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

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


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


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



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 T
0
của DĐVĐC

40
























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


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 T
0
và chiều dầy lớp phủ D
K
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 T
0
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














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






1

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
(T
0
) 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:
2

(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.






3

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
4

được cấu tạo bởi sóng Rayleigh (chế độ cơ bản hay cao) thì dạng dao động hạt của
nó tại đây phải thể hiện dạng dao động đứng giống như sóng Rayleigh. Ngược lại,
khi biểu diễn dao động hạt tại miền tần số xung quanh vùng lõm cho thấy các dao
động tại đây chủ yếu theo phương đứng giống như dao động của sóng Rayleigh.
Hơn nữa, kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả của Giulio, Kuo, …. và lý
thuyết của Nakamura, đó là các sóng Rayleigh phổ biến ở miền tần số xung quanh
vùng lõm của HVSR. Trong trường hợp cụ thể này, giá trị biên độ khuếch đại vi địa
chấn trên HVSR tại tần số vùng lõm, nhỏ hơn 1 có thể là do năng lượng của dao
động sóng theo phương đứng cao hơn năng lượng trung bình của dao động sóng
theo phương ngang.
1.2 Miền tần số - HVSR
Xung quanh miền tần số đỉnh trội vẫn có thể tồn tại sóng Rayleigh vì dao
động đứng ở đó vẫn nhỏ. Sự biến mất của sóng Rayleigh tại miền tần số này được
cho là các vận tốc pha của sóng Rayleigh của DĐVĐC đôi khi trở nên không ổn
định từ miền tần số cao tới miền tần số trội (Nakamura 2007), đặc biệt tại các vùng

đất chặt và đá cứng.
Ohori (2002) [44], Bonnefoy-Claudet (2006) [16], sử dụng mô hình 2 lớp
đơn giản để xây dựng mô phỏng phương trình hàm truyền sóng S và mô phỏng
phương trình tính elip của sóng Rayleigh (hình 1.5). Hình 1.5(a) mô tả các vận tốc
pha đo được tại điểm khảo sát (các chấm đen); hình 1.5(b) là tỉ số phổ tính được
theo mô hình nghịch đảo vận tốc pha (đường liền) và tỉ số phổ của sóng S đo được
bằng thiết bị PS-logging (đường đứt); hình 1.5(c) là HVSR của DĐVĐC đo được,
HVSR tính được theo mô phỏng phương trình hàm truyền của sóng S và HVSR tính
được theo mô phỏng phương trình tính elip của sóng Rayleigh (chế độ cơ bản và
chế độ cao); hình 1.5(d) Mô tả các vận tốc pha của DĐVĐC sử dụng để mô phỏng
(các chấm màu xám) và đường cong phân tán vận tốc pha ở chế độ cơ bản và 2 chế
độ cao theo lý thuyết (đường đậm màu đen). Các hình này đều cho thấy có hiện
tượng vận tốc pha không ổn định tại tần số xung quanh miền tần số trội (từ 5,5 tới 9
Hz (hình 1.5 (a, b) và 2 Hz (hình 1.5 (c, d)). Tuy nhiên, các tác giả này đã giải thích
5

hiện tượng này như là hiện tượng bất thường. Một ví dụ khác của Dutta (2007) [24]
(hình 1.6), cũng cho thấy có trạng thái không ổn định xung quanh tần số 1 Hz (điểm
A1) và 0,8 Hz (điểm B3), 2 đồ thị bên trái và 2 đồ thị bên phải cho thấy tần số trội
cũng tại 1 Hz và 0,8 Hz. Các ví dụ trên cho thấy có trạng thái không ổn định vận tốc
pha tại tần số xung quanh tần số đỉnh trội. Đây không phải là kết quả ngẫu nhiên.
Điều này có nghĩa xung quanh tần số trội của HVSR của DĐVĐC không bị ảnh
hưởng bởi các sóng Rayleigh.
Nakamura (2007) [43] đã thực hiện xây dựng phương trình mô phỏng hàm
truyền sóng S và tính elip của sóng Rayleigh cho thấy có 2 hiện tượng quan trọng
đó là: (i) Tại miền tần số trội, sự khuếch đại của DĐVĐC đo được giống với sự
khuếch đại của phương trình mô phỏng hàm truyền sóng S, nhưng không giống với
sự khuếch đại của phương trình mô phỏng tính elip của sóng Rayleigh; (ii) Các vận
tốc pha của DĐVĐC đo được “không ổn định” xung quanh tần số 2 Hz, tần số này
cũng là tần số trội của DĐVĐC.

Năm 2006, Hội nghị khoa học quốc tế lần thứ 3 về ảnh hưởng địa chấn nông
đến DĐVĐC được tổ chức tại Grenoble, Pháp [33]. Vấn đề đặt ra trong hội nghị
này là kiểm tra tính không rõ của DĐVĐC. Kuo (2008) [34] thực hiện mô phỏng 4
trường hợp (N101 - N104) nhằm kiểm tra tính không rõ này (hình 1.7). Hình này
cho thấy xung quanh miền tần số trội, các đường cong HVSR của DĐVĐC (màu
đen) giống (cả về biên độ khuếch đại và hình dạng) với HVSR được mô phỏng theo
phương trình hàm truyền sóng S (màu xanh). Tuy nhiên, HVSR được mô phỏng
theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản (màu đỏ) cũng trội
xung quanh tần số này, nhưng biên độ khuếch đại lại khác nhiều. Trường hợp N102
và N104 cho thấy sự khuếch đại tại miền tần số trội của HVSR được mô phỏng theo
phương trình tính elip của sóng Rayleigh lớn hơn 10 lần so với sự khuếch đại của
HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S và sự khuếch đại của
DĐVĐC đo được. Sự khuếch đại tại miền tần số xung quanh vùng lõm cũng cho
hiện tượng tương tự. Fäh (2001) [25] giải thích đỉnh trội tạo ra là do tính elip của
sóng Rayleigh ở chế độ cao. Ông đã đưa ra 2 nhận định sau: (i) Ở miền tần số cao,
6

HVSR của DĐVĐC đo được không thể lớn hơn HVSR của DĐVĐC mô phỏng, vì
DĐVĐC đo được bị ảnh hưởng bởi sóng các S; (ii) Sóng Rayleigh ở chế độ cao
không thể trội tại miền tần số xung quanh đỉnh trội, vì miền tần số này đã hạn chế
nó (sóng mặt mức cao chỉ tồn tại được tại dải tần số lớn hơn tần số cắt của nó).
Hình 1.7 cho thấy sự khuếch đại tại miền tần số trội là do các sóng S bị phản xạ
nhiều lần, tại miền tần số xung quanh vùng lõm chủ yếu là các sóng Rayleigh ở chế
độ cơ bản và tại miền tần số cao các sóng S sẽ suy yếu còn các sóng Rayleigh chế
độ cơ bản sẽ mạnh lên. Do đó, tại tần số cao, đường cong HVSR của DĐVĐC
thường nằm giữa đường cong HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền
của sóng S và đường cong HVSR được mô phỏng theo phương trình tính elip của
sóng Rayleigh. Ở miền tần số cao hơn miền tần số trội, đỉnh trội của HVSR đo được
thường nhỏ hơn đỉnh trội của HVSR được mô phỏng theo phương trình hàm truyền
sóng S là do các sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản tập trung nhiều hơn tại miền tần số

này.
Kuo (2008) [34] đưa ra một dấu hiệu mới để chứng tỏ đỉnh trội của HVSR
của DĐVĐC chủ yếu là do sóng S chứ không phải là do các sóng Rayleigh ở chế độ
cơ bản hay chế độ cao. Ông thực hiện khảo sát trường hợp HVSR có đỉnh trội kép,
điểm TAP089, các băng ghi DĐVĐC được lọc xung quanh tần số trội của đỉnh trội
thứ nhất, đỉnh trội thứ 2 và vùng lõm. Sau đó, ông tiến hành biểu diễn các dao động
hạt tại các dải tần số này. Kết quả cho thấy dao động hạt tại đỉnh trội thứ nhất và
đỉnh trội thứ 2 có xu hướng dao động ngang giống như dao động của sóng S, còn
dao động hạt tại tần số vùng lõm chủ yếu dao động đứng giống như sóng Rayleigh.
Sau đó, ông thực hiện mô phỏng HVSR theo phương trình hàm truyền sóng S
(đường xanh lá cây) và phương trình tính elip của sóng Rayleigh chế độ cơ bản
(đường đỏ) và chế độ cao thứ nhất (đường xanh nước biển). Kết quả của ông cho
thấy, cả 2 đỉnh trội đều được mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S, còn
mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh chỉ phù hợp với đỉnh trội ở
chế độ cơ bản, còn đỉnh trội ở chế độ cao thứ nhất lại khác xa so với đỉnh trội thứ 2
của HVSR đo được. Hơn nữa, khi xét đến sự khuếch đại tương đối giữa các đỉnh
7

trội của HVSR đo được và HVSR mô phỏng cho thấy sự khuếch đại tại đỉnh trội thứ
2 lớn hơn sự khuếch đại tại đỉnh trội thứ nhất. Điều này có thể là do đỉnh trội thứ 2
được tạo ra từ lớp đất mềm (đất mềm sẽ tạo ra sự khuếch đại lớn hơn) nằm trên
(đỉnh thuộc lớp nông hơn sẽ xuất hiện tại tần số cao hơn) lớp đất của đỉnh trội thứ
nhất. Nhưng nếu giải thích theo tính elip của sóng Rayleigh thì lại bị ngược (hình
1.8). Hình này cho thấy mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S cũng mô
phỏng được cả 2 đỉnh trội và đỉnh trội thứ 2 cũng nhô cao hơn đỉnh trội thứ nhất.
Điều này khẳng định các giá trị sử dụng cho mô phỏng phương trình hàm truyền
sóng S rất phù hợp với các giá trị đo được.
1.3. HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của động đất.
DĐVĐC chủ yếu gồm các sóng S tập trung xung quanh miền tần số trội và
các sóng Rayleigh tập trung ở tần số cao hơn tần số trội. Do đó, HVSR của vi địa

chấn và HVSR sóng S của động đất phải có một số đặc điểm như sau: (i) Hình dạng
và vị trí đỉnh trội giữa HVSR của DĐVĐC và HVSR sóng S của động đất phải
giống nhau; (ii) tại miền tần số cao, HVSR của DĐVĐC phải nhỏ hơn HVSR sóng
S của động đất, do DĐVĐC bị ảnh hưởng bởi các sóng Rayleigh.
Dựa trên các nhận định này Kuo (2008) [34] đã thực hiện so sánh HVSR
trung bình của DĐVĐC với HVSR sóng S của các trận động đất ghi được tại 7 trạm
ghi dao động mạnh phân bố trong bồn trũng Đài Bắc, Đài Loan, Trung Quốc. Số
liệu DĐVĐC cũng được đo gần khu vực đặt trạm dao động mạnh. Một số băng
DĐVĐC đo theo kiểu mảng, một số băng khác đo theo kiểu 1 trạm (Lin 2005) [38].
HVSR trung bình của các trận động đất mà ông sử dụng lấy từ kết quả nghiên cứu
của Chen (2005) [20]. Kết quả so sánh được mô tả trong (hình 1.9). Hình này cho
thấy đường cong HVSR của DĐVĐC và đường cong HVSR sóng S của động đất có
3 điểm đặc điểm sau: (i) Sự khuếch đại của HVSR của DĐVĐC lớn hơn sự khuếch
đại của HVSR sóng S của các trận động đất; (ii) Xung quanh đỉnh trội, HVSR của
DĐVĐC và HVSR sóng S của các trận động đất rất giống nhau; (iii) Ở miền tần số
cao, HVSR của DĐVĐC phần lớn thấp hơn HVSR sóng S của động đất, ngoại trừ
điểm TA019.
8


Hình 1.1 Dao động hạt của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản. Hình này cho thấy,
trong 1 chu kỳ sóng Rayleigh truyền từ trái sang phải và dao động ngược chiều kim
đồng hồ. Khi đến bề mặt nó bị phản xạ trở lại trở rồi dao động thẳng đứng hoàn
toàn ở độ sâu bằng 1/5 lần bước sóng sau đó dao động theo chiều kim đồng hồ tại
các độ sâu lớn hơn. Các chấm đen là các điểm ổn định theo thời gian (theo Shearer
1999, hình 8.3).

9


Hình 1.2 Dao động hạt của sóng S. Trục x là thành phần E hay N. Trục y là thành
phần Z. Hình này cho thấy, dao động hạt của sóng S theo phương ngang mạnh hơn
theo phương đứng [34].

10



Hình 1.3(a) Đồ thị HVSR của mảng A và các dao động hạt của DĐVĐC được lọc
trong dải tần số tô màu xám, xung quanh đỉnh trội và vùng lõm (theo Di Giulio,
2006) [22]. Hình 1.3(b) Đồ thị HVSR tại điểm TA022 và các dao động hạt của
DĐVĐC được lọc trong dải tần tô màu xám, xung quanh đỉnh trội và vùng lõm
(theo Kuo, 2008) [34]. Các kết quả này đều cho thấy dao động hạt của DĐVĐC tại
miền tần số xung quanh đỉnh trội dao động chủ yếu theo phương ngang giống sóng
S, còn dao động hạt của DĐVĐC tại miền miền tần số xung quanh vùng lõm dao
động chủ yếu theo phương đứng giống sóng Rayleigh.
(a)
(b)
11

Hình 1.4(a) Đồ thị HVSR tại điểm H02 và các dao động hạt của DĐVĐC được lọc
trong các miền tần số tô màu xám, xung quanh vùng lõm và đỉnh trội. Hai hình bên
trái là các dao động hạt tại miền tần số xung quanh vùng lõm; 2 hình bên phải là các
dao động hạt tại tần số xung quanh đỉnh trội. Hình này cho thấy hai dao động bên
trái dao động chủ yếu theo thẳng đứng giống sóng Rayleigh, còn 2 dao động bên
phải dao động chủ yếu theo phương ngang giống sóng S. Hình 1.4(b) Băng ghi
DĐVĐC tại điểm H02 dài 60 giây được lọc trong các dải tần số tô màu xám trong
hình 1.4(a). Hình bên trái là băng ghi được lọc tại dải tần xung quanh vũng lõm, còn
hình bên phải là băng ghi được lọc tại dải tần xung quanh vùng đỉnh trội.
10
-1
10
0
10
1
10
-1
10
0
10
1
Period t, sec
H/V amplitude
H/V Plot of H02

(a)
(b)






12



Hình 1.5 Các đường cong mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S và mô
phỏng theo phương trình tính elip của sóng Rayleigh, (hình 1.5(a, b) theo Ohori
(2002) [44]; hình 1.5(c, d) theo Bonnefoy-Claudet (2006) [16]). Hình 1.5(a) Các
chấm màu đen là các vận tốc pha đo được; các đường liền và đường gạch là các
đường cong phân tán vận tốc mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng
Rayleigh ở chế độ cơ bản (0
th
) và các chế độ cao (1
st
, 2
nd
và 3
rd
); Hình 1.5(b) đường
cong liền là đường cong mô phỏng theo phương pháp nghịch đảo vận tốc pha,
đường cong gạch là đường tính được từ số liệu đo sóng S bằng thiết bị PS-logging;
Hình 1.5(c) HVSR của DĐVĐC đo được, HVSR tìm được theo mô phỏng phương
trình hàm truyền sóng S và HVSR tìm được theo mô phỏng phương trình tính elip

của sóng Rayleigh (chế độ cơ bản và cao đầu tiên); Hình 1.5(d) Các vận tốc pha của
DĐVĐC (các chấm màu xám) và đường cong phân tán vận tốc pha theo lý thuyết ở
chế độ cơ bản và 2 chế độ cao (các đường đen đậm). Các hình này đều cho thấy có
sự không ổn định vận tốc pha tại tần số xung quanh đỉnh trội của HVSR.
(c)
(d)
(b)
(a)
13


Hình 1.6 Mô phỏng sự không ổn định các vận tốc pha của Dutta (2007) [24]. Hình
1.6(a, c), ba biểu tượng (tròn, tam giác và vuông) biểu diễn các phép đo mảng
DĐVĐC với kích thước khác nhau; Hình 1.6(b, d) các đường cong liền là HVSR
tính được từ phép đo mảng; đường cong gạch là HVSR tính được từ mô hình mô
phỏng. Hình này cho thấy có sự không ổn định vận tốc pha tại tần số xung quanh 1
Hz và 0,8 Hz (mảng A1 và B3), các tần số này cũng là các tần số trội của HVSR.



(c)
(d)
(a)
(b)
14


Hình 1.7 Đường cong HVSR đo được và các đường cong HVSR mô phỏng cho 4
trường hợp nhằm kiểm tra tính không rõ của DĐVĐC (N101, N102, N103 và
N104) [33]. Đường cong màu đen là HVSR của DĐVĐC đo được; đường cong màu

xanh nước biển là đường cong HVSR mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng
S; đường màu đỏ là đường cong HVSR mô phỏng theo phương trình tính elip của
sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản; đường xanh lá cây là đường cong HVSR mô phỏng
theo tính elip của sóng Rayleigh ở chế độ cao thứ nhất. Hình này cho thấy xung
quanh miền tần số trội, các đường cong HVSR của DĐVĐC giống với đường cong
HVSR mô phỏng theo phương trình hàm truyền sóng S. Đường cong HVSR mô
phỏng theo tính elip của sóng Rayleigh chỉ giống đường cong HVSR của DĐVĐC
đo được tại chế độ cơ bản, còn tại chế độ cao thì khác nhiều.
15


Hình 1.8 Đường cong HVSR đo được và các đường cong HVSR mô phỏng theo
phương trình hàm truyền sóng S và tính elip của sóng Rayleigh (theo Kuo (2008))
[34]. Hình bên trên, đường cong màu đen là HVSR của DĐVĐC đo được tại điểm
TA089; đường cong màu xanh lá cây là đường cong HVSR mô phỏng theo phương
trình hàm truyền sóng S; đường cong màu đỏ là đường cong HVSR mô phỏng theo
phương trình tính elip của sóng Rayleigh ở chế độ cơ bản; đường cong màu xanh
nước biển là đường cong HVSR mô phỏng theo phương trình tính elip của sóng
Rayleigh ở chế độ cao đầu tiên. Các đồ thị phía dưới là các dao động hạt tại các dải
tần tô màu ở hình trên. Màu xanh lá cây là dải tần xung quanh đỉnh trội thứ nhất;
màu xanh nước biển là dải tần xung quanh đỉnh trội thứ 2 và màu đỏ tía là dải tần
xung quanh vùng lõm.
16


Hình 1.9 Đồ thị so sánh HVSR của DĐVĐC đo được (đường đậm màu xanh) và
HVSR sóng S của các trận động đất (đường đậm màu đen) ghi được tại 7 trạm ghi
dao động mạnh độc lập phân bố trong bồn trũng Đài Bắc, Đài Loan [34]. Các đường
gạch là sai số độ lệch chuẩn.

17

Chƣơng 2 – NGHIÊN CỨU VI PHÂN VÙNG ĐỘNG ĐẤT
2.1. Khái niệm về vi phân vùng động đất
Vi phân vùng động đất là một nhánh của địa chấn công trình. Ở đây, sử dụng
số liệu địa chấn thu thập tại khu vực nghiên cứu để đánh giá chính xác mức độ nguy
hiểm động đất cho khu vực nghiên cứu.
2.2. Sự khuếch đại sóng địa chấn qua lớp phủ.
Ohta (1978) đã thực hiện nghiên cứu chu kỳ trội nền đất tại vùng Hachinohe,
Nhật Bản bằng cả số liệu đo DĐVĐC và số liệu đo dao động mạnh cho thấy sự
khuếch đại gây ra tại đây là do các lớp trầm tích phù sa sâu [47].
Năm 1984, tại vùng McGee Creek, Mỹ người ta đã tiến hành nghiên cứu sự
khuếch đại sóng địa chấn khi truyền qua lớp phủ của các động đất bằng cách đặt 3
máy ghi động đất tại các độ sâu khác nhau, 1 máy đặt trên mặt lớp phủ; 2 máy đặt
trong đá gốc (hình 2.1(a)). Năm 1984, động đất tại Round Valley có M
L
=5,8, độ sâu
13,4 km, cách vị trí này 22 km. Kết quả ghi nhận được tại các máy ghi, gia tốc đỉnh
(PGA) của máy ghi đặt trên mặt lớp phủ là 120 cm
2
, còn PGA của 2 máy ghi đặt
trong đá gốc có giá trị nhỏ hơn 5 lần so với máy ghi đặt trên mặt lớp phủ (hình

2.1(b)). Năm 1986, một trận động đất khác xẩy ra tại Chalfant Valley, có M
L
=6,4,
độ sâu 11,2 km, cách vị trí này 32 km cũng cho hiện tượng tương tự, PGA ghi được
trên mặt lớp phủ là 85 cm
2
, lớn hơn 5 lần so với trong đá gốc (hình 2.1(c)) [50].
Năm 1991, Celebi nghiên cứu sự khuếch đại sóng địa chấn của trận động đất
Michoacan ngày 19/9/1985 có M
S
=8,1, theo tuyến từ vị trí chấn tâm tới thành phố
Mêxicô dài khoảng 400 km, cho thấy: (i) PGA của các trạm đặt trên đá, tại các vị trí
chấn tâm, Teacalco (cách vị trí chấn tâm khoảng 340 km) và UNAM (cách vị trí
chấn tâm khoảng 400 km), có giá trị lần lượt là 0,15 g, 0,05 g và 0,035 g, bị suy
giảm theo khoảng cách (hình 2.2(a)); (ii) PGA của 5 trạm phân bố trong bồn trũng
Mêxicô đặt trên các nền đất khác nhau, tại các vị trí UNAM (trên đá), SCT (đầm
lầy), VIV
2
(vùng chuyển tiếp), TAC (đá Tacubaya), CDA (đầm lầy), có giá trị lần
lượt là: 0,035 g, 0,17 g, 0,043 g, 0,034 g và 0,095 g, giá trị PGA khác nhau rất rõ
ràng (hình 2.2(b)) [18].
18

Năm 1999, động đất Chi Chi, Đài loan, Trung Quốc có M
W
=7,3 gây ra phá
huỷ lớn tại bồn trũng Đài Bắc, giá trị PGA hầu hết là 200 gal, trong khi đó tại nhiều
nơi nằm giữa chấn tâm và bồn trũng Đài Bắc lại có giá trị PGA nhỏ hơn và có sự
phá huỷ ít hơn [29].
Các ví dụ trên cho thấy, điều kiện nền địa phương có ảnh hưởng rất lớn đến

đặc tính truyền sóng địa chấn khi động đất. Các vùng có các lớp trầm tích dầy
thường cho sự khuếch đại lớn, điều này được cho là các sóng địa chấn (sóng S) bị
phản xạ nhiều lần khi truyền qua các lớp trầm tích này. Kết quả là nền đất sẽ dao
động với một chu kỳ dao động riêng. Chu kỳ này gọi là chu kỳ trội nền đất. Phương
pháp xác định chu kỳ trội nền đất thông dụng nhất hiện nay là phương pháp đo
DĐVĐC theo phương pháp phân tích tỉ số phổ H/V 1 trạm của Nakamura (1989).
2.3. Các phƣơng pháp vi phân vùng động đất
Một số phương pháp sử dụng để thực hiện vi phân vùng động đất:
(1) Khoan thăm dò là phương pháp có độ chính xác nhất. Tuy nhiên, phương
pháp này có giá thành cao, tốn nhiều thời gian và nói chung là không thích hợp để
thực hiện vi phân vùng động đất.
(2) Đo địa chấn phản xạ, khúc xạ, phân tích đa kênh sóng mặt, là phương pháp
thường dùng để xây dựng các lát cắt vận tốc sóng ngang (Vs). Tuy nhiên, chúng
khó thực hiện trong các khu đông dân cư vì thường phải sử dụng nguồn nổ và chịu
ảnh hưởng nhiều bởi các nguồn nhiễu bề mặt.
(3) Sử dụng băng ghi dao động mạnh tại các nền đất khác nhau là phương pháp
cho kết quả trung thực nhất. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải ghi được đầy
đủ các sự kiện tại các loại nền này. Do vậy, phương pháp này chỉ áp dụng được ở
một vài quốc gia có hệ thống trạm ghi dao động mạnh dầy đặc và thường xuyên có
động đất.
(4) Đo DĐVĐC là phương pháp đo tín hiệu thụ động, được dùng phổ biến để
thực hiện vi phân vùng động đất vì giá thành rẻ, tốn ít thời gian và không cần tham
khảo đầy đủ các băng ghi dao động mạnh mà vẫn đánh giá chính xác chu kỳ khuếch
đại dao động nền đất. Đo DĐVĐC được ứng dụng tốt nhất cho các vùng có các lớp