Động đất và sóng thần: Nguồn năng lượng hủy diệt

Động đất

Trận động đất vừa qua ở Nhật Bản gây nhiều thiệt hại do các xung động của chính nó hay của các dư chấn mà cường độ có thể lên đến 6 độ Richter. Những thiệt hại về tài sản trên các công trình xây dựng đều rất lớn, đó là chưa kể đến thảm hoạ hạt nhân, mặc dù được hạn chế đến mức tối đa, xảy ra khi lò phản ứng Fukushima 1 bị nóng chảy tâm lò sau sự cố LOCA (mất nước làm lạnh) và gian lò bị nổ. Năm 2007, một trận động đất gây ảnh hưởng đến nhà máy điện hạt nhân Kashiwazaki-Kariwa lớn nhất ở Nhật Bản, nhưng may là người ta đã ngừng lò kịp.

Trong lịch sử thế giới, các trận động đất lớn đã gây tử vong cho khoảng 6,5 triệu người, chủ yếu là ở Trung Quốc (3 triệu) và Trung Đông (1,5 triệu). Bảng 1 liệt kê 10 trận động đất lớn nhất trong thế kỷ 20 và số tử vong chúng gây ra. Trong trường hợp trận động đất ở Sumatra-Andaman năm 2004, số tử vong cao là hậu quả của đợt sóng thần lan đến nhiều nước trong vùng Ấn Độ dương. Số tử vong ở Haiti năm 2010 lên rất cao vì đây là một nước nghèo, các điều kiện bảo vệ và chống động đất quá yếu kém. Trận động đất ở Nhật Bản lần này, theo nhiều chuyên gia, có thể được xem là trận lớn thứ 5 trong lịch sử.

Bảng 1    Mười trận động đất lớn nhất trong thế kỷ 20

Năm    Địa điểm                           Cường độ        Số tử vong

2010    Haiti                                     7                    200.000-300.000

2004    Sumatra-Andaman                9,3                  283.100

1976    Đường Sơn (Trung Quốc)      7,5                  255.000

1920    Hải Nguyên (Trung Quốc)       7,8                 200.000

1923    Kanto (Nhật Bản)                  7,9                 142.800

1948    Ashgabat (Turkmenistan)       7,3                 110.000

2005    Pakistan                               7,6                  86.000

1908    Messina (Ý)                          7,2                  72.000

1970    Chimbote (Pêru)                    7,9                  70.000

1990    Iran                                      7,4                   40.000-50.000

Động đất liên quan đến các mảng kiến tạo của Trái Đất và chúng xảy ra ở những nơi các mảng này tiếp xúc với nhau, ở đây có những chuyển động của vỏ Trái Đất. Nếu một mảng kiến tạo chui xuống dưới một mảng khác thì ta có hiện tượng hút chìm-nơi tích tụ nhiều năng lượng của các lực căng chỉ đợi được giải phóng ra bằng các trận động đất. Trên thế giới, người ta biết là có đến 4000 km biên giới của các vùng hút chìm và Nhật Bản nằm trên một vùng hút chìm quan trọng, nơi mảng kiến tạo Thái Bình Dương đang chìm xuống dưới nước Nhật. Tiêu điểm của trận động đất (chấn tiêu) thường nằm sâu dưới mặt đất. Từ đấy các sóng địa chấn được truyền đi và các máy ghi địa chấn có thể xác định vị trí của chấn tiêu cũng như của tâm chấn ngoài, tức là điểm trên mặt đất nằm ngay trên chấn tiêu. Trên hình 1, ta có bản đồ các trận động đất gần đây nhất đã được Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) vẽ ngày 27 tháng 1-2011. Các địa điểm động đất đều nằm trên các đường nứt gãy có liên quan đến các mảng kiến tạo. Ta cũng thấy là USGS có ghi trận động đất xảy ra tháng 11/2007 có cường độ 4,5-5 độ Richter ngoài khơi Vũng Tàu trên đới đứt gãy dọc bờ biển miền Nam Trung Bộ.

Các trận động đất thường chỉ kéo dài vài giây đồng hồ nhưng cũng đủ để gây ra những thiệt hại vô cùng lớn. Trận động đất năm 2004 ở Sumatra kéo dài đến 9 phút, trong khi trận động đất vừa qua ở Nhật Bản kéo dài 2 phút.

Hình 1 Bản đồ các trận động đất trên thế giới (USGS, IRIS)

Sóng thần

Nếu động đất xảy ra trong đất liền thì ít có khả năng có sóng thần đi kèm theo trừ khi các biển nội địa hay các hồ nước lớn bị tác động bởi những dịch chuyển của đất đá dưới mặt nước. Nhưng khi động đất xảy ra ngoài biển và có cường độ hơn 6,5 độ Richter thì có thể sinh ra sóng thần có sức tàn phá rất lớn như chúng ta thấy tại Nhật  vừa qua hay ở các nước Nam Á năm 2004. Các đợt sóng thần mang theo lượng năng lượng khổng lồ vì chúng do những khối lượng nước rất lớn tạo ra sau khi có một trận động đất bất thình lình dịch chuyển một diện tích đáy biển hàng nghìn cây số vuông chỉ trong vài giây đồng hồ rồi truyền năng lượng thẳng lên bề mặt.

Sóng thần có thể gây ra do lở đất dưới biển hoặc do các trường hợp hiếm gặp hơn như phun trào núi lửa hay phun trào dung nham dưới nước. Nó cũng có thể có nguồn gốc từ một vụ va chạm của một hành tinh nhỏ khi rơi xuống đáy đại dương. Ngày 18/11/1927, một trận động đất M7,2 ở 300 km phía nam Newfoundland (Bắc Canada) đã gây ra một vụ lở đất dưới biển làm dịch chuyển 200 km3 đất và vụ lở đất ở Storegga ngoài khơi Na Uy 79.000 năm trước đây làm cho 1000 km3 trầm tích biển sụp đổ. Ngày 26/12/2004, trận động đất M9 ngoài khơi Sumatra (Indonesia) đã nâng một dải đáy biển dài 1200 km lên cao 8 m, chấn tiêu của nó nằm dưới sâu 30 km.

Lực duy trì sóng trong cột nước biển sau khi đáy biển bị nhiễu loạn là lực trọng trường. Sức mạnh của nó tuỳ thuộc vào cường độ của nhiễu loạn ban đầu, khoảng cách di chuyển của sóng, hình thái mặt đáy biển, khả năng các lớp đất đá hấp thụ hết năng lượng cũng như hình dáng bờ biển. Tốc độ di chuyển của sóng có thể lên đến vài trăm cây số một giờ và sóng thần có thể vượt qua hàng nghìn cây số đại dương trong vài tiếng đồng hồ. Bước sóng của nó - khoảng cách giữa hai làn sóng nối tiếp nhau - có thể là vài trăm cây số. Ngoài biển khơi, sóng thần rất khó phát hiện và chiều cao của sóng chỉ là vài chục cm gần nơi xảy ra nhiễu loạn. Các vệ tinh như Topex-Poseidon hay ERS-1 đã có thể đo độ cao sóng biển với độ chính xác vài cm. Tuy nhiên, cũng như các loại sóng khác, khi chúng tiến vào các vùng nước cạn gần bờ, nhiều thay đổi sẽ xảy ra, bước sóng rút xuống còn từ 10 đến 20 km, khi nước có tốc độ cao đến đẩy các luồng sóng đi trước, chiều cao của chúng tăng lên, đôi khi đạt đến vài chục mét và tiến sâu vào đất liền, tàn phá những vùng đất thấp dọc bờ biển. Sóng thần ở Sendai, Nhật Bản hôm 11/3 vừa qua cao đến 10 mét. Năm 1755, tiếp theo một trận động đất M9, đợt sóng thần ở Lisbon (Bồ Đào Nha) có độ cao trên 30 mét và năm 1883, sóng thần do hoạt động núi lửa Krakatoa ở Indonesia gây ra có độ cao lên đến 40 mét. Năm 1737, một trận động đất gần bán đảo Kamchatka gây nên một đợt sóng thần cao 50 mét khi chúng tiến đến đảo Kurile.

Những vùng nhạy cảm nhất đối với sóng thần nằm dọc bờ biển Thái Bình Dương, ở đây có đến 85% toàn bộ các đợt sóng thần do động đất gây ra vì đại dương rất rộng và có nhiều hoạt động địa chấn và núi lửa của mảng kiến tạo Thái Bình Dương. Theo ước tính, trong thế kỷ 20 vừa qua có chừng 50.000 người tử vong do khoảng 400 đợt sóng thần gây ra. Bước vào thế kỷ 21, đợt sóng thần Sumatra-Andaman cuối năm 2004 đã làm 230.000 người chết chỉ trong vòng vài tiếng đồng hồ và có đến hàng triệu người bị mất nhà cửa. Bảng 2 liệt kê 10 đợt sóng thần gây nhiều thiệt hại nhất trong lịch sử, các số liệu ở các thế kỷ 18-19 chỉ có một độ chính xác tương đối.

Hình 2 Bản đồ các trạm DART tại khu vực Thái Bình Dương

Bảng 2    Những đợt sóng thần gây nhiều thiệt hại nhất trong lịch sử

Số nạn nhân     Năm   Địa điểm

230.000              2004  Sumatra-Andaman (Indonesia)

  60.000             1755   Lisbon (Bồ Đào Nha)

  40.000             1782   Đài Loan

  36.500             1883   Krakatoa (Indonesia)

  30.000             1701   Tokaido-Nankaido (Nhật Bản)

  26.360             1896   Sanriku (Nhật Bản)

25.674             1868   Bắc Chi Lê

  15.030             1792   Kyushu (Nhật Bản)

  13.481             1771   Ryukyu (Nhật Bản)

   8.000              1976   Vịnh Moro (Philippin)

Dự báo sóng thần và các phương pháp tiếp cận giảm thiểu tác hại

Sóng thần được hiểu rõ hơn động đất nhưng đối với các sóng thần do động đất gây ra, việc dự báo dài hạn cũng rất khó. Mặt khác, nguyên tắc dự báo ngắn hạn thì tương đối đơn giản, ít ra cũng trên mặt lý thuyết: thu thập các thông tin về biến dạng của đáy biển trong các đại dương rồi truyền theo thời gian thật đến các chuyên gia ở các trung tâm chuyên trách để tính cường độ của hiểm hoạ và lấy quyết định sơ tán vùng bị đe doạ. Đối với các sóng thần vượt đại dương, người ta có thể có khoảng thời gian nhiều giờ giữa trận động đất và lúc sóng thần ập đến. Vị trí và quy mô của trận động đất có thể được xác định nhanh chóng và chính xác nhờ các quan trắc địa chấn và sự hình thành cũng như sự lan truyền của sóng thần có thể được xác nhận bởi các hệ thống quan sát mực nước biển ngoài khơi như các cảm biến đo áp suất đặt dưới đáy biển. Khoảng 10 phút giữa chấn động đầu tiên và lúc các luồng sóng gây chết người ập đến cũng đủ để người dân chạy thoát khỏi các vùng nguy hiểm, cứu được hàng trăm nghìn nhân mạng và cả tài sản của họ.

Một loạt trạm cảnh báo đặt chung quanh Thái Bình Dương để đo bất kỳ một hoạt động bất thường nào của thuỷ triều hay sóng biển tiếp theo một sự kiện địa chấn. Hệ thống Cảnh báo Đánh giá Sóng thần ngoài Biển khơi (DART, Deep Ocean Assessment Reporting of Tsunami) đã được đặt ở Thái Bình Dương, dọc vùng hút chìm Alaska, nơi phát sinh nguy hiểm của các đợt sóng thần trên bờ biển phía Tây nước Mỹ và Hawaii cũng như đối với các nước khác ven bờ Thái Bình Dương. Trên hình 2, ta có hệ thống các trạm DART đã có (6 trạm) và gần 40 trạm đã lên kế hoạch xây dựng tiếp theo thảm hoạ sóng thần Sumatra-Andaman năm 2004. Mỗi trạm gồm một địa chấn kế, máy đo áp lực của sóng trên đáy biển, các cột mộc thuỷ triều và các hệ thống truyền tín hiệu đến các nhà khoa học để đánh giá tính nguy hiểm của chúng. Ở Nhật, cảnh báo sóng thần được truyền đi chỉ từ 2 đến 5 phút  sau động đất rồi chuyển đến dân cư vùng biển nhờ các phương tiện truyền thông.

Người dân Nhật được giáo dục kỹ về các hiểm họa của sóng thần và cách ứng xử khi nhận được cảnh báo nhờ thế mà số thương vong có thể được giảm đi rất nhiều. Các hướng dẫn về những điều phải làm sau cảnh báo sóng thần đầu tiên do cơ quan khí tượng Nhật Bản phổ biến (xem dưới đây) hay các lộ trình thoát  khỏi vùng bờ biển bị sóng thần ập vào ở Mỹ là những biện pháp tích cực nhằm giảm thiểu các tác hại do sóng thần gây ra.