Learn

การเกิดแผ่นดินไหว : แนวคิดการคืนตัววัสดุและแบบจำลองตะกุกตะกัก

ด้วยนิยามของ แผ่นดินไหว (earthquake หรือ quake หรือ tremor) ถ้าจะเอาแบบกำปั้นทุบดิน หรือตอบแบบตีหน้าซื่อ ก็คงหมายถึง แรงสั่นสะเทือนของแผ่นดิน ดังนั้นอะไรก็ตามที่พอจะทำให้พื้นดินที่เราย่ำ เกิดอาการสั่นสะท้าน ก็พอจะเหมารวมกันไปได้เลยว่าเป็นสาเหตุของแผ่นดินไหว ทั้งการตอกเสาเข็มเพื่อสร้างตึกสร้างบ้าน รถวิ่งบนถนน หรือแม้กระทั่งลูกมะพร้าวหล่นกระแทกพื้น ฯลฯ แต่ก็รู้ๆ กันอยู่ มนุษย์มักจะใส่ใจหรือให้ความสำคัญกับอะไรที่ให้คุณให้โทษหรือมีส่วนได้ส่วนเสียกับตัวเอง ด้วยเหตุนี้เมื่อพูดถึงแผ่นดินไหว เรามักจะตีความว่าต้องเป็นแรงสั่นสะเทือนในระดับที่พองาม และส่งผลกระทบทางภัยพิบัติต่อเรามากพอ

แรงสั่น (กระชาก) จากแผ่นดินไหวขนาด 6.8 เมืองโกเบ ประเทศญี่ปุ่น 17 มกราคม ค.ศ. 1995 (พ.ศ. 2538)

จะว่าไปด้วยสื่อออนไลน์ที่เข้าถึงได้ง่ายในยุคดิจิตอลปัจจุบัน แทบทุกคนบนโลกคงเคยได้เห็นอานุภาพของแรงสั่นสะเทือนอันเนื่องมาจากแผ่นดินไหว บ้างก็รู้จัก รอยเลื่อน (fault) หรือ เขตมุดตัวของเปลือกโลก (subduction zone) ที่เป็นแหล่งกำเนิดของแผ่นดินไหว แต่เชื่อว่าหลายท่านก็คงยังนึกภาพไม่ออก ว่ารอยเลื่อนหรือเขตมุดตัวของเปลือกโลกออกท่าออกทางกันยังไง ถึงทำให้เกิดแผ่นดินไหวขึ้น บทความนี้ตั้งใจที่จะขยายความถึงวิธีการหรือกลไกที่รอยเลื่อนหรือเขตมุดตัวของเปลือกโลกทำให้เกิดแผ่นดินไหวได้

การค้นพบซากจากแผ่นดินไหว

หลังจากเกิดแผ่นดินไหวขนาด 7.8 ที่เมืองซานฟรานซิสโก ประเทศสหรัฐอเมริกา ในปี พ.ศ. 2449 นักแผ่นดินไหวพบว่า รั้วของฟาร์มแห่งหนึ่งได้เลื่อนตัวเหลื่อมออกจากกันถึง 3 เมตร ทั้งที่ก่อนหน้านี้เจ้าของฟาร์มยืนยันว่าไม่ได้เมา และตั้งใจสร้างไว้เป็นแนวเส้นตรงเดียวกัน นักแผ่นดินไหวจึงคาดว่า “รั้วเลื่อน” น่าจะเป็นผลที่มาพร้อมกับแผ่นดินไหว และตั้งสมมุติฐานว่า ในอดีตพื้นที่แถบนี้น่าถูกแรงบีบอัดหรือดึงให้ออกจากกันอย่างเงียบๆ แต่ด้วยความผูกพันอันลึกซึ้ง แผ่นดินจึงยื้อเวลา ไม่ยอมเลื่อนออกจากันตั้งแต่แรก แต่ก็ด้วยแรงกระทำที่กระหน่ำเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ จนเกินแรงยึดของแผ่นดินจะยึดตัวกันต่อได้ สุดท้ายแผ่นดินทั้งสองฝั่งจึงจำใจต้องพราก เลื่อนจากกันไป พร้อมทั้งเกิดแผ่นดินไหวระหว่างเลื่อน

(ซ้าย) สภาพรั้วบ้านหลังเกิดแผ่นดินไหวขนาด 7.8 ที่เมืองซานฟรานซิสโก (ที่มา : www.americahurrah.com) (ขวา) รอยเลื่อนซานแอนเดรียส ฝั่งตะวันตกของอเมริกา ต้นเหตุที่ทำให้เกิดแผ่นดินไหวซานฟรานซิสโก

อีกหนึ่งตัวอย่างที่ช่วยให้นึกภาพได้ง่ายขึ้นคือ ถ้าเราลองพยายามหักไม้ การงอไม้ในช่วงแรกจะไม่ทำให้ไม้นั้นหักในทันที แต่จะโก่งโค้งงอไปเรื่อยๆ จนไม้ทนไม่ไหว จึงหักและดีดเป๊าะ ซึ่งถ้าเปรียบกับโลก “ดีดเป๊าะ” ก็คือ แผ่นดินไหวนั่นเอง โดยแนวคิดนี้นักแผ่นดินไหววิทยา ตั้งชื่อเอาไว้เมื่อปี พ.ศ. 2450 ว่า “แนวคิดการคืนตัววัสดุ (elastic rebound)” (Reid, 1910) ซึ่งจากแนวคิดดังกล่าว ทำให้นักแผ่นดินไหววิทยาคาดว่า ความบ่อยและความรุนแรงของแผ่นดินไหวจะขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัย คือ 1) ปริมาณแรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐาน ที่มากระทำกับพื้นที่ และ 2) ความสามารถในการยึดติดหรือล๊อคกอดกันไว้ของแผ่นดิน เราลองดูตัวอย่างกันครับ

(ซ้าย) ลำดับเหตุการณ์ที่น่าจะทำให้รั้วบ้านมีสภาพอย่างที่เห็น (ขวา) แบบจำลองการเคลื่อนตัวของรั้วและการหักกิ่งไม้
  • กรณีที่ 1 ถ้าแหล่งกำเนิดแผ่นดินไหว 2 ตัว มีแรงยึดติดของแผ่นดินพอๆ กัน แหล่งกำเนิดแผ่นดินไหวตัวที่ได้รับแรงกระทำมากมากกว่า ก็จะเกิดแผ่นดินไหวบ่อยกว่าอีกตัว
  • กรณีที่ 2 ถ้ามีแรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานมากระทำพอๆ กัน พื้นที่ที่มีความสามารถในการยึดติดต่ำ จะเกิดแผ่นดินไหวบ่อยกว่าพื้นที่ที่มีความสามารถในการยึดติดสูง แต่ทั้งนี้ก็ต้องทำใจว่า ถึงแม้ตัวที่ยึดติดสูงจะเกิดแผ่นดินไหวไม่บ่อยครั้ง แต่ถ้าลองได้เกิดมาซักที จะมีความรุนแรงมากเป็นพิเศษ เพราะแรงเค้นที่เคยเข้ามากระทำนั้นไม่ได้หายไปไหน เคยรับไว้เท่าไหร่ สุดท้ายก็ปล่อยออกไปในปริมาณสุทธิถัวๆ กัน

ดังนั้นสมมุติว่ามีแรงกระทำเท่าๆ กัน 10 หน่วย/ปี ใน 2 พื้นที่ ซึ่งพื้นที่ ก มีแรงยึดติด 20 หน่วยก่อนที่จะทนไม่ไหว ในขณะที่พื้นที่ ข มีแรงยึดติด 40 หน่วย เราจะประเมินได้คร่าวๆ ว่า พื้นที่ ก จะเกิดแผ่นดินไหวทุกๆ 2 ปี (20/10) โดยพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากแผ่นดินไหวแต่ละครั้งประมาณ 20 หน่วย ในขณะที่พื้นที่ ข จะมีแผ่นดินไหวเกิดขึ้นทุกๆ รอบ 4 ปี แต่ปล่อยมาแต่ละครั้งก็มีพลังงาน 40 หน่วย ไม่ขาดไม่เกิน

แบบจำลองการยึดติดและเลื่อนตัวของรอยเลื่อน

แบบจำลองการยึดติดและเลื่อนตัวของรอยเลื่อน (stick-slip model) หรือจะเรียกให้เห็นภาพว่า แบบจำลองตะกุก-ตะกักของรอยเลื่อน ก็พอได้ ซึ่งเป็นแบบจำลองที่อธิบายถึงถึงธรรมชาติของรอยเลื่อนในแต่ละที่ที่สัมพันธ์กับพฤติกรรมการเกิดแผ่นดินไหว โดยปกติแล้วเมื่อหินมีรอยแตก หากรอยแตกนั้นราบเรียบอย่างมาก และมีแรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานเข้ามากระทำ รอยแตกจะเลื่อน ไถลตัวไปตามที่แรงกระทำนั้นสั่งโดยไม่มีหือมีอือ หรือไม่มีการสะสมพลังงานแรงเค้นนั้นเอาไว้เลย ซึ่งความเป็นจริงบนโลกใบนี้ แรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานนั้นจะเข้ากระทำและทำให้พื้นที่ใดๆ เลื่อนตัวในหลักมิลลิเมตรหรือเซนติเมตรต่อปี ดังนั้นถ้ารอยเลื่อนที่ราบเรียบเคลื่อนตามทุกกระเบียดนิ้วที่แรงกระทำ การเลื่อนตัวนั้นจะเป็นแบบ คืบคลาน (creep) โดยที่ไม่ก่อให้เกิดแผ่นดินไหว เรียกรอยเลื่อนนั้นว่าเป็นรอยเลื่อนที่มีพฤติกรรมแบบ คลืบคลานโดยไม่สร้างแผ่นดินไหว (aseismic creep)

รอยเลื่อนประเภท คลืบคลานโดยไม่สร้างแผ่นดินไหว (aseismic creep) นี้มีให้เห็นน้อยมากๆ เพราะในธรรมชาติส่วนใหญ่รอยแตกของหินมักจะไม่ได้ราบเรียบ แต่จะมีแง่งมีง่อนบ้างๆ ในบางพื้นที่เป็นระยะๆ ทำให้บน ระนาบรอยเลื่อน (fault plane) งั้นมีพื้นที่ที่เรียกว่า พื้นที่ยึดติดของระนาบรอยเลื่อน (asperity) ซึ่งเป็นบริเวณที่ล็อครอยเลื่อนเอาไว้ไม่ให้เคลื่อนที่ไปตามแรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานที่ส่งเข้ามาตลอดเวลา ซึ่งหากระนาบรอยเลื่อนใดมีพื้นที่ยึดติดขนาดใหญ่ ก็จะเป็นรอยเลื่อนสไตล์ที่ไม่ค่อยเกิดแผ่นดินไหวขนาดเล็ก แต่จะสะสมพลังงานหรือแรงเค้นไว้มากๆ และปลดปล่อยพลังงานออกมาเป็นแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ในทีเดียว ส่วนบางรอยเลื่อนที่มีลักษณะเป็นพื้นที่ยึดติดขนาดเล็กหลายๆ ตำแหน่งบนระนาบลอยเลื่อน ปล่อยเลื่อนจำพวกนี้ก็จะเกิดแผ่นดินไหวขนาดเล็ก แต่อาจจะเกิดบ่อยๆ เป็นต้น รายละเอียดกรณีศึกษาพื้นที่ยึดติดของระนาบรอยเลื่อน ได้แก่ รอยเลื่อนสะกาย ประเทศพม่า

แบบจำลองการยึดติดและเลื่อนตัวของรอยเลื่อน (stick-slip model) ที่สัมพันธ์กับแรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานที่สะสมเอาไว้ในแต่ละช่วงเวลา

นอกจากขนาดของพื้นที่ยึดติดของระนาบรอยเลื่อน ที่ส่งผลต่อนิสัยการเกิดแผ่นดินไหวในแต่ละรอยเลื่อน ปัจจุบันนักแผ่นดินไหววิทยาพบว่ารอยเลื่อนแต่ละตัวมีพฤติกรรมการสะสมพลังงานและการปลดปล่อยพลังงานที่มีอยู่แตกต่างกัน ซึ่งถ้าสมมุติให้แรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานเข้ามากระทำกับรอยเลื่อนด้วยอัตราคงที่ จะแบ่งรอยเลื่อนออกได้ 4 ประเภท ดังนี้

รูปแบบการคาดการณ์การเกิดแผ่นดินไหวจากนิสัยของรอยเลื่อน ระดับบน คือ ระดับแรงเค้นสูงสุดที่ราอยเลื่อนรับได้ ระดับล่างคือแรงเค้นต่ำสุดที่รอยเลื่อนนั้นจะปล่อยพลังงานและลงมาอยู่ (Lachenbruch and sass 1980)
  1. รอยเลื่อนที่คาดการณ์คาบอุบัติซ้ำได้ (periodic model) เป็นรอยเลื่อนที่มีการความสามารถในการสะสมพลังงานหรือแรงเค้นได้คงที่ และเมื่อแรงเค้นเต็มอัตราหรือความสามารถที่รอยเลื่อนรับได้ รอยเลื่อนก็จะเลื่อนตัวและปลดปล่อยพลังงานที่สะสมไว้จนหมดกระเป๋าเช่นกัน ดังนั้นหากเรามีการศึกษานิสัยรอยเลื่อนและพบว่าเป็นแบบนี้ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง เราก็ทราบได้ว่ารอยเลื่อนนี้ยังสามารถรับแรงเค้นได้อีกกี่ปีกว่าจะเต็มกระเป๋า จึงคาดการณ์เวลาการเกิดหรือ คาบอุบัติซ้ำ (return period) ได้ และเมื่อเต็มกระเป๋าแล้ว รอยเลื่อนก็จะปลดปล่อยพลังงานออกมาจนหมดตามนิสัย หรือพูดเป็นนัยก็คือสามารถประเมินขนาดแผ่นดินไหวที่จะเกิดนั้นได้นั่นเอง
  2. รอยเลื่อนที่คาดการณ์เวลาเกิดได้ (time-predictable model) เป็นรอยเลื่อนที่รู้ว่าสามารถรับแรงเค้นได้คงที่ แต่เวลาปล่อยพลังงานจะสุดแล้วแต่อารมณ์ของรอยเลื่อนที่จะปล่อยในแต่ละเหตุการณ์ๆ ไป ดังนั้นรอยเลื่อนประเภทนี้เราจะสามารถคาดการณ์ได้ว่าเหลือแรงแค้นอีกเท่าไหร่ที่รอยเลื่อนนั้นสามารถรับได้ หรือคาดการณ์เวลาการเกิดได้ ส่วนเรื่องขนาดแผ่นดินไหว เนื่องจากอารมณ์ของรอยเลื่อนไม่นิ่ง ไม่ได้ปล่อยจนหมดกระเป๋าเสมอไป จึงไม่สามารถคาดการณ์ขนาดแผ่นดินไหวที่จะเกิดในอนาคตได้
  3. รอยเลื่อนที่คาดการณ์การเลื่อนได้ (slip-predictable model) เป็นรอยเลื่อนที่มีความทนทานต่อแรงเค้นไม่นิ่งหรือไม่คงที่ แต่ทุกครั้งที่รอยเลื่อนนี้ทนไม่ไหวก็จะปล่อยหมดกระเป๋าเท่าที่มี ดังนั้นรอยเลื่อนประเภทนี้จะไม่สามารถคาดการณ์เวลาการเกิดได้เลยว่าจะเกิดวันนี้หรือวันพรุ่ง รู้เพียงว่าหากเกิดวันนี้รอยเลื่อนจะปล่อยหมดกระเป๋า และหากเราศึกษาและทราบว่าปัจจุบันแรงเค้นที่มีประมาณเท่าไหร่ เราก็จะรู้ว่าหากรอยเลื่อนปล่อยแผ่นดินไหวในวันนี้ ขนาดแผ่นดินไหวจะใหญ่แค่ไหน
  4. รอยเลื่อนที่คาดการณ์ไม่ได้เลย (non-predictable model) เป็นรอยเลื่อนที่ไม่สามารถจับทิศจับทางได้เลยว่าอยากจะปล่อยวันไหนและจะปล่อยขนาดเท่าไหร่ ซึ่งถ้ามองในแง่ของแบบจำลองตะกุกตะกักของรอยเลื่อน นักแผ่นดินไหววิทยาก็คงหมดปัญญาที่จะประเมินหรือคาดการณ์ไว้ให้ ก็มีแค่หาทางเฝ้าระวังและศึกษาในมุมมองอื่น ถ้าบ้านใครมีรอยเลื่อนนิสัยแบบนี้ ก็คงต้องเตรียมตัวตั้งรับให้ดี ไม่อย่างงั้นอาจจะเจ็บตัวได้
Share: