Động đất có thể gây tàn phá cho các thành phố ở xa được xây dựng trên lòng chảo – và giờ đây chúng ta đã biết lý do
Earthquakes can be destructive for distant cities built on top of basins – now we know why
Flat basins are favoured places to build cities. But seismic waves can get trapped in these basins, putting cities at risk from distant earthquakes.
Các lòng chảo bằng phẳng là nơi được ưa chuộng để xây dựng thành phố. Tuy nhiên, sóng địa chấn có thể bị mắc kẹt trong những lòng chảo này, gây rủi ro cho các thành phố từ những trận động đất ở xa.
Sedimentary basins – depressions in Earth’s crust caused by tectonic activity – tend to be flat and are favoured places to build cities. But during earthquakes, they can become natural resonance chambers.
Các bồn trầm tích – những vùng trũng trên vỏ Trái đất do hoạt động kiến tạo gây ra – có xu hướng bằng phẳng và là nơi lý tưởng để xây dựng thành phố. Nhưng trong các trận động đất, chúng có thể trở thành buồng cộng hưởng tự nhiên.
Just like sound waves echoing around an empty hall, this means seismic waves can get trapped in these basins and bounce from side to side to create “seismic echoes”.
Giống như sóng âm vang vọng trong một hội trường trống, điều này có nghĩa là sóng địa chấn có thể bị mắc kẹt trong các bồn trầm tích này và nảy qua lại để tạo ra “tiếng vang địa chấn”.
Depending on the shape and depth of the basin, these echoes can become amplified and be highly destructive.
Tùy thuộc vào hình dạng và độ sâu của bồn, những tiếng vang này có thể được khuếch đại và gây ra sự phá hủy nghiêm trọng.
New Zealand’s capital city Wellington is built on a sedimentary basin and is an example of this phenomenon.
Thủ đô Wellington của New Zealand được xây dựng trên một bồn trầm tích và là ví dụ điển hình cho hiện tượng này.
In the 2016 magnitude 7.8 Kaikōura earthquake, Wellington’s central business district experienced shaking that exceeded design predictions. Even though the quake was located 80 kilometres from the city, it caused severe damage to infrastructure, with many multi-storey buildings damaged or destroyed.
Trong trận động đất Kaikōura độ lớn 7,8 năm 2016, khu trung tâm thương mại của Wellington đã trải qua rung lắc vượt quá dự đoán thiết kế. Mặc dù trận động đất nằm cách thành phố 80 km, nó vẫn gây thiệt hại nghiêm trọng cho cơ sở hạ tầng, khiến nhiều tòa nhà nhiều tầng bị hư hỏng hoặc đổ nát.
Archival records also show that during the 1942 magnitude 7.3 Wairarapa quake, which was located about 80 kilometres north of Wellington, some 10,000 chimneys were destroyed in the city.
Các hồ sơ lưu trữ cũng cho thấy rằng trong trận động đất Wairarapa độ lớn 7,3 năm 1942, nằm cách Wellington khoảng 80 km về phía bắc, một số khoảng 10.000 ống khói đã bị phá hủy trong thành phố.
Our new research provides an updated model for the central Wellington basin.
Nghiên cứu mới của chúng tôi cung cấp một mô hình cập nhật cho bồn trung tâm Wellington.
We found it is almost twice as deep (about 500 metres) than previously thought and that its shape is significantly different from the previous model. These differences go some way toward explaining why the shaking was stronger than expected.
Chúng tôi nhận thấy nó sâu gần gấp đôi (khoảng 500 mét) so với suy nghĩ trước đây và hình dạng của nó khác biệt đáng kể so với mô hình trước đó. Những khác biệt này giúp giải thích phần nào lý do tại sao độ rung lắc lại mạnh hơn dự kiến.
The deadliest example from history
Ví dụ gây tử vong nhất trong lịch sử
Historically, the most devastating example of seismic echoes, or trapped waves, was the 1985 Mexico City earthquake, which killed 8,000 people and destroyed high-rise buildings.
Về mặt lịch sử, ví dụ tàn khốc nhất về tiếng vang địa chấn, hay sóng bị mắc kẹt, là trận động đất Mexico City năm 1985, khiến 8.000 người thiệt mạng và phá hủy các tòa nhà cao tầng.
The quake’s epicentre was 350 kilometres west of the city, but when waves of moderate amplitude arrived in the city, they became trapped in the low-wave-speed sediments of the basin on which it is built and became amplified.
Tâm chấn của trận động đất cách thành phố 350 km về phía tây, nhưng khi các sóng có biên độ vừa phải đến thành phố, chúng đã bị mắc kẹt trong lớp trầm tích tốc độ sóng thấp của lưu vực mà thành phố được xây dựng và khuếch đại lên.
As the waves bounced from side to side, they created a standing wave, similar to water waves in a bath.
Khi các sóng nảy qua lại, chúng tạo ra một sóng đứng, tương tự như sóng nước trong bồn tắm.
As a result, the city experienced specific narrow zones of extreme destruction, underscoring the risk from even very distant earthquakes for cities built on sedimentary basins.
Kết quả là, thành phố đã trải qua các khu vực hẹp cụ thể bị phá hủy nghiêm trọng, nhấn mạnh rủi ro từ ngay cả những trận động đất rất xa đối với các thành phố được xây dựng trên lưu vực trầm tích.
Seismic echo chambers
Buồng vang địa chấn
Seismic waves become trapped and amplified for two main reasons.
Sóng địa chấn bị mắc kẹt và khuếch đại vì hai lý do chính.
First, as the waves move from a fast wave-speed medium (solid basement rocks) to the low wave-speed of sedimentary rocks, the amplitude of the waves will increase to compensate for the drop in wave speed.
Thứ nhất, khi sóng di chuyển từ môi trường có tốc độ sóng nhanh (đá nền cứng) sang đá trầm tích có tốc độ sóng thấp, biên độ của sóng sẽ tăng lên để bù đắp cho sự giảm tốc độ sóng.
This is similar to a tsunami wave that travels across the deep ocean with a small amplitude but high speed, and then, as it comes closer to shore in shallow water, slows down but dramatically increases in amplitude.
Điều này tương tự như một cơn sóng thần di chuyển qua đại dương sâu với biên độ nhỏ nhưng tốc độ cao, và sau đó, khi nó đến gần bờ ở vùng nước nông, nó chậm lại nhưng biên độ tăng đáng kể.
This interchange between wave amplitude and speed is to do with the energy of the waves, which must remain constant.
Sự trao đổi giữa biên độ và tốc độ của sóng liên quan đến năng lượng của sóng, vốn phải được giữ không đổi.
The second reason for the amplification of seismic waves in a basin is resonance – when the wavelengths of the incoming seismic waves are similar to either the vertical and horizontal dimensions of the basin.
Lý do thứ hai khiến sóng địa chấn khuếch đại trong một lưu vực là cộng hưởng – khi bước sóng của các sóng địa chấn đến tương tự với cả kích thước theo chiều dọc và chiều ngang của lưu vực.
If the basin has steep sides, an edge effect is also generated where strong amplification can occur close to the edge of the basin due to a buildup of different wave types.
Nếu lưu vực có các mặt dốc, một hiệu ứng biên cũng được tạo ra, nơi sự khuếch đại mạnh có thể xảy ra gần rìa lưu vực do tích tụ của nhiều loại sóng khác nhau.
Perhaps the most surprising of our findings is the shape of the basin under Wellington. Its effective western edge is not the Wellington Fault, as previously assumed.
Có lẽ điều đáng ngạc nhiên nhất trong nghiên cứu của chúng tôi là hình dạng của lưu vực dưới Wellington. Rìa phía tây hiệu quả của nó không phải là Đứt gãy Wellington, như đã giả định trước đây.
Instead, the edge cuts across the basin at a high angle to the Wellington fault and follows the line of two previously identified, low-activity faults – the Terrace and Lambton faults.
Thay vào đó, rìa cắt ngang qua lưu vực ở góc lớn so với đứt gãy Wellington và đi theo đường thẳng của hai đứt gãy hoạt động thấp được xác định trước đó – các đứt gãy Terrace và Lambton.
These differences between the new and old basin models have significant impacts on the predicted shaking Wellington might expect. In particular, there will be an effect linked to the newly described edge, and the predicted amplification will be higher for a deeper basin.
Những khác biệt này giữa mô hình lưu vực mới và cũ có tác động đáng kể đến mức độ rung lắc dự kiến mà Wellington có thể gặp phải. Đặc biệt, sẽ có một hiệu ứng liên quan đến rìa mới được mô tả, và sự khuếch đại dự đoán sẽ cao hơn đối với một lưu vực sâu hơn.
We used a 3D model of the basin in a computer simulation for the shaking at frequencies of 0.7 Hertz (the dominant shaking frequency recorded during past quakes) . We found that the amplifications of horizontal ground motion could be 2.5-3 times the background level adjacent to the western edge of the basin.
Chúng tôi đã sử dụng mô hình 3D của lưu vực trong mô phỏng máy tính về độ rung ở tần số 0,7 Hertz (tần số rung lắc chủ đạo được ghi nhận trong các trận động đất trước đây) . Chúng tôi phát hiện ra rằng sự khuếch đại của chuyển động mặt đất theo phương ngang có thể gấp 2,5-3 lần mức nền liền kề với rìa phía tây của lưu vực.
When we compared this predicted pattern of amplified shaking to where the actual damaged buildings were located during the Kaikōura earthquake, we observed some correlation with the western edge of the basin.
Khi chúng tôi so sánh mô hình rung lắc khuếch đại dự đoán này với vị trí các tòa nhà bị hư hại thực tế trong trận động đất Kaikōura, chúng tôi đã quan sát thấy một số mối tương quan với rìa phía tây của lưu vực.
However, we need to be cautious when making this comparison as this pattern could be linked to other factors, such as the distribution of reclaimed land and clustering of inadequately designed buildings.
Tuy nhiên, chúng ta cần thận trọng khi đưa ra sự so sánh này vì mô hình này có thể liên quan đến các yếu tố khác, chẳng hạn như sự phân bố của đất lấn và việc tập trung các tòa nhà được thiết kế không đầy đủ.
Our study nevertheless highlights two key points.
Tuy nhiên, nghiên cứu của chúng tôi vẫn nêu bật hai điểm chính.
First, simple geophysical methods can now be used in urban areas to map out the depth and shape of basins that cities are built on. From these models, we can then generate computer simulations to predict the location of amplified shaking.
Thứ nhất, các phương pháp địa vật lý đơn giản hiện có thể được sử dụng ở khu vực đô thị để lập bản đồ độ sâu và hình dạng của các lưu vực mà thành phố được xây dựng trên đó. Từ những mô hình này, chúng ta sau đó có thể tạo ra các mô phỏng máy tính để dự đoán vị trí rung lắc khuếch đại.
This will lead to more granular zoning for what parts of cities may be more vulnerable.
Điều này sẽ dẫn đến việc phân vùng chi tiết hơn về những bộ phận nào của thành phố có thể dễ bị tổn thương hơn.
The second key point is higher awareness of the risk to cities built on sedimentary basins from not only local, but also distant earthquakes.
Điểm chính thứ hai là nâng cao nhận thức về rủi ro đối với các thành phố được xây dựng trên lưu vực trầm tích không chỉ từ động đất cục bộ mà còn từ các trận động đất xa xôi.
Timothy Stern has received funding from the NZ Earthquake Commission (EQC) for the initial gravity survey; QuakeCore for some of the seismic work; and from an internal Victoria University grant for student stipend support.
Timothy Stern đã nhận tài trợ từ Ủy ban Địa chấn NZ (EQC) cho khảo sát trọng lực ban đầu; QuakeCore cho một số công việc địa chấn; và từ khoản tài trợ nội bộ của Đại học Victoria để hỗ trợ sinh viên.
Read more
-
Những bí ẩn vĩ đại của khảo cổ học: một thế giới Amazon cổ đại được hé lộ từ trên cao
Great mysteries of archaeology: an ancient Amazonian world revealed from the sky
-
Kết quả của Máy Va chạm Hadron Lớn của chúng tôi gợi ý về vật lý chưa được khám phá
Our Large Hadron Collider results hint at undiscovered physics