علم الزلازل

جزء من سلسلة عن
الزلازل
أنواع ماينشوك صدمة أولية هزة ارتدادية دفع أعمى صدرة ضيقة لوحة داخلية داخل الصفيحة قوة دفع هائلة تم تشغيله عن بعد بطيئ غواصة القص الفائق تسونامي سرب الزلازل
الأسباب حركة الخطأ النشاط البركاني الزلازل المستحثة
صفات مركز الزلزال المسافة فوق المركزية مركز الضغط الجوي منطقة الظل Seismic waves P wave S wave
Measurement Seismometer Seismic magnitude scales Seismic intensity scales
Prediction Coordinating Committee for Earthquake Prediction Forecasting
Other topics Shear wave splitting Adams–Williamson equation Flinn–Engdahl regions Earthquake engineering Seismite Seismology
Earth Sciences Portal Category Related topics
v t e

علم الزلازل ( / saɪzˈmɒlədʒi , saɪs- / ؛ من اليونانية القديمة σεισμός ( seismós ) وتعني " زلزال " و- λογία ( -logía ) وتعني " دراسة") هو الدراسة العلمية للزلازل ( أو بشكل عام، الزلازل ) وتوليد وانتشار الموجات المرنة عبر الأرض أو الأجرام الكوكبية الأخرى . ويشمل أيضًا دراسات التأثيرات البيئية للزلازل مثل تسونامي بالإضافة إلى مصادر الزلازل المتنوعة مثل الزلازل البركانية والتكتونية والجليدية والنهرية والمحيطية والجوية والعمليات الاصطناعية مثل الانفجارات والأنشطة البشرية . ومن المجالات ذات الصلة التي تستخدم الجيولوجيا لاستنتاج معلومات بشأن الزلازل السابقة علم الزلازل القديمة . يُطلق على تسجيل حركة الأرض كدالة للزمن، والذي يتم إنشاؤه بواسطة جهاز قياس الزلازل، اسم مخطط الزلازل . عالم الزلازل هو عالم يعمل في مجال علم الزلازل الأساسي أو التطبيقي.

يعود الاهتمام العلمي بالزلازل إلى العصور القديمة. وقد تضمنت كتابات طاليس الملطي ( حوالي  585 قبل الميلاد )، وأناكسيمانس الملطي ( حوالي  550 قبل الميلاد )، وأرسطو ( حوالي  340 قبل الميلاد )، وتشانغ هينج (132 م) تكهنات مبكرة حول الأسباب الطبيعية للزلازل.

في عام 132 ميلادي، صمم تشانغ هينج من أسرة هان الصينية أول جهاز معروف لقياس الزلازل . ^{[1] [2] [3]}

في القرن السابع عشر، زعم أثناسيوس كيرشر أن الزلازل ناجمة عن حركة النار داخل نظام من القنوات داخل الأرض. واقترح مارتن ليستر (1638-1712) ونيكولاس ليميري (1645-1715) أن الزلازل ناجمة عن انفجارات كيميائية داخل الأرض. ^[4]

أدى زلزال لشبونة عام 1755 ، الذي تزامن مع ازدهار العلوم بشكل عام في أوروبا ، إلى تكثيف المحاولات العلمية لفهم سلوك الزلازل وأسبابها. وتشمل الاستجابات المبكرة أعمال جون بيفيس (1757) وجون ميتشل (1761). حدد ميتشل أن الزلازل تنشأ داخل الأرض وأنها موجات من الحركة ناجمة عن "تحرك كتل الصخور على بعد أميال تحت السطح". ^[5]

ردًا على سلسلة من الزلازل بالقرب من كومري في اسكتلندا عام 1839، تم تشكيل لجنة في المملكة المتحدة من أجل إنتاج طرق أفضل للكشف عن الزلازل. وكانت نتيجة هذا إنتاج أحد أول أجهزة قياس الزلازل الحديثة بواسطة جيمس ديفيد فوربس ، والذي قدمه لأول مرة في تقرير لديفيد ميلن هوم عام 1842. ^[6] كان هذا جهاز قياس الزلازل عبارة عن بندول مقلوب، سجل قياسات النشاط الزلزالي من خلال استخدام قلم رصاص يوضع على ورق فوق البندول. لم تثبت التصميمات المقدمة فعاليتها، وفقًا لتقارير ميلن. ^[6]

منذ عام 1857، وضع روبرت ماليت الأساس لعلم الزلازل الآلي الحديث وأجرى تجارب زلزالية باستخدام المتفجرات. وهو أيضًا المسؤول عن صياغة كلمة "علم الزلازل". ^[7]

في عام 1889، سجل إرنست فون ريبور باشويتز أول إشارة زلزال تليفزيونية (زلزال في اليابان تم تسجيله في بوتسدام بألمانيا). ^[8]

في عام 1897، قادت الحسابات النظرية التي أجراها إميل ويشرت إلى استنتاج مفاده أن باطن الأرض يتكون من عباءة من السيليكات تحيط بنواة من الحديد. ^[9]

في عام 1906، حدد ريتشارد ديكسون أولدهام الوصول المنفصل لموجات P وموجات S والموجات السطحية على مخططات الزلازل ووجد أول دليل واضح على أن الأرض لها نواة مركزية. ^[10]

في عام 1909، اكتشف أندريا موهوروفيتشيتش ، أحد مؤسسي علم الزلازل الحديث، ^{[11] [12] [13]} وعرّف انقطاع موهوروفيتشيتش . ^[14] يُشار إليه عادةً باسم "انقطاع موهو" أو " الموهو "، وهو الحد الفاصل بين قشرة الأرض والوشاح . يتم تعريفه من خلال التغيير المميز في سرعة الموجات الزلزالية أثناء مرورها عبر كثافات الصخور المتغيرة. [ ^15]

في عام 1910، وبعد دراسة زلزال سان فرانسيسكو في أبريل 1906 ، طرح هاري فيلدينج ريد " نظرية الارتداد المرن " التي لا تزال تشكل الأساس للدراسات التكتونية الحديثة. وقد اعتمد تطوير هذه النظرية على التقدم الكبير الذي أحرزته تيارات العمل المستقلة السابقة حول سلوك المواد المرنة وفي الرياضيات. ^[16]

جاءت دراسة علمية مبكرة للهزات الارتدادية الناتجة عن زلزال مدمر بعد زلزال خالابا في يناير 1920. تم إحضار جهاز قياس الزلازل Wiechert الذي يزن 80 كجم (180 رطلاً) إلى مدينة خالابا المكسيكية بالسكك الحديدية بعد الزلزال. تم نشر الجهاز لتسجيل الهزات الارتدادية. ستحدد البيانات من جهاز قياس الزلازل في النهاية أن الهزة الرئيسية حدثت على طول صدع قشري ضحل. ^[17]

في عام 1926، كان هارولد جيفريز أول من ادعى، استنادًا إلى دراسته لموجات الزلزال، أن نواة الأرض، أسفل الوشاح، سائلة. ^[18]

في عام 1937، قرر إنجي ليمان أن هناك قلبًا داخليًا صلبًا داخل النواة الخارجية السائلة للأرض . ^[19]

في عام 1950، أوضح مايكل إس. لونجيت هيجينز العمليات المحيطية المسؤولة عن الزلازل الخلفية العالمية . [ ^20]

بحلول ستينيات القرن العشرين، تطور علم الأرض إلى الحد الذي تم فيه التوصل إلى نظرية شاملة لسبب الأحداث الزلزالية والحركات الجيوديسية في نظرية الصفائح التكتونية الراسخة الآن . ^[21]

الموجات الزلزالية هي موجات مرنة تنتشر في المواد الصلبة أو السائلة. ويمكن تقسيمها إلى موجات جسمية تنتقل عبر الجزء الداخلي من المواد؛ وموجات سطحية تنتقل على طول الأسطح أو الواجهات بين المواد؛ والأوضاع الطبيعية ، وهي شكل من أشكال الموجة الدائمة.

هناك نوعان من الموجات الجسمية، موجات الضغط أو الموجات الأولية (موجات P) وموجات القص أو الموجات الثانوية ( موجات S ). موجات P هي موجات طولية تنطوي على ضغط وتمدد في الاتجاه الذي تتحرك فيه الموجة وهي دائمًا أول الموجات التي تظهر على مخطط الزلازل لأنها أسرع الموجات تتحرك عبر المواد الصلبة. موجات S هي موجات عرضية تتحرك بشكل عمودي على اتجاه الانتشار. موجات S أبطأ من موجات P. لذلك، تظهر بعد موجات P على مخطط الزلازل. لا يمكن للسوائل دعم الموجات المرنة العرضية بسبب قوة القص المنخفضة لديها، لذلك تنتقل موجات S فقط في المواد الصلبة. ^[22]

الموجات السطحية هي نتيجة تفاعل الموجات P و S مع سطح الأرض. هذه الموجات متشتتة ، مما يعني أن الترددات المختلفة لها سرعات مختلفة. النوعان الرئيسيان للموجات السطحية هما موجات رايلي ، التي لها حركات انضغاط وقص، وموجات لوف ، وهي قص بحت. تنشأ موجات رايلي من تفاعل موجات P وموجات S المستقطبة رأسياً مع السطح ويمكن أن توجد في أي وسط صلب. تتشكل موجات لوف من خلال تفاعل موجات S المستقطبة أفقياً مع السطح، ولا يمكن أن توجد إلا إذا كان هناك تغيير في الخصائص المرنة مع العمق في وسط صلب، وهو ما يحدث دائمًا في التطبيقات الزلزالية. تنتقل الموجات السطحية بشكل أبطأ من موجات P وموجات S لأنها نتيجة لانتقال هذه الموجات على طول مسارات غير مباشرة للتفاعل مع سطح الأرض. نظرًا لأنها تنتقل على طول سطح الأرض، فإن طاقتها تتحلل بسرعة أقل من الموجات الجسمية (1/مسافة ² مقابل 1/مسافة ³ )، وبالتالي فإن الاهتزاز الناتج عن الموجات السطحية يكون أقوى عمومًا من اهتزاز الموجات الجسمية، وبالتالي غالبًا ما تكون الموجات السطحية الأولية هي أكبر الإشارات على مخططات الزلازل الزلزالية . تثار الموجات السطحية بقوة عندما يكون مصدرها قريبًا من السطح، كما هو الحال في زلزال ضحل أو انفجار قريب من السطح، وتكون أضعف بكثير بالنسبة لمصادر الزلازل العميقة. ^[22]

الموجات الجسمية والسطحية هي موجات متنقلة؛ ومع ذلك، يمكن للزلازل الكبيرة أيضًا أن تجعل الأرض بأكملها "ترن" مثل جرس الرنين. هذا الرنين عبارة عن مزيج من الأوضاع العادية ذات الترددات المنفصلة وفترات مدتها ساعة تقريبًا أو أقل. يمكن ملاحظة حركة الوضع العادي الناتجة عن زلزال كبير جدًا لمدة تصل إلى شهر بعد الحدث. ^[22] تم إجراء الملاحظات الأولى للأوضاع العادية في ستينيات القرن العشرين حيث تزامن ظهور الأدوات ذات الدقة العالية مع اثنين من أكبر الزلازل في القرن العشرين زلزال فالديفيا عام 1960 وزلزال ألاسكا عام 1964. ومنذ ذلك الحين، أعطتنا الأوضاع العادية للأرض بعضًا من أقوى القيود على البنية العميقة للأرض.

كانت إحدى المحاولات الأولى للدراسة العلمية للزلازل هي التي تلت زلزال لشبونة عام 1755. ومن بين الزلازل البارزة الأخرى التي حفزت تقدمًا كبيرًا في علم الزلازل زلزال بازيليكاتا عام 1857 ، وزلزال سان فرانسيسكو عام 1906، وزلزال ألاسكا عام 1964 ، وزلزال سومطرة أندامان عام 2004 ، وزلزال شرق اليابان الكبير عام 2011 .

الموجات الزلزالية الناتجة عن الانفجارات أو المصادر المتحكم بها المهتزة هي إحدى الطرق الأساسية لاستكشاف باطن الأرض في الجيوفيزياء (بالإضافة إلى العديد من الطرق الكهرومغناطيسية المختلفة مثل الاستقطاب المستحث والمغناطيسية الأرضية ). وقد استُخدم علم الزلازل المتحكم به المصدر لرسم خرائط القباب الملحية والطيات المحدبة والفخاخ الجيولوجية الأخرى في الصخور الحاملة للبترول والصدوع وأنواع الصخور وفوهات النيازك العملاقة المدفونة منذ فترة طويلة. على سبيل المثال، تم تحديد موقع فوهة تشيكشولوب، التي نتجت عن تأثير كان متورطًا في انقراض الديناصورات ، في أمريكا الوسطى من خلال تحليل المقذوفات في حدود العصر الطباشيري والباليوجيني ، ثم ثبت وجودها فعليًا باستخدام خرائط الزلازل من استكشاف النفط . ^[23]

أجهزة قياس الزلازل هي أجهزة استشعار تكتشف وتسجل حركة الأرض الناشئة عن الموجات المرنة. يمكن نشر أجهزة قياس الزلازل على سطح الأرض، أو في أقبية ضحلة، أو في آبار، أو تحت الماء . تسمى مجموعة الأجهزة الكاملة التي تسجل الإشارات الزلزالية جهاز قياس الزلازل . تسجل شبكات أجهزة قياس الزلازل باستمرار حركات الأرض في جميع أنحاء العالم لتسهيل مراقبة وتحليل الزلازل العالمية وغيرها من مصادر النشاط الزلزالي. يجعل تحديد موقع الزلازل السريع تحذيرات تسونامي ممكنة لأن الموجات الزلزالية تنتقل أسرع بكثير من موجات تسونامي. تسجل أجهزة قياس الزلازل أيضًا إشارات من مصادر غير زلزالية تتراوح من الانفجارات (النووية والكيميائية)، إلى الضوضاء المحلية من الرياح ^[24] أو الأنشطة البشرية، إلى الإشارات المتواصلة التي يتم إنشاؤها في قاع المحيط والسواحل الناجمة عن أمواج المحيط ( الزلزال العالمي )، إلى الأحداث الجليدية المرتبطة بالجبال الجليدية الكبيرة والأنهار الجليدية. وقد سجلت أجهزة قياس الزلازل ضربات نيزكية فوق المحيطات بطاقة تصل إلى 4.2 × 10 ¹³ جول (أي ما يعادل الطاقة المنبعثة من انفجار عشرة كيلوطن من مادة تي إن تي)، فضلاً عن عدد من الحوادث الصناعية والقنابل والأحداث الإرهابية (مجال دراسة يشار إليه باسم علم الزلازل الجنائي ). وكان أحد الدوافع الرئيسية طويلة الأمد للرصد الزلزالي العالمي هو الكشف عن التجارب النووية ودراستها .

ولأن الموجات الزلزالية تنتشر عادة بكفاءة عالية عند تفاعلها مع البنية الداخلية للأرض، فإنها توفر طرقاً غير جراحية عالية الدقة لدراسة باطن الكوكب. وكان أحد أقدم الاكتشافات المهمة (التي اقترحها ريتشارد ديكسون أولدهام في عام 1906 وأثبتها هارولد جيفريز بشكل قاطع في عام 1926) أن النواة الخارجية للأرض سائلة. ولأن الموجات S لا تمر عبر السوائل، فإن النواة السائلة تسبب "ظلاً" على جانب الكوكب المقابل للزلزال حيث لا تُرصد موجات S مباشرة. بالإضافة إلى ذلك، تنتقل الموجات P بشكل أبطأ بكثير عبر النواة الخارجية مقارنة بالوشاح.

من خلال معالجة قراءات العديد من أجهزة قياس الزلازل باستخدام التصوير المقطعي الزلزالي ، تمكن علماء الزلازل من رسم خريطة للوشاح الأرضي بدقة تصل إلى عدة مئات من الكيلومترات. وقد مكن هذا العلماء من تحديد خلايا الحمل الحراري وغيرها من السمات واسعة النطاق مثل المقاطعات الكبيرة ذات سرعة القص المنخفضة بالقرب من حدود اللب والوشاح . ^[25]

يُطلق على التنبؤ بالتوقيت المحتمل والموقع والحجم وغير ذلك من السمات المهمة لحدث زلزالي قادم اسم التنبؤ بالزلزال . وقد بُذلت محاولات مختلفة من قبل علماء الزلازل وغيرهم لإنشاء أنظمة فعالة للتنبؤ الدقيق بالزلازل، بما في ذلك طريقة VAN . لا يعتقد معظم علماء الزلازل أنه تم تطوير نظام لتوفير تحذيرات في الوقت المناسب للزلازل الفردية حتى الآن، ويعتقد الكثيرون أن مثل هذا النظام من غير المرجح أن يعطي تحذيرًا مفيدًا للأحداث الزلزالية الوشيكة. ومع ذلك، تتنبأ التوقعات الأكثر عمومية بشكل روتيني بالمخاطر الزلزالية . تقدر مثل هذه التوقعات احتمالية حدوث زلزال بحجم معين يؤثر على موقع معين ضمن فترة زمنية معينة، ويتم استخدامها بشكل روتيني في هندسة الزلازل .

اندلع الجدل العام حول التنبؤ بالزلزال بعد أن وجهت السلطات الإيطالية اتهامات إلى ستة علماء زلازل ومسؤول حكومي واحد بالقتل غير العمد فيما يتعلق بزلزال بقوة 6.3 درجة في لاكويلا بإيطاليا في 5 أبريل 2009. [ ^26] وذكر تقرير في مجلة نيتشر أن الاتهام كان يُنظر إليه على نطاق واسع في إيطاليا والخارج على أنه بسبب الفشل في التنبؤ بالزلزال وأدانته الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم والاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . ^[26] ومع ذلك، أشارت المجلة أيضًا إلى أن سكان أكويلا لا يعتبرون الفشل في التنبؤ بالزلزال هو سبب الاتهام، بل فشل العلماء المزعوم في تقييم المخاطر والتواصل بشأنها. ^[26] تزعم لائحة الاتهام أنه في اجتماع خاص في لاكويلا في الأسبوع الذي سبق وقوع الزلزال، كان العلماء والمسؤولون أكثر اهتمامًا بتهدئة السكان من تقديم معلومات كافية حول مخاطر الزلازل والاستعداد لها. ^[26]

في المواقع التي يوجد بها سجل تاريخي، يمكن استخدامه لتقدير توقيت وموقع وحجم الأحداث الزلزالية المستقبلية. هناك العديد من العوامل التفسيرية التي يجب مراعاتها. تخضع مراكز أو بؤر وحجم الزلازل التاريخية للتفسير، مما يعني أنه من الممكن أن تكون الزلازل التي بلغت قوتها 5-6 ميجاوات الموصوفة في السجل التاريخي أحداثًا أكبر حدثت في أماكن أخرى وشعر بها بشكل معتدل في المناطق المأهولة بالسكان والتي أنتجت سجلات مكتوبة. قد تكون الوثائق في الفترة التاريخية نادرة أو غير مكتملة، ولا تعطي صورة كاملة للنطاق الجغرافي للزلزال، أو قد يحتوي السجل التاريخي فقط على سجلات زلزال تمتد لعدة قرون، وهي فترة زمنية قصيرة جدًا في دورة زلزالية . ^{[27] [28]}

علم الزلازل الهندسي هو دراسة وتطبيق علم الزلازل لأغراض هندسية. ^[29] يتم تطبيقه عمومًا على فرع علم الزلازل الذي يتعامل مع تقييم المخاطر الزلزالية لموقع أو منطقة لأغراض هندسة الزلازل. وبالتالي، فهو رابط بين علوم الأرض والهندسة المدنية . ^[30] هناك عنصران رئيسيان لعلم الزلازل الهندسي. أولاً، دراسة تاريخ الزلازل (على سبيل المثال، الفهارس التاريخية ^[30] والأدوات ^[31] للزلازل) والتكتونيات ^[32] لتقييم الزلازل التي يمكن أن تحدث في منطقة وخصائصها وتكرار حدوثها. ثانيًا، دراسة الحركات الأرضية القوية الناتجة عن الزلازل لتقييم الاهتزاز المتوقع من الزلازل المستقبلية ذات الخصائص المماثلة. يمكن أن تكون هذه الحركات الأرضية القوية إما ملاحظات من مقاييس التسارع أو مقاييس الزلازل أو تلك التي تمت محاكاتها بواسطة أجهزة الكمبيوتر باستخدام تقنيات مختلفة، ^[33] والتي تُستخدم غالبًا لتطوير معادلات التنبؤ بحركة الأرض ^[34] (أو نماذج حركة الأرض) [1].

يمكن للأجهزة الزلزالية توليد كميات كبيرة من البيانات. وتتضمن أنظمة معالجة مثل هذه البيانات ما يلي:

• CUSP (معالجة الزلازل التابعة لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية) ^[35]
• برنامج RadExPro للزلازل
• سيسكومب3 ^[36]

• مركز رصد الزلازل الأوروبي المتوسطي، موقع إلكتروني يوفر معلومات فورية عن الزلازل.
• الجمعية الزلزالية الامريكية.
• مؤسسات البحوث المدمجة لعلم الزلازل.
• برنامج مخاطر الزلازل التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
• تاريخ موجز لعلم الزلازل حتى عام 1910 (UCSB ERI)