تغییر شکل پوسته ای

مقدمه:

همانگونه که در قسمت قبل بیان شد، کره زمین یک سیاره پویا است که مواردی از قبیل هوازدگی، رانش زمین، و فرسایش توسط آب، باد و یخ بصورت مداوم چهره آن را تغییر میدهد. علاوه بر این نیروهای تکتونیکی (زمینساخت صفحه­ای) باعث تغییر در سنگهای پوسته زمین میشوند. با هر گامی که بر روی سطح زمین می­نهیم باعث ایجاد تغییر شکل در سطح خاک میشویم و پس از عبور ما، خاک به حالت اولیه خود بازمی­گردد، اما این تغییر شکلها آنچنان اندک است که معمولا متوجه آن نمیشویم. این تغییر شکلها در اثر نیروی محدودی است که بدلیل وزن ما به سطح زمین وارد میشود. اگر این نیرو زیاد باشد میتواند اثرات کاملا مشهودی ایجاد نماید. در این بخش به عوامل ایجاد تغییر شکلها و نیز مکانیزم های تغییر شکل در اجسام و نیز پوسته زمین می­پردازیم .

 

نیرو:

نیرو آن چیزی است که اجسام ثابت را به حرکت درمی­آورد و یا نحوه حرکت اجسام متحرک را تغییر میدهد. از تجربیات روزانه می­دانیم که اگر دری بسته (ساکن[1]) باشد، باید به آن نیرو وارد کنیم تا باز شود (حرکت[2]). 

 

تنش:

تنش مقدار نیرویی است که به واحد سطح وارد میشود. مقدار تنش به تنهایی تابعی از مقدار نیروی وارده نیست و به سطحی که نیرو به آن وارد میشود نیز وابسته میباشد. برای مثال اگر پای برهنه در حال راه رفتن بر روی سطح سختی باشید نیرو (وزن بدن شما) در سطح کف پای شما پخش میشود، لذا نیرویی که به هر نقطه از کف پای شما وارد می­شود کم است. اما اگر بر روی یک سنگ نوک تیز پا بگذارید، تمرکز تنش بر روی نقطه ای از کف پای شما بسیار زیاد خواهد شد. درواقع میتوانید تنش را از میزان تمرکز نیرو بر روی سطح متصور شوید. 

انواع تنش:

بر اساس جهتهای مختلف نیروهای وارده، تنشهای مختلفی ایجاد می­شود. بصورت خلاصه این تنشها عبارتند از: 

تنش فشاری:

 در صورتی که نیروهای وارده باعث فشرده شدن جسم شوند تنش فشاری بوجود میآید. تنشهای فشاری تمایل دارند که صفحات سطح کره زمین را کوچکتر و ضخیمتر نمایند و این فرآیند با چین خوردگی و گسلش اتفاق میافتد.

 

 

جهت اعمال نیروهای فشاری که منجر به فشرده شدن و ضخیمتر شدن صفحات پوسته میشود.

 

تنش کششی:

 در صورتی که تنش وارده تمایل به کشیدن توده سنگی ( و یا هر جسمی که به آن اعمال میشود ) داشته باشد تحت عنوان تنش کششی شناخته می­شود که باعث طویلتر شدن آنها می­گردد. 

تنش برشی:

وقتی یک دسته کارت را بر روی زمین قرار دهید و با دست خود آنها را به جلو برانید نمونه ای از تنش برشی را بر آن وارد نموده اید. در صورتی که تنش برشی بر توده سنگها وارد گردد باعث لغزش صفحات در کنار یکدیگر میشود. 

 

 

حال که با انواع عوامل ایجاد تغییر شکل آشنا شدیم، باید بدانیم که اجسام هم در مقابل عوامل تغییر شکل رفتارهای مختلفی از خود نشان می­دهند. در قسمت بعد با انواع تغییر شکلهای مواد ( و همچنین سنگها ) در برابر نیرو و تنش آشنا می­شویم.

 

تغییر شکلهای ارتجاعی و غیر ارتجاعی:

تعریف تغییر شکلهای ارتجاعی و غیر ارتجاعی باعث خواهد شد تا بتوانیم درک کاملی از مکانیزم ایجاد تغییر شکلها در پوسته زمین و نحوه ایجاد آنها داشته باشیم. هر ماده­ای بر روی کره زمین، دارای خصوصیات فیزیکی منحصر بفردی است. ولی غالبا اساس این خصوصیات یکسان میباشد. یکی از این خصوصیات فیزیکی که در این قسمت به آن می­پردازیم، نحوه عکس العمل مواد در برابر نیروی وارده بر آنها می­باشد. برای مثال یک میله فلزی باریک ( یا خط کش فلزی ) را در نظر بگیرید. اگر بخواهیم این میله را خم کنیم، در جریان خم کردن این میله با دو مرحله مختلف روبرو میشویم که عبارتند از:

مرحله تغییر شکل ارتجاعی (الاستیک[3]):

اگر میله فلزی را اندکی خم کنیم، پس از آنکه آن را رها می­کنیم، شاخه به حالت طبیعی خود بازمی­گردد. در این مرحله گفته می­شود که چوب در حالت ارتجاعی خود قرار دارد. در این حالت هر جسم دقیقا همانند یک فنر عمل نموده و نیروی وارده را در خود ذخیره کرده و پس از برطرف شدن نیرو آن را آزاد نموده و به حالت اولیه خود باز میگردد.

مرحله تغییر شکل غیر ارتجاعی (پلاستیک[4]):

اگر نیرویی که به میله وارد میکنیم، از میزان معینی بیشتر باشد و در نتیجه میله از میزان معینی بیشتر تغییر شکل دهد، پس از رها کردن، دیگر به حالت اولیه خود باز نمی­گردد و مقداری از تغییر شکل بصورت دائمی در آن باقی خواهد ماند. که در اصطلاح علمی گفته می­شود چوب از مرحله الاستیک خارج شده و وارد مرحله پلاستیک شده است. 

مواد شکل پذیر و شکننده

هر ماده ای میتواند مقدار خاصی نیرو را تحمل نموده و همچنان ارتجاعی بماند. اگر نیرو از مقدار مشخص فراتر رود، دیگر جسم ارتجاعی نخواهد ماند و وارد مرحله غیر ارتجاعی میشود. مواد در مرحله ای که به حد ارتجاعی خود می­رسند، به دو گونه این تغییر شکل دائمی را متحمل می­شوند. یا همانند میله فلزی فوق جاری میشوند که به آن "جاری شدن[5]" می­گویند یا همانند یک شاخه خشک چوب بصورت ناگهانی می­شکنند که به اینگونه مواد "شکننده[6]" میگویند.. 

 

نمودار رفتار مواد شکننده (بالا) و شکل پذیر (پایین) در برابر تنش

 

بسیاری از ما این پدیده­ها را مشاهده کرده ایم و شاید برایمان امری بدیهی و طبیعی باشد، ولی جالب خواهد بود اگر بدانیم این پدیده تقریبا در مورد تمام مواد فیزیکی موجود در این جهان هستی نیز صادق است. شاید تصور آن که حتی یک صخره سنگی بزرگ و یا منزلی که در آن زندگی میکنیم نیز دارای چنین رفتاری هستند و یا با هر قدم گذاشتن بر روی زمین، خاک زیر پایمان تغییر شکل میدهد کمی دور از ذهن باشد. دلیل آن هم این است که بدلیل تفاوت عملکرد و جنس و ابعاد مواد مختلف، هر کدام از آنها تغییر شکلهای متفاوتی را متحمل میشوند که غالبا برای ما غیر قابل احساس است. در واقع ما در دنیایی از فنر با مشخصات مختلف زندگی میکنیم.

درخت بزرگتری را تصور کنید، معمولا کسی نمیتواند با نیروی طبیعی خود تغییر شکل محسوسی را در کل درخت ایجاد نماید. ولی همه ما دیده ایم که با وزش باد، درختان چگونه به رقص درمی آیند. پس به این نتیجه میرسیم که با نیروی بیشتری میتوان حتی اجسامی که در نظر اول صلب و غیر قابل تغییر شکل بنظر میرسند را خم کنیم. 

این پدیده در صفحات سنگ کره که در فصل قبل در باره آن بحث نمودیم نیز صادق است. و نیرویی که میتواند چنین توده های بزرگی از سنگ و خاک را جابجا نماید از جریان ماگما در داخل کره زمین حاصل میشود.

 

مشخصات فیزیکی سنگ کره:

حال تمام مواردی که تا بحال مطالعه نمودیم را در زمین مورد بررسی قرار میدهیم.

پوسته کره زمین همانند تمام مواد دارای رفتار ارتجاعی و غیر ارتجاعی در برابر نیرو میباشد و برخی موارد بصورت شکل پذیر و گاهی بصورت شکننده به این تغییر شکل پاسخ میدهند. با جریان ماگما بدلیل همرفت در داخل کره زمین، نیرویی بر پوسته ها وارد میشود و پوسته ها تمایل دارند که بر اثر این نیروی وارده جابجا شوند. از طرف دیگر بدلیل اصطکاکی که بین و داخل صفحات سنگ کره زمین وجود دارد این نیرو بصورت تغییر شکلهای ارتجاعی در صفحات ذخیره میشود. و در نهایت وقتی این مقدار تغییر شکل ارتجاعی از حد تحمل (مقاومت[7]) سنگ کره فراتر میرود، بصورت تغییر شکل ماندگار در آن در میآید.

مقاومت سنگها و نحوه تغییر شکل آنها در برابر نیرو علاوه بر جنس آنها به دما، فشا و به زمان نیز بستگی دارد.

 

مقاومت کم سنگ نمک در برابر تنش وارده بر آن

مقاومت گرانیت در مقابل تنش وارده که نشان میدهد خیلی بیشتر از سنگ نمک طعام است.

 

با توجه به مواردی که در مورد مواد شکل پذیر و شکننده گفته شد، در مقابل تنشهای مختلفی که به سنگ کره وارد می­شود، سنگ کره بصورتهای زیر درمیآید:

 

عکس العمل سنگ کره به تنش فشاری در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). این همان اتفاقی است که در مرزهای همگرا اتفاق می­افتد.

 

عکس العمل سنگ کره به تنش کشش در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). این همان اتفاقی است که در مرزهای واگرا دیده میشود.

 

عکس العمل سنگ کره به تنش برشی در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). در مرزهای امتداد لغز شاهد چنین تغییر شکلهایی هستیم.

 

بازگشت کشسان

 فرض کنید کتابی را بر روی سطح زمین قرار داده اید و با کشی که به آن بسته­اید، میخواهید که آن را جابجا نمایید. مراحلی که اتفاق می­افتد عبارتند از:

1-    کش کشیده میشود بدون اینکه در کتاب جابجائی ایجاد شود. ( یعنی حالتی که تغییر ارتجاعی در پوسته زمین رخ میدهد )

2-    وقتی نیرویی که از طرف کش به کتاب وارد میشود از میزان اصطکاک بین کتاب و سطح زمین بیشتر شود، کتاب با یک حرکت جهشی به سمت کش حرکت میکند و در واقع انرژی ذخیره شده در کش بصورت حرکت جهشی کتاب آزاد میگردد. ( همان لحظه ای که سنگها به حد ارتجاعی خود رسیده اند و با تغییر مکان بیشتر، بصورت غیر ارتجاعی می شکنند)

3- دوباره کتاب می­ایستد و کش شروع به کشیده شدن و ذخیره انرژی می­نماید. و پروسه دوباره تکرار می­شود.

این دقیقا همان اتفاقی است که بهنگام وقوع زلزله در پوسته زمین اتفاق می­افتد. در اثر نیروهای وارده بر پوسته زمین، صفحات سنگ کره دچار تغییر شکل می­شود. این تغییر شکل در حد ارتجاعی است و آرام آرام اتفاق می­افتد و انرژی را در خود ذخیره میکند. و آنقدر سنگها انرژی در خود ذخیره میکنند که در نهایت فراتر از اصطکاک بین سنگها می­شود. در این لحظه است که صفحات شکسته شده و نسبت به هم جابجا می­شوند.

ما به همین سادگی توانستیم تئوری اساس ایجاد زلزله ها را که سالهای متمادی دانشمندان را به خود مشغول کرده بود را درک کنیم. پدیده "بازگشت الاستیک[8]"  دقیقا آن چیزی که آزمایش ساده کتاب به ما نشان داد. حال متوجه میشویم که دلیل بازگشت زلزله ها و آنچه که به عنوان دوره بازگشت مطرح می­شود، مربوط به خصوصیت ارتجاعی بودن مواد تشکیل دهنده پوسته زمین است.

          مکانیزم درونی زمین لرزه تا زمانی که آقای رِید از دانشگاه جان هاپکینگز پس از زلزله سال 1906 سانفرانسیسکو مطالعاتی را انجام داد، ناشناخته بود. این زمین­لرزه با جابجائی­های افقی چند متری همراه بود که در طول 1300 کیلومتر اتفاق افتاده بود. بررسیهای میدانی نشان داد که طی این زلزله صفحه آرام بطول 7/4 متر از کنار صفحه مجاور خود ( صفحه آمریکای شمالی)  به سمت شمال جابجا گردیده است.