แผ่นดินไหวเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนตัวของชั้นหินในเปลือกโลก เมื่อชั้นหินกระทบกันทำเกิดคลื่นไหวสะเทือน (Seismic waves) เราเรียกจุดกำเนิดของคลื่นไหวสะเทือนว่า "ศูนย์เกิดแผ่นดินไหว" (Focus) และเรียกตำแหน่งบนผิวโลกที่อยู่เหนือจุดกำเนิดของคลื่นแผ่นดินไหวว่า "จุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว" (Epicenter) ซึ่งมักจะใช้อ้างอิงด้วยพิกัดละติจูด/ลองจิจูด เมื่อเกิดแผ่นดินไหวจะเกิดคลื่นไหวสะเทือน 2 แบบ คือ คลื่นในตัวกลาง และคลื่นพื้นผิว
ภาพที่ 1 ศูนย์เกิดแผ่นดินไหว
คลื่นในตัวกลาง (Body wave) เดินทางจากศูนย์เกิดแผ่นดินไหว ผ่านเข้าไปในเนื้อโลกในทุกทิศทาง ในลักษณะเช่นเดียวกับคลื่นเสียงซึ่งเดินทางผ่านอากาศในทุกทิศทาง คลื่นในตัวกลางมี 2 ชนิด ได้แก่ คลื่นปฐมภูมิ (P wave) และ คลื่นทุติยภูมิ (S wave) ดังภาพที่ 2
คลื่นปฐมภูมิ (P wave) เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่นส่งผ่านไป คลื่นนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เป็นคลื่นที่สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น โดยมีความเร็วประมาณ 6 – 7 กิโลเมตร/วินาที
คลื่นทุติยภูมิ (S wave) เป็นคลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลางโดยอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน คลื่นชนิดนี้ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลว คลื่นทุติยภูมิมีความเร็วประมาณ 3 – 4 กิโลเมตร/วินาที
ภาพที่ 2 คลื่นปฐมภูมิ (P wave) และคลื่นทุติยภูมิ (S wave)
คลื่นพื้นผิว (Surface wave) เดินทางจากจุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว (Epicenter) ไปทางบนพื้่นผิวโลก ในลักษณะเดียวกับการโยนหินลงไปในน้ำแล้วเกิดระลอกคลื่นบนผิวน้ำ คลื่นพื้นผิวเคลื่อนที่ช้ากว่าคลื่นในตัวกลาง คลื่นพื้นผิวมี 2 ชนิด คือ คลื่นเลิฟ (L wave) และคลื่นเรย์ลี (R wave)
คลื่นเลิฟ (L wave) เป็นคลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวราบ โดยมีทิศทางตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพที่ 3 สามารถทำให้ถนนขาดหรือแม่น้ำเปลี่ยนทิศทางการไหล
ภาพที่ 3 คลื่นเลิฟ (L wave)
คลื่นเรย์ลี (R wave) เป็นคลื่นที่ทำให้อนุภาคตัวกลางสั่น ม้วนตัวขึ้นลงเป็นรูปวงรี ในแนวดิ่ง โดยมีทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพที่ 4 สามารถทำให้พื้นผิวแตกร้าว และเกิดเนินเขา ทำให้อาคารที่ปลูกอยู่ด้านบนเกิดความเสียหาย
ภาพที่ 4 คลื่นเรย์ลี (R wave)
การหาจุดเหนือศูนย์การเกิดแผ่นดินไหว
เครื่องวัดความไหวสะเทือน (Seismograph) ประกอบด้วย 2 ส่วนคือ ปากกาซึ่งติดตั้งบนตุ้มน้ำหนักซึ่งแขวนห้อยติดกับลวดสปริง และม้วนกระดาษบันทึกการสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว (Seismogram) โดยที่ทั้งสองส่วนติดตั้งบนแท่นซึ่งยืดอยู่บนพื้นดิน เครื่องวัดความไหวสะเทือนทำงานโดยอาศัยหลักการของความเฉี่อย (Inertia) ของลวดสปริงที่แขวนลูกตุ้ม เมื่อแผ่นดินยกตัวลวดสปริงจะยืดตัว และถ้าหากแผ่นดินจมตัวลวดสปริงก็จะหดขึ้น ดังนั้นไม่ว่าแผ่นดินจะเคลื่อนไหวอย่างไร ลวดสปริงจะคงระดับของตุ้มน้ำหนักไว้ที่ระดับเดิมเสมอ ส่วนม้วนกระดาษจะเคลื่อนที่ขึ้นลงตามการเคลื่อนที่ของแผ่นดิน ดังนั้นปลายปากกาที่ติดตั้งฉากกับตุ้มน้ำหนักจึงวาดเส้นกราฟบนม้วนกระดาษซึ่งหมุนรอบแกน เพื่อบันทึกค่าการสั่นไหวของคลื่นไหวสะเทือน ดังภาพที่ 5 (หมายเหตุ: ในความเป็นจริง เครื่องวัดความไหวสะเทือนจะวัดค่าการสั่นสะเทือนทังในแกนตั้งและแกนนอน)
ภาพที่ 5 การทำงานของเครื่องวัดความไหวสะเทือน (คลิกที่รูปเพื่อดูภาพใหญ่)
ในการวิเคราะห์ตำแหน่งจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว (Epicenter) นั้น จะต้องอาศัยเครื่องวัดความไหวสะเทือนหลายชุด ทำงานร่วมกันเป็นเครือข่าย เมื่อเกิดแผ่นดินไหวคลื่นในตัวกลางซึ่งประกอบด้วยคลื่น P และคลื่น S จะเดินผ่านภายในของโลกโดยคลื่น P จะเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่น S ส่วนคลื่นพื้นผิว (เช่น คลื่น L และคลื่น R) จะเดินทางไปตามพื้นผิวโลกซึ่งเคลื่อนที่ช้ากว่าคลื่นในตัวกลาง ภาพที่ 6 แสดงให้เห็นว่า เครื่องวัดความไหวสะเทือนจะบันทึกค่าการไหวสะเทือนของ คลื่น P ได้ก่อนคลื่น S แล้วตามด้วยคลื่นพื้นผิว ตามลำดับ สถานี ก ที่อยู่ใกล้จุดเกิดแผ่นดินไหว (Focus) จะบันทึกค่าการไหวสะเทือนได้ก่อนสถานี ข ซึ่งอยู่ไกลกว่า
ภาพที่ 6 การเดินทางของคลื่นไหวสะเทือน
เมื่อนำค่าที่ได้จากเครือข่ายเครื่องวัดความไหวสะเทือนอย่างน้อย 3 ชุด มาสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับเวลา โดยให้แกนนอนเป็นระยะทางจากจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว และแกนตั้งเป็นระยะเวลาที่คลื่นไหวสะเทือนต้องใช้ในการเดินทางจากจุดกำเนิด ก็จะได้กราฟเส้นโค้งระยะทาง-เวลา (Time travel curves) นำคาบความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับเวลาที่บันทึกได้มาวิเคราะห์หาระยะห่างไปยังจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหว (Focus) ดังภาพที่ 7
ภาพที่ 7 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางและเวลาการเกิดแผ่นดินไหว
จากนั้นนำระยะทางที่ได้มาสร้างวงกลมสามวงบนแผนที่ โดยให้จุดศูนย์กลางอยู่ที่เครื่องวัดคลื่นไหวสะเทือนแต่ละเครื่อง และให้รัศมีของวงกลมแต่ละวงเป็นยาวเท่ากับระยะทางที่คำนวณได้จากกราฟระยะทาง-เวลาในภาพที่ 8 วงกลมทั้งสามวงก็จะตัดกันที่จุดเดียวกันคือ จุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว (Epicenter)
ภาพที่ 8 การหาจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว