شدة الزلازل الأرضية والتكتونية

ما المقصود بشدة الزلازل الأرضية؟

يختلف عنف الاهتزاز الزلزالي بشكل كبير في منطقة واحدة متأثرة، ونظراً لأن النطاق الكامل للتأثيرات المرصودة غير قادر على تعريف كمي بسيط يتم تقدير قوة الاهتزاز، بشكل عام بالرجوع إلى مقاييس الشدة التي تصف التأثيرات من الناحية النوعية، يعود تاريخ مقاييس الشدة إلى أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين قبل تطوير أجهزة قياس الزلازل القادرة على القياس الدقيق لحركة الأرض.

منذ ذلك الوقت ارتبطت التقسيمات في هذه المقاييس بتسارع قابل للقياس في اهتزاز الأرض المحلي، ومع ذلك فإن الشدة تعتمد بطريقة معقدة ليس فقط على تسارع الأرض، ولكن أيضاً على فترات وخصائص الموجات الزلزالية الأخرى ومسافة نقطة القياس من المصدر والبنية الجيولوجية المحلية، علاوة على ذلك تختلف شدة الزلزال أو شدته عن حجم الزلزال وهو مقياس لمدى أو حجم الموجات الزلزالية، كما هو محدد بواسطة قراءة جهاز قياس الزلازل.

تم إنشاء عدد من مقاييس الشدة المختلفة خلال القرن الماضي وتطبيقها على الزلازل المدمرة الحالية والقديمة، ولسنوات عديدة كان المقياس الأكثر استخداماً هو المقياس المكون من 10 نقاط والذي ابتكره ميشيل ستيفانو دي روسي وفرانسوا ألفونس فوريل في عام 1878، والمقياس المستخدم الآن بشكل عام في أمريكا الشمالية هو مقياس (Mercalli)، كما تم تعديله بواسطة (Harry O. Wood وFrank Neumann) في عام 1931، حيث تعتبر الكثافة أكثر ملاءمة.

ترتبط شدة (Mercalli) المعدلة تقريباً بتسارع الذروة بحوالي ربع تسارع الجاذبية (g = 9.8 متر أو 32.2 قدم في الثانية المربعة) وسرعات أرضية تبلغ 20 سم (8 بوصات) في الثانية، وتم تطوير مقاييس بديلة في كل من اليابان وأوروبا للظروف المحلية، وتم تطوير المقياس الأوروبي (MSK) المكون من 12 درجة مشابه للنسخة المختصرة من Mercalli.

وباستخدام مقياس الشدة من الممكن تلخيص مثل هذه البيانات الخاصة بالزلزال من خلال إنشاء منحنيات متساوية الشدة، وهي خطوط تربط نقاطاً متساوية الشدة، إذا كان هناك تناسق كامل حول الاتجاه العمودي من خلال تركيز الزلزال فستكون المتساويات عبارة عن دوائر مركز الزلزال (النقطة الموجودة على سطح الأرض مباشرة فوق المكان الذي نشأ فيه الزلزال) كمركز أساسي.

ومع ذلك وبسبب العديد من العوامل الجيولوجية غير المتكافئة التي تؤثر على الكثافة، فإن المنحنيات غالباً ما تكون بعيدة عن الدوران، وغالباً ما يُفترض أن يكون الموضع الأكثر احتمالاً لمركز الزلزال عند نقطة داخل المنطقة ذات الكثافة الأعلى، في بعض الحالات تتحقق البيانات الآلية من هذا الحساب، ولكن ليس من النادر أن يقع مركز الزلزال الحقيقي خارج المنطقة ذات الكثافة الأكبر.

ما المقصود بحجم الزلازل:

حجم الزلزال هو مقياس حجم أو سعة الموجات الزلزالية الناتجة عن مصدر الزلزال، والتي تم تسجيلها بواسطة أجهزة قياس الزلازل، (تم وصف أنواع وطبيعة هذه الموجات في قسم الموجات الزلزالية)، ونظراً لأن حجم الزلازل يختلف اختلافاً كبيراً، فمن الضروري لأغراض المقارنة ضغط نطاق اتساع الموجات المقاسة على مخططات الزلازل عن طريق جهاز رياضي.

في عام 1935 وضع عالم الزلازل الأمريكي تشارلز ف. ريختر مقياساً للزلازل بحجم اللوغاريتم لقاعدة 10 من أقصى سعة للموجة الزلزالية (بألف من الملي متر) المسجلة على مقياس الزلازل القياسي (مقياس الزلازل وود أندرسون الالتواء البندول) في مسافة 100 كيلو متر (60 ميل) من مركز الزلزال.

يتم تقليل السعات التي لوحظت على مسافات مختلفة إلى الاتساعات المتوقعة على مسافة قياسية 100 كيلو متر على أساس الجداول التجريبية، تُحسب مقادير ريختر (ML) على افتراض أن نسبة اتساع الموجة القصوى عند مسافتين معيّنتين هي نفسها لجميع الزلازل وهي مستقلة عن السمت.

طبق ريختر مقياس قوته لأول مرة على الزلازل الضحلة البؤرة المسجلة على بعد 600 كيلو متر من مركز الزلزال في منطقة جنوب كاليفورنيا، في وقت لاحق تم إعداد جداول تجريبية إضافية، حيث يمكن استخدام الملاحظات التي تتم في المحطات البعيدة وعلى أجهزة قياس الزلازل بخلاف النوع القياسي، كما تم تمديد الجداول التجريبية لتغطية الزلازل من جميع الأعماق البؤرية الهامة، ولتمكين تقديرات الحجم المستقلة التي يمكن إجراؤها من ملاحظات الجسم والموجة السطحية.

في الوقت الحالي يستخدم العلماء والمهندسون عدداً من مقاييس القوة المختلفة كمقياس للحجم النسبي للزلزال، يتم تحديد حجم الموجة الأولية (P Mb) على سبيل المثال من حيث سعة الموجة (P) المسجلة على جهاز قياس الزلازل القياسي، وبالمثل يتم تحديد مقدار الموجة السطحية (Ms) من حيث لوغاريتم السعة القصوى لحركة الأرض لموجات السطح مع فترة موجة تبلغ 20 ثانية.

كما هو محدد لا يوجد حد أدنى أو أعلى لمقياس حجم الزلزال، ويمكن لأجهزة قياس الزلازل الحساسة تسجيل الزلازل بمقادير ذات قيمة سلبية وسجلت أقدار تصل إلى حوالي 9.0، (زلزال سان فرانسيسكو عام 1906 على سبيل المثال بلغت قوته 8.25 درجة على مقياس ريختر).

يتمثل الضعف العلمي في عدم وجود أساس ميكانيكي مباشر للحجم على النحو المحدد أعلاه، بدلاً من ذلك هو معيار تجريبي مشابه للحجم النجمي الذي يقدره علماء الفلك، وفي الممارسة الحديثة يتم استخدام مقياس ميكانيكي قائم على أساس سليم لحجم الزلزال أي العزم الزلزالي (M0)، ترتبط هذه المعلمة بالرافعة الزاويّة للقوى التي تنتج الانزلاق على الخطأ المسبب، ويمكن حسابه من كل من الموجات الزلزالية المسجلة ومن القياسات الميدانية لحجم تمزق الصدع.

وبالتالي فإن العزم الزلزالي يوفر مقياساً أكثر اتساقاً لحجم الزلزال بناءً على الميكانيكا الكلاسيكية، ويسمح هذا المقياس باستخدام مقدار علمي أكبر يسمى مقدار العزم (Mw)، ويتناسب مع لوغاريتم اللحظة الزلزالية؛ لذلك لا تختلف القيم بشكل كبير عن قيم (MS) للزلازل المعتدلة.

طاقة الزلازل الأرضية:

يمكن حساب الطاقة في زلزال يمر بموقع سطح معين مباشرة من تسجيلات حركة الأرض الزلزالية، على سبيل المثال كسرعة الأرض، تشير هذه التسجيلات إلى معدل طاقة قدره 105 واط لكل متر مربع (9300 واط لكل قدم مربع) بالقرب من مصدر زلزال متوسط ​​الحجم، يبلغ إجمالي ناتج الطاقة الناتجة عن صدع تمزق في زلزال ضحل 1014 واط مقارنة بـ 105 واط المتولدة في محركات الصواريخ.

يبلغ إجمالي الطاقة السنوية المنبعثة في جميع الزلازل حوالي 1025 (ergs) وهو ما يعادل معدل تشغيل يتراوح بين 10 ملايين و100 مليون كيلو واط، هذا ما يقرب من واحد على ألف من كمية الحرارة السنوية المتسربة من باطن الأرض، و90 في المائة من إجمالي الطاقة الزلزالية تأتي من الزلازل التي تبلغ قوتها 7.0 وما فوق؛ أي تلك التي تكون طاقتها في حدود 1023 إرج أو أكثر.

حدوث الزلازل والجمعات التكتونية:

لم يكن للأنماط الزلزالية العالمية تفسير نظري قوي حتى تم تطوير النموذج الديناميكي المسمى تكتونية الصفائح في أواخر الستينيات، تنص هذه النظرية على أن الغلاف الصخري العلوي للأرض يتكون من ما يقرب من اثني عشر لوحاً كبيراً شبه ثابت يسمى الصفائح، ويبلغ سمك كل من هذه الألواح حوالي 80 كيلو متر (50 ميل)، تتحرك الصفائح أفقياً بالنسبة إلى الصفائح المجاورة بمعدل 1 إلى 10 سم (0.4 إلى 4 بوصات) سنوياً فوق غلاف أقل قوة يسمى الغلاف الموري.

وعند حواف الصفائح حيث يوجد تلامس بين الصفائح المجاورة تعمل القوى التكتونية الحدودية على الصخور، مما يتسبب في حدوث تغيرات فيزيائية وكيميائية فيها، ويتم إنشاء الغلاف الصخري الجديد عند التلال المحيطية من خلال صعود الصهارة وتبريدها من وشاح الأرض، يُعتقد أن الصفائح المتحركة أفقياً يتم امتصاصها في خنادق المحيط، حيث تنقل عملية الاندساس الغلاف الصخري إلى أسفل إلى باطن الأرض، والكمية الإجمالية لمواد الغلاف الصخري المدمرة في مناطق الاندساس هذه تساوي تلك الناتجة عند التلال.

تتفق الأدلة الزلزالية (مثل موقع أحزمة الزلازل الكبرى) في كل مكان مع هذا النموذج التكتوني، وتتركز مصادر الزلازل على طول التلال المحيطية، والتي تتوافق مع حدود الصفائح المتباينة، وفي مناطق الاندساس المرتبطة بحدود الصفائح المتقاربة تحدد الزلازل ذات التركيز المتوسط ​​والعميق موقع الجزء العلوي من لوح الغلاف الصخري الغاطس، تشير الآليات البؤرية إلى أن الضغوط تتماشى مع تراجع الغلاف الصخري تحت القارة المجاورة أو قوس الجزيرة.

تقتصر بعض الزلازل المرتبطة بالتلال المحيطية على صدوع الانزلاق، والتي تسمى أخطاء التحويل والتي تعوض قمم التلال، كما تتميز غالبية الزلازل التي تحدث على طول صدوع القص الأفقية بحركات الانزلاق، تتفق أيضاً نظرية الصفائح التكتونية مع الزلازل العالية التي تصادف على طول حواف الصفائح، حيث تنزلق على بعضها البعض، تشمل حدود الصفائح من هذا النوع والتي تسمى أحياناً مناطق التصدع صدع سان أندرياس في كاليفورنيا ونظام صدع شمال الأناضول في تركيا، إن حدود الألواح هذه هي موقع الزلازل البينية ذات التركيز الضحل.

ومن المهم معرفة أن الزلزالية المنخفضة داخل الصفائح تتوافق مع الوصف التكتوني للصفائح، كما تحدث الزلازل الصغيرة إلى الكبيرة في مناطق محدودة داخل حدود الصفائح، ومع ذلك يمكن تفسير مثل هذه الأحداث الزلزالية داخل الصفيحة من خلال الآليات التكتونية بخلاف حركات حدود الصفائح والظواهر المرتبطة بها.