podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Zpracování seismických dat V. Polarizace seismického signálu Josef Havíř Josef.Havir@ipe.muni.cz podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat 1. Azimut a inklinace Seismický signál přichází na stanici z určitého směru, definovaného jeho azimutem a inklinací. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Azimut je orientovaný úhel, který svírá daný směr s poledníkem. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Body nepresentující polohu severního pólu, epicentra a stanice tvoří na kouli vrcholy trojúhelníka. Jak úhly při vrcholech, tak strany sférického trojúhelníka mají význam úhlů (lze je měřit ve stupních). Úhel C udává orientaci paprsku od epicentra ke stanici - nazývá se azimut.                   bsinasin bcosacosccos arccosC podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Body nepresentující polohu severního pólu, epicentra a stanice tvoří na kouli vrcholy trojúhelníka. Jak úhly při vrcholech, tak strany sférického trojúhelníka mají význam úhlů (lze je měřit ve stupních). Úhel B udává orientaci od stanice ke zdroji - nazývá se back-azimuth (zpětný azimut)                   csinasin ccosacosbcos arccosC podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Body nepresentující polohu severního pólu, epicentra a stanice tvoří na kouli vrcholy trojúhelníka. Jak úhly při vrcholech, tak strany sférického trojúhelníka mají význam úhlů (lze je měřit ve stupních). Úhel a udává úhlovou vzdálenost mezi epicentrem a stanicí - epicentrální vzdálenost D           Acoscsinbsinccosbcosarccosa  podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Inklinace je úhel, který svírá daný vektor s horizontálou (nebo vertikálou). podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Inklinace seismického paprsku se mění s epicentrální vzdáleností. Inklinace měřená od vertikály ve zdroji - take-off úhel podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat 2. Kmitání částic kontinua u různých seismických vln P vlna je podélnou vlnou - částice kontinua kmitají ve směru šíření paprsku. Toto usměrnění se nenazývá "polarizací" v užším slova smyslu (protože plyne už jen z toho, že jde o podélnou vlnu). podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat S vlna je podélnou příčnou - částice kontinua kmitají ve směru kolmém na šíření paprsku. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Vlivem interference objemových vln při lomu na volném rozhraní dochází ke generování zvláštních polarizovaných vln, které se pak šíří podél rozhraní (povrchu). Nazývají se proto vlny povrchové. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Rayleighova vlna je polarizovaná v ploše kolmé na rozhraní a paralelní se směrem šíření vlny. Kmitání částic je omezeno jen na tuto jedinou plochu. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Její vznik lze vysvětlit dopadem polarizované příčné vlny S na volné rozhraní (vlna S je polarizovaná v ploše kolmé na rozhraní) pod úhlem větším než kritickým. Vlna se odráží jako vlna S (opět polarizované v rovině kolmé na rozhraní), přičemž je současně generována vlna P šířící se podél rozhraní. Interferencí generované vlny P a odražené vlny S vzniká Rayleighova povrchová vlna. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Loveho vlna je polarizovaná v ploše rozhraní, kolmo na směr šíření vlny. Kmitání částic je omezeno jen na tento jediný směr. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Její vznik lze vysvětlit dopadem polarizované příčné vlny S mezi dvě rozhraní (vlna S je polarizovaná v paralelně s rozhraním) tak, že pak dopadá na rozhraní pod úhlem větším než kritickým. Vlna je mnohonásobně totálně odrážena a nemůže vznikat žádná jiná vlna, než odražená vlna S polarizovaná paralelně s rozhraním - šíří se tak mezi oběma rozhraními jako Loveho vlna. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Částice tak ve vhodně orientovaném dvourozměrném řezu vykonávají pohyb charakterizující typ seismické vlny. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat 3. Určení azimutu na základě "polarizace" P vlny P vlna je podélnou vlnou - částice kontinua kmitají ve směru šíření paprsku. Toto usměrnění se nenazývá "polarizací" v užším slova smyslu (protože plyne už jen z toho, že jde o podélnou vlnu). podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Usměrnění kmitání u podélné vlny lze využít k určení azimutu a inklinace seismického paprsku v místě detekce. Při znázornění všech tří vzájemně kolmých složek záznamu třísložkové seismologické stanice je patrné, že amplitudy se v různých směrech zřetelně liší. Tato skutečnost je výsledkem usměrnění v jediném směru – do tří vzájemně kolmých sledovaných směrů se pak podélná vlna promítá různou měrou v závislosti na směru polarizace. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat V případě vzdálených zemětřesení je detekován signál s velkými hodnotami inklinace, tedy signál přicházející z hloubky. Usměrnění podélné vlny se pak projevuje tak, že největší amplitudy signálu jsou zjištěny na vertikální složce záznamu, kmitání v horizontálním směru se děje s výrazně menší amplitudou. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Rozdíl je také v amplitudě kmitání ve směru sever-jih a východ-západ. Při polarizační analýze je využito usměrnění podélné vlny ve směru šíření signálu. Je tedy hledán takový horizontální směr, ve kterém je amplituda vlny maximální – ve směru kolmém na tento směr by naopak měla být amplituda užitečného signálu nulová. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Signál horizontálních složek je v rámci polarizační analýzy přepočítáván tak, že je uměle počítán signál, který by byl zaznamenán na horizontálních složkách pootočených vůči zeměpisným souřadnicím o určitý známý úhel. Cílem je nalézt takové pootočení, při kterém je signál na jedné složce maximální, zatímco na druhé složce zcela vymizí. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Hledaný směr je popsán dvěma azimuty s rozdílem 180° - oba azimuty tedy popisují jedinou přímku. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Hledaný směr je popsán dvěma azimuty s rozdílem 180° - azimuty tedy popisují dva opačné směry na jediné přímce. Pouze jeden z azimutů je back-azimut. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Při polarizační analýze v ploše kolmé k zemskému povrchu a paralelní se směrem maximální horizontální amplitudy lze ale snadno určit inklinaci vektoru pohybu kmitajících částic. Vertikální složka vektoru může směřovat vzhůru nebo dolů, podle toho zda impuls směřuje od zdroje či ke zdroji. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat V případě zemětřesení signál přichází z nitra Země, nikoli z atmosféry, což jasně určuje, který z nalezených azimutů je back-azimut. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat Známe-li back-azimut a epicentrální vzdálenost, můžeme určit polohu epicentra otřesu. Přibližné určení epicentra zemětřesení je tedy v ideálních případech možné i jen ze záznamu jedné jediné seismické stanice. Přesnost tohoto určení však není velká. Přesnost závisí na kvalitě záznamu a na dobré znalosti prostředí, kterým prochází seismický signál. podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat 4. Směrová závislost amplitud seismických vln vs. inklinace hloubka >> epicentrální vzdálenost Paprsek protíná nodální kouli v horní hemisféře Vysoké hodnoty inklinace podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat hloubka << epicentrální vzdálenost Paprsek protíná nodální kouli v dolní hemisféře. Pro mělké jevy v některých vzdálenostech mohou být hodnoty inklinace relativně malé podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat hloubka << epicentrální vzdálenost Hodnota inklinace roste s epicentrální vzdáleností podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat hloubka << epicentrální vzdálenost Regionální jevy podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat hloubka << epicentrální vzdálenost Vzdálené jevy (Indie) podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat hloubka << epicentrální vzdálenost Vzdálené jevy (Japonsko) podzim 2011, Brno Zpracování seismických dat efekty povrchových jevů Zvukové vlny (signál přichází z atmosféry)