Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
Plate Tectonics and Geophysical Hazard Processes
Where hazards occur, and why. Almost all earthquakes and volcanoes lie along plate boundaries, and the type of boundary determines the character of the hazard. At a convergent (destructive) boundary, denser oceanic lithosphere subducts beneath continental lithosphere. Friction on the subduction interface stores enormous strain, so these boundaries produce the largest earthquakes on Earth, with foci deepening away from the trench along the descending slab. Water carried down with the slab lowers the melting point of the overlying mantle, generating silica-rich, viscous magma; gas cannot escape freely, so eruptions are explosive and build composite cones. At a divergent (constructive) boundary, plates move apart and mantle magma rises to fill the gap. That magma is low in silica and therefore fluid, so gas escapes easily, eruptions are effusive and lava travels far, forming shield volcanoes. Earthquakes here are shallow and generally moderate. At a conservative (transform) boundary plates slide past one another; crust is neither created nor destroyed, so there is no volcanic activity, but locked faults release suddenly and the shallow focus makes shaking severe.
Measuring earthquakes. The focus is the point of rupture at depth; the epicentre is the point on the surface directly above it. Moment magnitude measures energy released on a logarithmic scale: each whole number represents about ten times the ground displacement and roughly thirty-two times the energy. Mercalli intensity measures observed shaking and damage at a place, so a single earthquake has one magnitude but many intensities. Damage depends on magnitude, focal depth, distance from the epicentre, and ground conditions — saturated unconsolidated sediment can undergo liquefaction and behave as a fluid, which is why the same magnitude devastates a delta city and barely damages a settlement on bedrock.
Secondary hazards. These frequently kill more people than the primary shock. Earthquakes generate tsunami when submarine fault movement displaces the water column vertically; landslides and liquefaction; and fires from ruptured gas and power lines. Volcanoes generate pyroclastic flows — fast, hot mixtures of gas and ash that are effectively unsurvivable; lahars, mudflows of ash and water that travel far down valleys and can be triggered years after an eruption; ash falls that collapse roofs and disrupt aviation; and gas emissions. Mass movement is a hazard in its own right, driven by slope angle, water content, weak geology, seismic shaking and human undercutting or loading of slopes.
Tai biến xảy ra ở đâu và vì sao. Gần như toàn bộ động đất và núi lửa nằm dọc các ranh giới mảng, và kiểu ranh giới quyết định đặc tính của tai biến. Ở ranh giới hội tụ, thạch quyển đại dương đặc hơn chìm xuống dưới thạch quyển lục địa. Ma sát trên mặt tiếp xúc hút chìm tích luỹ ứng suất khổng lồ, nên đây là nơi sinh ra những trận động đất mạnh nhất hành tinh, với chấn tiêu sâu dần theo hướng chìm của mảng. Nước bị mang xuống cùng mảng làm hạ nhiệt độ nóng chảy của lớp phủ bên trên, tạo mắcma giàu silic nên rất nhớt; khí không thoát ra được nên phun trào mang tính nổ và xây nên núi lửa hỗn hợp. Ở ranh giới tách giãn, các mảng rời xa nhau và mắcma từ lớp phủ trào lên lấp chỗ trống. Mắcma đó nghèo silic nên loãng, khí thoát ra dễ, phun trào hiền và dung nham chảy xa, tạo núi lửa khiên. Động đất ở đây nông và thường ở mức vừa. Ở ranh giới trượt ngang, hai mảng trượt qua nhau; vỏ không được tạo ra cũng không bị huỷ, nên không có hoạt động núi lửa, nhưng đứt gãy bị khoá rồi giải phóng đột ngột, và chấn tiêu nông làm rung động rất mạnh.
Đo động đất. Chấn tiêu là điểm phát sinh đứt gãy ở dưới sâu; chấn tâm là điểm trên mặt đất nằm thẳng phía trên chấn tiêu. Độ lớn mômen đo năng lượng giải phóng theo thang lôgarit: mỗi đơn vị nguyên tương ứng khoảng mười lần biên độ dịch chuyển nền đất và khoảng ba mươi hai lần năng lượng. Cường độ Mercalli đo mức rung động và thiệt hại quan sát được tại một địa điểm, nên một trận động đất chỉ có một độ lớn nhưng có nhiều giá trị cường độ. Thiệt hại phụ thuộc độ lớn, độ sâu chấn tiêu, khoảng cách tới chấn tâm, và điều kiện nền — trầm tích rời bão hoà nước có thể bị hoá lỏng và ứng xử như chất lỏng, đó là lý do cùng một độ lớn có thể tàn phá một thành phố châu thổ trong khi hầu như không làm hư hại một khu dân cư nằm trên nền đá gốc.
Tai biến thứ cấp. Nhóm này thường gây chết nhiều hơn chính cú chấn động ban đầu. Động đất sinh sóng thần khi chuyển động đứt gãy dưới đáy biển làm dịch chuyển cột nước theo phương thẳng đứng; sinh trượt lở và hoá lỏng; và sinh hoả hoạn do vỡ đường ống khí và đường điện. Núi lửa sinh dòng tro nóng — hỗn hợp khí và tro nóng di chuyển rất nhanh, gần như không thể sống sót; sinh lũ bùn núi lửa gồm tro trộn nước chảy xa theo thung lũng và có thể kích hoạt nhiều năm sau khi phun trào; sinh mưa tro làm sập mái nhà và gián đoạn hàng không; và sinh khí độc. Trượt lở đất là một tai biến độc lập, do độ dốc, hàm lượng nước, nền địa chất yếu, rung động địa chấn và việc con người xén chân dốc hoặc chất tải lên dốc gây ra.
Trận động đất A có độ lớn mômen 7,0, chấn tiêu sâu 13 km, xảy ra lúc 16 giờ 53 dưới một vùng đô thị mật độ cao xây trên trầm tích châu thổ, ở một nước thu nhập thấp. Trận B có độ lớn 7,1, chấn tiêu sâu 15 km, dưới một vùng đô thị mật độ tương đương xây phần lớn trên nền đá gốc, ở một nước thu nhập cao có quy chuẩn kháng chấn. A gây khoảng vài trăm nghìn người chết; B gây vài chục người chết. Giải thích một cách có hệ thống.
Trước hết, loại bỏ biến số không giải thích được chênh lệch. Độ lớn gần như bằng nhau — 7,1 thực ra giải phóng năng lượng nhiều hơn 7,0 khoảng 1,4 lần — và độ sâu chấn tiêu cũng gần như nhau. Vì vậy chênh lệch hàng nghìn lần về số người chết KHÔNG nằm ở tai biến, mà nằm ở những thừa số còn lại của công thức rủi ro.
Yếu tố 1 — điều kiện nền và hoá lỏng. Trầm tích rời bão hoà nước trong một châu thổ khuếch đại biên độ rung động và có thể mất hoàn toàn sức chịu tải khi bị rung lắc — hiện tượng hoá lỏng. Công trình không sập vì bị lắc mà vì nền dưới móng ứng xử như chất lỏng và công trình lún hoặc nghiêng đổ. Nền đá gốc không có cơ chế này. Chỉ riêng yếu tố địa chất nền đã tạo ra khác biệt vài lần về cường độ rung động thực tế.
Yếu tố 2 — quy chuẩn xây dựng và chất lượng thi công, biến quan trọng nhất. Câu nói kinh điển trong địa lý tai biến là động đất không giết người, công trình mới giết người. Kết cấu bê tông không đủ thép đai, tường xây gạch không giằng, và các tầng được cơi nới thêm không tính toán tải là ba dạng hư hỏng gây chết người nhiều nhất. Quy chuẩn kháng chấn giải quyết đúng ba dạng đó, nhưng chỉ có tác dụng khi có bộ máy cấp phép và thanh tra thực chất — nên đây vừa là vấn đề kỹ thuật vừa là vấn đề quản trị và tham nhũng.
Yếu tố 3 — thời điểm. 16 giờ 53 là lúc trường học, công sở và chợ đông người nhất. Cùng một trận động đất xảy ra lúc 3 giờ sáng có phân bố tử vong hoàn toàn khác, vì phần lớn dân cư ở trong nhà ở thay vì trong công trình công cộng nhịp lớn. Đây là biến ngẫu nhiên nhưng phải nêu, vì nó cho thấy con số tử vong không phải thước đo trực tiếp của tính dễ tổn thương.
Yếu tố 4 — năng lực ứng phó trong 72 giờ đầu. Phần lớn người bị vùi có thể sống sót nếu được đưa ra trong khoảng ba ngày đầu. Nước thu nhập cao có lực lượng cứu hộ chuyên nghiệp, thiết bị dò tìm, bệnh viện còn hoạt động vì chính bệnh viện cũng được xây theo quy chuẩn kháng chấn, và đường sá thông. Ở nước thu nhập thấp, bệnh viện và trạm cứu hoả thường sập cùng lúc với phần còn lại, sân bay hư hỏng làm chậm cứu trợ quốc tế, nên tỷ lệ tử vong trong nhóm bị vùi cao hơn nhiều lần.
Kết luận cần viết. Đặt vào công thức rủi ro bằng hiểm hoạ nhân phơi nhiễm nhân tính dễ tổn thương chia cho năng lực ứng phó: hai trận có thừa số hiểm hoạ gần bằng nhau và thừa số phơi nhiễm tương đương, nên toàn bộ chênh lệch nằm ở tính dễ tổn thương và năng lực ứng phó — cả hai đều được quyết định TRƯỚC khi trận động đất xảy ra.
Giải thích vì sao các cơ quan địa chất có thể sơ tán dân trước một vụ phun trào núi lửa nhưng không thể làm điều tương tự trước một trận động đất, và nêu điều đó dẫn tới chiến lược quản lý nào cho mỗi loại.
Núi lửa phát ra tín hiệu tiền triệu đo được. Trước khi phun trào, mắcma di chuyển lên trên và tạo ra bốn nhóm dấu hiệu quan sát được: động đất nhỏ dạng chùm khi mắcma bẻ gãy đá vây quanh, và tần suất tăng dần theo thời gian; biến dạng bề mặt — sườn núi phồng lên vài chục xentimét, đo được bằng máy đo nghiêng và bằng dữ liệu vệ tinh; thay đổi thành phần và lượng khí thoát, đặc biệt là lưu huỳnh điôxít tăng mạnh; và thay đổi nhiệt quanh miệng và các lỗ phun khí. Quan trọng nhất, các dấu hiệu này thường kéo dài nhiều ngày tới nhiều tuần, đủ thời gian để ra lệnh sơ tán. Vụ Pinatubo năm 1991 ở Philippines là ví dụ chuẩn: theo dõi liên tục cho phép sơ tán hàng chục nghìn người trước vụ phun trào lớn nhất thế kỷ, cứu được rất nhiều sinh mạng.
Động đất không có tiền triệu đáng tin cậy. Đứt gãy tích luỹ ứng suất trong hàng chục tới hàng trăm năm rồi giải phóng trong vài chục giây. Nhiều dấu hiệu từng được đề xuất — vi địa chấn, thay đổi mực nước giếng, phát xạ radon, hành vi động vật — nhưng không dấu hiệu nào đủ ổn định để dùng cho quyết định sơ tán, vì chúng cũng xuất hiện trong vô số trường hợp không có động đất sau đó. Khoa học hiện nay chỉ làm được dự tính xác suất dài hạn: xác định đoạn đứt gãy nào đã tích luỹ ứng suất trong bao lâu và ước tính xác suất trong ba mươi năm tới — hữu ích cho quy hoạch và bảo hiểm, vô dụng cho việc quyết định có sơ tán vào tối nay hay không.
Hệ quả về chiến lược, và đây mới là ý được chấm điểm. Với núi lửa, đầu tư vào giám sát và sơ tán có hiệu quả cao trên mỗi đồng bỏ ra: mạng lưới trạm đo, bản đồ phân vùng nguy hiểm theo đường đi của dòng tro nóng và lũ bùn, kế hoạch sơ tán và diễn tập. Với động đất, vì không thể cảnh báo trước, toàn bộ trọng số phải chuyển sang chuẩn bị cấu trúc: quy chuẩn kháng chấn có thanh tra thực chất, gia cố công trình cũ, quy hoạch tránh vùng nền yếu và vùng có nguy cơ hoá lỏng, dự trữ và diễn tập. Hệ thống cảnh báo sớm động đất vẫn có giá trị nhưng phải hiểu đúng: nó không dự báo, nó chỉ phát hiện sóng chạy nhanh rồi gửi tín hiệu trước sóng gây phá huỷ vài giây tới vài chục giây — đủ để dừng tàu, đóng van khí và cho học sinh chui xuống gầm bàn, không đủ để sơ tán. Với sóng thần thì ngược lại: vì sóng mất hàng chục phút tới vài giờ để vượt đại dương, mạng lưới phao cảnh báo có giá trị cứu người rất lớn.
Bẫy 2 — lẫn độ lớn với cường độ. Một trận động đất có MỘT độ lớn nhưng NHIỀU giá trị cường độ, vì cường độ đo rung động và thiệt hại tại từng địa điểm. Nói "cường độ 7,0" là dùng sai thuật ngữ.
Bẫy 3 — coi số người chết là thước đo sức mạnh của tai biến. Số người chết là tích của hiểm hoạ với phơi nhiễm và tính dễ tổn thương, chia cho năng lực ứng phó. Hai trận cùng độ lớn có thể chênh nhau hàng nghìn lần về tử vong mà không có gì mâu thuẫn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Geophysical Hazards gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.