دانلود مقاله زلزله

علل زمین لرزه ها
ماهی فروشان در حال فروش گوشت نامازو ( گربه ماهی ) هستند که حرکت اضافی اش در یک زمین لرزه بزرگ ادو (توکیو) آن را به کشتن داده است . مردم به سود جویی از این تراژدی شکوه می کنند .
این احتمال وجود دارد که کل حرکت در هر مکان ( در امتداد گسل در حال گسیختن) یک باره روی نداده باشد ، بلکه طی گامهای بسیار نامنظم پیش رفته باشد .
- اچ.اف.راید، گزارش کمیسیون ایالتی بازرسی زمین لرزه (زمن لرزه 18 آوریل 1906 کالیفرنیا)
زمانی نه چندان دراز پیش از این ، عموم مردم بر این باور بودند که علل زمین لرزه ها ، همیشه در ابهام باقی می ماند فهرست بندی زیرا از ژرفای بسیار زیر قلمرو مشاهده انسان سرچشمه می گیرند . افزون بر آن، برای زمانی طولانی ، دیدگاه متداول آن بود که زمین لرزه ها به عنوان تنبیه خطاهای انسانها پدید می آیند . زمین لرزه شعری که در حدود سال 1850 نوشته شده ، این دیدگاه را چنین خلاصه می کند :
کدام دست پر توان با نیروی ناشناخته را این تکانهای مکرر را می توانند بسازند ؟
آه نه ! صدای پای کفرآمیز ،
زمین آگاه ، ناشکیبا تحمل می کند ؛
و با باری از گناه به خود می لرزد ،
گوری مشترک برای نسل نکوهیده اش فراهم می آورد .
شاعر گمنام
امروزه زمین لرزه ها و بیشتر خصوصیات مشاهده شده آنها با استفاده از نظریه مکانیکی که با عنوان زمین ساخت صفحه ای توسعه یافته ، توضیح داده می شوند . به هر حال ، پیش از توصیف این نظریه زمین شناختی وحدت بخش در فصل 7، لازم است بدانیم چگونگی امواج لرزه ای در زمین تولید می شوند .
انواع زمین لرزه
نخستین گام به سوی پی بردن به دیدگاه امروزی درباره تولید امواج لرزه ای ، نقد و بررسی ارتباط نزدیک میان بخشهایی از دنیاست که بیشترین خطر زمین لرزه را دارند (شکل 2-2) و مناطقی از دنیا که از نظر زمین شناختی جدید و فعال هستند (شکل 7-2 و عکسهای 10 و 11). در فصل 2 مشاهده شد که بیشتر زمین لرزه ها در الگوهای بزر مقایسی روی می دهند که با سیماهای جهانی همچون کوهها ، دره های کافتی ، پشته های میان اقیانوسی ، و گوداالهای اقیانوسی همراه هستند . گسلش جدید در سطح زمین نیز اغلب با زمین لرزه همراه است (فصل 5). در واقع ، بسیاری از گسترده ترین زمین لرزه های ویرانگر ، مانند زمین لرزه 1906 سان فرانسیسکو ، زمن لرزه زمین لرزه 1995 کوبه (عکس 7) به وسیله گسیختگی وسیع گسلی تولید شدند .
پیش از ادامه بحث ، دسته بندی زمین لرزه ها بر اساس شیوه تشکیل سودمند است . تاکنون ، متداول ترین آنها ، زمین لرزه های زمین ساختی است . این دسته هنگامی تولید می شوند که سنگها در واکنش به نیروهای مختلف زمین شناختی ، ناگهان می شکنند . زمین لرزه های زمین ساختی ، از نظر علمی برای مطالعه درون زمین و اهمیت اجتماعی عظیم آنها ، مهم هستند زیرا بزرگترین خطر را تحمیل می کنند . در نتیجه ، در بیشتر این کتاب ، با این نوع زمین لرزه سروکار داریم .
دومین دسته زمین لرزه با فورانهای آتشفشانی همراه است. در واقع ، این باور که زمین لرزه ها در وهله نخست با فعالیت آتشفشانی مرتبط هستند به فیلسوفان یونانی بر می گردد ، که تحت تأثیر رویداد مشترک زمین لرزه ها و آتشفشانی ، به عنوان زمین لرزه ای تعریف می شود که در پیوند با فعالیت آتشفشانی روی می دهد ، اما باور بر آن است که در عین حال که فورانهای آتشفشانی و زمین لرزه ها هر دو پیامد نیروهای زمین ساختی در سنگها هستند ، اما نیازی نیست که با هم رخ دهند . سازوکار تولید موج در زمین لرزه های آتشفشانی ، احتمالاً همانند تولید آن در زمین لرزه های زمین ساختی است . (زمین لرزه های آتشفشانی به تفصیل بیشتر در فصل 9 بحث می شود .)
زمین لرزه های رمبشی زمین لرزه های کوچکی هستند که در مناطق غارهای زیر زمینی و معادن روی می دهند . علت اصلی لرزش زمین ، رمبش سقف معدن یا غار است . شکلی از این پدیده که اغلب دیده می شود ، انفجار معدن است . این پدیده هنگامی رخ می دهد که تنش القا شده در اطراف کارهای معدنی ، باعث می شود توده های بزرگ سنگ به گونه ای انفجار آمیز از سینه کار معدن به بیرون پرتاب شده و امواج لرزه ای تولید کنند . برای مثال ، انفجارهای معدن در کارهای معدنی کانادا مشاهده شده و در معادن ژرف افریقای جنوبی متداول است .
زمین لرزه های رمبشی گاهی به وسیله زمین لغزشهای حجیم هم ایجاد می شوند . برای مثال ، یک زمین لغزش تماشایی در 25 آوریل 1974، در امتداد رود مانتارو در پرو، امواج لرزه ای معادل یک زمین لرزه کوچک تا متوسط را تولید کرد . حجم این زمین لغزش 10×6 را متر مکعب بود و حدود 450 نفر را به هلاکت رساند . تا آنجا که می دانیم ، این زمین لغزه آن چنان که اغلب رخ می دهد ، به وسیله یک زمین لرزه زمین ساختی نزدیک آغاز نشده بود . بخشی از انرژی گرانشی تلف شده در حرکت سریع رو به پایین خاک و سنگ ، به امواج لرزه ای تبدیل شد که لرزه نگارهایی در فاصله صدها کیلومتر از محل ، به روشنی آن را ثبت کردند . مدت زمان لرزش که توسط لرزه نگاری در فاصله 80 کیلومتری ثبت شد ، 3 دقیقه بود ؛ این با سرعت زمین لغزه سازگار است ، که حدود 140 کیلومتر در ساعت در مسافت 7 کیلومتری مشاهده شده لغزش بود . (شکل 6-1 لرزه نگاشت این رویداد را از ایتسگاه لرزه نگاری نانا در پرو نشان می دهد ).
زمین لرزه رمبشی مشابهی در اثر بزرگترین زمین لغزش تاریخ اخیر در اوسوی در کوههای پامیر روسیه در 1911 ایجاد شد . شاهزاده بی.بی. گالیتزین ، یکی از پایه گذاران لرزه شناسی امروزی ، امواج زمین لرزه را بر روی لرزه نگارهای خویش در نزدیکی سن پتر زبورگ ثبت کرد که باید از ناحیه زمین لغزش گسیل شده باشد . او انرچی امواج زمین لرزه را با انرژی زمین لغزش مقایسه کرد و نتیجه گرفت که ممکن است زمین لرزه ای این زمین لغزش را راه انداخته باشد .
کارهای بیشتری که به تازگی انجام شده – و نتیجه گیری گالیتزین را مورد تردید قرار می دهد سرانجام منجر به کشف روشهایی برای محاسبه انرچی آزاد شده در یک زمین لرزه با استفاده از لرزه نگاشتها شد . در سال 1915 کیلومتر مکعب بوده است .
انسانها باعث ایجاد زمین لرزه های انفجاری ، یا لرزش زمین در اثر انفجار مواد شیمیایی یا تجهیزات هسته ای می شوند . افنجارهای هسته ای زیر زمینی که در چند دهه گذشته در شماری از محلهای آزمایشی در اطراف دنیا صورت گرفته ، زمین لرزه های چشمگیری را تولید کرده اند . هنگامی که یک وسیله هسته ای در یک حفره زیر زمینی منفجر می شود ، انرژی هسته ای عظیمی آزاد می شود . در چند میلیونیم ثانیه ، فشار به هزاران برابر فشار جو زمین می رسد و دمای محل ، میلیونها درجه افزایش می یابد . سنگهای اطراف بخار شده ، حفره کروی شکلی را به قطر چندین متر به وجود می آورند . این حفره با بخار شدن سنگ در حال جوش از سطح آن به سمت بیرون رشد می کند ، و سنگهای اطراف آن به وسیله ضربه انفجار ریزریز می شوند .
تحت فشار قرار گرفتن سنگ در ناحیه شکاف خورده (شاید مساحت صدها متری) امواج لرزه ای تولید می کند که در همه جتها به سمت بیرون حرکت می کنند . هنگامی که نخستین موج لرزه ای فشاری به سطح زمین می رسد ، زمین به طر بالا قوس پیدا می کند ، و اگر انرژی موج کافی باشد ، خاک و سنگ را می ترکاند ، و با پرتاب تکه های سنگ به هوا ، یک فنجانه درست می کند . اگر حفره ژرف تر باشد ، سطح زمین تنها ممکن است ترک بخورد و سنگ برای یک لحظه به سمت بالا بلند شده و سپس بر روی لایه های زیرین بیفتد .
برخی از انفجارهای هسته ای زیر زمینی آن قدر بزرگ بوده اند که امواج لرزه ای را به سراسر درون زمین بفرستند ؛ امواجی تولید کرده اند که ساختمایی را در شهرهای دور لرزانده اند . برای مثال ، در 26 آوریل 1968 ، یک وسیله هسته ای به نام باکسکار در محل آزمایشهای هسته ای نوادا مورد آزمایش قرار گرفت . پیش از آزمایش ، شهروندان لاس وگاس به ویژه یک ساکن میلیونر و مالک زمین ، مرحوم هوارد هیوز تردید داشتند که یک چنین وسیله پرانرژی ای ممکن است موجب آسیبهای ساختمانی و حتی مرگ شود . با این حال ، آن رویداد به وقوع پیوست و مردم شهرهای اطراف لرزشی را احساس کردند ، که در لاس وگاس ، در فاصله 50 کیلومتری ، برای 10 تا 12 ثانیه ادامه یافت . خوشبختانه هیچ آسیب چشمگیری وارد نشد .
البته ، انسانها و حیوانات ، گاه به روشهای دیگری زمین لرزه (بسیار کوچک ) تولید می کنند . تصویری از آن بهص روت جزئی تر در آزمون زمین لرزه در پایان کتاب آورده شده است .
نقشه برداری زمین پیمایشی و انباشت آهسته انرژی
همچنان که سده های متمادی در سرزمین زمین لرزه می گذرد ، نیروهای ژرف زمین در زیر پای ما به طور ثابت و بی صر و صدا سنگها را دگر شکل می کنند . جلوه های سطحی این پیچش پوسته ای در سطح زمین چیست ؟ شواهد نیروهای زمین ساختی چیست ؟
آشکار ترین جلوه ها ، رشته کوههای بزرگ هستند ، که به وسیله بالا آمدگی قائم عظیم سطح زمین در بالای سطح دریا به وجود می آیند – فرایندی که میلیونها سال طول کشیده است . (عکس 1). اما حتی حرکت پوسته که در فاصله زمانی کوتاه تری هم روی داده است را می توان به سادگی به وسیله نقشه برداریهای دقیق روشن ساخت . در بسیاری از کشورهای دنیا ، این گونه نقشه برداریهای زمین پیمایشی ، دست کم به سده گذشته بر می گردد .
در نقشه برداری مرسوم سه نوع اصلی مکان یابی زمین پیمایشی وجود دارد . در دو نوع آن ، میزان حرکت افقی اندازه گیری می شود . در نخستین نوع نقشه برداری ، از تلسکوپهای کوچک برای اندازه گیری زاویه میان شاخصهای روی سطح زمین استفاده می کنند ؛ این را مثلث بندی می نامند . در نوع دوم ، به نام روش سه ضلعی مسافت میان شاخصهای روی سطح زمین در امتداد برشهای طولانی اندازه گیری می شود . نور (گاهی یک باریکه لیزر) از یک آینه واقع بر روی بلندی بازتاب می یابد ، و زمانی که طول می کشد تا نور مسیر رفت و برگشت را طی کند ، اندازه گیری می شود . از آنجا که سرعت نور با شرایط جوی تغییر می کند ، حتی در نقشه برداریهای دقیق ، دقت در حدود 0و1 سانتی متر در یک مسافت 20 کیلومتری است .
سومین نوع نقشه برداری مرسوم میزان حرکت قائم را به وسیله اندازه گیریهای تکراری اختلاف تراز در سراسر منطقه تعیین می کند . این نوع نقشه برداریهای تراز بندی به سادگی اختلاف ارتفاع میان میله های چوبی قائم را که در نشانهای ترازیابی ثابت قرار داده شده اند ، اندازه گیری می کنند . تکرار این نقشه برداریها هر نوع تغییر در این اختلافها را که میان اندازه گیریها روی دهد ، آشکار می سازد . هر جا که ممکن باشد ، خطوط تراز ملی را تا لبه قاره ای امتداد می دهند ، به گونه ای که می توان از میانگین سطح دریا به عنوان نقطه مرجمع استفاده کرد .
اکنون همتای بسیار دقیق تر فضایی – زمین پیمایشی روشهای مرسوم زمینی بالا برای به دست آوردن مکان نقاط روی سطح زمین نسبت به یکدیگر وجود دارد ، هر چند تنها دو دهه از عمر آن می گذرد . روشی که به طور گسترده برای ردیابی دگرشکلیهای زمین ساختی و کرنش در امتداد گسلها آن می گذرد . روشی که به طور گسترده برای ردیابی دگر شکلیهای زمین ساختی و کرنش در امتداد گسلها مورد پذیرش قرار گرفته ، سیستم مکان یابی جهانی است که به اختصار GPS نامیده می شود .
GPS که جانشین سیستم ماهواره ای دریانوردی نیروی دریایی ایالات متحده شد ، برای تعیین لحظه ای مکان سه بعدی جهانی و سرعت یک کشتی ، با دقتهای بسیار بیشتر از پیش ایجاد شده بود . این سیستم ، داده های لازم را در هر زمان تأمین می کند . امروزه ، سیستم GPS عملیات ، دست کم از 18 ماهواره ، با مدارهای 12 ساعته نسبتاً دایره ای استفاده می کند . سیگنالهای رادیویی از هر ماهواره محل خود را بر حسب زمان واقعی با استفاده از یک ساعت بسیار دقیق اعلام می کنند . اختلاف زمانهای عبور از یک گیرنده – فرستنده در نقطه ای بر روی زمین با چندین ماهواره موجب می شود که بتوان عرض و طول جغرافیایی ( و ، با دقت کمتر ، ارتفاع) هر محل را با دقت بالا ماسبه کرد . تجهیزات تجاری موجود GPS ارزان شده اند (در چندصد دلار)، و این بیشتر بدان دلیل است که برای صاحبان قایقهای کوچک و هواپیماها ، ارزش بسیار زیادی دارند .
در فاصله های کمتر از 20 تا 30 کیلومتری ، مثلاً در امتداد گسل سان آندریاس ، می توان دقتهای کوتاه مدت را با گیرنده های GPS 1 یا 2 قسمت در 10 میلیون (یا بهتر) در مسافتهای خط مبنا به دست آورد . چنین قابلیتی در نقشه برداری زمین پیمایشی بی سابقه است و می توان انتظار داشت که تأثیر گسترده ای بر اندازه گیری کرنش در امتداد سیستمهای گسلی فعال دنیا داشته باشد . جذابیت دیگر آن است که زمین پیمایش GPS ، نیاز به خط نشان روی میان نقاط اندازه گیری ندارد .
همه روشهای نقشه برداری مشاهده حرکتهای پوسته زمین نشان می دهند که در مناطق فعال زمین ساختی مانند کالیفرنیا و ژاپن ، پوسته زمین به صورت افقی و قائم در مقادیر کاملاً قابل اندازه گیری حرکت می کند . آنها همچنین نشان می دهند که در مناطق پایدار قاره ای ، مانند توده های سنگی کهن سپرهای کانادا و استرالیا، میزان تغییر ، دست کم در سده گذشته ، قابل چشمپوشی است . اندازه گیریهای زمین پیمایشی دگر شکلی پوسته زمین در منطقه لرزه ای فعال کالیفرنیا در همان ابتدا در 1850 آغاز گردید . در 1959 ، مشاهدات ویژه در امتداد گسل سان آندریاس شروع شد که می توانست در پیش بینی زمین لرزه سودمند باشد . برخی از نتایج این اندازه گیریها – در امتداد پانج خط در مرکز کالیفرنیا از 1959 تا انتهای 1970- در شکل 6-2، که گسل سان آندریاس را در نزدیکی گیلروی قطع می کند ، بررسی کنیم کاهش طولی را با آهنگ حدود 2 سانتی متر در سال خواهیم دید . این کاهش طول ، با دگر شکلی راستگرد در امتداد گسل سان آندریاس سازگاری دارد . خطوط نقشه برداری ، مانند 21 ، که از گسلهای بزرگ نمی گذرند ، تغییر طول بسیار ناچیزی نشان می دهند . جابه جایی ای که در امتداد گسل سان آندریاس رخ می دهد ، زمین شناسان را قادر می سازد تا یک پیش بینی ترسیمی – گرچه دراز مدت – انجام دهند . شهر لس آنجلس ، که بر روی صفحه زمین ساختی آرام در سمت گسل سان آندریاس قرار گرفته ، نسبت به سان فرانسیسکو با آهنگ حدود 5 سانتی متر در سال به طرف شمال فشار می آورد . بدین معنی که در مدت 30 میلیون سال ، لس آنجلس 600 کیلومتر دیگر به سمت شمال ، به شمالی ترین نقطه بارانی کالیفرنیا حرکت خواهد کرد!
مشهور ترین مطالعات زمین پیمایشی مربوط به زمین لزه ها ، پس از زمین لزه 1906 سان فرانسیسکو انجام شد و منجر به اساسی ترین شناخت انسان از چگونگی تولید زمین لرزه گردید . راید سه مجموعه اندازه گیری به روش مثلث بندی که در عرض منطقه در نوردیده توسط شکستگی 1906 در امتداد گسل سان آندریاس انجام شده را با هم مقایسه کرد (یک مجموعه برای 1865-1851، دیگری برای 1892-1874، و سومی درست پس از زمین لرزه). اینها نشان دادند که جابه جاییهای افقی چشمگیری به موازات گسل گسیخته شده سان آندریاس پیش و پس از زمین لرزه روی داده بود . راید متوجه شد که نقاط دور از هم در دو سوی گسل در دوره 50 ساله پیش از 1906 به میزان 2ر3 متر حرکت کرده و بخش غربی به سمت شمال رفته بود . لغزش ناگهانی گسل که زمین لرزه را ایجاد کرد حداکثر به مقدار 5ر6 متر در مارین کانتی اندازه گیری شد (شکل 6-3). این مشاهده ها او را به سوی نظریه مشهور بازگشت کشسان به عنوان علت زمین لرزه ها رهنمون ساخت .
سرانجام باید ابزار هیجان انگیز جدیدی را برای اندازه گیری حرکتهای بسیار کوچک پوسته زمین در نظر بگیریم – ابزاری که تاکنون بازگشت کشسان را در چندین زمین لرزه تصدیق کرده است . این روش مبتنی بر اصل رادار است که در آن از امواج رادیویی بازتابیده برای تثبیت مکان هواپیماها یا کشتیها استفاده می کنند . این طرح جدید را SAR (به معنای رادار روزنه ترکیبی) می نامند . این ایده برای یک هواپیما(یا یک ماهواره) است که امواج رادیویی را به روی زمین زیرین گسیل کرده ، پژواکهای آن را بر روی آنتن رادار درونی خود ثبت کرده ، و سپس با یک برنامه رایانه ای ، گسترده مسافت بازتاب سطح زمین ، الگوی بازتاب ، و یک نقشه دوبعدی از توپوگرافی زمین را تعیین کند .
برای وضوح بسیار دقیق زمین ، یک آنتن بزرگ (یعنی ، یک روزنه بزرگ) مورد نیاز است . ترفند SAR ، شبیه سازی در ازای غیر عملی این آنتن ، از طریق داده های هوایی ثبت شده متوالی در امتداد مسیر پرواز هواپیماست . نقشه هایی بسیار قابل توجه آتشفشانها و دیگر سیماهای کلیدی جغرافیایی زمین ، به صورت مثالهایی در شبکه جهان گستر در دسترس است . در لرزه شناسی، نخستین نمود ارزش SAR، از تصاویر منتشر شده میدان جابهجایی زمین لرزه 28 ژوئن 1992 لاندرز در کالیفرنیا به دست آمد (فصل 8). دو روبش راداری ، در شرایط مشابه درست پیش و پس از گسیختگی منبع گسلی لاندرز انجام شد (عکس 23). از راه تفریق ، می توان توپوگرافی اصلی را حذف کرده ، طوقه های پر بندی را بر جای گذاشت که حاصل تغییرات لرزه زاد در آن گستره هستند . پهنای این طوقه ها نمایانگر تغییرات حدود یک سانتی متر در موقعیت زمین است . چنین ابزار زمین پیمایشی ، دستاورد فنی حیرت انگیزی به شمار می رود .
بازگشت کشسان
لغزشی که زمین لرزه 1906 را ایجاد کرد ، به صورت نمودار در شکل6-4 نشان داده شده است . فرض کنید که این تصویر ، یک منظره زاویه باز از خطوط راست است که در زمان مشخصی با زاویه قائم در عرض گسل سان آندریاش رسم شده اند . با عملکرد کند نیروی زمین ساختی ، این خط خم شده ، طرف چپ نسبت به طرف راست ، همان طول که پیکانهای سیاه نشان می دهند ، جابه جا می شود . مقدار تغییر شکل در یک دوره 50 ساله یا همین حدود ، به چند متر می رسد . تجمع این کرنش نمی تواند تا بی نهایت ادامه یابد ؛ دیر یا زود سست ترین سنگها ، یا آنهایی که در نقطه بیشترین تنش قرار دارند ، می شکنند . به دنبال این شکستگی ، در هر سوی آن ، جمع شدگی یا برگشت پدید می آید . بنابراین ، در شکل 6-4 سنگهای دو سمت گسل در D به نقاط 1D و2D برگشته و نیروهای گشسان در سنگها با انجام این کار کاهش می یابد .
راید عقیده داشت که این بازگشت کشسان علت اصلی زمین لرزه هاست ، و توضیح او در طول سالها تأیید شده است . مانند فنر ساعت که فشرده تر و فشرده تر می شود ، هر چه سنگهای پوسته زمین بیشتر دچار کرنش کشسان می شوند ، انرژی بیشتری ذخیره می کنند . هنگامی که یک گسل گسیخته می شود ، انرژی کشسان ذخیره شده در سنگها ، بخشی به صورت گرما و بخشی به صورت امواج کشسان ، آزاد می شود . این موجها همان زمین لرزه هستند .