Trạm quan trắc động đất: địa chấn kế ghi rung động và tìm tâm chấn

Trạm quan trắc động đất là nơi đặt địa chấn kế, thiết bị ghi lại chuyển động rất nhỏ của mặt đất, nhỏ tới mức một phần tỉ mét. Khi có động đất, sóng địa chấn lan tới từng trạm vào những thời điểm khác nhau; ghép số liệu nhiều trạm lại, các nhà địa chấn tính được tâm chấn, độ sâu và độ lớn. Phần khó nhất của nghề không phải là bắt được rung động, mà là phân biệt rung động nào là động đất, rung động nào là sóng biển, xe tải hay cả một sân vận động đang nhảy.

Địa chấn kế hoạt động thế nào

Nguyên lý gốc rất đơn giản: treo một quả nặng trên lò xo. Khi mặt đất rung, khung máy chuyển động theo đất, còn quả nặng nhờ quán tính thì "lười" đi theo. Đo độ lệch giữa khung và quả nặng là biết mặt đất đã dịch chuyển ra sao. Các máy đời đầu cuối thế kỷ 19 dùng kim vạch lên giấy hun khói hoặc trống quay.

Địa chấn kế hiện đại thông minh hơn nhiều. Loại băng rộng dùng mạch phản hồi giữ quả nặng gần như đứng yên bằng lực điện từ; dòng điện cần để giữ nó chính là tín hiệu đo. Nhờ vậy một máy ghi được cả rung động nhanh vài chục lần mỗi giây lẫn những dao động chậm kéo dài hàng trăm giây của động đất lớn ở bên kia Trái Đất. Mỗi trạm thường đo ba thành phần: lên xuống, bắc nam, đông tây.

Ngoài địa chấn kế đo vận tốc, trạm có thể có gia tốc kế đo rung mạnh. Khi động đất lớn xảy ra gần, máy nhạy sẽ bị "bão hoà", tức số đo vượt thang, còn gia tốc kế vẫn ghi đúng. Đồng hồ của trạm được đồng bộ bằng tín hiệu vệ tinh định vị, vì sai lệch vài phần trăm giây cũng làm lệch vị trí tâm chấn.

Đặt trạm ở đâu: cuộc chiến với tiếng ồn

Một trạm địa chấn tốt phải "yên tĩnh" theo nghĩa của máy: ít rung động không mong muốn. Người ta đặt máy trong hầm đào sâu, trên nền đá gốc, trong hang hoặc thả xuống lỗ khoan sâu hàng chục mét. Mục đích là tránh gió lay cây, xe chạy, máy bơm, và giữ nhiệt độ ổn định, vì chỉ cần thay đổi nhiệt nhỏ, kim loại trong máy co giãn là tín hiệu đã trôi.

Vi địa chấn là hiện tượng thú vị nhất trong danh sách. Sóng biển va nhau tạo áp lực lên đáy biển, sinh ra sóng địa chấn yếu lan khắp các lục địa. Vì vậy một trạm giữa đất liền vẫn "nghe" được cơn bão ngoài đại dương. Ngày nay các nhà khoa học còn dùng chính tiếng ồn này để nghiên cứu cấu trúc lòng đất và theo dõi sóng biển trong quá khứ.

Những "trận động đất" không phải động đất

Ngày 8 tháng 1 năm 2011, ở Seattle, Mỹ, một pha chạy ghi điểm trong trận bóng bầu dục khiến khán giả nhảy mừng đến mức địa chấn kế gần sân vận động ghi được rung động rõ ràng. Báo chí gọi đó là "Beast Quake". Sau đó các nhà địa chấn khu vực còn đặt máy ở sân để theo dõi các trận đấu như một cách giới thiệu khoa học với công chúng.

Năm 2020, khi nhiều nước phong toả vì dịch COVID-19, một nghiên cứu đăng trên tạp chí Science tổng hợp số liệu hàng trăm trạm và thấy tiếng ồn địa chấn do con người giảm rõ rệt, có nơi tới khoảng một nửa. Đó là quãng "yên lặng" dài nhất từng ghi được trong thời đại có máy đo. Các trạm gần thành phố bỗng thấy được những động đất nhỏ trước đây bị nhiễu che lấp.

Địa chấn kế cũng ghi được thiên thạch nổ trên không, như sự kiện Chelyabinsk ở Nga năm 2013, sạt lở đất lớn, sông băng trượt và cả những vụ sập mỏ. Mỗi loại có "chữ ký" riêng: sạt lở thường cho tín hiệu kéo dài, ít sóng nhọn đầu tiên; nổ trên không truyền qua không khí rồi mới xuống đất nên tới trạm chậm hơn sóng trong đá.

Từ băng ghi đến tâm chấn

Động đất phát ra hai loại sóng khối chính. Sóng P là sóng nén, đi nhanh nhất, tới trạm trước. Sóng S là sóng cắt, chậm hơn. Khoảng thời gian giữa lúc sóng P và sóng S tới cho biết trạm cách tâm chấn bao xa. Với động đất gần, một quy tắc ước lượng thô là nhân số giây chênh lệch với khoảng 8 km: chênh 10 giây thì tâm chấn cách khoảng 80 km.

1. Một trạm cho biết khoảng cách, tức tâm chấn nằm đâu đó trên một vòng tròn.
2. Hai trạm cho hai vòng tròn, cắt nhau ở hai điểm.
3. Ba trạm trở lên cho một điểm chung: đó là tâm chấn. Thực tế dùng hàng chục trạm và mô hình vận tốc sóng trong lòng đất để tính cả độ sâu.

Độ lớn ban đầu được Charles Richter định nghĩa năm 1935 cho động đất ở miền nam California. Ngày nay các cơ quan dùng nhiều thang, phổ biến nhất cho động đất lớn là độ lớn mô men (Mw), tính từ diện tích đứt gãy và độ trượt. Mọi thang đều là thang logarit: tăng một độ thì năng lượng giải phóng tăng khoảng 32 lần. Độ lớn khác với cường độ chấn động, thứ mô tả mức rung tại từng nơi và phụ thuộc khoảng cách, nền đất.

Các hệ thống cảnh báo sớm động đất dựa vào chính chênh lệch giữa sóng P và sóng S: phát hiện sóng P ở trạm gần tâm chấn rồi gửi cảnh báo đi nhanh hơn sóng S phá hoại, cho người ở xa vài giây đến vài chục giây để tránh.

Mạng trạm động đất ở Việt Nam

Ở Việt Nam, Viện Vật lý Địa cầu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vận hành mạng lưới trạm địa chấn quốc gia và trung tâm báo tin động đất, cảnh báo sóng thần. Khi có động đất cảm nhận được, thông tin về thời gian, toạ độ, độ sâu và độ lớn được công bố trên trang của Viện.

Một ví dụ được theo dõi nhiều những năm gần đây là chuỗi động đất nhỏ và vừa ở khu vực Kon Plông thuộc tỉnh Kon Tum cũ (nay thuộc tỉnh Quảng Ngãi). Nhiều chuyên gia nhận định đây là dạng động đất kích thích, liên quan tới việc tích nước ở các hồ thuỷ điện trong vùng có đứt gãy sẵn. Hiện tượng này đã gặp ở nhiều nơi trên thế giới. Để hiểu rõ, người ta cần thêm trạm đo đặt gần, ghi được cả những trận rất nhỏ, để vẽ bản đồ chính xác các đứt gãy đang hoạt động.

Động đất kích thích không chỉ do hồ chứa. Ở bang Oklahoma, Mỹ, số động đất có độ lớn từ 3 trở lên tăng vọt sau năm 2009 và các nghiên cứu gắn nó với việc bơm nước thải từ khai thác dầu khí xuống lòng đất sâu. Khi bang hạn chế bơm, số trận giảm dần. Đây là ví dụ rõ về việc mạng trạm địa chấn phát hiện một xu hướng bất thường, rồi giúp tìm ra nguyên nhân.

Góc nhìn hôm nay: tự xem băng ghi địa chấn

• Xem số liệu thật: kho dữ liệu của EarthScope (trước đây là IRIS) cho xem băng ghi từ hàng nghìn trạm trên thế giới. Trang của Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) liệt kê động đất gần như theo thời gian thực.
• Máy đo của người tình nguyện: có những địa chấn kế nhỏ giá phải chăng, như loại Raspberry Shake, cho trường học và người yêu khoa học đặt ở nhà và chia sẻ số liệu lên mạng chung.
• Thử nghiệm với điện thoại: nhiều ứng dụng đọc gia tốc kế trong điện thoại; đặt máy trên bàn rồi đi lại quanh phòng, sẽ thấy ngay vì sao trạm thật phải đặt dưới hầm.
• Khi có động đất: tin vào thông tin của cơ quan chính thức, không chia sẻ "dự báo động đất" lan truyền trên mạng. Hiện chưa có phương pháp khoa học nào dự báo chính xác ngày giờ và nơi xảy ra động đất.

Điều thú vị nhất của trạm địa chấn có lẽ là nó lắng nghe cả hành tinh: bão ngoài biển, sông băng nứt, thành phố ngủ, đám đông hò reo. Động đất chỉ là một trong rất nhiều câu chuyện được viết trên băng ghi.