Khám phá hiểm họa thiên nhiên - Động đất

Mặc dù động đất đã xảy ra từ thời cổ đại, nhưng mãi đến khoảng 100 năm trở lại đây, các nhà khoa học mới bắt đầu nghiên cứu về chúng, nguyên nhân hình thành, và thiết kế các công cụ có thể đo được cường độ của trận động đất...

Bạn đang ngồi đọc bài báo này, trên chiếc ghế của mình. Mọi thứ rất yên tĩnh, có vẻ là bạn đang ở trên một mặt đất hoàn toàn “yên lặng”. Nhưng thực tế thì không phải như vậy. Mặt đất dưới chân bạn, tức là bề mặt Trái đất, được cấu tạo nên bởi những mảng khổng lồ, chúng luôn luôn di chuyển một cách rất chậm chạp. Mỗi khi những mảnh này va vào nhau, chúng sẽ giải phóng ra một lượng năng lượng dưới dạng chấn động, hay còn gọi là động đất. Những trận động đất nhỏ vẫn luôn xảy ra hàng ngày: cường độ của chúng nhỏ đến mức chúng ta không có bất kì cảm nhận nào về chúng. Nhưng thỉnh thoảng, xuất hiện những trận động đất lớn hơn, luồng năng lượng – hay sóng địa chấn – lan tỏa có khả năng phá hủy mọi thứ trên bề mặt và làm bị thương hàng ngàn người.

Vào ngày 11.03.2011, ở Nhật Bản, một trận động đất ước tính 9,0 độ richter đã xảy ra cách thành phố Sendai khoảng 130km về phía đông. Được đánh giá là một trong 5 trận động đất mạnh nhất trong lịch sử, nó tạo ra một cơn sóng thần cuốn trôi làng mạc, phá hủy nhà cửa và làm chết đuối rất nhiều người sống ở quanh đó. Sức phá hủy của trận động đất cùng cơn sóng thần lớn gấp 6 lần so với thảm họa nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Kết quả, trận động đất này đã cướp đi sinh mạng của 20.896 người, theo Trung tâm thăm dò địa chất Hoa Kỳ (U.S. Geological Survey – USGS).

Mặc dù động đất đã xảy ra từ thời cổ đại, nhưng mãi đến khoảng 100 năm trở lại đây, các nhà khoa học mới bắt đầu nghiên cứu về chúng, nguyên nhân hình thành, và thiết kế các công cụ có thể đo được cường độ của trận động đất. Thêm nữa, các kĩ sư và kiến trúc sư cũng đã bắt tay vào thiết kế các tòa nhà vững chãi hơn, có khả năng chịu đựng chấn động tốt hơn. Trong tương lai không xa, người ta hy vọng sẽ tìm được cách dự báo trước các trận động đất, thậm chí tìm cách kiểm soát chúng, không để gây ra thiệt hại về người và của.

Sự thật về động đất

Về cơ bản, động đất là những rung động ở lớp vỏ Trái đất. Nguyên nhân gây ra động đất rất nhiều, có thể là do thiên thạch rơi xuống, núi lửa phun, thậm chí là do con người, ví dụ như sập hầm mỏ hoặc thử vũ khí hạt nhân dưới lòng đất... Nhưng nếu tính đến những trận động đất do tự nhiên, thì phần lớn gây ra bởi sự di chuyển của các mảng tạo nên lớp vỏ Trái đất, hay còn gọi là các mảng lục địa, mảng kiến tạo.

USGS ước tính rằng, mỗi năm, có khoảng 1.3 triệu chấn động xảy ra với cường độ trên 2.0 – đây là ngưỡng mà con người có thể cảm nhận được sự rung động. Phần lớn trong số đó có cường độ rất thấp, và/hoặc xảy ra ở khu vực xa khu dân cư, nên chúng ta khó có thể nhận thấy được. Những trận động đất khiến chúng ta chú ý, thường là những trận động đất lớn, ảnh hưởng đến một vùng rộng. Chỉ tính riêng trong thập kỉ vừa qua, động đất cùng với những thảm họa kéo theo nó – sóng thần, tuyết lở và đất lở đã giết chết 688.000 mạng người trên toàn thế giới.

Có thể nói, trận động đất kinh hoàng nhất trong lịch sử, là trận động đất mạnh 8.0 độ xảy ra ở tỉnh Shanxi của Trung Quốc vào năm 1556. Dựa vào những con số thống kê được ghi lại, toàn bộ thành phố, nhà cửa, những bức tường, chùa chiền, các tòa nhà chính phủ,... tất cả đều trở thành đống đổ nát. Hơn 830.000 người đã chết trong trận động đất ấy. Nhà học giả Qin Keda – một trong những người sống sót – đã đưa ra lời khuyên, có lẽ là lời khuyên đầu tiên trong lịch sử để chống chọi với động đất: “Khi trận động đất bắt đầu, mọi người không nên ra ngoài – hãy ở yên trong nhà, cúi thấp xuống và cầu mong mình may mắn. Cho dù chiếc tổ có bị sụp đổ, thì một vài quả trứng vẫn có cơ may sống sót.”

Mảng kiến tạo

Trận động đất đầu tiên trong lịch sử được ghi lại là trận động đất ở Trung Quốc năm 1177 trước Công nguyên. Nhưng suốt chiều dài lịch sử, mọi người đều không hiểu rõ về cơ chế gây ra động đất. Phải đến giữa những năm đầu của thế kỉ 19, các nhà khoa học mới bắt đầu nghiên cứu và đo đạc hoạt động của động đất, sử dụng một thiết bị được phát triển ở Italia có tên gọi là seismograph – máy địa chấn. Và cuối cùng, đến giữa những năm 1960, các nhà nghiên cứu của Mỹ và Anh đã công bố một giả thiết để giải thích về động đất.

Lý thuyết này có tên gọi là mảng kiến tạo, chỉ ra rằng lớp vỏ Trái đất được tạo nên bởi rất nhiều mảng trôi trên một lớp “trơn” bên dưới có tên là quyển mềm – asthenosphere . Ở nơi ranh giới của hai mảng kiến tạo, khi chúng di chuyển ra xa nhau, dung nham dưới lòng đất sẽ phun trào lên, nguội đi và trở thành một phần của vỏ Trái đất. Nơi diễn ra hiện tượng này được gọi là divergent plate boundary – ranh giới mảng phân kì.

Các mảng kiến tạo cũng có thể di chuyển gần vào nhau và va chạm với nhau. Có thể, một mảng sẽ bị nhấn chìm xuống phía dưới lớp dung nham và nóng chảy một phần. Cũng có thể, hai cạnh của hai mảng kiến tạo va vào nhau làm đất đá chồi lên trên, tạo thành các dãy núi. Khu vực này có tên gọi là convergent plate boundary – ranh giới mảng hội tụ.

Nhưng có những lúc, những mảng này trượt qua nhau một cách vô cùng chậm chạp, năng lượng được tích lũy lại, khu vực có tên gọi là transform boundary – ranh giới mảng chuyển dạng. Fault line – đường nứt gãy, nơi các mảng kiến tạo di chuyển ngược chiều nhau – được hình thành. Và rồi, động đất sẽ xảy ra dọc theo khu vực transform boundary fault line này.

Có vẻ hơi phức tạp, hãy tham khảo tấm hình sau để hiểu rõ hơn về sự hoạt động của các mảng kiến tạo.

Có ba loại dạng của đường nứt gãy, tương ứng với các kiểu di chuyển của các mảng kiến tạo.

- Normal fault: xảy ra tại nơi hai mảng kiến tạo di chuyển ra xa nhau, tức là ở vùng divergent plate boundary. Hai mảng không tách ra xa nhau hoàn toàn, ngược lại, với mặt phẳng tiếp xúc hơi chéo một chút, sẽ có một mảng bị trượt thấp xuống, đè vào mặt phẳng tiếp xúc của mảng kia. Mảng thấp xuống được gọi là footwall, còn mảng ở cao hơn gọi là hanging wall.

- Reverse fault: xảy ra tại nơi hai mảng kiến tạo di chuyển lại gần nhau, tức là ở vùng convergent plate boundary. Vùng tiếp giáp giữa hai mảng này bị nén ép rất mạnh. Mặt phẳng tiếp xúc cũng hơi chéo một chút, mảng ở cao hơn sẽ trượt trên mặt phẳng thấp hơn. Và khi hai mảng va vào nhau với góc nhỏ hơn 45 độ, lúc ấy sẽ là thrust fault.

- Strike-slip fault: xảy ra tại nơi hai mảng kiến tạo trượt qua nhau, tức là ở vùng transform plate boundary. Các mảng kiến tạo di chuyển trên mặt phẳng ngang nhưng theo hai hướng ngược nhau. Đường đứt gãy San Andreas ở California là một ví dụ về dạng đường đứt gãy này.

Dù với bất kì loại đường đứt gãy nào, đất đá cũng sẽ tác động với nhau, đè nén nhau. Theo lực tác động đó, chúng sẽ di chuyển, cho đến một mức độ nào đó, chúng không thể di chuyển được nữa, và bị “khoá” lại. Trong khi đó, các mảng vẫn tiếp tục di chuyển, áp lực dồn nén và tăng dần. Và khi đến giới hạn, đất đá bắt đầu chuyển động, tạo nên rung động – sóng địa chấn.

Rõ ràng có thể thấy được, những khu vực đường gãy nứt này chính là nguồn sinh ra động đất. Phần lớn động đất đều xuất hiện tại những khu vực này, vì đây là nơi chịu tác động lớn nhất của việc các mảng kiến tạo di chuyển. Hơn nữa, tại một khu vực quanh đường gãy nứt, sự giải phóng động năng tại nơi này có thể làm tăng thêm áp lực cho các đường gãy nứt gần đó, tạo nên các trận động đất khác. Chính vì vậy, có thể xuất hiện rất nhiều trận động đất tại một khu vực lớn trong một khoảng thời gian ngắn.

Chấn động với cường độ lớn nhất được gọi là mainshock, những chấn động khác xảy ra trước chấn động này được gọi là foreshock, và các chấn động xảy ra sau được gọi là aftershock. Phần lớn các aftershock xảy ra sau mainshock trong khoảng 24 giờ. Động đất với cường độ càng lớn, thì càng có nhiều aftershock với cường độ cũng lớn hơn.

Sóng địa chấn

Khi bạn ném một viên đá xuống nước, bạn sẽ thấy xuất hiện những gợn sóng là các đường tròn đồng tâm di chuyển ra xa. Nặng lượng của động đất cũng hệt như vậy. Khi các mảng kiến tạo va vào nhau, sẽ sinh ra sóng địa chấn.

Có rất nhiều loại sóng địa chấn. Sóng khối - body waves – là sóng di chuyển vào trong lòng Trái đất. Có hai loại body waves:

- Sóng chính (primary waves – P waves) là những sóng di chuyển nhanh nhất, có vận tốc từ 1 đến 5 dặm trong 1 giây (1.6 đến 8 km/s). Sóng này có thể vượt qua được các chất rắn, lỏng và khí rất dễ dàng. Khi đi qua các viên đá, nó làm các viên đá chuyển động tại chỗ: đi theo hướng đi của sóng và sau đó quay ngược lại, với biên độ nhỏ.

- Sóng phụ (secondary waves – S waves) là những sóng có vận tốc chậm hơn, và chỉ có thể truyền đi trong chất rắn. Nó có khả năng di chuyển các viên đá đi theo hướng vuông góc với đường đi của sóng. Không như sóng P, sóng S không đi khắp Trái đất, vì chúng chỉ có thể đi qua chất rắn, nên nó sẽ dừng lại ở lớp chất lỏng tại tâm Trái đất.

Không như các body waves, các sóng bề mặt (surface waves, hay còn gọi là sóng dài – long waves, L waves) đi khắp bề mặt Trái đất. Nó là nguyên nhân chính gây nên sức công phá hủy diệt của động đất. Nó đi khắp bề mặt Trái đất, tác động lên nền móng của các tòa nhà, từ đó tác động lên các vật dụng khác. Sóng bề mặt có tốc độ chậm hơn, vậy nên, những chấn động mạnh nhất của trận động đất thường sẽ đến sau cùng.

Địa chấn học

Qua phần trước bạn đã biết được về các loại sóng địa chấn, về tốc độ khác nhau của chúng. Trong khi vận tốc thực sự của sóng P và sóng S trong mỗi trận động đất phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu mà chúng truyền qua, thì tỉ lệ giữa vận tốc hai sóng này thì thường là một hằng số: sóng P thường đi nhanh hơn 1,7 lần so với sóng S.

Sử dụng tỉ số này, các nhà khoa học có thể tính toán khoảng cách từ bất kì điểm nào trên bề mặt Trái đất đến tâm chấn. Họ sử dụng máy địa chấn, một thiết bị giúp ghi lại nhiều loại sóng khác nhau. Để tìm khoảng cách từ tâm chấn tới điểm đặt máy, các nhà khoa học cần phải biết thêm về thời gian các sóng đi đến máy. Chỉ cần có những thông tin đó, qua tính toán, dựa vào độ trễ giữa hai sóng, ta sẽ có được khoảng cách đến tâm chấn.

Sử dụng một máy chỉ cho ta biết được khoảng cách, tức là bạn sẽ vẽ được một đường tròn có tâm là nơi đặt máy và bán kính là khoảng cách tính toán được, và tâm chấn sẽ có thể nằm tại một điểm trên đường tròn đó – có quá nhiều khả năng; nhưng khi sử dụng 3 máy sẽ cho ta biết được vị trí chính xác của tâm chấn. Người ta sử dụng một chiếc máy có tên trilateration. Cũng giống như khi bạn vẽ 3 đường tròn, chúng giao nhau tại một điểm: vị trí đó chính là tâm chấn.

Thang điểm Richter

Bên cạnh việc xác định tâm chấn, người ta cũng quan tâm đến cường độ của trận động đất. Chắc hẳn bạn đã nghe nhiều, trên các bản tin về động đất, đều nhắc đến thang điểm Richter. Ngoài ra còn có thang điểm Mercalli, nhưng không phổ biến bằng thang điểm Richter. Người ta đo cường độ của trận động đất bằng máy địa chấn.

Thang điểm Richter là hàm logarit, tức là cứ tăng một độ Richter thì biên độ sóng sẽ tăng 10 lần. Trận động đất 6 độ Richter có biên độ sóng mạnh gấp 10 lần trận động đất 5 độ Richter. Còn về mức năng lượng, độ chênh lệch sẽ là 31,7 lần.

Như đã nói ở trên, hầu hết các trận động đất đều có cường độ rất nhỏ. Phần lớn các trận động đất đều có cường độ dưới 3 độ Richter, và được gọi là các microquake – con người không thể cảm nhận được các trận động đất này. Trong số khoảng 1,4 triệu chấn động có cường độ trên 2,0 độ Richter, chỉ có khoảng 15 chấn động có cường độ hơn 7,0 độ Richter. Và trận động đất có cường độ lớn nhất – 9,5 độ Richter – là trận động đất tại Chile năm 1960. Trận động đất này đã giết chết 1.900 người và làm thiệt hại khoảng 4 tỉ đô-la. Thông thường, những trận động đất dưới 4 độ Richter sẽ không gây quá nhiều thiệt hại về người và của.

Thang điểm Richter chỉ cho chúng ta biết được cường độ mạnh yếu của trận động đất. Sức tàn phá của động đất phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của lớp đất đá và kết cấu của các công trình nơi động đất xảy ra. Phạm vi thiệt hại được đo bằng một thang điểm khác – thang điểm Mercalli. Được đánh bằng số La Mã, thang điểm Mercalli được chấm qua nhiều yếu tố chủ quan. Một trận động đất cường độ nhỏ, chỉ có thể cảm nhận bởi một số người, được xếp cấp II. Với cấp XII – cấp cao nhất, nó được dành cho trận động đất có sức phá hủy toàn bộ hệ thống nhà cửa, mặt đất bị nứt vỡ, ngoài ra còn kèm theo những thảm họa thiên nhiên khác, ví dụ như lở đất hoặc sóng thần...

Cường độ Richter của trận động đất có thể được xác định ngay sau trận động đất, bằng cách so sánh dữ liệu từ các máy địa chấn. Nhưng cường độ Mercalli thì khác, phải sau điều tra nghiên cứu các dữ liệu về thương vong và thiệt hại về tài sản mới có thể xác định được chính xác.

Dự báo động đất

Ngày nay tuy đã tìm hiểu được khá nhiều về động đất, nhưng chúng ta vẫn chưa thể có năng lực dự đoán trước động đất như loài cóc: một nghiên cứu năm 2010 được đăng tải lên báo Zoology cho thấy 96% số lượng cóc đực đã bỏ đi khỏi nơi sinh sản của mình 5 ngày trước khi động đất xảy ra tại L’Aquila, Italia năm 2009. Các nhà nghiên cứu tuy chưa thể đưa ra lời giải thích cuối cùng, tuy nhiên họ tin rằng loài cóc có thể cảm nhận được những thay đổi tinh tế, ví dụ như việc khí gas thoát ra từ lòng đất hay sự thay đổi về điện tích của bề mặt mặt đất trước khi trận động đất xảy ra.

Các nhà khoa học có thể chỉ ra được những khu vực mà những trận động đất lớn có thể xảy ra, phụ thuộc vào sự di chuyển của các mảng kiến tạo và vị trí của những vùng nứt gãy. Họ cũng có thể dự đoán được khi nào động đất có thể xảy ra, dựa vào những dữ liệu trong lịch sử và xác định áp lực đang tăng lên tại đường nứt gãy. Ví dụ, nếu một khu vực đã từng trải qua một trận động đất với cường độ hơn 7 độ Richter trong vòng 200 năm trở lại đây, các nhà khoa học có thể dự báo trước một trận động mạnh 7 độ Richter khác có thể xảy ra trong 50 năm tiếp theo với độ chính xác 50%. Nhưng những dự đoán này thường kém tin cậy, do khi áp suất ở một vị trí được giải phóng xung quanh một hệ thống đường nứt gãy, nó có thể làm tăng áp lực ở những vị trí khác quanh đó.

Do vậy, hầu hết việc dự báo động đất đều rất mập mờ. Nhưng việc dự báo những chấn động aftershock thì khả quan hơn: các nhà địa chấn học đã tìm ra được nhiều cách giải thích về việc một trận động đất có thể kéo theo những chấn động khác trong cùng khu vực đường nứt gãy.

Một lĩnh vực nghiên cứu khác, đó là mối quan hệ giữa từ trường và sự tích điện của đất đá trong trận động đất. Nhiều nhà khoa học đưa ra giả thiết rằng điện từ trường đã thay đổi theo một các nào đó, trước khi trận động đất xảy ra. Các nhà địa chấn học còn nghiên cứu về sự rò rỉ khí gas và độ nghiêng của mặt đất – đó có thể là những dấu hiệu cảnh báo sớm một trận động đất. Năm 2009, một kĩ thuật viên của Viện nghiên cứu Quốc gia Italia về Vật lý Hạt nhân (Italy’s National Institute for Nuclear Physics) cho biết anh ta đã dự báo được trước trận động đất L’Aquila bằng cách đo đạc sự rò rỉ khí radon từ lòng đất. Khám phá của anh ta hiện vẫn còn nhiều tranh cãi.

Chuẩn bị ứng phó với động đất

Vậy nếu chúng ta có khả năng dự báo trước động đất, chúng ta có thể làm gì để đối phó với chúng?

Trong 50 năm trở lại đây, những gì chúng ta có thể làm để ứng phó với động đất, phần lớn là ở kĩ thuật xây dựng. Năm 1973, Uniform Building Code, bộ tiêu chuẩn về việc xây dựng các tòa nhà, đã đưa ra những tiêu chuẩn kĩ thuật cho việc củng cố độ vững chắc cho các tòa nhà để chống lại được sóng địa chấn. Nó bao gồm việc củng cố thêm những vật liệu bền, cùng với việc thiết kế những tòa nhà có khả năng mềm dẻo hơn để có thể hấp thụ được những rung động mà không bị đổ vỡ hoặc hỏng hóc. Điều này rất quan trọng – nhất là với những tòa nhà trong khu vực hay xảy ra động đất.

Nhưng các kiến trúc sư và kĩ sư muốn đổi mới hơn nữa để các tòa nhà có khả năng chống chịu tốt hơn trong động đất. Greg Deierlein từ Đại học Stanford và Jerome Hajjar từ Đại học Northeastern đã thiết kế cấu trúc các “nút” giúp tòa nhà có thể ổn định hơn, tự hồi phục sau động đất.

Thêm nữa, các nhà khoa học đang phát triển các tòa nhà thông minh có khả năng đương đầu với chấn động cực mạnh. Một ý tưởng là sử dụng những cảm biến sợi quang học có thể cảm nhận được khi nào tòa nhà bị chấn động, để gửi tín hiệu đến vật liệu bên trong tường và các thành phần trong nhà, từ đó thay đổi hình dạng để có thể hấp thụ được năng lượng.

Ngoài ra, việc giáo dục mọi người cũng rất quan trọng. USGS cùng với các cơ quan khác của chính phủ Mỹ đã sản xuất rất nhiều cuốn sách nhỏ để giải thích về quá trình hình thành động đất cùng với hướng dẫn để chuẩn bị phòng chống động đất cho ngôi nhà cũng như những việc nên làm khi động đất xảy ra.

Trong tương lai, khi việc dự báo và chuẩn bị trước động đất được củng cố thêm, thiệt hai về người và của do động đất chắc chắn sẽ được giảm thiểu tối đa. Nhưng sẽ phải mất nhiều thời gian. Cũng giống như những thảm họa thiên nhiên khác, động đất là không thể tránh được. Tất cả những gì chúng ta có thể làm là tăng thêm hiểu biết và phát triển các phương pháp giúp phòng chống động đất.

Tham khảo: HowStuffWorks .