Cơ chế động đất (Earthquake mechanism)

Cơ chế động đất, hay còn gọi là nghiệm phá hủy địa chấn (focal mechanism solution), mô tả sự dịch chuyển của các khối đá dọc theo đứt gãy gây ra động đất. Nó cung cấp thông tin quan trọng về hướng và kiểu chuyển động của đứt gãy, cũng như hướng của ứng suất kiến tạo gây ra động đất. Hiểu biết về cơ chế động đất giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hoạt động kiến tạo của Trái Đất, đánh giá nguy cơ địa chấn và dự báo sóng thần.

Cơ chế động đất được thể hiện bằng:

Biểu đồ quả cầu bãi biển (beach ball diagram): Đây là cách biểu diễn trực quan phổ biến nhất. Quả cầu được chia thành bốn phần bởi hai mặt phẳng vuông góc nhau. Mỗi phần được tô màu đen hoặc trắng, đại diện cho loại sóng P (sóng dọc) đầu tiên đến tại các trạm địa chấn khác nhau. Các trạm ghi nhận sóng P nén ban đầu (first motion) được tô màu đen, còn các trạm ghi nhận sóng P giãn ra được tô màu trắng. Hai mặt phẳng phân chia này đại diện cho các mặt phẳng đứt gãy có thể.
Các tham số đứt gãy: Bao gồm góc cắm (dip), góc phương vị (strike) và góc trượt (rake) của mặt phẳng đứt gãy. Góc cắm là góc giữa mặt phẳng đứt gãy và mặt phẳng nằm ngang. Góc phương vị là góc giữa hướng bắc và đường giao tuyến giữa mặt phẳng đứt gãy và mặt phẳng nằm ngang. Góc trượt mô tả hướng chuyển động của khối đá treo so với khối đá nằm. Ví dụ, góc trượt $0^\circ$ tương ứng với chuyển động trượt bằng (strike-slip), $90^\circ$ tương ứng với chuyển động nghịch (reverse/thrust) và $-90^\circ$ tương ứng với chuyển động thuận (normal).

Các loại cơ chế động đất

Dựa vào góc trượt, động đất có thể được phân loại thành các kiểu chính sau:

Động đất trượt bằng (Strike-slip): Chuyển động của các khối đá chủ yếu là nằm ngang, dọc theo mặt phẳng đứt gãy. Ví dụ, đứt gãy San Andreas ở California. Góc trượt gần $0^\circ$ hoặc $180^\circ$.
Động đất nghịch (Reverse/Thrust): Khối đá treo di chuyển lên trên so với khối đá nằm. Thường xảy ra ở vùng hội tụ mảng kiến tạo. Góc trượt nằm giữa $45^\circ$ và $135^\circ$. Một loại đặc biệt của động đất nghịch là động đất nghịch theo phương thẳng đứng (góc cắm gần $90^\circ$).
Động đất thuận (Normal): Khối đá treo di chuyển xuống dưới so với khối đá nằm. Thường xảy ra ở vùng phân kỳ mảng kiến tạo. Góc trượt nằm giữa $-45^\circ$ và $-135^\circ$.

Xác định cơ chế động đất

Cơ chế động đất được xác định bằng cách phân tích sóng địa chấn ghi nhận tại nhiều trạm địa chấn khác nhau. Dữ liệu về sóng P đầu tiên (first motion) được sử dụng để xác định các mặt phẳng đứt gãy có thể và hướng chuyển động. Ngày nay, việc xác định cơ chế động đất thường được thực hiện tự động bằng các thuật toán máy tính.

Tầm quan trọng của việc nghiên cứu cơ chế động đất

Hiểu rõ hơn về hoạt động kiến tạo địa phương và toàn cầu.
Đánh giá nguy cơ địa chấn và dự báo sóng thần.
Xây dựng các mô hình ứng suất kiến tạo và dự đoán các khu vực có nguy cơ động đất cao.
Nghiên cứu cấu trúc bên trong Trái Đất.

Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về cơ chế động đất.

Ứng suất và biến dạng trong cơ chế động đất

Việc tìm hiểu cơ chế động đất không thể tách rời khỏi khái niệm ứng suất và biến dạng. Ứng suất kiến tạo là lực tác động lên một đơn vị diện tích của khối đá, trong khi biến dạng là sự thay đổi hình dạng và kích thước của khối đá do ứng suất. Động đất xảy ra khi ứng suất tích tụ vượt quá sức chịu đựng của khối đá, dẫn đến sự phá hủy đột ngột dọc theo đứt gãy. Năng lượng tích tụ được giải phóng dưới dạng sóng địa chấn.

Mối liên hệ giữa cơ chế động đất và trường lực

Cơ chế động đất phản ánh trường ứng suất kiến tạo trong khu vực. Phân tích cơ chế động đất của nhiều trận động đất trong một khu vực có thể giúp xác định hướng của các lực kiến tạo chính. Ví dụ, trong khu vực hút chìm, cơ chế động đất thường là kiểu nghịch, phản ánh ứng suất nén do sự va chạm của các mảng kiến tạo.

Cơ chế động đất phức tạp

Trong thực tế, quá trình phá hủy trong động đất có thể phức tạp hơn so với mô hình lý tưởng được thể hiện bằng biểu đồ quả cầu bãi biển. Một số trận động đất có thể liên quan đến sự trượt trên nhiều đứt gãy hoặc sự lan truyền của vết nứt phức tạp. Trong những trường hợp này, việc xác định cơ chế động đất trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi các phương pháp phân tích phức tạp hơn.

Moment địa chấn (Seismic Moment)

Moment địa chấn ($M_0$) là một đại lượng vật lý đo lường mức độ năng lượng được giải phóng trong một trận động đất. Nó được tính bằng công thức: $M_0 = \mu A D$, trong đó $\mu$ là mô đun cắt của đá, $A$ là diện tích mặt phẳng đứt gãy, và $D$ là độ dịch chuyển trung bình dọc theo đứt gãy. Moment địa chấn có liên hệ chặt chẽ với độ lớn moment (Mw), một thang đo độ lớn động đất được sử dụng rộng rãi hiện nay.

Ứng dụng của cơ chế động đất trong nghiên cứu kiến tạo mảng

Việc nghiên cứu cơ chế động đất đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ về hoạt động của các mảng kiến tạo. Sự phân bố của các kiểu cơ chế động đất khác nhau trên toàn cầu cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho lý thuyết kiến tạo mảng. Ví dụ, các đới hút chìm được đặc trưng bởi động đất nghịch, trong khi các sống núi giữa đại dương được đặc trưng bởi động đất thuận và trượt bằng.

Tóm tắt về Cơ chế động đất

Cơ chế động đất là một công cụ quan trọng để hiểu rõ về bản chất của động đất và kiến tạo mảng. Nó mô tả sự dịch chuyển của các khối đá dọc theo đứt gãy gây ra động đất, được biểu diễn trực quan bằng biểu đồ quả cầu bãi biển và được định lượng bằng các tham số như góc cắm, góc phương vị và góc trượt. Việc phân tích sóng địa chấn ghi nhận tại các trạm địa chấn khác nhau cho phép chúng ta xác định cơ chế động đất.

Cơ chế động đất được phân loại dựa trên kiểu chuyển động dọc theo đứt gãy. Ba kiểu chính bao gồm: trượt bằng (strike-slip) với góc trượt gần $0^\circ$ hoặc $180^\circ$, nghịch (reverse) với góc trượt giữa $45^\circ$ và $135^\circ$, và thuận (normal) với góc trượt giữa $-45^\circ$ và $-135^\circ$. Mỗi kiểu cơ chế động đất phản ánh một kiểu ứng suất kiến tạo khác nhau.

Moment địa chấn ($M_0 = \mu A D$) là một đại lượng quan trọng để đo lường năng lượng được giải phóng trong một trận động đất. Nó có liên hệ chặt chẽ với độ lớn moment (Mw), một thang đo độ lớn động đất phổ biến. Việc nghiên cứu cơ chế động đất và moment địa chấn giúp chúng ta đánh giá mức độ nghiêm trọng của động đất và nguy cơ địa chấn.

Cơ chế động đất có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu kiến tạo mảng. Sự phân bố của các kiểu cơ chế động đất trên toàn cầu cung cấp bằng chứng quan trọng cho lý thuyết kiến tạo mảng và giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các mảng kiến tạo. Việc nghiên cứu cơ chế động đất là cần thiết để xây dựng các mô hình kiến tạo, đánh giá nguy cơ địa chấn và phát triển các biện pháp giảm thiểu thiệt hại do động đất.

Tài liệu tham khảo:

Aki, K., & Richards, P. G. (2002). Quantitative seismology. University Science Books.
Stein, S., & Wysession, M. (2009). An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure. John Wiley & Sons.
Udias, A., Madariaga, R., & Buforn, E. (2014). Source mechanisms of earthquakes: Theory and practice. Cambridge University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa hai mặt phẳng đứt gãy có thể khi xác định cơ chế động đất từ biểu đồ quả cầu bãi biển?

Trả lời: Việc phân biệt hai mặt phẳng đứt gãy có thể dựa trên thông tin địa chất khu vực, như sự tồn tại của các đứt gãy đã biết, hướng của ứng suất kiến tạo khu vực và sự phân bố dư chấn. Ngoài ra, việc phân tích các loại sóng địa chấn khác như sóng S (sóng ngang) và sóng mặt (surface waves) cũng có thể giúp xác định mặt phẳng đứt gãy chính xác hơn.

Ngoài ba kiểu cơ chế động đất chính (trượt bằng, nghịch, thuận), còn có những kiểu cơ chế động đất phức tạp nào khác?

Trả lời: Có những cơ chế động đất phức tạp hơn, ví dụ như cơ chế động đất xiên (oblique), kết hợp cả chuyển động trượt bằng và chuyển động nghịch hoặc thuận. Ngoài ra, một số trận động đất có thể liên quan đến sự trượt trên nhiều đứt gãy hoặc sự lan truyền của vết nứt phức tạp, tạo ra cơ chế động đất khó phân loại rõ ràng.

Ảnh hưởng của độ sâu chấn tiêu đến cơ chế động đất như thế nào?

Trả lời: Độ sâu chấn tiêu có thể ảnh hưởng đến cơ chế động đất do sự thay đổi của các đặc tính vật lý của đá ở các độ sâu khác nhau. Áp suất và nhiệt độ tăng theo độ sâu, ảnh hưởng đến độ bền và kiểu phá hủy của đá. Ví dụ, ở độ sâu lớn hơn, động đất trượt bằng (strike-slip) có thể trở nên phổ biến hơn.

Làm thế nào để sử dụng moment địa chấn $M_0$ để ước tính độ lớn moment (Mw)?

Trả lời: Độ lớn moment (Mw) được tính toán từ moment địa chấn ($M_0$) theo công thức: $Mw = (\frac{2}{3})log{10}(M_0) – 10.7$, trong đó $M_0$ được đo bằng dyne-cm (đơn vị CGS).

Ứng dụng của việc nghiên cứu cơ chế động đất trong việc đánh giá nguy cơ sóng thần là gì?

Trả lời: Việc xác định nhanh chóng cơ chế động đất, đặc biệt là góc cắm và độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của đứt gãy, là rất quan trọng để đánh giá khả năng xảy ra sóng thần. Nếu động đất có chuyển động thẳng đứng lớn dưới đáy biển, khả năng tạo ra sóng thần sẽ cao hơn. Thông tin về cơ chế động đất được sử dụng trong các mô hình dự báo sóng thần để dự đoán chiều cao và thời gian sóng thần đến bờ biển.

Một số điều thú vị về Cơ chế động đất

“Âm thanh” của động đất: Mặc dù chúng ta không thể nghe trực tiếp sóng địa chấn tần số thấp, các nhà khoa học có thể chuyển đổi dữ liệu địa chấn thành âm thanh để “nghe” động đất. Mỗi loại động đất và cơ chế động đất có một “âm thanh” đặc trưng riêng. Việc “nghe” động đất có thể giúp các nhà khoa học phân biệt các loại động đất khác nhau và hiểu rõ hơn về quá trình phá hủy.
Động đất không chỉ xảy ra trên Trái Đất: Các hành tinh khác trong hệ mặt trời, như Sao Hỏa, cũng trải qua các “động đất” (marsquake). Tàu đổ bộ InSight của NASA đã ghi nhận hàng trăm trận động đất trên Sao Hỏa, giúp các nhà khoa học tìm hiểu về cấu trúc bên trong của hành tinh này. Cơ chế của các trận động đất trên Sao Hỏa cũng đang được nghiên cứu.
Động đất có thể tạo ra sóng thần: Động đất nghịch (reverse) và thuận (normal) với sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng lớn dưới đáy biển có khả năng tạo ra sóng thần. Việc xác định nhanh chóng cơ chế động đất là rất quan trọng để đưa ra cảnh báo sóng thần kịp thời.
Biểu đồ quả cầu bãi biển không phải lúc nào cũng rõ ràng: Trong một số trường hợp, dữ liệu sóng P đầu tiên (first motion) không đủ để xác định rõ ràng cơ chế động đất. Điều này có thể xảy ra khi có ít trạm địa chấn ghi nhận được động đất hoặc khi dữ liệu bị nhiễu. Trong những trường hợp này, các nhà khoa học cần sử dụng các phương pháp phân tích phức tạp hơn.
Động đất có thể kích hoạt lẫn nhau: Một trận động đất lớn có thể làm thay đổi ứng suất trong khu vực xung quanh, làm tăng nguy cơ xảy ra động đất tại các đứt gãy gần đó. Hiện tượng này được gọi là kích hoạt động đất. Việc nghiên cứu cơ chế động đất giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa các trận động đất và dự đoán khả năng kích hoạt động đất.
Cơ chế động đất giúp tìm kiếm dầu khí: Trong ngành công nghiệp dầu khí, việc phân tích cơ chế động đất vi mô (microseismicity) được tạo ra trong quá trình khai thác thủy lực (hydraulic fracturing) giúp xác định hướng và phạm vi của các vết nứt trong lòng đất, từ đó tối ưu hóa quá trình khai thác.

Những sự thật thú vị này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu cơ chế động đất không chỉ trong lĩnh vực địa chấn học mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như khoa học hành tinh, dự báo sóng thần và khai thác tài nguyên.