منو
دکتر بهروز اسکوئی
مطالعة پديدة الكترومغناطيسي در ارتباط با فعاليتهاي پوسته زمين ميتواند شامل مطالعه همه پديدههاي الكترومغناطيسي كه در ليتوسفر، اتمسفر، يونيسفر و مگنتوسفر اتفاق ميافتد باشد. اندازهگيري مداوم تغييرات ميدان الكترومغناطيسي ميتواند به عنوان پيش نشانگر زلزله مورد استفاده قرار گيرد. دادههاي ثبت شده بعد از پردازش مورد تجزيه و تحليل قرار ميگيرند. هدف اصلي مطالعات در دراز مدت بررسي تغييرات ميدان الكترومغناطيسي ULF (10-01/0 هرتز) ميباشد اين محدوده فركانسي ميتواند در ارتباط با رخداد زلزلهها باشد. نظر به اينكه در اين روش سه مؤلفه ميدان مغناطيسي و دو مؤلفه الكتريكي اندازهگيري ميشود لازم است كمي به تغييرات ميدان مغناطيسي زمين مرتبط با زمينلرزه و تغيير در جريانهاي الكتريكي داخل زمين قبل از وقوع زمينلرزه پرداخته شود.
سنگهاي تشكيلدهنده پوسته زمين كم و بيش داراي خاصيت مغناطيسي هستند. طبق نتايج جديد يك آزمايش تراكم تك محوري روي يك نمونه سنگ (Susceptibility(χدر جهت تراكم σ به صورت زير ارائه ميگردد:
(χ = χ0 / (1+βσ
كه در آن χ0 ميزان Susceptibility در فشار صفر و β يك ثابت مثبت است. بنابراين مشاهده ميشود كه ميزان مغناطيسشوندگي در جهت تراكم كاهش مييابد، برخلاف آن ميزان مغناطيس شوندگي در راستاي عمود بر جهت تراكم افزايش مييابد. مغناطيس شوندگي كه توسط يك سنگ تحت تاثير فشار به دست ميآيد Pizo-remanent magnetization (PRMناميده ميشود. ناگاتا (1969) مطالبي مبني بر امكان ايجاد تغييرات ژئومغناطيسي توسط تاثيرات فشار در پوسته زمين با تفسيري فيزيكي بر پايه آزمايشات روي PRM منتشر كرد. در حال حاضر اين مبحث همانگونه كه توسط خود ناگاتا (1969) اعلام شده بود تحت عنوان Tectonomagnetism در حال بررسي است.
اگر مغناطيس شوندگي يك حجم كروي زير زميني با شعاع r كه به دليل تاثير فشار تحت تغييرات ΔJ قرار گرفته است بررسي شود و اگر فرض شود كه اين حجم در جهت عمودي مغناطيس مي شود، تغيير در ميدان مغناطيسي در همان جهت در نقطه بالاي حجم كروي به صورت زير بيان مي شود:
با توجه به رابطه بالا و در نظرگرفتن يك سري فرضها ميتوان به اين نتيجه رسيد كه امكان تغييرات مغناطيسي تا حدود 10 گاما در رابطه با زمين لرزه وجود دارد.
شكل1 تغييرات طولاني مدت شدت افقي ميدان مغناطيسي در تاناب و ايستگاههاي مغناطيسي مجاور آن در كيپنينسولا، ژاپن مركزي را نشان ميدهد. آشكار است كه تغييرات شدت افقي در تاناب نسبت به ايستگاههاي مجاور كه دهها كيلومتر از آن فاصله دارند غير عادي است. اين تغييرات غيرعادي بعد از وقوع زلزلههايي با مقادير 1/6 و 4/6 ريشتر در سالهاي 1960 و 1961 در نزديكي تاناب ناپديد شده است. اين تغييرات بايد يك پيش تغيير در ميدان ژئومغناطيسي باشد.
در مقالات قديمي گزارشات زيادي مبني بر تغييرات غير عادي در جريانهاي زمين قبل و هنگام وقوع زلزله ارائه شده است. جريانهاي زمين هميشه در پوسته زمين جاري هستند و اكثر نوسانات آن ناشي از القاي الكترومغناطيسي در زمين به وسيله تغييرات مغناطيسي موقتي منابع خارجي هستند. بنابراين وابسته كردن نوسانات جريانهاي زمين با يك زمينلرزه به دليل اين كه جريانهاي القايي كاملاً قابل حذف نيستند كار سختي است. در مقابل جريانهاي زمين، به نظر ميرسد پيشبينيها با توجه به تغييرات هملرزهاي در مقاومت زمين در بسياري از كشورها مانند ژاپن، روسيه، آمريكا و چين بسيار واضحتر است.
شكل2 نوسانات مقاومت الكتريكي در منطقه گارم روسيه را نشان ميدهد. پالسهاي الكتريكي در حدود 1000 آمپر به زمين فرستاده ميشود و ميدانهاي الكتريكي تحريك شده توسط اين پالسها در فواصل شش كيلومتري از منبع پالس مورد بررسي قرار ميگيرد. تغييرات در ميدان الكتريكي كه به اين صورت ايجاد شدهاند متناسب با تغييرات ايجاد شده در مقاومت زمين هستند. از شكل مشخص است كه ميزان مقاومت 10 تا 15 درصد قبل از زمينلرزه هاي نسبتاً بزرگ كاهش مييابد. گرچه دليل اين كه چرا تغييراتي اين چنين بزرگ در مقاومت زمين قبل از وقوع زلزله روي ميدهد مشخص نيست، ولي به نظر ميرسد اين تغييرات ربطي به آنچه توسط آزمايشات بر روي نمونه سنگ اشباع شده با آب به دست آمده، داشته باشد. بريس و همكاران(1965) بريس و اورنج (a,b1968و1966) نشان دادند كه مقاومت يك نمونه سنگ گرانيت اشباع شده با آب با ضريب 1000 يا چيزي حدود آن تحت فشار هيدروستاتيك 10 كيلوبار افزايش مييابد. اين مساله را ميتوان اينگونه توضيح داد كه مسير هدايت كننده (رسانا) به دليل پر شدن منافذ توسط آب بسته ميشود. هنگاميكه استرس بيشتري تحت فشار محدود كننده بر نمونه سنگ اعمال ميشود، كاهشسريعي در مقاومت تحت فشار روي ميدهد كه مقدار آن به ميزان مقدار معادل براي گسيختگي است. به نظر ميرسد قبل از گسيختگي ميزان 1¤ 3 – 2¤ 3 مقدار معادل براي گسيختگي است. به نظر ميرسد قبل از گسيختگي ميزان مقاومت تا يك دوم مقدار اصلي كاهش مييابد. آنها به اين نتيجه رسيدند كه كاهش اين چنيني در مقاومت توسط توليد شكافهاي كوچك جديد به دليل فشار زياد صورت ميگيرد، به گونهاي كه مسيرهاي رسانايي الكتريكي از نو شكل ميگيرند.
تحقيقات نشان دادهاند كه همبستگي ميان افت و خيزهاي ميدان مغناطيسي (Ultra Low Frequency) ULF و فعاليتهاي لرزهاي وجود دارد. نوسانات ميدان مغناطيسي هم قبل و هم بعد از زمينلرزه مشاهده شدهاند. كسي نميداند به طور قطع چه عاملي اين نوسانات ميدان مغناطيسي را ايجاد ميكند اما محققان معتقدند كه رابطهاي بين نوسانات ميدان مغناطيسي ULF و فعاليت لرزهاي وجود دارد. در مورد اينكه چه عاملي باعث ايجاد سيگنالهاي ULF نزديك زمينلرزه است چندين فرضيه وجود دارد.
1. شكستن سنگ بلورين (مانند گرانيت) در زون گسل باعث گسيخته شدن الكترونها از پوسته مشبك زمين ميشود، و هنگاميكه به حالت پايدار خود برميگردد الكترونها باند وسيعي از امواج الكترومغناطيسي را ساطع ميكنند.
2. حركت آهسته آب يونيزه در حال نفوذ به تركهاي باز شده به وسيله شكاف سنگهاي نزديك سطح و رساناي در حال حركت در ميدان مغناطيسي، ميدان مغناطيسي ULF توليد ميكند.
3. اثر پيزومغناطيس: فشار در حال اعمال به نوع خاصي از سنگها ميدان مغناطيسي توليد ميكند.
سيگنال ULF از ميان واسطههاي رسانا (آب، سنگ) به خاطر پديدهاي كه اثر پوسته ناميده ميشود و به وسيله آن فركانسهاي پايينتر (4-05/0 هرتز) ميتوانند از عمق 10 تا 20 مايلي زير سطح منتشر شوند انتشار مييابد.
در اينجا به دو مثال قابل توجه از فعاليت سيگنال ULF جمعآوري شده قبل و بعد زمينلرزه اشاره ميشود.
الف. زلزله لوما پریتا، 18 اکتبر سال 1989
مجموعه قابل توجهي از داده سيگنال ULF به وسيله توني فسراسميت در ارتباط با زمينلرزه مذكور به بزرگي 1/7 مشاهده شده است. نمودار سيگنال زمينه نوعي در باند 01/0 تا 02/0 هرتز طي روزهاي معدود اول اكتبر 1989 را نشان ميدهد كه افزايش قابل توجهي در 6 اكتبر شروع ميشود و براي يك هفته ادامه دارد.
ب. زلزله اسپیتکا ارمنستان، 7 دسامبر سال 1988
در ماه ژانويه 1988 ماهوارهاي روسي پس از زلزله به بزرگي 7/6 ريشتر ارمنستان سيگنالهايي جمعآوري كرد.
تحقيق در مورد تغييرات ميدان مغناطيسي در محدوده فركانسي ELF (Extremely Low Frequency) يكي ديگر از روشهاي پيشيني زلزله ميباشد. امروزه آشكارسازهاي زميني قادرند افزايش سيگنالهاي مغناطيسي ELF را تقريبا از فاصله 20 مايلي رومركز زلزله تشخيص دهند. همچنين ميتوان از چنين دادههايي براي تعيين موقعيت مكانهايي كه بيشترين افزايش سيگنالهاي مغناطيسي ELF در آنها اتفاق افتاده است يعني مكان وقوع زلزله استفاده كرد.
در مورد اينكه چه عاملي باعث ايجاد سيگنالهاي ELF نزديك زمينلرزه است فرضيه خاصي وجود دارد.
طبق اين فرضيه هنگامي كه سنگها شروع به ترك خوردن درون صفحه لغزنده ميكنند باعث گسيختگي الكترونهاي شبكههاي درون سنگهاي كريستالي شده و توليد پلاسما ميكنند. پلاسما به طور طبيعي امواج الكترومغناطيسي گسيل ميكند اما تنها فعاليت مغناطيسي ELF قابليت رسيدن به سطح زمين و آشكارسازي را خواهد داشت. هرچه ميزان ترك خوردن سنگ بيشتر باشد بزرگي سيگنال ELF و احتمال وقوع زلزله بيشتر خواهد بود. در اين روش دو نوع آشكارساز وجود دارند. آشكارسازهاي زميني جهت تشخيص اينكه سيگنالهاي مشاهده شده در منطقه حقيقتا سيگنالهاي توليد شده از يك زلزله هستند يا خير به كار ميروند و آشكارسازهاي فضايي جهت انجام تحقيقات گسترده و پيدا كردن سيگنالهاي زلزله پيشرو در مناطق زلزله خيز شناخته شده يا ناشناخته احتمالي ميپردازند. در اينجا به بررسي دو مثال از افزايش سيگنالهاي ELF مشاهده شده مرتبط با وقوع زلزله پرداخته ميشود.
الف- زلزله لوما پريتا، 18 اكتبر سال 1989
افزايش قابل ملاحظه در سيگنالهاي ELF زمين توسط يك آشكار ساز زميني بيش از يك ماه قبل از وقوع اين زلزله اندازهگيري شده بود سپس در طول دو هفته پيش از وقوع زلزله كاهشي در زمينه سيگنال ELF مشاهده شد كه منجر به ايجاد جريان وسيعي از سيگنالهاي مغناطيسي ELF سه ساعت پيش از وقوع زلزله گرديد.
ب- زلزله اسپيتكا ارمنستان، سال 1989
افزايش قابل ملاحظه در سيگنالهاي ELF زمين توسط ماهواره روسي cosmos و ماهواره فرانسوي 3Aureoپيش از وقوع زلزله به بزرگي 6 ريشتر و همچنين پس از آن دراين منطقه مشاهده شدهاند كه شواهدي بر دقت اين روش در پيشبيني يك زلزله ميباشند ليكن به دليل اينكه اين ماهواره ها جهت بررسي اين نوع سيگنالها در نظر گرفته نشده بودند لذا جزئيات دقيقتري از روند تغييرات سيگنالهاي ELF دراين دو مورد خاص در دست نميباشد.
منابع
Brace, W.F., and Orange, A.S., 1966, Electrical resistivity changes in saturated rock under stress: Science, 153, 1529-1531.
http://www.sciencemag.org
Brace, W.F., and Orange, A.S., 1968a, Electrical resistivity changes in saturated rocks during fracture and frictional sliding: Journal of Geophysical Research, 73, 433-1445.
www.agu.org/journals/jd
Brace, W.F., and Orange, A.S., 1968b, Further studies of the effects of pressure on electrical resistivity of rocks: Journal of Geophysical Research, 73, 5407-5420.
www.agu.org/journals/jd
Brace, W.F., Orange, A.S., and Madden, T.R., 1965, The effect of pressure on the electrical resistivity of water-saturated crystalline rocks: Journal of Geophysical Research, 70, 5669-5678.
www.agu.org/journals/jd
Nagata, T., 1969, Tectonomagnetism: International Assoc. Geomagn. Aeron. Bull., 27, 12-43.
Rikitake, T., 1976, Earthquake prediction: Elsevier scientific publication company
http://books.google.com
دكتر بهروز اسكوئي، boskooi@ut.ac.ir
مدير كارگروه تخصصي الكترومغناطيس،
مركز مطالعات پيش نشانگرهاي زلزله موسسه ژئوفيزيك دانشگاه تهران
نشانی: تهران، انتهاي كارگر شمالي، بالاتر از بزرگراه شهيد آيتالله حكيم، ساختمان شماره 2 مؤسسه ژئوفيزيك، مركز مطالعات پيشنشانگرهاي زلزله