علوم الأرض والجيولوجيا

طرق تحديد مواقع مراكز الزلازل وأزمنة حدوثها

2001 الزلازل

فريال ابو ربيع و الشيخة أمثال الصباح

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الزلازل مراكز الزلازل طرق تحديد مواقع مراكز الزلازل أزمنة حدوث الزلازل علوم الأرض والجيولوجيا

تعتمد الطرق المختلفة لتحديد مواقع حدوث الزلازل وأزمنة حدوثها على التسجيل الدقيق لأزمنة وصول الموجات الزلزالية الطولية والمستعرضة لمحطات التسجيل المختلفة.

وبانتشار استعمال شبكات الرصد الزلزالي أصبح بالإمكان تحديد مواقع مراكز الزلازل بدقة كبيرة في حالة إحاطة مركز الزلزال بالمحطات في جميع الاتجاهات، وذلك باستعمال أزمنة وصول الموجات الطولية فقط عند هذه المحطات.

في الشكل (1-16) تمثل النقطة F بؤرة الزلزال (Focus or hypocenter) وتمثل النقطة (E) مسقط البؤرة على سطح الأرض التي تعرف بمركز الزلزال (Epicenter) وتمثل المسافة (h) عمق بؤرة الزلزال

ويستعمل الرمز ( ∆ ) للدلالة على المسافة السطحية بين مركز الزلازل ومحطة التسجيل، والرمز(D) للدلالة على المسافة تحت سطح الأرض بين بؤرة الزلزال والمحطة، وبافتراض تجانس الخواص المرنة للصخور

 

في هذه المنطقة فإن سرعة الموجات الطولية فيها هي   وسرعة الموجات المستعرضة هي  وهما قيمتان معلومتان اعتمادا ًعلى دراسات سابقة باستعمال طرق الاستكشاف السيزمي، وفي غياب مثل هذه الدراسات فإنه يتم وضع قيم مفترضة لهذه السرعات.

فإذا وقع زلزال كان زمن حدوثه هو وكان  هو زمن وصول الموجات الطولية للمحطة  هو زمن وصول الموجات المستعرضة للمحطة.

 

ويستعمل الرمز  للدلالة على الزمن الذي تستغرقه الموجات الطولية في الانتقال من البؤرة (F) إلى المحطة  عبر المسار D.

ويسمى هذا الزمن بزمن الرحيل(P-wave- travel time)، كما يستعمل الرمز  للدلالة على الزمن الذي تستغرقه الموجات المستعرضة في الرحيل من المبؤر(F)  إلى المحطة  عبر المسار D نفسه، ويسمى هذا الزمن بزمن رحيل الموجات المستعرضة (S-wave travel time).

وحيث إن الفارق الزمني بين زمن وصول الموجات الطولية (ويمكن معرفته من تسجيل الزلازل) وزمن حدوث الزلازل (وهو مجهول) يساوي زمن رحيل الموجات الطولية فإنه يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة البسيطة التالية :

 

وبنفس المفهوم يمكن التعبير عن زمن رحيل الموجات المستعرضة بالمعادلة :

 

ويطرح طرفي المعادلتين 2,1 يمكن استنتاج أن :

ويتضح الآن أن الفارق الزمني بين وصول الموجات المستعرضة (S) الأبطأ ، وبين وصول الموجات الطولية(P) الأسرع (والذي يمكن حسابه من تسجيلات الزلازل) يتساوى مع الفارق الزمني بين زمن رحيل الموجات المستعرضة وزمن رحيل الموجات الطولية.

 

والآن يمكن وضع المعادلة (3) في الصورة التالية :-

 

وحيث إن الوسط متجانس، وبالتالي يمكن اعتبار أن  ،  ثوابت ، فإن المقدار  يكون مقداراً ثابتاً للوسط الواحد المتجانس ، أي أن المسافة D يمكن استنتاجها من العلاقة التالية..

حيث k مقدار ثابت  = 

 

وجدير بالذكر أن المعادلات من 1 إلى 5 تستعمل في التحديد المبدئي لمواقع مراكز الزلازل المحلية بغرض تجانس الخواص المرنة لصخور الوسط التي تمر فية الموجات الزلزالية.

ويتضح الآن أن الفارق الزمني بين زمنيَّ وصول الموجات المستعرضة والطولية (والذي يمكن حسابه من التسجيلات) إنما يرتبط ارتباطاً مباشراً بالمسافة بين بؤرة الزلزال ومحطة التسجيل.

 

وباستعمال نتائج الدراسات التي حددت التركيب الداخلي لباطن الأرض وسرعات الموجات الزلزالية خلال نطاقاتها المختلفة من السطح حتي مركزها فقد تم تصميم جداول ومنحنيات توضح زمن رحيل المسارات المختلفة للموجات الطولية والمستعرضة عند المسافات المختلفة بين محطة التسجيل وبين بؤرة الزلزال وذلك عند أعماق مختلفة.

ومن أشهر هذه الجداول والمنحنيات وأكثرها تداولاً تلك التي وضعها كل من جيفرز وبولن (Jeffreys & Bullen) والشكل (1-17) يوضح هذه المنحنيات والتي يمثل كل منها مساراً من مسارات الموجات الزلزالية داخل باطن الأرض .

 

وهناك عدة طرق لتحديد مواقع مراكز الزلازل وأزمنة حدوثها تعتمد كلها على قراءات أزمنة وصول الموجات الطولية والمستعرضة عند المحطات المختلفة وفيما يلي عرض موجز لأساسيات هذه الطرق :

 

أولا : تحديد موقع مراكز الزلازل باستعمال تسجيلات محطة واحدة ذات ثلاث مركبات

تستخدم هذه الطريقة في التحديد المبدئي لمراكز الزلازل الضحلة .

حيث يحدد أولاً زمن وصول الموجات الطولية وذلك باستعمال تسجيل المركبة الرأسية وتحديد اتجاه حركة أول موجة طولية ( لأعلى أم أسفل).

وكذلك قياس زمن وصول الموجات المستعرضة باستعمال تسجيلات المركبتين الأفقيتين (شمال – جنوب) (شرق – غرب) مع تسجيل اتجاهات الحركة لأول موجة طولية على هاتين المركبتين.

 

ويتم حساب الفارق الزمني بين وصول الموجات المستعرضة والطولية، وباستعمال جداول جيفرز وبولن يمكن حساب المسافة بين مركز الزلازل والمحطة (المسافة ) وذلك باعتبار أن الزلزال ضحل .

وباستعمال اتجاهات حركة أول موجة طولية على المركبات الثلاث بالإضافة إلى سعة أول موجة طولية على  المركبتين الأفقيتين وطبقاً للشكل (1-18)  فإنه يمكن تحديد اتجاه مركز الزلزال بالنسبة لمحطة التسجيل، وهكذا يمكن وضع الموقع المبدئي لمركز الزلزال على الخريطة.

لكن يجب أن نذكر أن نتائج هذه الطريقة تقريبية، ويجب أن نتوخى فيها الدقة الشديدة والحذر خصوصاً في تحديد اتجاهات حركة أول موجة طولية وصلت إلى المحطة من الزلزال .

 

كما يمكن أيضاً حساب زمن حدوث الزلازل ( Origin time )  بعد تحديد المسافة ( ) . حيث يمكن الرجوع إلى جداول جيفرز وبولن واستخراج قيمة زمن الرحيل (Travel time) للموجات الطولية  وكذلك للموجات المستعرضة  عند المسافة  ، وبمعلومية وصول هذه الموجات على تسجيلات المحطة )  )  فإنه يمكن حساب زمن الحدوث طبقاً للعلاقة البسيطة 

 = . أو  =  

وتعتمد هذه الطريقة على دقة قياس وتحديد بداية وصول الموجات المستعرضة التي يفضل تحديدها على المركبتين الأفقيتين.

 

ثانيا : تحديد موقع مركز الزلزال باستعمال تسجيلات ثلاث محطات : 

يشترط في هذه الطريقة أن يكون موقع مركز الزلزال محصوراً بين مواقع المحطات الثلاث St.1 ، St.2 ،St.3   كما يشترط معرفة سرعات الموجات الطولية والمستعرضة  وذلك لتحديد قيمة الثابتK   في المعادلة (5).

– يتم تحديد الفارق الزمني بين وصول كل من الموجات المستعرضة والطولية عند كل محطة من المحطات الثلاث أي تحديد

– باستعمال هذا الفارق الزمني بالثواني عند كل محطة فإنه يمكن حساب المسافات D1 ,  D2, D3 المقابلة للفوارق الزمنية  وذلك باستعمال المعادلة (5).

 

– باستعمال خريطة ذات مقياس رسم مناسب ومحدد عليها بدقة مواقع المحطات الثلاث فإنه يمكن رسم ثلاث دوائر حول مراكز المحطات St.1 , St.2 , St.3 أنصاف أقطارها D1, D2, D3 على الترتيب .

– هذه الدوائر الثلاث سوف تتقاطع كما هو مبين بالشكل (1-19) يتم  توصيل الأوتار المشتركة التي تتقاطع في نقطة تكون هي موقع مركز الزلزال على الخريطة .

– وحيث إن المسافتين   , D والعمق h  مرتبطون بالعلاقة :

 

فإنه يمكن تحديد العمق بيانياً ، وذلك بتوصيل خط بين مركز الزلزال الذي تم تحديده وموقع أحد المحطات ولتكن St1 , نقيم عمود على هذا الخط عند مركز الزلزال ليتقاطع مع محيط الدائرة التي مركزها 1St ويكون طول هذا العمود طبقاً لمقياس رسم الخريطة هو عمق الزلزال. 

ويمكن تكرار هذه العملية عند المحطتين St2 , St3 لنحصل على ثلاثة أعماق متقاربة ثم نحسب المتوسط الحسابي لهم ويكون الناتج هو عمق الزلزال .

 

ثالثا : تحديد موقع بؤرة الزلزال باستخدام بيانات محطات حلقية عديدة لشبكات الرصد الزلزالي

بعد إنشاء شبكات الرصد الزلزالي التي تستقبل فيها بيانات العديد من المحطات الحلقية في وقت واحد في مركز التسجيل والتحليل حيث يتم معالجة هذه البيانات وتسجيلها باستعمال الحواسب الآلية ، في هذه الحالة فإنه لتحديد عناصر بؤرة الزلزال يتم تغذية الحاسب الآلي بالبيانات الآتية :-

– المواقع الجغرافية الدقيقة لمحطات الرصد الحلقية (خطوط الطول والعرض لها).

– نموذج القشرة الأرضية والوشاح العلوي في المنطقة مع سرعات الموجات الزلزالية الطولية فيها .

– النسبة بين سرعة الموجات الطولية والمستعرضة لنطاقات المنطقة .

– زمن وصول الموجات الطولية للزلزال المطلوب تحديد موقع بؤرته ، وذلك عند كل من المحطات الحلقية التي سجلت هذا الزلزال .

 

وتتم هذه العملية أما بواسطة المتخصص في علم الزلازل ، والذي بقوم بعملية التحليل ثم يقوم بتغذية الحاسب الآلي بهذه البيانات .

وإما عن طريق برامج الحاسب الآلي حيث يتم تحديد أزمنة الوصول للموجات الطولية عند المحطات المختلفة بطريقة آلية فور حدوث واستكمال تسجيل الزلزال على كل المحطات دون تدخل من متخصص علم الزلازل .

– عند حدوث زلزال فإن برنامج الحاسب الآلي المختص بعملية تحديد مواقع الزلازل يفترض في البداية أن موقع أقرب محطة لمركز الزلزال (أي المحطة التي تصلها الموجات الطولية أولاً) هى الموقع الافتراضي الأول لمركز الزلزال ، وأن زمن وصول الموجات الطولية عند هذه المحطة هو زمن الحدوث المفترض.

 

– اعتمادا على زمن حدوث الزلزال وموقعة اللذين تم افتراضها ، وعلى المواقع المعروفة للمحطات الحلقية.

وعلى نموذج السرعات المحدد سابقاً للمنطقة فإن البرنامج يقوم بتحديد الزمن الذي يفترض أن تصل فيه الموجات الطولية عند كل محطة ، وبالطبع سيكون هناك فارق بين هذا الزمن المحسوب وبين الزمن الفعلي المقاس من التسجيلات عند كل محطة ، ويتم حساب متوسط مربعات هذا الخطأ للمحطات كلها.

 

– يتم تغيير الموقع الأول المفترض وكذلك زمن الحدوث المفترض أولا تغييراً طفيفاً، ويتم إعادة الخطوة السابقة ويتم حساب متوسط مربعات الخطأ مره أخرى.

ويتم تكرار هذه العمليات حتى نحصل على أقل قيمة لمجموع مربعات الخطأ (الفارق بين أزمان الوصول المحسوبة وأزمان الوصول الفعلية)في هذه الحالة يكون الموقع المفترض النهائي هو موقع الزلزال والزمن المفترض النهائي هو زمن الحدوث للزلزال.

 

– يشترط في استعمال هذه الطريقة أن يكون موقع الزلزال محاطاً من جميع الاتجاهات بالمحطات، وأن تكون كثافة توزيع المحطات ليست بالقليلة.

وفي حالة وقوع زلزال إقليمي خارج توزيع محطات الشبكة فإنه لا بد من استعمال أزمنة وصول كل من الموجات الطولية وكذلك المستعرضة حتى يتم الحصول على نتائج دقيقة عن موقع بؤرة الزلزال في هذه الحالة.