תגובת אתר סייסמית

תגובת אתר (סייסמית) היא תרגום מילולי וספציפי לביטוי באנגלית Seismic) Site Effect) בתחום הסייסמולוגיה של רעידות אדמה. לפי שעה, לא אותר מונח זהה לתופעה כלשהי בתחום של דיסציפלינות, אחרות^[א]. המונח מתאר תופעה, שבאתר מסוים מתקיימות בעקבות רעידת אדמה תאוצת קרקע מקסימלית (וכתוצאה מכך אפקטים סייסמיים^[ב] - בדר"כ נזקים כבדים), השונים באופן מובהק מהצפוי על פי מרחק האתר ממוקד הרעידה.

מהות התופעה

בעת התרחשות רעידת אדמה, משוגרים ממוקד הרעידה בתוך קרום כדור הארץ גלים סייסמיים לכל הכיוונים. הגלים הסייסמיים, בהגיעם קרוב מאוד אל פני הקרקע, גורמים לתאוצות קרקע שהן האחראיות לאפקטים הסייסמיים שמתרחשים בעקבות הרעידה^[1]. ככל שהגלים מתרחקים ממוקד רעידת האדמה, פוחתת האנרגיה האצורה בהם - תופעה הנקראת ניחות - ועל כן, תאוצות הקרקע הנגרמות בעטיין הן מופחתות, וממילא גם האפקטים הסייסמיים^[2].

ברם, יש לא מעט מקרים שבהם תהודה (רזוננס בלעז) שנגרמת באתר מסוים, מגבירה מאוד את תאוצות הקרקע בו אפילו עד כדי פי 50 ויותר מכפי הצפוי על פי המרחק מהמוקד^[ג]^[3]. זאת מכיוון שהגלים הללו מתפזרים בכל התדרים, ותחילה נבלעים התדרים הגבוהים, וככל שמתרחקים מהמוקד, התדרים הנמוכים הם המאפיינים את תחום הגלים שם. אם וכאשר מגיעים לאתר מסוים גלים בתדר הקרוב מאוד או זהה לתדירות העצמית של תצורת הסלע עליה בנויים המבנים, תתרחש תהודה שתביא לתאוצות קרקע מוגברות, כאמור עד כדי פי 50. אם גם המבנים הבנויים שם יהיו בעלי תדירות עצמית דומה, אזי זה יגביר את עוצמות הנזק וההרס במבנים אלו. מכיוון שבאזורים הרחוקים מהמוקד, "שולטים" בנוכחותם הגלים בעלי התדירות הנמוכה, ובהכללה ניתן לומר שהתדירות העצמית של מבנים גבוהים נמוכה גם כן, הרי שזה בהחלט חיזיון נפוץ למצוא מבנים מודרניים יחסית, ואשר לא נבנו על פי תקנים מחמירים של עמידות בפני רעידות אדמה, נפגעים ממנה מאוד, גם אם הם מרוחקים מאוד מהמוקד^[4].

גילוי התופעה

ברעידת האדמה במקסיקו-סיטי שהתרחשה בשנת 1985, נצפתה תופעה שלא הייתה מוכרת עד אז. מוקד הרעידה היה מרוחק כ־400 קילומטר מהעיר. למרות זאת מבנים גבוהים ומודרניים רבים קרסו. לא זו אף זאת, בחלקים של העיר - אזור העיר העתיקה - לא נגרם כל נזק, ואילו דווקא בעיר החדשה והמודרנית התרכז הרוב המכריע של ההרס. בעקבות המקרה הזה שנראה אז מוזר ביותר, הקימה "האגודה הבינלאומית לסייסמולוגיה ופיזיקה של פנים כדור הארץ" (The International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior - IASPEI) קבוצת עבודה בינלאומית לריכוז המחקרים אודות התופעה "החדשה" שהתגלתה^[5]. המחקרים שהתבצעו במסגרת זו הוצגו בשני כנסים ביפן: האחד בשנת 1992, והשני בשנת 1998. בעקבות מחקרים אלה נקראה התופעה "תגובת אתר סייסמית" (או בקיצור "תגובת אתר"), והיא הוגדרה כ-"מכלול התכונות של אתר, שגורמות לכך שתאוצות הקרקע בו במהלכה של רעידת אדמה, שונות בהרבה מאלה הצפויות על פי המרחק מהמוקד". כמובן שתשומת לב החוקרים ניתנה לאותם מקרים שתאוצות הקרקע באתר גדולות בהרבה מן הצפוי, ופחות לאותם מקרים שתאוצות הקרקע באתר הן נמוכות משמעותית מהצפוי (יש גם מקרים כאלה). מחקרים אלה הניבו שיטות מדידה שונות, למדידת תגובת אתר סייסמית צפויה באתרים שונים. מדידות אלה מופעלות בעיקר לקראת בנייה של אתרים רגישים. בישראל בוצעו עד כה, רק על ידי המכונים הגיאופיסי והגאולוגי לישראל ומאז שנת 1993, לפחות 115 מדידות כאלה. הידועות שבהן, הן אלה שבוצעו לקראת הקמת הרכבל החדש באתר "מצדה", אתר חברת החשמל "אורות רבין" בחדרה, בניית מחלקת המיון החדש בבי"ח סורוקה ועוד רבות אחרות.

הפרמטרים שקובעים את מידת ההגברה בשכבת הסלע העליונה הם: התדר העצמי (תדר ההגברה) של השכבה העליונה ומידת ההגברה בתדר הנ"ל (פקטור ההגברה). התדר העצמי של המבנה יקבע באיזו מידה תהיה להגברה בתאוצות הקרקע, השפעה על מידת ההגברה של הנזקים במבנים^[6].

הפרמטרים שקובעים את מידת הגברת תאוצות הקרקע

באמצעות מודל פשוט, המוצג משמאל, והסבר קצר ופשוט המוסבר כאן, ניתן להבין את התהליך והפרמטרים שקובעים את ההגברה של תאוצת הקרקע ושיעורה, באתר כלשהו.

הגברה משמעותית בתאוצות הקרקע (שמתרחשת במצב של תהודה) היא תלוית תדירות, שהיא ביחס ישר למהירות הגלים במסת הסלע^[ד] וביחס הפוך לעובייה. כלומר, התדר העצמי של שכבת הסלע העליונה (תדר ההגברה) יכול להיות מחושב כ:

F₁=V₁/4H

כאשר F₁ הוא התדר העצמי של שכבת הסלע העליונה (תדר ההגברה - "שכבה 1" באיור), ו-V₁ היא מהירות גלי הגזירה בשכבה זו^[7]. עובי שכבת משקעי האגם המיובש במקסיקו-סיטי היה (ועדיין) 40 מ'; מהירות גלי הגזירה בה היא 80 מ'/שנייה. הצבת הערכים הללו במשוואה הנ"ל נותנת לנו תדר של 0.5_Hz (זמן מחזור של 2 שניות).

כלומר, שכאשר יגיעו לאתר הנ"ל הגלים הסייסמיים שתדירותם תהיה 0.5_Hz (הזהה לתדירות השכבה העליונה), תתרחש התופעה של תהודה (רזוננס), והגברת תאוצות הקרקע תהיה מקסימלית. אך עד כמה מקסימלית היא תהיה? את זאת יקבע פקטור ההגברה שמחושב כ:

Am = V₂ / V₁ * K,

כאשר Am הוא פקטור ההגברה (אמפליפיקציה), V₂ זו מהירות גלי הגזירה בשכבה התחתונה ("שכבה 2" באיור) ו - K הוא קבוע שבישראל הוא הערך 1.2^[8]. הסלע שמתחת למשקעים האגמיים שבעיר המודרנית במקסיקו הוא סלע וולקני צפוף מאוד, שמהירות גלי הגזירה בו מתקרבת ל־3,000 מ'/שנייה. מהירות גלי הגזירה במשקעים האגמיים היא כאמור 80 מ'/שנייה. הצבת הערכים הללו במשוואת ההגברה Am, תיתן הגברה שהיא קרובה לפי 50 מהצפוי על פי המרחק.

ואכן, ראו בגרף התחתון שמתבסס על עקומת תאוצה ספקטרלית שמתארת את תאוצות הקרקע בחתך ספקטרום הגלים הסייסמיים ברעה"א במקסיקו סיטי ב־1985. בזמן מחזור של 2 שניות, היינו בתדר של חצי הרץ, התקבלה הגברה מקסימלית בעיר המודרנית (העקומה העליונה המסומנת כ-SCT), שעל פי החישובים דלעיל והפרסומים המדעיים^[9] הגיעה ל-פי 50. הבניינים המודרניים רבי הקומות במקסיקו סיטי היו בעלי תדירות עצמית הקרובה מאוד לחצי הרץ, עובדה שתרמה מאוד לכך, שההגברה בתאוצות הקרקע, תביא לקריסתם.

ניתן להמחיש את התהליך גם בצורה איכותנית יותר. אמרנו שמהירות הגלים גדלה ככל שצפיפות הסלע גדולה. כשהגלים הסייסמיים היו בדרכם לשכבת המשקעים האגמיים, דרך הסלע הוולקני הצפוף מאוד, מהירותם בסלע הוולקני הגיעה לכמעט 3 קמ' בשנייה. ברגע שהגלים עברו מהסלע הוולקני למשקעים האגמיים מהירותם ירדה בבת אחת ל־80 מ'/שנייה. דמיינו מה קורה כשרכב בולם בבת אחת ממהירות גבוהה מאוד לנמוכה מאוד - משתחררת אנרגיה רבתי בצורה של גלי חום, גלי קול ועוד. זה מה שקורה במעבר בין הסלע הצפוף מאוד לסלע הרך - שחרור רבתי של אנרגיה במשקעים האגמיים הרכים, שבא לידי ביטוי בהגברה רבתי של תאוצות הקרקע. הגברה פי כמה? פי התוצאה שמתקבלת ממשוואת ההגברה Am. האיברים במשוואה ומיקומם ממחישים גם כן, שככל שהניגודיות בצפיפויות בין הסלע התחתון (שכבה 2 במודל העליון) לשכבת הסלע העליונה (שכבה 1 באיור) גדולה, כך תגדל ההגברה. זאת מכיוון שבמצב של ניגודיות שכזו, V₂ שממוקם במונה של המשוואה, גדול בהרבה מ-V₁ שממוקם במכנה, או אז Am (ההגברה) גדולה מאד.

שיטות המדידה

תחנה אופיינית למדידת תגובת אתר סייסמית - ראו טקסט.

קיימות מספר שיטות למדידת תגובת אתר סייסמית. הראשונה והפופולרית ביותר היא שיטתו של יוטאקה נאקאמורה^[10] (Yutaka Nakamura)^[ה] שפורסמה בשנת 1989 - פועל יוצא של היוזמה שבאה לאחר רעה"א במקסיקו סיטי ומתוארת לעיל^[5]. תצפיות רבות של החוקר הצביעו על כך, שהיחס הספקטרלי בין הרכיב האופקי (H) לאנכי (V) של התאוצות הנמדדות באתר כתגובה לרעש הרקע של כדור הארץ, שווה ליחס הספקטרלי של התנודות באתר בעת רעידת אדמה. כלומר, היחס הזה מציג את הפער בין מצב שלא מתרחשת הגברה בתאוצות הקרקע, למצב שכן מתקיימת בהן הגברה באתר הנמדד. ברם, מתבקש, שתוצאות עבודה מהסוג הזה, תהיינה שילוב של נתוני הסכנה הסייסמית (Seismic Hazard)^[ו] של האתר עם נתוני המדידות הספציפיות על פי השיטה דלעיל. כלומר, העבודה תתן אינדיקציה במונחים הדומים למונחים של התקן לבנייה עמידה בפני רעידת אדמה^[11].

תוצר חזותי היפותטי סופי של עבודה למדידת תגובת אתר סייסמית. היחס הספקטרלי בין העקומה התחתונה לעליונה (SCT), מבטא את היחס הזה בין הרכיבים האופקי והאנכי של התאוצות באתר שנמדדו כתגובה לרעש הרקע. המשמעות, שהתאוצות הצפויות באתר הם על פי העקומה העליונה. מולה ניצבת עקומת התקן. בכל הספקטרום שעקומת התקן היא מעל לעקומת התאוצות באתר, המשמעות שבנייה על פי התקן נותנת את המענה הנדרש. בתחום התדרים בהם עקומת התאוצות באתר נמצאת מעל לעקומת התקן, בנייה על פיו אינה נותנת מענה, ויש להחמיר בתכנון בהתאם.

על כן, העבודה הסופית תהיה סימולציה של קטלוג רעידות אדמה (מיקום וגודל) בגודל M>5 העלולות להתרחש עד 200 קמ' מהאתר בתקופה של 5,000 שנה, יחד עם סינתזה של תאוצות הקרקע הצפויות להתרחש מרעידות אלה בפני השטח של האתר שנבדק. כל זאת, על מנת לקבל את אלה שההסתברות להתרחשותן לפחות פעם אחת ב־50 שנה היא 10%, כפי שהתקן דורש^[12]^[13]. לשם ביצוע עבודות המדידה ימוקמו מספר תחנות מדידה באתר, ע"פי גודלו. בכל תחנה יהיו 3 מדי תאוצה (סייסמומטרים - ראו תמונה): 2 אופקיים - עבור 2 רכיבי התנועה האופקיים ("צפון-דרום" ו-"מזרח-מערב"); ואחד אנכי עבור רכיב התנועה האנכי (מעלה-מטה). כל סייסמומטר מודד את תנועת פני השטח על ציר הזמן, ומזה ניתן להסיק על התדירות וממנה לקבל אינדיקציה באמצעות המחשב על היחסים הספקטרליים על ציר התדירויות, או זמני המחזור השונים. התוצר החזותי הסופי תהיה עקומת תאוצות קרקע ספקטרליות הצפויות באתר, מול עקומת התקן המחייב לבנייה עמידה בפני רעידות אדמה. ככל שעקומת התאוצה הספקטראלית הצפויה באתר תהיה מתחת לעקומת התקן, המצב תקין, ובנייה על פי התקן תתן מענה למקרה של רעידת אדמה. אם עקומת התאוצה הספקטרלית באתר או חלקה יופיעו מעל לעקומת התקן, הרי שבנייה על פי התקן לא תתן מענה, וצריך יהיה לתכנן בעבור התדרים הרלוונטיים תכנון מחמיר בהתאם^[12]^[13] - ראו דוגמה של עקומות היפותטיות משמאל.

ראו גם

ביאורים

^ למשל, למונח דומה באופן פונטי: Side Effect יש משמעות מתחום הרפואה, המחשבים ועוד. התרגום השכיח של Site Effect ל-"תגובת אתר" מצמצם למעשה את המרחב הדיסציפלינארי של השימוש במונח.
^ כל מה שגורמת לו רעידת האדמה נחשב כאפקט סייסמי.
^ התופעה נקראת "הגברה", ובלועזית אמפליפיקציה.
^ ככל שהסלע צפוף יותר, מהירות הגלים הסייסמיים בו תהיה גדולה יותר (כלל בסיסי בתורת הגלים).
^ השיטה מכונה "שיטת H/V" (אופקי/אנכי).
^ ה - Seismic Hazard שמוגדר כהסתברות שתתרחש באתר הנמדד תאוצת קרקע ברמה מסוימת בתקופת זמן נתונה.

הערות שוליים

^ How Earthquakes Cause Seismic Waves, Britannica Encyclopedia
^ Attenuation, U.S.G.S.
^ Iwao Suetomi et al., 2004, Amplification Factor of Peak Ground Motion Using Average Shear Wave Velocity of Shallow Soil Deposits, 13th World Conference on Earthquake Engineering
^ רון אבני, 1999. רעידת האדמה של שנת 1927 - מחקר מאקרוסייסמי ע"ב מקורות התקופה., באר שבע: אונ' ב.ג. בנגב, עמ' 31.
^ ¹ ² Hiroshi Kawase, 2003. Site Effects on Strong Ground Motions. International Geophysics, Vol. 81,, pp. 1013-1030.
^ רון אבני, 1999. רעידת האדמה של שנת 1927 - מחקר מאקרוסייסמי ע"ב מקורות התקופה., באר שבע: אונ' ב.ג. בנגב, עמ' 36א'.
^ Horn, N., Aric, K., 1996. Amplification of Quake Amplitudes by Sedimentary Layers: An Example from the City Region of Vienna. Seismology in Europe, E.S.C., pp. 429-433
^ Zaslavski, Y., Shapira, A., 1997. Dynamic Characteristics of Low Rise Buildings in Eilat Using Seismic Measurements. G.I.I., Report No. 550/87/96(118): 44p
^ Aki, K., 1993. Local Site Effects on Weak and Strong Ground Motion. Tectonophysics. 218: pp.93-111
^ Yutaka Nakamura, 2019. What is the Nakamura Method? Seismological Research Letters, 90, pp.1437–1443.
^ מכון התקנים הישראלי, תקן 413 - תכן עמידות מבנים ברעידות אדמה.
^ ¹ ² Zaslavski, Y., Shapira, A., Leonov, J., 1998. Topography Effects and Seismic Hazard Assesment at Mt. Massada (Dead Sea). G.I.I., Report No. 522/62/98: 12p
^ ¹ ² Zaslavski, Y., Shapira, A., Leonov, J., 2003. Empirical evaluation of site effects by means of H/V spectral ratios at the locations of strong motion accelerometers in Israel. Journal of Earthquake Engineering 7: pp. 655-677

[1] למשל, למונח דומה באופן פונטי: Side Effect יש משמעות מתחום הרפואה, המחשבים ועוד. התרגום השכיח של Site Effect ל-"תגובת אתר" מצמצם למעשה את המרחב הדיסציפלינארי של השימוש במונח.

[2] כל מה שגורמת לו רעידת האדמה נחשב כאפקט סייסמי.

[5] התופעה נקראת "הגברה", ובלועזית אמפליפיקציה.

[10] ככל שהסלע צפוף יותר, מהירות הגלים הסייסמיים בו תהיה גדולה יותר (כלל בסיסי בתורת הגלים).

[15] השיטה מכונה "שיטת H/V" (אופקי/אנכי).

[16] ה - Seismic Hazard שמוגדר כהסתברות שתתרחש באתר הנמדד תאוצת קרקע ברמה מסוימת בתקופת זמן נתונה.

[3] How Earthquakes Cause Seismic Waves, Britannica Encyclopedia

[4] Attenuation, U.S.G.S.

[6] Iwao Suetomi et al., 2004, Amplification Factor of Peak Ground Motion Using Average Shear Wave Velocity of Shallow Soil Deposits, 13th World Conference on Earthquake Engineering

[7] רון אבני, 1999. רעידת האדמה של שנת 1927 - מחקר מאקרוסייסמי ע"ב מקורות התקופה., באר שבע: אונ' ב.ג. בנגב, עמ' 31.

[:0-8] ¹ ² Hiroshi Kawase, 2003. Site Effects on Strong Ground Motions. International Geophysics, Vol. 81,, pp. 1013-1030.

[9] רון אבני, 1999. רעידת האדמה של שנת 1927 - מחקר מאקרוסייסמי ע"ב מקורות התקופה., באר שבע: אונ' ב.ג. בנגב, עמ' 36א'.

[11] Horn, N., Aric, K., 1996. Amplification of Quake Amplitudes by Sedimentary Layers: An Example from the City Region of Vienna. Seismology in Europe, E.S.C., pp. 429-433

[12] Zaslavski, Y., Shapira, A., 1997. Dynamic Characteristics of Low Rise Buildings in Eilat Using Seismic Measurements. G.I.I., Report No. 550/87/96(118): 44p

[13] Aki, K., 1993. Local Site Effects on Weak and Strong Ground Motion. Tectonophysics. 218: pp.93-111

[14] Yutaka Nakamura, 2019. What is the Nakamura Method? Seismological Research Letters, 90, pp.1437–1443.

[17] מכון התקנים הישראלי, תקן 413 - תכן עמידות מבנים ברעידות אדמה.

[:1-18] ¹ ² Zaslavski, Y., Shapira, A., Leonov, J., 1998. Topography Effects and Seismic Hazard Assesment at Mt. Massada (Dead Sea). G.I.I., Report No. 522/62/98: 12p

[:2-19] ¹ ² Zaslavski, Y., Shapira, A., Leonov, J., 2003. Empirical evaluation of site effects by means of H/V spectral ratios at the locations of strong motion accelerometers in Israel. Journal of Earthquake Engineering 7: pp. 655-677

[א]

[ב]

[1]

[2]

[ג]

[3]

[4]

[5]

[6]

[ד]

[7]

[8]

[9]

[10]

[ה]

[ו]

[11]

[12]

[13]