“The horizontal pendulum is very appropriate to record remote earthquakes.”
«إن البندول الأفقيّ مناسب جدًا لتسجيل الزلازل النائية.»
أرنست فون ريبور- باشويتز
جيوفيزيائي وفلكي ألماني
Earth’s layers
لا يمكننا أن نرى مما تتكون الأرض الداخلية، ولكن العلماء قادرون على دراستها بطرق ما.
الأرض مكوّنة من طبقات كثيرة
هل فكرت يومًا في حفر حفرة تأخذ الناس من ألمانيا الى الصين مثلا؟ يبدو وكأنه وسيلة للوصول إلى هناك بدلاً من الطيران في جميع أنحاء العالم، في حين أن هذا يبدو وكأنه فكرة رائعة، إلا أن الأمر سيستغرق وقتًا أطول بكثير، حتى لو تمكنت من حفر هذا البعد، فسوف تجد صعوبة في الوصول إلى الأشياء الموجودة تحت سطح الكوكب والمكوّنة لطبقات الأرض، فحتى لو استطعنا أن نحفر هذا البعد، كيف نعرف ما الذي يُكوّن باطن الأرض؟ في الواقع يمكن للعلماء فهم الأرض الداخلية من خلال دراسة الموجات الزلزالية، وهي موجات الطاقة التي تنتقل عبر الأرض، وهي تشبه اهتزازات أمواج الماء عند قذف حجر بها، مع عدم المقارنة بضرر الحجر مع ضرر الزلزال طبعًا، يتم إرسال الموجات الزلزالية عبر الأرض أثناء الزلازل، وتلك الموجات (الطاقة) هي التي تجعل الأرض تهتز.
يتم تسجيل الموجات الزلزالية بواسطة جهاز يسمى جهاز قياس الزلازل، والذي يخبرنا عن قوة وسرعة الموجات الزلزالية، وتسمى هذه التسجيلات التي أدلى بها بالـ seismograph seismograms، وتسير الموجات الزلزالية بسرعات مختلفة أثناء مرورها عبر أنواع مختلفة من المواد، لذلك من خلال دراسة الزلازل، يمكن للعلماء أن يتعلموا الكثير عن التركيب الداخلي للأرض.
مقدمة تاريخيّة بسيطة
في بعض الأحيان يكون من السهل على مؤرخي العلوم أن يحددوا بالضبط بدايات مجال جديد للبحث، على سبيل المثال، يعتبر تاريخ ميلاد الوراثة الحديثة هو 25 أبريل 1953م، وهو اليوم الذي نشر فيه جيمس واتسون وفرانسيس كريك ورقتهما عن بنية جزيء الحمض النووي في المجلة البريطانية “الطبيعة”. وبدأ العصر النووي في 17 ديسمبر 1938م في برلين عندما قام الكيميائيان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان لأول مرة بتقسيم نواة ذرة اليورانيوم. ولكن متى بدأ مجال الزلازل؟ هل كان ذلك في عام 132 بعد الميلاد عندما اخترع العالم الصيني تشانغ هينج اول مقياس لرصد الزلازل؟ أم أنه كان مع نشر “تقرير لوسون”، الذي يصف بشكل شامل آثار زلزال سان فرانسيسكو الكبير عام 1906م؟ حسنًا أيها المؤرخون عليكم أن توقفوا عن البحث عن مهد علم الزلازل، فهذا المجال هو العلم الذي تطور ببطء على مدى عدة قرون في العديد من الأماكن بمساهمات من عدد لا بأس به من الباحثين، ومع ذلك، في تاريخ علم الزلازل عدة أيام تبرز بوضوح، حدث واحد من هذه الأيام قبل 130 سنة من اليوم.
(الشكل 1) Ernst von Rebeur-Paschwitz
في مرصد الفيزياء الفلكيّة على تل التلغراف في مدينة بوتسدام البروسية، بالقرب من برلين، هناك عالم فلكي ألماني، إرنست فون ريبور-باشويتز (Ernst von Rebeur-Paschwitz) (الشكل 1)، قام بوضع بندول أفقي، لقد أراد أن يقيس بدقة التغيرات في قوى جذب جاذبية الأرض التي تسببها حركة الكواكب الأخرى، ولكن خلال فترة ما بعد ظهر يوم 17 أبريل 1889م، الساعة 5:21 مساءً، على وجه الدقة، رأى بندوله يتأرجح بحركة قوية للغاية، لكنها ما زالت منتظمة (الشكل 2)، في البداية لم يكن لدى أرنست أي فكرة عما تسبب في تأرجح أداته الحساسة بشكل كبير، تم حل هذا اللغز بعد بضعة أشهر، عندما قرأ ملاحظة في مجلة (nature) حول زلزال قوي غير عادي في اليابان، لقد حدث قبل عدة ساعات من التقلبات العنيفة في البندول، حينها أدرك أرنست أن أجهزته قد التقطت موجات الزلازل التي نتجت عن الزلزال الذي وقع في اليابان على بعد أكثر من 5500 ميل من بوتسدام.
(الشكل 2)
على الرغم من أن اهتزازات الزلازل المحلية كانت قد سجلت عدة مرات من قبل، إلا أنه لم يسجل أي شخص موجات من زلزال بعيد، أول تسجيل في بوتسدام لمثل هذه الاهتزازات عن بُعد في 17 أبريل 1889م يمثل ميلاد دراسة بنية الأرض عن طريق الموجات الزلزالية، لسوء الحظ، لم يعيش أرنست طويلًا بما يكفي لرؤية ثمار اكتشافه، فقد توفي بمرض السل بعد بضع سنوات من تسجيله التاريخي.
الموجات الزلزاليّة
عندما تنظر إلى مقياس الزلازل، فإن التلويحات التي تراها هي إشارة إلى أن الأرض تهتز، أو كانت تهتز بسبب الأمواج الزلزالية، حيث تعمل الموجات الزلزالية على نشر الاهتزازات التي تنقل الطاقة من مصدر الاهتزاز إلى الخارج في جميع الاتجاهات، ويمكنك تصور هذا المفهوم عن طريق التذكير بالموجات الدائرية التي تنتشر على سطح البركة عندما يتم إلقاء حجر في الماء، لكن الزلزال هو عملية أكثر تعقيدًا من مجرد قذف الحجارة في الماء، والأمواج الزلزاليّة التي تتولد أثناء الزلزال أكثر تنوعًا من تلك الموجودة في البركة، وهناك العديد من الموجات الزلزاليّة المختلفة، ولكن جميعها أساسًا من أربعة أنواع:
- ضاغطة أو P (ابتدائية) – Compressional
- عرضية أو S (ثانوية) – Transverse
- لاف – (love)
- رايلي – (Rayleigh)
يولّد الزلزال موجات P و S في جميع الاتجاهات، وتفاعل موجتي P و S مع سطح الأرض والبنية الضحلة قليلة العمق ينتج موجات سطحية.
بالقرب من الزلزال، يكون الاهتزاز كبير ويسيطر عليه أمواج القص (shear-waves) والأمواج السطحية (short-period surface waves) لفترة قصيرة، هذه هي الموجات التي تسبب أكبر قدر من الضرر للمباني والطرق السريعة وما إلى ذلك، وحتى في الزلازل الكبيرة، يستمر الاهتزاز الشديد عمومًا بضع عشرات من الثواني فقط، ولكنه قد يستمر لعدة دقائق في أعظم الزلازل، على مسافات بعيدة تنخفض سعة الموجات الزلزاليّة حيث تنتشر الطاقة المنبعثة من الزلزال عبر مساحة أكبر من الأرض، أيضًا مع زيادة المسافة من الزلزال، يتم فصل الموجات عن بعضها البعض في الوقت المناسب وتتشتت؛ لأن الموجات P و S والموجات السطحية تنتقل بسرعات مختلفة.
يمكن تمييز الموجات الزلزالية بعدد من الخصائص بما في ذلك السرعة التي تنتقل بها الأمواج، والاتجاه الذي تحرّك به الأمواج الجزيئات أثناء مرورها، وأين تنتشر، وأين لا تنتشر، ويطلق على أول نوعين من الموجات، P و S، موجات الجسم لأنها تسافر أو تنتشر عبر جسم الأرض، ويطلق على آخر نوعين الموجات السطحية التي تنتقل على طول سطح الأرض ويتناقص مداها (سعتها) مع عمق الأرض.
مدة انتقال الموجة
أفضل تصور لمدة الانتقال هو تشبيهها برحلة السيارات، إذا اضطررت إلى السفر على مسافة 120 ميلًا وكنت تقود بسرعة 60 ميلًا في الساعة، فستصل إلى وجهتك في غضون ساعتين، وإذا كنت مضطرًا إلى القيادة بسرعة 30 ميلًا في الساعة، فسوف يستغرق الأمر مرتين للوصول إلى وجهتك، الصيغة الرياضية التي نستخدمها في هذه المشكلة هي: وقت القيادة = (مسافة الرحلة) / (سرعة القيادة)، ولتطبيق هذه الأفكار على دراسات الزلازل، فكر في موقع الزلزال كنقطة انطلاق للرحلة ومقياس الزلازل باعتباره المكان الذي تختتم به الرحلة، سوف تسير الأمواج الأسرع على مسافة أسرع وتظهر على قياس الزلازل أولاً،
وبالتالي فإن: وقت الانتقال = (المسافة من الزلزال إلى مقياس الزلازل) / (سرعة الموجة الزلزالية)
وإن وقت الانتقال هو وقت نسبي، فهو عدد الدقائق والثواني وما إلى ذلك التي استغرقتها الموجة لإكمال رحلتها، ووقت الوصول هو الوقت الذي نسجل فيه وصول الموجة وهو وقت مطلق، وعادة ما يشار إليه بالتوقيت العالمي المنسق (نظام زمني يعمل على مدار 24 ساعة يستخدم في العديد من العلوم).
سرعة الموجة الزلزالية
تنتقل الموجات الزلزاليّة بسرعة، حسب ترتيب الكيلومترات في الثانية (km / s). تعتمد السرعة الدقيقة التي تنتقل بها الموجة الزلزاليّة على عدة عوامل، والأهم من ذلك هو تكوين الصخور، فنحن محظوظون لأن السرعة تعتمد على نوع الصخور لأنه يسمح لنا باستخدام الملاحظات المسجلة على أجهزة قياس الزلازل لاستنتاج تركيب أو مجموعة من مكونات الكوكب، لكن العملية ليست بسيطة دائمًا، لأن أنواع الصخور المختلفة في بعض الأحيان لها نفس سرعة الموجة الزلزالية، كما تؤثر عوامل أخرى على السرعة، خاصة درجة الحرارة والضغط ، حيث تميل درجة الحرارة إلى خفض سرعة الأمواج الزلزالية ويميل الضغط إلى زيادة السرعة، ويزداد الضغط مع عمق الأرض لأن وزن الصخور أعلاه يزداد مع زيادة العمق عادة، ويكون تأثير الضغط أكبر وفي المناطق ذات التركيبة الموحدة، حيث تزداد السرعة عمومًا مع العمق، على الرغم من أن زيادة درجة الحرارة مع العمق تعمل على خفض سرعة الموجة، لكني عندما أصف أنواع الموجات الزلزالية المختلفة أدناه، أقتبس نطاقات السرعة للإشارة إلى مجموعة القيم التي نلاحظها في الصخور الأرضية المشتركة، لكن يجب أن تضع في اعتبارك أن السرعة المحددة في جميع أنحاء الأرض ستعتمد على التركيب ودرجة الحرارة والضغط.
-
موجات ضاغطة أو P (ابتدائية) – Compressional
موجات P هي أول موجات تصل إلى سجل كامل من الهز الأرضي لأنها تسير بشكل أسرع (اسمها مشتق من هذه الحقيقة -P هي اختصار primary- أول موجة تصل)، تنتقل عادة بسرعات تتراوح بين 1 و14 كم / ثانية، تتوافق القيم الأكثر بطئا مع موجة P منتقلة في الماء، ويمثل الرقم الأعلى سرعة الموجة P بالقرب من قاعدة طبقة الوشاح (mantle)، تعتمد سرعة الموجة على خصائص المرونة وكثافة المادة فإذا وضعنا كلًا من:
- k – المعامل المجمع للمادة (bulk modulus of a material)
- µ – معامل القص (shear-modulus)
- r – الكثافة
فإن سرعة الموجة P، التي نمثلها بـ α، يتم تحديدها بواسطة:
(المعامل: مقياس لمدى سهولة أو صعوبة تشويه المادة، على سبيل المثال، المعامل المجمع (bulk modulus) هو مقياس لكيفية تغيير حجم المادة عند تطبيق الضغط وخصائص للمادة، فمثلًا يحتوي المطاط الرغوي على معامل (bulk modulus) أقل من الفولاذ)
موجات P هي موجات صوتية، فنحن مهتمون في الزلازل بترددات أقل من نطاق السمع لدى البشر (تبلغ سرعة الصوت في الهواء حوالي 0.3 كم / ثانية)، الاهتزاز الناجم عن موجات P هو تغيير في الحجم، بالتناوب من الضغط إلى التوسع في الاتجاه الذي تسير فيه الموجة، تنتقل الموجات P عبر جميع أنواع الوسائط الصلبة أو السائلة أو الغازية.
As a P-wave passes the ground is vibrated in the direction that the wave is propagating.
-
عرضية أو S (ثانوية) – Transverse
موجات ثانوية أو موجية S، تسير أبطأ من موجات P وتسمى أيضًا موجات «القص» لأنها لا تغير حجم المادة التي تنتشر من خلالها، فهي تقصها، أما الموجات S هي موجات عرضية لأنها تهز الأرض في اتجاه عرضي أو عمودي، في الاتجاه الذي تسير فيه الموجة،
As a transverse wave passes the ground perpendicular to the direction that the wave is propagating, S-waves are transverse waves.
وتعتمد سرعة الموجة S (يطلق عليها b)، على معامل القص والكثافة:
على الرغم من أنها أبطأ من موجات P، فإن موجات S تتحرك بسرعة، تتراوح سرعات الانتشار التقليدية للموجة S بين 1 و 8 كم / ثانية، تقابل القيمة الأدنى سرعة الموجة في الرواسب الرخوة غير المجمّعة، وتكون القيمة الأعلى قريبة من قاعدة طبقة وشاح الأرض، ومن الخصائص المميزة لموجة S عدم قدرتها على الانتشار من خلال سائل أو غاز لأن السوائل والغازات لا يمكنها نقل إجهاد القص وأن موجات S هي موجات تقطع المادة، فبشكل عام، تولد الزلازل موجات قص أكبر من الموجات الانضغاطية والكثير من الأضرار القريبة من الزلزال ناتجة عن اهتزاز قوي ناتج عن موجات القص.
هيكل الأرض
مسارات طاقة الموجة P لزلزال ضحل يقع في الجزء العلوي من المخطط، يتم عرض الطبقات الكيميائية الرئيسية للأرض بألوان مختلفة، أما المناطق التي بها تغيرات مفاجئة في السرعة فهي مبينة في خطوط متقطعة، تظهر المنحنيات مسارات الأمواج، وتظهر الخطوط التي تعبر الأشعة علامة واجهة الموجة على فترات زمنية دقيقة.
اختلافات السرعة والكثافة داخل الأرض بناءً على الملاحظات الزلزالية، حيث يتم تمييز المناطق الرئيسية من الأرض والحدود الهامة. تم تطوير هذا النموذج في أوائل الثمانينات ويسمى PREM للنموذج المرجعي الأولي للأرض.
الهيكل الأساسي
معظم ما نعرفه عن باطن الأرض يأتي من دراسة موجات زلزاليّة من الزلازل، موجات زلزاليّة من الزلازل الكبيرة تمر في جميع أنحاء الأرض، تحتوي هذه الموجات على معلومات حيوية حول البنية الداخلية للأرض، عندما تمر الأمواج الزلزاليّة عبر الأرض، فإنها تنكسر أو تنحني، مثل أشعة الضوء تنحني عندما تمر عبر المنشور الزجاجي، نظرًا لأن سرعة الموجات الزلزاليّة تعتمد على الكثافة، يمكننا استخدام وقت السفر للموجات الزلزاليّة لرسم خريطة للتغيير في الكثافة مع العمق، وإظهار أن الأرض تتكون من عدة طبقات.
يساعدنا علم الزلازل في تحديد أبعاد اللب الداخلي والخارجي للأرض.
موجات P لزلزال افتراضي في القطب الشمالي تنكسر عند حدود الوشاح الرئيسي، ويتم إنشاء مناطق الظل، على الرغم من ظهور موجات P، إلا أن موجات S لا تظهر.
-
القشرة
تتفاوت سماكة هذه الطبقة الخارجية الهشة من حوالي 25 إلى 70 كم تحت القارات، ومن حوالي 5 إلى 10 كم تحت المحيطات، القشرة القارية معقدة للغاية في هيكلها وهي مصنوعة من أنواع مختلفة من الصخور.
-
الوشاح
يوجد أسفل القشرة وشاحٌ كثيف يمتد إلى عمق 2890 كم، وهو يتألف من صخور سيليكات كثيفة، تنتقل كل من موجتي P و S من الزلازل عبر الوشاح، مما يدل على أنها صلبة، ومع ذلك هناك أدلة منفصلة على أن أجزاء من الوشاح تتصرف كسائل على نطاقات زمنية جيولوجية طويلة للغاية، حيث تتدفق الصخور ببطء في الخلايا العملاقة للحمل الحراري، وإن أكبر قطاع في باطن الأرض هو الوشاح وليس النواة، لأن لدينا تباينًا قويًا بين النواة الحديدية (الكثافة بين 10-11 جم / سم 3) والوشاح (السيليكات) (الكثافة من 3.3-5.5 جم / سم 3، يزيد مع العمق).
-
النواة
تقع على عمق حوالي 2900 كم، وهي الحد الفاصل بين الوشاح ولب الأرض، يتكوّن القلب من الحديد ونعرف أنه موجود لأن الأمواج الزلزاليّة تنكسر، مما يخلق «منطقة ظل» على مسافات تتراوح بين 103 درجة و 143 درجة (انظر الشكل أعلاه)، نعلم أيضًا أن الجزء الخارجي من القلب سائل، لأن موجات S لا تمر عبره.
إعداد: عبد الرحمن قاسم
مراجعة علمية: أحمد فكرى
تدقيق لغوي: مريم سمير
تحرير: هدير جابر
