Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích sàng lọc calux trong đánh giá mức độ ô nhiễm dioxin trong môi trường tại một số khu vực ô nhiễm nặng ở việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thành Luân NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PARKER XÁC ĐỊNH DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC BOUGUER KHU VỰC BIỂN ĐÔNG VÀ KẾ CẬN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thành Luân NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PARKER XÁC ĐỊNH DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC BOUGUER KHU VỰC BIỂN ĐÔNG VÀ KẾ CẬN 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 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn tới thầy - PGS.TS Đỗ Đức Thanh, Bộ môn Vật lý địa cầu, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên , Đại học Quốc gia Hà Nội ngươì đã tận tình bảo , hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình thưc hiê luận n văn này Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Bộ môn Vật lý Địa Cầu, Khoa Vật lý, Trươǹ g Đaị hoc Khoa Tự nhiên – Đaị Quốc gia Hà Nơị , người hết lịng hoc hoc giúp đỡ em suốt trình học tập trình thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện thuận lợi để em tiếp tục học tập, rèn luyện công tác khoa, trường Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người ln sát cánh, động viên, chia sẻ em Môt lần nữa xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu trên! Hà Nội, ngày 8/11/2015 Học viên Phạm Thành Luân MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER 1.1 Khái niệm biến đổi Fourier 1.2 Một số tính chất biến đổi Fourier 1.2.1 Tính chất đối xứng 1.2.2 Tính chất tuyến tính 1.2.3 Sự chuyển dịch 1.2.4 Đạo hàm 1.3 Biến đổi Fourier số dị thường đơn giản 1.3.1 Các nguồn ba chiều 10 1.3.2 Các nguồn hai chiều 13 CHƢƠNG THUẬT TOÁN PARKER VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHÁC XÁC ĐỊNH DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC 16 2.1 Thuật toán Parker 16 2.2 Một số phương pháp khác xác định dị thường trọng lực 22 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ KẾT QUẢ ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PARKER XÁC ĐỊNH DỊ THƢỜNG BOUGUER KHU VỰC BIỂN ĐƠNG VÀ KẾ CẬN 27 3.1 Mơ hình ranh giới phân chia dạng vòm 2D 27 3.1.1 Thơng số mơ hình 27 3.1.2 Kết tính tốn 27 3.2 Mơ hình ranh giới phân chia dạng vịm 3D 30 3.2.1 Thông số mơ hình 30 3.2.2 Kết tính tốn 30 3.3 Mơ hình bể trầm tích 3D 34 3.3.1 Thơng số mơ hình 34 3.3.2 Kết tính tốn 35 3.4 Xác định dị thường Bouguer biển Đông kế cận .40 3.4.1 Nguồn số liệu 40 3.4.2 Kết tính tốn 43 KẾT LUẬN 47 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ trục tọa độ .08 Hình 1.2: Phổ mật độ lượng dị thường gây số vật thể đơn giản 12 Hình 1.3: Nguồn đường thẳng đứng nằm dọc theo trục z z1 z2 quan sát mặt phẳng nằm ngang z0 < z1 13 Hình 1.4: Hệ tọa độ xếp hình học nguồn đường dùng cho biến đổi Fourier dị thường chúng 14 Hình 2.1: Bể trầm tích có mật độ thay đổi theo độ sâu 18 Hình 2.2: Xấp xỉ vật thể có tiết diện ngang 22 Hình 2.3: Việc phân chia cạnh đa giác 22 Hình 2.4: Mơ hình lăng trụ chiều .24 Hình 3.1: Ranh giới phân chia dạng vòm 2D 27 Hình 3.2: Dị thường trọng lực gây ranh giới phân chia dạng vịm 2D thuật tốn Parker 28 Hình 3.3: Kết xác định dị thường trọng lực gây ranh giới phân chia dạng vòm 2D hai phương pháp 28 Hình 3.4: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo hai phương pháp 29 Hình 3.5: Kết giải toán ngược xác định độ sâu ranh giới phân chia dạng vòm 2D 29 Hình 3.6: Độ sâu ranh giới phân chia dạng vòm 3D 30 Hình 3.7: Dị thường trọng lực ranh giới phân chia dạng vịm 3D tính theo thuật tốn Parker 31 Hình 3.8: Dị thường trọng lực ranh giới phân chia dạng vịm 3D tính theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian 31 Hình 3.9: Dị thường trọng lực theo thuật toán Parker biểu diễn dạng đường đồng mức 32 Hình 3.10 Dị thường trọng lực theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian biểu diễn dạng đường đồng mức 32 Hình 3.11: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật tốn Parker theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian 33 Hình 3.12: Kết xác định độ sâu ranh giới phân chia dạng vòm 3D 34 Hình 3.13: Chênh lệch độ sâu tính tốn độ sâu mơ hình 34 Hình 3.14: Độ sâu tới đáy bể trầm tích 35 Hình 3.15: Dị thường trọng lực theo thuật toán Parker 35 Hình 3.16: Dị thường trọng lực theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian 36 Hình 3.17: Dị thường trọng lực theo thuật toán Parker biểu diễn dạng đường đồng mức 36 Hình 3.18: Dị thường trọng lực theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian biểu diễn dạng đường đồng mức 36 Hình 3.19: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật tốn Parker theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian 37 Hình 3.20: Dị thường trọng lực theo phương pháp Chai Hinze miền tần số 38 Hình 3.21: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật tốn Parker theo phương pháp Chai Hinze 39 Hình 3.22: Kết xác định độ sâu bể trầm tích 39 Hình 3.23: Chênh lệch độ sâu tính tốn độ sâu mơ hình 40 Hình 3.24: Bản đồ đồng mức địa hình khu vực biển Đông kế cận 41 Hình 3.25: Bản đồ đồng mức dị thường Free-air khu vực biển Đơng kế cận 42 Hình 3.26: Bản đồ đồng mức hiệu chỉnh trọng lực gây địa hình độ sâu đáy biển 43 Hình 3.27: Hiệu chỉnh trọng lực gây địa hình độ sâu đáy biển dạng 3D .44 Hình 3.28: Bản đồ đồng mức dị thường Bouguer khu vực biển Đông kế cận 45 Hình 3.29: Bản đồ dị thường Bouguer khu vực biển Đông kế cận dạng 3D 46 Cũng với mơ hình thực việc tính tốn miền khơng gian pháp Bhaskara Rao, thu kết biểu diễn hình 3.16: Hình 3.16: Dị thường trọng lực theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian Kết tính tốn biểu diễn lại hình 3.17 3.18 dạng đường đường đồng mức: Hình 3.17: Dị thường trọng lực theo thuật toán Parker biểu diễn dạng đường đồng mức Hình 3.18: Dị thường trọng lực theo phương pháp Bhaskara Rao miền không gian biểu diễn dạng đường đồng mức Cũng hai mơ hình trước, trường hợp này, dị thường trọng lực bể trầm tích tính theo thuật toán Parker cho kết gần trùng khít với kết tính sử dụng phương pháp Bhaskara Rao tính miền khơng gian Sai số bình phương trung bình Rms cho trường hợp là 0.0642 mgal Sự chênh lệch tuyệt đối hai phương pháp biểu diễn hình 3.19 Hình 3.19: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật tốn Parker theo phương pháp Bhaskara Rao miền khơng gian Về thời gian tính, phương pháp Parker cho kết sau 0.7037 s Trong phương pháp Bhaskara Rao tính miền khơng gian cho kết sau 367.5159 s Như vậy, trường hợp toán 3D, số điểm quan sát tăng lên thành 16384 điểm (128x128) ưu điểm thời gian tính sử dụng thuật toán Parker đặc biệt trở nên có ý nghĩa Tiếp theo, chúng tơi sử dụng phương pháp tính miền tần số đề xuất Chai Hinze [7], đồng thời nâng cao độ xác việc tính tốn dị thường lực cách áp dụng kỹ thuật trượt mẫu với việc lựa chọn bước trượt shiff = 0.26 [2] cho mơ hình bể trầm tích, chúng tơi thu kết hình 3.20 sau 233.2402 s So với việc tính tốn miền khơng gian, thời gian tính tốn miền tần số phương pháp Chai Hinze cải thiện đáng kể nhiên lớn nhiều so với việc sử dụng thuật toán Parker Sự chênh lệch giá trị dị thường phương pháp tần số khơng đáng kể (hình 3.21) Sai số bình phương trung bình Rms trường hợp 0.1429 mgal Hình 3.20: Dị thường trọng lực theo phương pháp Chai Hinze miền tần số Hình 3.21: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật toán Parker theo phương pháp Chai Hinze b Bài toán ngƣợc Việc giải toán ngược chúng tơi tiến hành theo thuật tốn Parker - Oldenberg [15] Trong trường hợp bể trầm tích, chúng tơi sử dụng lọc với WH = 0.03; SH = 0.04 lựa chọn z = 2.84 km độ sâu trung bình bể trầm tích Sau vịng lặp chúng tơi thu kết độ sâu bể biểu diễn hình 3.22 Hình 3.22: Kết xác định độ sâu bể trầm tích So sánh kết thu với độ sâu mơ hình, chúng tơi nhận thấy, với mơ hình bể trầm tích, phương pháp giải tốn ngược dựa thuật toán Parker - Oldenberg cho kết tốt Sự chênh lệch so với độ sâu ban đầu biểu diễn hình vẽ 3.13 Sai số bình phương trung bình cho 128x128 điểm quan sát 0.0752 km Hình 3.23: Chênh lệch độ sâu tính tốn độ sâu mơ hình Từ kết tính tốn mơ hình hai chiều ba chiều, chúng tơi nhận thấy: Sử dụng thuật tốn Parker để giải tốn thuận tốn ngược thăm dị trọng lực cho kết cách nhanh chóng Thời gian tính tốn nhanh nhiều so với phương pháp truyền thống Kết thu xác khơng giải phương pháp Bhaskara Rao; Chai Hinze 3.4 Xác định dị thƣờng Bouguer biển Đông kế cận 3.4.1 Nguồn số liệu Dựa sở lý thuyết trình bày chương trước độ tin cậy tiến hành tính tốn tốn mơ hình hai chiều ba chiều, phần tiếp tục sử dụng thuật toán Parker để xác định dị thường trọng lực Bouguer khu vực biển Đông kế cận Để tính tốn dị thường Bouguer khu vực biển Đơng kế cận, sử dụng nguồn số liệu Smith, W H F., and D T Sandwell phiên V20.1 độ cao địa hình, độ sâu đáy biển dị thường Free-air Nguồn số liệu cung cấp địa : http://topex.ucsd.edu/cgi-bin/get_data.cgi Khu vực biển Đông kế cận xác định dị thường trọng lực Bouguer khu vực giới hạn phạm vi kinh độ từ 100°E đến 125°E, vĩ độ từ 0°N đến 25°N Dưới đồ địa hình đồ dị thường Free-air chúng tơi sử dụng để tính tốn Hình 3.24: Bản đồ đồng mức địa hình khu vực biển Đơng kế cận Hình 3.25: Bản đồ đồng mức dị thường Free-air khu vực biển Đơng kế cận 3.4.2 Kết tính tốn Để tính tốn dị thường Bouguer, chúng tơi chia khu vực tính tốn thành mạng lưới gồm 1024x1024 điểm Trước hết, xác định hiệu ứng trọng lực gậy địa hình độ sâu đáy biển thuật tốn Parker (hình 3.26, 3.27) Hình 3.26 Bản đồ đồng mức hiệu chỉnh trọng lực gây địa hình độ sâu đáy biển Hình 3.27 Hiệu chỉnh trọng lực gây địa hình độ sâu đáy biển dạng 3D Dị thường Bouguer xác định cách lấy tổng dị thường Free-air hiệu ứng trọng lực gây địa hình độ sâu đáy biển Kết tính tốn biểu diễn hình 3.28 hình 3.29 Hình 3.28 Bản đồ đồng mức dị thường Bouguer khu vực biển Đông kế cận Hình 3.29 Bản đồ dị thường Bouguer khu vực biển Đông kế cận dạng 3D Mặc dù số điểm quan sát lên tới 1048576 điểm (1024x1024) thời gian tính tốn 45.9885 s So sánh kết tính tốn dị thường Bouguer khu vực biển Đơng kế cận thuật tốn Parker với số kết công bố Phan Trọng Trịnh [3], Trần Tuấn Dũng, Nguyễn Quang Minh, Vũ Anh Thu [1] thấy kết phù hợp KẾT LUẬN Qua việc tìm hiểu lý thuyết xây dựng chương trình giải tốn thuận, ngược trọng lực thuật toán Parker, áp dụng xác định dị thường trọng lực Bouguer khu vực biển Đông kế cận, đưa số kết luận sau : Về độ xác, sử dụng thuật tốn Parker để xác định dị thường trọng lực cho toán 2D 3D thu kết tốt khơng phương pháp Murthy I.V.R, Bhaskara Rao D miền không gian phương pháp Chai, Hinze miền tần số Về thời gian tính, so với phương pháp tính miền khơng gian phương pháp tính miền tần số truyền thống, thuật tốn Parker tỏ có ưu điểm vượt trội Điều đặc biệt có ý nghĩa tiến hành xác định dị thường trọng lực trường hợp 3D với số điểm quan sát lớn Việc giải toán ngược theo thuật toán Parker – Oldenburg nhằm xác định độ sâu tới nguồn cho độ xác cao Việc sử dụng thuật toán Parker – Oldenburg để giải toán ngược phụ thuộc nhiều vào xác định lọc Tuy nhiên, việc xác định giá trị SH WH lọc phức tạp Trong nghiên cứu tiếp theo, áp dụng đồng thời thuật toán Parker miền tần số thuật toán Bott [6] miền khơng gian nhằm khắc phục khó khăn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Tuấn Dũng, Nguyễn Quang Minh, Vũ Anh Thu (2012), “Ảnh hưởng địa hình đáy biển lên dị thường trọng lực khu vực biển Đơng kế cận”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Biển, 12(4), tr 88-97 [2] Đỗ Đức Thanh (2008), Các phương pháp phân tích, xử lý số liệu từ trọng lực, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Phan Trọng Trịnh (2012), Kiến tạo trẻ địa động lực đại vùng biển Việt Nam kế cận, Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, tr 48 Tiếng Anh [4] Bhaskara Rao, D (1986), “Modelling of sedimentary basins from gravity anomalies with variable density contrast”, Geophysics, 84, pp 207-212 [5] Bhattacharyya, B K (1967), “Some general properties of potential fields in space and frequency domain: A review”, Geoexploration, 5, pp 127-43 [6] Bott, M.H.P (1960), “The use of rapid digital computing methods for direct gravity interpretation of sedimentary basins”, Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 3, pp 63-67 [7] Chai, Y And Hinze (1988), “Gravity inversion of an interface above which the density contrast varies exponentially with depth”, Geophysics, 53, pp 837-845 [8] David Gómez Ortiz, Bhrigu N.P Agarwal (2005), 3DINVER.M: “A MATLAB program to invert the gravity anomaly over a 3D horizontal density interface by Parker–Oldenburg’s algorithm”, Computers & Geosciences, 31, pp 513–520 [9] Gudmundsson,G (1966), “Interpretation of one-dimensional magnetic anomalies by use of the Fourier-transform”, Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 12, pp 87 - 97 [10] Harald Granser (1986), “Convergence of Iterative gravity inversion”, Geophysics, 51(5), pp 1146 - 1147 [11] Harald Granser (1987), “Three - dimensional interpretation of gravity data from sedimentary basins using an exponential density – depth function”, Geophysical Prospecting, 35, pp 1030 – 1041 [12] Harrison, C.G.A (1987), “Marine magnetic anomalies – the origin of the stripes”, Annual Reviews of Earth and Planetary Science, 15, pp 505 - 43 [13] Heirtzler, J.R., and Le Pichon, X (1965), “Crustal structure of the mid-ocean ridges: Magnetic anomalies over the mid-Atlantic ridge”, Journal of Geophysical Research, 70, pp 4013-3 [14] Murthy, I.V.R., and Rao, P (1998), “Two subprograms to calculate gravity anomalies of bodies of finite and infinite strike length with the desnity contrast differing with depth”, Computers & Geosciences, 15(8), pp 1265 - 1277 [15] Oldenburg, D.W (1974), “The inversion and interpretation of gravity anomalies”, Geophysics, 39, pp 526 - 536 [16] R Nagendra, P V S Prasad, and V L S Bhimasankaram (1996), “Forward and inverse computer modeling of gravity field resulting from a density interface using parker-oldenberg method”, Compuws & Geosciences, 22(3), pp 227 -231 [17] Richard J Blakely (1995), Potential theory in gravity and magnetic applications, Cambridge university press [18] R L Parker (1972), “The Rapid Calculation of Potential Anomalies”, Geoplzys J R astr SOC 31, pp 447 – 455 [19] Spector, A., and Bhattacharyya, B K (1966), “Energy density spectrum and Autocorrelation function of anomalies due to simple magnetic models”, Geophysical Prospecting, 14, pp 242 - 72 [20] Tsuboi, C, and Fuchida, T (1937), “Relations between gravity values and corresponding subterranean mass distribution”, Earthquake Research Institute of the Tokyo Imperial University, Bulletin, 15, pp 636 - 49 [21] Tsuboi, C, and Fuchida, T (1938), “Relation between gravity anomalies and the corresponding subterranean mass distribution (II.)”, Earthquake Research Institute of the Tokyo Imperial University, Bulletin, 16, pp 273 - 84 [22] Young Hong Shin, Kwang Sun Choi, Houze Xu (2006), “Three-dimensional forward and inverse models for gravity fields based on the Fast Fourier Transform”, Computers & Geosciences, 32, pp 727 – 738 ... hướng từ � hướng trường khu vực � � 2.2 Một số phƣơng pháp khác xác định dị thƣờng trọng lực Bên cạnh thuật tốn Parker, luận văn này, chúng tơi có sử dụng số phương pháp khác cho trường hợp chiều... số Một phương pháp bật rút ngắn thời gian sử dụng thuật tốn Parker Chính lý đó, định lựa chọn luận văn với đề tài: ? ?Nghiên cứu áp dụng thuật toán Parker xác định dị thường trọng lực Bouguer khu. .. Phạm Thành Luân NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PARKER XÁC ĐỊNH DỊ THƢỜNG TRỌNG LỰC BOUGUER KHU VỰC BIỂN ĐÔNG VÀ KẾ CẬN Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời