Nghiên cứu áp dụng phương pháp biến đổi trường trong miền tần số thực hiện việc biến đổi trường trọng lực khu vực bể trầm tích sông Hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ THANH HOA NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRONG MIỀN TẦN SỐ THỰC HIỆN VIỆC BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC KHU VỰC BỂ TRẦM TÍCH SƠNG HỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ THANH HOA NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRONG MIỀN TẦN SỐ THỰC HIỆN VIỆC BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC KHU VỰC BỂ TRẦM TÍCH SÔNG HỒNG Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đỗ Đức Thanh Hà Nội - 2015 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: CÁC PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC 1.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ PHÉP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG 1.2.1 Phƣơng pháp trung bình hố .3 1.2.2 Phƣơng pháp tiếp tục giải tích trƣờng .6 1.2.3 Phƣơng pháp tính đạo hàm bậc cao 12 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ KẾT QUẢ BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC KHU VỰC BỂ TRẦM TÍCH SƠNG HỒNG 15 2.1 NGUỒN SỐ LIỆU SỬ DỤNG 15 2.2 SƠ LƢỢC VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT - KIẾN TẠO KHU VỰC BỂ TRẦM TÍCH SƠNG HỒNG Error! Bookmark not defined 2.3 ĐẶC ĐIỂM DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC ………………………………… 18 2.4 KẾT QUẢ TÍNH TỐN 19 KẾT LUẬN .31 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cách chọn bán kính palet .5 Hình 1.2 Đánh giá hàm điều hoà điểm vùng R Hình 2.1 Bản đồ dị thƣờng Phai khu vực Biển Đông kế cận 15 Hình 2.2 Bản đồ dị thƣờng Bughe khu vực Biển Đông kế cận 16 Hình 2.3 Bản đồ dị thƣờng Bughe khu vực bể trầm tích Sơng Hồng kế cận 17 Hình 2.4 Kết hạ trƣờng xuống độ sâu 1km .20 Hình 2.5 Kết hạ trƣờng xuống độ sâu km 21 Hình 2.6 Kết tính đạo hàm ngang tồn phần mức z = .22 Hình 2.7 Kết nâng trƣờng lên độ cao km .23 Hình 2.8 Kết tính đạo hàm ngang toàn phần nâng trƣờng lên độ cao km 24 Hình 2.9 Kết nâng trƣờng lên độ cao 10 km .25 Hình 2.10 Kết tính đạo hàm ngang tồn phần nâng trƣờng lên độ cao 10 km 26 Hình 2.11 Kết nâng trƣờng lên độ cao 15 km 257 Hình 2.12 Kết tính đạo hàm ngang tồn phần nâng trƣờng lên độ cao 15 km 28 Hình 2.13 Kết nâng trƣờng lên độ cao 20 km 29 Hình 2.14 Kết tính đạo hàm ngang toàn phần nâng trƣờng lên độ cao 20 km 30 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập trƣờng Đại học khoa học tự nhiên em nhận đƣợc tận tình dạy dỗ, bảo thầy khoa Vật Lý nói riêng thầy trƣờng nói chung Em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể thầy giáo dạy em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Vật Lý Địa Cầu trang bị cho em kiến thức thời gian học tập trƣờng Và đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Đức Thanh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành tốt luận văn Cuối em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn quan tâm động viên giúp đỡ em trình học tập thời gian làm luận văn Em mong nhận đƣợc quan tâm góp ý thầy bạn luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2015 Học viên Phạm Thị Thanh Hoa MỞ ĐẦU Thăm dò trọng lực phƣơng pháp địa vật lý nghiên cứu phân bố trƣờng trọng lực mặt đất để nghiên cứu cấu trúc bên đất, cấu trúc vỏ đất, tìm kiếm thăm dị khống sản giải nhiệm vụ địa chất khác Trƣờng trọng lực quan sát đƣợc tổng hợp nhiều nguồn trƣờng đối tƣợng địa chất khác đặc điểm chúng phức tạp đa dạng Để xác định dị thƣờng trọng lực liên quan tới đối tƣợng cần nghiên cứu nhiệm vụ quan trọng phải áp dụng thuật toán để phân chia trƣờng trọng lực thành trƣờng thành phần (trƣờng khu vực, trƣờng địa phƣơng…), tách biệt trƣờng liên quan đến đối tƣợng cụ thể (nâng hạ trƣờng, trung bình trƣờng, gradien chuẩn hoá) nhận dạng trƣờng… Trong luận văn này, áp dụng phƣơng pháp biến trƣờng trọng lực miền tần số để thực việc biến đổi trƣờng bao gồm việc nâng, hạ trƣờng mức khác Đồng thời thực việc tính đạo hàm bậc cao theo phƣơng nằm ngang trọng lực độ cao khác đƣợc thực nhằm xác định vị trí đứt gãy sâu khu vực bể trầm tích Sơng Hồng thuộc phạm vi thềm lục địa Việt nam Luận văn đƣợc chia làm chƣơng sau: Chƣơng 1: Các phƣơng pháp biến đổi trƣờng trọng lực Chƣơng 2: Cơ sở liệu kết biến đổi trƣờng trọng lực khu vực bể trầm tích Sơng Hồng CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC 1.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ PHÉP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG TRỌNG LỰC Các dị thƣờng trọng lực quan sát đƣợc, phản ánh toàn yếu tố địa chất Trong trƣờng tổng cộng, yếu tố địa chất có đóng góp phần định Trong giải nhiệm vụ địa chất cụ thể, từ trƣờng tổng ngƣời ta phải tách đƣợc phần trƣờng riêng biệt có liên hệ trực tiếp đến đối tƣợng cần nghiên cứu Muốn ngƣời ta phải tiến hành biến đổi trƣờng quan sát đƣợc nhằm nhấn mạnh phần trƣờng cần thiết làm yếu phần trƣờng khác Các phƣơng pháp biến đổi trƣờng dị thƣờng trọng lực có nhiều điểm chung với trình lọc nhiễu lý thuyết thơng tin, chúng có đặc điểm riêng Phần phép biến đổi trƣờng trọng lực bao gồm việc tách trƣờng quan sát thành thành phần tƣơng ứng với đối tƣợng địa chất nằm độ sâu khác Các phép biến đổi trƣờng nhấn mạnh phần làm yếu phần khác thành phần có đặc điểm khác nằm trƣờng tổng Hiện có nhiều phƣơng pháp tính dị thƣờng trọng lực [1, 2] Phụ thuộc vào phép biến đổi mà hàm sau đƣợc biến đổi hàm thứ nguyên hàm xuất phát (nhƣng thuộc mức khác) đạo hàm hàm xuất phát Các đạo hàm thuộc mức xuất phát Các hàm đƣợc biến đổi đơi có thứ nguyên tích hàm xuất phát với toạ độ Tất phép biến đổi trƣờng trọng lực nhƣ phƣơng pháp lọc nhiễu lý thuyết thông tin mặt tốn học đƣợc biểu diễn dƣới dạng tích phân chập: - Trong trƣờng hợp toán ba chiều: Vbđ(x0,y0,z0)=  Vxp ( , ,0) K ( x0   , y0   , z0 )dd - Trong trƣờng hợp toán hai chiều: (1.1) Vbđ(x0,y0)=  Vxp ( ,0) K ( x0   , z0 )d (1.2) Vbđ(x0,y0,z0) Vbđ(x0,z0) tham số đƣợc biến đổi, Vxp(  , ,0) Vxp ( ,0) hàm xuất phát (trƣờng tổng), K( x0   , y0   , z0 ) K ( x   , z0 ) nhân biến đổi Các nhân biến đổi nhiều đƣợc gọi hàm trọng số Các hàm gọi hàm tuyến tính nên tất biến đổi tƣơng ứng đƣợc gọi biến đổi tuyến tính Bằng cách qui ƣớc ngƣời ta chia phép biến đổi trƣờng thành ba nhóm lớn: - Trung bình hố - Tiếp tục giải tích dị thƣờng trọng lực nhƣ hàm điều hồ - Tính đạo hàm bậc cao trọng lực Ta lần lƣợt xét đến nhóm phƣơng pháp 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TRƢỜNG 1.2.1 Phƣơng pháp trung bình hố [2] Việc phân chia dị thƣờng trọng lực thành thành phần khu vực địa phƣơng nhờ phƣơng pháp trung bình hố đƣợc sử dụng rộng rãi thực tế Bản chất phƣơng pháp trung bình hố nhƣ sau: Xem trƣờng trọng lực quan sát đƣợc gồm hai thành phần, thành phần khu vực Vr thành phần địa phƣơng Vl V=Vr+Vl (1.3) Lấy trung bình thƣờng quan sát đƣợc phạm vi vòng tròn bán kính R Giá trị trung bình đƣợc biểu diễn tích phân sau: V (0,0,0  R 2 R   V (r,  ,0)drd (1.4) 0 Đối chiếu công thức tổng quát (1.1) ta thấy trƣờng hợp này: Vbđ(x0,y0,z0)= V (0,0,0) Còn Vxp( ( , ,0)  V (r,  ,0) K (x0   , y0   , z0 )  / 2R dd  rdrd Ngƣời ta chọn bán kính R cho lớn nhiều so với kích thƣớc dị thƣờng địa phƣơng nhỏ nhiều so với kích thƣớc dị thƣờng khu vực Khi điều kiện đƣợc thoả mãn thành phần khu vực đƣợc tách từ trƣờng quan sát dị thƣờng địa phƣơng (dƣơng âm) bù trừ lẫn nhau, thành phần khu vực lại bị thay đổi Kết V  Vr Trƣờng hợp đặc biệt trƣờng khu vực thay đổi theo quy luật tuyến tính hồn tồn khơng bị thay đổi sau phép trung bình, tức là: V (0,0,0)  Vr (0,0,0) Sau xác định đƣợc trƣờng khu vực Vr , trƣờng dị thƣờng địa phƣơng đƣợc tính theo cơng thức: Vl = V- V (1.5) Để làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý dị thƣờng đƣợc trung bình hố ngƣời ta đƣa vào khái niệm mức độ trung bình hố Đó tỷ số trƣờng đƣợc trung bình hố với trƣờng xuất phát  V V (1.6) Mức độ trung bình hố đồng thời đặc trƣng cho mức độ xác việc tách trƣờng địa phƣơng Giả sử trƣờng dị thƣờng Vz hình cầu có khối lƣợng M nằm độ sâu h gây VZ (r,  ,0)  kMh /( r  h )3 / (1.7) Ta tìm giá trị trung bình Vz phạm vi vịng trịn bán kính R với tâm trùng với hình chiếu tâm cầu mặt đất kMh Vz (0,0,0)  R 2 R   r 0 rdrd h  3/  2kM  h 1   R  R  h2     (1.8) Đặt M / R   Lúc cơng thức (1.7) tƣơng tự với công thức lực hấp dẫn đĩa vật chất tròn với mật độ mặt  nằm độ sâu h có khối lƣợng khối lƣợng cầu M bán kính bán kính vịng trịn lấy trung bình gây Nhƣ phƣơng pháp trung bình hóa dị thƣờng Vz chất điểm nằm độ sâu h vịng trịn bán kính R tƣơng đƣơng với việc phân phối lại khối thành đĩa vật chất nằm độ sâu có bán kính bán kính trung bình hố    kM  Vz (0,0,0) 2kM  h  : 1   1    2 Vz (0,0,0) R  R h  h  R2 1  h        (1.9) gọi R/h=Rh, từ công thức (1.8) ta có  Rh2  1    Rh2      (1.10) Từ cơng thức (1.9) ta chọn đƣợc bán kính trung bình hố cho trƣớc mức độ xác xác định dị thƣờng địa phƣơng biết trƣớc độ sâu h Hình 1.1a Hình 1.1b Hình 1.1 Cách chọn bán kính palet Trong thực tế phần lớn bán kính trung bình hóa đƣợc chọn phƣơng pháp thực nghiệm theo cách lấy trung bình trƣờng trọng lực cho trƣớc Muốn số điểm khác trƣờng ta áp dụng phƣơng pháp trung bình hố với bán kính trung bình khác Tiếp theo ngƣời ta vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc trƣờng đƣợc trung bình hố bán kính trung bình Theo đồ thị ngƣời ta chọn bán kính trung bình hố tối ƣu ( H1.1.a.b.) Trong trƣờng hợp (a) bán kính tối ƣu tƣơng ứng với điểm mà trƣờng đƣợc trung bình hố bắt đầu khơng thay đổi R thay đổi, cịn trƣờng hợp (b) bán kính tối ƣu tƣơng ứng với điểm uốn đƣờng cong Ngồi vịng trịn, phƣơng pháp trung bình hố ngƣời ta cịn lấy hình khác để làm miền trung bình Đặc biệt thực tế ngƣời ta dùng miền Hình 2.9 Kết nâng trƣờng lên độ cao 10 km 25 Hình 2.10 Kết tính đạo hàm ngang tồn phần nâng trƣờng lên độ cao 10 km 26 Hình 2.11 Kết nâng trƣờng lên độ cao 15 km 27 Hình 2.12 Kết tính đạo hàm ngang toàn phần nâng trƣờng lên độ cao 15 km 28 Hình 2.13 Kết nâng trƣờng lên độ cao 20 km 29 Hình 2.14 Kết tính đạo hàm ngang toàn phần nâng trƣờng lên độ cao 20 km 30 KẾT LUẬN Qua việc nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp biến đổi trƣờng miền tần số thực việc biến đổi trƣờng trọng lực khu vực bể trầm tích Sơng Hồng thuộc phạm vi thềm lục địa Việt nam, rút số nhận xét kết luận sau: Việc hạ trƣờng xuống độ sâu khác nhấn mạnh đƣợc dị thƣờng địa phƣơng nhƣng khơng cho phép xác định đƣợc vị trí đứt gãy sâu khu vực nghiên cứu Do chƣa tách đƣợc dị thƣờng địa phƣơng trƣờng trọng lực quan sát nên việc tính xây dựng sơ đồ đạo hàm ngang toàn phần mức z = không cho phép xác định đƣợc vị trí đứt gãy sâu khu vực nghiên cứu Việc tính tốn xây dựng sơ đồ đạo hàm ngang toàn phần trƣờng trọng lực đƣợc nâng lên mức z = 10 km phản ánh rõ vị trí đứt gãy địa chất khu vực nghiên cứu Kết tính tốn cho thấy đứt gãy định hƣớng theo hai hƣớng tây bắc – đơng nam đông bắc - tây nam Với trƣờng dị thƣờng trọng lực đƣợc nâng lên mức z = 15 20 km, đứt gãy sâu khu vực đƣợc phản ánh sơ đồ đạo hàm ngang toàn phần trƣờng Việc sử dụng phần mềm Matlab để thực việc biến đổi trƣờng thuận tiện cho ngƣời sử dụng việc tính tốn biểu diễn kết Đặc biệt toán ba chiều 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Tơn Tích Ái (2003), Trọng lực thăm dò trọng lực, NXB Đại học quốc gia Hà Nội Đỗ Đức Thanh (2006), Các phương pháp phân tích, xử lý tài liệu từ trọng lực, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyễn Nhƣ Trung (2014), “Xác định độ sâu móng trầm tích khu vực bể Bắc Bộ theo phân tích ngƣợc trực tiếp 3D số liệu trọng lực vệ tinh”, Tạp chí khoa học trái đất, 36 (3CD), tr.315-320 V.M Nikiforov, Phùng Văn Phách, R.G Kulinich, V.V Khakhinov, I.V Dmitriev, G.N Skabarnya, M.G Valitov, Hoàng Văn Vƣợng, Lê Đức Anh, Nguyễn Văn Điệp, Trần Văn Khá (2014), “Một số kết thử nghiệm phƣơng pháp từ telua nghiên cứu vỏ Trái Đất khu vực Bắc vịnh Bắc Bộ”, Tạp chí khoa học trái đất, 36 (3CD), tr.306-314 Hoàng Văn Vƣợng, Trần Văn Khá, Đào Thị Hà, Nguyễn Kim Dũng (2014), “Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc mật độ trung bình đất đá trầm tích khu vực trũng sâu Biển Đông - Quần đảo Trƣờng Sa kế cận theo tài liệu địa vật lý”, Tạp chí khoa học trái đất, 36 (3CD), tr.321-328 Đoàn Văn Tuyến nnk (1999), “Đặc điểm cấu trúc sâu đới Sông Hồng khu vực tây bắc vùng trũng Hà Nội theo kết phân tích tài liệu từ - telur”, Tạp chí khoa học Trái Đất, 21(1), tr 31-35 Tiếng Anh Richard J.Brackeyly (1992), Potential theory in gravity and magnetic application, Cambridge University Press PHỤ LỤC (Listing chương trình máy tính) close all; clear;clc; data=importdata('BACBObughe.XYZ'); g=data(:,3); dd=[' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n', ' %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f %12.5f\n']; fid = fopen('tam.txt', 'wt'); fprintf(fid,dd,g); fclose(fid); %edit tam.txt; fid = fopen('tam.txt', 'r'); df=['%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n', '%g %g %g %g %g %g \n']; a = fscanf(fid,df, [256 256]); nx=256; ny=256; dlamda=0.0227; dphi=0.0227; dx=dphi*110; dy=dlamda*110; dz=2.0; dkx=(2*pi)/(nx*dx); dky=(2*pi)/(ny*dy); nyqx=nx/2+1; nyqy=ny/2+1; for j=1:nx if j