جغرافیا : زلزله

از خاک چه می دانید؟

آیا تا به حال اندیشیده اید که محل ساختمان محل سکونت شما  بر چه نوع خاکی بنا شده است؟ ایا تا به حال در مورد اهمیت نوع خاک در پایداری سازه ها  اندیشیده ایم؟ ایا در هنگام ساخت ساختمانها به و ضعیت آبهای زیرزمینی و وجود حفره ها و کوره ها یا قناتها در نزدیکی ساختمان خود دقت کرده ایم؟ ایا تا به ساختمانهایی  که در کناره خاکبرداریها بنا شده اند نظر کرده ایم؟ایا به چگونگی خاک در محل شیب کوهها فکر کرده ایم؟

سوالات بسیاری  از این قبیل در اهمیت تاثیر وضعیت شرایط خاک در استحکام و پایداری ساختمانها چه در وضعیت ایستایی وچه بعد از وقوع زلزله قابل مطرح شدن است.پس بیایید ابتدا خاک رابهتر بشناسیم. بطورکلی خاکها از فرسایش سنگها و در دراز مدت تشکیل شده ، در محل خود رسوب کرده یا انتقال می یابند. خاکها دارای اندازه ذرات متفاوتی بوده و در یک تقسیم بندی بسیار کلی خاکها در طبیعت به صورت خاکهای رسی ،‌ سیلتی ، ماسه ای ، شنی و قطعات سنگی تقسیم می شوند.خاکهای سطحی عموما ترکیبی از خاکهای فوق و خاکهای نباتی می باشند. خاکها از لحاظ تراکم ساختمانی به شکل شل، نیمه متراکم و متراکم وجود دارند. خاکها علاوه بر تفاوت در ریزدانه و درشتدانه بودن دارای چسبندگی و قفل و بستهای متفاوتی می باشند. خاکهای رسی اشباع عموما دارای چسبندگی قابل توجهی بوده لیکن خاکهای سیلتی و ماسه ای از چسبندگی کمتری برخوردارند.  خاکهای مناطق مختلف ، بدلیل خصوصیات مختلف ، دارای استحکام و مقاومت های متفاوت هستند و همچنین در اثر بارهای وارده نشست های متفاوتی از خود بروز می دهند. بطور کلی وجود رطوبت در خاکها باعث کاهش پارامترهای مقاومتی می شود.
 قبل از احداث هر بنا چه ساختمان ساده چند طبقه و چه پلها ، تونلها ، سدها وغیره انجام عملیات شناسایی خاکها (عملیات شناسایی ژئوتکنیکی )  امری ضروری است .  امروزه مهندسین بیش از پیش به  اهمیت شناسایی خاکها قبل از احداث ساختمان بر آن پی برده اند.عملایت شناسایی خاکها به دو گروه عملیات شناسایی صحرایی و عملیات آزمایشگاهی تقسیم می شوند. در عملیات صحرایی عملیات حفاری دستی یا ماشینی و نمونه گیری ، شناسایی زمین  شناسی ،‌ شناسایی پارامترهای آب وهوایی و همچنین آزمایشهای درجای صحرایی و در آزمایشگاه ، آزمایشهای آزمایشگاهی انجام می گیرد. و در نهایت پس از بررسی ها و مطالعات مقدار مقاومت خاک برای پی  ها ی مختلف ارائه می شود. این مطالعات در عملیات ساختمان سازی ار اهمیت بسزایی برخوردار می باشد و با توجه به این مطالعات می توان  پی و فونداسیون مناسب را با توجه به بارهای وارده تعیین نمود. پی ها به طور کلی به دو گروه پی های سطحی و پی های عمیق تقسیم می شوند. پی های سطحی همان پی های متداول در شهرها هستند که به صورت پی تک ، نواری و گسترده(رادیه) می باشند

 پی های عمیق همان شمعها می باشند که در شزایطی که مقاومت خاک برای پیهای سطحی کفایت نمی  کند از این پی استفاده می شود.این نکته لازم به ذکر است که تعیین نوع پی هم به نوع سازه و هم به مقاومت خاک بستگی دارد. بنابراین ممکن است برای دو ساختمان کاملا مشابه در دو محل خاکی متفاوت پی های متفاوت پیشنهاد شود.

در آخر باز متذکر می شویم که پیش از ساخت سازه ها به مسئله خاک آن توجه کنیم. سازه خود را بر هر خاکی ننهیم ، قبل ساخت سازه ها در دامنه شیبها با متخصص آن مشورت کنیم  و بدانیم هز قدر سازه ما محکم باشد اگر بر خاکی ضعیف بنا شود ، در اینده با مشکل مواجه خواهد شد.

دلیل پیدایش زمین لرزه:

طبق آخرین بررسیهای به عمل آمده، سطح کره زمین از 12 صفحه برزگ به نام Plate تشکیل شده است که این صفحات ساکن نبوده و جابجا می شوند و در طی جابجایی خود به همدیگر نیرو وارد کرده و این نیروها بتدریج در کناره ها یا داخل این صفحات انباشته شده و در نهایت به صورت زمین لرزه آزاد می گردد. دلیل حرکت این صفحات، جریان همرفتی ای است که در زیر این پوسته ها و در قسمت مایع کره زمین وجود دارد. همانطور که می دانید، داخل کره زمین بصورت مذاب است، و دمای این مایع مذاب در همه جای آن یکسان نیست و این گرادیان دما باعث  جابجایی در این مایع می گردد. پوسته ها نیز که درواقع بر روی این ماده مذاب شناور هستند، دچار جابجایی می شوند.

از میان نظریات گوناگونی که در رابطه با منشاء زمین لرزه ها ارائه شده است، نظریه ای وجود دارد به نام نظریه "بازگشت کشسان" که ازجامعیت بیشتری برخوردار است.

بر اساس این نظریه عامل ایجاد تغییر شکل در سنگها ایجاد شکستگی در آنها و زمین لرزه در آنها , معمولا نیروهای افقی جهت داری است که در اثر حرکت و جابجایی ورقه های سنگ کره (پلیت ها) ایجاد می شود. در بسیاری موارد بر اثر انباشته شدن زیاده از حد انرژی در سنگ، حرکاتی در امتداد شکستگی ها و گسل های قبلی موجود در سنگ روی می دهد و در ضمن رها شدن انرژی ذخیره شده، زمین لرزه هایی بوجود می آید. به همین دلیل در زمان بررسی لرزه خیزی یک منطقه باید تاریخچه لرزه ها و گسل های فعال و لرزه زا را مورد بررسی قرار داد. البته باید توجه نمود که در یک زمین لرزه، تمام طول گسل جابجا نمی شود بلکه بخشهایی از آن مقاومت می نمایند. این بخشهای به ظاهر فاقد جابجایی ممکن است در زمانی دیگر گسیخته شده و زمین لرزه ای را به وجود آورند، علاوه بر این بر اثر آتشفشانها، ریزش سقف غارها و معادن، ایجاد بهمن، برخورد شهاب سنگها، فعالیتهای بشری و ... نیز زمین لرزه هایی ایجاد شود که درصد ناچیزی از زمین لرزه های معمولا کوچک را تشکیل می دهند. بسیاری از زمین لرزه ها با تعدادی حرکات ضعیف تر در پیش از زمین لرزه اصلی  و پس از حرکت اصلی همراهند که به نامهای پیش لرزه و پس لرزه خوانده می شوند.

·         نظریه بازگشت کشسان

بر طبق این نظریه نیروهای فعالی که سبب تغییر شکل پوسته زمین هستند, موجب تغییر شکل صفحه ها (خمشدگی، کشیدگی و فشردگی)، اصطکاک بین صفحه های برخورد کننده، گرادیان (تفاوت) بالای دما و ... می شوند به طرز قابل توجهی در افزایش تنش نقش دارند این نیروها در قسمتهای سطحی که سنگها رفتار خمیدگی کمتری از خود نشان می دهند، به تدریج باعث تغییر شکل کشسان سنگها می شوند. زمانی که میزان تغییر شکل کشسان از لایه ها، به حالت اولیه خود باز می گردند.  ترک خوردن سنگ معمولا از نقطه ی کانون شروع و با سرعت حدود 3 کیلومتر بر ثانیه در امتداد صفحه منتشر می شود. به این ترتیب انرژی ای که به صورت "تنش کشسان" در سنگ ذخیره شده بود به طور ناگهانی آزاد شده و زمین لرزه را ایجاد می نماید.

در نتیجه تعریف کلی ای که می توان برای زلزله در نظر گرفت این است:

زلزله عبارتست از لرزش زمین در اثر آزاد سازی سریع انرژی که اغلب موارد در اثر لغزش در امتداد یک گسل در پوسته زمین اتفاق می­افتد. انرژی آزاد شده از محل آزاد شدن آن، که کانون نامیده می شود، بصورت امواج در همه جهت ها منتشر می شود. این موجها شباهت بسیار زیادی به امواج ایجاد شده در اثر فروافتادن یک سنگ در آب آرام یک حوضچه دارد. به همان ترتیب که ضربه سنگ باعث به جنبش درآوردن امواج آب می شود، یک زلزله امواج لرزه­ای را ایجاد می­کند که در زمین منتشر می شوند. با وجود اینکه انرژی آزاد شده با فاصله گرفتن از کانون زلزله به سرعت پراکنده شده و میرا می شود(انرژی خود را از دست می دهد.) ، ولی ابزارهای بسیار حساسی که در سراسر جهان بمنظور ثبت ارتعاشات پوسته زمین نصب شده اند، آن را حس کرده و ثبت می کنند.

زلزله ها بر اساس منشاء ایجاد آنها (چشمه‌های لرزه‌ای) به چند دسته تقسیم بندی می شوند که در زیر به بررسی آنها می پردازیم.

زمین‏لرزه‌ها ممکن است به طور طبیعی پدید ایند و یا بر اثر رویدادهای ساخت بشر به وقوع بپیوندند. براساس دلیل پیدایش، آنها را به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌نمایند.

1- رویدادهای طبیعی

• زمین‏لرزه‌های زمین‌ ساختی
• زمین‏لرزه‌های آتش فشانی
• زمین‏لرزه‌های فروریختی
• زمین‏لرزه‌های اقیانوسی

2- رویدادهای ساخت بشر

• - زمین‏لرزه‌های القایی
• - زمین‏لرزه‌های ناشی از رویدادهای کنترل شده

 

·         زمین‏لرزه‌های زمین‌ساختی :

یکی از انواع لرزه با منشاء طبیعی است که بر اثر رهاشدن ناگهانی انرژی ذخیره‌ شده، در اثر برهم‌ کنش چند صفحه‌ی پوسته ایجاد می‌شود.

·         زمین‏لرزه‌های آتشفشانی:

این نوع زمین‏لرزه بر اثر بازشدن ناگهانی کانالهایی در پوسته زمین، حرکات سریع ماگما، فروریختن سقف کانالهای زیرزمینی و مخازن تخلیه شده از ماگما و یا بر اثر ترکم بیش از اندازه‌ی گاز و فشار ناشی از آن و... ایجاد می‌شود. کانون این زمین لرزه‌ها ممکن است بسیار عمق داشته باشد، اما گاهی بر روی زمین روی می‌دهند که به نام زمین لرزه‌های انفجاری خوانده می‌شوند.

·         زمین‏لرزه‌های فروریختی:

بر اثر فروریختن غارها و کانال های زیرزمینی، لرزه‌هایی ایجاد می‌شود که به نام زمین‏لرزه‌های فروریختی موسومند. این تکان ها همواره بسیار کوچکند و تنها اهمیت محلی دارند.

·         زمین‏لرزه‌های القایی:

بر اثر آبگیری یا تغییرات ناگهانی سطح آب دریاچه‌های پشت سدها، تزریق آب یا سیالهای دیگر به داخل زمین و یا استخراج آنها، مخصوصاً در جاهایی که گسلهای فعال وجود دارد زمین‏لرزه‌هایی ایجاد می‌شود. در واقع دلیل اصلی این لرزه‌ها را می‌توان بارگذاری سریع برروی زمین و یا برداشتن ناگهانی بار زیادی از روی آن ذکر کرد. این لرزه‌ها به نام القایی موسومند. لرزه‌های ناشی از معادن نیز در این دسته قرار می‌گیرند. به عنوان مثال می‌توان به زمین‏لرزه‌ای که د ر ارتباط با آبگیری و تغییرات فصلی سطح آب دریاچه سفیدرود روی داد اشاره نمود.

·         زمین لرزه های ناشی از رویدادهای کنترل شده :

انفجارهای نظامی و صنعتی، همچنین آمدو شد و یا فعالیت‌های ساختمانی نیز لرزه‌هایی را ایجاد می‌نمایند که شدت، زمان وقوع و محل آنها قابل پیشبینی است . این نوع لرزه‌ها به نام لرزه‌های ناشی از رویدادهای کنترل شده موسوم اند.

مفاهیم زلزله:

موج های لرزه ای:

بطور کلی پس از اینکه در داخل زمین زلزله ای به وجود آمد و انرژی زمین آزاد شد، این انرژی آزاد شده به صورت امواج ارتعاشی در کلیه جهات منتشر می شوند و انرژی زلزله را با خود منتقل می نمایند. امواج زمین لرزه با توجه به حرکتشان در داخل یا سطح زمین به دو دسته "امواج داخلی یا پیکری" و "امواج سطحی" تقسیم می شوند.

امواج سطحی بیشترین انرژی ناشی از لرزه های کم عمق را دارا بوده و عامل اصلی خرابی های ناشی از زمین لرزه بخصوص در مناطق مسکونی می باشند. این گروه از امواج پس از تداخل موجهای داخلی در امتداد حدفاصلها، شروع به ارتعاش کرده و عمق نفوذ محدودی دارند، از این رو همواره در نزدیکی سطح های ناپیوستگی متمرکز می شوند. بدین جهت در محیطهای همگن و محیط های نامحلول موجهای سطحی نخواهیم داشت. این امواج به نامهای موجهای محدود شده و یا موجهای هدایت شده نیز معروفند و خود به گروههای مختلفی چون "موج لاو" و  "امواج ریلی"  تفکیک می گردند.

امواج داخلی یا پیکری دسته دیگری از امواج لرزه ای هستند که در درون زمین حرکت کرده و در تمامی جهات منتشر می شوند و با سرعتی بیش از موجهای سطحی حرکت می نمایند. امواج داخلی نیز به دو گروه امواج طولی یا اولیه و امواج عرضی یا ثانویه قابل تقسیم هستند.

این امواج توسط ویژگیهایی چون سرعت، دامنه، طول موج، دوره تناوب و فرکانس از یکدیگر تمییز داده می شوند.

انواع موج درونی (Body Wave) :

1- امواج تراکمی P یا اولیه (Primary Waves) :

امواج تراکمی از همه محیطهایی که توان تحمل فشار را دارند از جمله گازها و مایعات عبور می کنند. ذراتی که تحت تاثیر موج P قرار می گیرند در جهت انتشار موج به جلو یا عقب نوسان می کنند. در صورتی که بخشی از یک فنر را جمع کرده و به طور ناگهانی رها کنیم، فشردگی تمام طول فنر را طی خواهد کرد تا به انتهای آن برسد. در این مثال فنر در راستای حرکت موج به ارتعاش درآمده است که بسیار شبیه به نحوه انتشار امواج P است. دلیل نامگذاری این امواج به نام امواج اولیه سرعت بالای این امواج می باشد، چرا که اولین موجی که از زلزله احساس می شود امواج P هستند. این امواج با وجود سرعت بالای انتقال، چون بسیار سریعتر از سایر امواج دیگر میرا می شوند باعث ایجاد خرابی زیادی در زلزله ها نمی شوند.

 

2- امواج برشی S یا عرضی (Shear Waves or Secondary waves) :

این امواج تنها در محیط هایی که می توانند در برابر تغییر شکل جانبی مقاومت کنند - مانند محیط های جامد - منتشر می گردند. این امواج در مایعات و گازها نمی توانند منتقل شوند. در صورتی که یک طناب را به دیواری متصل کرده و سر دیگر آن را در دست گرفته و به صورت قائم حرکت دهیم، در طناب موجی ایجاد می شود شبیه امواج S می باشد. در این امواج ارتعاش ذرات محیط عمود بر جهت حرکت موج می باشد (همانطورکه در مثال طناب دیده می شود، موج در امتداد طول طناب حرکت می کند در حالی که ذرات طناب در جهت عمود بر طول طناب ارتعاش می کنند).

 

امواج سطحی (Surface Waves) :

1- امواج رایلی LR - Rayleigh Waves :

این امواج به نحو خاصی حرکت می کنند. بدین ترتیب که حرکت ذرات در امتداد مدارهای دایره ای (یا بیضوی) صورت می گیرد. درست مانند حرکت امواج در سطح اقیانوس البته جهت حرکت دایره ها برخلاف حرکت امواج اقیانوس است به عبارتی حرکات ذرات سنگ، مدار بیضوی پسگرد را در صفحه قائمی به طرف منشاء زمین لرزه طی می کنند.

 

2 - امواج لاو LQ - Love Waves :

حرکت زمین توسط موج لاو، تقریبا شبیه موج S است با این تفاوت که ذرات ماده به موازات سطح زمین و در جهت عمود بر انتشار موج حرکت کرده و ذرات در صفحه قائم حرکت ندارند. انتشار این امواج مانند تکانهایی است که بر اثر حرکت طناب به سمت چپ یا راست ایجاد می شود. موجهای لاو قدری سریعتر از امواج رایلی حرکت کرده و زودتر بر روی لرزه نگاشت ظاهر می شوند.

 

گسله

گسلها شکستگیهایی در پوسته زمین هستند که در طول آنها تغییر شکلهای قابل توجهی ایجاد شده است. بدین مفهوم که زلزله های پیشین، باعث ایجاد این شکستگیها و جابجائی ها گردیده است. گاهی اوقات گسلهای کوچک در ترانشه های جاده، جائی که لایه های رسوبی چند متر جابجا شده اند، قابل تشخیص هستند. گسلهایی در این مقیاس و اندازه معمولا بصورت تک گسیختگی جدا اتفاق می­افتد. در مقابل گسلهای بزرگ، شامل چندین صفحه گسل درگیر می­باشند مانند گسل شمال تهران و گسل شمال تبریز. این منطقه های گسله، می­توانند چندین کیلومتر پهنا داشته باشند و معمولا از روی عکسهای هوایی راحت تر قابل تشخیص هستند تا سطح زمین. بر اساس جهت جابجایی گسلها,گسلهای امتداد لغز و گسلهای شیب لغز تعریف می­شوند.

 

خطرات ناشی از یک زلزله:

عواملی که در یک زلزله باعث ایجاد خسارت میگردند عبارتند از:

1-    نیروهای درونی شدید ایجاد شده بر اثر جنبش شدید زمین

2-    آتش سوزی های ناشی از زمین لرزه

3-    تغییر در خواص فیزیکی خاکها ( نشستها، پدیده آبگونگی و ... )

4-    بر اثر جابجائی مستقیم گسلها در محل ساخت سازه ها

5-    بواسطه زمین لغزشها ( زمین لغزش عبارتست از فروریزش دامنه شیبها )

6-    بواسطه موجهای بلند ایجاد شده توسط زلزله در دریاها ( آبرانش )

 

اندازه گیری زمین لرزه:

برای آگاهی از میزان تاثیر هر پدیده لازم است تا بتوانیم به نحوی آن را بصورت کمی بیان کنیم. برای کمی کردن اندازه زلزله، از دو رهیافت مختلف استفاده می­شود؛ یک رهیافت بر اساس اندازه گیری دستگاهی (بزرگای زلزله) و دیگری بواسطه تاثیر پذیری دست سازهای بشر از زلزله (شدت زلزله). شدت زلزله در هر مکان متفاوت است و با دور شدن از کانون زلزله کم می شود، در حالی که بزرگای زلزله همواره ثابت است و ربطی به دور شدن از کانون ندارد (چرا که با کل انرژی آزاد شده مربوط است).

شدت زمین لرزه:

شدت یک زلــزله در یک مکــان خاص بــر مبنای اثرهای قابل مشاهده زمین لرزه در آن مکان تعیین می شود. دقت در تعیین شدت زلزله به دقت مشاهده کننده وابسته است. تخمین شدت وسیلة مفیدی برای تخمین اندازة زلزله های تاریخی است، بویژه در ناحیه هایی نظیر کشور ما که کشوری باستانی و با میراث تاریخی و  فرهنگی کهن است و لذا اطلاعات مهمی می توان از زلزله های رویداده در زمانی که ثبت تاریخی وجود دارد به دست آورد.  مقیاسهای مختلفی برای تعیین شدت زمین لرزه همانند مقیاس مرکالی اصلاح شده، MSK، EMS98 و ... ارائه شده است.

تعیین شدت زمین لرزه بدین ترتیب است که برای هر کدام از مقیاسها جدولی تهیه شده است و بر اساس آن میزان آسیبهای ناشی از زلزله بر سازه های مختلف ارائه گردیده است و مشاهده گر با تطبیق خسارتهای بوجود آمده از زلزله با موارد ذکر شده در جدول، شدت زلزله را تعیین می­کند.

بزرگای زلزله:

بمنظور اندازه گیری زمین لرزه و بدست آوردن معیاری برای مقایسه و سنجش زمین لرزه ها، از بزرگای زلزله استفاده می­شود که می­توان آن را با در نظر گرفتن دامنه نوسانات روی نگاشت محاسبه نمود. مقیاسهای متفاوتی برای اندازه گیری بزرگای زلزله وجود دارد. اولین مقیاس بزرگا، توسط چارلز ریشتر در سال 1935 برای زلزله های جنوب کالیفرنیا تعریف شد که بزرگای محلی یا M_L  نامیده می­شود. علاوه بر مقیاس ریشتر، مقیاسهای مختلف دیگری نیز وجود دارند که هر کدام کاربردهای خاص خود را در مهندسی زلزله و زلزله شناسی ایفا می­کنند. هر زلزله فقط و فقط یک بزرگا دارد و بزرگا با فاصله از محل وقوع زلزله تغییر نمی یابد.

 ساختار درونی زمین:

پدید آمدن زلزله های اخیر که حاصل جابجایی در پوسته زمین است، و انفجار مواد مذاب از یک آتشفشان فعال، تنها نمایشگر قسمتهای پایانی از یک پروسه طولانی است که ساختار کنونی کره زمین را بوجود آورده است. پدیده­های زمین شناسی که در داخل زمین اتفاق می­افتند تنها در سایه توجه به تاریخچه کره زمین و نحوه تغییرات آن در طول سالیان کهن قابل شناخت است.در ابتدای پیدایش کره زمین، بدلیل بالا بودن دمای آن، تمام مواد تشکیل دهنده آن بصورت مذاب بودند که به دلیل تفاوت در وزن و چگالی این مواد، سه لایه اصلی در سطح زمین پدید آمده است. این تقسیم بندی بر اساس تفاوت خصوصیات شیمیایی مواد تشکیل دهنده آن قابل تشخیص است:

1- پوسته:

پوسته کره زمین لایه نسبتا کم عمقی است که این لایه سنگی سطحی، به دو نوع کلی تحت عنوان پوسته قاره­ای و پوسته اقیانوسی طبقه­بندی می­شود. پوسته اقیانوسی حدود 7 کیلومتر ضخامت داشته و از سنگهای آذرینی تحت عنوان "بازالت" تشکیل شده است. در مقابل ، پوسته قاره ای دارای ضخامت متوسط 35-40 کیلومتر است ولی در برخی مناطق کوهستانی ممکن است از 70 کیلومتر نیز تجاوز نماید. برخلاف پوسته اقیانوسی، که از مواد شیمیایی یکنواختی تشکیل شده است، پوسته قاره­ای شامل انواع مختلفی از سنگها می­باشد. قسمت فوقانی پوسته قاره­ای از سنگهای گرانیتی تشکیل شده، در حالی که قسمت تحتانی آن شبیه بازالت است.

2- گوشته:

بیش از 82%  از حجم زمین در گوشته قرار دارد که یک ورقه جامد و سنگی را تا عمق 2900 کیلومتری تشکیل می­دهد. مرز بین پوسته و گوشته، تفاوت فاحشی را در مشخصات شیمیایی نشان می­دهد.

3- هسته :

تصور می­شود که ترکیب اصلی هسته از آلیاژ آهن- نیکل با مقادیر کمی از اکسیژن، سیلیکون و سولفور باشد. به دلیل فشار زیاد در هسته مواد تشکیل دهنده آن دارای چگالی بالایی حدود 14 برابر چگالی آب در سطح زمین هستند. مشخصه داخل کره زمین افزایش تدریجی دما، فشار و چگالی مواد تشکیل دهنده با افزایش عمق است. برآورد می­شود که دما در عمق 100 کیلومتری بین 1200 تا 1400 درجه سانتیگراد باشد، درحالی که دما در مرکز کره زمین ممکن است از 6700 درجه سانتیگراد نیز تجاوز نماید. افزایش تدریجی در دما و فشار با عمق، مشخصات فیزیکی و در نتیجه رفتار مکانیکی مواد تشکیل دهنده زمین را تحت تاثیر قرار می­دهد. وقتی ماده­ای تحت گرما قرار می­گیرد، اتصالات شیمیایی آن ضعیف شده و مقاومت مکانیکی آن کاهش می­یابد و درصورتی که دما از نقطه ذوب ماده مورد نظر فراتر رود اتصالات شیمیایی شکسته شده و پدیده ذوب اتفاق می­افتد. اگر دما تنها معیار تعیین کننده ذوب مواد بود در این صورت باید کره زمین تبدیل به یک توپ مذاب با یک پوسته نازک جامد می­شد. درحالی که فشار نیز با عمق افزایش می­یابد و تمایل دارد که مقاومت سنگ­ها را افزایش دهد.

بر اساس مشخصات فیزیکی و مقاومت مکانیکی میتوان زمین را به 5 لایه مختلف تقسیم بندی نمود:

لیتوسفر ، استنوسفر، مزوسفر یا گوشته پایینی،  هسته بیرونی و هسته درونی.

 لیتوسفر(سنگ کره):

بر اساس مشخصات فیزیکی، لایه بیرونی کره زمین شامل پوسته و لایه خارجی گوشته است که تشکیل دهنده یک لایه نسبتا سرد و صلب می باشند درحالی که این لایه­ها از مواد متفاوت شیمیایی تشکیل شده است، ولی به لیل سرد بودن و مقاوم بودن رفتار واحدی را از خود نشان می­دهد.لیتوسفر در قسمت قاره­ای بطور متوسط 100 کیلومتر ضخامت دارد ولی ممکن است به بیش از 250 کیلومتر در زیر قسمتهای قدیمی قاره­ها برسد. در زیر اقیانوسها ضخامت لیتوسفر از چند کیلومتر در قسمت رشته کوه های اقیانوسی تا حدود 100 کیلومتر در قسمتهای قدیمی­تر و سردتر پوسته اقیانوسی می­رسد.

 استنوسفر:

در زیر لیتوسفر و در قسمت فوقانی گوشته، تا عمق 660 کیلومتر، یک لایه نرم و نسبتا ضعیف قرار دارد که به عنوان استنوسفر شناخته می­شود. قسمت بالای استنوسفر  دارای چنان دما و فشاری است که منجر به ذوب بسیار اندکی از این لایه ­می­شود. در برابر این ناحیه ضعیف، لیتوسفر جدا از لایه زیرین خود است و نتیجه این جدا بودن حرکت مستقل لیتوسفر نسبت به استنوسفر است.

 مزوسفر یا گوشته پایینی:

  زیر ناحیه ضعیف استنوسفر، افزایش فشار اثر دمای بالا را خنثی کرده و سنگها تا حدودی با افزایش عمق مقاومتر می­شوند. در عمق 660 کیلومتر تا 2900 کیلومتر یک لایه صلب­تر به نام مزوسفر ( کره میانی ) یا گوشته پایینی یافت می­شود. برخلاف مقاومت آنها، سنگهای مزوسفر همچنان گرم بوده و توانایی جریان یافتن را دارا می­باشند.

هسته داخلی و خارجی:

هسته که تشکیل یافته از آلیاژ آهن -  نیکل می­باشد، به دو لایه تقسیم می­شود که مقاومت مکانیکی کاملا متفاوتی را نشان می­دهند. هسته خارجی یک لایه مایع به ضخامت 2270 کیلومتر می­باشد. ثابت شده است که جریان آهن مذاب در این لایه باعث ایجاد میدان مغناطیسی در کره زمین است. هسته داخلی یک کره به شعاع 3486 کیومتر است. برخلاف دمای بالاتر هسته داخلی، مواد تشکیل دهنده آن مقاوم تر هستند.

 زمین پویا:

زمین یک کره متحرک است! اگر ما بتوانیم صد میلیون سال به عقب برگردیم، چهره زمین را با آنچه که امروز می­بینیم کاملا متفاوت خواهیم یافت. هیچ اثری از کوههای آلپ یا خلیج مکزیک نخواهد بود، در عوض قاره­هایی در ابعاد، اشکال و موقعیتهای متفاوتی خواهیم یافت. بر خلاف زمین در چند میلیارد سال گذشته هیچ تغیر اساسی در سطح کره ماه به وجود نیامده است (فقط چند گودال اضافه شده است).

 تئوری صفحه زمین ساخت:

در طول چند دهه اخیر درباره کره متغیرمان مطالب بسیار زیادی آموخته­ایم. در این مدت تحولی عظیم در فهم ما از زمین بوجود آمده است. این تحول در ابتدای قرن بیستم با ارائه پیشنهاد مربوط به جابه جایی قاره­ای- تئوری ای  که بیان می­کند قاره­ها بر روی کره زمین حرکت می­کنند - آغاز گردید. این مطلب با فرض ثابت بودن قاره­ها و کف اقیانوسها که تا آن زمان مورد قبول بود در تضاد اساسی قرار داشت و به همین دلیل نیز 50 سال طول کشید تا داده کافی برای اثبات این نظریه جمع آوری شود.بر اساس تئوری صفحه زمینساخت، پوسته خارجی صلب زمین (لیتوسفر) به تکه­های متعددی شکسته شده است که هرکدام از آنها صفحه(Plate) نام دارند که در حال حرکت بوده و بصورت بی­وقفه تغییر شکل و اندازه می­دهند. همانگونه که در شکل 1 و شکل 2 مشاهده می­شود، هفت صفحه اصلی در لیتوسفر شناخته شده است. این صفحات عبارتند از: آمریکای شمالی، آمریکای جنوبی، اقیانوسیه، آفریقا، اوروآسیا، استرالیا و قطب جنوب.

شکل 1: صفحات اصلی سازنده سطح کره زمین

شکل 2: صفحات اصلی سازنده سطح کره زمین

صفحات با ابعاد متوسط مانند کاراییب، نازکا، فیلیپین، عربی، کوکوس و صفحه اسکاتیا هستند و علاوه بر آنها صفحات متعددی با ابعاد کوچکتر شناخته شده است. توجه نمایید که یک صفحه بزرگ ممکن است شامل یک قاره کامل و سطح بزرگی از کف دریا باشد (مانند صفحه آمریکای جنوبی). در حالی که هیچ صفحه­ای دقیقا بر اساس مرز یک قاره شناخته نشده است.صفحات سنگ کره با سرعت بسیار پایین ولی بطور مداوم نسبت به هم درحال حرکت هستند که بطور متوسط 5 سانتیمتر در سال است.

 این حرکت به دلیل توزیع نامساوی حرارت در داخل کره زمین است. مواد داغ که در عمق گوشته قرار دارند، به آرامی به سوی بالا حرکت می­کنند و به عنوان یکی از سیستمهای همرفت درونی سیاره عمل می­نمایند. همزمان، قطعات سردتر و چگالتر سنگ­کره در داخل گوشته فرو می­روند. درنهایت حرکت عظیم و کند صفحات سنگ کره منجر به ایجاد زمین لرزه­ها، آتشفشانها و تغییر شکل توده­های بزرگ سنگی به صورت کوه­ها می­گردد.
پدیده همرفت در داخل کره زمین همانند جریان همرفتی است که وقتی کتری پر از آب بر روی آتش قرار داده می­شود در آن اتفاق می­افتد. آب قسمت تحتانی آب قبل از قسمتهای دیگر گرم شده و در اثر انبساط چگالی آن کاهش می­یابد و این باعث جریان یافتن آب به سمت بالا شده و همزمان آب نسبتا سردتر از سطح آب به سمت کف کتری حرکت کرده و آب سرد و گرم جایگزین یکدیگر می­گردد.

مرز صفحات:

صفحات تشکیل دهنده سنگ کره بصورت یک توده بهم چسبیده، نسبت به یکدیگر در حال حرکت هستند. با وجود اینکه قسمتهای داخلی صفحات ممکن است متحمل مقداری تغییر شکل گردند، ولی تمام اندرکنشهای اصلی بین صفحات جداگانه، در طول مرز بین آنها اتفاق می­افتد. در حقیقت تلاشهای اولیه برای مشخص کردن مرز بین صفحات بر اساس محل وقوع زمین لرزه­ها بود. صفحات در مرزها سه رفتار کلی نسبت به هم دارند:

1- مرزهای دورشونده:

جایی که صفحات در نتیجه بالا آمدن مواد از گوشته از هم دور می­شوند و بستر جدیدی در اقیانوسها ساخته می­شود. جداشدگی صفحات، غالبا در رشته­کوههای میان اقیانوسی رخ می­دهد. شکافهای ایجاد شده در اثر دور شدن صفحات، بلافاصله با سنگهای مذاب که از استنوسفر بالا می­آید، پرمی­شوند. این مواد گرم، به آرامی سرد شده و بستر جدید اقیانوسی را تشکیل می­دهند. این پدیده میلیونها سال بطور مداوم تکرار می­شود و بدین ترتیب هزاران کیلومتر مکعب بستر جدید ایجاد می­گردد.این مکانیزم کف اقیانوس اطلس را در 160 میلیون سال گذشته پدید آورده است که به این پدیده "گسترش بستر دریا" اطلاق می­شود. سرعت بستر سازی در قسمتهای مختلف متفاوت است.

 این سرعت از 5/2 سانتیمتر در سال در اطلس شمالی تا 20 سانتیمتر در سال در قسمت شرقی اقیانوس آرام متغیر است. با اینکه بیشترین نرخ بستر سازی در مقیاس تاریخ بشر بسیار کند است، ولی کمترین نرخ تولید سنگ­کره به اندازه کافی سریع است که در طول 200 میلیون سال گذشته بستر تمام اقیانوسهای زمین را ایجاد کرده باشد. در حقیقت بستر تمام اقیانوسها که تعیین عمر شده­اند از 180 میلیون سال تجاوز نمی­کند.

شکل 3: مرزهای واگرا در محل رشته­کوههای اقیانوسی

شکل 4: تولید بستر اقیانوسی در مرزهای واگر

شکل 5: نحوه بالا آمدن سنگهای مذاب در مرزهای واگرا و تشکیل بستر جدید

2- مرزهای همگرا:

در این نواحی، صفحات به سوی هم حرکت می­کنند و در نتیجه پدیده فرونشست پوسته اقیانوسی در گوشته اتفاق می­افتد. همگرایی ممکن است در مرز تصادم دو پوسته قاره­ای نیز اتفاق بیفتد و باعث ایجاد سامانه­های کوهستانی گردد.درحالی که پوسته جدید در رشته­کوههای اقیانوسی اضافه می­شوند، سیاره زمین بزرگتر نمی­شود و مساحت سطحی آن همواره مقدار ثابتی باقی می­ماند. برای جادادن به پوسته تازه ایجاد شده، پوسته قدیمی اقیانوسی در طول مرزهای همگرا دوباره به گوشته بازمی­گردد. وقتی دو صفحه به هم می­رسند، یکی از صفحات به زیر صفحه دیگر خم شده و به زیر آن می­لغزد.  حاشیه­هایی از صفحات که پوسته اقیانوسی در حالا از بین رفتن است به نام "مناطق فرورانش" شناخته می­شوند. در این مناطق صفحه فرورفته درحال حرکت به سمت پایین، وارد محیط با دما و فشار بالا می­شود. مقداری از مواد فرو رفته و نیز مقدار بیشتری از استنوسفر که در بالای صفحه فرورفته قرار می­گیرد، ذوب شده و به سوی بالا حرکت می­کند.
 بندرت این سنگ مذاب ممکن است که به سطح زمین برسد و انفجارات آتشفشانی را ایجاد نماید. بهرحال بیشتر این مواد مذاب به سطح زمین نمی­رسد و در همان عمق جامد شده و به ضخیمتر شدن پوسته می­انجامند (شکل 6).

شکل 6: مرزهای همگرا و ناحیه فرورانش

3- مرزهای گسل امتدادلغز:

مرزهایی هستند که در آنها صفحات بصورت سایشی از کنار هم عبور می­کنند و هیچگونه فرسایشی در مرزها ایجاد نشده و پوسته جدیدی تولید و پوسته قدیمی نابود نمی­شود. این گسلها در جهت حرکت صفحات ایجاد شده  برای اولین بار در امتداد رشته­کوههای اقیانوسی یافت شدند. با وجود اینکه بیشتر گسلهای امتداد­لغز در طول رشته کوههای اقیانوسی قرار گرفته اند، تعدادی نیز در داخل قاره­ها وجود دارند. دو مثال از این گسلها، گسل سن­آندریاس در کالیفرنیا و گسل آلپین در زلاندنو می­باشد. در طول گسل سن آندریاس، صفحه "آرام" درحال حرکت به سمت شمال غربی نسبت به صفحه مجاور (صفحه آمریکای شمالی) است. حرکت درطول این مرز ناشناخته نمانده است، چرا که این حرکت باعث ایجاد کرنش در سنگهای دو سمت گسل می­گردد وگاهی سنگها, انرژی ذخیره شده را بصورت زلزله­های بزرگی رها می­کنند، مانند زلزله سال 1906 که سان فرانسیسکو را ویران کرد.

شکل 7: مرزهای امتداد لغز و امتداد گسل ایجاد شده

 تغییر شکل پوسته ای:

همانگونه که بیان شد، کره زمین یک سیاره پویا است که مواردی از قبیل هوازدگی، رانش زمین، و فرسایش توسط آب، باد و یخ بصورت مداوم چهره آن را تغییر می دهد. علاوه بر این نیروهای تکتونیکی (زمینساخت صفحه­ای) باعث تغییر در سنگهای پوسته زمین می شوند. با هر گامی که بر روی سطح زمین می­نهیم باعث ایجاد تغییر شکل در سطح خاک می شویم و پس از عبور ما، خاک به حالت اولیه خود بازمی­گردد، اما این تغییر شکل ها آنچنان اندک است که معمولا متوجه آن نمی شویم. این تغییر شکل ها در اثر نیروی محدودی است که به دلیل وزن ما به سطح زمین وارد می شود. اگر این نیرو زیاد باشد می تواند اثرات کاملا مشهودی ایجاد نماید. در این بخش به عوامل ایجاد تغییر شکل ها و نیز مکانیزم های تغییر شکل در اجسام و نیز پوسته زمین می­پردازیم.

 نیرو:

نیرو آن چیزی است که اجسام ثابت را به حرکت درمی­آورد و یا نحوه حرکت اجسام متحرک را تغییر می دهد. از تجربیات روزانه می­دانیم که اگر دری بسته (ساکن) باشد، باید به آن نیرو وارد کنیم تا باز شود (حرکت).

 تنش:

تنش مقدار نیرویی است که به واحد سطح وارد می شود. مقدار تنش به تنهایی تابعی از مقدار نیروی وارده نیست و به سطحی که نیرو به آن وارد می شود نیز وابسته می باشد. برای مثال اگر پای برهنه در حال راه رفتن بر روی سطح سختی باشید نیرو (وزن بدن شما) در سطح کف پای شما پخش می شود، لذا نیرویی که به هر نقطه از کف پای شما وارد می­شود کم است. اما اگر بر روی یک سنگ نوک تیز پا بگذارید، تمرکز تنش بر روی نقطه ای از کف پای شما بسیار زیاد خواهد شد. درواقع می توانید تنش را از میزان تمرکز نیرو بر روی سطح متصور شوید.

انواع تنش:

بر اساس جهت های مختلف نیروهای وارده، تنش های مختلفی ایجاد می­شود. بصورت خلاصه این تنشها عبارتند از:

1- تنش فشاری:

 در صورتی که نیروهای وارده باعث فشرده شدن جسم شوند تنش فشاری بوجود می آید. تنشهای فشاری تمایل دارند که صفحات سطح کره زمین را کوچکتر و ضخیمتر نمایند و این فرآیند با چین خوردگی و گسلش اتفاق می افتد.

 جهت اعمال نیروهای فشاری که منجر به فشرده شدن و ضخیمتر شدن صفحات پوسته می شود.

تنش کششی :

در صورتی که تنش وارده تمایل به کشیدن توده سنگی ( و یا هر جسمی که به آن اعمال می شود ) داشته باشد تحت عنوان تنش کششی شناخته می­شود که باعث طویل تر شدن آنها می­گردد.

 تنش برشی:

وقتی یک دسته کارت را بر روی زمین قرار دهید و با دست خود آنها را به جلو برانید نمونه ای از تنش برشی را بر آن ها وارد نموده اید. در صورتی که تنش برشی بر توده سنگها وارد گردد باعث لغزش صفحات در کنار یکدیگر می شود.

حال که با انواع عوامل ایجاد تغییر شکل آشنا شدیم، باید بدانیم که اجسام هم در مقابل عوامل تغییر شکل رفتارهای مختلفی از خود نشان می­دهند.  سنگ کره هم از این قاعده جدا نیست و در مقابل تنشهای مختلفی که به آن وارد می­شود، به صورتهای زیر درمی آید:

 عکس العمل سنگ کره به تنش فشاری در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). این همان اتفاقی است که در مرزهای همگرا اتفاق می­افتد.

 

عکس العمل سنگ کره به تنش کشش در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). این همان اتفاقی است که در مرزهای واگرا دیده می شود.

عکس العمل سنگ کره به تنش برشی در حالت شکننده (راست) و در حالت شکلپذیر (چپ). در مرزهای امتداد لغز شاهد چنین تغییر شکل هایی هستیم.