คลื่นแผ่นดินไหว ( Earthquake waves)

คลื่นแผ่นดินไหว(Earthquake waves)

แผ่นดินไหว (earthquake) • แผ่นดินไหว (earthquake) เป็นการสั่นสะเทือนของโลกที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วภายใต้พื้นผิวโลก พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาแหล่งกำเนิด ซึ่งเรียกตำแหน่งนี้ว่า โฟกัสหรือแหล่งกำเนิดคลื่น (focus หรือ hypocenter) นี้ คลื่นจะกระจายออกไปในทุกทิศทุกทางรอบจุดโฟกัสในรูปของคลื่นแผ่นดินไหว

กลไกที่ทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วนี้ เกิดจากการเคลื่อนที่ของเปลือกโลก การเคลื่อนที่เหล่านี้มักมีความสัมพันธ์กับรอยแตกขนาดใหญ่ของโลกที่เรียกว่า รอยเลื่อน (fault) ตามแนวขอบของเพลต (plate)

การเคลื่อนที่ตามระนาบของรอยเลื่อนอธิบายได้โดยอาศัย ทฤษฎีเพลตเทคโทนิคส์ (plate tectonics theory) โดยอธิบายว่า เพลตต่างๆของโลกมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ในบริเวณที่มีการเคลื่อนที่ผ่านกันของเพลต หรือการมุดตัวของเพลตหนึ่งใต้อีกเพลตหนึ่ง ทำให้เกิดแรงเค้น (strain) และการแปรสภาพของหินในบริเวณนั้น รอยเลื่อนที่มีความสัมพันธ์กับบริเวณเหล่านี้จะเป็นบริเวณที่ให้เกิดแผ่นดินไหวขึ้น

การปรับตัวของหินหลังจากเกิดแผ่นดินไหว ทำให้เกิดแผ่นดินไหวเล็กๆติดตามมาอีกหลายครั้งซึ่งเรียกว่า aftershocks ถึงแม้ว่า aftershock จะมีความรุนแรงน้อยกว่าการเกิดแผ่นดินไหวหลัก แต่ก็อาจทำให้เกิดความเสียหายกับโครงสร้างต่างๆได้

นอกจากการเกิดแผ่นดินไหวหลักและ aftershock แล้ว ในบางครั้งอาจเกิดแผ่นดินไหวขนาดเล็กๆที่เรียกว่า foreshocks ขึ้นก่อนที่จะเกิดแผ่นดินไหวหลัก ซึ่งอาจเกิดขึ้นก่อนอยู่หลายวันก่อนที่เกิดแผ่นดินไหวหลัก การศึกษา foreshock อาจเป็นข้อมูลส่วนหนึ่งที่ใช้ในการทำนายการเกิดแผ่นดินไหว

คลื่นแผ่นดินไหวเป็นคลื่นยืดหยุ่นที่เดินทางออกจากแหล่งกำเนิดคลื่นในทุกทิศทุกทาง สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ คือ 1. คลื่นในตัวกลาง (body wave) ซึ่งเดินทางอยู่ภายในโลก 2. คลื่นผิวดิน (surface wave) ซึ่งเดินทางไปตามเปลือกโลกชั้นนอก

ความเร็วของการเดินทางคลื่นในตัวกลาง ขึ้นอยู่กับสมบัติความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของวัตถุ ความรู้จากการศึกษาคลื่นที่เดินทางอยู่ภายในโลก ใช้ในการศึกษาโครงสร้างภายในโลกได้

คลื่นในตัวกลางแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด โดยอาศัยลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่น ได้แก่ 1. คลื่นปฐมภูมิ (primary waves, P-wave) เป็นคลื่นชนิดแรกที่เดินทางมาถึงสถานีตรวจวัด เป็นคลื่นแบบบีบอัด (compression) ในขณะที่คลื่นเดินทางผ่านตัวกลาง จะทำให้ตัวกลางเกิดการบีบอัด (compress) และขยายตัว (dilate) ตามทิศทางที่คลื่นเดินทาง คลื่นปฐมภูมิจึงสามารถเดินทางได้ในตัวกลางทุกชนิด

2. คลื่นทุติยภูมิ (secondary waves, S-wave) เป็นคลื่นชนิดที่สองที่เดินทางถึงสถานีตรวจวัด เป็นคลื่นแบบเฉือน (shear) ในขณะที่คลื่นเดินทางผ่านตัวกลาง จะทำให้ตัวกลางเกิดการสั่นในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ซึ่งเกิดขึ้นได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ดังนั้นคลื่นทุติยภูมิจึงสามารถเดินทางได้เฉพาะในตัวกลางที่เป็นของแข็ง

การเคลื่อนที่ของคลื่นผิวดินมีความซับซ้อนกว่าคลื่นในตัวกลางมากมีความเร็วน้อยเมื่อเทียบกับคลื่นในตัวกลาง เนื่องจากคลื่นผิวดินเดินทางตามผิวดิน ทำให้วัตถุที่อยู่บนผิวดินเกิดการเคลื่อนที่ไปตามการเคลื่อนที่ของคลื่นผิวดิน การเคลื่อนที่ขึ้นลงของคลื่นเป็นตัวทำลายสิ่งก่อสร้างต่างๆที่อยู่บนผิวดินได้มากว่าคลื่นในตัวกลาง

บันทึกการเคลื่อนที่ของคลื่น แสดงให้เห็นว่า คลื่นปฐมภูมิเดินทางมาถึงเครื่องบันทึกก่อน และตามมาด้วยคลื่นปฐมภูมิ และสุดท้ายเป็นคลื่นผิวดิน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นแต่ละชนิด โดยปกติในตัวกลางที่เป็นของแข็ง คลื่นปฐมภูมิเดินทางได้เร็วกว่าคลื่นทุติยภูมิประมาณ 1.7 เท่า และคลื่นผิวดินเดินทางได้เป็น 0.9 เท่าของคลื่นทุติยภูมิ

เครื่องมือวัดคลื่นแผ่นดินไหว(Instrumental observations) • การศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว ซึ่งเรียกว่า seismology เริ่มขึ้นในประเทศจีน เมื่อประมาณ 2000 ปีที่ผ่านมา นักปราชญ์ชาวจีน ชื่อ Chang Heng ได้สร้างเครื่องมือจากโอ่งขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 2 เมตร มีหัวมังกร 8 หัวอยู่รอบโอ่ง ซึ่งแต่ละหัวคาบลูกแก้วไว้ มีคางคก 8 ตัววางอยู่บนพื้นและอ้าปากหันหน้าเข้าหาหัวมังกร

เมื่อเกิดแผ่นดินไหวจะมีลูกแก้วหนึ่งลูกหลุดจากปากมังกรตกลงสู่ปากคางคกที่รอรับอยู่ด้านล่าง ทิศทางที่เกิดแผ่นดินไหวจะอยู่ในทิศตรงข้ามกับคางคกที่รับลูกแก้วที่ตกลงมา เนื่องจากเครื่องมือดังกล่าวเป็นเครื่องมือที่ใช้บอกทิศทางของตำแหน่งของการเกิดแผ่นดินไหว จึงอาจเรียกเครื่องมือนี้ว่า seismoscope

เครื่องมือที่ใช้วัดคลื่นแผ่นดินไหวในปัจจุบันเรียกว่า seismograph หลักการง่ายๆของเครื่องมือคือ แขวนมวลที่มีน้ำหนักไว้ด้วยเส้นลวดหรือสปริงซึ่งยึดอยู่กับกรอบที่วางอยู่บนพื้นที่แข็งแรง โดยในสภาวะปกติ มวลนี้จะไม่มีการเคลื่อนที่ เมื่อเกิดแผ่นดินไหว แผ่นดินก็เกิดการเคลื่อนที่ กรอบของเครื่องมือก็จะเคลื่อนที่ไปตามการเคลื่อนที่ของแผ่นดิน แรงเฉื่อยที่เกิดขึ้นในมวล ทำให้มวลนั้นคงสภาพอยู่ในตำแหน่งเดิมได้เพื่อใช้เป็นจุดเปรียบเทียบกับการเคลื่อนที่ของแผ่นดิน

seismogram เป็นข้อมูลที่แสดงถึงลักษณะของคลื่นแผ่นดินไหว จะใช้การเขียนเส้นบนกระดาษที่อยู่พันอยู่รอบแท่งทรงกระบอกที่หมุนรอบตัวเองแบบเกลียวด้วยอัตราเร็วคงที่ เพื่อให้การแสดงผลทำได้อย่างต่อเนื่อง สิ่งที่ปรากฏอยู่บนกระดาษจะเป็นเส้นที่วางตัวขนานกันไปตลอดในขณะที่ไม่เกิดแผ่นดินไหว แต่เมื่อมีการเคลื่อนที่ของพื้นดิน เส้นที่เขียนจะแสดงลักษณะและขนาดของการเคลื่อนที่ของ แผ่นดิน

เพื่อที่จะสามารถบันทึกการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นได้ทุกทิศทาง จำเป็นต้องใช้ seismograph3 อัน เพื่อบันทึกการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและการเคลื่อนที่ในแนวราบสองทิศทางที่ตั้งฉากกัน (ทิศเหนือ-ใต้และทิศตะวันออก-ตะวันตก)

ตำแหน่งของแผ่นดินไหว(Location of earthquake) • โฟกัสเป็นตำแหน่งที่อยู่ภายในโลกที่เกิดแผ่นดินไหว ส่วนตำแหน่งที่อยู่บนผิวโลกที่อยู่เหนือโฟกัสเรียกว่า epicenter ความแตกต่างของ เวลาที่ใช้ในการเดิน ทางจากโฟกัสมาถึงเครื่องบันทึกคลื่นแผ่นดินไหวระหว่างคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิทำให้สามารถหาตำแหน่งของ epicenter ได้

ข้อมูลระยะทางจากจุดโฟกัสถึงเครื่องบันทึกคลื่นแผ่นดินไหวในแต่ละสถานีตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหวอย่างน้อย 3 สถานี จะทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของ epicenter ได้จากจุดตัดของ วงกลมที่แทนถึงระยะทางจากจุดโฟกัสถึงเครื่องบันทึกคลื่นแผ่นดินไหวในแต่ละสถานีตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหว

ความลึกของจุดโฟกัสสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือ 1. จุดโฟกัสระดับตื้น มีความลึกจากผิวดินลงไปไม่เกิน 60 กิโลเมตร 2. จุดโฟกัสระดับปานกลาง อยู่ที่ระดับความลึกระหว่าง 60 ถึง 300 กิโลเมตร 3. จุดโฟกัสระดับลึก อยู่ที่ระดับความลึกระหว่าง 300 ถึง 700 กิโลเมตร

ประมาณ 85 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ของการเกิดแผ่นดินไหว มีจุดโฟกัสอยู่ที่ระดับตื้น และโดยทั่วไปจะมีความไม่เกิน 8 กิโลเมตร

ประมาณ 95 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากจุดที่เกิดแผ่นดินไหว พบว่ามีความสัมพันธ์กับบริเวณแคบๆที่วนอยู่รอบโลก บริเวณที่มีการปลดปล่อยพลังงานมากที่สุด พบอยู่ตามขอบของมหาสมุทรแปซิฟิกซึ่งเรียกว่า circum-Pacific belt ผ่านประเทศญี่ปุ่น ฟิลิปปินส์ ชิลี และตามแนวของหมู่เกาะต่างๆ

อีกบริเวณหนึ่งที่มีความหนาแน่นของการเกิดแผ่นดินไหวคือบริเวณเทือกเขารอบทะเลเมดิเตอเรเนียน ผ่านประเทศอิหร่านเข้าไปจนถึงเทือกเขาหิมาลัย (Mediterranean-Himalayan belt) • นอกจากสองบริเวณดังกล่าวแล้ว ยังมีอีกบริเวณหนึ่งซึ่งอยู่ในมหาสมุทรต่างๆของโลกในบริเวณที่เป็น oceanic ridge system

นอกจากบริเวณดังกล่าวแล้ว อาจพบได้เป็นจุดๆ ซึ่งมักมีความสัมพันธ์กับบริเวณที่เป็นภูเขาไฟแบบ basaltic เช่น บริเวณหมู่เกาะ Hawaii

ความรุนแรงและขนาดของแผ่นดินไหว(Earthquake intensity and magnitude) • ขนาดของความรุนแรงของแผ่นดินไหว กำหนดถึงควานรุนแรงและความเสียหายที่เกิดขึ้นอันเนื่องจากแผ่นดินไหว ในปี 1902Giuseppe Mercalli ได้กำหนดขนาดของความรุนแรงขึ้นโดยอาศัยความเสียหายที่เกิดกับสิ่งต่างๆ และได้ถูกปรับปรุงโดย U.S. Coast and Geodetic Survey โดยแบ่งความรุนแรงของแผ่นดินไหวออกเป็น 12 ขั้น ขั้นที่มีค่าสูงแสดงถึงความรุนแรงที่มาก

ความรุนแรงของแผ่นดินไหวเป็นการวัดผลของแผ่นดินไหวในแต่ละบริเวณ ความรุนแรงของแผ่นดินไหวไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับแรงของแผ่นดินไหวเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆด้วย เช่นระยะห่างจาก epicenter ธรรมชาติของวัตถุบนผิวดิน หรือการออกแบบสิ่งก่อสร้าง

ในปี 1935Charles Richter จาก California Institute of Technology ได้เสนอหลักการในการกำหนดขนาดของแผ่นดินไหว โดยการวัดพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากการเกิดแผ่นดินไหว ซึ่งในปัจจุบันได้แบ่งขนาดของแผ่นดินไหวตาม Richtermagnitude scale โดยที่ขนาดของแผ่นดินไหววัดจาก amplitude ที่สูงที่สุดของคลื่นแผ่นดินไหวที่บันทึกได้ใน seismogram ที่ระยะห่าง 100 กิโลเมตรจากจุด epicenter

แผ่นดินไหวครั้งที่รุนแรงที่สุดเท่าที่เคยบันทึกได้ตาม Richter magnitude scale เท่ากับ 8.6 ซึ่งมีความรุนแรงใกล้เคียงกับการระเบิดของ TNT ประมาณ 1 พันล้านตัน ค่า 8.6 นี้ ถือว่าเป็นค่าสูงสุดด้วย แผ่นดินไหวที่มีความรุนแรงมากกว่า 9 พบได้ยากมาก ส่วนแผ่นดินไหวที่มีขนาดน้อยกว่า 2.0 ตาม Richter magnitude scale มนุษย์ไม่สามารถรู้สึกได้

เนื่องจาก Richter magnitude scale มีลักษณะเป็น logarithmic ขนาดความรุนแรงของแผ่นดินไหวจึงเพิ่มขึ้นเป็น 10 เท่าในแต่ละขั้นของมาตรา และพลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 30 เท่าในแต่ละขั้นของมาตรา

ความเสียหายที่เกิดจากแผ่นดินไหว(Earthquake destruction) • มีปัจจัยหลายประการที่ใช้เป็นตัวกำหนดความเสียหายที่เกิดเนื่องจากแผ่นดินไหว แต่ปัจจัยที่มีผลอย่างมากได้แก่ ขนาดของแผ่นดิน ไหว และระยะทางจากจุดกำเนิดแผ่นดินไหวถึงบริเวณที่มีประชาชนอาศัยอยู่

ความเสียหายที่เกิดจากแรงสั่นสะเทือน(Destruction caused by seismic vibrations) • การเกิดแผ่นดินไหว ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของพื้นดิน สิ่งปลูกสร้างต่างๆที่อยู่บนพื้นดินก็เกิดการสั่นไปด้วยเช่นกัน แผ่นดินไหวที่มีความรุนแรงน้อย อาจทำให้หน้าต่างหรือฝาผนังเกิดรอยร้าวแตกหัก แผ่นดินไหวที่มีความรุนแรงมาก อาจสามารถสังเกตเห็นการเคลื่อน ที่ของแผ่นดินได้

ความรุนแรงของความเสียหายที่เกิดขึ้นเนื่องจากแรงสั่นสะเทือนมีปัจจัยหลายประการ ประกอบด้วย 1. ความรุนแรงและระยะเวลาของการสั่นสะเทือน 2. ธรรมชาติของวัตถุที่รองรับโครงสร้างนั้น 3. การออกแบบโครงสร้าง

คลื่นซูนามิ(Tsunamis) • คลื่นซูนามิ ซึ่งเป็นชื่อที่ได้จากภาษาญี่ปุ่น หรืออาจเรียกว่า seismic sea waves เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งของท้องมหาสมุทรระหว่างที่มีการเกิดแผ่นดินไหวที่มีความรุนแรงสูง (มากกว่า 8) หรือเกิดจากการลื่นไถลของพื้นมหาสมุทร หรือการระเบิด ของภูเขาไฟใต้มหาสมุทร ความเร็วของคลื่นอยู่ระหว่าง 500 ถึง 950 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

บริเวณทะเลลึกขณะที่เกิดคลื่นซูนามิ จะสังเกตเห็นได้ยาก เนื่องจากความสูงของคลื่นน้อยมาก อาจน้อยกว่า 1 เมตร และระยะห่างระหว่างยอดคลื่นหนึ่งไปยังอีกยอดคลื่นหนึ่งอยู่ระหว่าง 100 ถึง 700 กิโลเมตรแต่เมื่อคลื่นซูนามิเดินทางเข้าใกล้ชายฝั่ง ความเร็วของคลื่นจะเริ่มลดลงและมีความสูงมากขึ้น อาจสูงได้ถึง 30 เมตรและเมื่อยอดคลื่นมาถึงชายฝั่งจะทำให้ระดับน้ำทะเลสูงขึ้นอย่างรวดเร็วและผิวน้ำจะเกิดความปั่นป่วน

สิ่งบอกเหตุที่สามารถสังเกตเห็นได้ว่าเกิดคลื่นซูนามิคือการลดลงของระดับน้ำทะเลอย่างรวดเร็วตามชายหาด ภายใน 5 ถึง 30 นาทีหลังจากการลดลงของระดับน้ำทะเล จะมีน้ำทะเลปริมาณมหาศาลไหลทะลักเข้ามายังแผ่นดิน ซึ่งอาจมีระยะทางหลายร้อยเมตรจากชายฝั่ง หลังจากนั้นน้ำทะเลก็จะไหลกลับคืนสู่ทะเลอีก ระยะห่างของเวลาของคลื่นแต่ละลูกที่วิ่งเข้ามายังแผ่นดิน อยู่ระหว่าง 10 ถึง 60 นาที จนกว่าพลังงานทั้งหมดจะหายไป

คลื่นแผ่นดินไหว ( Earthquake waves)