Chương 2: Mối tương quan giữa băng ghi gia tốc chuyển đổi từ băng ghi vận tốc và băng ghi gia tốc thực
2.4 Phương pháp chuyển đổi số liệu vận tốc thành số liệu gia tốc
Số liệu vận tốc được chuyển đổi sang số liệu gia tốc được thực hiện bằng phần mềm SAC (Seismic Analysis Code). Đây là phần mềm chuyên dụng để phân tích số liệu địa chấn và theo định dạng (format) riêng (định dạng SAC). Trong khi thực hiện chuyển đổi sang số liệu gia tốc, số liệu vận tốc sẽ được căn chỉnh chuẩn 0, lọc bỏ tác động của máy địa chấn và đưa ra băng gia tốc tại dải tần số mong muốn.
Trong trường hợp chung, để lọc bỏ tác động của máy địa chấn, cần phải đưa các thông số của máy địa chấn do hãng sản xuất cung cấp vào thành 1 file (file_thông_số_máy). Tần số của băng gia tốc thường nằm trong khoảng từ 0.01 đến 40Hz. Như vậy toàn bộ công việc lọc bỏ tác động của máy địa chấn và chuyển đổi băng ghi vận tốc sang băng ghi gia tốc được thực hiện bằng lệnh sau đây:
Trans from polezero s file_thông_số_máy to acc freq 0.01 – 40
Nếu xem băng vận tốc và băng gia tốc là các hàm thời gian V(t) và a(t) và hàm đáp ứng thiết bị là h(t), bản chất của việc chuyển một băng ghi vận tốc sang băng ghi gia tốc ở đây chính là loại bỏ các thông số máy bằng giả chập giữa hàm V(t) và hàm h(t) để nhận được hàm vận tốc thực v(t) và sau đó tiến hành lấy đạo hàm của hàm v(t) ta được a(t)=g(t)’. Các bước tính toán trên được thực hiện trong dải tần từ 0.01 đến 40 Hz. Nếu lấy tích phân của hàm v(t) chúng ta được hàm d(t) chính là băng ghi dịch chuyển. Tuy nhiên phải xem xét đến dải tần số tương ứng với dao động dịch chuyển.
Phương pháp chuyển đổi số liệu vận tốc sang số liệu gia tốc tại Việt Nam được kiểm nghiệm với các băng ghi vận tốc và gia tốc của trận động đất Mường La – Bắc Yên với Ml = 4.4 ngày 19/7/2014 do động đất này được ghi tại nhiều trạm trong đó có một vài trạm có đầy đủ cả băng ghi vận tốc lẫn băng ghi gia tốc như trạm Sơn La, Bắc Giang và trạm Con Cuông (Nghệ An). Các băng ghi vận tốc sau khi chuyển đổi thành băng gia tốc sẽ được so sánh với các băng gia tốc được ghi tại cùng một trạm theo từng cặp thành phần ghi cả về biên độ và tần số. Đồng thời tại các trạm DBVB (Điện biên), HBVB (Hòa Bình)… nơi chỉ ghi được các băng vận tốc, phương pháp chuyển đổi như trên cũng được sử dụng và đánh giá các kết quả thu được với các kênh có cùng độ dài và cùng thời gian bằng hàm tương quan chéo.
Với trạm địa chấn Sơn La, thông số máy địa chấn do hãng sản xuất được cho trong bảng 2.3, dải tần số với băng gia tốc đầu ra là 0.01 – 40, các băng vận tốc (hình 2.9) được chuyển thành băng gia tốc bằng phương pháp đã trình bày. Cac băng gia tốc nhận được sau khi chuyển đổi từ băng vận tốc được biểu diễn trên hình 2.10. Từ các hình 2.10 có thể thấy băng ghi trong hình 2.10 có tần số cao hơn băng vận tốc (hình 2.9) do đây là băng gia tốc đã được chuyển đổi từ băng vận tốc. Thông thường thì đối với băng gia tốc thường có dải tần số từ 0 -100Hz, nhưng trong phương pháp chuyển đổi này chỉ lọc được
các giá trị trong khoảng tần số từ 0.01 – 40Hz do tần số lấy mẫu của băng ghi vận tốc là 100 Hz.
Hình 2.9 Ba kênh NS, EW, Z của trạm Sơn La khi chưa chuyển đổi của động đất Sơn la 19/7/2014 với T0 là thời điểm sóng P
Hình 2.10 Ba kênh NS, EW, Z của trạm Sơn La sau khi chuyển đổi sang gia tốc Tương tự, phương pháp như trên được sủ dụng để chuyển đổi cho các băng ghivận tốc của các trạm còn lại.
Đối với các băng ghi được ghi bằng máy ghi gia tốc, tuy không cần chuyển đổi vì bản than các băng này đã thể hiện giá trị gia tốc thực nhưng vẫn phải chia cho một giá trị trên toàn bộ dải tần ssó. Giá trị đó phụ thuộc vào giá trị cài đặt máy gia tốc tại trạm.
Thông thường đối với khu vực có động đất vừa và yếu như Miền bắc Việt Nam, dải giá trị ghi thường đặt trong dải từ : -2g đến + 2g. Máy lưu dữ liệu Q330 dùng với các trạm
địa chấn Việt Nam có dải động học 24bit trong đó sử dụng 1 bít cho cờ nhớ, do vậy Q330 sẽ dùng 23 bit cho việc ghi dạng sóng trong toàn dải là ± 2g. Như vậy hệ số mà băng ghi gia tốc thực cần phải chia là:
980 4280 2
223
= (1.6)
Sau khi chia toàn dải băng ghi gia tốc cho giá trị 4280 thì chúng ta sẽ được băng ghi gia tốc thực với thứ nguyên là cm/s2.
CONSTANT 6.945755e+13 POLES 9
-3.700000E-02 3.700000E-02
-3.700000E-02 -3.700000E-02
-1.600000E+01 0.000000E+00
-4.170000E+02 0.000000E+00
-1.870000E+02 0.000000E+00
-1.101000E+02 4.020000E+02
-1.101000E+02 -4.020000E+02
-7.450000E+03 7.1400000E+03
-7.450000E+03 -7.140000E+03
ZEROS 5
0.000000E+00 0.000000E+00
0.000000E+00 0.000000E+00
-1.520000E+01 0.000000E+00
-3.190000E+02 4.010000E+02
-3.190000E+03 -4.010000E+02
Bảng 2.3 Bảng thông số máy ghi vận tốc của của trạm SLV do hãng sản xuất cung cấp
2.5 Dùng hàm tương quan chéo để đánh giá kết quả chuyển đổi số liệu vận tốc thành số liệu gia tốc
Để đánh giá chất lượng việc chuyển đổi băng ghi vận tốc sang băng ghi gia tốc và so sánh với băng ghi gia tốc thực, băng gia tốc chuyển đổi sẽ được chồng chồng chập lên gia tốc thực sau khi đã chia với hệ số 4280. Phương pháp so sánh này chỉ thực hiện được đối với những băng ghi vận tốc, gia tốc tại cùng một vị trí đặt máy ghi (cùng trạm), cùng thời điểm, cùng trận động đất.
Hình 2.11 thể hiện băng gia tốc chuyển đổi từ băng vận tốc (HHE) và băng gia tốc thực (HNE) của động đất M=4.4 ngày 18/7/2014 ghi tại trạm địa chấn Sơn La. Tương tự hình 2.12 thể hiện băng gia tốc chuyển đổi từ băng vận tốc (HHZ) và băng gia tốc thực (HNZ) cũng của động đất trên ghi tại trạm địa chấn Con Cuông.
Việc chồng chập các băng gia tốc chuyển đổi và băng gia tốc thực tại trạm Sơn La được thể hiện trên hình 2.13. Tương tự, hình 2.14 biểu diễn chồng chập băng gia tốc chuyển đổi và băng gia tốc tại trạm Bắc Giang.
Hình 2.11 So sánh 2 băng ghi Vận tốc chuyển đổi (HHE) và kênh gia tốc thực (HNE) của trạm Sơn la
Hình 2.12 So sánh 2 băng ghi Vận tốc chuyển đổi (HHZ) và kênh gia tốc thực (HNZ) của trạm Con Cuông
Hình 2.13 Chồng chập 2 băng vận tốc chuyển đổi (HHE) và gia tốc thực (HNE) của trạm SLV
Hình 2.14 Chồng chập 2 băng vận tốc chuyển đổi (HHE) và gia tốc(HNE) của trạm Bắc Giang
So sánh bằng hình ảnh trên đây cho thấy băng gia tốc chuyển đổi gần trùng khít với băng gia tốc cả về dạng sóng, thời gian và biên độ phản ánh hiệu quả rất cao của phương pháp chuyển đổi.
Do hàm tương quan chéo giữa 2 tính hiệu cho phép xác định mức độ trùng khớp của các tín hiệu cả về mặt thời gian và tần số, bởi vậy việc đánh giá chất lượng việc chuyển đổi băng ghi vận tốc sang băng ghi gia tốc còn được thực hiện thông qua tính hàm tương quan chéo giữa băng gia tốc chyển đổi và băng gia tốc. Tính toán hàm tương quan chéo dẽ dàng được thực hiên thông qua các lệnh Corr, Corr2 trong chương trình Matlab.
Để tính tương quan chéo, toàn bộ băng ghi được chia thành các cửa sổ thời gian nhỏ (short windows), chồng lên nhau theo kiểu xếp ngói lên cửa sổ 1, cửa sổ 2 sẽ được đặt lờn ẵ của sổ 1 và cửa sổ 3 sẽ nằm lờn ẵ của cửa sổ 2… cho đến hết (cú thể hiểu đơn giản là nếu mỗi cửa sổ là 1s, các cửa sổ mang số lẻ sẽ ở từng giây còn các cửa sổ chẵn sẽ nằm ở ẵ cửa sổ 1 và ẵ của sổ 2). Áp dụng với băng ghi HH và HL (hoặc HN) của băng ghi trạm SLVB, có tổng thời gian của băng ghi là 30s, được chia làm 60 cửa sổ, như vậy trong 1s sẽ cú 2 cửa sổ, mỗi cửa sổ là 1s và như vậy là cửa sổ 1, của sổ 2 sẽ nằm lờn ẵ của cửa sổ 1 và của sổ 3 nằm lờn ẵ của cửa sổ 2 … . Dựng hàm tương quan Corr để tớnh toán tại mỗi cửa sổ đó, như vậy đối với cửa sổ chẵn như 2,4,6 … là các cửa sổ có giá trị Corr của ẵ cửa sổ trước và ẵ cửa sổ phớa sau, cuối cựng khi nối cỏc giỏ trị đú với nhau ta sẽ được các biểu đồ thể hiện mối tương quan của các cặp kênh HH – HL(HN) (Hình 2.15).
Qua các biểu đồ trên hình 2.15 thể hiện mối tương quan của các cặp kênh HH – HL(HN) ghi tại trạm Sơn La có thể thấy rằng một vài cửa sổ đầu tiên đạt giá trị Corr rất thấp và sau đó đạt giá trị cao và phía cuối của biểu đồ thì giá trị cũng giảm dần. Hiện tượng này là do khi cắt các cặp kênh phía trước và phía sau sóng P vài giây và khi kết thúc trận động đất, tỉ số nhiễu/tín hiệu lớn nên giá trị đạt thấp. Phần giữa biểu đồ do các tín hiệu sóng P và sóng S của các băng gia tốc chuyển đổi và băng gia tốc trùng khớp nhau nên đạt giá trị cao. Kết quả tính tương quan chéo giữa băng gia tốc chuyển đổi và băng gia tốc thực theo phương pháp Short-windows với các cặp kênh HHE-HNE, HHN-
HNN, và HHZ-HNZ tại trạm Sơn la của trận động đất 4.4 ngày 19/07/2014 được trình bày trên bảng 2.4 dưới đây:
Bảng 2.4 Bảng kết quả so sánh các cặp kênh HH –HN(HL) của trạm Sơn la, trận động đất Ml = 4.4 ngày 19/7/2014.
STT Các cặp băng Giá trị hàm tương quan Đánh giá
1 HHE - HNE 0.9036 Tốt
2 HHN - HNN 0.9328 Tốt
3 HHZ - HNZ 0.9011 Tốt
Tương tự như vậy, do các trạm CCVB và BGVB đều đặt đồng thời cả máy địa chấn dải rộng và máy gia tốc, tại các trạm này có thể so sánh băng gia tốc chuyển đổi và băng gia tốc khi chúng cùng ghi dao động của cùng trận động đất.
Kết quả so sánh các giá trị gia tốc nền cực đại (PGA) của các bằng gia tốc chuyển đổi với PGA của các băng gia tốc thực của động đất M=4.4 ngày 19/7/2014 ghi tại các trạm SLV, CCVB và BGVB được đưa ra trong bảng 2.5
Hình 2.15 Biểu đồ thể hiện mối tương quan theo thời gian của 3 cặp kênh HHE – HNE, HHN – HNN , HHZ – HNZ của trạm Sơn La với động đất ngày 19/7/2014
Bảng 2.5 Bảng các giá trị PGA của các trạm trong trận động đất Sơn La ngày 19/7/2014. Các giá trị PGA có thứ nguyên là cm/s2, riêng cột (N+E)/2 thì có thứ nguyên là g(m/s2) do được sử dụng cho kiểm nghiệm trong Chương 4.
Các kết quả thu được từ các so sánh chồng chập hay tính tương quan chéo cho thấy rằng việc chuyển đổi từ băng vận tốc dải rộng sang băng ghi gia tốc cho kết quả tốt đối với các trạm có nền đất là nền đá gốc và với tỉ số tín hiệu/nhiễu cao.
Do vậy đối với những vị trí mà không có băng ghi gia tốc, với băng ghi vận tốc dải rộng có chất lượng, có thể dùng cách chuyển đổi trên để có băng gia tốc tốt đảm bảo chất lượng sử dụng trong nghiên cứu cũng như tính toán thiết kê cho các công trình.
Kết luận chương 2
Bản chất của việc chuyển đổi số liệu vận tốc thành số liệu gia tốc là coi các băng ghi là các hàm sóng, có thể lấy đạo hàm để được băng ghi gia tốc, hoặc có thể tích phân hàm sóng đó để được băng ghi dịch chuyển. Để có thể đạt được kết quả chuyển đổi tốt, cần xét đến yếu tố nhiễu vì những băng có nhiễu cao khi chuyển đổi sẽ cho kết quả thấp. . Sử dụng công cụ Matlab trong việc phân tích, tính toán, xử lý số liệu địa chấn là khá thuận tiện và linh hoạt. Trong chương này công cụ Matlab được sử dụng để đánh giá tương quan chéo giữa băng ghi gia tốc được chuyển đổi từ băng ghi vận tốc với băng ghi gia tốc thực cho kết quả tốt.