بررسی رابطه پارامترهای هواشناختی با زلزله و احتمال استفاده از آن به عنوان یک پیش‌نشانگر
| دسته | تکتونیک |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین |
| تاريخ برگزاری | ۱۴ اسفند ۱۳۸۶ |
چکیده :
در این پژوهش داده‌های دمای خاک (تا عمق یک متری) هم‌زمان با زلزله‌های رخ داده در ایران به مدت ۱۲ سال (از سال ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۴) جهت پیدا کردن روابط احتمالی بین تغییرات ضریب پخش و شار گرما در خاک و شدت زلزله‌های رخ داده مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعات در مورد ضریب پخش و شار گرمای خاک نشان داد، تغییرات ضریب پخش و شار گرما قبل از رخداد زلزله در مناطق خشکی و ساحلی متفاوت است. به‌طوری‌که برای منطقه خشک افزایش و برای منطقه مرطوب، کاهش آن ملاحظه می‌شود. مقاله حاضر، به مطالعه استفاده از تغییرات خواص گرمایى خاک (ضریب پخش و شار گرما) به عنوان یک پیش‌نشانگر زلزله مى‌پردازد.
نفیسه رضاپور، کارشناسی ارشد هواشناسی از موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران
مرتضی فتاحی، دکتری ژئوفیزیک از دانشگاه اکسفورد، عضو هیات علمی موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران
عباسعلی علی‌اکبری بیدختی، دکتری ژئوفیزیک از دانشگاه کمبریج، عضو هیات علمی موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران
مقدمه :
منظور از پیش‌بینی زلزله یعنی این‌که زلزله در کجا، چه زمانی و با چه قدرتی ممکناست رخ دهد و خطرات آن چیست. این‌که زلزله‌ها در چه مکان‌هایی اتفاق می‌افتند امروزه کمابیش قابل پیش‌بینی است، اما این‌که چه زمانی و با چه قدرتی، هنوز در پرده ابهام است. قبل از وقوع زلزله تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی زمین رخ می‌دهد که به‌عنوان پیش‌نشانگر زلزله از آن‌ها یاد می‌شود. این نشانگرها می‌توانند از چند سال قبل از وقوع زلزله تا چند ثانیه قبل از وقوع آن حادث شوند. البته با توجه به ناهمگن بودن پوسته زمین، همه نشانگرهای زلزله یک‌جا و به‌طور مشابه بروز نکرده و بسته به شرایط اقلیمی، زمین‌شناختی و موقعیت زمین‌ساختی هر منطقه، تعداد بخصوصی از پیش‌نشانگرها دارای درجه اهمیت بیشتری می‌باشند [8]. به‌طور کلی پیش‌بینی زمین‌لرزه را از نظر زمانی به سه دسته کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت تقسیم‌بندی می‌کنند [6]. امروزه نه تنها پیش‌نشانگرهای مربوط به زمین بلکه پیش‌نشانگرهای هواشناسی و جوی نیز به علت جفت‌شدگی بین زمین و جو، مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. تغییرات به‌وجود آمده در زمین در اثر زلزله، می‌تواند باعث تغییراتی در شارش‌های گرمایی [2، 14-17] ؛ ستون بخار آب جو [3]؛ یونوسفر [5، 7 و 12] ، منجر به ایجاد ابرهای زلزله [10 و 11] و بارش باران [9] گردد. پایه اصلی این پژوهش را تغییرات دما و خواص گرمایی خاک در منطقه تحت تاثیر تنش‌های عظیم پوسته در مجاورت دو صفحه گسل تشکیل می‌دهد. فعالیت گسل می‌تواند موجب افزایش گرمای زمین و تغییر ضریب پخش گرما در خاک، در محدوده صفحه گسل و محیط اطراف آن شود. اصطکاک بین دو صفحه گسل، گاهی اوقات به حدی بالا است که منجر به ذوب شدن تمام و یا قسمتی از سنگ می‌شود [13]. بر حسب این‌که جنس کانی‌های تشکیل دهنده سنگ چیست، اندازه کانی‌های تشکیل دهنده چقدر است و یا مقدار گرمای جابه‌جایی گسل چه میزان است، ممکن است تمام و یا قسمتی از سنگ ذوب شود، که در این حالت دما باید حداقل به 850 درجه سانتیگراد برسد [13]. پژوهش کنونی به منظور تعیین ارتباط انرژی آزاد شده در منطقه گسلش و پارامترهای هواشناختی در گستره رسوبی – ساختاری ایران می‌پردازد.
بحث :
داده‌ها و روش کار
به منظور بررسی خواص گرمایی خاک به عنوان پیش‌نشانگر زلزله، لازم است داده‌هایی از قبیل مشخصات زلزله‌ها، دما، جنس و برخی دیگر از پارامترهای گرمایی خاک جمع‌آوری و تحلیل شود:
الف) مشخصات زلزله‌ها: مشخصات زلزله‌ها (شهر، بزرگا، ساعت و تاریخ رویداد) در پهنه ایران از سال 1992 تا 2004 میلادی از «پایگاه داده‌های علوم زمین کشور» دریافت گردید. با توجه به تعداد زیاد زلزله‌های رخ داده در ایران و حجم زیاد داده‌های حاصل، تنها زلزله‌هایی با بزرگی بیش از چهار ریشتر در این پژوهش مطالعه شد. زمان رخداد زلزله‌ها به وقت UTC[1] می‌باشد.
ب) دمای خاک: در پژوهش کنونی از داده‌های دمای خاک بخش خدمات ماشینی سازمان هواشناسی کل کشور استفاده شده است. برای مطالعه دمای خاک، از داده‌های خاک ایستگاههای هواشناسی ، هنگام رخداد زلزله استفاده شده است. اطلاعات جمع‌آوری شده مربوط به سالهای 1992 تا 2004 میلادی می‌باشد. دمای خاک در ایستگاههای هواشناسی سه بار در روز، در ساعتهای 03، 09 و 15 به وقت UTC و در اعماق 05، 10، 20، 30، 50 و 100 سانتی‌متری اندازه‌گیری می‌شود. در بررسی هر زلزله، دمای خاک در ساعتی مطالعه شد که نزدیک‌ترین فاصله زمانی را با زمان رخداد زلزله داشته باشد به عنوان مثال، اگر زلزله در ساعت 14 رخ داده بود، از داده‌های ساعت 09 استفاده شد.
ج) جنس و برخی پارامترهای گرمایی خاک: از آن‌جا که جنس خاک در ضریب پخش و انتقال گرما در خاک اثر می‌گذارد، داده‌های مربوط به جنس خاک نیز در پهنه مورد بررسی، از «پایگاه داده‌های علوم زمین کشور» دریافت گردید.
با توجه به این‌که انرژی زلزله با دور شدن از مرکز زلزله به صورت شعاعی کاهش می‌یابد، بنابراین مناطقی که نزدیک مرکز زلزله هستند در معرض انرژی بیشتری قرار دارند. لذا برای تحلیل داده‌های لرزه‌ای، با توجه به طول و عرض جغرافیایی ایستگاههای هواشناسی و موقعیت مرکز زلزله، نزدیک‌ترین ایستگاه به مرکز زلزله تعیین و سپس داده‌های دمایی حاصل تحلیل شد. از آن‌جا که ضریب پخش گرما در خاک، در شرایط یکنواخت هواشناختی معمولا ثابت فرض می‌شود [1] بنابراین از این خاصیت می‌توان استفاده کرد و تغییرات احتمالی آن‌را پیش از وقوع زلزله مطالعه نمود. در ادامه به تغییرات ضریب پخش و شار گرما در خاک پیش از وقوع زلزله اشاره می‌گردد.
تحلیل نتایج
ضریب پخش و شار گرما در خاک برای شهرهای مختلف که تحت تاثیر زلزله قرار گرفته‌اند، از جمله سمنان و قائم‌شهر بررسی شد. در اینجا نتایج حاصل مربوط به دو شهر (سمنان و قائم‌شهر) به عنوان شاهدی از منطقه کویری و ساحلی ارائه می‌گردد. با توجه به شکل (1)، ضریب پخش گرما در زلزله 8/5 ریشتری سمنان که در تاریخ 11/01/2003 و ساعت 17:46:36 به وقت UTC رخ داده است، ثابت بوده و روز وقوع زلزله مقدار آن افزایش یافته است. شار گرمای خاک نیز، در روز رخداد این زلزله همانند ضریب پخش گرما، افزایش و پس از گذشت یک روز کاهش یافته است (شکل، 2). مشابه همین تغییرات را می‌توان در زلزله 1/5 ریشتری که در تاریخ 22/02/1992 در قائم‌شهر اتفاق افتاده است، مشاهده نمود. در این زلزله مقدار ضریب پخش (شکل، 3) و شار گرما (شکل، 4) بر خلاف حالت قبل، روز رخداد زلزله کاهش یافته است. ضمنا شکل (1) و (3) نشان می‌دهند که از چند ساعت قبل از وقوع زلزله ضریب پخش گرما تغییر کرده است.
در مورد زلزله رخداده در قائم‌شهر هم، همانند مورد پیشین مقدار ضریب پخش گرما در روزهای قبل و بعد از زلزله ثابت بوده ولی بر خلاف حالت قبل، در روز زلزله مقدار آن کاهش یافته است (شکل 3).
به دلیل جابه‌جا شدن فضای خالی بین ذرات توسط آب، معمولا هدایت گرمایی، ظرفیت گرمایی و ضریب پخش گرما در خاک با افزایش آب، افزایش می‌یابد. پس شاید بتوان نتیجه گرفت که روز زلزله، به علت بالا آمدن سطح آب زیرزمینی در اثر فعالیت‌های لرزه‌خیزی، مقدار آب موجود در بین ذرات خاک افزایش یافته و احتمالا خاک اشباع شده است، بنابراین رخداد زمین‌لرزه از طریق افزایش در محتوای رطوبتی خاک، به طور غیر مستقیم باعث افزایش مقدار ضریب پخش گرما در خاک شده است.
لازم به ذکر است که ایستگاه قائم‌شهر در منطقه ساحلی و مرطوب قرار گرفته، در حالی‌که ایستگاه گرمسار، خشک و کویری است. تفاوت در خشک یا مرطوب بودن مراکز زلزله یا دوری و نزدیکی آن‌ها به ساحل، احتمالا می‌تواند در تغییرات متفاوت ضریب پخش گرما هنگام زلزله موثر باشد. سینگ و همکاران (2003) نیز تغییرات شار گرمای نهان سطحی را در مناطق خشک و ساحلی هنگام رخداد زلزله مقایسه کرده و تغییرات آن‌را در این مناطق هنگام رخداد زلزله بر عکس هم پیدا کرده‌اند.
نتیجه گیری و ارائه پیشنهاد:
مطالعه رابطه بین زلزله های رخداده در پهنه ایران و خواص گرمایی خاک نشان داد، این پارامتر پتانسیل پیش‌نشانگر بودن را داراست. ضریب پخش و شار گرمای خاک در روز رخداد زلزله وابسته به ماه رخداد زلزله، نوع گسل (نرمال، معکوس، امتدادلغز)، موقعیت قرارگیری ایستگاه هواشناسی نسبت به گسل (فرادیواره یا فرودیواره گسلش لرزه‌زا)، رابطه گسل و مخزن آب زیرزمینی (در صورت وجود)، نوسان سطح ایستابی محل و اقلیم منطقه دچار نوسان و تغییر شده و بر حسب این‌که زلزله رخداده، در منطقه کویری باشد و یا ساحلی، مقداری افزایش و یا کاهش نشان خواهد داد. بدیهی است نصب سیستمهای اندازه‌گیری دمای خاک در مناطق گسلی و اندازه‌گیری دمای خاک در اعماقی پایین‌تر از یک متر (عمق بهینه)، می‌تواند در این زمینه بسیار سودمند باشد. لازم است پژوهش‌های بیشتری در این زمینه انجام گیرد تا بتوان در مورد تغییرات خواص گرمایی خاک پیش از وقوع زمین‌لرزه با قاطعیت اظهارنظر نمود.