Động đất Tohoku là siêu địa chấn đới hút chìm xảy ra vào ngày 11 tháng 3 năm 2011 ngoài khơi vùng biển đông bắc đảo Honshu của Nhật Bản, đạt độ lớn mô men địa chấn từ 9,0 đến 9,1 theo thang Mw. Sự kiện địa chấn này làm đứt vỡ ranh giới mảng hội tụ quy mô lớn dọc máng Nhật Bản, kích hoạt các đợt sóng thần tàn phá ven bờ và đặt ra những thay đổi căn bản trong vật lý địa chấn hiện đại. Bài viết trình bày chi tiết về bối cảnh kiến tạo đới hút chìm, động lực học trượt đứt gãy đồng chấn, cơ chế sinh sóng thần khổng lồ và các bài học khoa học cho công tác phòng chống thiên tai địa chấn.
Bối cảnh kiến tạo và đặc điểm địa chấn học
Khu vực đông bắc Nhật Bản nằm tại đới hút chìm nơi mảng Thái Bình Dương chuyển động chúc xuống bên dưới mảng Okhotsk dọc theo máng Nhật Bản. Theo nghiên cứu địa chấn của Simons và cs. (2011), tốc độ hội tụ tương đối giữa hai mảng thạch quyển này diễn ra ổn định ở mức khoảng 8 cm/năm đến 9 cm/năm. Trong nhiều thế kỷ, chuyển động nén ép liên tục tạo nên sự khóa dính cơ học chặt chẽ tại mặt tiếp xúc giữa hai mảng, tích lũy trường ứng suất biến dạng đàn hồi khổng lồ trong các khối đất đá thạch quyển.
Trước năm 2011, các mô hình địa chấn truyền thống thường chia đới hút chìm Sanriku và Miyagi thành các phân đoạn đứt gãy độc lập. Giới nghiên cứu từng giả định rằng mỗi phân đoạn chỉ có thể giải phóng năng lượng thông qua các trận động đất có độ lớn từ trung bình đến lớn mà không thể vỡ liên hoàn đồng thời. Tuy nhiên, trận động đất Tohoku năm 2011 đã phá vỡ toàn bộ các rào cản giả định này. Đánh giá tổng quan của Lay (2018) cho thấy vùng vỡ đồng chấn đã liên kết nhiều phân đoạn lịch sử thành một mặt vỡ khổng lồ có chiều dài khoảng 400 km dọc đới hút chìm và chiều rộng khoảng 200 km xuống sâu theo phương nghiêng của đới hút chìm.
Năng lượng địa chấn giải phóng từ sự kiện này được định lượng thông qua mô men địa chấn vô hướng, biểu diễn theo công thức cơ bản của cơ học đứt gãy:
Trong đó đại lượng là mô men địa chấn, là mô đun trượt của môi trường thạch quyển bị biến dạng, là tổng diện tích mặt đứt gãy bị đứt vỡ đồng chấn, và là độ dịch chuyển trượt trung bình trên diện tích vỡ đó. Với độ lớn mô men địa chấn đạt giá trị từ 9,0 đến 9,1, tổng năng lượng giải phóng đàn hồi của đợt vỡ này vượt xa mọi trận động đất từng được thiết bị đo đạc ghi nhận tại quần đảo Nhật Bản kể từ khi các trạm địa chấn hiện đại bắt đầu vận hành.
Cơ chế vỡ đứt gãy và động lực học trượt nông
Một trong những hiện tượng gây ngạc nhiên lớn nhất cho giới địa chấn học toàn cầu trong trận động đất Tohoku là sự tập trung của độ trượt khổng lồ ở phần nông sát trục rãnh đại dương. Phân tích chấn nguyên hữu hạn của Ide và cs. (2011) chỉ ra rằng quá trình vỡ kéo dài tổng cộng khoảng 150 giây với các giai đoạn giải phóng năng lượng phân dị rất rõ nét theo cả thời gian và không gian:
- Giai đoạn khởi đầu diễn ra tương đối êm đềm ở vùng tiêu chấn sâu trong khoảng thời gian ngắn ban đầu, khi vết vỡ lan truyền dần trong môi trường thạch quyển giòn.
- Giai đoạn phá hủy lan nhanh lên phía nông hướng về phía máng Nhật Bản trong khoảng thời gian kế tiếp, tạo nên độ trượt xung động cực lớn tại vùng ranh giới mảng gần đáy biển.
- Giai đoạn tiếp diễn ở phần sâu của đứt gãy tiếp tục duy trì với các đợt phát xung năng lượng tần số cao làm rung chuyển mạnh các vùng đất liền.
Nghiên cứu của Ide và cs. (2011) cũng chỉ ra tính chất phân dị bức xạ sóng địa chấn đặc biệt: phần đứt gãy nông gần máng biển phát xạ rất yếu ở các dải tần số cao nhưng lại tạo ra chuyển động dời khối nước quy mô lớn ở tần số thấp, trong khi phần đứt gãy sâu phía dưới đất liền phát xạ rất mạnh ở các dải tần số cao gây nên gia tốc nền dữ dội. Hiện tượng trượt vượt động lực học ở phần nông xảy ra do lớp vật liệu sét biển và bùn lắng đọng tại đới hút chìm bị mất ma sát đột ngột khi chịu tải trọng động lực học với áp lực lỗ rỗng tăng cao.
Tổng quan cơ học của Lay (2018) chỉ rõ rằng ma sát động lực học tại vùng đứt gãy nông giảm mạnh xuống mức rất thấp trong quá trình trượt, cho phép hai khối đất đá trượt tương đối qua nhau một khoảng cách cực đại từ 50 m đến 80 m. Đây là mức trượt đồng chấn lớn nhất từng được đo đạc trực tiếp trong lịch sử ngành địa vật lý quan sát, vượt qua mọi dự tính thiết kế công trình phòng thủ ven biển trước thời điểm năm 2011.
Biến dạng đáy biển và sự hình thành sóng thần khổng lồ
Biến dạng cơ học khổng lồ trên mặt đứt gãy dưới đáy biển đã được các nhà khoa học Nhật Bản kiểm chứng trực tiếp bằng các phương pháp đo đạc trắc địa biển tân tiến nhất ngay sau thảm họa. Khảo sát đo sâu địa hình đáy biển đa chùm tia do Fujiwara và cs. (2011) thực hiện trước và sau sự kiện đã phát hiện sự dịch chuyển thẳng tới trục máng Nhật Bản. Dữ liệu từ Fujiwara và cs. (2011) xác nhận rằng đáy biển ở khu vực sườn dốc lục địa ngoài cùng đã dịch chuyển ngang khoảng 50 m theo hướng đông - đông nam và đồng thời bị đẩy nâng lên khoảng 10 m theo phương thẳng đứng.
Chuyển động dời chỗ theo phương ngang cực lớn của sườn lục địa dốc kết hợp với chuyển động nâng thẳng đứng đã đẩy khối nước đại dương cục bộ dâng cao thêm lên tới 16 m trên sườn lục địa (Fujiwara và cs., 2011). Song song với các phép đo hồi âm bathymetry, mạng lưới quan sát kết hợp định vị vệ tinh GPS và máy phát đáp âm học đáy biển của Sato và cs. (2011) bố trí ngay phía trên khu vực tiêu chấn đã ghi nhận độ dịch chuyển ngang của nền đáy biển đạt giá trị khoảng 24 m theo hướng đông - đông nam, kèm theo độ nâng thẳng đứng đạt giá trị gần 3 m.
| Phương pháp đo trắc địa | Tác giả và năm công bố | Vị trí quan trắc | Độ dịch chuyển ngang | Độ dịch chuyển đứng |
|---|---|---|---|---|
| Đo sâu đa chùm tia lặp lại | Fujiwara và cs. (2011) | Gần trục rãnh máng Nhật Bản | Khoảng 50 m hướng đông - đông nam | Nâng khoảng 10 m (đẩy khối nước tới 16 m) |
| Kết hợp GPS và âm học đáy biển | Sato và cs. (2011) | Trực tiếp phía trên tiêu chấn | Khoảng 24 m hướng đông - đông nam | Nâng gần 3 m thẳng đứng |
| Tổng hợp nghịch đảo địa chấn sóng mặt | Simons và cs. (2011) | Mặt đứt gãy đới hút chìm | Trượt cục bộ vượt quá 50 m | Phân bố nâng sườn lục địa diện rộng |
| Nghịch đảo đa nguồn tổng hợp | Lay (2018) | Toàn bộ mặt vỡ 400 km x 200 km | Trượt phần nông từ 50 m đến 80 m | Phân dị trượt nông và sâu |
Sự trồi sụt đột ngột của hàng ngàn tỷ mét khối nước biển trên một vùng đáy đại dương rộng lớn đã kích hoạt chuỗi sóng thần xuyên đại dương. Báo cáo khảo sát thực địa toàn quốc của Mori và cs. (2011) do nhóm khảo sát chung gồm hàng trăm nhà nghiên cứu thực hiện đã xây dựng cơ sở dữ liệu sóng thần khổng lồ với hơn 5300 vị trí đo đạc chi tiết dọc theo dải bờ biển dài hơn 2000 km của Nhật Bản. Số liệu thực địa của Mori và cs. (2011) xác nhận:
- Chiều cao sóng leo bờ cực đại ghi nhận tại Miyako thuộc tỉnh Iwate đạt mức kỷ lục là 39,7 m khi sóng thần tiến sâu vào các vịnh hẹp địa hình ria dạng phễu.
- Độ cao ngập lụt cực đại tại các vùng đồng bằng ven biển (như đồng bằng Sendai) ghi nhận lên tới 19,5 m, cuốn trôi hàng loạt khu dân cư, đê chắn sóng bê tông và hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông.
- Sóng thần lan truyền qua toàn bộ lưu vực Thái Bình Dương, gây xáo trộn mực nước biển ghi nhận được tại bờ biển châu Mỹ và toàn vùng châu Á - Thái Bình Dương.
Tác động môi trường, sự cố liên hoàn và bài học khoa học
Thảm họa động đất Tohoku năm 2011 là điển hình của thảm họa dây chuyền phức hợp nhiều tầng bậc. Rung chấn mặt đất dữ dội làm mất nguồn điện lưới bên ngoài, tiếp theo sau là các đợt sóng thần cao vượt xa hệ thống đê chắn sóng bảo vệ, làm ngập các máy phát điện diesel dự phòng và hệ thống tản nhiệt khẩn cấp tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi. Hậu quả dẫn tới sự cố tan chảy vùng lõi nhiên liệu ở các tổ máy phản ứng hạt nhân, giải phóng các đồng vị phóng xạ ra môi trường và dẫn tới cuộc khủng hoảng hạt nhân nghiêm trọng nhất kể từ sau thảm họa Chernobyl.
Sự kiện Tohoku làm thay đổi sâu sắc nhận thức của giới khoa học về các giới hạn an toàn công trình. Trước năm 2011, hệ thống đê biển và công trình phòng thủ sóng thần của Nhật Bản chủ yếu được thiết kế dựa trên kịch bản sóng thần lịch sử có chu kỳ lặp lại thông thường. Thảm họa năm 2011 chứng minh rằng việc đánh giá rủi ro thiên tai không thể chỉ dựa vào chuỗi số liệu quan trắc lịch sử ngắn ngủi, mà bắt buộc phải tích hợp các nghiên cứu trầm tích sóng thần cổ địa chấn học để nắm bắt các biến cố cực đoan xảy ra theo chu kỳ hàng thiên niên kỷ.
Ý nghĩa đối với công tác nghiên cứu tai biến tại Việt Nam
Mặc dù bờ biển Việt Nam không nằm trực tiếp trên các đới hút chìm có khả năng sinh siêu động đất cấp độ mô men Mw 9,0, bài học từ thảm họa sóng thần Tohoku năm 2011 đã thúc đẩy mạnh mẽ các chương trình nghiên cứu tai biến biển trong nước. Tại khu vực Biển Đông, đới hút chìm máng Manila nằm ở phía tây Philippines được giới địa chất xác định là nguồn sinh chấn tiềm tàng nguy hiểm nhất có thể tạo ra sóng thần ảnh hưởng trực tiếp đến dải ven biển miền Trung Việt Nam.
Nghiên cứu của Phuong và cs. (2013) công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển đã ứng dụng mô hình số trị COMCOT để mô phỏng kịch bản sóng thần xấu nhất phát sinh từ đới hút chìm máng Manila. Kết quả mô phỏng của Phuong và cs. (2013) cung cấp các thông số kỹ thuật cốt lõi về thời gian lan truyền sóng thần tới bờ biển Việt Nam cũng như phân bố độ cao sóng ven bờ, phục vụ trực tiếp cho việc quy hoạch mạng lưới trạm quan trắc địa chấn quốc gia và xây dựng phương án sơ tán dân cư khẩn cấp tại các đô thị ven biển như Đà Nẵng, Quy Nhơn và Nha Trang.
Hạn chế của các mô hình dự báo và hướng nghiên cứu mở
Trận động đất Tohoku cho thấy những lỗ hổng căn bản trong các lý thuyết tiền đề của địa chấn học thời kỳ trước. Trước khi trận động đất xảy ra, bản đồ phân vùng nguy hiểm địa chấn của Nhật Bản đánh giá xác suất xảy ra động đất lớn tại vùng biển Miyagi là rất cao, nhưng quy mô độ lớn dự báo chỉ dừng lại ở các trận động đất phân đoạn thông thường và hoàn toàn không tính đến kịch bản siêu địa chấn cấp Mw đạt từ 9,0 đến 9,1. Việc không dự báo được khả năng ghép nối đồng thời giữa nhiều đoạn đứt gãy đã dẫn tới việc đánh giá thấp nguy cơ sóng thần ở cấp độ quy hoạch quốc gia.
Bước sang giai đoạn sau năm 2018, hướng nghiên cứu địa chấn học đới hút chìm tập trung vào ba trọng tâm khoa học mở:
- Mô hình hóa ma sát động lực học phi tuyến: Làm sáng tỏ cơ chế bôi trơn nhiệt và hóa lỏng áp lực lỗ rỗng tại ranh giới mảng dưới tác dụng của tải trọng trượt cực nhanh, giúp giải thích hiện tượng trượt nông khổng lồ mà các mô hình ma sát Coulomb tĩnh không thể tiên đoán.
- Phát triển hệ thống trắc địa đáy biển liên tục: Triển khai các mạng lưới cảm biến áp suất đáy biển thời gian thực và cáp quang đo biến dạng đáy đại dương để phát hiện sớm các dị thường biến dạng đàn hồi tích tụ trước khi vỡ đứt gãy xảy ra.
- Đánh giá rủi ro theo chuỗi sự kiện đa thiên tai: Xây dựng khung đánh giá tương tác dây chuyền giữa rung chấn địa chấn, hóa lỏng nền đất, sạt lở bờ dốc ngầm, sóng thần ngập lụt và sự cố an toàn tại các cơ sở công nghiệp năng lượng ven biển.
Những phát hiện từ trận động đất Tohoku tiếp tục đóng vai trò là cột mốc chuẩn mực để hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng chuyển động đứt gãy và hoàn thiện hệ thống cảnh báo sớm thảm họa thiên tai trên phạm vi toàn cầu.