مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)

  رزروفینگ:لرزه ‌نگاری مطالعه علمی گسترش امواج الاستیک در زمین می‌باشد و به عنوان یکی از شاخه‌های ژئوفیزیک شناخته می‌شود. با استفاده از اطلاعات به دست آمده از امواج الاستیک، به بازسازی لایه‌های درون زمین می پردازند. لرزه‌نگاری برای مطالعه علمی پیدایش زلزله و امواج حاصل از آن به وجود آمد. امواج لرزه‌ای همان امواج صوتی با طیف فرکانس گسترده‌تر هستند و به دو نوع کلی امواج حجمی (Body waves) شامل امواج فشاری (P-Waves)، امواج برشی (S-waves) و امواج سطحی (Surface waves) شامل امواج ریلی (Rayleigh waves)، امواج لاو (Love waves) طبقه بندی می‌شوند.

لرزه نگاری

علم لرزه خود به دو گروه اصلی زلزله و نفت تقسیم می‌گردد. در شاخه زلزله، امواج زلزله که از جنس امواج صوتی می‌باشند، مورد مطالعه قرار می‌گیرند. با ثبت امواج زلزله اطلاعات زیادی از لایه‌های مختلف کره زمین به دست می آید. در شاخه نفت با ایجاد امواج لرزه‌ ای مصنوعی در سطح زمین و دریافت بازتاب این امواج از درون لایه‌های زیر سطحی اطلاعات لرزه ای به دست می‌آید.

به دلایل اقتصادی و اهمیت اکتشاف نفت، علم لرزه‌نگاری کاربردهای فراوانی در صنعت انرژی پیدا کرده است که به دو گروه لرزه ‌نگاری اکتشافی به صورت دو بعدی و لرزه نگاری توسعه‌ای بصورت سه بعدی و چهار بعدی تقسیم می‌گردد.

انواع امواج لرزه ای

انواع آزمایش‌های لرزه نگاری به شرح زیر است:

• لرزه‌ نگاری به روش‌ شکست‌ مرزی
• لرزه‌ نگاری به روش‌ انعکاسی کم عمق
• خرد لرزه‌ نگاری (Petite-Seismic)
• لرزه‌ نگاری درون چاهی (Downhole)
• لرزه ­نگاری بین گمانه‌ای (Crosshole)
• لرزه ­نگاری انکساری

انواع لرزه نگاری

تعیین پارامترهای دینامیکی خاک

مطالعه رفتار انواع خاک‌ ها تحت اثر بارهای دینامیکی را رفتار دینامیکی خاک گویند. این رفتار به کرنش وابسته می‌باشد و شامل موارد زیر است:

 

• مدول دینامیکی
• مدول یانگ
• مدول کمانش و مدول برشی
• نسبت پواسون
• ضریب ثابت و متغیر فشار
• ضریب ثابت و متغیر برشی
• ضریب میرایی
• پارامترهای مایع شوندگی
• مشخصات مقاومت در برابر تغییر شکل

 

پی ها (شالوده ها یا فونداسیون ها) و ساختار خاک تحت اثر فشار دینامیکی ناشی از ماشین‌ها، ساخت و سازها، انفجار، امواج ساطع شده از آب و زلزله و غیره قرار می‌گیرند. امواج زلزله بیشترین شرایط بحرانی را فراهم می‌کنند. با توجه به غیرقابل پیش بینی بودن حرکات زمین در مدت زمان زلزله امکان نشست، روانگرایی و حرکت جانبی سازه وجود دارد.

گسترش خرابی ناشی از زلزله در خاک به رفتار دینامیکی خاک مرتبط است که با سیکل‌های غیرخطی و پارامترهای مقاومت خاک پوشش داده می‌شود. پاسخ زمین برای موارد زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد:

 

• پیش بینی جابجایی سطوح زمین برای طراحی بر اساس طیف پاسخ
• بررسی تنش دینامیکی و کرنش‌ها برای ارزیابی خطر روانگرایی
• تعیین نیروهای زلزله

تحلیل طیف ویژه ساختگاه

طراحی سازه‌های متعارف معمولاً با تأکید بر پریود مود اول سازه انجام می‌شود. منظور از سازه‌ی متعارف، سازه‌ای می‌باشد که نامنظمی‌های شدید نداشته باشد و سیستم سازه‌ای آن جزء سیستم‌های معرفی‌شده در آیین‌نامه قرار داشته و همچنین ارتفاع آن‌ در محدوده‌ی تعیین‌شده توسط آیین‌نامه‌های طراحی قرار گیرد.

در این سازه‌ها با استفاده از مفهومی به نام طیف، می‌توان نیروی وارد بر سازه را محاسبه نمود. انواع طیف‌هایی که در آیین‌نامه‌های طراحی وجود دارد، طیف طرح استاندارد و طیف ویژه ساختگاه نام دارند.

طیف طرح استاندارد توسط آیین‌نامه محاسبه شده و برای استفاده از آن تنها نیاز به داشتن پریود مود اول سازه، میزان لرزه‌خیزی منطقه، میزان اهمیت سازه، نوع خاک ساختگاه و همچنین سیستم سازه‌ای می‌باشد. طیف ویژه ساختگاه در سازه‌های پر اهمیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

منحنی طیف طرح استاندارد آیین‌نامه به کمک روش‌های آماری و شتاب‌نگاشت به دست می‌آید؛ اما در رابطه با سازه‌های پراهمیت نیاز به محاسبات دقیق‌تری جهت محاسبه‌ی طیف طرح می‌باشد تا دقت نتایج بهبود یابد. در این مواقع آیین‌نامه، استفاده از طیف طرح ویژه ساختگاه را به جای طیف طرح استاندارد پیشنهاد می‌کند.

بنا به توضیحات آیین‌نامه، این طیف با استفاده از مشخصات زلزله‌های منطقه ساختگاه و با توجه به ویژگی‌های زمین‌شناسی، تکتونیکی، لرزه‌شناسی، میزان خطرپذیری و مشخصات خاک در لایه‌های مختلف ساختگاه و با به‌کارگیری نسبت میرایی ۵ درصد تعیین می‌گردد.

تحلیل طیف ویژه ساختگاه

تحلیل خطر لرزه خیزی

شرایط لرزه زمین ساخت و تنوع نوع خاک محل قرارگیری سازه و تجهیزات مختلف موجب شده است تا در پروژه‌ های بهسازی لرزه‌ ای با اهمیت، تحلیل خطر لرزه‌ای ساختگاه، امری اجتناب ناپذیر شود. با توجه به تعداد روزافزون پروژه‌های بهسازی لرزه‌ ای ساختمان‌ها و شریان‌های حیاتی کشور، نیاز روز افزونی به تحلیل خطر لرزه‌ ای ویژه برای ساختگاه پروژه‌ها می‌باشد.

یکی از رویکردهای مناسب جهت تعیین لرزه خیزی مناطقی که با کمبود اطلاعات و داده‌ها مواجه هستند، ارزیابی احتمالاتی می‌باشد. در این روش با استفاده از رویکرد احتمالاتی اقدام به بررسی خطر احتمالی زمین لرزه می‌گردد. معیار خطر پذیری مناطق مختلف در این مطالعه به صورت بیشینه شتاب طیفی نظیر سطوح مختلف خطر ارائه شده در آئین نامه‌های معتبر دنیا به دست می‌آید.

لرزه خیزی

مطالعات ژئوتکنیکی و لرزه خیزی در تمامی سازه‌ها ضروری است

امروزه انجام مطالعات و بررسی‌های ژئوتکنیکی و لرزه خیزی برای هر سازه‌ای یک اصل علمی و پذیرفته شده است. اساس طراحی ژئوتکنیکی هر سازه به اطلاعات ژئوتکنیکی همان سازه بستگی دارد و در این میان نقش مقاومت مجاز، ضرایب نشست، ضریب ارتجاعی و پارامترهای لرزه‌ای خاک بر کسی پوشیده نیست. دستیابی به اطلاعات مزبور جز با بررسی‌های ژئوتکنیکی امکان پذیر نیست.

کاربرد دانش ژئوتکنیک هرگز به تعداد طبقات و نوع ساختمان بستگی ندارد. هرگاه تنشی به زمین وارد شود ساختگاه باید از نظر مقاومت و نشست بررسی گردد. به کرات مهندسان محاسب، سازه‌ای را به دلیل کم طبقه بودن با فرض مقاومت خاک بالا طراحی نموده‌اند در حالیکه با هوشیاری ناظر ساختمان و پس از بررسی‌های ژئوتکنیکی معلوم گردیده مقاومت مجاز زمین به دلیل وجود لایه‌های خاک ضعیف و نشست‌پذیر به مراتب کمتر بوده ‌است. سازه‌های بسیاری بر اساس مقاومت مجاز خاک فرضی محاسبه و اجرا گردیده ولی پس از نشست ساختمان مشخص شده که در زیر پی، لایه ضعیف و یا نشست‌پذیر خاک بوده‌ است.

بر اساس مساحت زیربنا و تعداد طبقات و اهمیت پروژه باید به حجم تحقیقات ژئوتکنیک افزوده شود. شاید در پروژه‌ای با طبقات و زیربنای کم مانند یک خانه مسکونی کم طبقه با حفاری اندک، چند آزمایش SPT و مختصر گزارش ژئوتکنیک بتوان به نتیجه مورد نظر دست یافت در حالی‌که در یک سازه بلند به یک گزارش کامل و جامع با حفاری‌های عمیق و آزمایش‌های متنوع و متناسب با نوع زمین و محاسبات دقیق نیاز است. برای طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله، شناخت جنبش نیرومند زمین که انتظار می‌رود در طول عمر مفید سازه رخ دهد از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

بهترین راه شناخت، به دست آوردن نمودار حرکت زمین از جمله شتاب نیرومند زمین در هنگام رویداد زمین ‌لرزه‌های متوسط تا بزرگ می‌باشد و این امر به وسیله دستگاه شتاب نگار موجود در محل و رخداد زمین‌لرزه در گستره نزدیک میسر می‌شود. که برای نیل به این هدف مطالعات تحليل خطر و لرزه خيزي انجام می گیرد. این مطالعات شامل بخش های زیر می باشد:

 

• بررسي اجمالي زمين شناسي و لرزه شناسي عمومي منطقه طرح
• تعيين گسله هاي لرزه زای موجود در منطقه
• برآورد شتاب مبناي افقي و قائم بستر جهت استفاده در طراحي سازه اي
• برآورد خطرات جانبي ساختگاه مانند گسلش
• برآورد طيف پاسخ زمين

نتیجه این بررسی ها در قالب یک دفترچه گزارش مطالعات ژئوتکنیک و لرزه خیزی ارائه می گردد.

انواع روش های تحلیل خطر جهت مطالعات لرزه خیزی

با توجه به مخاطرات لرزه ای ساختگاه های فلات ایران و نیازِ بخشی از ساختمان ها برای محاسبۀ دقیق تر اثرات زلزله بر ساختمان ها، مطالعات لرزه خیزی و تهیه طیف طرح ویژۀ ساختگاه به صورت های زیر قابل انجام است:

1- تحلیل خطر به روش تعینی (Deterministic Seismic Hazard Analysis)

2- تحلیل خطر به روش احتمالاتی (Probabilistic Seismic Hazard Analysis)

3- طیف طرح ویژۀ ساختگاه به روش آماری (Site Design Spectrum-Statistics)

4- طیف طرح ویژۀ ساختگاه به روش تعینی (Site Design Spectrum-Deterministic)

5- تحلیل دینامیکی آبرفت (Dynamic Analysis of Alluvium)

آیین نامه ۲۸۰۰، مطالعات لرزه خیزی را در ساختمان ها و ساختگاه­های زیر الزامی دانسته است:

 

الف – برای ساختگاه هایی که دارای خصوصیاتی غیر از زمین های نوع ۱ تا ۴ هستند. برای این نوع ساختگاه ها، امکان ناپایداری زمین تحت نیروی زلزله نیز بایستی مد نظر قرار گیرد.

ب – در ساختگاه هایی که زمین آنها متشکل از رس یا لای دارای رطوبت زیاد با حداقل ضخامت ۱۰ متر و دامنۀ خمیری بیش از ۴۰ باشد.

پ – در ساختگاه هایی که لایه های خاک با سرعت موج برشی معادل خاک های نوع ۳ یا ۴ و ضخامت بین ۵ تا ۲۰ متر روی یک لایه سخت با سرعت موج برشی بیش از ۷۵۰ متر بر ثانیه قرار گرفته و سرعت موج برشی این لایه سخت حداقل ۳ برابر متوسط سرعت موج برشی لایه فوقانی باشد. در این مورد، در صورت عدم دسترسی به طیف طرح ویژه ساختگاه، می توان از طیف زمین نوع ۴ استفاده کرد.

ت – ساختمان های بلند تر از ۱۵۰ متر یا دارای دوره تناوب اصلی بیش از ۵/۳ ثانیه.

ث – ساختمان های بلند تر از ۵۰ متر که بر روی زمین های غیر از نوع ۱ و ۲ و ۳ ساخته شوند.

ج – ساختمان های بلند تر از ۵۰ متر که بر روی زمین های نوع ۲ یا ۳ با ضخامت خاکی بیش از ۶۰ متر ساخته شوند.

چ – ساختمان های نامنظم بلند تر از ۳ طبقه که نامنظمی زیاد و شدید پیچشی در پلان یا نامنظمی جرمی، نرم و خیلی نرم در ارتفاع داشته باشد و دارای اهمیت زیاد یا خیلی زیاد باشند و بر روی زمین های غیر از نوع ۲،۱ یا ۳ ساخته شوند.

شرحی اجمالی بر مطالعات لرزه خیزی

برای تحقیق وضعیت لرزه خیزی یک منطقه و تخمین خطر زمین لرزه، آگاهی و اطلاع جامع از زمین لرزه های ثبت شده، زمین شناسی و تکتونیک آن منطقه ضرورت دارد. نقشه های توزیع کانون زمین لرزه ها بیانگر این واقعیت است که فلات ایران خود یک زون لرزه خیز می باشد. در واقع فلات ایران به عنوان قسمتی از کمربند آلپ – هیمالیا دارای گسل های بی شمار فعال و غیرفعال است که عمدتا دارای مکانیزم روراندگی می باشند. مناطق بالقوه فعال و همچنین تغییر شکل های زمین ساختی، معمولا در امتداد تعداد زیادی گسل رورانده قرارگرفته است.

حرکت صفحه عربستان در امتداد شمال شرق – جنوب غرب به سمت شمال شرق و حرکت صفحه هند در جهت شمال غرب از یک طرف و پایداری صفحۀ اوراسیا در شمال، نقش اصلی در به وجود آوردن نیروهای فشاری در لایه های رسوبی قشر آذرین سطحی و نیز در قسمت های عمقی فلات ایران را دارا می باشد. به همین دلیل امکان بوجود آمدن حرکت های امتدادی کم است.

در عوض در پوسته قاره ای و به خصوص قشر رسوبی آن، چین خوردگی و روراندگی هایی شکل می گیرد. بعضی از گسل های کواترنر با زمین لرزه های بزرگی همراه هستند و می توان ادعا نمود که در آینده هم محل زمین لرزه های مسأله آفرین خواهند بود.

البته این نکته حائز اهمیت است که بعضی از گسل های کواترنر به طور مستقیم با زمین لرزه های قرون گذشته و جاری بدون ارتباط به نظر می رسند. شرط احتیاط این است که گسل های کواترنر را به عنوان کانون هایی با توان ایجاد زلزله های احتمالی آینده فرض کرد.

اظهار نظر قاطع در مورد فعال نبودن بعضی از گسل ها، به علت خطا در تعیین محل زمین لرزه ها ناشی از عدم وجود پایگاه های زلزله نگاری و عدم دقت کافی پایگاه ها برای مکان یابی خوب و همچنین نبود اطلاعات کافی در خصوص زمین لرزه های کوچک، عملا غیر ممکن می باشد.

به دلیل اشتباه در تعیین محل زمین لرزه های حتی بزرگ در قرون گذشته و خطای قابل توجه برای زمین لرزه هایی با بزرگی متوسط در قرن جاری، ضرورت ایجاب می کند که در مطالعات سایزموتکنونیکی و تخمین خطر زمین لرزه حتی المقدور جانب احتیاط رعایت گردد.

داده های زمین لرزه در این موارد ناقص است و نقشه های تکتونیکی در ارتباط با گسل های کواترنر هم بدون نقص نمی باشد. بنابراین برای تخمین خطر زمین لرزه آگاهی کافی از زمین لرزه های تاریخی و قرن جاری و شناخت گسل های فعال و غیر فعال از ضروریات می باشد.

بیشتر گسل های همراه با زمین لرزه های مخرب قبل از وقوع زمین لرزه شناسایی نشده بودند و به عنوان کم اهمیت تلقی می شدند. این مساله موید ضعف و نقص در کارهای زلزله شناسی و سایزموتکتونیک می باشد.

رزروفینگ