📄 علوم الأرض

An empirical vertical-to-horizontal (V/H) spectral ratio model for shallow-crustal and upper-mantle earthquakes: insights from the S-net seafloor stations in the Japan Trench region

تقدم هذه الدراسة نموذجاً تجريبياً لنسبة الطيف الرأسي إلى الأفقي (V/H) للهزات الأرضية في عرض البحر بمنطقة خندق اليابان، مستمد من محطات قاع البحر "S-net"، والذي يكشف أن نسب (V/H) في عرض البحر أقل بكثير من قيمها في البر نتيجة لتوهن طبقة المياه، وتتأثر بقوة بعوامل مثل مسافة التمزق، وظروف الدفن، وفئة الموقع.

المؤلفون الأصليون: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

نُشر 2026-09-30

📖 3 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

عندما يضرب الزلزال، لا تكتفي الأرض بالاهتزاز من جانب إلى آخر فحسب، بل تهتز أيضاً للأعلى والأسفل. ويجب على المهندسين الذين يصممون المباني والجسور والمنصات البحرية مراعاة هذه الحركة الرأسية، إذ يمكن أن تكون مدمرة تماماً مثل الاهتزاز الأفقي. ولفهم مدى قوة هذه القوة الصاعدة، ينظر العلماء إلى النسبة بين الاهتزاز الرأسي والأفقي. وعلى اليابسة، تُعد هذه العلاقة مفهومة جيداً، لكن المحيط يقدم قصة مختلفة؛ فالمياه ليست أرضاً صلبة، بل هي طبقة سائلة تقع بين القشرة الأرضية وأجهزة الاستشعار الموضوعة على قاع البحر. وتعمل هذه الطبقة على تغيير كيفية انتقال الموجات الزلزالية، وغالباً ما تخمد الهزات الرأسية بطرق لا تستطيع النماذج القائمة على اليابسة التنبؤ بها. ولعقود من الزمن، اضطر المهندسون المصممون للمنشآت البحرية إلى الاعتماد على قواعد تقريبية مستمدة من اليابسة، وهي ممارسة قد تكون إما متحفظة للغاية أو غير دقيقة بشكل خطير.

لقد شرع فريق من الباحثين في استبدال هذه التخمينات ببيانات صلبة، مع التركيز على الشبكة الواسعة من أجهزة الاستشعار المعروفة باسم "S-net"، والتي تمتد على طول خندق اليابان. وتعد هذه المنطقة بؤرة للزلازل القوية، حيث تغوص القشرة المحيطية تحت الصفيحة القارية. جمع الباحثون آلاف التسجيلات من محطات قاع البحر هذه، حيث رصدوا الاهتزاز الناتج عن الزلازل القشرية الضحلة والأحداث الأعمق داخل الوشاح العلوي. وقد قاموا بفرز هذه البيانات بعنا-ية، حيث فصلوا أجهزة الاستشعار المدفونة في خنادق محفورة في قاع البحر عن تلك الموجودة مباشرة على قاع المحيط، كما صنفوا قاع البحر نفسه بناءً على كيفية اهتزازه. ومن خلال تحليل العلاقة بين الاهتزاز للأعلى والأسفل والاهتزاز الجانبي عبر هذه المجموعة الضخمة من البيانات، هدفوا إلى بناء نموذج جديد ودقيق مخصص لبيئة المحيط.

وكشفت النتائج عن فرق واضح وجوهري بين المحيط واليابسة؛ فقد كان الاهتزاز الرأسي المقاس في قاع البحر أضعف باستمرار مما هو ملاحظ في اليابسة، لا سيما بالنسبة للهزات السريعة وعالية التردد التي تحدث في الجزء من الثانية الأول من الزلزال. تعمل طبقة الماء كمرشح، حيث تمتص الكثير من هذه الطاقة الرأسية قبل وصولها إلى أجهزة الاستشعار. وفي الواقع، كان الاهتزاز الرأسي في عرض البحر غالباً نصف قوة الاهتزاز الرأسي المسجل في اليابسة لنفس الزلزال. وتشير هذه النتيجة إلى أن استخدام النماذج القائمة على اليابسة لتصميم المنشآت البحرية قد يؤدي إلى المبالغة في تقدير القوى الرأسية، مما قد ينتج عنه هياكل باهظة الثمن بشكل غير ضروري أو ثقيلة الوزن بشكل مفرط.

وبالإضافة إلى تأكيد أن المحيط يخمد الحركة الرأسية، كشفت الدراسة أيضاً عن كيفية تغيير العوامل المختلفة لهذه العلاقة. فقد وجد الباحثون أن المسافة من الزلزال أمر مهم؛ فكلما انتقلت الموجات الزلزالية لمسافات أبعد عبر قاع المحيط، تميل نسبة الاهتزاز الرأسي إلى الأفقي إلى الارتفاع. كما يلعب عمق الزلزال دوراً أيضاً، حيث تظهر الزلازل الأعمق نمطاً مختلفاً من الاهتزاز الرأسي مقارنة بالزلازل الأكثر ضحالة. ولعل الأهم من ذلك هو أن الدراسة سلطت الض الضوء على أن حالة محطة قاع البحر نفسها تغير القياسات؛ فقد سجلت أجهزة الاستشاسات المدفونة في قاع البحر أنماطاً مختلفة من الاهتزاز الرأسي مقارنة بتلك الموجودة فوق الرواسب، خاصة أثناء الهزات السريعة الأولية. كما طور الفريق طريقة لتصنيف مواقع قاع البحر بناءً على ترددات اهتزازها الطبيعية، مما يسمح بتنبؤات أكثر دقة لكيفية استجابة أنواع مختلفة من قيعان المحيط للزلزال.

وعندما قارن الباحثون نموذجهم الجديد المخصص للمحيط بالنماذج الحالية المستخدمة لليابسة، كانت الاختلافات صارخة. فقد توقعت النماذج القائمة على اليابسة اهتزازاً رأسياً أعلى بكثير مما سجلته أجهزة استشعار المحيط بالفعل. وهذا يؤكد أن فيزياء بيئة المحيط لا يمكن تجاهلها. يوفر النموذج الجديد أداة مخصصة للمهندسين والعلماء، حيث يقدم صورة واقعية لكيفية تحرك قاع البحر أثناء الزلزال. ومن خلال فهم أن طبقة الماء تقلل بشكل كبير من الهزة الرأسية، ومن خلال مراعاة الظروف المحددة لقاع البحر والمسافة من الزلزال، فإن هذا العمل يقدم أساساً أكثر موثوقية لتصميم هياكل بحرية آمنة وفعالة في واحدة من أكثر مناطق العالم نشاطاً زلزالياً.

ملخص تقني: نموذج تجريبي لنسبة الطيف الرأسي إلى الأفقي (V/H) للزلازل في القشرة الضحلة والوشاح العلوي في منطقة خندق اليابان

بيان المشكلة
بينما توسعت شبكات الرصد الزلزالي في عرض البحر عالميًا، لا تزال هناك حاجة ملحة لأحكام تصميم زلزالي خاصة بالبيئات البحرية. توجد تباينات كبيرة بين الحركات الأرضية في عرض البحر وعلى اليابسة، لا سيما فيما يتعلق بسعة المكون الرأسي ونسبة الطيف الرأسي إلى الأفقي (V/H). تشير الدراسات السابقة إلى أن الحركات الأرضية الرأسية في عرض البحر تخمد بشكل منهجي مقارنة بالحركات على اليابسة، خاصة في نطاق الفترات القصيرة، وذلك بسبب التأثير المثبط لعمود الماء. ومع ذلك، فإن نماذج التنبؤ بنسبة V/H الحالية مشتقة في الغالب من سجلات الحركة القوية على اليابسة. وتعد قابلية تطبيق هذه النماذج البرية في البيئات البحرية أمراً مشكوكاً فيه، كما لم يتم استقصاء التأثيرات المحددة للمصدر والمسار وظروف الموقع على نسب V/H في عرض البحر بشكل كافٍ — لا سيما باستخدام بيانات من شبكة S-net (شبكة المراقبة في قاع البحر للزلازل والتسونامي) الواسعة الممتدة على طول خندق اليابان.

المنهجية
يطور هذا البحث نموذجاً تجريبياً لنسبة الطيف الرأسي إلى الأفقي (V/H) للزلازل في القشرة الضحلة والوشاح العلوي في منطقة خندق اليابان، باستخدام 9,892 سجلاً للحركة الأرضية من 150 محطة في قاع البحر تابعة لشبكة S-net. تضمنت المنهجية الخطوات التالية:

معالجة واختيار البيانات: تم فحص السجلات لاستبعاد المستشعرات ذات زوايا الدوران التي تزيد عن 0.1 درجة، أو تلك التي تحتوي على أخطاء في الموجات، أو انخفاض في نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR < 3) في النطاق من 0.1 إلى 20 هرتز. وتم الاحتفاظ فقط بالهزات التي بلغت قدرتها الزلزالية ( $M_w \ge 4.0$ ) والتي توفرت لها ثلاثة سجلات على الأقل مكونة من ثلاثة عناصر بجودة عالية.
تصنيف الموقع: نظراً لعدم توفر بيانات السرعة القصوى للقص ( $V_{S30}$ ) التقليدية لمحطات قاع البحر، استخدمت الدراسة مخطط تصنيف للمواقع (SC1–SC4) بناءً على التردد السائد ( $T_n$ ) الذي تم تحديده عبر طريقة نسبة الطيف الأفقي إلى الرأسي (HVSR). كما صُنفت المحطات حسب حالة الدفن (مدفونة في الخنادق بعمق < 1500 متر مقابل غير مدفونة على قاع البحر بعمق > 1500 متر).
صياغة النموذج: تم بناء نموذج تجريبي باستخدام نهج الانحدار ذي التأثيرات العشوائية. تتضمن الصيغة الوظيفية ما يلي:
- حد المصدر: يتضمن القدر الزلزالي ( $M_w$ )، وعمق البؤرة ( $h$ )، وآلية الصدع (عادي، عكسي، مضربي). وقد تم اختيار حد قدر زلزالي خطي بناءً على تحليل الانحدار.
- حد المسار: يصف الانتشار الهندسي باستخدام مسافة التمزق ( $R_{rup}$ ). بحثت الدراسة في وجود حد تفاعل بين القدر والمسافة، لكنها استبعدته من النموذج النهائي للحفاظ على بساطة النموذج وعدم وجود دلالة إحصائية متسقة عبر الفترات الزمنية.
- حد الموقع: تم اختبار ثلاث صيغ باستخدام معيار "أكايكي" للمعلومات (AIC). استخدمت الصيغة المثلى مؤشرات تصنيف الموقع ( $SC_i$ ) ومؤشرات حالة الدفن ( $S_b, S_u$ ) مضروبة في اللوغاريتم الطبيعي للتردد الأساسي للموقع.
التحقق من الصحة: تم تقييم أداء النموذج من خلال تحليل البواقي بين الأحداث ( $\tau$ ) وداخل الحدث الواحد ( $\sigma$ ). كما تمت مقارنة النموذج بالنماذج المرجعية المعتمدة على اليابسة (Bommer et al., 2011; Pezeshk et al., 2022; Tan and Hu, 2021).

المساهمات الرئيسية والنتائج
يخلص البحث إلى تقديم نموذج إقليمي للتنبؤ بنسبة V/H وعدة نتائج رئيسية تتعلق بخصائص الحركة الأرضية في عرض البحر:

التباين بين عرض البحر واليابسة: تكون نسب الطيف الرأسي إلى الأفقي (V/H) في عرض البحر عموماً أقل بكثير من النسب على اليابسة، لا سيما في نطاق الفترات القصيرة. تتراوح قيم V/H في عرض البحر عادة بين 0.15 و0.50، أي حوالي نصف القيم الموجودة على اليابسة. وهذا يدعم الفرضية القائلة بأن طبقة الماء تخمد المكونات الرأسية عالية التردد.
تأثيرات القدر وعمق البؤرة: يظهر تأثير القدر الزلزالي اعتماداً واضحاً على الفترة الزمنية. ويظهر عمق البؤرة تأثيراً مخمداً بشكل أساسي في نطاقات الفترات المتوسطة والطويلة ( $T > 0.12$ ثانية)، حيث تنخفض نسب V/H مع زيادة العمق.
مسافة التمزق وآثار المسار: تميل نسب V/H في عرض البحر إلى الزيادة مع زيادة مسافة التمزق. ويصبح هذا الاعتماد على المسافة أكثر وضوحاً عند الفترات الأطول ( $T > 1.0$ ثانية).
حالات الدفن: تمارس حالات دفن المحطات تأثيراً كبيراً. بالنسبة للفترات $T < 0.7$ ثانية، تظهر المحطات المدفونة عموماً نسب V/H أعلى من المحطات غير المدفونة. وعلى العكس من ذلك، بالنسبة للفترات $T > 1.0$ ثانية، تنخفض نسب V/H تدريجياً من فئة الموقع SC1 إلى SC4 بغض النظر عن حالة الدفن.
آلية الصدع: تنتج أحداث الصدع العادي عموماً نسب V/H أعلى مقارنة بأحداث الصدع العكسي والمضربي.
أداء النموذج: أظهر النموذج المقترح انحرافات معيارية منخفضة داخل الحد ومن الإجمالي. ويؤكد تحليل البواقي أن النموذج غير منحاز فيما يتعلق بالقدر، وعمق البؤرة، ومسافة التمزق، ومعايير تصنيف الموقع المستخدمة.

الأهمية
يؤكد البحث أن النموذج التجريبي المقترح يوفر مرجعاً ضرورياً لتقييم المخاطر الزلزالية في عرض البحر والتصميم الزلزالي للمنشآت البحرية، وتحديداً فيما يتعلق بالمكون الرأسي للحركة الأرضية. وتوضح الدراسة أن نماذج التنبؤ بنسبة V/H على اليابسة تبالغ بشكل منهجي في تقدير نسبة الحركة الأرضية الرأسية في بيئات عرض البحر، خاصة في مقاييس التردد العالي مثل تسارع الأرض الذروي (PGA). وبناءً على ذلك، يخلص المؤلفون إلى أنه لا يمكن تطبيق النماذج البرية مباشرة في عرض البحر دون تعديل. إن النموذج المطور، المستند إلى بيانات S-net الواسعة، يقدم أساساً أكثر دقة للتنبؤ بنسب الطيف الرأسي إلى الأفقي (V/H) في عرض البحر من خلال مراعاة تأثيرات المصدر والمسار والموقع الفريدة لمنطقة خندق اليابان بشكل صريح.

أبحاث مشابهة