Giải bài toán ngược trọng lực bằng thuật toán memetic áp dụng phân tích tài liệu trọng lực vùng đồng bằng sông cửu long

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ Luận án với đề tài “Giải bài toán ngược trọng lực bằng thuật toán memetic – Áp dụng phân tích tài liệu trọng lực vùng đồng bằng sông Cửu Long” nhằm hai mục tiêu:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC BẰNG THUẬT TOÁN MEMETIC – ÁP DỤNG PHÂN TÍCH TÀI LIỆU TRỌNG LỰC VÙNG ĐỒNG BẰNG

SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP Hồ Chí Minh – Năm 2018

Phản biện 1: GS TSKH Lê Minh Triết

Phản biện 2: PGS TS Cao Đình Triều

Phản biện 3: TS Nguyễn Hồng Bàng

Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Văn Giảng

Phản biện độc lập 2: PGS TS Hoàng Văn Long

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Đặng Văn Liệt

2 PGS TS Trần Vĩnh Tuân

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng

tôi Các nội dung và các kết quả tính toán nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lương Phước Toàn

iii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy PGS.TS Đặng Văn Liệt về sự giúp đỡ tận tình của Thầy trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Tôi xin cảm ơn thật nhiều PGS.TS Trần Vĩnh Tuân, người Thầy đã dẫn dắt

và luôn khích lệ tôi trên con đường học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thành Vấn, PGS.TS Lê Quang Toại, TS Lưu Việt Hùng, những người Thầy, người Anh luôn giúp đỡ, động viên,

và đóng góp nhiều ý kiến cho tôi từ khi mới bắt đầu nghiên cứu về Vật lý Địa cầu

Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô của Bộ môn Vật lý Địa cầu và Bộ môn Vật lý Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM đã tạo mọi điều kiện tốt cho tôi trong thời gian hoàn thành Luận án

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học Cơ bản Trường Đại học Xây dựng Miền Tây, các bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian học tập

Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình tôi, đã luôn bên tôi, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi vượt qua mọi khó khăn trong học tập và thực hiện Luận án này

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC 9

1.1- TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC

TRỌNG LỰC 9

1.2- TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TỪ VÀ TRỌNG LỰC Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 13

1.2.1- Vùng nghiên cứu 13

1.2.2- Dữ liệu 14

1.2.2.1- Dị thường trọng lực Bughê 14

1.2.2.2- Lỗ khoan 16

1.2.3- Điểm qua các công trình nghiên cứu về Từ và Trọng lực 17

1.3- DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC CỦA MÔ HÌNH BỒN TRẦM TÍCH 2-D 19

1.3.1- Mô hình 19

1.3.2- Dị thường trọng lực của mô hình 19

1.3.2.1- Hàm hiệu mật độ 19

1.3.2.2 Dị thường trọng lực 20

1.4- DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC CỦA MÔ HÌNH BỒN TRẦM TÍCH 3-D 21

1.4.1- Mô hình 21

1.4.2- Dị thường trọng lực 22

1.5- XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CỦA HÀM HIỆU MẬT ĐỘ CỦA VÙNG ĐBSCL 25

Chương 2 THUẬT TOÁN MEMETIC 29

v

2.1- THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 31

2.1.1- Các thành phần của thuật toán di truyền 32

2.1.2- Quần thể và cá thể 32

2.1.2.1- Quần thể 32

2.1.2.2- Biểu diễn một cá thể 33

2.1.3- Hàm thích nghi 35

2.1.4- Các toán tử di truyền 35

2.1.4.1- Toán tử lai ghép 36

2.1.4.2- Toán tử đột biến 38

2.1.4.3- Toán tử chọn lọc 39

2.1.4.4- Các tham số về kích thước quần thể, số thế hệ tiến hóa 40

2.2- PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM ĐỊA PHƯƠNG 41

2.2.1- Phương pháp Nelder – Mead 41

2.2.2- Phương pháp tìm kiếm địa phương đặt cơ sở trên đạo hàm 44

2.2.2.1- Khởi tạo Z 0 45

2.2.2.2- Điều kiện dừng 46

2.2.2.3- Cập nhật Z k 46

2.2.3- Phương pháp Quasi - Newton 49

2.3- THUẬT TOÁN MEMETIC VÀ VIỆC GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC 51

2.3.1- Thuật toán memetic 51

2.3.2- Lưu đồ thuật toán memetic để giải bài toán ngược trọng lực 52

Chương 3 XÁC ĐỊNH THAM SỐ CHỈNH HÓA TIKHONOV VÀ KIỂM TRA KẾT QUẢ GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC TRÊN MÔ HÌNH

BẰNG THUẬT TOÁN MEMETIC 55

3.1- VAI TRÒ CỦA THAM SỐ CHỈNH HÓA TIKHONOV VÀ TIÊU CHUẨN ĐƯỜNG CONG L 56

3.1.1- Vai trò của tham số chỉnh hóa Tikhonov 56

3.1.2- Tiêu chuẩn đường cong L xác định tham số chỉnh hóa Tikhonov 58

vi

3.2- XÁC ĐỊNH THAM SỐ TIKHONOV TỐI ƯU CHO BÀI TOÁN NGƯỢC

TRỌNG LỰC 2-D 58

3.2.1- Mô hình và các tham số 58

3.2.2- Trường hợp dị thường trọng lực quan sát không chứa nhiễu 59

3.2.2.1- Xác định tham số chỉnh hóa Tikhonov tối ưu 59

3.2.2.2- Kiểm tra độ chính xác của phương pháp 62

3.2.3- Trường hợp dị thường trọng lực quan sát chứa nhiễu 63

3.2.3.1- Xác định tham số chỉnh hóa Tikhonov tối ưu 63

3.2.3.2- Kiểm tra độ chính xác của phương pháp 66

3.3- XÁC ĐỊNH THAM SỐ TIKHONOV TỐI ƯU CHO BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC 3-D 67

3.3.1- Mô hình và các tham số 67

3.3.2- Trường hợp dị thường trọng lực quan sát không chứa nhiễu 69

3.3.2.1- Xác định tham số chỉnh hóa Tikhonov tối ưu 69

3.3.2.2- Kiểm tra độ chính xác của phương pháp 72

3.3.3- Trường hợp dị thường trọng lực quan sát chứa nhiễu 73

3.3.3.1- Xác định tham số chỉnh hóa Tikhonov tối ưu 73

3.3.3.2- Kiểm tra độ chính xác của phương pháp 75

Chương 4 VÙNG NGHIÊN CỨU – DỮ LIỆU VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC 2-D 78

4.1- SƠ LƯỢC VỀ KIẾN TRÚC ĐỊA CHẤT VÀ CÁC ĐỨT GÃY TRONG VÙNG NGHIÊN CỨU 78

4.1.1- Kiến trúc địa chất 79

4.1.1.1- Phụ đới Biên Hòa 80

4.1.1.2- Đới Cần Thơ 80

4.1.1.3- Đới Hà Tiên 80

4.1.1.4- Đới Phú Quốc 80

4.1.2- Các đứt gãy chính trong vùng 80

4.2- DỮ LIỆU TRỌNG LỰC 81

vii

4.2.1- Dị thường trọng lực khu vực 82

4.2.2- Đặc điểm của trường dị thường trọng lực địa phương 83

4.2.2.1- Vùng dị thường dương Biên Hòa và Sóc Trăng 84

4.2.2.2- Vùng dị thường âm Bến Tre - Trà Vinh 84

4.2.2.3- Vùng dị thường âm Đồng Tháp - Cà Mau 84

4.2.2.4- Các dị thường dương khác 85

4.2.3- Lý do chọn lựa các dị thường phân tích 85

4.2.4- Cách chọn dữ liệu 3-D và lát cắt 2-D cho một dị thường 86

4.3- DỮ LIỆU ĐẦU VÀO CHO PHÂN TÍCH 2-D 88

4.3.1- Dữ liệu trọng lực 88

4.3.2- Mô hình và hàm hiệu mật độ 88

4.3.3- Hàm mục tiêu 88

4.3.4- Các tham số của thuật toán memetic 88

4.4- PHÂN TÍCH CÁC DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC 2-D VÙNG ĐBSCL 89

4.4.1- Dị thường trọng lực Cà Mau 89

4.4.2- Dị thường trọng lực Bạc Liêu 92

4.4.3- Dị thường trọng lực An Giang 94

4.4.4- Dị thường trọng lực Đồng Tháp 97

4.4.5- Dị thường trọng lực Long An 99

4.5- TÓM TẮT CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC 2-D 101

Chương 5 PHÂN TÍCH TÀI LIỆU TRỌNG LỰC 3-D CỦA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 104

5.1- DỮ LIỆU ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA 105

5.1.1- Dữ liệu trọng lực 105

5.1.2- Mô hình, hàm hiệu mật độ và hàm mục tiêu 105

5.1.3- Các tham số của thuật toán memetic 105

5.1.4- Dữ liệu đầu ra 105

5.2- PHÂN TÍCH CÁC DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC 106

viii

5.2.1- Dị thường trọng lực Cà Mau 106

5.2.2- Dị thường trọng lực Bạc Liêu 107

5.2.3- Dị thường trọng lực An Giang 109

5.2.4- Dị thường trọng lực Đồng Tháp 110

5.2.5- Dị thường trọng lực Long An 112

5.3- TỔNG HỢP KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC 3-D 114

5.3.1- Tóm tắt các kết quả phân tích 114

5.3.2- So sánh kết quả với độ sâu lỗ khoan 115

5.4- LIÊN KẾT ĐỘ SÂU MẶT MÓNG TRẦM TÍCH CỦA VÙNG ĐBSCL 116 5.4.1- Xác định mặt móng bằng phương pháp Parker - Oldenburg 117

5.4.1.1- Tóm tắt lý thuyết 117

5.4.1.2- Xác định độ sâu của bồn trầm tích vùng ĐBSCL 118

5.4.2- So sánh kết quả của phương pháp Parker - Oldenburg với độ sâu lỗ khoan và kết quả phân tích năm dị thường đơn 119

5.5- MẶT MÓNG 121

5.5.1- Phụ đới Biên Hòa 121

5.5.2- Đới Sóc Trăng 121

5.5.3- Đới Hòn Khoai - Hà Tiên 121

5.5.4- Bồn trũng Cà Mau - Đồng Tháp (Đới Cần Thơ) 123

5.5.4.1- Vùng phía Nam đứt gãy sông Hậu – Trũng Cà Mau, Phụng Hiệp và An Giang 124

5.5.4.2- Vùng phía Bắc đứt gãy sông Tiền - Trũng Đồng Tháp và Long An 125

5.5.4.3- Vùng chuyển tiếp 125

KẾT LUẬN 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 131

NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN ĐƯỢC BÁO CÁO TẠI CÁC HỘI NGHỊ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

PHỤ LỤC 142

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Từ gốc Nghĩa tiếng việt

BFGS Broyden, Fletcher, Goldfarb, and

Shanno

GA-QN Genetic algorithm and the Quasi

Newton local search

Thuật toán di truyền và phương pháp tìm kiếm địa phương Quasi - Newton

P - O Parker - Oldenburg

UNOP Unconstrained nonlinear optimization Tối ưu phi tuyến không ràng

buộc

x

CGA The continuous genetic algorithm Thuật toán di truyền liên tục

β T Tikhonov regularization parameter Tham số chỉnh hóa Tikhonov

0 Density contrast at the ground surface Hiệu mật độ tại mặt quan sát

4 Bảng 2.2: Thuật toán tìm kiếm địa phương dựa trên đạo hàm 45

5 Bảng 2.3: Thuật toán Quasi – Newton 50

6 Bảng 2.4: Mã giả của thuật toán memetic 51

12 Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả giải bài toán ngược trọng lực 2-D

13 Bảng 5.1: Kết quả giải bài toán ngược trọng lực 3-D bằng thuật

14 Bảng 5.2: Tổng hợp độ sâu cực đại, cực tiểu phân tích tài liệu

15 Bảng 5.3: Độ sâu của các phương pháp khác nhau tại một số

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

STT Tên hình Nội dung Trang

1 Hình 1.1: Vùng nghiên cứu và một số địa danh 13

2 Hình 1.2: Bản đồ dị thường Bughê ĐBSCL (Phan Quang

3 Hình 1.3: Mô hình bồn trầm tích 2-D 19

4 Hình 1.4: Tấm chữ nhật và P là điểm quan sát 20

5 Hình 1.5: Mô hình bồn trầm tích 3-D 21

6 Hình 1.6: Dị thường trọng lực của một khối hình hộp chữ nhật 21

7 Hình 1.7: Cột địa tầng lỗ khoan Cửu Long-1 (lỗ khoan CL - 1) 25

8 Hình 1.8: Hàm hiệu mật độ của bồn trầm tích (RMS = 0,02) 27

9 Hình 2.1: Các thành phần chính của thật toán di truyền 32

10 Hình 2.2: Quần thể của thuật toán di truyền 33

11 Hình 2.3: Biểu diễn nhiễm sắc thể trong BGA 33

12 Hình 2.4: Cặp nhiễm sắc thể Cha, Mẹ trong BGA 36

13 Hình 2.5: Lai ghép tại vị trí thứ 6 trong BGA 37

14 Hình 2.6: Cặp nhiễm sắc thể Con 1 và Con 2 sau khi lai ghép

15 Hình 2.7: Đột biến tại vị trí số 6 trong BGA 38

16 Hình 2.8: Các bước phản xạ và mở rộng 43

20 Hình 3.2: Dị thường không chứa nhiễu (đường liền) và dị

21 Hình 3.3:

Đường cong L xác định T tối ưu trong việc giải bài toán ngược trọng lực 2-D cho trường hợp dị thường quan sát không chứa nhiễu

60

22 Hình 3.4: Mô hình tính tương ứng với các giá trị T khác nhau 61

23 Hình 3.4: Mô hình tính tương ứng với các giá trị βT khác nhau

24 Hình 3.5: Dị thường trọng lực quan sát (đường liền) và dị

thường trọng lực tính từ mô hình (dấu *) (βT = 0,05) 63

25 Hình 3.6: Đường cong L xác định T tối ưu (dị thường quan sát

26 Hình 3.7: Mô hình tính tương ứng với các giá trị βT khác nhau 65

27 Hình 3.7: Mô hình tính tương ứng với các giá trị βT khác nhau

xiv

32 Hình 3.12: Đường cong L (dị thường quan sát không nhiễu) 70

33 Hình 3.13: Kết quả mô hình tính với các giá trị βT khác nhau 70

34 Hình 3.13: Kết quả mô hình tính với các giá trị βT khác nhau

35 Hình 3.14: Độ sâu tính khi βT = 0,01 (dạng đẳng trị) 72

36 Hình 3.15: Dị thường tính khi βT = 0,01 72

37 Hình 3.16: Đường cong L (dị thường quan sát có nhiễu) 74

38 Hình 3.17: Độ sâu tính ứng với các giá trị βT khác nhau 74

39 Hình 3.17: Độ sâu tính ứng với các giá trị βT khác nhau (tiếp

48 Hình 4.7: Tuyến dữ liệu dị thường Bạc Liêu 87

49 Hình 4.8: Tuyến dị thường trọng lực Cà Mau 90

xv

50 Hình 4.9: Một mô hình ban đầu 90

51 Hình 4.10: Giá trị thích nghi theo số thế hệ tiến hóa 90

52 Hình 4.11: Kết quả phân tích độ sâu (2-D) của dị thường trọng

53 Hình 4.12: Tuyến dị thường quan sát (dấu *) và dị thường tổng

54 Hình 4.13: Tuyến dị thường trọng lực Bạc Liêu 92

55 Hình 4.14: Một mô hình ban đầu 92

56 Hình 4.15: Giá trị thích nghi theo số thế hệ tiến hóa 93

57 Hình 4.16: Kết quả phân tích độ sâu (2-D) của dị thường trọng

58 Hình 4.17: Dị thường quan sát (dấu *) và dị thường tổng hợp

59 Hình 4.18: Tuyến dị thường trọng lực An Giang 95

60 Hình 4.19: Một mô hình ban đầu 95

61 Hình 4.20: Giá trị thích nghi theo số thế hệ tiến hóa 96

62 Hình 4.21: Kết quả phân tích độ sâu (2-D) của dị thường trọng

63 Hình 4.22: Dị thường quan sát (dấu *) và dị thường tổng hợp

64 Hình 4.23: Tuyến dị thường trọng lực Đồng Tháp 97

65 Hình 4.24: Một mô hình ban đầu 97

66 Hình 4.25: Giá trị thích nghi theo số thế hệ tiến hóa 98

67 Hình 4.26: Kết quả phân tích độ sâu (2-D) của dị thường trọng

xvi

68 Hình 4.27: Dị thường quan sát (dấu *) và dị thường tổng hợp

69 Hình 4.28: Tuyến dị thường trọng lực Long An 99

70 Hình 4.29: Một mô hình ban đầu 100

71 Hình 4.30: Giá trị thích nghi theo số thế hệ tiến hóa 100

72 Hình 4.31: Kết quả phân tích độ sâu (2-D) của dị thường trọng

73 Hình 4.32: Dị thường quan sát (dấu *) và dị thường tổng hợp

74 Hình 5.1: Dị thường Cà Mau 106

75 Hình 5.2: Một mô hình ban đầu 106

76 Hình 5.3: Kết quả phân tích độ sâu của dị thường trọng lực Cà

77 Hình 5.4: Dị thường trọng lực tổng hợp tính từ Hình 5.3 (các

78 Hình 5.5: Dị thường trọng lực địa phương Bạc Liêu 108

79 Hình 5.6: Một mô hình ban đầu 108

80 Hình 5.7: Kết quả phân tích độ sâu của dị thường trọng lực Bạc

81 Hình 5.8: Dị thường trọng lực tổng hợp tính từ Hình 5.7 109

82 Hình 5.9: Dị thường trọng lực địa phương An Giang 110

83 Hình 5.10: Một mô hình ban đầu 110

84 Hình 5.11: Kết quả phân tích độ sâu của dị thường trọng lực An

xvii

85 Hình 5.12: Dị thường trọng lực tổng hợp tính từ Hình 5.11 110

86 Hình 5.13: Dị thường trọng lực địa phương Đồng Tháp 111

87 Hình 5.14: Một mô hình ban đầu 111

88 Hình 5.15: Kết quả phân tích độ sâu 3-D của dị thường trọng lực

89 Hình 5.16: Dị thường trọng lực tổng hợp tính từ Hình 5.15 111

90 Hình 5.17: Dị thường trọng lực địa phương Long An 113

91 Hình 5.18: Một mô hình ban đầu 113

92 Hình 5.19: Kết quả phân tích độ sâu 3-D của dị thường trọng lực

93 Hình 5.20: Dị thường trọng lực tổng hợp tính từ Hình 5.19 113

94 Hình 5.21: Vị trí các dị thường phân tích (tam giác màu đỏ) và

123

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Thăm dò trọng lực là một trong những phương pháp nghiên cứu cấu tạo địa chất các phần trên của Trái Đất, tìm kiếm và thăm dò các khoáng sản; dựa vào việc nghiên cứu trường hấp dẫn do các khối đất đá gây ra Trên mặt của Trái Đất, trường trọng lực là tổng của trường hấp dẫn của các khối đất đá với trường của lực ly tâm tạo nên Khi so sánh các đo đạc trọng lực người ta không chú ý đến giá trị toàn phần

của trọng lực g mà chỉ chú ý đến giá trị dị thường của chúng; đó là hiệu số giữa giá

trị trọng lực tuyệt đối đo được với giá trị bình thường (giá trị trọng lực tại mặt Trái Đất lý thuyết) tại điểm quan sát Dị thường trọng lực sau khi đã được tính hiệu chỉnh cho độ cao và hiệu chỉnh lớp giữa được gọi là dị thường Bughê phản ánh trường hấp dẫn của các đất đá gây nên nên được sử dụng trong thăm dò trọng lực [1]

Ở Việt Nam phương pháp trọng lực đã được sử dụng trong tìm kiếm khoáng sản nhưđồng-nickel ở vùng Núi Chúa (Thái Nguyên); sắt ở Thạch Khê (Hà Tĩnh),

Nà Rụa (Cao Bằng) [3] ; nghiên cứu cấu trúc của vỏ Trái Đất như xác định mặt móng kết tinh, mặt Concrad và mặt Moho [24] và xác định bề dày các tập trầm tích

ở các bể Cửu Long, Nam Côn Sơn, Phú Khánh, Sông Hồng… [5] Do tầm quan trọng nêu trên, nên đã có nhiều phương pháp phân tích tài liệu trọng lực đã và đang được phát triển trong và ngoài nước, đặc biệt là bài toán xác định bề dày của các bồn trầm tích Về mặt lý thuyết, đây là bài toán ngược trọng lực và hiện nay việc giải bài toán này có thể được chia thành ba nhóm phương pháp sau đây

Nhóm các phương pháp biến đổi dữ liệu và thể hiện kết quả không sử dụng

mô hình, dữ liệu được biến đổi để nâng cao sự hiểu biết về tính chất nguồn gây ra dị thường trọng lực, tạo điều kiện thuận lợi để giải đoán như phương pháp 1/2 cực đại, phương pháp tiếp tuyến của Peters, phương pháp Parasnis xác định độ sâu đến mặt trên của một tấm có chiều dày và độ nghiêng thay đổi nhờ vào hình dạng và biên độ

của dị thường, phương pháp Werner [28]… hoặc sử dụng biến đổi Fourier mà tiêu biểu là phương pháp thống kê của Spector và Grant sử dụng phổ năng lượng [47] Các phương pháp trong nhóm này áp dụng đơn giản nhưng kết quả không cao vì chúng thường dựa vào kinh nghiệm của người phân tích (như phương pháp ½ cực đại và phương pháp tiếp tuyến, phương pháp Parasnis), hoặc bán kinh nghiệm (như phương pháp Werner) và ngay các phương pháp xây dựng trên các định luật Vật lý hay Toán học (như phương pháp Spector và Grant) các kết quả đạt được phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người sử dụng

Nhóm phương pháp thứ hai dựa trên phép tính “thử - sai”, như phương pháp

của Bott [30], phương pháp của Cordell và Hederson [38] hoặc phương pháp Parker - Oldenburg (viết tắt là P - O) sử dụng phép biến đổi Fourier [42], đây là nhóm phương pháp phân tích thông dụng nhất của trọng lực Đa số các phương pháp của nhóm này tính toán nhanh và không đòi hỏi máy tính mạnh và đây là ưu điểm của nhóm phương pháp này Khuyết điểm là quá trình tính toán phụ thuộc vào công thức sử dụng nên không tránh khỏi chủ quan Ngoài ra, cả hai nhóm phương pháp trên chỉ cho ra một lời giải duy nhất, nên kết quả không có sự chọn lựa

Do đó, để khắc phục các nhược điểm trên, nhóm phương pháp thứ ba ra đời, dựa trên sự phát triển của tự nhiên, đó là các phương pháp mạng nơron, phương pháp Monte Carlo, thuật toán tiến hóa trong đó có thuật toán di truyền và chiến lược tiến hóa, chương trình tiến hóa Nhóm phương pháp này gọi tên chung là nhóm phương pháp sử dụng thuật toán tối ưu, đặt cơ sở trên các quy luật tiến hóa tự nhiên

và sự phát sinh các số ngẫu nhiên trên máy tính mà không phụ thuộc vào một công thức nào; ngoài ra, việc phát sinh một tập hợp nhiều lời giải, nên kết quả sau cùng được chọn là một lời giải tốt nhất trong bộ lời giải tìm được Khuyết điểm của nhóm phương pháp này là không gian lời giải lớn và số lượng các phép tính lớn, nên việc tính toán cần máy tính mạnh Nhưng theo đà phát triển của kỹ thuật vi xử lý, khuyết điểm này dần dần khắc phục nên nhóm phương pháp này đang là xu hướng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm vì lời giải tìm được phong phú và thuật toán không quá phức tạp [10], [13], [14]

Theo xu hướng phát triển đó, vấn đề hiện nay là phải tìm hiểu và xây dựng các phương pháp mới, hiện đại để phân tích tài liệu trọng lực hầu bắt kịp các tiến bộ về phân tích tài liệu trọng lực trên toàn cầu Đó là một vấn đề luôn luôn mang tính cấp thiết đối với những người làm công tác phân tích tài liệu trọng lực và từ và đề tài này nhằm đáp ứng tính cấp thiết này

2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ

Luận án với đề tài “Giải bài toán ngược trọng lực bằng thuật toán memetic –

Áp dụng phân tích tài liệu trọng lực vùng đồng bằng sông Cửu Long” nhằm hai

mục tiêu:

- Về phương pháp: Xây dựng thuật toán memetic là thuật toán “di truyền lai”,

kết hợp giữa thuật toán di truyền và phương pháp tìm kiếm địa phương Quasi - Newton và áp dụng thuật toán này để giải bài toán ngược trọng lực mà cụ thể là xác định bề dày của bồn trầm tích

- Về ứng dụng: Sau khi xây dựng hoàn chỉnh phương pháp và kiểm tra độ

chính xác của phương pháp trên mô hình 2-D và 3-D; phương pháp được áp dụng

để xác định bề dày các lớp trầm tích của vùng đồng bằng sông Cửu Long (viết tắt là ĐBSCL); từ đó, phân chia cấu trúc địa chất của vùng

Để hoàn thành hai mục tiêu trên, Luận án phải thực hiện các nhiệm vụ sau

đây:

- Về phương pháp: Tìm hiểu thuật toán di truyền, phương pháp tìm kiếm địa

phương và các phương pháp giải bài toán ngược trọng lực; sau đó, xây dựng thuật toán memetic và áp dụng thuật toán này vào việc giải bài toán ngược trọng lực và kiểm tra độ chính xác trên mô hình bồn trầm tích 2-D và 3-D Khi thực hiện nhiệm

vụ này, để bài toán đơn giản và phù hợp với thực tế, nghiên cứu sinh chọn mô hình

là các tấm chữ nhật đặt liền kề cho bài toán 2-D và các khối chữ nhật đặt liền kề cho bài toán 3-D và hiệu mật độ của các tấm/khối thay đổi theo độ sâu theo quy luật hàm parabôn Ngoài ra, để lời giải trơn và hội tụ nhanh, hàm thích nghi được chọn

là hàm mục tiêu gồm hai sai số là sai số của giá trị dị thường và sai số “chuẩn” của

mô hình, sai số sau được nhân cho tham số chỉnh hóa Tikhonov nhằm cân bằng sai

số chung Để có thể kiểm tra độ chính xác của phương pháp trên mô hình, trước khi

áp dụng để xác định bề dày trầm tích của vùng ĐBSCL; phải xác định các hệ số của hàm hiệu mật độ dựa trên cột địa tầng của lỗ khoan Cửu Long-1 và xác định tham

số Tikhonov tối ưu trên mô hình cho bài toán 2-D và 3-D bằng thuật toán memetic

và sau đó kiểm tra độ chính xác của phương pháp trên mô hình 2-D và 3-D

- Về ứng dụng: Áp dụng thuật toán memetic để xác định bề dày trầm tích 2-D

và 3-D cho năm dị thường âm lớn trong vùng ĐBSCL Sử dụng năm kết quả này,

độ sâu của các lỗ khoan (viết tắt là LK) tới móng trước Đệ tam trong vùng và kết quả xác định mặt móng bằng phương pháp P - O để phác họa mặt địa hình bên dưới các lớp trầm tích của vùng ĐBSCL, từ đó, phân chia các đới cấu trúc địa chất của vùng

3 CƠ SỞ TÀI LIỆU

Trong phần ứng dụng, Luận án sử dụng các dữ liệu và tài liệu sau đây:

a/ Dữ liệu:

- Bản đồ dị thường Bughê tỉ lệ 1/200.000 của vùng ĐBSCL, xây dựng từ các giá trị đo trọng lực tỉ lệ 1/100.000 với 15.892 điểm đo ở vùng ĐBSCL do Đoàn dầu khí ĐBSCL thuộc Tổng cục Dầu Khí (nay là Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) thực hiện từ năm 1976 đến năm 1981 [16]

- Bản đồ cột địa tầng các lỗ khoan sâu của Đoàn dầu khí ĐBSCL [41]

- Tuyến địa chấn của công ty CGG dọc sông Hậu [41]

b/ Tài liệu:

- Các nghiên cứu về địa chất ở Nam Bộ của Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền nam [8]

4 CÁC LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ

Hai luận điểm chính của Luận án là:

- Xây dựng một phương pháp mới thuộc nhóm thuật toán di truyền để giải bài toán ngược trọng lực: Xây dựng thuật toán memetic là sự kết hợp giữa thuật toán di

truyền và phương pháp tìm kiếm địa phương Quasi – Newton, và áp dụng thuật toán này để giải bài toán ngược trọng lực; trong đó, hàm mục tiêu trong thuật toán memetic có vai trò của tham số chỉnh hóa Tikhonov và sử dụng mô hình gồm các tấm/khối chữ nhật thẳng đứng đặt liền kề có hàm hiệu mật độ thay đổi theo độ sâu theo quy luật hàm parabôn

- Phác họa cấu trúc của mặt móng trước Đệ tam của vùng ĐBSCL: Sử dụng

kết quả phân tích năm dị thường âm với giá trị cực tiểu có trị tuyệt đối lớn trong đới Cần Thơ bằng thuật toán memetic, tích hợp các kết quả này và kết quả độ sâu các lỗ khoan vào bản đồ mặt móng trầm tích của toàn vùng được tính bằng phương pháp P

- O để phác họa mặt móng trước Đệ tam cho vùng ĐBSCL; từ đó phân chia các đới cấu trúc, đặc biệt là đới Cần Thơ

5 CÁC ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

Hai luận điểm chính của Luận án cũng là các điểm mới của Luận án, cụ thể như sau:

- Xây dựng một phương pháp mới để giải bài toán ngược trọng lực, sử dụng thuật toán memetic, phương pháp này chưa được sử dụng trong và ngoài nước

- Xác định hệ số của hàm hiệu mật độ của các lớp trầm tích theo quy luật hàm parabôn cho vùng ĐBSCL Hàm hiệu mật độ của các lớp trầm tích của vùng ĐBSCL theo quy luật hàm mũ, hàm hypecbôn đã được công bố (Đặng Văn Liệt,

1995 [12]), nhưng hàm hiệu mật độ theo quy luật hàm parabôn đây là lần đầu được tính

- Xác định các tham số chỉnh hóa Tikhonov bằng thuật toán memetic trong việc giải bài toán ngược trọng lực 2-D và 3-D Tham số này đã được một số tác giả trong và ngoài nước công bố nhưng không sử dụng thuật toán memetic để tính

- Phác họa cấu trúc mặt móng trước Đệ tam của vùng ĐBSCL Độ sâu mặt móng trước Đệ tam vùng ĐBSCL tính bằng tài liệu trọng lực được tác giả Phan Quang Quyết (1985) công bố [16], nhưng cấu trúc mặt móng đơn điệu, chưa thấy các phân đới của vùng Công trình này nhằm khắc phục nhược điểm trên

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Ý nghĩa khoa học: Lần đầu tiên xây dựng thuật toán memetic là sự kết hợp

giữa thuật toán di truyền và phương pháp tìm kiến địa phương Quasi - Newton và

áp dụng thuật toán này để giải bài toán ngược trọng lực; kết quả của phương pháp phù hợp trên mô hình và có những kết quả tương thích với các kết quả khác trên tài liệu thực địa, cho thấy sự thành công của phương pháp Do đó, phương pháp này không chỉ sử dụng trong Luận án và các công trình liên quan, mà nó còn có thể được sử dụng bởi những tác giả khác trong những công trình nghiên cứu kế tiếp nên kết quả của Luận án có ý nghĩa khoa học

- Ý nghĩa thực tiễn: Việc tính các hệ số của hàm hiệu mật độ các lớp trầm tích

từ dữ liệu thực của vùng ĐBSCL và việc tính tham số chỉnh hóa Tikhonov bằng thuật toán memetic là những đóng góp thực tiễn Đặc biệt là kết quả phác họa việc phân đới cấu trúc mặt móng trước Đệ tam của vùng ĐBSCL sẽ góp phần cụ thể trong việc nghiên cứu cấu trúc của vùng cho các công trình tiếp theo

7 BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN

MỞ ĐẦU

- Chương 1: Tổng quan về các phương pháp giải bài toán ngược trọng lực

Trong chương này, giới thiệu qua các phương pháp giải bài toán ngược trọng lực; giới thiệu vùng nghiên cứu là vùng ĐBSCL, dữ liệu và điểm qua các công trình nghiên cứu về Từ và Trọng lực trong vùng Công thức tính dị thường trọng lực của

mô hình trong bài toán 2-D và 3-D và xác định các hệ số của hàm hiệu mật độ có dạng parabôn cho vùng ĐBSCL

- Chương 2: Thuật toán memetic

Trong chương này, trình bày tóm tắt lý thuyết thuật toán memetic gồm hai phần là tóm tắt thuật toán di truyền và phương pháp tìm kiếm địa phương Sau đó,

đề nghị sự kết hợp giữa thuật toán di truyền liên tục và phương pháp tìm kiếm địa phương nhằm tạo ra một thuật toán memetic và xây dựng phương pháp giải bài toán ngược trọng lực bằng thuật toán memetic này

- Chương 3: Xác định tham số chỉnh hóa Tikhonov và kiểm tra kết quả giải

bài toán ngược trọng lực trên mô hình bằng thuật toán memetic

Trong chương này, trình bày vai trò của tham số Tikhonov trong hàm mục tiêu

và sử dụng thuật toán memetic để tính các tham số Tikhonov tối ưu trong việc giải bài toán ngược trọng lực 2-D và 3-D Đồng thời, đánh giá độ chính xác của phương pháp qua việc giải bài toán ngược trọng lực trên mô hình 2-D và 3-D với tham số Tikhonov tối ưu và hàm hiệu mật độ của vùng ĐBSCL

- Chương 4: Vùng nghiên cứu - dữ liệu và phân tích một số dị thường trọng

lực 2-D

Nội dung của chương gồm hai phần Phần đầu, trình bày tóm tắt các đặc điểm kiến trúc địa chất của vùng nghiên cứu là vùng ĐBSCL và đặc điểm của dị thường trọng lực địa phương Sau đó, giới thiệu việc chọn năm dị thường trọng lực âm để phân tích Phần hai, xác định bề dày bồn trầm tích 2-D từ năm dị thường trọng lực

đã chọn bằng thuật toán memetic

- Chương 5: Phân tích tài liệu trọng lực 3-D của vùng đồng bằng sông

Cửu Long

Xác định bề dày trầm tích của năm dị thường 3-D đã chọn trong Chương 4 bằng thuật toán memetic Sau đó, kết hợp các độ sâu vừa tính bằng thuật toán

memetic, độ sâu lỗ khoan và độ sâu tính bằng phương pháp P - O để xây dựng mặt móng trước Đệ tam của vùng ĐBSCL; từ đó, phác họa cấu trúc địa chất của vùng KẾT LUẬN

Trình bày các kết quả mới đạt được trong Luận án và hướng phát triển

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI

TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC

Nhiệm vụ giải bài toán ngược trọng lực là xác định hình dạng, kích thước của

nguồn dị thường từ dữ liệu trọng lực quan sát; do tầm quan trọng của bài toán nên

đã có nhiều phương pháp được đưa ra Khó khăn trong việc giải bài toán ngược là

tính đa trị, nên dù chọn phương pháp nào thì các kiến thức về địa chất của vùng

nghiên cứu phải được biết để giới hạn lời giải của bài toán Như đã trình bày trong

phần mở đầu, mục tiêu của Luận án là xây dựng một phương pháp mới để giải bài

toán ngược trọng lực và áp dụng phương pháp để phân tích tài liệu trọng lực ở vùng

ĐBSCL Do đó, trong chương này, trước khi trình bày về công thức tính dị thường

trọng lực của mô hình bồn trầm tích có mật độ thay đổi theo độ sâu là hàm parabôn

cho bài toán 2-D và 3-D và tính hệ số của hàm hiệu mật độ thay đổi theo quy luật

hàm parabôn từ dữ liệu của LK Cửu Long-1 thuộc vùng ĐBSCL làm cơ sở cho

việc giải bài toán ngược trong Luận án; nghiên cứu sinh trình bày tổng quan về các

phương pháp giải bài toán ngược trọng lực và điểm qua các công trình nghiên cứu

về trọng lực ở Việt Nam; trong đó, chú trọng tới các nghiên cứu đã có ở

vùng ĐBSCL

1.1- TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRỌNG LỰC

Phương pháp thăm dò trọng lực được ứng dụng để khảo sát cấu trúc địa chất

khu vực, tìm kiếm khoáng sản, khảo cổ, thăm dò dầu khí… nên phương pháp giải

bài toán ngược trọng lực được nhiều nhà khoa học trên thế giới, kể cả trong nước

không ngừng nghiên cứu và đưa ra các phương pháp mới nhằm nâng cao hiệu quả

trong việc minh giải tài liệu trọng lực Hiện nay, có thể chia các phương pháp giải

bài toán ngược trọng lực làm ba nhóm và trong phần mở đầu, đã phân tích các ưu và

nhược điểm của từng nhóm phương pháp và đã nêu khá đủ các công trình tiêu biểu

của nhóm phương pháp biến đổi dữ liệu và thể hiện kết quả Do đó trong phần này, nghiên cứu sinh trình bày thêm một số công trình thuộc nhóm phương pháp “thử - sai” và nhóm phương pháp sử dụng thuật toán tối ưu

Nhóm phương pháp “thử - sai” tính trên máy tính được sử dụng phổ biến trong việc giải bài toán ngược trọng lực Phương pháp gồm ba bước tính là xây dựng mô hình; tính dị thường gây ra bởi mô hình và xét độ chính xác của mô hình bằng cách

so sánh giữa dị thường quan sát và dị thường của mô hình; điều chỉnh mô hình cho tới khi đạt được mô hình tốt nhất Phương pháp này được Blakely R J (1995) [28] gọi là phương pháp mô hình tiến và được nhiều tác giả sử dụng để giải bài toán ngược trọng lực 2-D và 3-D; trong đó, mô hình của nguồn dị thường trọng lực được xây dựng da dạng

- Bài toán 2-D: Bott (1960) [30] sử dụng mô hình là một tập hợp những tấm

chữ nhật thẳng đứng có hiệu mật độ không đổi, mô hình được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi độ sâu của các tấm, Talwani (1965) [28] xấp xỉ hình dạng mô hình là đa giác có mật độ không đổi, và mô hình được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi độ sâu các đỉnh của đa giác Last B.J và Kubik K., 1983 [62]; João B.C.S., et al., 1999 [52] xấp xỉ mô hình là các ô hình chữ nhật có kích thước không đổi và mật độ ban đầu của các ô khác nhau, mô hình được hiệu chỉnh bằng cách cực tiểu hóa một phiếm hàm thích hợp của hàm hiệu mật độ để thay đổi hiệu mật độ của từng ô [55] Ngoài ra, một số tác giả đã xấp xỉ nguồn trường là một mô hình gồm tập hợp những tấm chữ nhật thẳng đứng có hiệu mật độ thay đổi theo độ sâu theo quy luật hàm parabôn, hàm mũ như công trình của Cordell L., 1973 [39], Rao C.V., et al., 1993 [76], 1994 [77] và mô hình được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi độ sâu của mỗi tấm

- Bài toán 3-D: Các công trình của Camacho A G., et al., 2000 [31];

Krzysztof S., 2005 [58]; Mrinal K.S., 2013 [66] sử dụng mô hình là tập hợp các khối hình chữ nhật có kích thước không đổi nhưng mật độ của từng khối khác nhau,

mô hình được thay đổi bằng cách cực tiểu hóa một hàm tiêu chuẩn, dẫn đến một hệ phương trình tuyến tính để chọn lựa giá trị hiệu mật độ cho mỗi khối Một số tác giả

khác chọn mô hình là tập hợp các khối hình hộp chữ nhật thẳng đặt liền kề, mặt trên của các khối trùng với mặt phẳng quan sát và hiệu mật độ các khối không đổi (Cordell L., và Henderson R.G., (1968) [38]) hoặc thay đổi theo độ sâu theo quy luật hàm parabôn (Chakravarthia V., et al., 2004 [33]; Chakravarthia V., et al., 2002 [34]; Isik M., et al., 2009 [50]; Lương Phước Toàn và nnk., 2016 [23]) Khi đó, độ sâu của các khối hình hộp chữ nhật được hiệu chỉnh qua độ sai lệch giữa dị thường quan sát và dị thường tính

Ngoài ra, Parker và Oldenburg [28] đã sử dụng phép biến đổi Fourier của dị thường trọng lực g(x,y) để xây dựng một công thức lặp, cho phép xác định độ sâu

của móng đá bên dưới bồn trầm tích

Các đánh giá về nhóm phương pháp “thử - sai” đã được trình bày trong phần

mở đầu

Nhóm phương pháp sử dụng thuật toán tối ưu được đưa ra trong những thập niên gần đây nhờ vào sự phát triển mạnh của máy tính với bộ vi xử lý nhanh và bộ nhớ lớn Trong nhóm này, thuật toán di truyền và thuật toán tiến hóa “bắt chước” sự tiến hóa của sinh vật trong tự nhiên; theo đó, trong một quần thể, những cá thể nào có

độ thích nghi cao sẽ có nhiều cơ hội sống sót hơn những cá thể có độ thích nghi thấp trong điều kiện chọn lọc của môi trường Thuật toán gồm ba giai đoạn chính là khởi tạo quần thể, tính giá trị thích nghi và cải tạo quần thể bằng cách thực hiện các phép tính di truyền như chọn lọc, lai ghép và đột biến Ba giai đoạn này tương đương với

ba giai đoạn giải bài toán ngược trọng lực bằng phương pháp mô hình tiến, nhưng cho ra nhiều lời giải để chọn lựa một lời giải tối ưu và lời giải này không phụ thuộc vào một công thức

- Bài toán 2-D: Boschetti F., et al., (1997) [29] sử dụng thuật toán di truyền và

kỹ thuật không gian con để giải bài toán ngược trọng lực với mô hình là một đa giác

có mật độ không đổi và mô hình được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi độ sâu tại các đỉnh của đa giác; Ning Qiu., et al., (2009) [69] sử dụng thuật toán di truyền kết hợp với phương pháp bình phương tối thiểu mở rộng (GLQ) với mô hình là một tấm chữ

nhật thẳng đứng có mật độ không đổi và mô hình được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi độ sâu mặt trên và mặt dưới của tấm chữ nhật Ở Việt Nam, Đặng Văn Liệt và nnk., (2009) [14] áp dụng thuật toán tiến hóa và kỹ thuật không gian con với mô hình là một đa giác có mật độ không đổi và Lương Phước Toàn và nnk., (2013, 2014) [20], [22] sử dụng thuật toán di truyền với mô hình là tập hợp các tấm chữ nhật thẳng đứng đặt liền kề có hiệu mật độ không đổi để xác định bề dày trầm tích của một số tuyến trọng lực của vùng ĐBSCL

- Bài toán 3-D: Montesinos F.G., et al., (2005, 2006) [63], [64] xây dựng việc

giải bài toán ngược trọng lực 3-D với mô hình là các khối hình hộp có mật độ của các khối khác nhau và sử dụng thuật toán di truyền để hiệu chỉnh mật độ của các khối hình hộp, nhằm nghiên cứu lớp vỏ và sự phát triển của vỏ Trái Đất ở vùng đảo Canary Krahenbuhl R.A., et al., (2005) [56] sử dụng thuật toán di truyền kết hợp với thuật toán mô phỏng kỹ thuật luyên kim (QSA, Quenched Simulated Annealing) để xác định vòm muối bằng tài liệu trọng lực với mô hình là các hình hộp chữ nhật

Qua các công trình trên cho thấy các kết quả đạt độ chính xác tốt, nhưng các công trình sử dụng đơn thuần thuật toán di truyền chiếm nhiều thời gian tính toán; trong khi các công trình sử dụng thuật toán di truyền lai là sự kết hợp giữa thuật toán di truyền và một phương pháp tối ưu khác có thời gian tính toán ngắn hơn Do

đó, trong Luận án này, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng thuật toán memetic; đó là một dạng thuật toán di truyền lai, kết hợp giữa thuật toán di truyền và phương pháp tìm kiếm địa phương Quasi-Newton  thuật toán này chưa thấy các tác giả trong và ngoài nước sử dụng  để giải bài toán ngược trọng lực 2-D và 3-D Chi tiết của thuật toán memetic và các đánh giá về thuật toán này được trình bày trong chương 2

1.2- TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TỪ VÀ TRỌNG LỰC Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

1.2.1- Vùng nghiên cứu

Hình 1.1: Vùng nghiên cứu và một số địa danh

(Trích từ trang web: http://dichvusxnn.vn/ [86]) Vùng nghiên cứu là vùng ĐBSCL, rộng 40.548 km², đó là một bộ phận của châu thổ sông Cửu Long, ở vùng cực Nam của Việt Nam Có vị trí nằm liền kề vùng Đông Nam Bộ, phía Bắc giáp Campuchia, phía Tây Nam là vịnh Thái Lan,

phía Đông Nam là Biển Đông Trên đất liền, vùng ĐBSCL giới hạn từ kinh độ 104°26´ Đ (xã Mỹ Đức, Thị xã Hà Tiên, tỉnh Kiên Giang) đến kinh độ 106°48´ Đ (xã Tân Điền, huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang); từ vĩ độ 8°33´B (xã Đất Mũi, huyện Ngọc Hiển, tỉnh Cà Mau) đến vĩ độ 11°1´B (xã Lộc Giang, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An) Có một thành phố trực thuộc trung ương là TP Cần Thơ và mười hai tỉnh là Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Trà Vinh, Hậu Giang, Sóc Trăng, Đồng Tháp, An Giang, Kiên Giang, Bạc Liêu và Cà Mau; ngoài ra, còn

có các đảo xa bờ như đảo Phú Quốc, quần đảo Thổ Chu, Hòn Khoai (Hình 1.1) [84]

Về địa hình, toàn vùng khá bằng phẳng, độ cao không quá 4 mét, trừ một số ít đồi núi thấp chiếm tỉ lệ không đáng kể nằm ở An Giang (vùng núi Thất Sơn, ngọn núi cao nhất là núi Cấm, 716 mét) và Hà Tiên (nhóm đá vôi)

Về khí hậu mang tính chất gió mùa cận xích đạo, một năm chia làm hai mùa, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3, có gió mùa Đông Bắc, tháng 4 và tháng 10 là hai tháng chuyển tiếp, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 có gió mùa Tây Nam, giờ nắng trung bình năm thay đổi từ 2.226 giờ (Cà Mau) đến 2.709 giờ (Mỹ Tho); nhiệt độ biến thiên từ 24,50 C đến 28,90 C; lượng mưa giảm dần từ Tây sang Đông ở miền Tây Nam Bộ và từ Đông Bắc đến Tây Nam ở miền Đông Nam Bộ, lượng mưa trung bình năm thấp nhất 1.090 mm (Gò Công) và cao nhất 2.390 mm (Cà Mau) Hai con sông quan trọng nhất trong vùng là sông Tiền và sông Hậu [12]

Vùng ĐBSCL là một vùng trọng điểm về lương thực và kinh tế của cả nước, nên việc nghiên cứu tìm hiểu về cấu trúc địa chất, tài nguyên và tai biến địa chất là cần thiết

1.2.2- Dữ liệu

1.2.2.1- Dị thường trọng lực Bughê

Trong vùng nghiên cứu đã có một số công tác đo trọng lực được thực hiện; sớm nhất, là công tác đo trọng lực tuyệt đối tại một số điểm tựa dọc theo Quốc lộ 1 được thực hiện bởi Nhà Địa dư Đà Lạt trong đầu thập niên 1970 Công trình qui mô

nhất là công tác đo trọng lực tỉ lệ 1/100.000 ở vùng ĐBSCL do Đoàn dầu khí

ĐBSCL thuộc Tổng cục Dầu Khí (nay là Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) thực hiện từ

năm 1976 đến năm 1981 bằng trọng lực kế G1G-2, GAK, GR/K2, sai số

  0,32 mgal Ngoài ra, còn có các công tác đo vẽ trọng lực tỷ lệ 1/500.000 phần

Miền Nam do liên đoàn 75 thực hiện từ năm 1976 đến năm 1981 và công tác đo đạc

mạng lưới điểm tựa trọng lực hạng cao Quốc gia của Cục đo đạc và Bản đồ

Nhà nước

Hình 1.2: Bản đồ dị thường Bughê ĐBSCL (Phan Quang Quyết, 1985 [16])

(khoảng cách các đường đẳng trị 2 mgal)

Trong Luận án này, nghiên cứu sinh sử dụng bản đồ dị thường Bughê 1/500.000 của Đoàn dầu khí ĐBSCL do Phan Quang Quyết và cs thành lập [16] năm 1985 Do bản đồ này được xây dựng từ công tác đo thực hiện ở tỉ lệ 1/100.000 với 15.892 điểm đo [41] nên dù bản đồ ở tỉ lệ 1/500.000 nhưng các đường đẳng trị được vẽ cách nhau 2 mgal; do đó, từ bản đồ này nghiên cứu sinh nội suy các giá trị

tỉ lệ 1/200.000 trên mạng ô vuông (139 x 129) khoảng cách x = y = 2 km để sử dụng Với nguồn gốc dữ liệu vừa trình bày cho thấy dữ liệu sử dụng đáng tin cậy Bản đồ trọng lực Bughê tỉ lệ 1/200.000, với các đường đẳng trị cách nhau

2 mgal được biểu diễn trên Hình 1.2

1.2.2.2- Lỗ khoan

Trong vùng nghiên cứu có nhiều lỗ khoan, do Liên đoàn Bản đồ và Địa chất miền Nam thực hiện; nhưng phần lớn các lỗ LK này chưa tới mặt móng, chỉ có ba

LK của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam là đạt đến đá móng là LK Cửu Long-1,

LK Phụng Hiệp, LK Long Xuyên Trong đó, LK Long Xuyên có tọa độ (105,470 Đ; 10,380 B) đạt độ sâu là 0,35 km; LK Phụng Hiệp có tọa độ (105,830 Đ; 9,830 B) đạt độ sâu là 0,8 km và LK Cửu Long-1 có tọa độ (106,320 Đ; 9,620 B) đạt độ sâu là 2,1 km (Phan Quang Quyết, 1985, [16]) Ngoài ra, còn có hai LK nông của Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền Nam đạt đến mặt móng ở vùng Đồng Tháp là LK 29 và

LK 30 Bảng 1.1 tổng hợp chi tiết trên các lỗ khoan

Bảng 1.1: Độ sâu các lỗ khoan

Tên lỗ khoan Tọa độ

(Kinh độ, vĩ độ)

Độ sâu (km)

Độ sâu của năm LK vừa nêu được dùng để so sánh với độ sâu phân tích được trong Luận án, và xác định bản chất mặt móng của vùng nghiên cứu

1.2.3- Điểm qua các công trình nghiên cứu về Từ và Trọng lực

Tài liệu trọng lực được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc địa chất nông và sâu ở Việt Nam khá nhiều, ngoài một số công trình đã được giới thiệu trong phần mở đầu, còn có rất nhiều công trình nghiên cứu về cấu trúc sâu và thăm dò tài nguyên ở thềm lục địa Việt Nam; nghiên cứu cấu trúc nông, sâu và thăm dò tài nguyên ở miền Bắc và miền Trung Việt Nam

Các công trình nghiên cứu về trọng lực ở vùng ĐBSCL công bố không nhiều Hầu hết các công trình nghiên cứu liên quan đến cấu trúc sâu như công trình của Cao Đình Triều và Phạm Huy Long (2002) [26] sử dụng tổng hợp tài liệu Địa Vật

lý để phác họa sơ đồ các đứt gãy; công trình của Cao Đình Triều (2005) [25] nghiên cứu tương quan giữa trường Địa Vật lý và cấu trúc thạch quyển ở Việt Nam, trong

đó có vùng ĐBSCL; công trình của Đặng Thanh Hải và Cao Đình Triều (2006 ) [4]

sử dụng tài liệu trọng lực và viễn thám để thành lập sơ đồ đứt gãy của Nam Bộ, trong sơ đồ này, phần lớn các đứt gãy có phương Tây Bắc – Đông Nam và chỉ có một đứt gãy theo phương kinh tuyến là đứt gãy Cà Mau – Châu Đốc, không thấy các đứt gãy có phương Đông Bắc – Tây Nam

Về cấu trúc mặt móng, Phan Quang Quyết đã có hai công trình nghiên cứu, công trình thứ nhất sử dụng mô hình đa giác của Talwani để phân tích tài liệu trọng lực theo tuyến và xác định độ sâu móng Kainozoi của vùng ĐBSCL và công trình thứ hai là việc xác định xác định mặt móng trước Đệ tam của vùng ĐBSCL bằng dữ liệu trọng lực tỉ lệ 1/500.000 (Phan Quang Quyết, 1985) [16] (phụ lục 5.1); bản đồ mặt móng có dạng của một tam giác châu, sâu dần đều đặn từ Tây Bắc (400 mét) đến Đông Nam (bờ biển, 1500 mét); kết quả này chưa cho thấy các chi tiết của mặt móng và các phân đới của vùng nghiên cứu Đặng Văn Liệt (2005) [13] kết hợp giữa thuật toán di truyền và kỹ thuật không gian con để xác định hình dạng mặt ranh giới giữa các lớp trầm tích và mặt móng, Đặng Văn Liệt và nnk (2009) [14] sử

dụng thuật toán tiến hóa cải tiến để phân tích tài liệu trọng lực; trong cả hai công trình vừa nêu, tác giả chọn mô hình bồn trầm tích là một đa giác nhiều cạnh có mật

độ không đổi và chỉ phân tích trên một tuyến đo trọng lực (bài toán 2-D) đi qua dị thường Bạc Liêu, có độ sâu cực đại là 1,9 km, nên các kết quả này cũng chưa cho thấy hình dạng của bồn trầm tích với các khối nâng sụt

Ngoài tài liệu trọng lực, về trường thế phải kể đến công trình của Nguyễn Xuân Sơn (1996) [17], giải đoán cấu trúc địa chất miền Nam Việt Nam bằng tài liệu

từ hàng không tỉ lệ 1/200.000, kết quả cho thấy Nam Bộ được chia thành hai đới cấu trúc là Sài Gòn và Cần Thơ và phác họa được nhiều đứt gãy; trong đó, có các đứt gãy gần song song có phương Đông Bắc - Tây Nam Công trình của Đặng Văn Liệt (1995) [12] phân tích kết hợp từ và trọng lực cho vùng Nam Bộ; trong đó, có phác họa mặt móng bằng tài liệu từ, nhưng kết quả cho thấy mặt móng phân bố theo các dị thường từ và chỉ sâu từ 100 – 600 mét nên chưa phản ánh được là móng đá của các lớp trầm tích Ngoài ra còn có các tuyến đo địa chấn trong vùng do các công

ty dầu khí nước ngoài thực hiện mà tài liệu không tiếp cận được

Qua các công trình nghiên cứu về từ và trọng lực ở vùng ĐBSCL vừa nêu, chỉ

có một công trình nghiên cứu liên quan đến mặt móng trước Đệ tam của Phan Quang Quyết, nhưng mặt móng là mặt phẳng nghiêng, không cho thấy bề dày cụ thể của bồn trầm tích Do đó, trong Luận án này, việc phân tích tài liệu trọng lực bằng thuật toán memetic để xác định mặt móng trước Đệ tam nằm bên dưới của các lớp trầm tích với các đới nâng, sụt sẽ cho thấy cụ thể bề dày của bồn trầm tích trong vùng nghiên cứu, giúp cho việc tìm hiểu về khả năng dầu khí của vùng và đây là một tiếp cận mới trong phân tích tài liệu trọng lực nghiên cứu cấu trúc địa chất nông tại vùng ĐBSCL

Trong các mục tiếp theo, nghiên cứu sinh trình bày về mô hình và công thức tính dị thường trọng lực của một tấm và một khối chữ nhật thẳng đứng có hiệu mật

độ thay đổi theo độ sâu theo quy luật hàm parabôn và tính hệ số của hàm hiệu mật cho vùng ĐBSCL

1.3- DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC CỦA MÔ HÌNH BỒN TRẦM TÍCH 2-D 1.3.1- Mô hình

Bồn trầm tích 2-D xem là dài vô hạn theo phương y; mặt cắt của bồn trầm tích

theo phương x được mô hình hóa bằng N tấm hình chữ nhật thẳng đứng đặt liền kề,

độ sâu của mỗi tấm là z j (j = 1, 2, 3, …, N); các tấm có bề rộng bằng nhau và thay

đổi theo độ sâu, mặt trên trùng với mặt đất và điểm đo đặt tại trung điểm cạnh trên

x (km)z

xa)

của mỗi tấm hình chữ nhật (Hình 1.3) nên số tấm hình chữ nhật bằng với số điểm

quan sát Bài toán xác định bề dày của bồn trầm tích là xác định độ sâu z j của các tấm chữ nhật từ các giá trị của dị thường quan sát

1.3.2- Dị thường trọng lực của mô hình

1.3.2.1- Hàm hiệu mật độ

Trong thực tế, mật độ trầm tích tăng theo độ sâu bởi sự cô đặc do lắng tụ hay

áp suất giữa chúng (Isik M., et al., 2009 [50]) nên hiệu mật độ giữa các lớp trầm tích và mặt móng giảm theo độ sâu theo một trong ba quy luật là hàm mũ, hàm hypecbôn và hàm parabôn Trong Luận án này, nghiên cứu sinh sử dụng hàm hiệu mật độ thay đổi theo độ sâu theo quy luật hàm parabôn (Rao C.V., et al, 1993 [76]):

2

3 0

)(

)(

trong đó, (z) (g/cm3) là hiệu mật độ ở độ sâu z (km), 0 (g/cm3) là hiệu mật độ tại mặt quan sát,  và λ là các hằng số

Trong bài toán 3-D, do giá trị  gần với giá trị 0 nên Chakravarthia V., et

al., (2004) [33] đề nghị đặt  = |0|

1.3.2.2 Dị thường trọng lực

Dị thường trọng lực g(x) của một

tấm hình chữ nhật, bề rộng là 2w, bề dày

là z, mật độ thay đổi theo quy luật hàm

parabôn (1.1) (Hình 1.4) tại một điểm

bất kỳ P(x,0) nằm trên mặt đất được cho

bởi [76]:

)) ln ln

(

) )(

/ ) ln((

) (

) ((

3 5

6 5

2 4 1 3 3 2 4 1 3 0

r

r T r

r T

T T z

T T T

T G

(

,))(

(

,))(

((

)(

,))(

((

)(

,))(

)(

(

)(

,))(

)(

(

)(

2 2

2 6

2 2

2 5

2 2

2

2 4

2 2

2

2 3

2 2

2

2 2

2 2

2

2 1

w x

w x T

w x

w x T

w x

w x T

w x

w x T

w x z

z w

x T

w x z

z w

x T

/)((

2/

),/)((

2/

,00

0

,00

0

,)

(,

)(

,)(

,)(

1 4

1 3

2

1

2 2 2

4 2 2 2

3

2 2

2 2 2

1

z w x tg

z w x tg

x khi

x khi

x khi

x khi

z w x r

z w x r

w x r

w x r

Tấm thứ j tác dụng lên điểm đo thứ i một giá trị trong lực là g ji cho bởi công

thức (1.2); do đó, giá trị trọng lực tại điểm thứ i do mô hình gồm N tấm hình chữ

nhật gây ra là:

) ,,3,2,1(

1

N j

g g

N

j ji

Mô hình bồn trầm tích 3-D được biểu diễn bởi Nx.Ny khối chữ nhật thẳng

hiệu mật độ thay đổi

Hình 1.5: Mô hình bồn trầm tích 3-D Hình 1.6: Dị thường trọng lực của một

khối hình hộp chữ nhật (Trích từ Chakravarthi V., et al., [34])

đứng đặt liền kề theo phương x, y (Hình 1.5) Mỗi khối có bề rộng trên hai phương

bằng nhau và hiệu mật độ thay đổi theo độ sâu là hàm parabôn theo công thức (1.1) Điểm đo của dị thường trọng lực quan sát nằm tại tâm của mỗi khối và trùng với mặt trên của nó Tập hợp độ sâu tìm được tạo nên hình dạng và kích thước của bồn trầm tích cần tìm

z y x

zdxdydz G

)(

z y x z

zdxdydz G

0

3 0

)(

)(  

Giải phương trình tích phân (1.7), tìm được giá trị trọng lực, g prism của một khối như sau (Chakravarthia V., et al., 2002 [34]):