Zpracování seismických dat část C: Parametry zdroje X. Zdrojové mechanismy Josef Havíř havir@ipe.muni.cz jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat a) Kinematika zlomů a seismický signál Naprostá většina zemětřesení má původ v náhlém pohybu podél zlomových ploch. pokles fault plane nasun «-extension-► -> shortening ■ horizontální posun šikmý posun jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Při prokluzu na zlomové ploše dochází obecně k šikmému pohybu paralelně s plochou zlomu. Vliv na polaritu P vln Nodální plochy vymezují čtyři kvadranty. Vždy ve dvou protějších kvadrantech lze pozorovat stejnou polaritu podélné vlny, naopak v sousedních kvadrantech ie oolarita ooačná. □ □ t Epicentrum í ^^^^ n T / / (i Schematic diagram showing the direction of initial movement of particles around the focus (F) of an earthquake on a W-E dextral strike-slip fault, viewed from above (a) and the equivalent zones of compressional (C) and tensional (T) sense first motion in the seismic waves radiating outward (b). Note that due to the symmetry, an identical pattern would result from movement on an N-S sinistral strike-slip fault passing through the focus jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Kmitání podélné vlny znamená cyklické stlačování a natahování prostředí. Ve dvou kvadrantech šířící se P vlna tedy nejprve prostředí stlačí a pak natáhne. 4 □ t Epicentrum t EfiV. Vt i»vm 11111 t.t m »Mit f f T111 Ú.t tľt.f t.T.fj»i?iTitiT.TiMitiT.»iMiT.TiT.fi»iTiT,T.řiTiTiTiTiTiTi wmmmmmmĚmmmm jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat V dalších dvou kvadrantech šířící se P vlna nejprve prostředí natáhne a pak stlačí. 4 □ t Epicentrum t EfiV. Vt i»vm 11111 t.t m »Mit f f T111 Ú.t tľt.f t.T.fj»i?iTitiT.TiMitiT.»iMiT.TiT.fi»iTiT,T.řiTiTiTiTiTiTi wmmmmmmĚmmmm jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat První pohyb částic vyvolaný podélným kmitáním směřuje ve dvou kvadrantech směrem od hypocentra (kompresní vlna). Na vertikální složce záznamu tak pozorujeme nejprve kladnou výchylku („utržení nahoru"). První pohyb částic vyvolaný podélným kmitáním směřuje v dalších dvou kvadrantech směrem k hypocentru (tahová vlna). Na vertikální složce záznamu tak pozorujeme nejprve zápornou výchylku („utržení dolů"). Ve směru šíření kompresní vlny působí tahové napětí. Ve směru šíření tahové vlny působí kompresní napětí. napětí a, - komprese tahová vlna kompresní vlna napětí g3 - extenze \j Epicentrum o jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Vliv na vyzařovací charakteristiku seismických vln Charakter zdroje má vliv nejen na polaritu, ale také na amplitudu signálu šířícího se v určitém směru. '**>-(!• i) i«w.-(f fj Grafické znázornění vyzařovacího modelu pro podélné (vlevo) a příčné (vpravo) vlny jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat b) Fokální mechanismy - popis Fokální mechanismy nás informují o orientaci zlomové plochy a o směru a smyslu pohybu podél této plochy. Tato informace ale není jednoznačná - fokální mechanismus ukazuje dvě řešení, z nichž jedno je skutečný zlom a druhé je plocha kolmá na zlom a na směr pohybu. Plochám definovaným fokálním mechanismem říkáme nodální plochy. ^c^—NOdai piane ^ Strike direction Nodal Plane 2 jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Nodální plochy vymezují čtyři kvadranty. Ve dvou protějších kvadrantech působí relativní tah, v dalších dvou protějších relativní komprese. Kvadranty jsou barevně odlišeny podle toho, zda v nich působí tah či komprese. 41* 40* Focal sphere (3D) Project the lower-half hemisphere the equatorial plane Focal mechanism diagram(2D) Figure 5-3 Projection of focal sphere onto a equatorial plane. jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Orientace plochy zlomu a směru pohybu (včetně smyslu pohybu) je vyjádřena hodnotami tří úhlů: směr zlomu (strike), sklon zlomu (dip), odklon směru pohybu v ploše zlomu (rake) Strike direction Směr zlomu je chápán jako vektor a nabývá hodnot od 0° do 360°. Ze dvou možných „směrů" je vybrán vždy takový, aby byl zlom ukloněny doprava. Sklon zlomu je počítán od horizontály a nabývá hodnot od 0° do 90°. North Rake definuje nejen směr, ale také smysl pohybu a nabývá hodnot od -180° do 180°. Jde o vektor, který má směr i smysl shodný s vektorem pohybu horní kry. North Kladné hodnoty jsou u vektoru mířícího vzhůru, záporné u vektoru mířícího dolů. Tj. kladné hodnoty jsou v případě přesmyků, záporné v případě poklesů. liüiiL jep ipAvpjws.es weAOoejdz oujg '81*03 ojef ■9U0BUZ0Up9ÍÁU0in IU9S9J lÁq ISnUJ9U OIUB1S / y\ I ■ II// A/vPyly ■ P 9}is Mjjeujoeß 9upoLjA9u yd oq9u jep iajszouw w9uo9}B}sop9u yd tttttt »mttt mmttt m ttt tm i ttt tm Mt Mťťfťťttt tmmttt mm t h ttttt—# tttt--tt E/BT b9 OSI -ZčS £T t Oi,"ř- d sĺz t; h'd h 6ai=msY SĚ=^Id 55"e =~=ň z řE_Z = :':;: TT-T-^dJXH 6i,_0-=*IH ES ' Z =ddM ĽE"B-=MH LE'l =^"H íí. 3° "°U ET TTH^a □ "ĺ si íWZi- EE5_bi :j=v=ľíti^ jjo:-:za iziyh ít"0t=BB=IE 2T/ID/DI uunjep wÁpjws^s wáubu9wbuzbz iľepiAOdpO 9J9}>| řipO|d qOIU|BpOU 90|fOAp 9A0>|B} |Bp9|LJÁA 9f LJUe|IQ niusmeipeiu oi|ju|e>|oj rujeiuejed juaain (o Metoda prvních nasazení Vstupní údaje: polarita P-vln, azimut paprsku, inklinace paprsku v ohniskové zóně (tzv. take-off úhel) Upgoing P wave takeoff angle i azimuth ó Focal Sphere/^ Station A jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Princip: nalezení dvou vzájemně kolmých nodálních ploch, které rozdělí prostor do dvou kvadrantů tak, aby každý kvadrant obsahoval signál o stejné polaritě. First motion • up o down + too w»* to toll First motion data for a hypothetical earthquake from various seismograph stations Nodal planes and N, P & T axes fitted to the data Resultant 'beachball' plot showing that the earthquake resulted from reverse oblique movement on a fault of one of two possible orientations jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Metoda prvních nasazení + využití amplitud Vstupní údaje: polarita P-vln, azimut paprsku, inklinace paprsku v ohniskové zóně (tzv take-off úhel), poměr amplitudy P a S vlny (umožní odhadnout odchylku daného směru paprsku od nodální plochy) jaro 2018, Brno d) double-couple model a inverze vlnového obrazu Každý pár obsahuje dvě síly stejné velikosti a opačného směru, takže součet všech sil je nulový (systém není nikam žádnou celkovou silou tlačen či tažen). Otočné momenty obou párů sil mají stejnou velikost a opačný směr, takže součet všech momentů je nulový (systém není nucen žádným celkovým momentem k rotaci). jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Tenzor seismického momentu se skládá z devíti složek representujících devět jednotlivých párů sil (single-couple forces). Obsahuje nejen složky, které odpovídají double-couple modelu v ploše (vždy složky My a Mjj mimo hlavní diagonálu), ale také objemové složky. >< x >< Mxx Mxy Mxz Myx Myy Mzx Mzx Mzz M = M*y Myz 1Y± — jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat i ^ j i Inverze vlnového obrazu Princip: nalezení takového mechanismu (tenzoru seismického momentu), při kterém se tvar ideálního vypočítaného signálu shoduje se signálem, který byl registrován na všech stanicích využitých k analýze. DI3AHi|p; ™a6: POHAt I p—T] K1 ryi I I i i I I I I i i I I I -20 O 20 40 60 SO 100120 V0160 P ALK -20 0 20 40 00 W 100120140160 -20 0 20 40 00 8D 10í 120140160 jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Zdrojový impuls registrujeme po průchodu horninovým prsotředím na stanici jako záznam seismického signálu, registrovaný záznam je ovlivněn prostředím (závisí také na vzdálenosti zdroje od stanice), kterým se signál šířil, a přístrojem, který jej zaznamenal. Green's Function Observed Station □ c / Propagate wave Unite impulsive slip jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat BS---bßj&Rm*i^ Vliv přístroje můžeme přesně zjistit jeho kalibrací. Vliv prostředí můžeme jen odhadnout - vyjadřujeme jej pak pomocí Greenovy funkce. Green's Function Observed Station □ c Propagate wave Unite impulsive slip měřený signál seismometr (odezva - response) X(t), X(f) původní signál X(t), X(f) záznam R(t),R(f) Y(t),Y(f) Y=R*X horninové prostředí měřený signál G(t),G(f) Y(t),Y(f) Y=G*X jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat Umíme-li dobře matematicky popsat oba tyto vlivy (prostředí a přístroje), můžeme vypočítat pro každý charakter fokálního mechanismu ideální tvar signálu, jaký bychom měli registrovat na stanici. seismometr (odezva - response) měřený signál záznam X(t),X(f) R(t),R(f) Y(t),Y(f) Y=R*X původní signál horninové prostředí X(t), X(f) G(t), G(f) Y=G*X měřený signál Y(t),Y(f) jaro 2018, Brno Zpracování seismických dat