Nghiên cứu sử dụng sóng địa chấn trong định hướng cho các trạm địa chấn dưới đáy biển

Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue (2021) 79-86 79 Research using seismic waves for orientation of the Ocean - Bottom Seismographs Hung Danh Tran 1,*, Huong Thien Phan 1, Ting Yang Department of Geophysics, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, China ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 18th Jan 2021 Accepted 09th Mar 2021 Available online 30th Apr 2021 Orientation of the Ocean-Bottom Seismograph (OBS) devices is an important task that must complete before using these data While the OBS direction is determined correctly, we can correct the rotation angle of the coordinate system so that we obtain the maximum amplitude seismic signals for different seismic waves In this article, we present the method using seismic waves to determine the direction of the OBS The results obtained from 11 OBSs in the East Sea show that these stations have misdirected from different angles This method has advantage with high reliability Specially, we can widely apply for the OBS devices in other oceans Keywords: East Sea, OBS devices, OBS orientation, Ocean - Bottom Seismograph Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: trandanhhung@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(2).08 80 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ (2021) 79-86 Nghiên cứu sử dụng sóng địa chấn định hướng cho trạm địa chấn đáy biển Trần Danh Hùng 1,*, Phan Thiên Hương 2, Ting Yang Bộ môn Địa vật lý, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam Bộ môn Khoa học Kỹ thuật biển, Trường Đại học Khoa học Cơng nghệ Phương Nam, Trung Quốc THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 18/01/2021 Chấp nhận 09/3/2021 Đăng online 30/4/2021 Việc định hướng cho thiết bị địa chấn đáy biển OBS (Ocean - Bottom Seismograph) nhiệm vụ quan trọng, cần hoàn thiện để sử dụng số liệu Khi xác định phương hướng thiết bị này, ta xoay hiệu chỉnh hệ tọa độ giúp thu tín hiệu địa chấn có biên độ lớn cho loại sóng địa chấn khác Trong báo nhóm tác giả trình bày phương pháp sử dụng sóng địa chấn để xác định phương hướng cho trạm địa chấn đáy biển OBS Các kết thu từ 11 trạm địa chấn đáy biển Biển Đơng cho thấy tồn trạm bị sai hướng với góc khác Phương pháp có nhiều ưu điểm với độ tin cậy cao Trên sở kết đạt cho thấy phương pháp áp dụng rộng rãi cho tất thiết bị địa chấn đáy biển OBS vùng biển khác Từ khóa: Biển Đơng, Định hướng trạm địa chấn, Thiết bị OBS, Trạm địa chấn đáy biển © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Ba thành phần trục tọa độ trạm địa chấn đòi hỏi phải lắp đặt theo hướng quy định hệ tọa độ định trước như: trục X theo hướng đông, trục Y thêo hướng bắc trục Z thêo phương thẳng đứng Đối với công tác lắp đặt trạm địa chấn đất liền cơng việc định hướng cho thiết bị chủ yếu dựa vào việc sử dụng la bàn/địa bàn Tuy nhiên, việc định hướng cho trạm địa chấn đáy biển OBS (Ocean - Bottom Seismograph) việc định _ *Tác giả liên hệ E - mail: trandanhhung@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2021.62(2).08 hướng lại vơ khó khăn Vì vậy, triển khai thực địa biển thiết bị thả rơi tự xuống đáy biển mà định hướng trước khơng biết thiết bị quay thêo hướng nào? Mặt khác, thiết bị đáy đại dương sâu vài nghìn mét việc định hướng điều kiện khó khăn gần tiến hành Việc xác định sai hướng trạm OBS ảnh hưởng lớn đến nghiên cứu đòi hỏi sử dụng thành phần tài liệu địa chấn Cụ thể thêo hướng khác vận tốc sóng địa chấn truyền đến máy thu khác loại sóng địa chấn có phương thức lan truyền khác gây sai lệch việc nhận dạng xác định thời gian sóng đến, dẫn tới việc xác định sai vận tốc truyền sóng, sai vị trí chấn tâm, Trần Danh Hùng nnk.,/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(2), 79-86 Biên độ thu sóng địa chấn theo hướng khác khác nhau, chí khơng thu tín hiệu mong muốn Vì thế, nhiệm vụ khó khăn việc sử dụng số liệu trạm địa chấn đặt đáy biển OBS Xuất phát từ thực tế kể trên, việc nghiên cứu sử dụng sóng địa chấn để định hướng cho OBS nhằm hiệu chỉnh sai lệch hướng thiết bị việc làm cần thiết có ý nghĩa vơ to lớn, giảm chi phí q trình thi cơng, triển khai thực địa thả thiết bị xuống biển Ngày nay, trạm địa chấn đáy biển sử dụng cách rộng rãi phục vụ nghiên cứu cấu trúc sâu trái đất Số liệu địa chấn thu từ thiết bị địa chấn đáy biển ngày phong phú, đa dạng, có đầu tư để nghiên cứu cấu trúc sâu vỏ đại dương Các thiết bị cần phải định hướng cho thành phần X, Y, Z trạm địa chấn Trên giới việc sử dụng số liệu địa chấn từ trạm OBS để nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ đại dương ranh giới địa chất sâu trái đất nghiên cứu từ sớm Từ năm 1992, nhà khoa học Pháp triển khai thành công thử nghiệm lắp đặt trạm OBS phía bắc Đại Tây Dương cơng bố cơng trình Montagner nnk (1994) Năm 1995, tiếp tục có thử nghiệm điện từ chụp cắt lớp thiết bị địa chấn đáy biển ghi liên tục vòng tháng để nghiên cứu chi tiết cấu trúc bên đới tách giãn đáy đại dương MOR (Mid Ocean Ridges) Các kết sử dụng liệu OBS từ thử nghiệm cơng bố cơng trình Forsyth nnk (1998) Bằng cách sử dụng chụp cắt lớp sóng mặt từ số liệu OBS nghiên cứu Forsyth Li (2005) để nghiên cứu tính bất đẳng hướng cấu trúc thạch Nhiều nghiên cứu tiếp sau thực cách triển khai thiết bị đáy biển OBS nguồn bị động thời gian dài Các thử nghiệm tập trung vào nghiên cứu cấu trúc địa chất khu vực MOR Các thử nghiệm thiết bị OBS có quy mơ lớn kéo dài nhiều năm khu vực “Cascadia Initiative” Đơng Bắc Thái Bình Dương ngồi khơi Bắc Mỹ mà tiếp tục diễn nguồn số liệu miễn phí quý giá phục vụ cho nghiên cứu lớp vỏ đại dương cấu trúc sâu khu vực (Baker & Stevens, 2004; Ramachandran nnk., 2006; Brillon nnk., 81 2013; Audet, 2016) Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy khó khăn việc sử dụng tài liệu OBS mức độ nhiễu lớn, dòng chảy ngầm (Crawford & Webb, 2000; Bell nnk., 2015), hay ảnh hưởng địa hình dốc, đặc biệt sụt lún đáy biển làm nghiêng thiết bị gây trở ngại cho q trình thu nhận tín hiệu địa chấn (Crawford & Webb, 2000; Dahm nnk., 2006; Bell nnk., 2015; Hùng nnk., 2019) Khu vực thử nghiệm thiết bị địa chấn đáy biển OBS sử dụng nghiên cứu triển khai phần trung tâm Biển Đông với đợt vào năm 2012 2014 (Hình 2) Biển Đơng có diện tích khoảng 3,5 triệu km2, nằm phía Đơng Việt Nam, phía Tây đảo Luzon phía Bắc đảo Bornêo Nó bao quanh bốn cấu trúc kiến tạo bao gồm đảo Đài Loan, vịng cung Lơi châu (Luzon), bán đảo Đơng Dương khối phía Nam Trung Quốc Về cấu trúc địa chất Biển Đông phức tạp, bao gồm lớp vỏ lục địa phía Tây Bắc phía Nam, lớp vỏ đại dương phần trung tâm Ranh giới phần vỏ lục địa vỏ đại dương nằm gần trùng với vị trí đường đẳng sâu -3000 m Theo nghiên cứu tài liệu đo dị thường Từ đáy biển (Briais nnk 1993; Li nnk., 2014) kết khoan chương trình Khám phá Đại dương Quốc tế 349 cho thấy tốc độ tách giãn đáy Biển Đơng thay đổi khoảng từ 20÷80 mm/năm giai đoạn khoảng từ 35÷15,5 triệu năm để hình thành lớp vỏ đại dương với trục tách giãn thêo hướng gần Đông - Tây Các kết nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, nói lần thực nước ta Mở hướng nghiên cứu tương lai, cho trạm địa chấn đáy biển lắp đặt Việt Nam Các thiết bị OBS đặt chiều sâu khoảng 4000÷5000 m địi hỏi u cầu kỹ thuật cao nên cần quan tâm đầu tư cách mức thời gian tới Phương pháp nghiên cứu số liệu địa chấn 2.1 Phương pháp định hướng dùng sóng địa chấn Trong nghiên cứu nhóm tác giả sử dụng sóng mặt Raylêigh để định hướng cho trạm địa chấn đáy biển Sóng địa chấn Raylêigh đến từ trận động đất ghi lại thành phần X, Y, Z máy thu địa chấn, nhiên biên độ sóng Rayleigh có thay đổi thêo hướng khác 82 Trần Danh Hùng nnk.,/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(2), 79-86 Cụ thể, thêo hướng sóng đến hay hướng xuyên tâm (Radial) sóng Raylêigh có biên độ đạt giá trị cực đại giảm dần thêo hướng xung quanh Lợi dụng đặc điểm sóng Rayleigh mà Stachnik nnk (2012) sử dụng tính hàm tương quan liên kết thành phần thẳng đứng Z thành phần R, quay thành phần nằm ngang X Y thêo hướng khác nhau, kết hàm tương quan đạt giá trị cực đại hai thành phần nằm ngang X Y trùng với hướng xuyên tâm trận động đất theo công thức sau: 𝐶𝑧𝑟 = 𝑆𝑧𝑟 (1) √𝑆𝑧𝑧 𝑆𝑟𝑟 Với: 𝑆𝑗𝑘 = ∑𝑁 𝜏=0 𝑋𝑗 (𝜏)𝑌𝑘 (𝜏) (2) Với Czr - hàm tương quan liên kết chuẩn hóa thành phần Z R có giá trị -1÷1; Szr hàm tương quan liên kết có bước dịch không (zero - lag) thành phần Z R; Szz hàm tự tương quan bước dịch không (0) thành phần Z; Srr - hàm tự tương quan bước dịch không (0) thành phần R; Xj() Yk() - biến đổi Hilbert thành phần nằm ngang X Y Hai thành phần nằm ngang X Y xoay tất hướng khác theo chiều kim đồng hồ với bước xoay độ dải baz (back - azimuth) từ 0÷3600 (Hình 1) Khi thành phần xoay hướng hướng xuyên tâm trận Hình Mơ hình thể phương pháp định hướng cho trạm địa chấn đáy biển OBS với: N, E - hướng Bắc Đông địa lý; Y, X - thành phần Bắc Đông trạm địa chấn; hình ngơi - vị trí chấn tâm trận động đất;  - sai số hướng Bắc thiết bị hướng Bắc địa lý  = seaz - ; seaz - góc back - azimuth thiết bị;  - góc back azimuth xác định sở sử dụng sóng địa chấn động đất (Radial) hướng tiếp tuyến (Transverse) giá trị hàm tương quan liên kết thành phần Z R đạt giá trị cực đại Điều có nghĩa ta xác định hướng xoay trạm địa chấn góc hiệu chỉnh  thành phần nằm ngang X Y theo công thức sau:  = seaz -  (3) Trong đó: X Y - thành phần Đông Bắc trạm địa chấn; E N - hướng Đơng Bắc địa lý;  - góc back - azimuth xác định sở sử dụng sóng địa chấn; seaz - góc back azimuth trạm địa chấn Từ ta tiến hành hiệu chỉnh lại hướng trạm địa chấn cách xoay lại hướng thành phần X Y trạm cho trùng với hướng Đông Bắc địa lý 2.2 Số liệu OBS Số liệu địa chấn đáy biển OBS sử dụng nghiên cứu Trường Đại học Khoa học Công nghệ Phương Nam Trung Quốc cung cấp, sở đợt thử nghiệm triển khai trạm OBS phía Đơng trung tâm Biển Đơng vào năm 2012 2014 (Hình 2, Bảng 1) Tổng số 36 trạm OBS thả xuống đáy biển quanh vị trí đới tách giãn trung tâm Biển Đơng Trong số có 17 trạm trục vớt thành cơng với 11 trạm địa chấn có số liệu chất lượng tốt để sử dụng trạm có chất lượng tài liệu Hầu hết trạm OBS đặt đáy biển với khoảng thời gian từ 7÷8 tháng, nhiên có trạm OBS thu khoảng tháng số liệu ảnh hưởng việc bị cạn kiệt lượng hỏng suốt trình vận hành (Liu nnk., 2014; Le nnk., 2018) Do ảnh hưởng dòng chảy ngầm sụt lún khơng địa hình đáy biển,… dẫn tới trạm địa chấn đáy biển bị nghiêng đáng kể ảnh hưởng lớn đến chất lượng băng ghi, có nhiều trường hợp biên độ sóng địa chấn bị đảo ngược pha gặp góc nghiêng lớn (Hùng nnk., 2019) Tập hợp số liệu địa chấn sử dụng chọn lọc trận động đất khoảng cách cách trạm địa chấn từ 20÷950 đảm bảo có xuất sóng mặt với biên độ đủ lớn thấy rõ băng địa chấn Sau đó, trận động đất xử lý với chiều dài 100 phút tính từ thời điểm xảy động đất Các số liệu lọc tần số thông qua lọc dải với tần số thay đổi khoảng Trần Danh Hùng nnk.,/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(2), 79-86 từ 0,01÷0,1 Hz để đảm bảo tìm dải tần số phù hợp, mà sóng mặt có biên độ cao tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn Sau số liệu sử dụng để chạy chương trình xác định góc xoay hiệu chỉnh hướng trạm địa chấn OBS Trong nghiên cứu nhóm tác giả tiến 83 hành lọc sóng sử dụng dải tần số 0,01÷0,1 Hz để thu biên độ lớn sóng Rayleigh mạch địa chấn Sau đó, tiến hành xác định thời gian đến sóng Rayleigh sử dụng vận tốc km/s khoảng cửa sổ thời gian dùng cho phân tích lấy trước thời điểm sóng đến 30 s sau thời điểm sóng đến 600 s Hình Bản đồ địa hình đáy biển khu vực nghiên cứu Biển Đông với 11 trạm OBS tam giác màu đỏ với tên trạm in đậm, tam giác màu đen với tên trạm in nghiêng trạm OBS bị số liệu có chất lượng Hình trịn phía bên trái thể vị trí trận động đất sử dụng Bảng Kết xác định góc quay để hiệu chỉnh hướng cho trạm OBS khu vực Biển Đông TT Tên trạm OBS Kinh độ (0) HY01 HY02 HY08 HY10 HY15 HY16 HY17 HY18 117,0006 116,3061 117,7965 116,9983 117,5370 118,2134 118,8037 119,2166 10 11 B04 B19 B32 117,011 116,499 117,999 Vĩ độ (0) Năm 2012 16,4054 16,2033 13,8004 14,5989 16,5033 16,4513 16,2010 15,8003 Năm 2014 14,0243 14,5006 14,3965 Chiều sâu (m) Hướng xoay  (0) - 4071 - 3750 - 4104 - 4276 - 3753 - 3920 - 3870 - 4739 220 20 218 166 154 49 330 20 - 4245,8 - 4301,1 - 3859,2 185 350 110 84 Trần Danh Hùng nnk.,/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(2), 79-86 Kết thảo luận Các kết xác định hướng cho 11 trạm OBS vùng Biển Đơng đưa Hình Bảng cho thấy, 11 trạm bị lệch hướng đáng kể so với hướng Bắc địa lý với góc khác Sau tiến hành hiệu chỉnh thu sóng Rayleigh xuất thành phần xuyên tâm với biên độ cực đại Trong biên độ Hình Hình ảnh sóng mặt Rayleigh (R) Love (L) phân bố thành phần xuyên tâm Radial theo góc xoay (các hướng) khác trạm địa chấn đáy biển HY15 sóng Lovê đạt giá trị cực đại thành phần tiếp tuyến (Hình 4) Hình thể thành phần xuyên tâm với góc xoay từ 0÷3600 cho thấy vị trí sóng Rayleigh sóng Love có biên độ thay đổi ứng với góc xoay khác Có thể thấy, vị trí góc xoay 1500 (vị trí R) biên độ sóng Love đạt giá trị nhỏ biên độ sóng Rayleigh đạt giá trị lớn vị trí góc xoay hiệu chỉnh cần xác định Trên thành phần tiếp tuyến ta thấy Hình Ba thành phần: thẳng đứng Z, xuyên tâm R tiếp tuyến T trạm địa chấn đáy biển HY15 vị trí góc xoay 1500 cho thấy sóng Rayleigh xuất thành phần thẳng đứng Z xuyên tâm R, sóng Love lại xuất thành phần tiếp tuyến T (hình dưới) Hình Kết xác định góc quay hiệu chỉnh hướng cho trạm địa chấn đáy biển B32, HY02, HY15 HY17 Trần Danh Hùng nnk.,/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(2), 79-86 hình ảnh ngược lại Các kết xác định góc xoay hiệu chỉnh tương ứng với hệ số tương quan liên kết Z R thể tốt, có tương đồng theo tất trận động đất sử dụng, đặc biệt trận động đất mà có hệ số tương quan liên kết lớn Để xác định góc hiệu chỉnh nhóm tác giả sử dụng góc có hệ số tương quan lớn 0,6 Các kết xác định hướng xoay hiệu chỉnh cho 11 trạm địa chấn khu vực Biển Đông thể Bảng Kết luận Phương pháp sử dụng sóng địa chấn Rayleigh để xác định hướng cho trạm địa chấn đáy biển OBS có ý nghĩa, mở hướng nghiên cứu tiếp thêo tương lai Cụ thể thời gian tới cần tiếp tục nghiên cứu sử dụng sóng dọc hoặc/và sóng ngang để định hướng cho trạm địa chấn đáy biển Nghiên cứu tiền đề để áp dụng sớm điều kiện nước ta có vùng biển trải dài, rộng lớn, hoạt động nghiên cứu cấu trúc sâu, nghiên cứu đặc điểm cấu kiến tạo khu vực, tìm kiếm thăm dị khống sản nghiên cứu mơi trường nhiều hạn chế, đòi hỏi nghiên cứu chi tiết với độ xác cao tương lai Lời cảm ơn Bài báo kết nghiên cứu đề tài cấp sở mã số T19 - 39 Tác giả chân thành cảm ơn GS.TS Ting Yang trường Đại học Khoa học Công nghệ Phương Nam (Southêrn Univêrsity of Science and Technology), TP Thâm Quyến, Trung Quốc cung cấp số liệu OBS để thực nghiên cứu Những đóng góp tác giả Trần Danh Hùng - tổng quan, phương pháp luận, phân tích số liệu, viết thảo báo; Phan Thiên Hương, Ting Yang - góp ý chỉnh sửa Tài liệu tham khảo Audet, P., (2016) Receiver functions using OBS data: Promises and limitations from numerical modelling and examples from the Cascadia Initiative Geophysical Journal International, 205(3), 1740-1755 Baker, G E., & Stevens, J L., (2004) Backazimuth 85 estimation reliability using surface wave polarization Geophysical research letters, 31(9) Bell, S W., Forsyth, D W., & Ruan, Y., (2015) Removing noise from the vertical component records of ocean-bottom seismometers: Results from year one of the cascadia initiative Bulletin of the Seismological Society of America, 105(1), 300-313 Briais, A., Patriat, P., & Tapponnier, P., (1993) Updated interpretation of magnetic anomalies and seafloor spreading stages in the south China Sea: Implications for the Tertiary tectonics of Southeast Asia Journal of Geophysical Research, 98(B4), 6299-6328 Brillon, C., Cassidy, J F & Dosso, S E., (2013) Onshore/offshore structure of the Juan de Fuca plate in northern Cascadia from Bayesian receiver function inversion Bulletin of the Seismological Society of America, 103(5), 29142920 Crawford, W C & Webb, S C., (2000) Identifying and Removing Tilt Noise from Low Frequency (