Sóng địa chấn (Seismic Wave)

Các loại sóng địa chấn

Sóng địa chấn được chia thành hai loại chính: sóng thể tích (body waves) và sóng bề mặt (surface waves).

• Sóng thể tích (Body Waves): Lan truyền xuyên qua bên trong Trái Đất. Chúng được chia thành hai loại nhỏ:
  • Sóng P (Primary Waves): Là sóng dọc (longitudinal waves), trong đó các hạt vật chất dao động theo cùng hướng với hướng lan truyền của sóng. Sóng P là sóng địa chấn nhanh nhất, có thể truyền qua cả chất rắn, lỏng và khí. Tốc độ sóng P được tính bằng:
    $v_P = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}$
    với $K$ là mô đun khối, $\mu$ là mô đun cắt, và $\rho$ là mật độ của môi trường.
  • Sóng S (Secondary Waves): Là sóng ngang (transverse waves), trong đó các hạt vật chất dao động vuông góc với hướng lan truyền của sóng. Sóng S chỉ truyền qua chất rắn và chậm hơn sóng P. Tốc độ sóng S được tính bằng:
    $v_S = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$
• Sóng bề mặt (Surface Waves): Lan truyền dọc theo bề mặt Trái Đất. Chúng chậm hơn sóng thể tích nhưng thường gây ra sự phá hủy lớn nhất trong các trận động đất. Có hai loại sóng bề mặt chính:
  • Sóng Rayleigh: Là sóng bề mặt tạo ra chuyển động lăn, tương tự như sóng biển. Các hạt vật chất di chuyển theo quỹ đạo hình elip ngược chiều kim đồng hồ.
  • Sóng Love: Là sóng ngang, các hạt vật chất dao động theo phương ngang và vuông góc với hướng lan truyền của sóng. Sóng Love thường nhanh hơn sóng Rayleigh.

Ứng dụng của sóng địa chấn

• Xác định cấu trúc bên trong Trái Đất: Bằng cách phân tích sự lan truyền và khúc xạ của sóng địa chấn, các nhà khoa học có thể lập bản đồ cấu trúc bên trong Trái Đất, bao gồm các lớp vỏ, lớp phủ và lõi.
• Dự đoán động đất: Mặc dù dự đoán chính xác thời gian và địa điểm của động đất vẫn là một thách thức, nhưng việc theo dõi sóng địa chấn có thể giúp xác định các khu vực có nguy cơ động đất cao.
• Thăm dò dầu khí: Sóng địa chấn nhân tạo được sử dụng để tạo ra hình ảnh của các cấu trúc địa chất dưới lòng đất, giúp xác định vị trí của các mỏ dầu khí.
• Kiểm soát thử nghiệm hạt nhân: Sóng địa chấn được tạo ra bởi các vụ nổ hạt nhân có thể được phát hiện và phân tích để xác định sức mạnh và vị trí của vụ nổ.
• Nghiên cứu núi lửa: Sóng địa chấn có thể giúp theo dõi hoạt động của núi lửa và dự đoán các vụ phun trào.

Sóng địa chấn là một công cụ quan trọng để hiểu về Trái Đất và các quá trình địa chất. Nghiên cứu về sóng địa chấn cung cấp thông tin quý báu về cấu trúc, thành phần và hoạt động của hành tinh chúng ta, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro thiên tai và khám phá tài nguyên thiên nhiên.

Các loại sóng địa chấn và đo lường

Sóng địa chấn được chia thành hai loại chính: sóng thể tích (body waves) và sóng bề mặt (surface waves).

• Sóng thể tích (Body Waves): Lan truyền xuyên qua bên trong Trái Đất. Chúng được chia thành hai loại nhỏ:
  • Sóng P (Primary Waves): Là sóng dọc (longitudinal waves). Sóng P là sóng địa chấn nhanh nhất, có thể truyền qua cả chất rắn, lỏng và khí. Tốc độ sóng P được tính bằng: $v_P = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}$ với $K$ là mô đun khối, $\mu$ là mô đun cắt, và $\rho$ là mật độ của môi trường. Do khả năng truyền qua lõi ngoài (ở trạng thái lỏng), sóng P cung cấp bằng chứng cho trạng thái vật chất của lõi Trái Đất.
  • Sóng S (Secondary Waves): Là sóng ngang (transverse waves). Sóng S chỉ truyền qua chất rắn và chậm hơn sóng P. Tốc độ sóng S được tính bằng: $v_S = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$. Việc sóng S không truyền qua lõi ngoài cũng là bằng chứng cho thấy lõi ngoài ở trạng thái lỏng.
• Sóng bề mặt (Surface Waves): Lan truyền dọc theo bề mặt Trái Đất. Chúng chậm hơn sóng thể tích nhưng thường gây ra sự phá hủy lớn nhất trong các trận động đất. Có hai loại sóng bề mặt chính:
  • Sóng Rayleigh: Là sóng bề mặt tạo ra chuyển động lăn. Các hạt vật chất di chuyển theo quỹ đạo hình elip ngược chiều kim đồng hồ. Sóng Rayleigh gây ra cả chuyển động mặt đất theo phương đứng và phương ngang.
  • Sóng Love: Là sóng ngang. Sóng Love thường nhanh hơn sóng Rayleigh và chỉ gây ra chuyển động mặt đất theo phương ngang.

Đo lường và ghi nhận sóng địa chấn:

Sóng địa chấn được đo bằng địa chấn kế (seismometer). Địa chấn kế ghi lại chuyển động mặt đất do sóng địa chấn gây ra. Dữ liệu này được sử dụng để xác định vị trí, cường độ và cơ chế của động đất, cũng như để nghiên cứu cấu trúc bên trong Trái Đất. Biểu đồ ghi lại sóng địa chấn được gọi là địa chấn đồ (seismogram).

Cường độ và Độ lớn

• Cường độ (Intensity): Đo lường mức độ rung lắc và thiệt hại do động đất gây ra tại một địa điểm cụ thể. Thang đo cường độ phổ biến là thang Mercalli. Thang này dựa trên quan sát thực tế về tác động của động đất lên con người, công trình xây dựng và môi trường xung quanh.
• Độ lớn (Magnitude): Đo lường năng lượng giải phóng bởi động đất tại nguồn. Thang đo độ lớn phổ biến là thang Richter. Thang Richter là một thang logarit, nghĩa là mỗi mức tăng một đơn vị tương ứng với sự gia tăng gấp mười lần về biên độ sóng địa chấn và khoảng 32 lần về năng lượng được giải phóng. Ngày nay, người ta thường sử dụng thang đo độ lớn mô men (moment magnitude scale) vì nó chính xác hơn cho các trận động đất lớn.

• Shearer, P. M. (2009). Introduction to seismology. Cambridge university press.
• Bolt, B. A. (2005). Earthquakes. WH Freeman.
• Stein, S., & Wysession, M. (2009). An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao sóng S không thể truyền qua lõi ngoài của Trái Đất, trong khi sóng P thì có thể?

Trả lời: Sóng S là sóng ngang, nghĩa là chúng cần một môi trường rắn để truyền qua. Lõi ngoài của Trái Đất ở dạng lỏng, do đó sóng S không thể truyền qua được. Ngược lại, sóng P là sóng dọc, có thể truyền qua cả môi trường rắn, lỏng và khí.

Làm thế nào các nhà khoa học sử dụng sóng địa chấn để xác định vị trí của tâm chấn động đất?

Trả lời: Các nhà khoa học sử dụng phương pháp tam giác hóa. Bằng cách đo thời gian đến của sóng P và sóng S tại ít nhất ba trạm địa chấn khác nhau, họ có thể tính toán khoảng cách từ mỗi trạm đến tâm chấn. Vị trí tâm chấn là giao điểm của các đường tròn có bán kính bằng khoảng cách đã tính toán.

Thang đo cường độ Mercalli và thang đo độ lớn Richter khác nhau như thế nào?

Trả lời: Thang đo cường độ Mercalli là thang đo định tính, dựa trên mức độ thiệt hại quan sát được và cảm nhận của con người về rung động. Thang đo độ lớn Richter là thang đo định lượng, dựa trên logarit của biên độ sóng địa chấn được ghi nhận. Độ lớn Richter phản ánh năng lượng được giải phóng bởi động đất, trong khi cường độ Mercalli phản ánh tác động của động đất tại một địa điểm cụ thể.

Ngoài động đất, còn những nguyên nhân nào khác gây ra sóng địa chấn?

Trả lời: Nhiều sự kiện khác cũng có thể tạo ra sóng địa chấn, bao gồm núi lửa phun trào, chuyển động magma, sạt lở đất lớn, va chạm thiên thạch, và các vụ nổ lớn do con người gây ra như thử nghiệm hạt nhân và khai thác mỏ.

Sóng bề mặt nào gây ra rung lắc mặt đất theo chiều ngang lớn nhất và tại sao nó lại nguy hiểm đối với các công trình xây dựng?

Trả lời: Sóng Love gây ra rung lắc mặt đất theo chiều ngang lớn nhất. Điều này đặc biệt nguy hiểm cho các công trình xây dựng vì nó tạo ra lực cắt mạnh, có thể làm hỏng hoặc phá hủy móng và kết cấu của tòa nhà. Sóng Rayleigh cũng gây ra chuyển động ngang, nhưng kết hợp với chuyển động dọc, nên tác động của nó phức tạp hơn.