nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps để xác định chuyển dịch vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy lai châu - điện biên

Bộ Tài nguyên và Môi trờng BTNVMT
Viện nghiên cứu Địa chính VNCĐC














Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật
đề tài
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định
chuyển dịch vỏ trái đất trên khu vực đứt gy
Lai Châu - Điện Biên



Chủ nhiệm đề tài: PGS. TSKH Hà Minh Hoà

6207
16/11/2006


Địa chỉ: Đờng Hoàng Quốc Việt Cầu Giấy Hà Nội
ĐT: (84.4)7553172 Fax: (84.4)7540186
Hà Nội, tháng 7 năm 2005
Bộ Tài nguyên và Môi trờng
Viện nghiên cứu Địa chính






Tên đề tài:
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định
chuyển dịch vỏ trái đất trên khu vực đứt gy
Lai Châu - Điện Biên


Chủ nhiệm đề tài: PGS. TSKH Hà Minh Hoà


Ngày tháng năm 2006 Ngày tháng năm 2006
Chủ nhiệm đề tài thủ trởng cơ quan
chủ trì đề tài

PGS. TSKH Hà Minh Hoà

Hà Nội,ngày tháng năm 2006 Hà Nội, ngày tháng năm 2006
Chủ tịch hội đồng cơ quan quản lý đề tài
TL. Bộ trởng
Bộ tài nguyên và môi trờng
KT. vụ trởng
vụ khoa học và công nghệ
phó vụ trởng



TS. Lê Kim Sơn





Những ngời thực hiện chính.
1- PGS. TSKH Hà Minh Hoà. Viện nghiên cứu Địa chính.
2- TS. Nguyễn Ngọc Lâu. Trờng Đại học Bách khoa T.P.HCM.
3- TS. Lê Trung Chơn. Trờng Đại học Bách khoa T.P.HCM.
4- TS. Dơng Chí Công. Viện Địa chất Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
5- PGS. TS. Trần Đình Tô. Viện Địa chất Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
6. TS. Vy Quốc Hải. Viện Địa chất Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
7- GS. TSKH. Phạm Hoàng Lân. Trờng ĐH Mỏ - Địa chất.
8. K.S. Phan Ngọc Mai. Cục đo đạc và bản đồ.
9- KS. Đinh Văn Khánh. Viện nghiên cứu Địa chính.
10- KS. Nguyễn Thị Thanh Hơng. Viện nghiên cứu Địa chính.

Mục lục


Nội dung Trang
Lời nói đầu
Chơng 1.
Vai trò của trắc địa trong nghiên cứu địa động học.
$1.1. Các vấn đề chung về địa động học.
$I.2. Tình hình nghiên cứu ở nớc ngoài
$I.3. Tình hình nghiên cứu trong nớc
$I.2. Vai trò của lĩnh vực trắc địa động trong việc dự báo động đất.
$1.3. Các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ
trái đất bằng phơng pháp trắc địa
$I.4. Khả năng ứng dụng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ
trái đất
Chơng 2.
Nghiên cứu các yêu cầu đợc đặt ra đối với việc đo đạc và xử
lý dữ liệu GPS độ chính xác cao
A.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến kết quả đo đạc và xử lý dữ liệu GPS
độ chính xác cao
$2.1. Các ứng dụng các máy thu hai tần số trong công nghệ GPS
$2.2. Nghiên cứu ảnh hởng của tầng đối lu đến các trị đo GPS
$2.3. Nghiên cứu ảnh hởng của hiện tợng đa đờng truyền
$2.4. Độ lệch và sự biến thiên tâm phase của anten. Sự định hớng anten
$2.5. Độ lệch tâm pha anten phát của vệ tinh
$2.6. Kiểm tra sự trợt của chu kỳ.
$2.7. ảnh hởng của các yếu tố địa vật lý đến chất lợng đo GPS trên các

1-4
6-24
6-8
8-9
9-10
10-14
14-16

16-24

25-65

25-58
28-33
33-38
38-39
39-41
41
38-44
45-52
khoảng cách lớn
$2.8.Vấn đề xác định độ cao Anten máy thu trong việc áp dụng công nghệ
GPS
$2.9. Xác định số lợng ca đo và khoảng thời gian cho 1 ca đo
B.
Các tính năng kỹ thuật của các phần mềm hiện đại đợc sử dụng để xử lý
dữ liệu đo GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn
C.
Kết luận chơng 2
Chơng 3.

Các yêu cầu về xây dựng mạng lới GPS phục vụ việc nghiên
cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy
$3.1. Một số khái niệm cơ bản về đứt gãy kiến tạo.
$3.2. Các yêu cầu về xây dựng lới GPS để nghiên cứu chuyển động vỏ trái
đất trên các đới đứt gãy hoạt động
$3.3. Đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong Hệ thống các đới đứt gãy
chính ở Miến bắc Việt Nam
Chơng 4.
Các phơng pháp xác định các véc tơ chuyển dịch của vỏ trái
đất
$4.1. Khái niệm về véc tơ chuyển dịch của vỏ trái đất
$4.2. Nghiên cứu các phơng pháp xác định véc tơ chuyển dịch tơng đối
của vỏ trái đất dựa trên kết quả đo lặp
$4.3. Nghiên cứu phơng pháp xác định các vectơ chuyển dịch giữa hai chu
kỳ đo lặp
$4.4. Mô hình tham số biến dạng môi trờng liên tục trong nghiên cứu
chuyển dịch ngang của vỏ trái đất
$4.5. Xác đinh sự thay đổi của dị thờng độ cao đợc gây ra do sự biến thiên
của trọng trờng Quả đất dựa trên kết quả đo lặp trọng lực theo các chu kỳ
Chơng 5.
Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc xử lý dữ liệu đo GPS
và phục vụ việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất
$5.1.Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc xử lý dữ liệu GPS trên mạng lới

52-55

55-58

58-64
64-65

66-76

66-69
69-72

72-76

76-127

76-80
80-113

113-114

114-124

124-127

128-152

128-142
địa động học Lai Châu - Điện Biên
$5.2. Xác định hiệu độ cao trắc địa và các hiệu toạ độ phẳng dựa vào các
thành phần của vectơ baseline tin cậy nhất
$5.3. Quy trình xử lý dữ liệu đo GPS và xác định các vectơ chuyển dịch của
vỏ trái đất.
Chơng 6:
Các kết quả xác định các vectơ chuyển dịch không gian, mặt
bằng và độ cao của các điểm thuộc mạng lới địa động học Lai Châu-
Điện Biên giữa chu kỳ 1 và các chu kỳ 2, 3.

1. Các kết quả xác định và phân tích các vectơ chuyển dịch không gian, mặt
bằng và độ cao của các điểm trắc địa không ổn định giữa chu kỳ 1 và chu kỳ
2 của mạng lới địa động học Lai Châu-Điện Biên trong giai đoạn từ 2/2002
đến 2/2003.
2. Các kết quả xác định và phân tích các vectơ chuyển dịch không gian, mặt
bằng và độ cao của các điểm trắc địa không ổn định giữa chu kỳ 1 và chu kỳ
3 của mạng lới địa động học Lai Châu-Điện Biên.
Chơng 7.
kết luận và kiến nghị.
$7.1. Kết luận.
$7.2. Kiến nghị.
Tài liệu tham khảo









142-152


152

153-161

153-156

157-161

162-164
162-164

164
164-171


Bài tóm tắt
Việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS đợc các nớc trên thế
giói áp dụng rộng rãi. Trong đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trờng trong giai đoạn 2001-
2004 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để xác định chuyển dịch của vỏ trái đất trên khu
vực đứt gãy Lai Châu - Điện Biên nhóm nghiên cứu đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu bao
gồm xây dựng và hoàn thiện cơ sở lý luận và các quy trình công nghệ thành lập lới địa động
học, đo đạc GPS độ chính xác cao để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất và ứng dụng thực
nghiệm trên đứt gãy Lai Châu - Điện Biên.
Các kết quả xác định chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất có ý nghĩa quan trọng trong việc
nghiên cứu dự báo các tai biến địa chất, ví dụ nh động đất, lũ quét vv, nghiên cứu các hoạt
động tân kiến tạo bên trong lòng Quả đất; xác định các vị trí xây dựng các công trình lớn nh
đập thuỷ điện, tuyến đờng ống dẫn dầu vv. Để nghiên cứu các vấn đề nêu trên cần xây
dựng các mạng lới trắc địa địa động học trên phạm vi tơng đối lớn và thờng xuyên đo lặp
các mạng lới này theo các chu kỳ xác định. Trong mối quan hệ này, phơng pháp đo đạc trắc
địa truyền thống bộc lộ các nhợc điểm cơ bản bao gồm các đòi hỏi về dựng cột tiêu ngắm,
thông hớng và áp dụng các quy trình đo đạc chặt chẽ và tơng đối phức tạp. Phơng pháp đo
đạc GPS cho phép khắc phục đợc các nhợc điểm nêu trên. Tuy nhiên trên các phơng diện
phơng pháp luận và thực tế cần làm rõ khả năng đáp ứng các yêu cầu hiện đại của việc xác
định chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS, hoàn thiện quy trình thiết kế

mạng lới địa động học và đo đạc GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách lớn; hoàn thiện
các phơng pháp xử lý dữ liệu đo đạc GPS độ chính xác cao; nghiên cứu sử dụng phần mềm
BERNESE và xây dựng hệ thống phần mềm riêng của Việt Nam để xử lý dữ liệu đo GPS và
xác định các vectơ chuyển dịch không gian, mặt bằng và đứng của vỏ trái đất dựa trên các các
kết quả đo GPS trên poligon địa động học và áp dụng thực tế vào việc nghiên cứu chuyển dịch
của vỏ trái đất trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện. Các vấn đề nêu trên tạo nên nội dung nghiên
cứu của đề tài này. Ngoài ra việc nghiên cứu lý thuyết của việc tính đến ảnh hởng của sự thay
đổi gia tốc lực trọng trờng đến kết quả xác định các vectơ chuyển dịch đứng bằng công nghệ
GPS cũng là một nội dung nghiên cứu đợc chú trọng.
Việc xác định các vectơ chuyển dịch hiện đại của vỏ trái đất trên phạm vi toàn cầu theo công
nghệ GPS có thể thực hiện nhờ phần mềm GAMMIT (Mỹ). Khi đó các vectơ chuyển dịch
tuyệt đối của các điểm đợc xác định nhờ các tốc độ chuyển dịch tuyệt đối của các trạm đo
GPS thờng trực trong mạng lới IGS. Tuy nhiên việc xác định các vectơ chuyển dịch tuyệt
đối của các điểm trên phạm vi nhỏ mà ở đó không có các trạm đo GPS thờng trực trong mạng
lới IGS là công việc không đơn giản. Vấn đề là ở chỗ mạng lới GPS địa phơng có chiều dài
không quá 100 km chỉ đòi hỏi đo đạc GPS liên tục trong khoảng thời gian 1 - 2 ngày đêm,
trong khi đó để kết nối với các điển IGS cần tiến hành đo đạc liên tục trong khoảng thời gian 7
- 10 ngày đêm. Về nguyên tắc, để xác định các vectơ chuyển dịch tuyệt đối của các điểm cần
xử lý mạng lới GPS địa phơng cùng với mạng l
ới GPS khu vực hoặc quốc tế. Vấn đề này
không đợc đặt ra trong khuôn khổ đề tài này. Do đó trong trờng hợp không xác định đợc
các vectơ chuyển dịch tuyệt đối của các điểm chúng ta phải xác định các vectơ chuyển dịch
tơng đối trên cơ sở xác định các điểm ổn định vị trí (không gian, mặt bằng, đứng) giữa hai
chu kỳ đo lặp và xác định các vectơ chuyển dịch các điểm không ổn định vị trí so với các điểm
ổn định vị trí. Cơ sở của việc xác định các vectơ chuyển dịch tơng đối là phơng pháp bình
sai lới trắc địa tự do và đợc xem xét tơng đối chi tiết trong Báo cáo đề tài này. Theo nội
dung nghiên cứu đề tài, nhóm nghiên cứu đã phát triển phần mềm ECME-GPS( Earth Crustall
Movement Estimation by GPS technology) để xử lý dữ liệu đo GPS và xác định các vectơ
chuyển dịch không gian, mặt bằng và đứng của vỏ trái đất, đặc biệt modul GUST đợc phát
triển để xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao nhằm tính toán các vectơ baseline.

Các kết quả nghiên cứu chuyển dịch của đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên trong giai đoạn
2/2002 - 2/2004 đợc trình bày trong chơng 6 của Báo cáo đề tài này.


1
Lời nói đầu
Nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất là một lĩnh vực khoa học - kỹ thuật quan
trọng của Trắc địa cao cấp. Ngày nay, việc xác định chuyển dịch của vỏ trái đất bằng
phơng pháp trắc địa đợc thừa nhận là tin cậy nhất để dự báo động đất và là một trong
những cơ sở quan trọng để nghiên cứu các quá trình kiến tạo diễn ra trong lòng Qủa
đất.
Cho đến đầu những năm 90 của thế kỷ XX, việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ
trái đất chủ yếu đợc thực hiện nhờ phát triển các mạng lới trắc địa truyền thống trên
các khu vực có cấu tạo địa chất phức tạp nh các đứt gãy, khe nứt v v , thêm vào đó
các mạng lới trắc địa này (còn đợc gọi là các mạng lới địa động học) đợc đo lặp
theo các chu kỳ. Việc nghiên cứu chuyển dịch ngang và chuyển dịch đứng của vỏ trái
đất đợc tách rời nhờ xây dựng các mạng lới trắc địa mặt bằng và các mạng lới thuỷ
chuẩn hình học độ chính xác cao. Do các yếu tố khí tợng nh áp suất, nhiệt độ, độ ẩm
và trọng trờng Qủa đất thay đổi theo mùa, nên để nghiên cứu chuyển dịch đứng của
vỏ trái đất cần tiến hành đo lặp mạng lới thuỷ chuẩn hình học độ chính xác cao theo
mùa. Yêu cầu xác định các véc tơ chuyển dịch độ chính xác cao với tần suất đo lặp lớn
và việc chôn mốc, dựng cột tiêu, đảm bảo sự thông hớng (đối với các mạng lới trắc
địa mặt bằng) đã hạn chế việc phát triển các mạng lới địa động học truyền thống để
nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trong phạm vi rộng lớn.
Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX cho đến nay, việc ứng dụng công nghệ
GPS để xây dựng các mạng lới trắc địa đã tạo ra một cuộc cách mạng khoa học - kỹ
thuật mới trong lĩnh vực trắc địa. Bởi vì mạng lới GPS là mạng lới không gian ba
chiều, nên việc đo lặp mạng lới GPS cho phép đồng thời xác định cả véc tơ chuyển
dịch ngang lẫn véc tơ chuyển dịch đứng của vỏ trái đất. Với các
u điểm cơ bản của

công nghệ GPS nh không đòi hỏi sự thông hớng giữa các điểm, đo đạc đợc tiến
hành trong mọi điều kiện thời tiết, bằng công nghệ GPS có thể nhanh chóng phát triển
mạng lới địa động học trên phạm vi lãnh thổ lớn. Bên cạnh việc không ngừng hoàn
thiện các thiết bị thu tín hiệu vệ tinh, các dịch vụ đợc cung cấp bởi Tổ chức dịch vụ
GPS quốc tế (IGS) nh lịch vệ tinh chính xác, các sai số đồng hồ vệ tinh, các tham số
quay Qủa đất, các tham số đặc trng cho độ trễ tầng đối lu phơng thiên đỉnh, các tọa
độ của các điểm thuộc mạng lới IGS cùng tốc độ xê dịch của chúng đợc xác định
trong khung qui chiếu Qủa đất (ITRF) và các mô hình cải chính các trị đo GPS dới tác
động của các yếu tố địa vật lý nh hiện tợng triều của Qủa đất cứng, sức tải của sóng


2
ở các đại dơng, triều cực Qủa đất và sức tải áp lực khí quyển đợc cung cấp bởi Tổ
chức dịch vụ quay Qủa đất quốc tế (IERS) cho phép nhận đợc các vec tơ baselines độ
chính xác cao trên các khoảng cách lớn. Theo [45] bằng công nghệ GPS có thể đạt
đợc độ chính xác vị trí mặt bằng ở mức 1-3 mm và độ chính xác hiệu độ cao trắc địa
lớn hơn 10 mm. Nh vậy phơng pháp đo đạc GPS với việc sử dụng các dịch vụ cuả Tổ
chức IGS hoàn toàn đáp ứng đợc các yêu cầu hiện đại của việc nghiên cứu chuyển
dịch của vỏ trái đất.
Không còn nghi ngờ gì nữa, công nghệ GPS đang trở thành công nghệ chủ đạo
trong việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất [8,9]. Tuy nhiên, để làm chủ đợc
công nghệ này cần tiến hành các nghiên cứu cơ bản bao gồm việc xác định các yếu tố
ảnh hởng đến độ chính xác đo đạc và xử lý dữ liệu GPS để hoàn thiện quy trình đo
GPS; lựa chọn hoặc xây dựng các phần mềm thích hợp để xử lý dữ liệu GPS; phát triển
các các thuật toán để xác định các véc tơ chuyển dịch (ngang và đứng) dựa trên các véc
tơ baselines và phân tích các véc tơ chuyển dịch ngang để xác định các vùng co, dãn
của vỏ trái đất; nghiên cứu ảnh hởng của sự biến thiên trọng trờng Qủa đất đến chất
lợng xác định các véc tơ chuyển dịch đứng của vỏ trái đất. Các vấn đề nêu trên xác
định mục đích và các nội dung nghiên cứu của đề tài này trên cơ sở 3 chu kỳ đo lặp
GPS trên mạng lới địa động học Lai Châu - Điện Biên. Ngoài ra, việc thực hiện đề tài

này không chỉ cho phép đánh giá định lợng trạng thái của đứt gãy Lai Châu - Điện
Biên trong giai đoạn 2/2002 2/2004, mà còn tạo điều kiện để nhóm nghiên cứu tự xây
dựng công nghệ xử lý dữ liệu GPS tự động bắt đầu từ khâu xử lý dữ liệu đo GPS cho
đến khâu xác định các vectơ chuyển dịch ( không gian, ngang, đứng) dới dạng một tổ
hợp phần mềm hoàn chỉnh.
Đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên là đới dứt gãy đang hoạt động mạnh. Gắn liền
với nó là các trận động đất đến 5,5 độ Rich Te. Việc thực hiện đề tài không chỉ góp
phần vào việc hoàn thiện công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất, mà
còn cung cấp các thông tin quí báu ban đầu để phục vụ việc nghiên cứu các quá trình
kiến tạo đang diễn ra ở khu vực này.
Trong sự phối hợp với các nớc khu vực Châu á - Thái Bình Dơng để nghiên
cứu chuyển dịch vỏ trái đất tại khu vực này, từ 1998 Tổng cục Địa chính (cũ) đã xây
dựng mạng lới địa động học gồm 5 điểm phân bố đều trên cả nớc và tiến hành đo lặp
hàng năm. Việc xử lý dữ liệu GPS và tính toán tốc độ chuyển dịch không gian của các
điểm này đợc thực hiện chủ yếu bởi các nớc đồng tổ chức Dự án mạng lới trắc địa


3
khu vực Châu á - Thái Bình Dơng nh Australia, Nhật và Trung Quốc. Cục Đo đạc và
Bản đồ thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trờng đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm
Bernese để xử lý tính toán mạng lới này.
Viện Địa chất thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia (nay là
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã phát triển mạng lới GPS gồm 8 điểm
cùng với mạng lới tam giác hạng II để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất trên đới đứt
gãy Sông Hồng. Mạng lới GPS nêu trên đợc đo năm 1996. Việc phối hợp các dữ liệu
đo đạc truyền thống và dữ liệu GPS là nét đặc trng của công tác nghiên cứu chuyển
dịch vỏ trái đất trên đới đứt gãy Sông-Hồng.
Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm nghiên cứu đặt ra mục tiêu hoàn thiện các
quy trình đo đạc GPS độ chính xác cao trên các Pôligôn địa động học và bớc đầu xây
dựng tổ hợp phần mềm ECME-GPS (Earth Crustal Movement Estimation by GPS

technology) để xử lý dữ liệu đo GPS và đánh giá các véc tơ chuyển dịch của vỏ trái đất.
Để đạt đợc mục tiêu này đã hình thành nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học
và các chuyên gia thuộc Viện nghiên cứu Địa chính và Cục đo đạc bản đồ thuộc Bộ
tài nguyên và môi trờng, Viện Địa chất thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
, Trờng đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Trờng đại học Mỏ - Địa chất Hà
Nội.
Trong báo cáo khoahọc - kỹ thuật của đề tài:

PGS. T.S.K.H. Hà Minh Hoà biên soạn chơng 1; chơng 2 (cùng với T.S.
Nguyễn Ngọc Lâu); các mục $4.1, $4.2, $4.3 của chơng 4; chơng 5 và chơng 6.
PGS. T.S. Trần Đình Tô biên soạn chơng 3.
T.S. Dơng Chí Công biên soạn mục $4.4 của chơng 4.
G.S. T.S.K H. Phạm Hoàng Lân biên soạn mục $4.5 của chơng 4.
Trong tổ hợp phần mềm ECME-GPS, T.S. Nguyễn Ngọc Lâu xây dựng mođun
phần mềm GUST (Gps Using Sequential Technique) xử lý dữ liệu đo GPS để tính các
vectơ baseline theo từng chu kỳ đo; PGS. T.S.K.H. Hà Minh Hoà xây dựng các mô
đun để kiểm tra và tìm kiếm các vectơ baseline thô theo từng ca đo, ghép nối các kết
quả tính toán các vectơ baseline theo các ca đo, bình sai mạng lới GPS, phân tích các
thành phần của vectơ baseline thành các hiệu tọa độ phẳng và hiệu độ cao trắc địa, xác
định các điểm trắc địa ổn định giữa hai chu kỳ và đánh giá xác định các vectơ chuyển
dịch không gian, ngang, đứng của các điểm trắc địa không ổn định giữa hai chu kỳ dựa
trên cơ sở thuật toán -
T
T

đợc triển khai trong quy trình của phơng pháp bình sai


4
mạng lới trắc địa tự do; T.S. Dơng Chí Công xây dựng modun TSBDMB để xác định

các tham số chuyển dịch trong môi trờng liên tục theo các vectơ chuyển dịch ngang.
K.S. Phan Ngọc Mai đã thực hiện việc tính toán xác định các vectơ baseline
bằng phần mềm BERNESE trong 3 chu kỳ đo lặp và xây dựng quy trình sử dụng phần
mềm BERNESE.
PGS. T.S. Trần Đình Tô, T.S. Dơng Chí Công, T.S. Vy Quốc Hải đã biên soạn
Quy trình đo GPS trên mạng lới địa động lực.
Các kết quả nghiên cứu của đề tài đợc tổng kết trong các tài liệu sau:
- Báo cáo khoa học - kỹ thuật của đề tài;
- Các kết quả xử lý dữ liệu đo GPS trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện Biên
trong giai đoạn 2/2002 - 2/2004;
- Quy trình đo GPS trên mạng lới địa động lực;
- Quy trình sử dụng các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS độ chính xác cao
để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất.
Báo cáo khoa học - kỹ thuật chứa đựng các nội dung nghiên cứu nh Nghiên
cứu thiết kế lới địa động học đợc xây dựng bằng công nghệ GPS để nghiên cứu
chuyển dịch hiện đại của vỏ Trái đất ( mục 3.2, chơng 3), Nghiên cứu ứng dụng
một số mô hình biến dạng vỏ Trái đất, xây dựng và thực nghiệm một số mô đun phần
mềm xử lý dữ liệu GPS và xác định vectơ chuyển dịch của vỏ Trái đất (chơng 4,
chơng 5), Nghiên cứu ảnh hởng của sự thay đổi trọng trờng Quả đất đến chuyển
dịch thẳng đứng của vỏ Trái đất (mục 4.5, chơng 4) và sản phẩm của đề tài Kết
quả nghiên cứu chuyển dịch của vỏ Trái đất khu vực đứt gãy Lai Châu - Điện Biên theo
3 chu kỳ.
Tài liệu Quy trình đo GPS trên mạng lới địa động lực chứa đựng nội dung
nghiên cứu và sản phẩm của đề tài Xây dựng quy trình đo GPS trên l
ới địa động
học.
Tài liệu Quy trình sử dụng các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS độ chính
xác cao để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ Trái đất chứa đựng nội dung nghiên cứu
Xây dựng Hệ thống quản lý các điểm thuộc mạng lới địa động học Lai Châu - Điện
Biên và sản phẩm của đề tài Một số mô đun phần mềm tính vectơ chuyển dịch của

vỏ Trái đất thuộc phần mềm ECME GPS do nhóm nghiên cứu xây dựng, sản phẩm
của đề tài Quy trình sử dụng phần mềm BERNESE để xử lý dữ liệu GPS và xác định
vectơ chuyển dịch của vỏ Trái đất .


5
Tài liệu Các kết quả xử lý dữ liệu đo GPS trên đới đứt gãy Lai Châu - Điện
Biên trong giai đoạn 2/2002 - 2/2004 chứa đựng các nội dung nghiên cứu Đo 3 chu
kỳ lới địa động học khu Lai Châu - Điện Biên bằng công nghệ GPS và Xử lý tính
toán các kết quả đo GPS ( trong 3 chu kỳ) và xác định các vectơ chuyển dịch (ngang,
đứng) của vỏ Trái đất trong khu vực đứt gãy Lai Châu - Điện Biên.
Các kết quả nghiên cứu của đề tài đã đợc báo cáo tại Hội thảo khoa học
chuyên đề Nghiên cứu tai biến địa chất ở Việt nam do Bộ tài nguyên và môi trờng
tổ chức ngày 14/8/2003, Hội nghị khoa học Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai lần
thứ nhất do Viện Nghiên cứu Địa chính tổ chức vào 12/2004 và Hội nghị khoa học do
Viện Địa chất Khoáng sản tổ chức vào 5/2005.
Trong Báo cáo đề tài sử dụng một số thuật ngữ sau:
- Vectơ baseline hay baseline chỉ vectơ nối hai điểm trong hệ tọa độ không
gian mà các thành phần của vectơ đó là các hiệu tọa độ không gian giữa hai điểm đó.
- Vectơ baseline phẳng chỉ vectơ nối hai điểm trong hệ tọa độ phẳng mà các
thành phần của vectơ đó là các hiệu tọa độ phẳng giữa hai điểm đó.
Các tác giả của đề tài mong muốn sự hợp tác tiếp theo của các nhà khoa học và
các chuyên gia quan tâm đến việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất bằng công
nghệ GPS.

6
Chơng 1. Vai trò của trắc địa trong nghiên cứu
địa động học

$1.1. Các vấn đề chung về địa động học.

Địa động học là lĩnh vực khoa học về Qủa đất nằm giao tiếp giữa các lĩnh vực
trắc địa, địa vật lý, thiên văn và đại dơng học. Nhiệm vụ của địa động học là nghiên
cứu sự thay đổi vị trí của các điểm của Quả đất và các thành phần của trọng trờng
Qủa đất theo thời gian.
Theo [7] năm 1958 Molodenxkii M.X. đã đa ra khái niệm về trắc địa động
(Kinematic geodesy) và trắc địa động lực học (Dynamic geodesy), theo đó trắc địa
động nghiên cứu sự thay đổi vị trí của các điểm trên bề mặt Quả đất và sự biến thiên
của trọng trờng Quả đất, còn trắc địa động học nghiên cứu các lực là các nguyên nhân
gây ra sự biến thiên của các tham số đặc trng cho Quả đất. Các hiện tợng thay đổi vị
trí của các điểm trên bề mặt Quả đất, sự biến thiên của trọng trờng Quả đất và sự biến
thiên của các tham số đặc trng cho Quả đất đều đợc gọi là các hiện tợng địa động
học.
Nh vậy bài toán nghiên cứu chuyển dịch của vỏ Quả đất thuộc lĩnh vực trắc
địa động và nội dung nghiên cứu của đề tài này thuộc phạm vi nghiên cứu của trắc địa
động
Các hiện tợng địa động học đợc phân loại nh sau [1]:

1. Toàn cầu: bao gồm sự chuyển động của cực Qủa đất; sự quay không đồng
đều của Qủa đất; sự thay đổi tâm vật chất của Qủa đất; sự thay đổi của mực nớc biển;
sự biến thiên toàn cầu của địa thế năng theo thời gian; sự thay đổi của các hiện tợng
thuỷ triều.
Hiện tợng địa động học toàn cầu thờng đợc nghiên cứu để xây dựng các hệ
tọa độ động học. Hệ tọa độ động học quốc tế ITRF đợc Tổ chức IGS xây dựng trên cơ
sở tính đến ảnh hởng của các hiện tợng địa động học nêu trên. ở Việt nam quan
điểm xây dựng hệ tọa độ động học quốc gia đợc nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài
nghiên cứu khoa học cấp Bộ tài nguyên và Môi trờng trong giai đoạn 2002 - 2004
[108].
2. Phạm vi lớn trải dài trên các khoảng cách từ 1000-10.000km: bao gồm sự
chuyển động của các khối lớn của vỏ trái đất (các mảng kiến tạo); sự thay đổi động học


7
của bề mặt các biển và đại dơng; sự biến thiên của địa thế năng trong phạm vi các lục
địa, đại dơng; sự biến thiên của các tham số thuỷ triều Qủa đất.
3. Khu vực trong phạm vi 100-1000km: bao gồm sự thay đổi vị trí của các điểm
trên bề mặt Qủa đất trong phạm vi khu vực; sự biến thiên của gia tốc lực trọng trờng.
4. Địa phơng trong phạm vi 100 km: bao gồm chuyển động vỏ trái đất; biến
thiên của gia tốc lực trọng trờng theo thời gian.
Nh vậy trắc địa động chủ yếu nghiên cứu các hiện tợng địa động học trong
phạm vi tối đa đến 10.000km. Một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của trắc địa
động là xác định chuyển dịch của vỏ trái đất nhằm phục vụ việc nghiên cứu các quá
trình động đất, chuyển dịch các mảng kiến tạo, các cơ chế tạo núi và trạng thái bề mặt
của núi lửa [3, p.36].
Các hiện tợng địa động học phạm vi lớn, khu vực và địa phơng liên quan chủ
yếu với các quá trình diễn ra ở lớp trên của hạt nhân Qủa đất và trong vỏ trái đất. Việc
nghiên cứu sự chuyển dịch của các mảng kiến tạo bên trong vỏ trái đất và sự biến thiên
trọng trờng Qủa đất theo thời gian sẽ cho phép hiểu biết đúng đắn hơn về các quá

trình kiến tạo và đánh giá đúng đắn hơn các tiềm năng của các khu mỏ và các nguyên
liệu quý, và phục vụ việc dự báo các tai biến tự nhiên nh động đất, lũ quét vv. Việc
nghiên cứu sự chuyển dịch của vỏ trái đất ở các khu vực địa chấn mạnh cho phép dự
báo động đất. Việc nghiên cứu sự thay đổi vị trí của các điểm trên bề mặt Qủa đất và
sự biến thiên trọng trờng Qủa đất cho phép đảm bảo duy trì độ chính xác cao của các
mạng lới thiên văn - trắc địa và trọng lực nhờ việc xác định các số cải chính do sự
thay đổi của tọa độ và gia tốc lực trọng trờng theo thời gian.
Các kết quả đo đạc thiên văn trắc địa để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất
đã chỉ ra rằng vỏ trái đất có chuyển dịch ngang [1, 2]. Nguyên nhân của hiện tợng này
là do sự mở rộng của đáy các đại dơng ở biên của các mảng kiến tạo do sự tuôn trào
vật chất từ hạt nhân của Qủa đất. Dọc theo các dãy núi dới các đại dơng đã phát hiện
đợc các dị thờng từ tr
ờng ở hai bên sờn của chúng do sự xuất hiện từ trờng còn
lại của các vật chất tuôn ra từ hạt nhân Qủa đất.
Sự biến thiên của trọng trờng Qủa đất theo mùa đang là trọng tâm nghiên cứu
của các nhà trắc địa. Theo kết quả nghiên cứu trong [3], sự thay đổi gia tốc lực trọng
trờng ở vùng núi lửa ở Nam ý đạt tới 0,4 mgl. ở New zeland, theo kết quả nghiên cứu
trong [4], ở các vùng gần nguồn địa nhiệt sự thay đổi gia tốc lực trọng trờng đạt tới
0,3-1,0mgl.


8
Nguyên nhân của sự biến thiên trọng trờng Qủa đất bao gồm:
- Sự xê dịch của vật chất bên trong vỏ Qủa đất hoặc ở các lớp bề mặt Qủa đất,
đặc biệt ở các vùng núi lửa hoạt động;
- Sự thay đổi độ hấp thụ độ ẩm của các lớp đất ở bề mặt Qủa đất;
- Sự biến thiên của tốc độ quay của Qủa đất. Theo [2], sự thay đổi tơng đối của
vận tốc quay của Qủa đất cỡ 1.10
-8
sẽ dẫn đến sự thay đổi lực trọng trờng trên toàn

cầu ở mức 0,03 mgl;
- Trong phạm vi khu vực và địa phơng, sự thay đổi của gia tốc lực trọng trờng
còn liên quan với các hoạt động của con ngời nh khai thác mỏ, xây dựng hồ chứa
nớc lớn, san đồi xẻ núi v v.
Trong kết quả nghiên cứu sự chuyển dịch đứng của vỏ Qủa đất theo kết quả đo
lặp thuỷ chuẩn cần phải tách ra sự ảnh hởng do sự biến thiên của gia tốc lực trọng
trờng Qủa đất. Theo kết quả nghiên cứu của địa chất thuỷ văn, sự thay đổi theo mùa
của lực trọng trờng có thể đạt tới 0,1 mgl, tức sự thay đổi của độ cao ở mức 20 mm
[5]. Khi không tính đến sự thay đổi của gia tốc lực trọng trờng Qủa đất, các kết quả
đo lặp thuỷ chuẩn không đặc trng cho sự chuyển dịch đứng của vỏ trái đất, mà chỉ đặc
trng cho sự thay đổi của thế lực trọng trờng ở các mốc thuỷ chuẩn, tức chỉ mô tả sự
thay đổi dòng chẩy của các con sông, suối.
Điều này chỉ ra một thực tế rằng để nghiên cứu sự chuyển dịch đứng của vỏ trái
đất cần kết hợp các dữ liệu đo đạc thuỷ chuẩn hình học và đo đạc trọng lực.
Sự biến thiên gia tốc lực trọng trờng sẽ dẫn đến sự biến thiên của hiệu độ cao
Geoid giữa hai điểm. Do đó việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với việc đo đạc
trọng lực độ chính xác cao là cơ sở để áp dụng công nghệ này vào việc nghiên cứu
chuyển dịch đứng của vỏ trái đất.
$I.2. Tình hình nghiên cứu ở nớc ngoài
Việc nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất để xác định sự chuyển dịch của các
mảng kiến tạo và dự báo các tai biến tự nhiên (động đất, lũ quét vv) đợc nhiều nớc
và các tổ chức quốc tế tiến hành.
Các kết quả đo lặp trắc địa trong các vùng đứt gẫy ở biên của các mảng kiến tạo
đã xác định đợc sự chuyển động tơng hỗ của chúng. Tốc độ xê dịch của mảng Châu
Mỹ tơng ứng với mảng Thái Bình Dơng đạt cỡ 4cm/1năm. Tốc độ xê dịch của mảng
Thái Bình Dơng là lớn nhất với đại lợng khoảng 5cm/1năm. Mảng Âu - á có tốc độ
xê dịch thấp nhất với đại lợng khoảng 2cm/1 năm.[2].


9

Các kết quả đo lặp thuỷ chuẩn đã xác nhận sự chuyển dịch đứng của vỏ trái đất.
Ví dụ ở vùng Trung á thuộc Liên Xô cũ đã ghi nhận đợc tốc độ chuyển dịch đứng ở
vùng Alma - Ata đến 10cm/1 năm; ở vùng đứt gẫy Predgorni phát hiện đợc sự nâng
lên của mặt đất với tốc độ 2-5cm/1 năm; ở vùng động đất Gazli đã phát hiện đợc sự
nâng của bề mặt Qủa đất đến đại lợng 0,8 m [7].
Với việc sử dụng hệ thống vệ tinh trắc địa quĩ đạo thấp hoàn toàn có thể kiểm
soát một cách tin cậy sự thay đổi mực nớc biển ở mức 20 cm so với mực nớc biển
trung bình [12].
ở Liên Xô (cũ) từ những năm 70 của thế kỷ XX đã phát triển hệ thống vệ tinh
trắc địa Geo - ik với quĩ đạo tròn ở độ cao 1500 km và góc nghiêng quĩ đạo 74
0
và 83
0
.
Nhờ hệ thống này đã dự báo đợc động đất ở vùng Xpitak [12]. Hiện nay, xuất phát từ
các yêu cầu hiện đại của việc giải quyết các bài toán địa động học, ở Liên Bang Nga đã
phát triển hệ thống vệ tinh trắc địa thế hệ thứ ba Geo - ik 2. Hệ thống này có nhiệm vụ
giải quyết tất cả các bài toán địa động học hiện đại đã nêu ở trên [13].
Quỹ đạo của vệ tinh Geo-ik 2 đợc xác định nhờ phơng pháp đo vệ tinh-vệ tinh
từ các vệ tinh của hệ thống GLONASS và từ các trạm đo mặt đất. Hiện nay, độ chính
xác đo chiều dài khoảng cách lớn (đến 3000 km) ở mức 2-3cm nhờ hệ thống Geo - ik 2.
Trong tài liệu [111] đã thông báo về trận động đất với cờng độ 8 độ Richte xẩy
ra ở đảo phía Tây của New Ireland ngày 16/11/2000 trên ranh giới của mảng Thái Bình
Dơng và mảng Nam Bismarck. Các kết quả đo GPS đã phát hiện sự chuyển dịch kiến
tạo ở mức 0,3 m ở Tây Malasait cho đến trên 5,5 m ở gần đứt gãy Weitin.
$I.3. Tình hình nghiên cứu trong nớc.

Vấn đề nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất đã đợc nhiều nhà trắc địa Việt
Nam quan tâm. Từ giữa những năm 1980, Cục đo đạc và bản đồ Nhà nớc đã tiến hành
nghiên cứu chuyển dịch ngang của vỏ trái đất trên khu vực khe nứt Chí Linh bằng

phơng pháp tam giác theo công nghệ truyền thống[17].
Nghiên cứu chuyển dịch thẳng đứng của vỏ trái đất bằng phơng pháp thuỷ
chuẩn hình học cũng đợc nhiều nhà trắc địa quan tâm, ví dụ trong [18,19].
Việc sử dụng phơng pháp bình sai mạng lới trắc địa tự do để nghiên cứu sự ổn
định các các điểm thuỷ chuẩn của mạng lới thuỷ chuẩn gốc dựa trên kết quả đo lặp
đợc thực hiện năm 1986 [93].


10
Trong thập niên 90 của thế kỷ XX, việc nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất
chủ yếu đợc thực hiện bởi Viện địa chất, Trung tâm KHTN & CNQG [20, 21, 22].
Với mục đích nghiên cứu chuyển động của vỏ trái đất trên khu vực đứt gãy Sông Hồng,
vào năm 1982 đã xây dựng mạng lới Thác Bà - Yên Bái bao gồm 13 điểm tam giác
hạng I,II phân bố đều trên các cánh của các đứt gãy Sông Hồng và Sông Chảy thuộc
địa phận các tỉnh Yên Bái, Tuyên Quang, Vĩnh Phú, Phú Thọ. Cuối năm 1993, mạng
lới đợc bổ sung thêm 8 điểm GPS [10, 23].
Mặc dù công nghệ GPS đã đợc áp dụng trong nghiên cứu chuyển động của vỏ
trái đất trên khu vực đứt gãy Sông Hồng, nhng sự hoàn thiện các cơ sở lý luận của
việc ứng dụng công nghệ này để xác định các vectơ chuyển dịch không gian, ngang và
đứng đòi hỏi phải tiếp tục những nghiên cứu mới dựa trên những thành tựu khoa học-
kỹ thuật mới.
Bắt đầu từ năm 1998, Việt Nam tham gia mạng lới địa động học khu vực Châu
á-Thái Bình Dơng đợc xây dựng bằng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch vỏ
trái đất trong khu vực này[11] .
$I.4. Vai trò của lĩnh vực trắc địa động trong việc dự báo động đất.

Ngày nay trớc các thảm hoạ của các tai biến tự nhiên nh động đất, sóng thần,
lũ quét vv gây ra cho con ngời, công tác nghiên cứu dự báo các tai biến đó ngày
càng đợc quan tâm trên phạm vi toàn cầu.
Sự không đồng nhất về cơ học và cấu tạo vật chất của các tầng đất tạo ra vô số

sự tán xạ của các dị thờng khác nhau trong không gian rộng lớn với ranh giới không
xác định đợc. Trong quá trình này đã hình thành các cấu trúc kiến tạo dạng duỗi
thẳng (các đứt gẫy, khe nứt) trong vỏ Qủa đất với tính chất cơ học của đất bị làm yếu
đi. Các cấu trúc này đóng vai trò các kênh truyền các dị thờng ra các khoảng cách lớn
[6].
Sự tích luỹ năng lợng cho một trận động đất sẽ đợc phản ánh trên các đứt gẫy
với tốc độ chuyển dịch thẳng đứng tăng nhanh. Ví dụ trong vòng 2 năm rỡi trớc trận
động đất Xarcams (1970 với M = 6,8), tại một đứt gẫy ở Alma-Ata cách tâm địa
chấn 160km đã phát hiện đợc chuyển dịch thẳng đứng với tốc độ trung bình 35mm/1
năm [6]. Sau trận động đất, hiện tợng này không xẩy ra nữa.
Hệ thống dự báo động đất hiện nay (đợc gọi là chiến lợc dị thờng) đợc đặt
trên cơ sở phát hiện các vùng địa chấn và tiến hành quan sát các quá trình diễn ra trong
các vùng này không phải bằng phơng pháp trực tiếp, mà bằng phơng pháp giải bài


11
toán ngợc theo các dị thờng gián tiếp đợc sinh ra ở các vùng địa chấn trong các
trờng khác nhau: địa chấn, địa chất thuỷ văn, hoá địa, điện từ.
Tuy nhiên, vấn đề là ở chỗ môi trờng của các tầng đất không đồng nhất. Do đó
không thể cục bộ đợc các vùng tích luỹ năng lợng dựa trên các dị thờng đợc sinh
ra bởi chúng. Điều này có nghĩa là không thể xác định đợc chính xác vùng đang tích
luỹ năng lợng địa chấn đàn hồi và không thể theo dõi chi tiết các quá trình chuẩn bị
giải phóng năng lợng dới dạng 1 trận động đất.
Trong chiến lợc dị thờng còn đặt cơ sở cho việc nghiên cứu các hiện tợng
gián tiếp song hành với quá trình chuẩn bị giải phóng năng lợng. Các hiện tợng gián
tiếp không cho các kết quả dự báo tin cậy.
Theo kết luận của Keilis - Boroc V.I., viện sĩ viện hàn lâm khoa học Nga, viện
trởng viện lý thuyết dự báo động đất quốc tế [6], hệ thống dự báo động đất hiện nay:
- Dự báo vị trí động đất với độ chính xác hàng trăm km;
- Xác định năng lợng đợc giải phóng của trận động đất sắp tới với độ chính

xác đến 6 bậc;
- Dự báo thời gian động đất với độ chính xác hàng năm trời.
Chính vì vậy, giá trị của dự báo động đất không cao và gây ra sự báo động giả
cũng nh sự bình yên giả. Ví dụ trận động đất năm 1989 ở California, ngời ta chờ nó
ở Parkfill, trong khi nó xẩy ra ở San - FranSisco cách Parkfill 300km.
Phơng pháp địa vật lý chỉ xác định đợc 1 phổ rất hẹp của vỏ trái đất - sự
chuyển động địa chấn nẩy sinh khi giải phóng nhanh năng lợng địa chấn đàn hồi đợc
tích luỹ khái lợc trong các tầng đất. Khi xẩy ra việc tích luỹ năng lợng địa chấn đàn
hồi cho một trận động đất tơng lai hoặc hoạt động tân kiến tạo biểu hiện bởi hoạt
động của các đứt gãy, thờng xuất hiện các hiện tợng dập vỡ đất đá và làm thay đổi
các tính chất vật lý của các lớp đất đá trong chiều sâu của Quả đất. Các biểu hiện của
sự thay đổi tính chất vật lý của các lớp đất đá bị dập vỡ bao gồm sự thay đổi mật độ vật
chất của các lớp đất; điện trở suất giảm; sự thoát ra từ mặt đất một số khí nh radon,
acgon, hêli,
24
,CONH v v [113]. Các biểu hiện nêu trên là cơ sở để áp dụng các
phơng pháp địa vật lý trong các nghiên cứu các hoạt động tân kiến tạo.
Phơng pháp tốt nhất để nghiên cứu dự báo động đất phải có 3 tính chất:
- Phạm vi không gian: các véc tơ xê dịch của các điểm quan sát cần đợc xác
định trong hệ tọa độ thống nhất trên lãnh thổ rộng lớn với kích thớc vài chục đến hàng
trăm km;


12
- Xác định dạng của biến dạng: hệ thống các điểm quan sát cần đảm bảo xác
định 1 cách tin cậy hình dạng của đờng cong biến dạng không gian trong toàn bộ
chiều dài của nó;
- Độ chính xác: đảm bảo xác định sự thay đổi của các xê dịch tơng hỗ của các
điểm với sai số tơng đối 10
-6

.
Phơng pháp địa vật lý không đáp ứng đợc tính chất thứ nhất và thứ hai. Do đó,
ngày nay phơng pháp trắc địa đang nổi lên nh là phơng pháp tốt nhất để nghiên cứu
dự báo động đất.
Với các kiến thức hiện đại về cấu tạo bên trong của vỏ trái đất và dựa trên các
kết quả phân tích các dữ liệu trắc địa trên các polygon địa động học có thể đi đến các
kết luận sau:
1. Các vùng địa chấn của các trận động đất mạnh liên quan chặt chẽ với các đứt
gẫy kiến tạo hoạt động mạnh. Các nguyên nhân sinh ra, hình thành và hoạt động mạnh
của các vùng địa chấn đều liên quan tới việc tăng và giảm dần hoặc hoàn toàn chấm
dứt chuyển động thẳng đứng của vỏ trái đất trên các đứt gẫy này. Các thành phần của
đứt gẫy có sự chuyển dịch thẳng đứng có qui luật nêu trên càng dài thì năng lợng địa
chấn đợc tích lũy càng lớn.
2. Khi chuẩn bị giải phóng năng lợng của một trận động đất lớn, biến dạng địa
chấn đợc tích lũy theo toàn bộ bề dầy của lớp đàn hồi địa chấn của lớp vỏ Qủa đất
từ bề mặt đến nền của nó (10-25km). Trớc động đất, độ nén đàn hồi đợc tích lũy ở
lớp trên của vỏ trái đất. Sau động đất, độ nén này đợc giải phóng hết.
3. Biến dạng địa chấn là sự xê dịch đàn hồi không đồng nhất, nhng thay đổi
theo qui luật trong không gian. ở các vùng đang chuẩn bị địa chấn thờng xuất hiện sự
uốn cong đàn hồi có qui luật ở các tầng đất của vỏ trái đất. Sự uốn cong đàn hồi phân
bố theo hàm lũy thừa với cơ số e: nó đạt giá trị cực đại ở trung tâm vùng địa chấn và
giảm nhanh về 2 phía kể từ trung tâm ra ngoại vi của vùng địa chấn.







Trung

tâm
S km
d, M


13
Sự thay đổi cực đại độ cong của đờng cong trùng với hớng vuông góc với đứt
gẫy.
4. Trong các vùng địa chấn của các trận động đất mạnh (M>7), sự uốn cong đàn
hồi thâm nhập vào các vật thể của các khối tiếp xúc nhau theo đứt gẫy địa chấn đến 10-
15 km, tức chiều rộng của vùng tích lũy độ cong đàn hồi khoảng 20-50 km. Sự xê dịch
đàn hồi của các tầng đất ở vùng địa chấn của các trận động đất mạnh đạt đến độ lớn 1
vài mét.
5. Mặt Qủa đất ở phần trên vùng địa chấn đang chuẩn bị tích lũy năng lợng
cũng bị uốn cong theo qui luật tăng theo thời gian. Đây là dấu hiệu tin cậy duy nhất chỉ
ra sự tích lũy biến dạng địa chấn ở vùng địa chấn.
Vào giữa những năm 60 và đầu những năm 70 của thế kỷ XX dựa trên kết quả
đo lặp thủy chuẩn đã phát hiện đợc một qui luật rất quí giá: Sự nâng lên đáng kể của
bề mặt Qủa đất với tốc độ vợt quá độ chính xác đo đạc thủy chuẩn trên phần lãnh thổ
rộng lớn vài trăm km có liên quan đến sự chuẩn bị của trận động đất lớn.
Theo báo cáo trong [7], trên lãnh thổ Liên Xô cũ đã ghi nhận đợc nhiều trờng
hợp trồi dị thờng của bề mặt Qủa đất trớc khi có các trận động đất mạnh: hai trờng
hợp ở vùng Kavkaz lớn và một trờng hợp ở vùng động đất Xpitak.
Vùng dị thờng là vùng có sự trồi lên dị thờng của bề mặt Qủa đất với các dấu
hiệu sau [7]:
- Tốc độ trung bình của chuyển dịch đứng lớn hơn tốc độ chuyển dịch kiến tạo
nhận đợc theo các dữ liệu địa vật lý;
- Trong giới hạn của mạng lới thuỷ chuẩn, vùng dị thờng có tốc độ trồi lên
vợt quá tốc độ biến dạng trung bình của toàn lãnh thổ;
- Tốc độ trồi lên lớn hơn 2 lần sai số trung phơng xác định tốc độ chuyển dịch

ở vị trí yếu nhất của mạng lới thủy chuẩn.
Theo các kết quả nghiên cứu thống kê, kể từ khi phát hiện đợc sự trồi lên của
bề mặt Qủa đất cho đến khi xảy ra động đất vào khoảng 16 năm 7 năm. Thực tế, sự
trồi lên của bề mặt Qủa đất là dấu hiệu của sự tích lũy năng lợng cho một trận động
đất. Tuy nhiên, tâm địa chấn có thể không nằm trong khu vực trồi lên. Do đó, để phát
hiện tâm địa chấn, ngoài việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc bên trong của vỏ Qủa đất,
cần phát triển đo đạc trắc địa trên phạm vi rộng lớn.


14
Cho đến nay, phơng pháp trắc địa là một trong những phơng pháp tin cậy nhất
để dự báo động đất. Nó đợc đặt cơ sở trên việc quan sát trực tiếp vùng dị thờng đợc
tạo ra trong quá trình tích lũy năng lợng cho một trận động đất.
Nh đã trình bày ở trên, đứt gẫy là kênh truyền các biến dạng dị thờng đợc
tạo ra bởi quá trình tích lũy năng lợng biến dạng ở tâm địa chấn. Biến dạng dị thờng
ở khu vực đứt gẫy đợc thể hiện dới dấu hiệu của sự xuất hiện các vùng dãn và nén
[6].








Do đó để xác định đợc các vùng dãn và nén của biến dạng dị thờng trên đứt
gẫy cần nghiên cứu chuyển dịch ngang của vỏ trái đất trên khu vực đứt gẫy.
Sự thay đổi của trọng trờng Qủa đất và các điều kiện khí tợng khác đều diễn
ra theo mùa. Điều này có thể gây ra các sai số hệ thống trong các kết quả đo lặp thủy
chuẩn trên các poligon địa động học. Do đó, để nghiên cứu chuyển dịch đứng của vỏ

trái đất cần tiến hành ít nhất 4 chu kỳ đo theo mùa.
$1.5. Các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến việc nghiên cứu chuyển dịch của
vỏ trái đất bằng phơng pháp trắc địa.
Ngoài việc phục vụ dự báo động đất, các kết quả xác định chuyển dịch vỏ trái
đất cho phép phối hợp với các kết quả nghiên cứu địa vật lý để nghiên cứu hoạt động
của các mảng kiến tạo; dự báo lũ quét; lựa chọn các vị trí thích hợp cho việc xây dựng
các đập thuỷ điện lớn; thiết kế các tuyến đờng ống dẫn dầu tránh không đi qua các
vùng đất bị vặn xoắn, sạt lở vv.
Khi áp dụng phơng pháp trắc địa để nghiên cứu chuyển dịch vỏ trái đất cần
giải quyết bốn nhóm vấn đề sau [1]:
1. Phát triển các phơng tiện đo đạc độ chính xác rất cao;
2. Nghiên cứu các mối quan hệ giữa các sự biến thiên của toạ độ và các thành
phần trọng trờng của Qủa đất và các hiện tợng địa động học khác nhau;
Bề rộng
của
vùng dị
thờng
Vùn
g
dãn
Vùn
g
nén
Vùn
g
dãn
t
0
t
1

t
1


15
3. Xác định các yêu cầu về tần xuất và khoảng thời gian đo đạc giữa các chu kỳ,
về sự phân bố của các điểm trắc địa trên bề mặt Qủa đất;
4. Xây dựng các phơng tiện toán học để xử lý các dữ liệu đo đạc trong nghiên
cứu địa động học bao gồm cả việc lựa chọn hệ toa độ để tính toán.
Để xác định một cách tin cậy các chuyển dịch tuyến tính của vỏ trái đất trong
một vài năm cần độ chính xác đo đạc ở mức cm hoặc cao hơn [1]. Trên khoảng cách
hàng trăm km, khi sử dụng các phơng pháp đo đạc truyền thống, chỉ có phơng pháp
thuỷ chuẩn hình học là đáp ứng đợc yêu cầu.
Ngày nay, sự xuất hiện của các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu nh các hệ
thống GPS, GLONAS và các hệ thống khác đang từng bớc mở ra những khả năng mới
cho việc áp dụng các phơng pháp trắc địa để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất
trên phạm vi lớn.
So với các phơng pháp đo đạc truyền thống, phơng pháp đo đạc vệ tinh có
những u điểm nổi bật sau:
- Không yêu cầu sự thông hớng giữa hai điểm trắc địa và đảm bảo đo đạc độ
chính xác cao trên các khoảng cách lớn đến hàng ngàn km.
- Đo đạc có thể tiến hành trong mọi điều kiện thời tiết
- Độ chính xác của các kết quả xử lý các dữ liệu đo GPS ở mức mm hoặc cao
hơn trên các khoảng cách đến hàng ngàn km khi sử dụng các dịch vụ của Tổ chức IGS
nh lịch vệ tinh chính xác, lịch Mặt trăng - Mặt trời, các tham số đặc trng cho sự
chuyển dịch của cực Quả đất và các phần mềm hiện đại nh GAMIT, BERNESE.
- Mức độ tự động hoá cao và hạn chế sự can thiệp của con ngời vào quá trình
đo đạc.
Những điều nêu trên giải thích cho tính phổ biến của việc ứng dụng công nghệ
GPS trong nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất trong giai đoạn hiện nay.

Tuy nhiên công nghệ GPS cũng có những hạn chế nh đòi hỏi sự thông thoáng
của bầu trời tại điểm thu tín hiệu vệ tinh. Điều này đòi hỏi phải lựa chọn các điểm GPS
cách xa các vật cản tự nhiên, các đờng dây tải điện cao thế vv nhằm hạn chế sự ảnh
hởng của các hiện tợng trợt chu kỳ, đa đờng truyền đến kết quả đo GPS.
Một trong những điều kiện cơ bản để đạt đợc độ chính xác cao của các kết quả
đo GPS là sử dụng lịch vệ tinh độ chính xác cao. Cơ sở để đáp ứng yêu cầu trên là sử
dụng các dịch vụ của Tổ chức IGS bao gồm lịch vệ tinh chính xác ở mức 5 cm, lịch
Mặt trăng - Mặt trời và các tham số chuyển dịch của cực Quả đất. Ngoài ra cần thiết áp


16
dụng hàng loạt biện pháp nhằm làm giảm ảnh hởng của tầng điện ly, tầng đối lu đến
kết quả đo đạc GPS. Các yếu tố cần tính đến trong đo đạc GPS độ chính xác cao trên
các khoảng cách lớn sẽ đợc xem xét trong chơng 2 của Tài liệu này.
Ngày nay chúng ta hoàn toàn có thể đạt đợc độ chính xác cao của các kết quả
đo đạc GPS trên các khoảng cách lớn. Công nghệ GPS đang dợc sử dụng rộng rãi để
nghiên cứu chuyển dịch của vỏ trái đất [8, 9, 111].
Việc thoả mãn các yêu cầu hiện đại của việc giải quyết các bài toán địa động
học ngày nay đang đợc đặt trên nền phát triển của các hệ thống vệ tinh trắc địa. Các
bài toán địa động học hiện đại bao gồm việc xác định vị trí chính xác của các điểm trên
mặt Qủa đất trong hệ tọa độ địa tâm Qủa đất; xác định và làm chính xác hoá các tham
số trọng trờng Qủa đất; xác định và theo dõi sự thay đổi của mực nớc biển ở các đại
dơng; nghiên cứu cấu trúc bên trong của Qủa đất; nghiên cứu sự chuyển dịch của các
mảng kiến tạo; nghiên cứu các hiện tợng thuỷ triều; nghiên cứu dự báo động đất;
nghiên cứu sự chuyển dịch của cực Qủa đất; nghiên cứu sự biến thiên của tốc độ quay
của Qủa đất. Việc giải quyết các bài toán nêu trên trong tơng lai chủ yếu sẽ dựa trên
các hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp.
Với mục đích xác định vị trí các điểm mặt đất với độ chính xác cao cần thiết
xác định quỹ đạo vệ tinh với độ chính xác tơng ứng. Để làm đợc điều này, ngoài việc
có một số lớn các điểm mặt đất đợc phân bố đều trên bề mặt Qủa đất, cần thiết phải

tính đến ảnh hởng của các tầng đối lu và điện ly đến các kết quả đo khoảng cách đến
vệ tinh. Sự khắc phục các vấn đề trên hoàn toàn thực hiện đợc nhờ phơng pháp đo
vệ tinh-vệ tinh. Các kết quả thực nghiệm phơng pháp này đợc trình bày trong [14,
15].
Với cách đặt vấn đề nh trên hoàn toàn hiệu quả khi xây dựng hệ thống vệ tinh
trắc địa quĩ đạo thấp. Các vệ tinh thuộc các hệ thống định vị toàn cầu GPS/GLONASS
sẽ đóng vai trò của các trạm di động quan sát các vệ tinh quĩ đạo thấp. Khi đó không
phải xây dựng hệ thống các điểm mặt đất phân bố đồng đều trên bề mặt Qủa đất. Các
kết quả đo vệ tinh - vệ tinh không chịu ảnh hởng của tầng đối lu, còn sự ảnh hởng
của tầng điện ly có thể giảm thiểu tối đa [13].
$1.6. Khả năng ứng dụng công nghệ GPS để nghiên cứu chuyển dịch của vỏ
trái đất.
Trong mục này chúng ta sẽ nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS để
giải quyết bài toán xác định các vectơ chuyển dịch của vỏ trái đất.


17
$I.6.1. Độ chính xác xác định các trị đo phục vụ vụ việc nghiên cứu chuyển
dịch của vỏ trái đất bằng công nghệ GPS
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ GPS cùng với các dịch vụ do Tổ chức
dịch vụ GPS quốc tế (IGS) cung cấp đảm bảo việc xác định các baselines của mạng
lới GPS địa động học với độ chính xác ở mức một vài mm trên các khoảng cách lớn.
Các dạng dịch vụ do Tổ chức IGS cung cấp đợc trình bày ở bảng dới đây [16].
Sản phẩm

Thời gian nhận
đợc kết quả
Khoảng dãn
cách thời gian
Độ chính xác

1. Quỹ đạo vệ tinh
- Dự báo
- Nhanh
- Cuối cùng

Thời gian thực
17
h

10 ngày

15
m

15
m

15
m


50
cm

10
cm

5
cm

2. Đồng hồ vệ tinh
- Dự báo
- Nhanh
- Cuối cùng

Thời gian thực
17
h

10 ngày

15
m

15
m

15
m


150
ns

0,5
ns

0,3
ns

3. Các trạm IGS
- Tọa độ
- Tốc độ chuyển dịch

2 4 tuần
2 4 tuần

7 ngày
7 ngày

1 5
mm

1 3
mm
/1năm
4. Các tham số quay
của Qủa đất
- Chuyển động cực
nhanh
- Chuyển động cực
cuối cùng


17
h


10 ngày

1 ngày

1 ngày


2 10
-4


1 10
-4

5. TZPD < 4 tuần 2
h
4
mm
Với các dịch vụ do Tổ chức IGS cung cấp, bằng công nghệ GPS hoàn toàn có
thể nhận đợc các thành phần của vectơ baseline với độ chính xác ở mức mm và hiệu
độ cao trắc địa với độ chính xác ở mức một vài mm trên các khoảng cách lớn đến một
vài ngàn km.
Tất nhiên, ngoài các dịch vụ GPS do Tổ chức IGS cung cấp, để đạt đợc các kết
quả đo GPS độ chính xác cao cần hoàn thiện quy trình đo GPS trên mạng lới địa động
học và sử dụng các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS thích hợp. Đây cũng là một trong
những nội dung nghiên cứu cơ bản của đề tài này.
Với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS để giải quyết bài
toán đợc đặt ra, chúng ta sẽ đánh giá yêu cầu độ chính xác của các trị đo là các thành
phần của vectơ baseline, các thành phần của vectơ baseline phẳng và hiệu độ cao trắc
địa giữa hai điểm đợc xác định theo công nghệ GPS, thêm vào đó các trị đo nêu trên

18
đợc sử dụng để nghiên cứu chuyển dịch không gian, chuyển dịch ngang và chuyển
dịch đứng của các điểm GPS thụoc mạng lới GPS địa động học.
Trong khuôn khổ đề tài này đã sử dụng khái niệm vectơ baseline phẳng mà
các thành phần của nó là các hiệu tọa độ phẳng giữa hai điểm, thêm vào đo các thành
phần của vectơ baseline phẳng đợc xác định từ các thành phần của vectơ baseline
(hiệu tọa độ không gian ) giữa hai điểm đó.
Tốc độ chuyển dịch của vỏ trái đât (không gian, mặt bằng, độ cao) ở mức thấp
nhất 1-2 cm/1năm là hoàn toàn có ý nghĩa trong việc nghiên cứu kiến tạo, dự báo động
đất. Chúng ta cần đánh giá độ chính xác xác định vectơ baseline bằng công nghệ GPS
để đảm bảo việc xác định đợc tốc độ chuyển dịch của vỏ trái đât ở mức nêu trên.
Một trong những yếu tố quyết định hàng đầu trong việc đạt đợc độ chính xác
xác định các thành phần của vectơ baseline ở mức mm là việc sử dụng lịch vệ tinh
chính xác đợc tính toán trong ITRF-yy do Tổ chức IGS cung cấp. Chúng ta sẽ làm rõ
vấn đề này. Gọi S là chiều dài của vectơ baseline giữa hai điểm GPS. Khi đó theo [1]:



m
S
m
S
=
, (1.1)
ở đây - khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh (giả cự ly); m

- sai số trung phơng của
khoảng cách đợc gây ra bởi sai số vị trí của vệ tinh, thêm vào đó sai số m

đợc
đánh giá theo độ chính xác của lịch vệ tinh.
Trong quá trình xử lý các dữ liệu đo GPS (các trị đo pha, các giả cự ly đợc xác
định theo mã P), các nguồn sai số cơ bản (các sai số các đồng hồ vệ tinh và máy thu,
các sai số do ảnh hởng của tầng điện ly và tầng đối lu) đều bị loại bỏ nhờ kỹ thuật
sai phân. Khi đó chỉ còn lại sai số vị trí vệ tinh là nguồn sai số chính đặc trng cho sai
số của hệ thống vệ tinh. Đại lợng m

lúc này đợc đặc trng bởi sai số vị trí vệ tinh
và đợc xác định bởi mức độ chính các của lịnh vệ tinh. Nhận = 20.000.000m. Với độ
chính xác vị trí vệ tinh khác nhau, từ (1.1) chúng ta có bảng sau.
Bảng 1.1
Loại lịch vệ tinh
m


S
m
S

- Lịch vệ tinh phát tín
- Lịch vệ tinh chính xác.
Mức 1

Mức 2

Mức 3

20 m

0,05 m
0,1 m
2 m
1 10
-6


2,51 10
-9
5 10
-9
1 10
-7