Tháng Sáu năm 1929, một trận động đất mạnh đã làm rung chuyển đảo Nam của New Zealand. Tại Copenhagen, một nhà địa chấn học tên là Inge Lehmann đã nghiên cứu những bản ghi mà nó để lại tại các trạm trên khắp thế giới. Những sóng yếu ớt đã tới được các trạm ở Nga, trong một vùng mà theo mọi lý thuyết thời bấy giờ, lõi Trái Đất lẽ ra phải chặn chúng lại.
Bà đã dành nhiều năm cho câu đố đó. Năm 1936, bà công bố lời giải của mình. Sâu bên trong lõi lỏng hẳn phải có một lõi thứ hai, lõi trong, nơi sóng truyền nhanh hơn. Chính lõi trong đó đã bẻ cong những sóng kia vào vùng cấm. Chưa từng có ai đến được nơi đó. Một trận động đất đã cho bà thấy điều đó, và đến cuối bài giảng này, bạn sẽ thấy bằng cách nào.
Trong bài giảng này, chúng ta sẽ theo chân một trận động đất từ đầu đến cuối. Chúng ta sẽ xem một đứt gãy tích tụ sức căng rồi vỡ ra như thế nào, và các nhà khoa học đọc sóng của nó ra sao. Sau đó, chúng ta sẽ xem một trận động đất dẫn tới trận tiếp theo như thế nào, và những làn sóng tiết lộ điều gì sâu bên trong hành tinh.
1:00Tích tụ sức căng
Lớp vỏ ngoài của Trái Đất bị vỡ thành các mảng trôi dạt vài centimet mỗi năm. Nơi hai mảng gặp nhau, ranh giới giữa chúng là một đứt gãy, và phần lớn thời gian hai bên bị kẹt chặt vào nhau, ngay cả khi các mảng vẫn tiếp tục chuyển động.
1:13Đá gần một đứt gãy bị kẹt từ từ uốn cong, giống như một tấm ván nhún chịu một sức nặng ngày càng tăng. Năm 1910, một nhà địa chất tên là Harry Fielding Reid đã chứng minh điều này từ các cuộc đo đạc đất đai được thực hiện trước và sau trận động đất lớn ở San Francisco năm 1906. Ông gọi đó là sự bật đàn hồi: hàng chục năm uốn cong chậm chạp, rồi đột ngột bật trở lại.
1:34Đó là chu kỳ động đất. Đứt gãy tích tụ sức căng trong hàng chục hoặc hàng trăm năm, vỡ ra trong vài giây hoặc vài phút, rồi lại khóa chặt và bắt đầu tích tụ trở lại. Mỗi trận động đất lớn là một vòng quay của chu kỳ đó.
1:48Các nhà khoa học có thể quan sát quá trình tích tụ đó diễn ra. Các máy thu GPS gắn chặt vào mặt đất theo dõi vị trí của chính chúng với độ chính xác tới một phần nhỏ của một inch, tức vài milimét. Ở xa một đứt gãy bị khóa, các trạm di chuyển theo mảng của chúng, nhưng những trạm ở gần đứt gãy thì bị tụt lại phía sau. Mặt đất đang bị uốn cong.
2:06Mức độ một đứt gãy bị kẹt chặt đến đâu được gọi là độ liên kết của nó. Một đứt gãy liên kết hoàn toàn tích trữ gần như toàn bộ chuyển động của các mảng, năm này qua năm khác. Ngoài khơi đông bắc Nhật Bản, trận động đất lớn tháng Ba năm 2011 cho thấy các mảng ở đó đã bị khóa chặt đến tận rãnh đại dương, nơi mảng Thái Bình Dương chúi xuống bên dưới Nhật Bản. Khi ranh giới đó bung ra, đáy biển dịch chuyển, có nơi tới khoảng 50 mét, hơn 150 feet.
2:33Không phải đứt gãy nào cũng đứng yên hoàn toàn trong lúc tích tụ sức căng. Bên dưới bang Washington và British Columbia, phần sâu của ranh giới mảng trượt chừng một inch, tức vài centimet, trong khoảng hai tuần, cứ khoảng 14 tháng một lần. Không ai cảm nhận được điều đó. GPS đã phát hiện ra những sự kiện trượt chậm này vào khoảng năm 2000. Các nhà khoa học theo dõi chúng chặt chẽ, vì mỗi lần như vậy lại tăng thêm sức căng cho phần bị khóa của đứt gãy nằm phía trên.
3:00Chu kỳ đó để lại dấu vết trong lòng đất. Các nhà địa chất đào những hố cắt ngang đứt gãy và đọc các lớp đất như đọc những trang sách. Nơi một lớp đất bị xé rách và xê dịch, đó là do một trận động đất đã làm vỡ nó. Việc xác định niên đại của những lớp đất đó cho thấy một đứt gãy đã vỡ thường xuyên đến mức nào trong hàng nghìn năm.
Một trận động đất không làm vỡ toàn bộ đứt gãy cùng một lúc. Nó bắt đầu tại một điểm, chấn tiêu, nơi ứng suất lần đầu thắng được lực ma sát. Từ đó, vết vỡ, hay sự đứt vỡ, lao ra bên ngoài trên mặt đứt gãy, thường với tốc độ 2 đến 3 km mỗi giây. Một vài vết đứt vỡ thậm chí còn chạy nhanh hơn một số sóng do chính chúng phát ra.
3:39Trận động đất càng lớn, vết vỡ càng kéo dài lâu hơn. Một trận vừa phải kết thúc chỉ trong vài giây. Trong trận động đất lớn ở Sumatra năm 2004, sự đứt vỡ tiếp tục xé về phía bắc trong khoảng tám phút, dọc theo hơn 1.300 km đứt gãy.
3:56Phần đứt gãy bị vỡ rộng bao nhiêu, và nó trượt xa bao nhiêu, quyết định kích thước của một trận động đất. Các nhà khoa học nhân ba yếu tố với nhau: diện tích phần đứt gãy đã vỡ, quãng đường hai bên của nó đã trượt, và độ cứng của đá. Kết quả, mô-men địa chấn, là nền tảng của thang độ lớn hiện đại. Mỗi bậc nguyên trên thang đo nghĩa là năng lượng giải phóng nhiều hơn khoảng 32 lần.
4:18Phần lớn các trận động đất bắt đầu trong phạm vi khoảng 70 km tính từ bề mặt. Nhưng ở nơi một mảng chúi xuống bên dưới mảng khác, động đất đi theo mảng đang chìm xuống sâu tới khoảng 700 km. Năm 1994, một trong những trận động đất sâu lớn nhất từng được ghi nhận đã xảy ra ở độ sâu khoảng 630 km bên dưới Bolivia. Nó được cảm nhận ở tận Canada.
4:44Đọc các làn sóng
Vết vỡ phát ra các làn sóng. Sóng P nén và giãn đá, giống như một cú đẩy dọc theo lò xo, và chúng truyền nhanh nhất. Sóng S làm đá rung lắc sang hai bên, và đến muộn hơn. Nơi chúng chạm tới bề mặt, sóng mặt cuộn lan ra dọc theo mặt đất. Chúng chậm nhất, và gây ra một phần lớn thiệt hại.
5:03Khoảng cách thời gian giữa sóng P và sóng S cho một trạm biết trận động đất ở cách xa bao nhiêu. Với một trận ở gần, mỗi giây chênh lệch đó tương ứng với khoảng 8 km. Ba trạm là đủ để xác định chính xác vị trí, và các mạng lưới gồm hàng trăm trạm làm việc đó chỉ trong vài giây.
5:19Đứt gãy vỡ theo ba cách chính. Ở đứt gãy thuận, vỏ Trái Đất bị kéo giãn và một khối sụt xuống. Ở đứt gãy nghịch, vỏ bị nén ép và một khối trườn lên trên khối kia. Ở đứt gãy trượt bằng, hai bên trượt ngang qua nhau.
5:34Chính các làn sóng tiết lộ đứt gãy đã vỡ theo hướng nào. Ở một số trạm, chuyển động đầu tiên của mặt đất là một cú đẩy; ở những trạm khác, là một cú kéo. Khi được thể hiện trên bản đồ quanh địa cầu, những cú đẩy và kéo đó vẽ nên một hình mà các nhà địa chấn học gọi vui là "quả bóng bãi biển". Tháng Hai năm 2023, một trận động đất độ lớn 7,8 đã xảy ra ở Thổ Nhĩ Kỳ. Quả bóng bãi biển của nó cho thấy một vết vỡ trượt bằng, và các dư chấn đã vạch ra vết vỡ đó dọc theo đứt gãy Đông Anatolia.
6:02Việc xác định chính xác kích thước thì mất nhiều thời gian hơn. Năm 2011, cảnh báo sóng thần đầu tiên của Nhật Bản, khoảng ba phút sau khi rung lắc bắt đầu, dựa trên độ lớn 7,9. Phương pháp nhanh bị chạm ngưỡng đối với những trận động đất lớn nhất, và ước tính đã được nâng dần, theo từng bước, lên 9. Những con số nhanh phục vụ cho cảnh báo; con số cuối cùng đến từ toàn bộ bản ghi.
6:27Con số cuối cùng đó là độ lớn mô-men, được tính từ diện tích và độ trượt của đứt gãy. Không giống các thang đo cũ, nó không ngừng tăng đối với những trận động đất lớn nhất. Vì vậy, một trận động đất lớn có thể có nhiều độ lớn khác nhau trong giờ đầu tiên, khi các ước tính nhanh dần nhường chỗ cho độ lớn mô-men.
6:45Vệ tinh radar có thể lập bản đồ toàn bộ một trận động đất cùng một lúc. Bằng cách so sánh các ảnh chụp trước và sau, chúng vẽ nên những dải màu ở nơi mặt đất dịch chuyển, mỗi dải tương ứng với khoảng 3 cm, khoảng một inch, chuyển động về phía vệ tinh. Hình mẫu đó vạch ra đứt gãy đã vỡ, ngay cả ở những nơi không ai có thể tới được.
7:07Các trận động đất trò chuyện với nhau
Động đất tuân theo những quy luật riêng. Cứ mỗi bậc độ lớn giảm xuống, số trận động đất lại nhiều hơn khoảng mười lần. Trên toàn thế giới, trong một năm bình thường có hơn 1.000 trận động đất độ lớn từ 5 trở lên, nhưng chỉ khoảng một trận độ lớn từ 8 trở lên.
7:22Sau một trận động đất lớn là các dư chấn, và chúng giảm dần theo một cách đều đặn, một quy luật mà nhà địa chấn học Fusakichi Omori đã tìm ra ở Nhật Bản vào những năm 1890. Mười ngày sau trận động đất chính, dư chấn xảy ra với tần suất khoảng một phần mười so với ngày đầu tiên. Một trăm ngày sau, khoảng một phần trăm.
7:40Dư chấn lớn nhất, tính trung bình, có độ lớn nhỏ hơn trận động đất chính khoảng 1,2. Vì vậy, sau một trận độ lớn 7, một dư chấn mạnh gần độ lớn 6 không có gì đáng ngạc nhiên, và các tòa nhà bị hư hại nên được để trống cho đến khi được kiểm tra.
7:59Một trận động đất không chỉ giải phóng ứng suất. Nó còn di chuyển ứng suất. Nơi đứt gãy bị vỡ kết thúc, ứng suất lên phần đá ngay phía bên kia tăng lên, và đoạn tiếp theo bị đẩy đến gần điểm vỡ hơn.
8:11Đứt gãy Bắc Anatolia ở Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy rõ điều đó. Bắt đầu từ năm 1939, một loạt trận động đất lớn đã lần lượt tiến dọc theo nó từ đông sang tây trong suốt 60 năm. Một nghiên cứu về mười trận lớn nhất cho thấy chín trận đã bị những trận trước đó đẩy đến gần điểm vỡ hơn. Tháng Tám năm 1999, cuộc hành tiến đó tới Izmit, gần Istanbul, và làm tăng khả năng xảy ra một trận động đất mạnh bên dưới Istanbul.
8:38Con người cũng có thể mở khóa các đứt gãy. Ở Oklahoma, các hoạt động khai thác dầu khí đã bơm những khối lượng khổng lồ nước thải mặn xuống sâu dưới lòng đất, làm tăng áp suất bên trong các đứt gãy cũ cho đến khi chúng trượt. Số trận động đất độ lớn từ 3 trở lên đã tăng vọt từ khoảng hai trận mỗi năm lên hơn 900 trận vào năm 2015. Trận lớn nhất ở Oklahoma, độ lớn 5,8 gần Pawnee năm 2016, được cảm nhận ở nhiều bang.
9:07Tất cả những điều này được đưa vào công tác dự báo, vốn chỉ đưa ra xác suất, không bao giờ đưa ra một ngày cụ thể. Thị trấn nhỏ Parkfield, California, nằm trên đứt gãy San Andreas. Từ năm 1857 đến năm 1966, sáu trận động đất vừa phải đã xảy ra ở đó, khoảng 22 năm một trận.
9:24Năm 1985, các nhà khoa học dự báo trận tiếp theo sẽ xảy ra trước năm 1993, và lắp đầy khu vực bằng thiết bị đo để ghi lại nó. Nó đến vào năm 2004, 11 năm sau khi khung thời gian dự báo khép lại. Đứt gãy đủ đều đặn để dự báo, nhưng không đủ đều đặn để tuân theo một thời gian biểu.
9:43Vì vậy, các dự báo hiện đại kết hợp chu kỳ động đất, dấu vết trong các hố đào, và các phép đo GPS về sự tích tụ sức căng, thành xác suất cho từng đứt gãy trong những thập kỷ tới. Sau đợt tăng vọt ở Oklahoma, Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ cũng bắt đầu đưa ra các dự báo một năm cho những trận động đất do con người gây ra.
10:04Nhìn vào bên trong Trái Đất
Chính những làn sóng làm rung chuyển mặt đất cũng truyền qua toàn bộ hành tinh. Đá ở sâu hơn chịu áp suất khổng lồ, và sóng nói chung tăng tốc khi đi xuống. Vì vậy, đường đi của chúng cong nhẹ trở lại về phía bề mặt, giống như ảo ảnh lung linh trên mặt đường nóng.
10:19Năm 1909, một nhà khoa học người Croatia tên là Andrija Mohorovičić nhận thấy sóng từ một trận động đất gần đó đến thành hai đợt. Một số đã đi theo một đường nhanh hơn qua lớp đá sâu hơn. Ông đã tìm ra đáy của lớp vỏ, một ranh giới đến nay vẫn được đặt theo tên ông: mặt Moho.
10:38Ở sâu hơn nhiều, các làn sóng hé lộ phần lõi. Ở khoảng cách hơn một phần tư vòng quanh địa cầu tính từ trận động đất, sóng S biến mất, và không bao giờ quay lại. Sóng P cũng yếu dần rồi biến mất, sau đó xuất hiện trở lại ở phía bên kia. Sóng S không thể truyền qua chất lỏng. Lõi ngoài ở trạng thái nóng chảy.
10:55Và điều đó đưa chúng ta trở lại với Inge Lehmann. Những sóng yếu ớt ở Nga đã đi xuyên qua lõi lỏng, và bị bẻ cong bởi một thứ gì đó nhanh hơn ở bên trong nó. Đó là một lõi trong, có bán kính khoảng 1.200 km. Các nghiên cứu sau này cho thấy nó là sắt và niken ở thể rắn, nóng xấp xỉ bề mặt Mặt Trời. Các mạng lưới hiện đại lập bản đồ lòng sâu Trái Đất trong ba chiều, từ hàng triệu bản ghi như thế.
11:19Chưa ai khoan sâu hơn khoảng 12 km. Phần lớn những gì chúng ta biết về mọi thứ bên dưới đều đến từ việc đo thời gian đến của sóng động đất tại các trạm trên khắp thế giới.
Vậy, có ba điều cần ghi nhớ. Thứ nhất, một đứt gãy tích tụ sức căng trong nhiều thập kỷ, vỡ ra trong vài phút, rồi lại khóa chặt: đó là chu kỳ động đất. Thứ hai, các làn sóng tiết lộ đứt gãy đã vỡ ở đâu, chuyển động ra sao và vết vỡ lớn đến mức nào, và mỗi trận động đất lại chuyển ứng suất sang trận tiếp theo. Và thứ ba, chính những làn sóng đó đã lập bản đồ bên trong hành tinh, xuống tận lõi rắn của nó.
11:54Mỗi trận động đất là một thông điệp từ bên trong hành tinh. Inge Lehmann đã đọc được một thông điệp từ năm 1929, và tìm ra một thế giới mà sẽ không ai có thể đặt chân tới. Cảm ơn bạn đã xem Earth Explained. Hãy đăng ký kênh để xem bài giảng tiếp theo, và theo dõi hành tinh trực tiếp, suốt ngày đêm, trên EarthWatch 24-7.
