درک فرآیندهای منبع لرزه‌ای با استفاده از داده‌های ثقل‌سنجی ماهواره‌ای
مطالعه موردی: زلزله 2011 توهوکو- اوکی
ترجمه و تدوین: مهندس غلامرضا کریم‌زاده
کارشناس اداره کل زمین‌سنجی و نقشه‌برداری زمینی و عضو کمیته زمین‌لرزه و آتشفشان
زمین‌لرزه بزرگ توهوکو – اوکی در 11 مارس 2011، یکی از زلزله‌های بزرگ ژاپن است که در داخل اقیانوس آرام با بزرگی 9 ریشتر و حداکثر شتابی برابر 2.9 شتاب ثقل زمین رخ داد. مرکز زمین‌لرزه در 130 کیلومتري ساحل شرقی منطقه توهوکو با عمق کانونی 32 کیلومتر واقع بود و امواج سونامی حاصل از این زلزله بیش از 10 متر ارتفاع داشت. مقدار لغزش دو صفحه گسل تولیدکننده‌ی زلزله حدود 40 متر تخمین زده شده است که سطحی به طول 300 تا 400 کیلومتر و عرض 100 کیلومتر را پوشش می‌داد. این زمین‌لرزه، بخشی از شمال ژاپن را به اندازه 2.4 متر به حرکت درآورد و آن را به آمریکاي شمالی نزدیک‌تر کرد.
پروژه ماهواره‌ای GRACE پروژه مشترک ناسا و مرکز هوا فضای آلمان بود که دو ماهواره آن، از زمان پرتاب در مارس ۲۰۰۲ تا پایان مأموریت در اکتبر ۲۰۱۷، در ارتفاع 480 کیلومتری سطح زمین و با فاصله 220 کیلومتر از یکدیگر به اندازه‌گیری دقیق ناهنجاری گرانشی در میدان ثقل زمین می‌پرداختند. گفتنی است در ۲۳ می 2018 ماهواره‌های دوقلوی مأموریت موسوم به GRACE Follow-On یا GRACE-FO، در ادامه مأموریت GRACE اولیه و اصلی، در مدار قرار گرفتند که همچنان در حال جمع‌آوری داده و اندازه‌گیری تغییرات گرانشی هستند.
زمین‌لرزه توهوکو – اوکی جدا از این‌که زمین را تکان داد، حرکت مداری ماهواره‌هایی مانند GRACE، که در صدها کیلومتری سطح زمین گردش می‌کنند، را به دلیل تغییر همالرزه‌ای (کوسایزمیک) در میدان ثقل آشفته کرد. پس از وقوع زمین‌لرزه، تغییرات قابل توجهی در فاصلهی بین دو ماهواره GRACE مشاهده شد.
تغییرات فاصله بین ماهواره‌ای به این علت است که وقوع زمین‌لرزه موجب تغییر در توزیع جرم درون پوسته و گوشته بالائی زمین و در نتیجه تغییر میدان ثقل در بیرون زمین می‌گردد. هنگامی که اختلالی در میدان ثقل نقطه‌ای از زمین رخ دهد، فواصل بین ماهواره‌هائی که از آن محل عبور می‌کنند نیز دچار تغییر می‌شوند. از این‌رو، با اندازه‌گیری و تحلیل تغییرات فاصلهی بین ماهواره‌ای می‌توان تغییرات میدان ثقل را به دست آورد.
در مطالعه زمین‌لرزه بزرگ توهوکو - اوکی به کمک داده‌های ثقل‌سنجی ماهواره‌ای، اندازه‌گیری‌های نامتعارف ماهواره‌ای به منظور بررسی فرآیندهای مربوط به منبع زمین‌لرزه از منظری کاملاً متفاوت انجام شد. این روش می‌تواند مکمل تجزیه و تحلیل داده‌های ثبت‌شده به شیوه‌های لرزه‌نگاری، شتاب‌نگاری و ژئودتیک زمینی باشد.
در این تحقیق، تغییرات فاصله بین ماهواره‌ای با تجهیزات فاصله‌سنجی onboard K-Band Ranging (KBR) اندازه‌گیری شد. این اندازه‌گیری‌ها مشاهدات بنیادی محسوب می‌شوند که از زمان شروع مأموریت در سال 2002 به منظور استفاده در ایجاد سری‌های زمانی ماهانه برای میدان‌های ثقل جهانی ارائه می‌گردند. با آزمایش مشاهدات نزدیک به رومرکز (یا مرکز سطحی) زمین‌لرزه طی چند هفته قبل و بعد از وقوع زلزله، معلوم گردید که لغزشی «متوسط» در فراشیب هیپوسنتر اما در لایه پائینی پوسته (یا پوسته پائینی) اتفاق افتاده است. این لغزش، از طریق بازه‌ی محدودی از مدول‌های (پارامترهای) حجمی و برشی (bulk and shear moduli) نیز مشخص شد. لازم به توضیح است که مدول حجمی معیاری برای ارزیابی نحوه مقاومت مواد در برابر فشردگی یا تراکم است. این پارامتر، نسبت افزایش بسیار کم فشار به کاهش نسبی حجم را نشان می‌دهد. مدول برشی یا مدول صلبیت برابر است با نسبت تنش برشی به کرنش برشی. مدول برشی، یکی از کمیت‌های مورد نیاز برای تعیین سختی مواد مختلف از جمله سنگ‌ها و خاک‌ها است. این مدول‌ها به عنوان پارامترهای محیط انتشار امواج، از عوامل تأثیرگذار بر سرعت انتشار امواج زمین‌لرزه به شمار می‌روند.
در مطالعه زمین‌لرزه توهوکو - اوکی به کمک داده‌های ثقل‌سنجی، برآوردهای تعدادی از پارامترهای منبع زمین‌لرزه از جمله گشتاور لرزه‌ای (Seismic moment) و بزرگای گشتاوری (Moment magnitude) مورد بررسی و تحلیل قرار گرفتند. از این پارامترها به طور معمول در تعیین رومرکز زمین‌لرزه استفاده می‌شود. همچنین برآوردهای مربوط به پارامترهای دیگر از جمله شیب (dip) و زاویه ریک (rake)، در حالت امتداد (strike) ثابت و عمق متغیر و همچنین در وضعیت عمق ثابت و زاویه امتداد متغیر، برای نقطه مرکزی لغزش بررسی و تحلیل شدند. این پارامترها نیز در تشخیص سازوکار کانونی زمین‌لرزه کاربرد دارند.
مطالعه زمین‌لرزه توهوکو - اوکی با استفاده از داده‌های GRACE، کاربرد ثقل‌سنجی طول موج بلند در درک فرایندهای توزیع مجدد جرم ناشی از گسیختگی‌های دینامیکی و نیز سازوکارهای پسالرزه‌ای کوتاه مدت را نمایان ساخت. کاربردی که یقیناً به فهم هر چه بهتر فیزیک زمین‌لرزه‌های بزرگ (megathrust) کمک می‌نماید.
منابع:
ـ https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011GL049975
ـ https://fa.wikipedia.org/wiki/%D9
ـ https://jesphys.ut.ac.ir/article_21553.html
ـ http://www.rbsee.ir/index.php/rbsee/article/view/45
مطالعه موردی: زلزله 2011 توهوکو- اوکی
ترجمه و تدوین: مهندس غلامرضا کریم‌زاده
کارشناس اداره کل زمین‌سنجی و نقشه‌برداری زمینی و عضو کمیته زمین‌لرزه و آتشفشان
زمین‌لرزه بزرگ توهوکو – اوکی در 11 مارس 2011، یکی از زلزله‌های بزرگ ژاپن است که در داخل اقیانوس آرام با بزرگی 9 ریشتر و حداکثر شتابی برابر 2.9 شتاب ثقل زمین رخ داد. مرکز زمین‌لرزه در 130 کیلومتري ساحل شرقی منطقه توهوکو با عمق کانونی 32 کیلومتر واقع بود و امواج سونامی حاصل از این زلزله بیش از 10 متر ارتفاع داشت. مقدار لغزش دو صفحه گسل تولیدکننده‌ی زلزله حدود 40 متر تخمین زده شده است که سطحی به طول 300 تا 400 کیلومتر و عرض 100 کیلومتر را پوشش می‌داد. این زمین‌لرزه، بخشی از شمال ژاپن را به اندازه 2.4 متر به حرکت درآورد و آن را به آمریکاي شمالی نزدیک‌تر کرد.
پروژه ماهواره‌ای GRACE پروژه مشترک ناسا و مرکز هوا فضای آلمان بود که دو ماهواره آن، از زمان پرتاب در مارس ۲۰۰۲ تا پایان مأموریت در اکتبر ۲۰۱۷، در ارتفاع 480 کیلومتری سطح زمین و با فاصله 220 کیلومتر از یکدیگر به اندازه‌گیری دقیق ناهنجاری گرانشی در میدان ثقل زمین می‌پرداختند. گفتنی است در ۲۳ می 2018 ماهواره‌های دوقلوی مأموریت موسوم به GRACE Follow-On یا GRACE-FO، در ادامه مأموریت GRACE اولیه و اصلی، در مدار قرار گرفتند که همچنان در حال جمع‌آوری داده و اندازه‌گیری تغییرات گرانشی هستند.
زمین‌لرزه توهوکو – اوکی جدا از این‌که زمین را تکان داد، حرکت مداری ماهواره‌هایی مانند GRACE، که در صدها کیلومتری سطح زمین گردش می‌کنند، را به دلیل تغییر همالرزه‌ای (کوسایزمیک) در میدان ثقل آشفته کرد. پس از وقوع زمین‌لرزه، تغییرات قابل توجهی در فاصلهی بین دو ماهواره GRACE مشاهده شد.
تغییرات فاصله بین ماهواره‌ای به این علت است که وقوع زمین‌لرزه موجب تغییر در توزیع جرم درون پوسته و گوشته بالائی زمین و در نتیجه تغییر میدان ثقل در بیرون زمین می‌گردد. هنگامی که اختلالی در میدان ثقل نقطه‌ای از زمین رخ دهد، فواصل بین ماهواره‌هائی که از آن محل عبور می‌کنند نیز دچار تغییر می‌شوند. از این‌رو، با اندازه‌گیری و تحلیل تغییرات فاصلهی بین ماهواره‌ای می‌توان تغییرات میدان ثقل را به دست آورد.
در مطالعه زمین‌لرزه بزرگ توهوکو - اوکی به کمک داده‌های ثقل‌سنجی ماهواره‌ای، اندازه‌گیری‌های نامتعارف ماهواره‌ای به منظور بررسی فرآیندهای مربوط به منبع زمین‌لرزه از منظری کاملاً متفاوت انجام شد. این روش می‌تواند مکمل تجزیه و تحلیل داده‌های ثبت‌شده به شیوه‌های لرزه‌نگاری، شتاب‌نگاری و ژئودتیک زمینی باشد.
در این تحقیق، تغییرات فاصله بین ماهواره‌ای با تجهیزات فاصله‌سنجی onboard K-Band Ranging (KBR) اندازه‌گیری شد. این اندازه‌گیری‌ها مشاهدات بنیادی محسوب می‌شوند که از زمان شروع مأموریت در سال 2002 به منظور استفاده در ایجاد سری‌های زمانی ماهانه برای میدان‌های ثقل جهانی ارائه می‌گردند. با آزمایش مشاهدات نزدیک به رومرکز (یا مرکز سطحی) زمین‌لرزه طی چند هفته قبل و بعد از وقوع زلزله، معلوم گردید که لغزشی «متوسط» در فراشیب هیپوسنتر اما در لایه پائینی پوسته (یا پوسته پائینی) اتفاق افتاده است. این لغزش، از طریق بازه‌ی محدودی از مدول‌های (پارامترهای) حجمی و برشی (bulk and shear moduli) نیز مشخص شد. لازم به توضیح است که مدول حجمی معیاری برای ارزیابی نحوه مقاومت مواد در برابر فشردگی یا تراکم است. این پارامتر، نسبت افزایش بسیار کم فشار به کاهش نسبی حجم را نشان می‌دهد. مدول برشی یا مدول صلبیت برابر است با نسبت تنش برشی به کرنش برشی. مدول برشی، یکی از کمیت‌های مورد نیاز برای تعیین سختی مواد مختلف از جمله سنگ‌ها و خاک‌ها است. این مدول‌ها به عنوان پارامترهای محیط انتشار امواج، از عوامل تأثیرگذار بر سرعت انتشار امواج زمین‌لرزه به شمار می‌روند.
در مطالعه زمین‌لرزه توهوکو - اوکی به کمک داده‌های ثقل‌سنجی، برآوردهای تعدادی از پارامترهای منبع زمین‌لرزه از جمله گشتاور لرزه‌ای (Seismic moment) و بزرگای گشتاوری (Moment magnitude) مورد بررسی و تحلیل قرار گرفتند. از این پارامترها به طور معمول در تعیین رومرکز زمین‌لرزه استفاده می‌شود. همچنین برآوردهای مربوط به پارامترهای دیگر از جمله شیب (dip) و زاویه ریک (rake)، در حالت امتداد (strike) ثابت و عمق متغیر و همچنین در وضعیت عمق ثابت و زاویه امتداد متغیر، برای نقطه مرکزی لغزش بررسی و تحلیل شدند. این پارامترها نیز در تشخیص سازوکار کانونی زمین‌لرزه کاربرد دارند.
مطالعه زمین‌لرزه توهوکو - اوکی با استفاده از داده‌های GRACE، کاربرد ثقل‌سنجی طول موج بلند در درک فرایندهای توزیع مجدد جرم ناشی از گسیختگی‌های دینامیکی و نیز سازوکارهای پسالرزه‌ای کوتاه مدت را نمایان ساخت. کاربردی که یقیناً به فهم هر چه بهتر فیزیک زمین‌لرزه‌های بزرگ (megathrust) کمک می‌نماید.
منابع:
ـ https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011GL049975
ـ https://fa.wikipedia.org/wiki/%D9
ـ https://jesphys.ut.ac.ir/article_21553.html
ـ http://www.rbsee.ir/index.php/rbsee/article/view/45
