نبذة تعريفية عن “علم الزلازل التطبيقي”

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الرابع

KFAS

علم الزلازل التطبيقي علوم الأرض والجيولوجيا

هو العلم الذي يختص باستغلال الموجات الزلزالية (في الغالب تلك المولدة صناعياً وأحياناً الناتجة عن الزلازل الطبيعية) لدراسة التراكيب والخصائص الفيزيائية لصخور الجزء العلوي من القشرة الأرضية (نادراً ما تزيد عن كيلومترات قليلة).

وذلك لأغراض اقتصادية تتعلق بالتنقيب عن البترول والغاز الطبيعي والمياه الجوفية، وتركيز خامات المعادن وكذلك لتحديد الخصائص الميكانيكية وتراكيب الصخور على أعماق ضحلة لتحديد ملاءمتها للمشاريع الإنشائية.

تجدر الملاحظة بأن الاهتمام هنا يقتصر على الأجزاء العليا من القشرة الأرضية بسبب الإمكانات البشرية الحالية التي لا تساعد على استخراج الخامات من أعماق كبيرة.

 

يعتبر هذا العلم من أحدث العلوم الجيولوجية والجيوفيزيقية حيث تم ابتكاره مع بدايات هذا القرن كنتيجة لتزايد الحاجة إلى موارد الطاقة.

فقد بدئ في العشرينات باستخدام الطرق الزلزالية الانكسارية ويرجع الفضل إلى الدراسات العملية والنظرية على الزلازل الطبيعية وطبيعة الموجات الزلزالية الناتجة عنها وطرق انتشارها… الخ.

ومع تزايد الحاجة لاستغلال موارد الطاقة الموجودة على أعماق كبيرة نسبياً، ونظراً لوجود عقبات في تحديدها بالطرق الانكسارية خاصة فيما يتعلق بالمصايد البترولية فقد تم في الثلاثينات ابتكار الطرق الانعكاسية.

 

وخلال نصف القرن الماضي حصلت تطورات كثيرة لهذه الطرق الزلزالية في مجالات التجهيزات، وطرق تنفيذ العمل الميداني والحصول على معلومات أفضل وأكثر تنقيحاً، وكذلك في مجالات تحليل وتفسير المعلومات الزلزالية.

بالإضافة إلى الحاجة المتزايدة لموارد الطاقة، يرجع الفضل في التطوير المستمر لهذه الطرق إلى التطورات التي حصلت في مجالات الإلكترونيات ومؤخراً إلى التطورات الهائلة في مجالات الحاسبات الإلكترونية التي بدئ باستغلالها في تحليل وتفسير المعلومات الجيوفيزيائية بشكل عام منذ أواخر الخمسينات.

ونما ذلك وتطور بحيث أصبح الآن أمراً بديهياً أن يصار إلى تحليل المعلومات الزلزالية والجيوفيزيقية عموماً باستخدام أساليب وطرق متطورة، تعتمد إلى حد كبير على الحاسبات الإلكترونية.

 

تبقى الطرق الزلزالية أفضل الطرق الاستكشافية وأكثرها دقة، خاصة في مجال التنقيب عن البترول والغاز الطبيعي.

وتتميز عن باقي الطرق الجيوفيزيائية بأنها تعطي معلومات دقيقة ومفصلة عن التراكيب الجيولوجية والخصائص الفيزيائية (الكثافة وثوابت المرونة) للصخور.

وإذا ما تم تنفيذ العمل الميداني وتحليل المعلومات بدقة فإن تفسيرها يكون وحيد الحل بعكس معظم الطرق الجيوفيزيقية الأخرى، التي نادراً ما يكون تفسيرها وحيد الحل خاصة الطرق الجاذبية والمغناطيسية.

 

كما أن مجالات استخداماتها متعددة، وتستخدم لدراسات الصخور على أعماق كبيرة وضحلة أيضاً.

ويتطلب تنفيذ العمل الميداني بهذه الطرق تجهيزات كثيرة ومعقدة خاصة في عمليات التنقيب والاستكشاف وكذلك إلى فرق عمل كثيرة العدد (حسب نوع العمل) مما يتطلب تكاليف كبيرة مقارنة بالطرق الجيوفيزيقية الأخرى.

ولكنها مجزية آخر الأمر. يمكن تطبيق الطرق الزلزالية في البر والبحر وكذلك تحت سطح الأرض في الآبار والأنفاق والمناجم إذا اقتضت الضرورة.

 

يعتمد المبدأ الأساسي في تطبيق الطرق الزلزالية الاستكشافية على توليد موجات زلزالية في مكان ما على سطح الأرض أو بالقرب منه وتسجيل هذه الموجات على مجموعة أجهزة التقاط (Seismometers) موزعة على مسافات مختلفة من مكان التفجير.

ويفضل أن تكون على خط مستقيم بحيث يتم قياس سعات (Amplitudes) وأزمنة انتقال (Travel- Times) هذه الموجات بدقة لا تتعدى  من الثانية وكذلك تردداتها.

يتم بعد ذلك تفسير هذه القياسات وتحويلها إلى معلومات جيولوجية فيما يتعلق بالتراكيب تحت السطحية والخصائص الفيزيائية للصخور.

 

وأكثر الموجات الزلزالية استخداماً في عمليات الاستكشاف هي الابتدائية وذلك لأن:-

1-  الطاقة الزلزالية المولدة عن الطرق الصناعية تعطي الغالب هذه الموجات.

2-  تصل في العادة أول الموجات مما يجعل تحديدها بدقة على التسجيلات أمراً أيسر.

3- يكفي لرصدها جهاز قياس عمودي(Vertical– Componet Seismometer) بينما يتطلب رصد الموجات الثانوية وتسجيلها في اتجاهات ثلاثة (3– component set).

تستخدم الموجات الثانوية في حالات خاصة ونادراً ما يتم استخدام الموجات السطحية. تنتشر الموجات الزلزالية في الصخور بنظام ثابت ومضبوط بحيث أنه من جهة فإن ما يحدد قيمة سرعتها هي الخصائص الفيزيائية لهذه الصخور (انظر المعادلتين 1، 2)

ومن جهة أخرى فإنه عند السطوح الفاصلة بين الطبقات الصخرية المختلفة تتغير هذه السرعات ما ينتج عنه انكسار وانعكاس جزئي لهذه الموجات كما هو الحال في انتشار موجات الصوت والضوء مثلاً مع مراعاة أن سمك الطبقة الكاسرة أو العاكسة يجب أن يكون في الغالب أكبر أو يساوي  طول الموجة الزلزالية.

لذلك فإنه يتم هنا الاعتماد على ذات المبادئ والقوانين المستقاة من الدراسات السابقة للصوت والضوء وهذه هي قانون سنيل (Snell’s Law) وقانون هايجن (Huygen’s) وقانون فيرمات (Fermat) وقانون الانعكاس.

قد يكون الاهتمام منصباً على الموجات الزلزالية المنكسرة انكساراً حرجاً على أسطح الطبقات المتعاقبة كما هو الحال في الطرق الانكسارية (Refraction Methods) أو على الموجات المنعكسة على هذه الأسطح في حالة الطرق الانعكاسية (Reflection Methods).

 

في كلتا الحالتين يتم الاعتماد على نفس المبادئ المذكورة آنفاً كما يتم استخدام نفس التجهيزات مع تعديلات طفيفة من أهمها التردد الطبيعي لجهاز قياس الذبذبات حيث يكون في العادة أعلى عند استخدامها في المسح الانعكاسي.

لكن هناك اختلافات بين الطريقتين من أهمها:-

1- يكون في العادة طول الخط الزلزالي (Seismic Profile) في المسح الانعكاسي مساوياً (تقريباً) لعمق الطبقة المنوي دراستها، والمسافات بين أجهزة القياس قليلة جداً، بينما طول الخط في حدود 4– 5 أضعاف العمق أو أكثر والمسافات بين الأجهزة كبيرة نسبياً في حالة المسح الانكساري.

 

2- تتطلب دراسة أي طبقة صخرية بالطرق الانكسارية أن تكون سرعة الموجات بها أعلى من السرعة بالطبقة التي تعلوها.

وإذا لم يتحقق هذا الشرط فلن يحصل انكسار حرج من سطح طبقة كهذه، وهذا ما يعرف بمشكلة الطبقة ذات السرعة المتدنية وحيث أن انعكاس الموجة لا يتطلب مثل هذا الشرط فليس هناك إشكال في دراسة مثل هذه الطبقات بالطرق الانعكاسية.

كما أنه في حالة أن كون سمك أي طبقة ضمن تتابع طبقي أقل من  طول الموجة أو أن الفرق بين سرعتها وسرعة الطبقة التي تليها قليل، فإنه في الغالب لا يتم اكتشاف مثل هذه الطبقة بالطرق الانكسارية وهذا ما يعرف بمشكلة الطبقة المختبئة (Hidden– Layer Problem)

وقد يتم اكتشافها بالطرق الانعكاسية في بعض الحالات خاصة إذا حصل تداخل بين الموجات المنعكسة من سطح وقعر مثل هذه الطبقة.

 

3- بينما تزودنا الدراسة الانعكاسية لأي طبقة بمعلومات عن هندسة سطحها فقط، فإن الدراسة الانكسارية تزودنا بمعلومات إضافية عن خصائصها الفيزيائية.

 

4- يتركز الاهتمام في الطرق الانكسارية بالدرجة الأولى على الوصلات الأولية للموجات على التسجيلات، بينما تصل الانعكاسات دائماً كوصلات متأخرة (Later Arrivals).

 

5- نحتاج دائماً لتصحيح المعلومات الانعكاسية في حالة وجود فروق في الارتفاعات بين نقطة التفجير وأماكن القياس وكذلك في حالة وجود طبقة سطحية متجوية بينما يمكن التغاضي عن ذلك في بعض الحالات للمعلومات الانكسارية.

 

6– بشكل عام فإن تكاليف المسح الانعكاسي أكبر بكثير من المسح الانكساري.

 

7– يكون الاعتماد غالباً على الطرق الانكسارية لأغراض الدراسات ذات العمق الضحل، كما هو الحال في الدراسات الهندسية المدنية، ولا تستخدم الطرق الانعكاسية إلا نادراً.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]