مجری: ابراهیم حق شناس (دانشیار پژوهشکده مهندسی ژئوتکنیک)
همکاران: سعید سلطانی ، برتراند گیلیر ، سسیل کورنو
قرارگیری شهر تهران در منطقه ای دارای گسل‌های فعال فراوان و مستقر بر روی یک حوضه رسوبی با امکان وقوع اثرات ساختگاهی نمونه‌ای کامل از یک منطقه داری خطر بالای زلزله به شمار می رود. این خطر بالا در کنار اهمیت سیاسی و اقتصادی این شهر، تراکم جمعیتی بسیار زیاد و آسیب پذیری زیاد آن ریسک قابل توجهی از این ناحیه به کشور را تحمیل نموده است. در این راستا شناخت هرچه بهتر خطر و متعاقب آن آسیبپذیری و ریسک، مولفه های لازم برای کاهش این ریسک و مدیریت بحران ناشی از زلزله در این شهر است. در زمینه شناخت خطر، هرچند خطر زلزله در تهران همواره موضوعی نگران‌کننده بوده است، اما کمبود قابل‌توجهی در مطالعات جامع مربوط به خطرات لرزهای از جمله اثرات ساختگاهی در تهران وجود داشته است. با توجه به این شرایط، تعریف دقیق‌تری از ویژگی‌های حوضه رسوبی شهر تهران ضروری است تا بتوان جنبش نیرومند زمین را برای زمین‌لرزه‌های آینده به شکلی واقعی‌تر پیش‌بینی کرد.
نخستین مطالعه مبتنی بر داده های لرزه ای واقعی و ارتعاشات محیطی درباره رسوبات آبرفتی تهران در سال 2005 توسط حق‌شناس و با استفاده از داده‌های یک شبکه لرزه‌نگاری موقت و روش تجربی ساختگاه به مرجع انجام پذیرفت. نتایج این پژوهش نشان داد که رسوبات آبرفتی تهران در بازه فرکانسی گسترده‌ای، از فرکانس‌های بسیار پایین (0.4 هرتز) تا حدود 8 هرتز، باعث تقویت قابل‌توجه حرکت زمین می‌شوند. این تقویت نه تنها در بخش جنوبی شهر با رسوبات دانه‌ریز مشاهده شد، بلکه در مناطق شمالی و مرکزی نیز تا حدی به چشم آمد. حق‌شناس برای توضیح این پدیده دو عامل را معرفی نمود: عامل نخست، وجود لایه‌های ضخیم رسوبی با افزایش تدریجی سرعت موج برشی است که موجب تقویت در فرکانس‌های پایین (0.4 هرتز) می‌شود؛ عامل دوم، اثرات ساختگاهی دوبعدی و سه‌بعدی ناشی از حوضه رسوبی عمیق است که تقویت در طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها را به دنبال دارد.
برای درک و شناخت بهتر هر دو عامل، به یک مدل سه‌بعدی از هندسه و ویژگی‌های مکانیکی حوضه رسوبی نیاز است. بدین منظور در قسمت اول پروژه حاضر، یک مدل سه بعدی سرعت موج برشی برای حوضه رسوبی تهران با ادغام داده‌های فراوان ژئوتکنیکی، ژئوفیزیکی و زمین‌شناسی توسعه داده شده است. داده‌های ژئوتکنیکی شامل ۱۹۷ داده لرزهای سطحی و همچنین گزارش‌های زمین‌شناسی موجود در شهر تهران هستند. همچنین داده‌های ژئوفیزیکی شامل ۳۳ آرایه ارتعاشات محیطی, ۱۳ برداشت لرزهای و ۵۷۵ برداشت تک ایستگاهی ارتعاشات محیطی می باشند.
در مرحله اول این پروژه، نقشه فرکانس طبیعی حوضه رسوبی شهر تهران با استفاده از روش نسبت طیفی مؤلفه افقی به قائم تهیه شد. سپس، در مرحله بعد، پروفیل‌های یک‌بعدی سرعت موج برشی در هر ایستگاه آرایه‌ای با بهره‌گیری از وارون‌سازی مشترک منحنی‌های پراکندگی امواج رایلی و لاو (مد اصلی و مدهای بالاتر) مستخرج از آرایه‌های ارتعاشات محیطی و برداشت‌های لرزهای، بیضوی‌واری امواج رایلی (مستخرج از آرایه‌ها و برداشت‌های تک ایستگاهی و زلزله ها)، اطلاعات ژئوتکنیکی لایه سطحی و فرکانس تشدید خاک تعیین شدند. سپس یک رابطه تجربی توانی معکوس میان عمق سنگ بستر لرزهای و فرکانس طبیعی از طریق رگرسیون بین مقادیر محاسبه‌شده تعیین گردید تا امکان تعیین عمق سنگ بستر در تمامی بخش های حوضه رسوبی و ساخت یک مدل سه‌بعدی سرعت موج برشی تا عمق سنگ بستر لرزهای فراهم گردد.
نقشه سه‌بعدی عمق سنگ بستر لرزهای نشان میدهد که حوضه تهران در شمال‌شرقی دارای عمق کمتری (حدود 400 متر) است که در جنوب‌غربی به بیشینه عمق (تا حدود 900 متر) می‌رسد، این تغییر عمق با یک گذار ناگهانی از شمال‌شرق به جنوب‌غرب در قسمت های مرکزی حوضه همراه می باشد. همچنین پروفیل‌های سرعت موج برشی حضور لایه‌ای سطحی با ضخامت متغیر بین 50 تا 150 متر و سرعت موج برشی بین 500 تا 1000 متر بر ثانیه را نشان می‌دهند که بر روی یک لایه سخت‌تر قرار دارد؛ این لایه سخت‌تر دارای سرعت موج برشی بین 1000 تا 1500 متر بر ثانیه است و ضخامت آن از 200 متر در شمال‌شرق تا 800 متر در جنوب‌غرب متغیر است.
قسمت دوم پروژه حاضر شامل انجام اولین شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی حرکت زمین در تهران با روش المان طیفی و با استفاده از مدل سرعتی به‌دست‌آمده است تا اثرات چندبعدی سایت بر تقویت سایت/حرکت زمین را درک و کمی‌سازی کند.
مرحله اولیه شامل توصیف بلوک شبیه‌سازی و مرزهای حوضه است. برای شبیه‌سازی تهران، مرز حوضه با استخراج اطلاعات از دو نقشه زمین‌شناسی با مقیاس ۱:۱۰۰۰۰۰ (تهران و شرق تهران) که توسط سازمان زمین‌شناسی ایران منتشر شده بودند، به دست آمد. این نقشه‌ها امکان استخراج دقیق مرز بین سنگ و آبرفت را با دقت نسبتاً بالا فراهم کردند. بلوک شبیه‌سازی نیز به صورت یک مربع مایل با ابعاد ۵۰ × ۵۰ کیلومتر در نظر گرفته شد که از شمال و شرق به کوه های البرز و انتی البرز محصور شده و استفاده از مرزهای جاذب را یه حداقل می‌رساند.
اطلاعات مربوط به ویژگی‌های مکانیکی لایه‌های مختلف حوضه بر اساس ساختار سه‌بعدی سرعت و عمق سنگ بستر که در بخش اول پروژه به دست آمده، استخراج و ساده‌سازی شده است.
برای تابع زمانی چشمه لرزهای نیز از یک پالس واحد استفاده شده است که با اعمال فیلتر پایین‌گذر، شکل موجی با حداکثر فرکانس ۲ هرتز تولید می کند. در این راستا، از فیلترهای باتروورث بدون فاز و دارای فاز تکرارشونده برای ایجاد موج مناسب در حداکثر فرکانس موردنظر بهره گرفته شده است.
پس از اطمینان از پیاده‌سازی صحیح همه فایل‌های ورودی، شبیه‌سازی اصلی به کمک روش روی کلاستر محاسباتی در موسسه علوم زمین گرونوبل DAHU HPCDA اجرا شد. برای بهره‌گیری از معماری موازی، شبکه به ۶۴ بخش تقسیم و بر روی ۶۴ پردازنده توزیع شد. این شبکه شامل ۱٬۳۱۰٬۸۴۸ عنصر طیفی با درجه چندجمله‌ای 4 برای نمونه‌برداری از میدان موج است؛ بنابراین، هر عنصر طیفی شامل ۱۲۵ نقطه گوس-لباتو-لژاندر است. با احتساب نقاط لبه‌ها و گوشه‌های مشترک عناصر طیفی، این شبکه در مجموع حاوی ۸۶.۵ میلیون نقطه شبکه‌ای است. طول همگن‌سازی برابر با ۸۲.۸ متر است که در نهایت برای محاسبه هر اجرا از شبیه سازی، تقریباً ۵۴ گیگابایت حافظه مصرف می‌شود. از نظر زمانی برای محاسبه لرزه نگاشت با مدت‌زمان ۶۰ ثانیه و ۸۰٬۰۰۰ گام زمانی حدود ۱۶ ساعت زمان صرف گردیده است.
مشاهدات سری زمانی شبیه سازی شده نشان میدهد که امواج سطحی پراش‌یافته، به ویژه در نواحی جنوبی، به دلیل اثر ساختگاه سه‌بعدی ایجاد می‌شوند. همچنین، محاسبه طیف دامنه فوریه در طول این مقطع نشان میدهد که چگونه میزان تقویت از مناطق شمالی به جنوبی حوضه تغییر می‌کند. همچنین مقایسه فرکانس اصلی تقویت سایت در مدل عددی با فرکانس تشدید تجربی همخوانی نسبتاً خوبی با میانگین خطای حدود ۱۱٪ دارد. در مورد مقادیر تقویت، مقایسه طیف ساختگاه به مرجع حاصل از داده‌های شبیه‌سازی عددی با نتایج به‌دست‌آمده از شبکه موقت لرزه ای نشان می دهد که این شبیه‌سازی توانسته است شکل تقویت ناشی از اثرات ساختگاهی در منطقه جنوبی را بازتولید کند، که شکل طیفی پهن آن نیز بیانگر اثرات دوبعدی/سه‌بعدی ساختگاه است. در بخش شمالی، به نظر می‌رسد که مدل شبیه سازی شده برای در نظر گرفتن ناهمگنی‌های ساختار زمین به‌ویژه در نزدیکی گسل‌های پیچیده مرکزی بیش از حد ساده است.
در انتها، نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی نشان داد که این مدل می‌تواند به عنوان نقطه شروعی قابل اطمینان برای توسعه مدل‌های آتی عمل کند و به شبیه‌سازی دقیق‌تر جنبش نیرومند زمین منجر شود.
A: نمونه‌ای از فرآیند وارون‌سازی (برای ایستگاه FAR) به‌منظور به‌دست آوردن سرعت موج برشی ۱ بعدی؛
B: نقشه عمق بستر سنگی تهران به‌دست آمده از ترکیب تمامی نتایج ژئوفیزیکی؛
C: تصویری از مولفه جابجایی X در ۵ ثانیه پس از ضربه چشمه در شبیه‌سازی ۳ بعدی؛
D: سری زمانی شبیه‌سازی شده مولفه ی جابجایی در امتداد مقطع AA’ نشان داده شده در شکل B که بخوبی اثرات چند بعدی ساختگاه (افزایش دامنه و طول سیگنال) در قسمت های جنوبی را نشان میدهد؛
E: مقایسه نسبت ساختگاه به مرجع شبیه‌سازی شده و تجربی برای سه ایستگاه منتخب
کلیه حقوق مادی و معنوی این سایت متعلق به پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله می باشد.
