موج S: داستان لرزانندههای زمین
امواج لرزهای: پیامرسانهای زیر زمین
وقتی زلزلهای رخ میدهد، مانند پرتاب سنگی در برکه است. سنگ (گسلشکست3) انرژی عظیمی آزاد میکند که به صورت امواج در همهی جهات درون زمین پخش میشود. این امواج را امواج لرزهای4 مینامیم. دو گروه اصلی از این امواج وجود دارند: امواج حجمی5 که در درون زمین سفر میکنند و امواج سطحی6 که فقط نزدیک سطح زمین حرکت میکنند و مخربترند. موج S یکی از مهمترین امواج حجمی است.
برای درک بهتر، فرض کنید یک طناب بلند دارید. اگر یک سر طناب را به سرعت به چپ و راست تکان دهید (حرکت عرضی)، یک "قله" و "دره" در طول طناب به حرکت درمیآید. حرکت موج S دقیقاً شبیه به این است. در مقابل، اگر طناب را به سمت خود بکشید و رها کنید (حرکت طولی)، حلقههای فشردهشده در طول طناب حرکت میکنند که شبیه رفتار موج P است.
| ویژگی | موج P (اولیه) | موج S (ثانویه) |
|---|---|---|
| نوع حرکت ذرات | طولی (موازی با جهت موج) | عرضی (عمود بر جهت موج) |
| سرعت معمول در پوسته | ~6 km/s | ~3.5 km/s(کمتر) |
| عبور از محیطها | جامد، مایع، گاز | فقط جامد |
| ترتیب رسیدن | اول (Primary) | دوم (Secondary) |
| اثر تخریبی | کمتر | بیشتر (باعث لغزش و شکست میشود) |
ریاضیات سادهای پشت سرعت موج S
سرعت موج S به جنس مادهای که از آن عبور میکند بستگی دارد. این سرعت با استفاده از دو خاصیت فیزیکی سنگها محاسبه میشود: مدول برشی7 (مقاومت در برابر تغییر شکل برشی) و چگالی8. رابطهی سرعت موج S به صورت زیر است:
در این فرمول:
$ v_s $ سرعت موج S، $ \mu $ مدول برشی ماده و $ \rho $ چگالی ماده است.
مدول برشی برای مایعات و گازها صفر است، زیرا این مواد در برابر تغییر شکل برشی مقاومت نمیکنند (مثلاً اگر به آب ضربهای مورب بزنید، به راحتی جاری میشود). از آنجایی که در مخرج ریشه چگالی قرار دارد، مواد سنگینتر معمولاً سرعت موج کمتری دارند، مگر اینکه بسیار سخت هم باشند. این فرمول به زیبایی توضیح میدهد که چرا موج S در مایعات متوقف میشود: چون $ \mu = 0 $، پس $ v_s = 0 $.
سایه لرزهای: کشف بزرگ با کمک موج S
یکی از هیجانانگیزترین کاربردهای موج S در تاریخ علم، کمک به کشف ساختار لایهبندی شدهی درون زمین بود. در اوایل قرن بیستم، دانشمندان مانند ریچارد دیکسون اولدهام9 و بعدها اینگه لمان10 متوجه یک الگوی عجیب در ثبت لرزهنگارها شدند.
آنها دیدند امواج S حاصل از زلزلههای دوردست، پس از زاویهای خاص از کانون زلزله، دیگر به ایستگاههای لرزهنگاری در طرف مقابل زمین نمیرسند. به این منطقه که امواج S در آن ثبت نمیشوند، "سایه لرزهای موج S"11 میگویند. تنها توضیح منطقی برای این پدیده این بود که در عمقی از زمین، مانعی وجود دارد که از عبور موج S جلوگیری میکند. از آنجایی که میدانستیم موج S از مایعات عبور نمیکند، نتیجه گرفتند که یک لایهی مذاب در عمق حدود 2900 کیلومتری زیر پاهای ما وجود دارد: هستهی بیرونی مذاب.
| لایه | حالت فیزیکی | رفتار با موج S | نتیجه |
|---|---|---|---|
| پوسته و گوشته فوقانی | جامد (سنگسخت) | عبور میکند | موج ثبت میشود |
| گوشته زیرین | جامد (اما با جریان خمیری) | عبور میکند (با کاهش سرعت) | موج ثبت میشود |
| هسته بیرونی | مذاب (آهن-نیکل مایع) | توقف کامل | ایجاد سایه لرزهای |
| هسته درونی | جامد (به دلیل فشار بسیار بالا) | عبور میکند (امواج S خاصی) | ثبت پیچیدهتر |
از تشخیص زلزله تا جستجوی نفت
امروزه درک ما از موج S فقط یک بحث تئوری نیست، بلکه کاربردهای عملی بسیار ارزشمندی دارد:
۱. تعیین کانون زلزله: از آنجایی که موج P و موج S با سرعتهای متفاوت و ثابتی حرکت میکنند، فاصلهی زمانی بین رسیدن آنها به یک ایستگاه لرزهنگاری ($ t_s - t_p $) مستقیماً به فاصلهی آن ایستگاه از کانون زلزله مربوط است. با استفاده از دادههای سه ایستگاه یا بیشتر، میتوان محل دقیق وقوع زلزله را روی نقشه مثلثبندی12 کرد.
۲. اکتشاف منابع زیرزمینی: زمینشناسان با ایجاد امواج مصنوعی (مثلاً با انفجارهای کنترلشده یا ویبراتورهای بزرگ) و ثبت امواج بازتابشده از لایههای زیرزمین (از جمله موج S)، به اطلاعاتی دست مییابند. از آنجایی که سرعت موج S به چگالی و استحکام سنگ بستگی دارد، با تحلیل آن میتوانند بین لایههای سنگی مختلف، حفرهها یا حتی مخازن نفت و گاز تمایز قائل شوند. این روش را لرزهنگاری بازتابی13 مینامند.
۳. ارزیابی خطر زلزله: مطالعهی چگونگی انتقال موج S در خاکها و سنگهای یک منطقه خاص، به مهندسان کمک میکند تا بدانند زمین در آن منطقه در هنگام زلزله چگونه خواهد لرزید. برخی خاکها (مانند خاکهای نرم و سست) میتوانند امواج S را تقویت کنند و لرزش را شدیدتر نمایند. این اطلاعات برای طراحی ساختمانها و پلهای مقاوم تر حیاتی است.
موج S یک موج برشی است، یعنی برای انتقال نیاز دارد که ذرات محیط بتوانند نیروهای جانبی را به هم منتقل کنند و به حالت اولیه برگردند (خاصیت الاستیک برشی). در جامدات، پیوندهای بین مولکولی قوی این امکان را فراهم میکنند. اما در مایعات و گازها، مولکولها آزادانه بر روی هم میلغزند و نمیتوانند این نیروی برشی را منتقل کنند؛ در نتیجه موج S در آنها میرا میشود.
آیا موج S میتواند از هسته درونی جامد زمین عبور کند؟بله، اما به صورت مستقیم نیست. موج S که به هسته بیرونی مذاب میرسد، متوقف میشود. اما انرژی آن میتواند به انواع دیگر امواج تبدیل شود. برای مثال، موج S در مرز هسته مذاب میتواند به موج P تبدیل شود، این موج P از هسته مذاب و هسته درونی جامد عبور کند و در مرز دیگر دوباره به موج S تبدیل شود. به این ترتیب، اثری غیرمستقیم از انرژی موج S در طرف دیگر زمین ثبت میشود که خود شاهدی بر جامد بودن هسته درونی است.
تفاوت تخریب ناشی از موج P و S در زلزله چیست؟موج P مانند یک سری فشار و کشش سریع است که معمولاً آسیب ساختاری کمتری ایجاد میکند، اما ممکن است باعث ترک خوردن دیوارها شود. موج S که حرکت جانبی (عرضی) ایجاد میکند، نیروهای برشی قوی به پایهها و ستونهای ساختمان وارد میآورد و دلیل اصلی ریزش سازهها در زلزلههای بزرگ است. به همین دلیل است که بین احساس اولین تکان (موج P) و تکان شدید اصلی (موج S) چند ثانیه فاصله است که میتواند برای پناهگیری حیاتی باشد.
پاورقی
1 S-wave: مخفف Secondary wave یا Shear wave (موج برشی).
2 P-wave: مخفف Primary wave یا Pressure wave (موج فشاری).
3 Fault rupture.
4 Seismic waves.
5 Body waves.
6 Surface waves.
7 Shear modulus.
8 Density.
9 Richard Dixon Oldham.
10 Inge Lehmann.
11 S-wave shadow zone.
12 Triangulation.
13 Reflection seismology.
