Earthquake

 

زمین لرزه و عوارض ناشی از آن

همانطور که از اسم زمین لرزه مشخص است، زمین لرزه عبارتست از لرزش زمین که ممکن است باعث بروز خساراتی نیز شود. منشأ زمین لرزه می‌تواند انسانی و یا طبیعی باشد. زمین لرزه‌های انسانی در اثر عوامل انسانی (مانند ساختن سد) و زمین لرزه‌های طبیعی در اثر عوامل طبیعی (مانند حرکت تکتونیکی زمین) ایجاد می‌شوند.

خسارت‌های ناشی از زمین لرزه‌ها، مخاطرات لرزه ای و یا عوارض زمین لرزه نامیده می‌شود. مهم‌ترین مخاطرات لرزه ای عبارت‌اند از:

لرزش زمین

در اثر وقوع زلزله، امواج لرزه ای ایجاد شده از عمق زمین حرکت کرده و به سطح زمین می‌رسند و موجب لرزش زمین می‌شوند. این لرزش‌ها بسته به شرایط ساختگاه، بزرگای زلزله و همچنین خصوصیات موج ورودی، می‌تواند باعث بروز خسارات بسیار مهیب و یا ناچیز می‌شود. یه طور کلی می‌توان گفت که منشأ خسارات زمین لرزه، لرزش زمین است که یکی از مهم‌ترین مخاطرات لرزه ای می‌باشد. از مهم‌ترین عواملی که بر روی لرزش زمین اثر گذار است، ساختگاه زمین می‌باشد، زیرا ساختگاه هم می‌تواند باعث میرا شدن امواج لرزه ای شود و هم موجب تشدید و بزرگنمایی آن‌ها شود.

روانگرایی

یکی از زیباترین و در عین حال مرگبارترین مخاطرات لرزه ای پدیده روانگرایی است. این پدیده که در مناطق اشباع رخ می‌دهد، لایه‌های خاک، مقاومت خود را در برابر نیروی لرزه ای اعمال شده توسط زمین لرزه از دست می‌دهند و همانند یک مایع روان حرکت می‌کنند. در اثر زلزله، فشار آب حفره ای بالا رفته و به علت بارگذاری سریع زهکشی رخ نمی‌دهند و این افزایش فشار آب (به خصوص در ماسه‌های سست) موجب کاهش سریع مقاومت لایه‌های خاک می‌شود.

پدیده‌های وابسته متعددی در قالب پدیده روانگرایی رخ می‌دهند. به طور مثال اگر مقاومت خاک به اندازه ای کاهش یابد که شرایط پایداری استاتیکی فراهم نشود، در اثر نیروهای ثقلی، تغییر مکان‌های بسیار بزرگی حاصل می‌شود که در اصطلاح به روانگرایی جریانی معروف است (شکل 1). نمونه دیگر از پدیده‌های وابسته، تغییر مکان جانبی می‌باشد. این پدیده می‌تواند تغییر شکل‌های کوچک تا بسیار بزرگی ایجاد نماید (شکل 2). یکی دیگر از پدیده‌های وابسته، روانگرایی سطحی می‌باشد که تغییر شکل بزرگ به همراه نداشته و به شکل جوشش ماسه ظاهر می‌شود (شکل 3).

شکل 1) خرابی در اثر از دست دادن ظرفیت باربری ناشی از زلزله نیگاتا 1964

شکل 2) گسترش جانبی ناشی از زلزله لوما پریتا 1989

شکل 3) جوشش ماسه ناشی از زلزله نیگاتا 1964

زمین لغزش

یکی از عوارض زمین لرزش، زمین لغزه می‌باشد. در این پدیده در اثر نیروهای ناپایدار کننده‌ی زلزله، شیب‌ها خاکی و سنگی (که در شرایط استاتیکی در آستانه لغزش و یا پایدار هستند) دچار لغزش می‌شوند. زمین لغزه ها می‌توانند ناشی از پدیده روانگرایی باشند و یا در اثر گسیختگی شیروانی‌ها رخ دهند. این پدیده در شیب‌های طبیعی و مصنوعی (مانند سدهای خاکی) قابل رخداد است (شکل 4).

شکل 4) زمین لغزش نیکاوا در اثر زلزله کوبه 1995

خرابی سازه‌های حائل

سازه‌های حائل مانند دیوارهای ساحلی، سپرهای مهار شده و سایر سازه‌ها کمتر دچار خرابی می‌شوند. با این حال بیشتر خسارات در منطق نزدیک آب ثبت شده است که عموماً روانگرایی نقش بسزایی در ایجاد خسارت داشته است (شکل 5).

شکل 5) آسیب سازه حائل در اثر زلزله کوبه 1995

خسارات شریان‌های حیاتی

به شبکه ای از تاسیسات (مانند راه‌های ارتباطی، خط انتقال آب و ...) که خدمات مورد نیاز برای جامعه را فراهم می‌کند، شریان‌های حیاتی می گویند. وجود شریان‌های حیاتی برای جامعه به خصوص در مواقع اضطراری، بسیار ضروری می‌باشد و نبود آن‌ها می‌تواند باعث تلفات انسانی بسیار زیادی در این مواقع شود. همچنین ایجاد خسارت در آن‌ها، تبعات شدید اقتصادی نیز برای جامعه به همراه دارد.

خطرات گرداب و امواج لرزه ای (تسونامی) دریا

حرکات سریع عمودی و یا شکست ناگهانی گسل در کف دریاها و اقیانوس موجب به وجود آمدن امواجی با پریود بلند می‌شود که به تسونامی معروف هستند و وقتی به ساحل می‌رسند باعث بروز خسارات بسیار زیادی در ساحل می‌شوند. در دریای باز امواج دارای ارتفاعی کمتر از یک متر و طول موجی معادل چندین کیلومتر باشند و به هنگام رسیدن به ساحل به علت عمق کم آب در ساحل و یا شکل بستر دریا در نزدیکی ساحل، ارتفاع آن‌ها افزایش یافته و خسارات ویران کننده ای به وجود آورند (شکل 6).

شکل 6) تسونامی ناشی از زلزله فوکوشیما 2011

عوامل ایجاد زلزله

برخی زلزله‌ها را بر اساس منشأ آن به دو دسته‌ی مصنوعی و طبیعی تقسیم بندی می‌کنند. در عین حال می‌توان گفت متداول‌ترین تقسیم بندی بر اساس عوامل ایجاد کننده زلزله‌ها می‌باشد که به چهار دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند:

  1. زلزله‌های تکتونیکی
  2. زلزله‌های ناشی از انفجارات آتشفشانی
  3. زلزله‌های فرو ریزشی
  4. زلزله‌های ناشی از انفجارات مصنوعی

زلزله‌های تکتونیکی

متداول‌ترین نوع زلزله، زلزله‌های تکتونیکی می‌باشد که ناشی از اینکه سطح زمین متشکل از صفحاتی می‌باشد و این صفحات نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند. تغییر شکل ناشی از این حرکات به صورت آرام و یا با تدریج رخ می‌دهد و به صورت شوک ناگهانی و به صورت زلزله اتفاق می‌افتد. در شکل 7 صفحات تکتونیکی زمین که به شش صفحه تقسیم می‌شود، نشان داده شده است. علت وقوع این پدیده بر پایه‌ی تعادل ترمودینامیک مواد تشکیل دهنده زمین می‌باشد. همانطور که می دانیم، قسمت فوقانی گوشته زمین با پوسته زمین (که از لحاظ دمایی، سرد می‌باشد) و قسمت تحتانی گوشته با هسته زمین (که از لحاظ دمایی، داغ می‌باشد) در تماس است. بنابراین به علت تغییرات دمایی یک گرادیان دمایی در گوشته شکل می‌گیرد (شکل 8). این تغییرات دمایی باعث می‌شود که قسمت فوقانی گوشته به علت دمای کم و چگالی زیادف تمایل دارد که به سمت قسمت تحتانی حرکت کند و قسمت تحتانی زمین به علت دمای بالا و چگالی کم تمایل دارد به سمت قسمت فوقانی حرکت کند. به این ترتیب گرادیان دمایی شکل گرفته یک فرایند دائمی بوده و باعث حرکت پوسته زمین (که متشکل از چندین صفحه می‌باشد) می‌شود. بنابراین با توجه به اینکه در لبه‌ی این صفحات، ساختار زمین تحت تأثیر فعل و انفعال بین صفحات می‌باشد، زلزله‌های رخ داده در این مکان‌ها بسیار زیاد می‌باشد، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است.

شکل 7) صفحات تکتونیکی زمین

شکل 8) گرادیان دمایی گوشته زمین

شکل 9) زلزله های رخداده در جهان بین سالهای 1963-1998

شایان ذکر است که حرکات صفحه‌های زمین می‌توانند نسبت به یکدیگر دور شوند که به نواحی "گسترش یابنده" و همچنین ممکن است به یکدیگر نزدیک شوند که به نواحی "فرو رفته" معروف هستند. این روند نشان دهنده‌ی آن است که اندازه کره زمین تقریباً ثابت است، همانطور که مطالعات دوران مختلف زمین شناسی موید این موضوع می‌باشد.

زلزله‌های ناشی از انفجارات آتشفشانی

دسته‌ی دیگری از زمین لرزه‌ها دارای منشأ آتشفشانی هستند. بدین معنا که در اثر فعالیت‌های آتشفشانی و انفجارات ناشی از آن رخ می‌دهند. این گونه از زلزله‌ها در دسته ای به نام "زلزله‌های ناشی از انفجارات آتشفشانی" جای می‌گیرند. ذکر این نکته ضروری است که هر چند زلزله و انفجار آتشفشان در اثر فعالیت‌های تکتونیکی رخ می‌دهند ولی لزوماً به طور همزمان اتفاق نمی‌افتد.

زلزله‌های فرو ریزشی

این نوع از زلزله‌ها در اثر فرو ریختن معادن، غارهای زیر زمینی و لغزش توده‌های حجیم رخ می‌دهند. این نوع از زلزله‌ها اغلب دارای بزرگای کوچک می‌باشند.

زلزله‌های ناشی از انفجارهای مصنوعی

دسته‌ی چهارم از زلزله‌ها در اثر انفجارهای هسته ای و یا شیمیایی رخ می‌دهند. در اثر این نوع از انفجارها فشار و دمای بسیار زیادی به سنگ‌های نواحی گودال انفجار وارد می‌شود. به علت فشار و دمای بسیار زیاد سنگ‌های اطراف خرد شده و در اثر فشردگی سنگ‌ها، امواج لرزه ای در تمام جهات انتشار می‌یابد. بسته به شرایط ساختگاه، انفجار و غیره، انفجارهای هسته ای می‌توانند زلزله ای با قدرت 7 ریشتر ایجاد نمایند.

زلزله‌های دیگری نیز هستند که در اثر سایر فعالیت‌های انسانی ایجاد می‌شوند، مانند ساخت سد و تزریق مواد به داخل زمین. این نوع از زلزله‌ها دارای قدرت لرزه ای کمتری نسبت به انفجارهای هسته ای می‌باشند.

اطلاعات کلی در مورد لرزه خیزی ایران

همانطور که می دانیم، ایران جز مناطق لرزه خیز دنیا محسوب می‌شود و در کمربند لرزه ای قرار گرفته است. زلزله‌های بسیار زیادی با بزرگاهای مختلف در طول سال در ایران رخ می‌دهد که به طور متوسط در ایران دوره بازگشت زلزله ای با بزرگای 6 ریشتر، یک سال و زلزله ای با بزرگای 7 ریشتر، ده سال می‌باشد.

یکی از مهم‌ترین و لرزه خیز ترین کمربندهای لرزه ای در جهان کمربند آلپ-هیمالیا می‌باشد که ایران نیز در این کمربند قرار گرفته است. این کمربند از برخورد دو صفحه‌ی قاره ای اوراسیا و آفریقا-عربستان تشکیل شده است. این کمربند از کوه‌های آلپ شروع شده و تا رشته کوه‌های هیمالیا ادامه می‌یابد و کشورهای ایتالیا، ترکیه، ارمنستان، ایران، افغانستان، پاکستان و نپال را شامل می‌شود. در اثر حرکات دو صفحه‌ی قاره ای اوراسیا و آفریقا-عربستان در طول سالیان دراز، رشته کوهای زاگرس و البرز شکل گرفته است. همچنین به دلیل توالی این حرکات، زلزله‌های متعددی در این ناحیه به وقوع پیوسته است.

مطالعه بر روی تاریخچه لرزه ای ایران نشان می‌دهد که زلزله‌های رخ داده در کمربندهای کوهزایی البرز، زاگرس، کپه داغ، مکران و رشته کوه‌های مرکزی ایران دارای عمق کانونی کم بوده که این عمق کم موجب زلزله‌هایی با قدرت خرابی بالا گردیده است. از زلزله‌های مخرب ایران می‌توان به زلزله منجیل (1369)، بوین زهرا (1342) و بم (1382) اشاره نمود. در شکل 10 زلزله‌های رخداده در ایران در طول یک سال نشان داده شده است که در مناطق کویری کمترین زلزله‌های رخ داده ثبت شده است.

شکل 10) زلزله های رخ داده در ایران بین سالهای 1990-2006

انواع امواج لرزه ای

به طور کلی در هنگام وقوع زلزله دو نوع موج لرزه ای شکل می‌گیرد، یکی امواج حجمی و دیگری امواج سطحی. هر کدام از این امواج دارای خاصیت مخصوص به خود بوده و با توجه به این خصوصیات موجب بروز خسارت می‌شوند. در ادامه هر یک از این امواج توضیح داده خواهد شد.

امواج حجمی

امواج حجمی منتشر شده توسط زلزله در اعماق زمین به دو دسته‌ی موج اولیه یا موج P و موج ثانویه یا موج S تقسیم می‌شوند (شکل 11). امواج P که به امواج فشاری و یا طولی نیز مشهور هستند، باعث فشرده شدن و اتساع مصالح می‌شوند. در امواج P امتداد ارتعاش موازی با امتداد انتشار است که از این لحاظ مشابه با امواج صوتی می‌باشند. این امواج همانند امواج صوتی می‌توانند در محیط‌های جامد و مایع (مانند اقیانوس‌ها، هسته زمین و ...) منتشر شوند. بخشی از امواج P، زمانی که سطح زمین می‌رسند به جو منتقل می‌شوند. بنابراین در صورتی که فرکانس آن‌ها قابل درک باشد، توسط انسان و حیوان قابل شنیدن می‌باشند. سرعت انتشار امواج حجمی وابسته به سختی مصالح می‌باشد و هر چه مصالح سخت تر باشند، سرعت انتشار امواج حجمی نیز بیشتر می‌شود. به دلیل آنکه امواج P باعث فشردگی و سخت شدن مصالح می‌شوند، سریع‌تر از سایر امواج انتشار می‌یابند و اولین موجی هستند که مقصد می‌رسند. به همین دلیل به موج اولیه مشهور هستند.

شکل 11) امواج حجمی زلزله

امواج S به امواج برشی و یا عرضی نیز معروف هستند و موجب تغییر شکل برشی در جهت انتشار موج می‌شوند. در این موج، ارتعاش ذرات، عمود بر امتداد انتشار امواج می‌باشد. بنابراین با توجه به امکان ارتعاش در دو صفحه (بر خلاف موج P)، این امواج می‌توانند دارای دو مؤلفه افقی، ارتعاش در صفحه افقی (SH) و قائم ارتعاش در صفحه عمودی (SV) باشند. به دلیل آنکه مایعات قابلیت تحمل نیروی برشی را ندارند، این امواج بر خلاف امواج P (که در محیط‌های مایع قابل انتشار هستند) در محیط‌های مایع قابل انتشار نمی‌باشند. بنابراین در بررسی ساختار و لایه‌های زمین این امواج فقط می‌توانند تا گوشته منتشر شوند زیرا هسته زمین به صورت مایع می‌باشد. لازم به ذکر است که امواج S موثرترین موج در ایجاد خرابی است.

امواج سطحی

همناطور که از اسم امواج سطحی مشخص است، این امواج در نزدیکی سطح زمین منتشر می‌شوند و دامنه‌ی آن‌ها با افزایش عمق به صورت نمایی کاهش می‌یابد. به علت ماهیت اندرکنشی این امواج، امواج سطحی در فواصل دورتر از چشمه لرزه ای (حتی تا فواصل حدود دو برابر ضخامت پوسته زمین) نیز قابل دریافت می‌باشند و ممکن است موجب بروز خسارت‌هایی نیز در فواصل دور شوند.

امواج سطحی به دو دسته امواج لاو و رایلی تقسیم می‌شوند. امواج لاو از اندرکنش امواج SH با یک لایه نرم کروی پدید می‌آیند و فاقد مؤلفه قائم می‌باشند. امواج لاو باعث حرکت افقی پی سازه‌ها و بدین شکل سبب تخریب آن‌ها می‌شوند. امواج رایلی از اندرکنش امواج P و SH با سطح زمین پدید می‌آیند و دارای دو مؤلفه افقی و قائم هستند. شکل این امواج مانند امواج ایجاد شده در آب در اثر پرتاب یک سنگ می‌باشد. در شکل 12 امواج سطحی نشان داده شده است.

شکل 12) امواج سطحی زلزله

سرعت انتشار امواج لاو سریع‌تر از امواج رایلی است و سرعت انتشار امواج سطحی کمتر از امواج حجمی است (موج رایلی< موج لاو< موج برشی< موج فشاری). به دلیل آنکه امواج رایلی دارای مؤلفه قائم هستند می‌توانند بر روی آب تأثیر گذار باشند در حالیکه امواج لاو فاقد این خصوصیت هستند.

در هنگام وقوع زلزله ترکیبی از امواج زلزله اتفاق می‌افتد و بسته به شرایط، ممکن است هر یک از این امواج حس شوند. به طور مثال با توسعه روانگرایی اثر موج S کاهش یافته و در نهایت به دلیل ایجاد شدن محیط مایع،  فقط امواج P قابل احساس هستند. بنابراین شرایط خاک و توپوگرافی سطح زمین در احساس هر یک از این امواج مؤثر است.