Tìm hiểu nguyên lý lan truyền sóng thần và xây dựng một số kịch bản mô phỏng lan truyền sóng thần đến bờ biển và hải đảo Việt Nam

Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Tính cấp thiết đề tài: Nước ta với 3000km bờ biển kéo dài từ bắc đến nam, 20 tỉnh, thành phố gần 3000 hải đảo có nguy chịu ảnh hưởng trực tiếp sóng thần Hàng triệu người nhiều công trình kinh tế an sinh xã hội bị ảnh hưởng xảy sóng thần Biển Đông Vì việc nghiên cứu động đất gây sóng thần lan truyền sóng thần cần thiết nhằm phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại có thảm họa xảy Mục tiêu đề tài: Tìm hiểu nguyên lý lan truyền sóng thần xây dựng số kịch mô lan truyền sóng thần đến bờ biển hải đảo Việt Nam phục vụ dánh giá thiệt hại, phòng tránh, giảm nhẹ thiên tai quy hoạch xây dựng kinh xã hội Để đạt mục tiêu đề trên, nhiệm vụ đề tài tập trung giải vấn đề sau: - Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vùng nguồn phát sinh sóng thần - Nghiên cứu nguyên lý lan truyền sóng thần - Mô tính toán thử nghiệm cho số kịch sóng thần lan truyền đến bờ biển hải đảo Việt Nam Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm 65 trang đánh máy vi tính với 40 hình biểu bảng Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục tài liệu tham khảo luận văn gồm chương chính: Chương Tổng quan nghiên cứu sóng thần Việt Nam Chương Cơ sở lý thuyết phương pháp luận xây dựng mô hình mô lan truyền sóng thần Chương Các kịch áp dụng mô tính toán lan truyền sóng thần đến bờ biển hải đảo việt nam Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU SÓNG THẦN Ở VIỆT NAM 1.1 Sơ lƣợc nghiên cứu sóng thần Việt Nam Trước xảy thảm hoạ sóng thần ngày 26-12-2004 gây động đất Mw=9,0 Sumatra, nghiên cứu sóng thần nước ta chưa ý nhiều Lần việc khảo sát, đánh giá sóng thần tiến hành cho vùng bờ biển Nghệ An-Hà Tĩnh phục vụ việc xây dựng khu gang thép Thạch Khê (Nguyễn Đình Xuyên cộng sự, 1984) Nghiên cứu đưa kết luận sau: 1/ Ở vùng bờ biển có khả xảy sóng thần cao tới 3m nguyên nhân động đất mà nguồn gốc khí tượng, … 2/ Động đất có khả phát sinh đứt gãy vùng thềm lục địa gây sóng thần cao không 2m vùng bờ biển Tuy nhiên nhà nghiên cứu chưa ý đến nguồn sóng thần vùng Biển Đông Muộn hơn, vào năm 90, vấn đề sóng thần số nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Gần đây, sau thảm hoạ sóng thần Sumatra, vấn đề sóng thần đặc biệt ý Về quan điểm địa chấn khu vực Đông Nam Á bị bao bọc vành đai động đất lớn hành tinh: Ở phía Đông phần cuối vành đai Thái Bình Dương, kéo dài hàng nghìn km từ Đài Loan qua quần đảo Philippin đến Đông Timo; phía Tây Nam phần cuối vành đai Địa Trung Hải-Hymalaya kéo dài hàng nghìn km từ vịnh Bengal đến Đông Timo, ôm lấy quần đảo Indonesia Tuy khu vực Đông Nam Á quanh vành đai Thái Bình Dương xảy nhiều động đất gây sóng thần lớn song nhờ che chắn cung đảo bao quanh nên sóng thần không gây ảnh hưởng tới bờ biển hải đảo Việt Nam Các nhà địa chấn Việt Nam giới khẳng định nguy sóng thần tác động đến bờ biển hải đảo Việt Nam chủ yếu từ đới hút chìm Manila (Philippin) động đất mạnh xảy phạm vị Biển Đông Việt Nam Trên sở kết nghiên cứu sóng thần Việt Nam cho thấy: - Đới hút chìm Manila nơi có nguy xuất động đất mạnh gây sóng thần tác động đến bờ biển tiếp giáp với Biển Đông Việt Nam bờ biển Nam Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 Trung Quốc, bờ biển Đông Việt Nam, Brunay Malaysia Mức độ ảnh hưởng sóng thần có nguồn Manila đến điểm đường bờ nước khác nhau, phụ thuộc vào độ mạnh động đất gây sóng thần khoảng cách từ chấn tâm tới đường bờ quan sát sóng thần Đới hút chìm tây Philippin (đới Manila) có chiều dài 1000 km, gây động đất có độ lớn 8,85 độ Richter (theo công thức Well & Copersmith, 1994) Đây nguồn xa có nguy xuất động đất gây sóng thần ảnh hưởng đến hải đảo bờ biển Việt Nam 1.2 Nghiên cứu cổ sóng thần Tài liệu lịch sử Theo Đại Nam Thực lục biên trận động đất năm 1877 ghi nhận sau: tháng năm 1877, Bình Thuận, “Động đất, từ đến tháng 12 tất lần, lần đầu nước sông lên, nhà ngói rung động, hai lần sau nhẹ hơn” Trận động đất nhà địa chấn Viện Vật lý Địa cầu đánh giá có 5,1 độ Richter, theo số liệu NOAA có Ml =7,0 độ Richter, gây sóng to Liệu có phải động đất gây nên sóng thần địa phương hay không? Tài liệu điều tra nhân dân Kết điều tra sóng thần nhân dân dọc ven biển Việt Nam (Nguyễn Đình Xuyên nnk…, 2005; lưu VLĐC) cho thấy sóng bão, thuỷ triều, nước dâng, phát số tượng sóng lớn? mà tác giả gọi sóng thần có nguồn gốc khác: - “Năm 1978 sóng thần thực xuất vùng bờ biển Trà Cổ, Móng Cái Sóng cao 3-5 m tràn vào bờ nhiều đợt, làm nứt tường nhà, đổ hàng phi lao ven bờ” -“Theo ghi chép TS Armand Krempt năm 1923 sóng thần phá hỏng chuồng ngựa bác sĩ Alexandre Yersin Vị trí chuồng ngựa cách bờ biển 5-6m Sự cố liên quan với phun trào núi lửa đào Hòn Tro Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 -“Theo lời kể người cao tuổi, vào cuối kỷ 19 đầu kỷ 20, tượng sóng thần xảy Diễn Châu (Nghệ An) Sóng cao sóng bão xảy năm 1984” (5-10 m) Sự thật xảy sóng thần Diễn Châu vào khoảng năm 18601865?, vào ngày 18 tháng âm lịch Người ta tìm nhiều người chết sau trận sóng, nhờ bún tóc vào tre nên không bị Ngày 18 tháng âm lịch hàng năm ngày giỗ chung nhiều xã vùng ven biển Diễn Châu Liệu sóng thần đổ vào bờ biển Việt Nam hay chưa? câu hỏi cần làm sáng tỏ Trên sở việc phát số điểm có thành tạo địa chất biểu nguyên nhân gây nên sóng thần, tượng sóng lớn điều tra nhân dân, cộng thêm bậc thềm thành tạo ven biển Diễn Châu danh mục sóng thần khu vực Biển Đông tây Philippine chứng tỏ có khả sóng thần công vào bờ biển Việt nam Cơ sở cho nhận định là: - Các sóng thần ghi nhận khu vực Biển Đông Việt Nam tây Philippine 62 lần - Đới hút chìm Manila nơi có nguy xuất động đất mạnh gây sóng thần tác động đến bờ biển tiếp giáp với Biển Đông Việt Nam CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP LUẬN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN SÓNG THẦN 2.1 Kích hoạt sóng thần nguồn động đất, phƣơng pháp mô hình Mô hình đơn giản nguồn động đất xem cặp điểm ngẫu lực Là tổ hợp hai cặp lực kép Mij, cặp gồm hai lực có độ lớn (magnitude) f tách biệt khoảng cách d dọc theo trục J, chúng chuyển động theo phương đối lập  i Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 Thông thường, nội lực (body forces) tương đương cho nguồn động đất có hình dạng khác biểu diễn moment tensor địa chấn M, tạo lập cặp ngẫu lực thành phần (Hình 2.1)  M xx  M   M yx M  zx M xy M yy M zy M xz   M yz  M zz  Moment tensor động đất miêu tả hình thái hình học moment địa chấn vô hướng đơn vị độ lớn Trên sở moment địa chấn Kanamori (1997) xác định thang độ lớn động đất (magnitude scale) gọi moment magnitude, ký hiệu M tính công thức: log M0= 1,5M+9,1 (2.2) Trong M0 tính N m Sự kích hoạt sóng địa chấn cặp ngẫu lực biểu diễn hình 2.1 Hình 2.1 Chín cặp ngẫu lực thành phần moment tensor địa chấn Mỗi thành phần có hai lực ngược chiều tách khoảng cách d (đường đậm nét) Hàm lan toả tia  (hs ,  ,  ,  ) (Ben- Menhaem & Harkrider, 1964) có dạng: Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011  (hs ,  ,  ,  )  d  id1 sin   d cos    d sin 2  d cos 2 (2.3) Trong đó: d  Bhs sin  sin 2 ; d1  C hs sin  sin 2 ; d  C hs cos  cos  ; d  Ahs cos  sin  ; d   Ahs sin  sin 2 hs độ sâu nguồn;  góc tới, góc phương dịch trượt đứt gãy đường thẳng nối chấn tâm với điểm quan sát tính theo chiều ngược kim đồng hồ;  góc cắm (dip angle);  góc phương phát triển đứt gãy phương dịch chuyển cách treo đứt gãy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (rake angle); Hàm A, B C xác định công thức: Ahs   ikuhs    h     Bhs   ikuhs   s   2  hs    z  C hs   u z hs   hs        iku h  hs   hs    (2.4)  ik hs  Biểu thức yếu tố ảnh hưởng bề mặt đáy biển, ta có:   W(X ,0,  )  w(0,  X vI1 X  J1  W(X1 ,0,  )  w(0,  X vI1 X  J   (2.18) Nếu bỏ qua thay đổi khoảng thời gian tới khoảng không lan truyền, công thức (2.18) trở thành: H W(X ,0,  ) =4 H2 W(X1 ,0,  ) (2.22) Biểu thức dạng đơn giản yếu tố biến động địa hình hiểu định lý Green 2.2 Phƣơng pháp hàm Green Sự xáo động (disturbance) đáy biển tạo nên cột nước lan truyền theo tất phương Trong trường hợp mô hình khối chất lỏng đồng vô hạn khắp nửa không gian đàn hồi, xuất phát từ biểu thức hàm Green tương ứng Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 với điểm lực theo phương thẳng đứng mặt tự trường hợp dịch chuyển đáy biển theo phương thẳng đứng điểm lực nằm ngang nửa không gian Mô hình nguồn đơn giản (nguồn điểm) sau mở rộng mô hình nguồn có dạng hình hộp chữ nhật (phù hợp với cấu chấn tiêu) với nửa không gian giới hạn đường biên đường bờ (Yanovskaya, 1999- 2000; Yanovskaya, 2003; Pinat, 2001) Chúng áp dụng mô hình tính toán lan truyền sóng thần Biển Đông Việt Nam Bắt đầu từ phương trình giao động chất lỏng không nén giới hạn mặt S  hình 2.9:  2u x, t  px, t   f  F x, t  t (2.23) px, t  u(x,t) áp suất trường dịch chuyển, f mật độ chất lỏng, F(x,t) trường ngoại lực Nếu trường hàm điều hoà, với tần số , công thức rút gọn thành: px   f 2ux   F x  (2.24) Ở đây, phụ thuộc vào thời gian bỏ qua Nếu lực F(x) điểm lực phát triển theo phương trục q thu công thức hàm Green u q x, x0  :   p u q  f 2u  eq x  x0  (2.25) eq véc tơ đơn vị phương q Từ công thức ta xác định hàn Green tính toán trường dịch chuyển thẳng đứng bề mặt nước sau: Wr,0   i  K1 2k sin kH  h2  _  2 4 H  g sinh kH 0 h  r '2  h  r'  k r e    ik r_ e r ' dr ' d (2.55) 3/    _ Trong , r, r r’ thông số nguồn Ta xây dựng hàm tổng hợp dao động thuỷ triều nguồn dịch trượt thẳng đứng trượt - thẳng đứng theo phương pháp hàm Green sau: Luận văn thạc sĩ khoa học W  X ,   Mai Xuân Bách, 2011 e  i e ikr e it  0,   R 1 h, ,   8 kr cuI (2.70) Trong (h,,) hai đại lượng: ss ds CHƢƠNG CÁC KỊCH BẢN ÁP DỤNG MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN SÓNG THẦN ĐẾN BỜ BIỂN VÀ HẢI ĐẢO VIỆT NAM 3.1 Xây dựng kịch lan truyền sóng thần Hình 3.1: Sơ đồ vị trí nguồn gây sóng thần (dấu sao) vị trí xác định ảnh hưởng sóng thần kịch Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 Bảng 3.1 Vị trí vùng nguồn Nguồn N phát sinh Vĩ độ Kinh độ No M (magnitude) Đới hút chìm Manila 15° 43' 35" 119° 16' 39" 8,0 ; 8,5 ; 8,85 Đứt gãy bắc Hoàng Sa 15° 00' 19" 19° 00' 30" 7,5 ; 8,0 Đứt gãy Kinh tuyến 110 7° 57' 03" 109° 00' 21" 7,0 ; 7,5 Đứt gãy Thuận Hải- Minh Hải 10° 44' 00" 108° 24' 23" 7,0 ; 7,5 Đứt gãy Cảnh Dương- Phú Quý 10° 05' 19" 109° 00' 00" 7,0 ; 7,5 Đứt gãy Palawan 7,5 ; 8,0 7° 30' 00" 116° 01' 00" Hình 3.2 Kết tính toán thời gian lan truyền sóng thần theo kịch động đất Bắc Philippine (Bắc đới Manila), magnitude 8,8 có toạ độ chấn tâm 20oN, 120oE (theo Pacific-wide Tsunami Drill Exercise Pacific Wave '06 to take place 16-17 May 2006) Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 Hình 3.3 Sau 100 phút tính từ xảy động đất trung tâm đới Manila sóng thần ập tới bờ biển Quảng Ngãi – Bình Định Hình 3.4 Sau 320 phút sóng thần từ Manila ập tới bờ biển Minh Hải sâu vào Vịnh Bắc Bộ 3.2 Ảnh hƣởng sóng thần đến bờ biển hải đảo Việt Nam Bước đầu áp dụng chương trình tính lan truyền sóng thần 1d 2d tính toán cho số kịch động đất gây sóng thần ảnh hưởng tới bờ biển hải đảo nước ta cho thấy: 10 Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 - Đối với trận động đất có cấp độ mạnh 7,0 dù xảy sát đường bờ biển không gây sóng thần đáng kể Các động đất có độ lớn 7,5 độ Richter trở lên xảy phạm vi Biển Đông, cách đường bờ 1000 km gây sóng thần tác động tới bờ biển Hải đảo Vịêt Nam - Nếu xảy động đất đới Manila với cấp độ mạnh 8,0 độ Richter thì: Có thể gây sóng thần cao 0,8 m tài bở biển Quảng Ngãi (khoảng chách 1120 km), sau 150 phút kể từ xảy động đất; Tới Hoàng Sa (khoảng cách 714 km) sau 75 phút với độ cao tối đa 0,9 m; Tới Trường Sa (khoảng cách 697 km) sau 75 phú với độ cao 0,9 m -Động đất cấp độ mạnh 8,5 độ Richter đới Manila có: Độ cao sóng tối đa đạt 2,5 m Quảng Ngãi sau 150 phút; Tại Hoàng Sa 2,5 m sau 75 phút; Trường Sa 2,8 m sau 75 phút - Động đất cấp độ mạnh 8,85 độ Richter đới Manila tạo nên sóng thần có độ cao số vị trí bờ biển hải đảo Việt Nam sau: Quảng Ninh, cao 3,2 m thời gian sóng tới sau động đất 240 phút (3,2 m 240 phút); Hải Phòng (3,3 m 235 phut); Nghệ An ( 3,4 m 230 phút); Quảng Bình ( 4,5 190 phút); Huế (4,5 m 170 phút); Đà Nẵng (4,2 m 160 phút); Quảng Ngãi (5,5 m 150 phút); Bình Định (5,4 m 120 phút); Khánh Hoà (4,8 m 120 phút); Bình Thuận (4,3 m 160 phút); Vũng Tàu (3,8 m 200 phút); Cà Mau (3,0 m 260 phút); QĐ Hoàng Sa (6,0 m 70 phút); QĐ Trường Sa sóng cao gần 7,0 m sau 70 phút - Động đất cấp độ mạnh 7,5 xảy đới Bắc Hoàng Sa tạo nên độ cao sóng thần tại: Đà Nẵng xấp xỉ 0,8 m (khoảng cách 785 km) sau 120 phút; Hoàng Sa gần 1,0 m sau 40 phút Nếu cấp độ mạnh 8,0 độ Richter thì: 1,5 m sau 115 phút Đà Nẵng 2,0 m Hoàng Sa - Nếu động đất mạnh 7,5 độ Richter xảy đứt gãy 1100 gây sóng thần 1,0 m Vũng Tàu (khoảng cách 342 km) Trong động đất tương tự xảy đới Thuận Hải – Minh Hải độ cao sóng thần đến Vũng Tàu (khoảng cách 42 km) 2,5 m sau 25 phút 11 Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 - Bờ biển tỉnh Bình Thuận chịu tác động độ cao sóng thần đến từ đới Phú Quý - Cảnh Dương (khoảng cách 132 km) có độ lớn 7,5 độ Richter xấp xỉ 1,5 m sau 100 phút Cũng động đất gây sóng thần cao 0,5 m Trường Sa (khoảng cách 574 km) sau 80 phút - Động đất 7,5 độ Richter xảy đới Palawan gây sóng thần cao 0,8 m Vũng Tàu (khoảng cách 1030 km) sau 190 phút Trong đó, động đất 8,0 độ Richter có độ cao 1,4 m sau 190 phút - Đảo Trường Sa chịu tác động sóng thần đến từ Palawan (khoảng cách 304 km) với độ cao 1,2 m (sau 35 phút) 1,8 (sau 35 phút) tương ứng với động đất 7,5 8,0 độ Richter - Độ sâu chấn tiêu nằm lớp rắn thư có cường độ song thần lơn trường hợp độ sâu chấn tiêu nằm lớp rắn thứ hai Cường độ sóng thần giảm tăng khoảng cách chấn tâm đề cập tới hiệu ứng địa phương (hiệu ứng thay đổi độ sâu đáy biển) Bề dày lớp nước tác động trực tiếp đến chiều cao thời gian tới sóng đến: Bề dày lớp nước tăng vận tốc sóng tăng thời gian sóng đến giảm; Ngược lại, bề dày lớp nước giảm thời gian đến sóng chậm độ cao song yếu - Nguy hiểm song thần lớn nhất, đạt độ cao 10 m vùng biển quảng Ninh Vinh lấy kịch động đất xuất Tây Hải Nam với độ lớn 7,5 độ Richter trường hợp ba lớp Kết phân tích bước đầu chứng tỏ nguy song thần nguồn xa (đới Manila) nguồn ngần gây ảnh hưởng đến bờ biển hải đảo Việt nam có khả Theo Vũ Thanh Ca với kịch động đất 9,0 đới Manila, sau động đất xảy độ cao sóng thần khu vực Huế, Đà Nẵng Khánh Hoà có độ cao ngần 7,0 m Kịch động đất 8,85 đạt độ cao tối đa Quảng Ngãi 5,5 m sau 150 phút Hai kết gần tương đồng KẾT LUẬN 12 Luận văn thạc sĩ khoa học Mai Xuân Bách, 2011 Trên sở áp dụng toán hàm Green mô lan truyền sóng thần Biển Đông Việt Nam học viên cao học rút số kết luận sau: Đối với trận động đất có cấp độ mạnh 7,0 dù xảy sát đường bờ biển không gây sóng thần đáng kể Các động đất có độ lớn 7,5 độ Richter trở lên xảy phạm vi Biển Đông, cách đường bờ 1000 km gây sóng thần tác động tới bờ biển Hải đảo Vịêt Nam Đới động đất Manila nguồn sóng thần xa có ảnh hưởng trực tiếp đến bờ biển hải đảo Việt Nam Động đất cấp độ mạnh 8,85 độ Richter tạo nên sóng thần có độ cao Quảng Ngãi 5,5 m 150 phút, giảm dần phía Cà Mau Quảng Ninh (dưới 3,0 m); QĐ Hoàng Sa 6,0 m 70 phút; QĐ Trường Sa sóng cao gần 7,0 m sau 70 phút Các đới đứt gãy sinh chấn phạm vi Biển Đông Việt Nam đới có nguy tiềm ẩn động đất gay sóng thần nguy hiểm Ở khoảng cách gần nên đới Bắc Hoàng sa, Kinh Tuyến 1100, Thuận Hải – Minh Hai, Cảnh Dương – Phú Quý, Palawan gây sóng cao đường bờ thời gian tới sóng lại ngắn Chẳng hạn: Động đất cấp độ mạnh 7,5 xảy đới Bắc Hoàng Sa tạo nên độ cao sóng thần 2,0 m Hoàng Sa; Động đất mạnh 7,5 độ Richter xảy đứt gãy Thuận Hải – Minh Hải gây độ cao sóng thần Vũng Tàu (khoảng cách 42 km) đạt 2,5 m sau 25 phút Nguy hiểm song thần lớn nhất, đạt độ cao 10 m vùng biển quảng Ninh Vinh lấy kịch động đất xuất Tây Hải Nam với độ lớn 7,5 độ Richter trường hợp ba lớp 13