از لرزه‌سنجی باستان تا شتاب‌نگاری نوین (خوی و ترکیه)

علی نظری*

هرچند لرزه‌شناسی و ساخت اولین زلزله‌سنج را به چینیان باستان نسبت داده‌اند (که با استفاده از گوی‌های لغزان فقط رخ‌داد زمین‌لرزه‌ای را نشان می‌دادند)، اما نخستین بار در ۱۸۵۷ میلادی، رابرت ملت (Mallet)، دانشمند ایرلندی، با بیانی علمی از دانش زلزله‌شناسی، از واژه‌ی seism (واژه‌ای یونانی به معنی مطالعه‌ی زمین‌لرزه‌ها) استفاده کرد. ملت، مخترع اولین لرزه‌سنجی است که با ایجاد تکان مصنوعی با ماده‌ای انفجاری در فاصله‌ای دور امواج لرزه‌ای را بررسی کرد. وی با بهره‌برداری از داده‌های محلی، منابع و مدارک و بررسی‌های صحرایی، نقشه‌ای تقریبی برای توزیع زلزله‌های تاریخی در سطح کره‌ی زمین تهیه کرد.

 این نقشه همانند فرضیه‌ی «قاره‌های شناور» نادقیق است. اما در زمانی که ابزار و معیار تهیه‌ی نقشه بسیار ابتدایی بود و پردازش داده‌ها با ماشین‌های حسابگر نیز میسر نبود، کاری شگرف به حساب می‌آمد. بخش‌هایی از آن، با مشاهدات لرزه‌ای دستگاهی امروزین مطابقت دارد.

در ۱۸۷۰، جان میلن انگلیسی، استاد زمین‌شناسی و معدن دردانشگاه سلطنتی ژاپن که با زمین‌لرزه‌های شدید این کشور آشنا بود، لرزه‌سنج رابرت ملت را تکمیل کرد. جان میلن که او را بنیان‌گذارعلم نوین زلزله‌شناسی می‌دانند، نخستین دستگاه لرزه‌نگار پاندولی را با اجزائی ابتدایی ساخت. این لرزه‌نگار یک پاندول ساده بود که با نخی در فضا معلق بود و با سوزنی که به آن وصل می‌شد، بر روی یک صفحه‌ی دودزده حرکت می‌کرد و هنگام لرزش، نشانی از خود باقی می‌گذاشت. به زودی ساخت لرزه‌نگار با پاندول مغناطیسی به مرحله‌ای از تکامل رسید و مبنای ساخت و توسعه‌ی لرزه‌نگار‌های پیشرفته و شتاب‌نگار‌های امواج لرزه‌ای امروزین شد. ثبت دستگاهیِ زمین‌لرزه‌ها که از نیمه‌ قرن نوزده آغاز شده بود به‌سرعت تکامل یافت. شتاب‌نگار‌های امروز که به تجهیزات پیشرفته‌ی سنسور (حس‌گر)، تقویت‌کننده و ابزار ثبت مجهز هستند، دامنه‌ی وسیعی ازفرکانس‌های لرزه‌ای از 500 تا 0.00118 هرتز را پوشش می‌دهند.

شتاب‌نگارهای جنبش شدید زمین (Ground Motion)، به‌ طور ویژه برای اهداف مهندسی طراحی شده‌اند. این لرزه‌نگار‌ها از شتاب‌سنج‌ها به‌عنوان حس‌گر استفاده می‌کنند که در آن ثبت شتاب بر روی نوار مغناطیسی یا چیپ‌های حافظه انجام می‌گیرد و قادرند شتاب‌هایی تا دو برابر شتاب زمین را ثبت کنند.

 در لرزه‌شناسی نوین که از سده‌ی بیست آغاز شد، نیاز به تعریف مقیاس اندازه‌گیری برای زمین‌لرزه‌ها وجود داشت. مرکالی، دانشمند ایتالیایی، درسال ۱۹۰۲ جدولی از طبقه‌بندی زمین‌لرزه‌ها در 5 درجه ارائه داد و به زودی دانشمندی آمریکایی این جدول را به۱۲ درجه اصلاح و با حفظ امانت، به آن نام «شدت اصلاح‌شده‌ی مرکالی» را اطلاق کرد (جدول MMI). درجه‌بندی شدت اصلاح شده‌ی مرکالی یک درجه‌بندی از مشاهدات خرابی‌ها بود؛ اما کیفیت و استحکام بناها در این درجه‌بندی منظور نمی‌شد.

 درجه‌بندی زمین‌لرزه براساس مقیاس شدت برای بیشتر اهداف علمی و مهندسی کافی نبود. در سال ۱۹۳۵ چارلز ریشتر، معاون آمریکایی انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا، و همکارش گوتنبرگ،  بیان جدیدی از مقیاس اندازه‌گیری زمین‌لرزه‌ها ارائه دادند که شناساگر آن اندازه‌ای از انرژی بود که در نقطه‌ای  از عمق پوسته آزاد می‌شود. این نقطه همان کانون یک سرچشمه‌ی لرزه‌خیز است. و این مقیاس، «بزرگای زمین‌لرزه» نامیده شد. این مقیاس برای دانشمندان لرزه‌شناس بعدی مورد پذیرش قرار گرفته و کامل‌تر شد. امروزه معمولاً تا بزرگای 6.5 با درجه «ریشتر»،  و بزرگای بیش از 6.5 با مقیاس «بزرگا» (Magnitude) بیان می‌شود.

تاکنون در بیان مقیاس بزرگا، چند معادله با پایه‌ی لگاریتمی ارائه شده است که هرکدام تابعی‌ست از پارامتر‌های زمین‌ساختی، طول گسیختگی، تغییر مکان و یا مساحت گسیختگی در یک گسل. آخرین معادله‌ای که برای تخمین اندازه‌ی یک زمین‌لرزه بیان شده، روش گشتاور لرزه‌ای است [که تابعی است از همه‌ی پارامترهای گفته شده به علاوه‌ی جنس سنگ پوسته‌ در یک سرچشمه‌ی لرزه‌زا] که پیش بینی میشود در آینده با پیشرفت فن‌آوری در شناسایی دقیق‌تر سنگ پوسته،وری‌آوری کار‌برد بیشتری داشته باشد.

مقیاس بزرگا یک اندازه‌گیری لگاریتمی است. دراین مقیاس قدرت تخریبی یک زمین‌لرزه‌ با بزرگای 7، ده برابر یک زمین‌لرزه با بزرگای 6 است. و قدرت تخریبی یک زمین‌لرزه‌ با بزرگای 8، صد برابر یک زمین‌لرزه با بزرگای 6  و انرژی آزاد شده‌ی آن یک میلیون بار بیشتر است.

 گرچه واحد اندازه‌گیری‌ای که ریشتر تعریف کرده بود تا 9، درجه‌بندی شده بود، اما در سطح کره‌ی زمین تاکنون هیچ دستگاه لرزه‌نگاری‌ای چنین زمین‌لرزه‌ای را ثبت نکرده و در لرزه‌شناسی و زمینلرزه‌‌های دستگاهی نوین هم بزرگای بیش از 9 گزارش نشده است. در زمین‌لرزه‌های تاریخی به هیچ سرچشمه‌ی لرزه‌خیزی، بزرگای بیش از 9 نسبت داده نشده است. این بزرگا، بیشینه‌زمینلرزه‌ی باور کردنی‌ای است که مقاومت پوسته‌زمین هم محدود به همین مقدار انرژی برای متلاشی شدن است.

 برپایه‌ی فرضیه‌ی زمین‌ساخت ورقه‌ای هم، در مرز صفحات (که منشاء بیشترین رخداد‌های لرزه‌ای جهان است)، چنین مقاومتی دور از انتظار است. وری آ

بر پایه‌ی یافته‌های زمین‌شناسی و فرضیه‌ی «زمین‌ساخت ورقه‌ای»، پوسته‌ی سخت زمین (سنگ‌کره) با ضخامت تقریبی 30 تا 300 کیلومتر به 9 ورقه‌ی اصلی و 12 ورقه‌ی فرعی بر روی لایه‌ی کشسان گوشته شناور است؛ و این صفحات در مرزهای مشترک با سرعت 10 سانتیمتر در سال در حرکت‌اند.

لرزه‌خیزترین مناطق جهان در مرز این صفحات قرار دارند.

روند کوه‌زایی آلپ-هیمالیا‌، بعد از حلقه‌ی چهل‌وپنج‌ هزار کیلومتری آتشفشان و زمین‌لرزه (معروف به حلقه‌ی آتش در پیرامون اقیانوس آرام که بیش از هشتاد درصد زمین‌لرزه‌های بزرگ جهان را درخود دارد) دومین کمر‌بند لرزه‌خیزجهان است‌. کوه‌زایی البرز، زاگرس  در ایران  و آناتولی در ترکیه بخشی از این روند زمین‌ساخت ورقه‌ای هستند. رشته‌کوه‌های درونِ عمق اقیانوس اطلس و پهنه‌هایی پراکنده، از دیگر مناطق لرزه‌خیز کره‌ی زمین هستند.

کمربند لرزه‌خیز آلپ-هیمالیا، فصل‌مشترک چند صفحه‌ی تکتونیکی (زمین‌ساخت ورقه‌ای) را در بر می‌گیرد. آذربایجانِ ایران و آناتولی ترکیه را می‌توان بخشی از یک الگو و ایالت لرزه‌ای دانست که هم در درون و هم در مرز صفحات اوراسیا (اروپا و آسیا) وعربستان قرار دارند (شکل1). زمین‌لرزه‌های چند روز گذشته در خوی و آناتولی، اگر در الگوی فرضیه‌ی زمین‌ساخت ورقه‌ای بررسی شوند، جوینده را به روند سرچشمه‌های لرزه‌خیز در قلمرو فعالیت همین صفحات هدایت می‌کند.

با اینکه شناسایی و ظرفیت سرچشمه‌های لرزه‌خیز در سراسر جهان با دقت قابل‌قبولی به‌انجام رسیده است، اما انسان تاکنون پاسخی برای این پرسش‌ها نیافته که زمین‌لرزه در یک سرچشمه‌ی لرزه‌خیز در چه زمان و با چه بزرگایی رخ خواهد داد. بدان دلیل که هنوز الگو و فرایند تغییرات پوسته‌ی جامد و گوشته‌ی زیر آن و گرادیان حرارتی این دو لایه به درستی شناخته نشده است.   

به مدد فن‌آوری پیشرفته‌ی دورسنجی، شناسایی مناطق و سرچشمه‌های لرزه‌خیز با دقت قابل قبول میسر شده است. امروزه دانشمندان، با کمک شبکه‌هایی از پیشرفته‌ترین شتاب‌نگارها، توانسته‌اند دقایقی بعد از هر رخ‌داد، موقعیت کانون هر زمین‌لرزه در سطح کره‌ی زمین را شناسایی و با تحلیل داده‌های لرزه‌ای شتاب‌نگارها، بزرگای هر زمین‌لرزه را ارزیابی کنند. با برآورد مه‌لرزه‌ا‌ی در رومرکز و روابط ریاضی کاهندگی اثر زلزله در فواصل مختلف از رومرکز، تهیه‌ی منحنی‌های هم‌شدت و هم‌شتاب از بازتاب زمین‌لرزه در سطح زمین نسبت به نقطه‌ی رومرکز، امکان‌پذیر شده است.  انطباق منحنی‌های هم‌شتاب و قرارگیری مناطق مسکونی و شهری در حوزه‌های نزدیک و دور، برآورد اولیه‌ی احتمالی خسارات و تلفات را میسر می‌کند.

همانند تمامی زمین‌لرزه‌های دستگاهی چند ساله‌ی اخیر و به مدد فن‌آوری پیشرفته‌ی دورسنجی رخ‌دادها، در گزارش‌های دو زمین‌لرزه‌ی روز‌های گذشته در خوی و ترکیه (که توسط سازمان زمین‌شناسی آمریکا منتشر شده) علاوه بر بزرگا، عمق کانونی، مختصات جغرافیایی رومرکز مه‌لرزه‌ای، منحنی‌های هم‌شدت و کاهندگی (منحنی‌های هم‌شتاب) هم با دقت قابل قبول رسم شده‌اند. در ابتدای این نوشته به مقیاس‌های اندازه‌گیری زمین‌لرزه اشاره شد، مبنای منحنی‌های هم‌شدت بر پایه‌ی دوازده درجه مقیاس شدت اصلاح شده‌ی مرکالی MMI (Modified Merkali Intensity)، تهیه شده است. که اثرات زمین‌لرزه را در سطح زمین نسبت به رومرکز نمایش میدهد (جدول1).

این منحنی‌ها بر روی نقشه‌های ماهواره‌ای از سطح زمین منطبق می‌شود؛ و اطلاعاتی از قبیل حوزه،‌ پهنه و شعاع اثر مِه‌لرزه‌ای، مساحت اثر زمین‌لرزه (با شدت‌های درجه‌بندی‌شده‌ی ویرانی: بسیار شدید، شدید، متوسط، کم و خفیف)، تراکم مناطق مسکونی، تراکم جمعیتی و صنعتی را نمایش می‌دهند.

این نقشه‌ها که ساعاتی بعد از زمین‌لرزه در دسترس قرار می‌گیرند، یک ارزیابی مقدماتی از اثرات سطحی زمین‌لرزه بر مناطق سکونت‌گاهی که در حوزه‌‌های خطر قرار دارند را به دست می‌دهند [از شمار احتمالی تلفات جانی گرفته تا میزان خرابی سکونتگاه‌ها و گرفتار‌شدگان آوار و بی‌پناه‌شدگان]. بر پایه‌ی همین اطلاعات مقدماتی بوده که در روز دوم زمین‌لرزه برخی از مراکز علمی، آمار تلفات زمین‌لرزه‌ی ترکیه را تا 30هزار نفر پیش‌بینی کرده بودند.    

در نقشه‌های منحنی هم‌شدت که سازمان زمین‌شناسی آمریکا منتشر کرده بود، جمعیت حوزه‌ی اثر زمین‌لرزه را که شهرستان خوی را شامل می‌شود در قلمرو شدت درجه ‌6 مرکالی (قوی)، 294هزار نفر و در گستره‌ی خرابی درجه‌ی7 مرکالی (بسیار قوی)، فقط 1000 نفر گزارش کرده بود. آماری که ذکرشان رفت از بازتاب شدت زمین‌لرزه در سطح زمین در زمین‌لرزه‌ی مورخ 28-01-2023 شهرستان خوی برآورد شده بود (شکل2 و جدول2). بزرگای این زمین‌لرزه در مقیاس امواج درونی زمین، 5.9 بود.

اما در زمین‌لرزه‌ی مورخ 6-02-2023 ترکیه، با بزرگای 7.8، جمعیت ساکن در قلمرو شدت درجه‌ی 6 مرکالی، بیش از 12.8 میلیون نفر؛ در حوزه‌ی شدت درجه 7، بیش از 7.5 میلیون نفر؛ در حوزه‌ی شدت درجه‌ی 8 (شدید) بیش از 1.1 میلیون نفر؛ و در حوزه شدت درجه 9 (بسیار شدید) بیش از 650 هزار نفر برآورد شده است (شکل 3 و جدول 3).

این دانسته‌های اولیه، در روزهای نخست زمین‌لرزه برای پیش‌بینی تجهیزات اضطراری، و امدادونجات بسیارحیاتی است.

* عمران-زلزله، مدرس سابق مرکز آموزش وزارت راه