زلزله

۲۰-۱ آشنایی
زلزله یا زمین لرزه را می توان به عنوان تکانهای ناشی از عوامل طبیعی زمین، تعیف کرد. در بعضی موارد زلزله خفیف است و خسارتی به بار نمی آورد ولی در موارد دیگر، شدت آن زیاد است و طی آن، انرژی فوق العاده ای آزاد می شود و در این حالت خسارات فراوان به بار می آورد(ش ۲۰-۱)

۲۰-۲ – پدیده های ناشی از زلزله
به هنگام وقوع زلزله ، پدیده های مختلفی اتفاق می افتد که به شرح زیر دسته بندی می شوند:

۲۰-۲-۱- لرزش زمین-
به طوری که می دانیم در اثر زلزله، زمین به ارتعاش در می آید و در مواردی که شدت این ارتعاشات زیاد باشد، باعث تخریب ساختمانها می شود. معمولاً قبل و بعد از حرکات اصلی زلزله، ارتعاشات خفیف تری تولید می شود که به ترتیب به نام پیشلرزه و پسلرزه نامیده می شود . مثلاً قبل از زلزله چهارم اردیبهشت ماه ۱۳۳۹ لار، دو زلزله خفیفت تر در دستگاههای لرزه نگار تهران و شیراز ثبت و بعد از زلزله اصلی نیز در حدود ۵۸ لرزه ، خفیف دیگر اندازه گیری شد. همچنین بعد از

زلزله شدید ۱۲ ژوئن ۱۸۹۷ در آسام ، ۵۲۳۷ لرزه خفیف دیگر نیز ثبت شد. معمولاً لرزه های اولیه خفیف است و هر چند به زمان زلزله اصلی نزدیک شویم، شدت لرزه ها زیادتر می شود و بعد از زلزله اصلی، مجدداً شدت آن کاهش می یابد. این مسئله، در مورد تعداد لرزه ها نیز صادق است یعنی، هرچقدر لرزه اصلی نزدیکتر شود، تعداد لرزه ها زیاد تر می شود وبعد از زلزله اصلی، فواصل زمانی بین لرزه ها افزایش می یابد. مثلاً در مورد زلزله لار ،در فاصله ۴۸ ساعت اول بعد از زلزله اصلی ، ۱۶ زلزله فرعی دیگر روی داد در صورتی که در فاصله ۴۸ ساعت، دوم ، فقط ۹ زلزله ثبت شد.

بایستی توجه داشت که تمام زلزله ها همراه با پیشلرزه نیستند و نیز پیشلرزه ها را همیشه نمی توان مقدمه وقوع یک زلزله بزرگ دانست زیرا در بسیاری موارد، لرزش های خفیفی ثبت شده که حرکات شدیدی به دنبال نداشته است. گاهی نیز یک زلزله مخرب ، خود پیشلرزه زلزله فوق العاده مخربی بوده که به دنبال آن اتفاق افتاده است.

۲۰-۲-۲- صداهای زلزله-

غالباً وقوع زلزله توأم با صداهائی است که در بعضی موارد، به وسیله گوش انسان نیز قابل تشخیص است . بدیهی است این صداها، غیر از صداهای ناشی از اثرات زلزله مثل تخریب ساختمانها و نظایر آن است.

صداهای زلزله در بعضی موارد شبیه رعد و گاهی نیز نظیر صداهای وزش باد، انفجار گلوله های بزرگ توپ و نظایر آن است.
تولید این صداها به خاطر ایجاد امواج ارتعاشی است که در اثر زلزله به وجود می آیند ولی فقط در بعضی موارد فرکانس آنها در حد شنوائی گوش انسان و قابل شنوائی است.

۲۰-۲-۳- نورهای زلزله-

به هنگام وقوع بعضی از زلزله ها، آثار نورانی مختلف مثل نورافشانی در آسمان، برق، جرقه های نورانی ونظایر آن دیده شده است. حتی در زلزله بزرگ ناحیه وژ در سپتامبر۱۶۶۹ ، شعله های آتش در حال خروج از زمین ، دیده شد. هنوز وابستگی مستقیم این آثار به زلزله مورد بحث دانشمندان است و به عقیده اغلب زلزله شناسان، این نورها، ناشی از اثرات ثانوی زلزله است. هرچند در مناطق مسکنونی می توان نور و آتش را مربوط به اثرات ثانوی زلزله دانست ولی در بعضی موارد، در کوهستانها و نیز در سطح دریاها نظیر این نور دیده شده که هنوز پاسخ درستی برای آن پیدا نشده است.

۲۰-۲-۴- حرکات آب دریاها-
هنگامی که کانون زلزله در کف دریا یا در نزدیکی های آن واقع باشد، در اثر زلزله، امواج متعددی در آب تولید می شود که به نام تسونامی معروف است. این امواج سهمگین به بدنه کشتی ها می خورد و باعث ارتعاش آنها می شود. در اثر این امواج، آب دریا با شدت به ساحل برخورد می کند و بعضی وقتها، قسمتی از سواحل را آب فرا می گیرد. امواج مزبور در بعضی موارد، باعث تخریب ساختمانهای ساحلی می شود. زلزله مهمی که در ۲۷ نوامبر ۱۹۴۵ در دریای عمان اتفاق افتاد باعث بالا آمدن شدید آب دریا و بروز خسارات زیاد در سواحل پاکستان و هندوستان شد. عده ای عقیده دارند که طوفان نوح نیز در اثر زلزله ای که کانون آن در خلیج فارس بوده، حادث شده است.

۲۰-۲-۵- تغییر مشخصات آب چشمه ها-
در اثر زلزله ، غالباً در وضع آب چشمه ها وچاهها نیز تغییراتی به وجود می آید زیرا در اثر ارتعاش، مجاری زیرزمینی تنگ و یا گشاد شده و در بعضی موارد، ممکن است کاملاً مسدود شود. دمای آب چشمه های معدنی نیز ممکن است در اثر مخلوط شدن با آبهای دیگر تغییر کند مثلاً آب یکی از چشمه های معدنی سوئیس به نام “پلان دو فازی” در اثر زلزله ۱۹ مارس ۱۹۳۵ خشک شد و بعد از اینکه با حفر تعدادی چاه ، توانستند مجدداً به آب دسترسی پیدا کنند، میزان آبش سه برابر شد ولی دمای آن، از ۲۸ به ۲۴ درجه سانتیگراد تقلیل پیدا کرد و نیز دمای یکی از چشمه های همین منطقه، پس از زلزله، از۱۸ به ۲۳ درجه سانتیگراد افزایش یافت.

۲۰-۲-۶- ایجاد شکاف و گسله-
در بعضی موارد، در اثر زلزله، تعدادی شکاف در زمین به وجود می آید و گاهی نیز گسله هائی تشکیل می شود. به عنوان مثال می توان گسله معروف سان آندریاس واقع در ایالت کالیفرنیا نام برد.از سال ۱۸۷۴ که مطالعات زمین شناسی این منطقه آغاز شد، تعدادی ایستگاه نقشه برداری در محل به وجود آمد، که موقعیت دقیق آنها محاسبه شده بود. در سال ۱۹۰۶ زلزله ای در منطقه اتفاق افتاد که در نتیجه آن گسله سان آندریاس تشکیل شد (ش ۲۰-۲) . به طوری که از شکل پیداست، ایستگاههای نقشه برداری A تا G پس از گسله کاملاً تغییر مکان یافت و به کمک موقعیت این ایستگاهها ، می توان لغزش گسله را محاسبه کرد.

 

۲۰-۳- کثرت وقوع زلزله
امروزه به کمک شبکه لرزه سنج هائی که در اغلب کشورها نصب شده است ، می توان وقوع اکثر زلزله ها را ثبت کرد ولی هیچگونه قانونی برای زمان تناوب زلزله نمی توان قائل شد. به عبارت دیگر پس از وقوع زلزله، نمی توان گفت که تا چه زمانی، دیگر زلزله روی نخواهد داد و یا اینکه زلزله بعدی ، کی به وقوع خواهد پیوست. بدیهی است ، با توجه به زلزله خیزی منطقه می توان مسئله را از نظر آمار و احتمالات بررسی کرد و به عنوان مثال گفت که در منطقه ،به طور

متوسط هر سال ۵ زلزله روی می دهد. مثلاً در ۳۱ اکتبر ۱۹۳۵ در هلنا مونتانا زلزله ای به وقوع پیوست ودر اثر آن، دو نفر کارگر که مشغول مرمت خرابی های ناشی از زلزله دو هفته قبل بودند، جان خود را از دست دادند. در بعضی نقاط زلزله خیز، بارها دیده شده که به فاصله چند ساعت، چندین زلزله مخرب روی داده است. مثلاً در نهم شهریور ۱۳۴۸ ، زلزله ای در کاخک خراسان روی داد که در اثر آن ۱۱۰۰۰ نفر کشته شدند و فردای همانروز،یعنی دهم شهریور، زلزله دیگری در فردوس خراسان روی داد که باعث مرگ ۲۰۰۰ نفر دیگر شد.

 

۲۰-۴- کانون و مرکز زلزله
نقطه ای را که امواج از آن منتشر می شوند به نام کانون زلزله می خوانند . اگر از کانون زلزله ، که معمولاً در زیر سطح زمین قرار دارد، خطی برسطح زمین عمود کنیم، محل تلاقی این خط را با سطح زمین به نام مرکز زلزله می خوانند. فاصله کانون و مرکز زلزله به نام عمق کانون زلزله نامیده می شود.(ش ۲۰-۳) معمولاً زلزله ها را از نظر عمق کانون به سه دسته زیر تقسیم می کنند:
الف – زلزله های عمیق که عمق کانون آنها بیش از ۳۰۰ کیلومتر است.

ب- زلزله های متوسط که عمق کانونشان ۷۰ تا ۳۰۰ کیلومتر کمتر است.
ج- زلزله های کم عمق که عمقشان از ۶۰ کیلومتر کمتر است.
نحوه محاسبه عمق کانون زلزله را بعداً شرح خواهیم داد.

۲۰-۵- شدت زلزله
شدت یک زلزله در نقاط مختلف متفاوت است و طبیعتاً هر چقدر از مرکز زلزله دورتر شویم. از شدت آن کاسته می شود. بنابراین، همراه با کلمه شدت زلزله، همواره بایستی محلی را که در آن شدت زلزله اندازه گیری شده است ، ذکر کرد.
در قدیم، برای اندازه گیری شدت زلزله، از مقیاس های احساسی استفاده می شد. بر مبنای این مقیاس ها ، زلزله ها برحسب میزان خسارت و نحوه ارتعاشات طبقه بندی می شدند. مثلاً براساس طبقه بندی ای که در ۱۸۸۳ به وسیله دو دانشمند به نام های روسی و فورل پیشنهاد شد و به نام مقیاس R.F. خوانده می شود. زلزله ها به ۱۰ درجه تقسیم می شوند. این تقسیم بندی، برمبنای واژگون شدن لوازم منزل، صدای زنگ کلیساها ، سرنگون شدن دودکشها و مسائلی نظیر آن انجام شده بود. در سال ۱۹۳۱ مقیاس دیگری به نام مقیاس اصلاح شده مرکالی(M.M) پیشنهاد شد که براساس آن، زلزله به ۱۲ طبقه به شرح زیر طبقه بندی می شوند:

I- زلزله به قدری خفیف است که کسی آن را حس نمی کند ولی ممکن است باعث پریدن ناگهانی پرنده ها از درختان شود.
II- زلزله به وسیله شخصی که در حال استراحت است، به خصوص در طبقات بالا، حس می شود.
III – در داخل منازل، زلزله احساس می شود و لامپهای معلق شروع به نوسان می کنند. ارتعاشات حاصله نظیر ارتعاشات ناشی از عبر کامیونها از نزدیکی منازل است.

IV- ارتعاشاتی نظیر عبور کامیونهای سنگین، از نزدیکی منزل احساس می شود. در و پنجره ها به صدا در می آید و دیوارهای چوبی مختصراً شکاف بر می دارد.
V- این زلزله، در خارج از ساختمانها و منازل نیز احساس می شود و در اثر آن، درها باز و بسته شده ، نوسانات ساعتهای دیواری نامنظم می شود و ممکن است بایستد.

VI- زلزله به وسیله تمام مردم احساس می شود. مردم از خانه ها بیرون می ریزند و شیشه پنجره ها شکسته می شود و بعضی از ساختمانها شکاف بر می دارد.

VII- ایستادن مشکل می شود و رانندگان اتومبیل ها نیز زلزله را احساس می کنند. مبل و صندلی ها واژگون می شود و ساختمانهای سست خسارت می بینند.
VIII – ساختمانهای معمولی خسارت می بیند و بعضی از آنها به کلی خراب می شود. ساختمانهای محکم نیز خسارت می بینند. دودکش کارخانه ها می افتد و شاخه درختان کنده می شود. دمای آب چشمه ها تغییر می کند و زمین شکاف بر می دارد.
IX- ساختمانهای سست به کلی تخریب وبه ساختمانهای معمولی خسارت زیادی وارد می شود. ساختمانهای محکم خسارت می بینند و لوله کشی آب صدمه می بیند. در زمین شکافهای مشخصی به وجود می آید.

X- اغلب ساختمانها خراب می شود وحتی پایه آنها نیز فرو می ریزد. پلها خسارت می بیند و به سدها صدمه وارد می شود. راه آهن در بعضی نقاط خمیدگی پیدا می کندو آب رودخانه ها از بستر بیرون می ریزد.
XI – لوله کشی های زیرزمینی به کلی شکسته شده و

خطوط راه آهن خم می شود و انحنا بر می دارد.
XII – همه چیز خسارت می بیند و سنگهای بزرگ جابه جا می شوند. بعضی از اجسام ممکن است به هوا پرتاب شوند.

۲۰-۶- شدت مطلق یا بزرگی زلزله
به طوری که دیده می شود ، تقسیم بندی یاد شده نیز، مبنای دقیقی برای طبقه بندی زلزله ها نیست. تقسیم بندی دقیق تر زلزله را می توان به کمک شدت مطلق و یا بزرگی انرژی ناشی از آنها انجام داد.
مطابق تعریف ، شدت مطلق یا بزرگی زلزله عبارتست لگاریتم دامنه ماگزیمم نوسان آن زلزله (برحسب میکرن)، که به وسیله لرزه سنجی که در فاصله ۱۰۰ کیلومتری مرکز زلزله نصب شده است، در روی لرزه نگاشت رسم شود. بدین ترتیب ، اگر حداکثر دامنه نوسان موج را روی لرزه نگاشت یاد شده به a نشان دهیم، شدت مطلق زلزله(M) از رابطه زیر بدست می آید:

(۲۰-۱)M=log a

بدیهی است قبل از وقوع زلزله ، این امکان وجود ندارد که لرزه سنج را در صد کیلومتری زلزله قرار دهندولی به کمک جداول آماری ، می توان توسط نتایج حاصله از لرزه سنج هائی که در فواصل مختلف قرار گرفته اند ، شدت مطلق زلزله را به طور تقریبی محاسبه کرد.
مطابق رابطه (۲۰-۱) ، در حالتی که دامنه نوسان موج، در لرزه نگاشت واقع در صد کیلومتری مرکز زلزله ،یک میکرون باشد ، شدت مطلق زلزله صفر است .حداکثر شدت مطلقی که تا به حال اندازه گیری شده، ۹ بوده است و براساس مطالعات انجام شده ، احتمال وقوع زلزه ای که شدت مطلق آن بیش از ۹ باشد فوق العاده بعید به نظر می رسد.
از سال ۱۹۰۰ تا به حال زلزله ای که شدت مطلق آن بیش از ۵/۸ باشد اندازه گیری نشده است. شاید شدت مطلق زلزله مشهور لیسبون در سال ۱۷۵۵ ، که در نیمی از اروپا تأثیر داشته ، به حدود ۹ برسد.

۲۰-۷- انرژی زلزله
به طور کلی می توان گفت انرژی آزاد شده به وسیله زلزله فوق العاده زیاد است. به عنوان مثال، انرژی مربوط به یک زلزله نسبتاً شدید، چندین میلیون برابر انرژی ای است که، توسط یک بمب اتمی استاندارد آزاد می شود.
بدیهی است که شدت مطلق زلزله، تابع میزان انرژی آن است.انرژی ناشی از زلزله معمولاً برحسب ارگ(دین برسانتیمتر مربع) بیان می شود. برای محاسبه انرژی زلزله، مطالعات زیادی انجام و فرمولهای متعددی ارائه شده است که یکی از معروفترین آنها فرمولی است که توسط گولیتسین پیشنهاد شده و به شرح زیر است:
(۲۰-۲)

در این رابطه ، E انرژی زلزله، V سرعت سیر امواج زلزله ، جرم مخصوص قسمتهای بالائی پیوسته زمین، دامنه موج و T زمان تناوب ارتعاشات است.
مطالعات نشان داده که انرژی زلزله از ۱۰۱۰ (در مورد زلزله با شدت مطلق ۱) تا ۱۰۲۶ ارگ( برای زلزله با شدت ۹ ) تغییر می کند.
امروزه معمولاً زلزله ها را از نظر انرژی حاصله دسته بندی می کنند و بر این اساس، ریشتر زلزله ها را به نه گروه به شرح جدول ۲۰-۱ تقسیم بندی کرده است.
بین انرژی زلزله وکثرت وقوع آن نیز رابطه ای وجود دارد یعنی زلزله های با انرژی زیاد معمولاً کمتر از زلزله های خفیف حادث می شوند.
معمولاً زلزله ها را با توجه به تمام مشخصات به پنج دسته c,b,a d, و e تقسیم می کنند که مشخصات آنها در جدول ۲۰-۲ درج شده است . در جدول ۲۰-۳ نیز انرژی حاصله از چند زلزله مشهور درج شده است.

۲۰-۸ – لرزه سنج ها
لرزه سنج ها وسایلی هستند که به کمک آنها می توان ارتعاشات زمین را اندازه گیری کرد.
هرچند لرزه سنج ها انواع مختلف دارند ولی مبنای کار تمامی آنها، تبدیل انرژی ارتعاشی به انرژی الکتریکی و اندازه گیری آن است.از آنجا که انرژی الکتریکی حاصله معمولاً ناچیز است لذا، آن را چندین بار تقویت کرده و آنگاه در دستگاههای آشکارساز، اندازه گیری می کنند. لرزه سنج ها انواع مختلفی دارند که در اینجا به شرح دو نوع آن اکتفا می شود.

۲۰-۸-۱- لرزه سنج های الکترومغناطیسی –
این گروه، معمولی ترین انواع لرزه سنج ها هستند. دستگاه ها معمولاً از یک پیچک و یک مغناطیس دائم تشکیل شده است (ش ۲۰-۴) . مطابق شکل، پیچک ثابت و آهنربا به وسیله فنر به حالت معلق است. هرگونه ارتعاشی باعث لرزش مغناطیس می شود و بنابراین ، در پیچک جریان الکتریکی ای به وجود می آید که میزان آن متناسب با دامنه نوسان است. بدین ترتیب، با تقویت جریان حاصله، می توان به میزان ارتعاشات پی برد.

۲۰-۸-۲- لرزه سنج های ظرفیتی-
قسمت اصی این لرزه سنج ها از خازنی تشکیل شده است که یکی از صفحات آن ثابت و صفحه دیگر، به وسیله یک فنر به حالت معلق است(ش ۲۰-۵) . هرگونه ارتعاشی، باعث نوسان صفحه معلق می شود و در نتیجه ، فاصله دو صفحه خازن تغییرمی کند و باعث تغییر جریان مدار می شود. این جریان را تقویت کرده و با اندازه گیری آن، میزان نوسانات زمین را مشخص می کنند.

۲۰-۹- امواج زلزله
به هنگام وقوع زلزله ، امواج زیادی در کانون آن ایجاد شده و در همه جهات منتشر می شود. این امواج، به نام امواج زلزله یا امواج لرزه ای خوانده می شوند. امواج زلزله به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

۲۰-۹-۱-امواج فشارشی یا طولی –
این امواج مانند امواج صوتی، ضمن عبور از اجسام جامد، باعث تغییر حجم آنها می شوند و امتداد انتشار آنها در امتداد ارتعاشات است.سرعت انتشار این امواج در یک محیط ثابت، از انواع دیگر(امواج عرضی و سطحی) بیشتر است و به همین جهت به حرف p (از کلمه primary به معنی اولیه) نموده می شوند.سرعت متوسط امواج طولی در حد چند کیلومتر برثانیه است و در هر مورد، سرعت آن به خواص الاستیسیته طبقاتی که از آن عبور می کند، بستگی دارد. سرعت امواج طولی را می توان از رابطه زیر به دست آورد:
(۲۰-۳)

که در آن مدول برشی، جرم مخصوص محیط و ضریبی است که تابع مدول برشی و ضریب تراکم محیط است.
درمورد مایعات مدول برشی صفر است و سرعت امواج طولی از رابطه ساده زیر به دست می آید:
(۲۰-۴)

بنابرآنچه گفته شد، امواج طولی قادرند که هم از محیط های جامد و هم از محیط های مایع عبور کنند.

۲۰-۹-۲- امواج برشی یا عرضی-
این امواج، باعث تغییر شکل اجسام جامد می شوند و امتداد انتشار آنها برامتداد ارتعاشات عمود است.
سرعت این امواج،کمتر از امواج طولی است و به همین جهت به حرفS ( از کلمه Secondary به معنی ثانوی) نموده می شوند.
از آنجا که مایعات و گازها تحمل تنش های برشی را ندارند اما، عبور امواج عرضی از این محیط ها ، ممکن نیست.
سرعت امواج عرضی در محیط های جامد از رابطه زیر به دست می آید:
(۲۰-۵)
در حالت مخصوصی که باشد، بین سرعت امواج طولی و عرضی رابطه ساده زیر برقرار است:
(۲۰-۶)

۲۰-۹-۳- امواج سطحی یا امواج ریله-
این امواج در تحت شرایط خاص و در فصل مشترک دو محیط گازی ومایع، در اثر ارتعاشات ناشی از زلزله به وجود می آیند و معمولاً به حرف L نموده می شوند.
سرعت امواج سطحی از امواج عرضی نیز کمتر است و شدت آن نسبت به عمق ، و نیز نسبت به فاصله از مرکز زلزله ، به سرعت کاهش می یابد ولی ممکن است در حوالی مرکز زلزله، خساراتی به بار آورند. این امواج ممکن است در محیط های جامد نیز تولید شود.

۲۰-۱۰- مسیر امواج زلزله
اگر ساختمان داخلی زمین یکنواخت می بود، سرعت امواجP و S نسبت به عمق به طور منظم افزایش می یافت زیرا افزایش فشار و در نتیجه تراکم سنگها در عمق ، باعث افزایش سرعت عبور موج ، در طبقات داخلی زمین می شود. در عمل، هنگامی که فواصل زمانی امواج مختلفی را که اثر زلزله تولید می شوند اندازه می گیرند، در می یابند که اختلاف زمانی امواج مختلف، فوق العاده زیاد است و بدین ترتیب ، به این نتیجه می رسند که ، عبور موج در داخل زمین به طور ساده انجام نمی گیرد، بلکه در اثر اختلافی که در ترکیب قسمتهای داخلی زمین وجود دارد ، امواج ممکن است چندین بار منکسر و یا منعکس شوند و مجدداً به سطح زمین برسند.
امواج زلزله نیز مانند امواج نور و صوت در مرز دو محیط با خواص متفاوت منکسر و منعکس می شوند . در عمق ۲۹۰۰ کیلومتری از سطح زمین، شرایطی برقرار است که مسیر امواج عرضی و طولی زلزله را به طور کلی تغییر می دهد . هنگامی که امواجP به این عمق می رسند، قسمتی از آنها منعکس و قسمتی نیز منکسر می شود. به طوری که مطابق شکل ۲۰-۶ منطقه سایه ای برای این امواج به وجود می آید. علت این امر آن است که در عمق یادشده جنس طبقات

زمین، به طور ناگهانی از سلیکاتهای نسبتاً سبک تشکیل دهنده گوشته ، به مخلوط آهن و نیکل سنگین، تغییر می یابد. عمق ۲۹۰۰ کیلومتری ، یعنی مرز بین گوشته و هسته زمین ، برای امواج عرضی نیز مطابق شکل ۲۰-۶ منطقه سایه ای به وجود می آورد ولی علت ایجاد این منطقه سایه ناشی از انکسار و یا انعکاس امواج عرضی نیست بلکه علت آن متوقف شدن امواج عرضی از عمق ۲۹۰۰ کیلومتری است. به عبارت دیگر، امواج عرضی از عمق ۲۹۰۰ کیلومتری به بعد عبور نمی کنند و بنابراین ، پایین تر از این عمق ، یعنی هسته خارجی زمین ، خواص مایعات را دارد.