SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VI TRỌNG LỰC NGHIÊN CỨU ĐỚI PHÁ HUỶ CỦA ĐỨT GÃY SƠN LA TẠI VÙNG CHẤN TÂM ĐỘNG ĐẤT TUẦN GIÁO

CAO ĐÌNH TRIỀU, PHẠM NAM HƯNG

Viện Vật lý địa cầu, Viện KH & CN VN,
18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội

Tóm tắt: Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả đã đưa ra hệ phương pháp phân tích kết hợp tài liệu trọng lực khu vực với tài liệu vi trọng lực nhằm nghiên cứu đặc trưng cấu trúc đới đứt gãy Sơn La. Kết quả đạt được cho thấy:

1. Đới đứt gãy Sơn La cắm về phía đông bắc một góc chung nhất là 670;

2. Bề rộng đới dập vỡ trên bề mặt là 11 km;

3. Bề rộng đới hoạt động là 21 km;

4. Mặt đứt đoạn trong chấn tiêu động đất Tuần Giáo năm 1983 (Ms = 6,7) có góc cắm 800 về đông bắc.

Quy trình phân tích trọng lực như đã trình bày trong bài báo này chứng tỏ là có hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc đứt gãy. Phương pháp này có thể được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc đứt gãy có mức độ phá huỷ khác nhau.

I. MỞ ĐẦU

Nghiên cứu đứt gãy trên cơ sở tài liệu trọng lực và tài liệu từ đã được các nhà địa vật lý trong nước sử dụng khá rộng rãi [2-7, 9-10]. Các kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây đã chứng tỏ hướng nghiên cứu này là có hiệu quả và đã góp phần làm sáng tỏ bức tranh về kiến tạo đứt gãy lãnh thổ Việt Nam. Phát hiện đứt gãy và đánh giá hướng cắm, độ sâu xuất phát cũng như độ sâu kết thúc của đứt gãy là những đối tượng được các tác giả quan tâm giải quyết. Về mặt phương pháp luận phân tích tài liệu trọng lực thì Cao Đình Triều (2, 4, 7) đã đưa ra được một tổ hợp phương pháp phân tích định tính và định lượng trong nghiên cứu cấu trúc đứt gãy. Tuy vậy các phương pháp này cũng chỉ dừng ở mức phát hiện vị trí, phương phát triển, hướng cắm của đứt gãy mà thôi. Một trong những nhiệm vụ quan trọng là nghiên cứu bề rộng của đới phá huỷ thì các phương pháp phân tích trước đây chưa giải quyết được. Trong khi đó việc nghiên cứu cấu trúc đới dập vỡ kiến tạo lại có ý nghĩa lớn trong đánh giá bề rộng vùng nguồn phát sinh động đất và trong thăm dò các loại khoáng sản khác nhau, đặc biệt là thăm dò nước và dầu khí.

Với mục đích nâng cao hiệu quả của phương pháp phân tích trọng lực, trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi bước đầu đưa ra một phương pháp phân tích tài liệu trọng lực khu vực kết hợp với tài liệu vi trọng lực nhằm nghiên cứu bề rộng đới đứt gãy. Bước đầu phương pháp này được áp dụng trong nghiên cứu đới dập vỡ vùng chấn tâm động đất Tuần Giáo năm 1983 (Ms = 6,7).

Tài liệu chủ yếu được sử dụng trong công trình này bao gồm:

1/ Bản đồ dị thường trọng lực vùng Tuần Giáo tỷ lệ 1:200.000.

2/ Tuyến đo vi trọng lực cắt qua vùng chấn tâm tỷ lệ 1:25.000 (lưu trữ tại Viện Vật lý địa cầu).

II. TỔ HỢP PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÀI LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC ĐỚI ĐỨT GÃY

Thông thường, nhằm mục đích nhận dạng đặc trưng cấu trúc một đứt gãy nào đó chúng tôi sử dụng 3 phương pháp phân tích tài liệu trọng lực Bouguer theo tuyến như [1-10]:

- Mặt cắt građien ngang trường trọng lực theo độ sâu;

- Mặt cắt građien chuẩn hoá toàn phần; và

- Mặt cắt hệ số cấu trúc/mật độ trên cơ sở mô hình lăng trụ tròn nằm ngang.

Các mặt cắt thành phần trường này phản ánh khá chính xác vị trí và góc cắm của đứt gãy [2, 4, 6, 7]. Nguyên lý xây dựng hệ phương pháp nhận dạng này là dựa trên giả thiết rằng các đứt gãy là đường cắt chéo, chia khối cấu trúc thành các khối nhỏ, gây nên sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng và vì vậy đã tạo nên sự thay đổi mật độ theo chiều nằm ngang. Kết quả phân tích dọc theo các mặt cắt nói trên chỉ là bước đầu nhằm phục vụ cho việc thiết lập và giải bài toán ngược trọng lực để xây dựng nên mặt cắt cấu trúc đứt gãy [2, 4, 6, 7].

Các thuật toán phân tích số liệu được lần lượt mô tả tóm tắt như sau:

1. Phương pháp xây dựng mặt cắt građien ngang

Građien ngang dị thường trọng lực Bouguer được xác định trên cơ sở công thức:

  (1)

Građien thẳng đứng dị thường trọng lực được xác định trên cơ sở công thức:

    (2)

với: f - hệ số hấp dẫn trọng trường, r - giá trị mật độ, g/cm³.

2. Phương pháp xây dựng mặt cắt građien chuẩn hoá toàn phần

Građien chuẩn hoá toàn phần được xác định trên cơ sở công thức:

      (3)

 - Số điểm giá trị trọng lực Bouguer

- Građien thẳng đứng dị thường Bouguer

- Građien nằm ngang dị thường Bouguer

3. Phương pháp xây dựng mặt cắt hệ số cấu trúc/mật độ

Trên tuyến mặt cắt vuông góc với trục của lăng trụ tròn nằm ngang ta có công thức xác định giá trị dị thường trọng lực như sau:

            (4)

R- bán kính của trụ trong; x, z - toạ độ tâm của trụ tròn; r- giá trị mật độ của trụ tròn; g- hệ số hấp dẫn trọng trường (6,67 x 10^-8).

Giả sử ta biết trước được giá trị građien ngang trường dị thường trọng lực (được xác định bằng đo trực tiếp hoặc tính toán trên cơ sở dị thường trọng lực Bouguer) Vxz gây ra bởi nhóm các lăng trụ nằm ngang.

Trong trường hợp bài toán hai chiều, các thông số của lăng trụ được biểu diễn trên tuyến vuông góc với lăng trụ như sau:

- khoảng cách tới tâm của lăng trụ (theo trục x)
- độ sâu tới tâm của lăng trụ
D- mật độ dư của lăng trụ so với môi trường xung quanh.

Khối lượng của đơn vị lăng trụ nằm ngang được xác định bằng: . Việc xác định giá trị mật độ dư D và bán kính của lăng trụ (g/cm³)  (km) một cách riêng biệt là hết sức khó khăn, vì vậy ta đưa vào công thức tính dị thường trọng lực đại lượng  sao cho:

 và phản ánh đầy đủ dấu của mật độ dư, ta có:

 

trong đó 

Như vậy, mô hình trụ tròn nằm ngang được đặc trưng bởi 4 thông số: và .

Ta thiết lập hàm:

          (5)

Thông số  là không đổi, khi đó mô hình trụ tròn nằm ngang được biểu diễn bằng 3 đại lượng véctơ:

Các đại lượng véctơ này sẽ được xác định trên cơ sở tiệm cận tối ưu hàm (6).

Nếu ta gọi mô hình ban đầu là: , thì các bước xấp xỉ tiếp theo sẽ được xác định trên cơ sở công thức:

,

,             (6)

với .

Các giá trị đạo hàm được xác định theo công thức:

        (7)

   (8)

Ở đây:

và         (9)

được xác định theo phương pháp Newton, trên cơ sở công thức:

              (10)

Quá trình giải hàm (10) bằng phương pháp xấp xỉ tối ưu ta xác định hàm F cuối cùng, từ đó xác định được toạ độ tâm của vật thể và .

Giả sử ta biết trước được D của trụ tròn nằm ngang thì dễ dàng xác định được bán kính theo công thức sau:

                      (11)

4. Giải bài toán ngược trọng lực trên cơ sở mô hình đa giác nhiều cạnh

Trong trường hợp mô hình hai chiều với dạng cấu trúc vật thể là đa giác n cạnh, thành phần nằm ngang và thẳng đứng dị thường trọng lực được xác định trên cơ sở công thức:

                       (12)

                      (13)

trong đó: Z_i và X_i là tích phân đường dọc theo cạnh thứ i của đa giác; G- hệ số hấp dẫn trọng trường; r- mật độ của đa giác.

Trong hệ toạ độ vuông góc, nếu xác định được toạ độ của điểm thứ i (X_i,Z_i) theo góc quay q_i và bán kính r_i ta có thể xác định được  Z và X theo công thức:

       (14)

  (15)

với: ,và   .

Để xác định q₁ và q₂ ta sử dụng công thức:

  đối với j = 1,2.          (16)

Ta biết rằng góc q₁ và q₂ biến đổi trong giới hạn từ -p đến +p, vì vậy trong khi xác định (q₁-q₂) sẽ xảy ra các trường hợp sau:

1) z₁ và z₂ đối xứng thì:

- khi x₁z₂ < x₂z₁ và z₂ ³ 0 thì q₁= q₁+2p;

- khi x₁z₂ > x₂z₁ và z₁ ³ 0 thì q₂ = q₂+2p;

- khi x₁z₂ = x₂z₁ thì X = Z = 0.

2) Nếu x₁ = z₁ = 0 hoặc x₂ = z₂ = 0 thì X = Z = 0, và

3) Nếu x₁ = x₂, thì 

        

III. NGHIÊN CỨU BỀ RỘNG ĐỚI ĐỨT GÃY SƠN LA TẠI VÙNG CHẤN TÂM ĐỘNG ĐẤT TUẦN GIÁO TRÊN CƠ SỞ TÀI LIỆU TRỌNG LỰC

Trên thực tế, trong quá trình vận động kiến tạo, tác động của lực xiết ép đã tạo ra đới cà nát biến dạng với bề rộng lớn mà có nơi có thể đạt tới hàng chục km (Hình 1a,1b). Như vậy việc xem xét mô hình phân tích bỏ qua đới cà nát, dập vỡ kiến tạo trong nghiên cứu trọng lực chi tiết là chưa đầy đủ. Để minh chứng cho việc thiết lập tổ hợp phương pháp nghiên cứu, chúng tôi đưa ra bài toán thuận trọng lực theo mô hình phân tích được biểu diễn trong hình 1c, 1d, 1e và 1f. Nếu ta quan niệm đứt gãy là một đường cắt chéo, tạo một góc 45­­^o, và gây nên sự thay đổi các mặt ranh giới cấu trúc như trong hình 1d thì trường trọng lực Bouguer tính toán được có dạng như trong hình c1. Bây giờ ta xem đứt gãy là một đới cà nát, biến dạng như mô hình cấu trúc được biểu diễn trong 1f. Kết quả tính toán dị thường trọng lực Bouguer theo mô hình 1f được đặc trưng bằng đường cong e1 trong hình 1e. Nếu ta lấy giá trị đường cong trọng lực e1 (Hình 1e) trừ đi giá trị trọng lực tương ứng c1 (Hình 1c), ta nhận được đường cong e2 (Hình 1e) là thành phần trường trọng lực Bouguer phản ánh đới dập vỡ kiến tạo. Trên cơ sở phân tích theo các phương pháp truyền thống [1-4, 6-9] ta có thể xác định được bề rộng đới đứt gãy là đoạn chiều dài điểm 5 đến điểm 6, bề rộng ảnh hưởng của đới đứt gãy là đoạn chiều dài từ điểm 2 đến điểm 3 trong hình 1f. Như vậy, đới dập vỡ của đứt gãy có thể xác định được trên cơ sở phân tích tài liệu trọng lực. Trong trường hợp đới đứt gãy lớn đi kèm nhiều đứt gãy thứ cấp thì theo nguyên lý phân tích tương tự, với tài liệu chi tiết hơn chúng ta cũng có thể xác định được. Đây là cơ sở lý thuyết cơ bản trong nghiên cứu cấu trúc đới đứt gãy theo tài liệu trọng lực.

Như vậy, để nghiên cứu bề rộng đới đứt gãy chúng ta tiến hành các bước phân tích sau đây:

1. Xác định hướng cắm và góc cắm cũng như độ sâu ảnh hưởng của mặt đứt gãy theo tài liệu trọng lực khu vực trên cơ sở cho rằng đứt gãy là một mặt phẳng.

2. Nghiên cứu cấu trúc đới đứt gãy trên cơ sở tài liệu trọng lực chi tiết (hoặc tài liệu vi trọng lực đối với các đới đứt gãy nhỏ).

Hình 1. Mô hình trọng lực đới dập vỡ kiến tạo

1. Xác định bề rộng đới đứt gãy Sơn La tại vùng chấn tâm động đất Tuần Giáo

Nhằm mục đích xác định bề rộng đới đứt gãy Sơn La tại vùng chấn tâm động đất Tuần Giáo năm 1983 với Ms = 6,7, chúng tôi sử dụng tài liệu trọng lực Bouguer tỷ lệ 1/50.000. Quá trình phân tích sơ bộ được tiến hành trên toàn tuyến A-A, chi tiết trên đoạn tuyến B-B và phép phân tích vi trọng lực được tiến hành trên đoạn C-C (Hình 2).

Quá trình phân tích được tiến hành theo các bước sau:

1. Lọc trường: Nhiệm vụ của quá trình này là loại trừ các tín hiệu địa phương nhằm mục đích thiết lập thành phần trường chỉ phản ánh ảnh hưởng của đứt gãy sâu. Qua quá trình phân tích này ta nhận được đường cong 3a2 trong hình 3A.

2. Tính toán các mặt cắt thành phần trường: Mục đích là nhằm xác định độ sâu xuất phát, độ sâu ảnh hưởng của đứt gãy trên cơ sở cho rằng đứt gãy là một mặt phẳng. Kết quả cho thấy đứt gãy Sơn La cắm về phía đông bắc một góc 67^o (Hình 3B).

3. Tách thành phần trường: Quá trình này nhằm xác định bề rộng của đới phá huỷ cũng như xác định đới ảnh hưởng của đứt gãy. Bề rộng của đới đứt gãy Sơn La theo kết quả phân tích của chúng tôi là 11 km và bề rộng đới ảnh hưởng của đứt gãy là 21 km.

4. Nghiên cứu cấu trúc đới đứt gãy: Trong trường hợp tài liệu mặt cắt trọng lực là chi tiết thì quá trình phân tích chi tiết để nghiên cứu cấu trúc đới đứt gãy được tiến hành trên cơ sở thành phần trường được thiết lập sau khi loại trừ trường khu vực. Trên hình 3A là đường cong 3a3 (3a3 = 3a1-3a2). Nếu 3a3 không đảm bảo độ chi tiết cao thì chúng ta tiến hành đo vi trọng lực theo khoảng cách B-B như trên hình vẽ số 3A.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 2.  Sơ đồ vị trí tuyến nghiên cứu trọng lực vùng chấn tâm động đất Tuần Giáo và kế cận

Hình 3. Đới đứt gãy Sơn La theo bài toán mô hình trọng lực (dọc theo tuyến A-A trên hình 2)

Kết quả của quá trình phân tích này cho phép chúng ta xác định được một cách chung nhất hướng cắm, bề rộng đới phá huỷ trên bề mặt cũng như bề rộng đới ảnh hưởng của đứt gãy Sơn La tại vùng chấn tâm động đất Tuần Giáo. Như vậy, đới đứt gãy này bao gồm một đứt gãy chính và hai đứt gãy là ranh giới của đới cà nát biến dạng. Để chi tiết hoá đặc trưng cấu trúc của đới đứt gãy này, chúng ta tiến hành phân tích chi tiết tài liệu trọng lực trong phạm vị đới ảnh hưởng của đứt gãy.

2. Sử dụng tài liệu vi trọng lực trong nghiên cứu mặt trượt đứt gãy trong chấn tiêu động đất

Nhằm mục đích nghiên cứu mặt đứt đoạn trong chấn tiêu động đất Tuần Giáo, năm 2001 Phòng nghiên cứu Địa động lực thuộc Viện Vật lý địa cầu đã tiến hành đo đạc tuyến vi trọng lực cắt qua chấn tâm (đoạn tuyến C-C trong Hình 2). Kết quả đo đạc được biểu diễn bằng đường cong trong Hình 4A. Quá trình phân tích được tiến hành theo các phương pháp như đã trình bày trong phần 2. Kết quả cho thấy:

- Vùng chấn tiêu động đất Tuần Giáo có cấu trúc phức tạp (Hình 4C), mật độ của đất đá vùng này có giá trị là 2,72 g/cm³, nhỏ hơn vùng xung quanh là 0,08 g/cm³.

 

Hình 4. Cấu trúc đới dập vỡ vùng chấn tâm động đất Tuần Giáo
 trên cơ sở phân tích tài liệu vi trọng lực

- Chấn tiêu động đất Tuần Giáo xuất hiện tại vùng trung tâm của đới đứt gãy Sơn La. Tại vùng này phát hiện thấy một số đứt gãy, trong đó có một đứt gãy được xác định trùng với mặt đứt đoạn của chấn tiêu động đất. Góc cắm của mặt đứt đoạn này theo kết quả phân tích tài liệu vi trọng lực của chúng tôi là về phía đông bắc với một góc bằng 80^o (Hình 4C).

3. Phân tích, đánh giá kết quả nhận được

Kết quả phân tích tài liệu trọng lực hiện có và tuyến đo vi trọng lực tại vùng chấn tiêu của chúng tôi cho thấy:

- Bề rộng đới phá huỷ trên bề mặt của đứt gãy Sơn La là 11 km.

- Bề rộng đới ảnh hưởng (đới hoạt động) của đứt gãy Sơn La là 21 km.

- Độ sâu ảnh hưởng của đứt gãy Sơn La là trên 30 km.

- Đứt gãy Sơn La có hướng cắm về đông bắc với góc chung nhất là 67⁰.

- Đới đứt gãy có cấu trúc phức tạp, bao gồm nhiều đứt gãy có góc cắm khác nhau, tạo nên đới dập vỡ với mật độ của đất đá nhỏ hơn môi trường xung quanh một đại lượng biến đổi trong giới hạn 0,05 đến 0,1 g/cm³.

- Mặt trượt đứt đoạn trong chấn tiêu động đất có góc cắm về đông bắc 80⁰.

Theo kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đó thì thông số của đới đứt gãy Sơn La như sau:

- Cắm về phía đông bắc một góc 70^o-80^o.

- Bề rộng của đới hoạt động đứt gãy theo phân tích tài liệu động đất là 21,2 km [5], và 24 km theo phân tích của Cao Đình Triều, Nguyễn Thanh Xuân năm 2000 (Luận án TS của Nguyễn Thanh Xuân, 2000).

- Theo phân tích cơ cấu chấn tiêu thì mặt đứt đoạn chính trong chấn tiêu có góc cắm 79^o 30’ về phía đông bắc.

 Sự so sánh các kết quả nhận được của chúng tôi trong công trình này với các kết quả trước đây bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau cho thấy sự khác biệt không lớn. Điều đó chứng tỏ bài toán phân tích trọng lực trong nghiên cứu cấu trúc đứt gãy theo quy trình phân tích như đã trình bày là có hiệu quả và chấp nhận được.

IV. KẾT LUẬN

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu trên đây của chúng tôi có thể rút ra một số kết luận sau:

1. Đới đứt gãy Sơn La được đặc trưng bởi các thông số sau: cắm về phía đông bắc một góc chung nhất là 67^o, bề rộng đới dập vỡ trên bề mặt là 11 km, bề rộng đới hoạt động là 21 km và mặt đứt đoạn trong chấn tiêu có góc cắm 80^o về đông bắc.

2. Nếu phân tích tài liệu dị thường trọng lực tỷ lệ nhỏ (nhỏ hơn 1/500.000) thì chúng ta chỉ xác định được độ sâu ảnh hưởng, vị trí và góc cắm của đứt gãy mà khó có khả năng xác định được bề rộng của đới đứt gãy trên bề mặt cũng như đới ảnh hưởng của đứt gãy. Để đạt được mục đích nghiên cứu chi tiết đới đứt gãy cần phải có tài liệu chi tiết, ít nhất là tại vùng lân cận phá huỷ chính, nhưng tốt nhất là tiến hành đo đạc vi trọng lực

3. Quy trình phân tích trọng lực như đã trình bày của chúng tôi đã chứng tỏ là có hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc đứt gãy. Phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc đứt gãy có độ lớn khác nhau ở Việt Nam.

Công trình này được hoàn thành với tài trợ kinh phí của đề tài Nghiên cứu cơ bản mã số 73 33 04.

VĂN LIỆU

1. Bulax E.G., 1979. Hệ thống phân tích tự động hoá dị thường trọng lực. Naukodumka, Kiev, 132 trang (tiếng Nga).

2. Cao Đình Triều và Hoàng Văn Vượng, 1985. Phương pháp nghiên      cứu đứt gãy trên cơ sở mô hình cấu trúc khối vỏ Trái đất. TT công trình Vật lý địa cầu năm 1984. IV: 185-197. Hà Nội.

3. Cao Đình Triều, 1995. Mô hình mật độ vỏ Trái đất lãnh thổ Việt Nam. TC Tin học và Điều khiển học, 11/3 : 56-64. Hà Nội.

4. Cao Đình Triều, 2000. Trọng lực và phương pháp thăm dò trọng lực. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 276 tr.

5. Cao Đình Triều, 2002. Đặc trưng hoạt động động đất khu vực Tuần Giáo và kế cận. TC Các khoa học và công nghệ. 40/5 : 40-51. Hà nội.

6. Cao Đình Triều, Phạm Huy Long, 2002. Kiến tạo đứt gãy lãnh thổ Việt Nam. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 200 tr.

7. Cao Đình Triều, Lê Văn Dung, Nguyễn Hữu Tuyên, Phạm Nam Hưng, Mai Xuân Bách, 2002. Sử dụng phương pháp thăm dò trọng lực chi tiết nghiên cứu cấu trúc đứt gãy khu vực nhà máy thuỷ điện Sơn La. TT Hội thảo khoa học Động đất và một số dạng tai biến tự nhiên khác vùng Tây Bắc Việt Nam. Nxb Đại học Quốc gia, Hà Nội. tr. 45-64.

8. Chiapkin K.F., 1969. Phân tích tài liệu trọng lực trong nghiên cứu cấu trúc sâu vỏ Trái đất. Vnigeofisika, Moskva, 300 trang (tiếng Nga).

9. Đinh Văn Toàn, 1993. Khả năng sử dụng phương pháp mô hình hoá hai chiều các dị thường trọng lực nghiên cứu cấu trúc địa chất. TC Các khoa học về Trái đất, 15/3 : 92-96. Hà Nội.

10. Lê Huy Minh, Lưu Việt Hùng, Cao Đình Triều, 2002. Sử dụng trường vecto građien ngang cực đại trong việc minh giải tài liệu từ và trọng lực ở Việt Nam. TC Các khoa học về Trái đất, 24/1 : 67-80. Hà Nội.

11. Nguyễn Đình Xuyên, Cao Đình Triều, 1990. Động đất Tuần Giáo ngày 24/6/83. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 107 tr.