Đang tải... (xem toàn văn)
Trong khuôn khổ bài báo này, giới thiệu cơ sở lý thuyết của phương pháp phổ H/V và một số kết quả phân tích sóng vi địa chấn ghi nhận tại Hà Nội. Đồng thời, tiến hành đánh giá khả năng xác định chu kỳ trội và hệ số khuyếch đại dao động của phương pháp tại một số vị trí thuộc nội thành thành phố Hà Nội bằng cách so sánh phổ H/V với hàm chuyển đổi lý thuyết tương ứng.
34(1), 70-75 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 3-2012 PHƯƠNG PHÁP TỶ SỐ PHỔ H/V CỦA SÓNG VI ĐỊA CHẤN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NỀN TỚI DAO ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT TẠI HÀ NỘI VŨ MINH TUẤN1, NGUYỄN ĐỨC VINH2, NGUYỄN ÁNH DƯƠNG1, NGUYỄN SINH MINH3, NGUYỄN CÔNG THĂNG4, PHẠM ĐÌNH NGUYÊN1 Email: tuanvm@igp-vast.vn Viện Vật lý Địa cầu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Viện Khoa học công nghệ Kinh tế xây dựng Hà Nội Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận bài: - - 2011 Mở đầu Trong lĩnh vực địa chấn cơng trình, việc đánh giá ảnh hưởng điều kiện tới dao động động đất (sau gọi tắt ảnh hưởng điều kiện nền) nhiệm vụ quan trọng Chu kỳ trội hệ số khuyếch đại dao động đất hai tham số thể ảnh hưởng tham số mà chuyên gia mong muốn có cơng tác thiết kế xây dựng kháng chấn Một phương pháp sử dụng phổ biến giới nhằm xác định tham số phương pháp tỷ số phổ H/V sóng vi địa chấn (sau gọi tắt phương pháp phổ H/V; xem [1-15) Phương pháp cho phép xác định chu kỳ trội đất cách hiệu xác [5, 11, 12] Tuy nhiên, việc xác định hệ số khuyếch đại dao động đất phương pháp cần nghiên cứu thêm để đưa kết luận mức độ tin cậy kết nhận [2, 3] Ở Việt Nam, phương pháp phổ H/V ứng dụng nhiều cơng trình Viện Vật lý Địa cầu: Đánh giá nguy hiểm động đất vi phân vùng động đất khu vực công trình đầu mối dự án hồ chứa nước Bản Mịng, Sơn La (Phạm Đình Nguyên nnk, 2010); Đánh giá độ nguy hiểm động đất - kiến tạo khu vực cơng trình hồ chứa nước Bản Mồng, tỉnh Nghệ An (Phạm Đình 70 Nguyên nnk, 2010); Nghiên cứu bổ sung hoàn chỉnh đồ phân vùng nhỏ động đất thành phố Hà Nội mở rộng, tỷ lệ 1:25.000, lập sở liệu đặc trưng dao động đất Hà Nội ứng với đồ (Nguyễn Ngọc Thủy nnk, 2005); Phân vùng dự báo chi tiết động đất vùng Tây Bắc - Việt Nam (Nguyễn Ngọc Thủy nnk, 2005); Nghiên cứu dự báo động đất dao động Việt Nam (Nguyễn Đình Xuyên nnk, 2004) Tuy vậy, đến chưa có nghiên cứu tiến hành đánh giá mức độ tin cậy phương pháp phổ H/V áp dụng Việt Nam Trong khuôn khổ báo này, giới thiệu sở lý thuyết phương pháp phổ H/V số kết phân tích sóng vi địa chấn ghi nhận Hà Nội Đồng thời, tiến hành đánh giá khả xác định chu kỳ trội hệ số khuyếch đại dao động phương pháp số vị trí thuộc nội thành thành phố Hà Nội cách so sánh phổ H/V với hàm chuyển đổi lý thuyết tương ứng Mục đích nghiên cứu xem xét khả ứng dụng phương pháp phổ H/V điều kiện Việt Nam Cơ sở lý thuyết phương pháp phổ H/V Tỷ số phổ H/V tỷ số phổ Fourier thành phần nằm ngang thành phần thẳng đứng sóng vi địa chấn Năm 1989, Nakamura - nhà địa chấn Nhật Bản - dựa việc giải thích sóng vi địa chấn sóng Rayleigh lan truyền lớp đơn (lớp đất xốp) nằm nửa không gian lấp đầy đá gốc phía cho tỷ số phổ H/V cho phép đánh giá phản ứng đất sóng S [13] Trong miền tần số, dao động vi địa chấn biểu diễn qua loại phổ: phổ biên độ thành phần thẳng đứng, thành phần nằm ngang dao động bề mặt lớp đất [Vs(ω), Hs(ω)] phổ biên độ thành phần thẳng đứng, thành phần nằm ngang bề mặt đá gốc [Vb(ω), Hb(ω)] Giả thiết dao động vi địa chấn tạo nguồn địa phương (bỏ qua nguồn nhiễu sâu), không ảnh hưởng đến dao động vi địa chấn đá gốc Mặt khác, coi thành phần thẳng đứng dao động vi địa chấn không bị khuyếch đại lớp đất mặt Như vậy, hình dạng phổ nguồn vi địa chấn As(ω) ước lượng hàm tần số ω theo tỉ số: As(ω) = Vs(ω)/Vb(ω) (1) Trong lĩnh vực địa chấn cơng trình, ảnh hưởng đất SE xác định tỉ số phổ biên độ thành phần nằm ngang dao động đá gốc mặt: SE(ω) = Hs(ω) /Hb(ω) (2) Tỉ số phổ SM biểu diễn ảnh hưởng điều kiện cải biến so với SE tương đương bù phổ nguồn vi địa chấn AS: SM(ω)=SE(ω)/As(ω)=[Hs(ω)/Hb(ω)]/[Vs(ω)/Vb(ω)] = [Hs(ω) /Vs(ω)] / [Hb(ω) /Vb(ω)] (3) Nakamura (1989) kiểm tra thực nghiệm qua ghi địa chấn thu lỗ khoan rút rằng: Một số kết phân tích sóng vi địa chấn ghi nhận Hà Nội theo phương pháp phổ H/V Phục vụ mục tiêu xem xét độ tin cậy khả ứng dụng phương pháp phổ H/V điều kiện Việt Nam, trước hết chúng tơi tiến hành đo ghi sóng vi địa chấn số địa điểm địa bàn nội thành Hà Nội Phổ H/V sóng vi địa chấn vị trí tính tốn phân tích sau 3.1 Địa điểm khảo sát Chúng chọn hai địa điểm khu vực nội thành Hà Nội địa điểm xây dựng hai công trình dân dụng - thuộc quận Ba Đình (sau gọi tắt D1) thuộc khu đô thị Ciputra - quận Tây Hồ (sau gọi tắt D2) - để tiến hành đo ghi sóng vi địa chấn phục vụ nghiên cứu Tại đây, công tác khảo sát địa chất cơng trình tiến hành đáp ứng yêu cầu công tác xây dựng, số liệu điều kiện đất có sẵn Những thông số đại diện cho đặc điểm đất địa điểm khảo sát cần cho nghiên cứu tổng hợp từ báo cáo khảo sát địa chất cơng trình nêu tóm tắt bảng Bảng Một số tính chất lý lớp đất địa điểm khảo sát STT Hb(ω) /Vb(ω) = Do đó: SM(ω) = Hs(ω) / Vs(ω) đại diện cho môi trường địa chất mặt Đồng thời, chu kỳ cộng hưởng đất xác định chu kỳ ứng với giá trị biên độ cực đại phổ H/V Tuy vậy, nhiều nhà địa chấn châu Âu (chẳng hạn [2, 3]) cho độ tin cậy phương pháp Nakamura phụ thuộc nhiều vào địa điểm khảo sát cần nghiên cứu kỹ hơn, đặc biệt việc xác định hệ số khuyếch đại biên độ dao động (4) Chính từ cơng thức này, Nakamura cho ảnh hưởng điều kiện xác định tỉ số phổ biên độ thành phần nằm ngang thành phần thẳng đứng dao động vi địa chấn [13] Theo Nakamura, thành phần thẳng đứng cho phép loại bỏ ảnh hưởng nguồn nhiễu ảnh hưởng sóng Rayleigh Do vậy, phổ H/V xem hàm chuyển đổi thực nghiệm Lớp đất Sét bụi Cát pha lẫn sét Cát hạt nhỏ Cát sét Cuội sỏi Đá gốc Sét dẻo cứng Cát chặt Cát lẫn cuội sỏi Cuội sỏi Đá gốc Bề dày lớp (m) Tốc độ truyền sóng ngang VS (m/s) Cho địa điểm D1 11.5 3.2 15.8 4.5 60.0 Cho địa điểm D2 10.0 21.0 5.5 59.0 - Mật độ (g/cm ) 167.3 225.0 289.0 240.0 404.0 1500.0 1.87 1.88 1.88 1.90 2.10 2.50 240.0 270.0 330.0 404.0 1500.0 1.88 1.88 2.00 2.10 2.50 71 3.2 Thiết bị đo ghi 3.4 Xử lý số liệu Thiết bị sử dụng để ghi nhận dao động vi địa chấn loại máy ghi số có dải động lực cao Altus-K2 kết nối với ba đầu đo SS1 ghi vận tốc dao động đất ba thành phần thẳng đứng, bắc nam đông tây Các thiết bị công ty Kinemetrics Mỹ sản xuất (http://www.kinemetrics.com/p-37-Products.aspx) Với thành phần sóng vi địa chấn (thẳng đứng, bắc nam đông tây) đo ghi vị trí, chúng tơi chọn đoạn có biên độ đồng với chiều dài 20 giây để tính phổ Phổ Fourier ứng với đoạn làm trơn cửa sổ Hanning Đường trung bình tất phổ xem đường đại diện cho thành phần sóng vi địa chấn xử lý Tỷ số phổ H/V đại diện cho vị trí khảo sát xác định theo công thức sau: 3.3 Đo, ghi sóng vi địa chấn Cơng tác đo ghi sóng vi địa chấn thực hai địa điểm nêu Ứng với địa điểm, tiến hành ghi sóng vi địa chấn ba vị trí, vị trí hố khoan địa chất cơng trình (vị trí a) hai vị trí cịn lại đối diện qua vị trí hố khoan (vị trí b c), cách hố khoan từ 30m đến 45m Tại vị trí, sóng vi địa chấn ghi ba thành phần, đo lặp lại ba lần ba thời điểm khác Trong trình đo ghi, chúng tơi cố gắng tránh tối đa ảnh hưởng nguồn nhiễu gần Những trường hợp tránh ghi vào sổ nhật ký, sau loại bỏ trình xử lý số liệu Tốc độ lấy mẫu đặt cho tồn q trình đo ghi 100 mẫu/giây H/V = H S1 (ω ) * H S (ω ) , VS (ω ) (5) HS1(ω), HS2(ω) phổ đại diện cho thành phần bắc nam đông tây, VS(ω) phổ đại diện cho thành phần thẳng đứng Kết xử lý, tính tốn phổ H/V cho vị trí khảo sát thể hình Giá trị chu kỳ cộng hưởng đất vị trí khảo sát xác định theo phương pháp tổng hợp đưa bảng Vs (m/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 10 Vs -20 Chieu sau (m) -40 -60 10 -80 -100 Duong chuyen doi ly thuyet Duong H/V tinh toan -120 Mat 1.8 -1 2.2 2.4 Mat (g/cm3) 2.6 2.8 10 (A) 10 Period (s) (B) 10 10 10 0 10 10 Duong chuyen doi ly thuyet Duong H/V tinh toan -1 10 -1 10 -1 10 10 Period (s) (C) Duong chuyen doi ly thuyet Duong H/V tinh toan -1 10 10 -1 10 10 Period (s) (D) 10 Hình Phân bố vận tốc truyền sóng S mật độ lớp đất địa điểm D1-a (A) so sánh hàm chuyển đổi lý thuyết với phổ H/V nhận vị trí: D1-b cách hố khoan 30m (B); D1-a vị trí hố khoan (C); D1-c cách hố khoan 30m (D) 72 Vs (m/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 10 Vs -20 Chieu sau (m) -40 -60 10 -80 -100 Duong chuyen doi ly thuyet Duong H/V tinh toan -120 Mat 1.8 -1 2.2 2.4 Mat (g/cm3) 2.6 2.8 10 10 (A) 10 Period (s) (B) 10 10 10 0 10 10 Duong chuyen doi ly thuyet Duong H/V tinh toan -1 10 -1 -1 10 10 Period (s) (C) Duong chuyen doi ly thuyet Duong H/V tinh toan -1 10 10 -1 10 10 Period (s) (D) 10 Hình Phân bố vận tốc truyền sóng S mật độ lớp đất địa điểm D2-a (A) so sánh hàm chuyển đổi lý thuyết với phổ H/V nhận vị trí: D2-b cách hố khoan 45m (B); D2-a vị trí hố khoan (C); D2-c cách hố khoan 40m (D) Bảng Kết phân loại đất vị trí khảo sát STT Vị trí Chu kỳ cộng hưởng (s) xác định từ phổ H/V Phân loại theo kết phân tích phổ H/V D1-a 0.98 Loại (đất xốp) Loại (đất xốp) D1-b 0.8 Loại (đất xốp) Loại (đất xốp) Phân loại theo tài liệu địa chất cơng trình D1-c 1.0 Loại (đất xốp) Loại (đất xốp) D2-a 0.85 Loại (đất xốp) Loại (đất xốp) D2-b 0.88 Loại (đất xốp) Loại (đất xốp) D2-c 1.0 Loại (đất xốp) Loại (đất xốp) Trước hết, đánh giá sơ giá trị chu kỳ cộng hưởng đất xác định theo phương pháp phổ H/V cách sử dụng tiêu chuẩn phân loại Nhật Bản ([10], bảng 9, trang 92) Tiêu chuẩn đưa mối liên hệ chu kỳ cộng hưởng loại đất định nghĩa theo đặc điểm địa chất cơng trình đất Với giá trị chu kỳ cộng hưởng xác định từ phổ H/V loại đất vị trí khảo sát xác định đưa bảng Kết phù hợp với phân loại theo tài liệu địa chất cơng trình (xem bảng 2) Phân tích sơ ban đầu cho thấy, chu kỳ cộng hưởng đất xác định theo phương pháp phổ H/V Hà Nội phù hợp tốt với kết nghiên cứu trước Nhật Bản Để xem xét kỹ phương pháp tiếp tục đánh giá định lượng mục sau Đánh giá khả ứng dụng phương pháp phổ H/V Hà Nội Để đánh giá kỹ tính tin cậy phương pháp phổ H/V áp dụng Hà Nội, đặc biệt xem xét khả xác định hệ số khuyếch đại dao động sử dụng phương pháp này, chúng tơi tính tốn hàm chuyển đổi lý thuyết vị trí khảo sát nêu so sánh với đường phổ H/V thực tế Vì điều kiện địa chất mặt vị trí khảo sát lớp đất trầm tích có đặc điểm phân lớp ngang nên hàm chuyển đổi lý thuyết cho vị trí khảo sát tính tốn sở giải tốn truyền sóng mơi trường phân lớp ngang Phương pháp xác định hàm chuyển đổi lý thuyết cho mơi trường phân lớp ngang trình bày [15] 73 Sử dụng thông tin địa chất công trình vị trí khảo sát đưa bảng 1, áp dụng sở lý thuyết nêu [15] chúng tơi tính hàm chuyển đổi lý thuyết vị trí khảo sát Các so sánh hàm chuyển đổi lý thuyết với đường phổ H/V tương ứng thể hình Các kết đạt nêu cho thấy ảnh hưởng điều kiện thể qua phổ H/V nhìn chung có phù hợp với kết tính toán lý thuyết điều kiện địa chất hai địa điểm cụ thể tiến hành khảo sát Sự phù hợp tăng lên điểm đo ghi vi địa chấn vị trí hố khoan, nơi số liệu địa chất cơng trình sử dụng làm đầu vào cho tính tốn hàm chuyển đổi lý thuyết Cụ thể: - Tại vị trí hố khoan (hình 1-C 2-C), giá trị chu kỳ cộng hưởng xác định phương pháp phổ H/V xác so sánh với kết nhận từ hàm chuyển đổi lý thuyết Bên cạnh đó, hệ số khuyếch đại biên độ xác định từ phương pháp phổ H/V xác chu kỳ cộng hưởng Ở dải chu kỳ 1s, biên độ phổ nhận từ hai phương pháp có khác biệt đáng kể Nguyên nhân đặc thù máy ghi vi địa chấn sử dụng nghiên cứu - Tại vị trí cách hố khoan khơng xa (hình 1-B, 1-D, 2-B 2-D) chu kỳ trội xác định phương pháp phổ H/V tốt hệ số khuyếch đại biên độ xác định từ phương pháp phổ H/V lại có sai số đáng kể Chúng chưa rõ sai số xuất phát từ thay đổi trường sóng vi địa chấn hay thay đổi cấu trúc địa chất cục địa điểm khảo sát Để làm sáng tỏ vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu thêm giai đoạn Kết luận Từ kết nhận nghiên cứu đến kết luận: phương pháp phổ H/V Nakamura đề xuất phương pháp áp dụng tốt đánh giá ảnh hưởng điều kiện lên dao động động đất khu vực Hà Nội Phương pháp cho phép xác định chu kỳ cộng hưởng đất với độ xác cao Tuy nhiên, cần có khảo cứu thêm trước sử dụng biên độ phổ để xác định hệ số khuyếch đại dao động đất Trong khuôn khổ báo này, với đối sánh hai địa điểm, cách xa lại có điều kiện đất không khác nhiều, 74 chưa kiểm chứng mối liên quan chu kỳ cộng hưởng loại đất đặc trưng khác Hà Nội nêu tiêu chuẩn phân loại nước (chẳng hạn [9], bảng 9, trang 92) Ảnh hưởng điều kiện địa hình mặt tới độ tin cậy phương pháp phổ H/V nằm ngồi khn khổ báo Đây vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Các kết nêu báo tỷ số phổ H/V sóng vi địa chấn coi hàm chuyển đổi thực nghiệm đặc trưng cho điều kiện đất khu vực Hà Nội Do vậy, việc sử dụng hàm chuyển đổi thực nghiệm tính tốn giải tốn ngược để xác định cấu trúc 1D môi trường địa chất mặt khu vực nghiên cứu khả quan Tuy nhiên, trước tiến hành công tác này, cần phải tiến hành so sánh tương tự trình bày nghiên cứu nhiều địa điểm khác để đánh giá độ ổn định phương pháp Lời cám ơn: Bài báo hồn thành khn khổ đề tài 01C-04/04-2011-2 thuộc chương trình Quy hoạch - Xây dựng - Giao thông Vận tải Quản lý sở hạ tầng, mã số 01C-04 Tập thể tác giả xin gửi lời cảm ơn tới đồng nghiệp phòng Địa chấn, Viện Vật lý địa cầu hỗ trợ có nhiều ý kiến đóng góp q trình thực nghiên cứu TÀI LIỆU DẪN [1] Aki K and K Irikura, 1991: Characterization and mapping of earthquake shaking for seismic zonation, Proceedings of the Fourth International Conference on Seismic Zonation, August 25-29, Stanford, California, E.E.R.I (editor), Oakland CA, (1), pp.61-110 [2] Bard P.Y., 1998: Microtremor measurements: a tool for site effect estimation?, State-of-the-art paper, Second International Symposium on the Effects of Surface Geology on seismic motion, Yokohama [3] Bard P.Y., 1999: Local effects on strong ground motion: physical basis and estimation methods in view of microzoning studies, Lecture and exercise notes of International Training Course on Seismology, Seismic Hazard Assessment and Risk Mitigation, Beijing - China [4] Duval A.M., S Vidal, J.-P Méneroud, et al., 2001: Caracas, Venezuela, Site Effect Determination with Microtremors, Pure and Applied Geophysics, 158, pp.2513-2523 [5] Field E.H and K Jacob, 1993: The theoretical response of sedimentary layers to ambient seismic noise, Geophysical Res Lett., (2024), pp.2925-2928 [6] Field E.H., and K Jacob, 1995: A comparison and test of various site response estimation techniques, including three that are non reference-site dependent, Bull seism Soc Am., (85), pp.1127-1143 [7] Field E.H., S.E Hough and K H Jacob, 1990: Using microtremors to assess potential earthquake site response: a case study in Flushing Meadows, New York City, Bull Seism Soc Am., (80), pp.1456-1480 [8] Kanai K., 1983: Engineering seismology, University of Tokyo Press, Tokyo [9] Kobayashi K., 1980: A method for presuming deep ground soil structures by means of longer period microtremors, Proceedings of the seventh World Conf Earthq Engn., Sept 8-13, Istanbul, Turkey, (1), pp.237-240 [10] Lee, W.H.K., H Kanamori, P.C Jennings, and C Kisslinger, Eds., 2003: International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Supplement to Chapter 60, Vol 2, Part B, Handbook CD, Academic Press, London [11] Lermo J and F.J Chavez-Garcia, 1993: Site effect evaluation using spectral ratios with only one station, Bull Seism Soc Am., (83), pp.1574-1594 [12] Lermo J., M Rodriguez and S.K Singh, 1988: Natural periods of sites in the valley of Mexico from microtremor measurements and strong motion data Earthquake Spectra, (4-4), pp.805-814 [13] Nakamura Y., 1989: A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface, Q.R of R.T.R.I., (30-1), pp.25-33 [14] Nakamura Y, 1996: Real-time information systems for seismic hazard mitigation UrEDAS, HERAS and PIC, Q.R of R T.R.I., (373), pp.112-127 [15] Phạm Đình Nguyên, 2002: Đánh giá ảnh hưởng điều kiện lên dao động động đất mạnh, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Đại học KHTN - Đại học QGHN, Hà Nội SUMMARY The H/V ratio method and its abilities in estimation of the site effects on strong ground motions in Hanoi The paper presents a fundamental theory of the H/V ratio technique (or Nakamura’s method) and several obtained results in Hanoi by using this method This is one of the most inexpensive and convenient technique to reliably estimate the fundamental resonance frequencies of soft deposits However, the ability of the method in estimating site amplification on surface’s ground motion still remains as an open question and deserves more work to elucidate Herein, we investigate aspects of the method at sites in Hanoi city by comparing observed H/V ratios with corresponding theoretical transfer-functions The main goal of the study is to investigate the applicable sides of the H/V ratio method in Vietnam, and for geological conditions of Hanoi city, the H/V ratio method is a good choice for the site effect estimations 75 ... đo ghi sóng vi địa chấn số địa điểm địa bàn nội thành Hà Nội Phổ H/V sóng vi địa chấn vị trí tính tốn phân tích sau 3.1 Địa điểm khảo sát Chúng chọn hai địa điểm khu vực nội thành Hà Nội địa điểm... kết luận: phương pháp phổ H/V Nakamura đề xuất phương pháp áp dụng tốt đánh giá ảnh hưởng điều kiện lên dao động động đất khu vực Hà Nội Phương pháp cho phép xác định chu kỳ cộng hưởng đất với... rằng: Một số kết phân tích sóng vi địa chấn ghi nhận Hà Nội theo phương pháp phổ H/V Phục vụ mục tiêu xem xét độ tin cậy khả ứng dụng phương pháp phổ H/V điều kiện Vi? ??t Nam, trước hết tiến hành đo