تحلیل یافته‌های مقدماتی پارینه‌لرزه‌شناسی و لرزه‌زمین‌ساختی گسل قلعه‌سرخ، خاور ایران

1 ـ مقدمه

داده­های لرزه­ای دستگاهی و تاریخی اهمیت زیادی در شناخت ماهیت لرزه­زمین­ساختی یک منطقه دارد ولی استناد به این داده­ها به تنهایی نمی­تواند گویای واقعیت زمین­ساختی یک منطقه فعال زمین­ساختی مانند خاور ایران باشد. علم پارینه­لرزه­شناسی (Paleoseismology) با بررسی ویژگی­های زمین­لرزه­های بزرگ به وقوع پیوسته در بازه زمانی هلوسن، داده­های کاملتری نسبت به داده­های تاریخی در اختیار ما قرار می­دهد. به اعتقاد Freund (1970)، Tirrul et al. (1983)، Vernant et al. (2004) و Parsons et al. (2006) دگرریختی های خاور ایران وابسته به برش راست بر بین ایران و افغانستان می­باشد و بخشی از همگرایی مایل سبب فعالیت گسل‌های حاشیه لوت می­گردد. Berberian (2000, 2001) با بررسی گسل­های فعال در خاور ایران بر این باور است که گسل­های شمالی ـ جنوبی با سازوکار امتدادلغز راست بر در پایانه­ها، به گسل­های شمال باختری ـ جنوب خاوری (با مؤلفه غالب راندگی) منتهی می­شوند. Walker and Khatib (2006) تکتونیک فعال در ناحیه بیرجند را ‌نتیجه تاثیر متقابل روندهای گسلی اصلی (‌شمالی ـ جنوبی و خاوری ـ باختری) می­دانند و معتقدند که فرایند انتقال از گسلش امتدادلغز راست بر در جنوب با روند غالب شمالی ـ جنوبی، به گسلش امتدادلغز چپگرد در شمال با روند غالب خاوری ـ باختری، سبب توزیع گسترده گسلش فعال در مناطق بین آن­ها گردیده است. گسل قلعه سرخ با روند شمالی ـ جنوبی و طول 57 کیلومتر در بخش شمالی پهنه لوت واقع شده است (شکل 1). این گسل نخستین بار در نقشه زمین­شناسی 1:100000 (نظری، 1371) و به خاطر نزدیکی به روستای قلعه سرخ (واقع در شمال شرق شهر سربیشه) و با ذکر شواهدی از حرکت­های امتدادلغز راست­بر در رسوبات شناسایی و بدین نام معرفی شده است. در این تحقیق ابتدا بررسی اجمالی از گسلش فعال و زمین­لرزه‌های اصلی خاور ایران صورت گرفته و سپس نتایج بررسی­های ریخت­زمین­ساختی و یافته­های مقدماتی دستاوردهای پژوهش پارینه­لرزه­شناسی گسل قلعه­سرخ ارائه شده است که اطلاعات نوینی جهت شناخت دقیق‌تر از چگونگی جنبش جوان این گسل را بیان می‌کند.

2 ـ زمین شناسی و جایگاه زمین­ساختی گستره

در سیستم کوهزایی آلپ ـ هیمالایا، توسعه کوه­های خاور ایران تحت عنوان زیر پهنه زمین درز سیستان از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. گسل قلعه­سرخ در بخش میانی زون زمین درز سیستان واقع شده است. این گستره در برگیرنده نهشته­هایی از میانه­زیستی و نوزیستی شامل نهشته­های آواری از کرتاسه فوقانی تا الیگومیوسن است که از پدیده­های آتشفشانی پس از کرتاسه تأثیر پذیرفته­اند. این نهشته­ها شامل تناوبی از شیل، ماسه­سنگ با میان لایه­های نازک از سنگ آهک آواری می­باشد. واحدهای آتشفشانی حاصل از کشش پوسته (با ترکیب ریولیت، داسیت، آندزیت و بازالت) نیز در پاره­ای از نواحی رخنمون دارند (نظری، 1371). منطقه قلعه سرخ از نظر لیتولوژی شامل: رسوبات کواترنر، کنگلومرای نئوژن، شیل­های ائوسن و واحدهای آندزیتی می­باشد.

3ـ لرزه­زمین‌ساخت و پیشینه لرزه­خیزی گستره

عامل اصلی تغییر شکل فعال در فلات ایران، همگرایی بین پوسته عربی و اوراسیا می‌باشد. بر اساس بررسی ­های انجام شده با GPS، مقدار و سمت حرکت صفحه عربی به سمت شمال باعث ایجاد برش راستبر شمالی ـ جنوبی در شرق ایران می‌شود (Walker and Jackson, 2002). لذا تغییرشکل‌های فعال و اخیر شرق ایران توسط گسل‌های امتدادلغز راست بر با روند شمالی ـ جنوبی ایجاد و کنترل می‌شوند.

شناسایی گسل‌های فعال در تعیین میزان فعالیت یک منطقه از نظر تکتونیکی و لرزه­زمین­ساختی مهم می‌باشند.بررسی زمین‌لرزه‌های گذشته یک ناحیه، الگوی لرزه‌خیزی و سیمای لرزه‌زمین‌ساختی آن ناحیه را آشکار می‌سازد. از این‌ رو شناخت عامل و جایگاه‌ رویداد زمین‌لرزه‌های گذشته از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است (Berberian et al., 1999). لذا در این بخش اشاره­ای مختصر به رخدادهای لرزه­ای مهم در منطقه می­شود (Ambraseys & Melville, 1982):

- زمین‌لرزه 9 ژانویه 1493 میلادی نوزاد : این زمین‌لرزه منطقه کوهستانی مؤمن‌آباد در شرق بیرجند را در هم کوبید. بیشتر ساکنان روستای نوزاد جان باختند و در مسک نیز بسیاری کشته شدند. گسلش سطحی این زمین‌لرزه بین نوزاد تا مسک موجب
دگرریختی شدید دامنه کوه شد که بعدها به عنوان گسل نوزاد نامیده شد.

-  زمین­لرزه 15 فوریه 1549 میلادی بیرجند : در طی این رخداد، بیرجند و روستاهای اطراف آن تخریب شد و 3000 تن جان باختند. هیچ سطح شکستی از زلزله شناسایی نشده است.

زمین‌لرزه 16 فوریه 1941 میلادی محمدآباد: در اوایل شب زمین‌لرزه‌ای به منطقه تنک جمعیت شمال غرب بیرجند آسیب سنگینی رساند. روستای محمدآباد به کلی ویران شد و 680 تن از ساکنان آن کشته شدند. بزرگی این زمین‌لرزه، 1/6  در مقیاس ریشتر برآورد شده است و آثار این گسلش هنوز قابل مشاهده است.

-   زمین‌لرزه 10 فوریه 1946 میلادی گیو: اوایل شب زمین‌لرزه شدیدی در دشت مختاران در جنوب بیرجند را لرزاند. رومرکز این زمین‌لرزه در روستای گیو واقع شده بود. در اثر این رویداد روستای گیو به کلی ویران شد. این زمین‌لرزه با گسلش سطحی نیز همراه بوده و آثار آن به صورت پرتگاه­های گسلی مشهود بوده است.

- زمین‌لرزه 1 آوریل 1962م. موسویه: هنگام سپیده‌دم 1 آوریل 1962 میلادی، زمین‌لرزه­ای خسارت­بار (با بزرگی 5/5 در مقیاس ریشتر) تعدادی از روستاهای واقع در شمال بیرجند (موسویه چاهک، چلونک و تاجکوه)، در منطقه‌ای که در اثر زمین‌لرزه 16 فوریه 1941 در هم کوبیده شده بود، را به ویرانه تبدیل کرد.

-  زمین‌لرزه 31 اوت 1968میلادی دشت‌بیاض: در اوایل بعد از ظهر 9 شهریور 1347 زمین‌لرزه فاجعه باری با بزرگی 1/7 ریشتر، خاور ایران را لرزاند و طی آن منطقه وسیعی از شمال غرب قائن آسیب دید. تمرکز اصلی آسیب‌ها در دره نیمبلوک بود که در آن بیش از 2500 تن جان باختند. در دشت‌ بیاض همه خانه‌ها کاملاً فروریخت و 1230 تن از ساکنان آن کشته شدند. یکی از نشانه­های بارز این زمین‌لرزه، حدود هشتاد کیلومتر گسلش سطحی است.

-  زمین‌لرزه 1 سپتامبر 1968میلادی فردوس: در حدود 21 ساعت پس از زمین‌لرزه دشت بیاض، زمین­لرزه شدیدی با بزرگی 4/6 در مقیاس ریشتر، منطقه فردوس را لرزاند و این شهر را تقریباً به کلی ویران کرد.

- زمین‌لرزه 27 نوامبر 1979میلادی کولی ـ بنیاباد: این حادثه با بزرگی 1/7=M_w، سطح شکستی به طول 60 کیلومتر در بخش شرقی گسل دشت بیاض و در حد فاصل روستاهای چاه زندر و بنیاباد ایجاد کرد. این ناحیه کم‌جمعیت است و زمین‌لرزه کشته نسبتاً کمی داشت.

-  زمین‌لرزه 10 می 1997میلادی اردکول: در روز شنبه20 اردیبهشت 1376 زلزله‌ای با بزرگی 2/7 ریشتر در مقیاس امواج درونی در ناحیه‌ای بین اردکول و حاجی‌آباد در بخش زیرکوه قاین روی داد. سازوکار غالب گسل از نوع راست بر با مؤلفه فشاری است. این زمین‌لرزه موجب رخنمون شواهد سطحی گسلش امتدادلغز راست بر اردکول به طول 126 کیلومتر با روند غالب N340 گردیده است.

4 ـ ریخت زمین­ساخت گسل قلعه سرخ

با توجه به نتایج بازدیدهای میدانی گسل قلعه­سرخ، استفاده از تصاویر ماهواره­ای، مدل­های رقومی برگرفته از نقشه برداری دقیق با GPS Kinematic ، امکان بررسی ریخت­زمین­ساختی جهت پردازش هندسه و سازوکار این گسل فراهم شده است. با حرکت در راستای این گسل، پرتگاه­ها و نشانه­های آشکار زمین­ساختی قابل مشاهده است. همچنین شبکه آبراهه­های جابجا شده در محل عبور گسل، نشانگر مؤلفه غالب راستالغز راست­بر در راستای N-S برای گسل قلعه­سرخ است (شکل 2).

با توجه به شواهد مشاهده شده در تصاویر ماهواره ای، سازوکار گسل قلعه­سرخ با طول تقریبی 57 کیلومتر، راستالغز راست­بر با کمی مؤلفه معکوس است (شکل 2). به استناد به مشاهدات میدانی شیب گسل قلعه­سرخ به سمت غرب است. برش­های توپوگرافی ترسیم شده بر روی داده­های SRTM و بررسی­های دقیق و بزرگ مقیاس میدانی در راستای بخش­های مختلف گسل قلعه‌سرخ امکان برآورد میزان جابه­جایی قائم و افقی را در محل عبور گسل فراهم می­کند. البته به دلیل نبود داده­ای دقیق از آهنگ فرسایش در منطقه، همیشه مقادیر محاسبه شده از این روش کمتر از میزان واقعی، به ویژه در برآورد جابه­جایی افقی است. بر این اساس در 3 محل بیشینه جابجایی قائم و افقی راست­بر اندازه­گیری شده بر روی ستیغی عمود بر راستای گسل به ترتیب برابر 1±20 متر و 1±150 متر است.

به کمک تهیه مدل رقومی برگرفته از نقشه برداری دقیق با GPS Kinematic، امکان بررسی جابه­جایی افقی و قائم در راستای گسل جهت محاسبه هندسه (شیب و سمت شیب) و سازوکار گسل قلعه­سرخ فراهم شده است. بر این اساس در ساختگاه انتخاب شده جهت حفر ترانشه در ناحیه­ای موسوم به جنت­آباد، جابجایی قائم و افقی راست­بر اندازه­گیری شده بر روی پشته­های گسلی و آبراهه­های جابه­جا شده واقع در مسیر عملکرد پهنه گسلی برابر 03/0±5/2 متر و  03/0±14 متر است. محاسبه این مقادیر امکان محاسبه هندسه (شیب و سمت شیب صفحه دگرریختی) و سازوکار گسلش را فراهم می­آورد (شکل 3 و 4). گسل قلعه سرخ، یک گسل با سازوکار امتدادلغز راست­بر است که جابجایی قائم آن ناشی از مؤلفه فشاری (معکوس) شرق به غرب گسل است.

5 ـ پارینه لرزه شناسی در راستای گسل قلعه سرخ

مطالعه زمین­لرزه­های به وقوع پیوسته قدیمی بر اساس تفسیر تاریخچه زمین­شناسی مناطقی که تحت تأثیر این زلزله­ها قرار گرفته­اند، علم پارینه­لرزه­شناسی نامیده می شود. لذا هدف اصلی از اینگونه مطالعات تعیین زمان، مکان و بزرگای زلزله­های گذشته است. با توجه به آرامش لرزه­ای حال حاضر گسل­های منطقه مورد بررسی، می­توان فعالیت­های گذشته آن­ها را توسط مطالعات پارینه­لرزه­شناسی بررسی نمود. از آنجا که در این نوع از مطالعات، دگرشکلی­های رسوبی سطحی زمین در هنگام وقوع زمین­لرزه بررسی می­گردد، لذا روشی تقریباً دقیق بوده و امکان بررسی توزیع مکانی و زمانی زمین­لرزه­های تاریخی را تا گذشته­های دور فراهم می­کند. از مهمترین مراحل انجام پژوهش پارینه‌لرزه‌شناسی انتخاب محل مناسب به منظور حفر ترانشه است که مستلزم انجام مطالعات ریخت‌زمین‌ساخت دقیق و هدفدار می­باشد. بایستی توجه کرد که محل حفر ترانشه به گونه­ای باشد که در آن مکان رسوبات جوان تحت تأثیر گسلش قرار گرفته باشد و پهنه گسل را بتوان به راحتی تشخیص داد. همچنین به دلیل اهمیت بالای حفظ شواهد زمین­لرزه­های تاریخی در محل ترانشه، وجود تعادل بین نرخ رسوبگذاری و فرسایش از عوامل مهم در انتخاب مکان مناسب است. جابه­جایی­های مشاهده شده در راستای گسل قلعه­سرخ به لحاظ ریخت­زمین­ساختی گویای فعال بودن این گسل است. جهت پارینه­لرزه­شناسی بر روی این گسل، ابتدا بر اساس تصاویر ماهواره­ای، بازدید میدانی و مشاهداتGPS Kinematic، محل مناسب حفر ترانشه انتخاب و سپس با حفر ترانشه، پدیده­های ساختاری و نهشته­های رسوبی تفکیک و برداشت شده است. پس از انتخاب محل مناسب، با توجه به هندسه و سازوکار گسل، ترانشه به صورت عمود بر امتداد گسل حفر شده است. طول و عمق ترانشه ارتباط مستقیمی به پهنه گسلی (یا افراز گسلی) و نوع حوضه رسوبی درگیر با گسلش موردنظر دارد. در تحقیق حاضر بر اساس بررسی شاخص­های مربوطه، ساختگاه مناسبی با مختصات تقریبی ^''25^'59^°59 شرقی و ^''40^'32^°33 شمالی به منظور حفر ترانشه پارینه­لرزه­شناسی انتخاب و سپس ترانشه­ای (T₁) به طول 21 متر، عمق 5/4 متر و راستای N80°E (عمود بر راستای گسل قلعه­سرخ) حفر گردید (شکل 4). همچنین در فاصله 2 متری در سمت شمالی این محل، ترانشه دیگری (T₂) با عمق 5/1 متری جهت رؤیت مجدد صفحه دگرریختی گسل و افزایش اطمینان به شواهد مشاهده شده در ترانشه اصلی، حفر گردید (شکل 5). از طرفی نیز به فاصله 35 متری در سمت جنوبی ترانشه T₁ ، ترانشه دیگری (T₃) با عمق 2 متر و طول 3 متر در راستای گسل حفر گردید که در آن می­توان شواهد روانگرایی (Liquefaction) را در دیواره­های ترانشه مشاهده کرد (شکل 6). محل ترانشه­های حفر شده بر روی گسل قلعه­سرخ در شکل 4 نشان داده شده است. این ترانشه­ها در جایی که گسل قلعه سرخ رسوبات آبرفتی جوان را بریده و موجب ایجاد افراز گسلی به ارتفاع حداکثر سه متر به سمت خاور شده است. بعد از مرحله یکسان­سازی دیواره جنوبی به کمک برس­های پلاستیکی، ترانشه به فواصل کنتوری نیم متری گریدبندی شده است. در ترانشه T₁ اثر عملکرد گسل به خوبی قابل مشاهده است. به گونه­ای که تعدادی از واحدهای زمین­شناسی موجود در فرادیواره گسل را در بخش فرودیواره نمی­توان مشاهده کرد که حاکی از اثر مؤلفه فشاری گسل از سمت خاور است (شکل 4). بر اساس نتایج حاصل از حفر ترانشه، گسل دارای راستای N7°W و شیب 72 درجه به سمت خاور می­باشد.

نهشته­های رسوبی موجود در ترانشه بر اساس تفاوت جنس، رنگ، اندازه دانه­ها، جورشدگی و سختی به 6 واحد تفکیک شده است که از لحاظ محیط رسوبی از نهشته­های ­آبرفتی، کانال­ فرسایشی ­و کوهرفتی‌(Colluvial) تشکیل شده اند. ماهیت این واحدها به شرح ذیل است (نام واحدها در شکل 5 نشان داده شده است):

-  واحد 1: نهشته­های خاکستری تا نخودی روشن که دارای دانه­بندی بسیار ریز می­باشد. این واحد به­خاطر نزدیکی به اسکارپ گسلی، غالباً رسوبات حاصل از فرسایش و متشکل از تناوب رس و سیلت و فاقد لایه­بندی می­باشد.

-  واحد 2: نهشته­های قهوه­ای روشن تا نخودی تیره
فرسایشی متشکل از تناوب رس، سیلت، مقدار کمی گل و دارای لایه­بندی نسبی.

-  واحد 3: لایه ماسه­ای درشت­دانه خاکستری تا قهوه­ای­تیره، زمینه ماسه­ای سیلتی، دارای لایه­بندی و جورشدگی خوب.

-  واحد 4: لایه ماسه­ای ریز دانه خاکستری تا قهوه­ای روشن و دارای لایه­بندی ضعیف و جورشدگی خوب.

-  واحد 5: نهشته­های قهوه ای روشن که فاقد لایه­بندی می­باشد. این واحد غالباٌ از گل رس تیره رنگ است و متناسب با پهنه گسلی انتظام یافته­اند.

-  واحد 6: نهشته­های نخودی رنگ که دارای ماهیت Colluvium است.

در این پژوهش، بر اساس روابط موجود (Wells and Coppersmith, 1994) و داده­های حاصل از محاسبه میزان جابجایی­ها، بزرگای زمین­لرزه­های دیرینه را بررسی نموده­ایم. این روابط مبتنی بر سازوکار گسله­ها است که با توجه به داشتن مؤلفه معکوس در گسل راستالغز قلعه سرخ، از رابطه زیر استفاده می­کنیم.

F_R :Mw=6.64+0.13Log (AD)

که در این رابطه F_R و AD به ترتیب بزرگای محاسبه شده برای گسل­های معکوس و میانگین جابجایی بر حسب متر است.

بر اساس جابجایی شاقولی تجمعی قابل مشاهده بر روی لوگ ترانشه به مقدار بین 25 سانتی­متر تا 230 سانتی­متر، می­توان بزرگای بیش از 5/6 ریشتر را برای زمین­لرزه­های دیرینه بر روی گسل قلعه سرخ در نظر گرفت.

6 ـ محاسبه نرخ لغزش در راستای گسل

از نظر ساختاری جابه­جایی در راستای گسل­های امتدادلغز شرق ایران ارتباط مستقیمی با نحوه تغییرشکل و میزان کوتاه شدگی در ایران دارد. به این مفهوم که به علت صلب بودن بلوک افغانستان، حرکت به سوی شمال ایران مرکزی تنش برشی را در خاور ایران ایجاد می­کند که این تنش به نوبه خود موجب حرکت امتدادلغز راست بر گسل­های این بخش از ایران می‌گردد (Walker and Jackson, 2004)). از طرفی نیز، زمان فعالیت اکثر گسل­های فعال ایران، مربوط به 5 میلیون سال اخیر است (Falcon, 1974) و بر این اساس جهت تخمین نرخ نسبی لغزش در راستای گسل، این زمان در نظر گرفته می­شود.

در این تحقیق با استفاده از مشاهدات GPS Kinematic، تصاویر ماهواره­ای و مشاهدات صحرایی، جابجایی­های زمین­شناسی (انحراف مسیر آبراهه­ها و واحدهای لیتوژیکی) بر روی گسل قلعه­سرخ اندازه‌گیری شده و سپس نرخ لغزش برای آن برآورد شده است. میزان جابه­جایی برای گسل قلعه سرخ در 7 ناحیه که در آن­ها به وضوح می­توان برش و جابه­جایی راست بر را مشاهده کرد، اندازه­گیری گردیده شده است. در جدول 1 داده­های اندازه­گیری نرخ لغزش زمین­شناسی را بر اساس پارامترهای مختلف ارائه شده است.