پویایی زمین
پوستهٔ زمین برخلاف ظاهر ساکنش هرگز آرام نمی‌گیرد. ورقه‌های سنگ‌کره پیوسته و بسیار آهسته به هم فشار می‌آورند، از هم فاصله می‌گیرند یا کنار هم می‌لغزند. نتیجهٔ این کشمکش خاموش همان چیزهایی است که این فصل به آن‌ها می‌پردازد: شکستگی‌ها، زمین‌لرزه‌ها، چین‌خوردگی‌ها و آتشفشان‌ها.
درزه و گسل
هر دو شکستگی سنگ‌اند و تفاوتشان در یک کلمه خلاصه می‌شود: جابه‌جایی. در درزه دو طرف شکستگی نسبت به هم جابه‌جا نشده‌اند؛ در گسل جابه‌جا و لغزیده‌اند.
وقتی سطح گسل مایل باشد، طبقاتی که روی این سطح قرار گرفته‌اند فرادیواره و طبقاتی که زیر آن‌اند فرودیواره نام دارند. زاویهٔ میان سطح گسل و افق، شیب سطح گسل است و می‌تواند بین صفر تا ۹۰ درجه باشد. اگر سطح گسل کاملاً قائم باشد، اصلاً فرادیواره و فرودیواره تعریف نمی‌شود.
| نوع گسل | نوع تنش | حرکت فرادیواره نسبت به فرودیواره |
|---|---|---|
| عادی | کششی | به سمت پایین |
| معکوس | فشاری | به سمت بالا |
| امتدادلغز | برشی | افقی، در امتداد سطح گسل |
برای تشخیص نوع گسل از روی یک شکل، سه گام را به ترتیب طی کن: اول سطح گسل را پیدا کن، بعد فرادیواره و فرودیواره را مشخص کن، و سرانجام حرکت نسبی فرادیواره را بسنج. تصویری که این را ماندگار می‌کند، اسکیت‌سواری است روی یک رمپ شیب‌دار: سطح شیب‌دار همان سطح گسل است، خود اسکیت‌سوار فرادیواره و زمینی که پایه‌های رمپ رویش تکیه دارد فرودیواره. سُر خوردن اسکیت‌سوار به پایین یعنی گسل عادی؛ هُل داده شدنش به بالا یعنی گسل معکوس.
یک میان‌بُر مفید هم وجود دارد که با سن لایه‌ها کار می‌کند: در گسل معکوس فرادیواره از فرودیواره قدیمی‌تر است و در گسل عادی جدیدتر. با این قاعده می‌توان نوع گسل را تشخیص داد، حتی وقتی جهت حرکت در تصویر مشخص نباشد.
زمین‌لرزه
کانون نقطه‌ای درون زمین است که انرژی زمین‌لرزه از آنجا آزاد می‌شود، و مرکز سطحی یا رومرکز نقطه‌ای در سطح زمین درست بالای کانون. بیشترین خسارت معمولاً در مرکز سطحی رخ می‌دهد و با دور شدن از آن کم می‌شود؛ هرچه کانون کم‌عمق‌تر باشد، آسیب سطحی بیشتر است.
سنگ‌های سنگ‌کره رفتاری الاستیک دارند: تا وقتی نیروی وارد شده از حد مقاومتشان کمتر باشد فقط خم می‌شوند، اما همین‌که تنش از آن حد فراتر برود سنگ می‌شکند و انرژی ذخیره‌شده یک‌باره به شکل امواج لرزه‌ای آزاد می‌شود. هر زمین‌لرزه سه مرحله دارد: پیش‌لرزه، لرزهٔ اصلی (معمولاً کمتر از یک دقیقه) و پس‌لرزه که انرژی باقی‌مانده را تخلیه می‌کند.
همهٔ زمین‌لرزه‌ها هم طبیعی نیستند؛ آزمایش‌های اتمی، انفجارهای معدنی و تخلیهٔ ناگهانی آب پشت سد می‌توانند زمین‌لرزه ایجاد کنند. اما شخم‌زدن زمین و آتش‌سوزی جنگل — برخلاف تصور رایج — سبب زمین‌لرزه نمی‌شوند.
ایران روی کمربند لرزه‌خیز آلپ-هیمالیا نشسته است؛ کمربندی که از کوه‌های آلپ تا هیمالیا و اندونزی امتداد دارد و محل برخورد ورقهٔ آسیا با ورقه‌های آفریقا، هند و عربستان است. به‌طور کلی بیشتر زمین‌لرزه‌های جهان در حاشیهٔ ورقه‌های سنگ‌کره رخ می‌دهند، نه در دل قاره‌ها.
امواج لرزه‌ای
امواج به دو دسته تقسیم می‌شوند: درونی (P و S) که مستقیم از کانون سرچشمه می‌گیرند، و سطحی (L و R) که از برخورد امواج درونی با سطح زمین و فصل مشترک لایه‌ها پدید می‌آیند.
| موج | نوع | ترتیب ثبت | جهت ارتعاش ذرات | محیط عبور |
|---|---|---|---|---|
| P | درونی | اول | موازی راستای انتشار | جامد، مایع، گاز |
| S | درونی | دوم | عمود بر راستای انتشار | فقط جامد |
| L | سطحی | سوم | عمود بر انتشار، موازی سطح زمین | — |
| R | سطحی | چهارم | دایره‌ای، خلاف جهت حرکت موج | — |
موج P سریع‌ترین موج است و مانند صوت رفتار می‌کند؛ سرعتش در جامد از مایع و در مایع از گاز بیشتر است و در سطح زمین بیشتر شکستگی ایجاد می‌کند. موج S فقط از جامد می‌گذرد و در بناها لرزش پدید می‌آورد؛ همین عبور نکردنش از مایع، مهم‌ترین دلیل زمین‌شناسان برای اثبات مایع بودن هستهٔ خارجی زمین است. موج L مانند خزیدن مار روی زمین حرکت می‌کند و موج R مانند امواج دریا، با نوسان دایره‌ای ذرات در خلاف جهت حرکت موج.
ادامهٔ فرمول را افقی ببیننکتهٔ مهم اینکه عامل اصلی تخریب، امواج سطحی‌اند نه امواج سریع‌تر درونی — چون دامنهٔ نوسان بسیار بزرگ‌تری دارند. به همین دلیل زمین‌لرزه‌های کم‌عمق، که امواج سطحی‌شان با دامنهٔ بزرگ‌تری به سطح می‌رسد، ویرانگرترند.
شدت و بزرگی: دو مقیاس متفاوت
شدت با مقیاس مرکالی (۱ تا ۱۲) سنجیده می‌شود، توصیفی و مشاهده‌ای است و به دستگاه نیاز ندارد؛ بر پایهٔ میزان خرابی تعیین می‌شود و با دور شدن از مرکز سطحی کاهش می‌یابد. ایراد اصلی‌اش همین ذهنی بودن است و در مناطق بدون سکنه اصلاً کاربرد ندارد.
بزرگی یا بزرگا با لرزه‌نگار و بر پایهٔ انرژی آزادشده اندازه‌گیری می‌شود و لگاریتم بزرگ‌ترین دامنهٔ ثبت‌شده در فاصلهٔ ۱۰۰ کیلومتری مرکز سطحی است. هر یک واحد افزایش بزرگی، دامنهٔ امواج را ۱۰ برابر و انرژی آزادشده را حدود ۳۱٫۶ برابر می‌کند.
تفاوت کلیدی این است که بزرگی خاصیت خودِ زمین‌لرزه است و در همهٔ نقاط زمین یکسان گزارش می‌شود، در حالی که یک زمین‌لرزهٔ واحد در نقاط مختلف شدت‌های متفاوتی دارد.
پیش‌بینی، فایده و ایمنی
هنوز هیچ روش علمی قابل اعتمادی برای پیش‌بینی زمان دقیق زمین‌لرزه وجود ندارد؛ آنچه زمین‌شناسان توانسته‌اند انجام دهند شناسایی مناطق لرزه‌خیز است. پیش‌نشانگرهایی مانند تغییر گاز رادون در آب‌های زیرزمینی، تغییر تراز آب‌های زیرزمینی، پیش‌لرزه، رفتار غیرعادی حیوانات و «ابر زمین‌لرزه» (بخار گرم خارج‌شده از گسل که سرد و به ابر تبدیل می‌شود) زیر نظرند، اما هیچ‌کدام قطعیت لازم را ندارند.
زمین‌لرزه در کنار خسارتش فایده هم دارد: شناخت ساختمان درونی زمین، کمک به پیش‌بینی آتشفشان، خروج انرژی درونی زمین، دسترسی به منابع معدنی، و شکل‌گیری رشته‌کوه و دره.
برای ایمنی، پیش از زلزله باید سیم‌های فرسوده و نشتی گاز بررسی شود، محل فیوز و شیر اصلی گاز و آب به خاطر سپرده شود، اشیای سنگین در طبقات پایین قفسه‌ها قرار گیرد و کیت اورژانسی آماده باشد. هنگام زلزله بهترین کار ماندن در همان‌جاست — زیر میز محکم یا کنار دیوار داخلی — چون بیشترین آسیب مربوط به رفت‌وآمد در حین لرزش است. پس از آن باید مراقب پس‌لرزه بود، رادیو را روشن کرد و در صورت بوی گاز شیر اصلی را بست و پنجره‌ها را باز کرد.
از نظر ساخت‌وساز، ترتیب مقاومت مصالح چنین است:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینساختمان سبک‌تر و متقارن‌تر مقاوم‌تر است؛ زمین شیب‌دار برای ساخت مناسب نیست؛ در و پنجرهٔ زیاد در یک طرف ساختمان آن را ضعیف می‌کند؛ ساختمان خشتی حداکثر یک طبقه مجاز است؛ و افزودن بخش جدید به ساختمان قدیمی بدون محاسبهٔ مجدد ممنوع است.
چین‌خوردگی
نیروهای فشاری همیشه به شکستن ختم نمی‌شوند؛ گاهی لایه‌های سنگی به‌جای شکستن خم می‌شوند. چین‌خوردگی حاصل تنش فشاری است و رشته‌کوه‌های البرز و زاگرس از همین راه شکل گرفته‌اند.
| نوع چین | توضیح | لایه‌های مرکز |
|---|---|---|
| تک‌شیب | ساده‌ترین نوع؛ لایه‌ها فقط از حالت افقی خارج می‌شوند | — |
| تاقدیس | قوس رو به بالا | قدیمی‌تر |
| ناودیس | قوس رو به پایین | جدیدتر |
مخازن نفت و گاز معمولاً در تاقدیس‌ها تجمع می‌یابند. گاهی هم یک نیروی واحد چند چین پی‌درپی (تاقدیس و ناودیس متوالی) می‌سازد.
آتشفشان
مواد خارج‌شده از آتشفشان سه دسته‌اند: جامد (تفرا)، مایع (گدازه) و بخارهای آتشفشانی.
تفرا ذرات جامدی است که از دهانه به هوا پرتاب می‌شوند: خاکستر (کوچک‌تر از ۲ میلی‌متر)، لاپیلی (۲ تا ۳۲) و قطعه‌سنگ و بمبِ دوکی‌شکل (بزرگ‌تر از ۳۲). از به‌هم‌چسبیدن تفرا سنگ آذرآواری با بافت متخلخل ساخته می‌شود، و اگر خاکستر در دریای کم‌عمق ته‌نشین شود سنگی لایه‌ای به نام توف پدید می‌آید — نمونهٔ ایرانی‌اش توف‌های سبز البرز که رنگشان از حضور آهن و کلر می‌آید.
رفتار گدازه را مقدار سیلیس آن تعیین می‌کند. سیلیس کمتر یعنی گدازهٔ روان‌تر و مخروط کم‌شیب‌تر؛ سیلیس بیشتر یعنی گدازهٔ اسیدی‌تر و گران‌روتر، آتشفشان انفجاری‌تر و مخروط پرشیب‌تر.
بخارهای آتشفشانی شامل بخار آب، کربن‌دی‌اکسید، اکسیدهای گوگردی، نیتروژن‌دار، کلردار و کربن‌مونوکسیدند؛ بیشترین حجم را ابتدا بخار آب و سپس کربن‌دی‌اکسید تشکیل می‌دهد. پس از پایان فعالیت اصلی، خروج گاز ممکن است سال‌ها ادامه یابد — به این مرحله فومرولی می‌گویند.
| وضعیت | نمونه |
|---|---|
| فعال | آتشفشان‌های اندونزی، پیناتوبو |
| نیمه‌فعال (فومرولی) | دماوند و تفتان |
| خاموش | سهند و سبلان |
جالب اینکه سبلان با وجود طبقه‌بندی «خاموش»، هنوز منبع انرژی زمین‌گرمایی است.
فعالیت آتشفشانی در رشته‌کوه‌های میان‌اقیانوسی، زنجیره‌ای جهانی به راه می‌اندازد: گسترش بستر اقیانوس، نزدیک شدن ورقه‌ها در جایی دیگر، برخورد در درازگودال‌های اقیانوسی، فرورانش و کوه‌زایی، و سرانجام فرسایش و رسوب‌گذاری. زمین در یک سو گسترده و در سوی دیگر جمع می‌شود، مثل نواری متحرک که هیچ‌گاه از کار نمی‌افتد.
فایده‌های آتشفشان کم نیست: پنجره‌ای به درون زمین، نقش در شکل‌گیری هواکره و آب‌کره، ساخت خاک حاصلخیز، تشکیل پوستهٔ اقیانوسی جدید، رگه‌های معدنی طلا و نقره و مس، چشمه‌های آب گرم، و انرژی زمین‌گرمایی — ایسلند بخش عمدهٔ انرژی‌اش را از این راه می‌گیرد و اولین نیروگاه زمین‌گرمایی ایران نزدیک سبلان در اردبیل است.
علوم مرتبط
ژئوفیزیک ساختمان درونی زمین و ذخایر معدنی را با امواج لرزه‌ای، مغناطیس زمین، مقاومت الکتریکی و شدت گرانش مطالعه می‌کند. زمین‌ساخت یا تکتونیک ساختارهای پوسته — گسل، درزه و چین — و نیروهای ایجادکنندهٔ آن‌ها را بررسی می‌کند.