Khi một trận động đất lớn xảy ra, các trạm quan trắc địa chấn trên khắp thế giới lần lượt ghi lại rung động chỉ trong vài phút. Thế nhưng lạ thay, sóng địa chấn lại không đến được đầy đủ các trạm nằm cách tâm chấn một khoảng nhất định. Vùng hình dải mà sóng địa chấn dường như né tránh, như thể bên trong Trái Đất có một bóng râm, được gọi là “vùng bóng địa chấn (Seismic Shadow Zone)”.
Nói một cách đơn giản, vùng bóng địa chấn là “khu vực mà sóng địa chấn đi qua lòng Trái Đất bị lõi bẻ cong hoặc chặn lại nên không đến thẳng được mặt đất”. Năm 1906, nhà địa chất người Anh Richard Dixon Oldham phân tích các bản ghi động đất và lần đầu tiên cho rằng ở trung tâm Trái Đất có một lõi mang tính chất khác biệt. Tiếp đó, năm 1914, nhà địa chấn học gốc Đức Beno Gutenberg dựa vào vị trí của vùng bóng để tính ra ranh giới của lõi nằm ở độ sâu khoảng 2.900 km.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các loại sóng địa chấn tạo nên vùng bóng, hai vùng bóng do sóng P và sóng S tạo ra, lõi ngoài và lõi trong được vùng bóng làm sáng tỏ, và cuối cùng là những ứng dụng của vùng bóng ngày nay.
Nơi sóng địa chấn đi vòng qua, vùng bóng địa chấn
1. Các loại sóng địa chấn tạo nên vùng bóng
Khi động đất xảy ra, năng lượng tích tụ dưới lòng đất lan ra mọi hướng dưới dạng sóng. Trong đó, những sóng truyền xuyên qua lòng Trái Đất được gọi là sóng khối, và chính sóng khối là nhân vật chính tạo nên vùng bóng.
(1) Sóng P
Sóng P (Primary wave) là sóng dọc, truyền đi khi vật chất bị đẩy và kéo theo cùng hướng truyền của sóng. Sóng P nhanh nhất nên đến trạm đầu tiên và có thể đi qua cả chất rắn lẫn chất lỏng.
(2) Sóng S
Sóng S (Secondary wave) là sóng ngang, trong đó vật chất dao động vuông góc với hướng truyền. Sóng S chậm hơn sóng P nên đến thứ hai, và không thể đi qua chất lỏng vốn không chịu được lực xoắn.
(3) Khoảng cách đo bằng góc
Trong địa chấn học, khoảng cách giữa tâm chấn và trạm quan trắc được biểu thị bằng góc đo từ tâm Trái Đất, tức là khoảng cách góc. Tâm chấn là 0°, phía đối diện hoàn toàn của Trái Đất là 180°, và vị trí của vùng bóng cũng được biểu thị bằng góc này.
2. Vùng bóng sóng P và vùng bóng sóng S
Nếu bên trong Trái Đất từ đầu đến cuối chỉ là cùng một loại đá, sóng địa chấn lẽ ra phải đến được mọi nơi trên mặt đất. Nhưng trong các bản ghi thực tế lại xuất hiện những khoảng trống không có sóng địa chấn, và hình dạng của chúng khác nhau giữa sóng P và sóng S.
- Vùng bóng sóng P (P-wave Shadow Zone): dải nằm ở khoảng cách góc khoảng 103° đến 142°, nơi sóng P bị bẻ cong mạnh tại ranh giới lõi ngoài nên không đến thẳng được.
- Vùng bóng sóng S (S-wave Shadow Zone): toàn bộ khu vực xa hơn khoảng 103° theo khoảng cách góc, hình thành do lõi ngoài ở thể lỏng không cho sóng S đi qua.
- Khúc xạ (Refraction): hiện tượng sóng đổi tốc độ khi đi qua ranh giới giữa các vật chất có tính chất khác nhau, khiến hướng truyền bị bẻ cong.
(1) Vì sao sóng P bị bẻ cong
Khi sóng P đi từ lớp phủ vào lõi ngoài, tốc độ của nó đột ngột giảm. Lúc này hướng truyền bị bẻ mạnh vào phía trong, bỏ qua khoảng 103° đến 142° và đến những nơi xa hơn 142°.
(2) Vì sao sóng S biến mất
Sóng S không thể đi qua chất lỏng nên khi chạm tới lõi ngoài thì không thể đi tiếp. Vì vậy, sóng S chỉ được quan trắc trực tiếp trong phạm vi 103°, nơi nó có thể đến được khi chỉ đi qua lớp phủ mà không qua lõi ngoài.
(3) Bóng rộng của sóng S
Kết quả là ở một vùng rộng lớn phía đối diện tâm chấn, sóng S không được quan trắc trực tiếp. Vùng bóng rộng này đã trở thành bằng chứng mạnh mẽ nhất cho thấy lõi ngoài ở thể lỏng.
3. Lõi ngoài và lõi trong được vùng bóng làm sáng tỏ
Con người không thể tự mình đào xuống tới tâm Trái Đất. Ngay cả lỗ khoan sâu nhất từng được thực hiện là giếng khoan siêu sâu Kola của Nga cũng chỉ dừng lại ở khoảng 12 km. Vì thế, các nhà khoa học đã nhìn vào lòng Trái Đất bằng cách lấy dấu vết mà sóng địa chấn để lại, đặc biệt là vùng bóng, làm manh mối.
(1) Phát hiện ra lõi
Năm 1906, Oldham chú ý rằng sóng địa chấn đi qua gần tâm Trái Đất đến muộn hơn dự kiến. Dựa vào đó, ông cho rằng bên trong Trái Đất có một lõi mang tính chất khác với lớp phủ.
(2) Độ sâu của ranh giới lõi
Gutenberg dùng góc bắt đầu của vùng bóng để tính ra ranh giới giữa lớp phủ và lõi nằm ở độ sâu khoảng 2.900 km. Ngày nay ranh giới này còn được gọi là bất liên tục Gutenberg.
(3) Phát hiện ra lõi trong
Năm 1936, nhà địa chấn học người Đan Mạch Inge Lehmann chú ý rằng ngay cả trong vùng bóng sóng P vẫn ghi nhận được những sóng P yếu. Bà giải thích đây là kết quả của một lõi trong rắn nằm bên trong lõi ngoài lỏng đã bẻ cong sóng P thêm một lần nữa.
4. Ngày nay vùng bóng được sử dụng như thế nào
Vùng bóng không chỉ là một phát hiện cũ trong sách giáo khoa. Những bản ghi sóng địa chấn mà mạng lưới quan trắc toàn cầu tích lũy được vẫn đang được dùng để vẽ nên bức tranh chi tiết hơn về lòng Trái Đất.
(1) Mô hình cấu trúc bên trong Trái Đất
Các mô hình được xây dựng từ thời gian đến của sóng địa chấn và ranh giới của vùng bóng tổng hợp độ sâu và tính chất của vỏ, lớp phủ, lõi ngoài và lõi trong bằng các con số. Mô hình Trái Đất tham chiếu sơ bộ (PREM) công bố năm 1981 là ví dụ tiêu biểu.
(2) Chụp cắt lớp địa chấn
Giống như máy CT trong bệnh viện, khi chồng và phân tích vô số đường đi của sóng địa chấn, ta có thể thấy những phần nóng và lạnh trong lớp phủ dưới dạng hình ảnh ba chiều. Phương pháp này gọi là chụp cắt lớp địa chấn (Seismic Tomography).
(3) Thám hiểm các hành tinh khác
Tàu đổ bộ InSight của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), hạ cánh xuống Sao Hỏa năm 2018, đã ghi lại các trận động đất trên Sao Hỏa. Các nhà khoa học dùng những bản ghi này để ước tính kích thước lõi Sao Hỏa, mở rộng phương pháp vốn dùng trên Trái Đất sang hành tinh khác.
Dù không thể nhìn trực tiếp vào lòng Trái Đất, những nơi sóng địa chấn không chạm tới tự bản thân chúng đã là thông tin quý giá. Ý nghĩ đơn giản rằng ngay cả nơi sóng biến mất cũng có lý do, đó chính là bước đầu tiên để hiểu vùng bóng địa chấn.
