Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung bài viết trình bày một hệ phương pháp phân tích tài liệu trọng lực và một số kết quả mới nhất về hướng phân tích này. Để hiểu rõ hơn mời bạn tham khảo nội dung chi tiết bài viết này!
33(2)[CĐ], 185-190 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 6-2011 CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT SÂU KHU VỰC HÀ NỘI VÀ LÂN CẬN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH TÀI LIỆU TRỌNG LỰC PHẠM NAM HƯNG, LÊ VĂN DŨNG Email: pnhungigp@yahoo.com Viện Vật lý Địa cầu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: 4-4-2011 Mở đầu lực số kết hướng phân tích Phân tích tài liệu trọng lực để nghiên cứu cấu trúc sâu vỏ Trái Đất phần phía bắc lãnh thổ Việt Nam nhiều tác giả sử dụng trước [2-8] Tài liệu trọng lực sử dụng lúc dừng lại tỷ lệ 1:500.000, chí nhỏ Vì vậy, kết cịn mang tính khu vực có khác mặt ranh giới vỏ Trái Đất Vừa qua có số kết độ sâu mặt ranh giới vỏ Trái Đất phần phía Bắc lãnh thổ Việt Nam, bao gồm phần khu vực nghiên cứu, phần làm xác đặc trưng cấu trúc sâu vỏ Trái Đất Có thể kể đến cơng trình Đồn Văn Tuyến (2000) phương pháp từ Tellua dọc theo tuyến Thanh Sơn - Thái Nguyên; Đinh Văn Toàn (2010) phương pháp địa chấn dò sâu dọc theo hai tuyến: Thái Ngun - Hịa Bình Hịa Bình - Thanh Hóa Khu vực nghiên cứu giới hạn khung tọa độ: ϕ = 20o30'÷21o40'N; λ = 105o00'÷106o20'E Trong khn khổ chương trình hợp tác khoa học cơng nghệ Việt Nam - Italia giai đoạn 20092010 Viện Vật lý Địa cầu trường đại học tổng hợp Trieste, Italia đo tuyến trọng lực chi tiết khu vực Hà Nội lân cận Các tuyến trọng lực nhằm nghiên cứu cấu trúc đứt gãy phục vụ vi phân vùng động đất Tp Hà Nội nhiệm vụ đề tài Trên sở tài liệu trọng lực này, chúng tơi cịn thu thập thêm tài liệu trọng lực vùng tỷ lệ 1:100.000 đến tỷ lệ 1:50.000 Cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam cung cấp (hình 1), kết địa chấn dò sâu từ Tellua nhằm nghiên cứu cấu trúc địa chất sâu khu vực Hà Nội lân cận Trong khn khổ cơng trình chúng tơi trình bày hệ phương pháp phân tích tài liệu trọng 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 106.2 21.6 21.6 Thái Nguyên 21.4 21.4 Việt Trì Bắc Giang 21.2 21.2 Hμ Néi 21.0 20.8 21.0 Hoμ B×nh 20.8 H−ng Yªn 20.6 20.6 Hμ Nam 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 106.2 Hình Dị thường trọng lực Bouguer khu vực Hà Nội kế cận Phương pháp phân tích Nhằm nghiên cứu đặc điểm cấu trúc địa chất sâu khu vực Hà Nội lân cận, tiến hành theo bước sau: (i) Biến đổi trường trọng lực nâng hạ trường, tính gradient ngang, thẳng đứng, gradient chuẩn hóa tồn phần mặt cắt hệ số cấu trúc/mật độ nhằm xác định ranh giới cấu trúc đứt gãy Các kết phân tích nhằm giảm thiểu tính đa nghiệm tốn trọng lực thông 185 f - số trọng trường tin ban đầu bổ ích cho việc nhận dạng hình thái độ sâu đơn vị cấu trúc vỏ Trái Đất (ii) Giải tốn mơ hình 2,5D với thông số cấu trúc thiết lập ban đầu sở tốn phân tích định tính (iii) Tính tương quan nhiều chiều theo diện nhằm nghiên cứu dự báo đặc trưng cấu trúc mặt ranh giới vỏ Trái Đất Sử dụng giá trị độ sâu tới mặt ranh giới theo tài liệu từ Tellua địa chấn dị sâu có sẵn khu vực Hà Nội lân cận kết giải tốn mơ hình trọng lưc 2,5D dọc theo tuyến nghiên cứu 2.1 Phép biến đổi trường dị thường trọng lực Nhiệm vụ phép biến đổi trường tách trường quan sát thành thành phần tương ứng với đối tượng địa chất nằm độ sâu khác Ở sử dụng số thuật toán biến đổi trường sau: - Phương pháp nâng trường lên nửa miền không gian phía - Phương pháp tính gradient trung bình trường trọng lực - Phương pháp tính tốn loại véctơ thành phần theo trục X, Y, Z - Xây dựng mặt cắt gradient ngang, gradient chuẩn hóa tồn phần mặt cắt hệ số cấu trúc/mật độ sở mơ hình lăng trụ trịn nằm ngang Dựa kết phép biến đổi trường xây dựng mơ hình sơ đơn vị cấu trúc vỏ Trái Đất dọc theo tuyến nghiên cứu để thiết lập giải toán trọng lực 2,5D ρ - mật độ đa giác Trong hệ toạ độ vng góc, biết toạ độ điểm thứ i ( Z i ; X i ) theo góc nhìn θ i trình bày hình bán kính ri ta tính Z i ; X i theo công thức: ⎡ r ⎤ Z = A ⎢( θ1 - θ ) + Bln ⎥ r1 ⎦ ⎣ ⎡ r ⎤ X = A ⎢- ( θ1 - θ ) B + ln ⎥ r1 ⎦ ⎣ Trong đó: B= A= (2) ( x2 − x1 )( x1 z2 − x2 z1 ) ; ( x2 − x1 ) + ( z2 − z1 )2 z2 − z1 ; r1 = x12 + z12 ; r22 = x 22 + z 22 x2 − x1 Để xác định θ ,θ ta sử dụng công thức: ⎛ zj ⎞ θ j = tan -1 ⎜ ⎟ ; với j = 1, góc θ1 ,θ thay đổi từ ⎜xj⎟ ⎝ ⎠ + π đến - π đó, tuỳ theo điều kiện cụ thể Z1 , Z ; X , X mà tính góc θ1 ,θ Để tìm nghiệm tốn ngược ta thiết lập hàm: n F = ∑ ⎡⎣Δgm ( xi , yi ) -Δgt ( x i , yi ) ⎤⎦ (3) i=1 đây: Δg m ( xi , y i ) Δg t (xi , yi ) - Hàm quan sát tính tốn Phương trình (3) giải theo phương pháp bình phương tối thiểu X 2.2 Giải tốn mơ hình trọng lực 2,5D r1 Để giải tốn trọng lực 2,5D, chúng tơi sử dụng dạng mơ hình đa giác nhiều cạnh, cơng thức tính tốn mơ tả chi tiết cơng trình [12] r2 (X1, Z1) Thành phần nằm ngang thẳng đứng dị thường trọng lực xác định sở công thức sau: n n i=1 i=1 Δg Z = 2fρ∑ Zi ; Δg X = 2fρ∑ Xi Trong đó: Z i ; X i hai tích phân đường lấy theo cạnh thứ i đa giác 186 (X2, Z2) (1) Y Hình Mơ hình tính dị thường trọng lực cho đa giác n-cạnh 2.3 Bài toán tương quan nhiều chiều xác định độ sâu mặt ranh giới vỏ Trái Đất Công thức chung cho hàm tương quan tuyến tính nhiều chiều có dạng: Hi = a0 + a1g1 + a2g2 + + angn (4) Trong đó: H độ sâu tới mặt cần tính; gi biến phụ thuộc hàm H, chúng giá trị trường trọng lực Bouguer dị thường trọng lực dư; a0, a1, an số, xác định sở phương pháp bình phương tối thiểu sau: ∑g ∑H -∑g ∑H n∑ g - ( ∑ g ) i a0 = = i i 3.1 Các hệ thống đới đứt gãy i i (5) n ∑ Hi g i - ( ∑ g i )( ∑ Hi ) n ∑ gi2 - ( ∑ gi ) Hệ số tương quan tuyến tính nhiều chiều R xác định sở công thức: n R x,H = i i=1 ∑ ⎛⎜⎝ g ⎞⎛ ⎞ - G ⎟⎜ Hi - H ⎟ ⎠⎝ ⎠ n i i=1 với : G= (6) n ⎞ ⎛ ⎞ - G ⎟ ∑ ⎜ H i - H ⎟ ⎠ i=1 ⎝ ⎠ n ∑g i=1 n n i ; H= Cấu trúc địa chất sâu khu vực Hà Nội lân cận 2 i ∑ ⎛⎜⎝ g Nguyên lý thiết lập hàm dựa sở hệ số tương quan lớn Trước hết chúng tơi tính tốn tương quan đơn cặp Sau sử dụng ưu tiên theo giá trị tương quan từ lớn đến nhỏ để tiến hành tính tốn hàm tương quan nhiều chiều, đưa vào hàm tương quan từ chiều, chiều, đến n chiều Sau lần nâng giá trị biến lên lần xác định giá trị tương quan tương ứng, tăng biến đưa vào mà giá trị tương quan khơng tăng kết thúc chu trình tính tốn ∑H i i=1 n Trong đó: G giá trị trung bình dị thường trọng lực Bouguer; H giá trị trung bình độ sâu H (km); i=1,2,… n số lần quan sát với cặp giá trị G H dùng để tính tương quan Nhằm đánh giá đặc trưng cấu trúc đứt gãy tiến hành phép biến đổi tính tốn sau: xây dựng mặt cắt gradient ngang; gradient chuẩn hóa tồn phần; thiết lập mặt cắt hệ số cấu trúc/mật độ sở mơ hình lăng trụ trịn nằm ngang; cuối giải toán ngược trọng lực 2,5D để xác hóa đặc trưng cấu trúc đứt gãy (từ hình đến 6) g B (mGal) §íi cÊu tróc ®øt g·y gC -20 -25 -30 -35 10 15 Líp trÇm tÝch 20 25 30 35 Líp Granit 40 -5 -10 h S« ng Hå ng -15 h ¶y -10 S« n g L « S«n -5 V Ün h N in L C -N B Độ sâu nằm mặt ranh giới vỏ Trái Đất chủ yếu tác giả dự báo sở hàm tương quan tuyến tính nhiều chiều độ sâu giá trị thành phần trường trọng lực Các số liệu chuẩn sử dụng cho việc thiết lập hàm tương quan tuyến tính nhiều chiều độ sâu xác định theo tài liệu địa chấn dò sâu, tài liệu đo sâu điện từ Tellua địa vật lý khác có Các giá trị thành phần trường trọng lực sử dụng việc thiết lập hàm tương quan bội giá trị trọng lực mức nâng trường khác nhau, từ 1km, 2km, 3km, cách 1km 50km giá trị dị thường dư mức nâng trường khác Thông thường nhằm phát đứt gãy, nhà nghiên cứu trọng lực dựa sở dấu hiệu trực tiếp gián tiếp Các dấu hiệu trực tiếp dấu hiệu phát trực tiếp sở đặc trưng trường dị thường chưa biến đổi biểu ranh giới hai miền có đặc trưng trường khác biệt hệ thống điểm oằn nối nhau,… Các dấu hiệu gián tiếp dấu hiệu làm bật qua phép trình biến đổi Chẳng hạn việc xác định đạo hàm bậc khác nhau, tính gradient trung bình trường trọng lực,… -15 -20 -25 -30 45 50 Líp Bazan 55 60 65 Manti 70 75 -35 §øt g·y Hình Mặt cắt cấu trúc đứt gãy dọc theo tuyến 187 Trên sở kết nghiên cứu đứt gãy sâu khu vực Hà Nội lân cận (hình 7) rút số nhận định sau: g B (mGal) G .Đ Đ Đới cấu trúc đứt gÃy Ch ảy -15 -20 -25 -25 -30 -35 g -10 L« -20 n S« -5 H ån g -15 S«n g V Ün B -10 h N in h ch ¶y -5 S «n g L C -N S«n g -30 10 20 30 40 60 70 80 90 Líp Granit 110 -35 §øt g·y Manti o Lμ G Líp Bazan 100 Đ Đ Lớp trầm tích 50 h in i-N Ca B× Hình Mặt cắt cấu trúc đứt gãy dọc theo tuyến nh g B (mGal) Hình Sơ đồ đứt gãy khu vực Hà Nội v k cn Đới cấu trúc đứt gÃy -15 -20 -25 S«n g L« S«n g Hån g LC -N B -5 -10 V Ün h N inh S« ng Ch ¶y -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -30 10 20 30 40 Líp trÇm tÝch 50 60 70 80 90 Líp Bazan Líp Granit 100 -35 110 §øt g·y Manti Hình Mặt cắt cấu trúc đứt gãy dọc theo tuyến Nét bật đứt gãy vùng nghiên cứu chủ yếu phát triển theo phương tây bắc - đông nam Thứ đến phương kinh tuyến, vỹ tuyến đông bắc - tây nam Đứt gãy Sông Hồng có độ sâu xuyên cắt lớn (xuyên vỏ) đứt gãy cấp Việt Nam; đứt gãy lại có độ sâu xuyên vỏ nội vỏ 3.2 Độ sâu mặt kết tinh Độ sâu tới mặt kết tinh khu vực Hà Nội lân cận xác định thơng qua hàm tương quan tuyến tính nhiều chiều sau: g B (mGal) HKT = 4,0722 + 0,0782*g1 + 0,0957*g2 (7) Hệ số tương quan R = 0,90 Trong ú: Đới cấu trúc đứt gÃy Sô ng Lô -15 Vĩn h Ninh -5 -10 C y S«n g Hå ng S« ng -5 -10 -15 -20 -20 -25 -25 -30 -35 -30 10 15 Líp trÇm tÝch 20 25 30 35 Líp Granit 40 45 50 Líp Bazan 55 60 65 Manti 70 75 §øt g·y Hình Mặt cắt cấu trúc đứt gãy dọc theo tuyến 188 -35 80 g1: giá trị dị thường trọng lực g2: giá trị dị thường trọng lực hai mức nâng trường lên 1km 10km Nhìn chung mặt móng kết tinh lãnh thổ nghiên cứu biến đổi phức tạp, từ lộ bề mặt tới độ sâu 8km Vùng sâu mặt móng trùng với đới Sơng Hồng (hình 8) 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 3.4 sõu mt Moho 106.2 21.6 21.6 Thái Nguyên 21.4 21.4 ViƯt Tr× HMH = 32,0436 + 0,3067*g1 – 0,6336*g2 B¾c Giang 21.2 21.2 Hμ Néi 21.0 Hàm tương quan bội độ sâu mặt Moho thành phần trường trọng lực Bouguer xác định sau: 21.0 (9) Hệ số tương quan R = 0,89 Trong đó: g1: giá trị dị thường trọng lực Hoμ B×nh 20.8 20.8 H−ng Yªn 20.6 20.6 Hμ Nam 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 106.2 Hình Độ sâu mặt kết tinh khu vực Hà Nội kế cận 3.3 Độ sâu mặt Conrad Hàm tương quan bội độ sâu mặt Conrad thành phần trường trọng lực Bouguer xác định sau: HCR = 17,7386 + 0,2236*g1 – 0,3236*g2 (8) g2: giá trị dị thường trọng lực hai mức nâng trường lên 20km 40km Nhìn chung độ sâu mặt Moho biến đổi giới hạn 20-32km có xu hướng chìm dần theo phương tây bắc Các cấu trúc mặt ranh giới có phương tây bắc - đơng nam chủ yếu (hình 10) 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 106.2 21.6 21.6 Thái Nguyên 21.4 21.4 H s tng quan R = 0,93 Việt Trì Bắc Giang Trong ú: 21.2 g1: giá trị dị thường trọng lực Hμ Néi 21.0 g2: giá trị dị thường trọng lực hai mức nâng trường lên 10km 20km Độ sâu mặt ranh giới Conrad biến đổi phức tạp, phạm vi độ sâu 14-19km tạo thành cấu trúc dương, âm dạng dải phương tây bắc - đơng nam chủ yếu (hình 9) 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 Ho Bình 20.8 Hng Yên 20.6 20.6 Hμ Nam 105.0 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 106.2 21.6 Kt lun Thái Nguyên 21.4 21.4 Việt Trì Bắc Giang 21.2 21.2 Hμ Néi 21.0 21.0 Hoμ B×nh 20.8 H−ng Yªn 20.6 20.6 Hμ Nam 105.0 20.8 21.0 Hình 10 Độ sâu mặt Moho khu vực Hà Nội kế cận 106.2 21.6 20.8 21.2 105.2 105.4 105.6 105.8 106.0 106.2 Hình Độ sâu mặt Conrad khu vực Hà Nội kế cận Trên sở hệ phương pháp phân tích kết đạt cơng trình rút số kết luận sau: (i) Hệ phương pháp thiết lập nhằm tìm hiểu cấu trúc địa chất sâu khu vực nghiên cứu hợp lý sử dụng có hiệu phân tích tài liệu trọng lực khu vực cịn thiếu kết nghiên cứu có độ tin cậy cao phương pháp địa chấn dò sâu, điện từ Tellua,… (ii) Các đới đứt gãy phương tây bắc - đông nam như: Sông Lô, Sông Chảy, Vĩnh Ninh Sơng Hồng đứt gãy đóng vai trò quan trọng phân chia đới, phụ đới cấu trúc Ngồi ra, 189 khu vực cịn có mặt đứt gãy phương kinh tuyến, vỹ tuyến đơng bắc - tây nam; chúng có biểu chia cắt đứt gãy phương tây bắc đông nam có lẽ đứt gãy trẻ (iii) Giá trị độ sâu dự báo lớn mặt kết tinh khu vực Hà Nội lân cận 7-8km, độ sâu dự báo mặt Conrad phạm vi vùng nghiên cứu đạt tối đa 18-19km độ sâu tới mặt Moho dự báo đạt tới 31-32km Lời cảm ơn: Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Cao Đình Triều đóng góp nhiều ý kiến bảo tận tình q trình hồn thiện cơng trình TÀI LIỆU DẪN [1] Bùi Cơng Quế, 1979: Phương pháp xử lý tổng hợp tài liệu địa vật lý thăm dị phép phân tích tương quan bội Các cơng trình nghiên cứu Viện Các khoa học Trái Đất 1977-1978, Tập Vật lý Địa cầu, Hà Nội, 80 - 96 [2] Bùi Công Quế, 1985: Một số đặc điểm cấu trúc sâu kiến tạo phần Việt Nam theo tài liệu địa vật lý, Tuyển tập cơng trình Vật lý địa cầu 1984, tập IV, Hà Nội, tr 156-165 [3] Cao Đình Triều, Hồng Văn Vượng, 1986: Tìm hiểu quy luật biến đổi mật độ vỏ Trái Đất lãnh thổ Việt Nam ứng dụng phân tích tài liệu trọng lực Các cơng trình khoa học Trung tâm nghiên cứu Vật lý Địa cầu năm 1985-1986, TậpV, Hà Nội, 179-207 [4] Cao Đình Triều, 1998: Phân vùng cấu trúc lãnh thổ Việt Nam sở trường trọng lực từ Tc Các KHvTĐ, T 20, 4, Hà Nội, 304-313 [5] Cao Đình Triều, Nguyễn Danh Soạn, 1998: Hệ thống đứt gãy lãnh thổ Việt Nam sở phân tích kết hợp tài liệu trọng lực, từ ảnh vệtinh Tạp chí Địa chất, loạt A, Tập 247, số 7-8, Hà Nội, 17-27 [6] Cao Đình Triều, Đinh Văn Tồn, 1999: Mơ hình cấu trúc vỏ Trái Đất lãnh thổ Việt Nam kế cận sở phân tích tài liệu trọng lực Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ IV, 12-13 tháng 11 năm 1998, Hà Nội, 854-863 [7] Cao Đình Triều, Lê Văn Dũng, Nguyễn Hữu Tuyên, 2000: Mơ hình mật độ vỏ Trái Đất đới đứt gãy Sông Hồng phần đất liền lãnh thổ Việt Nam Tc Các KHvTĐ, T 22, 4, Hà Nội, 347-354 [8] Cao Đình Triều, Lê Văn Dũng, Phạm Nam Hưng, Nguyễn Hữu Tuyên, Mai Xuân Bách, Thái Anh Tuấn, 2004: Các đới cấu trúc vỏ Trái đất vùng Tây Bắc Việt Nam theo tài liệu trọng lực Tc Các KHvTĐ, T 26, 3, Hà Nội, 244-257 [9] Cao Đình Triều, Lê Văn Dũng, Phạm Nam Hưng, 2006: Áp dụng phương pháp trọng lực xác cao nghiên cứu cấu trúc Địa chất nơng Việt Nam Tạp chí Khoa học - Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Số 14/4-2006, Hà Nội, 61-66 [10] Đoàn Văn Tuyến nnk, 2000: Đặc điểm cấu trúc sâu địa động lực đới Sông Hồng theo tài liệu từ Tellua tuyến Thanh Sơn - Thái Nguyên Tc Các KHvTĐ, T 22, 4, Hà Nội, 388-398 [11] Phạm Năng Vũ, Doãn Thế Hưng, 2003 Cấu trúc sâu đới đứt gãy Sông Hồng (theo số liệu địa vật lý) Trong chuyên khảo “Kết nghiên cứu 2001-2003” thuộc chương trình nghiên cứu chuyên ngành Các Khoa học Trái Đất Hà Nội, 107-169 [12] Won I.J and Michael Bevis, 1987: Computing the gravitational and magnetic due to polygon: Algorithms and Fortran subroutines Geophysics, Vol 52, No 2, 232-238 SUMMARY The deep structure of Hanoi region and adjacent areas on the basic of gravity data analysis In this article the authors have formulated a complex method for analysing and interpreting the gravity data in Hanoi region and adjacent areas The results obtained show: The North-West directional faults: Song Lo, Song Chay, Vinh Ninh, Lao Cai - Ninh Binh and Song Hong (Red River) are playing important roles in separation of the geo-structural zone in Hanoi region The structure of the basement varies very complicated from outcrop on the surface to - 8km in Song Hong structural zone The Conrad discontinuity is most sophisticated, laying at the depth of - 19km and formed the linear positive and negative structures having Northwest-Southeast direction The depth to lower boundary of the Crust (Moho surface) varies from 22km to 32km The main structures of this surface are stretched along the of Northwest-Southeast direction 190 ... sâu mặt Conrad khu vực Hà Nội kế cận Trên sở hệ phương pháp phân tích kết đạt cơng trình rút số kết luận sau: (i) Hệ phương pháp thiết lập nhằm tìm hiểu cấu trúc địa chất sâu khu vực nghiên cứu... sâu xác định theo tài liệu địa chấn dò sâu, tài liệu đo sâu điện từ Tellua địa vật lý khác có Các giá trị thành phần trường trọng lực sử dụng việc thiết lập hàm tương quan bội giá trị trọng lực. .. báo đặc trưng cấu trúc mặt ranh giới vỏ Trái Đất Sử dụng giá trị độ sâu tới mặt ranh giới theo tài liệu từ Tellua địa chấn dị sâu có sẵn khu vực Hà Nội lân cận kết giải tốn mơ hình trọng lưc 2,5D