تأثيرات الموقع الزلزالي

ترتبط تأثيرات الموقع الزلزالي بتضخيم الموجات الزلزالية في الطبقات الجيولوجية السطحية. ^{[ 1 ]} قد تتضخم حركة الأرض السطحية بشكل كبير إذا كانت الظروف الجيولوجية غير مواتية (مثل الرواسب). لذلك، تُعد دراسة تأثيرات الموقع المحلية جزءًا مهمًا من تقييم حركات الأرض القوية ، والمخاطر الزلزالية ، وعلم الزلازل الهندسي بشكل عام. وبالتالي، قد تتفاقم الأضرار الناجمة عن الزلزال كما حدث في زلزال مكسيكو سيتي عام 1985. بالنسبة للأحواض الرسوبية ، يمكننا محاكاة هذه الظاهرة على نطاق صغير باستخدام وعاء من الجيلي .

تُعرّف هذه المقالة أولاً تأثيرات الموقع، ثم تعرض زلزال مدينة مكسيكو عام 1985، وتصف التحليل النظري للظاهرة (من خلال الموجات الميكانيكية ) وتفصّل العديد من نتائج الأبحاث حول تأثيرات الموقع الزلزالية في كاراكاس .

عند انتشارها، تنعكس الموجات الزلزالية وتنكسر عند السطح الفاصل بين الطبقات الجيولوجية المختلفة ( الشكل 1 ).

يوضح المثال الموضح في الشكل 1 تضخيم الموجات الزلزالية في الطبقات الجيولوجية الأفقية. نعتبر نصف فضاء مرن متجانس (باللون الأخضر) تعلوه طبقة رسوبية مرنة ذات سمك ثابت${\displaystyle h}$يقع (باللون الرمادي). موجة قص (${\displaystyle SH}$) من السعة${\displaystyle A_{2}}$يصل إلى الحد الفاصل بين نصف الفضاء والطبقة الطميية بزاوية سقوط${\displaystyle \theta _{2}}$وبالتالي ينتج عنه ما يلي:

• موجة منعكسة في نصف الفضاء بسعة${\displaystyle A_{2}^{'}}$والانتشار${\displaystyle \theta _{2}}$
• موجة منكسرة في الطبقة السطحية ذات سعة${\displaystyle A_{1}}$ والانتشار${\displaystyle \theta _{1}}$

تُنتج الموجة المنكسرة موجة منعكسة عند وصولها إلى السطح الحر ؛ ويُشار إلى سعتها وزاوية سقوطها بـ${\displaystyle A_{1}^{'}}$و${\displaystyle \theta _{1}}$على التوالي. ستنعكس هذه الموجة الأخيرة وتنكسر عدة مرات عند قاعدة الطبقة السطحية وقمّتها. إذا كانت الطبقة أكثر ليونة من نصف الفضاء، فقد يكون مدى حركة السطح أكبر من${\displaystyle A_{2}}$مما يؤدي إلى تضخيم الموجات الزلزالية أو تأثيرات الموقع الزلزالية . عندما لا تكون الفواصل الجيولوجية أفقية، يمكن أيضًا دراسة تأثيرات الموقع الزلزالية من خلال مراعاة تأثيرات الحوض الناتجة عن الهندسة المعقدة للرواسب الطميية ^{[ 2 ].} بالنسبة للميول الصغيرة للطبقات تحت السطحية و/أو تباينات المعاوقة المنخفضة، لا يزال من الممكن استخدام افتراض الطبقات الأفقية (أي الافتراض أحادي البعد) للتنبؤ باستجابة الموقع. ^{[ 3 ]}

في هذه المقالة، نقترح العديد من الأمثلة على تأثيرات الموقع الزلزالي (التي لوحظت أو تمت محاكاتها أثناء الزلازل الكبيرة) بالإضافة إلى تحليل نظري لظاهرة التضخيم.

ظهرت آثار الموقع الزلزالي لأول مرة خلال زلزال مدينة مكسيكو عام 1985. [ ^{4 ] كان} مركز الزلزال يقع على طول ساحل المحيط الهادئ (على بعد مئات الكيلومترات من مدينة مكسيكو)، ومع ذلك كانت الهزة الزلزالية قوية للغاية مما أدى إلى أضرار جسيمة.

يوضح الشكل 2 التسجيلات التي أُجريت على مسافات مختلفة من مركز الزلزال أثناء سلسلة الزلازل. ويتغير مقدار التسارع المقاس على مسافات مختلفة بشكل كبير:

• محطة كامبوس : تقع هذه المحطة بالقرب من مركز الزلزال ، وقد سجلت تسارعًا أقصى قدره${\displaystyle 150~cm/s^{2}}$،
• محطة تيكالكو : تقع هذه المحطة على بعد أكثر من 200  كيلومتر من مركز الزلزال، وسجلت تسارعًا أقل بكثير (حوالي${\displaystyle 18~cm/s^{2}}$يعود هذا الانخفاض في السعة إلى توهين الموجة أثناء

عملية الانتشار : ^{[ 1 ]} التوهين الهندسي الناتج عن تمدد جبهة الموجة والتوهين المادي (أو الجوهري) الناتج عن تبديد الطاقة داخل الوسط (مثل احتكاك الحبيبات)،

• محطة جامعة المكسيك الوطنية المستقلة (UNAM) : تقع هذه المحطة على بعد أكثر من 300  كيلومتر من مركز الزلزال ، وسجلت تسارعًا أقصى قدره${\displaystyle 35~cm/s^{2}}$أكبر من تلك المسجلة في محطة تيكالكو ،
• محطة SCT : تقع هذه المحطة في مدينة مكسيكو على بعد حوالي 400  كيلومتر من مركز الزلزال ، وقد سجلت تسارعًا أقصى قويًا جدًا (حوالي${\displaystyle 170~cm/s^{2}}$).

قد نلاحظ أن سعة التسارع تنخفض بشدة أولاً ثم تزداد عندما تصل الموجات الزلزالية إلى الرواسب الطميية التي تأسست عليها مدينة مكسيكو.

الشكل 2أ : يوضح تأثير الرنين: يبلغ سمك الطبقة الجيولوجية العلوية في منطقة مدينة مكسيكو الحديثة 40 مترًا. وتبلغ سرعة موجات القص عبر هذه الطبقة 80 مترًا/ثانية. ^{[ 5 ]} وهذا يعني أن التردد الطبيعي لهذا التكوين هو 0.5  هرتز (دورة مدتها ثانيتان). ^{[ 6 ]} عندما وصلت موجات القص ذات التردد نفسه إلى تلك المنطقة، كان الرنين مسؤولاً عن ذلك التأثير الزلزالي الهائل في الموقع.

في حالة وجود طبقات تربة أفقية (سمك ثابت، انظر الشكل 1 )، يمكننا تحليل تأثيرات الموقع الزلزالي نظريًا. نأخذ في الاعتبار موجة القص (${\displaystyle SH}$) (أي مستقطبة بشكل عمودي على الشكل) الموجة المنعكسة والمنكسرة عند السطح الفاصل بين الوسطين والمنعكسة عند السطح الحر.

بالنظر إلى الشكل 1 ، يمكننا تحليل انتشار الموجات المختلفة في الطبقة الرسوبية (${\displaystyle i=1}$) وفي نصف الفضاء (${\displaystyle i=2}$بافتراض أن كلا الوسطين مرنان خطيًا ، وكتابة شروط الاستمرارية عند السطح الفاصل ( الإزاحة والشد ) بالإضافة إلى شروط السطح الحر، يمكننا تحديد النسبة الطيفية .${\displaystyle {\bar {T}}(\omega )}$بين حركة السطح والحركة في أعلى نصف الفضاء بدون أي طبقة رسوبية:

${\displaystyle {\bar {T}}(\omega )={\frac {2A_{1}}{2A_{2}}}={\frac {1}{\cos k_{z_{1}}h+i{\bar {\chi }}\sin k_{z_{1}}h}}}$

أين${\displaystyle k_{z_{1}}={\frac {\omega \theta _{i}}{V_{S_{i}}}}}$ ؛ ${\displaystyle {\bar {\chi }}={\sqrt {\frac {\mu _{1}\rho _{1}}{\mu _{2}\rho _{2}}}}{\frac {\cos \theta _{1}}{\cos \theta _{2}}}}$و  :

• ${\displaystyle h}$سُمك الطبقة،
• ${\displaystyle \theta _{i}}$هل هو سقوط الموجة في الطبقة؟${\displaystyle i}$،
• ${\displaystyle \rho _{i}}$هي كثافة الكتلة في الطبقة${\displaystyle i}$،
• ${\displaystyle \mu _{i}}$معامل القص في الطبقة${\displaystyle i}$،
• ${\displaystyle k_{z_{1}}}$يمثل رقم الموجة الرأسية في الطبقة 1،
• ${\displaystyle V_{S_{i}}={\sqrt {\frac {\mu _{i}}{\rho _{i}}}}}$هي سرعة موجة القص .

يوضح الشكل 3 تغيرات النسبة الطيفية${\displaystyle {\bar {T}}}$فيما يتعلق بالتردد لخصائص ميكانيكية مختلفة لنصف الفضاء (مع${\displaystyle V_{S_{1}}=200~m/s}$بالنسبة للطبقة الرسوبية). نلاحظ أن تضخيم الحركة قد يكون قويًا جدًا عند ترددات معينة . يعتمد مستوى التضخيم على تباين السرعة.${\displaystyle {\bar {\chi }}}$ويأخذ القيم القصوى التالية:

• ${\displaystyle |{\bar {T}}_{max}|=2}$ل${\displaystyle V_{S_{2}}=800~m/s}$(المنحنى الأزرق)،
• ${\displaystyle |{\bar {T}}_{max}|\simeq 3.5}$ل${\displaystyle V_{S_{2}}=2000~m/s}$(المنحنى الأخضر)،
• ${\displaystyle |{\bar {T}}_{max}|\simeq 6}$ل${\displaystyle V_{S_{2}}=5000~m/s}$(المنحنى الأصفر).

يمثل المنحنى الأحمر تباينًا كبيرًا في السرعة بين الطبقة ونصف الفضاء (${\displaystyle {\bar {\chi }}\gg 1}$وبالتالي، يكون التضخيم كبيرًا جدًا. وكما هو موضح في الشكل 3 ، يتم الوصول إلى أقصى تضخيم عند ترددات معينة تتوافق مع رنين الطبقة الرسوبية. ويمكن حساب التردد الأساسي للطبقة (أو تردد الرنين الأول) بسهولة ^{[ 1 ]} وفقًا للصيغة التالية:${\displaystyle f_{0}={\frac {V_{S_{1}}}{4h}}}$وبالتالي، يتوافق النمط الأساسي مع رنين ربع الطول الموجي . ويمكن استخدام طريقة "ربع الطول الموجي" لتقدير تضخيم الموقع الناتج عن تباين المعاوقة. ^{[ 7 ]}

عندما لا تكون الطبقات الرسوبية أفقية (مثل الأحواض الرسوبية )، يصبح التحليل أكثر تعقيدًا نظرًا لضرورة مراعاة الأمواج السطحية الناتجة عن عدم التجانس الجانبي (مثل حواف الأحواض). في مثل هذه الحالات، يمكن إجراء دراسات تجريبية، بالإضافة إلى تحليلات نظرية للأشكال الهندسية البسيطة ^{[ 8 ]} أو محاكاة عددية للحالات الأكثر تعقيدًا ^{[ 9 ] .}

في الأحواض الرسوبية ، تؤدي تأثيرات الموقع أيضًا إلى توليد موجات سطحية على حواف الحوض. قد تُعزز هذه الظاهرة بشكل كبير تضخيم الحركة الزلزالية . قد يصل مستوى التضخيم، مقارنةً بحالة الطبقات الأفقية، إلى 5 أو 10 أضعاف. ويعتمد ذلك على تباين السرعة بين الطبقات وهندسة الحوض. ^{[ 9 ]} تُسمى هذه الظواهر بتأثيرات الحوض ، ويمكننا تشبيهها بالاهتزازات في وعاء من الجيلي .

أُجري التحليل النظري لتأثيرات الموقع في الأخاديد أو الأحواض الرسوبية شبه الدائرية باستخدام أساليب شبه تحليلية في أوائل الثمانينيات. ^{[ 8 ]} وقد أتاحت المحاكاة العددية الحديثة ^{[ 10 ]} تحليل تأثيرات الموقع في الأحواض الرسوبية الإهليلجية. ويختلف تفاقم تأثيرات الموقع باختلاف هندسة الحوض، مقارنةً بحالة الطبقات الأفقية.

عند معرفة الخصائص الميكانيكية للحوض الرسوبي ، يمكننا محاكاة تأثيرات الموقع عدديًا. يوضح الشكل 4 ظاهرة التضخيم لمدينة كاراكاس . ^{[ 11 ] [ 12 ]} مستوى تضخيم الموجة المستوية (${\displaystyle SH}$يتم حساب ) باستخدام طريقة العناصر الحدية في مجال التردد . ^{[ 13 ]} تعرض كل خريطة لونية مستوى التضخيم${\displaystyle A_{0}}$عند تردد معين${\displaystyle f_{0}}$ :

• قمة:${\displaystyle f_{0}=0.3Hz~;~A_{0}=2.53}$تظهر تأثيرات الموقع الناتجة عن التضاريس بوضوح في قمة التل (على اليمين). ومع ذلك، تؤدي تأثيرات الموقع الناتجة عن الحوض الرسوبي إلى تضخيم أكبر.
• وسط:${\displaystyle f_{0}=0.4Hz~;~A_{0}=8.83}$. تأثيرات الموقع الطبوغرافي ضئيلة عند مقارنتها بتلك الناتجة عن الحوض (أكبر بأربع مرات من 0.3  هرتز).
• قاع:${\displaystyle f_{0}=0.6Hz~;~A_{0}=7.11}$. تأثيرات الموقع في الحوض هي من نفس الرتبة كما هو الحال عند 0.4  هرتز ولكننا نلاحظ طول موجة أقصر بكثير.

قام باحثون مختلفون بدراسة العديد من المواقع الجيولوجية لدراسة الزلازل الضعيفة والقوية على حد سواء (انظر الدراسة التجميعية ^{[ 1 ]} ). في الحالة الأخيرة، من الضروري مراعاة السلوك غير الخطي للتربة تحت تأثير الأحمال الكبيرة ^{[ 14 ]} أو حتى ظاهرة تسييل التربة التي قد تؤدي إلى انهيارها .

• الزلازل
• هندسة الزلازل
• الصفائح التكتونية
• خطر الزلازل
• مقاييس شدة الزلازل
• مقاييس قوة الزلازل
• المخاطر الزلزالية
• الموجات الزلزالية
• علم الزلازل
• الجيوفيزياء القريبة من السطح