới Một phần kết quả được trình bày tại Hội nghị CASEAN năm 2019 và sẽ còn được công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước trong tương lai

Như vậy, ngoài các bài báo trong nước, báo cáo tại hội nghị trong nước và quốc tế của tác giả và cộng sự tại Bộ môn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, trường ĐH KHTN, TP HCM kết hợp với Trung tâm Địa vật lý, Liên đoàn Bản

đồ Địa chất Miền Nam Việt Nam nghiên cứu đo đạc thử nghiệm MASW để xác định

với downhole và lỗ khoan địa chất tại một số công trình dự án thuộc quận 9 và quận

2 từ năm 2015 đến nay thì vẫn chưa có một nghiên cứu sâu rộng mang tính học thuật

và công bố quốc tế chính thức nào về phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh [6,

11, 78, 80] Số liệu và các kết quả nghiên cứu MASW tại Việt Nam vẫn còn rất mới

mẻ so với thế giới Do đó, nghiên cứu tìm hiểu về qui trình, kỹ thuật, phương pháp thi công, phân tích, xử lý và minh giải MASW trong nước sẽ mang lại lợi ích vô cùng

to lớn cho lĩnh vực địa vật lý Việt Nam trong giai đoạn hiện nay và trong tương lai

1.2 Kết luận chương 1

Kể từ khi được tiến sĩ Park chính thức giới thiệu qua bài báo công bố trên tạp chí Geophysics năm 1999 [89], phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới, trong nhiều lĩnh vực khác nhau của địa kỹ thuật và giữ một vai trò hết sức quan trọng đối với địa vật lý thế giới Bên cạnh những phát triển đa dạng về ứng dụng, phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh còn được cải tiến và phát triển cả về mặt thuật toán xử lý, kỹ thuật đo đạc Tuy nhiên, tại Việt Nam, vẫn chưa có một nghiên cứu sâu rộng, mang tính khoa học về MASW Phần lớn các phương pháp truyền thống mang tính phá hủy như địa vật lý lỗ khoan (downhole, crosshole, …), các phương pháp địa kỹ thuật (thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT, thí nghiệm xuyên tĩnh CPT, …) được lựa chọn để khảo sát nền móng công trình xây dựng [3-10] Do đó, trong giai đoạn hiện nay của thành phố và đất nước, khi tốc độ phát triển các công trình xây dựng diễn ra ngày càng mạnh mẽ, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng MASW trong điều kiện thực tế tại Việt Nam trở nên rất quan trọng và vô cùng cần thiết

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÓNG MẶT ĐA KÊNH

Chương 2 sẽ trình bày về phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh, cơ sở lý thuyết, cách thức đo đạc, thuật toán xử lý, thuật giải bài toán ngược cho bài toán lan truyền sóng Rayleigh trong môi trường bất đồng nhất, vai trò quan trọng của phương pháp sóng mặt đa kênh trong khảo sát địa kỹ thuật

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Sóng địa chấn

Sóng địa chấn là sóng đàn hồi lan tỏa từ việc giải phóng năng lượng đột ngột trong lòng đất (động đất), từ vụ nổ hay các nguồn năng lượng khác Năng lượng được truyền trong lòng đất và lan tỏa theo mọi hướng từ nguồn phát Sóng địa chấn gây rung động nền đất và là nguyên nhân chính gây nên phá hoại nhà và công trình Có hai dạng sóng địa chấn là sóng khối và sóng mặt Sóng khối lan truyền từ nguồn ra không gian xung quanh, truyền qua các lớp vật chất trong lòng đất Còn sóng mặt chỉ lan truyền trên bề mặt trái đất và trong các lớp dẫn sóng [1]

Trong trường hợp tổng quát, sóng địa chấn truyền dọc theo bề mặt môi trường, các ranh giới bất liên tục trong lòng đất được gọi là sóng dẫn Tuy nhiên, sóng mặt là dạng sóng cơ bản quan trọng nhất của sóng dẫn, thể hiện tất cả các tính chất của sóng dẫn, là dạng sóng cơ bản thường xuất hiện trên băng ghi địa chấn Do đó, trong địa chấn học, thay vì sóng dẫn, thường người ta chỉ đề cập đến sóng mặt và các ứng dụng của sóng mặt trong thực tế [81]

2.1.2 Sóng khối

Trong địa chấn học, sóng dọc còn được gọi là sóng P (Primary waves) vì chúng

là các sóng đến đầu tiên trên băng ghi địa chấn Sóng dọc liên quan đến sự nén và dãn của các phần tử vật chất khi có sóng truyền qua (Hình 2.1a) Sóng P có vận tốc truyền lớn nhất trong tất cả các dạng sóng địa chấn [1]

Sóng ngang hay còn gọi là sóng S (Secondary wave) trong địa chấn học Sóng ngang liên quan đến sự chuyển động vuông góc với phương truyền sóng của các phần

tử vật chất khi sóng truyền qua Trong quá trình dao động, không có sự thay đổi hay biến dạng của các phần tử vật chất (Hình 2.1b) Sóng S được chia làm hai loại, sóng

bị phân cực trong mặt phẳng thẳng đứng [81]

sóng P và S được thể hiện qua công thức:

kỹ thuật, sóng mặt được chia thành hai dạng chính là sóng Love và sóng Rayleigh (Hình 2.1c, d) [5, 81, 123]

mặt ranh giới tự do Sóng bị phân cực theo hình ellip trong mặt phẳng vuông góc với

bề mặt ranh giới tự do Gần bề mặt môi trường bán không gian đồng nhất, các phần

tử vật chất chuyển động hình ellip ngược chiều kim đồng hồ so với phương truyền sóng (Hình 2.1d) [81, 123] Trong môi trường bán không gian đồng nhất, đẳng hướng,

vận tốc truyền sóng Rayleigh không phụ thuộc vào tần số (sóng Rayleigh không bị tán sắc) Tuy nhiên, trong môi trường phân lớp, vận tốc sóng Rayleigh là một hàm thay đổi theo tần số (sóng Rayleigh bị tán sắc) Các thành phần sóng ứng với các bước sóng khác nhau (tần số khác nhau) sẽ có độ xuyên sâu khác nhau và lan truyền với vận tốc khác nhau Vận tốc truyền sóng tương ứng với mỗi tần số khác nhau được gọi

là vận tốc pha c Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc pha theo tần số được gọi là đường cong tán sắc (đường cong vận tốc pha) Hình dạng của đường cong vận tốc pha thể hiện tính tán sắc của sóng Rayleigh Các giá trị vận tốc pha cùng tồn tại tương ứng với cùng một tần số tạo thành các đường cong vận tốc pha Đường cong vận tốc pha có giá trị vận tốc pha thấp nhất được gọi là đường cong vận tốc pha cơ bản, tồn tại đối với mọi tần số Các đường cong vận tốc pha còn lại là các đường cong vận tốc pha bậc cao [81, 123]

Sóng mặt Rayleigh có nguồn gốc từ sự giao thoa của các sóng khối Do đó, phương trình lan truyền của sóng Rayleigh được xây dựng từ các lý thuyết trường sóng của sóng khối, kết hợp với các điều kiện biên trong bài toán hàm sóng Sóng mặt xuất hiện sau sóng khối, có chu kỳ dài, năng lượng, biên độ rất lớn nổi trội trên băng ghi địa chấn và bị tán sắc, phân cực trong môi trường bất đồng nhất Trước đây, đối với địa chấn thăm dò, các phương pháp địa chấn truyền thống sử dụng sóng khối như khúc xạ, phản xạ, downhole, crosshole, … đều xem sóng mặt là nhiễu và cần phải loại bỏ trong quá trình phân tích Tuy nhiên, trong những năm gần đây, nhờ các tính chất đặc trưng của sóng mặt mà các phương pháp sóng mặt lần lượt ra đời Nhờ

có các ưu điểm vượt trội như tỷ lệ tín hiệu S/N cao, phương pháp đo đạc, phân tích đơn giản nên các phương pháp sóng mặt ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng một vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực địa kỹ thuật [6, 11, 80-81]

Hình 2.1 Các dạng sóng địa chấn: (a) sóng dọc P, (b) sóng ngang S, (c) sóng Love,

(d) sóng Rayleigh

a) Sóng Rayleigh trong môi trường bán không gian

Phương trình Rayleigh (Lord Rayleigh, 1887) trong môi trường bán không gian (Hình 2.2):

Rayleigh và vận tốc sóng Rayleigh (c) có giá trị bằng một phân số của vận tốc sóng

bán không gian đàn hồi, sóng Rayleigh truyền song song với bề mặt tự do với vận tốc

1/ 2 2 2 P

2 P

2 S

trong đó , ’, VS, VS’, VP, VP’ lần lượt là hệ số Lame, vận tốc truyền sóng ngang, vận tốc truyền sóng dọc của phân lớp trên và môi trường bán không gian bên dưới

Hình 2.3 Đường cong vận tốc pha của sóng Rayleigh trong một phân lớp đàn hồi

Các nghiệm của phương trình đường cong vận tốc pha (2.7) cho các giá trị vận

đơn vị dọc theo trục z Trường dịch chuyển u gồm các thành phần:

và thay phương trình (2.17) vào phương trình (2.16), ta được hệ phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất có các hệ số thay đổi [123]:

Từ phương trình (2.24) đến phương trình (2.26) xác định bài toán vi phân trị

ứng suất r3, r4 (phương trình 2.17, 2.19) Áp dụng điều kiện biên cho chuyển động của sóng mặt, tại bề mặt ranh giới tự do (z = 0) và tại độ sâu vô cùng, trường ứng suất

tại mỗi phân lớp, trường ứng suất và dịch chuyển phải thỏa mãn điều kiện liên tục tại các ranh giới giữa các phân lớp Phương trình sóng Rayleigh khi đó được biểu diễn dưới dạng [127]:

kiện biên cho chuyển động của sóng mặt chỉ tồn tại đối với các số sóng xác định k =

xác định thông qua công thức sau [127]:

Phương trình sóng Rayleigh (2.29) không thể giải theo phương pháp giải tích

mà phải áp dụng các phương pháp số học để giải bài toán trị riêng [127] Sóng Rayleigh thể hiện tính tán sắc (sự phụ thuộc vận tốc pha vào tần số) khi lan truyền trong môi trường bất đồng nhất là cơ sở của phương pháp sóng mặt Sóng Rayleigh

hai môi trường, là dạng sóng nổi trội do mang năng lượng lớn và thường xuất hiện trên các băng ghi địa chấn mang lại nhiều ưu điểm cho phương pháp sóng mặt khi sử dụng sóng Rayleigh như tín hiệu chứa các thông tin địa chất có ích trong khảo sát địa vật lý Mối liên hệ giữa vận tốc pha sóng Rayleigh và vận tốc truyền sóng S thể hiện

tốc pha sóng Rayleigh trong phương pháp sóng mặt Phương trình lan truyền sóng

Rayleigh trong môi trường bất đồng nhất theo độ sâu (phương trình 2.29) là phương trình không tuyến tính Để giải bài toán truyền sóng Rayleigh cần phải áp dụng phương pháp lặp Ngày nay các thuật toán ngày càng được cải tiến cùng với các máy

vi tính tốc độ xử lý cao sẽ giúp cho quá trình tìm kiếm nghiệm nhanh chóng, đẩy nhanh tốc độ hội tụ của bài toán [127]

2.2 MASW chủ động và thụ động

Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh chủ động sử dụng các nguồn địa chấn chủ động như búa tạ, búa máy, nguồn rung, …, hệ máy thu được đặt trên một đường thẳng trong tuyến đo (Hình 2.4a) Các mặt cắt địa chấn sau đó được biến đổi từ miền không gian - thời gian sang miền tần số - vận tốc pha (Hình 2.4b,c) Hình ảnh các đường cong tán sắc được nhận diện trên hình ảnh tán sắc sóng mặt (Hình 2.4c) Số liệu trên đường cong tán sắc được rút trích cho quá trình giải bài toán ngược Kết quả

tại điểm khảo sát (Hình 2.4d) Độ sâu khảo sát tối đa từ 20–30 m Độ sâu khảo sát phụ thuộc vào môi trường đất đá bên dưới mặt đất và nguồn địa chấn được sử dụng Bước sóng dài nhất (ứng với tần số thấp nhất) của sóng mặt sẽ quyết định độ sâu khảo sát lớn nhất Các nguồn địa chấn với công suất lớn sẽ tạo ra các bước sóng dài hơn tăng cường khả năng xuyên sâu của sóng mặt Tuy nhiên, nguồn địa chấn với công suất lớn thường có giá thành cao, cồng kềnh không thuận tiện trong việc di chuyển

và triển khai trong đo đạc thực địa Do đó, búa tạ thường được sử dụng trong các khảo sát sóng mặt đa kênh chủ động Bên cạnh đó, đe sắt cũng thường được sử dụng để tăng cường tác động của búa tạ lên mặt đất Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số loại đe có chất liệu không phải kim loại như đe cao su có thể tạo ra sóng mang năng lượng lớn hơn trong khoảng tần số thấp [95, 117, 135]

Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh thụ động sử dụng nguồn địa chấn bị động như các hoạt động của thủy triều, các hoạt động giao thông vận tải (xe cộ di chuyển trên đường), các hoạt động từ các nhà máy (các thiết bị rung, tua bin gió, …) Đây là các nguồn địa chấn có khả năng tạo ra sóng mặt mang năng lượng cao trong

chục mét đến vài km, tương ứng với độ sâu khảo sát của phương pháp Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh thụ động sử dụng hệ nhiều máy thu (24 kênh trở lên) được

bố trí đối xứng thành hình vuông, hình tròn, tam giác đều, hoặc phân bố ngẫu nhiên, thời gian thu sóng trên một băng ghi địa chấn thường lớn hơn so với phương pháp chủ động Khoảng cách giữa các máy thu cũng thường lớn hơn so với phương pháp chủ động để ghi nhận thông tin có ích từ các sóng có tần số thấp tương ứng với những

độ sâu lớn Vì vậy, trong quá trình thu thập số liệu, các thông tin về môi trường địa chất tại các độ sâu nông thường ít hơn so với phương pháp chủ động Ngày nay, để

mở rộng dãy tần số phân tích, tăng cường khả năng phân tích và xử lý tín hiệu từ nông đến sâu, phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh chủ động và thụ động được sử dụng kết hợp với nhau [95, 117, 135]

Hình 2.4 Phương pháp phân tích sóng mặt đa kênh chủ động (a) Sơ đồ tuyến đo

MASW sử dụng nguồn chủ động là búa tạ (b) Mặt cắt địa chấn ghi nhận được (c)

hiện sự thay đổi vận tốc truyền sóng S theo độ sâu

Máy thu Nguồn địa chấn

2.3 Đo đạc thực địa MASW

thấp) được cắm thẳng đứng trên mặt đất dọc theo tuyến đo với những khoảng cách bằng nhau dx Sóng mặt được tạo ra bởi nguồn địa chấn tác động tại một đầu tuyến

đo (Hình 2.5) Các geophone chỉ ghi nhận thành phần chuyển động thẳng đứng của phần tử vật chất Mỗi geophone được nối với cáp địa chấn truyền tín hiệu về máy tính Các băng ghi địa chấn được lưu giữ trong máy tính sau đó được xử lý bằng các phần mềm chuyên dụng Số lượng geophone N được sử dụng trong phương pháp MASW khoảng từ 12 trở lên Thông thường số geophone sử dụng vào khoảng 24, 48 hoặc 60 Phương pháp dời pha được sử dụng cho việc phân tích tính chất tán sắc, có khả năng xây dựng tương đối chính xác đường cong vận tốc pha cơ bản dựa trên các băng ghi địa chấn sử dụng ít máy thu (bốn máy thu) Tuy nhiên, việc tăng số lượng máy thu sẽ giúp tăng cường độ phân giải của hình ảnh tán sắc [95, 117, 135]

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí tuyến đo MASW chủ động Khoảng cách giữa các máy thu là

Trường sóng ghi nhận được ký hiệu u(x,t), trong đó x là khoảng cách tính từ nguồn địa chấn đến máy thu và t là thời gian Băng ghi địa chấn u(x,t) bao gồm N đường tín hiệu ghi nhận được (tương ứng với tổng số N máy thu được sử dụng) Mỗi