SEISMOLOGIE A SEISMOTEKTONIKA část 5.: Seismické zdroje a jejich parametry podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.1: Klasifikace seismických zd roj ů podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Zdroj (bodový) seismických vln nazýváme hypocentrum. Jeho průmět na zemský povrch nazýváme epicentrum. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Zdroje elastických vln: přirozené ... neovlivněné lidskou činností indukované ... samotný proces je přirozený (nejde přímo o lidskou činnost), ale byl indukovaný změnou vnějších podmínek způsobenou lidskou činností umělé ... související přímo s lidskou činností podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Zdroje elastických vln: vnitřní... zdroje vzniklé uvnitř pevné části tělesa Země vnější... zdroje vzniklé vně pevné části tělesa Země ale působící na tuto pevnou část smíšené ... zdroje působící částečně uvnitř a částečně vně pevné části tělesa Země podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnitřní zdroje elastických vln: a) Pohyby podél zlomových ploch přirozené... tektonická zemětřesení indukované ... důlní otřesy, otřesy v okolí přehradních nádrží, otřesy v okolí plynových zásobníků geotool File Edit View Option Help Select flll| Deselect flll| T ftuto Scale Unzoom All| Display Orrier| -J- Zemětřesení na Sumatře, 26.12.2004, Mw=9.0 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnitřní zdroje elastických vln b) Podzemní exploze přirozené, indukované ... exploze plynů umělé ... technické exploze, výzkumné exploze, jaderné testy File Edit View Option Help Select Pill j Deselect All| T ňuto Scale Unzoom ftll| Display Order| 1 ,, 1 1 II ......... 1 1 ..... :40:00 01:00:00 :20:00 :40:00 02:00:00 Time (hr:min:sec) 20 00 :40:00 File Edit View Option Help Select nil j Deselect flll| T ňuto Scale Unzoom flll| Display 0rder| :09:00 :20 Time (hr:min:sec) Podzemní jaderná exploze, Čína, Lop Nor, 17.8.1995 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnitřní zdroje elastických vln: c) Hydrologické cirkulace ^ d) Pohyby magmatu >-zpravidla přirozené e) Náhlé fázové změny podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnitřní zdroje elastických vln: f) Odpaly v lomech a důlních dílech umělé zdroje související s těžbou nebo s výstavbou podzemních děl (ražba tunelů) File Edit View Option Help Select fill) Deselect ftll| T fiuto Scale Unzoom ňll| Display Order| VRAC/hlm 06:00:0 VRAC/hhe 06:00:0 06:00:00 - 09:00:00 :15 08.03.2007 Odpal v lomu, 8.3.2007 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnitřní zdroje elastických vln: další exploze napr pro vojenské účely Pg 8 6 -4 2 - MORC/HHZ 11NOV01 f zvukové vlny 11:23:45 :24:00 :15 :30 Time (hr:min:sec) Exploze ve vojenském prostoru na s. Moravě doprovázené zvukovými vlnami, 1.11.2011 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnější zdroje elastických vln (představují rušivý element, tzv. "šum", při studiu vnitřních zdrojů): a) Vítr, atmosférický tlak b) Impakty mimozemských těles c) Vlnění vody, příboj a příliv přirozené zdroje podzim 2023 Průlet bolidu, 4.2.2007 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické -H- JAVC/tihe 7 23:02:00 23:03:00 23:04:00 Průlet a dopad bolidu meteorold (C) 300 I 200 c 100 O 0 - - -100 ~ -200 £-300 Precursory wave (Rayleigh?) air-coupled Rayleigli wave 25/05/2007 - Edmonton Fireball - EDM Direct Airwave Mach cone 30 40 50 60 70 80 Time (seconds after 7:12:00 UT) 90 100 Záznam impaktu pozorovaného poblíž Edmontonu (Kanada) - povrchové vlny šířící se horninovým prostredím jsou registrovaný drive, nez faze smci se vzduchem (podle Edwards et al. 2008). Rázové vlny jsou produkovány v několika různých fázích: vstup do atmosféry při nadzvukové rychlosti (a), fragmentace (b) a dopad (c) (podle Edwards et al. 2008). podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnější zdroje elastických vln (představují rušivý element, tzv. "šum", při studiu vnitřních zdrojů): d) Šum související s lidskou činností (zejména pozemní doprava) e) Starty raket, přelet letadel umělé zdroje podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vnější zdroje elastických vln (představují rušivý element, tzv. "šum", při studiu vnitřních zdrojů): c) Vlnění vody, příboj a příliv d) Šum související s lidskou činností (zejména pozemní doprava) tyto zdroje jsou předmětem studia "šumu" (tzv. šumová měření) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Time (24 hours) Normalized spectra amplitude 0 0.5 1 Kontinuální záznam normalizovaného spektra šumu pořízený v regionu Grenoblů (Francie) od 10.6.2004 do 22.7.2004 (převzato z Bonnefoy-Claudet et al. 2006). Horní graf (a) znázorňuje šum na vertikální složce, dolní graf (b) na severojižní horizontální složce. Na vodorovné ose je čas, na vertikální ose je vynášena frekvence, amplituda je pro danou frekvencia čas vyjádřena barvou. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Smíšené zdroje elastických vln a) Vulkanické erupce b) Sesuvy přirozené zdroje podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Průlet raketoplánu 33.83742, -101.8748 Source location of seismic event recorded at TXAR array during the STS-107 reentry. Columbia passed this point at 13:58:40 GMT February 1, 2003. Also the assumed location where STS-78 reentry seismic data was recorded. 29.3338, Lajitas, location of TXAR array. TXAR Seismographs Sonic cone intersects Earth at Point 1 creating sonic boom and resulting seismic distort a nee. Altitude of Shuttle Houston Distance From Point 1 to Point 2 = 32fl.W Miles- Point 1: Origination of seismic waves. Seismic waves are transmitted (h rough the ground from Point 1 to Point 2 and the TXAR Infrasound army. Point 2: TXAR Infrasound array (Seismic waves recorded some time after their origination.) 2 Seismic data recorded in Arizona during the March 12, 2002 reentry of Columbia on mission STS-109. 0207I08MHHZ L TL HHř MAR 12 (071), 20D2 08.51:00X03 100 ■sc 200 250 _l_I_I_I— 1000 TXOi/sd 1000 Seismograrn from the passage of Columbia during the reentry of STS-78 on 07/07/199G recorded at the TXAR infrasound array in Lajitas Texas. ■ r if] rm yf\ 'n Time (hrmin:sec) Záznamy vln způsobených raketoplánem při návratu na Zem, pořízené na seismických stanicích na území USA. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Rozdělení vzdáleností otřesů od místa měření: lokální - do 100 km: signál je silně ovlivněn mělkými strukturami zemské kůry (dominují vlny Pg a Sg) VRAC/hhn 05Nov16 i .....I............... 05:19:50 55 ?0 OC :05 :10 15 Čas (hod:min:sek) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Rozdělení vzdáleností otřesů od místa měření regionální ... 100 až 1400-2000 km (1° až 13°-20°); záznamu dominuje energie vln lomených na MOHO a odrážených od MOHO (dominují vlny Pn a Sn) VRAC/hhz 06Jun25 Pn ni i r Polsko, Tatry, tektonicky otřes, 25.6.2006 NDC-Bmo: 49.204° scv. šíř.. 20.097° vých. dél., hloubka 2.2 km čas vzniku: 01:12:27.4, ML=2.ři VRAC/hhn 06Jun25 IDť-REB: 49.167° scv. šiř.. 20.146° vých. dél., hloubka neurčena Časvzniku:01:l2:27.9. mb-3.4 VRAC/hhe 06Jun25 01:12:40 :13:00 :20 :40 Čas (hod:min:sek) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Rozdělení vzdáleností otřesů od místa měření vzdálené (teleseismické)... od 20° či 30°; signál prochází většinou hlubšími partiemi zemského pláště, u velmi vzdálených otřesů také zemským jádrem (dominují vlny P a S, u velmi vzdálených otřesů PKP). Do 95° mají vlny velmi jednoduchý charakter. Od 95° jsou komplikované a nesou informace o stavbě zemského jádra. kusk.., virbodní Sibiř. 2ll.-t.2fMM> IDC: 60.932" scv. Siř.. 167.020° vých. dél. hloubka neurčena ftmwiiTI Wltf Ms 7.5 VRACVhhz 06Apr20 VRAC/hhz 06May16 VRACrtihz 06May03 Indiiněsk. Kvtrni Sumatra. 16.5.2006 IDC: 0.117° m. iií.. 97.102° vých. dél. hloubka 33 0 km řas vzniku 15:28:29.2. Ms 6.8 IN*** i ToilRl. .'.6.2006 IDC": 19.996" ji*. Sif. 174.327" /áp. dél hloubka neurčena tas mŠm 15:26:32.3, Ms 7.7 NIK' Umo: 19.812" již iif.. 174.5I41 /ip. dél hloubka 31.6 km {« vzniku 15:26:39.2 :15:00 ( ... Ihod m.it . 20 00 ;25:00 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Rozdělení vzdáleností otřesů od místa měření: svrchnokorové - 13° až 30°; v signálu dominují vlny s bodem návratu v hloubce 70 až 700 km, jsou ovlivněny zónou snížených rychlostí ve svrchním plášti a případně dvěmi výraznými zónami v hloubce 400 a 660km (dominují vlny P a S, do 20° často také vlny Pn a Sn). Jevy se vzdáleností od 13° do 20° jsou obvykle řazeny ještě k regionálním jevům, jevy se vzdáleností od 20° do 30° jsou řazeny k jevům teleseismickým. podzim 2023 5.2: Poloha hypocentra podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Prvním cílem základního zpracování seismického signálu je obvykle určit zdroj detekovaných seismických vln. K naplnění tohoto cíle je třeba: - Odečíst časy příchodu jednotlivých seismických fází (jednotlivých typů seismických vln) na stanice, jejichž záznam je vyhodnocován. - Na základě odečtu lokalizovat zdroj, tj. určit souřadnice hypocentra a čas vzniku jevu. Při hledání polohy hypocentra či epicentra určujeme jednak vzdálenost hypocentra (respektive epicentra) od stanic, které zaznamenaly seismický jev a jednak azimut spojnic mezi epicentrem a stanicemi. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Lokalizací seismického jevu se rozumí určení alespoň tří parametrů, které definují souřadnice hypocentra, a případně určení také čtvrtého parametru definujícího čas vzniku daného jevu. stanice (odečty časů detekce) hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Polarizace signálu Seismický paprsek přichází na stanici z určitého směru, definovaného jeho deklinací (azimut v horizontální ploše) a inklinací (sklonem vůči horizontální ploše. V mapě (v horizontální ploše, nebo v případě vzdálených zemětřesení na zakřiveném povrchu Země) je směr šíření signálu od epicentra ke stanici definován tzv. back-azimutem - tj azimutem spojnice od stanice k epicentru. , „ „ , seismické stanice sever ^ A M back-azimuy^W'KenXrum "LJ stanice hypocentrum zemětřesení ^ I podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Seismické vlny jsou polarizovány v závislosti na svém typu. Příčné vlny jsou polarizovány do roviny kolmé na směr šíření seismického signálu - v rámci této roviny však mohou kmitat do libovolného směru. Výraznější usměrnění je v případě podélných vln, kde je kmitání usměrněno do směru paralelního se směrem šíření seismického signálu. Toto lineární usměrnění podélných vln je pak dobře využitelná při odvození směru, z něhož přichází detekovaný signál na seismickou stanici. Toto odvození je prováděno na základě tzv. polarizační analýzy. X/hhž] «[J- Time (hr:min:sec) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 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 polarizace v jediném směru -do tří vzájemně kolmých sledovaných směrů se pak polarizovaná vlna promítá různou měrou v závislosti na směru polarizace. V případě vzdálených zemětřesení je detekován signál s velkými hodnotami inklinace, tedy signál přicházející z hloubky. Polarizace 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. VRAX/hhz 05:00:0 VRAX/hhn 05:00:0 10000 VRAX/hhe 05:00:0 -10000 :40 Time (hr:min:sec) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Rozdíl je také v amplitudě kmitání ve směru sever-jih a východ-západ. Při polarizační analýze je využito polarizace 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. VRAX/hhz 05:00:0 10000 VRAX/hhn 05:00:0 -10000 VRAX/hhe 05:00:0 05:04:20 K :50 Time (hr:min:sec) '-1-1-1-r 2000 1000 - VRAX/hhn 05:00:0 -1000 ■ ■ v i severo-jizni smer východo-západní směr VRAX/hhe 05:00:0 -1000 05:04:36 :40 :45 Time (hnmirvsec) :50 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 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. a 10.2 T 3000 2000 -1000 VRAX/hhr 05:00:0 -1000 -2000 - smer maximálni amplitudy smer min VRAX/tlht 05:00:0 imální amplitudy 05:04:35 05:04:38.74 :45 Time (hnmin:sec) :50 2000 VRAX/hhn 05:00:0 -1000 severo-jizni smer východo-západní směr VRAX/hhe 05:00:0 -1000 _L_ 05:04:36 :40 :45 Time (hrmtatwc) :50 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Hledaný směr je popsán dvěma azimuty s rozdílem 180° - oba azimuty tedy popisují jedinou přímku. Pouze jeden z azimutu je back-azimut. Při polarizační analýze v ploše kolmé k zemskému povrchu a paralelní se směrem maximální horizontální amplitudy lze ale snadno určit inklinaci signálu. V případě zemětřesení signál přichází z nitra Země, nikoli z atmosféry, což jasně určuje, který z nalezených azimutu je back-azimut. a 10.2 T 3000 2000 -1000 VHAX/hhr 05:00:0 -1000 -2000 --3000 smer maximálni amplitudy smer min VRAX/tlht 05:00:0 imální amplitudy :45 Time (hnmin:sec) :50 Station to Source Azimuth N Azimuth 35.0 Maximum 135.0, 215.0 Origin I Hide Unrotate Save Help sever back-azimut^ epicentrum back-azimut* 180° hypocentrum podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vzdálenost ohniska Existence více seismických fází umožňuje získat na jediné stanici více časových údajů. Tyto údaje pak mohou sloužit napr k určení alespoň přibližné vzdálenosti ohniska. Vzdálenost hypocentra lze odvodit z rozdílů časů odečtu dvou fází (obvykle podélné a příčné vlny), známe-li rychlosti (respektive hodochrony) daných seismických fází. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Známe-li hodochrony, lokálních jevů z grafů. lze odečítat přibližnou vzdálenost ohniska 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 M j II Rozdíl v čase odečtu vln Pg a Sg 14.4 sekundy) - _ ii i i i o 50 100 Sg Ep centrální vzdálenost (120 km) -i-1-1-1- Z. n 150 200 250 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Je-li prostředí homogenní (rychlosti seismických vln jsou konstantní), lze určit vzdálenost ohniska D jednoduchým výpočtem (pro přímé vlny Pg a Sg): ypg = t d d — 'vsg = t Sg tpg = v d d v, 60 58 56 54 -52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 Pg vsg d d d(vp-vsJ v Sg v Pg VPg'VSg 250 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vzdálenost D je tedy v homogenním prostředí rovna: podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Rychlosti podélných a příčných vln nejsou zcela nezávislé veličiny, jejich poměr závisí na reologických vlastnostech prostředí. Proto pro lokální vzdálenosti platí přibližně tento vztah mezi rozdílem časů odečtu Pg a Sg vln a vzdáleností: D 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 Rozdíl v čase odečtu vln Pg a Sg (~ 14.4 sekundy) 50 100 ,f Sg • ■ Pg Epicentrální vzdáljenost (120 km) ■ 150 200 250 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Pokud je epicentrální vzdálenost zemětřesení výrazně větší než hloubka zemětřesení, pak je hodnota epicentrální a hypocentrální vzdálenosti podobná. Např. při epicentrální vzdálenosti 100km a hloubce 10km je hypocentrální vzdálenost zhruba 100.5km. seismické stanice podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Teoreticky lze tedy i na základě údaju z jediné seismologické stanice určit přibližnou polohu epicentra (poloha je určena back- azimutem a vzdáleností od stanice): - určení back-azimutu např. na základě polarizační analýzy -určení vzdálenosti např. výpočtem z rozdílů odečtu času příchodu Pg a Sg vln. Určení polohy ohniska na základě údajů z jediné stanice je ale nepřesné - jde spíše jen o odhad. 60 58 56 54 - 52 50 4K 46 44 4: 41) 38 36 34 32 30 28 26 24 - 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 -I 2 0 Rozdíl v vln Pg a (-14.4 čase odečtu Sg sekundy) 50 'i Epicentrální zdáknost (120 km) Pn 150 200 250 sever epicentrum é back-azimut epicentrální vzdálenost stanice podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Wadatiho graf K určení času vzniku jevu a případně k určení vzdálenosti hypocentra lokálních jevů lze za předpokladu homogenního prostředí využít tzv. Wadatiho grafu. Ts-Tp ... rozdíl časů detekce příčné a podélné vlny Kiyoo Wadati (1902-1995) Tn... čas vzniku Tp... čas detekce podélné vlny podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Wadatiho jednoduchá grafická metoda využívá skutečnosti, že rychlosti jak podélných tak i příčných vln jsou závislé na reologických (elastických) vlastnostech horninového prostředí. Metoda spočívá ve vynesení rozdílu v odečtu času podélné a příčné vlny proti času detekce podélné vlny. Při správných odečtech detekce podélné a příčné vlny (přímé), by měly body vynesené do Wadatiho grafu ležet v přímce. Tp... čas detekce podélné vlny podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Signál Pg a Sg vychází z jediného zdroje ve stejný čas, tj. rozdíl detekce časů Ts a Tp v hypocentru je nula. Z Wadatiho grafu lze tedy snadno odečíst čas vzniku jako průsečík přímkové závislosti vynesených bodů s horizontální souřadnou osou. Sklon přímky proložené vynesenými body je funkcí poměru rychlostí podélné a přímé vlny. Tangens úhlu, který tato přímka svírá s horizontální osou, se označuje jako malé písmeno I. Tento poměr obecně není konstanta, je ale mnohem méně variabilní, než hodnoty samotných rychlostí. Ts-Tp ... rozdíl časů detekce příčné a podélné vlny Tp... čas detekce podélné vlny podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Z jednoduchého řešení pravoúhlého trojúhelníku sestrojeného ve Wadatiho grafu plyne vztah pro výpočet času vzniku: T„=Tp- Ts -Tp / Pro výpočet času vzniku nám stačí znát poměr rychlosti podélné a přímé vlny (který lze určit empiricky z grafu), jednotlivé hodnoty rychlostí znát nemusíme. Známe-li ale také rychlost podélné nebo Dřímé vlny, můžeme snadno dopočítat lypocentrální vzdálenost, neboť známe ce kovou dobu šíření seismické vlny. Ts-Tp ... rozdíl časů detekce příčné a podélné vlny tane = i = Vp i v Ts-Tp A Tp-Tn Tn... čas vzniku Tp... čas detekce podélné vlny podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Lokace hypocentra - metoda kružnic Hypocentrum by mělo ležet na polokouli, jejíž střed je dán stanicí a poloměr D, je roven vzdálenosti mezi stanicí a hypocentrem. Vzdálenost D, lze přitom pro každou ze stanic určit z rozdílu časů detekce P a S vln. stanice (odečty časů detekce) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Je-li k dispozici více stanic, mělo by hypocentrum ležet na průsečíku příslušných polokoulí sestrojených kolem všech stanic. V ideálním případě se při minimálním počtu tří koulí (tří různých stanic) protínají povrchy koulí v jediném bodě - v hypocentru. Na tomto předpokladu je založená jednoduchá grafická metoda lokalizace, tzv. metoda kružnic.,- hypocéntrální vzdálenost podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Kolem stanic sestrojíme kružnice o poloměrech odpovídajících hypocentrální vzdálenosti. Každé dvě kružnice by se měly protínat ve dvou bodech. Spojíme-li vždy tyto dva průsečíky kružnic úsečkou, pak se všechny takto sestrojené úsečky protnou v jediném bodě -epicentru. hypocjéntrální vzdá podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) U vzdálených zemětřesení hraje významnou roli také zakřivení zemského povrchu - zjednodušená představa stanic umístěných v rovné ploše pak vede ke značnému zkreslení výsledku lokalizace. Při aplikaci metody pro lokalizaci vzdálených otřesů je nutné zakřivení zemského povrchu zohlednit. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Tato jednoduchá grafická metoda umožňuje velmi rychlé přibližné odhady polohy epicentra. Výsledná lokace je ale vždy zatížená chybou vyplývají z nepřesného určení vzdálenosti od stanice, protože: - Rychlost šíření vln je známa jen s určitou přesností - Paprsky, podél kterých se signál šíří, jsou zakřivené. hypocéntrální vzdálenost podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Lokace hypocentra - Geigerova metoda Cílem výpočtů lokace hypocentra je zjistit čtyři parametry: - zeměpisnou šířku hypocentra - zeměpisnou délku hypocentra - hloubku hypocentra - čas vzniku jevu stanice (odečty časů detekce) hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Pokud známe všechny čtyři parametry lokalizace a pokud známe model prostředí, kterým se šíří seismické vlny, můžeme i pro složité modely zkonstruovat dráhy paprsků od hypocentra ke stanicím a vypočítat ideální časy, v nichž by měly být na jednotlivých stanicích zaznamenány příchody jednotlivých seismických fází (přímá úloha). stanice (odečty časů detekce) hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vztah mezi parametry lokalizace a odečty časů seismických vln na stanicích je nelineární a lze jej popsat následující rovnicí: t = t + V(xi -x)2 +(y. -y)2 +(zi -z) 2 V Proto nelze jednoduše přímo spočítat parametrů lokalizace z měřených časů detekce (obrácená úloha). stanice (odečty časů detekce) hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Snadno lze ale spočítat rozdíly mezi měřenými časy a časy vypočtenými pro konkrétní (teoreticky stanovené) parametry lokalizace. Lokalizovat pak znamená hledat takové parametry lokalizace, aby zmíněné rozdíly byly co nejmenší. Výpočetní technika umožňuje použít i složitější matematické postupy, které vedou co nejrychleji k co nejsprávnějšímu řešení. stanice (odečty časů detekce) korekce hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Relativně snadno lze pomocí aplikace metody nejmenších čtverců spočítat korekce všech čtyř parametrů lokalizace, které udávají, jak posunout předpokládané hypocentrum, aby lépe odpovídalo měřeným datům. Z nově získané předpokládané lokalizace lze opět spočítat korekce a opět zpřesnit lokalizaci hypocentra. Celý proces se neustále opakuje. Je-li řešení stabilní velikost korekce se zmenšuje a po konečném (nepříliš velkém) počtu kroků klesnou hodnoty korekcí pod určitou předem stanovenou mez. stanice (odečty časů detekce) korekce hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Tento opakovaný postup numerické metody lokalizace byl poprvé navržen v roce 1910 Geigerem (prakticky byla ale využívána až s nástupem výpočetní techniky po roce 1960) a označuje se proto jako Geigerova metoda. Ludwig Carl Geiger (1882-1966) stanice [odečty časů detekce) korekce hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Geigerova metoda je citlivá na velikosti tzv. „seismic gap" -největšího úhlu svíraného spojnicemi stanic a epicentra. Metoda je dostatečně přesná, pokud hodnota seismic-gap nepřesáhne 200° (pokud epicentrum leží uvnitř sítě stanic). Pokud hodnota seismic-gap přesáhne 200° (pokud epicentrum leží zřetelně mimo síť stanic), je proces lokalizace Geigerovou metodou velmi nestabilní. seismic ^^^^^^ podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Lokalizace - tj. nalezení čtyř parametrů - vyžaduje teoreticky alespoň čtyři vstupní údaje. Na jedné stanici jsou ale obvykle odečteny alespoň dva časy - detekce podélné a detekce příčné vlny. Lokalizace je tedy teoreticky možná, pokud máme údaje alespoň ze dvou stanic. Lokalizace ze dvou stanic je ale značně nepřesná a nejednoznačná, proces lokalizace bývá často ukončen v lokálním minimu funkce, které je zásadně rozdílné od skutečné pozice epicentra. Pro odstranění nejednoznačností je zapotřebí údajů z alespoň tří stanic. podzim 2023 stanice (odečty časů detekce) hypocentrum (zeměpisná šířka, zeměpisná délka, hloubka, čas vzniku) Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.3: Velikost zemětřesení podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Otřesy pozorované na povrchu Země se liší svou „velikostí" -abychom rozlišili otřesy podle jejich „velikosti", je nutné tento pojem blíže definovat. Pod pojmem „velikost zemětřesení" můžeme rozumět různé veličiny, z nichž každá popisuje „velikost" zemětřesení z jiného hlediska. ..... \ \ \ VIII VII VI X \IX intenzita - vyjadřuje velikost účinků zemětřesení v daném místě hypocentrum zemětřesení M=7.0: magnitudo - vyjadřuje velikost uvolněné energie ^— / / podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.3.a: Seismická intenzita podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Seismická intenzita je veličina kvantifikující účinek zemětřesení v určitém místě. Je tedy funkcí „velikosti zemětřesení" a místa. Zjištěné hodnoty seismické intenzity lze v mapě konturovat - spojnice bodů se stejnými hodnotami intenzity se nazývají izoseisty. Izoseisty vytváří kolem epicentra často nepravidelné křivky protažené v některých směrech. Obvykle směry protažení korespondují s orientací hlavních tektonických linií, podél nichž se seismický signál snadněji SI podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Seismická intenzita byla odvozena pro vyhodnocení makroseismických účinků zemětřesení, tj. účinků, které je možné přímo pozorovat (bez použití jakýchkoli přístrojů) v průběhu zemětřesení a po jeho skončení. Určení intenzity je tedy nezávislé na přístrojovém měření a tuto veličinu lze tedy určit také pro historická zemětřesení, kdy přístrojová měření nebyla možná. 9íut flťine SSotfhtíUllfl Wn biíľtm ctfcfxecflitfien Qřc&ítím." De terrsemotibus Bafilcs faftis "?* Marmarské moře, Turecko 1509 Basilej, Švýcarsko 1356 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Makroseismickými účinky rozumíme různé pocity (pocit nestability zemského povrchu, strach, panika), zrakové a sluchové vjemy (kmitání zavěšených předmětů, rachocení, cinkání, zvonění zvonů) a škody způsobené vibracemi zemského povrchu (škody na budovách a komunikacích, křehké poruchy viditelné na zemském povrchu). Nejvyšší hodnota seismické intenzity je v epicentru, kde jsou účinky zemětřesení nejsilnější. Této hodnotě říkáme epicentrální intenzita. S rostoucí vzdáleností od epicentra hodnota intenzity klesá. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Epicentrální vzdálenosti, v níž je možné pozorovat makroseismické účinky, je u různých zemětřesení různá. Nejslabší otřesy nejsou makroseismicky pozorovány ani v epicentru. Nejsilnější otřesy jsou makroseismicky pozorovány i ve vzdálenostech stovek kilometrů od epicentra. Např. účinky zemětřesení v Basileji v roce 1356 byly pozorovány také na území Moravy. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vyhodnocení makroseismických účinků je často velmi subjektivní (různí lidé jsou různě citliví k vnímání vibrací, škoda na stavbách silně závisí také na kvalitě provedení staveb apod.). Proto nelze intenzitu určit na základě jediného znaku, je nutné statisticky vyhodnotit vždy velký soubor pozorování z daného místa. Škály seismické intenzity popisují účinky typické pro určité hodnoty seismické intenzity. Hodnota seismické intenzity je pak stanovena na základě porovnání pozorovaných účinků s účinky popsanými ve škále intenzity. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) První jednoduché klasifikace účinků zemětřesení se objevují v mapách makroseismických účinků zemětřesení v Itálii v druhé polovině 18. století. První doložené použití seismické intenzity známe ale až z roku 1828 (použití veličiny intenzity Egenem při zpracování zemětřesení v Belgii). Veličina seismická intenzita tedy začala být používána dříve, než byly otřesy půdy zaznamenávány přístrojově. TAV. I U názvů obcí jsou značky označující míru škod způsobených zemětřesením. Kalábrii z r.1783. Vivenziova mapa účinků zemětřesení v podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) První mezinárodně používanou škálou byla desetistupňová škála Rossi-Forel z roku 1883 (původně publikovali nezávisle na sobě své škály seismické intenzity v r. 1874 respektive 1881, obě škály ale byly již od počátku navzájem velmi podobné). 3ä 7 Francois Alphonse Forel (1841-1912) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Skálu Rossi-Forel revidoval v roce 1883 a 1902 Mercalli a po dalších úpravách byla v roce 1932 vytvořena škála dvanáctistupňová MCS (Mercalli-Cancani-Sieberg), která je dosud rozšířená v jižní Evropě. August Heinrioh Sieberg Prof. d. Phyailc Giuseppe Mercalli (1850-1914) August Heinrich Sieberg (1875-1945) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) V České republice je široce používána dvanáctistupňová škála MSK-64 (Medveděv - Sponheur - Kárník) z roku 1964. Vít Kár nik (1926-1994) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) V roce 1988 souhlasila Evropská Seismologická Komise s plánem iniciovat revizi stupnice MSK, finální verze revidované stupnice MSK byla publikována roku 1998 a je nazývána EMS (European Macroseismic Scale). Škála EMS je nejpoužívanější škálou v Evropě. Jednání o škále EMS v Mnichově (1991). ACCORD PARTIEL OUVERT en rnatiere de prevention, de protection et d'organisation des secourcs contre les risques naturels ettechnologiques majeurs du CONSEIL DE L'EUROPE Carders du Centre Europeen de Geodynamique et de Seismologje Volume 15 European Macroseismic Scale 19 98 Editor CK GRÜNTHAL Lux embou« 1998 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.3.b: Magnitudo podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Magnitudo je veličina úměrná výchylce seismometru v určité předem definované vzdálenosti od hypocentra. Je tedy funkcí pouze „velikosti zemětřesení", nikoli funkcí místa. Výchylka seismometru (amplituda) je ale závislá také na prostředí, kterým se signál šíří, a na aparatuře, kterou je zaznamenán. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Záporná a kladná výchylka obvykle není stejná, proto není amplituda odečítána jako jedna z těchto výchylek, ale přihlíží se k oběma. Amplituda, která je součtem záporné a kladné výchylky, se nazývá celková (nebo totální) amplituda (peak-to-peak amplituda). Do vzorců pro výpočet magnituda se ale většinou dosazují poloviční hodnoty celkové amplitudy (tzv. hlaf-peak-to-peak amplituda). celková amplituda (peak to peak) :sbc) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Veličinu magnitudo definoval Richter v roce 1935 jako veličinu úměrná logaritmu výchylky odečtené na Wood-Andersonově seismometru ve vzdálenosti 100km od epicentra zemětřesení v oblasti jižní Kalifornie. © Copyright California Institute of Technology . All rights reserved. Commercial use or modification of this material is prohibited. Charles F. Richter (1900-1985) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Richterovo magnitudo bylo odvozeno pro lokální jevy (vzdálenost D = 30-600 km). Nazývá se proto lokální magnitudo. Richter roku 1935 empiricky odvodil tabulku funkčních hodnot funkce aL(A) v závislosti na vzdálenosti. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) V současnosti rozumíme pod pojmem lokální magnitudo takové magnitudo, které je odvozeno ze záznamů krátkoperiodických senzorů pro lokální otřesy. Tyto veličiny se nazývají také „mikrootřesové magnitudo" (micro earthquake magnitude). Vzorce pro výpočet lokálního magnituda jsou odvozovány tak, aby platily pro učitou studovanou oblast. Vycházejí ovšem z Richterova vzorce. ML=logA+crL(A) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Obecná forma magnituda je: ... magnitudo A... amplituda T... perioda f... funkce popisující korekci pro epicentrální vzdálenost (A) a hloubku hypocentra (h) Cs... staniční korekce Cr... korekce zohleňující vlastnosti zdrojové oblasti podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) U vzdálených zemětřesení jsou nejčastěji registrovány vlny P a PKP (relativně často také vlny PP a S), v nízkofrekvenčním signálu pak jsou amplitudově dominantní povrchové vlny (LR - povrchové vlny Rayleighova typu). Tyto typy vln jsou potom využívány pro výpočet magnituda u vzdálených zemětřesení. 01:00:00 :20"00 :40:00 02:0000 :2Q:0Q Time (hr:min:sec) Epicentral Distance (degrees) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Na základě Richtrova lokálního magnituda odvodil Gutenberg v roce 1945 magnitudo počítané z objemových vln (pro vlny P, PP a S) vzdálených otřesů. Beno Gutenberg (1889-1960) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Gutenbergovo magnitudo počítané z objemových vln: mB = log + 5.5) je menší než 1Hz. To znamená, že jsou silně potlačeny amplitudy objemových vln, jejichž perioda je typicky řádově první sekundy. Amplitudy povrchových vln jsou přitom i u silnějších otřesů (do Ms=7.25) stále ještě odečítány v ploché části spektra. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) S rostoucí uvolněnou energií tedy již amplituda objemových vln dále významně neroste, růst hodnoty magnituda vypočítaného z objemových vln je tak drasticky zpomalen - tomuto jevu říkáme saturace magnituda. BODY WAVES 1 ! " 60 V 7 - - 60\\ - 60 _ ITV 5.9 _ 5.6 _ 50 N _ 45 _ 33 i i . 1 ' -2 O log ř, hz - 28 - 26 - 24 - 22 - 20 ♦ 2 18 FIGURE 9.20 Spectra for different-sized earthquakes and the relationship of these spectra to the frequencies at which Ms and mb are determined. (From Geller, 1976.] podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Magnitudo počítané z objemových vln začíná být saturováno u jevů s mb=5.5, k plné saturaci dochází při mb=6.0. BODY WAVES 1 ! " 60 V 7 - - 6<)\\ - 60 >a _ i7ib=5 9 _ 5.6 _ 50 _ 45 _ 33 i i . 1 ' -2 O log ř, hz -\Z8 H26 H24 H22 H20 ♦ 2 18 FIGURE 9.20 Spectra for different-sized earthquakes and the relationship of these spectra to the frequencies at which Ms and mb are determined. (From Geller, 1976.] Luci F.atj podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) U velmi silných otřesů dochází také k saturaci magnituda počítaného z povrchových vln. Magnitudo počítané z povrchových vln začíná být saturováno u jevů s Ms=7.25, k plné saturaci dochází při Ms=8.0. BODY WAVES 1 ! " 60 V 7 - - 60\\ - 60 _ ITV5.9 _ 5.6 _ 50 N _ 45 _ 33 i i . 1 ' -2 O log ř, hz H 28 126 H 24 H 22 H 20 ♦ 2 18 FIGURE 9.20 Spectra for different-sized earthquakes and the relationship of these spectra to the frequencies at which Ms and mb are determined. (From Geller, 1976.] Luci Fratj podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Pro velmi silné jevy s Ms>8.0 není velikost otřesu možné dostatečně vyjádřit pomocí magnituda počítaného z objemových či povrchových vln. Velikost takových jevů nejvěrněji popisuje tzv. momentové magnitudo Mw. BODY WAVES 1 ! " 60 V 7 - - 60\\ - 60 _ ITV5.9 _ 5.6 _ 50 N _ 45 _ 33 i i . 1 ' -2 O log ř, hz H 28 126 H 24 H 22 H 20 ♦ 2 18 FIGURE 9.20 Spectra for different-sized earthquakes and the relationship of these spectra to the frequencies at which Ms and mb are determined. (From Geller, 1976.] podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) typ magnituda frekvence signálu použitelnost lokální magnitudo ML >1 Hz do cca ML=5 magnitudo z objemových vln mb ~ 1 Hz do cca mb = 6 magnitudo z povrchových vln Ms ~ 0.05 Hz do cca Ms=8 momentové magnitudo Mw - neomezeno podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.3.c: Seismický moment a momentové magnitudo podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Moment síly - charakterizuje otáčivý účinek síly M = rxF M... moment síly F... síla r... průvodičsíly (polohový působiště síly vůči ose r podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Moment síly - charakterizuje otáčivý účinek síly M = F.r.sina = F.p M... moment síly F... síla r... průvodič síly (polohový působiště síly vůči ose p... rameno síly p = r. sin or F podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) seismický moment - odvození: jyj _ Jh p F podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Modul pružnosti ve smyku (Lamého parametr n): r M = - r kde x je střižné napětí a y je střižná deformace. F A Ax podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) seismický moment - odvození: M o F.p T - F A Ax D 7 = I T F y A P _ F.p D A.D o //.D. A = F.p podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Seismický moment M0 ... je veličina určená pro zemětřesení vznikající vlivem pohybu podél zlomových ploch. MG = |u.D.A jlx. . modul pružnosti ve smyku hornin D ... průměrné posunutí na zlomu A... plocha zlomu U seismického momentu nedochází k saturaci. i Velikost seismického momentu lze odvodit také ze spektra seismického jevu. Za předpokladu homogenního prostředí a při dostatečném rozsahu sledovaných frekvencí platí, že spektrum seismického jevu lze rozdělit na plochou část s frekvencemi nižšími než tzv. rohová frekvence a na část za rohovou frekvencí, kde signál s rostoucí frekvencí slábne. Úroveň ploché části je přitom úměrná seismickému momentu. Log Freq (Hz) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Ze seismického momentu je odvozeno tzv. momentové magnitudo nezávislé na měřícím přístroji (podle manuálu IASPEI z roku 2002): Mw=|(k>g M0-9.l) kde M0 je seismický moment podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Správné určení seismického momentu je obecně mnohem komplikovanější, než určení magnituda. Protože ale u seismického momentu nedochází k saturaci, není saturováno ani momentové magnitudo Mw. Proto bývá ve významnějších datových centrech rutinně určován seismický moment a momentové magnitudo pro globální jevy s Mw>5.0. Největší dosud zjištěné magnitudo mělo hodnotu Mw=9.5 (Chile, 1960). podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Empiricky byl sledován vztah mezi magnitudem (popřípadě momentem) a velikostí porušené části křehké poruchy (plocha či délka zlomu). Z regresní analýzy vyplývají vztahy typu: bg(L,W,A)=a + b(M8,Mw) L... délka zlomu W... šířka zlomu A... plocha zlomu a,b... regresní koeficienty podzim 2023 Vztahy mezi magnitudem a velikosti křehkého porušení v regionu středozemního moře (Konstantinou et al. 2005) 456785 6 7 8 (a) 0.6 8.0 7.0 6.0 5.0 Log Lsur 1.4 1.8 (b) 2.2 2.6 0.6 « A/ i i ■ / i 1 500 km2 M = log(A) + 4.1 (lower range: 2.5th percentile) M = log(A) + 4.2 (best estimate) M = log(A) + 4.3 (upper range: 97.5th percentile) Hanks and Bakun (2001) strike-slip M = log(A) + 3.98 forA< 468 km2 M = 4/3 Log(A) + 3.09 forA> 468 km2) Somerville et al (1999) M = log(A) + 3.95 Vztahy mezi magnitudem a plochou ruptury podle různých autorů (převzato z Abrahamson 2006) Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) podzim 2023 cm E E o N (0 O O ,00E+07 ,00E+06 ,00E+05 ,00E+04 ,00E+03 ,00E+02 ,00E+01 ,00E+00 1.00E-01 magnitudo Graf závislostí mezi magnitudem a plochou ruptury podle různých autorů (vzorce převzaty z Abrahamson 2006) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Mw plocha zlomu (km2) délka zlomu (km) 5 -5-10 -1-3 6 -70-110 -6-12 7 -630- 1100 - 45 - 60 8 - 5.000 - 12.000 - 250 - 330 9 - 30.000 - 150.000 - 1.250-2.400 10 -600.000- 1.500.000 - 6.000 - 17.000 Hrubé odhady vztahu mezi momentovým magnitudem a velikostí porušené zóny (sumarizováno podle Abrahamson 2006, Bormann 2002 a Vakov 1996). podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.3.d: Seismická energie podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Velikost zemětřesení lze vyjádřit také pomocí veličin seismická energie a seismický moment. Seismická energie E ... velikost energie vyzářené ve formě seismických vln. Gutenberg a Richter empiricky odvodili vztah mezi seismickou energií a magnitudem (pro energii v joulech): Pro slabší jevy (mb není saturováno): logE = 2.4mB -1.2 Pro silnější jevy (mb je saturováno): logE muwmmm&^mmmmummmmmmmmmmm podzim 2023 = 1.5M +4.8 bomba v Hirošimě o 'Ui s_ CD C o 1.00E+20 1.00E+18 1.00E+16 1.00E+14 1.00E+12 1.00E+10 1.00E+08 1.00E+06 1,00E+04^ 1.00E+02 1.00E náklaďák na dálnici otřeba 5 Graf závislostí mezi magnitudem a seismickou energií. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.4: Zdrojové mechanismy podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Jedním z cílů základního zpracování seísmologických dat je studium geometrie ohniska zemětřesení. V následující části budeme předpokládat, že studovaný seismický jev je spojen s náhlým střižným pohybem podél plochy zlomu. pokles násun podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Obecně dochází na střižném zlomu k šikmému pohybu paralelně s plochou zlomu. i podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.4.a: Fokální mechanismus podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 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. podzim 2023 Graficky se fokální mechanismy znázorňují jako dvě vzájemně kolmé plochy na spodní polokouli Lambertovy projekce, zcela v souladu se zvyklostmi platícími i v geologii. Focal mechanism diagram(2D) Figure 5-3 Projection of focal sphere onto a equatorial plane podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 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. Barevné rozlišení kvadrantů vymezených nodálními plochami nás tak informuje o smyslu pohybu. 41* 40' Remove upper-half hemisphere Focal sphere (3D) Project the lower-half hemisphere yp the equatorial plane Focal mechanism diagram(2D) Figure 5-3 Projection of focal sphere onto a equatorial plane podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) V geologii je orientace plochy zlomu a směru pohybu obvykle vyjádřena hodnotami čtyř úhlů: směr sklonu plochy, sklon plochy, směr sklonu směru pohybu, sklon směru pohybu Máme o jeden údaj více, než je nutné. Pokud jsou údaje chybné (směr pohybu neleží v ploše zlomu), lze pak určit míru této chyby. sever smysl pohybu se pak vyznačuje písmenkem: n... pokles (normal) r... přesmyk (reverse) d ... pravostranný horizontální posun (dextral) s ... levostranný horizontální posun (sinistral) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) V seismologii je orientace plochy zlomu a směru pohybu (včetně smyslu pohybu) obvykle vyjádřena hodnotami tří úhlů: směr zlomu (strike), sklon zlomu (dip), odklon směru pohybu v ploše zlomu (rake) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Geometrii fokálního mechanismu lze vyjádřit také ve formě dvou navzájem kolmých os P (osa maximální komprese) a T (osa maximální extenze). i Směr zlomu je chápán jako vektor a nabývá hodnot od 0° do 360°. Ze dvou možných „směrů" je vybrán vždy takový, aby byl zlom ukloněný doprava. Sklon zlomu je počítán od horizontály a nabývá hodnot od 0° do 90°. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Odklon (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. Kladné hodnoty jsou u vektoru mířícího vzhůru, záporné u vektoru mířícího dolů. Tj. kladné hodnoty jsou v případě přesmyků, záporné v případě poklesů. North podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Stačí vždy definovat jen jednu z nodálních ploch. Známe-li orientaci nodální plochy, orientaci směru pohybu a smysl pohybu, pak tyto údaje definují jednoznačně také geometrii druhé nodální plochy. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Polarita P vln Nodální plochy vymezují čtyři kvadranty. Vždy ve dvou protějších kvadrantech lze pozorovat stejnou polaritu podélné vlny, naopak v sousedních kvadrantech je polarita opačná. Vidíme, že ve dvou protějších kvadrantech jsou na čele první vlny částice prostředí odtlačovány od zdroje, v dalších dvou kvadrantech jsou tyto částice ke zdroji přitahovány. □ t Epicentrum í podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Kmitání podélné vlny znamená cyklické stlačování a natahování prostředí. Ve dvou kvadrantech šířící se P vlna tedy nejprve prostředí stlačí a pak natáhne. V dalších dvou kvadrantech šířící se P vlna nejprve prostředí natáhne a pak stlačí. 4 □ podzim 2023 t Epicentrum t EfiV. Vt i»Vii 111 >tt.t m » mi "t f t f 111 Ú.t tľt.f t.t.MifiriM.fit.TitifiMitiTiTiTMMifiTiTifiWiTiTi Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Znamená to, že první pohyb částic vyvolaný podélným kmitáním smeruje 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"). podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Ve směru šíření kompresní vlny působí relativní tahové napětí. Ve směru šíření tahové vlny působí relativní kompresní napětí. napětí g< - komprese tahová vlna kompresní vlna napětí g3 - extenze \J Epicentrum ■npressional quadrant 0 Dilatational quadrant Paultc 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Metoda prvních nasazení P vln Signál se šíří z hypocentra do všech stran. Pro vymezení nodálních ploch potřebujeme znát polaritu P-vlny (kmitající ve směru šíření signálu) jejíž paprsky směřují z hypocentra do různých směrů. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Potřebujeme znát jednak polaritu a jednak deklinaci a inklinaci paprsku. Polaritu zjistíme ze záznamu vertikální složky na seismologické stanici. Ale deklinace a inklinace paprsku na stanici se obecně liší od deklinace a inklinace v ohniskové oblasti. Nezanedbatelný je zejména rozdíl v inklinaci. Musíme tedy určit inklinaci signálu v ohniskové oblasti. Musíme tedy určit inklinaci signálu v ohniskové oblasti - tzv. take-off úhel. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Známe-li deklinaci a inklinaci paprsku v ohniskové oblasti, můžeme si orientaci paprsku vynést do Lambertovy projekce. Orientaci paprsku chápeme jako orientaci přímky, která protíná kouli sestrojenou kolem hypocentra (tzv. ohnisková či nodální koule) a její směr odpovídá směru paprsku na povrchu této koule. Replaced downgoing P wave /"=]. 80-z downward vertical podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) V Lambertově projekci zobrazujeme směr paprsku jako osní data a pro zobrazení volíme spodní polokouli. Protíná-li paprsek ve směru ke stanici nodální kouli v její horní polokouli, pak na spodní polokouli odpovídá tomuto paprsku bod s opačným azimutem. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Pro každý vynesený směr paprsku vyznačíme zjištěnou polaritu signálu („utržení" nahoru či dolů). Určení fokálního mechanismu pak znamená nalezení dvou vzájemně kolmých nodálních ploch, které rozdělí prostor do dvou kvadrantů tak, aby každý kvadrant obsahoval signál o stejné polaritě. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Odlišná polarita signálu v jednotlivých kvadrantech je vyznačena odlišnou barvou. Thrust faulting, Vanuatu Islands, July 3, 1985 Location: 17.2°S, 167.8°E. Depth: 30 km Strike: 352°, Dip: 26°, Slip: 97° CHTO —\-W*~v col NWAO . HON Normal faulting, mid-Indian rise, May 16, 1985 Location: 29.1°S, 77.7°E. Depth: 10 km Strike: 8°, Dip: 70°, Slip: 270° ANTO CHT0 GUMO -Afv- CTAO Příklady fokálních mechanismů a polarity P vlny (Stein, Wysession 2003) Strike-slip faulting, west of Oregon, March 13, 1985 Location: 43.5°N, 127.6°W. Depth: 10 km Strike: 302°, Dip: 90°, Slip: 186° COL HON podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seis ANMO |0 120 240 (s) Vyzařovací model Charakter zdroje má vliv nejen na polaritu, ale také na amplitudu signálu šířícího se v určitém směru. Grafické znázornění vyzařovacího modelu pro podélné (vlevo) a příčné (vpravo) vlny podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vztah mezi amplitudou seismických vln a směrem jejich šíření vychází z tzv. double-couple modelu, který popisuje síly působící ve zdroji při pohybu způsobujícím zemětřesení ve formě dvou párů sil. 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). podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Pro vymezení nodálních ploch je velikost amplitudy porovnána s předpokladem plynoucím z vyzařovacího modelu (popisuje směrovou závislost amplitudy seismického signálu) - je tak umožněno přesnější určení fekálního mechanismu. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Podélná vlna má největší amplitudy ve směru, který svírá s oběmi nodálními plochami úhel 45°. Naopak ve směrech blížících se některé z nodálních ploch klesá amplituda až k nule. t*#)-(f.f) #)-(f. o) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Příčná vlna má největší amplitudy ve směrech ležících v některé z nodálních ploch. Naopak ve směru, který svírá s oběmi nodálními plochami úhel 45°, klesá amplituda až k nule. x,(6, #> = (f. O) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Amplituda signálu registrovaného na stanici je ale ovlivněna také prostředím, kterým se signál šířil, přístrojem, který jej zaznamenal a také vzdáleností mezi hypocentrem a stanicí. Protože využíváme údajů z více stanic, musíme vzít v potaz rozdílný vliv na různých stanicích - musíme vědět, nakolik se liší amplituda na různých stanicích vlivem vyzařovací charakteristiky a nakolik je tento rozdíl dán jinými vlivy. Při vymezení nodálních ploch je sledován poměr amplitudy podélné a příčné vlny. Tento poměr ukazuje vliv zdroje mnohem lépe, než samotné amplitudy P nebo S vln. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) 5.4.b: Momentový tenzor podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Mechanismus pohybu ve zdroji lze vyjádřit ve formě zdrojového signálu (impulsu), který se šíří z hypocentra. Je popisován ve formě tenzoru 3*3, který nazýváme tenzorem seismického momentu. 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 (složky My a M^ mimo hlavní diagonálu), ale také objemové složky. >< X xy xy yy M M M xz yz zz J podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Tenzor seismického momentu tak může popsat nejen střižnou složku pohybu podél zlomové plochy, ale také další non-double-couple části pohybu ve zdroji (např. extenzní pohyb kolmý na plochu zlomu). Tenzor je symetrický (má tedy jen 6 nezávislých složek). >< x >< Mxx Mxy Mxz Myx Myy M y z Mzx Moment tensor 1 V3 1 V2 f2 1 V2 1 V6 1 V6 '10 0") 0 10 lo o lj ío 1 6] 1 o o 0 o oj o o -ť 0 0 0 -1 o o, -1 o o1 0 0 0 1 0 0 1 > <\ o o o o -2 0 0 1 1 o o 0 1 o 0 0-2 Beachball i i O Moment tensor 1 V3 1 V2 1 Ti i Ti" i Ve i 1 o o1* 0 1 o 0 0 1 f 1 0 0 0-10 0 0 0 o o 0 -1 -1 o ío o o 0-10 O O 1 -2 0 0 O 1 O O O 1 (\ o o O 1 o 0 0-2 Beachball c 1) podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Double-couple složky lze snadno vyjádřit v souřadné soustavě spojené se zlomem: E o ISI M = v 0 °) í ° M0 °) M 0 0 — 0 0 yx 0 0 l 0 0 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Tentýž tenzor lze ale vyjádřit také v soustavě spojené s osami P a T. V této soustavě jde o dvojice sil působící v jedné ose.V soustavě spojené s osami P a T má tedy tensor seismického momentu nenulové složky v hlavní diagonále: E o rsj \ M = M xx 0 0 O M yy 0 ▲ M 0^ 0 í M 0 0 o o -M o o O podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Lze rozlišit dvě základní non-double-couple složky: isotropní a CLDV (compensated-linear-vector-dipoles). f M = v M M M XX xy M M M yx yy M .. M M zx xy xz yz zz J M, yy 4 M7 M,, t Triple dipóle Isotropní složka representuje objemové změny - explozi nebo implozi M = £00 0 E 0 v0 0 E j E*0 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) CLDV složka representuje pohyby kolmé na plochu zlomu, které neobsahují objemové změny. M = í -Á 0 0 0 X 2 0 0 v 0 X 2j A*0 f M = v M M M xy M M M yx yy M*y M xz yz zz J podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Mechanismus zdroje spojeného s vnikáním magmatu do žíly Tensor seismického momentu: laji jsou Lamého parametry r X 0 0 ^ M = 0 X 0 vo 0 X + 2/j podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Tenzor lze rozepsat jako součet dvou složek: isotropní a CLVD M = (X 0 0 X o o 0 0 Á + 2ju J f £00 0 £ 0 0 0 E + J 0 0 o 2 3 O O J E = A + — ju 3 podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) CLVD složku je možné matematicky vyjádřit také jako součet dvou double-couple složek: f M o V O o o o o o ^ o M0J f + 0 0 0 -2M 0 0 o o ^ f o 2M oy v M0 0 0 -2M 0 0 O o ^ o M oj Tensor seismického momentu umožňuje více interpretací příčiny pohybu ve zdroji. podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) inverze vlnového obrazu podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Inverze vlnového obrazu Zdrojový impuls registrujeme po průchodu horninovým prostředím 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 f / Propagate wave Unite impulsive slip podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Vliv přístroje můžeme přesně zjistit jeho kalibrací. Vliv prostředí můžeme jen odhadnout - vyjadřujeme jej pak pomocí Greenovy funkce. Umíme-li dobře matematicky popsat oba tyto vlivy (prostředí a přístroje), můžeme vypočítat pro každý charakter fekálního mechanismu ideální tvar signálu, jaký bychom měli registrovat na stanici. Green's Function Observed Station □ c □q Propagate wave Unite impulsive slip měřený signál seismometr (odezva - response) záznam X(t),X(f) R(t),R(f) Y=R*X Y(t), Y(f) původní signál horninové prostředí měřený signál X(t), X(f) G(t), G(f) Y(l), Y(f) Y=G*X podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) Určení zdrojového mechanismu (určení tenzoru seismického mechanismu) pak znamená nalezení takového mechanismu, při kterém se tvar ideálního vypočítaného signálu shoduje se signálem, který byl registrován na všech stanicích využitých k analýze. -20 0 20 40 SO SO 1001201^0160 -20 0 20 40 60 30 100120140160 -20 0 20 40 60 80 100120140160 ■3 S i podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry) metoda podmínky aplikace věrohodnost výsledku metoda prvních nasazení nejméně 10 stanic relativně nejmenší, výsledek je mnohdy nejednoznačný metoda prvních nasazení + využití amplitud nejméně 5 až šest stanic, dobrá znalost vlivu prostředí a přístrojů na velikost amplitudy signálu průměrná inverze vlnového obrazu nejméně 3 stanice, velmi dobrá znalost vlivu prostředí a přístrojů na celkový obraz signálu - lze aplikovat jen na jednoduché vlnové obrazy pro jednoduchý signál při skvělé znalosti prostředí velmi vysoká věrohodnost, při méně dobré znalostí prostředí a při komplikovaných vlnových obrazech pak věrohodnost řešení klesá Porovnání podmínek pro aplikaci metod podzim 2023 Seismologie a seismotektonika - 05 (seismické zdroje a jejich parametry)