Sciences de la nature et de la vie🎓 objectif bac

بنية الكرة الأرضية

الموجات الزلزالية

🔊 La maîtresse lit pour toi
إشكالية: تنتج عن حركات القشرة الأرضية موجات زلزالية تنتشر في كلّ الاتّجاهات، تسجّلها محطّات منتشرة في مختلف بقاع العالم. ويوم 21 ماي 2003 ضرب زلزال قوّته 6,8 على سلّم ريشتر منطقة بومرداس شمال الجزائر، فدام حوالي 40 ثانية وامتدّت آثاره على قطر يقارب 100 كيلومتر، وسجّلته أجهزة في أوروبا وإفريقيا وأمريكا. فكيف تعمل المسجّلات الزلزالية ؟ وما هي أنواع الموجات الزلزالية وكيف تنتشر ؟

الزلازل حركات أرضية تحدث داخل القشرة الأرضية. وتدعى النقطة التي يحدث فيها الكسر البؤرة، وتدعى النقطة السطحية التي تعلوها المركز السطحي. وقد حُدّد المركز السطحي لزلزال 21 ماي في البحر على بعد 7 كيلومترات شمال مدينة زموري، الواقعة على بعد 60 كيلومترا شرق الجزائر العاصمة، وحُدّدت بؤرته على عمق قُدّر بـ 10 كيلومترات، ولذلك يعتبر زلزالا سطحيا.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تشرح مبدأ عمل المسجّل الزلزالي وتميّز بين السيسمومتر والسيسموغراف
  • أن تحلّل سيسموغراما وترتّب الموجات حسب زمن وصولها وحسب سعتها
  • أن تميّز بين الموجات الحجمية P وS والموجات السطحية L وR
  • أن تربط سرعة الموجات الزلزالية بكثافة الأوساط التي تخترقها وبحالتها الفيزيائية
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • قراءة منحنى بيانيّ واستخراج قيمة من محوريه
  • مفهوم الكثافة والتمييز بين الحالتين الصلبة والسائلة للمادّة

النشاط 1: مبدأ عمل المسجّل الزلزالي

الوثيقة ⁦(2)⁩: أنواع أجهزة قياس الموجات الزلزالية.
الجهازالعناصر التي يضمّها
السيسمومترملتقط + مشفّر
السيسموغرافملتقط + مشفّر + مضخّم + مسجّل
الوثيقة ⁦(3)⁩: مخطّط محطّة زلزالية — ما يضمّه كلّ جهاز في سلسلة التسجيل.
🎯التعليمة
  1. حدّد سبب تركيب ثلاثة أجهزة سيسمومتر في محطّة تسجيل الزلازل.
  2. بيّن الفرق بين السيسمومتر والسيسموغراف اعتمادا على الوثيقة ⁦(3)⁩.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحدّد: تنتشر حركات القشرة الأرضية خلال الزلزال في كلّ اتّجاهات الفضاء، ولا يسجّل الجهاز الواحد إلّا اتّجاها واحدا: فالسيسمومتر الأفقي ينصب في اتّجاهي شمال–جنوب وشرق–غرب فيسجّل الحركات العرضية، والسيسمومتر الشاقولي يسجّل الحركات العمودية وحدها. ولذلك تركّب ثلاثة أجهزة تسجّل في الوقت نفسه وفق ثلاثة اتّجاهات متعامدة.
  2. نبيّن: السيسمومتر ليس هو السيسموغراف. السيسمومتر هو الملتقط وما يتّصل به من تشفير، أي الجزء الذي يحسّ بالحركة ويحوّلها إلى إشارة. أمّا السيسموغراف فهو السلسلة كاملة: ملتقط فمشفّر فمضخّم فمسجّل ؛ وهو الذي يصدر في النهاية المنحنى المسجّل، ويسمّى هذا المنحنى السيسموغرام.
الاستنتاج: يلتقط السيسمومتر الحركة الأرضية بفضل كتلة عطالة، وثلاثة أجهزة متعامدة تكفي لتسجيل الحركة في الأبعاد الثلاثة ؛ أمّا السيسموغراف فهو السلسلة كاملة التي تعطي في النهاية السيسموغرام.

النشاط 2: قراءة سيسموغرام زلزال 21 ماي 2003

الوثيقة ⁦(4)⁩: تسجيل زلزال 21 ماي 2003 في محطّة بعيدة عن المركز السطحي.
🎯التعليمة
  1. حلّل التسجيل الممثّل في الوثيقة ⁦(4)⁩ مرتّبا الموجات الزلزالية حسب زمن وصولها إلى المحطّة من جهة، وحسب سعتها من جهة أخرى.
  2. استخرج العلاقة بين سعة الموجة وسرعتها من جهة، وبين سعتها وقوّة تدميرها من جهة أخرى.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل: حسب زمن الوصول تصل الموجات P أوّلا، ثمّ تليها الموجات S، ثمّ تصل أخيرا الموجات L وR. وحسب السعة يكون الترتيب معكوسا تماما: أضعف سعة للموجات P، ثمّ أكبر منها للموجات S، ثمّ أكبرها جميعا للموجات L وR التي تعطي أعلى قطار موجات في التسجيل كلّه.
  2. نستخرج: العلاقة بين السعة والسرعة عكسية — فأسرع الموجات هي أضعفها سعة، وأبطؤها هي أوسعها سعة. أمّا العلاقة بين السعة وقوّة التدمير فطردية: كلّما كبرت السعة كبر ما تحدثه الموجة من اهتزاز، ولهذا تكون الموجات L وR هي المسؤولة عن تحطيم المباني.
الاستنتاج: يسمح السيسموغرام بتمييز أنواع الموجات الزلزالية حسب زمن وصولها وحسب سعتها ؛ فالموجات الأسرع أضعف سعة وأقلّ تدميرا، والموجات الأبطأ أوسع سعة وهي التي تهدم.

النشاط 3: الموجات الحجمية P و S

الوثيقة ⁦(6)⁩: نمذجة انتشار الموجات P (أ) والموجات S (ب) في وسط معيّن.
🎯التعليمة
  1. استخلص من الوثيقة ⁦(6)⁩ طبيعة حركة جزيئات الوسط عند مرور الموجات P ثمّ عند مرور الموجات S.
  2. علّل تسمية الموجات P بالأوّلية والموجات S بالثانوية.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نستخلص: عند مرور الموجات P تتحرّك الجزيئات موازية لاتّجاه انتشار الموجة، فتتضاغط المادّة في مواضع وتتمدّد في أخرى — كما تفعل حلقات النابض ؛ ولهذا تسمّى موجات طولية تضاغطية تمدّدية. أمّا عند مرور الموجات S فتتحرّك الجزيئات عمودية على اتّجاه الانتشار، والشبكة تتموّج دون أن تتضاغط — كما يفعل الحبل ؛ ولهذا تسمّى موجات عرضية قصّية.
  2. نعلّل: تسمّى الموجات P أوّلية لأنّ سرعتها أكبر فتصل أوّلا إلى محطّة التسجيل، وتسمّى الموجات S ثانوية لأنّ سرعتها أقلّ من سرعة الموجات P فتصل بعدها. والتسمية إذن مأخوذة من ترتيب الوصول الذي يقرأ مباشرة على السيسموغرام.
الاستنتاج: الموجات P وS موجات حجمية تعبر باطن الكرة الأرضية ؛ الأولى طولية تضاغطية تنتشر في الأوساط الصلبة والسائلة، والثانية عرضية قصّية لا تنتشر إلّا في الأوساط الصلبة.

النشاط 4: الموجات السطحية L و R

الوثيقة ⁦(7)⁩: كيفية انتشار الموجات السطحية L (أ) و R (ب).
🎯التعليمة
  1. صف حركة نقطة من سطح الأرض عند مرور الموجات L ثمّ عند مرور الموجات R اعتمادا على الوثيقة ⁦(7)⁩.
  2. بيّن لماذا تعدّ هذه الموجات هي الأخطر على المباني رغم أنّها الأبطأ.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نصف: عند مرور الموجات L يتموّج السطح في أمواج متتالية وتتحرّك النقطة حركة تشبه حركة الموجات S لكن دون حركة عمودية. أمّا عند مرور الموجات R فحركة النقطة معقّدة: عمودية وأفقية في الوقت نفسه، فتصف مسارا بيضويّا إهليليجيّا يشبه حركة ذرّة غبار تحملها موجة بحرية. والموجات R تصل بعد الموجات L.
  2. نبيّن: هذه الموجات أبطأ من الموجات P وS، لكنّ سعتها كبيرة، وانتشارها يكون موازيا لسطح الأرض أي في المستوى الذي تقوم عليه المباني نفسها. فهي تهزّ قاعدة البناية هزّا واسعا ومتكرّرا، وهذا ما يجعلها المسؤولة عن تحطيم المباني.
الاستنتاج: الموجات L وR موجات سطحية ينتشر أثرها موازيا لسطح الأرض، وهي أبطأ الموجات وأوسعها سعة ؛ ولذلك هي الأكثر تدميرا رغم تأخّر وصولها.

النشاط 5: سرعة الموجات وطبيعة الصخور

الوثيقة ⁦(9)⁩: قياس سرعة الموجات الزلزالية P في صخور قاع المحيط بدلالة العمق.
الصخرسرعة الموجات ⁦P (Km/s)⁩الكثافة
غرانيت6,242,65
بازلت6,732,9
غابرو7,253,0
بيريدوتيت7,753,2
الوثيقة ⁦(10)⁩: سرعة الموجات الزلزالية P وكثافة أربعة من صخور القشرة الأرضية.
🎯التعليمة
  1. حلّل الوثيقة ⁦(9)⁩ وحدّد كيف تتغيّر سرعة الموجات P بدلالة العمق تحت المحيط.
  2. اقترح تفسيرا لاختلاف سرعة الموجات الزلزالية في الصخور الموضّحة في الوثيقة ⁦(10)⁩.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل: لا تتزايد السرعة تزايدا مستمرّا بل بقفزات: 1,5 ثمّ 2,5 ثمّ 6,2 ثمّ 6,4 كيلومترا في الثانية، ثمّ تزايد تدريجي حتّى 8. وأكبر قفزة هي القفزة من 2,5 إلى 6,2، أي زيادة قدرها 3,7 دفعة واحدة: فالسرعة تتغيّر عند حدود محدّدة، لا على طول العمود.
  2. نقترح تفسيرا: نرتّب صخور الوثيقة ⁦(10)⁩ حسب السرعة فنجد الترتيب نفسه حسب الكثافة بالضبط: الغرانيت أقلّها سرعة وأقلّها كثافة، والبيريدوتيت أكبرها سرعة وأكبرها كثافة، والبازلت والغابرو بينهما بالترتيب نفسه. فاختلاف السرعة يفسّر باختلاف طبيعة الصخر وكثافته: كلّما كان الوسط أكثف انتشرت فيه الموجات أسرع.
الاستنتاج: تتعلّق سرعة الموجات الزلزالية بطبيعة المادّة التي تخترقها: فهي تزداد بازدياد كثافة الوسط، وقفزاتها المفاجئة مع العمق تدلّ على تغيّر في طبيعة الصخور.

النشاط 6: تغيّر السرعة بدلالة العمق

الوثيقة ⁦(12)⁩: تغيّرات سرعة انتشار الموجات الزلزالية P بدلالة العمق — (أ) نظرة شاملة، (ب) تكبير للشريحة العليا.
🎯التعليمة
  1. حلّل منحنى الوثيقة (12-أ) واستخرج كيف تتغيّر سرعة الموجات P من السطح إلى الأعماق الكبيرة.
  2. حدّد على منحنى الوثيقة (12-ب) الأعماق التي تنقطع عندها الزيادة المنتظمة للسرعة.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل: ترتفع السرعة ارتفاعا سريعا في الشريحة الأولى حتّى تقارب ثمانية كيلومترات في الثانية، ثمّ تنمو نموّا بطيئا ومنتظما على مدى آلاف الكيلومترات، ثمّ تنهار انهيارا مفاجئا في أسفل المنحنى. فالتغيّر ليس واحدا على كامل العمق: فيه مراحل هدوء ومواضع قطع.
  2. نحدّد: يبيّن التكبير أنّ المنحنى ينزل على شكل درجات سلّم، بثلاث مراحل تفصل بينها قفزتان. وتقع الحدود المعلّمة على المنحنى عند أعماق تقارب مائتي كيلومتر، ثمّ أربعمائة، ثمّ سبعمائة. وهذه القيم مقروءة على المحور، فلا تؤخذ إلّا بدقّة القراءة نفسها.
الاستنتاج: لا تتزايد سرعة الموجات الزلزالية تزايدا منتظما مع العمق، بل تسجّل انقطاعات عند أعماق محدّدة ؛ وكلّ انقطاع يشير إلى تغيّر في طبيعة المادّة أو في حالتها الفيزيائية.

الزلزال وأجهزة تسجيله

ينتج الزلزال عن عدم مقاومة المواد الداخلية للكرة الأرضية لقوى الشدّ، فيحدث كسر تنبثق عنه موجات تسجّل على أجهزة خاصّة تدعى السيسمومتر. وتسمح هذه الأجهزة بتسجيل الموجات وفق الأبعاد الثلاثة، لأنّها نوعان: سيسمومتر أفقي يسجّل وفق الاتّجاهين شمال–جنوب وشرق–غرب، وسيسمومتر شاقولي يسجّل الحركات العمودية.

ترسل مجموعة القياس إشارتها إلى السيسموغراف في محطّة مركزية، وهو الذي يصدر المنحنى المسجّل، ويسمّى هذا المنحنى السيسموغرام. وبفضله يمكن دراسة الزلزال الواحد في محطّات مختلفة من العالم.

الموجات الحجمية: P و S

تنتشر الموجات P وS داخل الكرة الأرضية في جميع الاتّجاهات، ولذلك تدعى موجات الحجم. الموجات P أوّلية لأنّ سرعتها أكبر، وهي طولية من النوع التضاغطي التمدّدي، تنتشر في الأوساط الصلبة والسائلة وفي الهواء، وتسجّل جيّدا على السيسمومتر الشاقولي.

أمّا الموجات S فثانوية لأنّ سرعتها أقلّ من سرعة الموجات P، وهي عرضية قصّية تتحرّك جزيئاتها عمودية على اتّجاه الموجة، ولا تنتشر إلّا في الأوساط الصلبة، وتسجّل جيّدا على السيسمومتر الأفقي.

الموجات السطحية: L و R

يكون انتشار الموجات L وR موازيا لسطح الأرض. الموجات L أقلّ سرعة من الموجات P وS لكنّها ذات سعة كبيرة، وحركتها تشبه حركة الموجات S بدون حركة عمودية، وهي تحطّم قاعدة المباني. والموجات R تصل بعد الموجات L، وحركتها معقّدة عمودية وأفقية في الوقت نفسه أي إهليليجية، تشبه حركة ذرّة غبار تحملها موجة بحرية.

الموجةنوع الحركةالأوساط التي تنتشر فيهاالوصولالسعة
الموجات Pطولية تضاغطية تمدّديةالصلبة والسائلةالأولىصغيرة
الموجات Sعرضية قصّيةالصلبة فقطالثانيةأكبر
الموجات L و Rسطحيةسطح الأرضالأخيرةالأكبر
حصيلة: خصائص الموجات الزلزالية الثلاث.
اقرأ السيسموغرام من اليسار إلى اليمين كما يمضي الزمن، وابحث عن ثلاث لحظات لا عن ثلاثة أشكال: أوّل اهتزاز ضعيف هو P، والاهتزاز الأكبر الذي يليه هو S، وأعرض قطار موجات في آخر التسجيل هو ⁦L+R⁩. الفارق الزمني بين P وS هو المعلومة التي يستغلّها المختصّون لتحديد بعد المحطّة عن المركز السطحي.
لا تخلط بين معنى الحرف ومعنى الحركة. الحرفان P وS يدلّان على ترتيب الوصول — أوّلية وثانوية — لا على نوع الحركة، والدليل أنّ الموجات P طولية والموجات S عرضية رغم أنّ التسمية لا تقول ذلك. وكذلك لا يعني الحرف L أنّ الموجة طولية: الموجات L وR سطحيتان، وحركتهما ليست حركة الموجات P.
ما تنمذجه هنا بالنابض والحبل هو نفسه ما تنمذجه به الموجات الطولية والعرضية في الفيزياء: النابض يضغط ويتمدّد في اتّجاه انتشاره، والحبل يهتزّ عموديا على اتّجاه انتشاره. فالدرسان يصفان الظاهرة نفسها بلغتين، ومن فهم إحداهما فهم الأخرى.

العوامل المؤثّرة في سرعة الموجات الزلزالية

تنتشر الموجات P وS داخل الكرة الأرضية، وتتوقّف سرعتها على الطبيعة الكيميائية وعلى الحالة الفيزيائية للمادّة التي تخترقها. فهي تزداد بازدياد كثافة الوسط — وهذا ما بيّنه ترتيب الصخور الأربعة في الوثيقة ⁦(10)⁩ — وتزداد كذلك بازدياد ضغط الأوساط التي تخترقها.

أمّا الحالة الفيزيائية فأثرها واضح: تكون سرعة الموجات الزلزالية، في مادّة لها التركيب الكيميائي نفسه، أصغر في الحالة السائلة منها في الحالة الصلبة. ولهذا تقرأ الانقطاعات المفاجئة على منحنى السرعة قراءة مزدوجة: هي إمّا تغيّر في طبيعة الصخر، وإمّا تغيّر في حالته الفيزيائية.

وقد بيّنت دراسات مخبرية أُجريت على صخر البيريدوتيت في ظروف متغيّرة من الحرارة والضغط أنّه يمرّ بثلاث مراحل أساسية حسب حالته الفيزيائية: الصلبة والانتقالية والمطّاطية. وهذا ما يجعل عمود الأرض غير متجانس حتّى حين لا يتغيّر تركيبه الكيميائي.

لا تخلط بين ما تراه على السيسموغرام وما تستنتجه منه. السيسموغرام لا يقيس سرعة: هو يقيس أزمنة وصول وسعات. السرعة تُحسب من زمن الوصول والمسافة، والكثافة تُستنتج من السرعة. كلّ خطوة تُبنى على التي قبلها، ولا تُقفز واحدة منها.
في الباكالوريا تعطى لك غالبا وثيقتان: سيسموغرام أو منحنى سرعة بدلالة العمق، وجدول خصائص صخور. المطلوب ليس أن تحفظ القيم بل أن تربط: قيمة سرعة تحيل على صخر، وقفزة في السرعة تحيل على انقطاع، وانعدام الموجات S يحيل على وسط سائل. اكتب دائما العلاقة السببية كاملة.
الخلاصة: ينتج الزلزال عن كسر في مواد باطن الأرض، وتسجّل موجاته بالسيسمومتر الذي يعطي عبر السيسموغراف منحنى يدعى السيسموغرام. ويميّز هذا المنحنى ثلاثة أنواع من الموجات: الموجات الحجمية P الطولية التي تنتشر في الصلب والسائل وتصل أوّلا بسعة صغيرة، والموجات الحجمية S العرضية التي لا تنتشر إلّا في الصلب، والموجات السطحية L وR الأبطأ والأوسع سعة وهي المسؤولة عن التدمير. وتتوقّف سرعة هذه الموجات على طبيعة الوسط وكثافته وعلى حالته الفيزيائية، ولذلك تسمح انقطاعات السرعة بدلالة العمق بالكشف عن حدود المستويات الداخلية للكرة الأرضية.

Page 1/11

© Madrassati — leçon rédigée par Madrassati · madrassati.net