2- مقدمه

در ایران علاوه برکلانشهرها، در شهرهای شمالی به دلیل شرایط آب و هوای مطلوب، نزدیکی به پایتخت و برخورداری از جنگل و دریا، ساخت‌و‌ساز رونق چشمگیری گرفته است و این موضوع باعث روند صعودی ساخت‌و‌ساز در مناطق روستایی شده است. در رامسر به دلیل شرایط خاص، از جمله آب و هوای مطلوب‌تر، نزدیکی به ساحل یا نزدیکی به جنگل جزء اولویت‌ها برای ساخت‌و‌ساز هستند. زمانی که ساخت‌و‌ساز در یک منطقه گسترش پیدا کند، منجر به رشد اقتصادی خواهد شد. یکی از دلایل افزایش ساخت‌وساز در شهرهای شمالی مانند رامسر تغییر کاربری زمین‌های کشاورزی است. در روستاها این تغییر کاربری بیشتر انجام شده است و ساخت‌و‌سازها با سرعت بیشتری در حال انجام است. حال این ساخت‌و‌سازها در مناطق روستایی و زمین های کشاورزی بدون در نظر گرفتن شرایط ساختگاهی در حال توسعه می باشد.

با توجه به اینکه در چند دهه اخیر، شاهد خسارات گسترده ناشی از زلزله‌های متوسط یا بزرگ در محیط های شهری و نیمه شهری و روستایی در سراسر جهان و ایران بوده‌ایم و مثال‌های جهانی نشان می‌دهند که، بزرگای زلزله و ماهیت ساخت‌وساز جدا از هم، ویژگی‌های وابسته به مکان به طور قابل‌توجهی در شدت آسیب نقش دارند. به طور کلی آن را به عنوان «پاسخ ساختگاه» یا «اثرات ساختگاهی» نامیده می شود، این موارد شامل تقویت امواج لرزه‌ای در فرکانس‌های متفاوت، بازتاب های متعدد، اثر توپوگرافی، پاسخ غیرخطی خاک منجر به روان‌گرایی و شکست زمین می‌شود.

بهترین رویکرد برای درک شرایط زمین از طریق اندازه‌گیری مستقیم جنبش لرزه‌ای زمین است، اما چنین مطالعاتی به مناطقی با نرخ لرزه‌خیزی نسبتاً بالا محدود می‌شود. به دلیل این محدودیت‌ها در روش‌های دیگر، مانند نرخ‌های لرزه‌خیزی بالا و در دسترس بودن ساختگاه مرجع، روش‌های ساختگاه غیر مرجع برای مطالعات پاسخ ساختگاه به کار گرفته شده‌اند. میکروترمور ابزار بسیار مناسبی برای تخمین اثر زمین‌شناسی سطحی بر جنبش لرزه‌ای بدون نیاز به سایر اطلاعات زمین شناسی است. تکنیک H/V به خوبی با این توصیف مطابقت دارد و با سادگی همراه با اطلاعات سریع در مورد ویژگی‌های دینامیکی زمین و سازه‌ها مورد توجه زیادی از سراسر جهان قرار گرفته است.

روان‌گرایی خاک پدیده‌ای است که در آن خاک ظرفیت باربری خود را از دست می‌دهد و مانند یک مایع رفتار می‌کند. پس از مارکسون[1]، ید و همکاران[2] روان‌گرایی را به عنوان «عمل یا فرایند تبدیل هر ماده به مایع» تعریف می‌کنند. کار آزمایشگاهی بر روی روان‌گرایی استاتیکی ابتدا توسط کاسترو[3] و کاسترو و پولوس[4] انجام شد. آن‌ها با استفاده از یک دستگاه سه محوری درک بهتری از مکانیسم روان‌گرایی و پارامترهای کنترل‌کننده آن ارائه دادند. اعمال تنش برشی اولیه در حین ادغام نمونه روشی برای مطالعه رفتار نمونه‌های تلفیقی ناهمسانگرد است. از سوی دیگر، یک آزمایش سه محوری معمولی نمی‌تواند شرایط تنش محل واقعی را نشان دهد که در آن جهت تنش اصلی ممکن است با توجه به شرایط بارگذاری مختلف مانند بار موج، بار ترافیک یا بار زلزله تغییر کند. با این حال، مکانیسم روان‌گرایی به شدت با این شرایط بارگذاری مرتبط است. به طور گسترده در مطالعات گزارش شده است، که چرخش جهت‌گیری تنش اصلی می‌تواند توسعه فشار آب منفذی را تسریع کند و می‌تواند منجر به روان شدن خاک‌های شنی گردد[5و6].

مکانیسم پدیده روان‌گرایی را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم نمود، روان‌گرایی جریانی و تحرک سیکلی(تناوبی)، همانطور که می‌دانیم، روان‌گرایی جریانی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی استاتیکی برجا (تنش برشی لازم برای تعادل استاتیکی المان خاک) از تنش برشی پسماند خاک روان‌گرا شده (تنش برشی حالت پایدار) بزرگ‌تر باشد[7]. با وقوع روان‌گرایی جریانی تغییر شکل‌های بزرگ در خاک ایجاد می‌شود که در واقع در اثر تنش‌های برشی استاتیکی موجود است و تنش‌های دینامیکی فقط خاک را به به حالت ناپایدار می‌رساند. این پدیده فقط در خاک‌های شل اتفاق می‌افتد. در تحرک سیکلی، زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی استاتیکی موجود در خاک کمتر از تنش برشی حالت پایدار خاک روانگرا شده باشد. در این حالت تغییر شکل‌های ایجاد شده در طی زلزله به صورت جزئی و ناشی از تنش‌های برشی استاتیکی و دینامیکی می‌باشند. این تغییر شکل‌ها با گذشت زمان در طی زلزله افزایش می‌یابد. پدیده تحرک سیکلی علاوه بر خاک‌های دآن‌های شل در خاک‌های دآن‌های متراکم نیز روی می‌دهد. اما باید توجه کرد که هرچه تراکم خاک بیشتر باشد مقدار تغییر شکل‌های ایجاد شده کاهش می‌یابد[8].

3- لرزه‌زمین ساخت شهر رامسر

ساختگاه مورد بررسی این پژوهش شهر رامسر در شمال ایران می‌باشد، که بین تا  عرض شمالی    تا   طول شرقی قرار دارد. گستره مورد مطالعه، در ایالت لرزه‌زمین‌ساختی البرز-آذربایجان قرار گرفته است. نقشه زمین‌ساخت منطقه رامسر و ساز و کار کانونی گسل‌های آن در شکل 1 آمده است.

یکی از مهم‌ترین عوامل در ساختارهای زمین‌شناسی و مورفولوژیکی منطقه گسل‌ها می‌باشند. وجود فعالیت‌های زمین‌ساختی و زمین‌شناسی باعث ایجاد گسل‌های زیادی در استان مازندران شده است و تقریباً بیش از 70 درصد استان و بسیاری از مناطق شهری و روستایی بر روی گسل‌های این منطقه ساخته شده است. گسل‌های فعال از جمله گسل خزر، شاهرود، مشا، طالقان، شمال قزوین، آستارا – تالش، سلطانیه و گسل زنجان در این محدوده مورد مطالعه می باشند. از زلزله‌های مهم روی‌داده در این منطقه می‌توان به زمین‌لرزه 1665 میلادی دماوند با بزرگی  و شدت  و زمین‌لرزه سال 1809 میلادی آمل با بزرگی  و شدت  که به گسل خزر نسبت می‌دهند، نام برد. رویداد زمین‌لرزه 20 آوریل 1608 میلادی رودبارات طالقان با بزرگی  و شدت  به گسل شاهرود نقش داشته باشد، نسبت می‌دهند. زمین لرزه 27 مارس 1830 دماوند شمیرانات با بزرگی  و شدت  به گسل مشا نسبت می‌دهند.

4- مطالعات ژئوتکنیکی در رامسر

بر اساس مطالعه انجام گرفته توسط ناطق و همکاران[8]، شن و ماسه رامسر، یک ماسه با دانه‌بندی ضعیف است که به طور گسترده در سواحل جنوبی دریای خزر یافت می‌شود و بر اساس سیستم طبقه‌بندی یکپارچه خاک (USCS) به عنوان SP طبقه‌بندی می‌‌شود. ایشان در تست سه محوری شن و ماسه رامسر نتیجه گرفتند که شن و ماسه رامسر به شدت مستعد روان‌گرایی است، 21 آزمایش از 27 نمونه آزمایش روان‌گرایی جریانی را نشان دادند. همچنین، دانه‌های ماسه رامسر شکننده هستند، که باعث حساسیت بالای آن به روان‌گرایی می‌باشد. همچنین، اثر تنش برشی اولیه α و نسبت فشار آب منفذی  را به عنوان پارامترهای حیاتی برای مطالعه رفتار خاک در یک شیب و یا زیر پی یک سازه مورد بررسی قرار دادند.

5- مبانی بررسی روان‌گرایی با استفاده از تحلیل نوفه لرزه‌ای محیطی

سطح زمین حتی در حالتی که زمین‌لرزه‌ای رخ نداده باشد، همواره در حال لرزش است که به این لرزش‌های خفیف دائمی، ارتعاشات زمینه، نوفه زمینه یا نوفه محیطی می‌گویند[9]. نوفه یک واژه عمومی است که به تمامی ارتعاشات زمین که بر اثر جزر و مد، برخورد موج‌های دریا با ساحل، طوفان، کارخانجات صنعتی، حرکت قطار و وسایل نقلیه و حرکت انسآن‌ها روی زمین، به‌وجود می‌آید، اطلاق می‌شود[10]. نوفه محیطی در اصل موج‌هایی هستند که با گذر از لایه‌های خاک ساختگاه و تأثیرپذیری از آن‌ها، بر روی لرز‌ه‌نگاشت‌ها ثبت می‌شوند، بنابراین به نوعی می توانند بیانگر مشخصات خاک ساختگاه باشند. ارتعاشات خفیف زمین توسط دستگاه لرزه‌نگاری ثبت می‌شوند که توان تقویت موج‌ها تا حد 100 برابر را داشته باشد. امواج نوفه زمینه امواجی کم دامنه (حدود تا  میلیمتر) هستند که در تمام نقاط زمین قابل ثبت می‌باشند [10].

روش نسبت طیفی مؤلفه افقی به قائم نوفه زمینه یا روش HVSR یا H/V  توسط نوگوشی و ایگاراشی[11] بعد توسط ناکامورا در سال 1981 ارائه شد که یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن، تعیین فرکانس تشدید ساختگاه بر روی منحنی‌های H/V است. بر اساس نظر محققین [12، 13و 14] مد اصلی امواج ریلی، موج غالب روی مؤلفه قائم نوفه زمینه هستند، معتقدند در صورتی که تباین امپدانس بین لایه‌های سطحی و سنگ بستر زیاد باشد، منحنی‌های بیضواری (نسبت بین توابع ویژه جابجایی افقی و قائم ذرات موج ریلی در سطح زمین) مد اصلی موج‌های ریلی بیشینه واضحی در حوالی فرکانس تشدید ساختگاه نشان می‌دهند که این بیشنیه مربوط به محوشدن مؤلفه قائم، در نتیجه عکس شدن حالت حرکت ذرات موج ریلی از پسگرد به پیشگرد  است، هرچند، شبیه‌سازی میدان موج نوفه زمینه نشان داده است که در حالت زیاد بودن تباین امپدانس بین لایه‌های سطحی و سنگ بستر، فاز ایری  موج‌های لاو نیز می‌تواند بیشینه مربوط به فرکانس تشدید ساختگاه را توجیه کند [10].

6- تحلیل نوفه لرزه‌ای محیطی در رامسر

به منظور مطالعه و تخمین پتانسیل پدیده روان‌گرایی منطقه دراین مطالعه با استفاده از مجموعه اندازه‌گیری‌های تک ایستگاهی امواج نوفه زمینه در شهر رامسر، که در سال 1392 در تعداد 22 ایستگاه لرزه‌سنج سه مؤلفه‌ای Trillium 405 برداشت شده است. موقعیت جغرافیایی ایستگاه‌ها، طبق شکل.2 نشان داده شده است. در این مطالعه جهت بررسی مطالعات نوفه زمینه از نرم‌افزارGeopsy⁵  استفاده شده است. این نرم‌افزار جهت استفاده در پروژه اروپایی SESAME در سال 2005 طراحی شده[15]، و برای مطالعات نوفه زمینه در بررسی اثر ساختگاه کاربرد دارد.

در ادامه این پژوهش، برای تمامی نقاط فرکانس تشدید و برآورد شاخص روان‌گرایی به صورت نقشه پهنه‌بندی ترسیم شده است. حاصل برهم نهی نقشه پهنه‌بندی فرکانس تشدید شکل شماره 3 و مقادیر شاخص روان‌گرایی شکل شماره 4 ارائه شده است. مقادیر بزرگ شاخص روان‌گرایی  (بالای10) بیانگر مستعد بودن برای روان‌گرایی لرزه‌ای در منطقه رامسر می‌باشد.

7- بررسی کلی نتایج

بر اساس نتایج به دست آمده اگر شاخص روان‌گرایی برای خاکی بزرگ‌تر از 10 باشد، می توان آن‌را خاک روانگرا معرفی نمود. نقشه پهنه‌بندی مستعد برای روان‌گرایی لرزه‌ای در شکل 5 ارائه شده است، همان‌طور که دیده می‌شود تمام مناطق جنوبی دریای خزر مستعد روان‌گرایی لرزه‌ای، معرفی می‌شود. بر طبق این نقشه سه نوع پهنه‌بندی تعریف می‌شود که عبارت‌اند از؛ پهنه-الف (Zone-A)، پهنه-ب (Zone-B) و پهنه-ج (Zone-C).

7-1- پهنه-الف (Zone-A)

رسوبات مربوط به محیط واحد واسط ساحلی و خشکی، به صورت رسوبات دلتایی که از درون خشکی آغاز می‌شوند و به سمت دریا گسترش پیدا کرده و تا اندازه‌ای نیز در دریا پیشروی دارند، دیده می‌شوند. این رسوبات به وسیله رودهای بزرگ منطقه مثل صفارود، شیرود، چشمه کیله و نشتارود برجای گذاشته شده‌اند. این رسوبات از زمان پلیستوسن در حال تشکیل بوده‌اند و عمدتاً به وسیله خط ساحلی قدیمی محدود می‌شده‌اند، اما با پس‌روی دریا در زمان هلوسن، این رسوبات نیز به سمت دریا (شمال) گسترش پیدا کرده‌اند [16]. این واحد با ریخت‌شناسی مشخص دلتایی و با شیب ملایم به سمت دریا مشخص شده است. در این پهنه  نیز واحد   که به صورت رسوبات شنی و ماسه‌ای و تخته سنگ‌های منفرد در کف رودخانه‌های بزرگ دیده می‌شوند. مقادیر شاخص روان‌گرایی به دست آمده از 10 تا 307 می‌باشد و با توجه به فرکانس تشدید به‌دست آمده، در این پهنه که رنج مقادیر فرکانس تشدید از 3/0 تا 1 هرتز به جز ایستگاه S13  که در واحد زمین‌شناسی دیگری قرار دارد به‌دست آمده است. این پهنه  مستعد روان‌گرایی می‌باشد و باید در تمامی ساخت‌و‌سازهای انجام گرفته، روان‌گرایی خاک زیر سازه در اثر محتوای فرکانسی زلزله در پیش‌رو در نظر گرفت و فرکانس تشدید ساختگاه در محاسبات اندرکنش خاک و سازه در نظر گرفت.

2-7- پهنه-ب (Zone-B)

 رسوبات دریایی   که آنلز و همکاران آن‌ها را به پلیستوسن نسبت داده‌اند، بخش زیادی از دشت ساحلی منطقه را شامل می‌شود‌. هرچند در حال حاضر تمامی سطح آن را شالیزار، باغات و مرکبات و مناطق مسکونی پوشیده شده است. در مناطقی که این واحد گسترش دارد، ریخت‌شناسی سطح آن به صورت بسیار مسطح و با شیب کم به سمت دریا و گاهی به سمت کوهستان مشخص است، ضمن آنکه در نقشه‌های هم مقاومت (سازمان آب و منطقه‌ای مازندران) این مناطق دارای مقاومت ویژه پائینی نسبت به رسوبات دیگر هستند و این مسئله مربوط به احتمال حضور آب‌های شور (فسیلی و یا حاصل از سطح پیزومتریک آب دریای خزر) ویا وجود مقادیر قابل توجهی کانی‌های رسی به صورت سیمان در این رسوبات است. این پهنه مقادیر بدست آمده شاخص روان‌گرایی از 2 تا 38 متغیر می‌باشد و به عنوان مناطق نیمه مستعد برای روان‌گرایی لرزه‌ای شناخته می‌شود، فرکانس تشدید ساختگاه برای پهنه  مورد نظر از 1 تا 5/5 هرتز متغیر می‌باشد.

3-7- پهنه-ج Zone-C))

پادگانه‌های آبرفتی که عمدتا شنی (gravelly) و در دو سطح  و  در کناره رودخانه‌های بزرگ چشمه کیله و همچنین در مرز کوه و دشت قابل تفکیک هستند. این پهنه به نسبت دو پهنه دیگر پایدار بوده و شاخص روان‌گرایی به دست آمده برای آن کمتر از 10 است و فرکانس تشدید ساختگاه بالاتر از 5 هرتز می‌باشد.

در این مطالعه با بررسی نوفه زمینه در 22 ایستگاه در شهر رامسر، شاخص روان‌گرایی در حدود 12 تا 307 بدست آمد، که در 5 ایستگاه شاخص روان‌گرایی کمتر از 10 بر مبنای تعریف هانگ وتی سیانگ [17]، بدست آمد که می توان به عنوان ساختگاه پایدار یا غیر روانگرا محسوب نمود. در 13 ایستگاه دیگر شاخص روان‌گرایی بالاتر از 10 بدست آمد و به عنوان ایستگاه‌های با پتانسیل شاخص آسیب‌پذیری روانگرا تشخیص داده شدد. وجود لایه رسوبات در زیر شهر رامسر بر اساس فرکانس تشدید بدست آمده و محل قرار‌گیری آن‌ها نسبت به سنگ بستر متفاوت می‌باشد و با توجه به نقشه فرکانس تشدید در قسمت جنوب شرق، جایی که فرکانس مقادیر بالاتر، نسبت به مناطق دیگر نشان داده شده، رسوبات در لایه‌های سطحی‌تر می‌باشند.

8- جمع‌بندی

• در قسمت شمال غربی رامسر (پهنه-الف (Zone-A)) نسبت به دیگر مناطق رامسر مستعد روان‌گرایی لرزه‌ای است و این منطقه در ناحیه توسعه شهر رامسر قرار دارد و ساخت‌و‌سازهای جدید در آن دیده می شود. برای ایمنی و بهسازی سازه‌ها و جلوگیری از خسارات احتمالی ناشی از روان‌گرایی در پی زلزله، اجرای اصولی تحکیم خاک و بالا بردن مقاومت خاک توصیه می‌شود.
• با مقایسه نتایح این روش با نقشه زمین‌شناسی رامسر که توسط سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور ایران ارائه شده، و همچنین با نتایج آزمایشات ژئوتکنیکی رامسر توسط ناطق و همکاران [8]، مشخص شد که در قسمت شمالی شهر رامسر در کناره دریای خزر، لایه‌های خاک عمدتاً از ماسه با دانه‌بندی ضعیف و شکننده تشکیل شده است و مستعد روان‌گرایی است.
• با توجه به داده نوفه لرزه‌ای مورد استفاده در این مطالعه و نتایج مطالعات ساختگاهی توصیه می‌شود، برای تدقیق شاخص آسیب‌پذیری روان‌گرایی، مطالعات ریسک لرزه‌ای روزآمد انجام شود.

9- پی‌نوشت

1- microtremor

2- Artificial Neural Networks

3- pseudo-spectral acceleration

4- Fourier amplitude spectrum

5- www.Geopsy.com

6- Short Time Average

7- Long Time Average

8-مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران: مرکز لرزه‌نگاری ایران ،1395

نجمه علی محمدی¹ ، الهام شعبانی ²

 1- دانشجوی دکتری زلزله‌شناسی، گروه زلزله‌شناسی مؤسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران

2-  دانشیار گروه زلزله‌شناسی مؤسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران