به گزارش یولن، آیا خشکسالی می‌تواند گسل‌ها را به حرکت درآورد؟ دکتر مهدی زارع، استاد پژوهشگاه زلزله‌شناسی، در این گفت‌وگو از ارتباط پیچیده کم‌آبی و زلزله‌های کم‌ژرفا می‌گوید. با ما همراه باشید تا راز تأثیرات تغییرات اقلیمی بر گسل‌های ایران را کشف کنیم.
جناب دکتر زارع، شما در مقاله‌تان به ارتباط خشکسالی و زلزله اشاره کردید. این فرآیند چگونه رخ می‌دهد؟
در ایران، خشکسالی‌های طولانی‌مدت و تخلیه سریع آب‌های زیرزمینی می‌تواند با تغییر تنش پوسته، باعث ایجاد زلزله‌های سطحی در گسل‌های موجود شود که می‌تواند گسل‌ها را “از حالت قفل شدن” خارج کرده و آنها را به گسیختگی نزدیک‌تر کند. کاهش وزن آب استخراج‌شده، تنش مؤثر را کاهش داده و منجر به فرونشست زمین می‌شود. این فرآیند، که با بازگشت الاستیک طبیعی زمین در پاسخ به از دست دادن آب ترکیب می‌شود، وضعیت تنش زیرسطحی را تغییر می‌دهد و گسل‌های از قبل تحت فشار را بیشتر مستعد لغزش و ایجاد فعالیت‌های لرزه‌ای می‌کند.
این تغییر تنش در پوسته زمین دقیقاً چگونه اتفاق می‌افتد؟
دوره‌های طولانی خشکسالی و پمپاژ شدید آب‌های زیرزمینی، وزن آب روی پوسته زمین را کاهش می‌دهد. با تخلیه سفره‌های آب، فشار منفذی درون سنگ‌ها تغییر می‌کند که می‌تواند منجر به تغییرات قابل‌توجه تنش در پوسته شود. حذف وزن آب از بالای گسل‌ها، تنش عمومی مؤثر -نیرویی که سطوح گسل را به هم فشار می‌دهد- را کاهش می‌دهد. این امر باعث می‌شود که گسل “از حالت قفل خارج شود” و لغزش گسل آسان‌تر شود. پوسته زمین می‌تواند با از دست دادن وزن آب، به حالت اولیه خود بازگردد. این بازگشت، تنش را دوباره توزیع می‌کند و دینامیک گسل را تغییر می‌دهد و آن را به نقطه شکست خود نزدیک‌تر می‌کند. فعال شدن گسل‌های تحت تنش بحرانی به‌ویژه در مناطق حساس زمین‌ساختی ایران را فعال می‌کند و منجر به زلزله‌های کوچک تا متوسط و فراوان‌تر سطحی می‌شود.
این پدیده چه تأثیری بر شهرهای پرخطر مانند تهران دارد؟
شهرهایی مانند تهران به دلیل تخلیه آب‌های زیرزمینی ناشی از فعالیت‌های انسانی، با افزایش ریسک مواجه هستند که باعث فرونشست زمین و تغییر تنش بر گسل‌های فعال مانند گسل‌های شمال تهران، ماهدشت-جنوب کرج و رباط کریم و کهریزک می‌شود.
درباره دریاچه ارومیه چه می‌توانید بگویید؟ آیا خشک شدن آن هم در این موضوع نقش دارد؟
کاهش سطح آب در دریاچه ارومیه، که بخشی از آن به دلیل شدت گرفتن خشکسالی است، تنش بر گسل‌های فعال مجاور را افزایش داده است و به طور بالقوه باعث لرزه‌خیزی بالاتر می‌شود. تغییرات اقلیمی بدین طریق با خشکسالی، با افزایش فعالیت لرزه‌ای مربوط است.
کاهش فشار منفذی در مناطق گسلی چگونه بر زلزله‌ها اثر می‌گذارد؟
هنگامی که منطقه‌ای خشکسالی طولانی‌مدت یا فصل کم‌بارش را تجربه می‌کند، سطح آب‌های زیرزمینی کاهش می‌یابد. این موضوع منجر به کاهش فشار سیال منفذی در مناطق گسله کم‌ژرفا می‌شود. کاهش فشار سیال منفذی، تنش مؤثر عمود بر صفحه گسل را افزایش می‌دهد و آن را مانند ترمزی گیر می‌اندازد. با فشار سیال کمتر برای خنثی کردن وزن سنگ، دو طرف گسل محکم‌تر به هم فشرده می‌شوند. این افزایش اصطکاک می‌تواند به طور موقت گسل را “قفل” کند. با ادامه خشکسالی و خشک شدن زمین، وزن آب از بین می‌رود که می‌تواند باعث بالا آمدن یا بازگشت پوسته زمین شود و تنش روی گسل‌های مجاور را تغییر دهد. این تغییر در تنش، اگرچه کوچک است، اما می‌تواند “آخرین ضربه” باشد که یک گسل از پیش موجود و با تنش بحرانی را از نقطه شکست خود عبور می‌دهد و باعث ایجاد زلزله‌ای کم‌ژرفا می‌شود. این اثر در گسل‌های سطحی یا کم‌ژرفا بیشتر مشهود است زیرا تغییرات در آب‌های زیرزمینی در نزدیکی سطح زمین بسیار قابل‌توجه است.
آیا تغییرات تنش ناشی از خشکسالی در مقایسه با نیروهای زمین‌ساختی قابل‌توجه هستند؟
در حالی که تغییرات تنش ناشی از خشکسالی در مقایسه با نیروهای عظیم زمین‌ساختی کوچک هستند، می‌توانند عامل کلیدی – چکانش نهایی – در ایجاد زلزله روی گسلی باشند که در حال حاضر نزدیک به شکست است.
بارندگی شدید چه تأثیری بر گسل‌ها دارد؟
بارندگی شدید، برف انباشته و مخازن پر، وزن قابل‌توجهی به پوسته اضافه می‌کنند. این وزن به گسل فشار می‌آورد، آن را قفل می‌کند و تنش عمود بر گسل (نیرویی که دو طرف گسل را به هم فشار می‌دهد) را افزایش می‌دهد. این افزایش نیروی مهار، لغزش گسل را دشوارتر می‌کند. در جریان خشکسالی عکس این اتفاق می‌افتد. هدررفت گسترده آب از خاک خشک‌شده، کاهش آب‌های زیرزمینی، کاهش برف انباشته و پایین آمدن سطح مخازن، وزن را از پوسته کم می‌کند. این تخلیه، نیروی مهار گسل را کاهش می‌دهد. این کاهش در تنش می‌تواند در اندازه‌ای باشد که به تنش‌های زمین‌ساختی موجود (که همیشه از حرکات ورقه‌های زمین‌ساختی وجود دارند) اجازه دهد بر اصطکاک روی صفحه گسل غلبه کنند و باعث لغزش گسل شوند و زلزله‌ای کم‌ژرفا ایجاد کنند.
نقش فشار منفذی در این فرآیند چیست؟
آب موجود در این منافذ تحت فشار است. این فشار بالا به دانه‌های سنگ اطراف فشار می‌آورد و آنها را به طور مؤثر از هم جدا می‌کند. در یک منطقه گسل، فشار منفذی بالا وزن سنگ رویی را خنثی می‌کند و تنش عادی که گسل را می‌بندد را کاهش می‌دهد. این به طور مؤثر گسل را روان می‌کند و لغزش آن را آسان‌تر می‌کند. بارندگی، سفره‌های آب زیرزمینی را تغذیه می‌کند. این تغذیه، فشار منفذی درون سنگ‌ها را افزایش می‌دهد و گسل را بیشتر “روان” می‌کند. کمبود طولانی‌مدت باران باعث می‌شود آب‌های زیرزمینی برای کشاورزی و آب آشامیدنی بیشتر استخراج شوند و تغذیه طبیعی متوقف شود. سفره‌های آب زیرزمینی تخلیه می‌شوند. این امر فشار منفذی را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. فشار منفذی کمتر به این معنی است که آب دیگر دانه‌های سنگ‌ها را به طور مؤثر از هم جدا نمی‌کند. دانه‌ها به هم نزدیک‌تر می‌شوند، می‌چسبند و اصطکاک و نیروی مهاری روی گسل را افزایش می‌دهند.
این افزایش اصطکاک چه پیامدهایی دارد؟
این افزایش اصطکاک ممکن است گسل را تثبیت کند. با این حال، نکته کلیدی این است که نیروهای زمین‌ساختی به طور مداوم و به آرامی در حال ایجاد انرژی تغییرشکل در سنگ‌های اطراف گسل هستند. گسل زمانی می‌لغزد که این انرژی تغییرشکل از قدرت گسل بیشتر شود. با افزایش اصطکاک روی گسل اساساً انرژی تغییرشکل اجازه می‌یابد تا قبل از وقوع گسیختگی به سطح بالاتری برسد. وقتی گسل بالاخره می‌لغزد، این مقدار انرژی تغییرشکل انباشته‌شده‌ی بیشتر را آزاد می‌کند که به طور بالقوه منجر به زلزله‌ای کمی بزرگ‌تر از حالتی می‌شود که فشار منفذی بالا باقی می‌ماند و گسل در رویدادهای کوچک‌تر بیشتر لغزش می‌کرد.
این پدیده در مناطق دیگر جهان هم مشاهده شده است؟
در کالیفرنیا مطالعات، دوره‌های خشکسالی شدید و پمپاژ آب‌های زیرزمینی در دره مرکزی را با افزایش زلزله‌های کوچک و کم‌ژرفا در امتداد رودخانه‌های مجاور مرتبط دانسته‌اند. در سامانه گسل سن آندریاس، کاهش وزن عظیم ناشی از استخراج آب‌های زیرزمینی معادل بلند کردن یک وزنه بزرگ از روی پوسته برای خم کردن پوسته و تغییر تنش‌ها روی گسل‌ها کافی است. در هیمالیا تحقیقات نشان داده است که تغییرات فصلی در بارندگی موسمی در مقایسه با زمان کم‌بارش سال – فصل خشک – با نرخ لرزه‌خیزی همبستگی دارد، به طوری که زلزله‌های کوچک بیشتری در مدت فصل خشک و هنگام تخلیه بار رخ می‌دهد. در استرالیا مجموعه‌ای از زلزله‌های کم‌ژرفا را به خشکسali طولانی‌مدت مرتبط کرده‌اند که باعث تخلیه قابل‌توجه آب‌های زیرزمینی شده است.
تغییرات بار سطحی و فشار منفذی چگونه بر لرزه‌خیزی اثر می‌گذارند؟
خشکسالی و بارندگی کم می‌تواند با تغییر بارهای سطحی و فشارهای منفذی، زمین‌لرزه‌های کم‌ژرفا را در گسل‌های موجود ایجاد کند. تغییرات ناشی از خشکسالی در ذخیره آب زمینی (مانند رطوبت خاک و آب‌های زیرزمینی) بار پوسته را کاهش می‌دهد، در حالی که بارندگی شدید آن را افزایش می‌دهد. این تغییرات در بار هیدرولوژیکی می‌تواند باعث تغییرات کرنش قابل‌توجه و تغییر فشارهای سیال در گسل‌ها شود، آنها را بی‌ثبات کند و لرزه‌خیزی را افزایش دهد، به‌ویژه در مناطق لرزه‌خیز متوسط مانند منطقه لرزه‌خیز نیو مادرید در شرق آمریکا.
فشار منفذی چگونه گسل‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد؟
آب درون مناطق گسلی می‌تواند فشار منفذی را افزایش یا کاهش دهد، که بر تنش مؤثر بر گسل تأثیر می‌گذارد. تغییرات در تنش مؤثر و فشار منفذی می‌تواند گسل‌های از پیش موجود را بیشتر مستعد لغزش کند. به عنوان مثال، افزایش فشار منفذی ناشی از بارندگی می‌تواند گسل‌ها را تضعیف کند، در حالی که کاهش فشار منفذی در خشکسالی نیز می‌تواند منجر به بی‌ثباتی گسل شود.
این موضوع چه پیامدهایی برای مدیریت مخاطرات در ایران دارد؟
بار سطحی وزن اضافه – آب، برف – اضافه می‌کند و خشکی وزن را حذف می‌کند. تخلیه بار، تنش قفل‌شدگی را کاهش می‌دهد و لغزش را آسان‌تر می‌کند. فشار منفذی فشار آب در سنگ‌ها را افزایش می‌دهد. فشار آب در سنگ‌ها را کاهش می‌دهد. فشار کمتر اصطکاک را افزایش می‌دهد و اجازه می‌دهد تا قبل از لغزش بزرگ‌تر، کرنش به سطح بالاتری برسد. خشکسالی به عنوان یک محرک عمل می‌کنند، علت اصلی زلزله همیشه تنش زمین‌ساختی از پیش موجود است. با تغییر بار سطحی و فشار منفذی در پوسته کم‌ژرفا، خشکسالی می‌تواند با تغییر تعادل ظریف نیروهایی که یک گسل را قفل نگه می‌دارند، به طور مؤثر «ماشه را بکشد».
برای کاهش این مخاطرات چه باید کرد؟
مدیریت منابع آب، کاهش پمپاژ بی‌رویه آب‌های زیرزمینی و آمادگی برای زلزله در مناطق پرخطر مانند تهران و اطراف دریاچه ارومیه حیاتی است. برنامه‌ریزی شهری مناسب و مقاوم‌سازی سازه‌ها می‌تواند به کاهش ریسک کمک کند.
آینده ایران از نظر این مخاطرات چگونه خواهد بود؟
با ادامه تغییرات اقلیمی و تشدید خشکسالی، احتمال افزایش زلزله‌های کم‌ژرفا در مناطق حساس مانند تهران و اطراف دریاچه ارومیه وجود دارد. اما با مدیریت صحیح منابع آب و برنامه‌ریزی شهری، می‌توان این مخاطرات را کاهش داد.
۴۷۲۳۲
