MỘT SỐ NÉT ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC THẠCH QUYỂN LÃNH THỔ VIỆT NAM VÀ CÁC KHU VỰC KẾ CẬN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CẮT LỚP SÓNG DỌC ĐỊA CHẤN P VÀ TRỌNG LỰC VỆ TINH

STAROSTENKO V.¹, CAO ĐÌNH TRIỀU², PHẠM NAM HƯNG²,
LÊ VĂN DŨNG², NGUYỄN XUÂN BÌNH²

¹Viện Vật lý Địa cầu, Viện HLKH Ukraina, Kiev

²Viện Vật lý Địa cầu, Viện KH&CN Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội;

Tóm tắt: Bài báo này đề cập tới một mô hình cấu trúc thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận trên cơ sở phân tích kết hợp tài liệu cắt lớp sóng dọc địa chấn P và trọng lực vệ tinh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy:

- Bề dày vỏ Trái đất ở lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận biến đổi trong giới hạn từ nhỏ hơn 12 km tới trên 38 km.

- Bề dày của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận biến đổi trong giới hạn từ 60 km tới trên 115 km, tăng dần và có giá trị lớn nhất tại Trường Sa, Tây Bắc Bộ Việt Nam, Tây Bắc Lào và Bắc Thái Lan; giảm dần và đạt giá trị nhỏ nhất tại trung tâm Biển Đông.

- Thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận chủ yếu nằm trong trạng thái nén ép theo phương đông sang tây, từ mảng biển Philippines vào; tây - tây nam lên bắc - đông bắc từ mảng Ấn Độ; bắc - tây bắc xuống đông - đông nam từ vi mảng Nam Trung Hoa. Khối Trường Sa Việt Nam và khối Khorat đang chịu tác động của lực nén ép mạnh; trong khi khối Đông Biển Đông, phần lớn diện tích của khối Đông Dương và khối Nam Trung Hoa - Đông Bắc Bộ Việt Nam đang chịu chủ yếu tác động của lực căng giãn.

I. MỞ ĐẦU

Những nét cơ bản về đặc trưng cấu trúc vỏ Trái đất lãnh thổ Việt Nam đã được mô tả khá chi tiết trong một số công trình nghiên cứu của tác giả và đồng nghiệp [1-3]. Các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu trọng lực và giới hạn ở các độ sâu nằm trong vỏ Trái đất. Trong khi đó đặc trưng truyền sóng, mật độ của thạch quyển và manti là những thông số quan trọng trong nghiên cứu kiến tạo và địa động lực. Trong khuôn khổ công trình này, chúng tôi trình bày một mô hình cấu trúc thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận theo kết quả phân tích cắt lớp sóng địa chấn P kết hợp với phân tích dị thường

trọng lực Bouguer (do Uỷ ban Quốc gia về Khí quyển và Hải dương học, Mỹ - National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA) cung cấp [9, 10]. Tuy bản đồ này được đo vẽ ở tỷ lệ nhỏ, tương ứng 1/2.000.000, song đây là bản đồ duy nhất hiện có ở Việt Nam phủ kín toàn lãnh thổ Đông Dương và phần lãnh hải Việt Nam. Xử lý và phân tích kết hợp hai loại tài liệu này sẽ góp phần làm sáng tỏ các đặc điểm về cấu trúc thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận.

Vùng nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi tọa độ: y = 5,00 - 23,58 vĩ độ bắc; l = 102,69 - 112,90 kinh độ đông.

II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Mô hình vận tốc truyền sóng dọc P của thạch quyển và manti lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận

Mô hình vận tốc truyền sóng dọc P thạch quyển và manti lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận được biểu diễn ví dụ trong các Hình 1 và 2. Trên cơ sở các kết quả phân tích cắt lớp sóng địa chấn lãnh thổ Việt Nam chúng ta có thể rút ra một số nhận định sau [3-5, 6, 10]:

1. Vận tốc truyền sóng P trung bình của vỏ Trái đất biến động trong giới hạn: vận tốc của lớp vỏ trầm tích là 2,1 - 4,96 km/s, và của lớp vỏ kết tinh là 5,92 - 7,60 km/s.

2. Vận tốc trung bình của P lớp dưới vỏ (phần cứng của manti thượng) là 7,85 - 8,00 km/s.

3. Lớp quyển mềm có vận tóc sóng P trung bình là 8,00 - 8,20 km/s.

4. Vận tốc sóng dọc P đạt giá trị trung bình tại lớp chuyển tiếp (từ độ sâu 450 - 470 km đến 650 km) là 9,50 - 10,50 km/s.

5. Manti dưới có giá trị vận tốc trung bình biến đổi trong giới hạn 10,80 - 10,95 km/s.

2. Dị thường trọng lực Bouguer vệ tinh lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận

Tài liệu trọng lực vệ tinh có được nằm ở dạng tài liệu số của dị thường Fai [9, 10]. Trên cơ sở tài liệu này chúng tôi đã thiết lập sơ đồ dị thường trọng lực Bouguer (Hình 3) dựa trên cơ sở công thức quốc tế năm 1980 [5]:

g = 978,032 (1+ 0,0053024 sin²j - 0,0000058 sin²2j) (1)

Mật độ lớp trung gian được chấp nhận bằng 2,63 g/cm³. Phần mềm “Geosoft Oasis Montaj” được sử dụng trong tính toán hiệu chỉnh địa hình.

3. Mô hình mật độ của thạch quyển và manti lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận

Việc thiết lập mô hình mật độ thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận được dựa trên các nguyên lý sau:

1. Mật độ của đất đá lớp trầm tích được xác định dựa theo những nghiên cứu về phân bố mật độ của đất đá và quặng trên lãnh thổ Việt Nam [8].

2. Đối với vỏ kết tinh và thượng manti, chúng tôi sử dụng công thức tính tương quan giữa giá trị mật độ và vận tốc truyền sóng dọc của Pudiurop, 1959: V_P = 6r - 11 , trong đó: V_P (km/s), r (g/cm³) [4, 5].

3. Tổng hợp kết quả cuối cùng nhằm xây dựng mô hình mật độ là việc giải bài toán ngược trọng lực 3D [4, 5, 11].

4. Phân tích kết hợp tài liệu trọng lực vệ tinh và mô hình vận tốc sóng dọc P nghiên cứu cấu trúc thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận

Đặc trưng cấu trúc của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam được thiết lập trên cơ sở tài liệu cắt lớp sóng địa chấn và tài liệu trọng lực vệ tinh, kết hợp với các tài liệu khác có được như địa chấn thăm dò, điện từ tellur,… [2].

Ranh giới phía dưới của thạch quyển được thiết lập trên cơ sở:

- Mặt cắt dị thường vận tốc truyền sóng dọc địa chấn, sóng P. Đây là ranh giới phản ánh sự thay đổi vận tốc truyền sóng dọc của phần phía dưới của thạch quyển (lớp đỉnh của manti) có vận tốc lớn hơn phần phía trên của quyển mềm có vận tốc truyền sóng nhỏ hơn. Lớp này trùng với đường đẳng -0,05 km/s của dị thường sóng P [3, 6, 7].

- Giải bài toán mô hình trọng lực 3D với giá trị mật độ trung bình của lớp đỉnh manti bằng 3,40 g/cm³, mật độ lớp quyển mềm (asthenosphere) bằng 3,20 g/cm³ và mật độ trung bình vỏ Trái đất là 2,90 g/cm³ [1].

Hình 1. Vận tốc sóng dọc địa chấn (P) lãnh thổ Việt Nam
và các khu vực kế cận ở độ sâu 100 km.

Hình 2. Dị thường vận tốc sóng P dọc theo các tuyến trùng với vĩ độ: 12⁰

Hình 3. Dị thường trọng lực Bouguer (được tính toán trên cơ sở dị thường trọng lực
Fai vệ tinh) lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận.

Độ sâu mặt Moho, mặt kết tinh và bề dày trầm tích Kainozoi được sử dụng trong công trình này là các kết quả đã được công bố trước đây [2].

III. MỘT SỐ NÉT ĐẶC TRƯNG CỦA CẤU TRÚC THẠCH QUYỂN LÃNH THỔ VIỆT NAM

1. Độ sâu mặt Moho và bề dày vỏ Trái đất

Độ sâu mặt Moho lãnh thổ Việt Nam biến đổi khá phưc tạp và nằm trong giới hạn từ nhỏ hơn 16 km tới trên 36 km [2] bao gồm:

- Vỏ đại dương, khu vực Trung tâm Biển Đông có độ sâu mặt Moho nhỏ hơn 18 km;

- Phần đất liền lãnh thổ Việt Nam có đặc trưng vỏ lục địa với độ sâu mặt Moho biến đổi trong giới hạn 24-37 km.

- Vùng vỏ chuyển tiếp thuộc phạm vi lãnh thổ Việt Nam có độ sâu mặt Moho biến đổi từ 18 km đến 24-26 km.

Bề dày vỏ Trái đất lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận có giá trị biến đổi trong giới hạn từ nhỏ hơn 12 km tới trên 38 km (Hình 4): vỏ đại dương có giá trị nhỏ hơn 14 km; vỏ lục địa có bề dày từ 24 km đến trên 38 km; và vỏ chuyển tiếp có bề dày nằm trong giới hạn từ 14 km đến 24 km.

Hình 4. Bề dày vỏ Trái đất lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận.

2. Độ sâu tới đáy và bề dày thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận

Độ sâu tới đáy của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận biến đổi trong giới hạn từ nhỏ hơn 65 km tới trên 115 km [2]: nơi có độ sâu lớn nhất tới đáy của thạch quyển là khu vực Trường Sa Việt Nam và Khorat (lớn hơn 100 km). Độ sâu nông nhất của đáy thạch quyển, nhỏ hơn 80 km, trùng với khu vực Đông Biển Đông Việt Nam.

Bề dày phần trên cùng của đỉnh manti (phần cứng nhất của đỉnh manti) biến đổi trong giới hạn từ nhỏ hơn 45 km tới lớn hơn 95 km: mỏng nhất là khu vực Đông Biển Đông, đới Đà Lạt và Đông Bắc Bộ Việt Nam (nhỏ hơn 50 km); lớn nhất là khu vực quần đảo Trường Sa của Việt Nam.

Bề dày của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận được trình bày trong Hình 5 với giá trị biến đổi trong giới hạn từ 60 km tới trên 115 km. Khu vực quần đảo Trường Sa, Tây Bắc Bộ Việt Nam, Tây Bắc Lào và Bắc Thái Lan có bề dày thạch quyển lớn hơn 90 km. Đông Bắc Bộ Việt Nam, ven biển Nam Trung Bộ và trung tâm Biển Đông có bề dày thạch quyển nhỏ hơn 80 km.

3. Trạng thái ứng suất của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận

Cơ sở tài liệu chính trong đánh giá trạng thái ứng suất của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận trong nghiên cứu này là: Sơ đồ phân bố chiều dày của thạch quyển (Hình 5); Sơ đồ phân bố chiều dày vỏ Trái đất (Hình 4); và Sơ đồ phân bố bề dày phần trên cùng của đỉnh manti [2].

Hình 5. Bề dày của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận.

Hình 6. Trạng thái ứng suất thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận.

Cơ sở phương pháp luận được tóm lược như sau:

- Bề dày thạch quyển bằng tổng bề dày của hai lớp chính có độ lưu biến khác nhau là vỏ Trái đất và lớp trên cùng của đỉnh manti. Phần trên cùng của đỉnh manti có tính lưu biến lớn hơn nên nhạy cảm hơn về thay đổi bề dày so với sự thay đổi bề dày của vỏ Trái đất. Dưới tác động của ứng suất nén ép, bề dày của vỏ và bề dày của lớp trên cùng của manti sẽ tăng lên, gây nên sự tăng đột biến của bề dày thạch quyển, và quá trình ngược lại (quá trình làm mỏng đi) sẽ xảy ra khi thạch quyển nằm trong trạng thái căng giãn. Như vậy, trạng thái nén ép sẽ xảy ra tại nơi tồn tại đồng thời sự tăng bề dày của vỏ và phần trên cùng của đỉnh manti, và ngược lại, nơi xuất hiện đồng thời sự suy giảm bề dày của vỏ và của lớp trên cùng đỉnh manti sẽ phản ánh trạng thái căng giản.

- Các cấu trúc nhiệt độ cao trong quyển mềm nằm sát đáy thạch quyển cũng gây nên sự tiêu biến của thạch quyển và làm giảm bề dày của nó (nhiệt độ tại ranh giới phía dưới của thạch quyển là khoảng 1400^oC). Sự tiêu biến này sẽ xảy ra từ từ và bắt đầu từ lớp trên cùng của đỉnh manti. Như vậy, quá trình tiêu biến của thạch quyển do tác động của nhiệt độ sẽ bắt đầu từ dưới lên và nơi có bề dày của lớp trên cùng đỉnh manti rất mỏng (hoặc không tồn tại) trong khi vỏ Trái đất vẫn dày là nơi xảy ra quá trình nóng chảy dưới tác động của nhiệt độ.

Kết quả phân tích trạng thái ứng suất của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận được trình bày trong Hình 6 và cho thấy:

- Thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận chủ yếu nằm trong trạng thái nén ép. Phương tác động của lực nén ép chủ yếu là: từ đông sang tây từ mảng biển Philippines vào; tây - tây nam lên bắc - đông bắc từ mảng Ấn Độ; bắc - tây bắc xuống đông - đông nam từ vi mảng Nam Trung Hoa.

- Dưới tác động của trường ứng suất khu vực gây nên sự thay đổi phương tác động của lực nén ép trong phạm vi lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận: khối Đông Dương chịu tác động của lực nén ép có phương từ bắc - đông bắc xuống nam - tây nam từ khối Nam Trung Hoa - Đông Bắc Bộ Việt Nam; khối trung tâm Biển Đông chịu lực nén ép của khối Đông Biển Đông theo phương từ đông sang tây; khối Trung tâm Biển Đông chịu lực nén ép từ khối Nam Trung Hoa - Đông Bắc Bộ Việt Nam theo phương từ bắc - tây bắc xuống nam - đông nam; khối Nam Việt Nam chịu tác động của lực nén ép từ khối Đông Dương theo phương từ bắc - tây bắc xuống nam - đông nam.

- Khối Trường Sa Việt Nam và khối Khorat đang chịu tác động của lực nén ép mạnh; trong khi khối Đông Biển Đông, phần lớn diện tích của khối Đông Dương và khối Nam Trung Hoa - Đông Bắc Bộ Việt Nam đang chịu chủ yếu tác động của lực căng giãn.

IV. KẾT LUẬN

- Bề dày vỏ Trái đất lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận có giá trị biến đổi trong giới hạn từ nhỏ hơn 12 km tới trên 38 km. Vỏ đại dương có giá trị nhỏ hơn 14 km; Vỏ lục địa có bề dày từ 24 km đến trên 38 km; và vỏ chuyển tiếp có bề dày nằm trong giới hạn từ 14 km đến 24 km.

- Bề dày của thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận biến đổi trong giới hạn từ 60 km tới trên 115 km. Khu vực quần đảo Trường Sa, Tây Bắc Bộ Việt Nam, Tây Bắc Lào và Bắc Thái Lan có bề dày thạch quyển lớn hơn 90 km. Đông Bắc Bộ Việt Nam, vùng ven biển Nam Trung Bộ và Trung tâm Biển Đông có bề dày thạch quyển nhỏ hơn 80 km.

- Thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và các khu vực kế cận chủ yếu nằm trong trạng thái nén ép theo phương đông sang tây từ mảng biển Philippines vào; tây - tây nam lên bắc - đông bắc từ mảng Ấn Độ; bắc - tây bắc xuống đông - đông nam từ vi mảng Nam Trung Hoa. Khối Trường Sa Việt Nam và khối Khorat đang chịu tác động của lực nén ép mạnh; trong khi khối Đông Biển Đông, phần lớn diện tích của khối Đông Dương và khối Nam Trung Hoa - Đông Bắc Bộ Việt Nam đang chịu chủ yếu tác động của lực căng giãn.

VĂN LIỆU

1. Cao Đình Triều, 2002. Về mô hình mật độ thạch quyển lãnh thổ Việt Nam và kế cận dọc một số tuyến đặc trưng. TC Địa chất, A/270 : 23-31. Hà Nội.

2. Cao Đình Triều, Mai Xuân Bách, V.S. Geyko, 2004. Đặc trưng phân đới cấu trúc thạch quyển Việt Nam theo tài liệu địa vật lý. TC Địa chất, A/285 : 177-187. Hà Nội.

3. Cao Đình Triều, 2005. Trường địa vật lý và cấu trúc thạch quyển lãnh thổ Việt Nam. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 332 trg.

4. Cao Đình Triều (Chủ biên), 2006. Thiết lập những tiếp cận thích hợp để nghiên cứu dự báo động đất lãnh thổ Việt Nam. BC tổng kết nhiệm vụ HTQT về KH&CN theo nghị định thư Việt Nam - Italia (2004-2006). Lưu trữ Viện VLĐC, 169 trg.

5. Cao Đình Triều (Chủ biên), 2008. Nghiên cứu dự báo động đất mạnh khu vực Đông Nam Châu Á có nguy cơ gây sóng thần ảnh hưởng đến bờ biển và hải đảo Việt Nam. BC tổng kết nhiệm vụ HTQT về KH&CN theo nghị định thư Việt Nam - Italia (2006-2008). Lưu trữ Viện VLĐC, 222 trg.

6. Geyko V.S., 1998. Taylor's approximation of wave and eikonal equation in inverse seismic problems. Geophys. J., 17 : 465-493.

7. Geyko V.S., 2004. A general theory of the seismic travel-time tomography. Geophys. J., 26/1 : 3-32.

8. Nguyễn Khải và nnk., 1987. Báo cáo Kết quả nghiên cứu tính chất vật lý của đá và quặng trên lãnh thổ Việt Nam. Lưu trữ Địa chất, Hà Nội.

9. Sandwell D.T., 1992. Global marine gravity from ERS-1, Geosat and Seasat reveals new tectonic fabric. EOS, 73 : 133.

10. Sandwell D.T., Smith W.H.F., 1997. Marine gravity anomaly from Geosat and ERS-1 satellite altimetry. J. of Geophys. Res., 102 : 10039-10054.

11. Starostenko V.I., Legostaeva O.V., 1998. Calculation of the gravity field from an inhomogeneous, arbitrarily truncated vertical rectangular prism. Physics of the solid Earth, 34/12 : 991-1003.