پایان نامه شبیه سازی جنبش نیرومند زمین به روش ترکیبی

رساله دکتری

ژئوفیزیک زلزله­ شناسی

شهریورماه 1392

چکیده

در این رساله از چند روش ترکیبیِ شبیه سازی به منظور تولید نگاشتهای مصنوعی جنبش نیرومند زمین استفاده شده است. بر این مبنا دو روشی که پیش از این در برخی دیگر نقاط دنیا استفاده شده بود به عنوان روشهایی پیشرفته برای شبیه سازیِ دو زلزله­ی رخ داده در کشور استفاده و همچنین یک روش شبیه سازی که کیفیت خروجی داده­های مصنوعی را بهبود می بخشد به عنوان نوآوری ارائه شده است.

روش ترکیبیِ دو بعدیِ "مجموع مد-تفاضل محدود" برای شبیه سازی زلزله 17 اکتبر 2009 تهران، که در سالهای اخیر اولین زلزله­ی نزدیک به شهر تهران بوده که از آن داده­ی جنبش نیرومند ثبت شده، مورد استفاده قرار گرفت. این زلزله در طول دو پروفیل شرقی-غربی و جنوب شرقی-شمال غربی به صورت دو بعدی مدلسازی شده و نتایج آن با داده های واقعی ثبت شده مقایسه شده است. با وجود کمبود داده های پایه برای اجرای روند دقیقِ شبیه سازی، نشان داده شده که استفاده و کاربرد روشهای پیشرفته که فیزیک چشمه، مسیر و اثرات سایت را در فرآیند خود لحاظ می­کنند چگونه توانایی تخمین های قابل قبول را بدست می­دهند. با استفاده از این روش میزان تخمینیِ تشدید در تهران بر اثر رسوبات محلی در فرکانس های مختلف محاسبه شده است. شکل موج شتاب نگاشتها، سرعت نگاشتها و طیفهای پاسخِ مشاهده و مصنوعی با هم مقایسه و شرح داده شده اند.

در ادامه از یک روش سه بعدیِ نوین که پیش از این تا محدوده ی فرکانسی پایین (1 هرتز) مورد استفاده قرار گرفته بود به کار برده شد تا زمین لرزه بم را شبیه سازی نماییم. این روش برای اولین بار در ایران مورد استفاده قرار گرفته و برای اولین بار تا محدوده فرکانسی بالا (6 هرتز) بسط داده شده است که نتایج آن به وضوح نشان از بهبود کیفیت نگاشتهای مصنوعی در حالت سه بعدی دارد. در اینجا با استفاده از "روش مجموع مد و ردگیری پرتو" در کنار تخمین WKBJ، موج لرزه ای از چشمه تا گیرنده انتشار داده می شود و در طول مسیر بر مبنای مدهای امواج لرزه­ای که بر پایه­ی مدلهای سه بعدی تولید می­شوند، نگاشت مورد نظر به روز و تکمیل می گردد. برای شبیه سازی زمین لرزه بم چند روشِ یک و دو بعدی استفاده شد و در نهایت نتایج با روش سه بعدی مذکورد مقایسه گشته و روند بهبود کیفیت، در حوزه زمان و فرکانس، به روشنی نشان داده شده است.

در انتها روشی جدید در این رساله پیشنهاد داده شده است از ترکیب سه روش "مجموع مد، تفاضل محدود و تابع گرین" بهره برده­ایم تا محدودیت های دو روش ابتدایی ارائه شده را بر طرف نماییم. بر این اساس یک پس لرزه از زمین لرزه بم با بزرگای متوسط به روش ترکیبیِ "مجموع مد-تفاضل محدود" شبیه سازی و از نگاشت مصنوعی تولید شده به عنوان تابع گرین استفاده شده تا رخداد اصلی زمین لرزه بم تولید شود. روش پیشنهادی این حسن بسیار بزرگ را دارد که چشمه نقطه ای که در دو روش قبلی مورد استفاده قرار میگرفت را به چشمه گسترده ارتقاء داده تا از این طریق کیفیت نتایج شبیه سازی به ویژه در حوزه فرکانس را به میزان قابل توجهی بهبود دهیم. این روش در سه ایستگاه، ابارق، محمدآباد و سد جیرفت به منظور مقایسه میان داده های مشاهده و مصنوعی مورد ارزیابی قرار گرفته است.

واژه های کلیدی

شبیه سازی جنبش نیرومند زمین، شبیه سازی عددی، شبیه سازی تحلیلی، شبیه سازی ترکیبی، مجموع مد، تفاضل محدود، تابع گرین، تخمین WKBJ، طیف پاسخ، زلزله تهران، زلزله بم. 

فصل اول:

معرفی و کلیات

-1- مقدمه

    پدیده­ی لرزه خیزی ایران و اهمیت آن، مساله­ای نیست که نیازمند شرح بسیار باشد. وجود چشمه های فعال لرزه­ای، زلزله­های مخرب تاریخی و دستگاهی، تکتونیک جوان و نرخ کوتاه شدگی به واسطه تکتونیک منطقه و جهانی، تا حد زیادی شناخته شده و باعث میشوند که ایران به عنوان منطقه ای قابل توجه از زاویه نگاه لرزه خیزی و خطرات لرزه ای باشد. طی سالهای متوالی و به ویژه سالیان اخیر، مطالعات مختلفی در تمامی حوزه های زلزله شناسی بر روی ایران انجام شده است. این مطالعات به مرور با افزایش داده های دستگاهی دقیق­تر شده و کمک می­کنند که ویژگی های کمّیِ این پدیده نیز در ایران بهتر شناخته شوند.

    مطالعات گسترده­ی شناخت ساختار زیرینِ شکل دهنده­ی ایران، تا اعماق بسیار، امروزه در حال اجرا بوده و یا برخی مطالعات مشابه، به نتیجه­هایی قابل مراجعه و استفاده رسیده­اند. همچنین بسیاری مطالعات مهندسی که به گونه ای جنبه ی کاربردی­ترِ مجموعه مطالعات زلزله شناسی است، رشد مناسبی داشته و البته هنوز جای کار بسیار وسیعی در این میان احساس می شود. رخداد زلزله هایی با بزرگاهایِ تا هفت و تخریب و کشته های ناشی از آن همواره این هشدار را می دهد که برای جنبه های مهندسی زلزله در ایران باید تدبیر ویژه داشت. عمده کارکرد در این زمینه در دو حوزه شناخت چشمه های فعال لرزه خیز، رفتار آنها و بیشینه خطرات محتملِ آنها از یک طرف و رعایت اصول ساخت مهندسی سازه ها از طرف دیگر خلاصه می شود.

(تصاویر  و جداول در فایل اصلی قابل مشاهده است)

    نقشه بزرگ مقیاس خطر لرزه ایِ جهانی نشان از آن دارد که تقریبا در تمامی مناطق ایران، با خطر لرزه ای بالا مواجهیم که شکل (1-1) بیانِ روشن این مساله است. بر اساس این نقشه کاملا مشخص است که ایران در کمربند لرزه­ای بسیار پرخطری قرار دارد و در ردیف کشورهای جنوب شرقی آسیا، بخشی از آفریقا و آمریکا که خود احتمالِ بالایِ خطر لرزه­ای دارند قرار می­گیرد. شاید مرور تعداد کشته های پنجاه سال اخیر در ایران بر اثر زلزله، به سادگی گویای این مساله باشد. زلزله های طبس، بویین زهرا، قیر، سیلاخور، رودبار منجیل، چنگوره-آوج، بم، زرند، اردبیل و .... به عنوان برخی از معروف­ترین و مخرب ترین این زلزله­ها همواره پیش چشمان ماست تا بر اساس تجربه های تلخی که از آنها چه از نظر امداد و نجات و چه از نظر مهندسی و تخصصی بدست آمده توان مواجهه­ی منطقی با این پدیده­ی مهم را داشته باشیم.

    علاوه بر نقشه توزیع خطر جهانی زلزله، نقشه های داخلی، در مقیاس کشوری، نیز موید این مساله بوده و آنها هم نشان از خطر بالای لرزه ای دارند. نقشه­های خطر لرزه­ای ایران (شکل 1-2) و پهنه بندی خطر نسبی زمین لرزه در ایران (شکل 1-3) هر دو به خوبی گویای این مطلب هستند و نشان می­دهند که تقریبا در تمامی بخشهای کشور پتانسیل رخداد زلزله هایی با اهمیت و لذا میزان تخریب بالا را داریم.

-2- هدف از انجام این رساله

    این رساله بر مبنای دیدگاه زلزله شناسی مهندسی شکل گرفته و با هدف بررسی برخی روشهای ترکیبیِ شبیه سازی به انجام رسیده است. از آنجا که داده های شتابِ ثبت شده­ی یک زلزله، از مهمترین اطلاعات مورد نیاز برای تحلیل ها و تفاسیر زلزله شناسی مهندسی است، لذا در اختیار داشتن بانک داده­ی این کمیتِ مهم، از مواردی است که همیشه به آن نیاز است. بر این مبنا از سالیان دور در ایران شبکه شتابنگاری (شکل 1-4) رشد و توسعه پیدا کرده تا اینکه امروزه با حدود هزار و سیصد ایستگاه شتابنگاری در کشور مشغول ثبت داده های شتاب باشیم. همانطور که می دانیم داده های شتاب و تجهیزات شتابنگاری به دلیل ویژگی های ذاتیِ شتابِ زمین، همانند داده های لرزه نگاری (سرعت نگاری) هر روزه رخ نمی دهند و ثبت نمی­شوند. از طرفی از آنجا که شتاب زمین لرزه به شدت به ویژگی های محلی یک منطقه وابسته است، نیازمند آن هستیم که برای هر منطقه داده های محلی همان منطقه را در اختیار داشته باشیم تا کارکرد حقیقی شتابنگاری و زلزله شناسی مهندسی را فراهم آورند. همچنین به دلیل آنکه زلزله های بزرگ همه روزه و در بازه های زمانیِ کوتاه رخ نمی دهند، لذا در بسیاری مناطق که بعد از نصب و راه اندازی شبکه شتابنگاری زلزله بزرگی را تجربه نکرده اند از داده های مهم شتابنگاری محروم هستیم و مجموع این عوامل و برخی مسائل دیگر از قبیل تعیین پارامترهای چشمه­ی لرزه خیز و چشمه مسبب زلزله ها و استفاده از آن برای اهداف آینده، در مجموع زلزله شناسان را به سمت روشهای مدلسازی و شبیه سازی زلزله سوق می دهند.

    علاوه بر مسائل یاد شده، باید در نظر داشت که تخمین های موجود از خطر پذیری لرزه ای، چه در مقیاس جهانی و چه مقیاس ملی با کاستی هایی روبرو هستند که هنگام بررسی عملی برای سازه های پر اهمیت و مطالعاتِ نیازمندِ تحلیل­های زلزله شناسی مهندسی، باید به دقت مورد ارزیابی مجدد قرار بگیرند. برای مثال، پانزا و همکاران (2012) [4] به خوبی نشان داده اند (جدول 1-2) که چطور در برخی از زلزله های مهمِ دو دهه اخیر، نقشه جهانی خطر پذیری لرزه ای (شکل 1-1) دارای خطا بوده و این خطا گاه تا چهار درجه شدت زلزله نیز رسیده که این مساله باید حتما مورد توجه قرار بگیرد و خطاها مرتفع شوند. راهکار عمده­ی این مساله مطالعه واقع گرایانه­ی جنبش نیرومند زمین و ارائه روشهای نوینِ تحلیل خطر لرزه ای است. هدف اصلی در این رساله بررسی تحلیل خطر نبوده و صرفا بر مطالعه واقع گرایانه­ و شبیه سازی جنبش نیرومند زمین متمرکز است که با در نظر گرفتن روشهای تحلیلی، عددی و لحاظ کردن شرایط فیزیکی رخداد زمین لرزه و اثرات محلی ساختگاه، امکان تدقیق فرآیند تحلیل خطر را فراهم می آورد تا برای مناطق هدف مورد نظر، تخمین هایی واقعی تر به آنچه در عمل ممکن است رخ دهد زده شود.

    بر اساس شرح مختصر فوق، ما در بسیاری از موارد ناگزیر از اجرای روشهای شبیه سازی به منظور دستیابی به اطلاعاتی از چشمه یا بانک داده لرزه ای مصنوعی برای تخمین اثرات احتمالی زمین لرزه ها در یک منطقه خاص هستیم. بر این مبنا روشهای متفاوتی برای شبیه سازی جنبش نیرومند زمین تا کنون ارائه شده که به صورت چکیده برخی از آنها در فصلهای آتی معرفی خواهند شد. در میان این روشها، روشهای ترکیبی توان ارائه جزییات بیشتری از مشاهدات واقعی را دارند و در این رساله سعی شده چند روش شبیه سازی ترکیبی مورد بررسی قرار بگیرد تا امکان کاربرد عملی آنها ارزیابی و سنجیده شود تا در زمان لزوم با استفاده از آنها بتوان به داده هایی که میزان قابل قبولی از اطلاعات را در اختیار بگذارند دست یافت. همچنین در این رساله یک روش شبیه سازی ترکیبی به عنوان روشی نو که بهبود مناسبی در روند شبیه سازی دارد ارائه شده که نتایج آن با روشهای قبلی مقایسه گشته و بهبود ناشی از آن شرح داده شده است.

    آنچه که در این روشها مورد اهمیت بوده و نگاه این رساله به آنهاست، همراه داشتن رفتار تحلیلی فیزیکی چشمه، اثرات مسیر و ساختگاه زمین لرزه است که تاثیر ویژه ای در خروجی زمین لرزه دارند. نگاشتهای جنبش نیرومند زمین به ویژه در فرکانسهایی بالاتر از یک هرتز دارای پیچیدگی های بسیار هستند و لحاظ کردن فرآیندهایی که این پیچیدگی ها را تا حد امکان ببیند و به کار بگیرد عموما با روشهای ترکیبی به دست می آیند.

    بسیاری از روشهای شبیه سازی، محدوده فرکانس پایین (کمتر و حدود 1 هرتز) و یا فرکانس بالا (بیشتر از 1 هرتز) را پوشش می دهند که در این رساله سعی شده روشهایی مورد بررسی قرار بگیرد که طیف گسترده ای از فرکانس ها (کمتر از 1 تا حدود 6 هرتز) را پوشش بدهد که عمده­ی انرژی زلزله در این محدوده ها آزاد می شود و می تواند تخمین مناسبی از آنچه در عمل رخ می دهد را بدست دهد. نشان داده می شود که روش توسعه داده شده در این رساله در بازساخت محتوای فرکانسی طیف پاسخ کیفیت به مراتب بهتری از روشهای پیشین خود دارد.