ĐỘNG ĐẤT TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM: DÒNG NƯỚC ĐẢO CHIỀU

Động đất xảy ra khi ứng suất tác động lên một đứt gãy vượt quá độ bền của nó: hai khối đá đột ngột trượt đi. Trong các đứt gãy ngấm nước, áp suất của nước trong các lỗ rỗng của đá đóng vai trò trung tâm. Áp suất này càng cao, hai khối càng ít bị ép vào nhau — và đứt gãy càng dễ trượt.

Hai cơ chế cạnh tranh với nhau trong lúc trượt:

Tăng áp nhiệt (thermal pressurisation). Ma sát làm nóng đứt gãy. Nước giãn nở nhiều hơn đá rất nhiều, nên áp suất của nó tăng lên, “nâng” đứt gãy lên và làm nó yếu đi. Cơ chế này được nhiều người cho là động lực của các trận động đất lớn — nhưng hiếm khi được quan sát trực tiếp trong phòng thí nghiệm.
Gia cường do giãn nở (dilatant strengthening). Khi đá bị cắt trượt và nứt vỡ, nó tạo ra khoảng trống. Áp suất nước giảm, hai khối ép vào nhau mạnh hơn, và đứt gãy trở nên bền hơn — có thể hãm lại quá trình đứt vỡ.

Ngoài thực địa, mực nước trong các giếng gần đứt gãy đã hạ xuống nhanh chóng sau trận động đất Hoa Liên năm 2018 ở Đài Loan (độ lớn 6,3) và trận động đất Kumamoto năm 2016 ở Nhật Bản (độ lớn 7,0). Vậy hiệu ứng nào thắng, và khi nào?

Những trận động đất thu nhỏ

Nhóm của Caiyuan Fan, Harsha Bhat và Alexandre Schubnel tại Phòng thí nghiệm Địa chất của École normale supérieure ở Paris đã dùng các khối trụ granit Westerly dài 85 mm và rộng 40 mm. Đá được nung tới 450 °C để làm nứt, rồi cưa nghiêng 30° để tạo một đứt gãy, các mặt của đứt gãy được đánh bóng bằng bột nhão kim cương.

Sáu cảm biến áp suất nước: bốn cái nằm sát mép đứt gãy (trong phạm vi nửa milimét), hai cái ở xa hơn trong khối đá.
Một máy ép cao áp nén các mẫu ở áp suất bao hiệu dụng 30, 45 và 60 megapascal, với nước ở 25 hoặc 45 MPa.
Tải trọng được tăng rất chậm (0,3 micromét mỗi giây). Đứt gãy tích tụ ứng suất, rồi trượt một lần — một trận động đất trong phòng thí nghiệm. Một thí nghiệm đã tạo ra hơn 100 trận như vậy.

Những gì họ thấy

Trước tiên, tăng áp nhiệt — được quan sát trực tiếp.

Trong những trận động đất đầu tiên, áp suất nước tăng trong lúc trượt, cùng thời điểm ứng suất giảm.
Ở sự kiện đầu tiên: ứng suất giảm khoảng 2,2 MPa, áp suất tăng khoảng 7 MPa, độ trượt khoảng 0,05 mm, và tốc độ tăng áp suất lên tới 180 MPa mỗi giây.
Mô hình lý thuyết về tăng áp nhiệt tái hiện tốt những lần tăng này.
Một dấu hiệu báo trước: áp suất nước bắt đầu tăng hơn 50 giây trước khi đứt vỡ, trong khi ứng suất hầu như không đổi.

Sau đó, đảo chiều sang giãn nở.

Hết trận này đến trận khác, áp suất bắt đầu giảm thay vì tăng — tới khoảng 15 MPa, với tốc độ lên tới 380 MPa mỗi giây. Trong một thí nghiệm, nó gần chạm mức không.
Ở đây cũng có dấu hiệu báo trước: áp suất bắt đầu giảm 10 giây trước khi đứt vỡ.
Sự đảo chiều được thấy trong cả bốn thí nghiệm.

Nhanh, chậm, nhanh. Giữa hai giai đoạn là những trận động đất chậm, chậm hơn các trận nhanh từ một đến ba bậc độ lớn. Chúng không xuất hiện ở mẫu có độ thấm cao nhất.

Vì sao đứt gãy thay đổi

Vùng cắt trượt dày lên khoảng mười lần, từ khoảng 0,05 mm lên khoảng 0,4 mm. Nhiệt được phân tán vào nhiều đá hơn, và mức nóng lên ước tính giảm từ khoảng 10 độ xuống 0,2 độ. Dưới kính hiển vi điện tử, đứt gãy cho thấy những mảng đá bị nghiền vụn, những sợi đá bị nóng chảy do ma sát, và một vùng tổn thương sâu trung bình khoảng 60 micromét.

Một điều bất ngờ: ở giai đoạn sau, sự giãn nở mạnh hơn, vậy mà các lần đứt vỡ lại nhanh hơn. Riêng sự giãn nở không làm đứt gãy ổn định; còn có những quá trình làm yếu khác đang tác động.

Giới hạn

Các tác giả khuyên thận trọng khi so sánh với đứt gãy tự nhiên: những thí nghiệm này không bao gồm quá trình đứt gãy tự liền lại giữa các trận động đất. Họ cũng lấy trung bình bốn cảm biến, trong khi các cảm biến này cho thấy một trường áp suất không đồng đều.

Một cửa sổ nhìn vào trạng thái của đứt gãy

Theo các tác giả, đây là minh chứng thực nghiệm đầu tiên về cả hai phản ứng trái ngược của áp suất nước, và về cả một dải động đất nhanh và chậm, trên cùng một đứt gãy đang biến đổi. Kết quả này thách thức ý tưởng rằng tăng áp nhiệt luôn chi phối các trận động đất lớn và nhanh. Và các tín hiệu áp suất nước có thể trở thành một cửa sổ nhìn vào trạng thái của đứt gãy.