Vùng tâm chấn khác gì so với chấn tâm động đất?

Chấn tâm là hình chiếu vuông góc của chấn tiêu động đất lên bề mặt tự do của Trái Đất, được xác định bằng một cặp toạ độ kinh vĩ độ cụ thể. Ngược lại, vùng tâm chấn là một vùng diện tích không gian bề mặt bao quanh chấn tâm, nơi chịu tác động rung chấn mạnh nhất và xảy ra các phá huỷ kết cấu nghiêm trọng nhất.

Vì sao các trận động đất có cùng độ lớn lại có vùng tâm chấn với mức tàn phá khác nhau?

Mức độ tàn phá trong vùng tâm chấn phụ thuộc vào chiều sâu chấn tiêu, cấu trúc địa chất địa tầng và điều kiện đất nền bề mặt. Chấn tiêu càng nông thì năng lượng sóng truyền thẳng lên vùng tâm chấn càng ít bị suy giảm, gây chấn động bề mặt càng dữ dội. Bên cạnh đó, nền đất yếu hoặc cát bão hoà nước có xu hướng khuếch đại dao động và dễ phát sinh hiện tượng hoá lỏng đất.

Khoảng cách Joyner-Boore có ưu thế gì so với khoảng cách tâm chấn trong vùng tâm chấn?

Khoảng cách Joyner-Boore xác định khoảng cách ngắn nhất từ công trình đến hình chiếu bề mặt của toàn bộ mặt vỡ nứt đứt gãy. Đối với các trận động đất lớn có mặt trượt kéo dài hàng chục kilômét, khoảng cách này phản ánh chính xác nguồn năng lượng sát công trình hơn nhiều so với khoảng cách đo tới một điểm tâm chấn duy nhất.

Tại Việt Nam từng ghi nhận những vùng tâm chấn mạnh nào trong lịch sử?

Vùng Tây Bắc Việt Nam từng ghi nhận hai trận động đất điển hình với vùng tâm chấn dữ dội: động đất Điện Biên năm 1935 với độ lớn chấn tiêu đạt 6,75, và động đất Tuần Giáo năm 1983 với độ lớn đạt 6,8 gây rung chấn cấp 8 đến cấp 9 trên thang MSK-64 tại vùng tâm chấn.

Vùng tâm chấn là gì? Đặc trưng và hiểm hoạ địa chấn

Vùng tâm chấn là khu vực bề mặt Trái Đất bao quanh chấn tâm động đất, nơi chịu tác động mạnh nhất của trường chấn động địa chấn từ nguồn chấn tiêu truyền tới. Thuật ngữ này xác định phạm vi không gian xảy ra các chuyển động nền mặt đất dữ dội nhất, biểu hiện qua cấp chấn động vĩ mô cực đại và các hiện tượng phá huỷ công trình xây dựng cũng như biến dạng địa chất bề mặt. Bài viết trình bày chi tiết về bản chất vật lý, các thông số trường sóng chấn động, mô hình suy giảm khoảng cách, phương pháp đánh giá hiểm hoạ địa chấn và bối cảnh thực tiễn tại Việt Nam.

Bản chất vật lý và ranh giới vùng tâm chấn

Để hiểu rõ bản chất của vùng tâm chấn, trước hết cần phân biệt các khái niệm hình học và vật lý then chốt trong địa chấn học. Khi một đứt gãy kiến tạo tích luỹ ứng suất vượt quá giới hạn bền của đất đá, quá trình trượt vỡ phát sinh giải phóng năng lượng đàn hồi dưới dạng sóng địa chấn. Vị trí khởi phát quá trình phá huỷ trong lòng thạch quyển được gọi là chấn tiêu (hypocenter hoặc focus). Hình chiếu vuông góc của chấn tiêu lên bề mặt tự do của Trái Đất được xác định là chấn tâm (epicenter). Vùng tâm chấn (epicentral area hoặc epicentral region) là toàn bộ đới lãnh thổ bao quanh chấn tâm chịu mức độ rung chuyển nền đất cao nhất.

Ranh giới ngoài của vùng tâm chấn thường được xác lập bởi đường đẳng chấn (isoseismal line) bao bọc cấp chấn động vĩ mô cực đại. Tại vùng này, trường sóng gần nguồn chi phối hoàn toàn chuyển động nền, trong đó các thành phần sóng khối (sóng dọc P và sóng ngang S) đi tới bề mặt theo phương gần thẳng đứng và nhanh chóng chuyển đổi hoặc giao thoa tạo thành các bó sóng mặt có biên độ lớn.

Phân biệt khoảng cách tâm chấn và khoảng cách mặt trượt

Trong địa chấn học cổ điển và hiện đại, việc xác định cự ly từ vị trí quan sát tới nguồn động đất đóng vai trò quyết định trong việc tính toán năng lượng truyền tới:

Khoảng cách tâm chấn: Được ký hiệu là $R_{epi}$ , biểu thị cự ly đo trên mặt Trái Đất từ điểm khảo sát tới toạ độ chấn tâm. Đối với các trận động đất có quy mô nhỏ (nguồn điểm), khoảng cách này mô tả khá chuẩn xác sự phân bố năng lượng.
Khoảng cách chấn tiêu: Ký hiệu là $R_{hyp}$ , là khoảng cách không gian ba chiều từ điểm khảo sát trực tiếp tới chấn tiêu trong lòng đất, thoả mãn hệ thức hình học $R_{hyp} = \sqrt{R_{epi}^2 + h^2}$ , trong đó đại lượng $h$ biểu thị độ sâu chấn tiêu của trận động đất.
Khoảng cách Joyner-Boore: Ký hiệu là $R_{jb}$ , định nghĩa khoảng cách ngắn nhất từ vị trí công trình đến hình chiếu vuông góc của mặt trượt đứt gãy lên bề mặt đất. Đối với các trận động đất quy mô lớn có chiều dài vỡ nứt đứt gãy hàng chục kilômét, khoảng cách Joyner-Boore phản ánh cơ chế truyền năng lượng sát nguồn thực tế hơn nhiều so với khoảng cách tâm chấn đơn thuần.
Khoảng cách mặt đứt gãy: Ký hiệu là $R_{rup}$ , là khoảng cách hình học ngắn nhất từ trạm quan sát đến bất kỳ điểm nào trên bề mặt vỡ nứt ngầm của đứt gãy chấn tiêu.

Đặc trưng chuyển động nền trong vùng tâm chấn

Trường chuyển động nền trong vùng tâm chấn có những biểu hiện cơ học và động lực học rất khác biệt so với các vùng xa nguồn chấn tiêu. Tại đây, công trình và địa tầng chịu tác động đồng thời của các xung chuyển vị vận tốc lớn, chuyển động gia tốc thẳng đứng mạnh và hiệu ứng hướng đứt gãy.

Hiệu ứng định hướng đứt gãy và xung vận tốc gần nguồn

Nghiên cứu phân loại định lượng chuyển động nền gần nguồn của Baker (2007) chỉ ra rằng trường chuyển động nền sát nguồn bị chi phối sâu sắc bởi hai hiện tượng cơ học sóng riêng biệt:

Hiệu ứng hướng đứt gãy: Hiện tượng hướng đứt gãy (forward directivity) phát sinh khi vận tốc lan truyền vết vỡ đứt gãy tiến gần tới vận tốc truyền sóng ngang trong môi trường đá. Quá trình này làm tích luỹ năng lượng sóng ngang phía trước đầu vỡ nứt, tạo ra một xung vận tốc hai pha (bipolar velocity pulse) tác động mạnh nhất theo phương vuông góc với phương vết đứt gãy.
Chuyển vị trượt kiến tạo tĩnh: Hiện tượng trượt vỡ mặt đất (fling-step) là hệ quả trực tiếp của biến dạng trượt kiến tạo tĩnh vĩnh cửu tại đứt gãy lộ thiên, tạo nên một xung vận tốc đơn cực (unipolar velocity pulse) theo phương song song với mặt trượt.

Theo phân tích của Baker (2007), các xung vận tốc này tập trung mật độ năng lượng vượt trội trong dải chu kỳ dao động trung bình đến dài với chu kỳ $T$ lớn hơn 1 s. Hiện tượng này gây ra phản ứng chấn động phá hoại đặc biệt nguy hiểm đối với các công trình có chu kỳ dao động tự nhiên kéo dài như nhà nhiều tầng, cầu dây văng hoặc các kết cấu nhịp lớn.

Mô hình suy giảm chuyển động nền địa chấn

Mô hình dự đoán chuyển động nền (GMPE) của Boore và Atkinson (2008) phát triển trên bộ dữ liệu NGA đã định lượng hoá phương trình suy giảm chấn động cho thành phần ngang trung bình của gia tốc nền cực đại (PGA), vận tốc nền cực đại (PGV) và phổ gia tốc phản ứng hấp thụ 5% (PSA) trong toàn bộ dải chu kỳ dao động từ 0,01 s đến 10,0 s. Mô hình toán học tổng quát biểu diễn quan hệ logarit của tham số chuyển động nền $Y$ như sau:

\ln Y = F_M(M) + F_D(R_{jb}, M) + F_S(V_{s30}, M, \text{PGA}_{ref}) + \epsilon \sigma

Trong công thức trên, đại lượng $Y$ đại diện cho tham số dao động cần xác định như gia tốc nền cực đại PGA hoặc phản ứng phổ PSA; đại lượng $M$ là độ lớn mômen động đất; hàm $F_M$ biểu diễn hàm nguồn phụ thuộc vào độ lớn; hàm $F_D$ mô tả sự suy giảm hình học và suy giảm phi đàn hồi theo khoảng cách Joyner-Boore $R_{jb}$ ; hàm $F_S$ biểu thị hàm phản ứng khuếch đại nền đất cục bộ dựa trên thông số vận tốc truyền sóng cắt trung bình 30 m đầu tiên $V_{s30}$ ; đại lượng $\text{PGA}_{ref}$ là gia tốc tham chiếu trên đá gốc; và đại lượng $\epsilon \sigma$ là số hạng sai số ngẫu nhiên đặc trưng cho độ không chắc chắn của mô hình thống kê.

Thang cường độ và đánh giá tác động vĩ mô

Để lượng hoá mức độ tàn phá trong vùng tâm chấn, địa chấn học sử dụng các thang cường độ vĩ mô dựa trên việc khảo sát thực địa hiện tượng phá huỷ nhà cửa, cầu đường và các dấu vết biến dạng địa chất bề mặt.

Thang chấn động châu Âu EMS-98

Khảo sát của Stromeyer và Grünthal (2009) tại Trung Âu đã làm sáng tỏ quan hệ suy giảm cường độ chấn động vĩ mô theo thang chấn động châu Âu EMS-98 gồm 12 cấp độ chấn động (từ cấp I không cảm thấy đến cấp XII biến dạng hoàn toàn địa hình). Cường độ cực đại tại vùng tâm chấn, ký hiệu là $I_0$ , phản ánh trực tiếp sự kết hợp giữa độ lớn chấn tiêu, chiều sâu tiêu chấn và điều kiện đất nền bề mặt. Phương trình suy giảm cường độ vĩ mô tổng quát của Stromeyer và Grünthal (2009) có dạng:

I = I_0 - a \ln\left(\frac{R}{h}\right) - b (R - h)

Trong biểu thức này, đại lượng $I$ là cường độ địa chấn tại điểm quan sát ở khoảng cách không gian $R$ ; đại lượng $I_0$ là cường độ cực đại ghi nhận tại vùng tâm chấn; đại lượng $h$ là chiều sâu tiêu chấn; trong khi các hệ số $a$ và $b$ lần lượt đại diện cho hệ số suy giảm phân kỳ hình học và hệ số tiêu tán hấp thụ năng lượng của môi trường thạch quyển.

So sánh các thang đo và tham số chuyển động nền

Bảng đối chiếu dưới đây mô tả mối liên hệ định tính và định lượng giữa cấp cường độ chấn động vĩ mô và các tham số kỹ thuật địa chấn trong vùng ảnh hưởng gần nguồn:

Cấp chấn động vĩ mô	Mô tả chấn động vùng tâm	Hiện tượng phá huỷ công trình	Dấu hiệu biến dạng mặt đất
Cấp thấp (I đến V)	Chấn động nhẹ đến vừa	Công trình không hư hại kết cấu, rung lắc nhẹ đồ vật	Không xuất hiện vết nứt hay sụt lún địa hình
Cấp trung bình (VI đến VII)	Rung động mạnh, hoảng loạn diện rộng	Nứt vữa tường gạch, hư hỏng cục bộ các kết cấu xây dựng chèn	Nứt nhỏ trên nền đất yếu và bờ dốc tự nhiên
Cấp cao (VIII đến IX)	Phá hoại nghiêm trọng sát nguồn	Nứt gãy cột dầm, sụp đổ một phần nhà xây gạch không gia cường	Hiện tượng cát hoá lỏng, sạt lở sườn dốc cục bộ
Cấp tàn phá (X đến XII)	Thảm hoạ địa chấn toàn diện	Đa số công trình kiên cố bị sụp đổ hoặc hư hỏng không thể phục hồi	Đứt gãy trượt lộ thiên mặt đất, biến dạng cảnh quan lớn

Ảnh hưởng của điều kiện đất nền cục bộ

Cường độ rung chấn trong vùng tâm chấn không đồng nhất mà phụ thuộc mật thiết vào cấu trúc địa chất nông bên dưới công trình. Hiện tượng khuếch đại địa phương xảy ra khi sóng địa chấn truyền từ tầng đá gốc cứng lên các lớp trầm tích mềm xốp bở rời phía trên.

Nghiên cứu ứng dụng tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 của Võ và Phùng (2023) làm rõ các nhóm nền đất xây dựng thông qua chỉ số vận tốc truyền sóng cắt trung bình 30 m đầu tiên của mặt cắt địa tầng, ký hiệu là $V_{s30}$ :

Đất loại A: Đá hoặc các thành tạo địa chất tương tự đá, có thông số vận tốc sóng cắt trung bình $V_{s30}$ lớn hơn 800 m/s. Nền đất này ít bị khuếch đại chấn động.
Đất loại B: Cát rất chặt, sỏi cuội hoặc sét rất cứng, có vận tốc sóng cắt trung bình $V_{s30}$ nằm trong khoảng từ 360 m/s đến 800 m/s.
Đất loại C: Cát hạt thô, trung bình chặt hoặc sét cứng, có vận tốc sóng cắt trung bình $V_{s30}$ dao động trong khoảng từ 180 m/s đến 360 m/s, bắt đầu xuất hiện khuếch đại dao động đáng kể.
Đất loại D: Đất dính từ mềm đến dẻo mềm hoặc đất rời xốp, có giá trị vận tốc sóng cắt trung bình $V_{s30}$ nhỏ hơn 180 m/s. Trong vùng tâm chấn, đất loại D có thể khuếch đại biên độ gia tốc nền lên nhiều lần so với nền đá gốc lân cận.

Hiện tượng hoá lỏng đất cát bão hoà nước (soil liquefaction) là một trong những hiểm hoạ thứ sinh nguy hiểm nhất trong vùng tâm chấn. Dưới tác dụng của các chu kỳ ứng suất cắt lặp đi lặp lại nhanh chóng từ sóng địa chấn, áp lực nước lỗ rỗng trong tầng cát gia tăng đột ngột triệt tiêu ứng suất pháp hữu hiệu, khiến toàn bộ khối đất mất khả năng chịu lực và biến thành trạng thái huyền phù nhớt, gây nghiêng lún sụp đổ các công trình móng nông.

Nghiên cứu vùng tâm chấn và hiểm hoạ động đất tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng hoạt động kiến tạo phức tạp của mảng Âu - Á dưới sự chèn ép của mảng Ấn - Úc và sự tương tác với mảng Philippines. Các nghiên cứu địa chấn học của Viện Vật lý Địa cầu đã xác định hàng loạt hệ thống đứt gãy hoạt động có khả năng phát sinh động đất quy mô vừa và mạnh.

Các trận động đất lịch sử điển hình

Theo các số liệu nghiên cứu phân vùng hiểm hoạ địa chấn của Nguyễn Hồng Phương và Phạm Thế Truyền (2015), Việt Nam từng ghi nhận những trận động đất lớn gây chấn động mạnh tại vùng tâm chấn:

Động đất Điện Biên năm 1935: Trận chấn động có độ lớn chấn tiêu đạt 6,75 (độ lớn sóng mặt), gây ra vùng tâm chấn rộng lớn trên thung lũng Điện Biên với rung chấn dữ dội làm sập đổ nhiều công trình nhà ở và nứt vỡ mặt đất.
Động đất Tuần Giáo năm 1983: Xảy ra vào ngày 24 tháng 6 năm 1983 tại vùng Tây Bắc với độ lớn chấn tiêu đạt 6,8. Tâm chấn được xác định tại toạ độ 21,7 độ vĩ Bắc và 103,4 độ kinh Đông, chiều sâu tiêu chấn ước tính trong khoảng từ 14 km đến 16 km. Tại vùng tâm chấn Tuần Giáo, cường độ chấn động vĩ mô đạt cấp 8 đến cấp 9 trên thang MSK-64, kích hoạt hàng loạt đợt sạt lở núi, nứt toác đồi nương và phá huỷ nghiêm trọng cơ sở hạ tầng giao thông.

Đánh giá hiểm hoạ xác suất và tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn

Để phòng ngừa thảm hoạ từ các trận động đất tương lai, phương pháp đánh giá hiểm hoạ động đất theo xác suất (PSHA) được áp dụng rộng rãi. Công trình nghiên cứu của Nguyễn Hồng Phương và Phạm Thế Truyền (2015) đã xây dựng bản đồ hiểm hoạ động đất xác suất cho toàn lãnh thổ Việt Nam và vùng biển Đông, dựa trên chu kỳ lặp lại quy ước 475 năm. Chu kỳ này tương ứng với xác suất vượt 10% trong vòng đời thiết kế 50 năm của các công trình dân dụng thông thường.

Các dữ liệu phân vùng gia tốc nền cực đại và thông số phổ thiết kế được cụ thể hoá trong nghiên cứu của Võ và Phùng (2023) về tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 khi tính toán kháng chấn công trình. Các quy chuẩn này quy định mức tải trọng động đất bắt buộc phải áp dụng khi thiết kế móng và kết cấu chịu lực, đặc biệt tại các đô thị nằm sát các đới đứt gãy hoạt động như đứt gãy Sông Hồng, đứt gãy Sông Chảy, đứt gãy Sông Mã và đới đứt gãy Điện Biên - Lai Châu.

Điều kiện áp dụng và các vấn đề khoa học còn mở

Mặc dù lý thuyết và kỹ thuật xác định vùng tâm chấn đã đạt nhiều tiến bộ vượt bậc, các nhà khoa học vẫn đối mặt với những thách thức và giới hạn nhận thức nhất định:

Bất định trong xác định toạ độ chấn tiêu: Độ chính xác của việc định vị tâm chấn phụ thuộc lớn vào mật độ và hình học của mạng lưới trạm đo địa chấn. Tại các khu vực mạng lưới quan trắc thưa thớt, sai số định vị tâm chấn có thể lên tới vài kilômét đến hàng chục kilômét, khiến việc khoanh vùng tâm chấn ban đầu gặp sai lệch.
Tính phi tuyến của nền đất mềm: Dưới mức kích động địa chấn cực mạnh trong vùng tâm chấn, nền đất không còn biến dạng đàn hồi tuyến tính mà chuyển sang ứng xử dẻo phi tuyến phức tạp. Điều này làm cho việc áp dụng các mô hình tuyến tính đơn giản hoá trở nên không chuẩn xác.
Mặt vỡ nứt phức hợp: Đối với các trận động đất có cơ chế trượt đứt gãy nhiều nhánh không đồng nhất, vùng chịu chấn động mạnh nhất không tập trung quanh một điểm duy nhất mà trải dài dọc theo toàn bộ bề mặt vỡ nứt ngầm, đòi hỏi chuyển từ mô hình nguồn điểm sang mô hình nguồn diện phức hợp.