Các nhà nghiên cứu ở California vừa phát triển một hệ thống có khả năng xác định nhanh cỡ của một trận động đất và quy mô tác động của nó trong một vùng đứt gãy, kể cả khả năng nó gây ra một đợt sóng thần nguy hại. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống trên – được xây dựng trên các phép đo GPS – để lập mô phỏng chính xác hai trận động đất lịch sử ở Nhật Bản và miền bắc Mexico.
Thảm họa động đất Nhật Bản 2011 cho thấy vài phút đầu tiên sau một trận động đất là cái quan trọng. Khi trận động đất Tōhoku xảy đến, các nhà địa vật lí mất hơn 20 phút mới tính được rằng trận động đất đó mạnh 9,0 độ theo thang đo Richter. Phải để cho chính quyền biết được quy mô của trận động đất sớm hơn thì họ mới có thời gian thích hợp để kích hoạt những hệ thống cảnh báo sớm để giúp mọi người ứng phó trước sóng thần sẽ xảy ra khốc liệt sau đó.
Tốc độ phản ứng trong các hệ thống hiện nay bị ràng buộc bởi thực tế là các thiết bị ở các trạm ghi địa chấn gần nơi xảy ra động đất lớn có xu hướng bị bão hòa bởi những chu kì dao động mạnh. Do đó, để xác định cỡ và quy mô động đất, các nhà địa chấn cần nhìn vào dữ liệu thu từ nhiều trạm ở xa. Ngoài ra, vì thiết bị ở các trạm địa chấn không thể đo trọn vẹn mức độ mà các mảng nền dịch chuyển, nên độ lớn của trận động đất thường bị ước tính thấp trong những phút đầu tiên sau động đất.
Các vệ tinh GPS truyền dữ liệu đến một mạng lưới gồm những trạm đặt trên mặt đất.
Nhìn từ trên caoMột giải pháp thay thế đã được phát triển trong hai thập niên qua là sử dụng dữ liệu GPS để theo dõi lớp vỏ Trái đất từ vũ trụ. Nguyên lí cơ bản là tạo ra một mạng lưới vùng gồm những trạm GPS nơi các nhà địa vật lí có thể theo dõi vị trí của trạm trong một khu vực địa lí cho trước. Sau một trận động đất, các nhà khoa học có thể khảo sát sự chuyển dời của những trạm GPS này so với nhau để tính ra mức độ đất đá đã dịch chuyển.
Brendan Crowell và các đồng sự tại Viện Hải dương học Scripps ở trường Đại học California, San Diego, vừa phát triển phương pháp này thành hệ thống dùng để lập mô phỏng quy mô của những trận động đất một cách chi tiết. Hệ thống xây dựng trên một mô hình toán học cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu GPS vùng để tái tạo các mặt phẳng đứt gãy và mô tả đặc trưng sự hoạt động bên trong những vùng này trong một trận động đất. Họ khẳng định rằng hệ thống của họ có thể xác định độ lớn của một trận động đất nhanh hơn đáng kể so với những phương pháp địa chấn truyền thống khấc. Nó sẽ cho phép các nhà địa chấn nhận ra trận động đất Nhật Bản 9,0 độ trong vòng 2 đến 3 phút thôi.
Crowell và đội của ông cho biết mô hình trên có thể chạy theo hai kiểu khác nhau. Thứ nhất là áp dụng mô hình cho một vùng trong đó mạng lưới các vết đứt gãy đã được các nhà địa chấn học biết rõ. Trong kiểu thứ hai, mô hình được áp dụng cho một vùng trong đó các chi tiết của vùng đứt gãy chưa được biết rõ cho lắm. Trong tình huống thứ hai này, mô hình có khả năng sử dụng dữ liệu GPS để tái tạo mạng lưới các vết đứt gãy bên dưới bề mặt Trái đất bằng cách sử dụng một hàm toán học gọi là tensor moment trọng tâm.
Tái tạo những trận động đất lớn
Công bố những kết quả của họ trong bài báo đăng trên tạp chí Geophysical Research Letters, đội của Crowell chứng minh mô hình của họ với hai trận động đất lớn. Ví dụ thứ nhất là sử dụng dữ liệu GPS thu từ 356 trạm GEONET để xây dựng một bức tranh của trận động đất Tokachi-oki 8,3 độ xảy ra từ 100 km ngoài khơi đảo Hokkaido của Nhật Bản. Trường hợp thứ hai sử dụng dữ liệu GPS từ 95 trạm trong Mạng Tức thời California (CRTN) để tái tạo trận động đất El Mayor-Cucapah 7,2 độ tấn công vùng Baja California thuộc miền bắc Mexico hồi năm 2010.
Trong cả hai trường hợp, nhóm của Crowell đã có thể xác định độ lớn của trận động đất trong thời gian chưa tới 2 phút, nhanh hơn những phương pháp địa chấn truyền thống đến 10 lần. Các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng trong trường hợp trận động đất Nhật Bản, phương pháp xác định trước các vết đứt gãy hoạt động tốt hơn vì hệ thống vết đứt gãy trở nên phức tạp hơn theo độ sâu. Trong trường hợp nghiên cứu Mexico, phương pháp tái tạo vùng đứt gãy cũng hoạt động tốt hơn, một phần do góc chìm của vết nứt không thay đổi nhiều theo độ sâu, cho phép biểu diễn vết nứt một cách đơn giản. Crowell cho biết nhóm của ông cũng đã sử dụng phương pháp GPS này để lập mô phỏng trận động đất Tōhoku 2011 và hiện đang viết một bài báo khác mô tả công trình này.
Nghiên cứu trên được NASA tài trợ một phần, và Crowell cho biết nhóm của ông hiện đang phát triển một nguyên mẫu hệ thống làm việc sẽ được triển khai trong năm tới và theo dõi từ Viện Scripps. Ông cảnh báo rằng không nên xem hệ thống này là một hệ thống cảnh báo sớm thật sự, vì như thế sẽ đòi hỏi một phản ứng trong vòng vài giây của một sự kiện. “Tuy nhiên, nó có thể giúp các nhà khoa học xác định những vùng thiệt hại lớn nhất với độ chính xác cao hơn. Đối với sự mô phỏng sóng thần, phương pháp này hoạt động hoàn hảo và có thể tăng tốc độ mô phỏng hiện nay lên hàng chục phút,” ông nói.