علم الوواصف السيزمية وكيف يسافرون عبر لاير الأرض

فهم أساسيات جيل الموجات السيزمية

وتبدأ موجات الزلازل كهزات ميكانيكية تشع منطلق مفاجئ للطاقة داخل الأرض، وأكثر المصادر إلماماً هو زلزال، حيث يتغلب الإجهاد المتراكم على خط الخطأ على المقاومة الاحتكاكية، مما يتسبب في تمزق وزحلقات، ويحول هذا التشريد السريع الطاقة المتطايرة إلى طاقة حركية تروج في جميع الاتجاهات من الموقع الناقص، نقطة الانزلاق الأولية.

وفيما عدا الزلازل، يمكن توليد موجات زلزالية بفعل انفجارات بركانية، وانهيالات أرضية، وتفجيرات (متعمدة وعارضة) وحتى عواصف محيطية تنتج الكائنات المجهرية، كما أن الأنشطة البشرية مثل انفجارات التعدين، وأعمال البناء، وحركة المركبات تولد أيضا موجات أضعف وأعلى من الترددات، كما أن فهم النطاق الكامل للمصادر يساعد علماء النزعات السيزمية على التمييز بين الأحداث السيزمية البشرية وبين الإشارات البشرية،

إن الطاقة التي تم إطلاقها خلال زلزال أو انفجار تُنشر عبر الأرض كفئتين واسعتين من قطارات الموجات: موجات الجسم التي تسافر عبر داخل الكوكب، والموجات السطحية التي تسافر على طول الطبقات الخارجية، وتشمل كل فئة أنواعاً مختلفة من الموجات التي تتصرف بطريقة مختلفة على أساس الخصائص المادية للمواد التي تصادفها.

موجات الجسم: حركة الضغط وصيد الشيوع

موجات الجسم هي أسرع إشارات سيزمية و أول من يصل إلى أي محطة تسجيل، يسافرون عبر داخل الأرض على طول مسارات تحددها كثافة و مرونة الصخور والسوائل التي يمرون بها، هناك نوعان رئيسيان من موجات الجسم، كل منهما يحدده اتجاه حركة الجسيمات بالنسبة إلى اتجاه نشر الموجات.

P-Waves (Primary or Compressional Waves)

إن الموجات الشعاعية هي موجات طويلة حيث تتجه الجسيمات إلى الوراء والخلف في نفس الاتجاه الذي تسافر فيه الموجات، على غرار موجات الصوت في الهواء، وهذا الضغط المتناوب والندر من المواد يتيح للموجات المضغوطة أن تمر عبر الصلب والسائل والغازات، وتتوقف سرعة هذه المواد على الشعارات السامية (الضغط على الضغط) وثديان الموجات المتوسطة.

ونظرا لأن الموجات المصفحة تسافر بسرعة، فإنها هي أول موجات اكتشفها السيزموغرافيا بعد وقوع زلزال، فوقت وصولها يوفر القيد الأولي لتحديد موقع مركز الزلازل، ويقوم أخصائيو الاهتزازات بتحليل فترات وصول الموجات من عدة محطات لتثبيت موقع المصدر، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الكم الهائل والمحتوى المتكرر من الموجات P-waves يحملان معلومات عن حجم الزلزال وممتلكات الصخرة.

S-Waves (Secondary or Shear Waves)

الموجات المُتقطعة هي موجات مُتقطعة حيث يُعدّل حركة الجسيمات اتجاهاً لبث الموجات، وهذا الحركة الرافعة يتطلب أن تكون المواد صلبة أو قوية، لأن سوائل مثل الماء والصخور الرطبة تفتقر إلى الصرامة، لا يمكن للموجات السائلة أن تسافر عبر السوائل أو الغازات، وهذه الملكية الأساسية هي أحد أهم الأدوات لكشف وجود الأرض العميق.

تسافر الموجات السريعة ببطء أكبر من الموجات البيرفلورية، عادةً ما تصل إلى 60 إلى 70 في المائة من سرعة الموجات البيرفلورية في نفس المادة، وفي قشرة الأرض، تكون سرعة الموجات S-wave بين 3 و4 كيلومترات في الثانية، ويزداد الفرق الزمني بين وصول الموجات P-waves و S-waves في محطة زلزالية،

كما أن الموجات S-waves تعرض عنصرين من عناصر الاستقطاب: موجات SH، حيث يكون التماس الجسيمات أفقياً ويعبر اتجاه التكاثر، وموجات SV، حيث يكون التماس الجسيمات عمودياً وداخل طائرة الانتشار، وتتفاعل هذه الاستقطابات بشكل مختلف مع حدود الطبقات، وهي حرجة بالنسبة لتقنيات التصوير السيزمي المتقدمة.

موجات الوجه: الطاقة المرشدة على طول قشرة الأرض

موجات السطح تولد عندما تتفاعل موجات الجسم مع سطح الأرض الحر، تسافر ببطء أكبر من موجات الجسم، لكن عادةً تكون لها كميات أكبر من الكمائن وتتسبب في معظم الارتجاع والضرر الذي لوحظ أثناء الزلازل، هناك نوعان أوليان من الموجات السطحية: موجات الحب وموجات الرايلي.

وقود الحب

موجات الحب هي موجات مشرقة أفقياً تهتدي بسطح الأرض، ولا توجد إلا عندما تطغى طبقة منخفضة السرعة على طبقة أعلى سرعة، وهي حالة شائعة في قشرة الأرض، موجات الحب تسبب حركة أفقية متوازية مع السطح الأرضي، والتي يمكن أن تمارس قوى أفقيّة قوية على المباني والهياكل الأساسية،

ريليه وايفز

وتنتج موجات الرايلي حركة الجسيمات الرجعية الشهيرة على السطح، حيث تجمع بين التشريد الرأسي والأفقي في اتجاه انتشار الموجات، وهذا الاقتراح مماثل لموجات المحيطات ولكنه يحدث في صخر صلب، فالموجات البعيدة عن الرايلي هي أبطأ أنواع الموجات الزلزالية الكبيرة، ولكن كثيرا ما يكون لها أكبر عدد من الكمائن، لا سيما في فترات الزلازل بين 0.1 و1 هيرتز، التي يمكن أن تلحق أضرارا.

إن موجات السطح مبعثرة، مما يعني أن سرعة هذه الموجات تتوقف على التردد (أو الموجات) وتسافر عناصر التردد العالي ببطء أكبر، وتزداد حساسية للهيكل الضحل، بينما تسافر عناصر التردد الأدنى بسرعة وعينة طبقات أعمق، وتُستغل هذه الممتلكات في طابور الموجات السطحية لرسم خريطة للهيكل القشري والسرعي.

كيف تسافر موجات الزلازل عبر ملاوير الأرض

إن رحلة موجات الزلازل من الناقص إلى محطة سيزموغرافيا بعيدة هي مسار معقد تحكمه مبادئ الفيزياء الموجية، مع انتقال الأمواج من مواد ذات كثافة ودرجات حرارة وتركيبية متفاوتة، وسرعتها وتوجهها تتغير بشكل منهجي، ففهم هذه التغييرات يسمح لأخصائيي السيزميات بخلق نماذج مفصلة للهيكل الداخلي للأرض.

سرعة الموجات وصلاحيات المواد

وتُحدد سرعة الموجات السيزمية بالأسلوب النبيل والكثافة في المواد، أما بالنسبة للموجات المزودة بالبلازما، فإن السرعة تحكمها الموصلات السائبة والشعارات القارعة، أما بالنسبة للموجات المتحركة الثانية فهي مجرد نسيج وكمية، وبصفة عامة، فإن سرعة الموجات ترتفع مع عمقّل الضغط الذي يُحدث فيه تفكك في الجسم والشعار البسيط.

كما أن التدرج يؤثر على سرعة الموجات، كما أن المواد الأقل صلابة تبطئ الموجات السيزمية، بينما تتسارع المواد الأكثر شدّة، وهذا التبعية للحرارة هو الأساس لرسم الخرائط الزلزامية، التي تلتقط صوراً لأورام ساخنة وقطعات غسيل باردة في المعبد.

الانتقام والتفكير في الحدود

عندما تصطدم موجة سيزمية بالحدود بين طبقات ذات خصائص مادية مختلفة جزء من طاقتها يُظهر في الوسط الأصلي والجزء يُنقل أو يُعاد تَكَراره إلى الوسط الجديد زاوية الإنتقام تتبع قانون (سنيل) تماماً مثل الضوء من خلال الزجاج

والمثال الأكثر إثارة هو منطقة الظل التي تمتد بين 103 و 142 درجة من مركز الزلازل، وقد قدمت موجات الزلازل التي تسافر عادة عبر اللب الخارجي، بقوة بحيث لا تصل إلى السطح في هذا النطاق، كما أن وجود هذه المنطقة الظلية، مقترنة بالملاحظة القائلة بأن الموجات S-waves غائبة تماما عن 103 درجات، قد وفروا أدلة مبكرة على أن القاع الخارجي هو السائل.

مسارات الموجات عبر داخل الأرض

وتُمنح مسارات الموجات السيزمية لأن السرعة تزداد عموماً مع العمق بسبب الضغط المتزايد، مما يؤدي إلى عودة موجات إلى السطح تدريجياً، ويتوقف الشكل الدقيق لمسار الأشعة على التدرج السريع، وفي المناطق التي تنخفض فيها السرعة بعمق، مثل الانتقال عبر القشرة في ظل ظروف معينة من الظل، يمكن تآكل الموجات.

ويتوقف وقت السفر في موجة على مسار معين على الهيكل السرعةي على هذا المسار، ويجمع علماء الكائنات الحية منحنىات زمنية للسفر تقطع وقت الوصول مقابل مسافة وسطية لكل نوع من أنواع الموجات، وهذه المنحنىات مستمدة من ملاحظات تجريبية وحسابات نظرية وتستخدم لتحديد مواقع الزلازل وتجنب هيكل الأرض، كما أن نماذج السفر العالمية الحديثة، مثل نموذج الأرض المرجعي الأولي، توفر نموذجا قياسيا للسلفيات في جميع أنحاء العالم.

"ملاّير الأرض وواجة الزلازل"

إن الهيكل الداخلي للأرض مقسم إلى طبقات مركزية على أساس التركيب والخصائص الميكانيكية، لكل طبقة خصائص سيزمية فريدة تم اكتشافها وصقلها من خلال تحليل موجات السيزمية التي تتدفق من الزلازل والتفجيرات.

"الكروست"

قشرة الأرض هي القذيفة الصلبة الخارجية التي تتراوح من 5 كيلومترات سميكة تحت المحيطات إلى 70 كيلومتراً في المناطق الجبلية القارية، وتتكون أساساً من صخور مسلّحة أقل كثافة من القشرة التي تحتها، وسرعات الموجات المتوهجة السيزمية في القشرة منخفضة نسبياً، وتزداد سرعة الموجات من 5 إلى 7 كيلومترات

ويزداد تقسيم القشرة إلى أنواع المحيطات والقارات، والقشرة المحيطية أرق، وكثافة، وأكثر زيا، وهي تتألف أساسا من البصل والقشرة القارية، والقشرة القارية أكثر سميكا، وأكثر ثباتا، وأكثر تجانسا، مع وجود هيكل مركب معقد يعكس تاريخها الطويل في التكتون، وتستخدم الدراسات الاستقصائية للزلازل الكهرمائية ورواح في وضع خرائط لمناطق سميك الموارد.

"الرجل"

ويمتد هذا المعبد من موهو إلى عمق يبلغ حوالي 900 2 كيلومتر ويحتوي على الجزء الأكبر من حجم الأرض وكتلتها، وهو يتألف من صخرة فوق سطح الأرض، معظمها من البيريدوتي، مع مراحل معدنية عالية الكثافة مثل الليفين، والوادسلييت، والخندق، وفي نهاية المطاف البروفسكي وما بعد البيروفسكيت في قاعدته.

ولا يُعد هذا المانح متماثلاً، حيث يحتوي المانح الأعلى على الغلاف الجوي، وهو منطقة منخفضة السرعة حيث يقلل الإنصهار الجزئي من سرعة الموجات ويوفر طبقة مفصلة لتركيب الصفائح، ويُظهر التكوين الفلكي في منطقة المحيط الهادئ، وهي المنطقة التي تفصل بين 410 و660 كيلومترات، تغيرات في المرحلة التي تتحول فيها مادة الوليفين إلى درجة حرارة عالية من البوليمورفات، مما يتسبب في زيادات حادة في الموجات.

The Outer Core

اللب الخارجي هو طبقة سائلة تتكون أساساً من الحديد والنيكل مع 10% من العناصر الأكثر أخف مثل الكبريت والأكسجين والسليكون والكربون، تمتد من عمق يبلغ حوالي 900 2 إلى 150 5 كيلو متراً، وتتأكد الدولة السائلة من الغياب الكامل لوافدين من الموجات الشمسية الذين كانوا سيسافرون من خلاله، والشكل الدقيق لمنطقة الظل

The Inner Core

الجوهر الداخلي هو مجال صلب مع نصف قطره حوالي 220 1 كيلو متراً، يتألف أساساً من الحديد والنيكل في درجات حرارة تتجاوز 5000 درجة مئوية، ولكنه يظل صلباً بضغوط هائلة تتجاوز 3.6 مليون جو، وقد اكتشفه إنج ليمان في عام 1936 من خلال كشف الوصلات الضعيفة من الموجات P-wave إلى منطقة الظل التي فسرت بشكل صحيح بأنها انعكاسات لموجات صلبة أساسية.

تطبيقات الموجات السيزمية والتوثيق الحديث

وتمتد دراسة الأمواج السيزمية إلى أبعد من اكتشاف الزلازل، وتطبق دراسة السيزمية الحديثة نظرية نشر الموجات إلى طائفة واسعة من المشاكل العلمية والعملية، من رسم خرائط داخلية عميقة إلى رصد معاهدات حظر التجارب النووية.

الترجيمة السيزمية

التخصيب السيزمي هو تقنية حسابية تستخدم مئات الآلاف من أوقات السفر في موجات سيزمية لبناء صور ثلاثية الأبعاد لداخل الأرض، ومثل المسح الكيميائي في الطب، تستغل التقنية حقيقة أن الأمواج التي تسافر عبر مناطق مختلفة لها أوقات وصول مختلفة، وبتجنب هذه الأوقات السياحية، يمكن لأخصائيي السباكة أن يرسموا نماذج لأشعة سطحية متطابقة مع الخلايا القارية

Earthquake Early Warning

إنّها تُكتشفُ البرمجياتَ المُتَجَهِّدةَ التي تُوجّهُ إلى عشراتِ ثوانٍ قبل الموجاتِ المُدمِّرةِ والموجاتِ السطحيةِ، وتُقدّرُ الخوارزمياتُ التلقائيةُ موقعَ الزلازل وحجمه من البياناتِ الأوليةِ لـ "بيوايف" ثمّ تُوقفُ التحذيرات إلى المناطق المأهات المُأهُتُتَة

استكشاف الموارد

وتستخدم صناعة النفط والغاز علم الزلازل المتحكم فيه، وتولد موجات زلزالية بشاحنات متحركة أو رسوم متفجرة، وتسجل الأمواج المعبر عنها بصفوف من الهواتف الأرضية، ويكشف تحليل أوقات السفر والتأملات عن الهندسة المصورة لطبقات الرواسب تحت سطح الأرض، ويمكن أن يحدد الشراك الهيكلية والسمات المتداخلة التي قد تحتوي على الهيدروكربونات.

رصد التجارب النووية

وتدير منظمة معاهدة الحظر الشامل للتجارب النووية شبكة عالمية من المحطات السيزمية التي يمكن أن تكتشف، وتضع، وتميز التفجيرات النووية الجوفية من الزلازل الطبيعية، ونسبة موجات الفول السوداني إلى الكمائن الموجية S-wave، وعمق المصدر، ووجود أنماط الموجات السطحية المميزة، هي من المفارقات الرئيسية، وتولد المفجّرات أكبر من الأمواج المحتوية على الموجات البنفسية مقارنة بالظواهر الزلزالية.

إن فهم انتشار موجات الزلازل عبر طبقات الأرض كان واحدا من أكثر المساع العلمية نجاحا في القرن الماضي، من اكتشاف (ريتشارد أولدهام) للحدود الأساسية في عام 1906 إلى الصور الجامدة الحديثة للأعمدة العميقة، المعلومات التي تحملها الأمواج السيزمية ما زالت تصقل معرفتنا بالهيكل الكوني والديناميات، مع كل عملية جديدة من عمليات العزلة المخفية

For further reading, see the U.S. Geological Survey Earthquake Hazards Program], the Incorporated Research Institutions for Seismology], and the Comprehensive Nuclear- experiment-Ban Treaty Organization.