Động đất (Earthquake)

Nguyên nhân gây ra động đất

Có nhiều nguyên nhân gây ra động đất, nhưng phần lớn động đất mạnh có nguồn gốc từ kiến tạo mảng. Dưới đây là một số nguyên nhân chính:

• Hoạt động kiến tạo mảng: Đại đa số các trận động đất xảy ra tại ranh giới các mảng kiến tạo, nơi các mảng va chạm, tách rời hoặc trượt lên nhau. Sự ma sát giữa các mảng gây ra tích tụ năng lượng, và khi năng lượng này vượt quá giới hạn chịu đựng của đá, nó sẽ được giải phóng đột ngột gây ra động đất. Các dạng tương tác mảng bao gồm mảng hội tụ (va chạm), mảng phân kỳ (tách rời), và mảng chuyển dạng (trượt ngang).
• Hoạt động núi lửa: Động đất có thể xảy ra trước, trong và sau khi núi lửa phun trào. Sự di chuyển của magma bên trong núi lửa có thể gây ra rung chấn. Áp suất của magma dâng lên có thể làm nứt vỡ các lớp đá xung quanh, gây ra động đất. Những trận động đất này thường có cường độ nhỏ hơn so với động đất do kiến tạo mảng, nhưng vẫn có thể gây thiệt hại đáng kể cho các khu vực xung quanh núi lửa.
• Các hoạt động của con người: Một số hoạt động của con người như khai thác mỏ, xây dựng đập thủy điện lớn, bơm nước thải xuống lòng đất cũng có thể gây ra động đất kích thích, tuy nhiên cường độ thường nhỏ hơn so với động đất do kiến tạo mảng. Việc thay đổi áp suất nước trong lòng đất do các hoạt động này có thể làm mất ổn định các đứt gãy địa chất, dẫn đến động đất.
• Sạt lở đất: Sạt lở đất, đặc biệt là các vụ sạt lở lớn dưới biển, có thể tạo ra sóng địa chấn và gây ra động đất. Sự dịch chuyển đột ngột của một khối lượng đất đá lớn có thể tạo ra rung chấn lan truyền trong khu vực xung quanh. Tuy nhiên, động đất do sạt lở đất thường có quy mô nhỏ và cục bộ.

Các khái niệm liên quan

Dưới đây là một số khái niệm quan trọng liên quan đến động đất:

• Tâm chấn (Hypocenter/Focus): Điểm bên trong Trái Đất nơi năng lượng được giải phóng, khởi nguồn của sóng địa chấn.
• Chấn tâm (Epicenter): Điểm trên bề mặt Trái Đất nằm ngay phía trên tâm chấn. Đây thường là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh nhất của động đất.
• Sóng địa chấn (Seismic waves): Sóng năng lượng lan truyền từ tâm chấn ra xung quanh. Có nhiều loại sóng địa chấn khác nhau, bao gồm sóng P (sóng dọc, lan truyền nhanh nhất), sóng S (sóng ngang, chỉ lan truyền trong chất rắn), sóng Love và sóng Rayleigh (lan truyền trên bề mặt).
• Cường độ động đất: Đo lường mức độ rung lắc và thiệt hại do động đất gây ra tại một địa điểm cụ thể. Thường được đo bằng thang Mercalli hoặc thang MSK-64.
• Độ lớn động đất (Magnitude): Đo lường năng lượng được giải phóng từ tâm chấn. Thường được đo bằng thang Richter hoặc thang mô men ($M_w$). Thang mô men được sử dụng rộng rãi hơn do tính chính xác cao hơn, đặc biệt là với các trận động đất lớn. Công thức tính độ lớn theo thang Richter (dạng đơn giản hóa) là:

$ML = \log{10}(A) – \log_{10}(A_0)$

Trong đó:

• $M_L$ là độ lớn địa phương (local magnitude).
• $A$ là biên độ tối đa của sóng địa chấn được ghi nhận trên địa chấn kế.
• $A_0$ là biên độ chuẩn.

Hậu quả của động đất

Động đất có thể gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng, bao gồm:

• Sập nhà cửa, công trình: Đây là một trong những hậu quả trực tiếp và nguy hiểm nhất của động đất.
• Sóng thần (Tsunami): Động đất dưới biển có thể gây ra sóng thần, tàn phá các khu vực ven biển.
• Hỏa hoạn: Động đất có thể làm đứt đường dây điện, gây ra cháy nổ.
• Sạt lở đất: Động đất có thể làm mất ổn định đất đá, gây ra sạt lở đất.
• Thiệt hại về người và tài sản: Động đất có thể gây ra thương vong lớn và thiệt hại nặng nề về kinh tế.

Phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại do động đất

• Xây dựng nhà cửa, công trình kiên cố, chịu được động đất: Áp dụng các tiêu chuẩn xây dựng chống động đất.
• Lập kế hoạch ứng phó động đất: Chuẩn bị sẵn sàng các vật dụng cần thiết trong trường hợp khẩn cấp.
• Giáo dục cộng đồng về kiến thức phòng tránh động đất: Tổ chức các buổi diễn tập ứng phó động đất.
• Nghiên cứu và dự báo động đất: Cải thiện khả năng dự báo động đất để có biện pháp phòng tránh kịp thời. Tuy nhiên, việc dự báo chính xác thời gian, địa điểm và cường độ của động đất vẫn là một thách thức lớn.

Các loại sóng địa chấn

Chi tiết hơn về các loại sóng địa chấn đã được đề cập:

• Sóng P (Primary waves/ sóng dọc): Lan truyền nhanh nhất, là sóng dọc, làm cho các hạt đất đá dao động dọc theo phương truyền sóng, có thể truyền qua cả chất rắn, lỏng và khí. Sóng P là sóng đầu tiên được ghi nhận bởi địa chấn kế khi có động đất.
• Sóng S (Secondary waves/ sóng ngang): Lan truyền chậm hơn sóng P, là sóng ngang, làm cho các hạt đất đá dao động vuông góc với phương truyền sóng, chỉ truyền qua chất rắn.
• Sóng mặt (Surface waves): Lan truyền chậm nhất, chỉ lan truyền trên bề mặt Trái Đất. Có hai loại sóng mặt chính:
  • Sóng Love: Làm cho đất đá dao động ngang, vuông góc với phương truyền sóng, tương tự sóng S nhưng chỉ trên bề mặt. Sóng Love gây ra sự rung lắc mạnh theo phương ngang, gây thiệt hại lớn cho các công trình.
  • Sóng Rayleigh: Làm cho đất đá chuyển động theo quỹ đạo elip ngược chiều kim đồng hồ. Sóng Rayleigh gây ra cả rung lắc ngang và dọc, tạo ra chuyển động “lăn” trên bề mặt đất.

Đo lường động đất

Mở rộng phần đo lường động đất:

• Thang cường độ Mercalli (Modified Mercalli Intensity Scale – MMI): Đánh giá cường độ động đất dựa trên mức độ rung lắc và thiệt hại quan sát được. Thang này có 12 cấp, từ I (không cảm nhận được) đến XII (tàn phá hoàn toàn). Thang MMI mang tính chủ quan hơn vì dựa trên quan sát và trải nghiệm.
• Thang MSK-64 (Medvedev-Sponheuer-Karnik): Tương tự thang Mercalli, cũng dựa trên mức độ rung lắc và thiệt hại, nhưng có sự phân loại chi tiết hơn.
• Thang độ lớn mô men ($M_w$): Được sử dụng rộng rãi hiện nay, đo lường năng lượng được giải phóng từ tâm chấn dựa trên mô men địa chấn. Mô men địa chấn được tính bằng công thức:

$M_0 = \mu A D$

Trong đó:

• $M_0$ là mô men địa chấn.
• $\mu$ là mô đun cắt của đá.
• $A$ là diện tích bề mặt đứt gãy.
• $D$ là độ dịch chuyển trung bình dọc theo đứt gãy.

Độ lớn mô men ($M_w$) được tính toán từ mô men địa chấn ($M_0$) theo công thức phức tạp hơn và có thể so sánh được giữa các trận động đất khác nhau về mặt năng lượng giải phóng.

Dự báo động đất

Việc dự báo chính xác thời gian, địa điểm và cường độ của động đất vẫn là một thách thức lớn. Các nhà khoa học đang nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm:

• Theo dõi hoạt động địa chấn: Phân tích các dữ liệu địa chấn để tìm ra các dấu hiệu tiền thân của động đất.
• Đo biến dạng của vỏ Trái Đất: Sử dụng GPS và các công nghệ khác để đo sự biến dạng của vỏ Trái Đất, từ đó dự đoán khả năng xảy ra động đất.
• Nghiên cứu các hiện tượng điện từ: Một số nghiên cứu cho thấy có sự thay đổi về điện từ trường Trái Đất trước khi xảy ra động đất.
• Quan sát hành vi của động vật: Một số loài động vật được cho là có khả năng cảm nhận được các dấu hiệu tiền thân của động đất. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được khoa học chứng minh rõ ràng.

Vành đai lửa Thái Bình Dương

Vành đai lửa Thái Bình Dương là khu vực có hoạt động địa chấn và núi lửa mạnh nhất trên thế giới, nơi tập trung phần lớn các trận động đất lớn. Đây là khu vực ranh giới của nhiều mảng kiến tạo, nơi diễn ra hoạt động kiến tạo mạnh mẽ.

• Bolt, B. A. (2003). Earthquakes. W. H. Freeman.
• Stein, S., & Wysession, M. (2009). An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure. John Wiley & Sons.
• U.S. Geological Survey (USGS) website: earthquake.usgs.gov

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài các nguyên nhân chính đã nêu, còn yếu tố nào khác có thể gây ra động đất?

Trả lời: Mặc dù hiếm gặp hơn, nhưng các vụ nổ hạt nhân lớn, va chạm thiên thạch, và thậm chí cả việc rút nước ngầm quá mức cũng có thể gây ra động đất nhỏ. Những yếu tố này làm thay đổi ứng suất trong lòng đất, dẫn đến sự dịch chuyển đột ngột của các khối đá.

Làm thế nào để phân biệt giữa sóng P, sóng S và sóng mặt khi động đất xảy ra?

Trả lời: Nếu bạn ở gần tâm chấn, bạn sẽ cảm nhận sóng P đầu tiên. Đây là sóng dọc, tạo ra cảm giác rung chuyển lên xuống hoặc đẩy kéo. Tiếp theo là sóng S, là sóng ngang, gây ra chuyển động rung lắc từ bên này sang bên kia. Cuối cùng là sóng mặt, đến chậm nhất và thường gây ra chuyển động lắc lư mạnh mẽ nhất, gây thiệt hại lớn nhất.

Thang đo độ lớn mô men ($M_w$) được tính toán như thế nào và tại sao nó được ưa chuộng hơn thang Richter?

Trả lời: Thang $M_w$ được tính dựa trên mô men địa chấn ($M_0$), được xác định bằng công thức $M_0 = \mu A D$, trong đó $\mu$ là mô đun cắt của đá, $A$ là diện tích bề mặt đứt gãy, và $D$ là độ dịch chuyển trung bình dọc theo đứt gãy. $M_w$ sau đó được tính từ $M_0$ bằng một công thức phức tạp hơn. Thang $M_w$ được ưa chuộng hơn thang Richter vì nó đo lường chính xác hơn năng lượng được giải phóng trong các trận động đất lớn, trong khi thang Richter bị bão hòa ở các mức độ lớn.

Ngoài việc xây dựng nhà cửa kiên cố, còn những biện pháp nào khác để giảm thiểu thiệt hại do động đất?

Trả lời: Một số biện pháp khác bao gồm: lập kế hoạch sơ tán, chuẩn bị bộ dụng cụ khẩn cấp (bao gồm nước uống, thực phẩm, thuốc men, đèn pin, radio), cố định đồ đạc trong nhà để tránh bị đổ vỡ, tham gia các khóa huấn luyện về an toàn động đất, và thường xuyên kiểm tra và bảo trì hệ thống điện, nước, gas để tránh rò rỉ và cháy nổ sau động đất.

Nghiên cứu về dự báo động đất đang tiến triển như thế nào và những thách thức hiện nay là gì?

Trả lời: Các nhà khoa học đang nghiên cứu nhiều phương pháp dự báo động đất, bao gồm phân tích dữ liệu địa chấn, đo biến dạng vỏ Trái Đất, theo dõi thay đổi mực nước ngầm, và nghiên cứu hiện tượng điện từ. Tuy nhiên, việc dự báo chính xác thời gian, địa điểm và cường độ của động đất vẫn là một thách thức lớn do sự phức tạp của quá trình địa chất và thiếu hụt dữ liệu. Một thách thức khác là phân biệt giữa các tín hiệu tiền thân thực sự của động đất và các biến động ngẫu nhiên trong môi trường.