Cánh cổng động đất tại Cajon Pass và mức ứng suất trên hệ thống đứt gãy San Andreas

Khu vực Nam California từ lâu đã được biết đến là một trong những vùng địa chấn hoạt động mạnh nhất và được theo dõi chặt chẽ nhất trên thế giới. Sự chuyển động liên tục của các mảng vỏ Trái Đất tạo ra sự kẹt dính tại các vết nứt, làm tích tụ cơ năng qua hàng thế kỷ cho đến khi bùng phát thành những trận động đất. [1]

Ở phía đông bắc Los Angeles, hai hệ thống đứt gãy chính của khu vực là San Andreas và San Jacinto tiến lại gần nhau tại một điểm giao nhau địa chất phức tạp gọi là Cajon Pass. Nơi đây đóng vai trò như một nút thắt quan trọng quyết định liệu một trận đứt gãy khi xuất hiện có thể dừng lại hay sẽ tiếp tục lan rộng qua cả hai hệ thống. [1]

Một nghiên cứu mô phỏng vật lý kéo dài 1.000 năm do nhóm khoa học quốc tế dẫn đầu đã hé lộ rằng mức ứng suất tích tụ tại nút giao Cajon Pass hiện đã lên tới mức cực hạn. Phát hiện này mang lại góc nhìn mới về nguy cơ xảy ra các trận động đất liên kết có quy mô ảnh hưởng sâu rộng. [1]

Nút giao Cajon Pass và cơ chế cánh cổng động đất

Địa danh Cajon Pass không chỉ đơn thuần là một vùng đèo địa hình mà còn mang ý nghĩa cốt lõi trong địa chất học Nam California. Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học luôn tìm cách xác định xem một điểm giao cắt đứt gãy sẽ hoạt động như một bức tường chặn đà lan truyền hay lại trở thành cầu nối cho năng lượng địa chấn bùng phát sang đứt gãy bên cạnh. [1]

Thuật ngữ 'cánh cổng động đất' được sử dụng để mô tả tính chất động của Cajon Pass. Nút giao này không duy trì một trạng thái cố định mà phản ứng phụ thuộc hoàn toàn vào mức độ ứng suất cơ học tích tụ trên các đoạn đứt gãy xung quanh tại thời điểm xảy ra sự cố. [1]

Lịch sử địa chấn của vùng đã chứng minh hai kịch bản trái ngược từng xảy ra tại chính cánh cổng này. Trận động đất Fort Tejon năm 1857 với cường độ 7,9 độ Richter có vết đứt gãy dừng lại ngay tại Cajon Pass mà không xâm nhập sâu vào đứt gãy San Jacinto. Trái lại, trận động đất Wrightwood năm 1812 đã vượt qua nút giao này, làm đứt gãy cả hai hệ thống San Andreas và San Jacinto trong cùng một sự kiện duy nhất. [1]

Mô hình 4D tái hiện 1.000 năm lịch sử địa chấn

Để đánh giá trạng thái ứng suất hiện tại một cách chính xác, nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Liliane Burkhard tại Đại học Bern dẫn đầu, hợp tác cùng Đại học Hawaiʻi ở Mānoa, Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) và Viện Hải dương học Scripps, đã phát triển một mô hình chu kỳ động đất bốn chiều dựa trên các quy luật vật lý. [1]

Mô hình này không chỉ mô phỏng sự tương tác trong không gian ba chiều của các mảng vỏ Trái Đất mà còn theo dõi sự biến đổi kéo dài theo chiều thời gian. Nhóm nghiên cứu đã tích hợp dữ liệu lịch sử động đất trong 1.000 năm qua, bao gồm phương pháp định tuổi bằng đồng vị carbon, vết biến dạng bất thường trên các vòng tăng trưởng của cây gỗ và ghi chép về các vết nứt mặt đất. [1]

Thông qua việc mô phỏng cách mỗi trận động đất làm thay đổi ứng suất sang các đoạn lân cận, cách ứng suất tái tích tụ trong khoảng thời gian yên tĩnh và sự thư giãn chậm của các lớp vỏ sâu, mô hình cho phép ước tính chi tiết mức độ chịu tải của hệ thống ở thời điểm hiện tại. [1]

Mức ứng suất đạt đỉnh trong lịch sử mô phỏng

Kết quả phân tích từ mô hình cho thấy lực căng địa chất tại một số khu vực thuộc Nam California đã đạt và vượt mức cao nhất từng được ghi nhận trong suốt 1.000 năm mô phỏng. Đây là một dấu hiệu cho thấy năng lượng cơ học dồn nén tại khu vực đã tiến sát các giới hạn vật lý. [1]

Cụ thể, mô hình xác định mức ứng suất trên đoạn San Jacinto-Bernardino đang ở mức 3,6 MPa (megapascal - đơn vị đo áp suất và ứng suất cơ học). Đây là con số cao hơn bất kỳ giá trị nào từng xuất hiện trên đoạn này trong toàn bộ chu kỳ 1.000 năm của mô hình. [1]

Cùng lúc đó, đoạn Mojave South thuộc hệ thống San Andreas ở ngay kế bên cũng ghi nhận mức ứng suất đạt 2,8 MPa. Việc cả hai đoạn đứt gãy song song cùng gánh chịu mức ứng suất cực hạn đồng thời là trạng thái đặc biệt đáng chú ý. [1]

Khi cả hai hệ thống đều ở trạng thái căng thẳng cao độ, điều kiện trở nên thuận lợi hơn cho một vết đứt gãy vượt qua Cajon Pass. Trạng thái ứng suất tương đồng này tương tự với các giai đoạn tiền đề đã dẫn đến những trận động đất đứt gãy đôi trong quá khứ. [1]

Tác động đối với hạ tầng và khu vực đông dân cư

Kể từ trận động đất lớn năm 1857, khu vực đại đô thị Los Angeles chưa trải qua một trận động đất tương đương nào trên hệ thống San Andreas. Thời kỳ yên tĩnh địa chấn kéo dài này đồng nghĩa với việc năng lượng địa chất liên tục được tích tụ mà chưa có dịp giải phóng. [1]

Nếu một trận đứt gãy kép xảy ra và vượt qua Cajon Pass, phạm vi ảnh hưởng sẽ không chỉ giới hạn ở một khu vực hẹp mà lan rộng ra nhiều trung tâm dân cư lớn như Los Angeles, San Bernardino, Riverside và Thung lũng Coachella. [1]

Ngoài yếu tố dân số, Cajon Pass còn là một hành lang hạ tầng chiến lược của bang California. Nhiều tuyến đường cao tốc huyết mạch, hệ thống đường sắt vận tải và các tuyến đường ống năng lượng đều chạy qua đèo này. Một sự cố đứt gãy bề mặt tại đây có thể gây gián đoạn nghiêm trọng cho toàn bộ mạng lưới logistics và ứng phó khẩn cấp. [1]

Ý nghĩa đối với công tác chuẩn bị và đánh giá hiểm họa

Mặc dù kết quả mô hình chỉ ra mức ứng suất đang ở ngưỡng kỷ lục, các nhà nghiên cứu khẳng định đây không phải là một dự báo về ngày giờ cụ thể xảy ra động đất. Khoa học hiện đại chưa thể đưa ra mốc thời gian chính xác cho các sự kiện địa chấn. [1]

Giá trị cốt lõi của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một mô hình vật lý minh bạch về các kịch bản có thể xảy ra. Nhờ hiểu rõ trạng thái căng thẳng của cánh cổng Cajon Pass, các cơ quan quản lý có thể đưa ra các phương án quy chuẩn xây dựng hạ tầng, cải thiện kế hoạch cứu hộ và nâng cao khả năng chống chịu của cộng đồng. [1]

Khung mô phỏng này không chỉ áp dụng cho Nam California mà còn có thể mở rộng sang các vùng đứt gãy phức tạp khác trên thế giới, giúp giới địa chất hiểu rõ hơn về cách các trận động đất lớn tương tác và lan truyền qua các ranh giới mảng vỏ Trái Đất. [1]