Cường độ động đất được đo như thế nào?

Một trận động đất mạnh đã xảy ra ở ngoài khơi Quần đảo Solomon hôm 22/11, khiến cảnh báo sóng thần được ban bố tại khu vực bờ biển trong vòng 300 km của tâm chấn. Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) ban đầu cho biết động đất mạnh 7,3 độ, nhưng sau đó điều chỉnh thành 7 độ. Vậy điều gì gây ra động đất và cường độ của chúng được đo lường như thế nào?

Động đất hay địa chấn là kết quả của sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái Đất, chủ yếu gây ra bởi chuyển động của các mảng kiến tạo. Các mảng này luôn dịch chuyển và cọ xát vào nhau. Đôi khi, lực và ma sát tích tụ trở nên đủ mạnh để gây ra rung chấn và phá vỡ mặt đất. Vị trí mà các mảng kiến tạo tiếp xúc và tạo nên "điểm vỡ" bên dưới mặt đất được gọi là chấn tiêu. Tâm chấn là điểm ở mặt đất ngay phía trên chấn tiêu.

Khi động đất xảy ra, sóng địa chấn di chuyển qua đất và gây ra dao động, thứ có thể đo lường bằng máy đo địa chấn. Công cụ này gồm một loạt các cảm biến giúp xác định và ghi lại quy mô của các trận động đất, hay nói cách khác, nó được sử dụng để xác định cường độ của động đất, theo Mometrix Academy.

Về nguyên tắc hoạt động cơ bản, máy đo địa chấn giống như một quả nặng treo trên lò xo và được gắn vào một khung cố định. Bất kỳ chuyển động nào từ mặt đất đều dịch chuyển khung, trong khi quả nặng có xu hướng không di chuyển do quán tính của nó. Bằng cách đo chuyển động giữa khung và quả nặng, có thể xác định được chuyển động của mặt đất.

Mô phỏng hoạt động của máy đo địa chấn. Video: Geologist Hassan

Ngày nay, có nhiều loại thang đo để xác định mức độ mạnh yếu của động đất, nhưng thang đo độ lớn mô-men đã trở thành tiêu chuẩn được các cơ quan địa chấn như USGS sử dụng cho các trận động đất trung bình và lớn, thay thế cho thang đo Richter ban đầu.

Thang đo độ Richter (ký hiệu là ML) được phát minh vào những năm 1930 để cung cấp một số hiểu biết về cường độ của động đất. Độ Richter tương ứng với logarit cơ số 10 của biên độ sóng địa chấn (logarit của một số là lũy thừa mà một giá trị cố định - gọi là cơ số - phải được nâng lên để để tạo ra số đó). Cứ mỗi một độ trên thang đo Richter đại diện cho một mức tăng gấp 10 lần về biên độ, nhưng tương ứng với mức tăng khoảng 31,6 lần về năng lượng.

Ví dụ, một trận động đất 6 độ Richter có biên độ mạnh gấp 10 lần so với trận động đất 5 độ Richter, nhưng năng lượng được giải phóng nhiều hơn gấp khoảng 31,6 lần.

Theo USGS, có tới 1,4 triệu trận động đất trên 2 độ Richter mỗi năm, nhưng chỉ có 16 trận động đất đạt độ 7 trở lên. Thực tế là một trận động đất phải có cường độ từ 2 độ Richter trở lên thì con người đứng trên bề mặt mới cảm nhận được.

Ngày nay, USGS chỉ sử dụng ML đối với các trận động đất có độ lớn nhỏ hơn 3,5 độ Richter. Nguyên nhân là do thang đo Richter không phù hợp với các trận động đất lớn. Theo Weather, giới hạn trên của thang đo này là khoảng 7 độ Richter, có nghĩa là đối với các trận động đất mạnh hơn mức này, kết quả đo gần như bị bão hòa (cho cùng giá trị).

Thang đo độ lớn mô-men (ký hiệu là Mw) ra đời vào năm 1979 để kế tiếp thang Richter. Đây là một công cụ đo lường tổng năng lượng được giải phóng bởi động đất. Nó cho phép các nhà khoa học sử dụng mô hình máy tính để tạo ra những hình ảnh địa chấn tổng hợp và xác định chính xác năng lượng giải phóng có liên quan như thế nào với cường độ của một trận động đất, về cơ bản là một đứt gãy đã dịch chuyển bao xa và lực cần thiết để dịch chuyển nó.

Thang đo độ lớn mô-men cũng sử dụng logarit như thang đo Richter và các trận động đất nhỏ có cường độ xấp xỉ như nhau trên cả hai thang. Tuy nhiên, Mw có lợi thế là không bão hòa với các trận động đất lớn, nên ngày nay nó là thang đo tiêu chuẩn và được sử dụng phổ biến nhất. Độ lớn mô-men được thể hiện bằng đại lượng không có Richter. Ví dụ, thảm họa động đất gây sóng thần ở Tohoku, Nhật Bản năm 2011 có cường độ là 9 độ.

Một công cụ đo lường động đất khác là thang Mercalli sửa đổi. Đây là thang đo dựa trên các hiệu ứng quan sát được từ động đất và mức độ cảm nhận những ảnh hưởng đó. Nó cũng được phát triển vào những năm 1930 và sử dụng các chữ số La Mã từ I đến XII để xác định mức độ dữ dội của một trận động đất, theo Seeker. Ví dụ:

- Động đất mức II: có cường độ yếu và được mô tả là "chỉ cảm thấy bởi một vài người đang nghỉ ngơi, đặc biệt là trên tầng cao của các tòa nhà".

- Động đất mức VI: là động đất mạnh và "cảm nhận được bởi tất cả mọi người, khiến nhiều người sợ hãi. Một số đồ đạc nặng bị dịch chuyển; một số trường hợp vữa thạch cao rơi xuống từ trần nhà, gây thiệt hại nhẹ".

- Động đất mức XII: cao nhất được mô tả là "gây thiệt hại toàn bộ; các vật thể bị hất lên không trung".

Thay vì gắn các con số vào logarit, cường độ của một trận động đất theo thang Mercalli sửa đổi có liên quan đến khoảng cách của ai đó hoặc thứ gì đó từ tâm chấn của trận động đất khi nó xảy ra. Điều này có nghĩa là bạn có thể nhận được các phép đo cường độ khác nhau tùy thuộc vào nơi bạn thực hiện phép đo. Loại đất mà người hoặc vật đang đứng trong thời gian xảy ra động đất cũng đóng một yếu tố rất lớn trong việc xác định cường độ của nó. Đất mềm rung lắc dữ dội hơn đất cứng.