Luận văn Đánh giá đặc điểm vi địa chấn, áp dụng vi phân vùng động đất Thành phố Hà Nội

Nội dung tài liệu: Luận văn Đánh giá đặc điểm vi địa chấn, áp dụng vi phân vùng động đất Thành phố Hà Nội

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Tiến Hùng ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM VI ĐỊA CHẤN, ÁP DỤNG VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Tiến Hùng ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM VI ĐỊA CHẤN, ÁP DỤNG VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60 44 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TỬ SƠN Hà Nội – 2012
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 - ĐẶC ĐIỂM DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN 3 1.1. Miền thời gian - Dao động hạt. 3 1.2. Miền tần số - tỷ số phổ H/V 4 1.3. HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của động đất. 7 Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT 17 2.1 Khái niệm về vi phân vùng động đất 17 2.2. Sự khuếch đại sóng địa chấn qua lớp phủ. 17 2.3. Các phƣơng pháp vi phân vùng động đất 18 2.4. Nghiên cứu vi phân vùng động đất trên thế giới 19 2.5. Nghiên cứu vi phân vùng động đất tại Việt Nam 20 Chƣơng 3 - PHƢƠNG PHÁP, CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN PHỤC VỤ VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT 24 3.1. Khái niệm về dao động vi địa chấn. 24 3.2. Xác định chu kỳ trội của dao động vi địa chấn 24 3.3. Đánh giá chiều dầy lớp phủ nông theo số liệu đo DĐVĐC 26 Chƣơng 4 - VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI 31 4.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 31 4.1.1. Vị trí 31 4.1.2. Địa hình 31 4.1.3. Đặc điểm địa chất công trình 31 4.1.4. Tính địa chấn khu vực nghiên cứu và lân cận 32 4.2 Thu nhận và xử lý số liệu 33 4.2.1. Thiết bị 33 4.2.2. Số liệu 33 4.2.3. Minh giải số liệu 33 4.3. Thảo luận kết quả 35 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 63
4. Danh mục các bảng biểu Bảng 4.1 Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam “TCXDVN 375: 2006: Thiết kế công trình chịu động đất” 38 Bảng 4.2 Kỹ thuật phân loại nền đất theo chu kỳ trội của Đài Loan. 39 Bảng 4.3 Các điểm đo và hố khoan sử dụng để đánh giá mối liên hệ giữa chiều dầy lớp phủ D và chu kỳ trội T0 của DĐVĐC 40
5. Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Dao động hạt của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản 8 Hình 1.2 Dao động hạt của sóng S 9 Hình 1.3 Đồ thị HVSR của điểm đo DĐVĐC và các dao động hạt 10 Hình 1.4 Đồ thị HVSR tại điểm đo H02 và các dao động hạt 11 Hình 1.5 Các đƣờng cong HVSR mô phỏng theo phƣơng trình hàm truyền sóng S và HVSR mô phỏng theo phƣơng trình tính elip của sóng Rayleigh. 12 Hình 1.6 Mô phỏng sự không ổn định vận tốc pha của Dutta 13 Hình 1.7 Các đƣờng cong HVSR đo đƣợc và các đƣờng cong HVSR mô phỏng 4 trƣờng hợp nhằm kiểm tra tính không rõ của DĐVĐC. 14 Hình 1.8 Đƣờng cong HVSR đo đƣợc, HVSR mô phỏng theo phƣơng trình hàm truyền sóng S và HVSR mô phỏng theo phƣơng trình tính elip của sóng Rayleigh (theo Kuo (2008)) 15 Hình 1.9 Đồ thị so sánh HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của các trận động đất ghi đƣợc 7 trạm ghi dao động mạnh phân bố trong bồn trũng Đài Bắc, Đài Loan 16 Hình 2.1 Vị trí lắp đặt thiết bị và lát cắt địa chất tại vùng McGee Creek 22 Hình 2.2 Biểu đồ mô tả vị trí các trạm động đất từ chấn tâm tới thành phố Mêxicô và các trạm phân bố trong thành phố Mêxicô 23 Hình 3.1 Hai phƣơng pháp đo DĐVĐC thƣờng đƣợc sử dụng để xác định chu kỳ trội của DĐVĐC 28 Hình 3.2 Mô hình 2 lớp đơn giản dùng để đánh giá mối liên hệ giữa chu kỳ trội và chiều dầy lớp phủ. 29 Hình 3.3 Mối quan hệ giữa chiều dầy lớp phủ và tần số trội tại vùng Lower Rhine Embayment (Đức). 30 Hình 4.1 Khu vực nghiên cứu và phân bố các điểm đo DĐVĐC 41 Hình 4.2 Bản đồ phân bố các điểm đo DĐVĐC tại Tp. Hà Nội. 42
6. Hình 4.3 Bản đồ địa chất công trình Tp.Hà nội (theo Nguyễn Đức Đại, 1996) 43 Hình 4.4 Bản đồ đƣờng đẳng chấn của một số chận động đất đã xẩy ra và gây chấn động cho Tp. Hà Nội với cƣờng độ IV-VI (thang MSK-64) 44 Hình 4.5 Bản đồ phân bố đứt gẫy và chấn tâm động đất Việt Nam và lân cận 45 Hình 4.6 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này 46 Hình 4.7 Bản đồ phân bố các điểm đo DĐVĐC sử dụng để so sánh với tài liệu lỗ khoan. 47 Hình 4.8 Các đồ thị tỉ số phổ H/V tại một số điểm đo DĐVĐC đƣợc chọn ra từ 93 điểm đo DĐVĐC. 48 Hình 4.9 Sơ đồ vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội 49 Hình 4.10 Bản đồ phân loại nền đất Tp. Hà Nội theo số liệu vi địa chấn 50 Hình 4.11 Mối liên hệ giữa chu kỳ trội T0 và chiều dầy lớp phủ DK tại thành phố Hà Nội. 51 Hình 4.12 Bản đồ phân bố chiều dầy lớp phủ thu đƣợc từ phƣơng trình (4.2) và chu kỳ trội T0 theo Hùng (2011). 52 Hình 4.13 So sánh chiều dầy lớp phủ theo mặt cắt 1 53 Hình 4.14 So sánh chiều dầy lớp phủ theo mặt cắt 2 54
7. Bảng ký hiệu các chữ viết tắt TT Ký hiệu Nghĩa 1 DĐVĐC dao động vi địa chấn 2 HVSR tỉ số phổ dao động ngang và dao động đứng (H/V) 3 PGA gia tốc đỉnh 4 Tp. Hà Nội thành phố Hà Nội
8. MỞ ĐẦU Dao động vi địa chấn là những dao động có biên độ nhỏ trên mặt đất. Chúng có thể được tạo ra từ các hoạt động như: gió, thuỷ triều, sóng biển, giao thông, động đất,.... Phần lớn các nhà nghiên cứu đều cho rằng thành phần chủ yếu của dao động vi địa chấn là các sóng mặt (sóng Rayleigh). Tuy nhiên, Nakamura (1989, 2000, 2007) cho rằng thành phần của dao động vi địa chấn biến đổi trên các dải tần khác nhau. Thành phần chủ yếu của dao động vi địa chấn xung quanh miền tần số trội (T0) là các dao động ngang giống như các sóng S, còn xung quanh dải tần số vùng lõm là các dao động đứng giống như các sóng Rayleigh. Hai thập kỷ qua, một số phương pháp sử dụng để thực hiện vi phân vùng động đất như: Khoan thăm dò, đo địa chấn phản xạ/khúc xạ, sử dụng các băng ghi dao động mạnh ghi được tại các nền đất khác nhau và đo DĐVĐC. Những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và các cách cải tiến kỹ thuật đo, phương pháp đo DĐVĐC thường được lựa chọn để thực hiện vi phân vùng động đất. Phương pháp đo DĐVĐC không cần khoan hay không cần sử dụng các nguồn nổ nên nó dễ dàng thực hiện trong các khu đông dân cư. Hơn nữa, các nguồn tại ra DĐVĐC luôn có sẵn, do đó thời gian thực hiện đo khảo sát ngắn hơn và giá thành rẻ hơn so với các phương pháp khác. Cho đến nay, vi phân vùng động đất bằng phương pháp đo DĐVĐC đã thực hiện thành công tại nhiều nơi trên thế giới [2-10, 12-58]. Ở Việt Nam, ngay từ năm 90 của thế kỷ trước, vi phân vùng động đất bằng phương pháp đo DĐVĐC theo phương pháp độ cứng địa chấn đã được thực hiện tại thành phố Hà Nội [7, 10]. Từ năm 2003 đến nay, đo DĐVĐC theo phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V của Nakamura (1989) đã thực hiện thành công tại một số thành phố lớn, các công trình trọng điểm, các vùng hoạt động động đất, [2-7, 9, 10, 54, 57]. Xuất phát từ những nhận định trên nên tôi chọn để tài “Đánh giá đặc điểm vi địa chấn, áp dụng vi phân vùng động đất thành phố Hà Nội” làm luận văn Thạc sỹ của mình. Trong khuôn khổ luận văn này, tôi sẽ thực hiện một số vấn đề sau: 1
9. (1) Kiểm chứng giả thiết của Nakamura (1989, 2000, 2007) đó là xung quanh miền tần số trội trên HVSR của DĐVĐC chủ yếu là các dao động ngang giống như sóng S, còn xung quanh tần số vùng lõm trên HVSR của DĐVĐC chủ yếu là các các dao động đứng giống như sóng Rayleigh. (2) Vi phân vùng động đất Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC bằng phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V 1 trạm của Nakamura (1989). (3) Đánh giá chiều dầy lớp phủ Tp. Hà Nội từ số liệu đo DĐVĐC. Kết quả sau đó được so sánh với 2 mặt cắt địa chất công trình nhằm đưa ra nhận định khách quan giữa kết quả đánh giá từ đo DĐVĐC và tài liệu khoan. Với mục tiêu đó, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn này được trình bày trong bốn chương với nội dung cụ thể như sau: Chƣơng 1: Mô tả các đặc điểm dao động vi địa chấn theo miền thời gian và miền tần số và đưa ra minh chứng của tác giả về thành phần cấu tạo của DĐVĐC dựa trên giả thiết của Nakamura (1989, 2000, 2007). Chƣơng 2: Mô tả các nghiên cứu vi phân vùng động đất đã thực hiện trên thế giới và Việt Nam. Chƣơng 3: Mô tả phương pháp, cơ sở lý thuyết sử dụng dao động vi địa chấn phục vụ vi phân vùng động đất. Chƣơng 4: Mô tả đặc điểm địa chất công trình Tp. Hà Nội, số liệu sử dụng trong nghiên cứu, áp dụng vi phân vùng động đất Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC và đánh giá chiều dầy lớp phủ Tp. Hà Nội theo số liệu đo DĐVĐC. Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Tử Sơn. 2
10. Chƣơng 1 - ĐẶC ĐIỂM DAO ĐỘNG VI ĐỊA CHẤN 1.1. Miền thời gian - Dao động hạt. Phần lớn các nhà khoa học cho rằng DĐVĐC được cấu tạo chủ yếu từ các sóng có dao động đứng (sóng Rayleigh), đặc biệt là trên miền tần số trội. Tuy nhiên, theo Nakamura (1989, 2000, 2007), thành phần cấu tạo của DĐVĐC biến đổi trên các dải tần khác nhau. Đó là, mặc dù DĐVĐC chủ yếu là các sóng Rayleigh, nhưng các sóng có dao động ngang (sóng S) lại là thành phần chủ yếu trên miền tần số trội, còn các sóng Rayleigh phân bố tập trung trên dải tần cao hơn miền tần số trội. Để minh họa thành phần cấu tạo của DĐVĐC trên các dải tần số khác nhau, tôi đi biểu diễn DĐVĐC dưới dạng các dao động hạt trên các dải tần khác nhau. Dao động hạt là dạng dao động mô tả trạng thái hạt dao động khi bị tác động của ngoại lực. Dao động hạt của các sóng Rayleigh là dạng dao động chủ yếu theo phương đứng, ngược chiều kim đồng hồ tại mặt phân lớp và bị phản xạ trở lại theo chiều kim đồng hồ (hình 1.1). Dao động hạt của các sóng S là dạng dao động chủ yếu theo phương ngang (theo các thành phần E và N) tại bề mặt (hình 1.2). Do đó, bằng cách quan sát các dạng dao động hạt trên các dải tần khảo sát khác nhau chúng ta có thể phát hiện được tại các dải tần này là sóng S hay sóng Rayleigh. Di Giulio (2006) [22], Kuo (2008) [34] đã tiến hành biểu diễn dao động hạt của DĐVĐC tại các dải tần xung quanh đỉnh trội và vùng lõm của HVSR. Kết quả của họ đều cho thấy dao động hạt xung quanh miền tần số trội của HVSR có dao động ngang giống như sóng S. Ngược lại, dao động hạt tại các dải tần xung quanh vùng lõm của HVSR có dạng dao động đứng giống như sóng Rayleigh (hình 1.3). Hình 1.4(a) mô tả đồ thị HVSR và các dao động hạt tại điểm đo DĐVĐC (H02) trong nghiên cứu này. Hình bên phải là các dao động hạt của DĐVĐC được lọc xung quanh dải tần vùng lõm của HVSR, hình bên trái là các dao động hạt của DĐVĐC được lọc xung quanh dải tần đỉnh trội của HVSR. Hình này cho thấy các dao động hạt của DĐVĐC có sự khác nhau rất rõ tại miền tần số xung quanh đỉnh trội và vùng lõm. Dao động hạt của DĐVĐC tại tần số xung quanh đỉnh trội chủ yếu theo phương ngang giống như sóng S. Nếu như tần số xung quanh đỉnh trội này 3