ساختار داخلي زمين

زمين يك شبه كره با قطر معادل 12470 كيلومتر (7918 مايل) و قطر قطبي (در بين دو قطب) 12700 كيلومتر (7393 مايل) مي باشد، قطر استوايي بزرگتر در اثر سرعتهاي استوايي ناشي از چرخش زمين بوجود آمده است. وزن زمين در حدود 1021*4/5 تن (1024*9/4 كيلوگرم) مي باشد كه نشان دهنده توده ويژة متوسط 5/5 مي باشد. از آنجايي كه توده ويژه (چگالي) سنگهاي سطحي حدود 7/2 تا 3 مي باشد، توده ويژه هاي بالاتر مربوط به اعماق بيشتر است.

يكي از مهمترين دستآوردهاي زلزله شناسي، شناخت ساختار داخلي زمين است. زلزله هاي بزرگ انرژي كافي براي لرزه هاي قابل اندازه گيري توليد مي نمايند. انواع مختلف امواج زلزله حين عبور از داخل زمين در مرز بين لايه ها شكسته شده و قسمتي نيز بازتابيده مي شوند، بنابراين به نقاط مختلفي در سطح زمين از مسيرهاي مختلف مي رسند. در اوايل اين قرن مطالعه شكست و بازتاب اين امواج، ساختار لايه اي زمين را به اثبات رساند و زمينه اي جهت بررسي خصوصيات هر لايه فراهم نمود.هنگامي كه زلزله اي رخ مي دهد، انواع مختلف امواج حجمي (Body) و امواج سطحي توليد مي نمايد. اگرچه ماهيت امواج زلزله در فصل پنجم بحث شده است.

امواج حجمي كه در اعماق زمين منتشر مي شوند به دو گونه هستند:

امواج P و امواج S (شكل 1-2). امواج P كه به امواج اوليه، فشارشي يا طولي نيز مشهور هستند، موجب فشردگي و اتساع مصالحي كه از آن عبور مي كنند مي شوند. اين امواج مشابه امواجي صوتي مي باشند، يعني امتداد ارتعاش موازي امتداد انتشار مي باشد. همانند امواج صوتي، امواج P مي توانند در محيط جامد و مايع منتشر شوند. امواج S كه به امواج ثانويه، برشي يا عرضي نيز مشهور هستند، سبب تغيير شكل برشي در امتداد انتشار مي گردند. ارتعاش يك ذره مستقل، عمود بر امتداد انتشار امواج S مي باشد. با توجه به جهت ارتعاش ذرات، امواج S را مي توان به دو مؤلفة SV (ارتعاش در صفحه عمودي) و SH (ارتعاش در صفحه افقي) تجزيه نمود.سرعت انتشار امواج حجمي بسته به سختي مصالح (محيط انتشار) تفاوت مي نمايد. از آنجايي كه مصالح زمين شناسي در فشار، سخت مي باشند، امواج P سريع تر از ديگر امواج منتشر مي شوند، بنابراين اولين موجي هستند كه به مقصد (محل بخصوص) مي رسند. مايعات كه سختي برشي ندارند قادر به تحمل و انتشار امواج S نمي باشند.

امواج سطحي از اندركنش بين امواج حجمي و سطحي و لايه هاي سطحي و كروي زمين پديد مي آيند. اين امواج در امتداد سطح زمين با دامنه اي كه بصورت نمايي با عمق كاهش مي يابد، منتشر مي شوند (شكل 2-2). بعلت طبيعت اندركنش لازم براي پديد آمدن امواج سطحي، آنها در فواصل دوري از منبع زلزله قابل تشخيص هستند. امواج سطحي در فاصله ي حدود دو برابر ضخامت پوسته زمين سبب ايجاد حركات قوي زمين مي گردند.مهمترين امواج سطحي از نقطه نظر مهندسي، امواج رالي و لاو (Rayleigh , Love) مي باشند. امواج رالي از اندركنش امواج SH , P با سطح زمين بوجود مي آيند و خود به دو مؤلفه عمودي و افقي حركت ذرات تجزيه مي شوند. در برخي موارد اين امواج مشابه امواج بوجود آمده در اثر پرتاب يك قطعه سنگ در بركه (حوض) مي باشند. امواج لاو از اندركنش امواج SH با يك لايه نرم كروي پديد آمده و داراي مؤلفه قائم حركات ذره نمي باشند.

ساختار داخلي

پوستة زمين كه بشر بر روي آن زندگي مي كند، خارجي ترين لايه زمين است. ضخامت پوسته بين 25 تا 40 كيلومتر (15 تا 25 مايل) در محدوده قاره ها (اگرچه در زير كوههاي جوان بين 60 تا 70 كيلومتر- 37 تا 47 مايل- مي باشد) و تا حدود 5 كيلومتر (3 مايل) در زير اقيانوسها مي باشد كه ضخامت آن جزء كوچكي از قطر زمين است . ساختار داخلي پوسته پيچيده است، اما مي توان گفت كه در آن يك لايه بازالت روي يك لايه گرانيت در محدوده قاره ها قرار گرفته است. از آنجايي كه اين لايه در مجاورت اقيانوس و يا جو قرار دارد، مصالح پوسته از مصالح لايه هاي زيرين آن سردتر مي باشد. بعلاوه پوسته در محل اقيانوسها به لحاظ ضخامت كم يكنواخت تر و متراكم تر از محل قاره ها مي باشد.در محل اقيانوسها به لحاظ ضخامت كم يكنواخت تر و متراكم تر از محل قاره ها مي باشد.
   يك تغيير مشهود در سرعت انتشار امواج حاكي از وجود مرز بين پوسته و گوشته زيرين مي باشد. اين مرز جهت گراميداشت نام زلزله شناس كاشف آن (1909) به ناپيوستگي موهوروويچ (Mohorovicic) يا موهو مشهود گشته است. اگرچه طبيعت كامل موهو شناخته نشده است، اما نقش آن بعنوان بازتاباننده و شكننده امواج زلزله بخوبي درك شده است.   ضخامت گوشته 2850 كيلومتر (1770 مايل) مي باشد كه به دو لايه گوشته فوقاني (با ضخامت كمتر از 650 كيلومتر- 440 مايل) و لايه گوشته تحتاني تقسيم مي گردد.  در گوشته تحتاني زلزله اي ثبت نشده است. اين موضوع مبيّن ساختار سرعت يكنواخت و ساختمان شيميايي همگن به جز در مرز پائيني آن مي باشد. گوشته در نزديكي پوسته سردتر از اعماق است، البته با اين حال دمايي در حدود 4000 درجه فار نهايت دارد. بنابراين مواد تشكيل دهنده گوشته درحالت سيال ويسكوز و نيم مذاب مي باشد. هنگاميكه اين مواد در معرض تنش (بعنوان مثال امواج زلزله) قرار مي گيرند، رفتار مواد جامد را خواهند داشت، اما در دراز مدت بصورت يك مايع به آهستگي جريان مي يابند. مواد تشكيل دهنده گوشته توده ويژه اي در حدود 4 تا 5 دارند.   هسته خارجي با هسته مايع كه در حدود 2260 كيلومتر (1400 مايل) ضخامت دارد، به دليل ماهيت مايع بودن قادر به انتقال امواج S نمي باشد. همانطور كه در شكل (5-2) نشان داده شده است، سرعت امواج S كاهش يافته و مقدار آن در مرز هسته و گوشته يا ناپيوستگي گوتنبرگ صفر مي شود و سرعت امواج P نيز كاهش ناگهاني نشان مي دهد. هسته خارجي اساساً از آهن مذاب (كه توجيه كننده توده ويژه آن يعني بين 9 تا 12 مي باشد) تشكيل شده است. هسته داخلي يا هسته جامد بسيار متراكم (توده ويژه بيش از 15) و شامل مواد آهن- نيكل بسيار متراكم تحت اثر فشارهاي زياد مي باشد. حرارت هسته داخلي نسبتاً يكنواخت تخمين زده مي شود كه در حدود بيش از 5000 درجه فار نهايت است.

اثر ساختار زمين را بر توزيع امواج زلزله حين وقوع آن نشان مي دهد. از آنجايي كه انتشار امواج عموماً با عمق افزايش مي يابد، مسير امواج معمولاً به سمت سطح زمين شكسته مي شود. تنها مرز گوشته- هسته استثنا است كه در آن سرعت هسته خارجي كمتر از سرعت گوشته است
قابل ذكر است كه امواج P , S مي توانند با زاويه بين 0 تا 103 درجه به سطح زمين برسند اما بعلت طبيعت سيال (مايع) بودن هسته خارجي فقط امواج P با زاويه 143 تا 180 به سطح زمين مي رسند.

روابط تكرار زلزله

تئوري بازگشت الاستيك بيان مي كند كه وقوع زلزله ها موجب آزادي تنش در امتداد بخشي از گسل كه پارگي در آن اتفاق افتاده مي شود و نيز بيان مي دارد كه تا زمانيكه تنشها فرصت كافي جهت ذخيره مجدّد داشته باشند، گسيختگي بعدي در آن قطعه اتفاق نخواهد افتاد. بنابراين احتمال وقوع يك زلزله بر روي يك قطعه مخصوص گسل، به طريقي، به مدت زمان گذشته از آخرين زلزله و شايد به مقدار انرژي آزاد شده بستگي خواهد داشت.

بنابراين از ديدگاه احتمالات زلزله اي گسترش جانبي روي يك بخش بخصوص از گسل نبايستي بصورت وقايع مستقل و تصادفي در نظر گرفته شوند. اين خصوصيت در تحليل خطر زلزله از اهميت ويژه اي برخوردار است.

از آنجايي كه زلزله ها موجب رها سازي انرژي كرنشي جمع شده بر روي گسل مي گردند، وقوع آنها در محدوده اي كه فعاليت لرزه اي براي مدتي كم و يا اصلاً اتفاق نيفتاده است متحمل تر مي باشد. با ترسيم حركات گسل و فعاليتهاي لرزه اي تاريخي در امتداد يك گسل مي توان خلاءهاي فعاليت لرزه اي در مكانهاي مشخص در امتداد گسل را معيّن نمود. بر اساس تئوري بازگشت الاستيك، هم حركت بصورت غير لرزه اي رخ داده و هم انرژي كرنشي در مجاورت اين خلاءهاي لرزه اي جمع مي شود. در محل هايي كه انرژي كرنشي جمع مي شود، خلاءهاي لرزه اي متحمل ترين مكان وقوع زلزله هاي آتي هستند.

تعداد زيادي خلاء لرزه اي در سراسر جهان شناخته شده و ملاحظه گرديده است كه اغلب زلزله هاي بزرگ روي آنها اتفاق افتاده است. زلزله 1989 Loma Prieta روي يك بخشي از گسل San Andreas اتفاق افتاده است كه در گذشته بعنوان يك خلاء شناخته شده بود. استفاده از خلاء هاي لرزه اي عاملي است كه توانايي پيش بيني زلزله و ارزيابي خطر آنرا ارتقاء بخشيده است.