Trái đất nơi mà ta đang cư trú, luôn gợi ra cho ta muôn vàn những sự tò mò, con người có ngày càng nhiều truyền thuyết, giả thuyết về quả Địa cầu, cũng chính vì thế mà ta lại càng hỏi chính mình, kiểu như “Phía trên ta có phải thiên đường ?”, “Dưới chân ta có phải nơi hỏa ngục ?”,...
Khi nhìn lên trên đầu, ta thấy được một vùng trời rộng lớn, ta biết ta thấy ắt hẳn bầu trời ấy còn cao, còn xa ra bên ngoài nữa nữa..., nhưng với lòng đất thì sao ? Khi nhìn xuống, ta chỉ thấy được một lớp đất đá dưới chân ta, nào có thể thấy được sâu bên dưới có gì dù chỉ là 1 mét cũng không thể thấy !
Sự tò mò lớn lao đã thôi thúc loài người bắt tay vào công cuộc soi thấu “tâm can” của Địa cầu, từ những công việc can thiệp đơn giản như đào đất đá bằng các công cụ thô sơ, đến những phương pháp đào những giếng khoan thật sâu. Cho đến khi nền khoa học đủ phát triển vào thế kỉ 19, khi nhân loại bắt đầu nghiên cứu nghiêm túc về những vấn đề của lòng đất như động đất,..., những nhà khoa học đã thành lập ra một chuyên ngành mới trong địa vật lý đó là địa chấn học, trong đó nổi tiếng với các nghiên cứu về phương pháp địa chấn, nhằm mô phỏng cấu trúc sâu bên trong lòng (lớp thạch quyển) của Trái đất.
Trước khi đi vào việc khám phá trong lòng Trái đất bằng phương pháp địa chấn, ta sẽ phải tìm hiểu qua một đối tượng không thể thiếu trong việc ứng dụng phương pháp địa chấn, đó là sóng địa chấn. Sóng địa chấn bản chất là một dạng sóng cơ học, nó được sinh ra từ các nguồn rung chấn như là động đất, các vụ nổ lớn trên mặt đất, các nguồn tạo dao động gây rung động mặt đất, v.v. Sóng địa chấn được chia thành 2 loại chính:
– Sóng khối (body wave): như tên gọi của nó, là dạng sóng truyền bên trong khối vật chất, sóng này bao gồm 2 loại:
- Sóng P (Sóng sơ cấp): là một dạng sóng dọc (phương dao động trùng với phương truyền sóng), loại sóng này có thể truyền qua cả 3 dạng vật chất là rắn, lỏng và khí. Sóng P là loại sóng địa chấn duy nhất có thể truyền gần như từ đầu này sang đầu kia của Trái đất.
Hình 1. Hình ảnh mô phỏng cách thức truyền của sóng P
- Sóng S (Sóng thứ cấp): là một dạng sóng ngang (phương dao động vuông góc với phương truyền sóng), loại sóng này có tốc độ truyền chậm hơn so với sóng P, sóng S có đặc tính chỉ truyền được trong chất rắn, không thể qua được chất lỏng và chất khí.
Hình 2. Hình ảnh mô phỏng cách thức truyền của sóng S.
Sóng mặt (Surface wave): là loại sóng được truyền đi trên các bề mặt vật chất, thường là các mặt phân cách giữa các môi trường rắn, lỏng hoặc khí. Sóng mặt thường có 2 loại là sóng Love và sóng Rayleigh, do sự giới hạn trong nội dung đề tài nên ta sẽ không đi sâu hơn nữa vào 2 loại sóng này.
Hình 3.Hình ảnh mô phỏng cách thức truyền của sóng Love (bên trái) và Rayleigh (bên phải).
Sự truyền sóng địa chấn bên trong lòng Trái đất tuân theo định luật Snell (Định luật khúc xạ, phản xạ sóng), tức tùy theo những loại vật chất, các ranh giới địa chất, mật độ vật chất khác nhau mà các sóng địa chấn sẽ truyền qua nhanh chậm, phản xạ hay khúc xạ khác nhau.
Hình 4. Sự phản xạ, khúc xạ của sóng P và sóng S trong lòng Trái đất.
Việc nghiên cứu cấu trúc, thành phần bên trong Trái đất là một công việc hết sức khó khăn và phức tạp đòi hỏi các nhà khoa học phải luôn áp dụng nhiều phương pháp thăm dò đa dạng. Trong đó, phương pháp địa chấn đóng một vai trò rất quan trọng và cho thấy được một độ tin cậy cực cao trong việc nghiên cứu.
Phương pháp địa chấn: là phương pháp Địa vật lý sử dụng các loại sóng đàn hồi xuất hiện trong các vụ động đất hay nhân tạo (được tạo thành từ các nguồn rung động trên mặt đất) như sóng địa chấn để nghiên cứu môi trường địa chất ở trong lòng Trái đất thông qua việc quan sát trường sóng (sóng phản xạ, khúc xạ) trong môi trường đất đá. Quy trình áp dụng phương pháp địa chấn để khảo sát lòng đất luôn phải trải qua 3 bước rõ ràng gồm: thu thập dữ liệu, phân tích và xử lí dữ liệu, minh giải tài liệu địa chấn:
-Thu thập dữ liệu: là quá trình phát sóng địa chấn vào sâu trong lòng đất, sau đó thu nhận các sóng phản xạ hoặc khúc xạ tương ứng:
- Nguồn phát sóng địa chấn có thể là các trận động đất hoặc được tạo ra thông qua các sự rung động do xe tạo dao động (vibrator truck) hoặc các vụ nổ nhân tạo v.v.
- Sóng địa chấn sau khi đi vào lòng đất sẽ bị khúc xạ hoặc phản xạ trở lại, các đầu dò địa chấn (địa chấn kế) sẽ là bộ phận thu nhận tín hiệu từ các sóng phản xạ hoặc khúc xạ này.
Hình 5. Mô phỏng quá trình thu thập dữ liệu địa chấn
-Phân tích và xử lí dữ liệu: Như ta đã biết ở trên, các sóng địa chấn có sự phản xạ hoặc khúc xạ khác nhau tùy vào cấu trúc, mật độ hoặc các đặc tính riêng biệt khác của vật chất. Ví dụ như sóng S, là loại sóng không thể truyền qua được vật chất ở dạng lỏng, tức sóng này sẽ bị phản xạ ngay khi tiếp xúc với ranh giới giữa lớp vật chất rắn và lớp vật chất lỏng.
Dựa vào thời gian truyền đi và trở lại, dựa vào vận tốc tại thời điểm sóng bị phản xạ hay khúc xạ mà ta có thể suy ra được về tính chất, cấu trúc của các phân lớp vật chất phía dưới lòng đất. Thời gian và cường độ phản xạ của các loại sóng địa chấn đều được thể hiện qua một bộ phận bên trong địa chấn kế, đó chính là địa chấn đồ:
Hình 6. Địa chấn đồ (seismograph) thể hiện thời gian xuất hiện và biên độ của các sóng địa chấn.
Một địa chấn đồ sẽ luôn thu được tín hiệu phản xạ của sóng P trước do sóng này có tốc độ truyền lớn hơn cả, sau đó là sóng S và cuối cùng là các sóng mặt phản xạ với biên độ dao động lớn nhất trong các sóng phản xạ.
-Minh giải dữ liệu địa chấn: Đây là bước thực hiện gần như là cuối cùng trong công cuộc tìm hiểu về cấu trúc Trái đất. Ở giai đoạn này, các nhà khoa học tiến hành minh giải các dữ liệu sau khi phân tích bằng các phần mềm chuyên dụng, nhằm có những phân tích chính xác hơn về thời gian hay tốc độ truyền của các sóng địa chấn. Từ đó có thể mô phỏng được hình dạng của các thành phần vật chất, mô phỏng được các ranh giới địa chất bên trong Trái đất.
Hình 7. Cấu trúc bên trong Trái đất được mô phỏng nhờ các sóng địa chấn.
Phương pháp địa chấn là một phương pháp đáng tin cậy không chỉ giúp xác định và mở ra trước mắt ta một cấu trúc hoàn chỉnh của Trái đất, mà nhờ nó ta cũng có thể xác định, nghiên cứu các phương pháp khai thác tài nguyên khoáng sản cũng như ứng dụng vào việc nghiên cứu về các trận động đất. Hơn thế nữa, khi phương pháp địa chấn thực chất đã được mở rộng phạm vi nghiên cứu ra các đối tượng khác trong hệ Mặt trời, cụ thể chính là Hỏa tinh và mặt trăng.
Đối với Hỏa tinh, đã có một cuộc đổ bộ của tàu Insight của NASA (Insight Mars Lander), đây là một loại địa chấn kế có một độ nhạy cực cao. Kể từ khi đổ bộ vào năm 2018, địa chấn kế này đã thu được sự xuất hiện của hàng ngàn các trận động đất, nhờ những trận động đất này mà Insight đã thu được các sóng địa chấn bị phản xạ, từ đó giúp các nhà khoa học mô phỏng được cấu trúc, các thành phần vật chất trong lòng của Hỏa tinh. Trên mặt trăng, các nhà khoa học đã vô tình thu được các tính hiệu động đất thông qua các địa chấn kế được các phi hành gia trong chương trình Apollo lắp đặt từ những năm 1969 đến 1977, từ đây cũng giúp các nhà khoa học xác định được cấu trúc bên trong vệ tinh của chúng ta.
Tài liệu tham khảo:
-Lunar Seismology: A Data and Instrumentation Review | Space Science Reviews (springer.com)
-NASA’s InSight Records Monster Quake on Mars
-History of Seismology - ScienceDirect
-Seismic wave | Earth’s Interior Structure & Movement | Britannica