Làm thế nào dự báo động đất? (Phần 2)

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)

>> Xem lại Phần 1

Những giải pháp ngắn hạn

Để tính xác suất của một trận động đất lớn biến thiên như thế nào theo thời gian bởi sự xuất hiện của những cơn địa chấn khác, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều loại mô hình dự báo phụ thuộc thời gian. Một số mô hình trong số này đưa ra những dự báo dài hạn, tức là trong khoảng thời gian vài thập kỉ. Dạng đơn giản nhất trong những mô hình này giả sử rằng thời điểm xảy ra trận động đất kế tiếp ở một đoạn đứt gãy nhất định chỉ phụ huộc vào thời điểm của trận động đất gần nhất trên đoạn đó, với chu kì lặp lại động đất hơi không theo chu kì một chút (để làm cho khớp các mô hình với quan sát) bằng cách đưa thêm một “hệ số biến thiên” vào chu kì đó. Những phiên bản phức tạp hơn của những mô hình này cho thời điểm xảy ra trận động đất kế tiếp còn phụ thuộc vào sự xuất hiện trước đây của những trận động đất lớn ở gần đó.

Đối với một đoạn vết nứt đã không đứt gãy khi tiến tới thời điểm xuất hiện trở lại trung bình của nó suy luận ra từ số liệu lịch sử, những mô hình này có thể mang lại xác suất chừng gấp hai lần xác suất thu được với các mô hình độc lập thời gian cho sự xuất hiện của những trận động đất lớn. Tuy nhiên, những mô hình phụ thuộc thời gian dài hạn như thế đã không ăn khớp cho lắm khi đưa vào kiểm tra. Vào năm 1984, chẳng hạn, Cục Địa chất Mĩ đã ước tính với độ tin cậy 95% rằng một trận động đất cỡ 6 độ sẽ làm gãy đoạn Parkfield của vết nứt San Andreas thuộc miền trung California trước tháng 1, 1993. Dự báo này dựa trên cơ sở là những trận động đất cỡ tương đương đã xảy ra trên đoạn đó sáu lần kể từ năm 1857, trận gần nhất xảy ra vào năm 1966. Tuy nhiên, rốt cuộc sự kiện 6 độ tiếp theo đó đã không xảy ra cho đến năm 2004. Những thất bại giống như vậy cũng đã xảy ra khi nỗ lực dự báo động đất ở Nhật Bản và Thổ Nhĩ Kì.

Một phương pháp dùng trong dự báo ngắn hạn, cung cấp xác suất xảy ra động đất trong thời gian vài ngày hoặc vài tuần, thì khác hẳn. Một khi một trận động đất đã xảy ra và sức căng trên đoạn vết nứt nhất định đó đã giảm đi, thì xác suất xảy ra một trận động đất tương đương khác ở cùng đoạn vết nứt đó trong thời gian ngắn hạn có xu hướng giảm đi. Nhưng xác suất một trận động đất xảy ra trên một vết nứt lân cận, do sức căng tăng lên bởi chấn động ban đầu mang đến, sẽ tăng lên.

Bản đồ này thể hiện hoạt động địa chấn từ năm 1900 đến 2010. Các vòng trong biểu diễn những trận động đất (cỡ vòng tròn tỉ lệ với độ lớn), với độ sâu của tâm chấn là 0 – 69 km (đỏ), 70 – 299 km (xanh lục) hoặc 300 – 700 (xanh lam). Những tam giác màu vàng là những núi lửa đang hoạt động, còn những đường màu vàng là ranh giới của các mảng kiến tạo. (Ảnh: USGS)

Các mô hình ngắn hạn xuất hiện trong một số lốt vỏ khác nhau. Trong các phiên bản một lần tạo, ví dụ như mô hình Xác suất Động đất Ngắn hạn (STEP) mà Cục Địa chất Mĩ dùng để dự báo ở California, một chấn động chính được cho là đã kích hoạt tất cả các dư chấn. Điều này tương phản với mô hình nhiều lần tạo, ví dụ như các mô hình Chuỗi Dư chấn Kiểu Dịch bệnh (ETAS), trong đó mỗi trận động đất con mới tự sinh ra dư chấn.

Khi hoạt động địa chấn là cao, các mô hình phụ thuộc thời gian ngắn hạn có thể mang lại những giá trị xác suất cao gấp hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lần so với xác suất tính được bằng các mô hình độc lập thời gian. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa biết loại nào trong nhiều loại mô hình ngắn hạn này là đáng tin cậy nhất. Jordan cho biết ngay cả Ủy ban Đánh giá Dự báo Động đất California, trong đó ông là một thành viên, cũng không sử dụng những mô hình đã được kiểm tra đúng, mà thay vậy họ thường dựa trên “mặt sau của các phép tính” để đưa ra dự báo của mình.

Kiểm tra dữ liệu

Để cải thiện độ tin cậy trong các mô hình, vào năm 2007, Jordan đã lập một chương trình gọi là Chương trình Hợp tác Nghiên cứu Khả năng Dự báo Động đất (CSEP). Chương trình này cung cấp phần mềm thông dụng và các thủ tục đã tiêu chuẩn hóa để kiểm tra các mô hình trên dữ liệu địa chấn trước mắt, sử dụng những người kiểm tra độc lập, thay cho các tác giả, để đưa mô hình vào thực tế. Bắt đầu từ một trung tâm kiểm nghiệm ở California, nay chương trình đã có nhiều trung tâm nổi tiếng ở nhiều nơi khác trên thế giới, trong đó có Italy và Nhật bản, nơi hành trạng đứt gãy, và do đó các mô hình nghiên cứu, là khác nhau.

Ở Italy, Warner Marzocchi và Anna Maria Lombardi thuộc Viện Vật lí Địa cầu và Núi lửa học Quốc gia đã kiểm nghiệm một mô hình ETAS dựa trên dữ liệu dư chấn sau trận động đất L’Aquila hồi năm 2009. Sử dụng toàn bộ dữ liệu địa chấn có từ năm đó, và bao gồm cả đợt dư chấn chính vào ngày 6 tháng 4, các nhà nghiên cứu đã cập nhật mô hình của họ trên cơ sở hàng ngày và đã tiến hành dự báo dư chấn cho đến cuối tháng 9, 2009. Họ tìm thấy rằng sự phân bố tính được của các dư chấn ăn khớp rộng với dữ liệu quan sát được. Marzocchi từ đó đã nhập đội với Jiancang Zhuang thuộc Viện Toán học Thống kê ở Tachikawa, Nhật Bản, để xét xem mô hình này trên nguyên tắc có thể dùng hay không để dự báo các chấn động chính, cũng như các dư chấn, trên cơ sở rằng những chấn động chính đơn giản là những dư chấn mạnh hơn các rung chuyển sinh ra chúng, cái khi đó được gọi là tiền chấn.

Thật vậy, vài tháng sau trận động đất L’Aquila, Marzocchi và Lombardi đã sử dụng mô hình đó suy luận ngược lại để xem loại dự báo nào có thể thực hiện đối với chấn động chính hôm 6 tháng 4. Họ tìm thấy rằng một vài giờ trước trận động đất đó, mô hình trên cho xác suất 1 phần 1000 rằng một rung chuyển mạnh sẽ tấn công trong vòng bán kính 10 km của L’Aquila trong vòng ba ngày, trong khi xác suất thu từ mô hình độc lập thời gian dài hạn là 1 phần 200.000.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu ở New Zealand đang bắt đầu sử dụng dự báo xác suất để tính tốc độ biến thiên của dư chấn trong vùng Canterbury, sau chấn động chính 7,1 độ ở gần thị trấn Darfield vào tháng 9, 2010 và một dư chấn gây chết người nhiều hơn mạnh 6,2 độ tấn công gần Christchurch hồi tháng 2 năm ngoái. Matthew Gerstenberger cùng các đồng sự tại Trung tâm Khoa học GNS, một viện nghiên cứu vật lí địa cầu ở New Zealand, đã sử dụng một tập hợp mô hình ngắn, trung và dài hạn để cảnh báo dân chúng và hiệu chỉnh quy hoạch dân cư trong vùng. Như Gerstenberger trình bày, ông là người đã phát triển mô hình STEP, dự báo độc lập thời gian có cái không thỏa đáng của riêng nó. "Christchurch là một vùng nguy cơ từ trung bình đến thấp trong mô hình hiểm họa địa chấn quốc gia trước khi có những trận động đất này,” ông nói. “Nhưng chuỗi chấn động xảy ra đã làm tăng nguy cơ đã ước tính của nó.”

Những biến thiên bất ngờ đối với xác suất động đất cũng đã được tính toán ở Nhật Bản, sau trận động đất Tohoku hồi năm ngoái. Shinichi Sakai và các đồng sự tại trường Đại học Tokyo đã tính được rằng xác suất của một trận động đất lớn hơn 7,0 độ tấn công vùng Tokyo đã tăng lên đến 70% trong bốn năm tới. Con số này trái ngược với ước tính của chính phủ Nhật Bản cho xác suất 70% trong 30 năm tới. Các nhànc phát biểu rằng họ thu được một xác suất cao hơn bởi vì họ tính luôn những tác động cảu sự tăng gấp năm lần số chấn động ở Tokyo kể từ sự kiện tháng 3 năm 2011.

Các hạn chế của việc lập mô hình

Ảnh chụp từ trên không của Thánh đường Christchurch sau trận động đất ở Christchurch, New Zealand, vào tháng 2 năm 2011. (Ảnh: New Zealand Defence Force)

Trong khi các mô hình kiểu ETAS và STEP có thể cải thiện thông tin cung cấp từ các dự báo độc lập thời gian, nhưng chúng không phải là thuốc chữa bách bệnh. Đặc biệt, chúng đơn giản hóa quá mức các tính chất không gian của các nguồn kích thích, bằng cách biểu diễn những trận động đất dưới dạng điểm chứ không có chiều dài hữu hạn, đồng thời còn bỏ qua trạng thái gần kề của trận động đất với những vết nứt hoạt động chính. Theo thành viên ICEF Ian Main thuộc trường Đại học Edinburgh, việc đưa thông tin vết nứt vào những mô hình này có thể mang lại sự tăng xác suất so với các tính toán độc lập thời gian, cho biết vết nứt tương xứng và dữ liệu địa chấn. Nhưng những cải thiện đáng kể sẽ chỉ có thể nếu như người ta hiểu rõ hơn cơ sở vật lí của các tương tác vết nứt. Một thách thức đặc biệt là tìm hiểu phạm vi mà một trận động đất kích hoạt một trận động đất khác qua chuyển động nguyên khối của lớp vỏ Trái đất và cỡ do nó kích hoạt qua những sóng địa chấn mà nó tạo ra. “Chúng tôi biết đại khái số liệu thống kê của những trận động đất tỉ lệ ra sao, và đó là lí do tại sao chúng tôi sử dụng các mô hình thống kê,” Main nói. “Nhưng cơ chế vật lí chính xác dẫn tới sự tỉ lệ này thì vẫn chưa rõ.”

Cho dù các mô hình có thể cải thiện đáng kể, nhưng chúng sẽ, ít nhất là đối với tương lai trước mắt, chỉ cung cấmang lại xác suất khá thấp của những trận động đất lớn sắp xảy ra. Điều đó khiến chính quyền dân sự phụ trách việc di dân lâm vào tình thế khó khăn. ICEF khuyến nghị chính phủ nên cố gắng thiết lập một chuỗi phản ứng quy định trước, xây dựng trên các phân tích chi phí- lợi ích, để chính quyền địa phương hay chính quyền quốc gia có thể tự động ban bố một khi những ngưỡng xác suất nhất định bị vượt qua, từ việc đặt các phương tiện cứu hộ vào tình trạng cảnh giác cao đến sự di dân hàng loạt. Nhưng Marzocchi cho biết yêu cầu này không hề đơn giản. “Tôi có thể nói từ quan điểm khoa học rằng như thế là xác suất của một trận động đất nhất định đang xảy ra,” ông nói. “Nhưng việc hành động trên những xác suất thấp này rất có khả năng sẽ mang lại những cảnh báo sai. Như vậy sẽ làm phát sinh vấn đề khóc... hụt”.

Mặt khác, một số nhà khoa học tiếp tục tin rằng sẽ tìm thấy các điềm báo. Friedemann Freund, một nhà tại Trung tâm Nghiên cứu Ames thuộc NASA, gần San Francisco, đang nghiên cứu một số điềm báo có khả năng xảy ra, như điềm báo sóng điện từ, và ông cho rằng việc kết hợp những điềm báo như vậy, cho dù xét riêng lẻ thì chúng “đầy may rủi”, sẽ dẫn tới “một tương lai không quá xa cho một hệ thống dự báo động đất đáng tin cậy. Ông cho rằng các nhà địa chấn học “hết sức tự hào thừa nhận rằng những ngành khoa học khác có thể giúp đỡ họ rất nhiều”.

Danijel Schorlemmer thuộc trường Đại học Nam California, người lãnh đạo dự án kiểm nghiệm mô hình CSEP cùng với Jordan, thì không đồng ý như vậy. Ông khẳng định rằng việc dự báo động đất theo kiểu quyết định luận sẽ là không thể “trong lúc tôi còn sống” và ông cho biết rằng, mặc dù ông hi vọng các điềm báo sẽ được nhận ra, nhưng “nghiên cứu theo hướng ấy cho đến nay chưa hề thành công”.

Đối với Jordan, cũng như với nhiều nhà địa chấn họa khác, việc đảm bảo các công trình xây dựng có thể trụ vững được mới là chiến lược quan trọng nhất trong cuộc chiến đấu chống lại sức mạnh phá hoại của những trận động đất. Nhưng ông tin rằng việc dự báo xác suất ngắn hạn, nếu được tiến hành đúng, có một vai trò quan trọng. “Cách tiếp cận này khá khéo léo,” ông nói, “vì không ai có thể thống nhất mô hình nào là tốt nhất. Cho nên chúng ta có sự may rủi trên may rủi. Nhưng liệu chúng ta có thể bỏ qua những thông tin mà chúng cung cấp hay không? Những trận động đất ở L’Aquila và New Zealand đã dạy chúng ta rằng chúng ta không nên xa xỉ như thế.”

Edwin Cartlidge (Physics World, tháng 3/2012)

Dịch bởi Alpha Physics – thuvienvatly.com