موج لرزه ای: امواج ناشی از زلزله

موج لرزه‌ای (Seismic Wave): داستان سفر امواج درون زمین

امواج لرزه‌ای از کجا می‌آیند؟ نقطه آغاز: کانون

برای درک امواج لرزه‌ای، ابتدا باید بدانیم یک زلزله چگونه آغاز می‌شود. پوستهٔ زمین از قطعات بزرگی به نام صفحه‌های تکتونیکی⁵ تشکیل شده که مدام به آرامی حرکت می‌کنند. گاهی این صفحه‌ها در کنار هم قفل می‌شوند و انرژی در مرز آنها ذخیره می‌شود. وقتی فشار این انرژی از حد تحمل سنگ‌ها بیشتر شود، سنگ‌ها به طور ناگهانی می‌شکنند و انرژی ذخیره شده را آزاد می‌کنند. به نقطه‌ای در عمق زمین که این شکست و آزادسازی انرژی آغاز می‌شود، کانون⁶ زلزله می‌گویند. نقطهٔ دقیقاً بالای کانون روی سطح زمین را نیز مرکز سطحی⁷ می‌نامند. انرژی آزاد شده از کانون، مانند پرتاب یک سنگ در آب آرام، امواجی را در همه‌جهت درون زمین ایجاد می‌کند که به آنها موج لرزه‌ای می‌گوییم.

انواع اصلی امواج لرزه‌ای: امواج درونی پیشتاز

امواج لرزه‌ای بر اساس مسیر حرکت و نوع لرزشی که ایجاد می‌کنند، به دو دستهٔ بزرگ تقسیم می‌شوند. اولین و مهم‌ترین گروه، امواج درونی هستند. این امواج می‌توانند از اعماق زمین عبور کنند و اطلاعات باارزشی را از لایه‌های درونی به سطح برسانند. دو عضو اصلی این گروه عبارتند از:

امواج P (فشاری یا اولیه)⁹: این امواج شبیه به حرکت یک فنر فشرده و بازشده هستند. ذرات مواد در مسیر حرکت موج، در جهت انتشار موج به جلو و عقب می‌لرزند (مثل وقتی که صدا در هوا منتشر می‌شود). این امواج می‌توانند از همه‌چیز (جامد، مایع، گاز) عبور کنند و سریع‌ترین موج لرزه‌ای هستند. سرعت آنها بستگی به چگالی و خاصیت ارتجاعی¹⁰ ماده دارد و طبق رابطه‌ای ساده، $v_p = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}$ محاسبه می‌شود که در آن $K$ مدول حجمی، $\mu$ مدول برشی و $\rho$ چگالی ماده است.

امواج S (برشی یا ثانویه)¹¹: این امواج باعث می‌شوند ذرات مواد عمود بر جهت انتشار موج بلرزند (مثل تکان‌های یک طناب). امواج S فقط در محیط‌های جامد می‌توانند منتشر شوند زیرا برای انتقال نیازمند مقاومت برشی ماده هستند. سرعت آنها از امواج P کمتر است و رابطه سرعت آنها $v_s = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$ می‌باشد. توقف حرکت امواج S در لایه‌های مایع بیرونی هستهٔ زمین، اولین شاهد دانشمندان برای اثبات مایع بودن آن لایه بود.

امواج سطحی: عامل اصلی تخریب سازه‌ها

پس از رسیدن امواج درونی به سطح زمین، بخشی از انرژی آنها به شکل امواج جدیدی که فقط در سطح یا لایه‌های بسیار کم‌عمق زمین منتشر می‌شوند، درمی‌آید. اینها امواج سطحی نام دارند. سرعت انتشار آنها از امواج S نیز کمتر است، اما دامنه¹² (دامنهٔ نوسان) بزرگ‌تری دارند و مدت زمان بیشتری طول می‌کشند. همین ویژگی باعث می‌شود که امواج سطحی عامل اصلی تخریب ساختمان‌ها، پل‌ها و جاده‌ها در زلزله‌های بزرگ باشند.

دو نوع مهم از امواج سطحی عبارتند از:
امواج لاو¹³: در این امواج، ذرات زمین به صورت افقی و عمود بر جهت موج (شبیه به موج S اما در سطح) می‌لرزند. سرعت آنها کمی از امواج رایلی بیشتر است.
امواج رایلی¹⁴: حرکت ذرات در این امواج، شبیه به حرکت آب در امواج دریا است؛ یعنی ذرات در یک مسیر بیضی‌شکل در صفحه‌ای عمودی و در جهت انتشار موج، نوسان می‌کنند. این امواج احساس "غلتیدن" زمین را ایجاد می‌کنند.

ثبت و تفسیر امواج: کار لرزه‌نگار است

دانشمندان چگونه این امواج نامرئی را مطالعه می‌کنند؟ ابزار اصلی آنها لرزه‌نگار است. لرزه‌نگار دستگاهی حساس است که حرکات زمین را ثبت می‌کند. خروجی آن یک نمودار خطی به نام لرزه‌نگاشت¹⁵ است. با نگاه به لرزه‌نگاشت می‌توان ترتیب رسیدن امواج را دید: ابتدا یک سری نوسان‌های کوچک و با فرکانس بالا مربوط به امواج P، سپس نوسان‌های قوی‌تر از امواج S و در آخر امواج با دامنهٔ بزرگ و دوره تناوب طولانی که مربوط به امواج سطحی هستند.

مثال: فرض کنید فاصلهٔ یک ایستگاه لرزه‌نگاری از مرکز زلزله، 200 کیلومتر است. اگر سرعت متوسط موج P در پوسته 6 کیلومتر بر ثانیه و سرعت موج S 3.5 کیلومتر بر ثانیه باشد، زمان رسیدن هر موج به ایستگاه را می‌توان از رابطهٔ سادهٔ $t = \frac{d}{v}$ محاسبه کرد. بنابراین اختلاف زمان رسیدن این دو موج به ایستگاه می‌شود: $\Delta t = t_s - t_p = \frac{200}{3.5} - \frac{200}{6} \approx 57.1 - 33.3 = 23.8$ ثانیه. همین اختلاف زمان، مانند یک سیگنال، برای محاسبهٔ فاصلهٔ کانون زلزله استفاده می‌شود.

کاربردهای عملی: از اکتشاف نفت تا پیش‌بینی (محدود) زلزله

مطالعهٔ امواج لرزه‌ای فقط برای درک زلزله نیست، بلکه کاربردهای بسیار گسترده‌تری دارد. مهم‌ترین این کاربردها عبارتند از:

• اکتشاف منابع زیرزمینی: با ایجاد امواج لرزه‌ای مصنوعی (مثلاً با انفجارهای کوچک یا دستگاه‌های لرزه‌زای ویژه) و ثبت بازتاب آنها از لایه‌های مختلف زیرزمین، می‌توان محل ذخایر نفت، گاز و آبهای زیرزمینی را پیدا کرد.
• شناسایی ساختار داخلی زمین: با بررسی چگونگی تغییر سرعت و مسیر امواج P و S در اعماق مختلف، دانشمندان لایه‌های درونی زمین (پوسته، گوشته، هسته) را کشف کرده‌اند. مثلاً سایهٔ موج S در طرف مقابل کانون زلزله، دلیل مستقیمی بر مایع بودن هستهٔ بیرونی است.
• مطالعهٔ بستر دریاها و اقیانوس‌ها: از این روش برای نقشه‌برداری از کف دریا و پیدا کردن محل گسل‌های فعال زیرآبی استفاده می‌شود.
• مهندسی زلزله: با ثبت و تحلیل امواج لرزه‌ای در یک منطقه، مهندسان می‌توانند مقاوم‌سازی بهتری برای ساختمان‌ها طراحی کنند تا در برابر لرزش‌های خاص آن منطقه مقاوم باشند.

در مورد پیش‌بینی زلزله باید گفت اگرچه تغییرات در سرعت امواج P و S گاهی قبل از زلزله‌های بزرگ مشاهده شده، اما هنوز روش قطعی و قابل اطمینانی برای پیش‌بینی دقیق زمان، مکان و بزرگی زلزله بر اساس امواج لرزه‌ای وجود ندارد و تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ موج لرزه‌ای (Seismic Wave)
² زلزله (Earthquake)
³ امواج درونی (Body Waves)
⁴ امواج سطحی (Surface Waves)
⁵ صفحه‌های تکتونیکی (Tectonic Plates)
⁶ کانون (Hypocenter یا Focus)
⁷ مرکز سطحی (Epicenter)
⁸ لرزه‌نگار (Seismograph)
⁹ امواج P (Primary/Pressure Waves)
¹⁰ خاصیت ارتجاعی (Elasticity)
¹¹ امواج S (Secondary/Shear Waves)
¹² دامنه (Amplitude)
¹³ امواج لاو (Love Waves)
¹⁴ امواج رایلی (Rayleigh Waves)
¹⁵ لرزه‌نگاشت (Seismogram)
¹⁶ طولی (Longitudinal)