Luận văn Nghiên cứu áp dụng thuật toán Parker xác định dị thường trọng lực Bouguer khu vực biển đông và kế cận

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu áp dụng thuật toán Parker xác định dị thường trọng lực Bouguer khu vực biển đông và kế cận

1. 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 1
2. 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 2
3. 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 - người đa ̃ tận tình chỉ bảo , hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thưc̣ hiêṇ luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Địa Cầu, Khoa Vật lý, Trường Đaị hoc̣ Khoa hoc̣ Tư ̣ nhiên – Đaị hoc̣ Quốc gia Hà Nôị , những người đã hết lòng giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Vật lý và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vì đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em được tiếp tục học tập, rèn luyện và công tác tại khoa, trường. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người luôn sát cánh, động viên, chia sẻ cùng em. Môṭ lần nữa xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu trên! Hà Nội, ngày 8/11/2015 Học viên Phạm Thành Luân 3
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER .................................................................... 2 1.1. Khái niệm biến đổi Fourier ....................................................................................... 2 1.2. Một số tính chất của biến đổi Fourier ....................................................................... 6 1.2.1. Tính chất đối xứng .......................................................................................... 6 1.2.2. Tính chất tuyến tính ........................................................................................ 7 1.2.3. Sự chuyển dịch ............................................................................................... 7 1.2.4. Đạo hàm .......................................................................................................... 7 1.3. Biến đổi Fourier của một số dị thường đơn giản ...................................................... 8 1.3.1. Các nguồn ba chiều ...................................................................................... 10 1.3.2. Các nguồn hai chiều ..................................................................................... 13 CHƢƠNG 2. 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 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ KẾT QUẢ ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PARKER XÁC ĐỊNH DỊ THƢỜNG BOUGUER KHU VỰC BIỂN ĐÔNG VÀ KẾ CẬN ...... 27 3.1 Mô hình ranh giới phân chia dạng vòm 2D ............................................................. 27 3.1.1. Thông số mô hình .......................................................................................... 27 3.1.2. Kết quả tính toán ............................................................................................ 27 3.2. Mô hình ranh giới phân chia dạng vòm 3D ............................................................ 30 4
5. 3.2.1. Thông số mô hình .......................................................................................... 30 3.2.2. Kết quả tính toán ............................................................................................ 30 3.3. Mô hình bể trầm tích 3D ......................................................................................... 34 3.3.1. Thông số mô hình .......................................................................................... 34 3.3.2. Kết quả tính toán ............................................................................................ 35 3.4. Xác định dị thường Bouguer trên biển Đông và kế cận ......................................... 40 3.4.1. Nguồn số liệu ................................................................................................. 40 3.4.2. Kết quả tính toán ............................................................................................ 43 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 47 5
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ trục tọa độ ................................................................................................... 08 Hình 1.2: Phổ mật độ năng lượng của các dị thường gây bởi một số vật thể đơn giản... 12 Hình 1.3: Nguồn đường thẳng đứng nằm dọc theo trục z giữa z1 và z2 và được quan sát trên mặt phẳng nằm ngang z0 < z1. ................................................................................... 13 Hình 1.4: Hệ tọa độ và sắp xếp hình học của các nguồn đường khi dùng cho các biến đổi Fourier các dị thường của 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 mỗi cạnh đa giác ..................................................................... 22 Hình 2.4: Mô hình lăng trụ 3 chiều .................................................................................. 24 Hình 3.1: Ranh giới phân chia dạng vòm 2D ................................................................... 27 Hình 3.2: Dị thường trọng lực gây bởi ranh giới phân chia dạng vòm 2D bằng thuật toán Parker . .............................................................................................................................. 28 Hình 3.3: Kết quả xác định dị thường trọng lực gây bởi ranh giới phân chia dạng vòm 2D bằng hai phương pháp. ................................................................................................ 28 Hình 3.4: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo hai phương pháp ............................ 29 Hình 3.5: Kết quả giải bài 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 của ranh giới phân chia dạng vòm 3D tính theo thuật toán Parker ................................................................................................................................ 31 6
7. Hình 3.8: Dị thường trọng lực của ranh giới phân chia dạng vòm 3D tính theo phương pháp của Bhaskara Rao trong miền không gian ............................................................... 31 Hình 3.9: Dị thường trọng lực theo thuật toán Parker biểu diễn dưới dạng các đường đồng mức ........................................................................................................................... 32 Hình 3.10 Dị thường trọng lực theo phương pháp của Bhaskara Rao trong miền không gian biểu diễn dưới dạng các đường đồng mức ................................................................ 32 Hình 3.11: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật toán Parker và theo phương pháp của Bhaskara Rao trong miền không gian ............................................................... 33 Hình 3.12: Kết quả xác định độ sâu ranh giới phân chia dạng vòm 3D .......................... 34 Hình 3.13: Chênh lệch độ sâu tính toán và độ sâu mô 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 của Bhaskara Rao trong miền không gian ................................................................................................................................... 36 Hình 3.17: Dị thường trọng lực theo thuật toán Parker biểu diễn dưới dạng các đường đồng mức ........................................................................................................................... 36 Hình 3.18: Dị thường trọng lực theo phương pháp của Bhaskara Rao trong miền không gian biểu diễn dưới dạng các đường đồng mức ................................................................ 36 Hình 3.19: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật toán Parker và theo phương pháp của Bhaskara Rao trong miền không gian ............................................................... 37 Hình 3.20: Dị thường trọng lực theo phương pháp Chai và Hinze trong miền tần số..... 38 Hình 3.21: Chênh lệch dị thường trọng lực tính theo thuật toán Parker và theo phương pháp Chai và Hinze ........................................................................................................... 39 7
8. Hình 3.22: Kết quả xác định độ sâu bể trầm tích ............................................................. 39 Hình 3.23: Chênh lệch độ sâu tính toán và độ sâu mô hình ............................................. 40 Hình 3.24: Bản đồ đồng mức địa hình khu vực biển Đông và kế cận .............................. 41 Hình 3.25: Bản đồ đồng mức dị thường Free-air khu vực biển Đông và kế cận ............. 42 Hình 3.26: Bản đồ đồng mức hiệu chỉnh trọng lực gây ra bởi địa hình và độ sâu đáy biển .................................................................................................................................... 43 Hình 3.27: Hiệu chỉnh trọng lực gây ra bởi địa hình và độ sâu đáy biển dạng 3D ......... 44 Hình 3.28: Bản đồ đồng mức dị thường Bouguer khu vực biển Đông và kế cận ............. 45 Hình 3.29: Bản đồ dị thường Bouguer khu vực biển Đông và kế cận dạng 3D ............... 46 8
9. MỞ ĐẦU Thăm dò trọng lực là một trong những phương pháp nghiên cứu cấu trúc bên trong Trái Đất, cấu tạo địa chất, tìm kiếm và thăm dò các loại khoáng sản. Thăm dò trọng lực kết hợp cùng với các phương pháp thăm dò khác đã góp phần giải quyết các vấn đề phân vùng, kiến tạo, thạch học, phát hiện ra các vùng có triển vọng khoáng sản để tiến hành các công tác thăm dò địa chất, Địa Vật lý chi tiết. Thực tế, hiện nay ở nước ta, phương pháp thăm dò trọng lực được áp dụng thường xuyên và phổ biến như một trong các phương pháp cơ bản nhất trong việc nghiên cứu địa chất cũng như tìm kiếm khoáng sản, tài nguyên thiên nhiên. Tuy nhiên, với số điểm quan sát lớn, việc phân tích, xử lý các số liệu đo đạc trọng lực mất khá nhiều thời gian. Để khắc phục nhược điểm đó, các nhà Địa Vật lý đã chuyển việc tính toán trong miền không gian sang miền tần số. Một trong các phương pháp nổi bật và rút ngắn thời gian nhất là sử dụng thuật toán của Parker. Chính vì những lý do đó, chúng tôi quyết định lựa chọn luận văn với đề tài: “Nghiên cứu áp dụng thuật toán Parker xác định dị thường trọng lực Bouguer khu vực biển Đông và kế cận”. Thuật toán và chương trình được viết bằng ngôn ngữ Matlab đã được sử dụng để tính toán thử nghiệm trên các mô hình bài toán thuận, ngược 2-3D trước khi áp dụng cho khu vực biển Đông và kế cận. Kết quả tính toán được so sánh với các phương pháp khác để thấy được ưu điểm của thuật toán Parker. Khoá luận này được chia làm ba chương sau: - Chương 1: Phép biến đổi Fourier - Chương 2: Thuật toán Parker và một số phương pháp khác xác định dị thường trọng lực. - Chương 3: Mô hình hóa và kết quả áp dụng thuật toán Parker xác định dị thường Bouguer khu vực biển Đông và kế cận. 1
10. CHƢƠNG 1: PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER Trong chương này, chúng tôi trình bày cơ sở lý thuyết của phép biến đổi Fourier. Richard J. Blakely [17] đã khái quát những nội dung quan trọng của phép biến đổi Fourier và áp dụng chúng để phân tích, xử lý tài liệu từ và trọng lực. Về quá trình phát triển, có thể nói Tsuboi và Fuchida [20, 21] là những người đầu tiên áp dụng các phép biến đổi Fourier vào việc minh giải các dị thường trường thế. Họ sử dụng chuỗi Fourier để chỉ ra mối liên hệ giữa các dị thường trọng lực và các phân bố khối lượng, trong cả hai trường hợp hai và ba chiều, được giới hạn trong các mặt phẳng ngang. Vào những năm 60, nhiều tác giả đã sử dụng biến đổi Fourier trong việc minh giải các dị thường từ biển, tiêu biểu là Gudmundson [9], Heirtzler và Le Pichon [13]. Tiếp đó, Harrison [12] đã đưa ra cái nhìn khái quát về chủ đề này. Cùng thời gian đó, Bhattacharryya [5] đã công bố một số bài báo quan trọng về biến đổi Fourier của các dị thường từ và trọng lực. Có lẽ đóng góp có ý nghĩa nhất của ông là ông đã nhận ra rằng nhiều phép biến đổi, chẳng hạn như nâng trường, hạ trường, chuyển trường về cực, dễ dàng được thực hiện trong miền tần số. Sau đây, chúng tôi sẽ tóm lược lại phép biến đổi này. 1.1. Khái niệm biến đổi Fourier Một hàm tuần hoàn có thể được tổng hợp bằng tổng vô hạn các hàm sin có trọng số, trong đó các trọng số của các hàm sin được xác định qua phân tích hàm tuần hoàn đó. Nếu f(x) là một hàm tuần hoàn với chu kỳ X, nó có thể được biểu diễn bằng: ∞ (1.1) 푖 푛 = 퐹푛 푒 푛=−∞ 2 trong đó = và 푖 = −1. Các trọng số 퐹 trong tổng này là các số phức và được xác 푛 푛 định bằng tích phân: 1 0+ 퐹 = 푒−푖 푛 (1.2) 푛 0 2