Silent Earthquake
A. In early November 2000 the Big Island of Hawaii experienced its largest earthquake in more than a decade. Some 2,000 cubic kilometers of the southern slope of Kilauea volcano lurched toward the ocean, releasing the energy of a magnitude 5.7 shock. Part of that motion took place under an area where thousands of people stop every day to catch a glimpse of one of the island’s most spectacular lava flows. Yet when the earthquake struck, no one noticed not even seismologists.
Vào đầu tháng 11 năm 2000, Đảo Lớn của Hawaii đã trải qua trận động đất lớn nhất trong hơn một thập kỷ. Khoảng 2.000 kilômét khối của sườn phía nam núi lửa Kilauea đã chao về phía đại dương, giải phóng năng lượng tương đương một cú chấn có độ lớn 5,7. Một phần chuyển động đó xảy ra ngay dưới khu vực nơi mỗi ngày có hàng nghìn người dừng chân để ngắm một trong những dòng dung nham ngoạn mục nhất của hòn đảo. Thế nhưng khi trận động đất xảy ra, không ai nhận ra—ngay cả các nhà địa chấn học.
B. How could such a notable event be overlooked? As it turns out, quaking is not an intrinsic part of all earthquakes. The event on Kilauea was one of the first unambiguous records of a so-called silent earthquake, a type of massive earth movement unknown to science until just a few years ago. Indeed, I would never have discovered this quake if my colleagues at the U.S. Geological Survey’s Hawaiian Volcano Observatory had not already been using a network of sensitive instruments to monitor the volcano’s activity. When I finally noticed that Kilauea’s south flank had shifted 10 centimeters along an underground fault, I also saw that this movement had taken nearly 36 hours— a turtle’s pace for an earthquake. In a typical tremor, opposite sides of the fault rocket past each other in a matter of seconds—quickly enough to create the seismic waves that cause the ground to rumble and shake.
Làm sao một sự kiện đáng chú ý như vậy lại có thể bị bỏ qua? Hoá ra, rung lắc không phải là phần vốn có của mọi trận động đất. Sự kiện ở Kilauea là một trong những ghi nhận rõ ràng đầu tiên về cái gọi là “động đất im lặng”, một dạng chuyển động khối đất khổng lồ vốn chưa được khoa học biết đến cho tới vài năm gần đây. Thực ra, tôi đã chẳng thể phát hiện ra trận động đất này nếu các đồng nghiệp ở Đài Quan sát Núi lửa Hawaii thuộc Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ không sẵn có một mạng lưới thiết bị nhạy để giám sát hoạt động của núi lửa. Khi tôi cuối cùng nhận thấy sườn nam của Kilauea đã dịch chuyển 10 centimét dọc theo một đứt gãy ngầm, tôi cũng thấy rằng chuyển động ấy đã kéo dài gần 36 giờ—một tốc độ rùa đối với một trận động đất. Trong một chấn động điển hình, hai phía đứt gãy lao vụt qua nhau chỉ trong vài giây—đủ nhanh để tạo ra các sóng địa chấn khiến mặt đất rung ầm ầm và lắc lư.
C. But just because an earthquake happens slowly and quietly does not make it insignificant. My co-investigators and I realized immediately that Kilauea’s silent earthquake could be a harbinger of disaster. If that same large body of rock and debris were to gain momentum and take the form of a gigantic landslide—separating itself from the rest of the volcano and sliding rapidly into the sea—the consequences would be devastating. The collapsing material would push seawater into towering tsunami waves that could threaten coastal cities along the entire Pacific Rim. Such catastrophic flank failure, as geologists call it, is a potential threat around many island volcanoes worldwide.
Nhưng một trận động đất xảy ra chậm rãi và lặng lẽ không có nghĩa là nó không quan trọng. Tôi và các cộng sự ngay lập tức nhận ra rằng động đất im lặng ở Kilauea có thể là điềm báo thảm hoạ. Nếu cùng một khối đá và vụn vỡ lớn đó tích đủ đà và biến thành một trận lở khổng lồ—tách khỏi phần còn lại của núi lửa và trượt nhanh xuống biển—hậu quả sẽ thật tàn khốc. Khối sụp đổ ấy sẽ đẩy nước biển thành những đợt sóng thần khổng lồ đe dọa các thành phố ven bờ khắp vành đai Thái Bình Dương. Hiện tượng sụp sườn thảm hoạ, như các nhà địa chất gọi, là một mối đe doạ tiềm tàng quanh nhiều núi lửa đảo trên toàn thế giới.
D. Fortunately, the discovery of silent earthquakes is revealing more good news than bad. The chances of catastrophic flank failure are slim, and the instruments that record silent earthquakes might make early warnings possible. New evidence for conditions that might trigger silent slip suggests bold strategies for preventing flank collapse. Occurrences of silent earthquakes are also being reported in areas where flank failure is not an issue. There silent earthquakes are inspiring ways to improve forecasts of their ground-shaking counterparts.
May mắn thay, việc phát hiện động đất im lặng mang lại nhiều tin tốt hơn tin xấu. Khả năng sụp sườn thảm hoạ là nhỏ, và những thiết bị ghi nhận động đất im lặng có thể giúp đưa ra cảnh báo sớm. Các bằng chứng mới về điều kiện có thể kích hoạt trượt im lặng gợi ý các chiến lược táo bạo để ngăn sườn bị sụp. Hiện tượng động đất im lặng cũng được báo cáo ở những nơi mà sụp sườn không phải là vấn đề. Ở đó, động đất im lặng đang truyền cảm hứng cho cách cải thiện dự báo các “đối ứng” gây rung mặt đất của chúng.
E. The discovery of silent earthquakes and their link to catastrophic flank collapse was a by-product of efforts to study other potential natural hazards. Destructive earthquakes and volcanoes are a concern in Japan and the U.S. Pacific Northwest, where tectonic plates constantly plunge deep into the earth along what are called subduction zones. Beginning in the early 1990s, geologists began deploying large networks of continuously recording Global Positioning System (GPS) receivers in these regions and along the slopes of active volcanoes, such as Kilauea. By receiving signals from a constellation of more than 30 navigational satellites, these instruments can measure their own positions on the planet’s surface at any given time to within a few millimeters.
Việc phát hiện động đất im lặng và mối liên hệ của chúng với sụp sườn thảm hoạ là sản phẩm phụ của nỗ lực nghiên cứu các hiểm hoạ tự nhiên khác. Động đất và núi lửa tàn phá là mối quan tâm ở Nhật Bản và vùng Tây Bắc Thái Bình Dương của Mỹ, nơi các mảng kiến tạo liên tục lao sâu vào lòng đất dọc theo các đới hút chìm. Bắt đầu từ đầu thập niên 1990, các nhà địa chất bắt đầu triển khai những mạng lưới lớn gồm các máy thu Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) ghi liên tục ở những khu vực này và dọc sườn các núi lửa đang hoạt động, như Kilauea. Bằng cách nhận tín hiệu từ một “chòm” hơn 30 vệ tinh dẫn đường, các thiết bị này có thể đo vị trí của chính chúng trên bề mặt hành tinh tại bất kỳ thời điểm nào với độ chính xác đến vài milimét.
F. The scientists who deployed these GPS receivers expected to see both the slow, relentless motion of the planet’s shell of tectonic plates and the relatively quick movements that earthquakes and volcanoes trigger. It came as some surprise when these instruments detected small ground movements that were not associated with any known earthquake or eruption. When researchers plotted the ground movements on a map, the pattern that resulted very much resembled one characteristic of fault movement. In other words, all the GPS stations on one side of a given fault moved several centimeters in the same general direction. This pattern would have been no surprise if it had taken a year or longer to form. In that case, scientists would have known that a slow and steady process called fault creep was responsible. But at rates of up to centimeters a day, the mystery events were hundreds of times as fast as that. Beyond their relative speediness, these silent earthquakes shared another attribute with their noisy counterparts that distinguished them from fault creep: they are not steady processes but instead are discrete events that begin and end suddenly.
Những nhà khoa học triển khai các máy GPS này kỳ vọng sẽ quan sát được cả chuyển động chậm không ngừng của “vỏ” mảng kiến tạo của hành tinh lẫn những chuyển động tương đối nhanh do động đất và núi lửa kích hoạt. Thật bất ngờ khi các thiết bị này phát hiện những chuyển động đất nhỏ không liên quan tới bất kỳ trận động đất hay đợt phun trào nào đã biết. Khi các nhà nghiên cứu vẽ các chuyển động lên bản đồ, mô hình thu được rất giống đặc trưng dịch chuyển theo đứt gãy: nói cách khác, tất cả các trạm GPS ở một phía của đứt gãy nhất định đã dịch chuyển vài centimét theo cùng một hướng chung. Mô hình này sẽ chẳng có gì lạ nếu phải mất một năm hoặc lâu hơn để hình thành—khi đó người ta biết thủ phạm là fault creep, quá trình trượt chậm và đều. Nhưng với tốc độ lên đến hàng centimét mỗi ngày, các sự kiện bí ẩn này nhanh hơn hàng trăm lần. Ngoài sự “nhanh tương đối” ấy, các động đất im lặng còn có một đặc điểm giống với các “anh em ồn ào” và khác với fault creep: chúng không phải quá trình đều đặn mà là các sự kiện rời rạc bắt đầu rồi kết thúc đột ngột.
G. That sudden beginning, when it takes place on the slopes of a volcanic island, creates concern about a possible catastrophic flank event. Most typical earthquakes happen along faults that have built-in brakes: motion stops once the stress is relieved between the two chunks of earth that are trying to move past each other. But activity may not stop if gravity becomes the primary driver. In the worst-case scenario, the section of the volcano lying above the fault becomes so unstable that once slip starts, gravity pulls the entire mountainside downhill until it disintegrates into a pile of debris on the ocean floor.
Sự khởi phát đột ngột đó, khi xảy ra trên sườn một đảo núi lửa, làm dấy lên lo ngại về một sự kiện sụp sườn thảm hoạ. Phần lớn động đất điển hình xảy ra trên những đứt gãy có “phanh” tự nhiên: chuyển động ngừng lại khi ứng suất giữa hai khối đất đá trượt qua nhau được giải toả. Nhưng hoạt động có thể không dừng nếu trọng lực trở thành tác nhân chính. Trong kịch bản xấu nhất, phần núi lửa nằm phía trên đứt gãy trở nên mất ổn định đến mức khi trượt bắt đầu, trọng lực kéo cả sườn núi lao xuống cho tới khi vỡ vụn thành một đống vụn vỡ trên đáy đại dương.
H. The slopes of volcanoes such as Kilauea become steep and vulnerable to this kind of collapse when the lava from repeated eruptions builds them up more rapidly than they can erode away. Discovering the silent earthquake on Kilauea suggests that the volcano’s south flank is on the move perhaps on its way to eventual obliteration.
Các sườn núi lửa như Kilauea trở nên dốc và dễ sụp kiểu này khi dung nham từ các đợt phun trào lặp lại bồi đắp chúng nhanh hơn tốc độ xói mòn. Phát hiện động đất im lặng tại Kilauea cho thấy sườn nam của núi lửa đang dịch chuyển—có lẽ đang trên hành trình tới chỗ bị xoá sổ.
I. For now, friction along the fault is acting like an emergency brake. But gravity has won out in many other instances in the past. Scientists have long seen evidence of ancient collapses in sonar images of giant debris fields in the shallow waters surrounding volcanic islands around the world, including Majorca in the Mediterranean Sea and the Canary Islands in the Atlantic Ocean. In the Hawaiian Islands, geologists have found more than 25 individual collapses that have occurred over the past five million years—the blink of an eye in geologic time.
Hiện thời, ma sát dọc đứt gãy đang đóng vai “phanh khẩn cấp”. Nhưng trong quá khứ, trọng lực đã nhiều lần thắng thế. Từ lâu các nhà khoa học đã nhìn thấy bằng chứng về những vụ sụp cổ đại trong ảnh sonar chụp các bãi vụn khổng lồ ở vùng nước nông bao quanh các đảo núi lửa trên khắp thế giới, bao gồm Mallorca trên Địa Trung Hải và quần đảo Canary ở Đại Tây Dương. Ở quần đảo Hawaii, các nhà địa chất đã tìm thấy hơn 25 vụ sụp riêng rẽ xảy ra trong vòng năm triệu năm qua—một cái chớp mắt nếu xét theo thời gian địa chất.
J. In a typical slide, the volume of material that enters the ocean is hundreds of times as great as the section of Mount St. Helens that blew apart during the 1980 eruption—more than enough to have triggered immense tsunamis. On the Hawaiian island of Lanai, for instance, geologists discovered evidence of wave action, including abundant marine shell fragments, at elevations of 325 meters. Gary M. McMurtry of the University of Hawaii at Manoa and his colleagues conclude that the most likely way the shells could have reached such a lofty location was within the waves of a tsunami that attained the astonishing height of 300 meters along some Hawaiian coastlines. Most of the tallest waves recorded in modern times were no more than one tenth that size.
Trong một trận trượt điển hình, thể tích vật chất đổ vào biển lớn gấp hàng trăm lần phần núi St. Helens bị thổi bay trong vụ phun trào năm 1980—đủ để gây ra những sóng thần khổng lồ. Ở đảo Lanai thuộc Hawaii, chẳng hạn, các nhà địa chất phát hiện bằng chứng tác động sóng, bao gồm nhiều mảnh vỏ sò biển, ở cao độ 325 mét. Gary M. McMurtry thuộc Đại học Hawaii tại Manoa và các đồng nghiệp kết luận: cách hợp lý nhất để những vỏ sò ấy lên được cao như vậy là chúng nằm trong những con sóng của một trận sóng thần đã đạt độ cao đáng kinh ngạc—300 mét—dọc một số bờ biển Hawaii. Phần lớn những con sóng cao nhất được ghi nhận trong thời hiện đại chỉ bằng một phần mười kích cỡ đó.