CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Một trong những chủ đề được thế giới đặc biệt quan tâm là sự tàn phá khốc liệt do động đất gây ra đối với cộng đồng. Đặc biệt là tại các nước đang phát triển nơi có mật độ dân cư dày đặc, các công trình xây dựng dễ bị tổn thương và sự hiểu biết hạn chế về mối hiểm họa động đất. Thực tế chỉ trong vòng hơn một thập kỷ trở lại đây trên thế giới đã trải qua hàng loạt các trận động đất lớn, khiến hàng trăm nghìn người thiệt mạng và gây thiệt hại hàng tỷ đô la cho các nước sở tại. Điển hình như động đất Tứ Xuyên, Trung Quốc năm 2008, động đất Haiti năm 2010 và động đất Kathmandu, Nepal năm 2015 đã khiến hàng chục nghìn người chết và thiệt hại hàng tỷ đô la [13– 15].
Việc nghiên cứu và tiến hành đánh giá rủi ro động đất tại các nước đang phát triển nhằm đưa ra các kế hoạch ứng phó và giảm nhẹ thiệt hại do động đất gây ra là vấn đề cấp thiết. Trong Chương này sẽ giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu đánh giá nguy hiểm và rủi ro động đất trên thế giới và ở Việt Nam. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.Nghiên cứu đánh giá độ nguy hiểm động đất Cho đến nay trên thế giới có hai cách tiếp cận chủ đạo trong đánh giá độ nguy hiểm động đất: (1) cách tiếp cận xác suất và (2) cách tiếp cận tất định. Tên gọi của hai cách tiếp cận này được phân biệt theo đặc tính của các mô hình toán áp dụng trong quá trình tính toán độ nguy hiểm động đất.
Trong đó, cách tiếp cận đánh giá độ nguy hiểm động đất theo phương pháp xác suất (PSHA) được đề xuất đồng thời bởi hai nhà khoa học là Cornell và Esteva vào năm 1968 [16,17], sau đó được McGuire kế thừa và phát triển [18,19]. Trong những thập niên gần đây, PSHA đã có những tiến bộ lớn với việc chi tiết hóa và mở rộng thêm các yếu tố đánh giá như đánh giá phân tách các nguồn nguy cơ địa chấn [20,21], phân tích điểm phản hồi phi tuyến [22], giá trị véc tơ PSHA [23], hiệu ứng gần nguồn [24], độ nguy hiểm dư chấn [25]. Đồng thời, tính bất định trong PSHA cũng được xem xét và áp dụng các giải pháp nhằm giảm thiểu tính bất định đối với các tham số tính toán như tần xuất lặp lại động đất, mô hình nguồn phát sinh, mô hình tắt dần chấn động và hiệu ứng nền địa phương. Kết quả PSHA cho một khu vực 8 nghiên cứu được phản ánh thông qua các tham số phổ biến như gia tốc nền cực đại (PGA), gia tốc phổ nền (SA), và vận tốc dịch chuyển nền (PGV) ứng với các chu kỳ thời gian lặp lại khác nhau.
Phương pháp tất định đánh giá độ nguy hiểm động đất (DSHA) bắt đầu được áp dụng trên thế giới từ đầu thế kỷ 20 [26,27]. Cơ sở của DSHA là xây dựng các kịch bản động đất được xác định bởi độ lớn động đất và khoảng cách ảnh hưởng đến địa điểm được xem xét. Các kết quả rung động nền tại địa điểm nhận được từ việc tính toán dựa trên trận động đất kịch bản và mô hình tắt dần chấn động. Các kết quả chính của phương pháp tất định thường được trình bày dưới dạng các bản đồ phân vùng động đất, được thành lập ở phạm vi quốc gia hay khu vực, biểu diễn ranh giới những vùng có đặc trưng rung động nền ở các cấp độ khác nhau tại khu vực nghiên cứu.
Bước sang thế kỷ 21, những tiến bộ về khoa học và công nghệ, đặc biệt là các công nghệ mới như hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn thám, và công nghệ tin học phục vụ tính toán là động lực cho những tiến bộ và cải cách quan trọng trong quy trình thực hiện và phương pháp luận đánh giá độ nguy hiểm động đất. Việc đánh giá độ nguy hiểm động đất trở thành một mối quan tâm đa ngành với sự tương tác của nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như địa chấn học, địa chất, địa vật lý, toán học, địa kỹ thuật, xây dựng công trình và xã hội học. Cũng từ khoảng thời gian này, một số các nhà địa chấn có xu hướng áp dụng trở lại phương pháp tất định để đánh giá độ nguy hiểm động đất. Phương pháp tất định được cập nhật và nâng cấp, với sự hỗ trợ của các công cụ tính toán và hiển thị tiên tiến, đã trở nên khác hẳn so với phương pháp luận tất định áp dụng trong nửa đầu thế kỷ 20, và vì thế thường được gọi là phương pháp tất định mới (NDSHA) [28,29].
Trong NDSHA, những thiệt hại do động đất gây ra được xét một cách toàn diện như là kết quả của sự tương tác giữa hai hệ thống có mối quan hệ hữu cơ với nhau, bao gồm: 1) Lớp vỏ rắn của Trái Đất, chứa đựng ba đối tượng cơ bản là a) nguồn chấn động, b) sự truyền sóng địa chấn và c) các đặc trưng hình học và địa động lực của môi trường địa chất địa phương; 9 2) Hệ thống các yếu tố chịu rủi ro, trong đó quan trọng nhất là các yếu tố chịu ảnh hưởng trực tiếp của động đất như nhà cửa, hạ tầng cơ sở, con người, v.v… Một trong những ứng dụng quan trọng của phương pháp tất định mới là việc xây dựng các mô hình tính toán theo các động đất kịch bản, tức là những trận động đất có các tham số nguồn cho trước, được xác định dựa trên số liệu động đất đã quan sát được và theo các tiêu chuẩn địa chấn kiến tạo và địa động lực của khu vực nghiên cứu. Theo nhận định của nhiều chuyên gia địa chấn, cả hai cách tiếp cận xác suất và tất định đều đóng vai trò quan trọng và có tác dụng bổ trợ lẫn nhau trong đánh giá độ nguy hiểm động đất [30–32]. Hiện nay, việc áp dụng cả hai cách tiếp cận xác suất và tất định để đánh giá độ nguy hiểm động đất cho một khu vực là khá phổ biến. Trên phạm vi toàn cầu, năm 1999 trong khuôn khổ Chương trình đánh giá độ nguy hiểm động đất toàn cầu (GSHAP) lần đầu tiên công bố bản đồ xác suất độ nguy hiểm động đất toàn cầu [33].
Trong đó giá trị rung động nền được thể hiện dưới dạng gia tốc nền cực đại (PGA) ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm trên nền đá được minh họa hình 1. Bản đồ này được thành lập trên cơ sở tổng hợp các kết quả độc lập về đánh giá độ nguy hiểm động đất ứng với các phạm vi khác nhau như từ cấp khu vực, cấp quốc gia cho đến cấp vùng. Tuy nhiên, không lâu sau khi tập bản đồ này được công bố, tác giả Grunthal đã chỉ ra những khó khăn lớn gặp phải trong quá trình thành lập bản đồ trên, cụ thể là có rất nhiều các phương án đánh giá độ nguy hiểm địa chấn độc lập được thực hiện cho các vùng và các triết lý khác nhau trong việc xác định các vùng nguồn [34]. Hơn nữa, với việc hàng loạt những trận động đất lớn xảy ra tại các khu vực có hoạt động địa chấn thấp như động đất M = 7.7, năm 2001 Gurajat, India, động đất M = 9.2, năm 2004 Sumatra, In-đô-nê-xia đã đặt ra câu hỏi về sự tin cậy của bản đồ GSHAP [35].
Cùng với thời gian sự hiểu biết về cơ chế phát sinh động đất, số liệu địa chấn được cập nhật và phương pháp luận đánh giá độ nguy hiểm động đất được hoàn thiện. Năm 2013, Mô hình động đất toàn cầu (GEM) được thành lập với mục tiêu không những đánh giá độ nguy hiểm động đất toàn cầu mà còn đánh giá rủi ro động đất ở nhiều phạm vi cấp độ khác nhau. Bản đồ gia tốc nền cực đại (PGA) ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm trên nền đá, phiên bản năm 2018 [36] 11 Đối với phạm vi khu vực và quốc gia, tập bản đồ độ nguy hiểm động đất đã được thành lập từ những năm 1970s là cơ sở khoa học cung cấp các thông tin phục vụ việc thiết kế kháng chấn trong xây dựng và hoạch định chính sách. Cụ thể tại Mỹ, tập bản đồ nguy hiểm động đất quốc gia được thành lập bằng phương pháp xác suất do Algermissen và Perkins công bố lần đầu tiên năm 1976 [37].
Trong vòng vài thập kỷ sau đó, tập bản đồ này được các chuyên gia của Cục khảo sát địa chất Mỹ (USGS) cập nhật định kỳ vào các năm 1996, 2002, 2008, 2014 và 2018 [38–42]. Các bản đồ nguy hiểm động đất của Mỹ biểu diễn phân bố của giá trị gia tốc nền cực đại (PGA) và gia tốc phổ nền (SA) với các chu kỳ lặp và xác suất bị vượt quá khác nhau. Bản đồ gia tốc phổ nền lãnh thổ Hoa Kỳ chu kỳ ngắn 0.2s ứng với chu kỳ lặp lại 2500 năm trên nền đá loại B phiên bản 2018 [43] Tại khu vực Châu Âu, cũng giống như nhiều khu vực khác trên thế giới, tập bản đồ độ nguy hiểm động đất cho khu vực được xuất bản lần đầu tiên vào năm 1999 trong khuôn khổ Chương trình GSHAP [33]. Trên cơ sở những khó khăn và hạn chế được Grunthal chỉ ra [34], các nhà địa chấn Châu Âu đã đi tiên phong trong việc xây dựng tập bản đồ độ nguy hiểm động đất tiêu chuẩn thống nhất cho khu vực [44].
Tập bản đồ này được xây dựng bằng phương pháp xác suất với việc sử dụng mô hình vùng nguồn chấn động theo tiêu chuẩn thống nhất cho toàn bộ khu vực Châu âu. Các kết 12 quả rung động nền được thể hiện dưới PGA, SA 0.3 giây và SA 1.0 giây ứng với chu kỳ lặp lại 475 năm trên nền đất cứng (Vs30 = 500 m/s) và được sử dụng trong bộ tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn xây dựng tại Châu âu (Eurocode 8). Năm 2013, tập bản đồ độ nguy hiểm động đất khu vực Châu Âu được cập nhật lại trong khuôn khổ Chương trình hợp nhất độ nguy hiểm địa chấn khu vực Châu Âu (SHARE) và được xem là phiên bản hoàn chỉnh nhất cho đến thời điểm hiện tại. Tập bản đồ này là cơ sở khoa học cho hàng loạt các ứng dụng khác nhau, từ ứng phó động đất cho đến hoạch định chiến lược giảm nhẹ thiệt hại do động đất.
Đồng thời là cơ sở cho việc cập nhật hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Eurocode 8 [8,45]. Bản đồ gia tốc nền cực đại (PGA) ứng với chu kỳ lặp lại 2475 năm trên nền đá loại B [8].
