Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ (phép biến đổi wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến dạng không gian từ kết quả xử lý

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

LẠI VĂN THỦY

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ
(BIẾN ĐỔI WAVELET) ĐỂ PHÂN TÍCH NỘI SUY VẬN TỐC
CHUYỂN DỊCH VÀ BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TỪ KẾT QUẢ XỬ
LÝ DỮ LIỆU ĐO GPS MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐỊA ĐỘNG LỰC
KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM

Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ
Mã số : 9.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TSKH. ĐẶNG HÙNG VÕ
TS. DƯƠNG CHÍ CÔNG

HÀ NỘI, 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất cứ công trình
nào khác.

Tác giả luận án

Lại Văn Thủy


LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ dưới sự
hướng dẫn khoa học của GS.TSKH. Đặng Hùng Võ và TS. Dương Chí Công.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hướng dẫn tận tình,
sát sao của các Thầy trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành dự án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Khoa học Đo đạc và Bản
đồ đã cho phép tham khảo, sử dụng tài liệu, số liệu đo; tạo điều kiện về thời gian
và cơ sở vật chất trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn
các nhà khoa học đã góp ý, trao đổi để Nghiên cứu sinh hoàn thiện các nội dung
nghiên cứu; nghiên cứu sinh cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, khích lệ
kịp thời của đồng nghiệp, bạn bè và người thân, tạo điều kiện thuận lợi để
nghiên cứu sinh hoàn thành luận án trong thời gian ngắn nhất.


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI..................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................vi
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................7
1.1. Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất.........7
1.1.1. Mảng kiến tạo..........................................................................................7
1.1.2. Đứt gãy kiến tạo......................................................................................9
1.1.3. Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất...................................... 13

1.2. Tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp
trắc địa ở Việt Nam...........................................................................................20
1.3. Tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới......................................................23
1.3.1. Tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ [22],[33].........................23
1.3.2. Tổng quan về ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong trắc
địa trên thế giới................................................................................................... 27
1.3.3. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.........................................................31
1.4. Kết luận Chương 1.....................................................................................32
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XẤP XỈ SÓNG NHỎ TRONG
NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT..................................................34
2.1. Cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu...........................34
2.2. Tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS.....................39
2.3. Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương
pháp xấp xỉ sóng nhỏ........................................................................................ 46
i


2.4. Tính các đại lượng biến dạng....................................................................53
2.4.1. Tính tensor gradient vận tốc..................................................................53
2.4.2. Tính tốc độ xoay (Rotation rate)........................................................... 58
2.4.3. Tính tốc độ biến dạng (Strain rate)....................................................... 59
2.4.4. Tính tốc độ trương nở (Dilatation rate).................................................60
2.5. Kết luận Chương 2.....................................................................................61
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG BIẾN
DẠNG VỎ TRÁI ĐẤT KHU VỰC MIỀN BẮC VIỆT NAM...........................63
3.1. Đánh giá, phân tích chất lượng số liệu thực nghiệm...............................63
3.1.1. Đánh giá, phân tích chất lượng mốc quan trắc......................................63
3.1.2. Đánh giá, phân tích chất lượng dữ liệu quan trắc................................. 64
3.1.3. Đánh giá, phân tích kết quả tính vận tốc chuyển dịch tuyệt đối của

các điểm trong mạng lưới quan trắc....................................................................69
3.2. Tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc...............72
3.2.1. Sơ đồ quy trình tính toán.......................................................................72
3.2.2. Xây dựng modul tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực............73
3.2.3. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực...........................74
3.3. Nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương.................................... 80
3.3.1. Sơ đồ quy trình tính toán.......................................................................80
3.3.2. Phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch...............................81
3.3.3. Kết quả phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch........................82
3.4. Tính các đại lượng biến dạng....................................................................89
3.4.1. Sơ đồ quy trình tính toán.......................................................................89
3.4.2. Phần mềm tính toán các đại lượng biến dạng....................................... 90
ii


3.4.3. Kết quả tính toán, biên tập bản đồ trường biến dạng khu vực miền
Bắc Việt Nam......................................................................................................91
3.5. Đánh giá hiệu quả của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ............................99
3.5.1. Đánh giá kết quả phân tích biến dạng của phương pháp xấp xỉ
sóng nhỏ với phương pháp tính biến dạng Frank................................................99
3.5.2. Đánh giá kết quả tính biến dạng của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
so với các kết quả tính biến dạng trên khu vực Miền Bắc trước đó..................107
3.5.3. Thảo luận, đánh giá chung về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ.............108
3.6. Kết luận Chương 3...................................................................................109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................111
I. Kết luận........................................................................................................ 111
II. Kiến nghị.....................................................................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH........................................................... 119

iii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI
Ký hiệu
viết tắt

Viết đầy đủ bằng
tiếng nước ngoài

Giải thích bằng
tiếng Việt

CWT

Continuos Wavelet Transform

Biến đổi sóng nhỏ liên tục

DWT

Discrete Wavelet Transform

Biến đổi sóng nhỏ rời rạc

DOG

Difference of Gaussians

Hàm sóng nhỏ trên mặt cầu

GNSS

Global Navigation Satellite
System

Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

IGS

International GNSS Service

Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế

ITRF

International Terrestrial
Reference Frame

Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế

MRA

Multiresolution analysis

Phân tích đa phân giải

OCV

Ordinary Cross-Validation

Đánh giá chéo thông thường

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam

9

Bảng 1.2. Kết quả tính chuyển dịch của đề tài KC.09.11/06-10

22

Bảng 2.1. Khoảng cách giữa các điểm lưới trên mặt cầu tương ứng với q

36

Bảng 3.1. Tổng hợp tọa độ và vận tốc chuyển dịch của các điểm IGS

68

xung quanh Việt Nam tại thời điểm ngày 01/01/2005
Bảng 3.2. Tổng hợp véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng lưới GPS

70

Bảng 3.3. Kết quả tính tham số góc Ơ-le

75

Bảng 3.4. Kết quả tính vận tốc quay và tọa độ cực quay Ơ-le

75

Bảng 3.5. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch khu vực tại điểm quan trắc

75

Bảng 3.6. Kết quả tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại điểm quan trắc 77
Bảng 3.7 Kết quả tính nội suy vận tốc chuyển dịch không gian

84

Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả tính các vận tốc biến dạng theo khu
vực

102

Bảng 3.9. Kết quả tính vận tốc biến dạng của các đới đứt gãy

104

Bảng 3.10. Bảng so sánh kết quả tính biến dạng theo đứt gãy

106

Bảng 3.11. Bảng so sánh kết quả tính biến dạng đã được công bố

107

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam

8

Á Hình 1.2. Bản đồ hệ thống đứt gãy chính trên lãnh thổ Việt Nam

1
2

Hình 1.3. Tốc độ biến dạng của điểm Hình 1.4. Mô tả hình thái của
sự trương nở
Hình 2.1. Tập hợp các điểm lưới tam giác ở các quy mô khác nhau
Hình 2.2. Sóng nhỏ trên cầu tương ứng với cáckhác nhau khi q =3
Hình 2.3. Sự thay đổi biên độ dọc đường kinh tuyến theo khi q = 3
Hình 2.4. Phạm vi điểm đo khu vực miền Bắc được chọn để phân tích
Hình 2.5. Tập hợp các điểm trên hình cầu G ở Miền Bắc (q từ 7 đến 9)
Hình 2.6. Tập hợp các điểm lưới và bậc được chọn để phân tích biến

dạng khu vực Miền Bắc
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí điểm quan trắc trên khu vực Miền Bắc
Hình 3.2. Xác định chiều cao Antenna theo phương pháp đo nghiêng
Hình 3.3. Xác định chiều cao Antenna theo phương pháp đo thẳng
đứng
Hình 3.4. Sơ đồ phân bố các điểm IGS xung quanh Việt Nam
Hình 3.5. Sơ đồ quy trình tính vận tốc chuyển dịch chung của khu vực
Hình 3.6. Giao diện phần mềm tính vận tốc chuyển dịch chung của khu
vực
Hình 3.7. Sơ đồ quy trình nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa
phương
Hình 3.8. Giao diện phần mềm phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch

1
8
1
9
3
5
3
6
3
7
3
8
3
8
3
9
6

3
6
5
6
6

Hình 3.9. Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng Bắc
6
7
7


3
74

8
2

80

8
3
vi


Hình 3.10. Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng Đông

83

Hình 3.11. Tham số chính tắc hóa của véc tơ vận tốc theo hướng đứng

84

Hình 3.12. Bản đồ trường vận tốc chuyển dịch ngang khu vực Miền Bắc

87

Hình 3.13. Bản đồ trường vận tốc chuyển dịch đứng khu vực Miền Bắc

88

Hình 3.14. Sơ đồ quy trình tính các đại lượng biến dạng

89

Hình 3.15. Giao diện phần mềm tính trường biến dạng

90

Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn trường tốc độ xoay

91

Hình 3.17. Bản đồ trường tốc độ xoay

92

Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn tốc độ biến dạng

93

Hình 3.19. Bản đồ trường tốc độ biến dạng

94

Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn tốc độ trượt

95

Hình 3.21. Bản đồ trường tốc độ trượt

96

Hình 3.22. Đồ thị biểu diễn tốc độ trương nở

97

Hình 3.23. Bản đồ trường tốc độ trương nở

98

Hình 3.24. Đồ hình tam giác tính biến dạng khu vực Miền Bắc

100

Hình 3.25. Bản đồ trường vận tốc biến dạng khu vực Miền Bắc theo
101

phương pháp Frank
Hình 3.26. Bản đồ trường tốc độ biến dạng khu vực Miền Bắc theo

101

phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ
Hình 3.27. Bản đồ biến dạng theo đứt gẫy trên khu vực Miền Bắc

vii

106


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trắc địa là ngành khoa học nghiên cứu các đặc trưng hình học của Trái
Đất trong trạng thái tĩnh và trạng thái động. Phương pháp luận chủ yếu là thu
nhận thông tin về bề mặt Trái Đất, xử lý thông tin thu nhận được để xác định,
mô phỏng bề mặt, kích thước, hình dạng Trái Đất và nghiên cứu chuyển động
hiện đại của vỏ Trái Đất bằng các phương pháp đo đạc. Các phương pháp đo đạc
được hình thành dựa trên sự tiến bộ của công nghệ thu nhận thông tin về Trái
Đất, gọi chung là thông tin địa lý hay thông tin không gian. Theo thời gian, đã
lần lượt trải qua các công nghệ như: Công nghệ quang học để đo góc, công nghệ
sử dụng sóng điện từ để đo khoảng cách, công nghệ sử dụng các hiệu ứng vật lý
để đo khoảng cách từ các vật thể chuyển động, v.v.
Kể từ khi công nghệ vệ tinh nhân tạo ra đời, một phần lớn thành quả của
công nghệ này tập trung vào phát triển các phương pháp thu nhận thông tin
không gian từ các vệ tinh nhân tạo như đo tọa độ bằng hiệu ứng Doppler, đo
khoảng cách bằng laser, đo độ cao mặt biển Altimetry, đo trọng lực Trái Đất từ
vệ tinh Gradiometry, chụp ảnh mặt đất từ vệ tinh bằng camera quang học hoặc
radar và hiệu quả nhất là công nghệ dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Global
Navigation Satellite System - GNSS).

Ngày nay, công nghệ vệ tinh GNSS được coi là hạ tầng kỹ thuật hiện đại,
xuất phát từ công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu GPS (Global Positioning
System) với các ưu điểm nổi trội như không đòi hỏi sự thông hướng; công tác đo
đạc được tiến hành trong mọi điều kiện thời tiết; có thể nhanh chóng phát triển
mạng lưới không gian ba chiều trên phạm vi lớn… đã cho phép xác định véc tơ
chuyển dịch ngang của vỏ Trái Đất với độ chính xác đến milimet và véc tơ
chuyển dịch đứng với độ chính xác dưới centimet. Công nghệ vệ tinh GNSS đã
và đang là một trong những giải pháp chủ yếu được sử dụng trong xây dựng
mạng lưới trắc địa quan trắc chuyển động hiện đại của vỏ Trái Đất. Cùng với sự
phát triển mạnh mẽ về công nghệ vệ tinh GNSS, các phần mềm GAMIT do Mỹ
1


phát triển hoặc phần mềm BESNESE do Trường Đại học Bern, Thụy Sỹ phát
triển cho phép tính véc tơ chuyển dịch có độ chính xác cao rất nhanh chóng,
thuận tiện. Các phần mềm phân tích biến dạng cũng đã được nhiều nước trên thế
giới xây dựng dựa trên các thuật toán cơ bản như phương pháp tam giác (Frank
1966); phương pháp nội suy spline lập phương (Haines et al.1998); phương pháp
nghịch đảo biến thiên cạnh cơ sở (Spakman& Nyst 2002), v.v. Các phần mềm
này bảo đảm các chức năng và những lợi thế riêng để có thể đáp ứng các mục
đích tính toán khác nhau và phù hợp với yêu cầu phân tích biến dạng của từng
khu vực.
Ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS trước đây (nay là GNSS) để
nghiên cứu biến dạng vỏ Trái đất theo đới đứt gãy đã được các nhà khoa học ở
Việt Nam thực hiện trong 20 năm qua. Tuy nhiên, các kết quả tính toán, phân
tích chuyển dịch và biến dạng mới chỉ thực hiện riêng lẻ cho từng đới đứt gãy
hoặc trên khu vực nhỏ theo các đa giác phẳng; việc nghiên cứu đánh giá chuyển
dịch của vỏ Trái Đất theo quy mô khu vực trong mô hình không gian hiện chưa
được nghiên cứu ở Việt Nam.
Năm 2009, tác giả Tape, C [41] đã giới thiệu phương pháp xấp xỉ sóng

nhỏ để phân tích, ước lượng trường biến dạng từ kết quả đo GNSS và đã được
áp dụng ở Mỹ và Trung Quốc. Các kết quả được công bố đã chỉ ra được thực
trạng biến dạng vỏ Trái đất trong khu vực nghiên cứu. Ở Việt Nam, phương
pháp xấp xỉ sóng nhỏ chưa được áp dụng trong nghiên cứu chuyển động hiện đại
vỏ Trái Đất. Qua nghiên cứu về khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉ
sóng nhỏ trong trắc địa đã phát hiện ra những ưu điểm của phương pháp này khi
phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và tính toán các đại lượng biến dạng của
vỏ Trái Đất. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn phương pháp xấp xỉ sóng
nhỏ để thực hiện luận án: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng
nhỏ (phép biến đổi Wavelet) để phân tích, nội suy vận tốc chuyển dịch và biến
dạng không gian từ kết quả xử lý dữ liệu đo GPS mạng lưới trắc địa địa động
lực khu vực miền Bắc Việt Nam”.
2


2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội suy và minh
giải chuyển dịch, biến dạng không gian 3 chiều từ kết quả tính toán xử lý dữ liệu
đo đạc bằng công nghệ GPS mạng lưới địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt
Nam.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
a. Nghiên cứu tổng quan về phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ và khả năng
ứng dụng của phương pháp này trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới.
b. Nghiên cứu, áp dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ để phân tích, nội
suy trường vận tốc chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái đất khu vực miền
Bắc Việt Nam từ kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa
động lực.
c.

Xây dựng phần mềm tính toán, phân tích, nội suy trường vận tốc

chuyển dịch và biến dạng hiện đại vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam từ
kết quả tính vận tốc chuyển dịch của mạng lưới trắc địa địa động lực.
d. Thu thập, phân tích, chuẩn hoá véc tơ vận tốc chuyển dịch của mạng
lưới trắc địa địa động lực trên khu vực miền Bắc Việt Nam.
g. Tính toán, phân tích, minh giải trường biến dạng hiện đại khu vực miền
Bắc Việt Nam.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết của phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ;
vận tốc chuyển dịch của các điểm, trường chuyển dịch và trường biến dạng của
vỏ Trái Đất khu vực miền Bắc Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu: Các đứt gãy có dấu hiệu hoạt động mạnh trên khu
vực miền Bắc Việt Nam trong phạm vi từ 19,5 độ đến 23 độ vĩ Bắc và từ 103 độ
đến 108 độ kinh Đông trong thời gian từ năm 2012 đến năm 2017.
5. Phương pháp nghiên cứu
3


Để hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh sử dụng một số phương pháp sau:
- Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các
thông tin trên internet và thư viện;
- Phương pháp toán học: Nghiên cứu phương pháp tính toán nội suy và
đánh giá độ chính xác nội suy của trường vận tốc chuyển dịch địa phương;
- Phương pháp so sánh: So sánh phân tích ưu nhược điểm của phương
pháp sóng nhỏ với phương pháp tam giác do Frank đề xuất;
- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm để chứng minh cho việc lựa
chọn cơ sở lý thuyết là hoàn toàn đúng đắn;
- Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng và triển khai các thuật toán bằng
ngôn ngữ lập trình Matlab.
6. Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ là giải pháp kỹ thuật phù hợp
và có hiệu quả cao trong xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất từ các số
liệu đo mạng lưới GNSS địa động lực tại khu vực miền Bắc Việt Nam.
Luận điểm 2: Kết quả tính toán thực nghiệm với vận tốc chuyển dịch nhận
được trong 6 chu kỳ đo (từ năm 2012-2017) đã cho thấy hoạt động của các đứt
gẫy trên khu vực miền Bắc Việt Nam có tốc độ nhỏ và tập trung chủ yếu ở vùng
Tây Bắc (xung quanh đứt gẫy Lai Châu - Điện Biên).
7. Điểm mới của luận án
Một là, Đưa ra giải pháp nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương
trên cơ sở mối quan hệ trong không gian của các điểm lân cận dựa trên hàm xấp
xỉ sóng nhỏ trên mặt cầu.
Hai là, Ứng dụng thành công phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên
cứu, xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất (trường tốc độ xoay; trường
tốc độ biến dạng; trường tốc độ trượt; trường tốc độ trương nở) từ kết quả nội
suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương.
4


Ba là, Đề xuất quy trình tính toán và xây dựng được phần mềm tính toán
phân tích, nội suy trường vận tốc chuyển dịch; tính toán các đại lượng biến dạng
vỏ Trái Đất bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.
8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển lý thuyết xử
lý số liệu quan trắc địa động lực; làm sáng tỏ thêm đặc điểm chuyển động kiến
tạo hiện đại của vỏ Trái Đất trên khu vực miền Bắc Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn: Quy trình tính toán và phần mềm tính toán hỗ trợ có
hiệu quả trong xử lý số liệu của các mạng lưới trắc địa địa động lực. Kết quả
nghiên cứu về trường biến dạng khu vực có thể sử dụng trong phân tích dự báo
tai biến tự nhiên do hoạt động kiến tạo hiện đại vỏ Trái đất gây ra; xây dựng và
bố trí hệ thống điểm quan trắc cảnh báo, dự báo hoạt động tai biến tự nhiên; làm

căn cứ để quy hoạch và xây dựng phương án bố trí di dời khi có dự báo xảy ra
tai biến địa chất; là căn cứ trong xây dựng các công trình và hạ tầng phục vụ cho
phát triển kinh tế - xã hội có lưu ý tới tai biến địa chất; cung cấp số liệu chính
xác về tọa độ địa lý và vận tốc chuyển dịch của các điểm phục vụ cho các công
trình nghiên cứu khác nhau về kiến tạo hiện đại vỏ Trái đất.
9. Cơ sở tài liệu
Luận án được xây dựng trên những cơ sở sau: Vận tốc chuyển dịch nhận
được trong 6 chu kỳ đo (2012 - 2017) của mạng lưới trắc địa địa động lực do
Viện khoa học Đo đạc và Bản đồ thực hiện tại Dự án “Xây dựng mạng lưới trắc
địa địa động lực trên khu vực các đứt gãy thuộc miền Bắc Việt Nam phục vụ
công tác dự báo tai biến tự nhiên” theo Quyết định số 1665/QĐ-BTNMT ngày
26 tháng 8 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường; số liệu quan
trắc của lưới trắc địa IGS (lưới trắc địa toàn cầu - International GNSS Service);
kết quả nghiên cứu đề tài khoa học công nghệ cấp cơ sở và công bố trong tạp
chí, hội nghị khoa học trong và ngoài nước của tác giả. Ngoài ra, nghiên cứu
sinh còn tham khảo 47 công trình nghiên cứu, bài báo khoa học đã công bố có
liên quan đến luận án.
5


10. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục các công
trình đã công bố liên quan đến luận án của nghiên cứu sinh, nội dung luận án
được trình bày trong 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Trình bày tổng quan về
những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất; tổng quan về
tình hình nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất bằng phương pháp trắc địa ở Việt
Nam; tổng quan về khả năng ứng dụng phương pháp xấp xỉ sóng nhỏ ở Việt
Nam và trên thế giới.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết xấp xỉ sóng nhỏ trong nghiên cứu biến dạng

vỏ Trái Đất: Trình bày cơ sở lý thuyết của hàm sóng nhỏ DOG trên mặt cầu; cơ
sở lý thuyết tính vận tốc chuyển dịch địa phương từ số liệu đo GNSS; cơ sở lý
thuyết nội suy trường vận tốc chuyển dịch địa phương bằng phương pháp xấp xỉ
sóng nhỏ; cơ sở lý thuyết tính các đại lượng biến dạng của khu vực.
Chương 3. Thực nghiệm tính toán các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất
khu vực miền Bắc Việt Nam: Trình bày những phân tích đánh giá chất lượng
mốc quan trắc và số liệu đo GNSS, đánh giá độ tin cậy của kết quả tính toán vận
tốc chuyển dịch tuyệt đối trên khu vực miền Bắc Việt Nam; trình bày quy trình,
phần mềm tính vận tốc chuyển dịch địa phương tại các điểm quan trắc, nội suy
vận tốc chuyển dịch không gian cho các điểm lưới GRID đặc trưng cho trường
vận tốc chuyển dịch khu vực, tính các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất trên khu
vực Miền Bắc; trình bày kết quả tính toán thực nghiệm xác định trường biến
dạng khu vực miền Bắc Việt Nam và thảo luận các vấn đề nghiên cứu nhằm làm
rõ các ưu, nhược điểm cũng như khả năng ứng dụng của phương pháp xấp xỉ
sóng nhỏ trong tính toán xác định các đại lượng biến dạng vỏ Trái Đất ở quy mô
khu vực.

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Những khái niệm cơ bản trong nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất
1.1.1. Mảng kiến tạo
Theo thuyết kiến tạo mảng, lớp ngoài cùng của Trái Đất (thạch quyển) là
chất rắn gắn kết nằm trên một quyển yếu hơn là quyển mềm. Thạch quyển vỡ ra
làm nhiều phần được gọi là mảng kiến tạo. Bề mặt Trái Đất có thể chia ra thành
bẩy (07) mảng chính, gồm: Mảng Thái Bình Dương, mảng Á-Âu, mảng Ấn Độ Ôxtrâylia, mảng Châu Phi, mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ, mảng Nam Cực và
nhiều mảng kiến tạo nhỏ. Ranh giới giữa hai mảng kiến tạo là các đứt gãy, đứt
gãy sâu hoặc các kiểu phá hủy tổng hợp khác.
Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyển

động theo một tiến trình gọi là sự trôi dạt lục địa trên quyển mềm. Các mảng này
di chuyển tương đối với nhau theo một trong ba dạng chính đó là: Hội tụ (xô húc
vào nhau); tách giãn (trượt dọc với phương trượt gần như song song với phương
tách dãn); trượt ngang (phương trượt vuông góc với phương tách dãn). Các lực
được tạo ra tại các ranh giới hình thành các dãy núi gây nên núi lửa phun trào và
động đất. Hiện tượng này cùng với các quá trình kèm theo được gọi là hoạt động
kiến tạo.
Trong các mô hình động học thạch quyển, chuyển động của mảng hay
khối được đại diện bởi vận tốc quay của phần nội mảng (nội khối) ổn định và
được mô tả bằng véc tơ Ơ-le bao gồm 3 thành phần tọa độ điểm gốc và 3 thành
phần vận tốc góc quay của véc tơ. Các thành phần góc quay Ơ-le có thể xác định
chuyển động của mảng hoặc khối kiến tạo bằng các phương pháp khác nhau.
Tuy nhiên, hiện nay phương pháp trắc địa được coi là chính xác và tin cậy hơn
cả vì đây là phương pháp hình học có định lượng.
Để đơn giản hóa việc lập mô hình biến dạng mảng lục địa, một cách tiếp
cận khá phổ biến là nhấn mạnh vai trò của các đứt gãy, đồng thời thừa nhận mô
hình biến dạng gián đoạn trong lớp vỏ trên dễ vỡ hoặc đàn hồi và ứng dụng
7


phương pháp tiếp cận khối, trong đó mỗi khối bao gồm vùng nội khối ổn định
nằm xa đứt gãy và đới biến dạng nằm kề đứt gãy. Khi nghiên cứu chuyển động
phần nội khối, thành phần chuyển động đứng được coi bằng không. Ở khu vực
rìa chuyển động mảng sẽ tạo ra sự phá hủy, nâng hạ theo các kiểu phá hủy tổng
hợp khác nhau, nên thành phần chuyển động đứng của vỏ Trái Đất có sự thay
đổi [17].
Khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam nằm ở phía đông nam của
mảng Á-Âu và chủ yếu được hình thành bởi hoạt động kiến tạo tại ranh giới các
mảng hay khối bao quanh, được thể hiện trên Hình 1.1 dưới đây.

Hình 1.1. Bản đồ phân khối kiến tạo hiện đại khu vực Đông Nam Á [39]
8


Có thể nhận thấy, lãnh thổ Việt Nam nằm trên hai khối kiến tạo đó là khối
Nam Trung Hoa (South China Block) và khối Sunda (Sundaland Block) mà ranh
giới là đứt gãy Sông Hồng. Trong kiến tạo địa phương, thuật ngữ “khối kiến
tạo” còn được dùng để chỉ những khối cấu trúc là yếu tố cấu thành của một khối
trong kiến tạo khu vực [17].
Xét dưới góc độ chuyển động mặt và vỏ Trái Đất liên quan tới động đất,
người ta phân biệt chuyển dịch đồng thời với động đất (coseismic displacement)
và chuyển dịch giữa hai lần động đất (interseismic displacement). Mô hình
chuyển dịch mặt đất do động đất phụ thuộc vào từng loại đứt gãy gây nên động
đất, chuyển động của khối kiến tạo được coi là tổng của chuyển dịch đồng thời
với động đất và chuyển dịch giữa hai lần động đất [17].
1.1.2. Đứt gãy kiến tạo
Đứt gãy (còn gọi là biến vị, đoạn tầng hoặc phay) là một hiện tượng địa chất
liên quan tới các quá trình kiến tạo trong vỏ Trái Đất. Đứt gãy chia làm nhiều loại:
Đứt gãy thuận, đứt gãy nghịch, đứt gãy ngang... Thông thường, đứt gãy thường xảy
ra tại nơi có điều kiện địa chất không ổn định. Đứt gãy kiến tạo, nhất là những đứt
gãy lớn, chạy dài hàng trăm, hàng ngàn cây số qua nhiều vùng lãnh thổ với địa hình
và kiến tạo khác nhau. Do nằm cách xa phần ranh giới của mảng kiến tạo nên các
đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam là những đứt gãy nội mảng, các đứt gãy này đóng
vai trò phân chia các khối thạch quyển cấp II, III và IV. Theo tác giả Cao Đình
Triều [19], các đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp 1 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động
ở Việt Nam và lân cận bao gồm 11 đứt gãy, được ký hiệu là F II; các đứt gãy cấp III
thạch quyển (cấp 2 Việt Nam) có dấu hiệu hoạt động ở Việt Nam và lân cận bao
gồm 34 đứt gãy, được ký hiệu là F III . Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam
được thống kê trong Bảng 1.1 dưới đây.

Bảng 1.1. Hệ thống các đứt gẫy trên lãnh thổ Việt Nam [19]
Đặc điểm
Số
TT

Ký
hiệu

Tên đới đứt gãy

Hình thái - Hình động học
Phương
Độ
Hướng cắm
phát triển
sâu
9

Bề
rộng


(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

TQ

30

1. Đới đứt gãy cấp II thạch quyển (cấp I Việt Nam)
0

0

1

FII.1

Lai Châu - Điện Biên

KT

?: 60 ÷ 80

2

FII.2

Sông Hồng

TB

ĐB: 600 ÷ 700

TQ

30

3

FII.3

Sông Lô

TB

TN: 60 ÷ 70

0

TQ

30

4

FII.4

Bắc Hoàng Sa

ĐB

TB

TQ

40

5

FII.5

Phú Lâm - Linh Cẩu

ĐB

TB

TQ

30

6

FII.6

Ranh giới vỏ Đại Dương

7

FII.7

Thuận Hải - Minh Hải

ĐB

8

FII.8

Nam Côn Sơn - Tư Chính

ĐB

9

FII.9

Ba Tháp

TB

TN: 70 ÷ 80

10

FII.10

Natuna

KT

T

11

FII.11

Sarawak - Baram - Palawan

0

TQ
TB: 500 ÷ 700

TQ

30

TQ
0

0

TB, ĐB,
ĐB

TQ

30-40

TQ

30

TQ

30

2. Đới đứt gãy cấp III thạch quyển (cấp II Việt Nam)
0

0

XV

20-30

0

0

XV

10-20

TB

ĐB: 500 ÷ 700

XV

10-20

Sơn La

TB

ĐB: 60 ÷ 70

FIII.5

Điện Biên - Sầm Nưa Thường Xuân

TB

6

FIII.6

Yên Minh - Bắc Kạn (Sông
Đáy)

7

FIII.7

8
9

1

FIII.1

Phong Thổ

TB

TN: 65 ÷ 85

2

FIII.2

Phan Sipan

TB

TN: 60 ÷ 80

3

FIII.3

Mường La - Bắc Yên

4

FIII.4

5

0

0

XV

30-40

ĐB: 50 ÷ 80

0

0

XV

30-40

Á KT

T

XV

10-20

Cao Bằng - Tiên Yên

TB

ĐB: 700 ÷ 800

XV

10-20

FIII.8

Cô Tô

ĐB

ĐN

XV

10-20

FIII.9

Sông Cả

TB

ĐB: 500 ÷ 600

XV

20-30

0

0

XV

20-30

10

FIII.10

Lôi Châu

ĐB

TB: 60 ÷ 75

11

FIII.11

Rào Nậy

TB

TN: 600 ÷ 800

0

XV

20-30

0

12

FIII.12

Hải Nam

ĐB

ĐB: 60 ÷ 70

XV

20-30

13

FIII.13

A Lưới - Rào Quán - Sơn
Tây - Quy Nhơn

ĐB

ĐB: 600 ÷ 800

XV

20-30

14

FIII.14

Kinh tuyến 110 (Phú Khánh)

KT

T

XV

20-30

10


15

FIII.15

Ốc Tai Voi

ĐB

XV

20-30

16

FIII.16

Nam Hoàng Sa

TB

XV

10-20

17

FIII.17

Kinh tuyến 117

KT

XV

20-30

18

FIII.18

Buôn Hồ

TB

0

0

XV

20-30

0

0

XV

20-30

0

0

XV

20-30

ĐB: 40 ÷ 50

19

FIII.19

Tuy Hòa

ĐB

ĐN: 50 ÷ 70

20

FIII.20

Lộc Ninh - Hàm Tân

TB

TN: 60 ÷ 80
0

0

21

FIII.21

Sông Pô Cô

KT

T: 60 ÷ 80

XV

30-40

22

FIII.22

Nam Du

KT

T

XV

20-30

23

FIII.23

Tây Côn Sơn

ĐB

TB: 60 ÷ 70

0

XV

20-30

24

FIII.24

Đông Côn sơn

ĐB

TB: 500 ÷ 600

XV

10-20

25

FIII.25

Trường Sa

VT

XV

100

26

FIII.26

Palawa

TB

XV

10-20

27

FIII.27

Vũng Mây

VT

XV

10-20

28

FIII.28

An Bang

ĐB

XV

10-20

29

FIII.29

Kiêu Ngựa

ĐB

ĐN

XV

10-20

30

FIII.30

Tây Baram

TB

ĐB

XV

10-20

31

FIII.31

Bắc Sarawak

TB-VT

TN-N

XV

10-20

32

FIII.32

Đông Natuna

KT

Đ

XV

20-30

33

FIII.33

Pantani

KT

Đ

XV

20-30

34

FIII.34

Đông Malaysia

TB

ĐB

XV

20-30

0

B

Chú thích:
Cột 1: Số thứ tự của đứt gãy theo thống kê của bảng 1
Cột 2: Ký hiệu của đứt gãy dùng để tra cứu trên hình vẽ
Cột 3: Tên đứt gãy
Cột 4: Phương phát triển của đứt gãy: TB (Tây Bắc - Đông Nam); ĐB
(Đông Bắc - Tây Nam); KT (Kinh tuyến); áKT (á Kinh tuyến); VT (Vĩ tuyến) và
áVT (á Vĩ tuyến)
Cột 5: Hướng cắm và góc cắm của đứt gãy: ĐB (Đông Bắc); TN (Tây
Nam); B (Bắc) và N (Nam)
11


Cột 6: Mức độ xuyên cắt của đứt gãy: TQ - Đứt gãy Thạch quyển (có khả
năng xuyên cắt và là ranh giới khối địa động lực thạch quyển); XV - Đứt gãy
xuyên vỏ (xuyên cắt vỏ và là ranh giới khối địa động lực)
Cột 7: Bề rộng ảnh hưởng (đới động lực) của đứt gãy
Hệ thống đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam tập trung chủ yếu ở khu vực Tây
Bắc, các đứt gãy đa phần có hướng Tây Bắc - Đông Nam hoặc hướng Bắc Nam như thể hiện trong Hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2. Bản đồ hệ thống đứt gãy chính trên lãnh thổ Việt
Nam [19] 12


Hoạt động của đứt gãy tích cực được coi là nguyên nhân của nhiều tai biến và
thảm họa thiên nhiên mà động đất là một dạng tiêu biểu. Theo lý thuyết kinh điển,
động đất là kết quả của dịch trượt nhanh dọc mặt đứt gãy, sự dịch trượt này gây nên
bởi sự giải phóng đột ngột năng lượng (chủ yếu được sản sinh do biến dạng đàn
hồi) tại một vùng trong vỏ Trái Đất. Động đất chủ yếu (chiếm 95%) xẩy ra tại ranh
giới giữa các mảng kiến tạo. Tuy nhiên, động đất cũng xẩy ra tại phần trong của
mảng mà nguyên nhân trước hết được cho là liên quan tới chuyển động mảng kiến
tạo, tiếp theo đó là do sự gia tăng hay giảm đi của các vùng băng, tác động của tích
hoặc xả nước tại các hồ chứa và sự dâng lên của dòng mác ma [19].

1.1.3. Các hướng nghiên cứu biến dạng vỏ Trái Đất
Sự vận động nhiệt và trọng lực xảy ra trong lớp manti và vỏ Trái Đất là
nguyên nhân đầu tiên gây ra trường lực và trường áp lực. Hoạt động này gây ra
các uốn nếp, các đứt gãy và các dạng kiến trúc phá hủy khác. Biến dạng vỏ Trái
Đất được xem là một trong những loại biến dạng cơ bản. Khi nghiên cứu biến
dạng vỏ Trái Đất do hoạt động địa chất kiến tạo thường tập trung vào hai hướng
chính đó là:
1. Nghiên cứu biến dạng trên mặt phẳng
Trong nghiên cứu này, người ta coi vỏ Trái Đất có cấu tạo là các khối vật
thể rắn được gọi là khối kiến tạo (mảng hoặc vi mảng), giữa các khối này được
ngăn cách bằng các đứt gãy. Khi lớp vật chất trong lòng Trái Đất thay đổi thì các
khối kiến tạo này cũng sẽ chuyển dịch tương tác với nhau quanh đới đứt gãy trên
cùng một mặt phẳng. Để nghiên cứu biến dạng của các khối kiến tạo nằm ở hai
bên cánh của đứt gãy, người ta thực hiện tính toán các đại lượng biến dạng trên
hệ tọa độ phẳng (Hệ tọa độ Oxy), theo tác giả Dương Chí Công [3] thì các đại
lượng cần phải tính toán gồm:

Trên mặt phẳng, các vận tốc biến dạng giãn nở, nén ép (
trương nở (nén ép diện tích) ( ) và xoay (

13

), trượt (

) được xác định từ 4 phần tử của

),


ma trận gradient vận tốc chuyển dịch ngang (hay ma trận Jacobi). Ma trận
Jacobi

có dạng sau:
(1.1)
Trong đó:

(1.2)

Vận tốc xoay:
(1.3)
Ở đây

là gradient của biến dạng của trục y theo x và

là gradient

của biến dạng của trục x theo y.

Vận tốc giãn nở, nén ép theo phương vị α là:
(1.4)
Giá trị vận tốc giãn nở hoặc nén ép lớn nhất

, nhỏ nhất

được

tính theo công thức:
(1.5)
Vận tốc biến dạng trượt

, theo phương vị

được tính như sau:

(1.6)
Vận tốc trượt lớn nhất và nhỏ nhất được tính theo công thức:
(1.7)
Trong đó:
14