Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xác định chuyển động quay trong địa chấn học từ tập số liệu dao động tuyến tính truyền thống

ĐẠI n ọ c Q U Ố C G I A HÀ NỘI
T R Ư Ờ N G ĐẠI HỌC K H O A HỌC TỤ NHIÊN

TRẦN THỊ NGỌC ÁNH

XÁC ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG QUAY TRONG ĐỊA
CHẤN HỌC
• TỪ TẬP
• SĨ LIỆU
• DAO ĐỘNG
•
TUN TÍNH TRUYỀN THĨNG
C h u y ê n ngàn h: Vậ t lý địa cầu
M ã số: 60 44 0111

LUẬN VẢN TH Ạ C s ĩ KHOA HỌC

NGƯỜI H Ư Ớ N C DẢN KHOA HỌC: TS. PHẠM ĐÌNH NGUYÊN

l ià Nội - 2014


Luận văn thạc sĩ - 2014

Trần Thị ỈSịìọc Anh
LỜ I C i \ í ƠN

Luận vân cỉưực hồn thùnh tại hộ môn Vật lý Địa câu

Trường Đ ại học

Khoa học Tự nhiên. Dại học Quốc gia Hù Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.
Phạm Dìnli Nguyên. Học viên xin bày to lịníỊ biết ơn sáu sắc nhắt đoi với thầy giáo
hiívng dẫn. người íỉâ tận tình hướng dẫn dậy hao học viên trong st q trình học
lập. nghiên cím và viêt luận văn.
Học viên xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Đại học Quốc gia Hà Nội,
trường Đại học Khoa học Tự nhiên, hộ môn Vật lý Địa cầu, Khoa Vật Iv. Phòng Sau
dại học và các Plỉònẹ, Ban khác cua trường Đ ại học Khoa học Tự nhiên đ ã quan
tàm tạo điểu kiện giúp đỡ học viên trong si q trình học tập và hồn thành Luận
văn. Học viên cũns; xin chán thành cúm ơn Ban lãnh đạo viện Vật lý Địa cầu,
Phỏng Địa chắn đã tạo điều kiện íhuận l ợ i , động viên và giúp đỡ học viên trong
quà trình nghiên cửu và hồn thành Luận văn.
Trong quả trình hồn thành luận Luận văn học viên đã nhận được những
đóng góp quỷ báu và sự giúp đờ nhiệt tình cùa các thầy cô giáo hộ môn Vật lý Địa
cầu, Khoa Vật lỷ (Trường Đ ại học Khoa học Tự nhiên). Nhân dịp này học viên xin
g ử i tới các thầy cô giáo lời cám ơn chân thành nhát.
Ngoài ra học viên đã nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình và bạn
bè học viên xin chân thành cám ơn!
Mặc dù tơi đã cổ gắng hồn thành Luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và
nồng lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất m ong được
sụ- đóng góp quv háu của quý thay có và các hạn!
Hà Nội, ngày 26 thúng 3 năm 2014
H ọc viên: Trần Thị N gọc Ả n h


LỜ ! CAM ĐOAN

Tỏi xin cam (ioan toàn hộ những nội dung trong Luận văn ch) tỏi í ự khao sáí,
nỉlìién cứu và thực hiện.

Hà Nội, ngàv 26 tháng 3 năm 2014

H ọc viên: Trần Thị N gọc Ả n h


i.uâii văn thạc -SĨ - 2014

Tràn Thị Nịịọc Ảnh

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNC;....................................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH V Ẽ .................................................................................................................5
DANH M Ụ C C H Ủ VIÉT T Ả T ...................................................................................................7
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA H Ọ C ................................................................8
MO Đ À U ..............................................................................................................................................9
c HƯƠNG 1 - LÝ TH UY ÉT c o BẢN VÈ CH UY ẺN ĐỘNG QUAY TRONG
DỊA CHẮN H Ọ C ............................................................................................................................ỉ l
1.1. Cơ sỏ lý t h uyế t........................................................................................................................ 11
/. /. /. K hái n iệm chuyển động quay trong địa chấn h ọ c .....................................................11
/. 1.2. C huyển động quay của sóng p trên hề m ặ t tự d o ..................................................... 19
/. ỉ .3. C huyển động quay gãy ra bởi só n g s ........................................................................... 22
1.2. Ý nghĩa từ việc sử dụng tín hiệu chuyển động quay kết hợp vói số liệu dao
động tuyến tính truyền thống.................................................................................................... 23
C H U Ơ N C 2 - PH ƯƠNG P H Á P ...............................................................................................25
C H U Ơ N G 3 - QUAN TRẮC VÀ KÉT Q U Ả ..................................................................... 30
3.1. Số iiệu quan t r ắ c ....................................................................................................................30
3.2. Kết q u ả ...................................................................................................................................
3 .2 .1. X ử lý và p h ã n tích số liệ u ................................................................................................. 35
.ì.2.2. X ác định ch u vển động q uay từ tập sổ liệu dao động tuyến tính truyền
thống.................................................................................................................................................
.12..1 Đánỉí giá kh ả n ă n g k h a i thác th ô n g tin từ việc kết hợp s ử (lụng chuyển
độttíỊ quay và dao động tuyến tín h truyền th o n g .................................................................. 43

KÉT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................... 46
Kcí l u ậ n ............................................................................................................................................46
Kiến nghị:........................................................................................................................................ 46
rẢI LIẸL TH AM K H Ả O .........................................................................................................48


Trần Thị Nỉiọc Ả nh

I.uân văn thạc sĩ - 2014
DANH MỤC BẢNG

1

ỉỉanu 2.1

' ")

Bang 3.1

i

->
ỉ

lỉárm 3.2

]

Các trưừrm hợp khác nhau khi tính tốn chuvèn độrm quay từ dao
dộnu tuyến tính truyền thốnu.

Thơnii tin vồ các trạm íihi địa chấn dược Iroiiíi vụ nơ TAICỈỈÍR tại
Dài i.oan.
[ hơng tin về thiết bị ẹhi tín hiệu dịa chấn troriE vụ nối TAIGĨ-.R
tại f)ài Loan.

1

1 -^

ỉiảnti 3.3

Dộ nhạy của cam biên HS- r.

5

Raim 3.4

I)ộ nhạy cùa máv ahi TSA-100.

í
i


Trần^TjỊ£N^ơCj4nh^

I.iiân văn thạc sỉ - 2014

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Minh họa vật ihê dàn hôi trước khi bị biên dạnc và sau khi bị
biến dạng.____________________________________________________

Hình 1.2

Jỉệ toạ độ sử dụng đc phân tích các thành phần của chuyển động
quay gâv ra bởi nuuồn điểm dưới dạng cặp ngẫu lực .

llình 1.3

Mơ hình chun độna quav của trườnẽ xã trons mặt phang
) cho thành phần hirứrm tâm của chuyển động quay là
neuồn diem dưới dạne cặp ngầu lực trên mặt phẳng ( ,V|, .V-,).
Mơ hình chun động quay của trường xa trong mặt phăng

Ilinh 1.4

(,V|,.vJcho thành phần nằm ngana của chuyển động quay là
iiRuồn dicm dưới dạna cặp neẫu lực trên mặt phana ( XpX-,).
------------------- ,------------------------------------ ,-----,-------------

Hinh 1.5

Mơ hình chun độna quay theo thành phân năm ngang.
Hình vẽ mơ tả dịch chun, vận tơc, chun động quay là một

Hình 1.6

hàm của thừi gian gây ra bởi một nguồn điểm dưới dạng cặp

ngẫu lực.
Sự phù hợp vê pha giữa thành phân chuyên động quay theo
phương r và thành phần e,ia tốc tuyến tính theo phương thẳng

Hình 1.7

đứng gây ra bởi sóng p trong Oki rokachi ngày 25/09/2003 với
M=8.1 và trận động đất Irian Jaya neày 02/07/2004 với M=7.5
ghi nhận tại trạm Weltzell ử miền Đơng nam nước Đức.

8

Hình 1.8

9

ilình 2.1

Minh họa sóng p trun trong mịi trường bât đơng nhât.
Các mơ hình khác nhau của khi tính tốn chun dộng quay từ
chuyển dộnR tuyến tính truyền Ihổng tương ứng.

'ìo

ỉỉình 3.;

Một sơ hình ảnh nơi diễn ra vụ nơ l AlGíỉR tại Đài Loan.
Một sơ hình ảnh vê khu vực và máy móc đặt ghi dữ liệu trong vụ

lình 3.2

nồ l AiCỈI

tại Đài lA)an.

Sư dơ bơ trí mạnu lưcVi đặt Irạin địa chân tronu vụ nơ rAICìIíR tại
llình 3.3
ị)ài l.oan.
Hiiih 3.4

ỉ'ín hiộu dao dộna tuyển tính truyễn tliổng ghi dược tại trạm NOI.

llình 3.5

['ín hiệu dao dộne tiivcn linh truvcĩi thorm ghi được tại Irạm N03.


1 J\.t < l l l

15

1linh 3.6

1 ín hiệu dao dộiiíi tun tinh Iruvên Ihịne ghi dược tại trạm N05.

16

liinh 3.7

1 ín hiệu dao dộng tuyến tính truyèn ihổnc ahi dược tại trạm N06.

17

Hình 3.8

l ín hiệu dao độní> tuycMi tính trun thơim íihi dược tại trạm N09.

18

llình 3.9

rin hiệu chuyển dộim quay tính từ số liệu dao dộng tuyến tính
truyền thống.
19

ỉ [inh 3.10

Hình anh vè inỏi trường bàt dơng nhât cao.


DANÍi MỤC CHĨI VIÉT TÀT

1.

1A1( j I'R: l u i u a n Intcíirated (ìcodynamics Research.

2. ADR; Array Derivcd rolation.
3.

I S A - 100: rranslational scnsor accclcromcter.

4

HI -S : Ị nisensdr sensors Kincmelrics.


i.uân văn thac sĩ - 2014

Trần Thị Nịiọc Ả nh

DANH MỤC CÁ C CƠN( ; TRÌNH KHOA HỌC

/.

CơnỊỊ trình đã công ho.
-

Nỉiuyen Dinh Pham. Bor-Shouh lỉuang. Chin-.len l.in. ruan-Minh Vu, and
Ngoc-Anh T r a n . 2012. Invcsũgation ol Ciround Rotational Motions causcd
bv Direct and Scattered P-Waves tVom thc 4 March 2008

ÌẠỊCÌHR

Hxplosion Hxperiment. Journal o f Seismolog}', DOI: 10.1007/s 10950-0129 3 0 0 -0 (Online lìrst).

2. Các đề tài tham gia.
- Trần Thị Ngọc Ánh, 2011

Nghiên cứu đặc diểm tán xạ sóng địa chấn từ

neuồn số liệu địa chấn nhiều thành phần” . Báo cáo kết quả ihực hiện tại

Viện Vật lý Địa cầu, Viện Màm lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam.
- Trần Thị Ngọc Ánh, 2012 •• Nghiên cứu mơ hinh hóa mơi trường truyền
sóng ngẫu nhiên” . Báo cáo kết quả thực hiện tại Viện Vật lý Địa câu, Viện
Hàn lâm Khoe học và Công nghệ Việt Nam.


M Ở ĐẦU

Nhièu năm trước dâv, dịa chấn học chí quan tâin sử dụnỉi lín hiệu dao dộng
lu\ cn linh (translational molions) của các sóníi đàn hồi phát sinh từ các trộn dộng
dất. C ác máy địa chấn ehi tín hiệu dạrm nàv chủ yếu theo 3 thành phần tạrc giao
lỉảc

Nam (NS), Đônti - r â y (EW) và thảna dứng (Z) [1,7,15|. l uy nhiên, về lý

thuvết. đê biểu diễn hồn chỉnh dao độne êy ra bởi các trận độna đất. ngoài 3
ihàiih phần dao độna nêu trên cần phải có thêm 3 thành phần chuyên dộng quay
(rotational motions) và 6 thành phần biến dạng (strains) [1, 19Ị.
Việc sử dụna lín hiệu chuyển động quav kết hợp với so liệu dao độna tuyến
tiĩih truyền thốne do các dạng sóng khác nhau, gây ra bởi các nguồn khác nhau và
glìi nhận ờ các điểm khác nhau chỉ mới được nghiên cứu trong những năm gần
đày. Két quả thu được từ những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc sử dụng kết
hcKp các tín hiệu địa chấn như vậy mang lại cho chúng ta nhiều lợi ích [8,9,14,18].
Chăne hạn [4,14,9] đã cho thấy rằng vận tốc pha của sóng địa chấn ở lớp gần bề
mặt cỏ thể xác định khi kết hợp hai dạng tín hiệu này ứng với cửa số sóng mặt tại
duy nhất một Irạm ghi địa chấn. Ntỉồi ra, bằng cách phân tích các tín hiộu của
chuyển động tuyến tính truyền thống và chuyển động quay quanh trục ihẳng đứng
ở phần di sóng p gây ra bởi động đất mạnh chỉ ra phircmg pháp khai thác thông
tin vè đặc điếm tán xạ mơi trưcTng truyền sóng địa chấn |13|. Hơn nữa các nhà
khoa học đã chứntì minh được ràng chuyển động quay gây ra bởi sóng p trong môi

Irirờim bất đẳna hướng mang thôna tin vồ cấu trúc mơi trường truyền sóng
112.13,14Ị. Rõ ràng, chuyến động quay chửa đựne thôn^ tin về rmuồn sinh chấn và
cầu trúc mơi trường truyền sịn. Do vậy việc khai thác dạng tín hiệu này hứa hẹn
niaim lại nhiều lợi ích về khoa hục cũna như thực tiễn. 'I’ìr dàv cỏ the thấy rang, số
liỌu chuyền độna quay là rất cần thiết troníì Dịa chấn học cỏ ý nuhĩa troiiíi khoa
học và Ihực tiễn.
1liộn nay. có liai phươnu pháp quaii trác chun dộim qua> ; I ) Sư tlựiig các
thiếl bị uhi trực licp tín hiệu chuycn dộng quav

1 1. 9|; 2) Sử dụim các tính lốn


Luân văn thạc s ĩ - 2

0

1

4

_________________________ Trần Thị N ịìọc A nh

ĩừ số liệu quan trắc chuyển dộng luycn lính Iruyền thống [ 1 0 , 18|. i’hưưng pháp
lliir hai có một số lợi ích như sau: I ) l ận dụng dược các quan trắc Iruyèn thống với
thiết bị dã dược kiêm dịnh qua mộl thời gian dài; 2) Cung cấp nguồn số liệu dê
kiêm định các ihiét bị íihi trực liếp tin hiệu chuyên dộng quay mới dược chê lạo
irong thời 2 Ìan Rần dây. Với một tập số liệu quan trăc dao dộng liiycn lính truyên
tlionti thu được Ironíi một vụ nổ tại Dài I .oan (ký hiệu là vụ nị I A1GFÍR) do các
nhà dịa chấn học Dài Loan cung cấp. đề tài “Xííc định chuyển động quay trong
iỉịa ch ấ n học từ tập số liệu dao đ ộng tuyến tính truyền th ố n g '' được lựa chọn cho

luạn \ ăn này. Mục tiêu đề tài đặt ra là xác định chuyển động quay từ số liệu dao
clộna luyến tính truyền thốna cụ thể, dánh giá ý nghĩa sử dụng hai dạng tín hiệu sử
clụntỉ số liệu trons vụ nổ l AKỈEỈR tại Đài Loan, lồn bộ nội dung chính của luận
văn nooài hai phần Mở đầu và Kết luận sẽ được lần lượt trình bày trong ba chương
sau đây:
Chương 1: Lý thuyết cơ bản về chuyển động quay trong địa chấn học
C h ư o ’ng2; Phương pháp
Chưo-ng 3: Quan trắc và kết quả

10


CFilJƠNG 1 - LÝ T H U Y É T c o BẢN VÈ CHUYẼ N Đ Ộ N C Ọ y A Y
T R ON C ĐỊA CHÁN HỌC

Chuvcn dộim quav dược biết dển từ rất scVin Ironc dịa chấn học, nhưng nỏ
clưực coi là rất nhò và bị bỏ qua 11. 2. 15]. rừ những năm 2005 chuyển động quay
dược các nhà khoa học nahiẻn cứu và quan sát cùrm với dao động luyèn tính Iruyên
thốnti. Kết qua thu được cho thấy chuyển động quay tồn tại song hành với tín hiệu
dao dộim tuvến tính truvền thống và ảnh hưởne đen số liệu đo ghi địa chân truyèn
thốnẹ. Vì vậy việc quan sát chuyền động quay đã được đặl ra. trước hết là chính xác
h(Sa các quan Irăc dao độna tun tính trun thơne. Sử dụníi bộ sơ liệu chuyên
độnii quay và chuyển động tuyển lính truyền thống mang lại nhiều lợi ích. Chẳng
hạn nó có thể cho ta khai thác thêm thông tin về môi trường truyền sóng địa chấn
15.9,12.13,14]. Mặt khác để miêu tả đầy đù dao động tại một điểm cần có 3 thành
phần của chuyển động tuyến tính truyền thống, 3 thành phần chuyển động quay và 6
thành phần của biến dạng [1 ]. Từ đó chuyển động quay được chú ý và nổi lèn là một
hướng đi đầy triển vọng trong Địa chấn học. Tuy nhiên tại Việt Nam nghiên cứu
chuyển động quay là một hướng đi mới và chưa được nhiều người biết đến. fìởi vậy
cho nên trong luận văn này trước tiên tơi sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về

chuyến động quay, bao gồm cơ sở lý thuyết về chuyển động quay, đồng thời chỉ ra
lợi ich của việc sử dụng số liệu ghi chuyển động quay trong nghiên cứu mơi trưtmg
truyền sóng địa chấn và mộl số kết quả đã đạt được khi sử dụng bộ số liệu ghi
chuyển động này với chuyển động tuyến tính Iruyền thống đé giải thích tại sao
chuyển động quav hiện nay trên thé giới lại nối lên là một hướng nghiên cứu mới
dầy triển vọng,
l.l.

Co’sỏ lý thuyết

/. /./. K h á i n iệm chuyến động quay trong địa chấn học
[)ề xem xét chiụ cn dộne quay tơi 2 Ìả sư ràiiiì môi trường quan tàm trong hệ tọa
dộ l)c các xoy. có lính chất dàn hơi, chịu lác độriíi bcíi một lực và bị biến dạng (hình
I. I ,
11


Trần r tiị N sọ c A nlí

I.uân văn thạc sĩ - 2014

ỈKl ơí klll BIFNl)AN(.

I heo lý thuyết đàn hồi, các biến dạng nhỏ dịch chuyển quanh điếm X liên hệ
vcri điểm bên cạnh

X

+ ổx bằng công thức (1.1);
õ .x

ỐII, =

ÕllÁX)

d ,ix )

íVí/ = 1

du,

( 1 .1 )

.

'
dUj

ổx + ' 2 õx,I

dx,' /

'

= { e ,+ Q ,ị^ ..
^ /
'' ^ .i

ĩro ng đó;
e . . \ Là thành phần biến dạng .

II
: Là thành phần quav.
u //. . : Là thành phàn dao dôim
tiiih Iruvền ihốne.
. ^ tuvốn
.

12


Trần_nù^^^oc^Ảnj^

laiân văn thạc sĩ - 2014

rcr cỏnu thức ( 1 . 1 ) có thc thấy rầníỉ dồ biểu diễn hoàn chinh dao dộim tại một
tlièm cần 3 ihành phàn của chuvcn dộnu lu\ến tính truyền thốnu. 3 thành phần
cluiv èn dộim quav và 6 ihành phần biến dạng 1 1.19 1.
l ừ cơiiíi thức ( 1 . 1 ) chuyển dộim quay troim dịa chấn học được tính tốn theo
CỊI1ÍZ ihức sau:
( 1.2 )

Một cách tườnu ininh các thành phần chuyền độna quav được tính tốn theo
cỏn.a Ihírc sau:

Õ7.

ỡu.
Uy
l
Vxu(x) = —

2
2 ỡy
ỡu.

Í2 íì.

Ê}h.
õx

ỡx

( 1 .3 )

ỡu.
õy

lYong đó
Q , , Q , , Q , : Là 3 thành phần chuyển động quav theo ba trục của hệ tọa độ
Dc các x y / . .
: Là 3 thành phần chuyển động luyến tính truyền ihống theo ba trục
của hộ tọa độ Dè các xyz .
l'a hãy thử xcm xét chuyển động quay gây ra bởi nguồn điểm dưới dạng căp
Iiíiầu krc trong tồn khơng íĩian đồng nhất. Xét cặp ngẫu lực này trong hộ tọa độ Đc
các (a'|,x 2 . x , ) đ ứ t gãy nằm ở trên mặt

mặt trượt tương ứng với trục.Vị.

Hiêm vào đó, chúng ta xét hệ toạ độ cầu Rồin 3 thành phần r,0 ,ậ (hình 1.2). Dịch
chuyển tươrm ứna theo Aki và Richard (1980) cỏ dạns,:
r

» ( V./)

41 \p

-’

ír.V/„(/, T ) d T +

r

;

a

4ri/Tí;;

”' X

r'
( 1 .4 )

\

4 1 1/ A' .

r

13

Trần Tỉiị N sọc Ảnh

Luận văn thạc sĩ - 2014
roiiu dỏ:
\/„(/) = //(A//(/). l : MÔII men dịa chan
//: M ò d u l cắl.

Hình 1.2; Hộ toạ độ sử dụng để phân tích các thành phần chuyển động thành phân
chuyển động quay gây ra bởi (nguồn [ 1 ]).
I làni A được xác định bởi cơng thức sau:
,f'‘' =9sin2ớcos(ír-6(cos2ớcos^ớ-cosớsin^^),
/í"’ = 4 s i n 2 ớ c o s ^ r - 2 (cos 2 ớcos(ỉi^y-cosớsin^^),
/í''’ =:-3sin2ớcos<ỉJr+3ícos2ớcosíí>/^-cosớsin<z>(ỉJ),

(1-5)

/ 1" ’ = sin 2 ớcos</>r,
/í''' = coslOcoíiệO- cos(h\nệậ.
I rontỉ đỏ:
r j ) . ệ : là đơn vị chỉ hướng vector của toạ độ cầu.
Các ký hiệu N, I và F lươns ứng với tín hiệu sóiiíi thu được ơ trường gàn.
tnrờnii iruna aian và trườne xa. Irona khi p và s hién thị sóng dọc và sỏiig ngang
tircíim ứim. l ừ phươna trinh (1.3) ta có:

14


Trần Thị N sọc Ảnh

l.uận văn thạc sĩ - 2014
r
vp

A/o(/- r). A/„(/- r),víi rA/„(/- r)í/r ). / - > 0 0 .

( 1. 6 )

J

r

l ừ cô nc thức (1.6) tròn khi / ^ 00 , M là một hàng số khi dó dịch chuyển u
lại thời diêm /

co được tinh tốn theo cơri 2 thức sau đây:

4;zpr

.V, 1
2 v;

1

2vị

--Í"'
v>;

A ’^

v;

(1.7)

ir (1.3) và (1.7) chuyến động quay được xác định như sau:
1

-A
mp

í X -V . í ) = - V X ỈV(.V, / ) = - - —

2

r

Ỉ-—
p

r

+

( 1.8 )

. 1" =cosỂ^siníi0 +cos(/ísin2 ế:^(í.
Trong đó;
ả

’^ : là hình chiếu của 3 thành phần chuyển động quay (thành phần r của

chuyển động quay tương ứng bằng = 0). Mơ hình chuyển động quay của thành phần
nằm ngang được chỉ ra trong hình (1.5). Cặp mũi tên ở trung tâm chỉ ra hướng của
cắt trư(rt, các mũi tên trong mỗi thuỳ chỉ ra hướng di chuyển của chuyến động quay.
Trong trường hợp trường xa, các thành phần chuyển động quay theo phương
thảng đứng tỷ lệ thuận với sin3ớcos(í>r (Hình 1.3), Ihành phần nằm ngang tỷ lệ
thuận với co slO c o sệÒ -co a O sin ệệ (Hình 1.4). Ký hiệu (+) ở hình (1.3) có nghĩa là
phưOTig lưỡng cực là hướng ra ngoài kết quả từ chuyển động nén ép của sóng p. Ký
hiệu (-) có nghĩa là phưOTg lưỡng cực hư(Vng vào trong kết quả từ chuyển động tách
íiiãn sỏna p. Chuyển động nén ép và lách dãn biểu hiện với chuyển dộng lên xuống
tương ứna với băng ghi dịa chẩn. Dao độna sóng p mạnh hơn ở giữa của góc phân
lư, góc bàng 45 từ dírt ẫv cùa mặt ( ) .

'ĩrong Irường hcrp trường trung gian và

irirờiiíi íiần mơ hình chuyến độníĩ quay bao «0111 cá hai thành phần hướng tâm và
thành phần nàm imaĩm.

15


Trần Thị ỈS'sọc Ảnh

Luân văn thạc sĩ - 2014
H - I•

H=

Hình 1.3: Mỏ hình chuyển động quay của trưcmg xa trong mặt phăng (Xp.v,) cho
thành phần hướng tâm của chuyển động quay là nguồn điểm dưới dạng cặp ngẫu

lực trên mặt phẳne ( Xị,x^) (nguồn [ 1]).

0

=

0

e = 90

Hình 1,4. Mơ hình chuyển động quav của trircmg xa trong mặt phẳng
( V|..V,) cho thành phần nằin imanti của chuycn động quay là nguồn đièm dưới dạng
cặp ngẫu krc trên mặt phăiiíi ( -V|,A% ) (nauoii

16


Trần_Tlíi^^^^l^0Cj4n^

Ln văn thạc sĩ - 2014
B= 0

e = 90

Hình 1.5: Mị hình chuyển dộng quay theo thành phần nằm ngang (níỉuồn[ 11).
Cochard năm 2006 cũnẹ chỉ ra ràng dịch chuyến u, vận tốc a và chuyến động
quay là một hàm của thời gian tại một thời điểm nhất địnhn [31 (Hình 1.6).
Bây aiờ ta xét thêm trường hợp trên bề mặl tự do (chẳng hạn inặt đất). Lúc
náy mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trên bề mặt tự do thoả mãn điều kiện
sau ị ơ ị Ị = 0 ( / = x , > ',z ) }. Áp dụng định luật Muc kơ =ẪÍ-:^I^Ổ + 2 //Í; trong mơi

lrư('mg đồng nhất đẳng hướng:
õu^
õz
õx
du^
(1.9)
õ:
õy
1'hay (1.8) vào (1.3) các thành phẩn chuyổn độne quay tươne ứng với ba
õu.

trục X. y, / dược tính tốn theo cơng thức sau;
( 1. 10)
õy
o, =-

du.

( 1. 11)

õx

Í1 = 1

1ứ

( 1.12)

phưcrníỉ trinh ( 1 . 1 0 ) \ à ( 1.1 1 ) ta thấv thành phần quay tỉico phirưng nãni ngang

lưírnu írntỉ với thành phàn niiliiciiíi |3|.
17

/ !,


JlẾỉLL!ỉL^ấ££ẨlỉÍL

Luận văn thạc sĩ - 2014

Troớng gán
i

E

I

Ì
I
1
/

OCUJ

03
o
(p u

___________________________

0

c m

TỒbẹ

ĩrơỞĐg xa

ĩruvDg truDg gian

/ *"

'
i
'
^

'\ì
A I

: \ '

mm

ậ"
o

0

'J

í
01
;

.•!C4
-i-i
g co?

ì'

'-^001

- A /= - =
o

ă>

0 01
0 02

0 .. I

-30J
(lổ<

I
ro l(O )-;

rrtSíl#;

> icUủ
ừổ

r o t ( 0 )^.;.
ã>,
A'

ãU.
(Jiv


I

.

0

/V

V

c?
ãoc cm; -

VI

rot ratc ()

00 :0:^

'

ãvô; Wf

0t7
?3

! 1 “

uOCOi -

!i
Ịi
íi

ỉ

v i/

\iV

clivratc ^

X3
ũCJ .fi 0’nrt
o -iiOt
ÍT
5 5«)

0

'í

’«

Time (s)

o:-:

0'5

IM

Time (s)

0 5'

ƠTÍ

Time (s)

If
v*#'!

0 ?á

1M

Time (s)

Hình 1.6: Hình vẽ niị ta dịch chuycn, vận lôc. cliuyèn dộng quay là một hàm cua
ihời uian íiâv ra bơi một Iiíin diCMii dirứi dạntỉ cặp ngủu lực (nguôn Ị1 )|.

18


Trần Thị Ỉ^ỈỈỌC Ánh

I>uân văn thạc sĩ - 2014
1.1.2. C ỉtuvển độnỊỊ quay của sóng p trên hè m ặt t ụ (to

1'rườrm hợp một sónu phănu V. lần số (0 . Iruyồn trong mặl phăng (X. / ) trong
mòi trườíiỉì dồim nhất dăng hưởng với phiuriig truyền sóng -z và tx hướng tới bê
inặt tự do. Khi tứi bè mặl tự do nó tạo ra hai sóng khác nhau |7|. Dầu tiên là mộl
sóna p với U(k phản xạ Ì2 bànu tiỏc tới i|. rhír 2 là sóng s v vứi góc phản xạ là J 2
thoa mãn phương Irình sau:
A'
co

ờ)

(1.13)

= p-

ĩrong đỏ a , p. Ả', . Ả.'/, tương ứne là vận tổc sóng p. sóng s, và số sóng, p là
tham số tia địa chấn.
ĩro ng trường hợp này thê của các sóng được tính băng Ị 8 |:
ệ =

- / ) ] + BeKp[iũ){px, +/;„x, - / ) Ị

= .4 exp[/Vư(/«|

y/ = ụ / ^ = C exp[/Vư(/W| + 7 ^X3 - / )J .

(1.14)
{1 ■15)

Vứi;
cos /j

'ỉa =V a

“

a

12

I!

■ " '- 'ìlỷ - '’

riìco lý thuyết Iỉelmholtz dịch chuyển trên bề mặt lự do được xác định bàng [SỊ;
^
r?x,

dx,

^p
^

( 1 •• 6 )

dXy

na<!>x + naệ, + pụ' )-

av,

(1.17)

Theo Ị3| chuyển dộne quay của sóng p trên bề mặt tự do được xác định như
sau:
(11.18)

dv.
íi: ^

fìx\
1

íì ---

'

(1

= -iopií.
du,

du, ^

.19)

(1 .2 0 )

=0

19


Phươim Irình (1.18). (1.19). (1.20) chì ra ràng trcMi bè mặt tự do sóng p có
íiây ra chuvền độne quay nhưna chỉ quanh trục nằm ngang vng góc với phương
truvcn sỏne. các thàiih phần chuycMi dộiiíi quay cịn lại dều băng 0 .
l

ừ (1.17) thành phần uia tốc dao dộng tuyến tính truyền thống dọc theo trục

thăim dứng được xác dịnh như sau;
li, = - d ỳ [i ử) { - n j ,

+ Ì ] J „ + py/)] =

-o ru ,.

(1.21)

'ĩhco dó vận tốc chuvển dộrm quay dược xác định theo cơng thức:
íì,=~ớrptiy

( 1 -2 2 )

Kết hợp giữa (1.21) và (1.22) ta có
= i

Q,

(1,23)

p

Phươnc trình (1.23) cho thấy ràng

thành phần thẳng đứng của gia tốc dao

động tuyến tính và thành phần nganR của vận tốc quay gây ra bởi sóng p trên bề
inặt tự do là đồng pha và biên độ của hai tín hiệu tỷ lệ với nghịch đảo của tham
số tia địa chẩn. Nó cũng ngụ ý rằng vận tốc biểu kiến của sóng p có thế được xác
dịnh nếu vận tốc quay của thành phần nằm ngang và gia tốc dao động tuyến
tính theo thành phần thẳng đứng trên bề mặt tự đo được ghi nhận với tỷ số tín hiệu
trC-n nhiều đủ lớn. 1ỉơn nữa. nếu góc tới của sóng p và góc phản xạ của sóng s v
được xác định, các quan trắc này sẽ cho phép chúng ta suy ra các giá trị vận
tốc vật lý (ví dụ, vận tốc sóng p, S). I)ổ kiểm chứng lính đúng đắn của cơ sở lý
thu\ ét nêu ra nèu trên, bằng cách sử dụng các băng địa chấn tỏng hợp cho các trộn
độntì đất Oki l okachi naày 25/09/2003 với M=8.1 và trận động đất Irian Jaya ngày
02/()7/2004 với M=7.5 ehi nhận tại trạm Wcltzell ở miền Đông nam nước Đức. 1'ôi

kièm tra tín hiệu quay êy ra bởi sóne I’ trực tiếp trên bồ mặt tự do dựa trôn dặc
diểni dồng pha với dao dộrm Iruyến tính theo phương thăng dứng, l ỏi xoay các
lliàiih phần nằm iiRaiiíi cua bănti dịa chấn tổng hợp sao cho một thành phần trùng
với pỉiưcrna lan truyền s(Snu, còn phươnu kia vuỏnc cỏc với phương truycn sóng. Sự
phù hợp về pha uiữa thánli phân chu\èii dộiiii quay theo phircrng r và thành phân
20


Trần Thị í\ư oc Á n h
^ia loc Ui\cn tínli ihco phiarnu tliãim (iứnu uà\ ra hoi sóim p uVi clàu tièii irèn bõ Iiiặl
ụr (ỈI) (lìinli 1.7) cũim nliu' hiên dộ líii hiệu chuyên dộiiỉi I|ua\ quanlt thàníi phân
liiroim tàm \ à ihănu dứnu Uiiíim ứnu hănu 0 clio tliâ\ Iv lliuycl LÌiúnu tịi dưa ra là
chinh xác. Và llìànli phần lliăiiu dứiiíi cua Iiia lốc dao ciộnu luscn línli truNƠn ihống
la dồiiíi pha \ à l\ lẹ \ ới thànli phần cuéi chu\èn dộnu quay theo phuxrne liirớng làm
Iiiộl sơ hăne sị là c. Ttico CỊIIU thức (1.23) ihì hăim sỏ c có ihè là căn cử dc xác
clỊnli \ ận lòc hicu kiên sau nà>.

Irian Jaya, 07/02/2004. M7 5

Tokachl Okl. 25/09/2003. M8.1

- - - - • 'V V V / V - '- v A 7 \ / !

-------------(rad/s)

._L..
500

700

720

740

760

780

800

1050

«10

600

J-------- u
11CD

1150

1200

1250

* 10

700

720

740

76Q

780

800

*10

« 10

Hình 1.7. Sự pliù hợp vè pha tiiữa lliàiih phầii chuvèn dộníi quay llico phương
1 \ à ihành plian íiia lốc tiiỴốn tính theo pliươiiii tliăriỉi clứnu ííủy ra bưi sóiiti p trong
Oki

l\ikaclii imà\ 25 09/2003 \ ó i VI 8.1 \ à Irận dộna dầl Irian Ja>a ngà\

02 07/2004 \(Vi M 7.5 ulii Iiliận tại trạiiì \VcH/ell Kcl qua lliư nliiộni \ (Vi hai Irận dộnn dấl Oki l okachi nuà\ 25 09,2003 \ (Vị
M s.l \ á iràii dòiii’ dàt Irian J a \ a imà\ 0 2 0 7 2004 \o'i M 7.5 ,uhi Iiỉiậii tại trạin

21


jy ầ n J J ũ ^ ^ 0 C jin j^

Luận văn thac s ĩ - 2014

\Vctt/ell ơ miền Dôntỉ nam nước ỉ)ức dã cht) la thây cơ sở lý thuyêl lôi dưa ra trong
phần IrcMi là chinh xác.
Cũim cần lưu ý rằnu. theo |12| dã chi ra ràng nguyên nhân gây ra chuyCMi
dộ ne quay khi sónti p Iruycn trong bề mặt tự do trong niôi trường hấl dồng nhai là
do hiện tirợim tán xạ sóng địa chấn hình (1.8). Thật vậy khi sóng p truyền trong mơi
trườníi bất dồim nhất gặp các đối lượne có tích chất đàn hồi khác với mơi trường
XLIIIÍÌ quanh sẽ xẩy ra hiện tượníĩ lán xạ sóng địa chấn và sinh ra sóng s và sinh ra
chuyền độna quay [ 1 2 ] .

Hạt tán xạ

Hình 1.8. Minh họa sóng p truyền trong môi trường bất đồng nhất (nguồn 112]).
/. Ỉ J . C huyển động quay gây ra bởi sóng

s

Xét IrưcVne hợp sóntỉ phẳiiíi s truyền trong mặt phăng thảng dứng ( v.r ) cua
hộ trục toạ dộ ỉ)è các (,v.>',r). với vận tốc c

theo phương truyền theo r v à

phân cực iheo V'. Các thành phần dịch chuyến u. vận tốc vvà gia tốc a cua dao
dộnu luycn tính truvèii thống dược dịnh nghĩa:

22


JỊyần T Jù ^ ^ oc^ n j^

Luận văn thạc sĩ - 2014

(1.24)

V

!().//

'

‘

(r.O -O

(Ol)Á)

(1.25)

Ojo' f(kz -«/),()

( 1. 2 6 )

- [o.

w / (Ấ :r

1

Om X - •/)-()

Các thành phần vận lốc cua chun động quay tương ứng được tính băng:

íì= -

Ax

0.»,.0

1M

- /U_--r;;/). 0,0
2 c-

(1.27)

Phươna trình (1.26) và (1.27) cho thàv thành phân X của vận tôc dao động
quay và thành phần Vcùa gia tốc chuyển động tuyốn tính truyền thống có cùng một
clạnu sỏim và tỷ số biên dộ của chúng tỷ lệ với hai lần vận lốc. Kết quả này tương tự
với kết quả nhận được trong trường họp sóng s truyên trong mặt phăng năm ngang
(x, y) tham khảo trong [2, 3,7 .
Từ phương trình (1.26) và (1.27) ta có
Q =; /1

và í ỉ . * A-,.

(1-28)

Cịng thức (1.28) được sử dụng để xác định hình ảnh về môi Irưcmg bất đồng nhất
cấu trúc qua việc sử dụng hệ số tương quan.
1.2. Ý nghĩa từ việc sủ' dụng tín hiệu chuyển động quay kêt hợp vói sơ liệu dao
động tuyến tính truyền thống.
Nuhiên cứu việc sử dụne kết hcỵp hai dạng tín hiệu chuyển động quay và dao

độrm tuyến tính truyền thống là một hướng đi mới và nhiều triển vọng trong địa
chấn học [3,161- Thật vậy, khi phân tích tín hiệu ghi dao động tuyến tính phát hiện
được ràng nỏ chịu ảnh hưởng dáng kể bởi tín hiệu chuyển động quay Ị 19]. 1ritunac
năm 2 0 0 1 dã xác định ảnh hưởng của dao động nền dựa vào việc phân tích tín hiệu
dịa chắn nhiều thành phần, ỏ n g đã chỉ ra ràng với 3 thành phần của dao động tuyên
tính truvền thốna trên băim lihi địa chấn khơng thè xác định chính xác anh hưởng
cua diu> dộrm nỏn Ironti niộl trận dộng đấl nià lín hiẹu chuyển dộng qua> mới ghi
dược cliính xác ủnh hươiiíỉ cua dao dộng này 119|. Kêt hợp sử dụng lín hiệu chuyên
dộng quay với dao dộnu luyến lính Iruyền thống tại niộl diêm cho la khai lliác thèm
thịiiíi tin vồ niơi Irưìynu Iruyền sóim (chănii hạn như vận lỏc pha 3,5 Ị). (jân dà\.
23


Trần r /tị Nỉỉọc Ả n h

Luân văn thạc sĩ - 2014

c á c Iiuhiên cứu mới v ề c hu yể n d ộ i m quav dirực mơ rộna và phân tích với nhiều loại

sónti khác nhau. Năin 2005. 2006 luel và Cochard dã khai thác dược thông tin vè
vận tốc truycn sónu khi sư dụnu kết hợp hai tín hiệu này [3. 5|. Nghiên cứu vè
clộiiiỉ dấl v ra chuyền dộníì quav troníi cửa số của sóníi mặt 114| cho thày răng
vận tốc của lớp bc mặt cỏ thế dược xác định khi kết hợp hai bộ số liệu này tại một
irạm. Naoài ra. bàrm cách phân lích các quan sát tín hiệu trong di sóng p của
c h u \ ể n độrm tuyến tính truyền ihổns và chuvển dộng quay quanh trục Ihăng đứng
iiẫ \ ra bời trận độne đất mạnh đã chứne minh được ràna bộ sô liệu này cho ta khai
thác thône tin về mỏi trườna truyền sóna địa chấn, cụ thể là khai thác thông tin về
dặc điểm tán xạ vỏ trái đất [12]. Chuyển động quay gây ra bởi sóng p trong môi
triKTns bất đẳng hirớna mane thôna tin về cấu trúc bất đẳng hướng cùa môi trưcmg
11 2 .

13. 14], theo [31 khi kết hợp bộ số liệu này cho chúng ta khai thác thông tin về

cấu trúc môi trường truyền sóne, địa chấn... Vì những lợi vậy hiện nay chuyến động
quay dược các nhà khoa học trên thế giới quan tàm, nó nổi lên và là một hướng đi
dầy triển vọng trong dịa chấn học [ 8 , 9, 15, 19].

24