Chng 13:

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO TRUNG HẠN ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

CAO ĐÌNH TRIỀU¹, PANZA G.F.², CAO ĐÌNH TRỌNG³, PHẠM NAM HƯNG¹

¹Viện Vật lý Địa cầu, Viện KH&CN Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
²Đại học Tổng hợp Trieste, Italia; ³Đại học Tổng hợp Hữu nghị các Dân tộc, Moskva

Tóm tắt: Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả trình bày một số kết quả bước đầu thử nghiệm áp dụng thuật toán CN và M8S trong dự báo trung hạn động đất ở Việt Nam. Kết quả cho thấy:

1. Từ năm 1964 đến 2002, trong phạm vi "Tây Bắc Bộ mở rộng" có 4 trận động đất với chấn cấp M ³ 5,5 (1966, 1972, 1983 và 1989) thì có 3 trận: 1972, 1983 và 1989, đã nhận dạng được với Mc = 3,0 và 3,4. Động đất với chấn cấp M = 6,2 vào ngày 3/10/2003 tại tọa độ 21°27 B và 101°51 Đ đã được dự báo trước (sử dụng thuật toán CN).

2. Một cảnh báo về nguy cơ xảy ra động đất với M ≥ 5,5 có khả năng xuất hiện từ năm 2008 được đưa ra đối với khu vực “Tây Bắc Bộ mở rộng” trên cơ sở danh mục động đất từ 1964 đến 2005 (sử dụng thuật toán CN).

3. Thuật toán M8 mở rộng (M8S) là thuật toán phù hợp cho nghiên cứu dự báo trung hạn động đất ở Việt Nam. Động đất Tuần Giáo Ms = 6,7, xảy ra vào ngày 24/6/1983 đã nhận dạng được trên cơ sở số liệu có được đến năm 1980, với thời gian cảnh báo là từ 1981 đến 1986.

4. Với số liệu cập nhật đến hết năm 2008, kết quả tính toán theo M8S cho thấy trong khoảng thời gian từ 2009 đến 2013 trên phạm vi khu vực Tây Bắc Bộ bao gồm các tỉnh Lai Châu, Điện Biên, Sơn La, Lào Cai, Yên Bái và tỉnh Vân Nam (Trung Quốc) có thể có nguy cơ xảy ra động đất với chấn cấp M > 6,5 (M6,5+).

I. MỞ ĐẦU

Nghiên cứu dự báo trung hạn động đất (tức là thời gian dự báo trong vòng 5 đến 10 năm) lãnh thổ Việt Nam chỉ được áp dụng thử nghiệm bước đầu trên cơ sở nhiệm vụ Nghị định thư giữa Việt Nam và Italia: giai đoạn 2004-2006 “Thiết lập những tiếp cận thích hợp để nghiên cứu dự báo động đất lãnh thổ Việt Nam”; và 2006-2008 “Nghiên cứu dự báo động đất mạnh khu vực Đông Nam Á có nguy cơ gây sóng thần ảnh hưởng tới bờ biển và hải đảo Việt Nam”. Một số kết quả sơ bộ đã được công bố trong [1, 2]. Hai phương pháp chính được đưa vào thử nghiệm dự báo trung hạn động đất là: CN và M8S.

Thuật toán CN được đặc trưng bởi 9 hàm số: N1(t), N3(t), K(t), G(t), S(t), Smax(t), Zmax(t), q(t), B(t) [8, 9]. Các hàm số này đánh giá sự thay đổi hoạt tính địa chấn (seismic activity), yên tĩnh địa chấn (seismic quiescence), đặc trưng phân bố không gian và thời gian của hoạt tính địa chấn và mật độ động đất (tính tập trung của động đất). Đặc biệt, hàm G mô tả phần đóng góp của các động đất có chấn cấp lớn hơn vào tần suất động đất; K và q mô tả sự thay đổi của tần suất động đất theo thời gian và yên tĩnh địa chấn; hàm N1 và N3 được sử dụng để mô tả mức độ hoạt động địa chấn, trong khi hàm số B lại là một đại lượng đặc trưng cho tính tập trung của động đất theo không gian và thời gian (dựa trên số đếm dư chấn). Giá trị S tương ứng với năng lượng địa chấn được giải phóng; Smax là diện tích trung bình của vùng nguồn; cuối cùng Zmax đặc trưng cho kích thước của vùng nguồn.

M8 là thuật toán dự báo trung hạn động đất, được V.I. Keilis-Borok và V.G. Kosobokov phát triển trên cơ sở dấu hiệu nhận dạng những trận động đất mạnh đã xảy ra trong quá khứ để dự báo nguy cơ phát sinh động đất mạnh trong tương lai [3-7]. Thuật toán M8 mở rộng (M8S) lần đầu tiên được áp dụng trong nghiên cứu dự báo trung hạn động đất tại Italia. Độ lớn của động đất dự báo được lấy ở hai mức là M₀ = 6,0; M₀ = 6,5 và thời gian dùng để mô phỏng dự báo là từ năm 1972 đến 1995. Số vòng tròn và bán kính khảo sát đối với các mức dự báo tương ứng là: 14 CI's với R = 192 km cho M₀ = 6,5; và 16 CI's với R = 138 km cho M₀ = 6,0.

Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả sẽ giới thiệu nội dung cơ bản của CN và M8S và kết quả bước đầu nghiên cứu dự báo trung hạn động đất ở Việt Nam. Cũng cần nói rằng, do số liệu động đất ở Việt Nam còn thưa thớt, khó đáp ứng được việc áp dụng CN và M8S chung cho toàn lãnh thổ. Chúng tôi chỉ chọn được khu vực hẹp (φ = 18-24⁰, λ = 101-108⁰), tạm gọi là Tây Bắc Bộ mở rộng để áp dụng thử nghiệm trong tính toán.

II. ÁP DỤNG THUẬT TOÁN CN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO TRUNG HẠN ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

1. Chọn vùng dự báo trung hạn động đất

Vùng dự báo được xác lập trên cơ sở sự phân bố không gian của động đất và đặc trưng phân bố của các hệ đứt gãy theo nguyên tắc chung sau:

1- Kích thước độ dài không nhỏ hơn 5L-10L, trong đó L = L(M₀) là chiều dài của đới phá huỷ của động đất có cấp độ lớn M₀, đánh giá theo công thức của Wells and Coppersmith, 1994;

2- Ranh giới của vùng nghiên cứu phải là đường biên trùng với dải có độ hoạt động địa chấn thấp nhất, không được cắt qua vùng tập trung dày đặc các chấn tâm động đất.

3- Tối thiểu có 3 trận động đất xảy ra trong vùng có chấn cấp vượt quá ngưỡng của danh mục động đất đầy đủ.

2. Chọn danh mục động đất đầy đủ và ngưỡng độ lớn dự báo

Tính đầy đủ của một danh mục động đất được biểu hiện rõ nét trên biểu đồ phân bố động đất trung bình năm theo các mức độ lớn khác nhau. Xây dựng biểu đồ phân bố này theo danh mục động đất Việt Nam cho thời kỳ 1900-2003 ta thấy rằng khoảng thời gian từ 1963 đến 2003 là giai đoạn có số liệu động đất đầy đủ nhất [1].

Phân tích biểu đồ Gutenberg-Richter giữa tần số và chấn cấp động đất cho phép ta xác định được giới hạn dưới của chấn cấp động đất cho một danh mục đầy đủ, Mc = 3,0; 3,2; 3,4; và 3,6.

Ngưỡng dự báo M₀ được lựa chọn sao cho đáp ứng được hai điều kiện cùng một lúc: 1. Có tối thiểu một trận động đất với M ³ M₀ xuất hiện trong vùng dự báo trong vòng 6 năm; 2. M ³ M₀ là đoạn biểu đồ chấn cấp - số trận động đất (biểu đồ Gutenberg-Richter) chạy sát nhau. Ta xác định đối với vùng dự báo "Tây Bắc Bộ mở rộng" có M₀ = 5,5 (Hình 1).

3. Sử dụng phần mềm CN dự báo trung hạn động đất ở "Tây Bắc Bộ mở rộng"

a. Tính toán dự báo động đất ở “Tây Bắc Bộ mở rộng” thời kỳ 1964-2002: Danh mục động đất "Tây Bắc Bộ mở rộng" được xác định theo ba thời kỳ khác nhau là: 1964-2002; 1978-2002 và 1990-2006.

Kết quả phân tích được biểu diễn trong các Bảng 1 và 2.

Trên cơ sở kết quả tính toán được biển diễn trong Bảng 2, ta thấy rằng kết quả tốt nhất thu được với Mc = 3,4; có 3/4 trận động xảy ra tại "Tây Bắc Bộ mở rộng" trong thời gian 1964-2002 đã được dự báo chính xác. Một cảnh báo từ năm 2000 đến 2005 được đưa ra.

2. Tính toán dự báo động đất khu vực “Tây Bắc Bộ mở rộng” thời kỳ 1990-2006

Trên cơ sở bước đầu áp dụng thuật toán CN trong nghiên cứu dự báo trung hạn động đất khu vực “Tây Bắc Bộ mở rộng”có thể rút ra một số nhận xét sau:

1. Từ năm 1964 đến 2002 trong phạm vi "Tây Bắc Bộ mở rộng" đã dự báo được 3 trận động đất (1972, 1983, 1989) với Mc = 3,0 và 3,4. Ba trận động đất này tương ứng với 3 trong 4 trận động đất với M ≥5,5 đã xảy ra trong khu vực (1966, 1972, 1983 và 1989). Có lẽ trận năm 1966 chưa đủ số liệu của danh mục trước đó nên không dự báo được. Một cảnh báo về nguy cơ xảy ra động đất lớn hơn hoặc bằng 5,5 có khả năng xuất hiện trong thời kỳ 2000-2005 được đưa ra.

2. Từ năm 1978 đến hết năm 2002, trong phạm vi "Tây Bắc Bộ mở rộng" đã dự báo được 2 trận động đất với Mc = 3,4 và 3,6, tương ứng với 2 trận động đất với M ³ 5,5 đã xảy ra vào năm 1983 và 1989. Một cảnh báo về nguy cơ xảy ra động đất lớn hơn hoặc bằng 5,5 có khả năng xuất hiện trong thời kỳ 2000-2005 được đưa ra. Nếu kéo dài danh mục đến hiện tại thì năm 2003 đã xảy ra một trận động đất với M = 6,2 độ Richter vào ngày 3/10/2003 tại tọa độ 21,27 B và 101,51 Đ.

Bảng 1. Các trận động đất chính ở "Tây Bắc Bộ mở rộng" với M ³ 5,5 (1964-2002)

Thời điểm	Vĩ tuyến (B)	Kinh tuyến (Đ)	Độ sâu	Chấn cấp
18/9/1966	22.6	102.3	0	5.6
23/1/1972	23.3	102.3	33	5.6
24/6/1983	21.77	103.4	23	6.7
16/6/1989	20.67	102.36	15	5.9

Bảng 2. Kết quả tính toán bằng phần mềm CN cho vùng “Tây Bắc Bộ mở rộng”
theo số liệu có được đến năm 2002

1964-2002
Thời gian	Thời kỳ xem xét	Mc	n/N	% TIPs	(N-n)/N %	(h +t) %
1960-2002	1964-2002	3,0	2/4	24,1	50	74,1
1960-2002	1964-2002	3,2	2/4	21,4	50	71,4
1960-2002	1964-2002	3,4	3/4	26,1	25	51,1
1960-2002	1964-2002	3,6	2/4	36,7	50	86,7
1978-2002
1974-2002	1978-2002	3,0	1/2	21,1	50	71,1
1974-2002	1978-2002	3,2	1/2	24,5	50	74,5
1974-2002	1978-2002	3,4	2/2	22,5	0	22,5
1974-2002	1978-2002	3,6	2/2	30,9	0	30,9

Hình 1. Phân bố động đất (M ≥ 3,0) khu vực nghiên cứu dự báo.

Bảng 4. Bảng các thông số được sử dụng trong Chương trình M8

Hằng số	Tên giao tiếp	Mô tả
M₀	M₀	Giới hạn độ lớn dùng để xác định (dự báo) động đất mạnh
m	M	Giới hạn dưới độ lớn động đất dùng để tính toán
M'	MM	Giới hạn trên độ lớn động đất dùng để tính toán
M_a	Ma	Giới hạn độ lớn để xác định dư chấn
t₀	To	Thời điểm bắt đầu của quá trình phân tích
T_b	Tb	Thời điểm bắt đầu xác định dự báo
T_e	Te	Thời điểm kết thúc xác định dự báo
T_*	T^*	Thời điểm xảy ra động đất đặc trưng trong vùng khảo sát
dt	dt	Bước khoảng cách thời gian giữa hai lần xác định giá trị
s, u, e	s, u, e	Khoảng thời gian của mỗi lần xác định
t	Tau	Khoảng thời gian kéo dài của một TIP
t_ex	Tex	Khoảng thời gian kéo dài của các phiếu tính toán
b	beta	Hằng số của trọng số hàm mũ trong s(t)
g	d	Luỹ thừa của mẫu số trong s(t)
H, G	H, G	Phiếu giới hạn

2. Bước đầu ứng dụng thử nghiệm thuật toán M8S nghiên cứu dự báo động đất ở Việt Nam

Hoạt động động đất trên lãnh thổ Việt Nam và kế cận có biểu hiện chung nhất là:

- Động đất cực đại có chấn cấp không vượt quá 7,0 độ Richter;

- Phân bố động đất không đồng đều theo diện, tập trung chủ yếu tại khu vực Tây Bắc Bộ, Bắc Lào và phần diện tích lãnh thổ Trung Quốc giáp với Lào Cai - Lai Châu;

- Mật độ trung bình động đất hàng năm không lớn, nhỏ hơn 10 trận trong một năm, chủ yếu nằm trong khoảng 3-6 trận.

Do đặc trưng hoạt động động đất yếu, chúng tôi đã áp dụng thuật toán M8S (M8 mở rộng) cho chuẩn M6,5 + bán kính R = 192 km, bước thời gian, dt, là 0,5 năm. Danh mục động đất được sử dụng là danh mục đầy đủ thu thập từ các nguồn khác nhau (Việt Nam, ISC, NOAA, NEIC) từ năm 1900 đến năm 2008. Quá trình phân tích được tiến hành theo hai bước sau [1, 2]:

1- Chạy M8S nhằm nhận dạng động đất đã xảy ra trong quá khứ, trận động đất Tuần Giáo Ms = 6,7 xảy ra vào ngày 24/6/1983. Các thông số được lựa chọn gồm: phủ kín khu vực nghiên cứu (Bắc Việt Nam và lân cận, 18,0-24,0⁰B; 101,0⁰-108,0⁰Đ) bởi những đường tròn bán kính R = 192 km, tương ứng với M6,5+; những đuờng tròn này có tâm phân bố theo lưới 1´1⁰, mô phỏng từ 1975 đến 1980 với tần số động đất trung bình là 3-6 trận trong một năm trong mỗi đường tròn dự báo, khoảng thời gian mô phỏng là 5 năm, kể từ năm 1981.

Kết quả cho thấy động đất Tuần Giáo đã được báo trước theo số liệu đến năm 1980 và trên cơ sở chạy Chương trình M8S [1, 2].

2- Chạy M8S nhằm dự báo động đất có nguy cơ xảy ra trong 5 năm sau năm 2005, và cập nhật số liệu mới đến hết năm 2008. Các thông số được lựa chọn: phủ kín khu vực nghiên cứu (Bắc Việt Nam và lân cận, 18,0-24,0⁰B; 101,0-108,0⁰Đ) bởi những đường tròn bán kính R = 192 km, tương ứng với M6,5+; những đuờng tròn này có tâm phân bố theo lưới 1´1⁰, mô phỏng từ 1995 đến 2005 để dự báo cho giai đoạn 2006-2010 và mô phỏng từ 2000 đến 2008 dự báo cho giai đoạn 2009-2013, với tần số động đất trung bình là 6-12 trận trong một năm trong mỗi đường tròn dự báo.

Kết quả tính toán cho thấy trong phạm vi nghiên cứu tồn tại 2 khu vực có nguy cơ xuất hiện động đất M6,5+ trong khoảng thời gian từ năm 2006 đến năm 2010 [1]. Trận động đất 6,4 độ Richter xảy ra vào ngày 16/5/2007 tại tọa độ 20⁰30’ B; 100⁰45’Đ đã xảy ra trong vùng dự báo. Trên cơ sở số liệu đến hết năm 2008, kết quả dự báo cho khoảng thời gian từ năm 2009 đến năm 2013 (Hình 3) cho thấy khu vực Tây Bắc Bộ và vùng Vân Nam (Trung Quốc) là nơi có nguy cơ động đất lớn nhất.

Hình 3. Những vùng diện tích gạch chéo là vùng cảnh báo động đất có thể xảy ra từ sau năm 2008 (kéo dài 5 năm, đến năm 2013) trên cơ sở sử dụng chương trình M8S.

IV. MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ BÀI TOÁN DỰ BÁO TRUNG HẠN ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

Trên cơ sở bước đầu áp dụng chương trình CN, M8 và M8S trong nghiên cứu dự báo trung hạn động đất ở Việt Nam có thể rút ra một số nhận xét sau:

1. Từ năm 1964 đến 2002 trong phạm vi "Tây Bắc Bộ mở rộng" đã dự báo được 3 trận động đất với Mc = 3,0 và 3,4 (1972, 1983 và 1989) trong số 4 trận động đất với M ³ 5,5 đã xảy ra trong khu vực (1966, 1972, 1983 và 1989). Trận động đất với M = 6,2 xảy ra vào ngày 3/10/2003 tại tọa độ 21,27⁰B và 101,51⁰Đ đã được dự báo trước (sử dụng thuật toán CN).

2. Từ 1978 đến hết 2002, trong phạm vi “Tây Bắc Bộ mở rộng” đã dự báo được 2 trận động đất với Mc = 3,4 và 3,6 tương ứng với 2 trận động đất với Mc ≥ 5,5 đã xảy ra vào các năm 1983 và 1989. Một cảnh báo về nguy cơ xảy ra động đất với Mc = 5,5 hoặc lớn hơn có khả năng xuất hiện từ năm 2008 được đưa ra đối với khu vực “Tây Bắc Bộ mở rộng” trên cơ sở danh mục động đất từ 1964 đến 2005 (sử dụng thuật toán CN).

3. Từ 1990 đến tháng 6/2006, đã dự báo được 1 trận động đất (2003) với Mc = 3,0; 3,2; 3,4 và 3,6; trận này tương ứng với 1 trong 2 trận động đất với Mc ≥ 5,5 đã xảy ra trong khu vực “Tây Bắc Bộ mở rộng” (2001, 2003). Như vậy, thuật toán M8 mở rộng (M8S) là thuật toán phù hợp với việc áp dụng cho nghiên cứu dự báo trung hạn động đất ở Việt Nam. Trận động đất Tuần Giáo Ms = 6,7 xảy ra vào ngày 24/6/1983 đã nhận dạng được trên cơ sở số liệu có được đến năm 1980, với thời gian cảnh báo là từ 1981 đến 1986.

VĂN LIỆU

1. Cao Đình Triều (Chủ biên), 2006. Thiết lập những tiếp cận thích hợp để nghiên cứu dự báo động đất lãnh thổ Việt Nam. BC tổng kết nhiệm vụ HTQT về KH&CN theo Nghị định thư Việt Nam - Italia (2004-2006). Lưu trữ Viện VLĐC, Hà Nội, 169 trg.

2. Cao Đình Triều (Chủ biên), 2008. Nghiên cứu dự báo động đất mạnh khu vực ĐN Châu Á có nguy cơ gây sóng thần ảnh hưởng đến bờ biển và hải đảo Việt Nam. BC tổng kết nhiệm vụ HTQT về KH&CN theo Nghị định thư Việt Nam - Italia (2006-2008). Lưu trữ Viện VLĐC, Hà Nội. 222 trg.

3. Gabrielov A.M., Dmitrieva O.E., Keilis-Borok V.I., Kosobokov V.G., Kuznetsov I.V., Levshina T.A., Mirzoev K.M., Molchan G.M., Negmatulaev S.Kh., Pisarenko V.F., Prozorof A.G., Renehart W., Rotwain I.M., Shebalin P.N., Shnirman M.G., Schreider S.Yu., 1986. Algorithms of long-term earthquakes prediction. CERESIS, Lima (Peru), pp. 61.

4. Keilis-Borok V.I., Kosobokov V.G., 1988. Premonitory activation of seismic flow: Algorithm M8. Lecture notes of the Workshop on Global Geophysical Informatics with applications to research in earthquake prediction and reduction of seismic risk, ICTP, Trieste, pp. 17.

5. Keilis-Borok V.I., Kosobokov V.G., 1990. Premonitory activation of seismic flow: Algorithm M8. Phys. Earth and Planet. Inter., 61 : 73-83.

6. Keilis-Borok V.I., Kosobokov V.G., 1990. Times of increased probability of strong earthquakes (Mo 7.5) diagnosed by algorithm M8 in Japan and adjacent territories. J. Geophys. Res., 95/8 : 12413-12422.

7. Kosobokov V.G., Romashkova L.L., Panza G.F., Perecan A., 2002. Stabilizing intermidiate-term medium-range earthquake prediction. J. Seism. Earthqu. Engin., 4/2&3 : 11-19.

8. Peresan A., G.F. Panza, G. Costa, 1999. Seimototectonic model and CN earthquake prediction in Italy. Pure and Appl. Geoph., 281-306.

9. Peresan A., G.F. Panza, G. Costa, 2000. CN algorithm and long-lasting changes in reported magnitudes: The case of Italy. Geophysics J. Int. : 425-437.

Thời gian	Vĩ độ (B)	Kinh độ (Đ)	Độ sâu	Chấn cấp
19/2/2001	21.33	102.85	12	5.3
3/10/2003	21.27	101.51	33	6.2