علم الزلازل

يمكن تتبع الاهتمام العلمي بالزلازل إلى العصور القديمة. وقد وردت تكهنات مبكرة حول الأسباب الطبيعية للزلازل في كتابات طاليس الملطي ( حوالي 585 قبل الميلاد )، وأناكسيمينس الملطي ( حوالي 550 قبل الميلاد )، وأرسطو ( حوالي 340 قبل الميلاد )، وتشانغ هنغ (132 ميلادي).

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

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

أدى زلزال لشبونة عام 1755 ، الذي تزامن مع ازدهار العلوم في أوروبا ، إلى تكثيف الجهود العلمية لفهم سلوك الزلازل وأسبابها. ومن أوائل هذه الجهود أعمال جون بيفيس (1757) وجون ميتشل (1761). وقد توصل ميتشل إلى أن الزلازل تنشأ داخل الأرض، وأنها عبارة عن موجات حركة ناتجة عن "تحرك كتل صخرية على عمق أميال تحت سطح الأرض". ^{[ 5 ]}

استجابةً لسلسلة من الزلازل قرب كومري في اسكتلندا عام ١٨٣٩، شُكّلت لجنة في المملكة المتحدة لتطوير أساليب أفضل لرصد الزلازل. أسفرت هذه الجهود عن إنتاج جيمس ديفيد فوربس لأحد أوائل أجهزة قياس الزلازل الحديثة ، والذي عُرض لأول مرة في تقرير لديفيد ميلن-هوم عام ١٨٤٢. ^{[ ٦ ]} كان هذا الجهاز عبارة عن بندول مقلوب، يسجل قياسات النشاط الزلزالي باستخدام قلم رصاص موضوع على ورقة فوق البندول. ووفقًا لتقارير ميلن، لم تثبت التصاميم المقدمة فعاليتها. ^{[ ٦ ]}

منذ عام 1857، وضع روبرت ماليت أسس علم الزلازل الحديث القائم على الأجهزة، وأجرى تجارب زلزالية باستخدام المتفجرات. كما يُنسب إليه صياغة مصطلح "علم الزلازل". ^{[ 7 ]} ويُعتبر على نطاق واسع "أبو علم الزلازل".

في عام 1889، سجل إرنست فون ريبور-باشفيتز أول إشارة زلزالية بعيدة (زلزال في اليابان تم تسجيله في بوتسدام بألمانيا). ^{[ 8 ]}

في عام 1894 أثبت فوساكيشي أوموري أن تواتر الهزات الارتدادية للزلازل يتناقص بعد الهزة الرئيسية، وذلك بناءً على تحليله لزلازل كوماموتو عام 1889 ، ومينو-أواري عام 1891، وكاغوشيما عام 1893. ^{[ 9 ]}

في عام 1897، قادت الحسابات النظرية لإميل فيشرت إلى استنتاج مفاده أن باطن الأرض يتكون من غلاف من السيليكات، يحيط بنواة من الحديد. ^{[ 10 ]}

في عام 1906، حدد ريتشارد ديكسون أولدهام وصول الموجات الأولية (P) والموجات الثانوية (S) والموجات السطحية بشكل منفصل على مخططات الزلازل، ووجد أول دليل واضح على أن للأرض لبًا مركزيًا. ^{[ 11 ]}

في عام ١٩٠٩، اكتشف أندريا موهوروفيتشيتش ، أحد مؤسسي علم الزلازل الحديث، ^{[ ١٢ ] [ ١٣ ] [ ١٤ ]} وحدد انقطاع موهوروفيتشيتش . ^{[ ١٥ ]} ويُشار إليه عادةً باسم "انقطاع موهو" أو " موهو "، وهو الحد الفاصل بين قشرة الأرض والوشاح . ويُعرَّف بالتغير الواضح في سرعة الموجات الزلزالية عند مرورها عبر صخور ذات كثافات متغيرة . ^{[ ١٦ ]}

في عام 1910، وبعد دراسة زلزال سان فرانسيسكو الذي وقع في أبريل 1906 ، طرح هاري فيلدينغ ريد " نظرية الارتداد المرن " التي لا تزال تُشكّل أساس الدراسات التكتونية الحديثة. وقد اعتمد تطوير هذه النظرية على التقدم الكبير الذي أحرزته مسارات بحثية مستقلة سابقة في مجال سلوك المواد المرنة وفي الرياضيات. ^{[ 17 ]}

أُجريت دراسة علمية مبكرة للهزات الارتدادية الناجمة عن زلزال مدمر بعد زلزال خالابا في يناير 1920. نُقل جهاز قياس الزلازل من طراز ويشرت، يزن 80 كيلوغرامًا (180 رطلًا)، إلى مدينة خالابا المكسيكية بالسكك الحديدية عقب الزلزال. وتمّ نشر الجهاز لتسجيل الهزات الارتدادية. وأظهرت البيانات المستقاة من جهاز قياس الزلازل لاحقًا أن الهزة الرئيسية نتجت على طول صدع قشري سطحي. ^{[ 18 ]}  

في عام 1926، كان هارولد جيفريز أول من ادعى، بناءً على دراسته لموجات الزلازل، أن لب الأرض تحت الوشاح سائل. ^{[ 19 ]}

في عام 1937، توصلت إنجي ليمان إلى أن هناك لبًا داخليًا صلبًا داخل اللب الخارجي السائل للأرض . ^{[ 20 ]}

في عام 1950، أوضح مايكل إس. لونغيت-هيغينز العمليات المحيطية المسؤولة عن الزلازل الدقيقة الخلفية العالمية . ^{[ 21 ]}

بحلول الستينيات، تطورت علوم الأرض إلى الحد الذي تبلورت فيه نظرية شاملة لأسباب الأحداث الزلزالية والحركات الجيوديسية في نظرية تكتونية الصفائح الراسخة الآن . ^{[ 22 ]}

توجد نوعان من الموجات الجسمية: موجات الضغط أو الموجات الأولية (موجات P) وموجات القص أو الموجات الثانوية ( موجات S ). موجات P هي موجات طولية مرتبطة بالانضغاط والتمدد ، وتتضمن حركة الجسيمات بالتوازي مع اتجاه انتشار الموجة. تظهر موجات P دائمًا أولًا على مخطط الزلازل لأنها الموجات الأسرع انتشارًا في المواد الصلبة. أما موجات S فهي موجات مستعرضة مرتبطة بالقص، وتتضمن حركة الجسيمات عمودية على اتجاه انتشار الموجة. تنتشر موجات S ببطء أكبر من موجات P، لذا تظهر لاحقًا على مخطط الزلازل. نظرًا لضعف مقاومتها للقص، لا تستطيع السوائل دعم الموجات المرنة المستعرضة، لذا تنتشر موجات S فقط في المواد الصلبة. ^{[ 23 ]}

تنتج الموجات السطحية عن تفاعل الموجات الأولية (P) والثانوية (S) مع سطح الأرض. وتتميز هذه الموجات بتشتتها ، أي أن الترددات المختلفة لها سرعات مختلفة. النوعان الرئيسيان للموجات السطحية هما موجات رايلي ، التي تتميز بحركتي الضغط والقص، وموجات لوف ، التي تتميز بحركتي القص فقط. تنشأ موجات رايلي من تفاعل الموجات الأولية (P) والموجات الثانوية (S) المستقطبة عموديًا مع السطح، ويمكن أن توجد في أي وسط صلب. أما موجات لوف فتتشكل من تفاعل الموجات الثانوية (S) المستقطبة أفقيًا مع السطح، ولا يمكن أن توجد إلا في حال وجود تغير في الخصائص المرنة مع العمق في وسط صلب، وهو ما يحدث دائمًا في التطبيقات الزلزالية. تنتقل الموجات السطحية ببطء أكبر من الموجات الأولية (P) والثانوية (S) لأنها ناتجة عن انتقال هذه الموجات عبر مسارات غير مباشرة للتفاعل مع سطح الأرض. نظرًا لأنها تنتقل على طول سطح الأرض، فإن طاقتها تتلاشى بوتيرة أبطأ من الموجات الداخلية (1/المسافة² ^مقابل 1/المسافة³ ⁾ ، وبالتالي فإن الاهتزاز الناتج عن الموجات السطحية يكون أقوى عمومًا من الاهتزاز الناتج عن الموجات الداخلية، وغالبًا ما تكون الموجات السطحية الأولية هي الإشارات الأقوى في مخططات الزلازل . تُثار الموجات السطحية بقوة عندما يكون مصدرها قريبًا من السطح، كما هو الحال في الزلازل الضحلة أو الانفجارات القريبة من السطح، وتكون أضعف بكثير في الزلازل العميقة. ^{[ 23 ]}

تُعدّ كلٌّ من الموجات الداخلية والسطحية موجاتٍ متحركة؛ إلا أن الزلازل الكبيرة قد تُحدث رنينًا في الأرض بأكملها، أشبه برنين جرس. هذا الرنين هو مزيج من أنماط اهتزازية طبيعية ذات ترددات وفترات زمنية محددة، تبلغ ساعةً أو أقل. ويمكن رصد الحركة الطبيعية الناتجة عن زلزال كبير جدًا لمدة تصل إلى شهر بعد وقوعه. ^{[ 23 ]} أُجريت أولى عمليات رصد الأنماط الاهتزازية الطبيعية في ستينيات القرن العشرين، بالتزامن مع ظهور أجهزة رصد عالية الدقة، بالتزامن مع اثنين من أكبر زلازل القرن العشرين، وهما زلزال فالديفيا عام 1960 وزلزال ألاسكا عام 1964. ومنذ ذلك الحين، وفّرت لنا الأنماط الاهتزازية الطبيعية للأرض بعضًا من أقوى القيود على البنية العميقة للأرض.

أثارت مسألة التنبؤ بالزلزال جدلاً واسعاً بعد أن وجهت السلطات الإيطالية اتهامات بالقتل غير العمد لستة علماء زلازل ومسؤول حكومي واحد، على خلفية زلزال بلغت قوته 6.3 درجة على مقياس ريختر ضرب مدينة لاكويلا الإيطالية في 5 أبريل/نيسان 2009. [ ^{29 ] وذكر} تقرير في مجلة "نيتشر" أن لائحة الاتهام اعتُبرت على نطاق واسع في إيطاليا وخارجها تقصيراً في التنبؤ بالزلزال، ما أثار استنكاراً من الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم والاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . ^{[ 29 ]} ومع ذلك، أشارت المجلة أيضاً إلى أن سكان لاكويلا لا يعتبرون عدم التنبؤ بالزلزال سبباً للاتهام، بل يرون أن السبب هو تقصير العلماء المزعوم في تقييم المخاطر وإيصالها. ^{[ 29 ]} وتزعم لائحة الاتهام أن العلماء والمسؤولين، خلال اجتماع خاص عُقد في لاكويلا قبل أسبوع من وقوع الزلزال، كانوا أكثر اهتماماً بتهدئة السكان من تقديم معلومات كافية حول مخاطر الزلازل والاستعداد لها. ^{[ 29 ]}

في المواقع التي تتوفر فيها سجلات تاريخية، يمكن استخدامها لتقدير توقيت وموقع وقوة الزلازل المستقبلية. وهناك عدة عوامل تفسيرية يجب مراعاتها. فمراكز الزلازل أو بؤرها وقوتها تخضع للتفسير، مما يعني أنه من المحتمل أن تكون الزلازل التي تتراوح قوتها بين 5 و6 درجات على مقياس ريختر، والموصوفة في السجلات التاريخية، أحداثًا أكبر وقعت في أماكن أخرى، وشعر بها السكان بشكل متوسط ​​في المناطق المأهولة التي أنتجت سجلات مكتوبة. وقد تكون الوثائق في الفترة التاريخية قليلة أو غير مكتملة، ولا تعطي صورة كاملة عن النطاق الجغرافي للزلزال، أو قد لا تحتوي السجلات التاريخية إلا على سجلات زلازل تغطي بضعة قرون فقط، وهي فترة زمنية قصيرة جدًا في الدورة الزلزالية . ^{[ 30 ] [ 31 ]}

علم الزلازل الهندسي هو دراسة وتطبيق علم الزلازل لأغراض هندسية. ^{[ 32 ]} ويُطلق عمومًا على فرع علم الزلازل الذي يُعنى بتقييم المخاطر الزلزالية لموقع أو منطقة ما لأغراض هندسة الزلازل. ولذلك، فهو حلقة وصل بين علوم الأرض والهندسة المدنية . ^{[ 33 ]} يتكون علم الزلازل الهندسي من عنصرين رئيسيين. أولًا، دراسة تاريخ الزلازل (مثل السجلات التاريخية ^{[ 33 ]} والسجلات الآلية ^{[ 34 ]} للنشاط الزلزالي) والتكتونيات ^{[ 35 ]} لتقييم الزلازل التي قد تحدث في منطقة ما وخصائصها وتواتر 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 محاكاة حاسوبية باستخدام تقنيات مختلفة، ^{[ 36 ]} والتي تُستخدم غالبًا لتطوير معادلات التنبؤ بالحركة الأرضية ^{[ 37 ]} (أو نماذج الحركة الأرضية).تمت أرشفة هذه الصفحة بتاريخ 2023-06-09 في موقع Wayback Machine .