كيف تتكون الزلازل وكيف يتم قياس حجمها

الزلازل موضوع بحث روتيني في جميع أنحاء العالم، والاهتمام يزداد في كل مرة يصدر خبر عن هزة ملحوظة. هناك سؤالان يتكرران في الأغلب: ما الذي يسبب فيزيائياً اهتزاز الأرض، وماذا يعني رقم الحجم المُبلغ عنه بالفعل. تأتي كلا الإجابتين من عقود من علم الزلازل الموثقة من قبل وكالات مثل المسح الجيولوجي الأمريكي (USGS) وتجمعات بحثية مثل IRIS، وهي مؤسسات البحث المدمجة لعلم الزلازل.

ما الذي يسبب الزلزال

وفقاً للمسح الجيولوجي الأمريكي، يحدث الزلزال بسبب انزلاق مفاجئ على خط صدع. تنقسم القشرة الأرضية إلى صفائح تكتونية كبيرة تتحرك باستمرار، وإن كانت ببطء. حيث تلتقي الصفائح، يسبب الاحتكاك التصاق حوافها ببعضها حتى مع استمرار دفع الصفائح. يستشهد المسح الجيولوجي الأمريكي بصفائح المحيط الهادئ وأمريكا الشمالية في كاليفورنيا كمثال: فهي تتحرك بجانب بعضها بمعدل تقريباً بوصتين سنوياً على طول خط سان أندريس، حد يمتد أكثر من 650 ميلاً وأكثر من 10 أميال عمقاً.

بينما تبقى حواف الصدع عالقة، تستمر الصفائح في التحرك، مما يثني ويجهد الصخور على كلا الجانبين. تتراكم الطاقة المخزنة حتى تتجاوز أخيراً الاحتكاك الذي يمسك الصدع معاً. عندما "يفتح" الصدع، ينزلق الصخر العالق إلى موضع أقل إجهاداً فجأة، وتشع الطاقة التي كانت مخزنة للخارج على شكل موجات زلزالية، يصفها المسح الجيولوجي الأمريكي بأنها تنتشر "مثل التموجات على الماء".

ليس كل خط صدع يتصرف بنفس الطريقة عبر الزمن. يلاحظ المسح الجيولوجي الأمريكي أنه في بعض المناطق تتحرك الصدوع من خلال زحف شبه مستمر، مما يحرر كميات صغيرة من الضغط في هزات صغيرة متكررة. حيث لا يكون الزحف ثابتاً، يمكن أن يتراكم الضغط لعقود أو قرون قبل تحرره جميعاً مرة واحدة، مما ينتج عنه زلزال أكبر.

البؤرة والمركز السطحي والموجات الزلزالية

تسمى النقطة تحت السطح حيث يبدأ الزلزال بالبؤرة أو المركز، والنقطة على السطح مباشرة فوقها هي المركز السطحي، وفقاً للمسح الجيولوجي الأمريكي. من البؤرة، ينتقل نوعان رئيسيان من الموجات للخارج: موجات P، التي تضغط وتمدد الصخور في اتجاه انتقالها وتصل أولاً إلى محطات المراقبة، وموجات S، التي تحرك الأرض من جانب إلى آخر وتصل بعد موجات P. يشرح المسح الجيولوجي الأمريكي أن الفجوة الزمنية بين وصول هذين النوعين من الموجات إلى محطات زلازل مختلفة تسمح للعلماء بحساب المسافة التي حدث فيها الزلزال.

كيف يتم قياس الحجم اليوم

يصف الحجم حجم الزلزال عند مصدره؛ لكل زلزال قيمة حجم واحدة، وفقاً للمسح الجيولوجي الأمريكي. هذا مختلف عن الشدة، التي تقيس شدة الاهتزاز في موقع معين ويمكن أن تختلف اختلافاً كبيراً بناءً على المسافة من المركز السطحي والعمق والظروف الجيولوجية المحلية — يقارن IRIS الحجم بقوة لمبة الإضاءة والشدة بالسطوع المشعور في مسافات مختلفة من تلك اللمبة.

المقياس الأكثر إلفة للجمهور، مقياس ريختر، تم تطويره من قبل عالم الزلازل تشارلز ريختر عام 1934، وفقاً لجامعة ميتشيجان التكنولوجية. قام بحساب الحجم من سعة أكبر موجة مسجلة على نوع زلازل محدد، معدلة للمسافة من الزلزال. يذكر المسح الجيولوجي الأمريكي أن هذا الأسلوب لا يقيس بدقة الزلازل الكبيرة جداً: يتم التقليل من تقدير بعض الأحداث، والمبالغة في تقدير أحداث أخرى.

يستخدم علماء الزلازل الآن بشكل أساسي مقياس حجم العزم (Mw)، الذي يصفه المسح الجيولوجي الأمريكي وميتشيجان تك كمفضل لأنه يعمل بدقة عبر النطاق الكامل لأحجام الزلازل ويمكن تطبيقه عالمياً. يشتق حجم العزم من كمية فيزيائية تسمى العزم الزلزالي، محسوبة كصلابة الصخر مضروبة في منطقة الصدع التي انزلقت مضروبة في المسافة التي تحرك بها الصدع. تقدر قيمة هذا العزم من بيانات السيسموجرام والقياسات الجيولوجية، ثم يتم تحويلها إلى رقم الحجم المبلغ عنه للجمهور.

لماذا يهم كل رقم كامل كثيراً

مقاييس الحجم لوغاريتمية. يؤكد المسح الجيولوجي الأمريكي وميتشيجان تك أن كل زيادة بمقدار رقم صحيح واحد تتوافق مع زيادة تقريباً تكون عشر مرات في سعة الحركة الأرضية المسجلة بواسطة أجهزة زلزالية، وتقريباً 32 مرة في الطاقة المحررة. تعطي ميتشيجان تك مقارنات طاقة توضيحية: زلزال بحجم 1 يحرر طاقة تقريباً معادلة لـ 6 أونصات من TNT، بينما زلزال بحجم 8 يحرر طاقة معادلة لحوالي 6 ملايين طن من TNT.

الحجم مقابل الشدة

لأن الحجم رقم واحد يصف الطاقة المحررة عند المصدر، فإنه لا يصف بحد ذاته مدى اهتزاز مدينة أو مبنى معين بقوة. يتم وصف شدة الاهتزاز في مواقع محددة بدلاً من ذلك باستخدام مقاييس الشدة مثل مقياس ميركالي المعدل للشدة، الذي يقول المسح الجيولوجي الأمريكي أنه يُعبر عنه بأرقام رومانية ويعتمد على عوامل تشمل المسافة من المركز السطحي وعمق الزلزال والجيولوجيا المحلية.