Động đất kích thích (Induced seismicity)

Các nguyên nhân gây ra động đất kích thích

Một số hoạt động của con người được biết đến là nguyên nhân gây ra động đất kích thích bao gồm:

• Khai thác nước ngầm: Việc rút nước ngầm quy mô lớn làm giảm áp lực nước lỗ rỗng trong đất đá, làm tăng ứng suất hiệu dụng lên các đứt gãy và có thể kích hoạt động đất.
• Khai thác dầu khí: Tương tự như khai thác nước ngầm, việc khai thác dầu khí cũng làm giảm áp lực trong các vỉa chứa, tạo ra sự mất ổn định địa chất. Bên cạnh đó, việc bơm nước thải trở lại vào các giếng dầu khí cũng có thể làm tăng áp lực trong lòng đất và gây ra động đất.
• Thủy điện: Việc xây dựng các đập thủy điện lớn và tích nước trong các hồ chứa tạo ra áp lực lớn lên nền móng và các đứt gãy xung quanh, làm tăng nguy cơ động đất. Áp lực nước $P$ được tính bằng công thức $P = \rho g h$, với $\rho$ là khối lượng riêng của nước, $g$ là gia tốc trọng trường và $h$ là chiều cao cột nước. Sự thay đổi áp lực này có thể kích hoạt các đứt gãy.
• Khai thác địa nhiệt: Quá trình khai thác năng lượng địa nhiệt liên quan đến việc bơm nước lạnh xuống các tầng đá nóng và hút nước nóng lên bề mặt. Quá trình này cũng có thể gây ra sự thay đổi ứng suất trong lòng đất và kích hoạt động đất.
• Fracking (khai thác dầu khí bằng phương pháp bẻ gãy thủy lực): Phương pháp này sử dụng áp lực cao để bơm chất lỏng vào các tầng đá phiến sét để giải phóng dầu khí. Quá trình này có thể kích hoạt các đứt gãy gần đó và gây ra động đất. Việc bơm nước thải trở lại giếng sau quá trình fracking cũng là một yếu tố quan trọng góp phần gây ra động đất kích thích.
• Xây dựng các công trình ngầm lớn: Việc xây dựng các đường hầm, hầm mỏ, hoặc các công trình ngầm khác cũng có thể làm thay đổi ứng suất trong lòng đất và gây ra động đất.

Tác động của động đất kích thích

Động đất kích thích, tùy thuộc vào cường độ, có thể gây ra các tác động từ nhỏ đến lớn, bao gồm:

• Thiệt hại về tài sản: Nhà cửa, cầu đường, và các công trình hạ tầng khác có thể bị hư hại.
• Thương vong: Trong một số trường hợp, động đất kích thích có thể gây ra thương vong.
• Ô nhiễm môi trường: Động đất có thể làm hư hại các đường ống dẫn dầu khí, gây ra ô nhiễm đất và nước.
• Lo lắng và bất ổn xã hội: Sự xuất hiện của động đất kích thích thường gây ra lo lắng và bất ổn trong cộng đồng dân cư.

Giảm thiểu rủi ro động đất kích thích

Việc giảm thiểu rủi ro động đất kích thích đòi hỏi sự kết hợp của nhiều biện pháp, bao gồm:

• Nghiên cứu và giám sát: Cần tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng về địa chất và các đứt gãy trong khu vực trước khi triển khai các hoạt động có nguy cơ gây ra động đất. Việc giám sát chặt chẽ hoạt động địa chấn cũng rất quan trọng.
• Quản lý và điều tiết: Cần có các quy định và chính sách chặt chẽ để quản lý các hoạt động có nguy cơ gây ra động đất kích thích.
• Công nghệ giảm thiểu: Áp dụng các công nghệ tiên tiến để giảm thiểu tác động của các hoạt động gây ra động đất, ví dụ như kiểm soát áp lực trong các giếng bơm.
• Thông tin và giáo dục cộng đồng: Nâng cao nhận thức của cộng đồng về động đất kích thích và các biện pháp phòng tránh.

Tóm lại, động đất kích thích là một vấn đề phức tạp với nhiều nguyên nhân và tác động khác nhau. Việc hiểu rõ về hiện tượng này và áp dụng các biện pháp phòng ngừa thích hợp là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho con người và môi trường.

Cơ chế gây ra động đất kích thích

Mặc dù các hoạt động khác nhau có thể gây ra động đất kích thích, cơ chế cơ bản thường liên quan đến việc thay đổi ứng suất trên các đứt gãy hiện có. Ứng suất trên một đứt gãy có thể được mô tả bằng $\tau = \sigma_n \tan(\phi) + c$, với $\tau$ là ứng suất cắt, $\sigma_n$ là ứng suất pháp tuyến, $\phi$ là góc ma sát nội và $c$ là lực dính. Hoạt động của con người có thể làm thay đổi $\sigma_n$ hoặc áp lực nước lỗ rỗng, từ đó làm thay đổi $\tau$ và có thể vượt quá cường độ của đứt gãy, gây ra trượt và động đất. Cụ thể hơn:

• Thay đổi ứng suất: Việc bơm nước vào hoặc rút nước ra khỏi lòng đất có thể làm thay đổi trực tiếp ứng suất tác động lên đứt gãy. Ví dụ, việc bơm nước thải vào các giếng sâu có thể làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hiệu dụng ($\sigma_n’ = \sigma_n – P$) và làm cho đứt gãy dễ bị trượt hơn.
• Thay đổi áp lực nước lỗ rỗng: Áp lực nước lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ bền của đứt gãy. Việc giảm áp lực nước lỗ rỗng do khai thác nước ngầm có thể làm tăng ứng suất hiệu dụng và kích hoạt động đất.
• Tái kích hoạt đứt gãy: Hầu hết các động đất kích thích xảy ra trên các đứt gãy đã tồn tại từ trước. Hoạt động của con người chỉ đóng vai trò là tác nhân kích hoạt, làm cho các đứt gãy này bị trượt.

Dự đoán và giám sát động đất kích thích

Việc dự đoán động đất kích thích là một thách thức lớn. Tuy nhiên, một số phương pháp đang được nghiên cứu và phát triển, bao gồm:

• Mô hình hóa số: Sử dụng các mô hình máy tính để mô phỏng ứng suất và biến dạng trong lòng đất và dự đoán khả năng xảy ra động đất.
• Giám sát địa chấn: Theo dõi hoạt động địa chấn trong khu vực để phát hiện các dấu hiệu sớm của động đất kích thích. Việc này bao gồm việc triển khai mạng lưới các trạm địa chấn để ghi nhận và phân tích các rung động nhỏ.
• Đo lượng biến dạng đất: Sử dụng các thiết bị đo đạc như GPS và thiết bị đo biến dạng để theo dõi sự biến dạng của đất, từ đó có thể suy ra sự thay đổi ứng suất trong lòng đất. Các phương pháp đo biến dạng InSAR cũng đang được sử dụng rộng rãi.
• Phân tích dữ liệu lịch sử: Nghiên cứu dữ liệu về động đất trong quá khứ để xác định các khu vực có nguy cơ cao xảy ra động đất kích thích và tìm hiểu mối liên hệ giữa các hoạt động của con người và sự xuất hiện của động đất.

Quản lý rủi ro động đất kích thích

Việc quản lý rủi ro động đất kích thích đòi hỏi một cách tiếp cận đa ngành, bao gồm:

• Đánh giá rủi ro: Xác định các khu vực có nguy cơ cao xảy ra động đất kích thích và đánh giá mức độ rủi ro dựa trên các yếu tố như cường độ động đất tiềm năng, mật độ dân số, và các yếu tố dễ bị tổn thương khác.
• Lập kế hoạch ứng phó: Xây dựng các kế hoạch ứng phó khẩn cấp trong trường hợp xảy ra động đất, bao gồm các quy trình sơ tán, cứu hộ, và hỗ trợ y tế.
• Giáo dục cộng đồng: Nâng cao nhận thức của cộng đồng về động đất kích thích, các biện pháp phòng tránh, và các hành động cần thực hiện trong trường hợp xảy ra động đất.
• Hợp tác quốc tế: Chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm về động đất kích thích giữa các quốc gia, đặc biệt là trong việc phát triển các phương pháp giám sát và quản lý rủi ro hiệu quả.

• National Research Council (U.S.). Committee on Induced Seismicity. (2013). Induced seismicity potential in energy technologies. National Academies Press.
• Ellsworth, W. L. (2013). Injection-induced earthquakes. Science, 341(6142), 1225942.
• Foulger, G. R., Wilson, M. P., Gluyas, J. G., Julian, B. R., & Davies, R. J. (2018). Global review of human-induced earthquakes. Earth-Science Reviews, 178, 407-514.
• McGarr, A. (2014). Maximum magnitude earthquakes induced by fluid injection. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(3), 1724-1736.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt được động đất kích thích và động đất tự nhiên?

Trả lời: Phân biệt động đất kích thích và động đất tự nhiên là một thách thức lớn. Không có một tiêu chí duy nhất nào để phân biệt tuyệt đối hai loại động đất này. Tuy nhiên, các nhà khoa học thường dựa vào một số yếu tố để đánh giá, bao gồm: vị trí địa lý (động đất xảy ra gần khu vực hoạt động của con người), thời gian (động đất xảy ra sau khi bắt đầu hoạt động của con người), địa chất (sự hiện diện của các đứt gãy đã tồn tại từ trước), và mô hình địa chấn (đặc điểm của các sóng địa chấn). Phân tích thống kê về tần suất và cường độ động đất trong khu vực cũng được sử dụng để đánh giá khả năng động đất là do hoạt động của con người gây ra.

Ngoài các hoạt động được đề cập, còn hoạt động nào khác của con người có thể gây ra động đất kích thích?

Trả lời: Bên cạnh các hoạt động đã nêu, một số hoạt động khác cũng có thể gây ra động đất kích thích, bao gồm: khai thác khoáng sản, đặc biệt là khai thác than ngầm; xây dựng các công trình lớn, như các tòa nhà chọc trời và cầu lớn; thử nghiệm hạt nhân ngầm; và chôn lấp chất thải. Mặc dù những hoạt động này ít phổ biến hơn so với khai thác dầu khí và khai thác nước ngầm, nhưng chúng vẫn có tiềm năng gây ra động đất.

Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro động đất kích thích trong khai thác địa nhiệt?

Trả lời: Giảm thiểu rủi ro động đất kích thích trong khai thác địa nhiệt có thể đạt được bằng cách: chọn vị trí cẩn thận, tránh các khu vực có đứt gãy hoạt động; giám sát chặt chẽ hoạt động địa chấn trong quá trình khai thác; kiểm soát tốc độ và áp suất bơm và hút nước; phát triển các kỹ thuật khai thác tiên tiến, chẳng hạn như hệ thống khép kín để giảm thiểu tác động đến áp lực nước lỗ rỗng; và thực hiện các nghiên cứu địa chất chi tiết trước khi bắt đầu dự án.

Mô hình toán học nào được sử dụng để dự đoán động đất kích thích?

Trả lời: Các mô hình toán học được sử dụng để dự đoán động đất kích thích thường dựa trên cơ học đá và thủy văn. Chúng bao gồm các mô hình mô phỏng dòng chảy ngầm, tính toán ứng suất và biến dạng trong lòng đất, và mô phỏng sự lan truyền của sóng địa chấn. Các mô hình này thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn để giải các phương trình vi phân điều khiển. Một ví dụ đơn giản là sử dụng định luật Coulomb $τ = σ_n’ tan(φ) + c$ để đánh giá độ bền của đứt gãy, với $σ_n’$ là ứng suất pháp tuyến hiệu dụng.

Vai trò của cộng đồng trong việc giảm thiểu rủi ro động đất kích thích là gì?

Trả lời: Cộng đồng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro động đất kích thích bằng cách: tham gia vào quá trình đánh giá rủi ro và lập kế hoạch ứng phó, nắm bắt thông tin về động đất kích thích và các biện pháp phòng tránh, báo cáo các hiện tượng bất thường, hỗ trợ các nỗ lực nghiên cứu và giám sát, và đề xuất các chính sách và quy định phù hợp. Sự tham gia tích cực của cộng đồng là yếu tố quan trọng để xây dựng một xã hội an toàn và bền vững trước nguy cơ động đất kích thích.