جهاز قياس الزلازل

يتمّ رصد وتسجيل الزلازل باستخدام جهاز خاص يُسمى جهاز السيزموغراف (بالإنجليزيّة: Seismograph)، ويتكوّن من كتلة مُعلّقة على قاعدة ثابتة، وعند حدوث الزلزال تتحرك هذه القاعدة مع حركة الأرض ولكن تبقى الكتلة ثابتة، ويتم تسجيل تلك الحركة على مادة معينة كالورق، أو الأشرطة المُمغنطة، أو غيرها من المواد، والجدير بالذكر أنّ عملية التسجيل هذه نسبية لحركة الكتلة المُعلّقة بالنسبة للأرض، وللحصول على قياسات تتعلق بالحركة المُطلقة للأرض يتمّ تحويل التسجيلات السابقة إلى حسابات رياضيّة.

أجزاء جهاز قياس الزلازل

غالباً يتمّ استخدام جهاز السيزموغراف بشكل مرادف لمقياس السيزموميتر، لكن السيزموميتر هو أحد أجزاء جهاز السيزموغراف، بينما السيزموغراف هو جهاز تسجيل الزلازل، ويتمّ تثبيت أجهزة السيزموغراف في الأرض حول العالم وتعمل كجزء من شبكة رصد الزلازل، ويتكون جهاز السيزموغراف من جزئين أساسيين، وهما:

السيزموميتر: (بالإنجليزيّة: Seismometer)، هو الجزء الداخلي للسيزموغراف، وهو عبارة عن كتلة أو رقّاص (بالإنجليزية: Pendulum) معلّق بنابض.
السيزموغرام: (بالإنجليزيّة: Seismogram)، هو جهاز تسجيل حركة الأرض، ويتكوّن من محورين، وهما: المحور الأفقي لقياس الوقت بالثواني، والمحور العمودي لقياس إزاحة الأرض، وعادة تُقاس بوحدة المليمتر.

آلية عمل جهاز قياس الزلازل

يتمّ حالياً تسجيل الهزات الأرضية بشكل إلكتروني والاحتفاظ بالبيانات الرقميّة على جهاز حاسوب، لكن في السابق كان يتمّ تسجيلها على الورق، حيث كان يتمّ تثبيت جهاز السيزموغراف على سطح الأرض بشكل صحيح، وعند حدوث أي هزّة أرضيّة فإنّ جهاز السيزموغراف بأكمله سيهتز باستثناء الكتلة المعلّقة بالنابض التي تبقى ثابتة تقريباً في مكانها بسبب تعرّضها للقصور الذاتي، ثمّ يسجل السيزموغرام الحركة النسبيّة بين الكتلة الثابتة وبقية أجزاء الجهاز ويُعدّ هذا التسجيل هو حركة الأرض.

إقرأ أيضا:أين توجد غابات الأطلس

وفي حالة عدم وجود أيّ زلزال فإنّ الجهاز لا يُسجّل أيّ قراءة ويرسم خطاً مستقيماً باستثناء وجود بعض الموجات الصغيرة للدلالة على وجود ضوضاء أو اضطرابات أخرى في المنطقة، أمّا عد حدوث الزلزال فيمثل جهاز السيزموغراف بيانات الموجات الزلزاليّة التي يُسجلها السيزموغرام على شكل رسم يشبه الرسم البيانيّ، وتحدد هذه البيانات قوّة أرضيّة، ومُدّة استمراره، وكم يبعد عن جهاز الرصد، كما تحدد مقدار وحجم الزلزال من خلال سعة الموجة التي يتمّ رصدها، وفي حال رصد السيزموغرام موجات- P، والموجات السطحية ولم يرصد موجات- S، فهذا يعني أنّ السيزموغراف موجود في مكان بعيد عن الزلزال، أي على الجانب الآخر من الكرة الأرضية؛ لأنّ موجات- S لا تستطيع الانتقال خلال لب الكرة الأرضية السائل.

في حال كانت المسافة التي يبعدها مركز الزلزال (بالإنجليزية: Epicenter) عن السيزموغراف معروفة، ولكن موقع المركز غير معروف -أي دولة أو منطقة على الخريطة- يمكن تحديد موقع مركز الزلزال (بالإنجليزية: Epicenter) عن طريق اتباع الخطوات الآتية:

استخدام ثلاثة أجهزة سيزموغراف مختلفة من ثلاث محطات زلزاليّة لتحديد مسافة مركز الزلزال عن منطقة معينة، وإذا كان الفرق بين زمن وصول موجات-P وموجات- S كبيراً كان مركز الزلزال بعيداً عن السيزموغراف.
رسم دائرة يكون نصف قطرها يساوي المسافة المعروفة بين مركز الزلزال وموقع السيزموغراف، ويكون موقع مركز الزلزال في أي مكان على خط الدائرة.
استخدام بيانات جهازي سيزموغراف من الثلاثة في رسم دائرتين يكون نصف قطر كل منها يساوي المسافة المعروفة بين مركز الزلزال وموقع السيزموغراف، ويكون موقع مركز الزلزال في أي مكان على خط الدائرة.
ملاحظة أن الدائرتان تقاطعان في نقطتين مختلفتين.
استخدام بيانات السيزموغراف الثالث، إذ يجب أن تتقاطع الدائرة الناتجة عنها في نقطة واحدة مع الدائرتين السابقتين، وتسمى هذه النقطة مركز الزلزال، وقد تمّ الاستفادة من تلك الطريقة لعدّة قرون.

وللحصول على تسجلات ذات جودة عالية للهزات الأرضية ينبغي تحقيق شرطين أساسيين عند تثبيت جهاز الرصد في موقع معيّن، وهما:

إقرأ أيضا:وادي موسى

تثبيت الجهاز في منطقة هادئة: من المهم تثبيت الجهاز في مكان قليل الاهتزازات وبعيد عن الأنشطة الحضريّة المزعجة مثل: حركة وسائل النقل البريّة والجويّة، وأعمال البناء، وغيرها، حيث تحجب هذه الضوضاء الاهتزازات الناتجة عن الزلازل الصغيرة والبعيدة.
تثبيت الجهاز على صخور الأساس: عند تثبيت جهاز قياس الزلازل في منطقة معينة يتمّ وصل مجسات الجهاز بشكل مباشر مع هذه الصخور، حيث تلتقط المجسات الاهتزازات المتولدة في قشرة الأرض عند حدوث الزلزال، ويكفي تواجد طبقة رقيقة من التربة من أجل تقليل الضوضاء التي تنتقل عبر التربة، ولتسهيل عمليّة تركيب وصيانة الجهاز، ولكن إذ تمّ وضع الجهاز على أساس هشّ كالتراب فإنّ الضوضاء الخارجيّة ستنتقل عن طريق التراب مع الموجات الزلزاليّة ما يجعل عملية تفسير هذه الموجات معقدة.

تاريخ تطوّر جهاز قياس الزلازل

مرّ جهاز قياس الزلازل بالعديد من المراحل قبل وصوله إلى الشكل الحالي، وفيما يأتي أهمّ المحطّات التي كان لها دور في تطوّر الجهاز إلى شكله الحالي:

عام 132م

تمّ اختراع أول جهاز لقياس الزلازل عام 132م على يد عالم الفلك والرياضيات الصيني تشانغ هينغ (بالإنجليزية: Chang Heng)، وأسماه (بالإنجليزيّة: Earthquake Weathercock)، وهو عبارة عن مُجسّم على شكل جرة تحتوي على ثمانية تنانين رأسها متجه إلى الأسفل، ويوجد داخل فم كل منها كرة برونزيّة، وعند حدوث هزة أرضيّة يفتح أحد التنانين فمه من خلال آليّة داخل الجهاز، فيُلقي بالكرة التي في فمه، ويتمّ التقاطها من قِبل مُجسّم صغير على شكل ضفدع مفتوح الفم، ممّا يُحدث إزعاجاً كافياً للتنبيه بأنّ زلزالاً قد حدث للتوّ، ويُمكن تحديد اتجاه الزلزال من خلال ملاحظة فم التنين الفارغ.

إقرأ أيضا:كيف حدث زلزال اليابان

عام 136م

قام العالم الصيني تشوك (بالإنجليزية: Choke) عام 136م بتحديث جهاز العالم تشانغ هينغ، حيث استبدل أعمدة من السائل اللزج بالكرات التي كانت موجودة في الجهاز القديم، ويدل ارتفاع السائل في الأعمدة على شدة الزلزال، ويشير الخط الذي يربط بين النقاط الناتجة عن أقصى حد للحركة إلى اتجاه الزلزال.

القرن الثامن عشر

أجرى العلماء الإيطاليون العديد من المحاولات خلال القرن الثامن عشر لتسجيل الحركات الأرضيّة عن طريق استخدام الرقّاص البسيط، ومن أبرزهم معلم الفلسفة أندرياس بينا (بالإنجليزية: Andreas Bina)، حيث علق رقّاصاً في أعلى مبنى وأعدّ طبقة من التراب تحته؛ لتسجيل أثر الزلزال عليها، ومن خلال هذه العملية يسجل الرقّاص حركة الزلازل أثناء حدوثها بشكل تقريبيّ، فهو غير قادر على إعطاء تسجيل حقيقي للزلزال.

القرن التاسع عشر

بسبب تعرُّض مدينة كومري على الحدود الاسكتلنديّة لسلسلة هزّات أرضيّة صغيرة، تمّ بناء مرصد للزلازل في برطانيا عام 1870م سمّي ببيت الزلزال (بالإنجليزيّة: Earthquake House)، وهو عبارة عن منزل يحتوي على مجموعة من الأعمدة الخشبيّة الصغيرة والمتوازنة والتي صمّمت بشكل يسمح لها بالوقوع عند حدوث الزلزال، لكن لم يتمّ تسجيل أيّ زلزال من خلال هذا النظام بسبب انخفاض حساسيّته للزلازل.

جون ميلين (أب علم الزلازل الحديث)

يُطلق على العالم جون ميلن (بالإنجليزية: John Milne) مسمى (أب علم الزلازل الحديث)؛ بسبب اهتمامه بالزلزال وكيفيّة قياسها، وأنشأ عام 1895م مرصداً زلزاليّاً في جزيرة وايت في المملكة المتحدة، ونشر منشورات دورية تتعلّق بالأنشطة الزلزاليّة، وأدار شبكة عالميّة لمقاييس الزلازل، وبعد وفاته أصبح المرصد الزلزاليّ الذي أنشأه جون ميلين هو نفسه المركز الدولي لرصد لزلازل (بالإنجليزية: International Seismological Centre) ولا يزال موجوداً حتى الآن، وفي تلك الفترة تمّ استخدام مقاييس للزلازل تعتمد على رقّاص بسيط؛ لتسجيل حركة الأرض النسبية، إضافة إلى قدرتها على تسجيل التاريخ الزمني لها على اسطوانة باستخدام ورقة وقلم، ثمّ تطوّرت عملية التسجيل ليتمّ استخدَام أشعة الضوء على ورق التصوير الفوتوغرافيّ، حيث يتمّ تسجيل الإشارات الضعيفة للزلازل الكبيرة والبعيدة جداً في أيّ مكان في العالم.

مقياس وود أندرسون ومقياس ريختر

في بداية القرن العشرين استخدم العلماء الأمريكيّون مقياساً حسّاساً لقياس الزلازل خلال دراسة الزلازل المحليّة في ولاية كاليفورنيا، وهو عبارة عن أداة تضمّ كتلة ومرآة مُعلّقتان بسلك مشدود ملتو بما يسمح بتسجيل صور فوتوغرافيّة للحركات الضعيفة للزلازل المحليّة وعُرفت هذه الأداة بمقياس وود أندرسون (بالإنجليزيّة: Wood-Anderson)، وفي عام 1935م استخدم العالم تشارلز ريختر (بالإنجليزيّة: Charles Richter) الإشارات الناتجة من مقياس وود أندرسون وأعدّ مقياساً لقياس قوّة الزلزال سميّ بمقياس ريختر (بالإنجليزيّة: Richter scale).

مقاييس الزلازل

تُستخدم مقاييس الزلازل لقياس قوّة الزلزال وشدّته، ويختلف كلا المفهومين السابقين عن الآخر، إذ تدُل قوّة الزلزال على مقدار الطاقة التي تنبعث من بؤرة الزلزال، أمّا الشدة فتهتم بملاحظة تأثيرات الزلزال على المباني، والناس، والملامح الطبيعيّة.

مقاييس القوّة

قوّة الهزّة الأرضيّة (الإنجليزية: Magnitude) عبارة عن رقم يُستخدم لتمييز الحجم النسبي للهزّة، وتعتمد على قياس الحد الأقصى للهزة على جهاز السيزموغراف، وهناك العديد من المقاييس التي تختص بقياس قوّة الهزّة الأرضيّة، من أهمّها وأكثرها شيوعاً:

مقياس القوّة المحلي أو ما يُعرف بمقياس ريختر (بالإنجليزية: Richter Magnitude Scale).
مقياس قوّة الموجة السطحيّة (بالإنجليزية: Surface-wave Magnitude Scale).
مقياس قوّة موجة الجسم (بالإنجليزية: Body-wave Magnitude Scale).
مقياس العزم الزلزالي (بالإنجليزية: Moment Magnitude Scale).

يمتلك كل من مقياس القوّة المحلي، ومقياس قوّة الموجة السطحيّة، ومقياس قوّة موجة الجسم قابليّة محدودة لتسجيل الزلازل، فهي تُسجّل البيانات على نطاقات محدودة، وغير قادرة على قياس حجم الزلازل الكبرى، أمّا مقياس العزم فهو يستند على مفهوم العزم الزلزالي، وهو قابل للاستخدام لجميع أحجام الموجات الزلزاليّة، لكن يصعُب حسابه مقارنة مع غيره من أنواع المقاييس، وعند قياس قوّة أيّ زلزال يجب أن تُسجل جميع أنواع المقاييس نفس القيمة تقريباً.

مقياس شدّة الزلازل

يختص مقياس شدّة الزلازل (بالإنجليزية: Intensity) بدراسة مقدار الضرر الذي يسبّبه الزلزال، ويزداد الضرر بالاقتراب من منطقة مصدر الزلزال، ويتناقص بالابتعاد عنها، ومن أهمّ المقاييس:

المقياس الأوروبي (بالإنجليزية: European Macroseismic Scale).
المقياس الأمريكي أو ما يُعرف بمقياس ميركالي المُعدَّل (بالإنجليزية: Modified Mercalli intensity scale).
المقياس الياباني أو ما يُعرف بمقياس وكالة الأرصاد الجوية اليابانية لشدة الزلازل (بالإنجليزية: Japan Meteorological Agency Seismic Intensity Scale).

الزلازل

يُعرَّف الزلزال (بالإنجليزيّة: Earthquake) بأنّه اهتزاز مفاجئ للأرض ناتج عن مرور موجات زلزاليّة عبر الصخور، وتنتج تلك الموجات بسبب تحرر الطاقة المُخزّنة في قشرة الأرض ما يؤدي إلى دفع الصخور بعضها لبعض بشكل مفاجئ وبالتالي انزلاقها وانهيارها، وتحدث الزلال في المناطق الضيّقة حيث تتحرّك الصخور بالنسبة لبعضها البعض، وتحدث على طول الصدوع الجيولوجيّة التي تقع عادة على حدود الصفائح التكتونيّة المُكوّنة لقشرة الأرض.

أنواع الموجات الزلزاليّة

يوجد ثلاثة أنواع أساسية من الموجات الزلزاليّة، وهي:

موجات- P: هي الموجات الأوليّة (بالإنجليزيّة: Primary Waves).
موجات- S: هي الموجات الثانويّة (بالإنجليزيّة: Secondary Waves)، وتتميّز بأنّها لا تستطيع الانتقال عبر الماء والهواء، كما تتميّز باتّساع موجاتها مقارنة مع موجات- P، لذا فهي أكثر تدميراً.
الموجات السطحية: (بالإنجليزيّة: Surface Waves)، تتولد عندما يكون مصدر الزلزال قريباً جداً من سطح الأرض، وتنتقل مباشرة تحت السطح، وتتشابه شكل موجتها مع موجة الماء من حيث طبيعتها، وعلى الرغم من حركتها البطيئة مقارنة مع موجات- S إلّا أنّها تمتاز باتساع سعة موجتها، لذا فهي من أكثر الموجات الزلزاليّة تدميراً، وهناك نوعان للموجات السطحية هي:
- موجات ريليه: (بالإنجليزيّة: Rayleigh Waves)، وتنتقل على شكل تموجات تشبه في حركتها تموجات الماء.
- موجات لوف: (بالإنجليزيّة: Love Waves) أسرع قليلاً من موجات ريليه، وتسبب قصّاً أفقياً للأرض.

أحياناً تسمى موجات- P وموجات- S مجتمعة موجات الجسم (بالإنجليزيّة: Body Waves).

يمكن رصد الزلازل من خلال محطات الرصد الموجودة في شبكة رصد الزلازل (بالإنجليزية: Seismographic Network)، حيث تقيس كل محطة في الشبكة حركة الأرض في المناطق المُراد تسجيل الزلازل فيها، وذلك من خلال قياس اهتزاز الأرض الناتج عن الطاقة المُختزنة التي يتمّ تحريرها بسبب انزلاق الكتل الصخريّة عن أماكنها، ثمّ يدفع هذا الاهتزاز الكتل الصخرية المجاورة من الأرض ما يُسبب اهتزازها، وتنتقل هذه الطاقة من بؤرة الزلزال (بالإنجليزية: Hypocenter) إلى الصخور المجاورة على شكل موجات.