ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________
Phạm Thành Luân
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MỚI
TRONG CƠNG TÁC XỬ LÝ, PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
TRƯỜNG THẾ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội – 2021
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________
Phạm Thành Luân
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MỚI
TRONG CƠNG TÁC XỬ LÝ, PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
TRƯỜNG THẾ
Chuyên ngành: Vật lí địa cầu
Mã số: 9440130.06
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Đỗ Đức Thanh
2. TS. Lê Huy Minh
Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu của tơi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Đỗ Đức Thanh và TS. Lê Huy Minh. Các kết quả nêu trong luận
án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác
Tác giả luận án
Phạm Thành Luân
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án này, trước tiên, với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc,
tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Thầy – PGS.TS. Đỗ Đức Thanh – người đã tận tình
chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ nghiên cứu sinh từ khi còn là sinh viên cho đến khi
hồn thành luận án. Có thể nói rằng, luận án là kết quả của một quá trình học tập và
nghiên cứu liên tục của tác giả dưới sự hướng dẫn của Thầy.
Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy – TS. Lê
Huy Minh – người đã hết lòng dạy dỗ và dìu dắt nghiên cứu sinh những bước đi đầu
tiên trên con đường nghiên cứu khoa học. Luận án được hoàn thành dưới sự định
hướng và chỉ dạy nghiêm túc của Thầy.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn TS. Oksum, từ Trường Đại học
Süleyman Demirel, Thổ Nhĩ Kỳ. Cùng với hai Thầy hướng dẫn, TS. Oksum đã có
những đóng góp quan trọng trong việc hỗ trợ nghiên cứu sinh thực hiện các nghiên
cứu và hoàn thành luận án. Luận án cũng là kết quả của sự hợp tác của nghiên cứu
sinh và một số nhà khoa học như: TS. Eldosouky, GS.TS. Gomez-Ortiz, GS.TS.
Dolmaz, TS. Kafadar và một số người khác. Nhân dịp này, tác giả xin được bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc tới các nhà khoa học nói trên về sự hợp tác, chia sẻ những kinh
nghiệm và kiến thức hết sức quý báu trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Vật
lý, Bộ môn Vật lý Địa cầu, các Thầy Cô trong Bộ môn, các cán bộ Phòng Sau Đại
học đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tác giả cũng xin dành sự yêu thương và lòng biết ơn vô tận tới
người Cha quá cố, Mẹ, Vợ và các thành viên khác trong gia đình – những người
ln dõi theo, động viên, khích lệ giúp tác giả thực hiện và hoàn thành luận án.
Tác giả luận án
Phạm Thành Luân
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BIÊN VÀ ĐỘ SÂU CỦA NGUỒN GÂY DỊ
THƯỜNG TỪ VÀ TRỌNG LỰC
1.1 Các phương pháp xác định biên của vật thể gây dị thường trường thế
5
1.2. Các phương pháp xác định độ sâu ranh giới phân chia mật độ và ranh
giới từ tính
10
1.3. Nhận xét và kết luận chương 1
18
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG XÁC ĐỊNH BIÊN
CỦA VẬT THỂ GÂY DỊ THƯỜNG TỪ VÀ TRỌNG LỰC
2.1. Các phương pháp xác định biên mới áp dụng cho dị thường trọng lực
hoặc dị thường từ chuyển về cực
20
2.1.1. Phương pháp logistic của gradient ngang toàn phần
20
2.1.2. Phương pháp logistic cải tiến
34
2.1.3. Phương pháp gradient ngang toàn phần được tăng cường
46
2.2. Các phương pháp xác định biên mới áp dụng trực tiếp cho dị thường
từ
57
2.2.1. Phương pháp logistic của biên độ tín hiệu giải tích
57
2.2.2. Phương pháp tang hyperbolic và phương pháp logistic khác của biên
độ tín hiệu giải tích
2.3. Phương pháp xác định vị trí cực đại cải tiến
66
74
2.4. Nhận xét và kết luận chương 2
84
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN TRONG XÁC ĐỊNH
ĐỘ SÂU RANH GIỚI PHÂN CHIA MẬT ĐỘ VÀ RANH GIỚI TỪ
TÍNH
3.1. Phương pháp xác định độ sâu ranh giới phân chia mật độ cải tiến
86
3.2. Tổ hợp phương pháp xác định độ sâu bể trầm tích
98
3.3. Phương pháp xác định độ sâu ranh giới từ tính
109
3.4. Nhận xét và kết luận chương 3
122
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
124
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
127
TÀI LIỆU THAM KHẢO
130
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt
AS
AT
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
Analytic Signal
Analytic signal of Tilt angle
EAS
Enhanced Analytic Signal
Tín hiệu giải tích
Tín hiệu giải tích của góc nghiêng
Biên độ tín hiệu giải tích được tăng
cường
Gradient ngang tồn phần được tăng
cường
Biến đổi Fourier nhanh
Tang hyperbolic
Góc nghiêng hyperbolic
Logistic cải tiến
Bản đồ theta cải tiến
Logistic
Logistic của biên độ tín hiệu giải tích
TA
TAS
TDX
Enhanced Total Horizontal
Gradient
Fast Fourier Transform
Hyperbolic Tangent
Hyperbolic Tilt Angle
Improved Logistic
Improved Theta Map
Logistic
Logistic of Analytic Signal
Logistic of Total Horizontal
Gradient
Tilt Angle
Tilt angle of Analytic Signal
Horizontal tilt angle
THG
Total Horizontal Gradient
Gradient ngang toàn phần
Total Horizontal Gradient of
Tilt Angle
Theta Map
Tilt angle of Total
Horizontal Gradient
Root Mean Square error
Gradient ngang tồn phần của góc
nghiêng
Bản đồ theta
Góc nghiêng của gradient ngang tồn
phần
Sai số bình phương trung bình
ETHG
FFT
HT
HTA
IL
ITM
L
LAS
LTHG
THG_TA
TM
TTHG
RMS
Logistic của gradient ngang tồn phần
Góc nghiêng
Góc nghiêng của tín hiệu giải tích
Góc nghiêng ngang
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT
Tên Bảng
Trang
1
Bảng 2.1: Thông số của mơ hình 3D
22
2
Bảng 2.2: Thơng số hình học và mật độ của mơ hình trọng lực
37
3
Bảng 2.3: Thơng số hình học và từ hóa của mơ hình từ
40
4
Bảng 2.4: Thơng số của mơ hình năm lăng trụ
49
5
Bảng 2.5: Thơng số mơ hình một lăng trụ
61
6
Bảng 2.6: Thơng số của mơ hình ba lăng trụ
62
7
Bảng 2.7: Thơng số hình học và từ hóa của mơ hình ba lăng trụ
71
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT
1
Tên Hình
Hình 2.1: (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b) Hình chiếu của mơ
hình lên mặt phẳng nằm ngang
Trang
24
Hình 2.2: Trường hợp đầu tiên. (a) Dị thường trọng lực gây bởi
2
mơ hình, (b) THG, (c) AS, (d) TA, (e) TDX, (f) TTHG, (g)
25
TAS, (h) TM, (i) ITM, (j) LTHG
Hình 2.3: Trường hợp thứ hai. (a) Dị thường trọng lực gây bởi
3
mơ hình, (b) THG, (c) AS, (d) TA, (e) TDX, (f) TTHG, (g)
27
TAS, (h) TM, (i) ITM, (j) LTHG
Hình 2.4: Trường hợp thứ ba. (a) Dị thường trọng lực được
4
thêm nhiễu, (b) THG, (c) AS, (d) TA, (e) TDX, (f) TTHG, (g)
29
TAS, (h) TM, (i) ITM, (j) LTHG
5
Hình 2.5: (a) Bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu, (b) Bản đồ địa
chất khu vực Tuần Giáo
30
Hình 2.6: (a) Bản đồ dị thường từ hàng không của khu vực, (b)
6
Dị thường từ chuyển về cực, (c) Bản đồ dị thường trọng lực
31
Bouguer
7
Hình 2.7: Kết quả phân tích dị thường từ. (a) THG, (b) AS, (c)
TA, (d) TDX, (e) TTHG, (f) TAS, (g) TM, (h) ITM, (i) LTHG
32
Hình 2.8: Kết quả phân tích dị thường trọng lực. (a) THG, (b)
8
AS, (c) TA, (d) TDX, (e) TTHG, (f) TAS, (g) TM, (h) ITM, (i)
33
LTHG
9
Hình 2.9: (a) Mơ hình 2D đơn giản, (b) Dị thường trọng lực gây
bởi mơ hình, (c) Kết quả tính tốn theo phương pháp IL với p =
35
1/10, (d) với p = 1, (e) với p = 2, (f) với p = 3, (g) với p = 5, (h)
với p = 10, (i) với p = 50, (j) với p = 100
10
Hình 2.10: (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b) Hình chiếu của mơ
hình lên mặt phẳng nằm ngang
36
Hình 2.11: (a) Trường trọng lực gây bởi mơ hình, (b) AS, (c)
11
TA, (d) THG_TA, (e) TM, (f) TDX, (g) HTA, (h) TTHG, (i) IL,
38
với p = 2. Đường nét đứt biểu diễn các biên thực
12
Hình 2.12: (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b) Hình chiếu của mơ
hình lên mặt phẳng nằm ngang
39
Hình 2.13: (a) Trường từ gây bởi mơ hình, (b) AS, (c) TA, (d)
13
THG_TA, (e) TM, (f) TDX, (g) HTA, (h) TTHG, (i) IL, với p =
40
2
Hình 2.14: (a) Trường từ gây bởi mơ hình được cộng thêm
14
nhiễu, (b) AS, (c) TA, (d) THG_TA, (e) TM, (f) TDX, (g) HTA,
42
(h) TTHG, (i) IL, với p = 2.
15
16
Hình 2.15: Bản đồ vị trí và địa chất khu vực trung tâm vùng đất
thấp Puget
Hình 2.16: (a) Bản đồ dị thường từ hàng không (Blakely và nnk,
1999), (b) Bản đồ dị thường từ hàng không được chuyển về cực
43
44
Hình 2.17: (a) Dị thường chuyển về cực được nâng trường lên
17
độ cao 100 m, (b) AS, (c) TA, (d) THG_TA, (e) TM, (f) TDX,
45
(g) HTA, (h) TTHG, (i) IL, với p = 2
18
Hình 2.18: Các cấu trúc từ tính thu được từ bản đồ IL và các cấu
trúc địa chất của khu vực
46
Hình 2.19: (a) Dị thường từ gây bởi mơ hình 2D, (b) THGA, (c)
19
EHGA0, (d) EHGA với k = 2, (e) với k = 3, (f) với k = 5, (g) với
48
k = 8, (h) với k = 10, (i) với k = 20, (j) với k = 50
20
Hình 2.20: (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b) Hình chiếu của mơ
hình lên mặt phẳng nằm ngang
49
Hình 2.21: Trường hợp thứ nhất. (a) Dị thường từ gây bởi mơ
21
hình, (b) THG, (c) AS, (d) TA, (e) THG_TA, (f) TM, (g) TDX,
51
(h) HTA, (i) TTHG, (j) ETHG
Hình 2.22: Trường hợp thứ hai. (a) Dị thường từ gây bởi mơ
22
hình, (b) THG, (c) AS, (d) TA, (e) THG_TA, (f) TM, (g) TDX,
53
(h) HTA, (i) TTHG, (j) ETHG
23
Hình 2.23: (a) Vị trí khu vực nghiên cứu, (b) Bản đồ địa chất
khu vực
54
Hình 2.24: (a) Dị thường từ hàng không khu vực bán đảo
24
Olympic (Blakely và nnk, 1999), (b) Dị thường từ chuyển về
55
cực
25
Hình 2.25: Kết quả áp dụng thực tế. (a) THG, (b) AS, (b) TA,
(d) THG_TA, (e) TM, (f) TDX, (g) HTA, (h) TTHG, (h) ETHG
56
Hình 2.26: (a) Mơ hình lăng trụ 2D (khối màu xám), (b) Dị
thường từ với độ từ khuynh thay đổi, (c) AS với độ từ khuynh
26
thay đổi, (d) EAS với độ từ khuynh thay đổi, (e) AT với độ từ
khuynh thay đổi, (f) TAS với độ từ khuynh thay đổi, (g) LAS
với độ từ khuynh thay đổi, với α = 5, (h) với α = 20, (i) với α =
50, (j) với α = 100
60
27
28
29
30
31
32
Hình 2.27: (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b) Hình chiếu của mơ
hình lên mặt phẳng nằm ngang
Hình 2.28: (a) Dị thường từ gây bởi lăng trụ, (b) AS, (c) EAS,
(d) AT, (e) TAS, (f) LAS, với α = 50
Hình 2.29: (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b) Hình chiếu của
mơ hình lên mặt phẳng nằm ngang
Hình 2.30: (a) Dị thường từ gây bởi ba lăng trụ, (b) AS, (c)
EAS, (d) AT, (e) TAS, (f) LAS, với α = 50
Hình 2.31: Bản đồ vị trí và địa chất khu vực (Mohanty, 2012).
Hình 2.32: (a) Dị thường từ khu vực nghiên cứu, (b) AS, (c)
EAS, (d) AT, (e) TAS, (f) LAS, với α = 20
61
61
63
63
64
66
Hình 2.33: (a) Mơ hình lăng trụ, (b) Dị thường từ, (c) AS, (d)
33
EAS, (e) AT, (f) TAS, (g) HT, (h) HTp (p = 0,1), (i) HTp (p =
0,03), (j) HTp (p = 0,01), (k) L, (l) Lk (k = 0,5), (l) Lk (k = 0,2),
68
(l) Lk (k = 0,1)
Hình 2.34: Mơ hình 3D thứ nhất. (a) Hình ảnh 3D của mơ hình,
34
(b) Hình chiếu của mơ hình lên mặt phẳng nằm ngang, (c) Dị
69
thường từ gây bởi mơ hình
35
Hình 2.35: (a) AS, (b) EAS, (c) AT, (d) TAS, (e) HTp (p =
0,01), (f) Lk (k = 0,1)
70
Hình 2.36: Mơ hình 3D thứ hai. (a) Hình ảnh 3D của mơ hình,
36
(b) Hình chiếu của mơ hình lên mặt phẳng nằm ngang, (c) Dị
thường từ gây bởi mơ hình
70
37
38
39
Hình 2.37: (a) AS, (b) EAS, (c) AT, (d) TA, (e) HTp (p = 0,01),
(f) Lk (k = 0,1)
Hình 2.38: (a) Vị trí khu vực nghiên cứu, (b) Bản đồ địa chất
khu vực
Hình 2.39: (a) Dị thường từ khu vực nghiên cứu, (b) Dị thường
từ sau khi nâng trường
72
72
73
40
Hình 2.40: (a) AS, (b) EAS, (c) AT, (d) TAS, (e) HTp, (f) Lk
74
41
Hình 2.41: Sơ đồ biểu diễn vị trí của các điểm lưới
75
Hình 2.42: Mơ hình thứ nhất. (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b)
42
Hình chiếu của mơ hình lên mặt phẳng nằm ngang, (c) Dị
thường trọng lực gây bởi mơ hình, (d) Gradient ngang tồn phần
78
của dị thường trọng lực
Hình 2.43: Các cực đại thu được bởi phương pháp (a) Phillips
43
và nnk (2007), (b) Blakely và Simpson (1986), (c) Trần Văn
79
Khá và nnk (2018), (d) Phương pháp đề xuất
Hình 2.44: Mơ hình thứ hai. (a) Hình ảnh 3D của mơ hình, (b)
44
Hình chiếu của mơ hình lên mặt phẳng nằm ngang, (c) Dị
thường trọng lực gây bởi mô hình, (d) Gradient ngang tồn phần
80
của dị thường trọng lực
Hình 2.45: Các cực đại thu được bởi phương pháp (a) Phillips
45
và nnk (2007), (b) Blakely và Simpson (1986), (c) Trần Văn
81
Khá và nnk (2018), (d) Phương pháp đề xuất
46
Hình 2.46: Vị trí và bản đồ địa chất khu vực Tuần giáo và lân
82
cận.
Hình 2.47. Bản đồ dị thường trọng lực Bouguer của khu vực
Tuần Giáo (b) Gradient ngang toàn phần của dị thường trọng lực
47
sau khi nâng trường lên độ cao 2 km (c) Các cực đại của
83
gradient ngang thu được từ phương pháp đề xuất (d) Các cực đại
của gradient ngang và hệ thống đứt gãy trong khu vực
Hình 3.1: (a) Ảnh chụp màn hình của phần mềm sau khi khởi
48
động, (b) Ảnh chụp màn hình của phần mềm sau khi load dữ
90
liệu và cài đặt các thơng số đầu vào.
49
50
Hình 3.2: Ảnh chụp màn hình của phần mềm và các kết quả thu
được sau khi hồn thành q trình lặp
Hình 3.3: Mơ hình ranh giới phân chia mật độ biểu diễn dưới
dạng 3D và các đường đồng mức
90
91
Hình 3.4: Trường hợp trường quan sát không chứa nhiễu. (a) Dị
thường quan sát tính từ mơ hình, (b) Độ sâu ranh giới phân chia
51
mật độ ở vòng lặp cuối, (c) Dị thường tính từ độ sâu giải ngược,
(d) Chênh lệch giữa độ sâu tính tốn và độ sâu mơ hình, (e)
92
Chênh lệch giữa dị thường tính từ độ sâu giải ngược và dị
thường quan sát, (f) Tốc độ hội tụ
Hình 3.5: Trường hợp trường quan sát chứa nhiễu. (a) Dị
thường quan sát tính từ mơ hình, (b) Độ sâu ranh giới phân chia
52
mật độ ở vịng lặp cuối, (c) Dị thường tính từ độ sâu giải ngược,
(d) Chênh lệch giữa độ sâu tính tốn và độ sâu mơ hình, (e)
Chênh lệch giữa dị thường tính từ độ sâu giải ngược và dị
thường quan sát, (f) Tốc độ hội tụ
94
53
Hình 3.6: Vị trí khu vực nghiên cứu
95
Hình 3.7: (a) Dị thường trọng lực Bouguer (Gomez-Ortiz và
Agarwal, 2005), (b) Độ sâu Moho thu được ở vòng lặp cuối, (c)
54
Dị thường trọng lực tính từ độ sâu ở vịng lặp cuối, (d) Chênh
lệch giữa dị thường tính từ độ sâu giải ngược và dị thường quan
97
sát, (e) Độ sâu Moho công bố bởi Gomez-Ortiz và Agarwal
(2005), (f) Độ sâu Moho công bố bởi Lefort và Agarwal (2000)
55
Hình 3.8: Tốc độ hội tụ
98
56
Hình 3.9: Giao diện phần mềm GCH_gravinv
102
Hình 3.10: (a) Độ sâu mơ hình bể trầm tích, (b) Dị thường trọng
lực gây bởi mơ hình, (c) Độ sâu tính tốn từ tổ hợp phương pháp
đề xuất, (d) Dị thường trọng lực tính tốn từ độ sâu giải ngược,
57
(e) Chênh lệch giữa độ sâu tính tốn và độ sâu mơ hình, (f)
105
Chênh lệch giữa dị thường quan sát và dị thường tính tốn, (g)
Tốc độ hội tụ của phương pháp, (h) Đơ sâu tính tốn theo
phương pháp của Chai và Hinze (1988)
Hình 3.11: (a) Dị thường trọng lực chứa nhiễu, (b) Độ sâu tính
58
tốn từ tổ hợp phương pháp đề xuất, (c) Chênh lệch giữa độ sâu
106
tính tốn và độ sâu mơ hình, (d) Tốc độ hội tụ của phương pháp
59
Hình 3.12: Vị trí khu vực nghiên cứu
107
Hình 3.13. Mật độ dư thay đổi theo độ sâu được fit theo hàm e
60
mũ (Các giá trị mật độ dư theo tài liệu lỗ khoan được số hóa từ
107
Chakravarthi (2003))
61
Hình 3.14: (a) Dị thường trọng lực trên khu vực bể trầm tích
108
Chintalapudi. (b) Độ sâu bể tính tốn từ tổ hợp phương pháp đề
xuất, (c) Dị thường trọng lực tính tốn từ độ sâu giải ngược, (d)
Chênh lệch giữa dị thường quan sát và dị thường tính tốn, (e)
Tốc độ hội tụ của phương pháp, (f) Độ sâu bể Chintalapudi công
bố bởi Silva and Santos (2017)
Hình 3.15: Giao diện phần mềm MagB_inv. (a) Giao diện phần
62
mềm sau khi khởi động chương trình, b) Giao diện phần mềm
sau khi load dữ liệu và cách cài đặt các thông số đầu vào, c) Cài
113
đặt các thơng số của bộ lọc thơng thấp
63
64
Hình 3.16: Đồ họa phần mềm sau khi hoàn thành thủ tục lặp và
một số kết quả thu được
Hình 3.17: Mơ hình ranh giới từ tính biểu diễn dưới dạng 3D và
các đường đồng mức
114
115
Hình 3.18: Trường hợp từ hóa thẳng đứng. (a) Dị thường quan
sát tính từ mơ hình, (b) Độ sâu ranh giới từ tính ở vịng lặp cuối,
65
(c) Dị thường tính từ độ sâu giải ngược, (d) Chênh lệch giữa độ
116
sâu tính tốn và độ sâu mơ hình, (e) Chênh lệch giữa dị thường
tính từ độ sâu giải ngược và dị thường quan sát, (f) Tốc độ hội tụ
Hình 3.19: Trường hợp từ hóa nghiêng. (a) Dị thường quan sát
tính từ mơ hình, (b) Độ sâu ranh giới từ tính ở vịng lặp cuối, (c)
66
Dị thường tính từ độ sâu giải ngược, (d) Chênh lệch giữa độ sâu
117
tính tốn và độ sâu mơ hình, (e) Chênh lệch giữa dị thường tính
từ độ sâu giải ngược và dị thường quan sát, (f) Tốc độ hội tụ
67
Hình 3.20: Trường hợp từ hóa nghiêng thêm nhiễu. (a) Dị
thường quan sát tính từ mơ hình, (b) Độ sâu ranh giới từ tính ở
119
vịng lặp cuối, (c) Dị thường tính từ độ sâu giải ngược, (d)
Chênh lệch giữa độ sâu tính tốn và độ sâu mơ hình, (e) Chênh
lệch giữa dị thường tính từ độ sâu giải ngược và dị thường quan
sát, (f) Tốc độ hội tụ
68
Hình 3.21: Vị trí khu vực nghiên cứu
120
Hình 3.22: (a) Bản đồ dị thường từ khu vực Tây Bắc Đức (Hahn
và nnk, 1976), (b) Cấu trúc móng từ tính tốn theo phương pháp
69
trình bày và các đặc điểm và xu hướng cấu trúc móng từ trong
khu vực (Pratsch, 1980), (c) Dị thường từ tính tốn từ độ sâu
121
giải ngược, (d) Cấu trúc móng từ tính tốn bởi Hahn và nnk
(1976) sử dụng phương pháp phổ thống kê
70
Hình 3.23: Tốc độ hội tụ của phương pháp
122
MỞ ĐẦU
Xử lý, phân tích tài liệu từ và trọng lực đóng vai trị quan trọng trong nghiên
cứu cấu trúc vỏ trái đất, giải đoán các cấu trúc địa chất cũng như tìm kiếm và thăm
dị khống sản. Thực tế hiện nay, các phương pháp xử lý, phân tích tài liệu từ và
trọng lực vẫn được áp dụng thường xuyên và phổ biến như một trong những
phương pháp cơ bản trong các nhiệm vụ điều tra, khảo sát trên mặt đất, qua đó góp
phần giải quyết các vấn đề phân vùng, kiến tạo, thạch học, tìm kiếm các khu vực có
triển vọng khống sản để tiến hành cơng tác thăm dò địa chất, địa vật lý chi tiết.
Bên cạnh sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp địa vật lý khác, các
phương pháp từ và trọng lực cũng không ngừng được phát triển và mở rộng. Trong
đó phải kể đến hai nhóm phương pháp chính: nhóm phương pháp xác định biên
ngang của các nguồn gây dị thường trường thế và nhóm phương pháp xác định độ
sâu ranh giới phân chia mật độ, ranh giới từ tính.
Nhóm các phương pháp xác định biên bao gồm các phương pháp dựa trên biên
độ đạo hàm và các phương pháp pha. Hạn chế của các phương pháp dựa trên biên
độ đạo hàm là không thể cân bằng các dị thường gây bởi các nguồn nằm ở những độ
sâu khác nhau. Các phương pháp pha mặc dù hiệu quả trong việc cân bằng các dị
thường có biên độ khác nhau nhưng kết quả xác định biên theo các phương pháp đó
cịn tồn tại một số hạn chế như: các biên thu được lớn hơn biên thực của nguồn, kết
quả có độ phân giải thấp hoặc sinh ra các biên thứ cấp trong bản đồ phân tích.
Nhóm các phương pháp xác định độ sâu có thể phân chia thành các nhóm nhỏ
hơn, gồm: nhóm phương pháp miền khơng gian, nhóm phương pháp miền tần số,
nhóm phương pháp đánh giá độ sâu tự động và nhóm phương pháp phổ thống kê.
Ưu điểm của nhóm phương pháp miền tần số là cho phép thực hiện các tính tốn
một cách nhanh chóng, tuy nhiên các phương pháp này yêu cầu sử dụng các bộ lọc
thông thấp để thu được sự hội tụ của bài toán ngược. Việc quyết định bước sóng
nào nên được lọc ra hoặc phạm vi bước sóng nào nên được sử dụng thường rất khó
khăn và phức tạp. Các phương pháp miền không gian không yêu cầu sử dụng bộ lọc
1
nhưng lại mất rất nhiều thời gian cho quá trình tính tốn. Hai nhóm phương pháp
đánh giá độ sâu tự động và nhóm phương pháp phổ thống kê mặc dù yêu cầu rất ít
các tham số đầu vào, nhưng các kết quả tính tốn lại phụ thuộc rất nhiều vào việc
lựa chọn kích thước cửa sổ tính tốn.
Như vậy, có thể thấy, các phương pháp xử lý, phân tích số liệu từ và trọng lực
còn tồn tại một số hạn chế nhất định. Do đó, việc xây dựng các phương pháp mới,
hoặc cải tiến các phương pháp hiện có là hết sức cần thiết. Vì lí do đó, tác giả đã lựa
chọn đề tài “Nghiên cứu phát triển một số phương pháp mới trong cơng tác xử lý,
phân tích số liệu trường thế” làm đề tài nghiên cứu của mình.
Mục tiêu của luận án:
Nghiên cứu phát triển các phương pháp/tổ hợp phương pháp mới hoặc cải
tiến các phương pháp hiện có nhằm nâng cao hiệu quả cơng tác xử lý, phân tích số
liệu trường thế.
Xây dựng một số chương trình phần mềm từ các phương pháp xử lý, phân
tích mới để xác định độ sâu ranh giới phân chia mật độ, độ sâu ranh giới từ tính, các
ranh giới ngang của các cấu trúc địa chất trên một số khu vực nghiên cứu.
Nhiệm vụ của luận án:
Đề xuất các phương pháp làm tăng độ phân giải cũng như độ chính xác trong
xác định biên của nguồn gây dị thường từ và dị thường trọng lực.
Đề xuất cải tiến phương pháp xác định vị trí cực đại.
Đề xuất cải tiến phương pháp xác định độ sâu ranh giới phân chia mật độ.
Đề xuất tổ hợp phương pháp xác định độ sâu bể trầm tích.
Đề xuất phương pháp xác định độ sâu ranh giới từ tính.
Tính tốn thử nghiệm các phương pháp đề xuất trên các mơ hình giả định và
các tài liệu thực tế. So sánh các kết quả thu được từ các phương pháp đề xuất với
2
các kết quả theo các phương pháp khác cũng như các bản đồ địa chất của các khu
vực nghiên cứu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
1. Ý nghĩa khoa học:
Các phương pháp xác định biên mà chúng tôi đề xuất dựa trên các hàm cân
bằng với các hệ số điều chỉnh được bổ sung sẽ góp phần cải thiện độ chính xác, độ
phân giải của các kết quả xác định biên. Một ưu điểm vượt trội khác so với nhiều
phương pháp được phát triển gần đây là các phương pháp chúng tơi đề xuất có thể
tránh được việc sinh ra các cấu trúc ảo trong các bản đồ phân tích. Các phương pháp
xác định độ sâu ranh giới phân chia mật độ và độ sâu ranh giới từ tính được đề xuất
giúp giảm thời gian tính tốn, làm tăng độ chính xác của các kết quả phân tích,
trong đó phương pháp xác định độ sâu bể trầm tích khơng u cầu biết trước độ sâu
trung bình và bộ lọc thông thấp. Kết quả của luận án sẽ đóng góp một số phương
pháp hữu ích trong xử lý, phân tích tài liệu trường thế.
2. Ý nghĩa thực tiễn:
Đã áp dụng có hiệu quả các phương pháp đề xuất trong xử lý, phân tích tài
liệu từ và trọng lực ở nhiều khu vực trong nước và trên thế giới, góp phần cung cấp
các thơng tin hữu ích làm sáng tỏ hơn cấu trúc địa chất của các khu vực này.
Điểm mới của luận án:
Đề xuất mới và đưa ra được các giải pháp cải tiến một số phương pháp xử lý,
phân tích tài liệu từ và trọng lực, góp phần nâng cao hiệu quả cơng tác xử lý, phân
tích số liệu trường thế. Các phương pháp đó bao gồm:
✓ Phương pháp logistic của gradient ngang toàn phần
✓ Phương pháp logistic cải tiến
✓ Phương pháp gradient ngang toàn phần được tăng cường
✓ Phương pháp logistic của biên độ tín hiệu giải tích
3
✓ Phương pháp tang hyperbolic và phương pháp logistic khác của biên
độ tín hiệu giải tích
✓ Phương pháp xác định vị trí cực đại cải tiến
✓ Phương pháp xác định độ sâu ranh giới phân chia mật độ cải tiến
✓ Tổ hợp phương pháp xác định độ sâu bể trầm tích
✓ Phương pháp xác định ranh giới từ tính
Cơng bố một số chương trình máy tính xử lý, phân tích số liệu trường thế.
Cấu trúc của luận án:
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu các phương pháp xác định biên và
độ sâu của nguồn gây dị thường từ và trọng lực
Chương 2: Các phương pháp mới trong xác định biên của vật thể gây dị
thường từ và trọng lực.
Chương 3: Các phương pháp cải tiến trong xác định độ sâu ranh giới phân chia
mật độ và độ sâu ranh giới từ tính.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC
ĐỊNH BIÊN VÀ ĐỘ SÂU CỦA NGUỒN GÂY DỊ THƯỜNG TỪ VÀ
TRỌNG LỰC
1.1 Các phương pháp xác định biên của vật thể gây dị thường từ và trọng lực
Các phương pháp xác định biên đóng vai trị thiết yếu trong xử lý, phân tích
tài liệu từ và trọng lực. Hiểu biết về vị trí biên của nguồn gây dị thường trường thế
rất quan trọng trong việc lập bản đồ địa chất cũng như các ứng dụng môi trường và
kỹ thuật (Hsu và nnk, 1996; Fedi và Florio, 2001; Cooper và Cowan, 2008; Zuo và
nnk, 2014). Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để xác định các biên của
nguồn, hầu hết được xây dựng dựa trên các đạo hàm ngang hoặc đạo hàm thẳng
đứng của dị thường trường thế hoặc dựa trên sự kết hợp giữa các đạo hàm đó. Một
trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp gradient
ngang toàn phần được đề xuất bởi Cordell và Grauch (1985). Đây coi là cách tiếp
cận đơn giản nhất để xác định các ranh giới ngang của các nguồn gây dị thường. Ưu
điểm lớn nhất của phương pháp này là độ nhạy đối với nhiễu thấp vì nó chỉ u cầu
tính tốn các đạo hàm ngang bậc nhất của trường quan sát. Tuy nhiên, khả năng áp
dụng của phương pháp gradient ngang toàn phần trong tăng cường các cạnh của
nguồn sâu rất hạn chế vì nó khơng thể cân bằng đồng thời các dị thường có biên độ
khác nhau (Cooper và Cowan, 2008; Cooper, 2009; Zhang và nnk, 2014). Một
phương pháp phổ biến khác là biên độ tín hiệu giải tích, được giới thiệu bởi
Nabighian (1972, 1974) cho trường hợp hai chiều và sau đó được mở rộng bởi
Roest và nnk (1992) cho trường hợp ba chiều. Các giá trị cực đại của biên độ tín
hiệu giải tích được sử dụng để phát hiện biên ngang của các cấu trúc từ tính. Tuy
nhiên, tương tự như phương pháp gradient ngang tồn phần, phương pháp biên độ
tín hiệu giải tích vẫn kém hiệu quả trong việc tăng cường đồng thời các dị thường
có biên độ khác nhau (Cooper, 2009; Hidalgo-Gato và Barbosa, 2017). Để tăng
cường khả năng xác định ranh giới các cấu trúc sâu, cũng như giảm các hiệu ứng
5
giao thoa từ các nguồn lân cận, Hsu và nnk (1996) đề xuất sử dụng phương pháp
biên độ tín hiệu giải tích được tăng cường. Phương pháp dựa trên việc tính tốn biên
độ tín hiệu giải tích của các đạo hàm thẳng đứng bậc cao. Fedi và Florio (2001) giới
thiệu phương pháp gradient ngang nâng cao. Họ sử dụng gradient ngang tồn phần
của các đạo hàm thẳng đứng có bậc tăng dần để làm tăng độ phân giải của kết quả
phân tích. Cella và nnk (2009) đề xuất sử dụng phương pháp xác định biên đa tỉ lệ
bằng cách cải thiện phương pháp gradient ngang nâng cao của Fedi và Florio
(2001). Beiki (2010) đề xuất sử dụng các đạo hàm các biên độ tín hiệu giải tích theo
các hướng khác nhau để phân định các cấu trúc nguồn. Các phương pháp của Hsu
và nnk (1996), Fedi và Florio (2001), Cella và nnk (2009) và Beiki (2010) dựa trên
các đạo hàm bậc cao để phân định các cấu trúc nằm gần nhau, điều đó vơ tình dẫn
đến việc khuếch đại các tín hiệu nhiễu ln tồn tại trong trường quan sát. Mặc dù
các phương pháp đó hiệu quả hơn phương pháp biên độ tín hiệu giải tích và gradient
ngang tồn phần, chúng vẫn không thể cân bằng biên độ của các dị thường được
sinh ra bởi các cấu trúc nằm ở những độ sâu khác nhau.
Trong khoảng 25 năm gần đây, các phương pháp dựa trên pha của dị thường
trường thế có một sự phát triển nhanh chóng. Các phương pháp này có khả năng cân
bằng các tín hiệu có biên độ khác nhau bằng cách chuẩn hóa các đạo hàm của dị
thường trường thế. Phương pháp pha đầu tiên được đề xuất bởi Miller và Singh
(1994), gọi là phương pháp góc nghiêng. Phương pháp được định nghĩa là arctan
của tỷ số giữa đạo hàm thẳng đứng và gradient ngang toàn phần của trường quan
sát. Verduzco và nnk (2004) đã chỉ ra rằng gradient ngang tồn phần của góc
nghiêng có độ phân giải tốt hơn phương pháp góc nghiêng trong xác định biên. Tuy
nhiên, khi độ sâu nguồn tăng, biên độ của các tín hiệu biến đổi giảm. Do đó, tính
tốn gradient ngang tồn phần của góc nghiêng đã biến một phương pháp cân bằng
trở thành không cân bằng. Điều này vơ tình gây khó khăn cho việc đánh giá các cấu
trúc địa chất sâu. Wijns và nnk (2005) đã đề xuất một phương pháp pha khác, được
gọi là phương pháp bản đồ theta. Phương pháp sử dụng biên độ tín hiệu giải tích để
chuẩn hóa gradient ngang tồn phần. Sử dụng phương pháp bản đồ theta, biên độ
6
của phản hồi từ các nguồn nằm ở các độ sâu khác nhau là tương tự, tuy nhiên phản
hồi từ các nguồn sâu hơn bị khuếch tán (Cooper và Cowan, 2008). Cooper và
Cowan (2006) đã giới thiệu một phương pháp sửa đổi của góc nghiêng, được gọi là
phương pháp góc nghiêng ngang hay phương pháp TDX. Phương pháp sử dụng giá
trị tuyệt đối của đạo hàm thẳng đứng để chuẩn hóa gradient ngang tồn phần.
Ferreira và nnk (2013) phân tích góc nghiêng ngang của các dị thường sinh ra bởi
các cấu trúc nằm ở những độ sâu khác nhau và chỉ ra rằng phương pháp này phụ
thuộc nhiều vào độ sâu của nguồn. Một hạn chế khác và cũng là vấn đề nghiêm
trọng của các phương pháp cân bằng kể trên là sinh ra các ranh giới ảo khi trường
quan sát chứa đồng thời các dị thường âm và dương. Cooper và Cowan (2008) giới
thiệu một phương pháp khác dựa trên tỷ lệ của độ lệch chuẩn để phân định biên của
nguồn. Nhược điểm của phương pháp này là kết quả thu được phụ thuộc rất nhiều
vào kích thước của cửa sổ, khiến chúng không hiệu quả đối với các cấu trúc lớn.
Một phương pháp pha khác được giới thiệu bởi Cooper (2009), gọi là biên độ tín
hiệu giải tích cân bằng. Phương pháp sử dụng phép biến đổi Hilbert để chuẩn hóa
biên độ tín hiệu giải tích. Mặc dù có thể cung cấp các phản hồi có cùng biên độ
nhưng kết quả thu được từ phương pháp có độ phân giải thấp. Ma và Li (2012) đã
trình bày một phương pháp khác sử dụng tỷ số giữa gradient ngang tồn phần và
cực đại của các gradient ngang gần đó để cân bằng các biên độ khác nhau. Phương
pháp này có thể cân bằng các cạnh biên độ lớn và nhỏ, nhưng các biên thu được bị
làm mờ bởi các điểm gần đó (Yao và nnk, 2015). Một hạn chế khác của phương
pháp, tương tự như phương pháp của Cooper và Cowan (2008) là kết quả tính tốn
phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của cửa sổ. Do đó, phương pháp kém hiệu quả
đối với các dị thường có nằm trong một không gian lớn. Ferreira và nnk (2013) giới
thiệu một cơng cụ hữu ích khác để xác định biên của các vật thể gây dị thường, gọi
là góc nghiêng của gradient ngang toàn phần. Phương pháp này sinh ra các giá trị
cực đại trên các cạnh nguồn và cân bằng các tín hiệu phản hồi từ các nguồn nơng và
sâu một cách đồng thời. Mặc dù phương pháp hiệu quả hơn tất cả các phương pháp
đã được thảo luận trước đó, các kết quả xác định biên của các cấu trúc sâu vẫn bị
7
phân tán. Hạn chế này được Zhang và nnk (2014) khắc phục bằng cách sử dụng góc
nghiêng của đạo hàm thẳng đứng của gradient ngang toàn phần. Mặc dù phương
pháp này giúp tăng độ phân giải của các kết quả xác định cạnh, nó cũng sinh ra
nhiều cấu trúc ảo xung quanh các cấu trúc từ tính thực. Yao và nnk (2015) sử dụng
một cách tiếp cận khác, gọi là phương pháp biên độ tín hiệu giải tích được tăng
cường và chuẩn hóa. Phương pháp thu được kết quả với độ phân giải cao hơn
phương pháp góc nghiêng của gradient ngang tồn phần, nhưng kết quả tính tốn bị
ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu do sử dụng các đạo hàm thẳng đứng bậc ba. Sun và nnk
(2016) đề nghị sử dụng các moment phổ để tăng độ phân giải các kết quả xác định
ranh giới ngang của nguồn. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp cũng phụ thuộc
nhiều vào việc lựa chọn kích thước cửa sổ. Một cách tiếp cận khác dựa trên phương
pháp bản đồ theta được giới thiệu bởi Chen và nnk (2017), gọi là phương pháp bản
đồ theta cải tiến. Tương tự như phương pháp của Yao và nnk (2015), phương pháp
bản đồ theta cải tiến cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu do sử dụng các đạo hàm
thẳng đứng bậc cao. Phương pháp cũng kém hiệu quả trong trường hợp trường quan
sát chứa đồng thời các dị thường dương và âm. Nasuti Y và Nasuti A (2018) đề xuất
sử dụng phương pháp sửa đổi của góc nghiêng dựa trên tỷ số giữa đạo hàm thẳng
đứng bậc hai và gradient ngang tồn phần của biên độ tín hiệu giải tích với các bậc
khác nhau. Mặc dù kết quả tính tốn có độ phân giải cao, nhưng phương pháp sinh
ra các biên ảo xung quanh cấu trúc thực. Một phương pháp có độ phân giải cao khác
được giới thiệu bởi Nasuti và nnk (2018). Họ sử dụng tỷ số giữa đạo hàm thẳng
đứng bậc hai và gradient ngang toàn phần của gradient ngang để cân bằng các tín
hiệu. Phương pháp này tồn tại hạn chế tương tự phương pháp sửa đổi của góc
nghiêng. Castro và nnk (2018) sử dụng sự kết hợp giữa hai hàm góc nghiêng và góc
nghiêng ngang để đánh giá vị trí ngang của nguồn. Họ chỉ ra rằng tổng hai hàm là
một hằng số trên toàn bộ vật thể, trong khi hiệu của chúng đạt cực đại tại tâm của
nguồn. Tuy nhiên, trong trường hợp trường quan sát chứa đồng thời các dị thường
âm và dương, các phương pháp này sinh ra nhiều cấu trúc lỗi. Zareie và Moghadam
(2019) giới thiệu một phương pháp sửa đổi khác của bản đồ theta. Mặc dù hiệu quả
8