Estimation of Site Effects and Seismic Attenuation (Q) Using Generalized Inversion in Southwestern Saudi Arabia: Implications for Seismic Risk Assessment

تخيل أن قشرة الأرض ليست صخرة صلبة لا تلين، بل هي نظام صوتي ضخم ومعقد. عندما يحدث زلزال، يكون الأمر أشبه بمكبر صوت يطلق نغمة "باص" ثقيلة. وبينما تنتقل هذه الموجة الصوتية عبر الأرض لتصل إلى منزلك، يمكن أن يحدث أمران: أولاً، قد تكون الأرض نفسها "موحلة" أو مليئة بالشقوق، مما يجعلها تعمل مثل الإسفنجة التي تمتص طاقة الصوت، مما يضعف الاهتزاز عند وصوله. يسمي العلماء هذا بـ التوهين (attenuation)، ويقيسون مدى "إسفنجية" الأرض باستخدام رقم يسمى عامل الجودة (Q). تعني قيمة Q المنخفضة أن الأرض شديدة الامتصاص (مثل السجادة السميكة)، بينما تعني القيمة العالية أنها صافية ومرنة للغاية (مثل الأرضية الصلبة). ثانياً، المكان الذي تقف فيه تحديداً يفرق كثيراً؛ فإذا كنت تقف على كومة من الرمال الناعمة، فقد تهتز الأرض بعنف أكبر بكunثير مما لو كنت تقف على صخور صلبة، حتى لو كان الزلزال بعيداً. يُسمى هذا تضخيم الموقع (site amplification). إن فهم هذين العاملين أمر بالغ الأهمية لأن ذلك يساعد المهندسين على بناء مبانٍ لا تنهار عندما تبدأ الأرض في "الغناء". فبدون معرفة كيف تمتص الأرض الطاقة أو كيف تضخم التربة المحلية الاهتزاز، لا يمكننا التنبؤ بدقة بمدى خطورة الزلزال على مدينة معينة.

في هذه الدراسة، قرر باحث يدعى صالح قيسي "ضبط" النظام الصوتي لجنوب غرب المملكة العربية السعودية. وباستخدام بيانات من 16 محطة زلزالية (وهي تشبه الميكروفونات التي تستمع إلى الأرض) و160 زلزالاً حدثت بين عامي 2000 و2023، استخدم الفريق حيلة رياضية ذكية تسمى تقنية الالتفاف المعمم (Generalized Inversion Technique). فكر في هذه التقنية كأنها محرر صوتي فائق القدرة يمكنه أخذ تسجيل فوضوي لزلزال وفصله إلى ثلاثة مسارات متميزة: صوت الزلزال نفسه (المصدر)، وكيف تغير الصوت أثناء انتقاله عبر الأرض (المسار)، وكيف اهتزت الأرض تحت الميكروفون مباشرة (الموقع). ومن خلال عزل هذه المسارات، استطاع الفريق تحديد مقدار الطاقة التي تمتصها الأرض ومدى تضخيم المواقع المختلفة للاهتزاز.

وجد الباحثون أن الأرض في جنوب غرب المملكة العربية السعودية "إسفنجية" ومعقدة للغاية. فقد حسبوا صيغة محددة لكيفية امتصاص الأرض للموجات الأولية (P-waves) (وهي نوع من الموجات الزلزالية)، وكانت النتيجة Q_P = (112 ± 11) f^1.04±0.16 عند استخدام محطة مرجعية واحدة، و Q_P = (105 ± 7.9) f^1.07±0.13 باستخدام محطة أخرى. وباللغة البسيطة، هذا يعني أن الأرض جيدة جداً في امتصاص الطاقة، خاصة عند الترددات العالية، مما يشير إلى أن المنطقة نشطة جيولوجياً ومليئة بالشقوق والفوالق. الأرقام التي وجدوها (قيمة Q حول 105-112 وأُس تردد حوالي 1.05) تشير بقوة إلى أن هذه منطقة نشطة تكتونياً، على غرار مناطق الزلازل النشطة الأخرى حول العالم، وليست منطقة مستقرة وهادئة.

ولكن ربما كان الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو ما اكتشفوه حول "مقابض التحكم في الصوت المحلية" في مواقع مختلفة. فعندما نظروا في مدى تضخيم الأرض للاهتزاز، وجدوا اختلافات هائلة اعتماداً على موقع المحطة. فالمحطات الواقعة على الرصيف العربي (Arabian Platform)، والمغطى برواسب غير متماسكة مثل الرمل والطين، عملت كأجهزة تضخيم ضخمة. على سبيل المثال، أظهرت محطة KAMS ذروة تضخيم بلغت حوالي 8.0، ومحطة AMGES كانت حوالي 7.8، مما يعني أن الأرض هناك اهتزت بقوة تقارب ثمانية أضعاف موقع الصخر المرجعي. حدثت هذه الذروات غالباً بين 8 و12 هرتز، وهو نطاق تردد محدد تحب فيه التربة الناعمة أن ترن (تحدث رنيناً). وفي المقابل، كانت المحطات الواقعة على الصخور القديمة الصلبة لـ الدرع العربي (Arabian Shield)، مثل BESHS و LTHS، أكثر هدوءاً، حيث ظلت مستويات التضخيم فيها أقل من 3.0.

تشير الدراسة إلى أنه إذا كنت تبني في هذه المنطقة، فلا يمكنك معاملة المنطقة بأكملها بنفس الطريقة. فالمناطق "الناعمة" على الرصيف من المرجح أن تحبس الموجات الزلزالية وتهتز بعنف عند ترددات محددة، بينما المناطق "الصلبة" في الدرع أكثر استقراراً بكثير. توفر هذه النتائج خريطة أوضح للأماكن التي من المرجح أن تضخم فيها الأرض من حدة الخطر، مما يقدم أدلة حيوية للمهندسين المصممين للمباني المقاومة للزلازل وللمخططين الذين يسعون للحفاظ على سلامة المدن. ويشير المؤلف إلى أنه بينما تعد نتائجهم خطوة قوية للأمام، فإن العمل المستقبلي يمكن أن يجعل هذه الخرائط أكثر دقة من خلال إضافة قياسات مباشرة لعمق التربة وسرعتها، لضمان فهم "النظام الصوتي" للمنطقة حتى أدق تفاصيله.