Các nhà nghiên cứu của Caltech đã sử dụng kỹ thuật hình ảnh tiên tiến để điều tra hoạt động địa chấn gia tăng ở miệng núi lửa Long Valley, một siêu núi lửa không hoạt động ở California. Kết quả của họ cho thấy khu vực này không sắp xảy ra một vụ phun trào lớn mà đang trải qua hoạt động địa chấn do quá trình làm mát.

Kể từ những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy các giai đoạn bất ổn rõ rệt ở khu vực phía đông Dãy núi Sierra Nevada của California, đặc trưng bởi hàng loạt trận động đất và các giai đoạn mà mặt đất phồng lên và dâng cao gần nửa inch mỗi năm. Hoạt động này đáng lo ngại vì khu vực này được gọi là Long Valley Caldera, nằm trên đỉnh một ngọn núi lửa khổng lồ không hoạt động. Miệng núi lửa Long Valley được hình thành cách đây 760.000 năm trong một vụ phun trào dữ dội phun ra 650 km khối tro bụi vào không khí - lượng tro đủ để bao phủ toàn bộ khu vực Los Angeles bằng một lớp trầm tích dày 1 km.

Hình ảnh đột phá tiết lộ câu chuyện bên trong

Lý do đằng sau tần suất hoạt động núi lửa ngày càng tăng trong vài thập kỷ qua là gì? Phải chăng khu vực này đang chuẩn bị cho một đợt bùng phát khác? Hay hoạt động gia tăng thực sự là dấu hiệu cho thấy nguy cơ xảy ra một vụ phun trào lớn đang giảm?

Để trả lời những câu hỏi này, các nhà nghiên cứu tại Caltech đã tạo ra hình ảnh chi tiết nhất về phần dưới bề mặt miệng núi lửa Changgu, đạt tới độ sâu lên tới 10 km trong lớp vỏ Trái đất. Những hình ảnh có độ phân giải cao này tiết lộ cấu trúc của Trái đất bên dưới miệng núi lửa và cho thấy hoạt động địa chấn gần đây là do chất lỏng và khí thoát ra khi khu vực nguội đi và lắng xuống.

Hõm chảo Changgu là nơi diễn ra vụ phun trào siêu núi lửa quy mô lớn cách đây 760.000 năm. Điều gì đã xảy ra dưới bề mặt của Changgu Caldera? Một nghiên cứu mới sử dụng sóng địa chấn để chụp ảnh môi trường dưới lòng đất của khu vực đã phát hiện ra rằng khoang magma đang nguội đi. Tuy nhiên, chất khí và chất lỏng thoát ra khi magma kết tinh có thể gây ra động đất. Nguồn: E. Biondi

Nghiên cứu này được thực hiện trong phòng thí nghiệm của giáo sư địa vật lý Zhongwen Zhan (Tiến sĩ ’14). Một bài báo mô tả nghiên cứu đã được xuất bản ngày 18 tháng 10 trên tạp chí Science Advances.

Zhan Zhongwen cho biết: "Chúng tôi không nghĩ khu vực này đang chuẩn bị cho một vụ phun trào siêu núi lửa khác, nhưng quá trình làm mát có thể giải phóng đủ khí và chất lỏng để gây ra động đất và phun trào nhỏ. Ví dụ, vào tháng 5 năm 1980, bốn trận động đất mạnh 6 độ richter đã xảy ra trong khu vực."

Hình ảnh có độ phân giải cao cho thấy Buồng magma của núi lửa được bao phủ bởi một lớp đá kết tinh cứng, được hình thành khi magma lỏng nguội đi và đông đặc lại.

Công nghệ hình ảnh tiên tiến

Để tạo ra hình ảnh dưới lòng đất, các nhà nghiên cứu suy ra môi trường dưới lòng đất trông như thế nào bằng cách đo sóng địa chấn do động đất tạo ra. Động đất tạo ra hai loại sóng địa chấn: sóng sơ cấp (sóng P) và sóng thứ cấp (sóng S). Hai loại sóng địa chấn truyền đi với tốc độ khác nhau trong các vật liệu khác nhau - sóng địa chấn truyền chậm trong vật liệu đàn hồi như chất lỏng nhưng rất nhanh trong vật liệu cứng như đá. Bằng cách sử dụng máy đo địa chấn ở các vị trí khác nhau, có thể đo được sự khác biệt về thời gian của sóng và xác định tính chất của vật liệu mà chúng đi qua - độ đàn hồi hay độ cứng của nó. Bằng cách này, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra một bức tranh về môi trường dưới lòng đất.

Nguồn

Có hàng chục máy đo địa chấn khắp khu vực Đông Sơn, nhưng công nghệ được các nhà nghiên cứu sử dụng sử dụng cáp quang (giống như cáp cung cấp Internet) để tiến hành đo địa chấn, một quá trình được gọi là cảm biến âm thanh phân tán (DAS). 100 km cáp được sử dụng để chụp ảnh miệng núi lửa Changgu tương đương với 10.000 máy đo địa chấn một thành phần. Trong hơn một năm rưỡi, nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi cáp này để đo hơn 2.000 sự kiện địa chấn, hầu hết đều quá nhỏ để mọi người có thể cảm nhận được. Thuật toán học máy xử lý các phép đo này và tạo ra hình ảnh.

Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên sử dụng DAS để tạo ra những hình ảnh có độ phân giải cao, có chiều sâu như vậy. Các hình ảnh nghiên cứu chụp cắt lớp cục bộ trước đây bị giới hạn ở môi trường nông dưới bề mặt ở độ sâu khoảng 5 km hoặc bao phủ các khu vực lớn hơn ở độ phân giải thấp hơn.

"Đây là minh chứng đầu tiên về cách DAS có thể thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về động lực học vỏ trái đất", Ettore Biondi, nhà khoa học DAS tại Caltech và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết. “Chúng tôi rất vui mừng được áp dụng các kỹ thuật tương tự vào các khu vực khác mà chúng tôi tò mò về môi trường dưới bề mặt.”

Tiếp theo, nhóm dự định sử dụng một sợi cáp dài 200 km để chụp ảnh sâu hơn vào lớp vỏ Trái đất, có lẽ sâu từ 15 đến 20 km, nơi khoang magma của miệng núi lửa - "trái tim đang đập" của nó - đang nguội đi.