Chương 2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra, chúng tôi đã sử dụng tổ hợp các phương pháp sau:
40
2.2.1. Các phương pháp địa chất - địa mạo
Phương pháp này rất quan trọng trong nghiên cứu tân kiến tạo, kiến tạo hiện đại và động đất gây ra do các phá huỷ đứt gãy. Đây là phương pháp đo vẽ chi tiết các biến dạng địa mạo kiến trúc và các trầm tích trẻ, tìm các minh chứng khẳng định tính chất hoạt động của các phá huỷ đứt gãy và sự hình thành các cấu trúc trẻ. Đồng thời trên cơ sở các chỉ tiêu địa mạo, có thể xác định vùng ảnh hưởng động lực đứt gãy.
Cơ sở của phương pháp là dựa vào sự hình thành địa hình bề mặt Trái Đất, là kết quả của sự tương hỗ giữa các quá trình nội sinh và ngoại sinh. Trong đó quá trình nội sinh, bao gồm: Hoạt động phá huỷ đứt gãy kiến tạo, chuyển động kiến tạo, hoạt động magma, quá trình hình thành các cấu trúc vỏ Trái Đất. Quá trình ngoại sinh, gồm các quá trình sạt, trượt lở, bóc mòn, xâm thực, tích tụ và các quá trình trọng lực. Quá trình nội sinh luôn luôn có xu thế phá huỷ bề mặt Trái Đất, làm phân dị địa hình. Còn quá trình ngoại sinh lại có xu thế san phẳng địa hình. Như vậy, sự hoạt động của các yếu tố nội sinh sẽ để lại dấu ấn trên bề mặt địa hình và trong các trầm tích trẻ. Nghiên cứu các qui luật phân bố, sự biến dạng của các dạng địa hình, sự biến dạng về cấu trúc, địa tầng, thạch học các trầm tích trẻ, cho phép xác định các qui luật phát triển của các quá trình nội sinh như đứt gãy, uốn nếp, chuyển động kiến tạo, hoặc ngược lại. Đặc biệt, hoạt động của các đứt gãy kiến tạo trẻ còn để lại dấu ấn bảo tồn tốt trên địa hình và trong các trầm tích phân bố trên bề mặt Trái Đất.
Do vậy, nghiên cứu sự biến dạng địa mạo kiến trúc các dạng địa hình, sự biến dạng các trầm tích, cũng như sự phân bố của các bồn trầm tích đó, có thể xác định được sự hoạt động của các đứt gãy kiến tạo. Bằng chỉ tiêu địa mạo, cho phép xác định đới động lực đứt gãy. Ở nhóm phương pháp này, chúng tôi sử dụng các phương pháp chính sau:
2.2.1.1. Phương pháp phân tích cấu trúc nhỏ
Xác định các yếu tố cấu trúc địa chất như các nếp uốn, các phay, các nếp oằn võng, mặt trượt vết xước, đới dập vỡ cà nát... phân bố trong phạm vi đới đứt gãy.
41
Các kiến trúc này được hình thành và bị biến dạng do quá trình hoạt động của đới đứt gãy tạo nên, đồng thời chúng cũng phản ánh tính chất dịch trượt, các pha hoạt động, biên độ chuyển dịch và nhiều tính chất khác của đới đứt gãy.
2.2.1.2. Phương pháp phân tích các thành tạo địa chất trẻ
Phân tích các thành tạo địa chất trẻ trong các đới đứt gãy như các lớp, các tập trầm tích trong các bồn Kainozoi, xác định nguồn gốc, quy mô phân bố, điều kiện thành tạo, đặc điểm biến dạng của chúng. Trên cơ sở gắn các thành tạo này vào bình đồ kiến trúc của các đới đứt gãy cho phép xác định bối cảnh địa động lực hình thành chúng và đặc điểm hoạt động của các đới đứt gãy trong bối cảnh đó. Cụ thể ở khu vực nghiên cứu, trong hệ thống đứt gãy chúng tôi gặp một số đới dập vở, cà nát ở huyện Mường Lát hay ở khu vực Thành Sơn, Co Lương..., đó là những đới tương đối nhỏ khoảng vài cm đến 1m. Việc nghiên cứu chúng đã góp phần vào việc xác định tính chất và phân chia các pha hoạt động của các đới đứt gãy trong giai đoạn tân kiến tạo.
2.2.1.3. Phương pháp phân tích biến dạng của các dạng và yếu tố địa mạo
Phương pháp này phân tích các biến dạng (ngang, đứng) của hệ thống các đường chia nước, thung lũng sông, suối, các mương xói, dòng chảy tạm thời, biến dạng của các bãi bồi, thềm, các nón phóng vật... cho phép xác định các vị trí các đứt gãy cắt qua, xác định biên độ dịch trượt của đứt gãy và tổng biên độ dịch trượt của cả đới đứt gãy trong một giai đoạn phát triển kiến tạo nhất định trên cơ sở tuổi của các yếu tố này. Đồng thời cho phép xác định tính chất dịch chuyển của các đứt gãy.
Phân tích các dạng và yếu tố địa mạo như: Đặc điểm phân bố không gian của các dạng địa hình: núi, đồi, đồng bằng, địa hình thung lũng sông. Các quá trình địa mạo: bóc mòn, xâm thực, tích tụ, quá trình sườn và các yếu tố địa mạo. Đặc biệt là các vách kiến tạo-xâm thực, các đoạn thẳng, dị thường uốn khúc lòng sông, các dải đầm, hồ... Tổ hợp các dạng, yếu tố này cho phép phân tích được các dạng, yếu tố địa mạo đặc trưng trong đới đứt gãy, khác biệt hoàn toàn với bên ngoài đới đứt gãy.
Việc ứng dụng phương pháp phân tích này, đã xác định những đới địa mạo đặc
42
trưng cho các đới đứt gãy tương ứng trong khu vực nghiên cứu, khẳng định tính chất hoạt động tân kiến tạo và xác định phạm vi ảnh hưởng của hoạt động tân kiến tạo trên địa hình hiện đai.
2.2.2. Phương pháp viễn thám và GIS
Những năm gần đây, áp dụng công nghệ viễn thám và GIS đã giải quyết được nhiều vấn đề về địa chất, địa mạo và tân kiến tạo. Đặc biệt là các dạng địa hình, các yếu tố địa mạo, cấu trúc dạng tuyến, các cấu trúc tách giãn, các đứt gãy tân kiến tạo... Phương pháp này sử dụng các loại ảnh viễn thám (Spot, Landsat TM, ảnh máy bay...), các loại bản đồ địa hình và các phần mềm GIS (Mapinfo, Erdas Imagine, Arcview, Ilwis, Arc GIS...) để nắn chỉnh hình học, xây dựng mô hình DEM, phân tích, tổ hợp và quản lý số liệu.
Từ các loại ảnh viễn thám (hình 2.1). đã được nắn chỉnh, lọc nhiễu (đây là công tác đầu tiên và rất quan trọng bởi nó quyết định đến độ tin cậy của các thông tin trên ảnh) đó giúp cho các chuyên gia có được những cái nhìn từ tổng quan - đưa ra các nhận định ban đầu về khu vực, về lĩnh vực nghiên cứu (đặc điểm địa mạo, địa chất hay kiến tạo...) cũng như là bước định hướng cho việc tiến hành khảo sát bằng các phương pháp khác-đến việc đưa ra các nhận định chi tiết, chính xác (các dạng địa hình, các cấu trúc địa chất, vị trí chính xác các đứt gãy tân kiến tạo cũng như biên độ dịch chuyển của chúng. (hình 2.2)
Công nghệ GIS, với các phần mềm chuyên dụng, liên tục được cập nhật, nâng cấp đã góp phần quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của ảnh viễn thám, xây dựng mô hình số độ cao (DEM) (hình 2.3) giúp chính xác hoá các dạng địa hình, các yếu tố địa mạo, chính xác hoá bản chất cũng như cơ chế hoạt động của các đứt gãy thông qua các dạng địa hình thể hiện dấu ấn của chúng như các facet tam giác, các điểm dịch chuyển của sống núi, sông suối, bãi bồi của trầm tích Đệ tứ...
Công nghệ viễn thám và GIS còn đặc biệt hữu ích, nhanh chóng và chính xác trong việc phân tích, tính toán các mô hình định lượng: mô hình xói mòn đất, trượt lở đất, khả năng ngập lụt, ngập úng cũng như trong việc xây dựng các mô hình biến
43
đổi ứng suất kiến tạo khi có các hoạt động đứt gãy, chuyển dịch xảy ra. Đây chính là những tham số, những chứng cứ quan trọng trong việc dự đoán, dự báo, đưa ra các biện pháp phòng tránh giảm thiểu thiên tai bằng việc xây dựng các bản đồ chuyên đề: bản đồ xói mòn đất tiềm năng, bản đồ nguy cơ trượt lở đất, bản đồ nhạy cảm lũ lụt, bản đồ nguy cơ xói lở bờ sông..., góp phần quan trọng công tác xây dựng, quy hoạch và phát triển bền vững.
Hình 2.1. Ảnh vệ tinh Landsat khu vực thuỷ điện Trung Sơn
44
Đứt góy Trung Sơn 3 Đứt gãy TS 2
a
b
45
Hình 2.2. Ảnh vệ tinh Landsat TM khu vực nghiên cứu được lồng trên mô hình số độ cao nhằm xác định vị trí các chấn đoạn đứt gãy dưới các góc nhìn khác nhau: (a - Nhìn từ phía nam lên phía bắc; b- Nhìn từ phía đông sang phía tây; c- Nhìn từ phía bắc sang phía nam)
Giải đoán và phân tích ảnh thường dựa vào nhận dạng bằng mắt trực tiếp các đối tượng. Trên ảnh vệ tinh, các yếu tố địa mạo, các kiến trúc kiến tạo chính được phản ánh qua đặc điểm độ xám ảnh trên các kênh ảnh, kiến trúc ảnh, hoa văn ảnh, các đặc tính khác và cách sắp xếp của chúng. Trên ảnh máy bay, các yếu tố kiến trúc kiến tạo chính được phản ánh qua đặc điểm tôn ảnh và cách sắp xếp của chúng trong không gian và việc giải đoán ảnh được tiến hành bằng việc trợ giúp của kính lập thể, để phát hiện các yếu tố cấu trúc địa phương. Các vị trí có độ xám đồng nhất, hoặc gần đồng nhất dạng diện (các bề mặt, các khối kiến trúc, các đới phá huỷ, các thung lũng...), dạng tuyến (các đứt gãy Tân kiến tạo, mạng lưới thuỷ văn, đường sống núi, hệ thống đường lineament...). Việc xác định được chính xác các yếu tố trên, trong một số trường hợp có thể đánh giá được cơ thức, biên độ dịch trượt ngang của đứt gãy kiến tạo; quan hệ các bậc thềm sông suối; quan hệ các bậc địa
c
Đứt gãy Trung Sơn 4
46
hình; quan hệ tuổi tương đối giữa các cấu trúc; tính phân đoạn của các đứt gãy; các biểu hiện hoạt động kiến tạo trẻ v.v..
Hình 2.3. Mô hình số độ cao địa hình khu vực thuỷ điện Trung Sơn
47
2.2.3. Các phương pháp kiến tạo vật lý
Mục đích của nhóm các phương pháp này là khôi phục trường ứng suất kiến tạo, xác định thông số động học, tính chất và cơ chế biến dạng của các đứt gãy kiến tạo.
Nhóm phương pháp kiến tạo vật lý gồm nhiều phương pháp khác nhau. Nói chung, hầu hết các phương pháp này đều dựa trên cơ sở phân tích tính quy luật của sự phân bố các kiểu khe nứt, mặt trượt và vết xước được sinh ra do hoạt động của đứt gãy. Ở nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một số phương pháp chính như:
Phương pháp phân tích cặp khe nứt cộng ứng của Gzovski; Phương pháp phân tích kiến trúc động lực; Phương pháp phân tích 3 hệ khe nứt cộng ứng; Phương pháp hình động học của O.I. Gusenko- Angeli; Phương pháp phân tích dải khe nứt nhằm khôi phục trường ứng suất kiến tạo và cơ chế biến dạng của đứt gãy kiến tạo ở khu vực.
2.2.4. Các phương pháp địa vật lý
Các phương pháp địa vật lý nghiên cứu có hiệu quả đối với các đới đứt gãy, trước hết là những phương pháp trọng lực, từ telua và địa chấn. Nguyên tắc của các phương pháp này là xác định các thông số địa vật lý, trên cơ sở các dị thường trọng lực, từ telua và bề mặt địa chấn phản xạ, ứng dụng các phương pháp địa vật lý, để tìm hiểu những đặc trưng về cấu trúc địa chất, độ sâu, mặt trượt đứt gãy, chiều rộng đới dập vỡ trong đới đứt gãy.
2.2.5. Các phương pháp đánh giá địa chấn kiến tạo
2.2.5.1. Khái quát chung a. Địa chấn kiến tạo
Là khoa học trung gian giữa khoa học về động đất - điạ chấn học và điạ kiến tạo. Địa chấn kiến tạo nghiên cứu mối liên hệ giữa các biểu hiện địa chấn và kiến tạo khu vực. Các biểu hiện hoạt động kiến tạo được sử dụng để đánh giá các hoạt động địa chấn như dự đoán vị trí, cường độ và tần số các động đất cũng như thành
48
lập các bản đồ phân vùng địa chấn. Ngược lại, các chỉ thị địa chấn được sử dụng để đánh giá mức độ ổn định của các chế độ kiến tạo, xác định các đới chuyển động kiến tạo tương phản, làm rõ hướng chuyển dịch chủ đạo,…
b. Các đại lượng đo độ lớn động đất khi thiết kế đập
Theo Uỷ ban quốc tế về các đập lớn kiến nghị cần sử dụng 3 đại lượng đo độ lớn động đất khi thiết kế đập là: Động đất ước lượng cực đại, hay thường gọi là động đất cực đại (Maximum credible earthquake, viết tắt là MCE), Động đất thiết kế cực đại (Maximum desigh earthquake viết tắt là MDE) và động đất cơ sở vận hành (Operation basis earthquake, viết tắt là OBE).
Động đất ước lượng cực đại (MCE) là động đất lớn nhất có thể xuất hiện dọc theo một đoạn đứt gãy nào đó, hoặc trong một đơn vị kiến tạo xác định, dựa trên sự hiểu biết của khung cảnh kiến tạo cụ thể. Thông thường động đất ước lượng cực đại là giới hạn trên của động đất.
Động đất thiết kế cực đại (MDE) là động đất gây ra mức độ cao nhất, gia tốc rung động nền cho đập được thiết kế mà đập vẫn an toàn. Thông thường người ta chấp nhận xác suất xuất hiện (MDE) sẽ là 10% trong thời gian ứng với tuổi thọ của công trình (100m), khi đó (MDE) có chu kỳ lặp là 950 năm.
Động đất cơ sở vận hành (OBE) thể hiện mức độ dịch chuyển nền tại thân đập và tại đó đập chỉ bị những hư hỏng nhỏ. Đập và các cấu trúc bên trong cũng như thiết bị máy móc vẫn hoạt động và những hỏng hóc dễ dàng sửa chữa được. Nó đồng thời tính tới thời hạn thiết kế và động đất trong quá khứ được ghi lại trong catalog hoặc ghi nhận được trên thực địa. Vì vậy nó phụ thuộc vào sự hiểu biết đặc trưng địa chấn của đứt gãy hoạt động theo thời gian. Thông thường người ta chấp nhận xác suất xuất hiện của động đất cơ sở vận hành là 50% trong thời gian ứng với tuổi thọ công trình (100 năm), khi đó chu kỳ lặp của động đất cơ sở vận hành là 145 năm.
Một khi đánh giá được động đất cực đại, tính tới qui luật lặp lại động đất, ta có thể xác định (MDE) và (OBE).
49
2.2.5.2. Các phương pháp địa chấn kiến tạo chính được sử dụng trong nghiên cứu Hiện nay có nhiều phương pháp cho phép đánh giá động đất cực đại theo đường chấn đoạn. Đó là các phương pháp cho phép ước lượng động đất cực đại dựa vào kích thước của phá huỷ trên bề mặt đứt gãy, phương pháp dựa trên diện tích bề mặt đứt gãy, trong đó có tính tới tính chất hoạt động của đứt gãy (thuận, nghịch, trượt bằng) hay nói cách khác trạng thái ứng suất kiến tạo được tính đến.
Những phương pháp dựa trên kích thước bề mặt phá huỷ được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp của Slemmons, Well – Coppersmith, Wyss, woodward-Clyde [39;40];[42];[44],[43]. Phương pháp của Slemmons lần đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam trong đề án của (UNDP) đánh giá nguy hiểm động đất cho đập thuỷ điện Hoà Bình (Winter & Phan Trong Trinh, 1994; Phan Trọng Trinh
& Winter, 1996).
Phương pháp moment động đất có độ tin cậy cao hơn các phương pháp khác và chiếm 50% tỉ trọng của các phương pháp do mang ý nghĩa vật lý cao nhất và thể hiện mối liên hệ quan trọng giữa kích thước đứt gãy với khả năng phát sinh động đất từ các đứt gãy đó cho phép mô tả kích thước nguồn động đất dựa vào các tham số đứt gãy. Quá trình tính toán là quá trình lặp. Bước khởi đầu ước lượng biên độ chuyển dịch cực đại dựa trên kết quả đánh giá động đất cực đại bằng các phương pháp khác nhau để xác định moment động đất, sau khi lấy trung bình trọng số và sai số chuẩn lại suy ra biên độ chuyển dịch nhờ công thức của Well – Copersmith, [44].Ở bước thứ hai cho phép xác định động đất cực đại bằng phương pháp moment động đất và cứ thế lặp lại cho tới khi kết quả ổn định.
Moment động đất (Mo) được tính bằng dyne-cm và thể hiện bởi công thức đơn giản sau; [44]:
Mo = à . A. D (2.1)
Trong đú: à là modul cắt của vật liệu dọc theo một đứt góy, thường được chấp nhận là: 3.1011 dyne/cm2 đối với vỏ Trái đất, A là diện tích mặt đứt gãy, D là chuyển dịch trung bình của mặt trượt.
50
Tốc độ moment động đất MoThay tốc độ giải phóng năng lượng dọc theo một đứt gãy nào đó được ước lượng bởi:
MoT = àA S (2.2)
Trong đó: S là tốc độ dịch trượt trung bình dọc theo đứt gãy, A là tổng diện tớch mặt đứt góy, à là modul cắt của vật liệu dọc theo một đứt góy. Khỏi niệm tốc độ moment động đất cho phép một phép liên kết đặc biệt quan trọng giữa tài liệu địa chất và địa chấn.
Moment động đất được chuyển sang magnitude động đất. Khi đó, tốc độ đứt gãy được sử dụng để xác định tốc độ moment động đất. Nhiều tác giả đã phát triển mối quan hệ giữa các tham số và chu kỳ lặp động đất, chiều dài, diện tích đứt gãy và tốc độ biến dạng vỏ Trái đất với giả định về phân bố magnitude dạng hàm mũ. Dưới đây sẽ trình bầy các phương pháp chính được sử dụng để tính toán trong nghiên cứu này.
a. Phương pháp của Kanamori (1977); Hanks và Kanamori (1979) đề xuất tính magnitute - moment theo moment động đất bởi công thức[37];[38]:
Mw = (2/3)(logMo-9.05) (2.3) Và nếu tính theo độ sâu chấn tiêu bởi công thức :
Mw = 5.08 + 1.16 *log L (2.4)
Trong đó: Mw là magnitute - moment, Mo là moment động đất và L chiều dài của chấn đoạn đứt gãy.
Magnitute - moment khác với các thang magnitude khác vì nó liên quan trực tiếp tới tốc độ chuyển dịch trung bình và bề mặt đứt gãy phá huỷ, trong khi các thang magnitude khác phản ánh biên độ của các dạng đặc trưng riêng của sóng địa chấn.
b. Phương pháp của Well – Coppersmith (1989), tính động đất cực đại theo mặt và chiều dài đứt gãy.[44]
Bằng các nghiên cứu thực nghiệm, các tác giả đã đề xuất 3 phương pháp theo các công thức sau: