مقدمة عن الموجات الزلزالية وكيفية قياسها بالسيسموجراف

مقدمة عن الموجات الزلزالية وكيفية قياسها بالسيسموجراف

أثناء الزلزال، تنتقل طاقة التشوّه الكبيرة المنطلقة في كلّ الاتّجاهات عبر طبقات الأرض في هيئة موجات زلزاليّة، منعكسةً ومنكسرةً عند كل سطح بينيّ. وتُسجّل تلك الموجات بواسطة جهاز يُسمّى «السيزموجراف-Seismograph».
[1]
فما أنواع هذه الموجات؟ وكيف يحدّد المركز السطحيّ للزلزال اعتمادًا على تسجيلات محطّات الرصد؟

أنواع الموجات الزلزالية

1- «موجات مرنة-Body Waves»

تنطلق من البؤرة، وتنتقل في كل الاتجاهات عبر جسم الأرض. وهي نوعان:

• «موجات رئيسية-Primary Waves» أو P-waves: تخضع جسيمات المادّة -التي تنتقل هذه الموجات عبرها- لتشوّهات انضغاطية وتمدّدية وفق منحى انتقال الطاقة. وتعتمد سرعتها على خصائص مرونة المادّة من صلابة وكثافة وسهولة انضغاط. والموجات الرئيسية هي أسرع أنواع الموجات الزلزالية، لذلك تصل إلى أجهزة تسجيل الزلازل أوّلًا.
• «موجات ثانوية-Secondary Waves» أو S-waves: وتسمّى أيضًا موجات القصّ. تهتزّ جسيمات المادة -في هذه الحالة- باتجاه عمودي على منحى انتقال الطاقة. تعتمد سرعتها على صلابة وكثافة المادة فقط، ولا تنتقل عبر السوائل. والموجات الثانوية أبطأ من الرئيسية P-waves، لذلك تصل إلى أجهزة تسجيل الزلازل بعدها.

على سبيل المثال؛ تبلغ سرعة P-waves في «الجرانيت-Granites» 4.8 كم/ثانية تقريبًا، وسرعة S-waves تساوي 3 كم/ثانية تقريبًا.

2– «موجات سطحية-Surface Waves»

لا تنتقل عبر جسم الأرض، بل وفق مسارات موازية تقريبًا لسطحها. والموجات السطحية أبطأ من الثانوية S-waves، وغالبًا ما تكون سبب الحركة الأرضية الأشدّ أثناء الزلزال. وهي نوعان:

• «موجات لوف-Love Waves»: تسبّب موجات لوف حركات سطحية كالتي تحدثها الموجات الثانوية S-waves ولكن بدون حركة شاقولية.
• «موجات ريلي-Rayleigh Waves»: تهز موجات ريلي جسيمات المادة في مسار إهليلجيّ في المستوي الرأسيّ، مع حركة أفقية وفق منحى انتقال الطاقة.
  
  تسبّب الموجات الثانوية S-waves -بالإضافة إلى تأثيرات موجات لوف- الضرر الأكبر للمنشآت بالتحريك الذي تحدثه على سطح الأرض في كِلا الاتجاهَين الأفقيّ والرأسيّ. عندما تصل الموجات الرئيسية P-waves والثانوية S-waves إلى السطح، تنعكس معظم طاقتها. ثمّ يعود بعض هذه الطاقة إلى السطح بسبب الانعكاسات عند طبقات مختلفة من التربة والصخور.
  
  يكون الاهتزاز أشدّ -بحوالي الضعف تقريبًا- على سطح الأرض منه في الأعماق الكبيرة. وغالبًا ما يكون هذا أساسًا في تصميم المنشآت المطمورة (المنشآت تحت سطح الأرض) وفق تسارعات أصغر من تلك التي فوق الأرض. [1] [2]

ما هو السيسموجراف وكيف يعمل؟

جهازٌ يستخدَم لتسجيل اهتزازات الزلازل، و يعمل –منذ اختراعه- وفق مبدأ بسيط. عبارة عن قلم مثبّت في طرف «نوّاس أو بندول-Pendulum» بسيط متأرجح (كتلة معلّقة بخيط متدلٍّ من دعامة)، ومغناطيس محيط بالخيط لتوفير «التخامد-Damping» اللازم للتحكّم بسعة الاهتزاز. بالإضافة إلى ورقة رسم بيانيّ مثبّتة على أسطوانة تدور بسرعة ثابتة. يشكّل البندول والخيط والمغناطيس والدعامة مستشعرَ الجهاز، أمّا المُسجِّل فيتكوّن من الأسطوانة والقلم وورقة الرسم. ويتكون المؤقِّت من المحرّك الذي يدير الأسطوانة بسرعة لف ثابتة.

يَلزم جهاز سيسموجراف في كِلا الاتجاهَين المتعامدَين في المستوي الأفقي، بمعنى أنّنا نحتاج إلى جهاز باتجاه شمال-جنوب مثلًا، وآخر باتجاه شرق-غرب. أمّا لقياس الاهتزازات الرأسية فيُستبدَل البندول الخيطيّ بآخر نابضيّ يتأرجح حول نقطة ارتكاز.

تطوّرت هذه الأجهزة عبر الزمن، وأصبح استخدام الأجهزة الرقمية المُعتمِدة على الحواسيب أكثر شيوعًا اليوم. [1] [2]

تحديد موقع المركز السطحيّ للزلزال

من أجل تحديد المركز السطحي للزلزال، نحتاج إلى تسجيلات ثلاث محطّات رصد -على الأقلّ- تقع على مسافات مختلفة من المركز السطحيّ المُراد تحديده. كما نحتاج إلى معرفة الزمن الذي استغرقتْه الموجات الرئيسية P-waves والثانوية S-waves للانتقال عبر الأرض والوصول إلى كلّ محطّة رصد. جُمعَت هذه المعلومات عبر العقود الماضية، وهي متوفّرة في هيئة منحنيات مسافة-زمن.

يحسَب الفارق الزمنيّ بين وصول أوّل الموجات الثانوية S-waves ووصول أوّل الموجات الرئيسية P-waves، ثم تحدّد المسافة بين محطّة الرصد والمركز السطحي اعتمادًا على تلك المنحنيات.

وهكذا نرسم على الخريطة -من كلّ محطّة رصد- دائرة نصف قطرها مساوٍ للمسافة بين المحطّة والمركز السطحي. وتتقاطع الدوائر الثلاث في نقطة تحدّد موقع المركز السطحي للزلزال كما هو مبين في الصورة الأخيرة. [2]

المصادر

[1] How the ground shakes?
[2] Earthquakes: Causes and Measurements