Xác định độ sâu mặt móng conrat khu vực phía bắc bồn trũng 2 sông Hồng theo phân tích tài liệu trọng lực

XÁC ĐỊNH ĐỘ SÂU MẶT MÓNG CONRAT KHU VỰC PHÍA BẮC BỒN TRŨNG 1 SÔNG HỒNG THEO PHÂN TÍCH TÀI LIỆU TRỌNG LỰC 2 Từ khóa: Mặt móng Conrat khu vực phía Bắc bồn trũng Sông Hồng, độ sâu mặt móng Conrat, khu 3 vực phía Bắc bồn trũng Sông Hồng 4 Tóm tắt: Khu vực phía Bắc bồn trũng Sông Hồng có một phần diện tích trên đất liền và một 5 phần diện tích trên biển vịnh Bắc Bộ, vì vậy việc nghiên cứu các đơn vị cấu trúc trong khu 6 vực thường được tiến hành riêng biệt nhau có thể do hạn chế về tài liệu địa vật lý giữa vùng 7 biển và đất liền: thiếu số liệu, không đồng nhất về số liệu giữa đất liền và biển hoặc các nhiệm 8 vụ đặt ra theo phạm vi đất liền và biển Trong bài báo này tác giả đã hiệu chỉnh đồng bộ 9 hai nguồn số liệu trọng lực đất liền và trọng lực vệ tinh đo trên biển, kết hợp sử dụng qui trình 10 phân tích 3D nguồn số liệu xác định sơ đồ độ sâu mặt móng Conrat liên tục từ đất liền ra 11 biển. Qui trình phân tích kết hợp với các phương pháp tính phổ mật độ năng lượng, phương 12 pháp tương quan hồi qui tuyến tính, phương pháp giải bài toán thuận và ngược 3D để xác 13 định độ sâu mặt móng Conrat. Độ sâu mặt Conrat trong khu vực thay đổi liên tục từ 14,2 đến 14 17,2 km, phương cấu trúc chính theo phương Tây Bắc-Đông Nam. 15 1. Mở đầu 16 Khu vực phía Bắc bồn trũng Sông Hồng nằm trong giới hạn từ 105o20’-107o30’ kinh độ Đông 17 và 19o00’-21o12’ vĩ độ Bắc (hình 1), gồm một phần diện tích trên đất liền (gồm các tỉnh Thanh Hóa, 18 Nam Định, Hà Nam, Thái Bình, Hưng Yên, Hà Nội, Hải Dương, Hải Phòng, Quảng Ninh) với các 19 đơn vị cấu trúc như khối nâng móng rìa Đông Bắc, khối nâng móng rìa Tây Nam, phần trung tâm 20 miền võng Hà Nội gồm dải Khoái Châu-Tiền Hải, trũng Đông Quan và một phần diện tích dưới biển 21 Vịnh Bắc Bộ với chiều sâu mực nước biển dao động từ -120 m ÷ 0 m gồm các đơn vị cấu trúc như 22 đới nâng thềm Hạ Long, đới nâng thềm Thanh Nghệ, và phần trung tâm bồn trũng Sông Hồng. Đây 23 là khu vực có cấu trúc địa chất khá phức tạp do hoạt động kiến tạo mạnh mẽ xảy ra theo nhiều thời 24 kỳ khác nhau như địa hình mặt móng bồn trũng có cấu trúc kéo dài theo phương Tây Bắc-Đông Nam 25 và á kinh tuyến gồm các trũng và địa hào hẹp bị chia cắt bởi các hệ thống đứt gãy dịch chuyển sâu 26 theo các phương khác nhau, các cấu trúc này đã để lại những hiệu ứng trọng lực rất rõ nét trên bản 27 đồ dị thường trọng lực. Đây là tiền đề thuận lợi cho việc sử dụng nguồn số liệu trọng lực để xác định 28 địa hình cũng như xác định độ sâu mặt Conrat. Việc xác định độ sâu mặt móng Conrat có ý nghĩa rất 29 lớn trong việc nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc kiến tạo cũng như đánh giá được tiềm năng khoáng 30 sản có trong khu vực. 31 32 33 Hình 1: Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu, khu vực phía Bắc bồn trũng Sông Hồng 34 (độ sâu mực nước biển thay đổi từ -120 m ÷ 0 m) 35 36 37 2. Phương pháp phân tích 38 Hệ phương pháp phân tích được sử dụng gồm tổ hợp các phương pháp: phương pháp phổ mật 39 độ năng lượng, phương pháp tương quan hồi qui tuyến tính, phương pháp giải bài toán thuận và ngược 40 3D. 41 2.1. Phương pháp phổ mật độ năng lượng xác định độ sâu trung bình tới các mặt ranh giới 42 Trường dị thường trọng lực quan sát được trên bề mặt vật lý bao gồm tổng của tất cả các đối 43 tượng nằm ở các độ sâu và kích thước khác nhau. Mỗi mặt ranh giới mật độ đều được đặc trưng bởi 44 một đoạn phổ mật độ năng lượng trong một dải bước sóng nhất định. Vì vậy, trong bài báo này tác 45 giả sử dụng phương pháp tính phổ mật độ năng lượng để xác định số mặt ranh giới và độ sâu trung 46 bình của chúng trong khu vực nghiên cứu. Sử dụng phương pháp tính phổ của A. Spector và Grant 47 (1970) để tính mối quan hệ giữa phổ mật độ năng lượng của dị thường trọng lực và độ sâu trung bình 48 tới mặt ranh giới [6, 8, 12] 49 2.2. Phương pháp tương quan hồi qui tuyến tính xác định độ sâu mặt Moho 50 Phương pháp phân tích tương quan hồi qui tuyến tính có hiệu quả cao trong việc giải quyết 51 các bài toán kiến tạo ở những khu vực có nhiều tài liệu địa chất-địa vật lý. Nội dung của phương pháp 52 tương quan hồi qui là đánh giá mối quan hệ tương quan, xây dựng dạng hàm số toán học biểu diễn 53 mối quan hệ giữa các tham số địa chất và địa vật lý. Trên cơ sở đó nội và ngoại suy các tham số địa 54 chất theo tài liệu quan trắc được [9] 55 2.3. Phương pháp giải bài toán thuận và ngược 3D 56 Phương pháp phân tích thuận dựa trên bài toán thuận 3D của Parker (1972) [8], giá trị độ sâu 57 mặt ranh giới được xác định trên cơ sở cực tiểu hóa hàm sai số giữa giá trị dị thường trọng lực quan 58 sát và giá trị dị thường trọng lực tính toán theo bài toán thuận của Parker. Cụ thể bài toán đặt ra ở đây 59 là xác định độ sâu tới mặt ranh giới theo phương pháp giải lặp ta cần đưa vào một mô hình ban đầu 60 gồm các thông số đầu vào là: số các mặt ranh giới, độ sâu trung bình đến các mặt ranh giới chưa biết, 61 độ sâu đến các mặt ranh giới (nếu biết trước) và mật độ các lớp. 62 Phương pháp phân tích ngược 3D để xác định độ sâu mặt ranh giới (mặt móng Conrat) tác giả 63 sử dụng phần mềm thương mại GMSYS-3D do hãng Geosoft [14] phát triển dựa trên cơ sở giải bài 64 toán ngược 3D của Parker. 65 66 Hình 2: Lược đồ phân tích thuận và ngược 3D số liệu trọng lực 67 68 69 3. Cơ sở số liệu 70 Nguồn số liệu tác giả sử dụng để phân tích trong bài báo được thu thập từ nhiều nguồn số liệu 71 khác nhau. Nguồn số liệu trọng lực phần đất liền thu thập tại Liên Đoàn vật lý địa chất với tỷ lệ 72 1/200.000 (có chỗ tỷ lệ 1/50.000), độ chính xác 0,3÷0,4 mGal [1, 2, 5]. Số liệu trọng lực phần biển 73 sử dụng nguồn số liệu của Sandwell và Smith V23.1, có lưới đo phủ đều với độ phân giải 1’×1’, độ 74 chính xác 1,7÷4 mGal [10, 11]. Để thống nhất hai nguồn số liệu trọng lực tác giả tiến hành hiệu chỉnh 75 chúng về cùng công thức tính trọng lực quốc tế năm 1984 (hình 3) 76 77 Hình 3: Trường dị thường trọng lực Bughe khu vực nghiên cứu khi hiệu chỉnh về cùng công thức 78 tính năm 1984 79 Trường dị thường trọng lực Bughe trong khu vực nghiên cứu (hình 3) phản ánh khá chi tiết 80 các đơn vị cấu trúc trong khu vực qua các khối dị thường dương, âm kéo dài theo phương Tây Bắc-81 Đông Nam với dải dị thường thay đổi trong khoảng từ -60÷20 mGal. 82 Khu vực trung tâm bồn trũng Sông Hồng được đặc trưng bởi dải dị thường âm kéo dài 83 từ đất liền ra biển với giá trị dị thường thay đổi trong khoảng từ -60÷-20 mGal theo phương Tây 84 Bắc-Đông Nam, dải dị thường âm kéo dài đã phản ánh vùng bồn trũng có chiều dày trầm tích khá 85 lớn. Trên dải dị thường âm kéo dài từ đất liền ra biển thì tại ranh giới đường bờ xuất hiện một dị 86 thường khác biệt hẳn so với xung quanh từ -15÷5 mGal đã phản ánh cấu trúc uốn nếp phức tạp kèm 87 nghịch đảo kiến tạo trong khu vực. Hai bên bồn trũng là hai đới nâng đặc trưng bởi dải dị thường 88 dương thay đổi trong khoảng -10÷20 mGal phản ánh qua đới nâng thềm Hạ Long ở phía Đông Bắc 89 và đới nâng thềm Thanh Nghệ ở phía Tây Nam khu vực nghiên cứu. Với dải dị thường trọng lực thay 90 đổi ở khu vực thềm Hạ Long và thềm Thanh Nghệ đã phản ánh khu vực có lớp phủ trầm tích Kainozoi 91 mỏng và móng được nâng lên cao dần và lộ trên mặt. Đới nâng rìa Tây Nam (gồm các tỉnh Hà Nam, 92 Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hóa) đặc trưng bởi dải dị thường -30÷10 mGal, dải dị thường âm dương 93 thay đổi liên tục phản ánh cấu trúc khu vực thay đổi liên tục. Dọc phía Tây khu vực nghiên cứu là 94 trũng Tú Lệ đặc trưng bởi một dải dị thường âm dao động -60÷-30 mGal. Đới nâng rìa Đông Bắc 95 (gồm các tỉnh Quảng Ninh, Hải Dương, Hải Phòng) đặc trưng bởi dải dị thường dao động -30÷5 mGal 96 phản ánh đây là một đới nâng trương đối so với bồn trũng. 97 4. Kết quả tính toán 98 4.1. Độ sâu trung bình tới các mặt ranh giới cơ bản 99 Từ số liệu dị thường trọng lực Bughe (hình 3) tác giả tính phổ mật độ năng lượng hai chiều dị 100 thường trọng lực [6, 8, 10] cho kết quả như hình 4a. Trên đồ thị phổ mật độ năng lượng cho phép ta 101 xác định được 3 đoạn thẳng đặc trưng cho 3 mặt ranh giới và kết hợp với phương pháp bình phương 102 tối thiểu xác định được độ sâu trung bình tới 3 mặt ranh giới lần lượt là 2,3 km, 15,8 km, 29,7 km. 103 Với mặt ranh giới thứ nhất có độ sâu trung bình 2,3 km hoàn toàn phù hợp với độ sâu trung bình của 104 mặt móng trước Kainozoi xác định theo phương pháp địa chấn là 2,25 km (Le Nhu lai và nnk, 2000 105 và CCOP 1995). Mặt ranh giới thứ 2 có độ sâu trung bình 15,8 km, so sánh với kết quả đo sâu từ 106 Tellua (Lê huy Minh và nnk, 2011) [3] thấy độ sâu này khá phù hợp với độ sâu trung bình của mặt 107 Conrat. Mặt ranh giới thứ ba có độ sâu trung bình tới mặt ranh giới bằng 29,7 km và đi so sánh với 108 độ sâu trung bình của các điểm độ sâu mặt Moho xác định theo địa chấn động đất của Nguyễn Văn 109 Dương [13] xác định bằng 29,2 km thấy độ sâu trung bình của mặt ranh giới thứ 3 khá phù hợp với 110 độ sâu trung bình của mặt Moho. Từ kết quả tính phổ mật độ năng lượng tác giả xác định được mô 111 hình vỏ trái đất trong khu vực nghiên cứu gồm 3 mặt ranh giới: mặt móng trầm tích trước Kainozoi, 112 mặt Conrat và mặt Moho với độ sâu trung bình lần lượt là 2,3 km, 15,8 km và 29,7 km (hình 4b), các 113 độ sâu này sẽ là số liệu đầu vào để phục phụ quá trình giải bài toán ngược 3D.114 Hình 4a. Đồ thị phổ mật độ năng lượng dị thường trọng lực Bughe KVNC Hình 4b. Mô hình các lớp trong vỏ trái đất KVNC Hình 4:115 4.2. Xác định độ sâu mặt Moho 116 Để tính độ sâu mặt Moho tác giả tiến hành loại bỏ hiệu ứng trọng lực do móng trầm tích trước 117 Kainozoi (hình 5) ra khỏi dị thường trọng lực Bughe và tiến hành lọc các dị thường địa phương được 118 dị thường dư trọng lực do mặt Conrat và mặt Moho (hình 6). Sau đó, tính độ sâu mặt Moho theo 119 phương trình tương quan hồi qui: y = -0,0576 x X + 28,4776 [7] với X là dị thường dư trọng lực do 120 mặt móng Conrat và mặt Moho (mGal), y là độ sâu mặt Moho (km) ta được độ sâu mặt móng Moho 121 khu vực nghiên cứu (hình 7). So sánh kết quả tính toán với các điểm độ sâu mặt Moho xác định theo 122 phương pháp địa chấn động đất [13] thấy có độ trùng hợp khá cao với sai số ~3,5%. Số liệu độ sâu 123 mặt Moho được sử dụng làm thông số đầu vào của phần mềm GMSYS-3D. 124 Hình 5: Hiệu ứng trọng lực của móng trầm tích trước Kainozoi khu vực nghiên cứu với mật độ tương phản Δσ=0,24 g/cm3 Hình 6: Trường dị thường trọng lực dư sau khi loại bỏ ảnh hưởng của mặt móng trầm tích trước Kainozoi và lọc bỏ dị thường địa phương. 125 126 Hình 7: Độ sâu mặt móng Moho khu vực nghiên cứu tính theo phương pháp tương quan hồi qui tuyến 127 tính. 128 4.3. Xác định độ sâu mặt móng Conrat 129 Từ kết quả tính phổ mật độ năng lượng hai chiều dị thường trọng lực Bughe tác giả đã xây 130 dựng được mô hình vỏ trái đất khu vực nghiên cứu theo hình 4b. Đồng thời theo các kết quả nghiên 131 cứu của mô hình [4] thấy nghiệm của bài toán ngược trọng lực phụ thuộc rất nhỏ vào tham số mật độ 132 (σ), sự phụ thuộc của tham số mật độ (σ) nhỏ hơn rất nhiều lần so với sự thay đổi của tham số độ sâu 133 trung bình (Z0). Vì vậy theo các tài liệu trước [4, 7] tác giả lựa chọn các tham số mật độ của các lớp 134 ranh giới như sau: lớp trầm tích trước Kainozoi có mật độ σ=2,4 g/cm3, lớp đá móng có mật độ 135 σ=2,6÷2,7 g/cm3, lớp đá bazan có mật độ σ=2,7÷2,8 g/cm3, lớp manty có mật độ σ=3,15 g/cm3. Như 136 vậy thông tin đưa vào mô hình gồm: 137 Dị thường trọng lực Bughe (mGal) Mặt 0 z=0 m σ=2,4 g/cm3 Độ sâu móng trầm tích trước Kainozoi (m) σ=2,6÷2,7 g/cm3 Độ sâu trung bình mặt Conrat z0(Conrat)=-15800 m σ=2,7÷2,8 g/cm3 Độ sâu mặt Moho (m) σ=3,16 g/cm3 Ranh giới dưới của mô hình z=-60000 m Hình 8: Mô hình tính toán được lựa chọn đưa vào chương trình giải ngược GMSYS-3D 138 Khi đưa các tham số mô hình vào chương trình GMSYS-3D, chương trình chạy mô hình 139 thuận để tính hiệu ứng trọng lực dư mặt Conrat với tham số mật độ, độ sâu trung bình các lớp 140 được chọn theo hình 8, kết quả giải ngược ta được độ sâu mặt Conrat như trên hình 9 sau 9 lần lặp 141 và giới hạn hội tụ là 0.1mGal. 142 143 Hình 9: Độ sâu mặt móng Conrat khu vực nghiên cứu 144 Qua hình 9 thấy độ sâu mặt Conrat khu vực nghiên cứu thay đổi trong khoảng 14,2÷17,2 km 145 và khi so sánh với kết quả phân tích nghịch đảo 1D - phương pháp từ tellua của mặt cắt địa điện tuyến 146 Hòa Bình-Thái Nguyên [4] với độ sâu mặt Conrat 14,5÷17,5 km là khá phù hợp. Cấu trúc mặt Conrat 147 có phương khá trùng với phương cấu trúc chung của vùng nghiên cứu là phương Tây Bắc-Đông 148 Nam. Khu vực trung tâm bồn trũng Sông Hồng địa hình mặt Conrat nâng cao với độ sâu dao 149 động 14,3÷15,5 km và gần sát với mặt móng trầm tích trước Kainozoi. Khu vực phía Đông Bắc 150 của vùng nghiên cứu đặc trưng bởi đới nâng Đông Bắc (đất liền) mặt Conrat hạ thấp với độ sâu dao 151 động 15,7÷16,5 km, thềm Hạ Long hạ thấp hơn với độ sâu dao động 16÷16,5 km. Khu vực phía Tây 152 Nam với đới nâng Tây Nam (đất liền) và thềm Thanh Nghệ có độ sâu mặt Conrat dao động 16÷17 153 km. Phía Tây khu vực nghiên cứu là trũng Tú Lệ đặc trưng bởi địa hình mặt Conrat lõm hẳn xuống 154 với độ sâu 16÷17 km và tại đây mặt Conrat hạ sâu nhất trong khu vực. 155 5. Kết luận 156 Từ các kết quả tính toán trên, tác giả rút ra một số kết luận sau: 157 - Bằng việc hiệu chỉnh đồng bộ hai nguồn số liệu trọng lực đo trên đất liền và trọng lực vệ 158 tinh đo trên biển về cùng một công thức tính trường trọng lực bình thường quốc tế năm 1984; tác giả 159 đã tính toán, xác định và xây dựng được sơ đồ độ sâu mặt móng Conrat liên tục từ đất liền ra biển có 160 độ đồng nhất và tin cậy cao. 161 - Kết hợp phương pháp phổ mật độ năng lượng, phương pháp tương quan hồi qui tuyến tính, 162 phương pháp giải bài toán thuận và ngược 3D, tác giả đã đưa ra được qui trình phân tích thuận và 163 ngược 3D số liệu trọng lực để xác định địa hình mặt móng Conrat một cách khách quan và có độ tin 164 cậy cao. 165 - Độ sâu mặt móng Conrat khu vực nghiên cứu có độ sâu trung bình là 15,8 km. Khu vực có 166 mặt Conrat nâng lên cao nhất là 14,2 km thuộc khu vực trung tâm bồn trũng Sông Hồng và khu vực 167 hạ sâu nhất đến 17,2 km thuộc khu vực trũng Tú Lệ, phương cấu trúc chính của mặt Conrat theo 168 phương Tây Bắc-Đông Nam. 169 170 171 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO 173 [1]. Bộ tài nguyên và Môi trường, 2011. Thông tư số 05/2011/TT-BTNMT ngày 29/1/2011. V/v: Quy 174 định kỹ thuật phương pháp thăm dò trọng lực mặt đất, Hà Nội. 175 [2]. Bộ tài nguyên và môi trường, 2011. Tổng cục địa chất và khoáng sản, Liên đoàn vật lý địa chất. 176 Báo cáo kết quả đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ. V/v: Biên tập, hoàn chỉnh đề 177 xuất bản đồ trường trọng lực Việt Nam tỷ lệ 1:500.000 phần đất liền. 178 [3]. Lê Huy Minh, Đinh Văn Toàn, Võ Thanh Sơn, Nguyễn Chiến Thắng, Nguyễn Bá Duẩn, Nguyễn 179 Hà Thành, Lê Trường Thanh, Guy Mariquis, 3/2011. Kết quả xử lý bước đầu số liệu đo sâu từ Tellua 180 tuyến Hòa Bình – Thái Nguyên và tuyến Thanh Hóa – Hà Tây. Tạp chí các khoa học về trái đất, 18-181 28. 182 [4]. Nguyễn Như Trung, Nguyễn Thị Thu Hương, 2005. Cấu trúc vỏ trái đất khu vực biển Đông theo 183 số liệu dị thường trọng lực vệ tinh và địa chấn sâu. Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học công nghệ 184 “Viện Dầu khí: 25 năm xây dựng và trưởng thành” 336-354. 185 [5]. Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, 2011. Bản đồ dị thường trọng lực Bughe Việt Nam 186 (phần đất liền), tỷ lệ 1:1.000.000. Thành lập tại Liên đoàn vật lý địa chất, Hà Nội. 187 [6]. Blakely, R.J., 1995. Potential theory in gravity and magnetic application. Cambridge University 188 Press, pp.414. 189 [7]. Nhu Trung Nguyen, Thi Thu Huong Nguyen, 4/2013. Topography of the Moho and Earth crust 190 structure beneath the east Vietnam sea from 3D inversion of gravity field data. Acta Geophysica, pp. 191 357-384. 192 [8]. Parker, R, L., 1972. The rapid calculation of potential anomalies. Geophysics journal R. 193 Astr.Soc.,No 31, 447- 455. 194 [9]. Press, W.H., Teukolsky, S.A.,Vetterling, W.T., and Flannery, B.P, 1992. Mumerical Recipes in 195 Fortran. Cambridge University Press. 196 [10]. Sandwell, D. T., R. D. Müller, W. H. F. Smith, E. Garcia, R. Francis, 2014. New global marine 197 gravity model from CryoSat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure. Science, Vol. 346, no. 198 6205, pp. 65-67, doi: 10.1126/science.1258213. 199 [11]. Sandwell, D. T., Emmanuel Garcia, Khalid Soofi, Paul Wessel, Michael Chandler and Walter 200 H.F. Smith, 2013. Toward 1-mGal accuracy in global marine gravity from CryoSat-2, Envisat, and 201 Jason-1. The Leading Edge, August, 892-899. 202 [12]. Spector A., F. S. Granti, 1970. Statistic model for interpreting aeromagnetic data. Geophysics 203 Prospecting, 20, p.633-649. 204 [13]. Van-Duong Nguyen, Bor-Shouh Huang, Tu-Son Le, Van-Toan Dinh, Lupei Zhu, Kuo-Liang 205 Wen, 2013. Constraints on the crustal structure of northern Vietnam based on analysis of teleseismic 206 converted waves. Tectonophysics 601, p. 87-97. 207 [14]. 209 ABSTRACT 210 DETERMINATION OF CONRAT DEEP OF THE NORTHERN RED RIVER BASIN 211 FROM ANALYSIS OF GRAVITY FIELD DATA 212 The northern red river basin has an area on the mainland and partly on the sea area of the Bac 213 Bo basin, so the study of the structural units in the region are generally conducted separately may be 214 due to limited resources geophysical data between land and sea areas: lack of data, heterogeneity of 215 data between land and sea or the tasks set out under the scope of land and seaIn this paper the 216 author has corrected the two gravity field data on land and satellite gravity data on the sea combined 217 analytical procedures using 3D source data to determine the Conrat deep continuity from land to 218 sea.Process analysis methods combined with the universal energy density, the correlation linear 219 regression method, the forward and revese 3D method to determine the Conrat deep. The Conrat deep 220 changes from 14,2 to 17,2 km, the main structure under the Northwest – Southeast.221 222