علوم پایه، فیزیک 4131 بازدید

«لرزه نگار» یا «زلزله نگار» (Seismograph) وسیله‌ای است که امواج لرزه‌ای ناشی از زلزله، انفجار یا پدیده‌های دیگر لرزش زمین را ثبت می‌کند. دستگاه‌های لرزه نگاری به سنسورهای الکترومغناطیسی مجهز هستند که حرکت مکانیکی زمین را به تغییرات الکتریکی تبدیل می‌کنند که توسط مدارهای دیجیتالی یا آنالوگ پردازش و ضبط می‌شوند. اصطلاح لرزه نگار و «لرزه سنج» (Seismometer) اغلب به جای هم استفاده می‌شوند. با این حال اگرچه هر دو دستگاه ممکن است امواج لرزه‌ای را شناسایی و اندازه‌گیری کنند فقط یک لرزه نگار ظرفیت ثبت پدیده‌ها را دارد. به اطلاعاتی که توسط لرزه نگار بر روی صفحه نمایش یا کاغذ تولید می‌شود «لرزه نگاشت» (Seismogram) گفته می‌شود. در این مطلب اساس کار زلزله نگار و تاریخچه آن را بررسی می‌کنیم.

توسعه اولین زلرله نگار ها

یکی از اولین ابزارهای لرزه نگاری به نام «سیسموسکوپ» (Seismoscope) هیچ‌گونه نوسان زمینی را ثبت نکرد اما به سادگی نشان داد که لرزش رخ داده است.

یک دانشمند چینی به نام «ژانگ هنگ» (Zhang Heng) این وسیله را اوایل سال 132 میلادی اختراع کرد. این وسیله به شکل استوانه بود و هشت سر اژدها در اطراف محیط فوقانی آن قرار گرفته بود و هر کدام یک توپ در دهان خود داشتند. در اطراف دستگاه هشت قورباغه قرار داشتند که هر کدام مستقیماً زیر سر یکی از اژدها قرار گرفته بودند. هنگام وقوع زلزله توپ‌ها از دهان اژدها آزاد می‌شدند و احتمالاً توسط یک آونگ داخلی که مطابق جهت لرزش به عقب و جلو حرکت می‌کرد به دهان قورباغه انداخته می‌شدند و سر و صدا ایجاد می‌کردند.

لرزه نگار اولیه
تصویر ۱: مدل لرزه نگاری ژانگ هنگ که در حدود سال 132 میلادی برای کشف زمین لرزه‌ها اختراع شد.

در سال 1855 دانشمند ایتالیایی «لوئیجی پالمیری» (Luigi Palmier) لرزه نگاری طراحی کرد که از چندین لوله U شکل پر از جیوه تشکیل شده بود و جهت آن‌ها به سمت نقاط مختلف یک قطب نما بود. هنگامی که زمین می‌لرزید، حرکت جیوه یک تماس الکتریکی ایجاد کرده که سبب توقف حرکت یک ساعت می‌شد و همزمان یک درام ضبط را شروع کرده و حرکت یک شناور روی سطح جیوه را ثبت می‌کرد. بدین ترتیب این دستگاه زمان وقوع و شدت نسبی و مدت حرکت زمین را نشان می‌داد.

زلزله نگار لوئیجی پالمیری
تصویر ۲: طرحی از دستگاه لرزه نگار لوئیجی پالمیری دانشمند ایتالیایی

مشکل اساسی در اندازه‌گیری حرکات زمین دستیابی به یک نقطه ثابت است که هنگام حرکت زمین بدون حرکت باقی بماند. برای این منظور از انواع مختلف آونگ استفاده شده است.

ساده‌ترین مدل یک آونگ معولی و ساده است که در آن یک جرم سنگین توسط یک سیم یا میله از یک نقطه ثابت آویزان می‌شود (مانند پاندول ساعت‌های قدیمی).

گونه‌های دیگر آونگ شکلی معکوس دارد که در آن یک جرم سنگین به انتهای فوقانی یک میله عمودی متصل شده است. برای مثال در آونگ افقی جرمی از انتهای یک میله بین دو نقطه معلق است و به جای یک صفحه عمودی در یک صفحه تقریباً افقی نوسان انجام می‌دهد.

پس از وقوع تعدادی زمین لرزه در نزدیکی پرتشایر، اسکاتلند در سال 1839، در سال ۱۸۴۰ یک لرزه سنج با یک آونگ معکوس در نزدیکی کومری نصب شد.

به گفته زلزله شناسان ایتالیایی اولین زلزله نگار واقعی در سال 1875 توسط فیزیکدان ایتالیایی «فیلیپو سکی» (Filippo Cecchi) ساخته شد. زلزله نگار سکی نیز از آونگ استفاده می‌کرد اما برای اولین بار در زلزله نگار او بود که حرکت نسبی آونگ‌ها با توجه به حرکت زمین به عنوان تابعی از زمان ثبت می‌شد.

در این زلزله نگار حرکات تولید شده توسط امواج لرزه‌ای باعث فعال شدن یک ساعت می‌شد و ضبط لرزه‌ها (که ناشی از حرکت زمین بود) 1 سانتی‌متر ($$0.04$$ اینچ) در ثانیه پیشرفت می‌کرد و این امکان را برای خواننده فراهم می‌کرد تا زمان شروع زمین لرزه و همچنین مدت زمان آن را تعیین کند.

تحولات دستگاه زلزله نگار در سال 1880 توسط «سر جیمز آلفرد اوینگ» (Sir James Alfred Ewing) فیزیکدان اسکاتلندی، «توماس گری» (Thomas Gray) مهندس اسکاتلندی و «جان میلن» (John Milne) زمین شناس انگلیسی، که در آن زمان در ژاپن کار می کردند، با سرعت زیادی اتفاق افتاد. این سه نفر به دنبال زلزله شدیدی که در آن سال در یوکوهاما در نزدیکی توکیو رخ داد شروع به مطالعه زمین لرزه کرده و انجمن لرزه نگاری ژاپن را تاسیس کردند.

تحت حمایت این سازمان دستگاه‌های مختلف لرزه نگاری حمایت و اختراع شدند. از جمله ابزارهای زلزله نگار ساخته شده در آن دوره می‌توان از لرزه نگار آونگ افقی معروف «میلن» (Miln) نام برد.

زلزله نگار میلن
تصویر ۳: دستگاه لرزه نگاری پاندولی افقی میلن که توسط زلزله شناس انگلیسی میلن در سال 1880 اختراع شد. یک میله (B) که جرم (M) به آن متصل شده است توسط یک پایه (P) و یک نخ ابریشم (T) به یک نقطه ثابت به صورت افقی آویزان شده است. یک صفحه نازک (C) که در آن شکاف باریکی به موازات میله ایجاد شده، به انتهای میله متصل است. صفحه‌ای مشابه در سمت راست صفحه فوقانی در بالای جعبه‌ای حاوی درام ضبط (D) ثابت شده است. یک پرتوی نور از یک چراغ نفتی از هر دو شکاف عبور کرده و یک لکه کوچک از نور را روی یک ورق کاغذ گرافیکی حساس به نور (کاغذ برومید) که روی درام ضبط پیچیده شده است  تشکیل می‌دهد.

میلن با موفقیت از این زلزله نگار برای ثبت چندین زمین لرزه در ژاپن استفاده کرد و سپس پس از بازگشت به انگلستان یک سازمان کوچک لرزه نگاری برای ثبت زلزله در سراسر جهان با استفاده از این وسیله تاسیس کرد.لرزه نگار آونگ افقی میلن پس از جنگ جهانی دوم تغییرات زیادی کرد و کارکرد آن بسیار بهبود یافت.

لرزه نگار Press-Ewing که برای ثبت امواج طولانی مدت در ایالات متحده ساخته شده بود نیز با اقبال جهانی رو به رو شد و به طور گسترده‌ای در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه از یک آونگ نوع میلن استفاده می‌کرد اما برای جلوگیری از اصطکاک به جای محوری که در زلزله نگار میلن از آونگ پشتیبانی می‌کند یک سیم الاستیک جایگزین شد.

لرزه نگار Press-Ewing
تصویر ۴: دستگاه لرزه نگاری Press-Ewing که برای ثبت امواج طولانی مدت در ایالات متحده ساخته شد به طور گسترده‌ای در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفت.

برای آشنایی بیشتر با زلزله و تحلیل و طراحی سازه‌های مرتبط با زلزله می‌توانید فیلم آموزش مهندسی زلزله – رایگان (یادبود ریحانه و زهرا) را که توسط فرادرس ارائه شده، مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

اصول اساسی لرزه نگار مدرن

اگر یک آونگ معمولی بتواند در یک جهت چرخش داشته باشد و اگر زمین در حالی که آونگ بدون حرکت است به سرعت در جهت آزادی آونگ حرکت کند آونگ تمایل دارد که به دلیل قانون اینرسی در جای خود باقی بماند. اگر زمین به عقب و جلو حرکت کند یعنی نوسان انجام دهد و اگر دوره حرکت زمین (زمان لازم برای یک نوسان کامل) به اندازه کافی کوتاه‌تر از دوره نوسان آزاد آونگ باشد آونگ عقب می‌ماند و حرکت زمین نسبت به آونگ می‌تواند ضبط شود.

دامنه حرکت معمولاً از نظر الکتریکی تقویت می‌شود. زمانی که مقدار دوره آونگ با زمان حرکت زمین به یکدیگر نزدیک باشند زلزله نگار تنها حرکت زمین را ثبت نمی‌کند. با این حال به راحتی می‌توان بر روی مقدار اندازه‌گیری شده از لحاظ ریاضی تصحیحات انجام داد.

لرزه نگار آونگ پیچشی اندرسون-وود
تصویر ۵: شکل شماتیک لرزه نگار پاندولی پیچشی اندرسون-وود در سال 1924 که توسط زلزله شناس چارلز اف ریشتر نیز برای تعریف مقیاس بزرگی زلزله استفاده شد. یک استوانه مس کوچک (C) بین قطب (N ، S) یک آهنربا دائمی U شکل به یک سیم تنگستن (T) متصل شده است. در پاسخ به نوسانات زمین ناشی از زلزله آونگ در یک صفحه تقریباً افقی در اطراف سیم چرخش کرده و در نتیجه میدان مغناطیسی نوسان آزاد خود را کاهش می‌دهد. بزرگنمایی این حرکات برای ثبت واضح‌تر با استفاده از آینه (m) امکان پذیر است.

زمین می‌تواند در هر سه جهت یعنی دو جهت افقی و یک جهت عمودی حرکت کند. از آنجا که هر نوع حرکت باید جداگانه ثبت شود برای یک زلزله نگار کامل به سه آونگ  که هر یک برای یک راستا استفاده می‌شود نیاز است.

به طور کلی لرزه نگار ابزاری است که در آن حرکت نسبی آونگ و زمین نسبت به هم ثبت می‌شود. همچنین می‌توان نسبت بین انحراف آونگ و سرعت (یا شتاب) زمین را اندازه‌گیری کرد. به این نسبت حساسیت سرعت (یا شتاب) لرزه نگار گفته می‌شود.

اگر مقدار امواج لرزه‌ای کمتر از حداقل مقدار نوسان آونگ باشد نگاشت امواج لرزه‌ای به طور صحیح رخ نمی‌دهد. ساده‌ترین راه برای کاهش دوره نوسان آزاد آونگ معلق کردن آن در مایع چسبناک (غلیظ) است که نیروی مقاومت در آن متناسب با سرعت آونگ است.

در حقیقت نیروی مقاومت مورد نیاز توسط دستگاه خاصی به نام «میراگر» (Damper) اعمال می‌شود. در یک میراگر الکترومغناطیسی، نیروی مقاومت توسط جریان‌های الکتریکی القا شده در یک صفحه مسی که در یک میدان مغناطیسی قوی حرکت می‌کنند ایجاد می شود. برای درک بیشتر موضوع نوسانگر‌های میرا، مطلب نوسانات میرا — به زبان ساده را مطالعه کنید.

روش‌های مختلفی برای ضبط حرکت آونگ به کار رفته و توسعه یافته است. در روش مکانیکی (که اکنون تنها از لحاظ تاریخی مورد توجه است) یک ورق کاغذ دودی را دور یک طبل چرخان پیچیدند و آن را طوری نصب کردند که با زمین حرکت کند.

قلم متحرک متصل به آونگ به آرامی روی کاغذ فشار می‌آورد و درام چرخشی با هر دور کمی جابجا می‌شود تا خطوط ثبت شده روی یکدیگر قرار نگیرند. درام بدون وقفه می‌چرخد و یک ورق کاغذ معمولاً برای 24 ساعت کافی است. گرچه این روش ساده و اقتصادی بود اما این لرزه نگار برای غلبه بر اصطکاک بین قلم و کاغذ لازم بود جرمی سنگین داشته باشد. در نتیجه برخی از لرزه نگارهای مکانیکی در حدود یک تن یا بیشتر وزن دارند.

در زلزله نگاری مدرن‌تر روش نوری به کار گرفته می‌شود که در آن حرکت آونگ باعث حرکت آینه می‌شود.نور توسط آینه روی کاغذ حساس به نور که روی یک طبل پیچیده شده است منعکس می‌شود در نتیجه اصطکاک خاصی برای تأثیر بر آونگ وجود ندارد.

در روش الکترومغناطیسی که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد یک سیم پیچ به یک آونگ که در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند متصل است و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند (برای درک بیشتر فیزیک این موضوع مطلب میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی | به زبان ساده را مطالعه کنید). وقتی جریان به صورت الکترونیکی تقویت می‌شود می‌توان لرزش‌های بسیار کوچک را به صورت بزرگنمایی شده مشاهده کرد، این حالت مانند این است که یک ذره‌بین در دست گرفته‌اید و می‌خواهید موجود بسیار کوچک را مشاهده کنید. در این حالت شما آن موجود را بزرگتر می‌بینید این موضوع دقیقاً در افزایش میدان الکتریکی و ثبت لرزه‌ها نیز رخ می‌دهد.

برخی از لرزه نگارهای با دوره کوتاه حرکت آونگ، از این روش برای مشاهده زمین لرزه‌های با قدرت میکرو استفاده می‌کنند و با استفاده از این روش می‌توانند به بزرگ‌نمایی از مرتبه ۱,000,000 یا بیشتر دست یابند.

در مشاهدات لرزه نگاری معمولی زمان شروع نوسانات زمینی ثبت می شود. علائم بر روی لرزه نگار هر دقیقه یک بار ثبت می‌شوند.

تمام دستگاه‌های لرزه نگاری که تا اینجا توصیف شدند حرکات نوسانی زمین را در یک نقطه مشخص اندازه‌گیری می‌کنند. در مقابل «لرزه نگار کششی» (Strain Seismograph) از آونگ استفاده نمی‌کند و عملکرد آن به تغییر فاصله بین دو نقطه روی زمین بستگی دارد. این نوع لرزه نگار در سال 1935 توسط زلزله شناس آمریکایی «هوگو بنیوف» (Hugo Benioff) ابداع شد.

لرزه نگار کششی
تصویر ۶: نمایش شماتیک لرزه نگار کششی. A و B دو پایه هستند که با فاصله از هم قرار دارند، این فاصله می‌تواند 20 متر (65 فوت) یا بیشتر باشد. یک انتهای میله (R) به اسکله B ثابت شده و سر دیگر آن در مجاورت اسکله A قرار گرفته است. فعالیت زمین حاصل از امواج لرزه‌ای تغییراتی در فاصله جداسازی دو پایه ایجاد می‌کند. این تغییرات به عنوان کاهش یا افزایش در فاصله بین انتهای آزاد میله و پایه A قابل مشاهده است.

دستگاه‌های زلزله نگار برای حرکت‌های قوی زمین که «شتاب‌نگار» (accelerographs) نیز نامیده می‌شوند بیشتر برای ثبت حرکات شدید زمین و عمدتاً برای اهداف مهندسی مانند ساخت و سازهای ضد لرزه در مناطق زلزله‌خیزی مانند ژاپن طراحی شده‌اند.

دستگاه‌های زلزله نگار برای حرکت‌های قوی از شتاب‌نگارها به عنوان سنسور استفاده می‌کنند و بدین ترتیب لرزه‌ها را مستقیماً روی نوار مغناطیسی یا تراشه‌های حافظه ثبت می‌کنند و می‌توانند شتاب زمین را تا دو برابر مقدار گرانش اندازه‌گیری کنند. شبکه‌های شتاب‌نگار هم اکنون در چندین منطقه زلزله خیز به عنوان مثال کالیفرنیا، ژاپن، تایوان، مکزیک فعال هستند و ضبط مستقیم و مداوم لرزش‌های زمین را انجام می‌دهند. داده‌های مربوط به لرزش زمین در عرض چند ثانیه پس از یک زمین لرزه که صدمات بر جا گذاشته است قابل دسترسی است.

کاربردهای دستگاه لرزه نگاری

اگرچه لرزه نگاری در ابتدا برای مکان‌یابی زمین لرزه‌های طبیعی طراحی شدند اما کاربردهای دیگری مانند اکتشاف نفت، بررسی پوسته و لایه‌های زیرین زمین و نظارت بر فعالیت آتشفشانی نیز دارند.

لرزه نگار نوسانات زمین را که ناشی از امواج لرزه‌ای هستند ثبت می‌کند. این امواج از نقطه مبدا خود در لایه‌های زیرین زمین یا در امتداد سطح آن گسترده می‌شوند.

لرزه نگاری در نزدیکی یک زلزله کوچک الگوی ساده‌ای دارد و امواج ورودی به دستگاه زلزله نگار را می‌توان با توجه به این الگو به سه دسته تقسیم کرد: امواج P یا امواج طولی که در جهت انتشار ارتعاش می کنند، امواج S یا امواج عرضی یعنی امواجی که در سمت راست جهت انتشار ارتعاش می‌کنند و امواج سطحی یا امواج متراکم که بدون مولفه عمودی یا طولی هستند.

در مورد زمین لرزه‌های دور یا زمین لرزه‌های بسیار بزرگ و نزدیک الگوی لرزه نگار بسیار پیچیده‌تر است. زیرا در این حالت لرزه نگار انواع مختلفی از امواج لرزه‌ای را نشان می‌دهد که از یک یا چند نقطه سرچشمه می‌گیرند اما ممکن است قبل از رسیدن به لرزه‌ نگار در داخل پوسته زمین منعکس یا شکسته شوند.

رابطه بین زمان رسیدن امواج P و S و فاصله کانونی یعنی فاصله از نقطه مبداء با یک منحنی فاصله-زمان بیان می‌شود که در آن زمان رسیدن در محور عمودی و فاصله تا مرکز در محور افقی نمایش داده می‌شود.

اگر زمان رسیدن امواج مختلف لرزه‌ای بر روی یک لرزه نگار در یک ایستگاه خوانده شده و با منحنی‌های استاندارد فاصله زمانی مقایسه شود می‌توان فاصله کانونی زلزله از ایستگاه ضبط امواج را تعیین کرد. همچنین اگر فاصله کانونی حداقل از سه ایستگاه ضبط امواج مشخص باشد می‌توان منشاء زمین لرزه را با روش‌های مثلثاتی ساده محاسبه کرد.

امواج لرزه‌ای اصلی
تصویر ۷: امواج لرزه‌ای اصلی. امواج P به معنای اولیه، امواج S به معنای ثانویه، امواج عشق و امواج ریلی

فوران یک آتشفشان معمولاً با رخداد زمین لرزه‌های کوچک زیادی همراه است به ویژه هنگامی که آتشفشان پس از یک دوره طولانی خاموش بودن فعالیت مجدد خود را از سر بگیرد. بدین ترتیب ضبط امواج لرزه‌ای توسط دستگاه‌های زلزله نگار قوی نقش مهمی در پیش‌بینی فعالیت آتشفشانی دارد.

غالباً قبل از یک زمین لرزه شدید زمین لرزه‌های کوچک اتفاق می‌افتد. بررسی لرزش‌های بسیار کوچک زمین توسط زلزله نگارهای حساس در پیش بینی زمین لرزه‌های فاجعه بار بسیار موثر است.

لرزه نگارها گاهی اوقات نوسانات کوچک و طولانی مدت زمین را که «زلزله خفیف» (microseisms) نامیده می‌شوند را تشخیص می‌دهند که به زلزله مربوط نمی‌شود. وقوع برخی از زلزله‌های خفیف مربوط به طوفان در دریا است.

از لرزه نگاری برای تشخیص از راه دور آزمایش‌های سلاح‌های هسته ای نیز استفاده می‌شود که در آن‌ها باید امواج لرزه ای نسبتاً ضعیف تولید شده در اثر انفجار زیرزمینی را از لرزش‌های طبیعی تشخیص داد.

اگر امواج لرزه‌ای تولید شده توسط یک بار الکتریکی انفجاری توسط دستگاه‌های لرزه نگار حساس نصب شده در نقاط مختلف در همسایگی انفجار ثبت شوند، می‌توان ساختار زیرزمینی سایت را با تجزیه و تحلیل منحنی‌های فاصله-زمانی امواج P و با استفاده از هر دو موج‌های مستقیم و آن‌هایی که در مرزهای لایه‌های زیرزمینی منعکس یا شکسته می‌شوند، تعیین کرد.

عمق لایه‌های زیرزمینی، زاویه شیب آن‌ها و سرعت امواج لرزه ای در هر لایه را نیز می‌توان با استفاده از ابزار لرزه نگاری تعیین کرد.

از زمان کشف یک میدان بزرگ نفتی در تگزاس با استفاده از این روش در سال 1923، نقشه برداری لرزه‌ای پیشرفت چشمگیری داشته است و اکنون برای اکتشاف نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بهبود ابزارها و تکنیک‌های به دست آمده پس از جنگ جهانی دوم امکان تعیین ساختار پوسته زمین تا عمق 40 تا 50 کیلومتر (حدود 25 تا 30 مایل) را با انفجار مقدار کمی ماده منفجره فراهم کرد.

اکتشاف لرزه‌ای
تصویر ۸: اکتشاف لرزه‌ای. ژئوفیزیکدانان با استفاده از تجهیزات لرزه نگاری در جستجوی روغن هستند. تکانه‌های صوتی به سطح زمین می‌رسند و پژواک‌ها برای تصویربرداری از لایه‌های سنگ زیر سطح و یافتن تله‌های نفتی ثبت می‌شوند.

حرکات زمینی ناشی از تزریق مایعات به چاه‌های زیرزمینی، انفجار دینامیت در معادن و اهداف عمومی دیگر نیز توسط لرزه نگار قابل اندازه‌گیری است.

بررسی‌های اولیه و مقدماتی بر اساس اندازه‌گیری‌های لرزه نگاری امکان تخمین شدت ضربه‌ و در نتیجه ارزیابی میزان خسارت ناشی از انفجار مقدار مشخص دینامیت در منطقه‌ای خاص را فراهم می‌کند.

انفجار سنگ‌ها که در آن برخی سنگ‌ها به طور ناگهانی از گودال‌های عمیق یا تونل‌ها خارج می‌شوند ناشی از افزایش تنش در سنگ‌های اطراف است.

به طورکلی، تجربه در معادن نشان می‌دهد که افزایش تنش‌های کوچک قابل تشخیص توسط ژئوفون‌های (Geophones) بسیار حساس که نوعی لرزه‌سنج‌های قابل حمل برای استفاده در مزرعه هستند نشان‌دهنده خطر ترکیدگی سنگ است.

تشخیص ارتعاشات روی سطح ماه توسط دستگاه‌های لرزه نگاری در تعیین ساختار داخلی، حالت فیزیکی و فعالیت تکتونیکی (پوسته‌ای) ماه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

دستگاه‌های لرزه نگاری برای ماه در طی برنامه آپولو از سال 1969 نصب شدند. این دستگاه‌ها حاوی سه لرزه سنج با دوره طولانی و یک لرزه سنج عمودی با دوره نوسان کوتاه هستند. بسیاری از لرزه‌های ماه توسط این سه دستگاه لرزه نگاری ثبت می‌شود.

دستگاه‌هایی مشابه برای ثبت لرزه در مریخ نیز در سال ۱۹۷۶ توسط ناو هواپیمابر وایکینگ 2 در این سیاره نصب شد.

بررسی ماه توسط لرزه نگاری
تصویر ۹: فضانورد آپولو 11 بسته‌های آزمایش‌های لرزه‌ای منفعل (PSEP) را روی ماه تنظیم می‌کند و ماژول قمری در پس زمینه قرار دارد. PSEP برای تشخیص ارتعاشات لرزه ای سطح ماه طراحی شده است.

لرزه سنج، لرزه نگار و لرزه نگاشت چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟

لرزه سنج یا seismometer یکی از قسمت‌های داخلی لرزه نگار یا seismograph است که ممکن است آونگ یا جرمی باشد که روی فنر نصب شده است. با این حال اغلب با دستگاه لرزه نگار به صورت مترادف استفاده می‌شود.

لرزه نگاری، لرزه نگار یا زلزله نگار ابزاری است که برای ثبت حرکت زمین در هنگام زلزله استفاده می‌شود. این ابزار در سراسر جهان بر روی زمین نصب شده و به عنوان بخشی از یک شبکه لرزه نگار کار می‌کنند. اولین لرزه نگاری توسط فیلسوف چینی چانگ هنگ در سال 132 میلادی انجام شد. اما دستگاه او زمین لرزه را ثبت نمی‌کرد و تنها نشان می‌داد که یک زمین لرزه در حال وقوع است. اولین لرزه نگار در سال 1890 ساخته شد.

یک لرزه نگار به طور معمول بر روی سطح زمین نصب می‌شود به طوری که هنگام لرزش زمین کل دستگاه به غیر از جسم روی فنر می‌لرزد. جرم روی فنر به دلیل اینرسی در مکان اولیه خودش باقی می‌ماند.

با لرزش لرزه نگار دستگاه ضبط بر روی جسم حرکت نسبی بین خود و بقیه دستگاه را ثبت می‌کند و بنابراین حرکت زمین ثبت می‌شود. در حقیقت این مکانیسم‌ها در حال حاضر بدون دخالت شخص انجام می‌شوند و در عوض با اندازه‌گیری تغییرات الکترونیکی حاصل از حرکت زمین با توجه به جسم کار می‌کنند.

لرزه نگاشت یا seismogram ثبت اطلاعاتی مکانی که دچار لرزش شده است را شامل می‌شود.

در نگاشت لرزه، محور افقی تغییرات زمان بر حسب ثانیه را نشان می‌دهد و محور عمودی جابه‌جایی زمین که بر حسب میلی‌متر است را به نمایش می‌گذارد. در صورت عدم وجود زمین لرزه فقط یک خط مستقیم و راست به جز تکان‌های کوچک ناشی از اختلال محلی یا نویز و نشانگرهای زمان وجود دارد. لرزه نگار هم اکنون دیجیتال است و دیگر هیچ ثبتی توسط کاغذ صورت نمی‌گیرد.

چگونه لرزه نگار زلزله را اندازه‌گیری می‌کند؟

یک لرزه نگار نموداری از امواج لرزه‌ای دریافتی را تولید کرده و آن‌ها را بر روی لرزه نگاشت ثبت می‌کند. لرزه نگاشت‌ها حاوی اطلاعاتی هستند که می‌توانند برای تعیین شدت زمین لرزه، مدت زمان ادامه آن و فاصله آن تا دستگاه لرزه نگاری مورد استفاده قرار گیرند. لرزه سنج‌های مدرن با استفاده از ردیاب‌های الکترونیکی حرکات زمین را ثبت می‌کنند و سپس داده‌ها به صورت دیجیتالی بر روی رایانه نگهداری می‌شوند.

نمودار لرزه نگاری
تصویر ۱۰: این لرزه نگاری ورود امواج P و S را نشان می‌دهد. امواج سطحی درست پس از امواج S می‌رسند و تشخیص آنها دشوار است. زمان در قسمت افقی (یا محور x) نمودار نشان داده شده است.

اگر نتایج لرزه نگاشتی امواج P و امواج سطحی را ثبت کند اما امواج S را ثبت نکند، بدین معنی است که لرزه نگار در آن سوی زمین نسبت به مرکز زلزله قرار داشته است. از دامنه امواج به دست آمده در لرزه نگاشت می‌توان برای تعیین بزرگی زمین لرزه استفاده کرد.

زلزله نگار آنلاین

به وسیله نرم‌افزار لرزه نگار می‌توانید به صورت لحظه‌ای از وقوع زمین لرزه در سراسر کشور آگاهی پیدا کنید همچنین اطلاعات مربوط به زمین لرزه در سراسر کشور از سال ۱۳۸۶ در این اپلیکیشن یافت می‌شود. این نرم افزار رایگان بوده و به راحتی می‌توانید از کافه بازار آن را تهیه کرده و بر روی گوشی خود نصب کنید. از امکانات این نرم افزار این است که در وقوع زلزله بر روی گوشی شما هشدار نمایان می‌شود و شما به صورت آنلاین از وقوع زلزله آگاه خواهید شد.

سازمان زلزله نگار جهانی

فدراسیون بین المللی شبکه‌های لرزه نگار دیجیتال (FDSN) یک سازمان جهانی است. این سازمان متشکل از گروه‌هایی است که مسئولیت نصب و نگهداری دستگاه‌های لرزه نگار را در مرزهای جغرافیایی خود یا در دنیا برعهده دارند.

عضویت در FDSN
تصویر ۱۱: کشورهای عضو در FDSN یا سازمان زلزله نگاری جهانی. کشورها بر اساس تعدا پایگاه‌های زلزله نگار با آبی پررنگ و کم‌رنگ نمایش داده شده اند. بیشترین تعداد پایگاه و با ۹ پایگاه مربوط به آمریکا است.

عضویت در این سازمان برای کلیه سازمان‌هایی که بر روی بیش از یک ایستگاه با امواج با باند‌ پهن کار می‌کنند آزاد است. اعضا موافقت می‌کنند که ایستگاه خود را مدیریت کرده و دسترسی آزاد به داده‌های خود را برای سایر اعضا فراهم کنند.

این همکاری به دانشمندان سراسر دنیا کمک می‌کند تا در پیشرفت علوم زمین و به ویژه مطالعه فعالیت‌های لرزه‌ای جهانی پیشرفت بیشتری داشته باشند. FDSN همچنین دارای حق امتیاز در انجمن بین المللی لرزه نگاری و فیزیک داخلی زمین یا IASPEI است.

عضویت در FDSN به معنی واقعی جهانی است و تحت سلطه هیچ کشور یا گروهی نیست. اعضا از تمام قاره‌ها در این ارگان قرار دارند. بیشتر اعضای FDSN ایستگاه‌هایی را مدیریت می‌کنند که محدود به مرزهای ملی خود باشد اما چندین عضو FDSN ایستگاه‌هایی خارج از مرزهای خود را اداره می‌کنند. از ایران نیز پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله در این فدراسیون عضویت دارد.

سازمان زلزله نگار ایران

سازمان زلزله نگار ایران یا پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله در آذرماه سال ۱۳۶۸ به پیشنهاد یونسکو و تصویب دولت وقت تاسیس شد و در سال ۱۳۶۸ به عنوان پژوهشگاه فعالیت خود را ادامه داد. در حال حاضر این پژوهشگاه ۴۲ عضو هیئت علمی مرد و ۱ عضو هیئت علمی زن دارد و در رشته‌های مرتبط با زلزله شناسی و ژئوفیزیک به تربیت دانشجو مشغول است. این پژوهشگاه شامل پنج آزمایشگاه کف قوی و میز لرزه، سانتریفیوژ و مدل‌سازی فیزیکی، آزمایشگاه سازه، آزمایشگاه ژئوتکنیک و آزمایشگاه زلزله شناسی است.

آیا می توان زمین لرزه را پیش‌بینی کرد؟

خیر، پیش‌گویی وقوع زلزله در حال حاضر در دنیا امکان‌پذیر نیست. هم اکنون دانشمندان تا توانایی برای پیش‌بینی زمین لرزه فاصله زیادی دارند. یک پیش‌بینی خوب باید دقیق باشد و محل وقوع زلزله، زمان وقوع آن و میزان آن را پیش‌گویی کند تا در صورت لزوم افراد آن منطقه را تخلیه کنند زیرا تخلیه غیرضروری گران است و سبب می‌شود تا دستور تخلیه در دفعات بعد از طرف مقامات توسط مردم مورد توجه قرار نگیرد.

محل وقوع زلزله آسانترین ویژگی برای پیش بینی است. دانشمندان و محققان می‌دانند که زمین لرزه‌ها در مرزهای صفحات اتفاق می‌افتند و معمولاً در مکان‌هایی که قبلاً رخ داده‌اند تکرار می‌شوند. جوامع مستعد زلزله باید همیشه در برابر زلزله آمادگی لازم را داشته باشند. در این کشورها باید برای ایجاد ایمنی در برابر زلزله از سازه‌های ایمن برای ساخت و ساز استفاده شود.

پیش بینی زمان وقوع زلزله بسیار دشوار است. از آنجا که تنش ناشی از گسل با گذشت زمان با سرعت یکسان ذخیره می‌شود زمین لرزه‌ها باید در فواصل منظم زمانی رخ دهند. اما تاکنون دانشمندان نتوانسته‌اند زمان وقوع زمین لرزه را حتی برای مدت زمان کوتاه چند سال نیز پیش‌بینی کنند.

پیش‌بینی زمان زلزله
تصویر ۱۲: در حوالی پارکفیلد، کالیفرنیا هر 22 سال یک زمین لرزه به بزرگی $$6.0$$ ریشتر یا بیشتر رخ می‌دهد. بنابراین زلزله‌شناسان پیش‌بینی کردند که یک زلزله در سال 1993 رخ خواهد داد اما این زمین لرزه در سال 2004 و با 11 سال تأخیر رخ داد.

برخی علائم و شواهد گاهی قبل از وقوع یک زمین لرزه بزرگ دیده می‌شود. یکی از این نشانه‌ها وقوع زمین لرزه‌های کوچک چند ثانیه تا چند هفته قبل از یک زمین لرزه بزرگ است. با این حال بسیاری از زمین لرزه‌های بزرگ فاقد این نشانه هستند و زمین لرزه‌های کوچک لزوماً زمین لرزه بزرگی به دنبال ندارند.

یکی دیگر از نشانه‌ها قبل از وقوع یک زلزله بزرگ این است که سنگ‌های اطراف گسل با ایجاد شکستگی‌های کوچک منبسط می‌شوند. کج شدن زمین که ناشی از تجمع تنش در سنگ‌ها است ممکن است مقدمه یک زمین لرزه بزرگ باشد اما این موضوع همیشه صحت ندارد.

سطح آب در چاه‌ها به دلیل حرکت به داخل شکستگی‌های سنگ‌ها یا خارج شدن از آن‌ها قبل از زلزله نوسان می‌کند. این نیز یکی دیگر از پیش‌بینی‌های محتمل قبل از وقوع زلزله‌های بزرگ است. زمان رسیدن نسبی امواج P و S نیز دقیقاً قبل از وقوع زلزله کاهش می‌یابد.

در فرهنگ عامه و در بین مردم این باور وجود دارد که رفتارهای حیوانات درست قبل از وقوع زلزله عجیب می‌شود ولی مشکل اینجا است که بیشتر این حکایات پس از وقوع زلزله گفته می‌شود. ولی عقیده دانشمندان بر این است که اگر حیوانات می‌توانند خطر وقوع زلزله را درک کنند دقیقاً چه چیزی را حس می کنند. شاید جواب این سوال بتواند به پیش‌گویی زلزله به آن‌ها کمک کند.

معرفی فیلم آموزش مهندسی زلزله فرادرس

آموزش مهندسی زلزله

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم  آموزش مهندسی زلزله کرده است. این مجموعه آموزشی از هفت درس تشکیل شده و برای دانشجویان مهندسی عمران مفید است. درس اول این مجموعه مروری بر زلزله شناسی و درس دوم به کلیات آیین نامه زلزله می‌پردازد.

درس سوم به تعریف محاسبه ساختمان‌ها در برابر بار زلزله و درس چهارم به تمرین‌های مهندسی زلزله اختصاص دارد. در درس پنجم ضوابط ساختمان با مصالح بنایی غیر مسلح مورد بررسی قرار می‌گیرد و در درس ششم خرابی های محتمل ناشی از زلزله و کاهش پیامدهای آن بررسی می‌شود.

در نهایت تحلیل و طراحی سازه‌ها را می توانید در درس هفتم این مجموعه آموزشی مورد مطالعه قرار دهید.

جمع‌بندی

در این مطلب تاریخچه دستگاه‌های لرزه نگاری را معرفی کردیم و روش کار آن‌ها را مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. همچنین سازمان لرزه نگاری جهانی و سازمان لرزه نگاری ایران معرفی شد و خواننده را با کاربردهای مختلف دستگاه‌های لرزه ‌نگاری آشنا کردیم.

اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *