Khai thác sấm sét và cáp quang để “chụp ảnh” lòng đất: Bước đột phá mới trong địa chấn học

Trong một nghiên cứu mới được công bố, các nhà khoa học tại Đại học Penn State (Mỹ) đã tìm ra cách sử dụng sóng địa chấn phát sinh từ những cơn giông bão để lập bản đồ cấu trúc địa chất dưới lòng đất. Phương pháp này tận dụng hạ tầng cáp quang viễn thông sẵn có, biến chúng thành một mạng lưới cảm biến địa chấn khổng lồ, mở ra một hướng đi mới cho ngành khảo sát địa chất.

Hiểu được cấu trúc bên trong Trái Đất là nền tảng cho nhiều hoạt động từ thăm dò tài nguyên đến dự báo thiên tai. Nền tảng của sự hiểu biết này đến từ việc phân tích sóng địa chấn, vốn di chuyển với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của lớp đá mà chúng xuyên qua. Bằng cách thu thập dữ liệu từ nhiều sự kiện địa chấn, các nhà khoa học có thể dựng nên một bức tranh chi tiết về những gì tồn tại ở các độ sâu khác nhau.

Từ động đất đến chất nổ: Nhu cầu về một nguồn sóng linh hoạt

Theo phương pháp truyền thống, các nhà địa chấn học thường dựa vào các trận động đất tự nhiên để "chiếu sáng" lòng đất. Tuy nhiên, việc chờ đợi thiên nhiên là không chủ động. Thay vào đó, trong các khảo sát cục bộ, họ chủ động tạo ra sóng địa chấn bằng cách sử dụng chất nổ hoặc các nguồn rung động nhân tạo khác.

Mặc dù hiệu quả, giải pháp này lại tốn kém, gây ô nhiễm tiếng ồn và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu tại Penn State đã tìm kiếm một lựa chọn trung gian: tận dụng nguồn năng lượng khổng lồ và miễn phí từ thiên nhiên — sấm sét.

Sấm sét - Nguồn sóng địa chấn miễn phí và thách thức "thunderquake"

Sấm sét tạo ra các sóng xung kích, một phần năng lượng trong đó truyền vào lớp vỏ Trái Đất, gây ra những rung động được gọi là "thunderquake" (động đất do sấm). Tuy nhiên, các tín hiệu địa chấn này cực kỳ phức tạp và nhiễu loạn do sự khuếch tán và phản xạ của sóng âm trong khí quyển trước khi chạm tới mặt đất. Việc tách chiết thông tin hữu ích từ “mớ hỗn độn” này là một bài toán khó.

Cáp quang trở thành "tai nghe" khổng lồ của Trái Đất

Điểm mấu chốt trong giải pháp của nhóm nghiên cứu là sử dụng kỹ thuật Distributed Acoustic Sensing (DAS) — một công nghệ biến các sợi cáp quang thông thường thành hàng nghìn cảm biến âm thanh và địa chấn liên tục dọc theo chiều dài của chúng.

Thay vì phải lắp đặt các trạm địa chấn riêng lẻ, DAS tận dụng chính mạng lưới cáp quang viễn thông đang được chôn dưới lòng đất. Khi sóng địa chấn từ sấm sét truyền qua, chúng làm thay đổi độ dài và mật độ của sợi cáp ở cấp độ vi mô, từ đó ảnh hưởng đến tín hiệu ánh sáng truyền qua. Bằng cách phân tích những biến đổi này, các nhà khoa học có thể tái tạo lại chuyển động của mặt đất với độ chính xác cao.

Mô hình mới mang lại kết quả khả quan

Nhóm nghiên cứu tại Penn State cho biết họ đã xây dựng thành công một mô hình toán học có thể giải mã sự phức tạp của các tín hiệu từ "thunderquake". Mô hình này đã được thử nghiệm và sử dụng để tái tạo lại địa hình dưới lòng đất tại khuôn viên trường đại học của họ, cho kết quả khớp với các dữ liệu khảo sát địa chất trước đó.

"Đây là một cách tiếp cận hoàn toàn mới, biến một hiện tượng tự nhiên thường bị coi là nhiễu trong dữ liệu địa chấn thành một công cụ hữu ích", một thành viên trong nhóm chia sẻ.

Tiềm năng ứng dụng và ý nghĩa

Phương pháp này mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn cho ngành địa chấn học, đặc biệt là trong bối cảnh cơ sở hạ tầng cáp quang đang ngày càng phổ biến trên toàn cầu, bao gồm cả tại các khu vực đô thị và vùng ven biển Việt Nam. Tiềm năng ứng dụng có thể kể đến:

• Thăm dò tài nguyên: Giúp khảo sát cấu trúc địa chất để tìm kiếm dầu khí, khoáng sản, và nước ngầm với chi phí thấp hơn đáng kể so với việc sử dụng chất nổ.
• Giám sát môi trường: Theo dõi sự thay đổi của các tầng ngậm nước, phát hiện rò rỉ trong các cấu trúc ngầm.
• Cảnh báo thiên tai: Cung cấp dữ liệu liên tục để nghiên cứu các hoạt động địa chất, hỗ trợ công tác phòng chống sạt lở và động đất.

Mặc dù phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (cần có giông bão), phương pháp này vẫn là một bước tiến quan trọng. Nó cho thấy sự kết hợp sáng tạo giữa trí tuệ nhân tạo, khoa học dữ liệu (để xử lý tín hiệu phức tạp) và cơ sở hạ tầng viễn thông sẵn có, hứa hẹn mang lại nhiều giá trị thực tiễn cho việc khám phá và quản lý tài nguyên lòng đất.