Xác định chuyển động quay trong địa chấn học từ tập số liệu dao động tuyến tính truyền thống

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNC; . 4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 DANH MỤCCHỦ VIÉT TẢT 7 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 8 MO ĐÀU 9 c HƯƠNG 1 - LÝ THUYÉT c o BẢN VÈ CHUYẺN ĐỘNG QUAY TRONG DỊA CHẮN HỌC ỉl 1.1. Cơ sỏ lý thuyết 11 /. /. /. Khái niệm chuyển động quay trong địa chấn h ọ c 11 /. 1.2. Chuyển động quay của sóng p trên hề m ặt tự d o 19 /. ỉ.3. Chuyển động quay gãy ra bởi sóng s 22 1.2. Ý nghĩa từ việc sử dụng tín hiệu chuyển động quay kết hợp vói số liệu dao động tuyến tính truyền thống 23 CHUƠNC 2 - PHƯƠNG PHÁP 25 CHUƠNG 3 - QUAN TRẮC VÀ KÉT QUẢ 30 3.1. Số iiệu quan trắc 30 3.2. Kết quả 3.2.1. X ử lý và phãn tích số liệ u 35 .ì.2.2. Xác định chuvển động quay từ tập sổ liệu dao động tuyến tính truyền thống .12 1 Đánỉí giá khả năng khai thác thông tin từ việc kết hợp sử (lụng chuyển độttíỊ quay và dao động tuyến tính truyền thong. 43 KÉT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 Kcí luận 46 Kiến nghị: 46 rẢI LIẸL THAM KHẢO 48 i.uâii văn thạc -SĨ - 2014 Tràn Thị Nịịọc Ảnh I.uân văn thạc sĩ - 2014 Trần Thị Nỉiọc Ảnh DANH MỤC BẢNG 1 ỉỉanu 2.1 Các trưừrm hợp khác nhau khi tính toán chuvèn độrm quay từ dao dộnu tuyến tính truyền thốnu. ' ") i Bang 3.1 Thônii tin vồ các trạm íihi địa chấn dược Iroiiíi vụ nô TAICỈỈÍR tại Dài i.oan. - > ỉ ] lỉárm 3.2 [ hông tin về thiết bị ẹhi tín hiệu dịa chấn troriE vụ nối TAIGĨ R tại f)ài Loan. 1 1-^ ỉiảnti 3.3 Dộ nhạy của cam biên HS- r. 5 í i Raim 3.4 I)ộ nhạy cùa máv ahi TSA-100. I.iiân văn thạc sỉ - 2014 Trần^TjỊ£N^ơCj4nh^ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình 1.2 llình 1.3 Minh họa vật ihê dàn hôi trước khi bị biên dạnc và sau khi bị biến dạng.____________________________________________________ Jỉệ toạ độ sử dụng đc phân tích các thành phần của chuyển động quay gâv ra bởi nuuồn điểm dưới dạng cặp ngẫu lực . Mô hình chuyên độna quav của trườnẽ xã trons mặt phang )cho thành phần hirứrm tâm của chuyển động quay là neuồn diem dưới dạne cặp ngầu lực trên mặt phẳng (,V|,.V-,). Ilinh 1.4 Mô hình chuyên động quay của trường xa trong mặt phăng (,V|,.vJcho thành phần nằm ngana của chuyển động quay là iiRuồn dicm dưới dạna cặp neẫu lực trên mặt phana (XpX-,). , , , Mô hình chuyèn độna quay theo thành phân năm ngang. Hinh 1.5 Hình 1.6 Hình vẽ mô tả dịch chuyên, vận tôc, chuyên động quay là một hàm của thừi gian gây ra bởi một nguồn điểm dưới dạng cặp ngẫu lực. Hình 1.7 Sự phù hợp vê pha giữa thành phân chuyên động quay theo phương r và thành phần e,ia tốc tuyến tính theo phương thẳng đứng gây ra bởi sóng p trong Oki rokachi ngày 25/09/2003 với M=8.1 và trận động đất Irian Jaya neày 02/07/2004 với M=7.5 ghi nhận tại trạm Weltzell ử miền Đông nam nước Đức. 8 9 'ìo Hình 1.8 Minh họa sóng p truyên trong mòi trường bât đông nhât. ilình 2.1 Các mô hình khác nhau của khi tính toán chuyên dộng quay từ chuyển dộnR tuyến tính truyền Ihổng tương ứng. ỉỉình 3.; Một sô hình ảnh nơi diễn ra vụ nô l AlGíỉR tại Đài Loan. lình 3.2 Một sô hình ảnh vê khu vực và máy móc đặt ghi dữ liệu trong vụ nồ l AiCỈI tại Đài lA)an. llình 3.3 Hiiih 3.4 llình 3.5 Sư dô bô trí mạnu lưcVi đặt Irạin địa chân tronu vụ nô rAICìIíR tại ị)ài l.oan. ỉ'ín hiộu dao dộna tuyển tính truyễn tliổng ghi dược tại trạm NOI. ['ín hiệu dao dộne tiivcn linh truvcĩi thorm ghi được tại Irạm N03. 1 J\.t < l l l 15 1 linh 3.6 1 ín hiệu dao dộiiíi tuyên tinh Iruvên Ihòne ghi dược tại trạm N05. 16 liinh 3.7 1 ín hiệu dao dộng tuyến tính truyèn ihổnc ahi dược tại trạm N06. 17 Hình 3.8 l ín hiệu dao độní> tuycMi tính truyên thôim íihi dược tại trạm N09. 18 llình 3.9 rin hiệu chuyển dộim quay tính từ số liệu dao dộng tuyến tính truyền thống. 19 ỉ [inh 3.10 Hình anh vè inỏi trường bàt dông nhât cao. DANÍi MỤC CHĨI VIÉT TÀT 1. 1A1(jI'R: luiuan Intcíirated (ìcodynamics Research. 2. ADR; Array Derivcd rolation. 3. I SA-100: rranslational scnsor accclcromcter. 4 HI -S: Ị nisensdr sensors Kincmelrics. DANH MỤC CÁC CÔN(; TRÌNH KHOA HỌC /. CônỊỊ trình đã công ho. - Nỉiuyen Dinh Pham. Bor-Shouh lỉuang. Chin len l.in. ruan-Minh Vu, and Ngoc-Anh Tran. 2012. Invcsũgation ol Ciround Rotational Motions causcd bv Direct and Scattered P-Waves tVom thc 4 March 2008 ÌẠỊCÌHR Hxplosion Hxperiment. Journal o f Seismolog}', DOI: 10.1007/s 10950-012- 9300-0 (Online lìrst). 2. Các đề tài tham gia. - Trần Thị Ngọc Ánh, 2011 Nghiên cứu đặc diểm tán xạ sóng địa chấn từ neuồn số liệu địa chấn nhiều thành phần”. Báo cáo kết quả ihực hiện tại Viện Vật lý Địa cầu, Viện Màm lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. - Trần Thị Ngọc Ánh, 2012 •• Nghiên cứu mô hinh hóa môi trường truyền sóng ngẫu nhiên”. Báo cáo kết quả thực hiện tại Viện Vật lý Địa câu, Viện Hàn lâm Khoe học và Công nghệ Việt Nam. i.uân văn thac sĩ - 2014 Trần Thị Nịiọc Ảnh MỞ ĐẦU Nhièu năm trước dâv, dịa chấn học chí quan tâin sử dụnỉi lín hiệu dao dộng lu\ cn linh (translational molions) của các sóníi đàn hồi phát sinh từ các trộn dộng dất. C ác máy địa chấn ehi tín hiệu dạrm nàv chủ yếu theo 3 thành phần tạrc giao lỉảc Nam (NS), Đônti -rây (EW) và thảna dứng (Z) [1,7,15|. l uy nhiên, về lý thuvết. đê biểu diễn hoàn chỉnh dao độne eây ra bởi các trận độna đất. ngoài 3 ihàiih phần dao độna nêu trên cần phải có thêm 3 thành phần chuyên dộng quay (rotational motions) và 6 thành phần biến dạng (strains) [1, 19Ị. Việc sử dụna lín hiệu chuyển động quav kết hợp với so liệu dao độna tuyến tiĩih truyền thốne do các dạng sóng khác nhau, gây ra bởi các nguồn khác nhau và glìi nhận ờ các điểm khác nhau chỉ mới được nghiên cứu trong những năm gần đày. Két quả thu được từ những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc sử dụng kết hcKp các tín hiệu địa chấn như vậy mang lại cho chúng ta nhiều lợi ích [8,9,14,18]. Chăne hạn [4,14,9] đã cho thấy rằng vận tốc pha của sóng địa chấn ở lớp gần bề mặt cỏ thể xác định khi kết hợp hai dạng tín hiệu này ứng với cửa số sóng mặt tại duy nhất một Irạm ghi địa chấn. Ntỉoài ra, bằng cách phân tích các tín hiộu của chuyển động tuyến tính truyền thống và chuyển động quay quanh trục ihẳng đứng ở phần duôi sóng p gây ra bởi động đất mạnh chỉ ra phircmg pháp khai thác thông tin vè đặc điếm tán xạ môi trưcTng truyền sóng địa chấn |13|. Hơn nữa các nhà khoa học đã chứntì minh được ràng chuyển động quay gây ra bởi sóng p trong môi Irirờim bất đẳna hướng mang thôna tin vồ cấu trúc môi trường truyền sóng 112.13,14Ị. Rõ ràng, chuyến động quay chửa đựne thôn^ tin về rmuồn sinh chấn và cầu trúc môi trường truyền sòn. Do vậy việc khai thác dạng tín hiệu này hứa hẹn niaim lại nhiều lợi ích về khoa hục cũna như thực tiễn. 'I’ìr dàv cỏ the thấy rang, số liỌu chuyền độna quay là rất cần thiết troníì Dịa chấn học cỏ ý nuhĩa troiiíi khoa học và Ihực tiễn. 1 liộn nay. có liai phươnu pháp quaii trác chuyòn dộim qua>; I) Sư tlựiig các thiếl bị uhi trực licp tín hiệu chuycn dộng quav 1 1. 9|; 2) Sử dụim các tính loán Luân văn thạc s ĩ - 2 0 1 4 _________________________ Trần Thị Nịìọc Anh ĩừ số liệu quan trắc chuyển dộng luycn lính Iruyền thống [10, 18|. i’hưưng pháp lliir hai có một số lợi ích như sau: I) l ận dụng dược các quan trắc Iruyèn thống với thiết bị dã dược kiêm dịnh qua mộl thời gian dài; 2) Cung cấp nguồn số liệu dê kiêm định các ihiét bị íihi trực liếp tin hiệu chuyên dộng quay mới dược chê lạo irong thời 2Ìan Rần dây. Với một tập số liệu quan trăc dao dộng liiycn lính truyên tlionti thu được Ironíi một vụ nổ tại Dài I .oan (ký hiệu là vụ nò I A1GFÍR) do các nhà dịa chấn học Dài Loan cung cấp. đề tài “Xííc định chuyển động quay trong iỉịa chấn học từ tập số liệu dao động tuyến tính truyền th ống'' được lựa chọn cho luạn \ ăn này. Mục tiêu đề tài đặt ra là xác định chuyển động quay từ số liệu dao clộna luyến tính truyền thốna cụ thể, dánh giá ý nghĩa sử dụng hai dạng tín hiệu sử clụntỉ số liệu trons vụ nổ l AKỈEỈR tại Đài Loan, loàn bộ nội dung chính của luận văn nooài hai phần Mở đầu và Kết luận sẽ được lần lượt trình bày trong ba chương sau đây: Chương 1: Lý thuyết cơ bản về chuyển động quay trong địa chấn học Chưo’ng2; Phương pháp Chưo-ng 3: Quan trắc và kết quả 10 CFilJƠNG 1 - LÝ THUYÉT c o BẢN VÈ CHUYẼN ĐỘNC ỌyAY TRONC ĐỊA CHÁN HỌC Chuvcn dộim quav dược biết dển từ rất scVin Ironc dịa chấn học, nhưng nỏ clưực coi là rất nhò và bị bỏ qua 11. 2. 15]. rừ những năm 2005 chuyển động quay dược các nhà khoa học nahiẻn cứu và quan sát cùrm với dao động luyèn tính Iruyên thốnti. Kết qua thu được cho thấy chuyển động quay tồn tại song hành với tín hiệu dao dộim tuvến tính truvền thống và ảnh hưởne đen số liệu đo ghi địa chân truyèn thốnẹ. Vì vậy việc quan sát chuyền động quay đã được đặl ra. trước hết là chính xác h(Sa các quan Irăc dao độna tuyên tính truyên thône. Sử dụníi bộ sô liệu chuyên độnii quay và chuyển động tuyển lính truyền thống mang lại nhiều lợi ích. Chẳng hạn nó có thể cho ta khai thác thêm thông tin về môi trường truyền sóng địa chấn 15.9,12.13,14]. Mặt khác để miêu tả đầy đù dao động tại một điểm cần có 3 thành phần của chuyển động tuyến tính truyền thống, 3 thành phần chuyển động quay và 6 thành phần của biến dạng [1 ]. Từ đó chuyển động quay được chú ý và nổi lèn là một hướng đi đầy triển vọng trong Địa chấn học. Tuy nhiên tại Việt Nam nghiên cứu chuyển động quay là một hướng đi mới và chưa được nhiều người biết đến. fìởi vậy cho nên trong luận văn này trước tiên tôi sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về chuyến động quay, bao gồm cơ sở lý thuyết về chuyển động quay, đồng thời chỉ ra lợi ich của việc sử dụng số liệu ghi chuyển động quay trong nghiên cứu môi trưtmg truyền sóng địa chấn và mộl số kết quả đã đạt được khi sử dụng bộ số liệu ghi chuyển động này với chuyển động tuyến tính Iruyền thống đé giải thích tại sao chuyển động quav hiện nay trên thé giới lại nối lên là một hướng nghiên cứu mới dầy triển vọng, l.l. Co’sỏ lý thuyết /. /./. K hái niệm chuyến động quay trong địa chấn học [)ề xem xét chiụ cn dộne quay tôi 2Ìả sư ràiiiì môi trường quan tàm trong hệ tọa dộ l)c các xoy. có lính chất dàn hôi, chịu lác độriíi bcíi một lực và bị biến dạng (hình I. I , 11 I.uân văn thạc sĩ - 2014 Trần rtiị N sọc Anlí ỈKl ơí klll BIFN l)AN(. I heo lý thuyết đàn hồi, các biến dạng nhỏ dịch chuyển quanh điếm X liên hệ vcri điểm bên cạnh X + ổx bằng công thức (1.1); õ.x ÕllÁX) . ỐII, = d ,ix ) ' (1 .1) íVí/ = - 1 du, dUj ổx + - ' 2 = { e , + Q , ị ^ . . õx, dx, ' ^ / ' ' ^ .i I ' / ĩrong đó; e. . \ Là thành phần biến dạng . II : Là thành phần quav. u : Là thành phàn dao dôim tuvốn tiiih Iruvền ihốne. // . ^ . 12 [...]... thành phân của chuyên động tuyên tính truyền thống, 3 thành phần chuyển động quay, và 6 thành phần biến dạng [1, 7] về lý thuyết có thể xác định được chuyển động quay từ số liệu đo ghi chuyển động tuyến tính cụ thể [6 , 8 , 10] Theo đó năm 1989 hai nhà khoa học Oliveire và Bolt đã giới thiệu một phương pháp gần đúng để xác định chuyển động quay từ chuyển động tuyến tính truyền thống, phương pháp này... cấu trúc qua việc sử dụng hệ số tương quan 1.2 Ý nghĩa từ việc sủ' dụng tín hiệu chuyển động quay kêt hợp vói sô liệu dao động tuyến tính truyền thống Nuhiên cứu việc sử dụne kết hcỵp hai dạng tín hiệu chuyển động quay và dao độrm tuyến tính truyền thống là một hướng đi mới và nhiều triển vọng trong địa chấn học [3,161- Thật vậy, khi phân tích tín hiệu ghi dao động tuyến tính phát hiện được ràng nỏ... tuyến lính truyền thống theo [9] 28 Trấn Thị Níỉọc Ánh L uận văn thạc sĩ - 2014 Hình 2.1: Các mô hình khác nhau của khi tính toán chuyển động quay từ chuyển động tuyến tính truyền thống tương ứng với các trường hợp trong bảng 2.1 (nguồn [9]) lYên đây là toàn bộ cư sở lý thuyết của phương pháp xác định chuyển động quay từ dao dộrm tuyến tính truyền Ihống Sau đây tôi sẽ áp dụng phương pháp xác dịnh chuyển. .. xác dịnh chuyển dộng quay từ dừ liệu dao động tuyến tính truyền thống này ở trong vụ nổ [AKỈHR tại Dài Loan nhằm mục đích xác định chuyển động quay từ chuyến dộiiii luyến tính truyền thống, dồnsì thời đánh giá khá năng khai thác thông tin từ việc két hợp sử dụng chuyển dộnR quay và chuyển động tuyèn tính truyên thông troTiíĩ vụ nô lAKỈER tại Dài l.oan Phần này sẽ được tôi trình bày trong chương tiêp iheo... 2014 Dữ liệu sau khi dã dược chuycn dổi sane íìlc ASCII dược lôi sứ dụng trong nghiên cửu Iiàv Với Iiíỉhiên cửu cua tôi X á c định ch u yển động quay từ tập sổ ỉiệu dao dộnỊi tu yến tính truyền íh ổ n g " nhằm mục tiêu xeni xét linh khả thi của việc tính loàn chuycMi dộnii quay từ một nmiồn số liệu dao động tuyến tính truyèn thông cụ thè dánh íiiá khả năníỉ khai Ihác thòna tin của bộ số liệu địa chấn. .. giếng khoan đặt nguồn nổ N3 Trong suốt vụ nổ này thiết bị đo ghi chuyển động tuyến tính truyền ihống dược đặt ở gần nguồn nổ [9] Từ trung tâm của mạng lưới dặt thiết bị ghi địa chấn ghi chuyển động tuyến lính truyền thống tới nguòn nổ khoảng cách khoảng 500m., 2,hi nhận 3 thành phần của chuyển động tuyến tính truyền thống bầng máy gia tốc I S A - 100 Ỉ3ịnh dạng của bộ số liệu này dưới dạng mã nhị phân,... nhà khoa học Irên thế giới áp dụng và phái triển Chănu liạn như năm 2007 nhà khoa học I.angslon chỉ phưcmg pháp phương sai hữu hạn uần dúriR Nó là một phưcme pháp tin cậy được dùng làm chuàn đô tính toán sổ liệu chuvén dộnu quay tử số liệu dao động tuvến tính truyền thống Langston đã chỉ ra dược ràna chuyển độne quay theo thành phần thẳng đứng có thẻ được lấy ra từ dao dộníỉ tuyến tính truvền thống theo... quay từ chuyển động tuyến tính truyền thống, phương pháp này đã được Huang năm 2003 sử dụng để ước tính chuyển động quay từ số liệu ghi trận động đất diễn ra năm 2003 với M7.6 tại Chi- Chi, Đài Loan Ket quả tiếp tục khẳng định có ihể khai thác được thông tin chuyển dộng quay từ mảng số liệu chuyển động tuyến tính ghi được 118] Năni 1997 mộl phuơng pháp hoàn chỉnh hưn cùa Bodin ra đời và được gọi là phirtyng... hiệu chuyển động quay Ị 19] 1ritunac năm 2 0 0 1 dã xác định ảnh hưởng của dao động nền dựa vào việc phân tích tín hiệu dịa chắn nhiều thành phần, ỏ n g đã chỉ ra ràng với 3 thành phần của dao động tuyên tính truvền thốna trên băim lihi địa chấn không thè xác định chính xác anh hưởng cua diu> dộrm nỏn Ironti niộl trận dộng đấl nià lín hiẹu chuyển dộng qua> mới ghi dược cliính xác ủnh hươiiíỉ cua dao. .. chuyến động quav có thể quan sát được Trong trường hợp này chuyển ilộng quay có Ihế được xác định từ chuyển độna tuyến tính truyền thống thành công K.lii đó Í2 dirực xác dịnh bởi cône thức: íi V x ;/(x ) ( 2 8 ) I h c o dỏ ba thành phần ch u y ể n đ ộ n g quay theo ba p h ư ơ n g X, y, z lần lượt ỉưực xác định theo công thức ( 1 1 0 ), ( 1 1 1 ), ( 1 1 2 ) mà trong phần chương 1 tôi đã trinh hây . chuyển động quay trong iỉịa chấn học từ tập số liệu dao động tuyến tính truyền th ống'' được lựa chọn cho luạn ăn này. Mục tiêu đề tài đặt ra là xác định chuyển động quay từ số liệu dao. liệu ghi chuyển động quay trong nghiên cứu môi trưtmg truyền sóng địa chấn và mộl số kết quả đã đạt được khi sử dụng bộ số liệu ghi chuyển động này với chuyển động tuyến tính Iruyền thống đé. động quay của sóng p trên hề m ặt tự d o 19 /. ỉ.3. Chuyển động quay gãy ra bởi sóng s 22 1.2. Ý nghĩa từ việc sử dụng tín hiệu chuyển động quay kết hợp vói số liệu dao động tuyến tính truyền thống