Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu dự báo động đất trên thế giới: Từ lâu các nhà khoa học đã thống kê và tổng kết được những nguyên nhân chính gây ra động đất, nơi nào thường xuyên xảy ra động đất và tính toán được những tham số cơ bản của một trận động đất khi nó diễn ra. Tuy nhiên, vấn đề dự báo sớm động đất sẽ xảy ra ở đâu, khi nào và có độ lớn bao nhiêu là điều mà các nhà khoa học hướng đến thì vẫn là một bài toán chưa có lời giải trọn vẹn. Qua nhiều thế kỷ, người ta đã dựa trên những cơ sở khác nhau, từ các hoạt động khác thường của một số loài vật tới những hình thù kỳ lạ của các đám mây, sự biến đổi đột ngột của mực nước giếng, hay sự thay đổi hàm lượng radon hoặc hydro trong đất đá để tìm cách dự báo động đất.
Một trong những lần người ta đã dự báo được chính xác là trận động đất tại Haicheng, Trung Quốc, năm 1975. Lệnh di tản đã được phát đi một ngày trước khi trận động đất mạnh 7,3 độ Richter tàn phá thành phố. Trong nhiều tháng trước đó, người ta đã ghi được hàng loạt những trận động đất nhỏ, cùng với nó là sự thay đổi mực nước ngầm và sự dâng lên của bề mặt địa hình. Tuy nhiên, rất ít trận động đất có những dấu hiệu tiền báo như thế.
Sau thành công ở Haicheng, cũng chính các nhà địa chấn học Trung Quốc đã không thể dự báo một trận động đất với sức hủy diệt còn lớn hơn tại Tangshan năm 1976. Với cường độ 7,6 độ Richter, trận động đất này đã cướp đi sinh mạng của 250 nghìn người. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ dự báo thiên tai ngày càng được hoàn thiện hơn. Các trận động đất thường là kết quả chuyển động của các bộ phận đứt gãy trên vỏ Trái đất, cấu tạo chủ yếu từ chất rắn.
Tuy rất chậm nhưng mặt đất vẫn luôn chuyển động và động đất xảy ra khi ứng suất (nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do các tác nhân bên ngoài tác dụng) cao hơn sức chịu đựng của đất đá. Các nhà khoa học nhận thấy rằng việc đo những sự thay đổi trong các đoạn đứt gãy khó hơn nhiều so với việc đo biến thiên ứng suất, đặc biệt là các Trần Việt Phương 9 Luận văn Thạc sĩ đứt đoạn nằm sâu bên trong thạch quyển. Gần đây, các chuyên gia khoa học của Viện nghiên cứu Carnegie - Mỹ đã tìm ra cách để kiểm tra và giám sát chiều dài của các đoạn đứt gãy, cũng như sự dịch chuyển của chúng trên vỏ Trái đất. Phát hiện này có thể là một phương pháp mới đầy hữu ích, giúp cho việc dự báo các trận động đất bằng cách định vị chính xác các đứt gãy có khả năng làm rung chuyển mặt đất và gây ra các trận động đất.
Trong khi đó, các chuyên gia của Viện Nghiên cứu vũ trụ thuộc Viện Hàn lâm khoa học Nga lại tiếp cận việc dự báo động đất sớm từ vũ trụ bằng việc lắp đặt thiết bị dự báo động đất trên trạm không gian quốc tế. Thiết bị này có thể ghi nhận những biến đổi của các dòng điện tử và proton có năng lượng trung bình trong khoảng không gian gần Trái đất. Các nhà khoa học cho rằng những thay đổi của các dòng điện tử và proton này có liên quan tới các quá trình địa vật lý trên Trái đất như dông tố, động đất, vv… Do vậy, khi ghi nhận được những thay đổi này, chúng ta có thể dự báo động đất với độ chính xác cao. Ngoài ra, người ta đã và đang sử dụng hàng loạt các phương pháp nghiên cứu dự báo động đất khác dựa trên việc làm sáng tỏ các dấu hiệu khác nhau như: - Các dấu hiệu về sự phát triển của vùng nguồn (dị thường về mật độ các đứt gãy sinh chấn), - Quan hệ giữa vận tốc lan truyền sóng dọc và sóng ngang, - Năng lượng giải phóng trong các chuỗi động đất, và hàng loạt các dấu hiệu khác có đặc trưng báo trước các động đất tương lai (các động đất sẽ xảy ra).
Trong một loạt các phương pháp khác người ta lại sử dụng các bất thường đồng thời trong diễn biến của một số các dấu hiệu có bản chất vật lý khác nhau. Một số công trình theo hướng này chứa các công thức thuật toán dự báo động đất. Đó là các thuật toán dự báo động đất CN và M8. Kết quả dự báo động đất theo kiểu như vậy là chỉ ra vùng động đất mạnh trong tương lai, mà ở đó trong một khoảng thời gian nào đó (thường là nhiều năm và gọi là dự báo trung hạn) sẽ xảy ra động đất.
Ưu điểm của hệ phương pháp và các thuật toán dự báo trung hạn như trên là làm sáng tỏ được các dấu hiệu của động đất tương lai, có ý nghĩa vật lý và cho phép Trần Việt Phương 10 Luận văn Thạc sĩ đánh giá chúng bằng các phương pháp thống kê. Tuy nhiên, tính không xác định của độ chính xác dự báo động đất trung hạn có thể coi là nhược điểm cơ bản của các phương pháp này. Vì vậy, trong luận văn này, tác giả sẽ ứng dụng mô hình thống kê để thiết lập chương trình thử nghiệm dự báo ngắn hạn động đất và magnitude của chúng, áp dụng đối với lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận. Cách tiếp cận mới này vừa đơn giản hơn mà lại có khả năng loại bỏ được các nhược điểm của các phương pháp nêu trên.
Tình hình nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam: Nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam chủ yếu được tiến hành theo hai nhóm phương pháp chính như sau: Dự báo động đất cực đại trên cơ sở các tài liệu địa chất – địa vật lý. Dự báo động đất cực đại trên cơ sở phân tích thống kê địa chấn. * Dự báo động đất cực đại trên cơ sở tài liệu địa chất – địa vật lý bao gồm một số phương pháp như sau: 1. Phương pháp tính Mmax theo quy mô vùng phát sinh động đất: Theo phương pháp này, người ta dựa vào sự liên hệ giữa kích thước của đoạn đứt gãy sinh chấn (L) cũng như bề dày tầng sinh chấn (H) với M max động đất [37, 38, 43, 44]: Mmax ≤ 2lg L(km) + 1.48 Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào việc chúng ta xác định kích thước của đoạn đứt gãy sinh chấn và bề dày tầng sinh chấn như thế nào.
Phương pháp này áp dụng tốt cho vùng có đứt gãy hoạt động nhưng đồng thời nó lại không thể dự báo được Mmax cho những vùng khác không có đứt gãy hoạt động. Phương pháp kiến tạo vật lý: Theo phương pháp này cho rằng, vị trí, năng lượng của động đất mạnh cực đại của mỗi vùng phụ thuộc vào gradient vận tốc chuyển động kiến tạo thẳng đứng trong thời kì tân kiến tạo. Trong đó nếu Trần Việt Phương 11 Luận văn Thạc sĩ gradient vận tốc lớn hơn 10-8/ năm thì trên diện tích 1000 km2 có thể xảy ra động đất cấp 7 một lần trong 1000 năm. Sau đó gradient vận tốc cứ tăng lên 3 lần thì độ mạnh động đất tăng lên 1-2 cấp.
Song cần lưu ý rằng, động đất trước hết là hệ quả của các chuyển động hiện đại mà gradient vận tốc trung bình trong cả chu kỳ tân kiến tạo có thể không phản ánh được, do đó có thể gradient của vận tốc ấy không phản ánh mức độ nguy hiểm động đất hiện nay. Thêm nữa động đất mạnh không chỉ là hệ quả của chuyển động thẳng đứng mà thường là hệ quả của các chuyển động ngang. Trong từng trường hợp đó gradient vận tốc chuyển động thẳng đứng không nói lên điều quan trọng nhất. Phương pháp đánh giá chuyên gia Cơ sở chính của phương pháp này là việc xác định mức độ phản ánh của các lớp đối tượng địa chất – địa vật lý về đặc trưng hoạt động động đất.
Mức độ phản ánh này được biểu diễn qua trọng số của từng tham số. Sau khi phân loại đối tượng, gán trọng số cho đối tượng, chúng ta tổng hợp ảnh hưởng của các đối tượng để dự báo khu vực có khả năng phát sinh động đất mạnh cũng như thành lập bản đồ dự báo chấn động cực đại [42]. Sử dụng kết hợp các tài liệu địa chất – địa vật lý: Các phương pháp này bước đầu đã được áp dụng ở Việt Nam trong một số công trình trên cơ sở sử dụng các đặc trưng cấu trúc vỏ [8, 39, 40]. Ngoài ra, các tác giả của công trình [27] cũng sử dụng một số đặc trưng cấu trúc vỏ Trái đất để áp dụng thử nghiệm dự báo động đất theo vecto dấu hiệu nhiều chiều.
Tuy nhiên, các kết quả nhận đựơc trong những công trình nêu trên còn hết sức sơ lược. Mặt khác cũng chưa có tác giả nào xây dựng được thuật toán và thiết lập được chương trình dự báo động đất phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam trên cơ sở các phương pháp áp dụng. * Các phương pháp dự báo động đất cực đại trên cơ sở phân tích thống kê địa chấn đã và đang được sử dụng ở Việt Nam chủ yếu là: 1. Bài toán phân bố cực trị Gumbel: Trần Việt Phương 12 Luận văn Thạc sĩ Cơ sở lý thuyết các hàm phân bố cực trị của Gumbel đã được trình bày trong nhiều công trình nghiên cứu ở Việt Nam và thế giới [52, 53, 10, 27, 28, 34].
Nếu ta coi X là các biến ngẫu nhiên có hàm phân bố là F(X) F(X) = P{X x} thì xác suất để cho x là lớn nhất trong n mẫu độc lập từ cùng phân bố F(X) sẽ là: G(x) = P{ X1 x, X2 x,., Xn x } = Fn (x) Đó chính là hàm phân bố của các cực trị. Nếu như ta biết được hàm phân bố ban đầu F(X) thì sẽ rất đơn giản để nhận được chính xác phân bố của các cực trị. Nhưng thông thường ta không biết được hàm phân bố ban đầu, nên cần phải xem đến dạng đường tiệm cận của sự phân bố các cực trị. Khi áp dụng lý thuyết phân bố cực trị Gumbel vào trong dự báo động đất luôn phải tuân thủ 2 giả thiết, đó là [10]: - Các cực trị quan sát được trong một khoảng thời gian cho trước độc lập đối với nhau.
- Các điều kiện đã xảy ra trong quá khứ vẫn có thể xảy ra trong tương lai.