Xây dựng mô hình cấu trúc địa chất 3D khu vực trung tâm thành phố Đà Nẵng

Việc ứng dụng công nghệ phần mềm để xây dựng mô hình 3D vào nghiên cứu chuyên ngành ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Điển hình là các ngành nghiên cứu môi trường, tiềm kiếm đánh giá tiềm năm khoáng sản, dầu khí và đặc biệt là nghiên cứu địa kỹ thuật xây dựng. Hiện nay, có nhiều các phần mềm ứng dụng hiện đại với các phương pháp khác nhau được thiết kế để mô phỏng cấu trúc địa chất từ các dữ liệu địa hình, độ cao và tài liệu lỗ khoan thu thập thực địa. Việc xây dựng mô hình 3D cấu trúc nền giúp các nhà nghiên cứu có cách nhìn mới mẽ trong nghiên cứu, giải quyết được các bài toán ở các vùng có cấu trúc địa chất biến đổi phức tạp và phù hợp với xu thế phát triển của khoa học công nghệ.

Nhìn chung, phương pháp xây dựng mô hình 3D cấu trúc nền bao gồm nội dung chính được mô tả dưới đây :

1. Tổng hợp dữ liệu lỗ khoan và phân tích dữ liệu địa chất khu vực

Tổng hợp dữ liệu lỗ khoan bao gồm đầy đủ cả dữ liệu về địa hình lẫn địa chất từ các nguồn thu thập đáng tin cậy. Dữ liệu lỗ khoan bao gồm các thông số về tọa độ lỗ khoan (hệ VN2000), cao độ tự nhiên lỗ khoan (từ bình đồ địa hình, mô hình DEM) và quan trọng là đặc điểm địa tầng của các lỗ khoan. Từ đó phân tích, tổng hợp đặc điểm các lớp đất đá trong khu vực nghiên cứu.

2. Giải thích dữ liệu cho phần mềm

Trên cơ sở dữ liệu địa tầng lỗ khoan chúng ta phải xây dựng một chuỗi thống nhất của các lớp trong phạm vi theo diện và chiều sâu nghiên cứu. Rõ ràng, địa tầng (sự phân bố, có mặt các lớp đất đá) của các lỗ khoan, các khu vực khác nhau sẽ có sự khác nhau nhất định về số lượng, vì vậy cần có sự can thiệp (giải thích số liệu từ các nhà chuyên môn) để tạo nên sản phẩm mô hình chuẩn xác. Chẳng hạn, trong trường hợp nếu các lỗ khoan không có mặt một lớp bất kỳ, thì thông số bề dày được thiết lập bằng không. Đó là thiết lập quan trọng để phần mềm có thể dùng các thuật toán nội suy xây dựng ranh giới giữa các lớp đất đá trong phạm vi nghiên cứu.

3. Nội suy ranh giới các lớp địa chất

Trên cơ sở dữ liệu về tọa độ, cao độ và địa tầng của các đối tượng địa chất đã được hệ thống hóa ở bước 2, các dữ liệu này là nguồn cung cấp dữ liệu cho các thuật toán nội suy không gian Kriging, IDW, … Kết quả là, tạo mặt cắt ngang giữa các lỗ khoan gần nhất được thực hiện. Tùy theo đặc điểm dữ liệu để lựa chọn các phương pháp nội suy đem đến kết quả chính xác nhất có thể.

Hình 1: Lỗ khoan và chuỗi các mặt cắt ngang

4. Xây dựng mô hình cấu trúc nền 3D

Trên cơ sở nội suy bề mặt thu được, kết quả của nội suy không gian cho mỗi lớp bao gồm một tập hợp các điểm có tọa độ X,Y, Z khác nhau. Để đảm bảo mức độ chính xác, phản ánh đúng đặc điểm cấu trúc địa chất từ số liệu thực tế cần lưu ý việc lựa chọn độ lớn của lưới nội suy cho phù hợp với đặc điểm cấu trúc dữ liệu đầu vào. Như vậy, mô hình 3D cấu trúc địa chất được hình thành. Việc xây dựng cấu trúc 3D nền địa chất yêu cầu phải thu thập được nguồn dữ liệu đầy đủ cả về địa chất lẫn địa hình khu vực nghiên cứu. Rõ ràng, nguồn dữ liệu càng phong phú, chi tiết và mạng lưới lỗ khoan khảo sát phù hợp, chiều sâu lỗ khoan đảm bảo xác định độ sâu ranh giới giữa các thành tạo Đệ tứ và đá gốc sẽ là những yếu tố quan trọng đem đến cái nhìn tổng thể cấu trúc nền địa chất dưới dạng ba chiều và đảm bảo mức độ tin cậy cần thiết.

Hình 2: Mô hình 3D nền địa chất được tạo nên từ dữ liệu phầm mềm

Căn cứ theo cơ sở lý thuyết trên tác giả đã Xây dựng mô hình cấu trúc địa chất 3D khu vực trung tâm thành phố Đà Nẵng như sau:

Cơ sở tài liệu lỗ khoan

Để hoàn thiện được mục tiêu nghiên cứu, đề tài luận văn đã thu thập được 95 hố khoan khảo sát trên địa bàn vùng nghiên cứu, chi tiết xem tại bảng 3.1 và cách sơ đồ vị trí lỗ khoan hình 3.1. Các lỗ khoan thu thập đảm bảo các yêu cầu về độ sâu đủ lớn (tốt nhất là độ sâu lỗ khoan kết thúc trong tầng đá gốc hoặc trầm tích Đệ Tứ không phân chia) và các lỗ khoan phải đại diện cho cấu trúc địa chất đặc trưng cho khu vực nghiên cứu. Ngoài ra, các lỗ khoan cần dàn trãi và phân bố tạo nên mạng lưới cân đối, hợp lý góp phần cho kết quả nội suy chính xác cao. Trong số 95 lỗ khoan có 13 lỗ khoan thuộc huyện Hòa Vang, 18 lỗ khoan thuộc quận Liên Chiểu, 18 lỗ khoan thuộc quận Hải Châu, 17 lỗ khoan thuộc quận Cẩm Lệ, 15 lỗ khoan thuộc quận Sơn Trà, 08 lỗ khoan thuộc quận Thanh Khê và 06 lỗ khoan thuộc quận Ngũ Hành Sơn. Mạng lưới hố khoan đã thu thập được cho thấy, một số khu vực phân bố xa trung tâm thành phố, chưa được quy hoạch xây dựng (phía Nam, Tây Nam quận Ngũ Hành Sơn, Tây Nam quận Cẩm Lệ, một phần phía Nam quận Liên Chiểu và khu vực sân bay Đà Nẵng dẫn đến mạng lưới hố khoan thăm dò thu thập được bị hạn chế.

Ngoài các dữ liệu hố khoan khảo sát, các bản đồ nền dạng số hóa như Bản đồ địa chất tỷ lệ 1/50.000, dữ liệu độ cao địa hình 1/25.000 được sử dụng để thành lập cấu trúc địa chất 3D nền địa chất khu vực nghiên cứu.

Hình 3: Vị trí các lỗ khoan trên bản đồ vệ tinh

Bảng thống kê Dữ liệu thông tin lỗ khoan thu thập để xây dựng cấu trúc nền 3D

Các thông số lỗ khoan của 95 lỗ khoan thu thập như sau:

* 72/95 lỗ khoan sâu đến tầng đá gốc;

* Chiều sâu hố khoan trung bình: 36,6m;

* Lỗ khoan sâu nhất: 83,0m (lỗ khoan HC19);

* Lỗ khoan nông nhất: 7,0m (lỗ khoan HV1);

Kết quả thu được:

Hình 4: Mô hình cấu trúc nền khu vực trung tâm thành phố Đà Nẵng

Sản phẩm nghiên cứu của đề tài là kết quả của việc sử dụng tổ hợp nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau về đặc điểm cấu trúc nền địa chất khu vực trung tâm thành phố Đà Nẵng, trên cơ sở kết quả đó tác giả đưa ra kết luận và kiến nghị như sau:

1. Căn cứ vào mô hình 3D cấu trúc nền được xây dựng từ công cụ phần mềm Rockworks luận văn đã đánh giá được đặc điểm cấu trúc nền vùng nghiên cứu bao gồm 1 kiểu cấu trúc nền (kiểu II) hỗn hợp đất đá không có mối liên kết kiến trúc cứng phủ trên đất đá có mối liên kết kiến trúc cứng và dựa vào tiêu chí nguồn gốc và bề dày lớp đất đá không có liên kết cứng chia thành 3 phụ kiểu cấu trúc nền IIa (dày 10 đến 20m), IIb (dày 20 đến 40m) và IIc (dày 40 đến hơn 60m).
2. Trên cơ sở ứng dụng phần mềm Rockworks, tác giả đã mô phỏng được cấu trúc ba chiều của 18 thành tạo địa chất Đệ tứ từ dữ liệu 95 lỗ khoan địa chất, địa chất công trình tại thành phố Đà Nẵng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc quan sát cấu trúc nền đất rất phức tạp trong thực tế với mô hình mô hình không gian ba chiều trực quan, sinh động. Kết quả mô hình đã được kiểm chứng so với số liệu thực tế là có 86% các giá trị chênh lệch nhỏ hơn 2m, có thể đảm bảo mức độ tin cậy bước đầu.

Kiến nghị: Kết quả mô hình là tài liệu hữu ích giúp cho nhiều đối tượng khác nhau như các nhà quản lý, các nhà quy hoạch, kỹ sư hiện trường, chủ nhiệm khảo sát… có cái nhìn tổng quát về sự phân bố, sắp xếp các thành tạo đất đá, từ đó có cơ sở lựa chọn và quy hoạch, định hướng các công trình xây dựng phù hợp, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả về kinh tế. Tuy nhiên vùng ven thành phố Đà Nẵng, mạng lưới dữ liệu lỗ khoan vẫn còn hạn chế, chưa phản ánh đầy đủ các thành tạo địa chất, cũng như các đơn nguyên địa chất công trình có mặt trong khu vực nghiên cứu, do đó để tăng độ chính xác của mô hình cần bổ sung thêm dữ liệu lỗ khoan tại các vùng này.

Tác giả: ThS.Nguyễn Đại Hữu

Mobile: 0974.132.968