علم الوصيفات السيزمية وكيف يسافرون عبر لاير الأرض

فهم أساسيات جيل الموجات السيزمية

وتبدأ موجات الزلازل كهزات ميكانيكية تشع من إطلاق مفاجئ للطاقة داخل الأرض، وأكثر المصادر إلماماما هو زلزال، حيث يتغلب الإجهاد المتراكم على خط الخطأ على المقاومة الدامغة، مما يتسبب في تمزق وزلقة، ويحول هذا التشريد السريع الطاقة الجامدة المخزنة إلى طاقة حركية تروج في جميع الاتجاهات من الموقع الافتراضي.

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 الطبيعية والمخاطر البشرية وبين الإشارات البشرية.

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

موجات الجسم: حركة الضغط والصيد

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، وهناك 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، مثل موجات الصوت في الهواء، وهذا الضغط المتناوب والندر للمواد يسمح لأجهزة الموجات المضغوطة بأن تمر عبر الصلب والسائل والغازات، وتتوقف سرعة هذه المواد على الشعارات الكبيرة (الضغط على الركود) وثديتها.

ونظرا لأن الموجات البنفسجية تسافر بسرعة، فإنها هي الموجات الأولى التي اكتشفها السيزموغرافيا بعد وقوع الزلزال، فوقت وصولها يوفر القيد الأولي لتحديد موقع مركز الزلازل، ويقوم أخصائيو الاهتزاز بتحليل فترات وصول الموجات من عدة محطات لتثبيت موقع المصدر، بالإضافة إلى أن كمية الترددات والمحتوى المتكرر للموجات P-waves تحمل معلومات عن حجم الزلزال وممتلكات الصخرة.

S-Waves (Secondary or Shear Waves)

الموجات المتحركة هي موجات مبعثرة حيث حركة الجسيمات منتشرة باتجاه تهوية الموجات، وهذا الحركة القذفية يتطلب المواد التي تكون متشددة أو قوة قذيفة، لأن السوائل 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 البنفسجية في نفس المادة، وفي قشرة الأرض، تكون سرعة الموجات S-wave بين 3 و4 كيلومترات في الثانية، ويزيد الفرق الزمني بين وصول الموجات P-waves وS في محطة للزلزال هو مظلة رئيسية لفرز المسافة.

كما أن الموجات S-waves تعرض عنصرين من عناصر الاستقطاب: موجات SH، حيث يكون طلب الجسيمات أفقياً ويعبر اتجاه الانتشار، وموجات SV، حيث يكون الطلب الجسيمي 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 لديها كميات أكبر من الكمائن وتتسبب في معظم الارتجاع والضرر الذي لوحظ خلال الزلازل، هناك نوعان أوليان من الموجات السطحية: موجات الحب وموجات الرايلي.

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

وتتوزع موجات السطح، مما يعني أن سرعة هذه الموجات تتوقف على التردد (أو الموجات) وترتفع مستويات الترددات وتزداد حساسية من الهيكل الضحل، بينما تتسارع العناصر الأقل تردداً وتزيد من العينات في طبقات أعمق، وتُستغل هذه الممتلكات في طابور الموجات السطحية لرسم خرائط هيكل السرعة القشرية والسرعة.

كيف تسافر موجات الزلازل عبر ملاوير الأرض

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

سرعة الموجات وصلاحيات المواد

ويحدّد سرعة الموجات السيزمية بالأسلوب الكثافة وال كثافة المميزة، أما بالنسبة للموجات المزودة بالبلازما، فإن السرعة تحكمها الموصلات الكبيرة والشعارات المتحركة؛ أما بالنسبة للموجات المتحركة الثانية فهي مسألة الاضطرابات والكثافة، وبصفة عامة، فإن سرعة الموجات تزيد مع عمق الضغط الذي يُحدث فيه تعطل في النسيج.

كما أن التدرج يؤثر على سرعة الموجات، كما أن المواد الأقل صلابة تبطئ الموجات السيزمية، بينما تتسارع المواد الأكثر حزماً، وهذا التبعية للحرارة هو الأساس لرسم الخرائط الزلزامية التي تصور الارتفاعات الساخنة والنظارات الخفيفة الباردة 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 هذا القفز من مسارات الموجات ينشئ مناطق ظلّية لا تُكتشف فيها موجات معينة، مما يُوفّر قيوداً قوية على بنية الأرض العميقة

والمثال الأكثر إثارة هو منطقة الظل بين 103 و 142 درجة من مركز الزلازل، وقد كانت الموجات السيزمية التي تسافر عادة عبر اللب الخارجي مصممة بقوة بحيث لا تصل إلى السطح في هذا النطاق، كما أن وجود منطقة الظل هذه، مقترناً بالملاحظة القائلة بأن الموجات S-waves غائبة تماماً عن 103 درجات، قد وفر أدلة مبكرة على أن القاع الخارجي هو السائل.

مسارات الموجات عبر داخل الأرض

وتتم معالجة مسارات الموجات السيزمية لأن السرعة تزداد عموما مع العمق بسبب الضغط المتزايد، مما يؤدي إلى عودة موجات إلى السطح تدريجيا، وتتوقف 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 طول ذلك المسار، ويقوم علماء الكائنات الحية بتجميع منحنىات زمنية للسفر تقطع وقت الوصول مقابل مسافة وسطية لكل نوع من أنواع الموجات، وهذه المنحنىات مستمدة من الملاحظات العملية والحسابات النظرية وتستخدم لتحديد مواقع الزلازل وتجنب هيكل الأرض، وتوفر نماذج عصرية للسفر على الصعيد العالمي، مثل نموذج الأرض المرجعي الأولي، نموذجا موحدا للسير في العالم.

"ملاذ الأرض وواجة الزلازل"

الهيكل الداخلي للأرض مقسم إلى طبقات مركزية بناء على التركيبة وخصائص ميكانيكية كل طبقة لها خصائص سيزمية فريدة تم اكتشافها وصقلها من خلال تحليل موجات السيزمية القادمة من الزلازل والتفجيرات

الصليب

قشرة الأرض هي القذيفة الصلبة الخارجية التي تتراوح بين 5 كيلومترات سميكة تحت المحيطات و 70 كيلومتراً سميكة تحت النطاقات الجبلية القارية، وتتألف أساساً من صخور مسلّحة أقل كثافة من القشرة الأساسية، وسرعات الموجات المتوهجة في القشر منخفضة نسبياً، مع ارتفاع سرعة الموجات الشعاعية من 5 إلى 7 كيلومترات

ويزداد تقسيم القشرة إلى أنواع المحيطات والقارات، والقشرة المحيطية أرق، وكثافة، وأكثر زيا، تتألف أساسا من البصل والقشرة القارية، والقشرة القارية أكثر سميكة وأكثر ثباتا، وتنوعا، مع وجود هيكل مركب مركب يعكس تاريخها الطويل في التكتلات، وتستخدم الدراسات الاستقصائية للزلازل الكثيفة ورواح في خرائط مناطق سميكة الموارد.

"المانتل"

ويمتد هذا المعبد من موهو إلى عمق يبلغ حوالي 900 2 كيلومتر ويحتوي على الجزء الأكبر من حجم الأرض وكتلتها، ويتألف من صخرة فوق سطح الأرض، معظمها من البيريدوتي، مع مراحل معدنية عالية الضغط مثل الليفين، والوادل، والخندق، والرواسب، ثم بعد البيروفسكيت في قاعدته.

فالنبات ليس موحداً، فالأعلى يحتوي على الغلاف الجوي، وهو منطقة منخفضة السرعة حيث يقلل الإنصهار الجزئي من سرعة الموجات ويوفر طبقة مفصلة لتركيبات الصفائح، ويحتوي على درجة أعلى من الغلاف الجوي، وعمق الانتقال بين 410 كيلومترات و660 كيلومتراً، تغييرات تدريجية حيث يتحول الليفين إلى ظواهر متعددة المقاييس، 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 والسيلكون والكربون، تمتد من عمق يبلغ حوالي 900 2 إلى 150 5 كيلو متراً، وتتأكد الدولة السائلة من الغياب الكامل لوصلات الموجات الشمسية التي كانت ستنتقل من خلالها 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 عند 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 لمرحلة صلبة من خطوط الأساس.

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، بدءا من رسم خرائط داخلية عميقة إلى رصد معاهدات حظر التجارب النووية.

التطوّر السيزمي

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 الكائنات الحية أن يرسموا نماذج فرعية للأشعة المقطعية

Earthquake Early Warning

إنّها تُكتشفُ البرمجياتَ المُتَجَهِّدةَ التي تُوجّهُ إلى عشراتِ ثوانٍ قبل الموجاتِ المُدمِّرةِ والموجات السطحية، وتُقدّرُ الخوارزمياتُ الآليةُ موقعَ الزلازل وحجمه من البياناتِ الأوليةِ P-wave، ثمّ تُوقّفُ التحذيراتَ إلى المناطق المأهَةِ.

استكشاف الموارد

وتستخدم صناعة النفط والغاز علم الزلازل المتحكم فيه، وتولد موجات زلزالية بشاحنات متحركة أو رسوم متفجرة، وتسجل الأمواج المعبر عنها بمصفوف من الهواتف الأرضية، ويكشف تحليل أوقات السفر والتأملات عن الهندسة المصورة لطبقات الرواسب دون السطحية، 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 عوامل تمييز رئيسية، وتولد المتفجرات كميات أكبر من الأمواج المحتوية على الموجات البنفسجية مقارنة بالزلازل،

إن فهم انتشار موجات الزلازل عبر طبقات الأرض كان واحدا من أكثر المناورات العلمية نجاحا في القرن الماضي، ومن اكتشاف ريتشارد أولدهام الحدود الأساسية في عام 1906 إلى الصور الحديثة لعمود الأعماق، فإن المعلومات التي تحملها الموجات الزلزالية لا تزال تصقل معرفتنا بالهيكل الكوني والديناميات، مع كل عملية جديدة من عمليات التطهير من الظواهر السيزمية، وكل تحسن في هذه العمليات.

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.