پیش‌بینی زلزله با استفاده از ژئودزی

یک پیش‌بینی معنی‌دار زلزله باید زمان، مکان و بزرگای یک رویداد آینده را به وضوح تعریف کند. پیش‌بینی کوتاه‌مدت زلزله -یعنی قابلیت صدور هشدار از چند دقیقه تا چند ماه قبل از یک شوک اصلی- بدون وجود یک پیش‌لرزه قابل مشاهده و عملی غیرممکن است. بنابراین، یک هدف کلیدی، کشف فرایند گسلش مقدماتی است که می‌تواند به ما بگوید یک زلزله قریب‌الوقوع کجا، چه زمانی و چقدر بزرگ خواهد بود. اندازه‌گیری‌های تکراری ژئودتیک در ارتباط با رویدادهای لرزه‌ای شدید با توسعه فشرده سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) در دهه‌های اخیر، تحقیقات پیش‌بینی زلزله را مؤثرتر کرده است. نتایج مشاهدات GNSS در پهنه رومرکزی سه زمین‌لرزه بزرگ ناپا در شمال کالیفرنیا با بزرگای 6.1 در سال 2014، زلزله بایای کالیفرنیا با بزرگای 7.2 در سال 2010 و زلزله پارک‌فیلد کالیفرنیا با بزرگای 6 در سال 2004 با بررسی مشخصات تغییر شکل سطح زمین قبل، حین و بعد از زلزله به دست آمده است. نتایج حاصله وجود تغییر شکل‌های غیرعادی در نزدیکی کانون‌ زلزله‌ها را اثبات می‌کند. تغییراتی مانند بادکردن زمین و کرنش برشی با تغییر شکل سطح زمین در پهنه کانونی زلزله از ماه‌ها تا سال‌ها قبل از شوک اصلی نشان داده شده است. ناهمگونی‌های آشکارشده را می‌توان به عنوان پیش‌نشانگرهای تغییر شکل زمین‌لرزه‌های شدید در نظر گرفت. با توجه به داده‌های تاریخی و تحقیقات دقیق کنونی مقادیر تغییر شکل‌های بحرانی باید با دقت بیشتر مشخص شود تا امکان تولید هشدار و اعلام پیش‌بینی زلزله از این طریق ممکن شود.

یک مطالعه جدید توسط پژوهشگران مؤسسه ملی توسعه پایدار فرانسه از ماهواره‌های GPS و هزاران ایستگاه ژئودزیک برای تجزیه و تحلیل نشان داد که این زمین‌لرزه‌ها دارای یک فاز پیشالغزش گسلی هستند که می‌تواند به گسترش سامانه‌های هشدار زلزله از چند دقیقه به چند ساعت قبل از زلزله کمک کند. تجزیه و تحلیل سیستماتیک تغییرات موقعیت افقی تقریبا سه هزار ایستگاه ژئودتیک با استفاده از سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) در نزدیکی 90 زمین‌لرزه با بزرگای بیش از 7 اندازه‌گیری شد. در جست‌وجوی پیش‌نشانگر زلزله، پژوهشگران با بررسی داده‌های GPS دقیق برای مناطق جغرافیایی اطراف کانون زلزله‌ها الگویی پیدا کردند. مشاهده شد که لغزش بین ورقه‌های زمین‌ساختی باعث می‌شد زمین در این ورقه‌ها در جهتی قابل اندازه‌گیری و در راستای افقی حرکت کند. حرکات افقی ایستگاه‌ها به‌طور تصاعدی در جهتی منطبق با لغزش آهسته گسل در نزدیکی نقطه شروع گسیختگی گسلش زلزله در دو ساعت قبل از گسیختگی زمین‌لرزه شتاب می‌گیرند. این لغزش‌ها را می‌توان با استفاده از GPS مشاهده و اندازه‌گیری کرد. مشخص شده که این لغزش‌ها دو ساعت قبل از وقوع زمین‌لرزه رخ داده‌اند و از سوی دیگر این جنبش‌ها برای ثبت در لرزه‌نگارهای استاندارد بسیار کوچک هستند و معمولا ثبت و اعلام نمی‌شوند. مهم‌تر از همه، پژوهشگران لغزش یکسانی را در تمام زلزله‌های مورد مطالعه مشاهده کردند. این کار نشان می‌دهد که یک سامانه زلزله قابل اعتماد می‌تواند بر اساس یک سامانه دقیق پایش GPS طراحی شود. برای اثبات وجود چنین پیش‌نشانگری برای همه، یا اکثر زلزله‌های بزرگ، به کار بیشتری نیاز است. همچنین برخی به‌روزرسانی‌ها در فناوری GPS مورد نیاز است تا امکان اندازه‌گیری رویدادها در شبانه‌روز را فراهم کند. سری‌های زمانی GPS قبل از این 90 زمین‌لرزه مختلف با بزرگای 7 یک سیگنال پیشرو و ظریف را نشان می‌دهد که از نویز حدود دو ساعت قبل از وقوع این زمین‌لرزه‌های بزرگ، بلندتر و بنابراین قابل تشخیص است. این کار ممکن است امکان نظارت بر گسل را در این مرحله و بر این نوع پیش‌نشانگر با ابزارهای دقیق‌تر و متراکم‌تر فراهم کند. وجود یک مرحله پیش‌زمینه لغزش روی گسل قبل از زلزله‌های بزرگ با اندازه‌گیری 3026 سری زمانی GPS با میزان بالای جابه‌جایی با پیش‌بینی‌ جابه‌جایی روی جهت‌های مورد انتظار از لغزش پیش‌فرض در کانون زلزله یافت شد. چنین پیش‌نشانگری را «مرحله مقدماتی لغزش گسل دو ساعت قبل از گسیختگی لرزه‌ای اصلی» می‌توان نامید. یک رویداد اصلی با فرایندی به نام «هسته‌زایی زلزله» آغاز می‌شود. اگر بتوان تأیید کرد که شروع گسیختگی زلزله اغلب شامل یک مرحله اولیه چندساعته است و می‌توان ابزاری برای اندازه‌گیری قابل اعتماد آن ایجاد کرد و یک هشدار پیش‌نشانگری صادر کرد و به مردم اطلاع داد که زمان گسیختگی نزدیک است. این لغزش‌ها بسیار کوچک هستند که نمی‌توانند در لرزه‌نگارها ظاهر شوند، اما می‌توانند -در صورت شناسایی- با استفاده از ژ‌ئودزی نشان‌دهنده زمان شروع زمین‌لرزه باشند. چنین رویکردی قبلا نیز آزمایش شده، اما تحقیقات قبلی فقط تعداد معدودی از زمین‌لرزه‌ها را بررسی کرده و علائم هشداردهنده‌ای را تولید کرده که در صورت عدم وقوع زلزله نیز چنین علائمی دیده می‌شوند. بر اساس چنین بررسی‌ای روی زلزله‌های با بزرگای بیش از ۷، لغزش تدریجی، آهسته و معمولا -تاکنون- غیرقابل تشخیص بین ورقه‌های زمین‌ساختی حدود دو ساعت قبل از زلزله شروع می‌شود. سطوح نویز سنسورهای GPS فعلی موجب می‌شود که تشخیص تغییر شکل فقط در مجموعه داده‌های بزرگ امکان‌پذیر باشد. این موضوع مستلزم حسگرهای GPS است که قادر به تشخیص حرکات با دقت 0.1 میلی‌متر هستند. در گذشته مشاهدات گذشته‌نگر زیادی از انواع مختلفی از پیش‌لرزه‌های زلزله –خردلرزه‌ها، تغییرشکل‌ها و...‌- وجود داشته است. اگر پیشرفت قابل توجهی در اندازه‌گیری داشته باشیم یا حساسیت حسگر بهبود یابد، با تعداد بیشتری از آنها می‌توانیم به پیش‌بینی زلزله امید بیشتری بیابیم.

لازم به ذکر است که انجام چنین پایشی برای کشور ما نیازمند سرمایه‌گذاری در سطح ملی است. مثلا برای نصب 30 ایستگاه رصدی فقط در منطقه تهران به سرمایه‌گذاری حدود 50 میلیون دلار نیاز است و دانش فنی نصب و بهره‌برداری از چنین سامانه‌ای هم در سازمان نقشه‌برداری کشور و هم در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی کشور موجود است.