اخبار
در حال خواندن
زلزله چیست؟(?What’s earthquake)
1

زلزله چیست؟(?What’s earthquake)

توسط توحید نوری۲۷ آبان, ۱۳۹۶

زلزله لرزش ناگهانی پوسته جامد زمین است که عمدتا در اثر گسیختگی سنگ در پوسته زمین در امتداد ناپیوستگی‌هایی به نام گسل رخ می‌دهد. این پدیده طبیعی دارای خصوصیات و وی‍ژگیهای منحصر به فردی است، که آگاهی از پدیده‌های همراه آن، شناخت گسلها و انواع آن، فعالیت های زمین ساختی و … در تعیین الگوی لرزه خیزی مناطق مختلف حائز اهمیت است.

نظریه بازگشت ارتجاعی

وابستگی زلزله به گسیختگی سنگ‌های پوسته (حرکت نسبی سنگ‌های دو طرف گسل)، بعد از وقوع زلزله ۱۹۰۶ سانفرانسیسکو مورد پذیرش عموم قرار گرفت. سنگهای پوسته زمین در اثر تنش‌های تکتونیکی تغییر شکل ارتجاعی داده و انرژی زیادی در خود ذخیره می‌کنند. در اثر ازدیاد تنش‌ها، نیروهای تکتونیکی به میزان بالاتر از نیروی اصطکاک ایستایی حداکثر در گسل‌ها رسیده و بلوک‌های دو طرف گسل نسبت به هم جابجا می‌شوند. به دلیل اینکه سنگ‌های پوسته حالت الاستیک دارند، تعییر شکل ایجاد شده تا قبل از وقوع جابجایی در سنگ‌های دو طرف گسل برطرف شده و به این ترتیب انرژی ذخیره شده در آنها آزاد می‌شود. به عبارت دیگر بلوک‌های سنگی دو طرف گسل به حالت قبل از تعییر شکل خود برگشته و انرژی خود را بصورت زلزله آزاد می‌کنند که به آن بازگشت ارتجاعی گفته می‌شود. در صورتیکه سنگ‌ها حالت الاستیک نداشته باشند تغییر شکل ایجاد شده در آنها برگشت ناپذیر بوده و زلزله‌ای نیز اتفاق نمی‌افتد. به همین دلیل بسیاری از زمین‌لرزه‌ها در پوسته اتفاق می‌افتند و در اعماق بیشتر، به دلیل اینکه سنگ‌ها حالت خمیری دارند کمتر شاهد وقوع زلزله هستیم. نظریه بازگشت ارتجاعی توسط راید از دانشگاه جان هاپکینگز ارائه شده است.

زلزله‌های غیر تکتونیک

آن دسته از زلزله‌هایی که بوسیله آزاد شدن سریع انرژی ذخیره شده در پوسته ایجاد می‌شوند، زلزله‌های تکتونیک نامیده می‌شوند. اما بعضی از زلزله‌ها در اثر عوامل غیر تکتونیک ایجاد می‌شوند. ریزش کوه‌ها و زمین لغزش، فروریختن غارها، احداث سدهای بزرگ در مسیر رودخانه‌ها، انفجارات هسته‌ای و … از جمله عواملی هستند که می‌توانند موجب بروز زلزله‌های غیر تکتونیک شوند. به عنوان نمونه زلزله ۴ فوریه ۱۹۷۶ در گواتمالا ۵۰۰۰۰ قربانی داشت که دلیل وقوع آن آزمایشات اتمی بود.

لرزه‌نگاری

کانون زلزله نقطه‌ای است که زلزله در آن رخ داده و امواج لرزه‌ای از آن منتشر می‌شود. تصویر این نقطه در سطح زمین مرکز زلزله نامیده می‌شود. مرکز زلزله دقیقا در بالای کانون زلزله قرار دارد. برای مطالعه و سنجش خصوصیات و ماهیت امواج منتشر شده از کانون زلزله از دستگاه لرزه‌نگار (شکل ۱) استفاده می‌شود. هرچه به مرکز زلزله نزدیکتر شویم، شدت زلزله افزایش می‌یابد.

شکل ۱. کانون و مرکز زلزله[۱]

شکل ۲. تصویر یک لرزه‌نگار که به سنگ بستر متصل شده است.[۲]

 بزرگی زلزله

برای تعیین قدرت و شدت اثر زلزله از دو معیار بزرگی زلزله و شدت زلزله استفاده می‌شود. بزرگی زلزله یک مقیاس کمی است که میزان انرژی آزاد شده از زلزله را که از داده‌های لرزه‌نگاری بدست می‌آید ملاک قرار می‌دهد. برای سنجش بزرگی زلزله روش چارز ریشتر [۷]متداول است که توسط رابطه زیر اندازه‌گیری می‌شود:

M= LOG(A/A۰)

در این رابطه A بیشترین دامنه ثبت شده در فاصله ۱۰۰ کیلومتری از مرکز زلزله بوسیله لرزه نگار ، A۰ دامنه مبنا برابر با ۰.۰۰۱ میلیمتر، و M بزرگی زلزله بر حسب ریشتر است. بر اساس رابطه بالا با افزایش یک واحد در بزرگی زلزله، دامنه آن ۱۰ برابر بیشتر می‌شود. به عنوان مثال دامنه ثبت شده برای زلزله‌ای به بزرگی ۵ ریشتر، ۱۰ برابر زلزله‌ای به بزرگی ۴ است.

 رابطه دیگری که به رابطه گوتنبرگ – ریشتر معروف است، برای محاسبه انرژی آزاد شده از زلزله به کار برده می‌شود:

Log E = 4.8 + 1.5 M

شکل ۳. رابطه بین بزرگی زلزله و تعداد دفعات وقوع آن[۳]

در این رابطه M بزرگی زلزله بر حسب ریشتر و E انرژی آزاد شده بر حسب ژول است. بر طبق این رابطه با افزایش ۱ واحد در بزرگی زلزله، انرژی حدود ۳۲ برابر افزایش می‌یابد. همچنین اگر بزرگی زلزله ۲ واحد افزایش یابد انرژی آزاد شده از آن حدودا ۱۰۰۰ برابر می‌شود. زلزله‌هایی که بزرگی آنها بیشتر از ۸ ریشتر باشد در گروه زلزله‌های شدید طبقه بندی می‌شوند. زلزله‌های شدید کمتر رخ می‌دهند و تاکنون زلزله‌ای به بزرگی ۱۰ ریشتر گزارش نشده است. در شکل ۳ رابطه بین بزرگی زلزله و تعداد دفعات وقوع آنها در یک سال نشان داده شده است. با توجه به این شکل تعداد دفعات وقوع زلزله با بزرگی زلزله نسبت عکس دارد.

تجربه ثابت کرده است نمی‌توان بر اساس بزرگی یک زلزله در مورد شدت تخریب آن اظهار نظر کرد و ممکن است زلزله‌ای با بزرگی کمتر شدت بیشتری نسبت به زلزله‌ای دیگر‌ با بزرگی بیشتر داشته و تخریب بیشتری در یک منطقه ایجاد کند. دلایلی وجود دارد که بزرگی زلزله معیاری مناسب برای ارزیابی شدت تخریب در مناطق مختلف نیست: ۱) زلزله به ندرت در یک نقطه رخ می‌دهد و مرکز و کانون زلزله دقیقا یک نقطه نیست. ۲) معمولا لرزه‌نگاری در ۱۰۰ کیلومتری مرکز زلزله میسر نیست ۳) علاوه بر بزرگی زلزله، مواردی نظیر فاصله ساختمان از محل وقوع زلزله، جنس زمینی که ساختمان در آن احداث شده است، توپوگرافی منطقه و …عواملی هستند که می‌توانند تعیین کننده شدت تخریب زلزله باشند. ۴) پوسته زمین یکنواخت نبوده و خواص مکانیکی سنگ‌ها (مانند میزان الاستیسیته آنها) در مناطق مختلف، متفاوت است. همچنین انواع مختلفی از گسل‌ها در مناطق مختلف وجود دارد که رفتارهای متفاوتی دارند. ۵) در بحث مربوط به بزرگی زلزله، مدت زمان وقوع آن لحاظ نشده است.

 شدت زلزله

شدت زلزله یک مقیاس کیفی است که از طریق مشاهده آثار به بار آمده از آن و مصاحبه با مردم در محل وقوع زلزله  بدست می‌آید. با افزایش فاصله از مرکز زلزله، از شدت زلزله نیز کاسته می‌شود.

مقیاس اصلاح شده مرکالی که بوسیله سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) ارائه شده، متداول‌ترین مقیاس برای ارزیابی شدت زلزله می‌باشد. شدت زلزله بر حسب مقیاس مرکالی یک پارامتر مهندسی است و از ۱ تا ۱۲ درجه بندی می شود. هر قسمت نشان دهنده میزان واکنش انسان‌ها و سازه‌های مختلف در برابر زلزله است.

درجات ۱۲ گانه مقیاس مرکالی به صورت زیر است:

  1. وقوع زلزله احساس نمی‌شود مگر توسط افرادی معدود در شرایطی بسیار مناسب.
  2. تنها بوسیله افراد در حال استراحت احساس می‌شود، بخصوص آنهایی که در طبقات بالایی ساکن‌اند. اشیایی که آویزان شده‌اند ممکن است تاب بخورند.
  3. در درون منازل در طبقات بالایی ساختمان ها کاملا قابل احساس است. بسیاری از مردم آنرا بصورت زلزله شناسایی نمی‌کنند. ارتعاش مانند عبور کامیون است.
  4. در طی روز در فضای بسته توسط افراد زیادی حس می‌شود و در فضای باز عده معدودی حس می کنند. در شب عده ای را از خواب بیدار می کند. بشقاب ها، پنجره ها و درب ها تکان خورده و صدا می‌کنند. در ماشین های ایستاده ارتعاش قابل درک است.
  5. زلزله توسط هر فردی قابل احساس است. بسیاری ازخواب بیدار می‌شوند. برخی از پنجره‌ها، بشقابها و غیره شکسته می‌شوند. گچ‌کاری‌های ساختمانها ترک میخورند. اشیای ناپایدار واژگون میگردند. آونگ ساعتها متوقف میگردند.
  6. زلزله توسط همه افراد حس میشود و بسیاری از مردم وحشت‌زده به فضای باز پناه میآورند. اشیای سنگین جابجا میشوند و قطعات گچ‌کاری کنده میشود. دودکشها فرو میریزند و خسارات جزئی به بار می‌آید.
  7. تمام مردم به فضای باز فرار میکنند. خسارت بسیار کمی در ساختمانهایی که خوب طراحی و ساخته شده‌اند وارد میشود. به ساختمانهای متوسط و معمولی خسارات جزیی و متوسط وارد میگردد. خسارات قابل ملاحظه‌ای در ساختمانهای ضعیف و بد طراحی شد وارد میشود. وقوع زلزله توسط افراد در حال رانندگی نیز احساس می‌شود.
  8. خسارت در ساختمانهایی که طراحی ویژه شده‌اند بسیار جزیی است و در ساختمانهای معمولی قابل ملاحظه و توام با فروریزش‌های جزیی و در ساختمانهای ضعیف شدید است. دیوارهای جداکننده به خارج از قاب ساختمان پرتاب میشوند. دودکشها, ستونها, دیوارها و دودکشهای کارخانه‌ها و دیوارها فرو می‌ریزند. اشیای سنگین واژگون میگردند. تغییراتی در آب چاه‌ها ایجاد میشود. ماسه و گل کمی به هوا پرتاب می‌شوند. رانندگی مشکل میگردد.
  9. خسارت قابل ملاحظه‌ای حتی در ساختمان‌هایی که طراحی ویژه شده‌اند, ایجاد میشود. ساختمانهای اسکلتی خوب طراحی شده کج میشوند. ساختمان بر روی پی تغییر مکان میدهد. ترکهایی آشکار در زمین ایجاد میگردد. خطوط لوله زیرزمینی شکسته میشوند. وحشت عمومی بر مردم غالب میشود.
  10. سازه‌های چوبی خوب ساخته شده ویران میشوند. بسیاری از سازه‌های اسکلت‌دار بنایی به همراه پی ویران می‌شوند. در زمین شکاه‌های بزرگی ایجاد می‌گردد. خطوط راه آهن کج میشوند. زمین لغزش‌های قابل ملاحظه‌ای در کنار رودخانه‌ها و شیبهای تند اتفاق می‌افتد. آب روی ساحل پاشیده می‌شود. خسارات جدی به سدها و مخازن وارد میگردد.
  11. ساختمان‌های کمی, استوار باقی می‌مانند. پل‌ها ویران می‌گردند. خطوط لوله زیرزمینی کاملاً غیر قابل استفاده میشوند. خطوط راه‌آهن به شدت کج میشوند. لغزشهایی در زمینهای نرم ایجاد می شود.
  12. خسارت کامل است, امواج برروی سطح زمین مشاهده میشوند.

مخاطرات زلزله

شکستگی‌های سطح زمین، لرزش زمین و سونامی‌ از جمله خطراتی هستند که زلزله در پی دارد. در اثر جابه‌جایی افقی، عمودی یا ترکیبی (مورب) گسل‌ها گسیختگی‌های سطح زمین اتفاق می‌افتد. لرزش زمین بزرگترین تهدید برای سازه‌ها است. با تعیین گسل‌های فعال از طریق مطالعه رفتار و ثبت حرکات آنها، مهندسان می‌توانند خطرات زلزله را کاهش دهند.

یکی از مخاطرات زلزله روانگرایی خاک است. در برخی موارد مقاومت خاک در اثر لرزش کاهش یافته و موجب روان شدن آن می‌شود که این پدیده روانگرایی خاک (Liquefaction) نامیده می‌شود. در شکل ۴ خرابی‌های ناشی از روانگرایی خاک بعد از زلزله ۱۹۶۴ نیگاتا ژاپن نشان داده شده است.

شکل ۴. خرابی‌های ناشی از روانگرایی خاک بعد از زلزله ۱۹۶۴ نیگاتا (Niigata)[8]

حراکات توده‌ای نظیر زمین لغزش و بهمن نیز ممکن است در اثر زمین لرزه ایجاد شوند که هر یک می‌تواند خرابی‌هایی به بار آورد. به ویژه در شیب‌های تند که جنس خاک نیز ضعیف باشد در اثر زمین لرزه معمولا زمین لغزش نیز اتفاق می‌افتد. در اثر زلزله سال ۱۹۶۲ جامایکا زمین لغزش رخ داد که در اثر آن بخشی از شهر پورت رویال (Port Royal) به دریا ریخته و کشته شدن ۲۰۰۰۰ نفر را در پی داشت. گفتنی است که ساختمان‌های این شهر بر روی شن و ماسه نرم بنا شده بودند. آتش سوزی یکی از مخاطراتی است که بعد از وقوع زمین لرزه سبب بروز مشکلات زیادی می‌شود و آسیب دیدگی شبکه لوله کشی آب در اثر زلزله مهار آن را با مشکل مواجه می‌سازد. سونامی‌ها نوع دیگری از مخاطرات مربوط به زلزله می‌باشند که در مناطق ساحلی صدمات و خرابی‌های زیادی را به بار می‌آورند. در مواردی که مرکز زلزله در کف اقیانوس و یا دریا باشد، سونامی ایجاد می‌شود. سونامی‌ها امواج آب با انرژی بسیار بالا هستند (شکل ۵).

شکل ۵. نمونه ای از یک سونامی که در اثر وقوع زلزله در بستر اقیانوس رخ داده است

تاثیر زمین‌لرزه در خاک عمیق

دوره تناوب‌ امواج لرزه‌ای در سنگ‌ها در حد ۰.۳ ثانیه و در خاک ۱ تا ۴ ثانیه است. هرچه عمق خاک سست بیشتر باشد، دوره تناوب بیشتر هم می‌شود. به این صورت که امواج لرزه‌ای که از اعماق زمین می‌آیند بعد از رسیدن به کف توده خاک نرم، دوره تناوبشان شروع به افزایش می‌کند که هرچه عمق خاک بیشتر باشد، این افزایش در سطح زمین بیشتر می‌شود. دامنه نوسان امواج نیز بعد از  گذر از سنگ به خاک افزایش می‌یابد. دوره تناوب ساختمان‌های چند طبقه برابر با N/10 است که N تعداد طبقات ساختمان است. بیشترین خرابی زمانی ایجاد می‌شود که دوره تناوب امواج با دوره تناوب ساختمان منطبق ‌شود. در اثر این انطباق پدیده تشدید رخ می‌دهد که سبب افزایش صدمات می‌شود. دوره تناوب امواج در خاک‌های عمیق بالا است که با یک سری از ساختمان‌های مرتفع با تعداد طبقات و دوره تناوب خاص برابری کرده و لرزش آنها در زمان وقوع زلزله تشدید می‌شود. این در حالیست که ساختمان‌های با تعداد طبقات کمتر و یا بیشتر سالم می‌مانند. به عبارت دیگر، تخریب انتخابی ساختمان‌ها اتفاق می‌افتد (نظیر زلزله مکزیکوسیتی).

پیش بینی زمین‌لرزه

دو نوع پیش بینی در بحث پیش بینی زلزله مطرح می‌باشد. پیش بینی دراز مدت و پیش بینی کوتاه مدت. یکی از موارد پیش بینی دراز مدت، شناسایی گسل‌هایی با سابقه حرکات تکتونیکی است که با مطالعه رفتار گسل و بررسی شکاف‌های لرزه‌ای ایجاد شده انجام می‌شود. بدیهی است که در اطراف این نوع گسل‌ها احتمال وقوع زلزله بسیار بالا است. مورد دوم مطالعه آماری زمین لرزه‌های رخ داده است. با ترسیم نمودار زلزله‌ها، فاصله زمانی متوسط بین زلزله‌های بزرگ یا دوره بازگشت آنها محاسبه شده و از طریق آن می‌توان زمان احتمالی وقوع زلزله را پیش بینی کرد.

نوع دیگر از پیش بینی زلزله، پیش بینی کوتاه مدت است. در این نوع پیش بینی سعی بر تشخیص پیش نشانگرهای زلزله است که فرصت کافی برای تخلیه قبل از وقوع زلزله فراهم گردد. پیش نشانگرها پدیده‌هایی فیزیکی یا شیمیایی می‌باشند که قبل از وقوع زلزله پدیدار می‌شوند. از جمله این پدیده‌ها تغییر در سرعت امواج لرزه‌ای، تغییر در مقاومت الکتریکی سنگ‌ها، زلزله‌های اولیه (پیش لرزه‌ها)، تغییر در سطح یا ترکیب شیمیایی آب‌ها، و … می‌باشند. یکی از موارد پیش بینی زلزله Haicheng چین است که در سال ۱۹۷۵ یک زلزله ۷.۳ ریشتری پیش بینی شد.

دلیل پدیدار شدن بسیاری از پیش نشانگرها مدل اتساع پذیری است. منظور از اتساع یا ورم کردگی، افزایش حجم سنگ در زمان نزدیک به شکست است که دلیل آن، ایجاد تخلخل در سنگ قبل از بروز شکست است. سنگ‌ها معمولا در اثر تغییر شکل رخ داده در طول یک گسل فعال، قبل از ایجاد گسیختگی اتساع زیادی از خود نشان می‌دهند. در نتیجه موارد زیر ممکن است قبل از وقوع زلزله رخ دهند:

  • آب‌های زیرزمینی وارد سنگ متورم می‌شوند که تخلخل و فضای خالی در آن ایجاد شده است. در نتیجه سرعت امواج لرزه‌ای و مقاومت الکتریکی سنگ‌ تغییر پیدا می‌کند.
  • حرکت آبهای زیرزمینی به سمت سنگ‌های متورم افت سطح آب‌های زیرزمینی را در پی دارد. در نتیجه افت غیر معمول سطح آب چاه‌ها می‌تواند پیش نشانگر زلزله باشد.
  • تغییرات موضعی مشاهده شده در سطح زمین می‌توانند در ارتباط با تغییرات حجمی در اعماق زیاد باشند.
  • گاز رادون از گروه گازهای نجیب است که وزن مولکولی بالایی داشته و از نوع مواد پرتو زا است. در جریان رسوب گذاری و تشکیل سنگ‌های رسوبی در گذشته‌های بسیار دور، این گاز در داخل لایه‌های سنگ‌ها به دام افتاده است. در اثر ایجاد ترک‌ها در سنگ قبل از وقوع زلزله، گاز رادون آزاد می‌شود و مقدار آن در آب چاه‌ها افزایش می‌یابد. بنابراین افزایش ناگهانی گاز رادون در آب چاه‌ها می‌تواند نشانگر وقوع زلزله در ساعات آتی باشد.
  • الگوی فعالیت‌های لرزه‌ای می‌تواند نشانگر یک زلزله قریب الوقوع باشد. این الگو به صورت رشد اولیه در تعداد لرزه‌های کوچک و توقف لرزه‌ها درست قبل از وقوع زلزله است. در لحظه وقوع شکست، مقاومت سنگ بالا می‌رود که به همین دلیل تعداد لرزه‌ها کاهش می‌یابد.
  • رفتارهای عجیب حیوانات نیز می‌تواند پیش نشانگری بر وقوع زلزله باشد. بعضی از حیوانات قادر به حس کردن تغییرات الگوی لرزه‌ها قبل از وقوع زلزله می‌باشند.

علت وقوع زمین لرزه و نواحی مستعد برای آن

بر اساس نظریه تکتونیک صفحه‌ای زمین از چندین صفحه بزرگ تشکیل شده است که این صفحه‌ها بر روی لایه خمیری حرکت می‌کنند. این صفحه‌ها شامل ۸ صفحه بزرگ و چند صفحه کوچک است. در اثر این پدیده بیشتر پدیده‌های زمین شناسی نظیر زلزله، آتشفشان، تولید رشته کوه‌ها و … در مرز بین این صفحات رخ می‌دهند. صفحات زمین پیوسته در حال حرکت آهسته هستند و این حرکات سبب ایجاد گسل‌ها که عامل اصلی ایجاد زلزله‌اند، می‌شوند. در شکل ۶ صفحات مختلف زمین و نواحی مستعد برای زمین لرزه که اغلب در مرز صفحه‌ها واقع شده‌اند، نشان داده شده است. همچنین با توجه به شکل ۷، بسیاری از زمین لرزه‌های با عمق زیاد در مرزهای از نوع همگرا در مناطق فرورانش اتفاق می‌افتند. عمق زمین لرزه‌ها با افزایش فاصله از ترنچ (trench) های اقیانوسی افزایش می‌یابد که این پدیده گواهی بر پدیده فرورانش صفحات نسبت به هم می‌باشد.

شکل ۶. زمین لرزه‌ها نمودهایی از پدیده تکتونیک صفحه‌ای می‌باشند و انطباق زیادی بین مناطق زلزله خیز و مرزهای صفحات زمین   وجود دارد. [۴]

شکل ۷. نقشه افقی (شکل سمت چپ) و مقطع قائم (شکل سمت راست) مربوط به یک منطقه فرورانش. با توجه به این شکل، با افزایش فاصله از ترنچ عمق زلزله افزایش می‌یابد (نقاط قرمز رنگ نشانگر عمق بالای کانون زلزله‌اند).[۵]

منابع

  1. data.allenai.org/tqa/inside_earth_L_0075
  2. “به من بگو چرا و چگونه، نوشته ی آرکادی لئوکوم ،ترجمه سعید درودی ،انتشارات بهزاد،۱۳۹۱”
  3. www.earthquakes.bgs.ac.uk/research/earthquakeActivity.html
  4. oceanservice.noaa.gov/facts/tectonics.html
  5. seismo.berkeley.edu/blog/2015/05/30/it-doesn-t-get-deeper-than-that.html
  6. “مهندسی زلزله، نقی عباسی، انتشارات فروزش، ۱۳۹۵”
  7. Ellsworth, William L. (1991). . USGS: c6, p177. Retrieved ۲۰۰۸-۰۹-۱۴
  8.  Japan National Committee on Earthquake Engineering, Proceedings of the 3rd World Conference in Earthquake Engineering, Volume III, pp s.78-s.105

 

 نویسنده: دکتر توحید نوری – عضو هیئت علمی دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه محقق اردبیلی

واکنش شما چیست؟
I like it
73%
interested
25%
Hate it
2%
What
0%
درباره نویسنده
توحید نوری

دکتر توحید نوری – عضو هیئت علمی دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه محقق اردبیلی

پاسخ بدهید