Mục Giải đáp Khoa học kỳ này sẽ giúp bạn đọc tìm hiểu về các cấp độ động đất và thiết bị đo mức độ động đất từ trước tới nay.
Bạn đọc ở địa chỉ hama..@gmail.com hỏi:
Tôi thấy khi thông báo về cấp độ động đất, lúc thì nói cấp 5, cấp 6, lúc lại nói 8 - 9 độ Richter. Tôi muốn hỏi hai cách nói này có phải là một không? Nếu không thì phân biệt nó như thế nào và người ta làm cách nào để đo được cấp độ của các trận động đất.
Trả lời:
Các cấp độ của động đất
Từ thế kỷ 19, người ta bắt đầu quy định cấp độ động đất để dễ hình dung mức độ nguy hiểm của động đất để thông báo cho dân chúng và đánh giá thiệt hại. Năm 1883 hai nhà địa chấn Rossi (Italia) và Forel (Thuỵ Sĩ đưa ra thang Rossi- Forel 10 cấp độ là thang đầu tiên mà thế giới sử dụng.
Năm 1902, nhà nghiên cứu núi lửa Italia là Juseppe Mercalli đề xuất thang Mercalli có 12 cấp độ tỉ mỉ hơn, rất được hoan nghênh. Thang này được các nhà địa chấn chỉnh lý nhiều lần và phổ biến trên thế giới. Nước có động đất nhiều nhất thế giới là Nhật cũng có một “thang địa chất cua riêng mình gọi là thang Omori, đề xuất năm 1906, song dường như chỉ dùng ở nước họ.
Phổ biến nhất hiện nay và gần như ai cũng biết đến là cách phân loại cấp độ động đất theo thang Richter và MKS-64 (hoặc KMS-81).
Thang Richter dựa vào hàm logarit cơ số là 10 để xác định biên độ tối đa các rung chấn của Trái đất. Mỗi độ của thang Richter biểu thị sự tăng giảm biên độ rung chấn theo hệ số 10 và tăng giảm về năng lượng phát sinh theo hệ số 32.
Như vậy một trận động đất 5 độ Richter sẽ gây nên rung chấn mạnh gấp 10 lần và toả ra một năng lượng gấp 32 lần độ 4, và cứ thế mà tăng theo cấp số nhân với công bội là 10 và 32. Để dễ hình dung, có thể lấy ví dụ: độ 1 Richter tương đương sức nổ của 1,5 kg thuốc nổ TNT thì của một trận động đất cấp độ Richter có sức phá hoại tương đương 6 triệu tấn thuốc nổ TNT.
Thang MKS chú trọng nhiều hơn tới năng lượng huỷ diệt của động đất với sự tăng dần chứ không tới 32 lần như 1 độ Richter làm người ta dễ hình dung hơn.
Thang MSK-64 gồm 12 cấp, được Hội đồng địa chấn Châu Âu thông qua năm 1964 và áp dụng cả ở Ấn Độ cụ thể như sau:
Cấp 1: Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được.
Cấp 2: Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ). Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được.
Cấp 3: Động đất yếu. Ít người nhận biết được động đất. Chấn động y như tạo ra bởi một ô tô vận tải nhẹ chạy qua.
Cấp 4: Động đất nhận thấy rõ. Nhiều người nhận biết động đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch.
Cấp 5: Thức tỉnh. Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa.
Cấp 6: Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn.
Cấp 7: Hư hại nhà cửa. Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt.
Cấp 8: Phá hoại nhà cửa; Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống khói bị rơi.
Cấp 9: Hư hại hoàn toàn nhà cửa; nền đất có thể bị nứt rộng 10 cm.
Cấp 10: Phá hoại hoàn toàn nhà cửa. Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thể bị nứt rộng đến 1 mét.
Cấp 11: Động đất gây thảm họa. Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi.
Cấp 12: Thay đổi địa hình. Phá huỷ mọi công trình ở trên và dưới mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng.
Nếu so sánh thang động đât giữa thang Richter và thang MSK-64 có thể tóm lược qua bảng sau:
Thang Richter Thang MKS - 64 1.0 – 3.0 I 3,0 – 3,9 II - III 4,0 - 4,9 IV - V 5,0 – 5,9 VI - VII 6,0 – 6,8 VIII 6,9 – 7,6 IX 7,6 – 8,0 X Trên 8,0 XI - XII
Địa chấn kế xưa và nay
Việc xác định mức độ của một trận động đất là cần thiết vì nó nói lên được sức mạnh của việc Trái đất cựa mình và lường được thiệt hại do động đất gây ra. Mức độ tàn phá của một cuộc động đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: chấn tâm,chấn tiêu, chấn cấp.
Chấn tiêu là nơi phát sinh ra động đất, thường nằm sâu dưới mặt đất (có khi hàng trăm kilomet). Chấn tâm là hình chiếu của chấn tiêu trên mặt đất, không ít trường hợp là một khu công nghiệp đông dân, thậm chí thủ đô của một nước. Chấn cấp là cường độ va chạm gây chấn động và năng lượng một trận động đất phát sinh đo bằng một số thang cấp độ được thế giới dùng để thông báo cho dân chúng và nhau mỗi khi có động đất và dư chấn của nó gây ra ở nhưng vùng xa tâm chấn. Các thiết bị đế xác định mức độ động đất được gọi là địa chấn kế.
Từ thời Đông Hán bên Trung Quốc (thế kỷ 1-2 sau công nguyên, nhà thiên văn Trương Hành quan sát và ghi chép tỉ mỉ các hiện tượng của từng trận động đất, dùng phương pháp khoa học phân tích nguyên nhân xảy ra động đất. Trải qua nhiều lần thí nghiệmkiên trì, năm 132 sau công nguyên, Trương Hành chế tạo ra một chiếc máy đầu tiên có thể dự báo động đất của Trung Quốc nói riêng và thế giới nói chung, và đặt tên là “Địa động nghi”.
Chiếc “Địa động nghi” này được chế tạo bằng đồng đen, có hình dáng như một hũ rượu lớn hình tròn, đường kính gần một mét, giữa là có một cây cột đồng lớn có 8 cây cột đồng nhỏ ở xung quanh, bốn phía có 8 con rồng. Đầu 8 con rồng hơi ngẩng lên lần lượt nối liền với 8 cây cột đồng nhỏ, hướng về 8 phía là đông, nam, tây, bắc, đông bắc, đông nam, tây bắc và tây nam. Miệng rồng ngậm một viên bi đồng, dưới mỗi đầu rồng có một con cóc đồng há miệng, sẵn sàng đón lấy hòn bi từ miệng rồng nhả ra.
Khi động đất xảy ra ở phía nào thì cột đồng nhỏ của “Địa động nghi” sẽ nghiêng về phía đó, làm đầu rồng há miệng nhả ra hòn bi, rơi vào miệng cóc, phát ra một tiếng “keng”, báo cho mọi người biết phía đó đã xảy ra trận động đất, để Triều đình biết mà cứu giúp.
“Địa động nghi” của Trương Hành “đều dự báo đúng, chưa bao giờ sai”. Một hôm vào tháng 2 năm 138 sau công nguyên, khi vua quan đang thiết triều, một tiếng keng vang lên: hòn bi đồng từ miệng rồng hướng về phía tây rơi vào miệng cóc, nhưng mọi người chưa cảm thấy động đất. Các quan vốn hoài nghi “Địa động nghi” bèn nói “Địa động nghi” dự báo không chuẩn xác, chỉ có thể biết động đất xẩy ra ở khu vực xung quanh Lạc Dương.
Ba, bốn ngày sau, sứ giả từ phía tây Lạc Dương phóng ngựa hoả tốc về Triều báo tin Cam Túc bị động đất. Lúc ấy, mọi người mới hoàn toàn tin rằng “Địa động nghi” của Trương Hành” là dụng cụ khoa học có tác dụng. Từ đó trở đi, Trung Quốc bắt đầu lịch sử dùng máy móc quan sát từ xa và ghi chép động đất. Tuy nhiên, địa chấn kế cổ của Trung Quốc chỉ mới xác định đinh tính mà chưa định lượng, chưa nói lên được cấp độ của một trân động đất.
Vài thế kỷ sau, người Ý cũng phát minh địa chấn kế dựa trên chuyển động của nước và sau này, của thuỷ ngân. Năm 1885, Luigi Palmieri (Ý) phát minh ra chiếc địa chấn kế gồm ống thuỷ tinh hình chữ U có nhánh đựng thuỷ ngân đầy ngang nhành đó. Kim loại lỏng này rất linh động nên nhạy cảm với các chấn động. Khi động đất xảy ra, một giọt thuỷ ngân lăn ra ngoài, khiến một dòng điện được nối lại, làm ngừng chiếc đồng hồ điện và ghi sự dao động của sóng địa chấn trên trống quay. Từ sơ đồ này, biết được thời gian và độ manh của trận động đất.
Còn ngày nay, địa chấn kế là các dụng cụ rất phức tạp, tinh vi kết hợp cơ học (con lắc) và điện tử học, có độ chính xác cao để đo độ rung của mặt đất ở mức độ rất nhẹ, từ khoảng cách rất xa, vừa để dự báo, vừa ghi lại những rung chấn trong quá trình trận động đất xảy ra ở cấp độ nào. Có loại theo dõi sự chuyển dịch của thạch quyển, sự va chạm của các mảng kiến tạo nằm sâu dưới lòng đất để dự báo dài hạn khả năng động đất ở từng vùng. Địa chấn kế còn ghi lại cả những vụ thử hạt nhân ở các nước, xác định sức nổ của những vũ khí giết người hàng loạt đó. Ngoài ra còn có những loại chuyên dụng, dùng trong thăm dò địa chất quặng mỏ, dầu khí…
Các địa chấn kế hiện đại thuộc nhiều loại khác nhau đo được cả chuyển động theo chiều ngang và chiều dọc đặt tại các trạm quan trắc. Hiện có tới vài trăm trạm quan trắc như vậy trên khắp thế giới. Thông số do các trạm này thu thập thường xuyên được so sánh, đối chiếu. Từ các dữ liệu đó có thể tính được tâm động đất và năng lượng trận động đất gây ra.