Bài viết tiến hành đo dao động vi địa chấn tại 93 điểm bằng hệ thống máy dao động vi địa chấn Servo. Kết quả đo đạc, phân tích số liệu và vi phân vùng động đất Tp. Hà Nội thuần túy bằng phương pháp vi địa chấn được trình bày trong bài báo này
Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 33(2)[CĐ], 175-184 6-2011 SƠ ĐỒ VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRÊN CƠ SỞ CÁC KẾT QUẢ ĐO DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN NGUYỄN TIẾN HÙNG1, KUO-LIANG WEN2 Email: ngtienhungvn@gmail.com Viện Vật lý địa cầu - Viện KH CNVN Viện Vật lý Địa cầu, Đại học Trung ương Đài Loan Ngày nhận bài: 4-4-2011 1 Mở đầu Vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội (Tp Hà Nội) nghiên cứu với mức độ chi tiết tin cậy khác [9, 10, 12, 13] Nguyễn Đình Xuyên [12] sử dụng phương pháp độ cứng địa chấn quan sát dao động vi địa chấn máy ghi động đất LE-3D xác định hệ số khuếch đại chu kỳ trội đất lập đồ vi phân vùng động đất nội thành Tp Hà Nội Nguyễn Ngọc Thuỷ nnk [9] áp dụng phương pháp độ cứng địa chấn vi địa chấn để xác định đặc trưng dao động đất từ 57 điểm đo dao động vi địa chấn máy K2 Kết cho thấy chu kỳ trội đất nằm khoảng từ 0,6s đến 2,5s Tulandhar et al., [10] thực 63 điểm đo dao động vi địa chấn tập trung chủ yếu quận nội thành máy đo dao động vi địa chấn xách tay Kết cho thấy chu kỳ trội đất nằm khoảng từ 0,4s đến 1,2s Tuy nhiên, việc vi phân vùng động đất chưa đủ rõ ràng Sử dụng dao động vi địa chấn vi phân vùng động đất đề xuất lần Kanai Tanaka (1961) [4] Họ giải thích khuếch đại dao động vi địa chấn phản xạ nhiều lần sóng S truyền qua phân lớp nằm ngang Ohta (1978) thực nghiên cứu chu kỳ trội đất vùng Hachinohe, Nhật Bản số liệu dao động vi địa chấn dao động mạnh cho thấy khuếch đại mạnh lớp trầm tích phù sa sâu [7] Singh 1988 đánh giá khuếch đại động đất Michoacan 1985 cho thấy khu vực bồn trầm tích có khuếch đại lớn 8-50 lần so với khu vực đồi [9] Nakamura (1989) đề xuất phương pháp tỉ số phổ ngang đứng (H/V) trạm [5, 6] Theo tác giả tỷ số phổ H/V vi địa chấn liên quan đến chu kỳ trội T0 hệ số khuếch đại biên độ vi địa chấn A0 lớp phủ bở rời so với đá gốc Phương pháp dựa hai giả định: (i) Vi địa chấn theo phương ngang bị khuếch đại thơng qua chùm phản xạ sóng S, vi địa chấn theo phương đứng bị khuếch đại thơng qua chùm phản xạ sóng P; (ii) Sóng Rayleigh ảnh hưởng đến vi địa chấn theo phương đứng lớp phủ, không ảnh hưởng đến vi địa chấn theo phương đứng đá gốc Khi phương trình hàm truyền qua lớp phủ theo phương ngang đứng là: ST=SHS/SHB (1) ES=SVS/SVB (2) Trong đó: SHS, SHB, SVS SVB tương ứng là: phổ dao động vi địa chấn theo phương ngang bề mặt, phổ dao động vi địa chấn theo phương ngang đá gốc, phổ dao động vi địa chấn theo phương đứng bề mặt phổ dao động vi địa chấn theo phương đứng đá gốc Nếu môi trường khơng có sóng Rayleigh ES=1, ES >1 mơi trường bị ảnh hưởng sóng Rayleigh Khi đó, phương trình ảnh hưởng sóng Rayleigh STT cho thành phần thẳng đứng thành phần nằm ngang là: STT = ST / ES = RS / RB (3) 175 Phương trình (6) cho thấy phương trình hàm truyền lớp phủ đánh giá vi địa chấn bề mặt dao động mạnh kỹ thuật cho kết trung thực Tuy nhiên, kỹ thuật đòi hỏi phải thu đầy đủ kiện xẩy ứng với loại Vì thế, kỹ thuật áp dụng vài quốc gia có hệ thống trạm ghi dao động mạnh dầy đặc thường xuyên có động đất; (iv) Vi địa chấn kỹ thuật đo tín hiệu thụ động, dùng phổ biến cho vi phân vùng giá thành rẻ, tốn thời gian khơng cần tham khảo đầy đủ băng ghi dao động mạnh mà đánh giá xác chu kỳ khuếch đại dao động đất [1, 2, 3-13] Vì thế, sử dụng phương pháp vi địa chấn để xây dựng phương án cho sơ đồ vi phân vùng động đất Tp Hà Nội Một số kỹ thuật hay sử dụng để đánh giá đặc tính động học như: (i) Khoan thăm dò kỹ thuật đánh giá xác Tuy nhiên, kỹ thuật có giá thành cao, tốn nhiều thời gian nói chung khơng thích hợp cho vi phân vùng động đất; (ii) Đo địa chấn phản xạ, khúc xạ, phân tích đa kênh sóng mặt, kỹ thuật thường dùng để đánh giá lát cắt vận tốc sóng ngang (Vs) Tuy nhiên, khó thực khu đơng dân cư sử dụng nguồn nổ chịu ảnh hưởng nhiều nguồn nhiễu bề mặt; (iii) Dùng băng ghi số liệu Nghiên cứu tiến hành năm 2008, 2009 2010 Toạ độ vùng nghiên cứu giới hạn phạm vi: vỹ độ từ 20°52’N tới 21°14’N, kinh độ từ 105°42’E tới 106°02’E Để xây dựng sơ đồ vi phân vùng động đất Tp Hà Nội tiến hành đo dao động vi địa chấn 93 điểm hệ thống máy dao động vi địa chấn Servo (hình 1) Kết đo đạc, phân tích số liệu vi phân vùng động đất Tp Hà Nội túy phương pháp vi địa chấn trình bày báo Trong đó: RS=SHS/SVS (4) RB=SHB/SVB (5) RS RB tỷ số phổ dao động ngang dao động đứng bề mặt tỷ số phổ dao động ngang dao động đứng đá gốc Thực nghiệm cho thấy RB ≅1 tồn dải tần quan tâm Kết đá gốc rắn dao động theo tất hướng RB≅1 =>STT=RS = SHS/SVS (6) ← Hình Khu vực nghiên cứu điểm đo dao động vi địa chấn 176 Đặc điểm địa hình, địa chất cơng trình Tp Hà Nội 2.1 Địa hình Địa hình Tp Hà Nội mang tính thang bậc rõ nét, bao gồm: (i) Địa hình đồi núi thấp phân bố phía bắc thành phố, có độ cao từ 270 đến 374m; (ii) Đồng - gò đồi phát triển rộng phía đơng bắc Sóc Sơn; (iii) Đồng cao phân bố chủ yếu Đơng Anh phần cịn lại Sóc Sơn, có độ cao từ đến 15m; (iv) Đồng thấp phân bố phổ biến phần đông nam thành phố, dọc theo Sông Hồng, Sông Đuống, Sơng Cà Lồ Độ cao trung bình từ 2m đến 6m (hình 2) [theo Nguyễn Đức Đại, 1996] ← Hình Bản đồ phân bố điểm đo dao động vi địa chấn Tp Hà Nội Các điểm đo dao động vi địa chấn Tp Hà Nội phân bố chủ yếu vùng đồng thấp số điểm đo dao động vi địa chấn phân bố Tp Hà Nội phân bố khu vực đồng cao Bản đồ địa hình Tp Hà Nội theo Nguyễn Đức Đại (1996) 2.2 Đặc điểm địa chất cơng trình Các trầm tích Đệ tứ Tp Hà Nội hình thành từ Pleistocen sớm đến Holocen muộn, gồm hệ tầng trầm tích, từ xuống là: (i) Hệ tầng Thái Bình với thành phần chủ yếu sét pha, cát pha, cát hạt nhỏ, cát bột lẫn mùn thực vật; (ii) Hệ tầng Hải Hưng trầm tích hồ - đầm lầy, trầm tích biển đầm lầy, chủ yếu gồm bùn, than bùn, sét bột chứa tàn tích thực vật; (iii) Hệ tầng Vĩnh Phúc lộ với diện tích rộng vùng Sóc Sơn, Đơng Anh vùng nhỏ Cổ Nhuế - Xuân Đỉnh, thành phần chủ yếu gồm sét bột, cát lẫn sét, cát vàng xây dựng ; (iv) Hệ tầng Hà Nội lộ vùng gị đồi Sóc Sơn, cịn phần lớn chúng bị phủ, quan sát lỗ khoan từ Sóc Sơn, Đơng Anh trở 177 xuống phía nam, đơng nam thành phố, thành phần chủ yếu gồm cuội, cuội tảng, sỏi sạn, cát hạt thơ, cát bột; (5) Hệ tầng Lệ Chi xuất lỗ khoan thuộc mặt cắt I, II III (hình 3) độ sâu 45m đến 69,5m, thành phần chủ yếu gồm cuội, sỏi, cát, bột sét [theo Nguyễn Đức Đại, 1996] Trong hệ tầng hệ tầng Thái Bình, hệ tầng Hải Hưng hệ tầng Vĩnh Phúc lớp đất yếu, hệ tầng Hải Hưng chứa than bùn bùn có tính lý Hệ tầng Hà Nội chủ yếu cuội sỏi nên có tính lý tốt, phân bố rộng khắp khu vực nghiên cứu với độ sâu tăng dần từ bắc xuống nam Cùng với hệ tầng Lệ Chi (nằm dưới) tạo nên lớp cuội sỏi dày tương phản với lớp trầm tích bùn, cát, sét phía Hình Bản đồ địa chất cơng trình Tp Hà Nội (theo Nguyễn Đức Đại, 1996) Các điểm đánh dấu (trên mặt cắt) biểu tượng hình tam giác điểm đo dao động vi địa chấn dùng để so sánh điều kiện địa chất công trình với kết đo dao động vi địa chấn 178 Phân vùng nhỏ động đất Tp Hà Nội phương pháp vi địa chấn 3.1 Thiết bị sử dụng Thiết bị sử dụng nghiên cứu hệ thống máy ghi dao động vi địa chấn Servo hãng Tokyo Sukushin sản xuất Một hệ thống gồm máy ghi SAMTAC-801H sensor VSE315D hay VSE355EV Máy ghi có độ phân giải 24 bit sensor có thành phần (3 thành phần vận tốc thành phần gia tốc) với dải tần từ 0,1 tới 50Hz (hình 4) Máy ghi Sensor Hình Một hệ thống máy ghi Servo bao gồm máy ghi Sensor 3.2 Đo đạc xử lý số liệu dao động vi địa chấn Tại điểm, tiến hành đo liên tục khoảng 18 phút, tần số lấy mẫu phép đo 200 mẫu/giây Số liệu dùng để phân tích số liệu dao động vi địa chấn thành phần vận tốc, gồm hai thành phần nằm ngang (NS EW) thành phần thẳng đứng (V) Các điểm đo xác định xác hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cầm tay Các băng ghi số liệu tiến hành xử lý sau: (i) Chia toàn băng ghi thành nhiều đoạn, đoạn có độ dài 20,48s (4096 điểm số liệu); (ii) Loại bỏ đoạn bị ảnh hưởng nhiễu bất thường; (iii) Sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh để tính tốn cho thành phần đoạn; (iv) Tính tỷ số biên độ Fourier, sau gọi tỷ số phổ H/V, đoạn công thức: ( NS * EW ) / V (7) NS, EW, V phổ Fourier thành phần bắc-nam, đông-tây, đứng; (5) Lấy trung tỷ số phổ H/V đoạn thu tỷ số phổ H/V cuối Đỉnh trội tỷ số phổ H/V cuối chu kỳ trội đất điểm đo dao động vi địa chấn tương ứng Sau thu giá trị chu kỳ trội tỷ số phổ H/V cuối tất điểm đo dao động vi địa chấn, tiến hành biểu diễn khác chu kỳ trội điểm đo dao động vi địa chấn lên sơ đồ số Tp Hà Nội Bằng phép nội suy không gian điểm khảo sát khác nhau, tạo sơ đồ phân bố chu kỳ trội đất Tp Hà Nội Dựa vào tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam “TCXDVN 375: 2006: Thiết kế cơng trình chịu động đất” [14] (bảng 1) kỹ thuật phân loại theo chu kỳ trội Đài Loan (bảng 2), thành lập sơ đồ phân loại đất Tp Hà Nội theo tài liệu dao động vi địa chấn 179 Bảng Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam “TCXDVN 375: 2006: Thiết kế cơng trình chịu động đất” [9] Loại Các thơng số Mô tả mặt cắt thạch học Vs,30 (m/s) A Đá thành tạo địa chất giống đá, gồm nhiều 5m vật chất bở rời mặt B Các lớp cát, cuội sỏi chặt, sét cứng, dày hàng chục mét, đặc trưng tăng dần theo độ sâu tính chất lý 360 - 800 > 50 C Các tầng dày cát, cuội, sỏi chặt trung bình, hoăc sét cứng bề dày từ vài chục đến hàng trăm mét 180 - 360 15 -50 D Các tầng đất bở rời đến trung bình (có hay khơng có lớp đất xốp), đất chủ yếu xốp đến < 180 800m/s S1 Các tầng gồm chứa lớp dày 10m sét mềm/bùn với độ dẻo cao (PI>40) chứa nước cao S2 Các tầng đất có khả hố lỏng, sét nhạy cảm, đất khác khơng có loại A-E hay S1 Bảng Kỹ thuật phân loại đất theo chu kỳ trội Đài Loan Loại Vs,30 (m/s) Nspt T0 (s) A >800 B 360-800 >50