Một năm đã trôi qua kể từ thảm họa động đất kinh hoàng ở Tohoku, Nhật Bản. Và các nhà khoa học vẫn đang chật vật trong các nghiên cứu dự báo động đất. Một cơ sở tính toán sai lầm đã khiến một ủy ban quốc gia của Italy bị truy tố vì tội ngộ sát.
- Edwin Cartlidge (Physics World, tháng 3/2012)
Vết nứt San Andreas ở California. (Ảnh: David Parker/Science Photo Library)
Tháng 3 năm 2009, một “đoàn” hơn 50 trận động đất nhỏ đã tấn công trong phạm vi vài km thuộc đầu nam của vết nứt San Andreas ở California. Vài giờ sau trận động đất lớn nhất trong số này, một cơn rùng mình 4,8 độ đã xảy ra hôm 24 tháng 3, các chuyên gia động đất của bang California đã tổ chức một hội nghị từ xa đánh giá nguy cơ của một trận động đất còn lớn hơn nữa diễn ra trong những ngày sau đó, với sức căng thêm tác dụng lên vết nứt là đã biết. Họ kết luận rằng xác suất xảy ra đã tăng nhanh, đến giữa 1 và 5%, và vì thế họ đã nêu vấn đề cảnh báo với chính quyền dân sự. May thay, đúng như trông đợi, không có trận động đất lớn nào thật sự xảy ra.
Cái xảy ra một tuần sau đó ở thành phố trung cổ L'Aquila ở miền trung Italy lại rất khác. Hôm 31 tháng 3, một nhóm gồm bảy nhà khoa học và kĩ sư người Italy đã đã gặp nhau với tư cách là những thành viên đầy đủ hay tích cực của Ủy ban Quốc gia Dự báo và Phòng chống Rủi ro để đánh giá sự nguy hiểm của một đoàn địa chấn đã và đang diễn ra trong bốn tháng trời và đã chứng kiến một cơn rùng mình 4,1 độ làm rung chuyển thành phố vào ngày trước đó. Các chuyên gia cho rằng xác suất xảy ra một trận động đất mạnh hơn trong vài ngày hoặc vài tuần sắp tới không tăng lên gì nhiều, và sau cuộc họp đó chính quyền thành phố đã cam đoan với cư dân rằng không còn gì phải cảnh báo nữa. Buồn thay, vào sáng sớm ngày 6 tháng 4, một cơn địa chấn 6,3 độ xảy ra rất gần L’Aquila và khiến 308 người thiệt mạng. Bảy vị thành viên ủy ban nay bị truy tố vì tội ngộ sát, và sau đó lãnh đạo Bộ Nội vụ Italy, người tổ chức nhưng không có mặt tại cuộc họp hôm 31 tháng 3, cũng bị truy tố vì tội danh tương tự.
Thức tỉnh trước trận động đất L’Aquila, Bộ Nội vụ đã bổ nhiệm một nhóm chuyên gia gọi là Ủy ban Quốc tế về Dự báo Động đất (ICEF) để đánh giá khả năng của loại dự báo sử dụng ở California. Được gọi là dự báo xác suất ngắn hạn, nó đi tính xác suất một trận động đất trên một cỡ nhất định sẽ xảy ra trong một khu vực và một khoảng thời gian (ngắn) cho trước. Kĩ thuật dựa trên thực tế là động đất có xu hướng tập trung trong không gianv à thời gian – sự xuất hiện của một hoặc nhiều cơn rùng mình có xu hướng làm tăng xác suất cơn rùng mình khác sẽ xảy ra ở lân cận trong vài ngày hoặc vài tuần sau đó, trong đó có những cơn địa chấn sẽ mạnh hơn.
Trong một bản báo cáo giải thích các kết quả và khuyến nghị của mình, công bố vào tháng 8 năm ngoái, ICEF cho biết trong khi việc dự báo như thế có thể mang lại những xác suất lên tới vài trăm lần mức nền, nhưng xác suất tuyệt đối rất hiếm khi vượt quá vài ba phần trăm. Tuy nhiên, ủy ban trên tin rằng loại dự báo ngắn hạn này có thể cung cấp thông tin xác thực cho chính quyền dân sự và cho rằng Italy và những nước khác nằm trong vùng hoạt động địa chấn nên sử dụng các mô hình dự báo ngắn hạn để bảo vệ dân chúng.
Các nhà khoa học đã phát triển nhiều mô hình như thế, mỗi mô hình đưa ra những giả thuyết hơi khác nhau một chút về hành trạng thống kê của sự tập trung động đất. Nay họ đang cố gắng tìm hiểu xem mô hình nào trong số này là chính xác nhất, và hi vọng tăng thêm sức mạnh dự báo của những mô hình này khi chúng ta hiểu rõ hơn về cơ sở vật lí cơ bản của hiện tượng động đất.
“Trước đây, chẳng có nhiều động cơ cho phía chính quyền xem xét nghiêm túc việc dự báo ngắn hạn này,” phát biểu của chủ tịch ICEF, Thomas Jordan thuộc trường Đại học Nam California, Los Angeles. “Nhưng điều đó đang thay đổi, một phần là vì cái đã xảy ra tại L’Aquila.” Jordan cho rằng tấn thảm kịch tại L’Aquila đã nhắc nhở chúng ta nên biết rõ loại dự báo nào là xác thực nhất để có những thông tin tốt nhất trong tay. Nhưng ông cũng tin rằng chính quyền cũng nên biết cách phản ứng như thế nào trước những dự báo như vậy và nhất là dưới những điều kiện nào thì họ nên đưa ra cảnh báo sớm.
Vấn đề vết nứt
Nhà cửa bị sập ở làng Onna, vài ngày sau trận động đất L’Aquila tấn công Italy hồi tháng 4, 2009. (Ảnh: Shutterstock/Franco Volpato)
Sự phát triển của dự báo xác suất đánh dấu một sự thay đổi trong chiến lược của các nhà khoa học động đất. Trước đây, các nhà địa chấn theo đuổi dự báo quyết định, họ cố gắng nêu rõ với sai số ít những trận động đất sẽ xảy ra khi nào, ở đâu, và với độ lớn bao nhiêu. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu dần dần nhận ra rằng những trận động đất thật là phức tạp và việc dự báo chúng là hết sức khó khăn.
Đa số những trận động đất xảy ra tại những vết nét chia tách hai mảng liền kề của lớp vỏ Trái đất trượt lên nhau. Thông thường, các vết nứt bị khóa lại bằng lực ma sát, và sức căng dần dần tích lũy theo thời gian. Nhưng khi vết nứt đạt tới điểm vỡ và hai bề mặt đá bất ngờ trượt lên nhau, thì một lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng dưới dạng nhiệt, vỡ đá và sóng địa chấn. Các nhà khoa học đã cố gắng dự báo động đất trên cơ sở là sự tích lũy dần dần và giải phóng đột ngột của sức căng tại một vết nứt cho trước xảy ra có chu kì, với những cơn rùng mình mạnh gần như hệt nhau cách đều thời gian với nhau. Một số yếu tố làm phức tạp thêm bức tranh đơn giản này, ví dụ như thực tế là một vết nứt có thể trượt ở những mức sức căng khác nhau, và sự tương tác giữa những vết nứt liền kề nhau là hết sức phức tạp.
Một cách khác dự báo động đất là cố gắng nhận ra những điềm báo – những biến đổi vật lí, hóa học hay sinh học do sự tích lũy rạn vỡ của vết nứt gây ra. Có lẽ ví dụ lâu đời nhất, thường nghe kể trong dân gian, là quan điểm cho rằng các loài vật tháo chạy hàng loạt khi bằng cách nào đó chúng cảm nhận được khu vực sắp xảy ra động đất. Những điềm báo khác bao gồm những biến đổi tỉ lệ sức căng hay độ dẫn bên trong đá, các thăng giáng mực nước ngầm, các tín hiệu điện từ ở gần hay phía trên mặt đất, và những rúng động nhỏ đặc trưng (một kiểu động đất cỡ nhỏ sẽ kích hoạt một trận động đất lớn hơn). Tuy nhiên, ICEF báo cáo rằng “không nên lạc quan” rằng những điềm báo như thế có thể được nhận ra trong tương lai gần, và họ “không bị thuyết phục” trước những khẳng định của Gioacchino Giuliani, một nhà kĩ thuật tại Phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở gần L’Aquila, người đã gây đình đám sau khi khẳng định rằng ông đã dự báo trận động đất L’Aquila bằng hệ thống dự báo của ông dựa trên các biến thiên của sự phát xạ cục bộ của chất khí radon. Lí giải của ICEF dựa trên cách xử lí phát xạ radon nền của Giuliani và đồng thời dựa trên thực tế là ông chưa ông bố các kết quả của mình trên một tạp chí đánh giá ngang hàng nào.
Một cách khác nữa dự báo động đất trước thời gian là gửi đi một lời cảnh báo một khi một con chấn động đã xảy đến, cho mọi người có vài giây chuẩn bị rằng mặt đất sắp rung chuyển, bằng cách khai thác thực tế là thông tin có thể truyền đi ở gần tốc độ ánh sáng trong khi sóng địa chấn lan đi ở tốc độ của âm thanh. Nhật Bản đã sử dụng những hệ thống cảnh báo như vậy, nhưng thật đáng tiếc chúng không thể cung cấp thông tin chính xác về độ lớn động đất, và cũng không thể cảnh báo những người sống ở gần khu vực tâm chấn vì các hiệu ứng ở đó xảy ra ngay tức thì.
Thời gian bất định
Biết khó khăn của việc dự báo động đất và những hạn chế của sự cảnh báo sớm, việc dự báo xa là cách phòng tránh chủ yếu trước động đất. Và một công cụ dự báo quan trọng là bản đồ nguy cơ động đất (xem hình). Những bản đồ xây dựng trên những mô hình độc lập thời gian dài hạn, chúng cho biết mức độ thường xuyên – chứ không phải khi nào – thì một trận động đất cỡ nhất định có khả năng xảy ra. Các mô hình, và do đó là các loại bản đồ trên, không cho chúng ta biết xác suất của những trận động đất lớn thay đổi như thế nào theo thời gian là hệ quả của những chấn động nhỏ khác xảy ra, mà thay vậy chúng cho biết sự phân bố không gian của những chấn động nhỏ có cỡ nhất định xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định (thường là vào cỡ hàng thập kỉ). Sự phân bố trong không gian như thế được xây dựng trên dữ liệu địa chấn và số liệu lịch sử, trong khi sự phân bố theo kích cỡ sử dụng một mối liên hệ thống kê gọi là tỉ lệ Gutenberg–Richter phát biểu rằng tần suất của những trận động đất giảm theo hàm số mũ với độ lớn của chúng.
Một công cụ quan trọng dùng trong dự báo động đất là bản đồ nguy cơ địa chấn. Tấm bản đồ này của Italy, xây dựng trên một bản đồ trước đó của Viện Vật lí Địa cầu và Núi lửa học Quốc gia của nước này, cho thấy xác suất xảy ra trong vòng 10 năm tới của một trận động đất có độ lớn từ 5,5 độ trở nên.Tấm bản đồ chia thành những vùng trong đó “sức căng” là khá đồng đều, và vì thế xác suất xảy ra là như nhau. Những tấm bản đồ này xây dựng trên những mô hình dự báo độc lập thời gian dài hạn, nhưng chúng ta hiện đang thấy có sự gia tăng sử dụng những mô hình độc lập thời gian ngắn hạn xét đến những sự kiện mới xảy ra gần đây và cho thấy xác suất tăng lên của những trận động đất lớn. Cho dù vậy, các bản đồ nguy cơ địa chấn vẫn là một công cụ hữu ích vì chúng cho phép lên kế hoạch dài hạn, ví dụ như quy hoạch xây dựng – một trong những các phòng tránh tốt nhất để tránh thiệt hại về người khi một sự kiện như thế xảy ra.
Các bản đồ nguy cơ địa chấn cho phép chính phủ quy hoạch các khu dân cư và cho phép các công ti bảo hiểm lập ra mức bồi thường thiệt hại. Tuy nhiên, các mô hình cơ sở chỉ có chất lượng ngang với dữ liệu dùng để tạo ra chúng. Và thật không may, số liệu bản đồ địa chấn và số liệu lịch sử thường chỉ truy lùi vài phần nhỏ của nhiều trăm năm là khoảng cách tiêu biểu giữa những lần xuất hiện động đất lớn ở những vết nứt hoạt động mạnh nhất.
Sự hạn chế này khiến người ta không thể biết trước trận động đất 9,0 độ tấn công vùng Tohoku ở Nhật Bản vào tháng 3 năm ngoái, cơn địa chấn đã giải phóng một đợt sóng thần dữ dội và phá hỏng vài lò phản ứng tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi. Các bản đồ nguy cơ địa chấn hiện nay của Nhật Bản cung cấp thông tin rất chi tiết về xác suất xảy ra động đất trên khắp đất nước nhưng, theo chủ tịch ICEF Jordan, chúng cho biết xác suất “rất thấp, nếu không nói là bằng không” cho một trận động đất mạnh vì không có cơn địa chấn nào như thế trong vùng dất Nhật Bản,” Jordan nói. Nói cách khác, một trận động đất cường độ cao chưa từng được nghĩ là sẽ tấn công nơi đây.
Jim Mori, một nhà khoa học địa chấn tại trường Đại học Kyoto, cho biết các bản đồ nguy cơ địa chấn của Nhật Bản hiện đang được thẩm định lại để “xem xét xác suất của những trận động đất 9,0 độ hoặc lớn hơn.” Tuy nhiên, ông tin rằng không có khả năng có sự thay đổi gì nhiều đối với nghiên cứu động đất ở Nhật Bản, cho dù có tính luôn sự kiện nghìn năm mới có một lần như ở Tohoku thì cũng không làm thay đổi gì nhiều đối với các bản đồ địa chấn hiện có.
