بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تغییرات میدان ثقل مرتبط با وقوع زلزله سراوان (Mw=7.8) با استفاده از داده های ماهوارهیGRACE
چکیده
زلزله یکی از خانمان سوزترین پدیده هایی طبیعی است که بشر همواره با آن روبرو میشود. اطلاعات درباره مکانیزم زلزله سبب می شود که خودمان را در برابر این پدیده حفظ کنیم. تحقیقات زیادی دربارهی چگونگی وقوع زلزله انجام میشود که هدف نهایی همه آنها رسیدن به نقطهای است که بتوان این پدیده را پیش بینی کنیم. تاکنون بیش از 30 روش جهت پیش بینی زلزله شناسایی شده است با توجه به اینکه کلیه روش ها دارای عدم قطعیت در پارامترهای پیشبینی زلزله (زمان، مکان و بزرگی) میباشد بنابراین استفاده از چندین روش متعدد، خصوصاً روشی که از لحاظ هزینه مقرون به صرفه است باعث کاهش عدم قطعیت در پیشبینی زلزله میشود. . هدف از انجام پروژهی ماهوارهی GRACE امکان بررسی تغییرات میدان ثقل در طول زمان بوده است. امروزه استفاده از داده های ماهواره GRACE (ضرایب هارمونیک کروی) که به صورت ماهیانه بروزرسانی و در اختیار عموم قرار میگیرد، در بسیاری از کشورها جهت پیش بینی زلزله هایی با بزرگی 7.5 MW مورد استفاده قرار میگیرد بدین منظور مطالعاتی مربوط به زلزله 16 آوریل 2013 سراوان صورت پذیرفت که تغییرات میدان ثقل که ناشی از تغییرشکل قابل توجه در درون زمین و کف اقیانوسها سبب شد که از این روش جهت پیشبینی زلزله استفاده کنیم.
واژه های کلیدی: پیش بینی زلزله ، ماهواره GRACE تغییرات میدان ثقل زلزله سراوان
-1 مقدمه
محدودیت تعداد ایستگاه های زمینی و عدم امکان اندازهگیری تغییرات میدان ثقل ناشی از زلزله، در مناطق پوشیده شده توسط آب از جمله مشکلات مربوط به مطالعه تغییرات میدان ثقل با استفاده از مشاهدات زمینی است. با ارسال پروژه-های ماهوارهای ثقل سنجی فصل جدیدی در مطالعات مربوط به تغییرات زمانی میدان ثقل در پریودهای زمانی بزرگتر از یک ماه فراهم شد . پروژهی ماهواره هی GRACE یک پروژه مشترک بین دو کشور آلمان و آمریکا میباشد که از دو ماهواره مشابه و مجزا از هم تشکیل شده است که در ارتفاع 450 کیلومتری از سطح زمین با فاصله 220 کیلومتر از هم حرکت میکنند.
هدف از انجام پروژهی ماهوارهی GRACE امکان بررسی تغییرات میدان ثقل در طول زمان بوده است. با تغییر میدان ثقل از محلی که ماهواره ها از آن عبور میکنند فاصله های بین آنها دستخوش تغییر شده که این اندازهگیری توسط سیستم KBR1 صورت گرفته و با آنالیز این تغییرات فاصله، میتوان به تغییرات میدان ثقل دست یافت.در حقیقت به کمک شتابنگار داخل هر ماهواره و سیستم KBR تغییرات میدان ثقل اندازهگیری میشود. GRACE میتواند تغییرات جرم در لایهی سطحی زمین در مقیاسهای بزرگ مانند تغییرات سطح آبهای زیرزمینی، تغییرات جرم اقیانوسها، بالا آمدن سطح دریاها و ذوب شدن صفحات یخ در مناطق قطبی را به خوبی تخمین زند. وقوع زلزله موجب تغییر در توزیع جرم در پوسته و گوشته بالایی خواهد شد و به تبع آن سبب تغییر میدان ثقل در خارج از زمین خواهد شد. همانطور که گفته شد مطالعات قبلی توانایی GRACE را در مشاهدات تغییرات میدان ثقل ناشی از زلزله های بزرگ نشان دادند. اما در کلیهی این تحقیقات از فیلترهایی به منظور کاهش اثر نویز در داده های ماهیانه GRACE استفاده شد . در این مطالعه تغییرات تانسور مرتبه دوم پتانسیل جاذبه زمین ناشی از زلزله سراوان بدون اعمال هیچ گونه فیلتر در هر دو حوزه مکان و زمان نشان داده میشود.
تغییرات میدان ثقل زمین ناشی از زلزله به وسیله سه عامل بیان میگردد.(Hyndman and Wang(1998
تغییرات چگالی در نیم فضای الاستیک به اندازه در جایی که چگالی محیط و u بردار جابجایی تولید شده ناشی از زلزله است . تغییرات چگالی ناشی از بالاآمدگی و فرورفتگی به اندازه ∆hکه ∆h میزان بالاآمدگی و فروفتگی سطح زمین است.
جذب جرم با چگالی که فضالی خالی به وجود آمده توسط صفحات تکونیکی واگرا را پر کند .
Whar and Bryan1993 ))
تغییرات میدان ثقل ناشی از زلزله با استفاده از روابط ریاضی بیان می شود((WANG, 2010
در رابطه بالا عرض جغرافیایی، λ طول جغرافیایی، G ثابت جهانی گرانش، جرم زمین، Re شعاع زمین، Slm و Clmضرایب هارمونیک کروی و تابع لژاندر نرمالیزه شده با درجه l و مرتبه .m
ا مشتق گیری از تابع ژئوپتانسیل رابطه 2حاصل میشود.(Franz(2009
در این رابطه Kl عدد لاو از درجه l ، میانگین چگالی در زمین میباشد و سایر علائم در رابطه 1 ذکر شده است.
به منظور پیش بینی زلزله از داده های GRACE سطح 2 مرکز CSR که شامل ضرایب نرمالیزه شده هارمونیکهای کروی درجه مرتبه 60 میباشد (معادل قدرت تفکیک مکانی 333 کیلومتر) طی دوره زمانی ژانویه 2003 تا نوامبر 2014 این GRACE و با استفاده از مشاهدات 137 ماه استفاده شده است. به دلیل دقت پایین در بدست آوردن ضریب C20 با استفاده از مشاهدات GRACE این ضریب از مشاهدات SLR جایگزین شده است. سپس با استفاده از ضرایب هارمونیک کروی مربوط به هر ماه کلیه مولفه های تانسور مرتبه دوم پتانسیل ثقل (مشتق دوم پتانسیل) در سیستم مختصات کروی محاسبه شد.
با توجه به اینکه تغییرات محلی جرم مورد نظر ما است، مقادیر بدست آمده به سیستم مختصات محلی شمال-شرق-پایین در هر نقطه با مختصات انتقال داده شدند. در جایی که محور x به سمت شمال، محور y به سمت شرق و محور z به سمت داخل است. یکی از بزرگترین مشکلات موجود در داده های ماهیانه GRACE وجود نویز در ضرایب است که با افزایش درجه و مرتبه افزایش مییابد .وجود این نویز در مدلهای ماهیانه GRACE سبب بوجود آمدن نوارهایی میشود که در راستای شمالی-جنوبی کشیده شدهاند. معمولا به منظور کاهش اثر ضرایب از درجه و مرتبه بالا از فیلترهای مختلفی استفاده میشود تا بتوان تغییرات میدان ثقل را با دقت قابل قبولی تخمین زد. در این مطالعه به منظور حفظ هر چه بیشتر سیگنال و تغییرات بوجود آمده هیچ گونه فیلتری جهت کاهش اثر مولفه های فرکانس بالا اعمال نخواهد شد. به منظور بررسی هر چه بهتر تغییرات همزمان و پس از زلزله در طول زمان، سری زمانی تغییرات شتاب ثقل و مشتقات آن از سال 2003 تا 2014 محاسبه شد. به منظور نمایش هر چه بهتر تغییر شکل همزمان با زلزله و پس از آن، تغییرات پریودیک (سالیانه و نیم سالانه و فرکانس جزر و مدی( s2 با استفاده از سرشکنی کمترین مربعات حذف شد. تغییر شکل بوجود آمده ناشی از زلزله عمدتا در باند فرکانسی بالا رخ میدهد و بنابراین قسمت اصلی سیگنال تغییر شکل ناشی از زلزله در محدوده طول موجهای کوتاه میدان ثقل وجود دارد. مشتقات مرتبه دوم پتانسیل ثقل با تقویت مولفه های فرکانس بالا میدان ثقل
