Nhà khoa học Việt lý giải các trận động đất băng hà ở Nam Cực

Mới đây, TS. Phạm Thành Sơn đã phát hiện 362 trận động đất băng hà ở Nam Cực, xảy ra trong giai đoạn 2010 - 2023. Đây là lần đầu giới khoa học phát hiện một cách có hệ thống số lượng lớn các trận động đất như vậy ở vùng băng hà lớn nhất trên Trái đất.

Các trận động đất băng hà mới được phát hiện chủ yếu tập trung ở sông băng Thwaites, còn có tên sông băng Ngày tận thế do nó có thể khiến mực nước biển dâng nhanh chóng nếu tan rã. 

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trong bài báo “Systematic Detection of Glacial Earthquakes in Thwaites Glacier, West Antarctica, by Regional Surface Waves” trên tạp chí Geophysical Research Letters. 

TS. Phạm Thành Sơn (Đại học Quốc gia Australia), người đứng sau phát hiện có hệ thống đầu tiên về các trận động đất băng hà ở Nam Cực, giải thích ý nghĩa khoa học của hiện tượng này.

Động đất băng hà khó phát hiện và định vị

Anh có thể giải thích động đất băng hà là gì và nó khác các trận động đất kiến tạo thông thường như thế nào?

Động đất băng hà thực chất cũng là một dạng rung động địa chấn, nhưng cơ chế sinh ra nó khác với động đất kiến tạo thường thấy. Nếu động đất kiến tạo xuất phát từ sự trượt giữa các mảng địa chất trong lòng Trái đất, thì động đất băng hà chủ yếu liên quan đến chuyển động cơ học của các khối băng lớn, khi những tảng băng cao và mỏng lật hoặc đổ xuống biển ở các vùng lạnh giá gần hai cực của Trái đất. Những vụ va chạm như vậy tạo ra những rung động cơ học trên mặt đất, hay còn gọi là sóng địa chấn, lan truyền hàng nghìn kilomet từ điểm va chạm.

Điểm khác biệt của động đất băng hà nằm ở chỗ dạng động đất này không tạo ra các sóng địa chấn tần số cao – điều vốn đóng vai trò quyết định giúp phát hiện và định vị các nguồn địa chấn thông thường như động đất, núi lửa, hoặc các vụ nổ hạt nhân.

Bởi vậy, động đất băng hà mới được phát hiện tương đối gần đây, được phát hiện lần đầu ở bán cầu bắc hơn 20 năm trước, trong khi các nguồn địa chấn khác đã được ghi nhận thường xuyên trong nhiều thập kỷ.

Trước nghiên cứu này, các nhà khoa học đã biết gì về động đất băng hà ở Nam Cực?

Trước đây, hầu hết các trận động đất băng hà được phát hiện đều nằm gần rìa các sông băng ở đảo Greenland, thuộc khu vực Bắc Cực.

Các trận ở Greenland này có cường độ tương đối lớn. Do những trận lớn nhất có khả năng gây ra sóng địa chấn tương đương với các vụ thử hạt nhân lớn gần đây nên mạng lưới giám sát địa chấn chất lượng cao, hoạt động liên tục trên toàn thế giới đã phát hiện ra các “tín hiệu” này.

Tuy nhiên, ở Nam Cực, số lượng ghi nhận rất hạn chế. Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học chỉ ghi nhận được một vài sự kiện riêng lẻ với độ nhiễu cao, và chưa có nghiên cứu nào quan sát hiện tượng này một cách có hệ thống trên diện rộng.

Những điều mới biết về động đất băng hà ở Nam Cực

Vậy nghiên cứu của anh đã phát hiện ra điều gì mới?

Nghiên cứu này cho thấy đã có một số lượng lớn các trận động đất băng hà xảy ra ở Nam Cực, tập trung chủ yếu tại hai sông băng Thwaites và Pine Island. Đây là hai sông băng đang đưa lượng băng ra biển lớn nhất ở Nam Cực và có vai trò rất quan trọng đối với mực nước biển toàn cầu.

Cụ thể, nghiên cứu phát hiện 362 trận động đất băng hà, phần lớn chưa hề được phát hiện trước đây. Trong đó khoảng hai phần ba (245/362) sự kiện xảy ra ở cửa biển cuối của sông băng Thwaites (nơi tiếp giáp với biển Amundsen). Số còn lại tạo thành một cụm lớn thứ hai ở gần sông băng Pine Island, nhưng cách xa bờ biển khoảng 60-80 km.

Đây không phải là lần đầu tiên một trận động đất băng hà ở Nam Cực được phát hiện. Nhưng đây là lần đầu tiên hiện tượng này được ghi nhận một cách có hệ thống, chắc chắn, với số lượng lớn. Do đó, phát hiện này cho phép tìm hiểu sâu hơn về cơ chế hình thành và ý nghĩa của chúng.

Có điều gì đặc biệt về thời điểm các trận động đất băng hà xuất hiện?

Các nghiên cứu trước đây cho thấy động đất băng hà ở Greenland thường xảy ra theo chu kỳ hằng năm, xuất hiện thường xuyên hơn vào cuối mùa hè (khi băng tan nhiều do nhiêt đô cao). Số lượng của các trận động đất băng hà cũng tăng dần trong những thập kỷ gần đây. Những dấu hiệu này cho thấy có thể có mối liên quan giữa động đất băng hà và sự ấm lên toàn cầu, với tốc độ nhanh trung bình, ở các khu vực có vĩ tuyến cao.

Trong khi đó, giai đoạn hoạt động mạnh nhất của động đất băng hà tại sông Thwaites rơi vào khoảng những năm 2018-2020, trùng với thời điểm dải băng trước cửa biển của sông di chuyển nhanh hơn thường lệ. Quan sát vệ tinh xác nhận rằng dải băng tại khu vực này di chuyển nhanh hơn khoảng 20-40% so với thời điểm trước và sau giai đoạn này, cho thấy yếu tố tác động mạnh nhất gây ra động đất ở sông Thwaites dường như không phải là sự dao động hằng năm của nhiệt độ không khí, vốn là nguyên nhân gây ra hiện tượng động đất sông băng theo mùa ở Greenland. Thay vào đó, kết quả dường như chỉ ra rằng, sự biến động của đại dương hoặc sự tương tác giữa dải băng và nước biển có thể đóng vai trò quan trọng ở Nam Cực. Dù vậy, vẫn cần nghiên cứu thêm để có thể hiểu về cơ chế chính xác.

Những trận động đất ở sông băng Pine Island thì sao? Có giống như ở sông Thwaites không?

Phần lớn các sự kiện gần phần biển của sông Thwaites được cho là do các tảng băng lớn lật úp sau khi chúng bị tách khỏi sông băng rồi va chạm mạnh với sông.

Nhưng ở sông băng Pine Island, các trận động đất được phát hiện lại nằm khá sâu trong đất liền, cách xa vùng băng tiếp xúc trực tiếp với nước biển, nên ít có khả năng do các tảng băng lật tạo ra. Điều này khiến mô hình “các tảng băng lật úp xuống biển” không còn phù hợp. Do đó, viêc xác định cơ chế những sự kiện địa chấn này vẫn là một bí ẩn thú vị cần giải đáp.

Điểm đặc biệt của những trận động đất ở sông băng Pine Island là chúng dường như xảy ra tại nơi gọi là “grounding zone” – nơi sông băng chuyển tiếp từ trên cạn xuống nước và bắt đầu nổi trên măt biển. Do đó, các yếu tố ngoại cảnh, như chu kỳ thủy triều, cũng có thể là một phần nguyên nhân gây ra động đất. Một giả thuyết đang được nhóm xem xét là cơ chế sạt trượt đột ngột của lớp băng tại khu vực này, tương tự như cơ chế của các động đất kiến tạo, nhưng xảy ra trong môi trường của sông băng. Nhóm hy vọng có thể giải đáp bí ẩn này trong thời gian gần nhất.

Bằng cách nào anh có thể phát hiện các trận động đất băng hà ở Nam Cực?

Có hai điểm mấu chốt. Thứ nhất, tôi tập trung vào tối ưu thuật toán phát hiện dựa trên sóng địa chấn tần số thấp, vốn từng được áp dụng thành công tại Greenland từ đầu những năm 2000, bởi đây là loại sóng địa chấn đăc trưng mà các trận động đất băng hà tạo ra. Nếu chỉ sử dụng các thuật toán phát hiện sóng cao tần như trong địa chấn học truyền thống thì sẽ không thể quan sát được các sự kiện này.

Thứ hai, thay vì sử dụng mạng địa chấn toàn cầu, tôi chỉ sử dụng dữ liệu từ các trạm địa chấn được lắp đặt tại châu Nam Cực. Các trận động đất băng hà ở đây rất nhỏ, nên muốn phát hiện ra chúng, thì các cảm biến phải ở “đủ gần” nguồn phát.

Hãy hình dung đơn giản thế này: nếu muốn phát hiện những rung chấn rất nhỏ ở Việt Nam thì không thể dùng dữ liệu từ các trạm đặt ở quốc gia khác. Tương tự, để phát hiện các trận động đất rất nhỏ ở Nam Cực, chúng ta cần dữ liệu địa chấn thu ngay tại Nam Cực, chứ không phải từ các trạm ở xa. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ dùng trạm địa chấn toàn cầu chứ không sử dụng trạm ở Nam Cực

Qua nghiên cứu, tôi càng nhận thấy rõ sự cần thiết của việc duy trì các mạng trạm địa chấn tại những khu vực hẻo lánh như Nam Cực – nơi những tín hiệu nhỏ có thể khởi đầu của những hiện tượng có tầm ảnh hưởng toàn cầu.

Động đất băng hà tạo ra sóng tần thấp rất khó phát hiện, vậy làm thế nào để anh phân biệt động đất băng hà với các rung chấn địa chất khác?

Có ba nhóm bằng chứng chính.

Thứ nhất là đặc điểm tín hiệu địa chấn. Khi sử dụng bộ lọc tín hiệu theo các dải tần khác nhau, động đất băng hà chỉ cho thấy tín hiệu mạnh ở dải tần số thấp, trong khi dải tần số cao gần như chỉ là nhiễu. Điều này khác rõ rệt với động đất kiến tạo hoặc hoạt động núi lửa, vốn có tín hiệu mạnh ở cả hai dải.

Thứ hai là đối chiếu với dữ liệu vệ tinh. Trong một số trường hợp, ảnh vệ tinh chụp trước và sau thời điểm xảy ra rung chấn cho thấy sự xuất hiện của các tảng băng mới bị đổ hoặc tách ra, trùng khớp về mặt thời gian với tín hiệu địa chấn.

Thứ ba là mối liên hệ thống kê giữa số lượng động đất băng hà và tốc độ dòng chảy của sông băng ra biển. Khi sông băng chảy nhanh hơn, số lượng sự kiện được ghi nhận cũng tăng, điều này phù hợp với cơ chế sinh động đất từ các quá trình cơ học của băng.

Nâng cao khả năng dự báo nước biển dâng trong tương lai

Những phát hiện mới có ý nghĩa như thế nào đối với nghiên cứu băng tan và nước biển dâng?

Nghiên cứu này chưa thể giúp dự báo mực nước biển dâng một cách trực tiếp. Tuy nhiên, nó cung cấp những quan sát hoàn toàn mới về mối tương tác giữa đại dương, sông băng và địa hình gần nơi sông băng tiếp giáp với biển.

Những thông tin này có thể giúp định lượng các yếu tố tác động đến sự ổn định ở cửa các sông băng tại Nam Cực, từ đó, giúp cải thiện các mô hình máy tính tiên lượng sư biến đổi của sông băng (ice sheet models) theo thời gian. Khi độ chính xác và ổn định của các mô hình này được cải thiện, chúng giúp giảm thiểu những sai số, hiện tại rất lớn, trong dự báo nước biển dâng trong tương lai.

Môt lưu ý là nghiên cứu này không thể dẫn đến kết luận rằng biến đổi khí hậu đang trực tiếp tạo ra nhiều động đất băng hà hơn ở Nam Cực. Nghiên này chỉ giúp phát triển một phương pháp quan sát mới, cho phép phát hiện và hiểu thêm về một hiên tượng tự nhiên đầy thú vị.

Những câu hỏi khoa học quan trọng nào về động đất băng hà ở Nam Cực vẫn còn bỏ ngỏ?

Hy vong rằng đây là một nghiên cứu mang tính khai phá và có thể giúp mở ra một hướng nghiên cứu mới lâu dài hơn, nhằm làm sáng tỏ hiện tượng địa chấn đặc trưng của các sông băng. Khi có thêm thông tin về hiện tượng này, chúng ta sẽ có thể hiểu rõ hơn cách động đất băng hà vận hành, và xa hơn là cách chúng tác động tới mực nước biển toàn cầu.

Trong thời gian tới, chủ đề nghiên cứu mà chúng tôi hướng đến là xác định cơ chế chính xác của các trận động đất băng hà xảy ra ở xa cửa biển, đặc biệt là tại sông băng Pine Island. Ngoài ra, nhóm cũng sẽ tập trung làm rõ mối liên hệ định lượng của các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của sông băng gần các cửa biển, như trạng thái động của các dòng biển, cụm băng trôi, và tần suất động đất băng hà.

Và để trả lời được những câu hỏi này, việc hợp tác nghiên cứu liên ngành sẽ đóng vai trò rất quan trọng.

Cảm ơn anh đã chia sẻ!