زلزله چیست

چکیده:
يكي از عوامل مهم و موثردر برنامه ريزي و انجام اقدامات حفاظتي در خصوص ابنيه تاريخي ، زمين لرزه است . دركشور ما بسياري از بناهاي ارزشمند تاريخي در معرض فرسايش توسط عوامل طبيعي و به خصوص زلزله مي باشند و تاكنون نيز با وجود اقدامات مرمتي صورت گرفته ، آسيب هاي جبران ناپذيري از اين موضع بر ميراث فرهنگي وارد شده است. اين نوشتار با طرح تئوريك مبحث زلزله در ارتباط با ابنيه تاريخي ميراث فرهنگي ، حال به شناخت طبيعت اين پديده و ابعاد و وجوه آن مي پردازیم .

زلزله چيست:
حالت خاصي از تغيير شکل توده هاي سنگي است که در آن پديده هاي گسيختگي در مقياس متفاوت رخ مي دهد. يا هر نوع لرزش زمين در اثر عبور امواج لرزه اي زلزله است. عامل ايجاد مواج لرزه اي پاسخ زمين به انرژي هاي اندوخته است. نظريه Elastic rebound که پس از زلزله ۱۹۰۶ سن فرانسيسکو توسط رايد (Reid) ارائه گرديده و قادر است نحوه بروز زلزله را به وسيله اعمال تنش به طرفين يک گسل، به صورت ذيل توجيه نمايند: اجسام در برابر نيرو تا حد الاستيک

مقاومت کرده و انرژي را در خود ذخيره مي کنند اما با افزايش تنش در بيش از حدالاستيک، سنگ مي شکند و امواج لرزه اي را آزاد مي کند و بعد به شکل اوليه خود برمي گردند. اگر اين نيرو در اعماق به سنگ وارد شوند سنگ خاصيت شکل پذير از خود نشان مي دهند. عمقي که در آن زمين لرزه رخ مي دهد زون لرزه زا( (schisosphere ناميده مي شود.

مشخصات زلزله
کانون ژرفي يا مرکز زلزله ( Hypocenter) يا (Focus): جايي است که در اثر گسيختگي در پوسته امواج لرزه اي آزاد مي شود.
كانون سطحي زلزله (Epicenter): نزديکترين فاصله کانون به سطح زمين است كه به طور طبيعي داراي بيشترين شدت لرزش است.

ژرفاي زلزله (Focal Depth): فاصله بين کانون ژرفي زلزله تا سطح زمين است.
فاصله زلزله (R): فاصله بين مرکز سطحي تا ايستگاه ثبت زلزله است.
زلزله ها بر پايه ژرفا به انواع زير تقسيم مي شوند:
– زلزله هاي کم ژرفا: با عمق کمتر از ۷۰ كيلومتر

-زلزله هاي با ژرفا متوسط: عمق ۳۰۰-۱۰۰ كيلومتر
-زلزله هاي باژرفاي بيشتر از ۳۰۰ كيلومتر

گروه زلزله:( Earthquake group)
زلزله يک لرزش واحد نيست بلکه به صورت دسته اي از لرزشها ست.اگر نمودار گروه زلزله را در طول زمان رسم کنيم يک لرزه شاخص يا وجود دارد که بزرگترين لرزش است .زمين لرزه هايي قبل از لرزش اصلي ( Main shock ) پيش لرزه و لرزه بعد از زلزله اصلي را پس لرزه گويند.معمولا پس لرزه ها فراوان ترند.

شکل(۱): مشخصات زلزله
عوامل موثر در ايجاد زلزله :

الف) زلزله هاي مصنوعي
به طور خلاصه عوامل زير باعث ايجاد اين زلزله ها مي شوند:
– پر و خالي کردن مخازن و درياچه هاي سدهاي بزرگ با طول تاج بيشتر ۱۰۰ m
– ايجاد چاههاي بهره برداري و تزريق آب
– انفجارات هسته اي
– انفجارات معادن و باربرداري از آنها به صورت برداشتن حجم زيادي از سنگها
ب ) زلزله هاي طبيعي
– فورانهاي آتشفشاني
-فروريختن غارهاي زيرزميني
– زمين لرزه هاي تکتونيکي : که ۹۰% زلزله ها از اين نوعند.

نحوه آزاد شدن انرژي :
– پيشلرزه :
گاهي پيش از بروز زلزله اصلي , لرزه هايي با بزرگي کمتر از زلزله اصلي به وقوع مي پيوندد که معمولا فراواني آنها با نزديک شدن به زمان وقوع لرزه اصلي افزايش مي يابد.

– لرزه اصلي :
در اينجاست که بيشترين انرژي ذخيره شده در محيط به يکباره آزاد مي شود .

-پسلرزه:
لرزه هاي خفيفي است که اغلب پس از لرزه اصلي در پيرامون کانون زلزله روي ميدهند.فراواني آنها با گذشت زمان کاهش مي يابد.
-دسته لرزه :
مجموعه اي از لرزه هاي رويداده در يک منطقه که در مقطع زماني هفته يا ماه به وقوع مي رسد. فراواني آنها پس از رسيدن به يک حد بيشينه کاهش مي يابد.
– ريز لرزه :
زلزله هايي با بزرگاي ۳ يا کوچکتر مي باشند.اغلب افزايش ناگهاني و منظم آنها نشانه قريب الوقوع بودن زمين ه : لرزه اصلي را نشان مي دهد.(شکل۲).

امواج زلزله (Earthquake waves):
الف) امواج دروني (پيکره اي( Body waves :
اين امواج از درون زمين عبور مي نمايند، بدين ترتيب که از سرچشمه به تمام جهات انتشار مي يابند. از اين رو به امواج آزاد (Free waves) نيز معروفند.

امواج دروني ۲ نوعند:
۱- موج اوليه (طولي، فشاري، کششي)( longitudinal wave ): اولين موجي که توسط گيرندهاي زلزله ثبت مي شوند . علت سرعت بالاي آن نظير امواج صوتي، امتداد ارتعاش ذراتش در امتداد انتشار آن است. اين حرکت سبب ايجاد انقباض و انبساط در محيط خود مي شوند ولي هيچگونه تغيير شکل برشي در آنها به وجود نمي آيند. اين امواج در تمام محيطها (جامد، مايع، گاز) حرکت مي کنند . سرعت حرکت موجهاي P در يک محيط همگن تابع دانسيته (چگالي) _ انعطافپذيري (ميزان الاتيسته) آن مي باشد. سرعت حرکت موج P از رابطه زير به دست مي آيد.
VP= E E مدول يانگ ، V ضريب پواسيون ، P دانسيته

موج اوليه در راستاي ارتعاش مي باشد. موج سبب تغيير حجم اجسام مي گردد .عملکرد اين موج در هنگام زلزله بصورت ايجاد صدا , تکان دادن درب ها و پنجره ها مي باشد( شکل۳).

شكل۲- ريز لرزه

شكل۳

۲- موج برشي transversal waves)) :
دومين موجي که توسط دستگاههاي زلزله ثبت مي شوند، موج ثانويه يا S است. جهت حرکت اين موجها عمود بر جهت انتشار آنها ميباشد. اين امواج تنها از محيطهاي جامد عبور مي کنند چرا که سيالات تحت تاثير واتنش برشي قرار نمي گيرند, بنابراين آنها را موج برشي نيز مي نامند. اين امواج باعث تغيير شکل در اجسام مي شود ولي هيچگونه تغيير حجمي را ايجاد نمي کند. سرعت اين امواج کمتر از امواج p است(شکل۴- الف).
موجهاي برشي بر حسب حرکات خود به ۲ صورت ديده مي شوند.
۱- موج SH )موج برشي افقي)
۲- موج SV )موج برشي عمودي) – سرعت موج S کمتر از موج P است.

ب) امواج سطحي (Surface waves):
اين امواج پس از برخورد امواج حجمي به سطوح انفصالي ايجاد و سپس در امتداد سطح زمين يا سطوح ناپيوستگي زيرزمين يا سطح آب منتشر مي گردند. امواج سطحي ۲ دسته اند.

۱- موج لاو (LQ):
سومين موجي است که توسط لرزه نگاشتها ثبت مي شوند. حرکت اين امواج شبيه به مولفه افقي برشي (SH) است, از اين رو فقط در لرزه نگاشتهاي افقي ثبت مي شوند. در سطوح ناپيوستگي پوسته انتشار مي يابند. سرعت موج لاو با موج S برابر است ولي از آنجايي که موج S مستقيما از عمق حرکت مي کند, زودتر از موج لاو به ايستگاه لرزه نگاري مي رسد(شکل ۴- ب).

۲- موج ريلي (rayleih): چهارمين موجي است که توسط گيرندهاي لرزه اي ثبت مي شوند. حرکت اين امواج بر روي يک صفحه قائم منطبق بر امتداد انتشار آن در يک مدار بيضيوي قهقرايي صورت مي پذيرد و در بالاترين نقطه مسير در خلاف جهت انتشار موج است . يعني شبيه موج اقيانوس , تنها با اين تفاوت که ذرات آب در اين حالت در جهت انتشار موج است به عبارت ديگر اين موج ترکيبي از دو موج P و مولفه قائم موج برشي (SV) مي باشد. لذا هر دو لرزه نگاشت افقي و قائم آنرا ثبت مي کنند. سرعت اين امواج ۹۲/۰ موج S است(شکل۵).

قدرت تخريب اين امواج به اين صورت است: LR> LQ> S> P :

شكل ۴(الف: سمت چپ و ب: سمت راست)

شكل ۵

قياس هاي سنجش قدرت زلزله
الف) شدت زلزله (Earthquake intensity):
يک مقياس مشاهده اي و غير دستگاهي است که بستگي به فاصله کانون تا مکان مورد نظر، مدت دوام لرزش، نوع خاک، عمق سنگ کف دارد. مقياس شدت زلزله مرکالي است که در سال ۱۹۰۲ بين ۱۰ – ۱ است. در ۱۹۳۲ مقياس اصلاح شده مرکالي (MMI) که از ۱۲ – ۱ است.

نوع سازه ها:

نوع A: طراحي خوب، اجزاء خوب، همراه با بتون و تيرآهن.
نوع B: داراي تيرآهن و بتون مي باشد اما طراحي و اجراي خوبي ندارند در مقابل نيروهاي جانبي مقاوم نيست.
نوع C: طراحي و اجزاء معمولي است. در سازه از سيمان استفاده شده ولي در مقابل نيروهاي جانبي مقاوم نيست.

نوع D: بدون طراحي ساخته شده و سيمان و فلز ندارند و از نظر نيروي جانبي پايدار نيست.

ب) مقياس مرکالي اصلاح شده: (MMI)
مزاياي مقياس مرکالي
۱- بدون وجود ايستگاه لرزه نگاري مي توان شدت زلزله ها را با توجه به خرابي سازه ها اندازه گيري کرد.

۲- براي زمين لرزه هاي تاريخي برآوردي ميتوان ارائه داد.
معايب اين واحد:
۱- گزارشات غير واقعي و گزافه گويي در شرح زلزله
۲- مناطقي که هيچ نوع حياتي در آن وجود ندارد.
۳- دقت شدت زلزله پائين است.
از روي شدت زلزله مي توان منحني هاي هم شدتIsolseismical line را رسم نمود.
جدول تعيين شدت خرابي بر اساس مقياس مرکالي;

توصيف- ميزان تخريب- نوع احساس- مقياس:

I (یک مرکالی اصلاح شده) :احساس نمي شود, مگر در شرايط ويژه.تنها توسط دستگاه هاي لرزه نگار قابل ثبت است(شكل۱).
II (دو مرکالی اصلاح شده) :توسط افراد در حال استراحت و در طبقات بالاي ساختمان ها حس مي شود.برخي اشياء آويزان ممکن است نوسان کنند (شكل۲).

III (سه مرکالی اصلاح شده) :در فضاي باز و در طبقات بالايي ساختمان ها کاملا قابل احساس است.مردم آنرا بصورت زلزله شناسايي نمي کنند .ارتعاش مانند عبور کاميون است. مدت زمان لرزش قابل تخمين است(شكل۳).

IV (چهار مرکالی اصلاح شده) :در طي روز در فضاي بسته توسط افراد زيادي حس مي شود و در فضاي باز عده معدودي حس مي کنند.در شب عده اي را از خواب بيدار مي کند .بشقاب ها ,پنجره ها و درب ها تکان خورده و صدا مي کنند. در ماشين هاي ايستاده ارتعاش قابل درک است.(شكل۴).

V (پنج مرکالی اصلاح شده) :زلزله توسط هر فردي قابل احساس است. بسياري ازخواب بيدار مي‌شوند. برخي از پنجره‌ها, بشقابها و غيره شكسته مي‌شوند. گچ‌كاريهاي ساختمانها ترك مي‌خورند. اشياي ناپايدار واژگون مي‌گردند. سر و صداي درختان و ساير اشياي مرتفع شنيده مي‌شود و آونگ ساعتها متوقف مي‌گردند. دربها باز و بسته مي‌شوند و امتداد حركت زمين‌لرزه قابل درك است و قاب عکس ها از جای خود جابجا می شوند(شكل۵(.

VI (شش مرکالی اصلاح شده) :زلزله توسط بسياري از افراد حس مي‌شود و بسياري از مردم وحشت‌زده به فضاي باز پناه مي‌آورند. اشياي سنگين جابجا مي‌شوند و قطعات از گچ‌كاري كنده مي‌شود. دودكشها فرو مي‌ريزند و خسارات جزئي به بار مي‌آيد. افراد به حالت نامتعادل قدم مي‌زنند و يا مي‌ايستند. پنجره‌ها, دربها و بشقابها شكسته مي‌شوند. ساختمانهاي خشتي و ضعيف ترك برمي‌دارند. زنگهاي كوچك به صدا در مي‌آيند..(شكل۶)-ميزان تخريب:افتادن اشياء-نوع احساس:سبک

VII (هفت مرکالی اصلاح شده) :مردم وحشت‌زده به فضاي باز فرار مي‌كنند. خسارت بسيار كمي در ساختمانهايي كه خوب طراحي و ساخته شده‌اند واردمي‌شود. به ساختمانهاي متوسط و معمولي خسارات جزيي و متوسط وارد مي‌گردد. خسارات قابل ملاحظه‌اي در ساختمانهاي ضعيف و بد طراحي شده وارد مي‌شود. خسارت به ساختمانهاي نوع(D) شامل ترك و فرو افتادن گچ‌كاريهاست و آجرهاي سست لق مي‌شوند. تركهايي در ساختمانهاي نوع (C) به وجود مي‌آيد. ايستادن مشكل مي‌شود و اثاثيه شكسته مي‌شوند. زنگهاي بزرگ به صدا در مي‌آيند. زهكشهاي سيماني آبرساني خسارت مي‌بينند. لغزشهاي كوچك اتفاق مي‌افتد..(شكل۷)-ميزان تخريب:تخريب غير سازه-نوع احساس:متوسط

VIII ( هشت مرکالی اصلاح شده): خسارت در ساختمانهايي كه طراحي ويژه شده‌اند, بسيار جزيي است و در ساختمانهاي معمولي نوع (C ) با فروريزشهاي جزيي همراه است و در ساختمانهاي ضعيف نوع (D) بسيار شديد است. ديوارهاي جداكننده به خارج از قاب ساختمان پرتاب مي‌شوند. دودكشها, ستونها, ديوارها و دودكشهاي كارخانه‌ها و سنگهاي يادبود سقوط مي‌كنند. اشياي سنگين واژگون مي‌گردند. تغييراتي در سطح آب چاهها ايجاد مي‌شود. ماسه و گل به مقدار كم بيرون زده مي‌شوند. رانندگي مشكل مي‌گردد. تركهايي در زمينهاي مرطوب و شيبهاي ملايم ايجاد مي‌شود. تغييراتي در آب و درجه حرارت چشمه‌ها و چاهها ايجاد مي شود. خانه‌هاي اسكلت دار بر روي سطح پي حركت مي‌كند. شاخه‌هاي درختان شكسته مي‌ شوند..(شكل۸)-ميزان تخريب:تخريب سازه اي در حد متوسط-نوع احساس:سنگين

IX ( نه مرکالی اصلاح شده) :خسارت قابل ملاحظه‌اي در ساختمانهايي كه طراحي ويژه شده‌اند, ايجاد مي‌شود. ساختمانهاي اسكلتي خوب طراحي شده كج ميشوند. ساختمان بر روي پي تغيير مكان مي‌دهد. تركهايي آشكار در زمين ايجاد مي‌گردد. خطوط لوله زيرزميني شكسته مي‌شوند. وحشت عمومي بر مردم غالب مي‌شود. ساختمانهاي نوع (D) ويران مي‌گردند و بر ساختمانهاي نوع (C ) خسارت سنگين وارد مي‌گردد و گاهي كاملاً فرو مي‌ريزند. ساختمانهاي نوع (B) خسارت جدي مي‌بينند و خسارت اساسي به پي وارد مي‌گردد. در مناطق آبرفتي ماسه و گل بيرون مي‌آيند. ميزان تخريب: تخريب سازه در حد زياد- نوع احساس:مخرب (شكل۹)
X ( ده مرکالی اصلاح شده): سازه‌هاي چوبي خوب ساخته شده ويران مي‌شوند. بسياري از سازه‌هاي اسكلت‌دار بنايي به همراه پي ويران مي‌شوند. در زمين تركهاي بزرگي ايجاد مي‌گردد. خطوط راه آهن كج مي‌شوند. زمين لغزشهاي قابل ملاحظه‌اي در كنار رودخانه‌ها و شيبهاي ملايم اتفاق مي‌افتد. آب سر و صداهاي زيادي (چلپ و چلوپ) مي‌كند. خسارات جدي به سدها و مخازن وارد مي‌گردد. در زمين, لغزشهاي بزرگ اتفاق مي‌افتد و آب از مخازن و كانالها و رودخانه‌ها و درياچه‌ها و غيره بيرون ريخته مي‌شود. (شكل۱۰) ميزان تخريب:فاجعه -نوع احساس:بسيار مخرب

XI ( یازده مرکالی اصلاح شده): :ساختمانهاي كمي, استوار باقي مي‌مانند. پلها ويران مي‌گردند. خطوط لوله زيرزميني كاملاً غير قابل استفاده مي‌شوند. خطوط راه‌آهن به شدت كج مي‌شوند. زمين باتلاقي مي‌شود. لغزشهايي در زمينهاي نرم ايجاد مي شود. (شكل۱۱) .

XII
( دوازده مرکالی اصلاح شده) : خسارت كلي, امواج برروي سطح زمين مشاهده مي‌شوند. اشياء به هوا پرتاب مي‌شوند و سنگهاي بزرگ جابجا مي شوند. (شكل۱۲) .

جدول تعيين شدت خرابي بر اساس مقياس مرکالي اصلاح شده(MMI)