nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps để xác định chuyển dịch vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy lai châu - điện biên

Tuy nhiên trên các phương diện phương pháp luận và thực tế cần làm rõ khả năng đáp ứng các yêu cầu hiện đại của việc xác định chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS, ho

Bộ Tài nguyên và Môi trường BTNVMT Viện nghiên cứu Địa chính VNCĐC

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật

đề tài

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định chuyển dịch vỏ trái đất trên khu vực đứt g∙y

Lai Châu - Điện Biên

Chủ nhiệm đề tài: PGS TSKH Hà Minh Hoà

Bộ Tài nguyên và Môi trường

Viện nghiên cứu Địa chính

Tên đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định chuyển dịch vỏ trái đất trên khu vực đứt g∙y

Lai Châu - Điện Biên

Chủ nhiệm đề tài: PGS TSKH Hà Minh Hoà

Ngày tháng năm 2006 Ngày tháng năm 2006

chủ trì đề tài

PGS TSKH Hà Minh Hoà

Chủ tịch hội đồng cơ quan quản lý đề tài

TL Bộ trưởng

Bộ tài nguyên và môi trường

KT vụ trưởng

vụ khoa học và công nghệ phó vụ trưởng

TS Lê Kim Sơn

Những người thực hiện chính

1- PGS TSKH Hà Minh Hoà Viện nghiên cứu Địa chính

2- TS Nguyễn Ngọc Lâu Trường Đại học Bách khoa T.P.HCM

3- TS Lê Trung Chơn Trường Đại học Bách khoa T.P.HCM

4- TS Dương Chí Công Viện Địa chất – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 5- PGS TS Trần Đình Tô Viện Địa chất – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

6 TS Vy Quốc Hải Viện Địa chất – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 7- GS TSKH Phạm Hoàng Lân Trường ĐH Mỏ - Địa chất

8 K.S Phan Ngọc Mai Cục đo đạc và bản đồ

9- KS Đinh Văn Khánh Viện nghiên cứu Địa chính

10- KS Nguyễn Thị Thanh Hương Viện nghiên cứu Địa chính

Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1 Vai trò của trắc địa trong nghiên cứu địa động học

$1.1 Các vấn đề chung về địa động học

$I.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

$I.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

$I.2 Vai trò của lĩnh vực trắc địa động trong việc dự báo động đất

$1.3 Các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ

trái đất bằng phương pháp trắc địa

$I.4 Khả năng ứng dụng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ

$2.1 Các ứng dụng các máy thu hai tần số trong công nghệ GPS

$2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tầng đối lưu đến các trị đo GPS

$2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền

$2.4 Độ lệch và sự biến thiên tâm phase của anten Sự định hướng anten

$2.5 Độ lệch tâm pha anten phát của vệ tinh

$2.6 Kiểm tra sự trượt của chu kỳ

$2.7 ảnh hưởng của các yếu tố địa vật lý đến chất lượng đo GPS trên các

1-4 6-24 6-8 8-9 9-10 10-14 14-16

16-24

25-65

25-58

28-33 33-38 38-39 39-41

41 38-44 45-52

khoảng cách lớn

$2.8.Vấn đề xác định độ cao Anten máy thu trong việc áp dụng công nghệ

GPS

$2.9 Xác định số lượng ca đo và khoảng thời gian cho 1 ca đo

B Các tính năng kỹ thuật của các phần mềm hiện đại được sử dụng để xử lý

dữ liệu đo GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn

C Kết luận chương 2

Chương 3 Các yêu cầu về xây dựng mạng lưới GPS phục vụ việc nghiên

cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy

$3.1 Một số khái niệm cơ bản về đứt gãy kiến tạo

$3.2 Các yêu cầu về xây dựng lưới GPS để nghiên cứu chuyển động vỏ trái

đất trên các đới đứt gãy hoạt động

$3.3 Đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong Hệ thống các đới đứt gãy

chính ở Miến bắc Việt Nam

Chương 4 Các phương pháp xác định các véc tơ chuyển dịch của vỏ trái

đất

$4.1 Khái niệm về véc tơ chuyển dịch của vỏ trái đất

$4.2 Nghiên cứu các phương pháp xác định véc tơ chuyển dịch tương đối

của vỏ trái đất dựa trên kết quả đo lặp

$4.3 Nghiên cứu phương pháp xác định các vectơ chuyển dịch giữa hai chu

kỳ đo lặp

$4.4 Mô hình tham số biến dạng môi trường liên tục trong nghiên cứu

chuyển dịch ngang của vỏ trái đất

$4.5 Xác đinh sự thay đổi của dị thường độ cao được gây ra do sự biến thiên

của trọng trường Quả đất dựa trên kết quả đo lặp trọng lực theo các chu kỳ

Chương 5 Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc xử lý dữ liệu đo GPS

và phục vụ việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất

$5.1.Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc xử lý dữ liệu GPS trên mạng lưới

52-55

55-58

58-64 64-65 66-76

66-69 69-72

72-76

76-127

76-80 80-113

địa động học Lai Châu - Điện Biên

$5.2 Xác định hiệu độ cao trắc địa và các hiệu toạ độ phẳng dựa vào các

thành phần của vectơ baseline tin cậy nhất

$5.3 Quy trình xử lý dữ liệu đo GPS và xác định các vectơ chuyển dịch của

vỏ trái đất

Chương 6: Các kết quả xác định các vectơ chuyển dịch không gian, mặt

bằng và độ cao của các điểm thuộc mạng lưới địa động học Lai

Châu-Điện Biên giữa chu kỳ 1 và các chu kỳ 2, 3

1 Các kết quả xác định và phân tích các vectơ chuyển dịch không gian, mặt

bằng và độ cao của các điểm trắc địa không ổn định giữa chu kỳ 1 và chu kỳ

2 của mạng lưới địa động học Lai Châu-Điện Biên trong giai đoạn từ 2/2002

đến 2/2003

2 Các kết quả xác định và phân tích các vectơ chuyển dịch không gian, mặt

bằng và độ cao của các điểm trắc địa không ổn định giữa chu kỳ 1 và chu kỳ

3 của mạng lưới địa động học Lai Châu-Điện Biên

164 164-171

Các kết quả xác định chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu dự báo các tai biến địa chất, ví dụ như động đất, lũ quét v…v, nghiên cứu các hoạt

động tân kiến tạo bên trong lòng Quả đất; xác định các vị trí xây dựng các công trình lớn như

đập thuỷ điện, tuyến đường ống dẫn dầu v…v Để nghiên cứu các vấn đề nêu trên cần xây dựng các mạng lưới trắc địa địa động học trên phạm vi tương đối lớn và thường xuyên đo lặp các mạng lưới này theo các chu kỳ xác định Trong mối quan hệ này, phương pháp đo đạc trắc

địa truyền thống bộc lộ các nhược điểm cơ bản bao gồm các đòi hỏi về dựng cột tiêu ngắm, thông hướng và áp dụng các quy trình đo đạc chặt chẽ và tương đối phức tạp Phương pháp đo

đạc GPS cho phép khắc phục được các nhược điểm nêu trên Tuy nhiên trên các phương diện phương pháp luận và thực tế cần làm rõ khả năng đáp ứng các yêu cầu hiện đại của việc xác

định chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS, hoàn thiện quy trình thiết kế mạng lưới địa động học và đo đạc GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn; hoàn thiện các phương pháp xử lý dữ liệu đo đạc GPS độ chính xác cao; nghiên cứu sử dụng phần mềm BERNESE và xây dựng hệ thống phần mềm riêng của Việt Nam để xử lý dữ liệu đo GPS và xác định các vectơ chuyển dịch không gian, mặt bằng và đứng của vỏ trái đất dựa trên các các kết quả đo GPS trên poligon địa động học và áp dụng thực tế vào việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện Các vấn đề nêu trên tạo nên nội dung nghiên cứu của đề tài này Ngoài ra việc nghiên cứu lý thuyết của việc tính đến ảnh hưởng của sự thay

đổi gia tốc lực trọng trường đến kết quả xác định các vectơ chuyển dịch đứng bằng công nghệ GPS cũng là một nội dung nghiên cứu được chú trọng

Việc xác định các vectơ chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất trên phạm vi toàn cầu theo công nghệ GPS có thể thực hiện nhờ phần mềm GAMMIT (Mỹ) Khi đó các vectơ chuyển dịch tuyệt đối của các điểm được xác định nhờ các tốc độ chuyển dịch tuyệt đối của các trạm đo GPS thường trực trong mạng lưới IGS Tuy nhiên việc xác định các vectơ chuyển dịch tuyệt

đối của các điểm trên phạm vi nhỏ mà ở đó không có các trạm đo GPS thường trực trong mạng lưới IGS là công việc không đơn giản Vấn đề là ở chỗ mạng lưới GPS địa phương có chiều dài không quá 100 km chỉ đòi hỏi đo đạc GPS liên tục trong khoảng thời gian 1 - 2 ngày đêm, trong khi đó để kết nối với các điển IGS cần tiến hành đo đạc liên tục trong khoảng thời gian 7

- 10 ngày đêm Về nguyên tắc, để xác định các vectơ chuyển dịch tuyệt đối của các điểm cần

xử lý mạng lưới GPS địa phương cùng với mạng lưới GPS khu vực hoặc quốc tế Vấn đề này không được đặt ra trong khuôn khổ đề tài này Do đó trong trường hợp không xác định được các vectơ chuyển dịch tuyệt đối của các điểm chúng ta phải xác định các vectơ chuyển dịch tương đối trên cơ sở xác định các điểm ổn định vị trí (không gian, mặt bằng, đứng) giữa hai chu kỳ đo lặp và xác định các vectơ chuyển dịch các điểm không ổn định vị trí so với các điểm

ổn định vị trí Cơ sở của việc xác định các vectơ chuyển dịch tương đối là phương pháp bình sai lưới trắc địa tự do và được xem xét tương đối chi tiết trong Báo cáo đề tài này Theo nội dung nghiên cứu đề tài, nhóm nghiên cứu đã phát triển phần mềm ECME-GPS( Earth Crustall Movement Estimation by GPS technology) để xử lý dữ liệu đo GPS và xác định các vectơ chuyển dịch không gian, mặt bằng và đứng của vỏ trái đất, đặc biệt modul GUST được phát triển để xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao nhằm tính toán các vectơ baseline

Các kết quả nghiên cứu chuyển dịch của đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong giai đoạn 2/2002 - 2/2004 được trình bày trong chương 6 của Báo cáo đề tài này

Lời nói đầu

Nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất là một lĩnh vực khoa học - kỹ thuật quan trọng của Trắc địa cao cấp Ngày nay, việc xác định chuyển dịch của vỏ trái đất bằng phương pháp trắc địa được thừa nhận là tin cậy nhất để dự báo động đất và là một trong những cơ sở quan trọng để nghiên cứu các quá trình kiến tạo diễn ra trong lòng Qủa

đất

Cho đến đầu những năm 90 của thế kỷ XX, việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất chủ yếu được thực hiện nhờ phát triển các mạng lưới trắc địa truyền thống trên các khu vực có cấu tạo địa chất phức tạp như các đứt gãy, khe nứt v v , thêm vào đó các mạng lưới trắc địa này (còn được gọi là các mạng lưới địa động học) được đo lặp theo các chu kỳ Việc nghiên cứu chuyển dịch ngang và chuyển dịch đứng của vỏ trái

đất được tách rời nhờ xây dựng các mạng lưới trắc địa mặt bằng và các mạng lưới thuỷ chuẩn hình học độ chính xác cao Do các yếu tố khí tượng như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm

và trọng trường Qủa đất thay đổi theo mùa, nên để nghiên cứu chuyển dịch đứng của

vỏ trái đất cần tiến hành đo lặp mạng lưới thuỷ chuẩn hình học độ chính xác cao theo mùa Yêu cầu xác định các véc tơ chuyển dịch độ chính xác cao với tần suất đo lặp lớn

và việc chôn mốc, dựng cột tiêu, đảm bảo sự thông hướng (đối với các mạng lưới trắc

địa mặt bằng) đã hạn chế việc phát triển các mạng lưới địa động học truyền thống để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trong phạm vi rộng lớn

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX cho đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng các mạng lưới trắc địa đã tạo ra một cuộc cách mạng khoa học - kỹ thuật mới trong lĩnh vực trắc địa Bởi vì mạng lưới GPS là mạng lưới không gian ba chiều, nên việc đo lặp mạng lưới GPS cho phép đồng thời xác định cả véc tơ chuyển dịch ngang lẫn véc tơ chuyển dịch đứng của vỏ trái đất Với các ưu điểm cơ bản của công nghệ GPS như không đòi hỏi sự thông hướng giữa các điểm, đo đạc được tiến hành trong mọi điều kiện thời tiết, bằng công nghệ GPS có thể nhanh chóng phát triển mạng lưới địa động học trên phạm vi lãnh thổ lớn Bên cạnh việc không ngừng hoàn thiện các thiết bị thu tín hiệu vệ tinh, các dịch vụ được cung cấp bởi Tổ chức dịch vụ GPS quốc tế (IGS) như lịch vệ tinh chính xác, các sai số đồng hồ vệ tinh, các tham số quay Qủa đất, các tham số đặc trưng cho độ trễ tầng đối lưu phương thiên đỉnh, các tọa

độ của các điểm thuộc mạng lưới IGS cùng tốc độ xê dịch của chúng được xác định trong khung qui chiếu Qủa đất (ITRF) và các mô hình cải chính các trị đo GPS dưới tác

động của các yếu tố địa vật lý như hiện tượng triều của Qủa đất cứng, sức tải của sóng

ở các đại dương, triều cực Qủa đất và sức tải áp lực khí quyển được cung cấp bởi Tổ chức dịch vụ quay Qủa đất quốc tế (IERS) cho phép nhận được các vec tơ baselines độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn Theo [45] bằng công nghệ GPS có thể đạt

được độ chính xác vị trí mặt bằng ở mức 1-3 mm và độ chính xác hiệu độ cao trắc địa lớn hơn 10 mm Như vậy phương pháp đo đạc GPS với việc sử dụng các dịch vụ cuả Tổ chức IGS hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu hiện đại của việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất

Không còn nghi ngờ gì nữa, công nghệ GPS đang trở thành công nghệ chủ đạo trong việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất [8,9] Tuy nhiên, để làm chủ được công nghệ này cần tiến hành các nghiên cứu cơ bản bao gồm việc xác định các yếu tố

ảnh hưởng đến độ chính xác đo đạc và xử lý dữ liệu GPS để hoàn thiện quy trình đo GPS; lựa chọn hoặc xây dựng các phần mềm thích hợp để xử lý dữ liệu GPS; phát triển các các thuật toán để xác định các véc tơ chuyển dịch (ngang và đứng) dựa trên các véc tơ baselines và phân tích các véc tơ chuyển dịch ngang để xác định các vùng co, dãn của vỏ trái đất; nghiên cứu ảnh hưởng của sự biến thiên trọng trường Qủa đất đến chất lượng xác định các véc tơ chuyển dịch đứng của vỏ trái đất Các vấn đề nêu trên xác

định mục đích và các nội dung nghiên cứu của đề tài này trên cơ sở 3 chu kỳ đo lặp GPS trên mạng lưới địa động học Lai Châu - Điện Biên Ngoài ra, việc thực hiện đề tài này không chỉ cho phép đánh giá định lượng trạng thái của đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong giai đoạn 2/2002 – 2/2004, mà còn tạo điều kiện để nhóm nghiên cứu tự xây dựng công nghệ xử lý dữ liệu GPS tự động bắt đầu từ khâu xử lý dữ liệu đo GPS cho

đến khâu xác định các vectơ chuyển dịch ( không gian, ngang, đứng) dưới dạng một tổ hợp phần mềm hoàn chỉnh

Đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên là đới dứt gãy đang hoạt động mạnh Gắn liền với nó là các trận động đất đến 5,5 độ Rich Te Việc thực hiện đề tài không chỉ góp phần vào việc hoàn thiện công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất, mà còn cung cấp các thông tin quí báu ban đầu để phục vụ việc nghiên cứu các quá trình kiến tạo đang diễn ra ở khu vực này

Trong sự phối hợp với các nước khu vực Châu á - Thái Bình Dương để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất tại khu vực này, từ 1998 Tổng cục Địa chính (cũ) đã xây dựng mạng lưới địa động học gồm 5 điểm phân bố đều trên cả nước và tiến hành đo lặp hàng năm Việc xử lý dữ liệu GPS và tính toán tốc độ chuyển dịch không gian của các

điểm này được thực hiện chủ yếu bởi các nước đồng tổ chức Dự án mạng lưới trắc địa

khu vực Châu á - Thái Bình Dương như Australia, Nhật và Trung Quốc Cục Đo đạc và Bản đồ thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm Bernese để xử lý tính toán mạng lưới này

Viện Địa chất thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia (nay là Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã phát triển mạng lưới GPS gồm 8 điểm cùng với mạng lưới tam giác hạng II để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất trên đới đứt gãy Sông Hồng Mạng lưới GPS nêu trên được đo năm 1996 Việc phối hợp các dữ liệu

đo đạc truyền thống và dữ liệu GPS là nét đặc trưng của công tác nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất trên đới đứt gãy Sông-Hồng

Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm nghiên cứu đặt ra mục tiêu hoàn thiện các quy trình đo đạc GPS độ chính xác cao trên các Pôligôn địa động học và bước đầu xây dựng tổ hợp phần mềm ECME-GPS (Earth Crustal Movement Estimation by GPS technology) để xử lý dữ liệu đo GPS và đánh giá các véc tơ chuyển dịch của vỏ trái đất

Để đạt được mục tiêu này đã hình thành nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học

và các chuyên gia thuộc Viện nghiên cứu Địa chính và Cục đo đạc – bản đồ thuộc Bộ tài nguyên và môi trường, Viện Địa chất thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam , Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Trường đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

Trong báo cáo khoahọc - kỹ thuật của đề tài:

PGS T.S.K.H Hà Minh Hoà biên soạn chương 1; chương 2 (cùng với T.S Nguyễn Ngọc Lâu); các mục $4.1, $4.2, $4.3 của chương 4; chương 5 và chương 6

PGS T.S Trần Đình Tô biên soạn chương 3

T.S Dương Chí Công biên soạn mục $4.4 của chương 4

G.S T.S.K H Phạm Hoàng Lân biên soạn mục $4.5 của chương 4

Trong tổ hợp phần mềm ECME-GPS, T.S Nguyễn Ngọc Lâu xây dựng mođun phần mềm GUST (Gps Using Sequential Technique) xử lý dữ liệu đo GPS để tính các vectơ baseline theo từng chu kỳ đo; PGS T.S.K.H Hà Minh Hoà xây dựng các mô

đun để kiểm tra và tìm kiếm các vectơ baseline thô theo từng ca đo, ghép nối các kết quả tính toán các vectơ baseline theo các ca đo, bình sai mạng lưới GPS, phân tích các thành phần của vectơ baseline thành các hiệu tọa độ phẳng và hiệu độ cao trắc địa, xác

định các điểm trắc địa ổn định giữa hai chu kỳ và đánh giá xác định các vectơ chuyển dịch không gian, ngang, đứng của các điểm trắc địa không ổn định giữa hai chu kỳ dựa trên cơ sở thuật toán - TưTđược triển khai trong quy trình của phương pháp bình sai

PGS T.S Trần Đình Tô, T.S Dương Chí Công, T.S Vy Quốc Hải đã biên soạn Quy trình đo GPS trên mạng lưới địa động lực

Các kết quả nghiên cứu của đề tài được tổng kết trong các tài liệu sau:

- Báo cáo khoa học - kỹ thuật của đề tài;

- Các kết quả xử lý dữ liệu đo GPS trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong giai đoạn 2/2002 - 2/2004;

- Quy trình đo GPS trên mạng lưới địa động lực;

- Quy trình sử dụng các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao

để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất

Báo cáo khoa học - kỹ thuật chứa đựng các nội dung nghiên cứu như “ Nghiên

cứu thiết kế lưới địa động học được xây dựng bằng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch hiện đại của vỏ Trái đất” ( mục 3.2, chương 3), “ Nghiên cứu ứng dụng một số mô hình biến dạng vỏ Trái đất, xây dựng và thực nghiệm một số mô đun phần mềm xử lý dữ liệu GPS và xác định vectơ chuyển dịch của vỏ Trái đất” (chương 4, chương 5), “ Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường Quả đất đến chuyển dịch thẳng đứng của vỏ Trái đất “ (mục 4.5, chương 4) và sản phẩm của đề tài “ Kết quả nghiên cứu chuyển dịch của vỏ Trái đất khu vực đứt gãy Lai Châu - Điện Biên theo

3 chu kỳ”

Tài liệu Quy trình đo GPS trên mạng lưới địa động lực chứa đựng nội dung

nghiên cứu và sản phẩm của đề tài “ Xây dựng quy trình đo GPS trên lưới địa động học”

Tài liệu Quy trình sử dụng các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ Trái đất chứa đựng nội dung nghiên cứu

“ Xây dựng Hệ thống quản lý các điểm thuộc mạng lưới địa động học Lai Châu - Điện Biên” và sản phẩm của đề tài “ Một số mô đun phần mềm tính vectơ chuyển dịch của

vỏ Trái đất” thuộc phần mềm ECME – GPS do nhóm nghiên cứu xây dựng, sản phẩm của đề tài “ Quy trình sử dụng phần mềm BERNESE để xử lý dữ liệu GPS và xác định vectơ chuyển dịch của vỏ Trái đất “

Tài liệu Các kết quả xử lý dữ liệu đo GPS trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong giai đoạn 2/2002 - 2/2004 chứa đựng các nội dung nghiên cứu “ Đo 3 chu

kỳ lưới địa động học khu Lai Châu - Điện Biên bằng công nghệ GPS “ và “ Xử lý tính toán các kết quả đo GPS ( trong 3 chu kỳ) và xác định các vectơ chuyển dịch (ngang,

đứng) của vỏ Trái đất trong khu vực đứt gãy Lai Châu - Điện Biên”

Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã được báo cáo tại Hội thảo khoa học chuyên đề “Nghiên cứu tai biến địa chất ở Việt nam” do Bộ tài nguyên và môi trường

tổ chức ngày 14/8/2003, Hội nghị khoa học Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai lần thứ nhất do Viện Nghiên cứu Địa chính tổ chức vào 12/2004 và Hội nghị khoa học do Viện Địa chất Khoáng sản tổ chức vào 5/2005

Trong Báo cáo đề tài sử dụng một số thuật ngữ sau:

- Vectơ baseline hay baseline chỉ vectơ nối hai điểm trong hệ tọa độ không

gian mà các thành phần của vectơ đó là các hiệu tọa độ không gian giữa hai điểm đó

- Vectơ baseline phẳng chỉ vectơ nối hai điểm trong hệ tọa độ phẳng mà các

thành phần của vectơ đó là các hiệu tọa độ phẳng giữa hai điểm đó

Các tác giả của đề tài mong muốn sự hợp tác tiếp theo của các nhà khoa học và các chuyên gia quan tâm đến việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS

Chương 1 Vai trò của trắc địa trong nghiên cứu

địa động học

$1.1 Các vấn đề chung về địa động học

Địa động học là lĩnh vực khoa học về Qủa đất nằm giao tiếp giữa các lĩnh vực trắc địa, địa vật lý, thiên văn và đại dương học Nhiệm vụ của địa động học là nghiên cứu sự thay đổi vị trí của các điểm của Quả đất và các thành phần của trọng trường Qủa đất theo thời gian

Theo [7] năm 1958 Molodenxkii M.X đã đưa ra khái niệm về trắc địa động (Kinematic geodesy) và trắc địa động lực học (Dynamic geodesy), theo đó trắc địa

động nghiên cứu sự thay đổi vị trí của các điểm trên bề mặt Quả đất và sự biến thiên của trọng trường Quả đất, còn trắc địa động học nghiên cứu các lực là các nguyên nhân gây ra sự biến thiên của các tham số đặc trưng cho Quả đất Các hiện tượng thay đổi vị trí của các điểm trên bề mặt Quả đất, sự biến thiên của trọng trường Quả đất và sự biến thiên của các tham số đặc trưng cho Quả đất đều được gọi là các hiện tượng địa động học

Như vậy bài toán nghiên cứu chuyển dịch của vỏ Quả đất thuộc lĩnh vực trắc

địa động và nội dung nghiên cứu của đề tài này thuộc phạm vi nghiên cứu của trắc địa

động

Các hiện tượng địa động học được phân loại như sau [1]:

1 Toàn cầu: bao gồm sự chuyển động của cực Qủa đất; sự quay không đồng

đều của Qủa đất; sự thay đổi tâm vật chất của Qủa đất; sự thay đổi của mực nước biển;

sự biến thiên toàn cầu của địa thế năng theo thời gian; sự thay đổi của các hiện tượng thuỷ triều

Hiện tượng địa động học toàn cầu thường được nghiên cứu để xây dựng các hệ tọa độ động học Hệ tọa độ động học quốc tế ITRF được Tổ chức IGS xây dựng trên cơ

sở tính đến ảnh hưởng của các hiện tượng địa động học nêu trên ở Việt nam quan

điểm xây dựng hệ tọa độ động học quốc gia được nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ tài nguyên và Môi trường trong giai đoạn 2002 - 2004 [108]

2 Phạm vi lớn trải dài trên các khoảng cách từ 1000-10.000km: bao gồm sự chuyển động của các khối lớn của vỏ trái đất (các mảng kiến tạo); sự thay đổi động học

của bề mặt các biển và đại dương; sự biến thiên của địa thế năng trong phạm vi các lục

địa, đại dương; sự biến thiên của các tham số thuỷ triều Qủa đất

3 Khu vực trong phạm vi 100-1000km: bao gồm sự thay đổi vị trí của các điểm trên bề mặt Qủa đất trong phạm vi khu vực; sự biến thiên của gia tốc lực trọng trường

4 Địa phương trong phạm vi 100 km: bao gồm chuyển động vỏ trái đất; biến thiên của gia tốc lực trọng trường theo thời gian

Như vậy trắc địa động chủ yếu nghiên cứu các hiện tượng địa động học trong phạm vi tối đa đến 10.000km Một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của trắc địa

động là xác định chuyển dịch của vỏ trái đất nhằm phục vụ việc nghiên cứu các quá trình động đất, chuyển dịch các mảng kiến tạo, các cơ chế tạo núi và trạng thái bề mặt của núi lửa [3, p.36]

Các hiện tượng địa động học phạm vi lớn, khu vực và địa phương liên quan chủ yếu với các quá trình diễn ra ở lớp trên của hạt nhân Qủa đất và trong vỏ trái đất Việc nghiên cứu sự chuyển dịch của các mảng kiến tạo bên trong vỏ trái đất và sự biến thiên trọng trường Qủa đất theo thời gian sẽ cho phép hiểu biết đúng đắn hơn về các quá trình kiến tạo và đánh giá đúng đắn hơn các tiềm năng của các khu mỏ và các nguyên liệu quý, và phục vụ việc dự báo các tai biến tự nhiên như động đất, lũ quét v…v Việc nghiên cứu sự chuyển dịch của vỏ trái đất ở các khu vực địa chấn mạnh cho phép dự báo động đất Việc nghiên cứu sự thay đổi vị trí của các điểm trên bề mặt Qủa đất và

sự biến thiên trọng trường Qủa đất cho phép đảm bảo duy trì độ chính xác cao của các mạng lưới thiên văn - trắc địa và trọng lực nhờ việc xác định các số cải chính do sự thay đổi của tọa độ và gia tốc lực trọng trường theo thời gian

Các kết quả đo đạc thiên văn trắc địa để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất

đã chỉ ra rằng vỏ trái đất có chuyển dịch ngang [1, 2] Nguyên nhân của hiện tượng này

là do sự mở rộng của đáy các đại dương ở biên của các mảng kiến tạo do sự tuôn trào vật chất từ hạt nhân của Qủa đất Dọc theo các dãy núi dưới các đại dương đã phát hiện

được các dị thường từ trường ở hai bên sườn của chúng do sự xuất hiện từ trường còn lại của các vật chất tuôn ra từ hạt nhân Qủa đất

Sự biến thiên của trọng trường Qủa đất theo mùa đang là trọng tâm nghiên cứu của các nhà trắc địa Theo kết quả nghiên cứu trong [3], sự thay đổi gia tốc lực trọng trường ở vùng núi lửa ở Nam ý đạt tới 0,4 mgl ở New zeland, theo kết quả nghiên cứu trong [4], ở các vùng gần nguồn địa nhiệt sự thay đổi gia tốc lực trọng trường đạt tới 0,3-1,0mgl

Nguyên nhân của sự biến thiên trọng trường Qủa đất bao gồm:

- Sự xê dịch của vật chất bên trong vỏ Qủa đất hoặc ở các lớp bề mặt Qủa đất,

đặc biệt ở các vùng núi lửa hoạt động;

- Sự thay đổi độ hấp thụ độ ẩm của các lớp đất ở bề mặt Qủa đất;

- Sự biến thiên của tốc độ quay của Qủa đất Theo [2], sự thay đổi tương đối của vận tốc quay của Qủa đất cỡ 1.10-8 sẽ dẫn đến sự thay đổi lực trọng trường trên toàn cầu ở mức 0,03 mgl;

- Trong phạm vi khu vực và địa phương, sự thay đổi của gia tốc lực trọng trường còn liên quan với các hoạt động của con người như khai thác mỏ, xây dựng hồ chứa nước lớn, san đồi xẻ núi v v

Trong kết quả nghiên cứu sự chuyển dịch đứng của vỏ Qủa đất theo kết quả đo lặp thuỷ chuẩn cần phải tách ra sự ảnh hưởng do sự biến thiên của gia tốc lực trọng trường Qủa đất Theo kết quả nghiên cứu của địa chất thuỷ văn, sự thay đổi theo mùa của lực trọng trường có thể đạt tới 0,1 mgl, tức sự thay đổi của độ cao ở mức 20 mm [5] Khi không tính đến sự thay đổi của gia tốc lực trọng trường Qủa đất, các kết quả

đo lặp thuỷ chuẩn không đặc trưng cho sự chuyển dịch đứng của vỏ trái đất, mà chỉ đặc trưng cho sự thay đổi của thế lực trọng trường ở các mốc thuỷ chuẩn, tức chỉ mô tả sự thay đổi dòng chẩy của các con sông, suối

Điều này chỉ ra một thực tế rằng để nghiên cứu sự chuyển dịch đứng của vỏ trái

đất cần kết hợp các dữ liệu đo đạc thuỷ chuẩn hình học và đo đạc trọng lực

Sự biến thiên gia tốc lực trọng trường sẽ dẫn đến sự biến thiên của hiệu độ cao Geoid giữa hai điểm Do đó việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với việc đo đạc trọng lực độ chính xác cao là cơ sở để áp dụng công nghệ này vào việc nghiên cứu chuyển dịch đứng của vỏ trái đất

$I.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất để xác định sự chuyển dịch của các mảng kiến tạo và dự báo các tai biến tự nhiên (động đất, lũ quét v…v) được nhiều nước

và các tổ chức quốc tế tiến hành

Các kết quả đo lặp trắc địa trong các vùng đứt gẫy ở biên của các mảng kiến tạo

đã xác định được sự chuyển động tương hỗ của chúng Tốc độ xê dịch của mảng Châu

Mỹ tương ứng với mảng Thái Bình Dương đạt cỡ 4cm/1năm Tốc độ xê dịch của mảng Thái Bình Dương là lớn nhất với đại lượng khoảng 5cm/1năm Mảng Âu - á có tốc độ

xê dịch thấp nhất với đại lượng khoảng 2cm/1 năm.[2]

Các kết quả đo lặp thuỷ chuẩn đã xác nhận sự chuyển dịch đứng của vỏ trái đất

Ví dụ ở vùng Trung á thuộc Liên Xô cũ đã ghi nhận được tốc độ chuyển dịch đứng ở

vùng Alma - Ata đến 10cm/1 năm; ở vùng đứt gẫy Predgornưi phát hiện được sự nâng lên của mặt đất với tốc độ 2-5cm/1 năm; ở vùng động đất Gazli đã phát hiện được sự

nâng của bề mặt Qủa đất đến đại lượng 0,8 m [7]

Với việc sử dụng hệ thống vệ tinh trắc địa quĩ đạo thấp hoàn toàn có thể kiểm

soát một cách tin cậy sự thay đổi mực nước biển ở mức 20 cm so với mực nước biển

trung bình [12]

ở Liên Xô (cũ) từ những năm 70 của thế kỷ XX đã phát triển hệ thống vệ tinh

trắc địa Geo - ik với quĩ đạo tròn ở độ cao 1500 km và góc nghiêng quĩ đạo 74 0 và 830 Nhờ hệ thống này đã dự báo được động đất ở vùng Xpitak [12] Hiện nay, xuất phát từ các yêu cầu hiện đại của việc giải quyết các bài toán địa động học, ở Liên Bang Nga đã phát triển hệ thống vệ tinh trắc địa thế hệ thứ ba Geo - ik 2 Hệ thống này có nhiệm vụ giải quyết tất cả các bài toán địa động học hiện đại đã nêu ở trên [13]

Quỹ đạo của vệ tinh Geo-ik 2 được xác định nhờ phương pháp đo vệ tinh-vệ tinh

từ các vệ tinh của hệ thống GLONASS và từ các trạm đo mặt đất Hiện nay, độ chính

xác đo chiều dài khoảng cách lớn (đến 3000 km) ở mức 2-3cm nhờ hệ thống Geo - ik 2

Trong tài liệu [111] đã thông báo về trận động đất với cường độ 8 độ Richte xẩy

ra ở đảo phía Tây của New Ireland ngày 16/11/2000 trên ranh giới của mảng Thái Bình Dương và mảng Nam Bismarck Các kết quả đo GPS đã phát hiện sự chuyển dịch kiến tạo ở mức 0,3 m ở Tây Malasait cho đến trên 5,5 m ở gần đứt gãy Weitin

$I.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Vấn đề nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất đã được nhiều nhà trắc địa Việt Nam quan tâm Từ giữa những năm 1980, Cục đo đạc và bản đồ Nhà nước đã tiến hành nghiên cứu chuyển dịch ngang của vỏ trái đất trên khu vực khe nứt Chí Linh bằng phương pháp tam giác theo công nghệ truyền thống[17]

Nghiên cứu chuyển dịch thẳng đứng của vỏ trái đất bằng phương pháp thuỷ chuẩn hình học cũng được nhiều nhà trắc địa quan tâm, ví dụ trong [18,19]

Việc sử dụng phương pháp bình sai mạng lưới trắc địa tự do để nghiên cứu sự ổn

định các các điểm thuỷ chuẩn của mạng lưới thuỷ chuẩn gốc dựa trên kết quả đo lặp

được thực hiện năm 1986 [93]

Trong thập niên 90 của thế kỷ XX, việc nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất chủ yếu được thực hiện bởi Viện địa chất, Trung tâm KHTN & CNQG [20, 21, 22] Với mục đích nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy Sông Hồng, vào năm 1982 đã xây dựng mạng lưới Thác Bà - Yên Bái bao gồm 13 điểm tam giác hạng I,II phân bố đều trên các cánh của các đứt gãy Sông Hồng và Sông Chảy thuộc

địa phận các tỉnh Yên Bái, Tuyên Quang, Vĩnh Phú, Phú Thọ Cuối năm 1993, mạng lưới được bổ sung thêm 8 điểm GPS [10, 23]

Mặc dù công nghệ GPS đã được áp dụng trong nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy Sông Hồng, nhưng sự hoàn thiện các cơ sở lý luận của việc ứng dụng công nghệ này để xác định các vectơ chuyển dịch không gian, ngang và

đứng đòi hỏi phải tiếp tục những nghiên cứu mới dựa trên những thành tựu khoa

học-kỹ thuật mới

Bắt đầu từ năm 1998, Việt Nam tham gia mạng lưới địa động học khu vực Châu

á-Thái Bình Dương được xây dựng bằng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất trong khu vực này[11]

$I.4 Vai trò của lĩnh vực trắc địa động trong việc dự báo động đất

Ngày nay trước các thảm hoạ của các tai biến tự nhiên như động đất, sóng thần,

lũ quét v…v gây ra cho con người, công tác nghiên cứu dự báo các tai biến đó ngày càng được quan tâm trên phạm vi toàn cầu

Sự không đồng nhất về cơ học và cấu tạo vật chất của các tầng đất tạo ra vô số

sự tán xạ của các dị thường khác nhau trong không gian rộng lớn với ranh giới không xác định được Trong quá trình này đã hình thành các cấu trúc kiến tạo dạng duỗi thẳng (các đứt gẫy, khe nứt…) trong vỏ Qủa đất với tính chất cơ học của đất bị làm yếu

đi Các cấu trúc này đóng vai trò các kênh truyền các dị thường ra các khoảng cách lớn [6]

Sự tích luỹ năng lượng cho một trận động đất sẽ được phản ánh trên các đứt gẫy với tốc độ chuyển dịch thẳng đứng tăng nhanh Ví dụ trong vòng 2 năm rưỡi trước trận

động đất Xarưcamưs (1970 với M = 6,8), tại một đứt gẫy ở Alma-Ata cách tâm địa chấn 160km đã phát hiện được chuyển dịch thẳng đứng với tốc độ trung bình 35mm/1

năm [6] Sau trận động đất, hiện tượng này không xẩy ra nữa

Hệ thống dự báo động đất hiện nay (được gọi là chiến lược dị thường) được đặt trên cơ sở phát hiện các vùng địa chấn và tiến hành quan sát các quá trình diễn ra trong các vùng này không phải bằng phương pháp trực tiếp, mà bằng phương pháp giải bài

toán ngược theo các dị thường gián tiếp được sinh ra ở các vùng địa chấn trong các trường khác nhau: địa chấn, địa chất thuỷ văn, hoá địa, điện từ…

Tuy nhiên, vấn đề là ở chỗ môi trường của các tầng đất không đồng nhất Do đó không thể cục bộ được các vùng tích luỹ năng lượng dựa trên các dị thường được sinh

ra bởi chúng Điều này có nghĩa là không thể xác định được chính xác vùng đang tích luỹ năng lượng địa chấn đàn hồi và không thể theo dõi chi tiết các quá trình chuẩn bị giải phóng năng lượng dưới dạng 1 trận động đất

Trong chiến lược dị thường còn đặt cơ sở cho việc nghiên cứu các hiện tượng gián tiếp song hành với quá trình chuẩn bị giải phóng năng lượng Các hiện tượng gián tiếp không cho các kết quả dự báo tin cậy

Theo kết luận của Keilis - Boroc V.I., viện sĩ viện hàn lâm khoa học Nga, viện trưởng viện lý thuyết dự báo động đất quốc tế [6], hệ thống dự báo động đất hiện nay:

- Dự báo vị trí động đất với độ chính xác hàng trăm km;

- Xác định năng lượng được giải phóng của trận động đất sắp tới với độ chính xác đến 6 bậc;

- Dự báo thời gian động đất với độ chính xác hàng năm trời

Chính vì vậy, giá trị của dự báo động đất không cao và gây ra sự báo động giả cũng như sự bình yên giả Ví dụ trận động đất năm 1989 ở California, người ta chờ nó

ở Parkfill, trong khi nó xẩy ra ở San - FranSisco cách Parkfill 300km

Phương pháp địa vật lý chỉ xác định được 1 phổ rất hẹp của vỏ trái đất - sự chuyển động địa chấn nẩy sinh khi giải phóng nhanh năng lượng địa chấn đàn hồi được tích luỹ khái lược trong các tầng đất Khi xẩy ra việc tích luỹ năng lượng địa chấn đàn hồi cho một trận động đất tương lai hoặc hoạt động tân kiến tạo biểu hiện bởi hoạt

động của các đứt gãy, thường xuất hiện các hiện tượng dập vỡ đất đá và làm thay đổi các tính chất vật lý của các lớp đất đá trong chiều sâu của Quả đất Các biểu hiện của

sự thay đổi tính chất vật lý của các lớp đất đá bị dập vỡ bao gồm sự thay đổi mật độ vật chất của các lớp đất; điện trở suất giảm; sự thoát ra từ mặt đất một số khí như radon, acgon, hêli, NH4,CO2v v [113] Các biểu hiện nêu trên là cơ sở để áp dụng các phương pháp địa vật lý trong các nghiên cứu các hoạt động tân kiến tạo

Phương pháp tốt nhất để nghiên cứu dự báo động đất phải có 3 tính chất:

- Phạm vi không gian: các véc tơ xê dịch của các điểm quan sát cần được xác

định trong hệ tọa độ thống nhất trên lãnh thổ rộng lớn với kích thước vài chục đến hàng trăm km;

- Xác định dạng của biến dạng: hệ thống các điểm quan sát cần đảm bảo xác

định 1 cách tin cậy hình dạng của đường cong biến dạng không gian trong toàn bộ

chiều dài của nó;

- Độ chính xác: đảm bảo xác định sự thay đổi của các xê dịch tương hỗ của các

điểm với sai số tương đối 10-6

Phương pháp địa vật lý không đáp ứng được tính chất thứ nhất và thứ hai Do đó, ngày nay phương pháp trắc địa đang nổi lên như là phương pháp tốt nhất để nghiên cứu

dự báo động đất

Với các kiến thức hiện đại về cấu tạo bên trong của vỏ trái đất và dựa trên các kết quả phân tích các dữ liệu trắc địa trên các polygon địa động học có thể đi đến các kết luận sau:

1 Các vùng địa chấn của các trận động đất mạnh liên quan chặt chẽ với các đứt gẫy kiến tạo hoạt động mạnh Các nguyên nhân sinh ra, hình thành và hoạt động mạnh của các vùng địa chấn đều liên quan tới việc tăng và giảm dần hoặc hoàn toàn chấm dứt chuyển động thẳng đứng của vỏ trái đất trên các đứt gẫy này Các thành phần của

đứt gẫy có sự chuyển dịch thẳng đứng có qui luật nêu trên càng dài thì năng lượng địa chấn được tích lũy càng lớn

2 Khi chuẩn bị giải phóng năng lượng của một trận động đất lớn, biến dạng địa chấn được tích lũy theo toàn bộ bề dầy của lớp “đàn hồi” địa chấn của lớp vỏ Qủa đất

từ bề mặt đến nền của nó (10-25km) Trước động đất, độ nén đàn hồi được tích lũy ở lớp trên của vỏ trái đất Sau động đất, độ nén này được giải phóng hết

3 Biến dạng địa chấn là sự xê dịch đàn hồi không đồng nhất, nhưng thay đổi theo qui luật trong không gian ở các vùng đang chuẩn bị địa chấn thường xuất hiện sự uốn cong đàn hồi có qui luật ở các tầng đất của vỏ trái đất Sự uốn cong đàn hồi phân

bố theo hàm lũy thừa với cơ số e: nó đạt giá trị cực đại ở trung tâm vùng địa chấn và giảm nhanh về 2 phía kể từ trung tâm ra ngoại vi của vùng địa chấn

Trung tâm

S km

d, M

Sự thay đổi cực đại độ cong của đường cong trùng với hướng vuông góc với đứt gẫy

4 Trong các vùng địa chấn của các trận động đất mạnh (M>7), sự uốn cong đàn hồi thâm nhập vào các vật thể của các khối tiếp xúc nhau theo đứt gẫy địa chấn đến 10-

15 km, tức chiều rộng của vùng tích lũy độ cong đàn hồi khoảng 20-50 km Sự xê dịch

đàn hồi của các tầng đất ở vùng địa chấn của các trận động đất mạnh đạt đến độ lớn 1 vài mét

5 Mặt Qủa đất ở phần trên vùng địa chấn đang chuẩn bị tích lũy năng lượng cũng bị uốn cong theo qui luật tăng theo thời gian Đây là dấu hiệu tin cậy duy nhất chỉ

ra sự tích lũy biến dạng địa chấn ở vùng địa chấn

Vào giữa những năm 60 và đầu những năm 70 của thế kỷ XX dựa trên kết quả

đo lặp thủy chuẩn đã phát hiện được một qui luật rất quí giá: Sự nâng lên đáng kể của

bề mặt Qủa đất với tốc độ vượt quá độ chính xác đo đạc thủy chuẩn trên phần lãnh thổ rộng lớn vài trăm km có liên quan đến sự chuẩn bị của trận động đất lớn

Theo báo cáo trong [7], trên lãnh thổ Liên Xô cũ đã ghi nhận được nhiều trường hợp trồi dị thường của bề mặt Qủa đất trước khi có các trận động đất mạnh: hai trường hợp ở vùng Kavkaz lớn và một trường hợp ở vùng động đất Xpitak

Vùng dị thường là vùng có sự trồi lên dị thường của bề mặt Qủa đất với các dấu hiệu sau [7]:

- Tốc độ trung bình của chuyển dịch đứng lớn hơn tốc độ chuyển dịch kiến tạo nhận được theo các dữ liệu địa vật lý;

- Trong giới hạn của mạng lưới thuỷ chuẩn, vùng dị thường có tốc độ trồi lên vượt quá tốc độ biến dạng trung bình của toàn lãnh thổ;

- Tốc độ trồi lên lớn hơn 2 lần sai số trung phương xác định tốc độ chuyển dịch

ở vị trí yếu nhất của mạng lưới thủy chuẩn

Theo các kết quả nghiên cứu thống kê, kể từ khi phát hiện được sự trồi lên của

bề mặt Qủa đất cho đến khi xảy ra động đất vào khoảng 16 năm ±7 năm Thực tế, sự trồi lên của bề mặt Qủa đất là dấu hiệu của sự tích lũy năng lượng cho một trận động

đất Tuy nhiên, tâm địa chấn có thể không nằm trong khu vực trồi lên Do đó, để phát hiện tâm địa chấn, ngoài việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc bên trong của vỏ Qủa đất, cần phát triển đo đạc trắc địa trên phạm vi rộng lớn

Cho đến nay, phương pháp trắc địa là một trong những phương pháp tin cậy nhất

để dự báo động đất Nó được đặt cơ sở trên việc quan sát trực tiếp vùng dị thường được tạo ra trong quá trình tích lũy năng lượng cho một trận động đất

Như đã trình bày ở trên, đứt gẫy là kênh truyền các biến dạng dị thường được tạo ra bởi quá trình tích lũy năng lượng biến dạng ở tâm địa chấn Biến dạng dị thường

ở khu vực đứt gẫy được thể hiện dưới dấu hiệu của sự xuất hiện các vùng dãn và nén [6]

Do đó để xác định được các vùng dãn và nén của biến dạng dị thường trên đứt gẫy cần nghiên cứu chuyển dịch ngang của vỏ trái đất trên khu vực đứt gẫy

Sự thay đổi của trọng trường Qủa đất và các điều kiện khí tượng khác đều diễn

ra theo mùa Điều này có thể gây ra các sai số hệ thống trong các kết quả đo lặp thủy chuẩn trên các poligon địa động học Do đó, để nghiên cứu chuyển dịch đứng của vỏ trái đất cần tiến hành ít nhất 4 chu kỳ đo theo mùa

$1.5 Các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến việc nghiên cứu chuyển dịch của

vỏ trái đất bằng phương pháp trắc địa

Ngoài việc phục vụ dự báo động đất, các kết quả xác định chuyển dịch vỏ trái

đất cho phép phối hợp với các kết quả nghiên cứu địa vật lý để nghiên cứu hoạt động của các mảng kiến tạo; dự báo lũ quét; lựa chọn các vị trí thích hợp cho việc xây dựng các đập thuỷ điện lớn; thiết kế các tuyến đường ống dẫn dầu tránh không đi qua các vùng đất bị vặn xoắn, sạt lở v…v

Khi áp dụng phương pháp trắc địa để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất cần giải quyết bốn nhóm vấn đề sau [1]:

1 Phát triển các phương tiện đo đạc độ chính xác rất cao;

2 Nghiên cứu các mối quan hệ giữa các sự biến thiên của toạ độ và các thành phần trọng trường của Qủa đất và các hiện tượng địa động học khác nhau;

3 Xác định các yêu cầu về tần xuất và khoảng thời gian đo đạc giữa các chu kỳ,

về sự phân bố của các điểm trắc địa trên bề mặt Qủa đất;

4 Xây dựng các phương tiện toán học để xử lý các dữ liệu đo đạc trong nghiên cứu địa động học bao gồm cả việc lựa chọn hệ toa độ để tính toán

Để xác định một cách tin cậy các chuyển dịch tuyến tính của vỏ trái đất trong

một vài năm cần độ chính xác đo đạc ở mức cm hoặc cao hơn [1] Trên khoảng cách

hàng trăm km, khi sử dụng các phương pháp đo đạc truyền thống, chỉ có phương pháp thuỷ chuẩn hình học là đáp ứng được yêu cầu

Ngày nay, sự xuất hiện của các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu như các hệ thống GPS, GLONAS và các hệ thống khác đang từng bước mở ra những khả năng mới cho việc áp dụng các phương pháp trắc địa để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trên phạm vi lớn

So với các phương pháp đo đạc truyền thống, phương pháp đo đạc vệ tinh có những ưu điểm nổi bật sau:

- Không yêu cầu sự thông hướng giữa hai điểm trắc địa và đảm bảo đo đạc độ

chính xác cao trên các khoảng cách lớn đến hàng ngàn km

- Đo đạc có thể tiến hành trong mọi điều kiện thời tiết

- Độ chính xác của các kết quả xử lý các dữ liệu đo GPS ở mức mm hoặc cao hơn trên các khoảng cách đến hàng ngàn km khi sử dụng các dịch vụ của Tổ chức IGS như lịch vệ tinh chính xác, lịch Mặt trăng - Mặt trời, các tham số đặc trưng cho sự chuyển dịch của cực Quả đất và các phần mềm hiện đại như GAMIT, BERNESE

- Mức độ tự động hoá cao và hạn chế sự can thiệp của con người vào quá trình

Một trong những điều kiện cơ bản để đạt được độ chính xác cao của các kết quả

đo GPS là sử dụng lịch vệ tinh độ chính xác cao Cơ sở để đáp ứng yêu cầu trên là sử dụng các dịch vụ của Tổ chức IGS bao gồm lịch vệ tinh chính xác ở mức 5 cm, lịch Mặt trăng - Mặt trời và các tham số chuyển dịch của cực Quả đất Ngoài ra cần thiết áp

dụng hàng loạt biện pháp nhằm làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly, tầng đối lưu đến kết quả đo đạc GPS Các yếu tố cần tính đến trong đo đạc GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn sẽ được xem xét trong chương 2 của Tài liệu này

Ngày nay chúng ta hoàn toàn có thể đạt được độ chính xác cao của các kết quả

đo đạc GPS trên các khoảng cách lớn Công nghệ GPS đang dược sử dụng rộng rãi để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất [8, 9, 111]

Việc thoả mãn các yêu cầu hiện đại của việc giải quyết các bài toán địa động học ngày nay đang được đặt trên nền phát triển của các hệ thống vệ tinh trắc địa Các bài toán địa động học hiện đại bao gồm việc xác định vị trí chính xác của các điểm trên mặt Qủa đất trong hệ tọa độ địa tâm Qủa đất; xác định và làm chính xác hoá các tham

số trọng trường Qủa đất; xác định và theo dõi sự thay đổi của mực nước biển ở các đại dương; nghiên cứu cấu trúc bên trong của Qủa đất; nghiên cứu sự chuyển dịch của các mảng kiến tạo; nghiên cứu các hiện tượng thuỷ triều; nghiên cứu dự báo động đất; nghiên cứu sự chuyển dịch của cực Qủa đất; nghiên cứu sự biến thiên của tốc độ quay của Qủa đất Việc giải quyết các bài toán nêu trên trong tương lai chủ yếu sẽ dựa trên các hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp

Với mục đích xác định vị trí các điểm mặt đất với độ chính xác cao cần thiết xác định quỹ đạo vệ tinh với độ chính xác tương ứng Để làm được điều này, ngoài việc

có một số lớn các điểm mặt đất được phân bố đều trên bề mặt Qủa đất, cần thiết phải tính đến ảnh hưởng của các tầng đối lưu và điện ly đến các kết quả đo khoảng cách đến

vệ tinh Sự khắc phục các vấn đề trên hoàn toàn thực hiện được nhờ phương pháp đo

“vệ tinh-vệ tinh” Các kết quả thực nghiệm phương pháp này được trình bày trong [14, 15]

Với cách đặt vấn đề như trên hoàn toàn hiệu quả khi xây dựng hệ thống vệ tinh trắc địa quĩ đạo thấp Các vệ tinh thuộc các hệ thống định vị toàn cầu GPS/GLONASS

sẽ đóng vai trò của các trạm di động quan sát các vệ tinh quĩ đạo thấp Khi đó không phải xây dựng hệ thống các điểm mặt đất phân bố đồng đều trên bề mặt Qủa đất Các kết quả đo vệ tinh - vệ tinh không chịu ảnh hưởng của tầng đối lưu, còn sự ảnh hưởng của tầng điện ly có thể giảm thiểu tối đa [13]

$1.6 Khả năng ứng dụng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất

Trong mục này chúng ta sẽ nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS để giải quyết bài toán xác định các vectơ chuyển dịch của vỏ trái đất

$I.6.1 Độ chính xác xác định các trị đo phục vụ vụ việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ GPS cùng với các dịch vụ do Tổ chức dịch vụ GPS quốc tế (IGS) cung cấp đảm bảo việc xác định các baselines của mạng lưới GPS địa động học với độ chính xác ở mức một vài mm trên các khoảng cách lớn Các dạng dịch vụ do Tổ chức IGS cung cấp được trình bày ở bảng dưới đây [16]

Sản phẩm Thời gian nhận

được kết quả

Khoảng dãn cách thời gian

Với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS để giải quyết bài toán được đặt ra, chúng ta sẽ đánh giá yêu cầu độ chính xác của các trị đo là các thành phần của vectơ baseline, các thành phần của vectơ baseline phẳng và hiệu độ cao trắc

địa giữa hai điểm được xác định theo công nghệ GPS, thêm vào đó các trị đo nêu trên

Tốc độ chuyển dịch của vỏ trái đât (không gian, mặt bằng, độ cao) ở mức thấp nhất 1-2 cm/1năm là hoàn toàn có ý nghĩa trong việc nghiên cứu kiến tạo, dự báo động

đất Chúng ta cần đánh giá độ chính xác xác định vectơ baseline bằng công nghệ GPS

để đảm bảo việc xác định được tốc độ chuyển dịch của vỏ trái đât ở mức nêu trên

Một trong những yếu tố quyết định hàng đầu trong việc đạt được độ chính xác xác định các thành phần của vectơ baseline ở mức mm là việc sử dụng lịch vệ tinh chính xác được tính toán trong ITRF-yy do Tổ chức IGS cung cấp Chúng ta sẽ làm rõ vấn đề này Gọi S là chiều dài của vectơ baseline giữa hai điểm GPS Khi đó theo [1]:

ρ

ρ

m S

m S

= , (1.1)

ở đây ρ - khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh (giả cự ly); mρ - sai số trung phương của khoảng cách ρ được gây ra bởi sai số vị trí của vệ tinh, thêm vào đó sai số mρ được

đánh giá theo độ chính xác của lịch vệ tinh

Trong quá trình xử lý các dữ liệu đo GPS (các trị đo pha, các giả cự ly được xác

định theo mã P), các nguồn sai số cơ bản (các sai số các đồng hồ vệ tinh và máy thu, các sai số do ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu) đều bị loại bỏ nhờ kỹ thuật sai phân Khi đó chỉ còn lại sai số vị trí vệ tinh là nguồn sai số chính đặc trưng cho sai

số của hệ thống vệ tinh Đại lượng mρ lúc này được đặc trưng bởi sai số vị trí vệ tinh

và được xác định bởi mức độ chính các của lịnh vệ tinh Nhận ρ = 20.000.000m Với độ chính xác vị trí vệ tinh khác nhau, từ (1.1) chúng ta có bảng sau

Tõ b¶ng 1.1, víi c¸c chiÒu dµi cña c¸c baseline kh¸c nhau chóng ta sÏ nhËn

®−îc c¸c gi¸ trÞ cña sai sè trung ph−¬ng chiÒu dµi baseline mS trong b¶ng d−íi ®©y

8 - 10 0,1 - 0,2 0,2 - 0,4

6 0,05 – 0,1 0,1 - 0,2

0,05 – 0,1 Bảng trên cho thấy rằng khi sử dụng Lịch vệ tinh chính xác ở mức 5 cm của Tổ chức IGS và sử dụng các phần mềm có tính đến ảnh hưởng của hiện tượng triều cực Quả đất (Polar Tide) và hiện tượng triều của Quả đất (Solid Earth Tide) , ví dụ các phần mềm BERNESE, GAMIT, chúng ta hoàn toàn có thể nhận được các thành phần của vectơ baseline với độ chính xác ở mức mm trên khoảng cách hàng ngàn km

Để xác định các vectơ chuyển dịch mặt bằng và chuyển dịch độ cao dựa trên các dữ liệu GPS trong mục $5.2.1 và $5.2.3 sẽ xem xét các công thức tính chuyển các thành phần ∆X, ∆Y, ∆Z của vectơ baseline thành hiệu độ cao trắc địa ∆H và các thành phần ∆x, ∆y (hiệu các tọa độ phẳng giữa hai điểm) của vectơ baseline phẳng

Chúng ta sẽ đánh giá ước tính độ chính xác của hiệu độ cao trắc địa ∆H giữa hai

điểm được xác định theo công nghệ GPS Trong [106] đã chứng minh công thức đánh giá ước tính độ chính xác của hiệu độ cao trắc địa được xác định theo công nghệ GPS

∆ = 3(α+ 1)

S m

m H , (1.3)

ở đây α - số cạnh đi ra từ một điểm của mạng lưới GPS đều

Trong trường hợp tồi nhất mạng lưới GPS là một tam giác Khi đó α = 2 và từ (1.3) suy ra:

3

S H

m

m∆ = (1.4) Dựa vào bảng 1.2 và từ công thức (1.4) chúng ta sẽ đánh giá ước tính độ chính xác hiệu độ cao trắc địa được xác định bằng công nghệ GPS trên các khoảng cách S khác nhau Kết quả đánh giá được trình bày ở bảng dưới đây

1 – 1.3 0.4

Bảng trên cho thấy rằng khi sử dụng Lịch vệ tinh chính xác ở mức 5 cm của Tổ

chức IGS và sử dụng các phần mềm BERNESE, GAMIT, chúng ta hoàn toàn có thể

nhận được hiệu độ cao trắc địa với độ chính xác ở mức mm trên khoảng cách hàng

ngàn km Các kết quả tính toán trong bảng 1.4 tương ứng với sai số trung phương hiệu

độ cao trắc địa lớn nhất được xác định từ công nghệ GPS Trong thực tế, độ chính xác

của hiệu độ cao trắc địa cao hơn nhiều Ví dụ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS bằng phần

mềm BERNESE ( đo từ 0h ngày 9/10/2000 đến 23h45m cùng ngày ) trong mạng lưới

GPS Châu á - Thái Bình Dương cho thấy rằng độ chính xác của hiệu độ cao trắc địa

đối với baseline PARE - TAWA với chiều dài: 927981, 0081 m đạt m∆H = 0 , 001m, còn

đối với baseline MIRI - SHAO với chiều dài 3023857,.2958 m đạt m∆H = 0 , 0017m.

Để đạt độ chính xác cao của việc xác định hiệu độ cao trắc địa bằng công nghệ

GPS, trong tài liệu [108] dựa trên kết quả nghiên cứu của Sjoberg L.E [37] đã chỉ ra

rằng cần thu tín hiệu vệ tinh với góc ngưỡng E ≥ 50. Khi thu tín hiệu vệ tinh với góc

ngưỡng thấp cần sử dụng anten cảm kháng siêu cao tần (choke ring) để loại bỏ ảnh

hưởng của hiện tượng đa đường truyền

Đối với baseline phẳng, khoảng cách s được xác định theo công thức:

m S = m2 ∆x+m2 ∆y

Khi giả thiết

m , m2- các sai số trung phương của các tham số W1 và W2

Khi đo đạc và xử lý các dữ liệu đo GPS theo cùng một quy trình có thể coi rằng

m1= m2= m

Khi đó từ (1.8) suy ra m∆ = 2 m và công thức (1.7) có dạng mới:

m2 m V2 2 m. 2.

V = + (1.9) Để sai số trung phương xác định tham số W đủ nhỏ và không ảnh hưởng đến việc xác

định tốc độ chuyển dịch V của tham số W, tức m V =m V, từ (1.9) và dựa trên nguyên tắc bỏ qua sai số do nhỏ, chúng ta có điều kiện

,

3

2 m V

m≤hay

.

2 3 m V

m≤ (1.10) Trong thực tế, đại lượng V được coi là vectơ chuyển dịch khi V> 2.m V Do đó khi coi sai số trung phương cho phép m cp của tham số W bằng 2.m, từ (1.10) chúng ta nhận

được điều kiện:

.

2 3 m cp ≤ V (1.11) Dựa trên công thức (1.11), chúng ta sẽ đánh giá yêu cầu đo đạc GPS để xác định tốc độ chuyển dịch V (theo vị trí không gian, mặt bằng và độ cao)

Giả thiết rằng ( ∆X )1 AB,( ∆Y 1 AB) , ( ∆Z )1 AB và( ∆X )2 AB,( ∆Y )2 AB,( ∆Z )2 AB- các thành phần của vectơ baseline giữa hai điểm A và B trong hai chu kỳ đo lặp, thêm vào đó trong khoảng thời gian giữa hai chu kỳ này điểm A ổn định, còn điểm B không ổn

định Khi đó các thành phần của vectơ chuyển dịch vị trí không gian của điểm B so với

B

V = ( ∆ 2) - ( ∆Y )1 AB, (1.12)

AB

Z B Z

V = (∆ 2) - ( ∆Z )1 AB Như vậy các thành phần(∆X ) AB,( ∆Y)AB, (∆Z ) AB lần lượt được coi là tham số cần

đánh giá W Nếu đặt ra yêu cầu cần thiết xác định các tốc độ chuyển dịch theo các trục tọa độ không gian của điểm B với các giá trị nhỏ nhất ở mức 5 mm, thì từ (1.11) và (1.12) suy ra rằng sai số trung phương cho phép của các thành phần

AB

X )

(∆ ,( ∆Y)AB, (∆Z ) AB không được vượt quá 1,2 mm Từ bảng 1.3 có thể thấy rằng yêu cầu trên hoàn toàn có thể được đáp ứng khi sử dụng lịch vệ tinh với độ chính xác 5

cm để xử lý dữ liệu đo GPS trên khoảng cách đến 1000 km

Tương tự, với các giả thiết đã nêu ở trên tốc độ chuyển dịch đứng của điểm B trong hai chu kỳ đo lặp ( trong khoảng thời gian giữa hai chu kỳ này không xẩy ra biến thiên gia tốc lực trọng trường lớn) được đánh giá theo công thức sau:

AB

B

V = ( ∆ 2) - ( ∆H )1 AB (1.13)

Khi hiệu độ cao trắc địa (∆H ) AB là tham số cần đánh giá W và đặt ra yêu cầu cần thiết xác định tốc độ chuyển dịch đứng của điểm B với giá trị nhỏ nhất ở mức 3 mm, thì từ (1.11) và (1.13) suy ra rằng sai số trung phương cho phép của (∆H ) AB không

được vượt quá 0,7 mm Từ bảng 1.4 có thể thấy rằng yêu cầu trên hoàn toàn có thể

được đáp ứng khi sử dụng lịch vệ tinh với độ chính xác 5 cm để xử lý dữ liệu đo GPS trên khoảng cách đến 1000 km

Với các giả thiết đã nêu ở trên, các thành phần của vectơ chuyển dịch vị trí mặt bằng của điểm B so với điểm A giữa hai chu kỳ đo lặp được xác định theo công thức:

AB

B

V = ( ∆ 2) - ( ∆x )1 AB, AB

B

V = ( ∆ 2) - ( ∆y )1 AB (1.14) Khi coi các thành phần(∆x) AB,(∆y) AB của vectơ baseline phẳng lần lượt là tham

số cần đánh giá W và đặt ra yêu cầu cần thiết xác định các tốc độ chuyển dịch mặt bằng theo các trục tọa độ phẳng của điểm B với các giá trị nhỏ nhất ở mức 5 mm, thì từ (1.11) và (1.14) suy ra rằng sai số trung phương cho phép của các thành phần(∆x) AB,(∆y) AB không được vượt quá 1,2 mm Từ bảng 1.5 có thể thấy rằng yêu cầu trên hoàn toàn có thể được đáp ứng khi sử dụng lịch vệ tinh với độ chính xác 5 cm

để xử lý dữ liệu đo GPS trên khoảng cách đến 800 km

Các kết quả đánh giá ước tính độ chính xác đo đạc GPS để xác định tốc độ chuyển dịch vỏ trái đất theo các vị trí không gian, độ cao, mặt bằng nêu ở trên cho phép kết luận rằng công nghệ GPS hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu hiện đại của việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất

Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng sai số định tâm quang học các máy thu vệ tinh GPS nằm trong khoảng 0,2 mm Do đó trong trường hợp phải đặt lại máy thu tín hiệu

vệ tinh trong mỗi chu kỳ đo lặp, chúng ta không thể tận hưởng hết được độ chính xác xác định vectơ baseline ở mức nhỏ hơn mm trên các khoảng cách giữa các điểm GPS không quá 300 km khi xác định các vectơ chuyển dịch mặt bằng của vỏ trái đất Để loại bỏ ảnh hưởng của việc định tâm máy thu tín hiệu vệ tinh GPS đến độ chính xác xác định các vectơ chuyển dịch mặt bằng của vỏ trái đất cần xây dựng các trạm thu cố

định phục vụ việc quan sát chuyển dịch của vỏ trái đất

Thiết kế chi tiết mạng lưới GPS động lực học Lai Châu - Điện biên được trình bày trong chương 3 của Báo cáo khoa học - kỹ thuật này

Chương 2 Nghiên cứu các yêu cầu được đặt ra đối với việc

đo đạc và xử lý dữ liệu GPS độ chính xác cao

Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo đạc và xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao và các tiêu chuẩn của các phần mềm hiện đại được sử dụng để xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn đã được nghiên cứu trong tài liệu [108] Với mục đích xây dựng quy trình đo đạc GPS ở ngoại nghiệp và lập modul phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn theo nội dung nghiên cứu của đề tài này, trong chương này sẽ hệ thống một cách tổng quát các yếu

tố cơ bản đã được trình bày trong [108]

A Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo đạc và xử lý dữ liệu GPS độ chính xác cao

Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo đạc và xử lý dữ liệu GPS

độ chính xác cao cho phép hoàn thiện các quy trình đo đạc và lựa chọn các phần mềm thích hợp để xử lý tính toán dữ liệu GPS đảm bảo nhận được các vectơ không gian (véc tơ Baseline) độ chính xác cao (ở mức cm, thậm trí dưới mm) trên các khoảng cách lớn

đến 1000km hoặc hơn nữa

Trong bài toán nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS đặt

ra yêu cầu đo đạc GPS đảm bảo độ chính xác cao cả về vị trí mặt bằng lẫn độ cao Việc

đáp ứng yêu cầu nêu trên đòi hỏi phải nhanh chóng tiếp cận các tiến bộ mới trong việc phát triển công nghệ GPS để hoàn thiện các quy trình đo đạc và xử lý dữ liệu GPS

Khi đo đạc GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách từ vài chục km cho đến vài ngàn km, các nguồn sai số cơ bản như các hiệu ứng phản xạ của tầng điện ly, tầng

đối lưu, sai số quĩ đạo vệ tinh và các hiện tường triều của quả đất (dưới ảnh hưởng của sức hút Mặt trăng, Mặt trời) trở nên các nguồn sai số chính ảnh hưởng đến việc nâng cao độ chính xác đo đạc GPS Đối với trường hợp khoảng cách lớn giữa các điểm GPS,

ảnh hưởng của mỗi nguồn sai số cơ bản nêu trên đều lớn hơn ảnh hưởng của các sai số của bản thân máy thu (sai số đồng hồ máy thu, độ nhiễu của máy thu, sai số do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền, sai số do độ lẹch tâm pha của anten, sai số của trị đo phase, ) Ngoài ra cần phải tính đến thời gian thu tín hiệu vệ tinh cần thiết nhằm

đảm bảo đủ số các trị đo sai phân kép để giải các giá trị nguyên đa trị

Để đạt được độ chính xác của véc tơ Baseline ở mức một vài mm cần tính đến

hình học của anten; sự lệch tâm anten phát của vệ tinh so với trọng tâm của vệ tinh;

ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền (multipath) v v

Trong phần này sẽ xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo GPS trên các khoảng cách lớn

Độ chính xác cao của véc tơ Baseline đạt được nhờ phương pháp đo GPS tương

đối và dựa trên cơ sở xử lý phase của sóng mang trong bank tần số L được truyền từ các vệ tinh GPS

Sự không ổn định của tần số phát của tín hiệu vệ tinh trên đường truyền sóng là yếu tố cần tính đến trong phương trình trị đo pha do ảnh hưởng của hiệu ứng có chọn lọc SA (Selective Availability) [27,115] Tuy nhiên, kể từ ngày 1/5/2000 chính phủ Mỹ

đã tuyên bố chấm dứt việc áp dụng hiệu ứng này trong công nghệ GPS Điều này cho phép không đánh giá các tham số đặc trưng cho sự không ổn định của tần số phát của tín hiệu vệ tinh trong phương trình trị đo phase

Gọi tr, j - thời điểm chính xác thu tín hiệu vệ tinh i tại máy thu j theo thang thời gian GPS (GPS Time GPST), tj - thời điểm thu tín hiệu vệ tinh i tại máy thu j theo chỉ

số đồng hồ của máy thu Do sai số dTj của đồng hồ máy thu j so với GPST nên khoảng cách địa diện giữa vệ tinh i và máy thu j vào thời điểm thu tín hiệu vệ tinh xác định

được biểu diễn theo công thức [115, p ⋅ 250]:

(i j t j) (i j t j) dT j j

r t

i ,,

ρ& - tốc độ thay đổi khoảng cách do sai số đồng hồ máy thu Theo [115, p ⋅ 259], nếu sai số đồng hồ máy thu dTj không vượt quá 0,1 micro sec thì thành phần thứ hai bên phải của biểu thức (2.1) nhỏ bỏ qua Thực tế sai số đồng

hồ máy thu được giữ ở mức nêu trên Do đó việc không tính đến thành phần

j

i

T

t j i I ij N j dT i dt f t j i c

f t

j

i

εϕ

ϕδ

δ

ρϕ

+ +

⋅

=

0 0

, ,

) , ( ,

,

, , ,

, ,

,

(2.2)

ở đây f - tần số của sóng mang; c - tốc độ ánh sáng; dti-sai số đồng hồ vệ tinh vào thời điểm phát tín hiệu từ vệ tinh so với thang GPST; Nij - trị nguyên đa trị; I(i, j, t)-sai số do hiệu ứng chiết quang của tầng điện ly; T(i, j, t)-sai số do hiệu ứng chiết quang của tầng đối lưu; m(i,j)-sai số do ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường truyền (multipath); δ(i, t) và δ(j, t)-các sai số (trong đơn vị thời gian) do sự chậm pha trong các thiết bị phần cứng của vệ tinh và máy thu; ϕi(t0) và ϕj(t0)-các đại lượng cố định của các pha ban đầu của sóng mang từ vệ tinh i và bản copy của nó trong máy thu j; εij - sai số ngẫu nhiên của trị đo pha

Trị đo pha trong (2.2) có đơn vị là chu kỳ (cycle) Quá trình xử lý pha được thực hiện theo kỹ thuật sai phân dựa trên cơ sở xác định các hiệu của các phương trình pha dạng (2.2) tương ứng với các cặp máy thu - vệ tinh

Nếu một máy thu thu được đồng thời tín hiệu từ 2 vệ tinh vào thời điểm t, thì lập

được 2 phương trình đo pha dạng (2.2) Hiệu hai phương trình này tạo nên một phương trình hiệu pha đơn mà trong đó sai số đồng hồ máy thu dT, sai số δ(j, t) do sự chậm pha trong máy thu và trị pha ban đầu ϕj(t0) của bản copy sóng mang trong máy thu đều

bị triệt tiêu

Nếu từ hai máy thu đồng thời thu tín hiệu từ 2 vệ tinh thì sẽ lập được 2 phương trình hiệu pha đơn Hiệu của 2 phương trình này cho một phương trình hiệu pha kép trong đó các sai số của đồng hồ các vệ tinh, các máy thu, các trị phase ban đầu của các sóng mang từ các vệ tinh và các trị pha ban đầu của các bản copy của các sóng mang trong các thiết bị phần cứng của các vệ tinh và các máy thu đều bị triệt tiêu Trong phương trình hiệu pha kép, các hiệu của các sai số do sự phản xạ của tầng điện ly, tầng

đối lưu và ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền đều cực tiểu hoá Do đó các phương trình hiệu pha kép được sử dụng để xác định các trị nguyên đa trị

Nếu từ 2 máy thu đồng thời thu tín hiệu từ hai vệ tinh vào 2 thời điểm (epoch) liên tục, thì sẽ lập được 2 phương trình hiệu pha kép Hiệu của 2 phương trình này tạo thành một phương trình hiệu pha bội mà trong đó chỉ còn lại các hiệu của các sai số do phản xạ của tầng điện ly, tầng đối lưu và ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền

đến các pha của các sóng mang Vì lý do này phương trình hiệu pha bội thường được

áp dụng để kiểm tra sự trượt chu kỳ (cycle Slip) trong các dữ liệu đo pha

Việc phân tích kỹ thuật xử lý pha dựa trên kỹ thuật sai phân cho thấy một thực

tế quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác đo đạc GPS liên quan đến việc áp dụng

các kỹ thuật và mô hình toán học để làm giảm hoặc loại bỏ các sai số do phản xạ của tầng điện ly, tầng đối lưu và do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền

$2.1 Các ứng dụng các máy thu hai tần số trong công nghệ GPS

Các vệ tinh GPS đều phát các tín hiệu là các sóng mang tần số L1 (tần số f1 = 1575,42 MHz) và sóng mang tần số L2 (tần số f2 = 1227,60 MHz) Máy thu hai tần số

có các kênh riêng để thu các sóng mang tần số L1 và L2

Việc sử dụng các máy thu hai tần số có các lợi ích rất cơ bản để đo đạc GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn:

- Loại bỏ được sai số trong phase đo do phản xạ của tầng điện ly;

- Đơn giản trong việc tính các trị nguyên đa trị, phục hồi tín hiệu bị mất và kiểm tra, sửa chữa sự trượt chu kỳ của các sóng mang

Các lợi ích nêu trên sẽ được xem xét trong các phần tiếp theo

Sai số trong phase đo do ảnh hưởng của tầng điện ly là một trong những nguồn sai số cơ bản nhất trong công nghệ GPS Từ kết quả nghiên cứu kiểm soát tầng điện ly của các lĩnh vực vật lý khí quyển đã phát hiện được rằng các lớp của tầng điện ly, đặc biệt ở các vùng cực của Qủa đất, thường bị nhiễu bất thường do sự hoạt động mạnh của mặt trời và địa từ [28] Do sự thay đổi vật lý của các tham số trạng thái của tầng điện

ly, ở các vĩ độ trung bình trong khoảng một vài giây sự biến thiên của số cải chính vào giả cự ly do ảnh hưởng của tầng điện ly không vượt quá 1cm, nhưng ở các vùng cực Qủa đất sự biến thiên của số cải chính này có thể đạt tới 20cm [28] Khi không tính

đến số cải chính do ảnh hưởng của tầng điện ly, phạm vi sử dụng máy thu 1 tần số không vượt quá 3 km ở các vĩ độ trung bình [28]

Số cải chính do ảnh hưởng của tầng điện ly được tính theo các tham số mô hình trong Thông báo vệ tinh (Satellite Message) không tính đến sự biến thiên bất thường của tầng điện ly trong khoảng thời gian dài Do đó trong việc đo GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn với khoảng thời gian thu tín hiệu vệ tinh dài (thậm trí đến hàng chục ngày liền) bắt buộc phải áp dụng các máy thu hai tần số để loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly

$2.1.1 Sử dụng sóng mang tần số L 3 để loại bỏ ảnh hưởng của phản xạ tầng

điện ly

Sóng mang tần số L3 được tạo ra từ các sóng mang tần số L1 và L2 thu được tại máy thu Nguyên tắc tạo ra sóng mang L3 được xây dựng dựa trên cơ sở loại bỏ ảnh hưởng của phản xạ tầng điện ly đến pha của sóng mang này Sự chậm thời gian của sóng mang tần số L do sự có mặt của các điện tử tự do trong tầng điện ly đưọc xác định bởi công thức [27, p ⋅ 82]:

δτion = k ⋅ TEC/f2,

ở đây k - hệ số thực nghiệm (đối với sóng mang tần số L1, hệ số k = -1,35⋅10-7); TEC (TOTAL ELECTRON CONTENT) - mật độ điện tử tự do trên 1m2 theo đường truyền tín hiệu vệ tinh

Do ảnh hưởng của khúc xạ tầng điện ly, nên khoảng thời gian τ truyền tín hiệu

từ vệ tinh đến máy thu không bị ảnh hưởng của tầng điện ly được xác định như sau

Đối với sóng mang L1

2 f TEC k 2

L ion

1 f TEC k 1

L ion

⋅

= ϕ

⋅

= ϕ

(2.5)

Từ đây:

ϕion (L1) = (f2 / f1) ⋅ ϕion (L2) (2.6) Trên cơ sở (2.3) và (2.4) chúng ta có:

) ⋅ τ + (f1 ⋅ ϕion (L1) - f2 ⋅ ϕion (L2))

và lưu ý (2.6) suy ra công thức tính khoảng thời gian τ truyền tín hiệu vệ tinh không bị ảnh hưởng của tầng điện ly:

2 2 1

1

2 2

2 1

2 2 1 1

1

1

R

R f

f f

f f

Để viết phương trình phase L3 chúng ta sẽ sử dụng phương trình pha dạng (2.2)

đối với các sóng mang tần số L1 và L2 và biểu diễn phương trình (2.7) dưới dạng:

2

2 1

2 2 1 1 1

3 , ,

f f

f f

f t j i

Các sai số I L (i,j,t)

1 và I L (i,j,t)

2 do ảnh hưởng của tầng điện ly có dạng (2.5)

Do đó khi thay chúng vào (2.8) có thể thấy rằng trong phương trình pha ϕ3(i, j, t), sai

số do ảnh hưởng của tầng điện ly bị triệt tiêu

Đối với các sóng mang tần số L1 và L2, các sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu

là như nhau, tức T L (i,j,t)

1 = T L (i,j,t)

2 =T(i, j,t) Lưu ý đến điều này, thành phần đặc trưng cho sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu trong phương trình pha ϕ3(i, j, t) có dạng:

j i T dT

dt f t j i C

L i

j i

,,

,,

,,

,,

,,

,

3 0 0

2 1

3

2

3 2 1

δ α

α α

ρ ϕ

+

ư

⋅+

ư

⋅+

⋅

+

+

⋅+

⋅+

ư

⋅+

⋅

=

(2.9)

ở đây đại lượng

( )i j f N ( )i j f N ( )i j

không phải là trị nguyên, còn đại lượng ( , (, )

3 2 )

N =α có thể hiểu là trị nguyên

đa trị của sóng mang L3.

N1(i,j) và N2(i,j) - các trị nguyên đa trị đối với các sóng mang tần số L1 và L2;

hệ số α2 = f1/ (f12- f22) = 0,0016; m3 (i,j) = f1⋅ m1 (i,j) - f2⋅ m2 (i,j); m1 (i,j) và m2 (i,j) - các sai số do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền đến các sóng mang tần số L1

2 0

1 1 0

i f t

L i f t

L

2 0

1 1 0

j f t

L j f t

L

j) - sai số ngẫu nhiên của trị đo pha ϕ3(i, j, t)

Như vậy, việc sử dụng sóng mang tần số L3 cho phép loại bỏ sai số do ảnh hưởng của tầng điện ly Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của việc sử dụng máy thu hai tần số trong đo đạc GPS độ chính xác cao trên khoảng cách lớn

Khi áp dụng kỹ thuật sai phân đối với các trị đo pha của các sóng mang L3 dựa trên phương trình (2.9) có thể thấy rằng trong phương trình sai phân kép sẽ không có mặt các sai số của đồng hồ vệ tinh và máy thu; các pha ban đầu của các sóng mang L1

và L2 và các sai số do sự chậm pha của các sóng mang L1, L2 trong các thiết bị phần cứng của các máy thu và vệ tinh Do đó, khi sử dụng các máy thu hai tần số các nguồn sai số cơ bản còn lại là sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu và sai số do hiện tượng đa

đường truyền

$2.1.2 Các vấn đề quan trọng trong quá trình xử lý các dữ liệu đo pha

Vấn đề phức tạp nhất trong quá trình xử lý các dữ liệu đo pha là việc giải đa trị nhằn xác định các trị nguyên đa trị Bởi vì các giá trị này là các số nguyên, nên lời giải cho kết quả cuối cùng (fixed solution) tốt nhất khi nhận được các trị nguyên đa trị là các số nguyên hoặc gần nhất với các số nguyên

Để giải quyết vấn đề này, quá trình xử lý thường chia thành ba giai đoạn Trước tiên các tham số đa trị được xác định cùng với các tham số tọa độ và các tham số khác trong mô hình Kết quả tọa độ ở giai đoạn này được gọi là giải nghiệm với tham số đa trị thực (float solution) bởi vì các tham số đa trị vẫn là các số thực Do các tham số đa trị là những số nguyên nên giai đoạn hai sẽ dựa vào các tiêu chuẩn thông kê của tính gần nguyên và ma trận hiệp phương sai của chúng để quyết định qui các tham số đa

trị thực thành những số nguyên tương ứng Các số nguyên này sẽ được hiệu chỉnh vào trị đo pha để chuyển thành khoảng cách thực sự và giai đoạn ba sẽ chỉ xác định các tham số tọa độ để cho kết quả cuối cùng (fixed solution)

Trong thực tế không phải lúc nào cũng thực hiện thành công giai đoạn hai Điều này thường xẩy ra khi khoảng thời gian thu tín hiệu vệ tinh không đủ lớn trên các baselines dài, khi các trị đo pha bị nhiễu nhiều hoặc thường xuyên bị trượt chu kỳ Khi

đó buộc phải chấp nhận lời giải gần đúng với tham số đa trị thực (float solution)

Việc xác định trọng số của trị đo pha cũng là vấn đề quan trọng Mô hình trọng

số đơn giản nhất của trị đo pha là coi nó bằng một hằng số Khi đó ma trận trọng số của các trị đo sẽ là ma trận đơn vị Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất lượng của trị đo pha nói chung phụ thuộc vào phương truyền sóng, đặc biệt khi góc ngưỡng của tín hiệu vệ tinh (góc E) thấp Khi đó các phần dư từ việc mô hình hoá các nguồn sai số như sai số do môi trường truyền sóng có xu hướng tăng lên, đặc biệt ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền (multipath) sẽ tăng lên đáng kể Vì vậy những mô hình trọng số tinh tế hơn của trị đo pha thường là một hàm số với đối số là góc E [55] .Sai số trung phương trị đo pha đối với sóng mang L1 được biểu diễn dưới dạng sau:

f , ở đây E0 – góc ngưỡng tiêu chuẩn được sử dụng

ở đây ξ( )E = ưSinE+ Sin2E+ 2 ⋅α+α2; ;

R

h trop

=

α

htrop - độ cao của tầng đối lưu kể từ bề mặt Qủa đất; R - bán kính Qủa đất

Trong [116] đã chứng minh công thức phương sai trị đo pha ở dạng dưới đây:

2

1 0

T

P T

P

⋅ +

⋅

⋅ +

P0 - áp suất tại điểm đo;

0

W

P - áp suất riêng của hơi nước tại điểm đo; T - nhiệt

độ tuyệt đối theo thang Kelvins; π - số pi

Công thức (2.10) đã được sử dụng trong [109] dể xác định góc ngưỡng vệ tinh

E sao cho ảnh hưởng của sự gần đúng của mô hình số cải chính tầng đối lưu nhỏ bỏ qua Kết quả nghiên cứu trong [109] cho thấy rằng góc E không nhỏ hơn 50.

Dựa trên kết quả nghiên cứu trong [55], hàm f(E) dạng hàm mũ cho kết quả tốt nhất Sai số trung phương trị đo phase đối với sóng mang L2 được đánh giá theo công thức:

1 2

2 1

2 1

f f

Công thức trên là cơ sở để xác định trọng số của trị đo phase đối với sóng mang L3

$2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tầng đối lưu đến các trị đo GPS

ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu điện từ được chia thành 2 thành phần: thành phần khô và thành phần ướt ảnh hưởng của thành phần khô đến tín hiệu điện từ lớn hơn ảnh hưởng của thành phần ướt Thành phần khô được xác định dựa trên định luật khí lý tưởng đối với không khí khô và chiếm khoảng 90% ảnh hưởng của tầng đối lưu Số cải chính vào giả cự ly do ảnh hưởng của thành phần khô của tầng đối lưu đảm