CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG
2.2. Xử lý số liệu về thời gian truyền sóng địa chấn
2.2.1. Số liệu sử dụng trong tính tốn.
Trước hết cần lưu ý rằng số lượng trạm địa chấn Việt Nam phân bố rất thưa thớt trong khu vực miền Trung (chỉ có 2-3 trạm), nên hầu như khơng thu thập được các tài liệu về thời gian truyền sóng đối với khu vực miền Trung. Do đó, nếu chỉ sử dụng tập hợp các cặp số liệu (xi, ti) thu thập được từ các trạm địa chấn Việt Nam thì khơng thể đủ để xây dựng tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn cho khu vực miền Trung. Vì vậy để khắc phục hạn chế này, tác giả luận văn đã sử dụng số liệu về thời gian truyền sóng địa chấn của các trạm địa chấn quốc tế lân cận đối với các trận động đất trong và xung quanh các khu vực này.
Đối với khu vực miền Trung Việt Nam, đã thu thập được tập hợp các cặp giá trị (xi, ti) từ 275 sự kiện riêng biệt ghi được bởi các trạm địa chấn Việt Nam và các trạm địa chấn quốc tế trong khu vực lân cận để đảm bảo việc xây dựng các tốc đồ đến khoảng cách 800km. Đây là nguồn dữ liệu khá đầy đủ, chứa các thông tin cần thiết cho việc xây dựng tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn. Chúng bao gồm: thời gian xảy ra động đất t0, thời điểm tới của các loại sóng khác nhau (Pn, P, Pg, Sn, Sg, S, v.v…), thời gian truyền của các sóng địa chấn từ chấn tiêu tới trạm (ti), các tọa độ
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
Trên thực tế, có rất nhiều nguyên nhân ảnh hướng tới quá trình ghi và thu thập số liệu nên dữ liệu thu được thường có rất nhiều “nhiễu”. Những nguyên nhân làm cho chất lượng số liệu khơng tốt có thể là do thiết bị đo, do chủ quan hoặc sai sót của các quan trắc viên, do các mơ hình lý thuyết dược sử dụng trong tính tốn chưa thực sự phù hợp với mơi trường truyền sóng thực tế….). Vì vậy số liệu thực tế quan sát được thường không thỏa mãn các điều kiện của bài toán lý thuyết do có chứa “nhiễu” là các sai số ngẫu nhiên hoặc hệ thống.
Vì vậy, để tìm cơng thức chung nhất t = f(x) dựa trên tập hợp các số liệu thực tế thu được, nghĩa là tính tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn theo các tài liệu quan sát, trước hết cần tiến hành xử lý và hiệu chỉnh số liệu về thời gian truyền sóng địa chấn cho từng trạm ghi động đất đối với khu vực miền Trung Việt Nam và lân cận. Dưới đây là các bước xử lý số liệu và kết quả xử lý số liệu cho khu vực Trung Việt Nam và lân cận trong sự phù hợp với các cơng trình [10 - 12, 30].
2.2.2. Tiêu chuẩn xử lý và hiệu chỉnh số liệu quan sát:
Xử lý số liệu theo từng loại sóng P, S, Pg, Sg…, đảm bảo được tính tuyến tính cho mỗi cặp giá trị (xi, ti) (tương ứng cho từng loại sóng). Nghĩa là cần phải lọc đi
những giá trị (xi, ti) có thể được coi là “nhiễu” mạnh trong mỗi loại sóng.
Theo tính chất vật lý của sóng địa chấn, sóng P đi nhanh hơn sóng S nên tốc đồ thời gian truyền sóng P sẽ nằm ở phía dưới tốc đồ thời gian truyền sóng S.
Ví dụ về lọc nhiễu: Chúng tơi tiến hành vẽ đồ thị X, T. Từ đồ thị này, chúng
tôi sẽ đưa ra được một phương trình bậc nhất cho mối quan hệ T = f(X). Sau mỗi lần xử lý như vậy, ta sẽ thu được các cặp giá trị mà giá trị T’ sau khi xử lý có độ sai lệch so với giá trị T ban đầu ở một giới hạn nào đó theo cách của người xử lý. Như vậy, chúng tôi sẽ dần dần loại bỏ được các giá trị nhiễu, các cặp giá trị (Xi, Ti) sau mỗi lần xử lý sẽ cho ta kết quả chính xác hơn về mối quan hệ giữa T = f(X).
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
Hình 2: Mối tương quan giữa các cặp giá trị (X, T)
Sau đó bằng cách lọc dần những giá trị có độ lệch lớn, ta sẽ thu được những giá trị gần đúng nhất. Trên đồ thị (Hình 2), những điểm giá trị càng nằm sát đường thẳng thì càng tiến gần hơn về giá trị chuẩn, ngược lại những điểm giá trị nằm xa đường thẳng sẽ bị loại bỏ (các điểm giá trị thuộc khu vực hình elip sẽ dần dần được loại bỏ).
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
CHƢƠNG 3
XÂY DỰNG CÁC TỐC ĐỒ THỜI GIAN TRUYỀN SÓNG ĐỊA CHẤN TRONG VỎ TRÁI ĐẤT CHO KHU VỰC MIỀN TRUNG – VIỆT NAM.
Như đã trình bày ở trên, tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn là một trong những tài liệu quan trọng để xây dựng mơ hình lát cắt vận tốc của vỏ Trái đất, phục vụ cho cơng tác qui tốn xử lý số liệu và xác định các tham số cơ bản của động đất. Việc xây dựng một tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn phù hợp cho một vùng lãnh thổ có ý nghĩa vơ cùng quan trọng giúp cho công tác định vị chấn tiêu động đất một cách chính xác.
Dưới đây chúng tơi sẽ tiến hành tính tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn theo các tài liệu động đất đối với khu vực miền Trung Việt Nam, làm cơ sở cho việc xây dựng mơ hình lát cắt vận tốc của vỏ Trái đất phù hợp với thực tế địa chấn Việt Nam.
Các loại sóng địa chấn ghi được từ các trạm quan sát động đất bao gồm: sóng Pn, P, Pg, Sn, Sg, S. Trong đó. P là sóng dọc, S là sóng ngang. Trên cơ sở phương pháp được trình bày ở trên, chúng tôi tiến hành xây dựng tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn (hay là đồ thị t = f(x) trên cơ sở các cặp số liệu (xi, ti) đã thu thập
được. Tốc đồ như vậy gọi là các tốc đồ thực nghiệm.
3.1. Các bƣớc xử lý số liệu cho mỗi loại sóng địa chấn:
+ Xây dựng tốc đồ thực nghiệm trung bình cho từng loại sóng:
Trước hết đưa tập hợp các cặp số liệu (xi, ti) đã thu thập được cho từng loại sóng lên đồ thị t = f(x). Từ đồ thị này, sẽ xác định được phương trình tương quan ttb = f(x) trên cơ sở các cặp số liệu đã thu thập được.
+ Tính tốn các giá trị độ lệch về thời gian truyền sóng so với tốc đồ trung bình: Δti = ti(xi) – ttbi(xi); trong đó, ttbi(xi) – là giá trị được tính từ xi theo quan hệ ttb = f(x).
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
+ Loại khỏi tập hợp số liệu (xi, ti) những cặp nào cho giá trị Δti quá lớn (nghĩa là các cặp có giá trị ti(xi) thực nghiệm có độ chênh lệch quá nhiều so với giá
trị ttbi(xi) tại cùng điểm (xi). Thực chất của bước này là làm trơn tốc đồ bằng cách lọc dần những giá trị có độ lệch lớn để thu được những giá trị gần đúng nhất.
+ Vẽ lại đồ thị các điểm thực nghiệm (Xi, Ti) sau khi đã loại bỏ nhiễu
+ Các bước nói trên được tiến hành lặp lại cho đến khi hàm t = f(x) được làm trơn một cách khả dĩ nhất, nghĩa là nó có thể đảm bảo chất lượng số liệu để xây dựng mơ hình vận tốc của vỏ Trái đất.
Sau mỗi lần xử lý như vậy, ta sẽ thu được các cặp giá trị (xi, ti’) mà giá trị ti’ sau khi xử lý có độ sai lệch so với giá trị ti ban đầu ở một giới hạn nào đó theo yêu cầu và mong muốn của người xử lý. Bằng cách như vậy sẽ dần dần loại bỏ được các giá trị (xi, ti) nhiễu. Tập hợp các cặp giá trị (xi, ti) sau mỗi lần xử lý sẽ cho ta kết quả chính xác hơn về mối quan hệ t = f(x).
+ Vẽ đường thẳng t = f(Xi) mới bằng phương pháp bình phương tối thiểu. Xác định các tham số: (a, b, r) mới của đường thẳng. Đây chính là tốc đồ thời gian truyền sóng trung bình cần xây dựng.
Với các bước nêu trên chúng tôi tiến hành xây dựng tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn cho khu vực miền Trung như sau:
Hình 3.1. Tốc đồ thời gian truyền sóng thực nghiệm (theo tài liệu quan sát thực tế) đối với khu vực Miền Trung, Việt Nam
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
Phân bố các điểm với các cặp giá trị thực nghiệm (xi, ti) (tương ứng với các
loại sóng khác nhau) đối với khu vực Miền Trung Việt Nam được trình bày trên hình 3.1. Các cặp số liệu như vậy cho phép xây dựng được các tốc đồ thời gian truyền sóng thực nghiệm tương ứng với các phương trình tốc đồ thời gian truyền sóng thực nghiệm tương ứng đối với khu vực miền Trung, có dạng như sau:
Đối với sóng P: T = 0.302*X + 0.382
Đối với sóng Sg: T = 0.129*X + 3.143
Theo lý thuyết, đối với các trận động đất gần (khoảng cách chấn tâm Δ ≤ 1000 km) thời gian truyền sóng t và quãng đường x thường có mối quan hệ theo hàm tuyến tính bậc nhất (tương ứng với từng loại sóng), trong đó giá trị x là biến và giá trị t là hàm. Nghĩa là giá trị của hàm t = f(x) ln ln biến thiên tuyến tính theo giá trị x khi x thay đổi.
Hình 3.2: So sánh các tốc đồ thời gian truyền sóng của các sóng P và sóng S đối với khu vực miền Trung, Việt Nam
Mặt khác, do vận tốc lan truyền của sóng dọc lớn hơn vận tốc lan truyền của sóng ngang nên khi nhìn trên đồ thị t = f (x), tốc đồ của sóng dọc (P) sẽ nằm ở phía dưới tốc đồ của sóng ngang (S) (hình 3.2). Để giải thích cho nhận xét này, rất đơn giản, ta vẽ một đường thẳng vng góc với trục X và cắt 2 tia sóng P và S, sau đó chiếu sang trục tung thời gian. Như vậy, cùng một quãng đường X, vận tốc càng lớn
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
lớn hơn nên thời gian truyền sóng của nó ngắn hơn so với sóng S (VP > VS nên TP < TS).
Với các bước xử lý số liệu như đã trình bày ở trên chúng tơi tiến hành xử lý số liệu và tính các tốc đồ thời gian truyền sóng địa chấn cho khu vực miền Trung.
Tốc đồ thời gian truyền sóng PN đối với khu vực miền Trung được trình bày trên hình 3.3.
Hình 3.3: Tốc đồ thời gian truyền sóng PN đối với khu vực Miền Trung
Từ tốc đồ thời gian truyền sóng thực nghiệm) của sóng PN (hình 3.3) ta thấy mối quan hệ giữa khoảng cách chấn tâm X và thời gian truyền sóng T được biểu thị bởi phương trình: TPN = 0.134*X + 3.363 với hệ số tương quan R1 = 0.903. Tuy nhiên, sau quá trình xử lý, bằng cách loại bỏ dần những điểm được coi là “nhiễu” lớn, tác giả luận văn đã nhận được kết quả là tốc đồ thực nghiệm trung bình (hình 3.4), được biểu diễn bằng phương trình tốc đồ thời gian truyền sóng PN như sau:
TPN = 0.132*X + 3.412 với hệ số tương quan R2= 0.999. Rõ ràng rằng hệ số tương quan R2 = 0.999 > R1 = 0.903., chứng tỏ sau khi xử
lý, hiệu chỉnh bằng cách loại bỏ các điểm “nhiễu”, hệ số tương quan của phương trình tốc đồ thời gian truyền sóng tiến gần về giá trị R = 1 hơn; nghĩa là phương trình tốc đồ thời gian truyền sóng thực nghiệm tiến gần về tốc đồ thời gian truyền sóng trung bình cho khu vực và có độ tin cậy cao hơn. So sánh 2 hệ số tương quan trước và sau hiệu chỉnh chứng tỏ số liệu sóng PN ghi được bởi các trạm địa chấn ở Miền Trung và lân cận mặc dù ít nhưng có độ tin cậy khá cao.
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
Hình 3.4. Tốc đồ thời gian truyền sóng PN sau khi xử lý loại bỏ các điểm “nhiễu” đối với khu vực Miền Trung, Việt Nam
Các điểm màu xanh trên đồ thị (hình 3.4) tương ứng với các cặp giá trị được bôi màu xanh trong bảng 3.1 dần bị loại bỏ qua mỗi lần lọc số liệu, các điểm màu đỏ trên đồ thị tương ứng với các cặp giá trị được bôi màu đỏ trong bảng 3.1 được giữ lại để xây dựng tốc đồ thực nghiệm trung bình như trên.
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn
Bảng 3.1: Quá trình xử lý và hiệu chỉnh số liệu về thời gian truyền của sóng PN đối với khu vực Miền Trung, Việt Nam
STT ID X T Phase T' T'-T T'' T''-T T''' ΔT3 = T'''- T 1 Code của hàng dữ liệu Khoảng cách chấn tâm theo tài liệu thực tế (km) Thời gian truyền sóng quan sát thực tế (s) Kiểu sóng địa chấn đã ghi được bởi các trạm quan sát động đất Thời gian truyền của sóng sau hiệu chỉnh lần 1 Độ chênh lệch về thời gian truyền thực tế so với giá trị trung bình (ΔT1) Thời gian truyền sau hiệu chỉnh lần 2 Độ chênh lệch về thời gian truyền thực tế so với giá trị trung bình (ΔT2) Thời gian truyền sau hiệu chỉnh lần 2 Độ chênh lệch về thời gian truyền thực tế so với giá trị trung bình (ΔT3) 2 73 273.9 44.4096 PN 40.0656 -4.344 3 16326 632.5 142.474 PN 88.118 -54.3556 4 8441 333.3 58.6656 PN 48.0252 -10.6404 5 2046 304.7 48.384 PN 44.1928 -4.1912 6 3570 421.3 63.3312 PN 59.8172 -3.514 7 3491 420.2 63.1584 PN 59.6698 -3.4886 8 3766 423.5 63.3312 PN 60.112 -3.2192 9 3750 429 63.9965 PN 60.849 -3.14748 10 3961 122.1 22.8096 PN 19.7244 -3.0852
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn 12 6985 280.5 43.1136 PN 40.95 -2.1636 13 6332 276.1 42.1632 PN 40.3604 -1.8028 40.1221 -2.0411 14 6629 259.6 39.9168 PN 38.1494 -1.7674 37.9606 -1.9562 15 18538 276.1 41.5584 PN 40.3604 -1.198 40.1221 -1.4363 16 4155 234.3 35.9424 PN 34.7592 -1.1832 34.6463 -1.2961 17 45935 191.4 30.1536 Pn 29.0106 -1.143 29.0264 -1.1272 18 6626 182.6 28.8576 PN 27.8314 -1.0262 27.8736 -0.984 19 5026 423.5 60.9984 PN 60.112 -0.8864 59.4315 -1.5669 20 6632 328.9 48.1248 PN 47.4356 -0.6892 47.0389 -1.0859 21 12114 435.6 62.3808 PN 61.7334 -0.6474 61.0166 -1.3642 22 6706 491.7 69.8112 PN 69.2508 -0.5604 68.3657 -1.4455 23 6709 491.7 69.8112 PN 69.2508 -0.5604 68.3657 -1.4455 24 237 171.6 26.8704 PN 26.3574 -0.513 26.4326 -0.4378 25.8522 -1.0182 25 14494 173.8 26.9568 PN 26.6522 -0.3046 26.7208 -0.236 26.1426 -0.8142 26 17268 279.4 40.7808 PN 40.8026 0.0218 40.5544 -0.2264 40.0818 -0.699 27 3965 256.3 37.584 PN 37.7072 0.1232 37.5283 -0.0557 37.0326 -0.5514 28 6826 496.1 69.6384 PN 69.8404 0.202 68.9421 -0.6963 68.6862 -0.9522 29 14500 359.7 51.1488 PN 51.5628 0.414 51.0737 -0.0751 50.6814 -0.4674 30 12111 390.5 55.2096 PN 55.69 0.4804 55.1085 -0.1011 54.747 -0.4626 31 10567 427.9 59.9616 PN 60.7016 0.74 60.0079 0.0463 59.6838 -0.2778
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn 33 12818 328.9 46.5696 PN 47.4356 0.866 47.0389 0.4693 46.6158 0.0462 34 3251 429 59.9616 PN 60.849 0.8874 60.152 0.1904 59.829 -0.1326 35 3968 430.1 60.048 PN 60.9964 0.9484 60.2961 0.2481 59.9742 -0.0738 36 3970 430.1 60.048 PN 60.9964 0.9484 60.2961 0.2481 59.9742 -0.0738 37 6778 244.2 35.0784 PN 36.0858 1.0074 35.9432 0.8648 35.4354 0.357 38 43113 819.5 112.147 PN 113.176 1.0288 111.3075 -0.8397 111.375 -0.7722 39 16338 751.3 102.902 PN 104.0372 1.1348 102.3733 -0.5291 102.3726 -0.5298 40 12809 322.3 45.36 PN 46.5512 1.1912 46.1743 0.8143 45.7446 0.3846 41 12775 415.8 57.8016 PN 59.0802 1.2786 58.4228 0.6212 58.0866 0.285 42 1915 643.5 88.3008 PN 89.592 1.2912 88.2515 -0.0493 88.143 -0.1578 43 4389 440 60.9984 PN 62.323 1.3246 61.593 0.5946 61.281 0.2826 44 5583 418 57.9744 PN 59.375 1.4006 58.711 0.7366 58.377 0.4026 45 1284 370.7 51.4944 PN 53.0368 1.5424 52.5147 1.0203 46 3249 257.4 36.288 PN 37.8546 1.5666 37.6724 1.3844 47 1265 272.8 38.2752 PN 39.9182 1.643 39.6898 1.4146 48 1281 365.2 50.6304 PN 52.2998 1.6694 51.7942 1.1638 49 13079 245.3 34.3872 PN 36.2332 1.846 36.0873 1.7001 50 22927 292.6 40.5216 PN 42.5714 2.0498 51 5380 474.1 64.7136 PN 66.8924 2.1788 52 10733 466.4 63.6768 PN 65.8606 2.1838
Luận văn thạc sỹ - 2014 Lê Thị Thuấn 54 3955 245.3 33.696 PN 36.2332 2.5372 55 54091 471.9 63.6768 Pn 66.5976 2.9208 56 54092 471.9 63.5904 Pn 66.5976 3.0072 57 13570 325.6 43.8912 PN 46.9934 3.1022 58 13069 440 59.0976 PN 62.323 3.2254 59 8418 447.7 60.048 PN 63.3548 3.3068 60 1870 644.6 86.2272 PN 89.7394 3.5122 61 863 676.5 90.3485 PN 94.014 3.66552 62 3197 426.8 56.7648 PN 60.5542 3.7894 63 859 678.7 90.4781 PN 94.3088 3.83072 64 8424 679.8 90.5472 PN 94.4562 3.909 65 3202 861.3 114.826 PN 118.7772 3.9516 66 45646 855.8 113.789 Pn 118.0402 4.2514