امواج لرزه ای

در مقاله قبل به علت زلزله اشاره کردیم. در این مقاله بر آنیم تا به چگونگی لرزش زمین در حین زلزله بپردازیم. انرژی کرنشی زیادی در حین یک زلزله رها می شود. این انرژی به صورت امواج لرزه ای در همه ی جهات در لایه های مختلف زمین حرکت می کند. امواج لرزه ای از دو نوع امواج حجمی و امواج سطحی هستند. نوع دوم یعنی امواج سطحی در نزدیکی سطح زمین حرکت می کند. (شکل1)

 امواج لرزه ای حجمی و سطحی

 امواج لرزه ای حجمی شامل دو نوع امواج اولیه (امواج P) و امواج ثانویه (امواج S) و امواج لرزه ای سطحی شامل امواج لاو(Love) و امواج رایلی(Rayleigh) می شوند. تحت امواج P، ذرات مادی تحت کرنش کششی وفشاری در راستای انتقال انرژی قرار می گیرند. اما تحت امواج S از قاعده دست راست برای نوسان پیروی می کنند. (شکل 2) امواج لاو موجب حركت سطحي شبیه به امواج S می شود. با این تفاوت که مولفه قائم ندارند. موج رایلی موجب نوسان ذره  ماده در یک مسیر بیضوی در صفحه عمودی می شود. (با حرکت افقی همجهت انتشار انرژی)

امواج P سریعترین هستند و پس از آن به ترتیب امواج S-، لاو و رایلی هستند. در گرانیت به عنوان مثال سرعت امواج لرزه ای P و S به ترتیب 4/8 و 3 کیلومتر بر ثانیه هستند. امواج S درون آب منتشر نمی شوند. امواج S به همراه امواج لاو حداکثر صدمه به سازه ها را با حرکت دندانه دار عمودی و افقی شان می زنند. هنگامی که امواجP و S به سطح زمین می رسند، بیشتر انرژی آنها به داخل بازتاب می شود. برخی از این انرژی با بازتاب در لایه های مختلف خاک و سنگ، دوباره به سطح بازگشت می کنند. لرزش در سطح بسیار شدیدتر (حدود 2 برابر) از عمق زمین است. این اغلب مبنایی برای طراحی سازه های زیرزمینی است که برای سطح شتاب کمتری از سازه های روزمینی طراحی می شوند.

ابزارهای اندازه گیری امواج لرزه ای

ابزاری که زلزله را اندازه گیری می کند،یعنی یک لرزه نگار(Seismograph) سه جزء دارد. سنسور، ضبط کننده و زمان سنج. این دستگاه اصول کارکردی ساده ای همانند نمونه های اولیه خود دارد. (شکل 3)

یک قلم متصل در نوک یک آونگ ساده (یک جرم آویزان شده از یک نخ) بر روی کاغذی خط کشی شده که بر روی طبلی با سرعت ثابت قرار دارد علامت گذاری می کند. یک آهنربا در اطراف نخ باعث کاهش دامنه نوسان آن می شود. پاندول، نخ، آهنربا و تکیه گاه با هم سنسور را تشکیل می دهند. طبل، قلم و کاغذ قسمت ضبط کننده را تشکیل می دهند. و موتوری که طبل را با سرعت ثابت می چرخاند زمان سنج را تشکیل می دهد. این ابزار در هر دو جهت افقی متعامد مورد نیاز است. برای اندازه گیری نوسانات عمودی، آونگ رشته ای با یک پاندول فنری جایگزین می شود که در اطراف یک نقطه ثابت نوسان می کند. برخی از ابزارها زمان سنج ندارند (به عنوان مثال، طبل نگه دارنده کاغذ نمی چرخد). چنین ابزارهایی تنها حداکثر میزان (یا دامنه) حرکت در طول زلزله را اندازه گیری می کند؛ به همین دلیل آنها را لرزه نما(SeismoScope) می نامند. ابزار آنالوگ در طول زمان تکامل یافته، اما امروزه ابزارهای دیجیتال با استفاده از فن آوری رایانه های مدرن بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. ابزار دیجیتال، حرکت زمین را در حافظه ریز پردازنده که در دستگاه قرار دارد، ثبت می کند.

حرکات قوی زمین ناشی از امواج لرزه ای

لرزش سطح زمین برایند طبیعی تک تک نیروهای ناشی از شکست مواد در عمق گسل های زمین است. این امواج در لحظات مختلف زمان، با دامنه های مختلف به هم می رسند و سطوح مختلفی از انرژی را حمل می کنند. بنابراین، حرکت در هر نقطه روی زمین طبیعتا به صورت تصادفی و با دامنه ها و جهات مختلف و متناسب با زمان است. زلزله های بزرگ که در فواصل بسیار زیادبوقوع می پیوندند، می توانند حرکت های ضعیفی ایجاد کنند که به ساختمانها آسیب نرساند و یا حتی توسط افراد احساس نشود. اما ابزارهای حساس می توانند آن را ثبت کنند. این باعث می شود که زمین لرزه های دوردست مکان یابی شوند. از ديدگاه مهندسی، حرکات قوی که به سازه ها آسیب می رساند، مورد توجه است. این امر می تواند در زلزله هایی در مجاورت و یا حتی زلزله های بزرگ که در فواصل معقول متوسط تا بزرگ کانون لرزه ای قرار دارند اتفاق بیافتد.

ویژگی های حرکات قوی زمین

حرکات زمین را می توان بوسیله جابه جایی، سرعت و شتاب توصیف کرد. تغییرات ضبط شده شتاب زمین در زمان در یک نقطه زمین در طی زلزله، شتاب نگاشت نامیده می شود. ماهیت شتاب نگاشت ها ممکن است متفاوت باشد. (شکل 4) این امر به انرژی آزاد شده در منبع، نوع لغزش در شکست گسل، زمین شناسی امتداد مسیر گسل تا سطح زمین و خاک محل بستگی دارد. (شکل 1)

آنها اطلاعات متمایزی در مورد لرزش سطح زمین را حمل می کنند؛ دامنه اوج، مدت زمان لرزش، محتوای فرکانس از این دست اطلاعات است. (به عنوان مثال، دامنه لرزش مربوط به هر فرکانس) و محتوای انرژی (به عنوان مثال انرژی که توسط لرزش زمین در هر فرکانس حمل می شود) اغلب برای تشخیص زلزله ها استفاده می شود. دامنه حداکثر شتاب (شتاب حداکثر زمین، PGA) از نظر فیزیکی قابل تشخیص است. به عنوان مثال، مقدار PGA افقی برابر با 0/6g(= 0/6 برابر شتاب جاذبه گرانش) می تواند حداکثر نیروی افقی برابر 60% وزن یک سازه صلب را به آن وارد نماید. در یک سازه صلب، تمام نقاط آن با مقدار یکسانی نسبت به زمین حرکت می کند و از این رو حداکثر شتاب PGA یکسانی را تجربه می کنند. مقادیر افقی PGA بیش ازg 0/1 بعد از زلزله Northridge 1994 در ایالات متحده ثبت می شوند. معمولا زلزله های قوی و پر انرژی همراه با لرزشهایی در محدوده فرکانسی 0/03 تا 30 هرتز است. به طور کلی، حداکثر دامنه حرکات افقی لرزه ای در دو جهت متعامد تقریبا یکسان است. با این حال، دامنه حداکثر نوسان در جهت عمودی کمتر از جهات افقی است. در کدهای طراحی، شتاب عمودی طراحی از 1/2 تا 2/3 شتاب طراحی افقی در نظرگرفته می شوند. در نقطه مقابل، حداکثر شتاب های افقی و عمودی زمین در مجاورت شکست گسل بدون ارتباط با یکدیگر هستند.