الموجات الزلزالية هي اهتزازات أو تذبذبات تنتقل عبر الأرض، وغالبًا ما تكون نتيجة لإطلاق مفاجئ للطاقة بسبب العمليات الجيولوجية. تلعب هذه الموجات دورًا حاسمًا في فهم باطن الأرض وهي جزء لا يتجزأ من مجال علم الزلازل، أحد فروع علم الزلازل جيوفيزياء أن الدراسات الزلازل وبنية باطن الأرض.

موجات زلزالية

تعريف الموجات الزلزالية: تنقسم الموجات الزلزالية إلى نوعين رئيسيين: موجات الجسم والموجات السطحية. تنتقل موجات الجسم عبر باطن الأرض، بينما تنتشر الموجات السطحية على طول طبقتها الخارجية. الأنواع الأساسية للموجات الزلزالية هي:

  1. موجات P (الموجات الأولية أو الضغطية): هذه هي أسرع الموجات الزلزالية ويمكنها الانتقال عبر المواد الصلبة والسوائل والغازات. تتسبب موجات P في تحرك الجزيئات في نفس اتجاه الموجة، مما يؤدي إلى الضغط والتمدد.
  2. موجات S (موجات ثانوية أو موجات قص): موجات S أبطأ من موجات P ولا يمكنها الانتقال إلا عبر المواد الصلبة. فهي تتسبب في تحرك الجزيئات بشكل عمودي على اتجاه الموجة، مما يؤدي إلى حركة القص أو الحركة جنبًا إلى جنب.
  3. الموجات السطحية: تنتقل هذه الموجات على طول سطح الأرض وعادةً ما تكون أكثر تدميراً أثناء الزلازل. موجات الحب وموجات رايلي هما النوعان الرئيسيان للموجات السطحية، مما يسبب حركة الجسيمات الأفقية والإهليلجية، على التوالي.

الأهمية في علوم الأرض: تعتبر الموجات الزلزالية أساسية لفهم باطن الأرض وهي ضرورية لأسباب مختلفة:

  1. زلزال دراسات: الموجات الزلزالية هي الأداة الأساسية لدراسة الزلازل. فهي تساعد علماء الزلازل على تحديد مركز الزلزال وتحديد عمق بؤرة الزلزال.
  2. البنية الداخلية للأرض: ومن خلال تحليل كيفية انتقال الموجات الزلزالية عبر الأرض، يمكن للعلماء استنتاج تفاصيل حول تركيبها وكثافتها وبنيتها. هذه المعلومات حيوية للفهم طبقات الأرض، مثل القشرة، والوشاح، واللب.
  3. استكشاف الموارد: وتستخدم المسوحات الزلزالية في استكشاف الموارد الطبيعية مثل النفط والغاز. ومن خلال دراسة انعكاس وانكسار الموجات الزلزالية، يمكن للجيوفيزيائيين تحديد الهياكل تحت السطح والموارد المحتملة الودائع.
  4. ديناميات الصفائح التكتونية: توفر الموجات الزلزالية نظرة ثاقبة لحركة وتفاعلات الصفائح التكتونية. إنها تساعد الباحثين على فهم حدود الصفائح ومناطق الاندساس والقوى الدافعة الصفائح التكتونية.

تأريخ الأهمية: وتكمن الأهمية التاريخية للموجات الزلزالية في دورها في تطوير فهمنا للبنية الداخلية للأرض والنشاط الزلزالي. تشمل المعالم التاريخية البارزة ما يلي:

  1. زلزال سان فرانسيسكو 1906: أدى الزلزال المدمر الذي ضرب سان فرانسيسكو إلى زيادة الاهتمام بفهم الموجات الزلزالية والزلازل. ساهم هذا الحدث في تطوير أجهزة قياس الزلازل المبكرة.
  2. زلزال تشيلي 1960: قدم زلزال تشيلي الكبير، وهو أقوى زلزال تم تسجيله على الإطلاق، بيانات قيمة لفهم سلوك الموجات الزلزالية وداخل الأرض.
  3. نظرية الصفائح التكتونية: لعبت دراسة الموجات الزلزالية دورًا حاسمًا في تطوير نظرية الصفائح التكتونية، التي أحدثت ثورة في فهمنا للعمليات الديناميكية للأرض.

باختصار، الموجات الزلزالية ضرورية لكشف أسرار باطن الأرض، ودراسة الزلازل، والمساهمة في التقدم في المجالات العلمية المختلفة. وتكمن أهميتها التاريخية في دورها في تشكيل فهمنا لبنية الأرض والعمليات الديناميكية.

أنواع الموجات الزلزالية

أنواع الموجات الزلزالية
أنواع الموجات الزلزالية

موجات الجسم:

موجات الجسم
  • الموجات الأولية (موجات P):
    • الخصائص:
      • موجات P هي موجات ضغطية.
      • وهي أسرع الموجات الزلزالية.
      • السفر عبر المواد الصلبة والسوائل والغازات.
      • تسبب انضغاطات وتمديدات للمادة في اتجاه انتشار الموجة.
    • السرعة والحركة:
      • السفر بسرعة حوالي 5-8 كم/ث في القشرة الأرضية.
      • حركة الجسيمات تكون موازية لاتجاه الموجة.
  • الموجات الثانوية (موجات S):
    • الخصائص:
      • موجات S هي موجات قص أو عرضية.
      • أبطأ من موجات P.
      • لا يمكن أن ينتقل إلا من خلال المواد الصلبة.
      • التسبب في حركة (قص) المادة جنبًا إلى جنب بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة.
    • السرعة والحركة:
      • السفر بسرعة حوالي 2-5 كم/ث في القشرة الأرضية.
      • حركة الجسيمات متعامدة مع اتجاه الموجة.

الموجات السطحية:

موجات سطحية
  1. موجات الحب:
    • الخصائص:
      • موجات الحب هي نوع من الموجات السطحية.
      • إنهم يسترشدون بسطح الأرض ولا يخترقون الداخل.
      • حركة أفقية بحتة.
      • المسؤول الأول عن التسبب في الاهتزاز الأفقي.
    • اقتراح:
      • الحركة جنبًا إلى جنب (أفقيًا) بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة.
  2. موجات رايلي:
    • الخصائص:
      • موجات رايلي هي نوع آخر من الموجات السطحية.
      • إنها تنتقل على طول سطح الأرض وتتضمن حركة رأسية وأفقية.
      • لديهم حركة بيضاوية متدحرجة.
      • تسبب كلا من الحركة الأرضية الرأسية والأفقية.
    • اقتراح:
      • حركة إهليلجية رأسية وأفقية، مع حركة جسيمية تراجعية صافية.

يساعد فهم هذه الخصائص علماء الزلازل على تحليل البيانات الزلزالية لتحديد طبيعة المصدر الزلزالي، ودراسة باطن الأرض، وتقييم التأثير المحتمل للأحداث الزلزالية على سطح الأرض.

توليد الموجات الزلزالية

الزلازل كمصدر:

  1. آليات الخطأ:
    • الخصائص:
      • غالبًا ما تنتج الزلازل عن إطلاق الضغط الجيولوجي أخطاءوهي عبارة عن كسور أو مناطق ضعف في القشرة الأرضية.
      • يتراكم الإجهاد بسبب حركة الصفائح التكتونية حتى تتجاوز قوتها الصخورمما أدى إلى انزلاقهم على طول خطأ.
  2. نظرية الارتداد المرن:
    • الخصائص:
      • وفقًا لنظرية الارتداد المرن، تتشوه الصخور الموجودة على جانبي الصدع بفعل القوى التكتونية، مما يؤدي إلى تخزين الطاقة المرنة.
      • عندما يتجاوز الضغط قوة الصخور، فإنها تعود فجأة إلى حالتها الأصلية غير المشوهة، وتطلق الطاقة المخزنة.
      • ويولد هذا الإطلاق المفاجئ موجات زلزالية تنتشر إلى الخارج من الصدع.

النشاط الزلزالي الذي يسببه الإنسان:

الزلازل التي يسببها الإنسان
  1. الأنشطة التي تؤدي إلى المستحث الزلزالية:
    • التعدين واستغلال المحاجر:
      • استخراج المعادن أو تؤدي إزالة الصخور على نطاق واسع إلى تغيير الضغط داخل القشرة الأرضية، مما قد يؤدي إلى أحداث زلزالية.
    • حقن/استخراج السوائل:
      • تتضمن أنشطة مثل التكسير الهيدروليكي لاستخراج النفط والغاز حقن السوائل في القشرة الأرضية، وتغيير الضغوط تحت السطح وتحفيز الزلازل.
    • الطاقة الحرارية الأرضية استخلاص:
      • يمكن أن يؤدي حقن أو استخراج السوائل لإنتاج الطاقة الحرارية الأرضية إلى حدوث زلزال عن طريق تغيير الظروف تحت السطح.
    • الزلزالية التي يسببها الخزان:
      • ويؤدي ملء الخزانات الكبيرة خلف السدود إلى تغيير الضغط على القشرة الأرضية، مما قد يؤدي إلى حدوث زلازل.
  2. أمثلة:
    • التكسير الهيدروليكي (التكسير الهيدروليكي):
      • إن حقن السوائل ذات الضغط العالي في التكوينات الصخرية تحت الأرض لاستخراج النفط والغاز يمكن أن يؤدي إلى حدوث زلزال.
      • يؤدي حقن السائل إلى زيادة ضغط المسام، مما يسهل انزلاق الصدوع.
    • الزلزالية التي يسببها الخزان:
      • يمكن للخزانات الكبيرة خلف السدود، مثل تلك المستخدمة لتوليد الطاقة الكهرومائية، أن تحفز النشاط الزلزالي.
      • يغير وزن الماء في الخزان الضغط على طول الصدوع وربما قيادة للزلازل.
    • استخراج الطاقة الحرارية الأرضية:
      • يمكن أن يؤدي استخراج السوائل الحرارية الأرضية لإنتاج الطاقة إلى تغيير الظروف تحت السطح وتحفيز النشاط الزلزالي.
      • يمكن أن تؤثر التغيرات في الضغط وتدفق السوائل على استقرار الخطأ.

إن فهم مصادر الموجات الزلزالية، سواء كانت طبيعية (الزلازل) أو من صنع الإنسان، أمر بالغ الأهمية لتقييم المخاطر الزلزالية، ودراسة تحت سطح الأرض، وتنفيذ تدابير للتخفيف من التأثير المحتمل للأحداث الزلزالية.

الكشف والقياس

أجهزة قياس الزلازل:

يتم وضع مستشعر النطاق العريض Guralp CMG-3T (مقياس الزلازل) على سطح ثابت ومستو، ويفضل أن يكون تحت الأرض مع الاتجاه الصحيح (الذي يشير إلى الشمال). مصدر الصورة: إبرو بوزداغ.
  • الأجهزة:
    • تصميم المستشعر:
      • أجهزة قياس الزلازل هي أجهزة مصممة لكشف وتسجيل الحركة الأرضية الناجمة عن الموجات الزلزالية.
      • المكون الأساسي هو جهاز استشعار الزلازل، والذي عادة ما يكون عبارة عن كتلة (بندول أو كتلة مثبتة على زنبرك) تظل ثابتة أثناء تحرك الأرض.
    • محول:
      • تؤدي حركة الأرض إلى تحرك المستشعر بالنسبة إلى إطار ثابت.
      • يتم تحويل هذه الحركة النسبية إلى إشارة كهربائية بواسطة محول الطاقة (عادة ما يكون نظام ملف ومغناطيس أو مستشعر بصري).
    • استجابة الصك:
      • تتم معايرة أجهزة قياس الزلازل لتسجيل ترددات محددة للحركة الأرضية، وتتميز استجابتها بمنحنى استجابة الجهاز.
  • العملية:
    • تركيب:
      • يتم تركيب أجهزة قياس الزلازل في مواقع مستقرة، غالبًا في الآبار أو على سطح الأرض، لتقليل التداخل الناتج عن الضوضاء البيئية.
    • نقل البيانات:
      • قد تقوم أجهزة قياس الزلازل الحديثة بنقل البيانات في الوقت الفعلي عبر اتصالات الأقمار الصناعية أو الإنترنت لرصد الزلازل بسرعة.
    • معالجة البيانات:
      • تخضع بيانات مقياس الزلازل للمعالجة لإزالة الضوضاء وتعزيز الإشارة الزلزالية، مما يؤدي إلى تحسين دقة اكتشاف الزلازل.

أجهزة قياس الزلازل:

قياس الزلازل
  • التسجيل والترجمة الفورية:
    • أداة التسجيل:
      • جهاز قياس الزلازل هو الأداة المستخدمة لتسجيل الموجات الزلزالية.
      • وهو يتألف من مقياس الزلازل متصل بجهاز التسجيل.
    • التسجيلات الورقية أو الرقمية:
      • تقليديا، تسجل أجهزة قياس الزلازل البيانات على الورق في شكل مخططات الزلازل.
      • غالبًا ما تستخدم أجهزة قياس الزلازل الحديثة تخزين البيانات الرقمية لتسجيل أكثر كفاءة ودقة.
    • السعة والتردد:
      • تُظهر مخططات الزلازل سعة وتكرار الموجات الزلزالية.
      • تمثل السعة حجم الموجة، بينما يشير التردد إلى عدد التذبذبات لكل وحدة زمنية.
  • تحليل الزلازل:
    • أوقات وصول الموجة P وS:
      • يقوم علماء الزلازل بتحليل مخططات الزلازل لتحديد أوقات وصول الموجات P والموجات S.
      • يوفر التأخير الزمني بين وصول الموجة P والموجة S معلومات حول مسافة الزلزال من مقياس الزلازل.
    • تحديد الحجم:
      • تُستخدم أجهزة قياس الزلازل لتقدير حجم الزلزال، وهو مقياس للطاقة المنطلقة.
      • يرتبط اتساع الموجات الزلزالية على مخطط الزلازل بقوة الزلزال.
    • العمق والموقع:
      • يتم استخدام مخططات الزلازل من محطات متعددة لتثليث مركز الزلزال وتحديد عمقه.
    • حلول موتر اللحظة:
      • يتيح تحليل مخطط الزلازل المتقدم تحديد الآلية البؤرية للزلزال واتجاه الصدع.

تلعب أجهزة قياس الزلازل وأجهزة قياس الزلازل دورًا حاسمًا في مراقبة وفهم الأحداث الزلزالية، وتوفير بيانات قيمة لأبحاث الزلازل، وتقييم المخاطر، وأنظمة الإنذار المبكر.

تطبيقات الموجات الزلزالية

أنظمة رصد الزلازل والإنذار المبكر:

أنظمة رصد الزلازل والإنذار المبكر
  1. رصد الزلازل:
    • تعتبر الموجات الزلزالية ضرورية لرصد ودراسة الزلازل. تقوم أجهزة قياس الزلازل باكتشاف وتسجيل أوقات وصول وسعة الموجات الزلزالية، مما يساعد العلماء على فهم خصائص الأحداث الزلزالية.
  2. أنظمة الإنذار المبكر:
    • يمكن استخدام الموجات الزلزالية، وخاصة الموجات P الأسرع، لتوفير إنذارات مبكرة للزلازل. من خلال الكشف عن موجات P وتقدير أوقات وصولها، يمكن لأنظمة الإنذار المبكر إصدار تنبيهات قبل ثوانٍ إلى دقائق من وصول موجات S والموجات السطحية الأكثر ضررًا، مما يسمح للناس باتخاذ تدابير وقائية.

استكشاف النفط والغاز:

تطبيقات الموجات الزلزالية: استكشاف النفط والغاز
  1. علم الزلازل الانعكاسي:
    • تُستخدم الموجات الزلزالية على نطاق واسع في علم الزلازل الانعكاسية للتنقيب عن النفط والغاز.
    • تتضمن المسوحات الزلزالية توليد موجات زلزالية يتم التحكم فيها، عادةً باستخدام مصادر مثل المتفجرات أو الهزازات. يتم بعد ذلك تسجيل الموجات المنعكسة بواسطة أجهزة استشعار (جيوفونات أو هيدروفونات) لإنشاء صور تحت السطح.
  2. المسوحات الزلزالية:
    • تساعد المسوحات الزلزالية الانعكاسية على رسم خريطة للهياكل تحت السطح، بما في ذلك خزانات النفط والغاز المحتملة.
    • ومن خلال تحليل الوقت الذي تستغرقه الموجات الزلزالية للانتقال وخصائص الموجات المنعكسة، يمكن للجيوفيزيائيين تحديد طبقات الصخور، والصدوع، والسمات الجيولوجية الأخرى.

التصوير الهيكلي (مثل التصوير تحت السطح لمشاريع الهندسة المدنية):

التصوير الهيكلي (مثل التصوير تحت السطح لمشاريع الهندسة المدنية):
  1. مشاريع الهندسة المدنية:
    • تستخدم الموجات الزلزالية في الهندسة المدنية للتصوير تحت السطح قبل مشاريع البناء.
    • يمكن للمسوحات السيزمية تقييم تكوين الأرض واستقرارها، وتحديد المخاطر الجيولوجية المحتملة، والمساعدة في تخطيط مشاريع البنية التحتية.
  2. حفر الأنفاق و بناء السد:
    • تساعد الطرق السيزمية في حفر الأنفاق وبناء السدود من خلال توفير معلومات حول الظروف تحت السطح.
    • يستخدم المهندسون البيانات الزلزالية لتخطيط الطرق وتقييم خصائص التربة والصخور والتأكد من استقرار الهياكل.
  3. توصيف الموقع:
    • تساعد الموجات الزلزالية في توصيف الموقع لمشاريع البناء المختلفة.
    • من خلال فهم الطبقات تحت السطح، يمكن للمهندسين اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن تصميم الأساس، ومقاومة الزلازل، والسلامة الهيكلية الشاملة.

وتمتد تطبيقات الموجات الزلزالية إلى ما هو أبعد من هذه الأمثلة، حيث تستمر في لعب دور حاسم في مختلف المجالات العلمية والصناعية والهندسية. لقد أحدثت القدرة على استخدام الموجات الزلزالية للتصوير والتحليل ثورة في فهمنا لباطن الأرض ولها آثار عملية على استكشاف الموارد وتقييم المخاطر وتطوير البنية التحتية.