نبذة تعريفية عن “الموجات الزلزالية” وأنواعها

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الرابع

KFAS

الموجات الزلزالية أنواع الموجات الزلزالية علوم الأرض والجيولوجيا

يمكن تعريف الموجة الزلزالية بأنها سلسلة مستمرة من الإجهادات والانفعالات التي تنتقل في الصخور بسرعات تحددها الخصائص الفيزيائية للصخور بحيث أن كل نوع من هذه الموجات يجعل جزيئات الصخر تنفعل بطريقة تختلف عن الأخرى.

وتسمى أحياناً الموجات المرنة نظراً لأن الصخور تسلك سلوكاً مرناً عند مرور هذه الموجات بها.

والجسم المرن هو ذلك الجسم الذي ينفعل عند إجهاده بحيث يتشوه مؤقتاً معانياً تغييراً في طوله أو حجمه أو مساحته وما يلبث أن يعود إلى وضعه الأصلي بعد زوال الإجهاد. والإجهاد هو مقدار الضغط على وحدة المساحة.

 

لقد تم خلال القرنين الماضيين استغلال نظرية المرونة بنجاح كبير لدراسة الصخور، وذلك من خلال:

أ‌- معرفة وفهم ثوابت المرونة وتحديدها فيزيائياً ورياضياً.

ب‌- فهم الموجات الزلزالية واستنتاج أنواعها المختلفة رياضياً ومقارنة ذلك بمشاهداتنا للموجات المختلفة المسجلة على محطات الرصد، وبالتالي فهم الخصائص المختلفة لهذه الموجات.

 

أما ثوابت (معاملات) المرونة فهي تلك التي تربط العلاقة بين الإجهاد والانفعال بشكل أو بآخر للمادة الواحدة حسب اتجاه هذا الإجهاد.

إذا كانت المادة متجانسة ومرنة كلياً فإن سلوكها وتفاعلها مع الإجهادات يمكن فهمه وتصوره إذا تم معرفة قيمة اثنين فقط غير مرتبطين من معاملات مرونتها مثلاً معامل الصلابة  (Rigidity)

ومعامل الانضغاط أو مقلوبة (Incompressibility) أو معاملين غير مرتبطين آخرين مثل معامل يانج (E) (Young’s Modulus) ومعامل بوسن  (Poisson’s Ratio).

 

وفي هذه الحالة فإن معرفة قيمة اثنين من هذه المعاملات تكفي لتحديد قيم ما تبقى منها حيث أنها مرتبطة مع بعضها بمعادلات محددة.

أما إذا لم تكن المادة مرنة كلياً أو غير متجانسة فنحتاج في هذه الحالة لمعرفة قيم أكثر من اثنين من معاملات مرونتها لفهم سلوكها تحت الإجهاد.

 

أولاً: الموجات الزلزالية الجسمية: Seismic Bodily Waves

وهذه تشمل الموجات الابتدائية (التضاغطية، الطولية) والموجات الثانوية (القص، المستعرضة) وتسمى كلاهما بالجسمية لأن لها القدرة على اختراق جسم الأرض ما عدا الموجات الثانوية التي لا تخترق اللب الخارجي للأرض لسيولته.

وعند انتشار الموجات الابتدائية في وسط ما تعطي طاقة حركية لجزيئاته بحيث أن هذه الجزيئات تتحرك إلى الأمام وإلى الخلف بشكل تضاغطي تخلخلي، وبنفس اتجاه انتشارها (انظر الشكل 1) مسببة تغييراً مؤقتاً في حجم هذا الوسط دونما دوران.

وهي تشبه في ذلك انتشار الموجات الصوتية. كما أنها تنتشر في جميع الأوساط وتتحدد سرعتها حسب قيم معاملات المرونة للوسط كما يلي:

 

أما الموجات الثانوية فهي تعطي طاقة حركية لجزيئات الوسط الذي تنتشر فيه بحيث تتحرك جزيئاته باتجاه يتعامد مع اتجاه انتشارها (انظر الشكل (1)).

مسببة بذلك دوراناً دونما تغيير في الحجم، وبهذا فهي تسمى أحياناً بالموجات المستعرضة أو موجات القص. كما أنها لا تنتشر إلا في الأجسام الصلبة أو تلك المواد التي لها معامل صلابة أكبر من صفر.

وكانت هذه الحقيقة سبباً رئيسياً في اكتشاف أن اللب الخارجي للأرض هو سائل أو على الأقل يسلك سلوك السوائل بالنسبة للموجات الثانوية التي لا تنتقل فيه.

 

وتتحدد سرعة الموجات الثانوية في الأوساط الصلبة حسب قيم معاملات المرونة كما يلي:-

 

يمكن أن يحصل استقطاب للموجات الثانوية خلال انتشارها، بحيث تكون حركة جزيئات الوسط كلها في مستوى واحد وتسمى عندئذٍ بالموجات الثانوية الأفقية (SH) إذا كان هذا المستوى موازياً لتطبقات الوسط مثلاً، أو بالموجات الثانوية العمودية (SV) في حالة التعامد.

يتضح من المعادلتين 1، 2 أن سرعة الموجات الابتدائية أكبر من سرعة الثانوية. إذا كانت قيمة نسبة بوسن  (Poisson’s Ratio ) للوسط تساوي  فإن النسبة بين السرعتين  وهذا هو الحال للمواد المتجانسة والمرنة كلياً، وهو ذات الوضع لبعض أنواع الصخور.

أما الصخور غير المتجانسة أو غير المرنة كلياً فإن النسبة تتراوح في الغالب بين 1.5 إلى حوالي 2.

 

إنه لجدير بالذكر أن التدمير الزلزالي الناتج عن الموجات الجسمية يكون أساساً نتيجة فعل الموجات الثانوية بسبب طبيعة تأثيرها على جزيئات الوسط الذي يتسم بالقص، كما أن فعل الموجات الابتدائية على المنشآت تخف حدته كثيراً بفعل قوى الجاذبية الأرضية التي تعاكسه في الاتجاه.

بينما تأثير قوى الجاذبية على قوى القص الأفقي محدود جداً وفي الغالب ليس لها تأثير.

حيث أن سرعة الموجات الزلزالية في أي وسط تتحدد حسب الخصائص الفيزيائية لهذا الوسط (المعادلات 1، 2) فإن سرعة هذه الموجات تتغير من وسط لآخر وعليه فإنها تنعكس.

 

وتنكسر جزئياً على الأسطح الفاصلة بين هذه الأوساط، كما هو الحال بالنسبة للموجات الصوتية والكهرومغناطيسية.

إلا أن الوضع أكثر تعقيداً في حالة الموجات الزلزالية بسبب تحول هذه الموجات من نوع لآخر على الأسطح كما هو مبين في الشكل (2).

بمعنى أن الموجة الابتدائية تنعكس جزئياً كموجة ابتدائية، وأخرى كموجة ثانوية وكذلك تنكسر جزئياً كموجة ابتدائية وأخرى ثانوية وذات الشيء يحصل للموجات الثانوية.

 

ثانياً: الموجات الزلزالية السطحية Surface Waves

وهذه تشمل نوعين رئيسيين من الموجات التي تبقى محصورة في مسارها بالطبقات السطحية بشكل عام، وليس لها القدرة على اختراق جسم الأرض وبهذا تمت تسميتها.

أما النوع الأول فيسمى موجات رالي Rayleigh (R) حيث كان اللورد رالي أول من أثبت أن هذه الموجات قادرة على الانتشار في المنطقة الحدودية السطحية لوسط متجانس مرن.

تتميز هذه الموجات بأنها تعطي جزيئات الوسط الذي تنتشر فيه طاقة بحيث تبدأ هذه الجزيئات تتحرك حركة رجعية تناكصية(Retrograde motion) على شكل قطع ناقص قطره الكبير عمودي على اتجاه الانتشار، والقطر الصغير بنفس اتجاه الانتشار.

 

عندما يكون الجزيء في وضعه على قمة القطع الناقص تكون حركته بعكس اتجاه انتشار الموجة، وعليه فالحركة تناكصية، انظر الشكل (1). وجد أن سرعة موجات رالي في أي وسط هي تقريباً 0.9 سرعة الموجات الثانوية لنفس الوسط.

أما النوع الثاني من الموجات السطحية فهي أمواج لاف(L or Q) (Love Waves) نسبة لعالم الزلازل (Love) الذي وجد أنه في حالة وجود طبقة إضافية فوق الوسط المرن المذكور آنفاً (انظر الشكل 1)

فإن موجة زلزالية إضافية تنتشر في الطبقة العليا بحيث أنها تعطي طاقة لجزيئات هذه الطبقة لتجعلها تهتز باتجاه أفقي موازٍ للسطح الفاصل بين الطبقة وما تحتها.

وجميع الاهتزازات مستقطبة وهذا مساوٍ لفعل الموجات الثانوية الأفقية (SH).

 

وتتميز أمواج لاف بخاصية التحلل أو التشتت السرعي الترددي (Dispersion) بمعنى أن سرعتها تختلف باختلاف ترددها. بحيث أن سرعات تردداتها المختلفة في الطبقة العليا تأخذ قيماً تتراوح بين سرعة الموجات الثانوية في الطبقة العليا والسفلى.

في حالات الزلازل العنيفة فإن الموجات السطحية ذات الأطوال الكبيرة نسبياً تنتشر في الطبقات الأرضية السطحية قاطعة محيط الكرة الأرضية عدة مرات قبل أن تتلاشى.

كما أنه في حالات جيولوجية معقدة فإن هناك بعض الأنواع الأخرى من الموجات الزلزالية قد تتولد وتنتشر في مسارات خاصة وبخصائص وسرعات تختلف عن الأنواع الأربعة من الأمواج المذكورة آنفاً.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]