CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG TRÊN THỀM ĐẢO NỔI XA BỜ 1.1 Tổng quan về đảo nổi xa bờ 1.1 Sự hình thành đảo nổi xa bờ Núi lửa ngừng hoạt động trong đại dương San hô phát triển quanh vành núi lửa Đảo nổi dạng viền hình thành, đáy đại Đảo dạng dải chắn, giữa là vụng, đáy đại dương chìm xuống dương chìm hoàn toàn Hình 1-1 Sự hình thành của đảo nổi [9] Theo Darwin (1842) [10] đặt giả thuyết nền địa chất của đảo nổi là nền đá gốc, hình thành do nham thạch phun trào là tàn tích từ những trận núi lửa thời cổ. Những nghiên cứu sau này cũng củng cố giả thuyết đó. Các loại hình đảo nổi sẽ được hình thành và chuyển đổi theo ba giai đoạn với khung thời gian hàng triệu năm. Đầu tiên xuất phát từ núi lửa trong đại dương đã nguội, đáy đại dương chìm xuống, núi lửa ngập dưới mực nước biển tạo điều kiện và môi trường cho sự phát triển của san hô.
Các lớp san hô theo thời gian chết đi, vôi hóa lại là cơ hội cho những thế hệ san hô sau mọc lên. Nhờ đó mà đảo nổi dạng viền phát triển dần và mở rộng ra từ phía bờ như một vành khăn bao xung quanh triền núi lửa cũ nay trở thành bờ đảo. Giai đoạn hai là khi quá trình chìm xuống tiếp tục, các đảo dạng viền cũng tiếp tục mở rộng, các vụng (lagoon) trở nên sâu hơn và rộng hơn sẽ phân cách hoàn toàn phần đất rìa đảo và phần bờ đảo, khi đó hình thành nên đảo nổi dạng dải chắn. Giai đoạn ba là giai đoạn cuối cùng khi toàn bộ phần núi lửa cũ (bờ đảo) chìm dưới mực nước biển, đảo nổi dạng dải chắn chuyển thành đảo nổi dạng vòng kèm với nó là một vùng vụng rộng lớn thông với nhau (Hình 1-1).2 Phân loại đảo nổi xa bờ Sự phân loại đảo nổi được căn cứ vào sự hình thành và hình thái của rạn san hô.
Có ba loại rạn san hô điển hình [10] bao gồm: đảo nổi dạng viền, đảo nổi dạng dải chắn và đảo nổi dạng vòng (). Đảo nổi dạng viền là dạng đảo có thềm đảo nối liền với bờ đảo. Loại hình đảo này không tạo thành vụng ở trên thềm. Ở giữa thềm có thể trũng xuống một chút nhưng không tạo thành vụng nông (a).
Điển hình đảo san hô dạng viền phải kể đến đảo Male (Maldives), Lady Elliot (Úc), Ningaloo (Úc), Molokai (Hawaii). Đảo san hô dạng dải chắn có thềm đảo tách với bờ đảo, trên thềm là vụng (lagoon) kích thước lớn, chiều sâu nước trên thềm tương đối lớn. Loại hình đảo này thường có thềm đảo chạy song song với đường bờ. Do đặc điểm đó nên vùng nước trước và sau thềm chia thành hai phần: phần nước sâu màu xanh thẫm trong vụng và phần nước nông trong hơn trên thềm (b).
Đảo san hô dạng dải chắn lớn nhất là Great Barrier ở Australia. Đảo vòng san hô là dạng đảo san hô hình dạng vòng tròn ở giữa là đầm rộng và sâu thường được gọi là “đầm trung tâm”. Đảo san hô dạng vòng (c) thường được tìm thấy ở các vùng biển Ấn Độ Dương như Maldives và Chago Island. Tại Việt Nam, quần đảo Trường Sa, Hoàng Sa với những cụm đảo Song Tử Tây, Nam Yết, đảo Vành Khăn cũng được xếp vào dạng đảo nổi dạng vòng.
Ba loại đảo nổi điển hình [11] a. Đảo nổi dạng viền (fringing reef) b. Đảo nổi dạng dải chắn (barrier reef) c. Đảo nổi dạng vòng (atoll) Trong số ba loại hình đảo san hô kể trên thì đảo nổi dạng viền phổ biến hơn cả, chiếm hơn 50% trong tổng số đảo san hô toàn cầu [12].
Xét về quan điểm quản lí đường bờ, dân sinh và quốc phòng an ninh đảo nổi dạng viền là thích hợp nhất khi thềm đảo được 7 kết nối trực tiếp với đường bờ phía sau. Do đó đối tượng nghiên cứu của luận án là đảo nổi dạng viền với số lượng chiếm ưu thế.3 Đặc điểm địa hình của đảo nổi xa bờ Qua phân tích có thể thấy đối tượng nghiên cứu của luận án là đảo nổi dạng viền, với số lượng chiếm ưu thế. Mặt khác, với đảo san hô dạng vòng khi xem xét ở góc độ gần, phạm vi nhỏ thì rạn san hô cũng gần tương tự như một đảo nổi dạng viền có vụng. Vì vậy trong phần này sẽ được tập trung nghiên cứu địa hình địa mạo của đảo nổi dạng viền (Hình 1-3).
Mặt cắt ngang đảo nổi dạng viền [13] Đảo nổi có cấu tạo khác hoàn toàn với đảo gần bờ hay một bờ biển cát thường thấy. Toàn bộ bề mặt đảo có cao độ thay đổi từ -1000m (tại chân vách dốc) tới cao độ trên thềm thay đổi -1m tới cao độ 0m; phần lõi đảo nhô lên trên mặt nước, cao độ từ +2- 3.5m, cá biệt có địa hình nhô cao +4. Địa hình đảo nổi gồm: (1) Đáy biển (2) Vách dốc hay còn gọi là sườn dốc; (2) Thềm đảo; (3) Bờ đảo (Hình 1-3). Đáy biển có độ sâu từ -2000m tới -1000m tính tới chân vách dốc.
Vách dốc đảo là phần chuyển tiếp từ vùng nước rất sâu thuộc đáy biển, sang vùng nước rất nông trên thềm độ sâu trung bình chỉ trên một mét, cao nhất là 3 đến 4 mét. Vách dốc gồm hai phần: độ dốc phần chân mái từ 1/1 tới 1/2 sau đó bắt đầu từ độ sâu -50m chuyển lên độ dốc thoải hơn từ 1/12 tới 1/5 khi lên gần mặt nước. Vì thế mà độ sâu nước trên vách dốc cũng biến đổi rất lớn từ vài trăm mét tới vài chục mét. Thềm đảo là một vùng nước nông (độ sâu một vài mét nước) trên một phạm vi không gian hẹp (dài từ vài trăm mét đến trên dưới một nghìn mét).
Thềm đảo là một vùng địa hình dạng lòng chảo có thể có vùng trũng hơn với độ sâu tới 8 50-60m còn lại là địa hình đáy tương đối bằng phẳng cao độ thay đổi từ -1. Dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng độ sâu nước trên thềm có thể sâu hơn hiện tại tới trên 1m trong 100 năm tới [14]. Bờ đảo thường là dạng trầm tích cát, diện tích nhỏ có độ nghiêng trong khoảng 1/20 cho tới 1/5, 1/3 và thậm chí rất dốc (thẳng đứng). Bờ đảo nhô cao hơn so với mực nước trung bình cao độ từ +2.
San hô phát triển trên mái dốc đảo tới thềm đảo tạo thành rạn san hô, vào sâu trong thềm có thể là bờ cát thông thường. Tại hầu hết các rạn san hô sinh vật thống trị là loài san hô đá với xương calxi cacbonat nên rất thích hợp là nơi sinh sống của nhiều loại động vật biển. Tuy nhiên dưới tác động của biến đổi khí hậu, nhiều diện tích san hô đang dần mất đi hoặc bị thoái hóa và chết khiến cho bề mặt đảo có thể trở nên nhẵn hơn. Điều đó làm ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình truyền sóng lên thềm đảo.4 Các thông số kích thước mặt cắt ngang đảo nổi Qua thu thập tài liệu tổng quan trên thế giới, tác giả đã tổng hợp 10 loại hình đảo nổi ở các vùng biển Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương với kích thước mặt cắt ngang là độ rộng thềm, hệ số mái vách dốc, hệ số mái bờ đảo như bảng 1.
Vị trí các đảo nổi thu thập thể hiện trên hình 1. Vị trí các đảo nổi được tổng hợp từ tài liệu tổng quan 9 Bảng 1-1 Các thông số kích thước và độ sâu nước của mặt cắt ngang đảo Kích thước mặt cắt ngang Độ sâu nước Loại đảo Tên đảo Hệ số mái vách Độ rộng thềm Hệ số mái trên thềm dốc cotanα [-] [m] bờ đảo cotanβ [m] [-] Dạng viền Ningaloo, Úc [4] [15] 20 1000 - 1,0 - 2,0 Dạng viền Lady Elliot, Úc [16] - 50 - 400 7 – 12 0.7 Dạng vòng Mururoa, Polynesia - 100 - 0.1 Dạng viền Hanalei, Hawaii [20] 18 300 - 1.4 Dạng viền Molokai, Hawaii [21] 18 500 - 1000 Thẳng đứng 0.8 Dạng vòng Majuro, Cộng hòa đảo 7 250 - 0.0 Marshall [19] Dạng vòng Kwajalein9, Cộng hòa 20 250 6 0 -1.0 đảo Marshall [25] Dạng vòng Alphonese, Seychelles 10 – 20 400 - 500 10 0 – 0.2 [26] Giá trị dốc/sâu/rộng lớn nhất 1 1000 Thẳng đứng 3.8 Giá trị dốc/sâu/rộng trung bình 10-20 100-400 6-12 0.0 Giá trị dốc/sâu/rộng nhỏ nhất 20 50 12 0 Trong số 10 đảo thu thập có 6 đảo dạng viền và 4 đảo dạng vòng. Hệ số mái vách dốc (cotanα) trung bình thay đổi khoảng 10-20, giá trị dốc nhất là 1, giá trị thoải nhất là 20. Độ rộng thềm đảo trung bình thay đổi khoảng 100-400 (m), giá trị nhỏ nhất là 50m, giá trị lớn nhất là 1000m.
Chỉ có 4 đảo trong tài liệu tổng quan nhắc tới hệ số mái bờ đảo (cotanβ), giá trị thoải nhất là 12 giá trị dốc nhất là mái bờ thẳng đứng. Các kí hiệu cho góc cotanα, cotanβ, độ rộng thềm, vách dốc được thể hiện trong Hình 1-5 Hình 1-5. Sơ đồ các thông số kích thước và điều kiện ngoại lực lên đảo Ở Việt Nam những nghiên cứu về đảo nổi chủ yếu phục vụ công trình bảo vệ bờ và an ninh quốc phòng. Nghiên cứu của tác giả Đinh Quang Cường về xác định chiều cao sóng trên đảo Trường Sa Lớn trên mô hình vật lý [27] cho thấy: các mặt cắt địa hình đảo được nghiên cứu theo 08 hướng Tây Nam (SW), Tây Bắc (NW), Đông Nam (SE), Đông (E), Nam (S), Tây (W), Bắc (N) và Đông Bắc (NE).
Các mặt cắt SW, NW, SE và E là các mặt cắt có mái dốc trước rất dốc cotanα = 1. Tiếp theo là các mặt cắt S, W và N vách 10 san hô mái thoải hơn cotanα = 2. Mặt cắt NE có vách dốc mái thoải cotanα = 10. Hệ số mái của vách dốc đảo Trường Sa Lớn tại các mặt cắt địa hình đặc trưng [27] Độ dốc lớn của vách dốc thềm đảo thể hiện qua sự thay đổi đột ngột của địa hình ở cao trình từ 5m tới -50m.
Tổng quát các đảo nổi trong cụm quần đảo Trường Sa (Bảng 1-2) cho thấy vách dốc thềm đảo phần gần mặt nước độ sâu từ -50m trở lên (từ 4.5 đến 10) lớn hơn so với vách dốc các đảo đã thống kê trên biển Thái bình Dương và Đại Tây Dương (từ 10-20) trong Bảng 1-1. Hệ số mái vách dốc của các đảo nổi trong quần đảo Trường Sa [28] Các đảo nổi Hệ số mái vách dốc (cotanα) STT (hướng mặt cắt) Độ sâu -500m đến -50m Độ sâu -50m đến mặt nước 1 An Bang (AB Nam) 1.6 5 Song Tử Đông (STĐ Đông Nam) 1.5 6 Song Tử Tây (STT Đông Bắc) 1.0 8 Trường Sa Đông (TSĐ Đông Bắc) 1.