Các bạn thân mến! Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì gây ra động đất chưa? Động đất là mối đe dọa thường trực từ thuở sơ khai của loài người, và Trung Quốc đã ghi chép hoạt động địa chấn suốt hơn 2.000 năm qua!

Dù các nhà khoa học đã nỗ lực không ngừng, nguyên nhân chính xác gây ra động đất vẫn còn là một bí ẩn phần nào.

Tuy nhiên, qua hơn một thế kỷ nghiên cứu, chúng ta đã xây dựng được nhiều lý thuyết, trong đó nổi bật là mô hình được biết đến rộng rãi: lý thuyết đàn hồi phục hồi (elastic rebound theory). Lý thuyết này cho rằng các chuyển dịch quy mô lớn của lớp đá trên bề mặt Trái Đất là nguyên nhân chủ yếu gây ra các trận động đất mạnh.

Động đất thực sự xảy ra như thế nào

Trọng tâm của lý thuyết động đất là ý tưởng cho rằng các lực cấu trúc sâu bên trong Trái Đất làm biến dạng lớp vỏ bên ngoài. Những biến dạng quy mô lớn này chính là nguyên nhân dẫn đến động đất. Dọc theo các đứt gãy địa chất, sự chuyển động đột ngột của đá sinh ra các sóng địa chấn, gây nên trận động đất. Trong các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm, các nhà khoa học tác động áp lực lên đá khiến chúng bị vỡ hoặc nứt theo nhiều cách khác nhau. Đôi khi, một vết nứt chia tảng đá thành các mảnh, và những mảnh này có thể trượt qua nhau – hiện tượng gọi là gãy giòn. Cũng có lúc, đá không trượt đột ngột mà chà xát từ từ theo mặt đứt gãy nghiêng, không giải phóng năng lượng mạnh như hiện tượng gãy giòn.

Vai trò của đứt gãy trong động đất

Trong tự nhiên, những vết nứt lớn trên bề mặt Trái Đất được gọi là đứt gãy địa chất. Một số đứt gãy kéo dài hàng dặm trên cảnh quan. Giống như các tảng đá trong phòng thí nghiệm, các đứt gãy này có thể từ từ trượt qua nhau hoặc đột ngột vỡ ra, giải phóng năng lượng dưới dạng một trận động đất. Khi đứt gãy vỡ đột ngột, các khối đá ở hai bên chuyển động theo hướng ngược nhau.

Lý thuyết đàn hồi phục hồi: Chìa khóa để hiểu về động đất

Mô hình vật lý được công nhận rộng rãi nhất về cách động đất xảy ra bắt nguồn từ nghiên cứu của kỹ sư người Mỹ Reid, người đã nghiên cứu trận động đất San Andreas năm 1906. Reid phát hiện rằng từ năm 1851 đến năm 1906, phía tây của đứt gãy đã dịch chuyển 3,2 mét về hướng bắc-đông bắc. Sau khi so sánh dữ liệu trước và sau trận động đất, Reid kết luận rằng đã xảy ra biến dạng cắt ngang đáng kể dọc theo đứt gãy cả trước và sau sự kiện.

Ngày nay, các nhà khoa học tin rằng động đất xảy ra do sự phục hồi đàn hồi của lớp đá bị biến dạng dọc theo các đứt gãy. Điều này có nghĩa là khi đá trượt đột ngột, chúng giải phóng năng lượng ứng suất tích tụ và bật trở lại vị trí ổn định trước đó. Khu vực bị biến dạng càng dài và rộng thì năng lượng giải phóng càng lớn – và trận động đất càng mạnh. Sự biến dạng theo phương đứng cũng thường xảy ra và có thể tạo ra các vách đứt gãy – những vách đá dựng đứng cao tới vài mét, kéo dài hàng chục hay thậm chí hàng trăm kilomet.

Cơ học đá giúp chúng ta hiểu động đất ra sao

Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học nghiên cứu hành vi của đá dưới áp suất và nhiệt độ cao để hiểu rõ hơn về sự thay đổi ứng suất xảy ra trong lòng đất trước khi có động đất. Trong các thí nghiệm này, mẫu đá chứa nước được nén dưới điều kiện nhiệt và áp cao, mô phỏng sự biến dạng chậm của vỏ Trái Đất do lực kiến tạo. Khi các tảng đá gần đứt gãy bắt đầu nứt nhỏ, nước từ từ thấm vào các khe nứt và lỗ rỗng, làm suy yếu thêm khu vực đứt gãy. Điều này khiến khu vực đó dễ trượt hơn, từ đó kích hoạt trận động đất.

Dấu hiệu báo trước và dư chấn

Bằng cách nghiên cứu quá trình nứt vi mô gần các đứt gãy lớn, các nhà khoa học đang hiểu rõ hơn về động đất nhỏ báo trước và dư chấn. Động đất báo trước là những cơn rung nhỏ xảy ra trước trận động đất chính. Chúng là kết quả của ứng suất và nứt vi mô dọc theo đứt gãy, nhưng chưa có sự vỡ chính diễn ra. Các chuyển động nhỏ trong giai đoạn này chỉ thay đổi nhẹ mô hình ứng suất trong khu vực. Cuối cùng, nước di chuyển và sự lan rộng của các khe nứt nhỏ sẽ dẫn đến vỡ lớn – lúc này, động đất chính xảy ra. Sau sự kiện chính, ma sát sinh nhiệt dọc theo mặt đứt gãy làm thay đổi điều kiện vật lý tại khu vực, khiến các vết nứt thứ cấp dễ hình thành hơn. Những vết nứt này gây ra dư chấn, có thể kéo dài trong nhiều ngày hoặc thậm chí vài tuần sau động đất chính.

Chu trình liên tục của ứng suất và giải phóng năng lượng

Sau một trận động đất lớn, năng lượng ứng suất trong khu vực sẽ giảm xuống, nhưng quá trình không dừng lại ở đó. Theo thời gian, ứng suất mới lại bắt đầu tích tụ khi các lực kiến tạo tiếp tục đẩy và kéo trên đứt gãy. Điều này dẫn đến các biến dạng mới và khả năng xảy ra các trận động đất tiếp theo trong tương lai.

Hiểu cách động đất xảy ra là chìa khóa để chuẩn bị và bảo vệ bản thân khỏi thảm họa tự nhiên này. Bằng việc nghiên cứu hành vi của đá, đứt gãy và năng lượng tích tụ trong lòng đất, chúng ta đang tiến gần hơn tới khả năng dự đoán động đất và nắm bắt toàn diện những tác động của nó. Càng hiểu biết, chúng ta càng có thể sống an toàn hơn trước sức mạnh khôn lường của thiên nhiên.