Mô phỏng trận động đất m=4 6 xảy ra tại khu vực đập thủy điện sông tranh 2

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.09 MB, 49 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----------------------

Vi Văn Vững

MÔ PHỎNG TRẬN ĐỘNG ĐẤT M=4.6 XẢY RA TẠI
KHU VỰC ĐẬP THỦY ĐIỆN SÔNG TRANH 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----------------------

Vi Văn Vững

MÔ PHỎNG TRẬN ĐỘNG ĐẤT M=4.6 XẢY RA TẠI
KHU VỰC ĐẬP THỦY ĐIỆN SÔNG TRANH 2
Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu
Mã số: 8440130.06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Trần Thị Mỹ Thành

Hà Nội - 2018

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Cô hướng dẫn TS. Trần Thị
Mỹ Thành, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình định hướng, tìm hiểu và
học hỏi các kiến thức quan trọng, cần thiết để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ
Khoa học.
Đồng thời, tôi xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô trong Bộ môn Địa Vật lý,
Khoa Vật lý-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã đào tạo và tận tình giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập ở trường.
Tôi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Phòng Nghiên cứu Địa chấn,
Viện Vật lý Địa cầu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ, tạo
điều kiện và có những ý kiến góp ý quý báu để tôi hoàn thành Luận văn.
Học viên
Vi Văn Vững

MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1 - TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP ..................................................2
1.1. Tổng quan.........................................................................................................2
1.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp ngẫu nhiên ........................................................3
1.3. Cơ sở lý thuyết phương pháp hàm Green thực nghiệm ...................................7
Kết luận chương 1 .................................................................................................10
Chương 2 - SỐ LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH ......................................................12

2.1. Mô phỏng bằng phương pháp SMSIM ..........................................................12
Số liệu sử dụng trong chương trình SMSIM ...........................................12
Chương trình SMSIM mô phỏng theo phương pháp ngẫu nhiên ...........12
Chạy mô hình thử nghiệm .......................................................................17
2.2. Mô phỏng bằng phương pháp EGFM ............................................................22
Số liệu băng ghi động đất sử dụng trong mô phỏng ...............................22
Chương trình EGFM mô phỏng theo phương pháp hàm Green thực
nghiệm ...............................................................................................................26
Kết luận chương 2 .................................................................................................29
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................30
3.1. Mô phỏng theo phương pháp hàm ngẫu nhiên...............................................30
3.2. Kết quả Mô phỏng theo phương pháp hàm Green thực nghiệm ....................33

Kết luận chương 3 .................................................................................................36
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC VIẾT TẮT
EGFM: “Empirical Green Function Method”, Phương pháp hàm Green thực nghiệm
GM: “Ground motion”, Chuyển động nền, dao động nền
M: “Magnitude”, Độ lớn động đất
nsim: “Number of simulation”, Số lượng mô phỏng ngẫu nhiên
PGA: “Peak Ground Acceleration”, Gia tốc đỉnh
PGD: “Peak Ground Displacement”, Dịch chuyển cực đại
PGV: “Peak Ground Velocity”, Vận tốc đỉnh
PSA: “Pseudo-acceleration spectra”, Phổ đáp ứng gia tốc
PSV: “Pseudo-velocity spectra”, Phổ đáp ứng vận tốc
RV: “Random vibration”, cách gọi khác mà Boore sử dụng để gọi lý thuyết ngẫu

nhiên, mô phỏng bằng phương pháp ngẫu nhiên trong miền tần số
SD: “Spectra displacement”, Phổ dịch chuyển
SMSIM: “Stochastic Model SIMulation” hoặc “Strong Motion SIMulation”, Mô
phỏng sử dụng mô hình ngẫu nhiên, hoặc mô phỏng dao động nền đất
TD: “Time domain”, Miền thời gian, mô tả biên độ biến thiên theo thời gian

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Danh mục một số trận động đất được lựa chọn trong nghiên cứu ..............24
Bảng 2: Giá trị U 0 và u 0 ; A0 và a 0 ; fc ....................................................................28

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Tỉ lệ phổ nguồn 2 trận động đất M6.5 và M7.5 với mô hình omega bình
phương.........................................................................................................................5
Hình 2: Phổ dịch chuyển và phổ gia tốc của động đất tuân theo quy luật -2 ............9
Hình 3: Sơ đồ khối của chương trình SMSIM ..........................................................13
Hình 4: Tham số đầu vào cho mô hình thử nghiệm của chương trình SMSIM phiên
bản 2.3 bởi Boore (2005) ..........................................................................................18
Hình 5: So sánh psv tính bằng lý thuyết ngẫu nhiên và mô phỏng trong miền thời gian
của động đất M = 4.0, khoảng cách chấn tâm R = 10km với số lượng mô phỏng nsims
= 10, 40, 160, 640......................................................................................................19
Hình 6: So sánh psv tính bằng lý thuyết ngẫu nhiên và mô phỏng trong miền thời gian
của động đất M = 7.0, khoảng cách chấn tâm R= 10km với số lượng mô phỏng là
nsims = 10, 40, 160, 640. ..........................................................................................20
Hình 7: Băng sóng mô phỏng trong miền thời gian của động đất M = 7.0 khoảng cách
chấn tâm R = 200km. ................................................................................................21
Hình 8: Sơ đồ chấn tâm các trận động đất dùng trong nghiên cứu ...........................22
Hình 9: Băng ghi gia tốc trận động đất M = 4.1 ngày 23/09/2012 ghi được tại các
trạm khác nhau ..........................................................................................................23

Hình 10: Sơ đồ các bước thực hiện mô phỏng băng gia tốc dao động nền của trận
động đất mạnh M = 4.6 từ trận động đất nhỏ hơn M = 3.5 tại trạm ST02 ................26
Hình 11: Phổ dịch chuyển và phổ gia tốc của trận M = 3.5 thành phần Bắc Nam và
Đông Tây ...................................................................................................................27
Hình 12: Phổ dịch chuyển và phổ gia tốc của trận M = 4.6 thành phần Bắc Nam và
Đông Tây ...................................................................................................................28
Hình 13: Phổ đáp ứng gia tốc(trái) và vận tốc (phải) của động đất M = 4.6 khoảng
cách chấn tâm 9 km. ..................................................................................................30

Hình 14: Mô phỏng miền thời gian cho động đất M = 4.6, khoảng cách chấn tâm 9
km, với tham số đầu vào của mô hình thử nghiệm trong Hình 4, so sánh với băng
sóng thực tế của động đất M = 4.6 tại sông Tranh được ghi tại trạm ST02 (vai đập)
kênh Bắc-Nam ...........................................................................................................31
Hình 15. Kết quả mô phỏng động đất 4.6 từ động đất 3.5. .......................................35

MỞ ĐẦU
Giản đồ ghi lại dao động nền đất do động đất mạnh gây ra là tài liệu quan trọng
dùng trong thiết kế chống động đất, đặc biệt đối với các công trình xây dựng trọng
điểm. Trong thực tế, ít có trường hợp ghi được dao động nền ứng với động đất cực
đại tại khu vực xây dựng công trình, ngay cả ở những nơi động đất mạnh thường
xuyên xảy ra và phương tiện quan trắc đầy đủ như ở Nhật Bản, Mỹ, Đài Loan... Để
khắc phục sự thiếu hụt số liệu quan trắc, các nhà địa chấn trên thế giới có nhiều kết
quả nghiên cứu mô phỏng băng ghi dao động động đất mạnh. Đây cũng là hướng
nghiên cứu được nhiều nước tiên tiến áp dụng trong đánh giá nguy hiểm động đất tại
các công trình xây dựng quan trọng như nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện hay
điện hạt nhân.
Cho tới cuối năm 2010, Việt Nam mới có 24 băng ghi gia tốc dao động nền
của 21 trận động đất (chủ yếu ghi tại trạm Tuần Giáo và Điện Biên). Trong số đó, có

17 trận là động đất chính và dư chấn của động đất Điện Biên ngày 19/2/2001, M =
5.3. Thủy điện Sông Tranh 2 xây dựng năm 2010 với động đất thiết kế là 5.5. Trên
thực tế, với tập hợp số băng ghi dao động kể trên không đủ để chọn băng gia tốc phục
vụ công tác thiết kế kháng chấn cho thủy điện Sông Tranh 2. Do đó, trong luận văn
này, học viên đã tìm hiểu, trình bày các phương pháp mô phỏng số băng ghi dao động
nền để áp ứng nhu cầu thực tiễn trên. Học viên đã áp dụng phương pháp hàm Green
thực nghiệm để mô phỏng lại trận động đất M = 4.6. Băng sóng lý thuyết thu được
khá trùng hợp với băng sóng quan trắc. Kết quả này góp phần khẳng định hướng mô
phỏng động đất mạnh hoàn toàn có thể áp dụng trong đánh giá nguy hiểm động đất ở
Việt Nam. Khu vực Sông Tranh 2 sử dụng băng ghi động đất M = 3.5 mô phỏng thành
công trận động đất M = 4.6, tương tự ta cũng có thể dùng băng ghi trận động đất M
= 4.6 để mô phỏng trận động đất phục vụ cho thiết kế M = 5.5. Ngoài phương pháp
hàm Green thực nghiệm, học viên cũng trình bày thêm một phương pháp mô phỏng
dựa trên lý thuyết ngẫu nhiên (“phương pháp ngẫu nhiên”) nhằm so sánh ưu điểm,
nhược điểm của 2 phương pháp mô phỏng được sử dụng phổ biến trên thế giới và
đánh giá khả năng áp dụng của từng phương pháp trong điều kiện thực tế ở Việt Nam.

1

Chương 1 - TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP
1.1. Tổng quan
Mô phỏng động đất là bài toán thuận trong địa vật lý toán, tức là bài toán cho
trước các tham số mô hình và tham số nguồn yêu cầu tìm dữ liệu đầu ra. Trong bài
toán mô phỏng động đất, mô hình là các tham số của các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình phát sinh và lan truyền sóng địa chấn từ chấn tiêu động đất đến trạm ghi địa
chấn, dữ liệu đầu ra của bài toán là băng ghi sóng động đất tại trạm. Đây là một trong
những bài toán cơ bản của địa chấn học. Để giải được bài toán này, ta cần biết quá
trình phát sinh và lan truyền sóng địa chấn từ chấn tiêu đến trạm. Trên thực tế, quá
trình này rất phức tạp. Do vậy, các nhà địa chấn đã đưa ra nhiều phương pháp nhằm

đơn giản hóa quá trình này bằng các mô hình thuyết gần đúng, hoặc thay các quá trình
phức tạp bằng một tham số ngẫu nhiên. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm
nhất định.
Trong luận văn này học viên tiếp cận hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất
là phương pháp hàm Green thực nghiệm (Emprical Green Funtion Method – EGFM)
Irikura (1986) và phương pháp ngẫu nhiên của Boore (1983). Cách tiếp cận bài toán
của phương pháp EGFM là các nhà địa chấn đã sử dụng một mô hình nguồn diện
(nguồn phát sinh động đất có dạng một mặt phẳng có diện tích nhất định) cùng với
băng sóng của một trận động đất nhỏ để mô phỏng một trận động đất lớn hơn xảy ra
tại cùng vị trí hoặc cùng khu vực có điều kiện địa chất tương tự với trận động đất nhỏ.
Với phương pháp này quá trình phát sinh động đất được đơn giản hóa bằng mô hình
nguồn diện và mô hình quá trình lan truyền sóng địa chấn được lấy từ băng sóng của
trận động đất nhỏ. Do vậy, các nhà địa chấn đã bỏ qua được sự phức tạp trong quá
trình lan truyền sóng từ nguồn đến trạm do các hiện tượng khúc xạ, phản xạ, sự tán
hay suy giảm dao động khi sóng truyền qua các cấu trúc địa chất thực tế rất phức tạp.
Đây là ưu điểm nổi trội của phương pháp này. Tuy nhiên, nhược điểm của phương
pháp EGFM là cần phải có băng sóng của một trận động đất nhỏ đã xảy ra tại khu
vực nghiên cứu.

2

Trong phương pháp thứ hai, phương pháp ngẫu nhiên, các nhà địa chấn đã mô
hình các hiệu ứng ảnh hưởng tới băng sóng trong quá trình truyền từ nguồn tới trạm
bằng các mô hình lý thuyết gần đúng cho từng khu vực nghiên cứu cụ thể, và quá
trình phát sinh sóng địa chấn tại nguồn là một quá trình trong thực tế rất phức tạp đã
được đơn giản hóa bằng mô hình một điểm dao động ngẫu nhiên. Ưu điểm của
phương pháp này là không cần có băng sóng của trận động đất xảy ra tại khu vực
nghiên cứu, ta vẫn có thể mô phỏng được, đây cũng là nhược điểm của phương pháp
EGFM. Do vậy, ta có thể mô phỏng động đất tại khu vực bất kỳ, cho dù khu vực này

chưa từng ghi nhận được băng sóng động đất thực tế nào. Nhược điểm của phương
pháp ngẫu nhiên là ta cần thiết lập các tham số mô hình lan truyền sóng từ nguồn tới
trạm bằng các mô hình lý thuyết gần đúng cho từng khu vực nghiên cứu cụ thể. Kết
quả của phương pháp ngẫu nhiên là một tập hợp các băng sóng, mỗi băng sóng ứng
với một dao động ngẫu nhiên của mô hình nguồn phát sinh động đất. Đây cũng là một
nhược điểm của phương pháp ngẫu nhiên, thay vì mỗi trận động đất mô phỏng ta có
một băng sóng thì phương pháp đưa ra một tập hợp băng sóng, thống kê các thông số
thu được từ tập hợp băng sóng này ta mới có được kết quả cuối cùng như PGA,
PGD,PGD… của trận động đất mô phỏng.
1.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp ngẫu nhiên
Năm 1979-1980, Hanks và Mcguire đã xây dựng băng sóng gia tốc từ các mô
hình phổ địa chấn với một quan niệm rằng, các chuyển động tần số cao là ngẫu nhiên
(Hanks, 1979; Mcguire and Hanks, 1980; Hanks and Mcguire, 1981). Các tác giả đã
tính gia tốc đỉnh (PGA) lý thuyết của 16 trận động đất và đưa ra giá trị khá trùng khớp
với số liệu thực tế. Boore (1983) đã tổng quát nghiên cứu của Hanks và Mcguire để
có thể áp dụng với mô hình phức tạp hơn, và mở rộng các nghiên cứu này cho việc
mô phỏng băng sóng, phổ đáp ứng.
Phần quan trọng nhất của phương pháp ngẫu nhiên là phổ của dao động nền.
Thông thường các đặc tính vật lý của quá trình phát sinh và lan truyền sóng địa chấn
được bao hàm trong phổ, và được mô tả bằng một phương trình đơn giản. Hầu hết
các nhà địa chấn khi phát triển một mô hình dao động nền đều tập trung vào việc mô
tả phổ của nó. Boore chia phổ của dao động tại một điểm Y(M0, R, f ) thành 4 hàm

3

số tương ứng với 4 hiệu ứng ảnh hướng đến phổ dao động. Do đó, hàm phổ dao động
Y(M0, R, f ) được viết lại dưới dạng sau:
Y(M0, R, f) = E(M0, f )P(R, f )G(f )I(f ),

(1)

Trong đó: M0 là mô-men địa chấn;
R là khoảng cách chấn tâm;
f là tần số dao động.
Phổ nguồn E(M0,f ), là hàm của độ lớn động đất, được xây dựng trên cơ sở
mô hình omega bình phương (ω2) (Aki, 1967). Aki (1967) đã đưa ra giả thuyết về
tính tương tự của động đất như sau:
M0f3 = hằng số;

(2)

Trong đó: hằng số liên quan tới độ suy giảm ứng suất (Δσ). Theo Brune (1970),
tần số góc được cho bởi phương trình sau:
F0 = 4.9 x 106 βs(Δσ/M0)1/3,

(3)

Trong đó: f0 đơn vị Hz;
βs là vận tốc sóng S ở khu vực nguồn, đơn vị km/s;
Δσ đơn vị bars;
M0 đơn vị dyne.cm.
Hình 1 mô tả phổ nguồn của trận động đất có Mw= 6.5 và Mw = 7.5.

4

Hình 1: Tỉ lệ phổ nguồn 2 trận động đất M6.5 và M7.5 với mô hình omega bình
phương
Hiệu ứng đường truyền (P(R,f), duration)

Sóng động đất lan truyền từ nguồn tới vị trí quan sát, đi qua nhiều lớp đất đá
khiến năng lượng sóng bị suy giảm. Mục đích của nghiên cứu về hiệu ứng đường
truyền là đưa các ảnh hưởng này về một hàm đơn giản, có thể giải thích cho ảnh
hưởng của lan truyền hình học (geometrical spreading), sự suy giảm (do môi trường
tán xạ và hấp thụ năng lượng), và sự tăng thời gian lan truyền theo khoảng cách do
sóng lan truyền và tán xạ. Hiệu ứng đường truyền P(R,f) được mô tả bằng tích của
hàm lan truyền hình học Z(R) và hàm Q(f):
P(R,f) = Z(R)exp[-πfR/Q(f)cQ]

(4)

Trong đó:
-

cQ là vận tốc địa chấn được sử dụng trong xác định Q(f), và hàm lan truyền
hình học Z(R) được cho bởi hàm sau:

5

R0
R

R < R1
R

Z(R1 ) ( 1)

Z(R) =

p1

R

⋮
R

n
{Z(R n ) ( )

R

-

pn

R < R1 < R 2

(5)

Rn < R

R là khoảng cách gần nhất từ trạm tới bề mặt của đứt gãy thay vì khoảng
cách chấn tiêu;

-

Q(f) là hàm suy giảm chấn động, có thể thu được từ các phân tích dữ liệu
vi địa chấn.

Duration: là hàm thời gian lan truyền phụ thuộc vào khoảng cách, đây là tham
số quan trọng, giá trị dao động đỉnh giảm khi thời gian truyền sóng tăng. Boore đã
xây dựng hàm thời gian lan truyền như một hàm của đường truyền. Thời gian dao
động của băng sóng là tổng của thời gian lan truyền trong đứt gãy và thời gian phụ
thuộc vào đường truyền.
Hiệu ứng nền đất G(f): sự thay đổi của sóng địa chấn bởi điều kiện nền đất
địa phương là một phần của hiệu ứng đường truyền. Để thuận tiện cho việc nghiên
cứu, Boore đã tách riêng hiệu ứng nền và hiệu ứng đường truyền.
Hàm thiết lập loại dao động được mô phỏng I(f)
Tùy vào kết quả mô phỏng là dịch chuyển, vận tốc, gia tốc hay phổ đáp ứng
hàm I(f) có biểu thức khác nhau. Với kết quả mô phỏng là dịch chuyển, vận tốc, hoặc
gia tốc hàm I(f) có dạng sau:
I(f) = (2πfi )n

(6)

Trong đó: i là đơn vị ảo, i2 = -1;
n = 0,1 hoặc 2 đối với đầu ra của mô phỏng là dịch chuyển, vận tốc,
hoặc gia tốc tương ứng.
Nếu kết quả mô phỏng là phổ đáp ứng của một dao động thì hàm I(f) có công thức
sau:
I( f ) =

-Vf2

(7)

(f2 -f2r )-2ffr ζi

6

Trong đó:
-

hệ dao động có tần số tự nhiên là fr;

-

hệ số tắt dần là ζ;

-

độ khuếch đại là V (trường hợp phổ đáp ứng V= 1).

Sau khi xây dựng được mô hình phổ cho trận động đất được mô phỏng ở
phương trình (1), có 2 phương pháp để thu được giá trị dao động cực đại (gia tốc cực
đại -PGA, vận tốc cực đại - PGV, dịch chuyển cực đại - PGD) và phổ đáp ứng là
phương pháp mô phỏng băng sóng trong miền thời gian (TD, “Time Domain”) và
phương pháp sử dụng lý thuyết ngẫu nhiên (RV, “Random Vibration”). Boore đã
khẳng định rằng, 2 phương pháp này đưa ra kết quả khá trùng khớp. Do vậy, trong
khuôn khổ luận văn này, học viên trình bày một phương pháp là phương pháp mô
phỏng băng sóng trong miền thời gian.
Phương pháp mô phỏng băng sóng trong miền thời gian thực hiện mô phỏng
băng ghi dao động bằng cách kết hợp phổ phương trình (1) với phổ của một dao động
ngẫu nhiên, sau đó biến đổi phổ kết hợp về miền thời gian để thu được băng sóng
trong miền thời gian. Phổ phương trình (1) là cố định, trong khi phổ dao động ngẫu
nhiên sẽ biến đổi sau mỗi lần mô phỏng, kết quả là ứng với mỗi một phổ ngẫu nhiên
sẽ tương ứng một băng sóng trong miền thời gian.
1.3. Cơ sở lý thuyết phương pháp hàm Green thực nghiệm

Dịch chuyển nền đất trong động đất có thể được mô phỏng bằng 3 phương
pháp khác nhau, đó là lý thuyết, bán thực nghiệm và thực nghiệm. Trong thực tế cấu
trúc địa chất từ nguồn tới điểm quan sát thường phức tạp hơn rất nhiều so với mô
hình lý thuyết. Các phương pháp bán thực nghiệm như phương pháp hàm Green thực
nghiệm, giúp chúng ta giải quyết vấn đề này.
Hartzell (1978) lần đầu tiên đưa ra phương pháp mô phỏng băng dao động của
động đất mạnh bằng hàm Green thực nghiệm. Sau này, phương pháp này được
Kanamori (1975), Irikura (1983, 1986), Miyake, H (2006),… và nhiều người khác
ứng dụng và phát triển. Phương pháp hàm Green thực nghiệm của Irikura (1986) cho
phép mô phỏng băng gia tốc lý thuyết của trận động đất mạnh từ các băng ghi gia tốc

7

của trận động đất nhỏ hơn gần kề. Về cơ bản, phương pháp được xây dựng dựa trên
cơ sở tương quan tham số đứt gãy của hai trận động đất (Kanamori and Anderson,
1975), động đất tuân theo mô hình ω-2 (Brune, 1970, 1971). Khi đó, dao động nền
của động đất được biểu diễn (Aki, 1967, 1980):
N

N

r
F (t ) * (C  u (t ))
r
j 1 ij

U (t )  
i 1

1 ( N 1) n
(k  1)T
F (t )   (t  tij )  ' [ {t  tij 
}]
n k 1
( N  1)n,

(8)

'

tij 

rij  r0
Vs



(9)

 ij
(10)

Vr

Trong đó:
-

U(t) là băng sóng lý thuyết của động đất mạnh thu được nhờ mô phỏng;

-

u(t) là băng sóng quan trắc của động đất nhỏ;

-

N và C là các hệ số tương quan giữa kích thước đứt gãy và độ suy giảm
ứng suất của 2 trận động đất lớn và nhỏ;

-

F(t) là hàm lọc dùng để điều chỉnh sự khác biệt của hàm vận tốc trượt
của 2 trận động đất lớn và nhỏ;

-

Vs và Vr là vận tốc sóng ngang xung quanh vùng nguồn và vận tốc phá
hủy mặt đứt gãy;

-

T là khoảng thời gian dịch trượt tại nguồn của động đất lớn;

-

tij là thời gian dịch trượt tại nguồn của động đất nhỏ;

-

rij là khoảng cách từ trạm quan trắc đến mặt đứt gãy con;

-

r0 là khoảng cách từ trạm quan trắc đến điểm phát sinh động đất trong
mặt đứt gãy của trận động đất lớn;

-

ξij là khoảng cách từ mặt đứt gãy con đến điểm phát sinh động đất trong
mặt đứt gãy của trận động đất lớn.

Irikura và nnk. (1997) đã biến đổi phương trình (9) dưới dạng sau:

8

F (t )   (t  tij ) 

( N 1) n '

1
1
n' (1  )
e



1

[

k 1

( k 1)

e

 {t  tij 

( N 1) n '

(k  1)T
}]
( N  1)n' (11)

Theo Irikura (1986), có thể xác định hai tham số N và C dựa trên đường mức
của phổ dịch chuyển và phổ gia tốc của hai trận động đất lớn và nhỏ (Hình 2).

U0
CN3

Phổ
f
uo cm
dịch
chuyển

Phổ
gia
tốc

CN

fca

A0
a0
fcm
fca
Tần số

Tần số

Hình 2: Phổ dịch chuyển và phổ gia tốc của động đất tuân theo quy luật -2
U0 và u0; A0 và a0 là giới hạn trên (đường mức) của phổ dịch chuyển và phổ
gia tốc của trận động đất lớn và dư chấn.

Uo
 CN 3
uo

(12)

Ao
 CN
ao

(13)

Từ (12) và (13) ta có:

U 
N   0 
 u0 

1
2

 a0 
 
 A0 

9

1
2

(14)

u 
C   0 
 Uo 

1
2

 A0 
 
 a0 

3
2

(15)

Như vậy, với hai biểu thức (14) và (15), chúng ta có thể tính được băng gia tốc
của trận động đất mạnh.
Kết luận chương 1
Chương này học viên đã trình bày cơ sở lý thuyết mô phỏng băng ghi dao động
nền với 2 cách tiếp cận, nhằm giải quyết bài toán sự phức tạp của môi trường truyền
sóng và quá trình phát sinh động đất, đó là phương pháp hàm Green thực nghiệm
(EGFM) và phương pháp ngẫu nhiên (SMSIM). Mỗi cách tiếp cận có cơ sở lý thuyết
và điều kiện áp dụng khác nhau, cụ thể như sau:
-

Phương pháp SMSIM, các tác giả của phương pháp này đã giải quyết vấn đề phức
tạp của quá trình phát sinh và lan truyền sóng trong môi trường thực tế khá phức
tạp như sau:
o Môi trường truyền sóng: được mô hình hóa bằng các đường cong (mô hình)
gần đúng, dựa trên các giá trị đo đạc thực tế tại khu vực nghiên cứu.
o Nguồn phát sinh động đất: được mô tả bằng sự kết hợp giữa mô hình của phổ
nguồn và phổ nhiễu trắng Gaussian.

-

Phương pháp EGFM, các nhà địa chấn đã sử dụng một băng sóng quan sát thực
tế có độ lớn nhỏ xảy ra tại khu vực cần mô phỏng để làm dữ liệu đầu vào cho
chương trình mô phỏng. Chương trình EGFM sẽ hiệu chỉnh sự khác biệt giữa độ
lớn và kích thước đứt gãy của trận động đất lớn và động đất nhỏ để đưa ra được

băng sóng của động đất lớn cần mô phỏng. Với cách thức này, các nhà địa chấn
đã loại bỏ được sự phức tạp của quá trình phát sinh và lan truyền sóng trong môi
trường thực tế. Vì các hiệu ứng này đã được chứa trong băng sóng của trận động
đất nhỏ.
Ta nhận thấy rằng, với cách tiếp cận của phương pháp SMSIM, các nhà địa chấn

đã sử dụng rất nhiều các mô hình gần đúng. Do vậy, độ sai số của phương pháp này
là sự chồng chập sai số của các mô hình gần đúng, dẫn đến độ chính xác của phương

10

pháp SMSIM không cao. Còn với phương pháp EGFM, sự phức tạp của quá trình
phát sinh và lan truyền sóng trong môi trường thực tế đã được giải quyết bằng việc
sử dụng băng sóng của trận động đất nhỏ xảy ra tại khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên,
phạm vi áp dụng của phương pháp này bị giới hạn, do yêu cầu của phương pháp này
là cần có một băng sóng của 1 trận động đất đã xảy ra tại khu vực cần nghiên cứu. Vì
trong thực tế, nhiều khu vực nghiên cứu chưa từng xảy ra động đất, hoặc đã xảy ra
nhưng tại thời điểm xảy ra động đất chưa có máy ghi động đất. Nên ta không có được
băng sóng quan trắc thực tế để sử dụng cho phương pháp EGFM.

11

Chương 2 -SỐ LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH
2.1. Mô phỏng bằng phương pháp SMSIM
Số liệu sử dụng trong chương trình SMSIM
Số liệu được sử dụng trong chương trình SMSIM là thông số của các mô hình
lý thuyết, mô tả quá trình phát sinh, lan truyền sóng và các hiệu ứng được trình bày
ở phần 1.2. Trong khuôn khổ của luận văn, học viên chưa có điều kiện để nghiên cứu

chi tiết đặc điểm môi trường truyền sóng, cũng như điều kiện nền đất tại khu vực
nghiên cứu. Do vậy, học viên đã sử dụng mô hình mẫu của chương trình để mô phỏng.
Các tham số này có nội dung được trình bày trong Hình 4.
Ngoài ra, ta cần biết được độ lớn M và khoảng cách chấn tâm của trận động
đất cần mô phỏng. Trong luận văn này, học viên đã lựa chọn trận động đất M = 4.6
xảy ra ngày 22/10/2012, ở tọa độ 15.383 độ vĩ Bắc, 108.091 độ kinh Đông để mô
phỏng. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với số liệu thực tế ghi được tại trạm ST02,
ST01 đặt tại đập thủy điện Sông Tranh 2 có tọa độ 15.3318333 độ vĩ Bắc,
108.15166667 độ kinh Đông. Do vậy, hai tham số rất cần thiết cho mô phỏng theo
SMSIM là M = 4.6 và khoảng cách chấn tâm (khoảng cách từ chấn tâm trận động đất
M = 4.6 đến trạm ST01, ST02) ~ 9 km.
Chương trình SMSIM mô phỏng theo phương pháp ngẫu nhiên
a) Sơ đồ khối chương trình SMSIM
Chương trình SMSIM phiên bản 1.0 được xây dựng bởi David M. Boore
(1996), Cục Khảo sát Địa chấn Mỹ (U.S. Geological Survey), dựa trên các thay đổi
trong “phương pháp ngẫu nhiên” (stochastic method) được giới thiệu lần đầu tiên bởi
Hanks và McGuire (1981). Cho đến nay, chương trình đã được Boore và các đồng
nghiệp của ông cải tiến phương pháp cũng như thuật toán nhiều lần, phiên bản mới
nhất của chương trình là v7.04 được cập nhật ngày 11/08/2018.
Chương trình là một tập hợp các chương trình con, mỗi chương trình con thực
hiện một chức năng nhất định, mã chương trình được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN,
có thể biên dịch và chạy ở trên máy tính cá nhân. Hình 3 mô tả sơ đồ khối các bước
tính toán của chương trình:

12

Hình 3: Sơ đồ khối của chương trình SMSIM
Trong đó:
-

Bước 1: chương trình đọc các tham số đầu vào như độ lớn động đất, khoảng

cách chấn tiêu, hay các tham số mô hình phổ nguồn, tham số của các hiệu ứng đường
truyền, hiệu ứng nền đất… từ bàn phím và 1 file điều khiển đầu vào. Sau đó, chương
trình dựa vào các tham số đầu vào để tính toán các tham số nguồn thời gian dịch
chuyển tại nguồn, thời gian lan truyền, chiều dài băng sóng, tần số lấy mẫu …
-

Bước 2: Chọn giá trị ngẫu nhiên:

13

1.

Trong vòng lặp đầu tiên, chương trình đọc số “seed” từ tệp đầu vào. Số seed

là 1 số nguyên được sử dụng cho hàm tạo số ngẫu nhiên.
2.

Sau mỗi vòng lặp chương trình sẽ tạo ra một số seed mới cho vòng lặp tiếp

theo. Do vậy, từ vòng lặp thứ 2 chương trình sẽ lấy số seed từ vòng lặp trước để tạo
chuỗi ngẫu nhiên mới.
-

Bước 3: Tạo băng gia tốc:

1.

Tạo nhiễu cho băng sóng: với mỗi số “seed” được chọn ở bước 2, chương trình

sẽ tạo ra một chuỗi số ngẫu nhiên có phân bố Gaussian chuẩn tắc (trung bình bằng 0
và phương sai bằng 1). Sử dụng chuỗi số ngẫu nhiên có phân bố chuẩn Gaussian
chương trình sẽ tạo được nhiễu có giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1,
nhiễu này được gọi là “nhiễu trắng Gaussian”. Nhiễu trắng Gaussian có mật độ năng
lượng trải đều trên toàn bộ dải phổ.
2.

Áp dụng cửa sổ thời gian: Sử dụng thông số tần số lấy mẫu, chiều dài băng

sóng tính được ở bước 1 kết hợp với nhiễu ngẫu nhiên Gaussian chương trình sẽ tạo
được băng sóng trong miền thời gian.
3.

Chuyển sang miền tần số: chương trình sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc

để chuyển băng sóng từ miền thời gian sang miền tần số.
4.

Nhân phổ với phổ mô hình: nhân phổ của băng sóng vừa tính với mô hình phổ

được xây dựng dựa trên công thức (1) ta sẽ được phổ của băng sóng cần mô phỏng.
5.

Chuyển lại miền thời gian: chương trình biến đổi phổ của băng sóng về miền

thời gian.
-

Bước 4: Xử lý băng gia tốc:

1.

Tính gia tốc đỉnh

2.

Tính và lưu tích phân của bình phương gia tốc

3.

Tính và lưu các giá trị sau:

a.

Băng vận tốc

b.

Đáp ứng tại các chu kỳ đã chọn với hệ số tắt dần

c.

Băng sóng của máy Wood-Anderson

4.

Lưu dữ liệu miền thời gian, nếu yêu cầu.

-

Bước 5: Tính cho giá trị ngẫu nhiên khác.

14

Bước này chương trình sẽ kiểm tra việc tiếp tục mô phỏng băng sóng khác ứng
với giá trị ngẫu nhiễn mới hay dừng việc mô phỏng lại. Số lượng băng sóng mô phỏng
trong miền thời gian được thiết đặt bằng tham số “nsim” (“number of simulation”).
Chương trình sẽ kiểm tra số vòng lặp và nsim, nếu số vòng lặp bằng nsim thì chương
trình sẽ kết thúc. Mỗi vòng lặp chương trình sẽ tính ra một băng sóng ngẫu nhiễn. Do
vậy, sau nsim vòng lặp ta sẽ có một tập hợp gồm nsim băng sóng. Số nsim càng lớn
thì kết quả trung bình càng đáng tin cậy do dảm bảo được tính thống kê ngẫu nhiên.
Tuy nhiên, nếu nsim quá lớn sẽ làm tốn nhiều thời gian tính toán.
-

Bước 6: Tính và in ra kết quả thống kê của của các giá trị ngẫu nhiên. Bước

này chương trình sẽ in kết quả ra các tệp đầu ra, lưu lại các kết quả tính toán.
b) Các tham số đầu vào cơ bản sử dụng trong chương trình SMSIM
-

rho, beta, prtitn, radpat, fs lần lượt là các tham số:
rho: mật độ (gm/cc);
beta: vận tốc sóng S (km/s) ở nguồn;
prtitn: hệ số phân chia năng lượng sóng S vào 2 thành phần nằm ngang thường
là 1/√2;
radpat: hệ số hiệu chỉnh mô hình truyền sóng;

fs: hệ số bề mặt tự do (free surface factor), thường bằng 2.

-

source number, pf, pd là các tham số thiếp lập hình của phồ nguồn:
“Souce number” là số tần số góc của mô hình phổ nguồn;
Tham số pf và pd chỉ được dùng khi mô hình nguồn có 1 tần số góc, khi đó
phổ nguồn có phương trình sau:
S(f ) = 1/(1 + (f /fc)pf )pd
Trong đó:
fc là tần số góc;
pf = 2;
pd = 1.

15

(16)

Hình góc nhọn hơn thì pf = 4 và pd = 0.5. Trong tất cả các trường hợp thì mô
hình ω2 yêu cầu pf x pd = 2.
-

stressc, dlsdm, fbdfa, amagc là tham số thiếp lập tỷ lệ của biên bộ phổ và kích

thước nguồn. Tham số fbdfa và amgac là được dùng nếu mô hình phổ có 2 tần số góc.
Nếu mô hình phổ có 1 tần số góc thì tham số suy giảm ứng suất là:
∆σ = stressc × 10dlsdm×(M−amagc)
-

(17)

rref, nsegs, (rlow(i), a s(i), b s(i), m s(i), i = 1, nsegs): Đây là tham số thiết lập

cho hiệu chỉnh sự lan truyền hình học, được biểu thị bằng nsegs đoạn, mỗi đoạn bắt
đầu bằng rlow với phụ thuộc khoảng cách rslope cho khoảng cách ở ngoài rlow.
-

fr1, Qr1, s1, ft1, ft2, fr2, Qr2, s2, c_q: Tham số hệ số suy giảm đường truyền:
exp(−πfr/Q(f )c_q)

-

(18)

w_fa, w_fb Tham số hiệu chỉnh thời gian nguồn (source duration) được tính

bằng công thức:
dursource = w_fa/fa + w_fb/fb

(19)

Trong đó fa và fb là tần số góc của phổ nguồn. Nếu mô hình phổ nguồn có 1
tần số góc thì fa= fb. Do vậy, trong trường hợp có bao nhiêu tần số góc thì hệ số w_fa
và w_fb vẫn được dùng. Trong bài báo của Atkinson và Boore (1995), ông sử dụng
w_fa = 0.5 và w_fb= 0.
-

nknots, (rdur(i), dur(i), i = 1, nknots), slope of last segmen: Đây là tham số mô

hình sự phụ thuộc thời gian dao động vào đường truyền (“path duration”).
-

namps, (famp(i), amp(i), i = 1, namps): Đây là các tham số của mô hình xấp

xỉ hàm khuếch đại nền. Nếu không sử dụng hệ số này thì đặt tham số namps = 0 và
amp = 1.0, famp là số bất kỳ.
-

fm, kappa, dkappadmag, amagkref
Đây là những tham số được sử dụng trong bộ lọc sau:
exp (−πκf )⁄√1 + (f⁄fm )8

(20)

Trong đó:

16

Mô phỏng trận động đất m=4 6 xảy ra tại khu vực đập thủy điện sông tranh 2

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về