استكشاف باطن الأرض بالموجات الزلزالية

كيف يتم بناء خرائط المخاطر الزلزالية؟

من المهم معرفة بأنه في العديد من المناطق تتوفر الآن خرائط التوقعات الزلزالية أو خرائط المخاطر لأغراض التخطيط، حيث يتم تمثيل شدة اهتزاز الأرض المتوقعة برقم يسمى تسارع الذروة أو سرعة الذروة، لتجنب نقاط الضعف الموجودة في خرائط مخاطر الزلازل الأرضية يتم اعتماد المبادئ العامة التالية عادة:

1. يجب أن تأخذ الخريطة في الاعتبار ليس فقط حجم الزلازل ولكن أيضاً تواترها.

2. يجب أن يستخدم النمط الإقليمي الواسع النطاق الزلزالي التاريخي كقاعدة بيانات بما في ذلك العوامل التالية: الاتجاهات التكتونية الرئيسية، ومنحنيات تخفيف التسارع وتقارير الشدة.

3. يجب تحديد الأقلية عن طريق خطوط كفاف ذات معلمات تصميم تشير إلى أرقام مرتبة على خطوط كفاف مجاورة (يقلل هذا الإجراء من الحساسية المتعلقة بالموقع الدقيق لخطوط الحدود بين المناطق المنفصلة).

4. يجب أن تكون الخريطة بسيطة ولا تحاول تقسيم المنطقة.

5. لا ينبغي أن يحتوي السطح المحيطي المحدد على نقاط توقف، بحيث يتقدم مستوى الخطر تدريجياً وبالترتيب عبر أي ملف تعريف مرسوم على الخريطة.

تطوير هياكل مقاومة لتجنب مخاطر الزلازل:

يمكن تطوير تصميمات هيكلية هندسية قادرة على مقاومة القوى المتولدة عن الموجات الزلزالية، إما باتباع قوانين البناء القائمة على خرائط المخاطر أو عن طريق طرق التحليل المناسبة، تحتفظ العديد من البلدان بتحليلات هيكلية نظرية للمباني الأكبر والأكثر تكلفة أو الحرجة التي سيتم تشييدها في أكثر المناطق نشاطاً زلزالياً مع طلب أن تتوافق الهياكل العادية مع قوانين البناء المحلية.

عادة ما تحدد الحقائق الاقتصادية الهدف ليس منع جميع الأضرار في جميع الزلازل، ولكن تقليل الأضرار في الزلازل المعتدلة والأكثر شيوعاً وضمان عدم حدوث انهيار كبير في أقوى شدة، وبالتالي فإن جزءاً أساسياً مما يدخل في القرارات الهندسية المتعلقة بالتصميم، وفي تطوير ومراجعة أكواد التصميم المقاوم للزلازل هو علم الزلازل، بما في ذلك قياس الموجات الزلزالية القوية والدراسات الميدانية للشدة والأضرار واحتمال حدوث الزلازل.

يمكن أيضاً الحد من مخاطر الزلازل من خلال الاستجابة السريعة بعد الزلزال، وتم توصيل أجهزة تسريع الحركة القوية في بعض المناطق الحضرية مثل لوس أنجلوس وطوكيو ومكسيكو سيتي بأجهزة كمبيوتر تفاعلية، كما ترتبط الموجات المسجلة بمقاييس شدة الزلازل، ويتم عرضها بسرعة بيانياً على الخرائط الإقليمية عبر شبكة الويب العالمية.

كيف يتم استكشاف باطن الأرض بالموجات الزلزالية:

من أول خطوات استكشاف باطن الأرض عن طريق الموجات الزلزالية هي التصوير المقطعي الزلزالي، حيث تأتي البيانات الزلزالية المتعلقة بالبنية العميقة للأرض من عدة مصادر، وتشمل هذه الموجات على الموجات الأولية والثانوية (S ،P) في الزلازل والانفجارات النووية وتشتت الموجات السطحية من الزلازل البعيدة واهتزازات الأرض بأكملها من الزلازل الكبيرة.

إن أحد الأهداف الرئيسية لعلم الزلازل هو استنتاج الحد الأدنى من مجموعة خصائص باطن الأرض، وعلى الرغم من التقدم الهائل الذي تم إحرازه في استكشاف البنية العميقة للأرض خلال النصف الأول من القرن العشرين، كان تحقيق هذا الهدف محدوداً للغاية حتى الستينيات بسبب الجهد الشاق المطلوب لتقييم النماذج النظرية ومعالجة الكميات الكبيرة من الزلازل البيانات المسجلة، وقد فتح تطبيق أجهزة الكمبيوتر عالية السرعة ذات التخزين الهائل وقدرات الاسترجاع السريع الطريق أمام تحقيق تقدم كبير في كل من العمل النظري ومعالجة البيانات.

منذ منتصف سبعينيات القرن الماضي درس الباحثون نماذج واقعية لبنية الأرض تشمل الحدود القارية والمحيطية والجبال ووديان الأنهار بدلاً من الهياكل البسيطة، مثل تلك التي تنطوي على تباين مع العمق فقط، بالإضافة إلى ذلك استفادت التطورات التقنية المختلفة علم الزلازل الرصدي، فعلى سبيل المثال تم التعرف على الآثار المترتبة على تقنيات الاستكشاف الزلزالية التي طورتها صناعة البترول (مثل الانعكاس الزلزالي) وتم اعتماد الإجراءات.

كان تطبيق أساليب التصوير ثلاثي الأبعاد على نفس القدر من الأهمية لاستكشاف البنية العميقة للأرض، وأصبح هذا ممكنا من خلال تطوير المعالجات الدقيقة وأجهزة الكمبيوتر سريعة للغاية مع معدات العرض الطرفية.

إن الطريقة الرئيسية لتحديد هيكل باطن الأرض هو التحليل التفصيلي لمخططات الزلازل للموجات الزلزالية، (توفر قراءات الزلازل هذه أيضاً تقديرات لسرعات الموجة وكثافتها ومعاييرها المرنة وغير المرنة في الأرض)، والإجراء الأساسي هو قياس أوقات السفر لأنواع الموجات المختلفة مثل (P و S) من مصدرها إلى تسجيل الزلازل أولاً، ومع ذلك يجب تحديد كل نوع موجة مع مسار شعاعها عبر الأرض.

ترتبط فئة مهمة بشكل خاص من الأشعة بانقطاع السطح الذي يفصل اللب المركزي للأرض عن الوشاح على عمق حوالي 2900 كيلو متر (1800 ميل) تحت السطح الخارجي، ويستخدم الرمز (c) للإشارة إلى انعكاس تصاعدي عند هذا الانقطاع، وبالتالي إذا انتقلت موجة (P) لأسفل من التركيز إلى سطح عدم الاستمرارية المعني، حيث يتم تسجيل الانعكاس الصاعد في موجة (S) في محطة مراقبة مثل الأشعة (PcS) وبالمثل مع (PcP و ScS و ScP).

يستخدم الرمز (K) للإشارة إلى الجزء (من النوع P) من مسار الموجة التي تمر عبر اللب المركزي السائل، وبالتالي فإن الشعاع (SKS) يتوافق مع موجة تبدأ كموجة (S) وتنكسر في اللب المركزي كموجة (P) وتنكسر مرة أخرى في الوشاح، حيث تظهر أخيراً كموجة (S) وتتوافق هذه الأشعة مثل (SKKS) مع الموجات التي عانت من انعكاس داخلي عند حدود النواة المركزية.

إن اكتشاف وجود لب داخلي في عام 1936 من قبل عالم الزلازل الدنماركي إنجي ليمان جعل من الضروري إدخال رموز أساسية إضافية، وبالنسبة لمسارات الأمواج داخل اللب المركزي يتم استخدام الرموز (i AND I) بشكل مماثل لـ (c و K) للأرض بأكملها؛ لذلك (i) يشير إلى الانعكاس لأعلى عند الحد الفاصل بين الأجزاء الخارجية والداخلية من القلب المركزي وI توافق مع الجزء (من النوع P) من مسار الموجة التي تقع داخل الجزء الداخلي.

اكتشاف هياكل باطن الأرض:

أعطت الدراسات مع تسجيلات الزلازل صورة داخل الأرض لغطاء صلب، ولكن متعدد الطبقات ومنقوش على شكل تدفق يبلغ سمكه حوالي 2900 كيلو متر (1800 ميل) والذي يقع في أماكن على بعد 10 كيلو متر (6 أميال) من السطح تحت المحيطات.

الطبقة الصخرية السطحية الرقيقة المحيطة بالعباءة هي القشرة والتي تسمى حدودها السفلية بانقطاع (Mohorovičić)، وفي المناطق القارية العادية تبلغ سماكة القشرة حوالي 30 إلى 40 كيلو متر، وعادة ما تكون هناك طبقة رسوبية سطحية منخفضة السرعة تحتها منطقة تزداد فيها السرعة الزلزالية مع العمق، وتحت هذه المنطقة توجد طبقة تنخفض فيها سرعات الموجة (P) في بعض الأماكن من 6 إلى 5.6 كم في الثانية.

يتميز الجزء الأوسط من القشرة بمنطقة غير متجانسة بسرعات (P) تقرب من 6 إلى 6.3 كم في الثانية، كما تتميز الطبقة الدنيا من القشرة (بسماكة 10 كيلو متر) بسرعات (P) أعلى بكثير تصل إلى ما يقرب من 7 كيلو متر في الثانية.

توجد في أعماق المحيط طبقة رسوبية يبلغ سمكها حوالي كيلو متر واحد، وتحتها الطبقة السفلى من القشرة المحيطية والتي يبلغ سمكها حوالي 4 كيلو متر، كما يُستدل على أن هذه الطبقة تتكون من البازلت الذي تشكل، حيث تمت إضافة بثق الصهارة البازلتية عند التلال المحيطية إلى الجزء العلوي من ألواح الغلاف الصخري أثناء انتشارها بعيداً عن قمم التلال، ثم تبرد هذه الطبقة القشرية أثناء تحركها بعيداً عن قمة التلال وتزداد سرعاتها الزلزالية في المقابل.

تحت الوشاح توجد قذيفة يبلغ سمكها 2255 كيلو متر تظهر الموجات الزلزالية أن لها خصائص سائل، ويوجد في قلب الكوكب نواة صلبة منفصلة نصف قطرها 1216 كم، كما كشفت الأعمال الحديثة مع الموجات الزلزالية المرصودة عن تفاصيل هيكلية ثلاثية الأبعاد داخل الأرض وخاصة في القشرة والغلاف الصخري وتحت مناطق الاندساس وفي قاعدة الوشاح، وفي اللب الداخلي، إن هذه الاختلافات الإقليمية مهمة في شرح التاريخ الديناميكي للكوكب.

تذبذبات الكرة الأرضية طويلة المدى:

في بعض الأحيان تكون الزلازل كبيرة بما يكفي لجعل الأرض بأكملها تدق مثل الجرس، وأعمق نغمة للاهتزاز على الكوكب هي فترة (طول الفترة الزمنية بين وصول القمم المتتالية في قطار موجي) تبلغ 54 دقيقة، لقد نشأت معرفة هذه الاهتزازات من الامتداد الملحوظ في نطاق فترات الحركات الأرضية، التي يمكن تسجيلها بواسطة أجهزة قياس الزلازل الرقمية الحديثة ذات الفترات الطويلة، والتي تمتد عبر الطيف الكامل المسموح به لفترات موجات الزلازل وهي من موجات P العادية بفترات من أعشار الثواني إلى اهتزازات بفترات تتراوح بين 12 و 24 ساعة مثل تلك التي تحدث في حركات المد والجزر الأرضية.

توفر قياسات اهتزازات الأرض بأكملها معلومات مهمة عن خصائص باطن الكوكب، ويجب التأكيد على أن هذه الاهتزازات الحرة تنشأ عن إطلاق الطاقة من مصدر الزلزال ولكنها تستمر لعدة ساعات وأحياناً حتى أيام، أما بالنسبة للكرة المرنة مثل الأرض من المعروف أن هناك نوعين من الاهتزازات ممكنة، ففي النوع الأول يسمى أنماط (S) أو الاهتزازات الكروية، وتحتوي حركات عناصر الكرة على مكونات على طول نصف القطر، وكذلك على طول الظل.

أما في النوع الثاني والذي تم تحديده على أنه أوضاع (T) أو الاهتزازات الالتوائية يوجد قص، ولكن لا يوجد إزاحة شعاعية، التسمية هي (nSl أو nTl) حيث يرتبط الحرفان (n و l) بالأسطح في الاهتزاز، حيث لا توجد حركة، كما يعطى الحرف المنخفض (n) عدداً من الأسطح الداخلية ذات الحركة الصفرية (العقدية) ويشير (l) إلى عدد الخطوط العقدية السطحية.