Họ tên Lớp Ngày

EARTH EXPLAINED · HƯỚNG DẪN BÀI HỌC

Trận động đất World Series

Loma Prieta, 1989: vì sao thiệt hại nặng nhất lại xảy ra cách đứt gãy 60 dặm

Video 9:00Cấp độ Lớp 6–12 · Địa chất học nhập môn bậc đại họcChuẩn MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1, HS-ETS1-3
Ngôn ngữ Tiếng Việt

English · Español · Português · Français · Deutsch · Italiano · Русский · Türkçe · Bahasa Indonesia · Tiếng Việt · 中文 · 日本語 · 한국어 · हिन्दी · বাংলা · اردو · العربية

Phát trêncho mạng trường học chặn YouTube

Vì sao một trận động đất có tâm ở vùng núi gần Santa Cruz lại gây ra thiệt hại chết chóc nhất ở cách đó khoảng 60 dặm, tại San Francisco và Oakland?

Lúc 5:04 chiều ngày 17 tháng Mười năm 1989, chỉ vài phút trước trận 3 của World Series, một trận động đất độ lớn 6,9 đã làm vỡ một đoạn bị chôn vùi của hệ thống đứt gãy San Andreas bên dưới dãy núi Santa Cruz. Bài học này dùng trận động đất đó để giải thích cách một ranh giới mảng trượt ngang tích tụ sức căng rồi giải phóng nó đột ngột (thuyết bật đàn hồi, ra đời từ trận động đất năm 1906), cách một dự báo năm 1988 đã chỉ đích danh đoạn đứt gãy sau đó bị vỡ, và vì sao thiệt hại nặng nhất lại xảy ra xa đứt gãy, ở những nơi bùn mềm và đất lấp nhân tạo đã khuếch đại rung lắc và biến nền đất tơi xốp gần như thành chất lỏng. Bài học kết thúc với những gì vùng này đã thay đổi sau đó, từ việc gia cố xa lộ đến cảnh báo động đất trên điện thoại, và với ước tính của USGS về khả năng 72% xảy ra ít nhất một trận động đất độ lớn 6,7 trở lên ở vùng vịnh San Francisco trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043.

Phụ đề (.vtt)Phụ đề (.srt)
Phụ đề thêm 16 ngôn ngữ

Mục tiêu học tập Sau bài học này, học sinh có thể:

  1. Mô tả hệ thống đứt gãy San Andreas như một ranh giới nơi mảng Thái Bình Dương trượt về phía tây bắc qua mảng Bắc Mỹ, và kể tên các đứt gãy chính của vùng vịnh.
  2. Giải thích thuyết bật đàn hồi, dùng các độ dịch chuyển mặt đất đo được sau trận động đất năm 1906 làm bằng chứng.
  3. Phân biệt dự báo động đất (forecast: một xác suất trong một khoảng thời gian) với tiên đoán động đất (prediction: ngày, địa điểm và độ lớn), và hiểu đúng các dự báo năm 1988 và năm 2014 cho vùng vịnh.
  4. Giải thích cách đất mềm và đất lấp nhân tạo khuếch đại sóng địa chấn và cách hóa lỏng làm hư hại các tòa nhà, rồi dùng những ý này để giải thích vì sao thiệt hại tập trung ở khu Marina và dọc mép vịnh.
  5. Mô tả sự sụp đổ của cầu cạn Cypress Street và cầu Bay Bridge, và đánh giá các giải pháp kỹ thuật được áp dụng sau đó: gia cố kháng chấn các công trình cũ và thay thế nhịp phía đông của cầu Bay Bridge.
  6. Giải thích cách hoạt động của hệ thống cảnh báo sớm động đất, vì sao nó có thể cảnh báo trước hàng chục giây cho một số nơi, và vì sao những nơi gần đứt gãy nhất có thể không nhận được cảnh báo nào.
  7. Đánh giá mối nguy hiện nay từ đứt gãy Hayward và giải thích vì sao việc tập “Drop, Cover and Hold On” (cúi xuống, che chắn và bám chặt) là hợp lý ở một vùng có 72% khả năng xảy ra một trận động đất lớn trong 30 năm.

Trước khi xem

Từ vựng chính ★ thuật ngữ mở rộng cho học sinh lớn hơn

Đứt gãy
Một chỗ nứt vỡ trong vỏ Trái Đất, nơi đá ở hai bên dịch chuyển trượt qua nhau. Chuyển động trên đứt gãy có thể chậm và đều, hoặc đột ngột, trong một trận động đất.
Mảng kiến tạo
Một trong những khối lớn và cứng tạo nên lớp vỏ ngoài của Trái Đất. Ở California, mảng Thái Bình Dương di chuyển về phía tây bắc qua mảng Bắc Mỹ với tốc độ khoảng 2 inch (5 cm) mỗi năm.
Hệ thống đứt gãy San Andreas
Họ các đứt gãy đảm nhận phần lớn chuyển động giữa mảng Thái Bình Dương và mảng Bắc Mỹ ở California. Quanh vịnh San Francisco, hệ thống này gồm các đứt gãy San Andreas, Hayward và Calaveras.
Ranh giới chuyển dạng★
Ranh giới mảng nơi hai mảng trượt ngang qua nhau, không mảng nào được tạo ra hay bị phá hủy. Hệ thống đứt gãy San Andreas là ví dụ nổi tiếng nhất trên đất liền.
Bật đàn hồi
Lời giải thích về động đất do H. F. Reid đưa ra năm 1910: khi các mảng di chuyển, đá ở hai bên một đứt gãy bị khóa uốn cong từ từ và tích trữ sức căng, cho đến khi đứt gãy trượt và đá bật trở lại. Đến nay đây vẫn là mô hình cơ bản của chu kỳ động đất.
Độ lớn
Thước đo kích cỡ của một trận động đất. Mỗi bậc nguyên trên thang độ lớn mô-men giải phóng năng lượng nhiều hơn khoảng 32 lần.
Chấn tiêu và tâm chấn★
Chấn tiêu (tiêu điểm) là điểm dưới lòng đất nơi sự đứt vỡ bắt đầu; tâm chấn là điểm trên mặt đất nằm ngay phía trên nó. Chấn tiêu của trận Loma Prieta nằm ở độ sâu khoảng 11 dặm (17 km).
Dự báo động đất
Một phát biểu về xác suất một trận động đất có độ lớn nhất định sẽ xảy ra trong một khu vực nhất định trong một khoảng thời gian nhất định, chẳng hạn “30% trong 30 năm”. Đó không phải là lời tiên đoán một ngày cụ thể.
Đất lấp nhân tạo
Đất do con người tạo ra bằng cách đổ hoặc bơm cát, đất và mảnh vụn xuống nước hoặc vùng đất trũng. Phần lớn bờ vịnh San Francisco, kể cả khu Marina, được xây trên đất lấp.
Hóa lỏng
Hiện tượng cát tơi xốp, bão hòa nước mất sức chịu tải khi bị rung lắc, đến mức nó hoạt động như một chất lỏng. Các tòa nhà trên đó bị lún hoặc nghiêng, còn cát và nước phun lên thành những mạch phun cát.
Khuếch đại do nền đất
Hiện tượng rung lắc mạnh lên khi sóng địa chấn đi từ đá cứng vào đất mềm: sóng chậm lại và biên độ của chúng tăng lên. Năm 1989, nền đất mềm quanh vịnh đã rung mạnh gấp hai đến bốn lần so với nền đá gần đó.
Trườn đứt gãy
Sự trượt chậm và đều trên một đứt gãy mà không gây động đất. Một số đoạn của đứt gãy Hayward trườn vài milimét mỗi năm, làm cong các bờ lề đường và bức tường cắt ngang nó.
Cảnh báo sớm động đất
Một hệ thống trong đó các cảm biến gần trận động đất phát hiện những sóng địa chấn đầu tiên, nhanh hơn, và gửi đi một cảnh báo có thể đến vài giây trước khi rung lắc mạnh nhất ập tới. Hệ thống của California được xây dựng trên mạng lưới ShakeAlert của USGS.
Sóng P và sóng S★
Hai loại sóng địa chấn truyền qua bên trong Trái Đất. Sóng P (sóng sơ cấp) nhanh hơn và thường yếu hơn; sóng S (sóng thứ cấp) đến sau và gây ra phần lớn thiệt hại.
Khối xây không cốt thép★
Các công trình gạch hoặc đá kiểu cũ không có cốt thép gia cường. Những tòa nhà như vậy, chẳng hạn các tòa nhà trên khu phố mua sắm Pacific Garden Mall ở Santa Cruz, thuộc loại dễ sập nhất khi rung lắc mạnh.
Gia cố kháng chấn
Việc làm cho một công trình hiện có vững chắc hơn để chịu được động đất, chẳng hạn bọc các cột bê tông bằng áo thép và liên kết các nhịp cầu với nhau.

Các chương Chọn một mốc thời gian để phát từ đó

0:005:04 chiều

Ngày 17 tháng Mười năm 1989: hơn 60.000 người hâm mộ đang có mặt tại sân Candlestick Park để xem trận 3 của World Series giữa San Francisco Giants và Oakland A's thì, lúc 5:04 chiều, sân vận động bắt đầu rung lắc và chương trình truyền hình trực tiếp mất tín hiệu, chỉ còn nhiễu.

0:39Đứt gãy ngay bên cạnh

California nằm trên ranh giới nơi mảng Thái Bình Dương trượt về phía tây bắc qua mảng Bắc Mỹ với tốc độ khoảng 2 inch (5 cm) mỗi năm, chủ yếu dọc theo hệ thống đứt gãy San Andreas; quanh vịnh, hệ thống này tách thành các đứt gãy San Andreas, Hayward và Calaveras. Trên phần lớn chiều dài của chúng, các đứt gãy bị khóa chặt trong nhiều thập kỷ hoặc nhiều thế kỷ, rồi giải phóng sức căng tích tụ cùng một lúc.

1:201906

Trận động đất độ lớn 7,9 ngày 18 tháng Tư năm 1906 đã làm vỡ khoảng 296 dặm (477 km) của đứt gãy San Andreas; hỏa hoạn tiếp theo sau đó, khoảng 28.000 tòa nhà bị phá hủy và hơn 3.000 người thiệt mạng. Những độ dịch chuyển lên tới khoảng 21 feet (6,4 m) đã dẫn H. F. Reid đến thuyết bật đàn hồi, còn dải bờ được lấp đất về sau trở thành khu Marina đã đặt sẵn tiền đề cho năm 1989.

2:38Dự báo

Năm 1988, Working Group on California Earthquake Probabilities (nhóm công tác về xác suất động đất ở California) đánh giá đoạn phía nam dãy núi Santa Cruz của đứt gãy San Andreas có 30% khả năng xảy ra một trận động đất độ lớn từ 6,5 đến 7 trong vòng 30 năm. Trận động đất đã ập đến ngay năm sau.

3:08Mười lăm giây

Một sự đứt vỡ độ lớn 6,9 bắt đầu ở độ sâu khoảng 11 dặm (17 km) bên dưới dãy núi Santa Cruz, gần đỉnh Loma Prieta; cơn rung lắc mạnh nhất kéo dài khoảng 15 giây và vết đứt vỡ không bao giờ lên tới mặt đất. Các tòa nhà gạch cũ ở Santa Cruz đổ sập, đất lấp ở khu Marina bị hóa lỏng, một phần tầng trên của cầu Bay Bridge rơi xuống, và vụ sập cầu cạn hai tầng Cypress Street ở Oakland đã gây ra phần lớn số người chết.

5:19Hậu quả

Tổn thất: 63 người chết, 3.757 người bị thương, hơn 18.000 ngôi nhà bị hư hại, khoảng 12.000 người mất nhà cửa và thiệt hại khoảng 6 tỷ đô la. Sân vận động vẫn đứng vững, và World Series được tiếp tục mười ngày sau đó.

5:45Những gì đã thay đổi

San Francisco đã dỡ bỏ xa lộ Embarcadero bị hư hại vào năm 1991 và mở lại khu bờ nước của mình; nhịp phía đông của cầu Bay Bridge được thay bằng một nhịp mới thiết kế để chịu được một trận động đất lớn (khánh thành năm 2013); các cây cầu và xa lộ cũ trên khắp California được gia cố kháng chấn; và vào dịp kỷ niệm lần thứ 30, năm 2019, bang này bắt đầu gửi cảnh báo sớm tới điện thoại.

6:44Trận tiếp theo

Đứt gãy Hayward chạy ngay bên dưới các thành phố của vùng East Bay, trườn vài milimét mỗi năm, và lần vỡ gần nhất là trong một trận động đất độ lớn 6,8 vào năm 1868. USGS ước tính khả năng xảy ra ít nhất một trận động đất độ lớn 6,7 trở lên ở vùng vịnh trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043 là 72%, và đó là lý do mỗi tháng Mười có hàng triệu người tập “Drop, Cover and Hold On” (cúi xuống, che chắn và bám chặt). Tập phim khép lại với ba điều cần ghi nhớ.

Những quan niệm sai phổ biến Dành cho giáo viên

Quan niệm saiCàng ở gần tâm chấn của một trận động đất thì thiệt hại luôn càng nặng.

Bằng chứng cho thấyKhoảng cách có quan trọng, nhưng nền đất cũng vậy. Năm 1989, thiệt hại chết chóc nhất xảy ra ở Oakland và San Francisco, cách đứt gãy khoảng 60 dặm, trên bùn vịnh mềm và đất lấp nhân tạo đã khuếch đại rung lắc và ở một số nơi còn bị hóa lỏng. Các tòa nhà được thiết kế kỹ thuật trên nền đất vững gần tâm chấn nhìn chung chịu đựng tốt.

Quan niệm saiCác nhà khoa học đã tiên đoán được trận động đất Loma Prieta.

Bằng chứng cho thấyHọ đã dự báo nó, và đó là chuyện khác. Năm 1988, Working Group đánh giá đoạn phía nam dãy núi Santa Cruz có 30% khả năng xảy ra một trận động đất độ lớn từ 6,5 đến 7 trong 30 năm: đó là một xác suất, không phải một ngày cụ thể. Cho đến nay chưa ai có thể tiên đoán ngày xảy ra một trận động đất, và bản thân sự đứt vỡ năm 1989 cũng khác thường: trên một mặt đứt gãy cắm dốc bên dưới dãy núi, chuyển động trồi lên (nghịch) gần nhiều bằng chuyển động trượt ngang.

Quan niệm saiMột đứt gãy đang trườn như đứt gãy Hayward là an toàn, vì nó giải phóng sức căng một cách nhẹ nhàng.

Bằng chứng cho thấySự trườn trên đứt gãy Hayward phần lớn chỉ giới hạn ở vài dặm trên cùng. Bên dưới độ sâu khoảng 3 dặm (5 km), đứt gãy bị khóa và đang tích tụ sức căng, và nó đã gây ra một trận động đất độ lớn 6,8 vào năm 1868. USGS đánh giá hệ thống đứt gãy Hayward–Rodgers Creek có 33% khả năng xảy ra một trận động đất độ lớn 6,7 trở lên trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043.

Quan niệm saiCảnh báo sớm động đất tiên đoán động đất trước khi chúng bắt đầu.

Bằng chứng cho thấyCảnh báo sớm phát hiện một trận động đất đã bắt đầu. Các cảm biến gần nguồn bắt được sóng P nhanh hơn, và một cảnh báo điện tử chạy vượt trước những sóng chậm hơn, gây thiệt hại. Những nơi ở xa nguồn có thể nhận cảnh báo trước nhiều giây; những nơi gần nguồn nhất có thể không nhận được cảnh báo nào.

Quan niệm saiMột trận động đất độ lớn 7,9 chỉ lớn hơn một chút so với một trận độ lớn 6,9.

Bằng chứng cho thấyMỗi bậc nguyên trên thang độ lớn tương ứng với năng lượng nhiều hơn khoảng 32 lần, nên trận động đất năm 1906 đã giải phóng năng lượng gấp khoảng 32 lần trận Loma Prieta, và nó làm vỡ một đoạn đứt gãy dài hơn khoảng mười lần.

Câu hỏi thảo luận

  1. Tâm chấn nằm ở dãy núi Santa Cruz, nhưng nhiều thiệt hại nặng nề nhất lại xảy ra ở cách đó khoảng 60 dặm. Dựa vào tập phim, các em hãy giải thích vì sao. Điều này gợi ý gì về cách một thành phố nên quyết định gia cố những tòa nhà nào trước?
  2. Dự báo năm 1988 cho đoạn dãy núi Santa Cruz 30% khả năng xảy ra một trận động đất lớn trong 30 năm, và nó đã xảy ra ngay năm sau. Dự báo đó có thành công không? Nếu đến năm 2018 vẫn chưa có trận động đất nào, điều đó sẽ có nghĩa là gì?
  3. Phần lớn vùng đất bị hư hỏng ở khu Marina là do con người tạo ra bằng cách lấp một vũng nhỏ. Ai nên có trách nhiệm tìm hiểu, và thông báo cho người mua, về nền đất mà một ngôi nhà được xây trên đó? Ở vùng của các em có nơi nào được xây trên đất lấp không?
  4. Sau năm 1989, San Francisco chọn phá bỏ xa lộ Embarcadero thay vì sửa chữa nó, trong khi nhịp phía đông của cầu Bay Bridge được thay thế với chi phí hàng tỷ đô la. Hãy so sánh hai quyết định này: theo các em, những tiêu chí nào (chi phí, an toàn, giao thông, diện mạo và đời sống của thành phố) quan trọng nhất trong mỗi quyết định?
  5. Giao thông trên cầu cạn Cypress Street thưa hơn thường lệ vì nhiều người đã về nhà sớm để xem World Series. Điều đó cho các em biết gì về cách thời điểm xảy ra một trận động đất ảnh hưởng đến tổn thất của nó? Tổn thất có thể khác đi thế nào nếu nó xảy ra lúc 8 giờ sáng một ngày thường, hoặc 3 giờ sáng Chủ nhật?
  6. Một cảnh báo sớm có thể cho em từ không giây nào cho đến khoảng 20 giây trước khi rung lắc mạnh ập tới. Hãy lập danh sách những việc hữu ích mà em, trường của em, một người lái tàu và một bệnh viện có thể làm với năm giây, và với hai mươi giây.

Trắc nghiệm Chọn một đáp án; hệ thống tự chấm

1.Mô tả nào phù hợp nhất với ranh giới mảng bên dưới vùng vịnh San Francisco?

2.H. F. Reid đã kết luận gì từ các độ dịch chuyển mặt đất đo được sau trận động đất năm 1906?

3.Bên dưới phần khu Marina bị hư hại nặng năm 1989 là gì?

4.Năm 1988, Working Group on California Earthquake Probabilities đã nói gì về đoạn phía nam dãy núi Santa Cruz của đứt gãy San Andreas?

5.Vì sao các tòa nhà ở khu Marina bị lún và nghiêng trong trận động đất năm 1989?

6.Vì sao một số nơi ở San Francisco và Oakland, cách tâm chấn khoảng 60 dặm, lại rung mạnh hơn những điểm gần hơn nằm trên nền đá?

7.Bộ số liệu nào khớp với bản tóm tắt của USGS về trận động đất Loma Prieta?

8.Làm thế nào một hệ thống cảnh báo sớm động đất có thể báo cho mọi người trước khi rung lắc mạnh đến chỗ họ?

9.Vì sao nhiều nhà khoa học coi đứt gãy Hayward là đứt gãy nguy hiểm nhất ở vùng vịnh?

10.Dự báo của USGS cho giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043 thực sự nói gì?

Câu hỏi tự luận

1. Dùng ý tưởng bật đàn hồi, em hãy giải thích vì sao các mảng chỉ di chuyển khoảng 2 inch (5 cm) mỗi năm lại có thể gây ra những trận động đất đột ngột. Hãy dùng bằng chứng từ năm 1906 trong câu trả lời.

Một câu trả lời tốt cần có

Các mảng di chuyển đều đặn, nhưng các đứt gãy giữa chúng bị ma sát khóa chặt, nên đá ở hai bên bị uốn cong thay vì trượt, tích trữ sức căng trong nhiều thập kỷ hoặc nhiều thế kỷ. Khi ứng suất vượt quá sức bền của đứt gãy, nó trượt đột ngột và phần đá bị uốn cong bật trở lại. Năm 1906, những con đường và hàng rào cắt ngang đứt gãy San Andreas bị xô lệch tới khoảng 21 feet (6,4 m), tương ứng với hơn một thế kỷ chuyển động của mảng được giải phóng trong chưa đầy một phút. Reid đã dùng những số đo đó để xây dựng thuyết này vào năm 1910.

2. Khu Marina cách tâm chấn khoảng 60 dặm, vậy mà bảy tòa nhà ở đó đã sập và ít nhất ba người thiệt mạng. Em hãy giải thích vì sao, dựa vào lịch sử của vùng đất và kiến thức khoa học về cách nền đất phản ứng với rung lắc.

Một câu trả lời tốt cần có

Phần bị hư hại của khu Marina được xây trên một vũng nhỏ đã bị lấp: cát tơi xốp được bơm vào cho Panama-Pacific International Exposition (hội chợ triển lãm quốc tế Panama–Thái Bình Dương) năm 1915, cùng với lớp đất lấp cũ hơn có thể chứa một ít mảnh vụn từ năm 1906. Trong lớp trầm tích mềm, bão hòa nước, sóng địa chấn chậm lại và lớn lên, nên rung lắc ở đây được khuếch đại mạnh hơn nhiều so với trên nền đá ở Fort Mason gần đó. Rung lắc sau đó làm lớp cát tơi xốp bị hóa lỏng: nó mất sức chịu tải, các tòa nhà bị lún và nghiêng, những mạch phun cát trào lên và sự trượt ngang của nền đất làm đứt các đường ống khí đốt và ống nước. Một đám cháy lớn bùng phát, và vì các ống dẫn nước chính đã hỏng, một tàu cứu hỏa phải bơm nước từ vịnh lên. Những tòa nhà có tầng trệt yếu, làm nhà để xe thông thoáng, đặc biệt dễ bị tổn thương.

3. Một người bạn nói: “Các nhà khoa học đã tiên đoán được trận Loma Prieta, và giờ họ nói trận lớn tiếp theo sẽ xảy ra trước năm 2043”. Em hãy giải thích cả hai nửa của câu nói này sai ở đâu.

Một câu trả lời tốt cần có

Không nửa nào là một lời tiên đoán. Năm 1988, các nhà khoa học đánh giá đoạn phía nam dãy núi Santa Cruz có 30% xác suất xảy ra một trận động đất độ lớn từ 6,5 đến 7 trong vòng 30 năm; việc nó xảy ra ngay năm sau không phải là một dự báo về ngày. Dự báo của USGS cho giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043 là 72% xác suất xảy ra ít nhất một trận động đất độ lớn 6,7 trở lên ở đâu đó trong vùng vịnh trong 30 năm đó. Điều đó có nghĩa là khả năng xảy ra một trận động đất lớn cao hơn khả năng không xảy ra, nhưng không chắc chắn; nó có thể xảy ra trên bất kỳ đứt gãy nào trong vùng, và có thể đến vào bất kỳ ngày nào, vì vậy việc chuẩn bị ngay từ bây giờ là quan trọng.

Tìm hiểu sâu hơn Đại học và THPT nâng cao

Trận Loma Prieta lớn đến mức nào?

Độ lớn mô-men được định nghĩa từ mô-men địa chấn M₀ = μ·A·D: độ cứng của đá (μ), nhân với diện tích đứt gãy đã trượt (A), nhân với độ trượt trung bình (D). Hanks và Kanamori (1979) đặt Mw = (2/3)(log₁₀M₀ − 9.1), với M₀ tính bằng newton-mét, nên M₀ = 101.5 Mw + 9.1. Năng lượng bức xạ tăng khoảng 101.5 ≈ 32 lần cho mỗi bậc nguyên của độ lớn. USGS Circular 1045 cho biết sự đứt vỡ năm 1989 liên quan đến sự trượt trên khoảng 190 dặm vuông (khoảng 490 km²) bề mặt đứt gãy bị chôn vùi, và các khảo sát trắc địa cho thấy khoảng 6 feet trượt ngang phải và 4 feet trượt nghịch.

Bài toán(a) Trận động đất năm 1906 (M7.9) đã giải phóng năng lượng gấp bao nhiêu lần trận Loma Prieta (M6.9)? Trận Loma Prieta so với trận động đất năm 1868 trên đứt gãy Hayward (M6.8) thì thế nào? (b) Tính mô-men địa chấn của một trận động đất Mw 6,9. (c) Lấy μ = 3.0 × 1010 Pa, hãy ước tính độ trượt trung bình và so sánh với ước tính trắc địa.

Lời giải chi tiết

(a) 101.5 × 1.0 ≈ 32 lần. Trận Loma Prieta giải phóng năng lượng gấp 101.5 × 0.1 ≈ 1,4 lần trận năm 1868, nên hai trận có quy mô tương tự nhau, nhưng đứt gãy Hayward chạy ngay bên dưới các thành phố của vùng East Bay. (b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m. (c) A ≈ 4.9 × 108 m², nên D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1,9 m, khoảng 6 feet. Véc-tơ trượt trắc địa là √(6² + 4²) ≈ 7,2 feet (2,2 m): hai kết quả khớp nhau trong phạm vi khoảng 15%, là tốt nếu xét đến độ bất định của μ và của diện tích đứt vỡ.

Ngân sách sức căng của các đứt gãy vùng vịnh

Trên khắp vùng vịnh San Francisco, các mảng di chuyển tương đối với nhau khoảng 1,6 inch (4 cm) mỗi năm (USGS Fact Sheet 2016-3020). USGS ước tính rằng các trận động đất kiểu năm 1906, với độ dịch chuyển khoảng 20 feet, lặp lại khoảng 200 năm một lần. Trên đứt gãy Hayward, các trầm tích suối đã được xác định niên đại cho tốc độ trượt dài hạn khoảng 8 mm (0,3 inch) mỗi năm (Lienkaemper và Borchardt, 1996). Đứt gãy này trườn trên bề mặt với tốc độ khoảng 4 đến 5 mm mỗi năm, nhưng sự trườn phần lớn chỉ giới hạn trong 3 dặm (5 km) trên cùng; bên dưới đó, đứt gãy bị khóa. Các khảo sát lịch sử cho thấy khoảng 6 feet (2 m) trượt ngang trong trận động đất năm 1868 (USGS Fact Sheet 2008-3019).

Bài toán(a) Độ trượt 20 feet mỗi 200 năm tương ứng với tốc độ trượt trung bình bao nhiêu trên đoạn phía bắc của đứt gãy San Andreas? Đó là bao nhiêu phần của chuyển động mảng trong vùng, và phần còn lại đi đâu? (b) Phần bị khóa của đứt gãy Hayward đã tích lũy bao nhiêu độ thiếu hụt trượt từ năm 1868 đến năm 2026? Hãy so sánh với độ trượt năm 1868. (c) Vì sao sự trườn trên bề mặt không loại bỏ được mối nguy của đứt gãy Hayward?

Lời giải chi tiết

(a) 20 ft ÷ 200 năm = 0,1 ft mỗi năm, khoảng 1,2 inch (3 cm) mỗi năm, xấp xỉ ba phần tư của 1,6 inch mỗi năm trên toàn vùng; phần còn lại do các đứt gãy Hayward, Rodgers Creek, Calaveras và các đứt gãy khác của hệ thống đảm nhận. (b) 158 năm × 8 mm mỗi năm ≈ 1,3 m, khoảng 4 feet: đã là một phần lớn của khoảng 2 m năm 1868, phù hợp với quan điểm của USGS rằng đứt gãy này có thể gây ra một trận động đất độ lớn từ 6,8 đến 7.0 vào bất cứ lúc nào. (c) Sự trườn chỉ giải tỏa sức căng gần bề mặt, và ngay cả ở đó nó cũng chậm hơn tốc độ dài hạn; phần sâu hơn, bị khóa của đứt gãy tiếp tục tích trữ sức căng cho đến khi nó vỡ.

Vì sao nền đất mềm cộng hưởng

Một lớp trầm tích mềm dày H nằm trên lớp đá cứng hơn nhiều sẽ giữ sóng cắt lại và cộng hưởng. Chu kỳ cơ bản (một phần tư bước sóng) của nó là T = 4H/Vs, trong đó Vs là tốc độ sóng cắt của lớp. Ở khu Marina, một lỗ khoan cho thấy khoảng 80 m (260 ft) trầm tích, chủ yếu là bùn vịnh cũ với Vs khoảng 300 m/s, nằm trên nền đá gốc (Boatwright và cộng sự, trong USGS Professional Paper 1551-F). Các bản ghi dư chấn cho thấy khu Marina khuếch đại rung lắc lên 7 đến 10 lần ở gần tần số 1 hertz so với gò đá ở Fort Mason. Một quy tắc kinh nghiệm phổ biến cho rằng chu kỳ riêng của một tòa nhà vào khoảng 0,1 giây cho mỗi tầng.

Bài toán(a) Tính chu kỳ và tần số cơ bản của cột trầm tích ở khu Marina và so sánh với đỉnh quan sát được. (b) Những tòa nhà có chiều cao nào sẽ gặp nguy cơ cộng hưởng cao nhất trên một nền đất như vậy? (c) Trong cơn chấn động chính, các bản ghi của USGS cho thấy mức khuếch đại chỉ khoảng 2 đến 4 lần trên các nền đất mềm, thấp hơn nhiều so với trong các dư chấn nhỏ. Em hãy đưa ra lý do.

Lời giải chi tiết

(a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1.07 s, tần số khoảng 0,94 Hz, khớp với đỉnh khuếch đại quan sát được gần 1 Hz. (b) Theo quy tắc kinh nghiệm, những tòa nhà khoảng 8 đến 12 tầng (chu kỳ riêng gần 1 s) sẽ cộng hưởng với mặt đất; những ngôi nhà khung gỗ thấp tầng có chu kỳ ngắn hơn, và ở khu Marina, chính hóa lỏng và tầng trệt yếu, chứ không chỉ riêng cộng hưởng, đã làm chúng sập. (c) Đất mềm ứng xử phi tuyến khi rung lắc mạnh: chúng mềm đi và tiêu tán nhiều năng lượng hơn, làm giảm mức khuếch đại và dịch chuyển cộng hưởng sang các chu kỳ dài hơn. Vì vậy, hệ số khuếch đại đo được khi rung lắc yếu sẽ đánh giá quá cao mức khuếch đại trong một trận động đất gây thiệt hại, dù rung lắc trên nền đất mềm vẫn mạnh hơn nhiều so với trên nền đá.

Dự báo 72% có ý nghĩa gì cho mỗi năm

Nếu các trận động đất lớn trong một vùng xảy ra ngẫu nhiên theo thời gian với tốc độ trung bình λ lần mỗi năm (một quá trình Poisson), thì xác suất có ít nhất một trận trong t năm sẽ là P = 1 − exp(−λt). Dự báo của USGS (UCERF3, Fact Sheet 2016-3020) đưa ra cho vùng vịnh trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043: 98% cho ít nhất một trận độ lớn 6.0 trở lên, 72% cho độ lớn 6,7 trở lên và 51% cho độ lớn 7.0 trở lên; với từng đứt gãy riêng lẻ, 33% cho đứt gãy Hayward hoặc Rodgers Creek và 22% cho đứt gãy San Andreas, tất cả đều cho độ lớn 6,7 trở lên. Dự báo thực tế còn tính đến thời gian đã trôi qua kể từ trận động đất gần nhất trên mỗi đứt gãy, nên mô hình Poisson chỉ là một phép gần đúng.

Bài toán(a) Hãy đổi 72% thành một tốc độ hằng năm tương đương, một khoảng cách trung bình và một xác suất cho một năm. Vì sao phép tính 72% ÷ 30 = 2,4% mỗi năm là sai? (b) Làm tương tự cho dự báo năm 1988 (30% trong 30 năm). Khả năng trận động đất xảy ra ngay năm sau là bao nhiêu? (c) Nếu các đứt gãy Hayward–Rodgers Creek và San Andreas độc lập với nhau, thì khả năng có ít nhất một trận động đất độ lớn 6,7 trên một trong hai đứt gãy là bao nhiêu? Phần còn lại của con số 72% đến từ đâu?

Lời giải chi tiết

(a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 0.042 lần mỗi năm, khoảng cách trung bình khoảng 24 năm và xác suất cho một năm là 1 − exp(−0.042) ≈ 4,1%. Chia cho 30 là giả định rằng các xác suất cộng được với nhau, nhưng xác suất “ít nhất một lần” tích lũy theo kiểu lũy kế: 2,4% mỗi năm chỉ cho 1 − 0.976^30 ≈ 52% trong 30 năm, chứ không phải 72%. (b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 0.012 lần mỗi năm, nên khả năng trong một năm bất kỳ là khoảng 1,2%: dự báo đã xác định đúng đoạn đứt gãy, nhưng thời điểm năm 1989 không nằm trong dự báo. (c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48, tức 48%. Phần còn lại đến từ đứt gãy Calaveras và các đứt gãy lớn khác, cùng với các đứt gãy ít được biết đến và chưa được biết đến (riêng chúng đã chiếm 13%).

Có thể cảnh báo trước bao lâu?

Cảnh báo sớm động đất là một cuộc đua giữa cảnh báo điện tử và sóng địa chấn. Hãy lấy tốc độ điển hình trong vỏ trên là 6.0 km/s cho sóng P và 3.5 km/s cho sóng S. Sự đứt vỡ của trận Loma Prieta bắt đầu ở độ sâu khoảng 17 km (11 dặm), bên dưới một tâm chấn cách Santa Cruz khoảng 9 dặm (14,5 km) và cách San Francisco 60 dặm (97 km). Giả sử hệ thống phát cảnh báo 8 giây sau khi sự đứt vỡ bắt đầu, đủ thời gian để sóng P đến được vài trạm gần đó và để xử lý; việc chuyển tới điện thoại có thể mất thêm thời gian.

Bài toán(a) Tính khoảng cách đường thẳng từ chấn tiêu đến khu Marina của San Francisco và thời gian sóng P và sóng S đến đó. Khu Marina có thể được cảnh báo trước bao lâu trước khi sóng S tới? (b) Làm lại cho Santa Cruz. (c) Ước tính bán kính của “vùng mù” trên mặt đất, bên trong đó sóng S đến trước cảnh báo. Vì sao thời gian cảnh báo thực tế có thể còn ngắn hơn?

Lời giải chi tiết

(a) R = √(97² + 18²) ≈ 98.7 km. Sóng P đến sau 98.7 ÷ 6.0 ≈ 16.4 s và sóng S đến sau 98.7 ÷ 3.5 ≈ 28.2 s, nên một cảnh báo phát ở giây thứ 8 cho khoảng 20 giây báo trước. (b) R = √(14.5² + 18²) ≈ 23.1 km; sóng S đến sau khoảng 6,6 s, trước cả cảnh báo, nên Santa Cruz sẽ không được cảnh báo trước chút nào. (c) Trong 8 s, sóng S đi được 28 km; trên mặt đất, quãng đó tương ứng với khoảng cách √(28² − 18²) ≈ 21 km (khoảng 13 dặm) tính từ tâm chấn. Cảnh báo thực tế có thể ngắn hơn vì sự đứt vỡ lan rộng khoảng 20 km về mỗi phía dọc theo đứt gãy, nên sóng mạnh cũng đến từ những phần đứt gãy gần nhiều thị trấn hơn, và vì cảnh báo cần thời gian để đến được điện thoại. Một chấn tiêu sâu như ở đây thực ra lại có lợi, vì nó làm sóng S đến mặt đất muộn hơn.

Liên hệ với chuẩn

Next Generation Science Standards (NGSS, Hoa Kỳ)

MS-ESS2-2

Xây dựng lời giải thích dựa trên bằng chứng về cách các quá trình địa khoa học đã làm thay đổi bề mặt Trái Đất ở những thang thời gian và không gian khác nhau.

Trong tập này: Chuyển động chậm của mảng được tích trữ thành sức căng và giải phóng trong vài giây; các độ dịch chuyển năm 1906; sự trườn của đứt gãy Hayward làm cong các bờ lề đường qua nhiều thập kỷ.

MS-ESS3-2

Phân tích và diễn giải dữ liệu về thiên tai để dự báo các sự kiện thảm khốc trong tương lai và định hướng việc phát triển công nghệ nhằm giảm nhẹ tác động của chúng.

Trong tập này: Các dự báo động đất năm 1988 và năm 2014, việc gia cố xa lộ, nhịp mới của cầu Bay Bridge và cảnh báo sớm động đất.

HS-ESS2-1

Xây dựng một mô hình minh họa cách các quá trình bên trong và trên bề mặt Trái Đất vận hành ở những thang không gian và thời gian khác nhau để hình thành các đặc điểm của lục địa và đáy đại dương.

Trong tập này: Mô hình về ranh giới mảng chuyển dạng và chu kỳ bật đàn hồi; sự trượt xiên năm 1989 đã nâng một số phần của dãy núi Santa Cruz lên.

HS-ESS3-1

Xây dựng lời giải thích dựa trên bằng chứng về cách sự sẵn có của tài nguyên thiên nhiên, sự xuất hiện của thiên tai và những thay đổi của khí hậu đã ảnh hưởng đến hoạt động của con người.

Trong tập này: Việc xây dựng trên đất lấp và bùn vịnh, tổn thất của các năm 1906 và 1989, khu bờ nước Embarcadero được mở lại và sự chuẩn bị của vùng vịnh ngày nay.

HS-PS4-1

Sử dụng các biểu diễn toán học để chứng minh một nhận định về mối quan hệ giữa tần số, bước sóng và tốc độ của sóng truyền trong các môi trường khác nhau.

Trong tập này: Sóng địa chấn chậm lại và lớn lên trong nền đất mềm, sự cộng hưởng của trầm tích ở khu Marina, và tốc độ của sóng P và sóng S trong cảnh báo sớm.

HS-ETS1-3

Đánh giá một giải pháp cho một vấn đề phức tạp trong thực tế dựa trên các tiêu chí được ưu tiên và các đánh đổi có tính đến nhiều ràng buộc, bao gồm chi phí, an toàn, độ tin cậy và thẩm mỹ cũng như các tác động có thể có về xã hội, văn hóa và môi trường.

Trong tập này: Gia cố, thay thế hay dỡ bỏ: cầu cạn Cypress Street, nhịp phía đông của cầu Bay Bridge và xa lộ Embarcadero.

Advanced Placement (AP, Hoa Kỳ)

Học phần đại học

Địa chất học đại cương

Ranh giới mảng chuyển dạng; hệ thống đứt gãy San Andreas; bật đàn hồi và chu kỳ động đất; trườn đứt gãy; trượt xiên

Thiên tai

Dự báo động đất và xác suất; hiệu ứng nền đất và hóa lỏng; bài học từ các năm 1906 và 1989; cảnh báo sớm động đất; sự chuẩn bị

Địa chấn học công trình và địa kỹ thuật

Mô-men địa chấn và độ lớn; khuếch đại do nền đất và cộng hưởng của đất mềm; hóa lỏng của đất bồi thủy lực; gia cố kháng chấn cho cầu và cầu cạn

Bản chép lời Lời bình bằng tiếng Việt, như trong phụ đề

0:005:04 chiều

San Francisco, ngày 17 tháng Mười năm 1989. Hơn 60.000 người hâm mộ đã lấp kín sân Candlestick Park để xem trận thứ ba của World Series, giữa San Francisco Giants và Oakland A's.

0:13Lúc năm giờ bốn phút, chương trình truyền hình vừa mới bắt đầu. Rồi sân vận động bắt đầu rung chuyển, và hình ảnh trực tiếp, đang được phát tới hàng triệu khán giả, bị nhiễu rồi mất hẳn.

0:25Đây là câu chuyện về trận động đất Loma Prieta. Chúng ta sẽ tìm hiểu đứt gãy gây ra nó, những lời cảnh báo đã có từ trước, và cách cả một vùng đã tái thiết dựa trên những bài học của nó.

0:39Đứt gãy ngay bên cạnh

California nằm trên ranh giới giữa hai mảng kiến tạo. Mảng Thái Bình Dương đang trượt mài qua mảng Bắc Mỹ theo hướng tây bắc, với tốc độ khoảng 2 inch mỗi năm.

0:49Một phần lớn chuyển động đó diễn ra dọc theo đứt gãy San Andreas, chạy dài hơn 700 dặm qua California. Quanh vịnh San Francisco, nó tách thành một họ đứt gãy, trong đó có San Andreas, Hayward và Calaveras.

1:05Trên phần lớn chiều dài của chúng, những đứt gãy này không trượt êm. Chúng khóa chặt vào nhau, đá xung quanh bị uốn cong trong nhiều thập kỷ, thậm chí nhiều thế kỷ, rồi sức căng tích tụ được giải phóng cùng một lúc.

1:201906

San Francisco đã nhận bài học đắt giá đó vào ngày 18 tháng Tư năm 1906, khi một trận động đất độ lớn 7,9 xé toạc đứt gãy San Andreas trên chiều dài gần 300 dặm.

1:32Đường ống khí đốt và ống dẫn nước chính bị vỡ đã biến cơn rung lắc thành một cơn bão lửa cháy suốt nhiều ngày. Khoảng 28.000 tòa nhà bị phá hủy, và hơn 3.000 người thiệt mạng.

1:44Ở phía bắc thành phố, những con đường và hàng rào cắt ngang đứt gãy bị xé toạc và xô lệch sang một bên. Gần thị trấn Olema, mặt đất ở một bên đứt gãy đã dịch chuyển khoảng 21 feet so với bên kia.

1:56Một nhà khoa học tên là Harry Fielding Reid đã nghiên cứu những số đo đó và tìm ra lý do động đất xảy ra. Đá ở hai bên một đứt gãy bị khóa uốn cong từ từ, tích trữ năng lượng, cho đến khi đứt gãy đột ngột trượt đi và đá bật trở lại hình dạng cũ. Ông gọi hiện tượng này là sự bật đàn hồi, và đến nay các nhà địa chất vẫn dùng nó để giải thích động đất.

2:17Thành phố được xây dựng lại nhanh chóng, và năm 1915 đã ăn mừng bằng một hội chợ thế giới. Để lấy chỗ cho khu hội chợ, một vũng nhỏ dọc bờ phía bắc đã được lấp bằng cát bơm lên từ vịnh, cùng với một ít mảnh vụn. Vùng đất mới đó sau này trở thành một khu dân cư gọi là khu Marina.

2:38Dự báo

Đến thập niên 1980, các nhà khoa học đã ước tính những đoạn nào của San Andreas có khả năng đứt gãy tiếp theo cao nhất. Một trong những đoạn được họ lưu ý nằm ở phần phía nam dãy núi Santa Cruz, phía nam San Francisco.

2:51Năm 1988, một hội đồng chuyên gia động đất quốc gia đánh giá đoạn đó có 30% khả năng xảy ra một trận động đất lớn trong vòng 30 năm.

3:01Trận động đất ập đến ngay năm sau.

3:08Mười lăm giây

Lúc năm giờ bốn phút, đứt gãy vỡ ra ở độ sâu khoảng 11 dặm bên dưới dãy núi Santa Cruz, gần đỉnh Loma Prieta. Trận động đất có độ lớn 6,9.

3:19Cơn rung lắc mạnh nhất chỉ kéo dài khoảng 15 giây, và vết đứt gãy chưa bao giờ lên tới mặt đất. Tuy nhiên, sóng địa chấn của nó lan ra khắp cả vùng, và ở một số nơi, chính nền đất đã làm chúng mạnh thêm.

3:33Gần tâm chấn, những tòa nhà gạch cũ trên khu phố mua sắm Pacific Garden Mall ở Santa Cruz đổ sập xuống đường, và ba người đã thiệt mạng ở đó.

3:41Cách đó khoảng 60 dặm, ở khu Marina, cơn rung lắc đã biến nền đất tơi xốp, ẩm ướt bên dưới các ngôi nhà gần như thành chất lỏng. Các tòa nhà bị lún xuống, và một số bị sập.

3:53Thực chất, chính vùng đất được tạo ra cho lễ ăn mừng sự hồi sinh của thành phố đã góp phần làm sập các tòa nhà, 74 năm sau hội chợ. Các đường ống khí đốt bị vỡ, một đám cháy lớn bùng phát, ít nhất ba người chết ở khu Marina, và bảy tòa nhà bị sập.

4:08Khu Marina không phải là nơi duy nhất gặp nguy hiểm. Khắp quanh vịnh, các tòa nhà và con đường nằm trên bùn mềm và đất lấp, và trong nền đất mềm, sóng địa chấn chậm lại và lớn hơn, giống như thạch rung lắc trong bát. Những nơi đó rung lắc mạnh gấp hai đến bốn lần so với nền đá cứng gần đó.

4:27Trên cầu Bay Bridge, một đoạn dài 50 feet của tầng trên bị bung ra và rơi xuống tầng dưới. Một người thiệt mạng, và cây cầu bị đóng cửa khoảng một tháng.

4:37Thảm họa tồi tệ nhất xảy ra ở Oakland. Cầu cạn Cypress Street là một xa lộ hai tầng, và tầng trên của nó đã sập xuống tầng dưới, đè lên những chiếc xe đang trong giờ tan tầm buổi tối. Bốn mươi mốt người đã chết ở đó.

4:51Tối hôm đó, giao thông thưa hơn thường lệ vì nhiều người đã về nhà sớm để xem World Series, và các chuyên gia tin rằng điều đó đã giúp số người chết không cao hơn nhiều.

5:02Lực lượng cứu hộ tìm kiếm trong đống đổ nát suốt nhiều ngày. Gần bốn ngày sau trận động đất, họ tìm thấy một người đàn ông vẫn còn sống trong xe của mình, bên dưới tầng cầu bị sập. Ông sống sót qua cuộc giải cứu, nhưng qua đời khoảng một tháng sau đó, nâng số người chết ở đó lên 42.

5:19Hậu quả

Tổng cộng, 63 người chết và hơn 3.700 người bị thương. Hơn 18.000 ngôi nhà bị hư hại, khoảng 12.000 người mất nhà cửa, và thiệt hại lên tới khoảng 6 tỷ đô la.

5:33Tại sân Candlestick Park, sân vận động vẫn đứng vững, và người hâm mộ ra về an toàn. World Series được tiếp tục mười ngày sau đó, và đội A's đã thắng tuyệt đối mà không thua trận nào.

5:45Những gì đã thay đổi

Trận động đất cũng đã định hình lại San Francisco. Xa lộ Embarcadero bị hư hại, một bức tường bê tông dọc khu bờ nước, đã bị dỡ bỏ vào năm 1991, và khu bờ nước của thành phố lại mở ra hướng về vịnh.

5:58Nửa phía đông của cầu Bay Bridge được thay thế hoàn toàn. Nhịp cầu mới, được xây để chịu được một trận động đất lớn, khánh thành năm 2013, với chi phí khoảng 6,4 tỷ đô la.

6:11Trên khắp California, các kỹ sư đã quay lại những xa lộ và cây cầu được xây trước khi có quy chuẩn xây dựng hiện đại, bọc thép quanh các cột bê tông cũ và liên kết các nhịp cầu lại với nhau.

6:23Các nhà khoa học cũng đã xây dựng một hệ thống cảnh báo sớm động đất, gọi là ShakeAlert, hệ thống này phát hiện những sóng đầu tiên, nhanh hơn, và gửi cảnh báo trước khi cơn rung lắc mạnh ập tới. Vào dịp kỷ niệm lần thứ ba mươi của trận Loma Prieta, năm 2019, California bắt đầu gửi các cảnh báo đó tới điện thoại.

6:44Trận tiếp theo

Các mảng kiến tạo vẫn chưa ngừng chuyển động. Nhiều nhà khoa học cho rằng đứt gãy Hayward là đứt gãy nguy hiểm nhất trong vùng. Nó chạy ngay bên dưới các thành phố ở phía đông vịnh, và lần đứt gãy gần nhất là vào năm 1868.

6:57Bạn thực sự có thể nhìn thấy đứt gãy Hayward chuyển động. Một số đoạn của nó trườn đi liên tục, khoảng một phần năm inch mỗi năm. Ở trung tâm Hayward, những bờ lề đường cũ cắt ngang đứt gãy đã bị uốn cong sang một bên, từng chút một, qua nhiều thập kỷ.

7:12Trận động đất lớn gần nhất của nó, vào năm 1868, đã tàn phá hoặc làm hư hại nặng gần như mọi tòa nhà ở Hayward và làm khoảng 30 người chết. Cho đến năm 1906, đó chính là trận động đất mà người ta gọi là đại động đất San Francisco.

7:27Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính khả năng xảy ra ít nhất một trận động đất độ lớn 6,7 trở lên ở vùng vịnh San Francisco, trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043, là 72%.

7:40Đó là lý do mỗi tháng Mười, vào khoảng dịp kỷ niệm trận Loma Prieta, hàng triệu người tham gia diễn tập Great ShakeOut. Cuộc diễn tập có ba bước đơn giản: hạ người xuống, chống tay và đầu gối, che đầu và cổ, nấp dưới một chiếc bàn chắc chắn nếu có bàn ở gần, và bám chặt cho đến khi hết rung lắc.

7:59Vậy, có ba điều cần ghi nhớ. Thứ nhất, Loma Prieta là một trận động đất độ lớn 6,9 trên hệ thống đứt gãy San Andreas, và cơn rung lắc mạnh nhất của nó chỉ kéo dài khoảng 15 giây. Thứ hai, phần lớn thiệt hại nặng nề nhất xảy ra ở xa đứt gãy, tại những nơi như khu Marina và xa lộ Cypress. Ở những nơi đó, bùn mềm và đất lấp đã làm cơn rung lắc mạnh gấp hai đến bốn lần. Và thứ ba, vùng vịnh San Francisco vẫn chưa yên: khả năng xảy ra một trận động đất khác độ lớn 6,7 trở lên ở đó, trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043, là 72%.

8:36Loma Prieta không phải là trận đại động đất mà mọi người vẫn chờ đợi, nhưng nó là một lời nhắc nhở. Các mảng bên dưới vịnh vẫn dịch chuyển khoảng 1,6 inch mỗi năm, và các đứt gãy đang tích tụ sức căng đó. Cảm ơn bạn đã xem Earth Explained. Hãy đăng ký kênh để xem câu chuyện tiếp theo, và theo dõi hành tinh trực tiếp, mọi lúc, trên EarthWatch 24-7.

Nguồn

  1. U.S. Geological Survey. M 6.9 – October 17, 1989 Loma Prieta Earthquake. Earthquake Hazards Program. www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/science/m-69-october-17-1989-loma-prieta-earthquakeDùng cho: Thời gian, độ lớn, tâm chấn, số người chết, số người bị thương, thiệt hại, Santa Cruz, Bay Bridge, hóa lỏng
  2. Plafker, G., & Galloway, J. (Eds.) (1989). Lessons Learned from the Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989. U.S. Geological Survey Circular 1045. pubs.usgs.gov/publication/cir1045Dùng cho: Độ sâu chấn tiêu, kích thước và độ trượt của sự đứt vỡ, sự đứt vỡ bị chôn vùi, sự khuếch đại, khu Marina, Cypress và Bay Bridge
  3. O'Rourke, T. D., et al. (1992). The Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989: Marina District. U.S. Geological Survey Professional Paper 1551-F. pubs.usgs.gov/publication/pp1551FDùng cho: Lịch sử lớp đất lấp ở khu Marina, hóa lỏng, các tòa nhà bị sập, cộng hưởng và khuếch đại do nền đất
  4. Borcherdt, R. D., & Glassmoyer, G. (1992). On the characteristics of local geology and their influence on ground motions generated by the Loma Prieta earthquake in the San Francisco Bay region, California. Bulletin of the Seismological Society of America, 82(2), 603–641. doi.org/10.1785/BSSA0820020603Dùng cho: Sự khuếch đại rung lắc trên đất lấp và bùn vịnh
  5. Housner, G. W., & Thiel, C. C., Jr. (1990). Competing against time: Report of the Governor's Board of Inquiry on the 1989 Loma Prieta earthquake. Earthquake Spectra, 6(4), 681–711. doi.org/10.1193/1.1585592Dùng cho: Sự khuếch đại trên đất mềm, sự sụp đổ của cầu cạn Cypress Street và cầu Bay Bridge
  6. Working Group on California Earthquake Probabilities (1988). Probabilities of Large Earthquakes Occurring in California on the San Andreas Fault. U.S. Geological Survey Open-File Report 88-398. pubs.usgs.gov/publication/ofr88398Dùng cho: Dự báo năm 1988
  7. U.S. Geological Survey. The Great 1906 San Francisco Earthquake. Earthquake Hazards Program. earthquake.usgs.gov/earthquakes/events/1906calif/18aprilDùng cho: Chiều dài đứt vỡ năm 1906, thương vong và số tòa nhà bị phá hủy, thuyết bật đàn hồi của Reid, chu kỳ lặp lại
  8. Brocher, T. M., et al. (2008). The Hayward Fault: Is It Due for a Repeat of the Powerful 1868 Earthquake? U.S. Geological Survey Fact Sheet 2008-3019. pubs.usgs.gov/fs/2008/3019Dùng cho: Trận động đất năm 1868, sự trườn của đứt gãy Hayward, chu kỳ lặp lại
  9. Lienkaemper, J. J., & Borchardt, G. (1996). Holocene slip rate of the Hayward fault at Union City, California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 101(B3), 6099–6108. doi.org/10.1029/95JB01378Dùng cho: Tốc độ trượt dài hạn của đứt gãy Hayward
  10. Aagaard, B. T., et al. (2016). Earthquake Outlook for the San Francisco Bay Region 2014–2043. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2016-3020 (ver. 1.1). pubs.usgs.gov/publication/fs20163020Dùng cho: Dự báo 72%, xác suất cho từng đứt gãy, chuyển động mảng trong vùng, “Drop, Cover and Hold On” (cúi xuống, che chắn và bám chặt)
  11. Burkett, E., Given, D. D., & Jones, L. M. (2014). ShakeAlert: An Earthquake Early Warning System for the United States West Coast. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2014-3083. pubs.usgs.gov/publication/fs20143083Dùng cho: Cách hoạt động của cảnh báo sớm động đất
  12. Berkeley News (2019, October 17). California rolls out first statewide earthquake early warning system. University of California, Berkeley. news.berkeley.edu/2019/10/17/california-rolls-out-first-statewide-earthquake-early-warning-systemDùng cho: Cảnh báo qua điện thoại được triển khai vào dịp kỷ niệm lần thứ 30 của trận Loma Prieta (MyShake)
  13. Metropolitan Transportation Commission. San Francisco–Oakland Bay Bridge. www.baybridgeinfo.orgDùng cho: Nhịp phía đông mới: ngày khánh thành và chi phí
  14. Hanks, T. C., & Kanamori, H. (1979). A moment magnitude scale. Journal of Geophysical Research, 84(B5), 2348–2350. doi.org/10.1029/JB084iB05p02348Dùng cho: Độ lớn mô-men và mô-men địa chấn

Hình ảnh trong tập: USGS, NOAA và NASA (phạm vi công cộng), cùng bản đồ NASA/USGS Landsat qua NASA GIBS; hoạt hình của EarthWatch 24-7. Ghi công đầy đủ: earthwatch247.com/credits.html.

Trích dẫn bài học này

EarthWatch 24-7. (2026). Trận động đất World Series: Loma Prieta, 1989: vì sao thiệt hại nặng nhất lại xảy ra cách đứt gãy 60 dặm [Bài học video]. Earth Explained: Động đất, nghiên cứu điển hình. https://earthwatch247.com/learn/loma-1989/vi/

Đáp án

  1. C. Đây là ranh giới chuyển dạng: các mảng trượt ngang qua nhau với tốc độ khoảng 2 inch (5 cm) mỗi năm, và chuyển động này được chia cho các đứt gãy San Andreas, Hayward, Calaveras và các đứt gãy liên quan.
  2. A. Đây là thuyết bật đàn hồi (1910). Ý tưởng then chốt của nó là sự trượt trên đứt gãy gây ra động đất, chứ không phải ngược lại.
  3. D. Các nghiên cứu của USGS lần lại quá trình lấp vũng này, kết thúc bằng lớp cát bồi thủy lực được đổ cho Panama-Pacific International Exposition (hội chợ triển lãm quốc tế Panama–Thái Bình Dương) năm 1915. Đất lấp bằng cát tơi xốp, ẩm ướt chính là loại nền đất dễ bị hóa lỏng.
  4. B. Dự báo này là một xác suất, không phải lời tiên đoán một ngày cụ thể. Con số 72% là dự báo của USGS cho toàn vùng vịnh trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043.
  5. A. Đây là hiện tượng hóa lỏng. Những mạch phun cát và vết nứt do trượt ngang của nền đất xuất hiện khắp khu này, cách tâm chấn khoảng 60 dặm; bản thân vết đứt vỡ không bao giờ lên tới mặt đất.
  6. C. Khuếch đại do nền đất: Governor's Board of Inquiry (ủy ban điều tra của thống đốc) nhận thấy nền đất mềm quanh vịnh đã khuếch đại rung lắc nhiều hơn mức các quy chuẩn xây dựng đã tính đến.
  7. B. 63 người chết, 3.757 người bị thương và thiệt hại tài sản khoảng 6 tỷ đô la. Phương án đầu tiên mô tả trận động đất và hỏa hoạn năm 1906.
  8. D. Cảnh báo truyền đi gần như tức thì, trong khi sóng địa chấn chỉ đi được vài dặm mỗi giây. Trận động đất phải đã bắt đầu rồi.
  9. C. Trận động đất năm 1868 của nó (độ lớn 6,8) đã làm khoảng 30 người chết khi vùng này còn thưa dân; ngày nay hàng triệu người sống dọc theo nó.
  10. A. Con số 72% bao trùm toàn vùng và tất cả các đứt gãy của nó trong 30 năm. Với từng đứt gãy riêng lẻ, con số thấp hơn: 33% cho đứt gãy Hayward hoặc Rodgers Creek và 22% cho đứt gãy San Andreas.

Câu hỏi tự luận

  1. Các mảng di chuyển đều đặn, nhưng các đứt gãy giữa chúng bị ma sát khóa chặt, nên đá ở hai bên bị uốn cong thay vì trượt, tích trữ sức căng trong nhiều thập kỷ hoặc nhiều thế kỷ. Khi ứng suất vượt quá sức bền của đứt gãy, nó trượt đột ngột và phần đá bị uốn cong bật trở lại. Năm 1906, những con đường và hàng rào cắt ngang đứt gãy San Andreas bị xô lệch tới khoảng 21 feet (6,4 m), tương ứng với hơn một thế kỷ chuyển động của mảng được giải phóng trong chưa đầy một phút. Reid đã dùng những số đo đó để xây dựng thuyết này vào năm 1910.
  2. Phần bị hư hại của khu Marina được xây trên một vũng nhỏ đã bị lấp: cát tơi xốp được bơm vào cho Panama-Pacific International Exposition (hội chợ triển lãm quốc tế Panama–Thái Bình Dương) năm 1915, cùng với lớp đất lấp cũ hơn có thể chứa một ít mảnh vụn từ năm 1906. Trong lớp trầm tích mềm, bão hòa nước, sóng địa chấn chậm lại và lớn lên, nên rung lắc ở đây được khuếch đại mạnh hơn nhiều so với trên nền đá ở Fort Mason gần đó. Rung lắc sau đó làm lớp cát tơi xốp bị hóa lỏng: nó mất sức chịu tải, các tòa nhà bị lún và nghiêng, những mạch phun cát trào lên và sự trượt ngang của nền đất làm đứt các đường ống khí đốt và ống nước. Một đám cháy lớn bùng phát, và vì các ống dẫn nước chính đã hỏng, một tàu cứu hỏa phải bơm nước từ vịnh lên. Những tòa nhà có tầng trệt yếu, làm nhà để xe thông thoáng, đặc biệt dễ bị tổn thương.
  3. Không nửa nào là một lời tiên đoán. Năm 1988, các nhà khoa học đánh giá đoạn phía nam dãy núi Santa Cruz có 30% xác suất xảy ra một trận động đất độ lớn từ 6,5 đến 7 trong vòng 30 năm; việc nó xảy ra ngay năm sau không phải là một dự báo về ngày. Dự báo của USGS cho giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2043 là 72% xác suất xảy ra ít nhất một trận động đất độ lớn 6,7 trở lên ở đâu đó trong vùng vịnh trong 30 năm đó. Điều đó có nghĩa là khả năng xảy ra một trận động đất lớn cao hơn khả năng không xảy ra, nhưng không chắc chắn; nó có thể xảy ra trên bất kỳ đứt gãy nào trong vùng, và có thể đến vào bất kỳ ngày nào, vì vậy việc chuẩn bị ngay từ bây giờ là quan trọng.

Tìm hiểu sâu hơn

  1. Trận Loma Prieta lớn đến mức nào?: (a) 101.5 × 1.0 ≈ 32 lần. Trận Loma Prieta giải phóng năng lượng gấp 101.5 × 0.1 ≈ 1,4 lần trận năm 1868, nên hai trận có quy mô tương tự nhau, nhưng đứt gãy Hayward chạy ngay bên dưới các thành phố của vùng East Bay. (b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m. (c) A ≈ 4.9 × 108 m², nên D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1,9 m, khoảng 6 feet. Véc-tơ trượt trắc địa là √(6² + 4²) ≈ 7,2 feet (2,2 m): hai kết quả khớp nhau trong phạm vi khoảng 15%, là tốt nếu xét đến độ bất định của μ và của diện tích đứt vỡ.
  2. Ngân sách sức căng của các đứt gãy vùng vịnh: (a) 20 ft ÷ 200 năm = 0,1 ft mỗi năm, khoảng 1,2 inch (3 cm) mỗi năm, xấp xỉ ba phần tư của 1,6 inch mỗi năm trên toàn vùng; phần còn lại do các đứt gãy Hayward, Rodgers Creek, Calaveras và các đứt gãy khác của hệ thống đảm nhận. (b) 158 năm × 8 mm mỗi năm ≈ 1,3 m, khoảng 4 feet: đã là một phần lớn của khoảng 2 m năm 1868, phù hợp với quan điểm của USGS rằng đứt gãy này có thể gây ra một trận động đất độ lớn từ 6,8 đến 7.0 vào bất cứ lúc nào. (c) Sự trườn chỉ giải tỏa sức căng gần bề mặt, và ngay cả ở đó nó cũng chậm hơn tốc độ dài hạn; phần sâu hơn, bị khóa của đứt gãy tiếp tục tích trữ sức căng cho đến khi nó vỡ.
  3. Vì sao nền đất mềm cộng hưởng: (a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1.07 s, tần số khoảng 0,94 Hz, khớp với đỉnh khuếch đại quan sát được gần 1 Hz. (b) Theo quy tắc kinh nghiệm, những tòa nhà khoảng 8 đến 12 tầng (chu kỳ riêng gần 1 s) sẽ cộng hưởng với mặt đất; những ngôi nhà khung gỗ thấp tầng có chu kỳ ngắn hơn, và ở khu Marina, chính hóa lỏng và tầng trệt yếu, chứ không chỉ riêng cộng hưởng, đã làm chúng sập. (c) Đất mềm ứng xử phi tuyến khi rung lắc mạnh: chúng mềm đi và tiêu tán nhiều năng lượng hơn, làm giảm mức khuếch đại và dịch chuyển cộng hưởng sang các chu kỳ dài hơn. Vì vậy, hệ số khuếch đại đo được khi rung lắc yếu sẽ đánh giá quá cao mức khuếch đại trong một trận động đất gây thiệt hại, dù rung lắc trên nền đất mềm vẫn mạnh hơn nhiều so với trên nền đá.
  4. Dự báo 72% có ý nghĩa gì cho mỗi năm: (a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 0.042 lần mỗi năm, khoảng cách trung bình khoảng 24 năm và xác suất cho một năm là 1 − exp(−0.042) ≈ 4,1%. Chia cho 30 là giả định rằng các xác suất cộng được với nhau, nhưng xác suất “ít nhất một lần” tích lũy theo kiểu lũy kế: 2,4% mỗi năm chỉ cho 1 − 0.976^30 ≈ 52% trong 30 năm, chứ không phải 72%. (b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 0.012 lần mỗi năm, nên khả năng trong một năm bất kỳ là khoảng 1,2%: dự báo đã xác định đúng đoạn đứt gãy, nhưng thời điểm năm 1989 không nằm trong dự báo. (c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48, tức 48%. Phần còn lại đến từ đứt gãy Calaveras và các đứt gãy lớn khác, cùng với các đứt gãy ít được biết đến và chưa được biết đến (riêng chúng đã chiếm 13%).
  5. Có thể cảnh báo trước bao lâu?: (a) R = √(97² + 18²) ≈ 98.7 km. Sóng P đến sau 98.7 ÷ 6.0 ≈ 16.4 s và sóng S đến sau 98.7 ÷ 3.5 ≈ 28.2 s, nên một cảnh báo phát ở giây thứ 8 cho khoảng 20 giây báo trước. (b) R = √(14.5² + 18²) ≈ 23.1 km; sóng S đến sau khoảng 6,6 s, trước cả cảnh báo, nên Santa Cruz sẽ không được cảnh báo trước chút nào. (c) Trong 8 s, sóng S đi được 28 km; trên mặt đất, quãng đó tương ứng với khoảng cách √(28² − 18²) ≈ 21 km (khoảng 13 dặm) tính từ tâm chấn. Cảnh báo thực tế có thể ngắn hơn vì sự đứt vỡ lan rộng khoảng 20 km về mỗi phía dọc theo đứt gãy, nên sóng mạnh cũng đến từ những phần đứt gãy gần nhiều thị trấn hơn, và vì cảnh báo cần thời gian để đến được điện thoại. Một chấn tiêu sâu như ở đây thực ra lại có lợi, vì nó làm sóng S đến mặt đất muộn hơn.