Động đất xảy ra khi năng lượng được giải phóng thế nào?

Khi một vùng trên đứt gãy không còn duy trì được trạng thái khóa, trượt bất ổn khởi phát và vết vỡ có thể lan sang các phần lân cận. Một phần biến dạng đàn hồi được phục hồi, ứng suất giảm hoặc tái phân bố. Năng lượng giải phóng không chỉ tạo sóng địa chấn gây rung đất mà còn được tiêu tán bởi ma sát và quá trình phá hủy vật liệu trong vùng đứt gãy.

Ứng suất và năng lượng đàn hồi tích tụ dọc đứt gãy ra sao?

Điểm then chốt là tốc độ tải rất chậm nhưng quá trình giải phóng có thể rất nhanh. Chuyển động kiến tạo tiếp tục làm hai khối đá có xu hướng dịch chuyển tương đối, trong khi ma sát, độ nhám và trạng thái cơ học của vùng đứt gãy có thể giữ một đoạn ở trạng thái khóa. Khi không thể trượt tự do, đá xung quanh phải biến dạng để thích nghi với chuyển động đang tiếp diễn. Đây là cách tải kiến tạo được chuyển thành ứng suất và biến dạng trong vỏ Trái Đất.

Ứng suất biểu thị lực nội tại tác dụng trên một đơn vị diện tích, còn biến dạng biểu thị mức thay đổi hình dạng hoặc kích thước của đá. Khi biến dạng vẫn nằm trong miền đàn hồi, đá có xu hướng phục hồi một phần trạng thái hình học khi tải được giảm. Công cơ học do hệ kiến tạo thực hiện vì thế có thể được lưu dưới dạng năng lượng biến dạng đàn hồi. Chính sự tích lũy lâu dài này tạo nguồn năng lượng có khả năng được giải phóng nhanh khi đứt gãy trượt.

Năng lượng không nằm như một “túi” tập trung trên một đường đứt gãy. Nó gắn với trường biến dạng của một thể tích đá bao quanh vùng bị khóa và thường phân bố không đều. Hình học đứt gãy, độ cứng của đá, ma sát và sự khác nhau giữa các vùng tiếp xúc làm cho mức ứng suất cũng không đồng nhất. Vì vậy, cách nói “năng lượng tích tụ trên đứt gãy” nên được hiểu là năng lượng đàn hồi tích trong hệ đá–đứt gãy đang chịu tải, chứ không phải một kho năng lượng nằm đúng trên mặt trượt.

Khi nào đứt gãy mất trạng thái khóa và bắt đầu trượt?

Ở mức khái quát, đứt gãy bắt đầu trượt khi sức cản không còn đủ để duy trì trạng thái khóa. USGS thường diễn giải quá trình này bằng việc ứng suất tiếp tục tăng cho đến khi thắng được ma sát giữ hai phía đứt gãy. Cách mô tả đó rất hữu ích để hình dung cơ chế, nhưng không nên hiểu là mọi đứt gãy đều có một ngưỡng ma sát cố định giống nhau.

Sức bền thực tế còn phụ thuộc vào ứng suất ép hai mặt đứt gãy vào nhau, đặc tính ma sát của vật liệu, trạng thái các điểm tiếp xúc và chất lưu trong khe nứt. Đặc biệt, áp suất lỗ rỗng có thể làm thay đổi ứng suất pháp hữu hiệu và do đó thay đổi sức cản trượt. Các nghiên cứu của USGS cho thấy chất lưu và biến đổi áp suất trong đứt gãy có thể đóng vai trò đáng kể trong việc kiểm soát độ ổn định của trượt.

Sự mất ổn định thường khởi đầu trong một vùng hữu hạn nhỏ, nơi tốc độ trượt tăng lên. Trong các mô hình ma sát phụ thuộc tốc độ và trạng thái, một vùng trượt tăng tốc có thể hình thành trước khi chuyển thành bất ổn động lực. Nếu vùng này tiếp tục yếu đi và năng lượng đàn hồi sẵn có đủ duy trì sự phát triển, vết vỡ có thể lan rộng; nếu không, chuyển động có thể dừng hoặc tiếp tục theo cách ổn định hơn.

Vì thế, động đất không phải kết quả của việc toàn bộ mặt đứt gãy cùng lúc chạm đến một con số tới hạn rồi đồng loạt “bật” ra. Quá trình khởi phát mang tính cục bộ và phụ thuộc trạng thái cơ học của chính vùng đang chịu tải.

Vết vỡ lan truyền và giải phóng năng lượng như thế nào?

Vị trí nơi quá trình vỡ động lực bắt đầu được gọi là chấn tiêu. Từ vùng khởi phát, mặt trước của vết vỡ lan dọc mặt đứt gãy, khiến các vùng kế tiếp lần lượt chuyển từ trạng thái khóa sang trượt. EarthScope mô tả một trận động đất thực tế như một vùng rupture hữu hạn mở rộng từ chấn tiêu, chứ không phải toàn bộ mặt đứt gãy chuyển động cùng một thời điểm.

Khi từng phần của đứt gãy trượt nhanh, đá hai bên giải phóng một phần biến dạng đàn hồi đã tích tụ. Đây là hồi phục đàn hồi. Tuy nhiên, “hồi phục” không có nghĩa mọi thứ quay lại đúng vị trí ban đầu: biến dạng đàn hồi giảm đi nhưng hai phía đứt gãy vẫn có thể để lại dịch chuyển vĩnh viễn. Chính quan sát về biến dạng trước động đất và dịch chuyển sau trận San Francisco năm 1906 đã dẫn đến mô hình hồi phục đàn hồi của H. F. Reid.

Trong vùng đã trượt, ứng suất cắt thường giảm từ trạng thái trước sự kiện xuống một trạng thái mới; sự thay đổi này được biểu diễn bằng khái niệm giảm ứng suất (stress drop). Đồng thời, quá trình tăng tốc và giảm tốc của trượt cùng sự thay đổi rất nhanh của trường ứng suất tạo ra các nhiễu động đàn hồi truyền ra khỏi nguồn dưới dạng sóng địa chấn. Đó là phần năng lượng có thể lan qua Trái Đất và tạo rung động ở những nơi cách xa vùng đứt gãy.

Như vậy, “giải phóng năng lượng” thực chất là một quá trình có diễn biến theo cả không gian lẫn thời gian: vết vỡ khởi phát, lan truyền, các phần đứt gãy lần lượt trượt, biến dạng đàn hồi giảm và năng lượng được chuyển sang nhiều dạng khác.

Năng lượng động đất được phân chia vào những quá trình nào?

Năng lượng biến dạng đàn hồi giảm đi trong quá trình trượt không chuyển toàn bộ thành sóng địa chấn. Trong mô hình cân bằng năng lượng đơn giản của nguồn động đất, năng lượng giải phóng được phân chia giữa năng lượng bức xạ ra ngoài dưới dạng sóng đàn hồi, năng lượng tiêu tán bởi ma sát và năng lượng dùng cho phá hủy hoặc làm yếu vật liệu trong và quanh vùng trượt.

Phần bức xạ tạo nên tín hiệu địa chấn và góp phần trực tiếp vào rung đất. Ma sát biến một phần công cơ học thành nhiệt. Một phần khác được dùng để hình thành vi khe nứt, nghiền nhỏ vật liệu, làm biến dạng vùng đá hoặc duy trì quá trình yếu hóa cần thiết để vết vỡ tiếp tục lan. Các kênh này không hoạt động độc lập hoàn toàn: sự thay đổi sức bền và ma sát trong lúc trượt có thể ảnh hưởng đến tốc độ rupture và lượng năng lượng được bức xạ.

Không có một tỷ lệ cố định kiểu “một phần trăm nhất định của năng lượng luôn trở thành sóng địa chấn”. Việc phân chia năng lượng phụ thuộc vào động lực học và điều kiện của từng đứt gãy; ngay cả các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hiện đại vẫn cho thấy tỷ trọng tương đối của bức xạ, nhiệt và phá hủy có thể thay đổi đáng kể.

Quy mô năng lượng cũng tăng rất nhanh khi độ lớn động đất tăng. USGS cho biết tăng một đơn vị độ lớn tương ứng xấp xỉ 32 lần năng lượng giải phóng. Vì thế, chênh lệch vài đơn vị độ lớn không phải chênh lệch tuyến tính về năng lượng. Con số 32 lần chỉ giúp hình dung quy mô tổng thể; nó không nói rằng cùng một tỷ lệ năng lượng sẽ được chuyển thành sóng địa chấn ở mọi trận động đất.

Vì sao ứng suất không biến mất hoàn toàn sau động đất?

Hồi phục đàn hồi không đưa hệ về trạng thái “không ứng suất”. Trượt làm thay đổi ứng suất trên vùng đã vỡ, nhưng ứng suất dư vẫn tồn tại. Sự dịch chuyển còn làm thay đổi trường ứng suất xung quanh: một số vùng được giảm tải, trong khi những vùng khác có thể nhận thêm tải. Các nghiên cứu về biến đổi ứng suất tĩnh sau động đất cho thấy chính một sự kiện có thể đồng thời làm tăng ứng suất ở một số khu vực và giảm nó ở những khu vực khác.

Nhiều phần của mặt đứt gãy cũng có thể không tham gia vào sự kiện và tiếp tục ở trạng thái khóa. EarthScope nhấn mạnh rằng thông thường chỉ một phần mặt đứt gãy trượt trong một trận động đất, còn phạm vi rupture thay đổi tùy sự kiện.

Vì vậy cần phân biệt giải phóng năng lượng với xả hết năng lượng. Một trận động đất giải phóng phần năng lượng gắn với sự thay đổi trạng thái cơ học của vùng tham gia vỡ; nó không xóa toàn bộ ứng suất khỏi vỏ Trái Đất. Sau đó, hệ tồn tại trong một trạng thái ứng suất mới và chuyển động kiến tạo vẫn tiếp tục cung cấp tải theo thời gian.

Mô hình phù hợp vì thế không phải một bình chứa được nạp đầy rồi xả sạch. Đó là một hệ đàn hồi có ma sát và không đồng nhất: tải tăng chậm, một vùng mất ổn định, vết vỡ lan trong phạm vi hữu hạn, năng lượng được bức xạ và tiêu tán qua nhiều quá trình, rồi hệ chuyển sang một trạng thái cơ học mới.

Động đất do trượt đứt gãy xảy ra khi năng lượng biến dạng đàn hồi đã tích tụ trong đá được giải phóng nhanh qua một bất ổn trượt. Quá trình bắt đầu ở một vùng nhỏ, lan dọc một phần mặt đứt gãy, làm giảm một phần biến dạng đàn hồi và khiến trường ứng suất thay đổi.

Chỉ một phần năng lượng giải phóng trở thành sóng địa chấn; phần khác được tiêu tán bởi ma sát và phá hủy vật liệu. Sau sự kiện, ứng suất không biến mất hoàn toàn và toàn bộ hệ cũng không được “reset”. Bản chất cơ học của động đất vì thế là sự chuyển đổi nhanh từ năng lượng đàn hồi tích tụ chậm sang trượt đứt gãy, bức xạ sóng và tiêu tán năng lượng trong một hệ kiến tạo vẫn tiếp tục vận động.