NỔ MÌN CẠNH MỘT HANG ĐỘNG: NHỮNG THẠCH NHŨ ỐNG NGẮN MỚI GẶP NGUY NHẤT

Tại khối núi Vercors ở đông nam nước Pháp, hang Choranche đón khoảng 100.000 lượt khách mỗi năm. Báu vật của hang là một rừng thạch nhũ ống hút (soda straws): những nhũ đá rỗng, trong mờ, lớn dần từng vòng canxit một quanh giọt nước treo ở đầu chúng. Chúng dài tới 3 mét với đường kính khoảng 5 milimét, thành ống dày nửa milimét. Với tốc độ lớn từ 0,09 đến 0,92 milimét mỗi năm, những ống dài nhất có thể đã bắt đầu hình thành từ 3.200 đến 33.000 năm trước.

Rồi một công trình xây dựng ập đến. Lối đi bộ hẹp treo ở chân vách đá, dẫn khách vào hang, phải được dời sát vào vách đá hơn trên một đoạn khoảng 100 mét. Máy móc hạng nặng không thể tiếp cận công trường, nên phải phá đá bằng thuốc nổ — chỉ cách những ống thạch nhũ vài chục mét. Hư hại đối với những khối thạch nhũ như vậy là không thể khôi phục.

Đo cao độ âm thanh của một nhũ đá

P. Bottelin và các đồng nghiệp tại ADRGT, Đại học Grenoble Alpes và một công ty địa kỹ thuật địa phương, cùng với công ty vận hành hang động, đơn vị đã tài trợ cho nghiên cứu, bắt đầu bằng việc coi mỗi ống thạch nhũ đúng như bản chất cơ học của nó: một ống mỏng bị ngàm chặt ở một đầu. Một ống như vậy dao động ở một loạt tần số riêng (natural frequencies) — những “nốt nhạc” của riêng nó — phụ thuộc vào chiều dài: ống càng ngắn, nốt càng cao.

Nhóm nghiên cứu thu thập 15 ống thạch nhũ bị gãy, phần lớn từ đáy hồ trong hang, và dùng một máy đo rung laser (laser vibrometer) để đo dao động của bốn ống trong số đó trong phòng thí nghiệm, rồi dao động của một ống vẫn còn treo trong hang, nơi giọt nước ở đầu ống phản xạ chùm tia laser. Các phép đo khớp với công thức kinh điển cho một thanh dầm dao động, với độ cứng (mô đun Young) 60 gigapascal. Ống thạch nhũ trong hang, mà không ai với tới để đo, ngân ở 1,2 hertz và ở 13 nốt cao hơn lên tới 650 hertz: các nốt này cho biết chiều dài của nó, 1,78 mét. Các ống thạch nhũ hầu như không tự dập tắt dao động của mình: một khi đã bị làm cho ngân lên, chúng cứ thế ngân mãi.

Các thử nghiệm uốn trên 25 mẫu cho ra ứng suất mà tại đó một ống bị gãy: từ 2,5 đến 16,2 megapascal. Nhóm nghiên cứu chọn một giới hạn thận trọng là 1,25 megapascal, bằng một nửa giá trị yếu nhất.

Những vụ nổ thử

Tiếp theo là những vụ nổ thử nhỏ, tối đa 0,2 kilôgam, được ghi lại bởi các cảm biến gắn trên vách hang. Cách cảm biến trong hang khoảng 55 mét, một phát nổ 0,2 kilôgam làm đá rung với vận tốc khoảng 1 milimét mỗi giây trong một phần mười giây. Dao động của nó trải từ 10 đến 500 hertz, với đỉnh quanh 175 hertz.

Sau đó, một mô hình máy tính của các ống thạch nhũ dài từ 2,5 centimét đến 3 mét đã phát lại chuyển động rung được ghi lại. Kết quả đi ngược trực giác. Ứng suất lớn nhất rơi vào những ống dài khoảng 15 centimét, có nốt cơ bản nằm đúng ở 175 hertz: chúng cộng hưởng với vụ nổ. Những ống dài từ 10 centimét đến 1 mét chịu tác động nhiều nhất; những ống dài hơn, dù nặng hơn, lại chịu ít hơn. Cộng hưởng có thể nhân tải trọng lên tới năm lần.

Nổ mìn trong xây dựng kích nổ nhiều khối thuốc cách nhau vài chục mili giây, để các sóng không cộng dồn lại. Trong mô hình, mười khối thuốc cách nhau 20 đến 30 mili giây hầu như không làm tăng độ rung cực đại, từ khoảng 1 lên 1,3 milimét mỗi giây, nhưng lại nhân ứng suất lên 3,5 lần: chuỗi sóng giàu tần số cao hơn, đúng những tần số mà các ống ngắn bắt được.

Một giới hạn tốc độ cho đá

Tăng dần độ rung cho đến khi ứng suất chạm giới hạn thận trọng đã cho ra một ngưỡng: 2,4 milimét mỗi giây tại vách hang đối với nổ mìn vi sai, 8,6 đối với một phát nổ đơn. Một định luật được khớp theo cách dao động suy giảm theo khoảng cách sau đó chuyển ngưỡng này thành lượng thuốc nổ tối đa được phép ở mỗi khoảng cách. Các vụ nổ đào đá được thực hiện trong giới hạn đó, và không ống thạch nhũ nào bị hư hại.

Trường hợp động đất

Nhóm cũng mô phỏng một trận động đất khu vực, dùng trận động đất Barcelonnette năm 2014, độ lớn 5,2, được ghi lại cách tâm chấn khoảng 10 kilômét, để thay thế cho trận động đất tham chiếu tại địa phương năm 1962, vốn chưa bao giờ được ghi lại. Ở sâu dưới lòng đất, độ rung được dự kiến giảm xuống còn khoảng một phần mười giá trị trên mặt đất. Một trận động đất rung chậm, dưới khoảng 10 hertz, nên lần này chính những ống dài 1 đến 2 mét mới cộng hưởng. Ứng suất vẫn dưới giới hạn: một sự kiện như vậy có lẽ sẽ không làm chúng gãy.

Bài học vượt ra ngoài Choranche. Những phương pháp đánh giá rủi ro của một nhũ đá chỉ dựa trên gia tốc cực đại, bỏ qua cộng hưởng, có thể đánh giá thấp nguy cơ một cách nghiêm trọng — một sai lệch đối với các nghiên cứu suy ra những trận động đất trong quá khứ từ các khối thạch nhũ bị gãy hay còn nguyên vẹn. Nghiên cứu, được công bố năm 2020 trên Journal of Seismology và nay được đăng trên arXiv, chỉ xét những ống thạch nhũ có dạng ống hoàn hảo; những nhũ đá dày hơn, các cột đá và các rèm đá đều sẽ cần mô hình riêng.