Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

MECHANIZMY ZJAWISK SEJSMICZNYCH Paweł Wiejacz Instytut Geofizyki PAN Pracownia Sejsmologii Ogólnej

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "MECHANIZMY ZJAWISK SEJSMICZNYCH Paweł Wiejacz Instytut Geofizyki PAN Pracownia Sejsmologii Ogólnej"— Zapis prezentacji:

1 MECHANIZMY ZJAWISK SEJSMICZNYCH Paweł Wiejacz Instytut Geofizyki PAN Pracownia Sejsmologii Ogólnej

2 NAJCZĘSTSZE ŹRÓDŁA ZJAWISK SEJSMICZNYCH NaturalneSztuczne - trzęsienia ziemi- wybuchy - wstrząsy wulkaniczne- indukowane wokół zbiorników wodnych - osuwiska / zapadliska- zjawiska górnicze - mikrosejsmy- zakłócenia przemysłowe i komunikacyjne MECHANIZM – co się stało w ognisku (jakie przesunięcia wzgl. jaki rozkład sił ?) JAK GO WYZNACZYĆ? – znaleźć rozkład przesunięć na sferze ogniskowej Sfera ogniskowa – infinitezymalnie mała sfera otaczająca ognisko; założenie punktowego modelu ogniska DANE – zapisy (sejsmogramy > amplitudy > kierunki wychyleń) na stacjach sejsmicznych, t.j. w niektórych punktach sfery ogniskowej.

3 METODY - Poszukiwanie parametrów płaszczyzny uskoku (Fault Plane Solution) - Tensor momentu sejsmicznego - inwersja amplitud - inwersja form falowych (w ogólności dowolny fizyczny mechanizm; możliwe nałożenie więzów na brak zmiany objętości lub ścinanie) - podział sfery ogniskowej na ćwiartki (założenie modelu ścinania) W czasach rejestracji analogowej problemem była niska dynamika i trudność dekonwolucji reakcji sejsmometru (uzwględnienie kalibracji) – szczególnie że przyrządy nie były szerokopasmowe. Pewną informacją był kierunek pierwszego wychylenia preferowana metoda: podział sfery ogniskowej na ćwiartki.

4 ROZRYW a osie główneFala P Fala S (także fale Rayleigha) (także fale Lovea) MECHANIZM TRZĘSIEŃ ZIEMI Rozryw na uskoku mechanizm ścinania:

5 MECHANIZMY NIEŚCINAJĄCE - eksplozje (w tym jądrowe) - wulkany (także wybuchy, ale również zmiany objętości) - górnictwo - geotermia - upadek ciała niebieskiego Uwagi: a) zmienność mechanizmu w trakcie trwania rozrywu b) niepunktowy model ogniska c) zmienność mechanizmu w różnych punktach ogniska (np. zakrzywiona powierzchnia rozrywu) - mogą prowadzić do wyniku w postaci nieścinającego mechanizmu.

6 MECHANIZMY W GÓRNICTWIE zapadnięcie kawerny (obwał ze stropu) tąpnięcie filara rozryw rozciągania uskok normalny (tąpnięcie stropu) uskok odwrócony (odprężenie spągu) uskok nasuwczy eksplozja (strzelanie) implozja (zaciśnięcie pustki) W praktyce poszczególne typy w swoich czystych formach występują rzadko. Orientacje mechanizmów są przykładowe.

7 GEOMETRIA USKOKU φ – bieg δ – upad λ – rake kąt przesuwu Są dwie płaszczyzny: uskoku (A) i pomocnicza (B) ale φ A, δ A, λ A w sposób zupełny definiują rozwiązanie; Często rozwiązanie podawane jest jako φ A, δ A, φ B, δ B – ale te cztery wartości nie są niezależne.

8 PIŁECZKI PLAŻOWE przekrój pionowy: Rzut Wulffa (równokątny) Rzut Schmitta (=Lamberta) (równopowierzchniowy) Obydwa rzuty mogą dotyczyć dolnej półsfery (j.w.; częściej stosowane) jak górnej. W rzucie Schmitta istnieje także możliwość odwzorowania całej sfery; jest to jednak zbędne ponieważ występuje symetria (punktowa) względem środka sfery. Rysunek piłeczki plażowej przedstawia rzut półsfery ogniskowej na płaszczyznę (tu zaznaczoną jako linia pozioma).

9 PARAMETRY USKOKU Z PIŁECZKI PLAŻOWEJ

10 ROZWIĄZANIE PŁASZCZYZN USKOKU (Fault Plane Solution) KWK Gottwald 11.X :02, ML=3.9 A =15.1 A =30.1 B =200.5 B =60.1 DANE: znaki pierwszych wstąpień fali P; lokalizacje stacji; lokalizacja ogniska; model sejsmogeologiczny (określenie kąta wyjścia fali z ogniska i czy fala do stanowiska przychodzi od dołu) SZUKANE: biegi i upady płaszczyzn nodalnych (uskoku i pomocniczej) A i B. PRZESZUKUJEMY PRZESTRZEŃ PARAMETRÓW A, A, A (np. co 1 stopień; A od 0 do 359, A od 1 do 90, A od 0 do 179), badając zgodność: F = [f ( A i ( A, A, A ) · S i )] ; gdzie S i = ±1 (znak na stacji i). Warianty metody: A i albo ±1 albo normowane do 1 na środku ćwiartki; f albo wprost wartość iloczynu albo 0 gdy wartość ujemna WADY: potrzeba dużo stacji; często kilka rozwiązań z tym samym F max ; dokładność wyznaczenia płaszczyzn, i in.

11 TENSOR MOMENTU SEJSMICZNEGO definicja: f(x,t) = - m(x,t) f(x,t) - układ sił równoważnych w ognisku m(x,t) – gęstość tensora momentu sejsmicznego M (x,t) = m(x,t) dV Założenie źródła punktowego i synchronicznego: M(x,t) = M · (x) · s(t) Pole promieniowania z ogniska: A( ) = M · (to zapis symboliczny bowiem różne fale rozchodzą się z różną prędkością) u(x,t) = (4 3 r) -1 ·[ ·M·s(t-r/ )· ]·l + (4 3 r) -1 ·[p·M·s(t-r/ )· ]·p + (4 3 r) -1 ·[h·M·s(t-r/ )· ]·h [P] [SV] [SH] - kierunek wyjścia fali z ogniska; l – wzdłuż fali; h – prostopadłe do l i poziome, p – prostopadłe do l i h Uwaga 1 : to w polu dalekim. W polu bliskim i pośrednim są dodatkowe człony. Uwaga 2 : po drodze jest być struktura; nawet jeśli ośrodek jednorodny to ma tłumienie.

12 DEKOMPOZYCJA TENSORA MOMENTU SEJSMICZNEGO A( ) = M · M11 M12 M13 a B3 –B2 C1 C2 C3 M = M21 M22 M23 = 0 a 0 + -B3 0 B1 + C2 C4 C5 M31 M32 M a B2 –B1 0 C3 C5 –C1-C4 eksplozja obrót źródła 0 ścinanie + dipol – = Rozkład niejednoznaczny: dipol ścinanie ścinanie Rozkład tensora momentu sejsmicznego na zmianę objętości oraz 5 typów ścinań elementarnych (Kikuchi & Kanamori, 1991) :

13 TENSORA MOMENTU SEJSMICZNEGO - WŁASNOŚCI M11 M12 M13 M = M11 M22 M23 M13 M23 M33 można zdiagonalizować: Mx 0 0 M = 0 My Mz jeśli ścinanie, to jedno z Mx,My,Mz jest 0, pozostałe są równe co do wartości i przeciwnych znaków. Moment sejsmiczny (skalarny): M 0 = ½ ( |My|+|Mz| ) = ·A·u ; My i Mz – największe co do wartości bezwzględnej. Magnituda M W =2/3 · log(M 0 ) – 6.05 Tzw. całkowity moment sejsmiczny: M T = [ ½ ·(Mx 2 +My 2 +Mz 2 )] ½ Ilość składowych zmiany objętości i dipolowej: Jeśli My0lub k= -Ma / (|Ma|-Nx) dla Nz<0; -1 k 1 T = -2·Nz/Ny dla Nz>0lubT= -2·Nz/Nx dla Nz<0;-1 T 1

14 TENSOR MOMENTU SEJSMICZNEGO – TEORIA A...? u(x,t) = (4 3 r) -1 ·[ ·M·s(t-r/ )· ]·l + (4 3 r) -1 ·[p·M·s(t-r/ )· ]·p + (4 3 r) -1 ·[h·M·s(t-r/ )· ]·h czyli; zwł. dla określonej fali: u = A ·m gdzie: u = [u i ] – wektor z odczytów na i stacjach m = [M11,M12,M13,M22,M23,M33]- wektor ze składowych tensora momentu A = [A ij ], j=1,6 (problem nadokreślony) Skąd wziąć A ? W ogólności bowiem mamy ośrodek który jakoś odpowiada i: u n (x,t) = G nk (x,y,x 0,t 0 ) · f k (x 0,t 0 ) dV dt 0 Po rozwinięciu G nk na szereg i ograniczenia się do pierwszego wyrazu: u n (x,t) = [ M kj ·(dG nk (x,t,x 0,t 0 )/dx j )*s(t)] (splot!) s(t) – funkcja źródła: s(t)=t/T dla 0

15 TENSOR MOMENTU SEJSMICZNEGO – FUNKCJA GREENa u n (x,t) = [ M kj ·(dG nk (x,t,x 0,t 0 )/dx j )*s(t)] Zakładamy postać s(t), znamy u n (x,t), co z G nk ? Ośrodek jednorodny bez tłumienia: G nk = [|x-x 0 |-v·(t-t 0 )] / |x-x 0 | W innym przypadku: - Metoda propagatorów macierzowych Haskella – Thomsona - Empiryczna funkcja Greena - Uśredniony sejsmogram dla zjawiska z określonej odległości i głębokości - Wzbudzanie oscylacji swobodnych Ziemi przez duże trzęsienia - Full-waveform inversion (sejsmogram syntetyczny + porównanie z obserwowanym) (Bouchon, 1981) Problem: w górnictwie parametry (naprężenia) w górotworze zmieniają się wraz z eksploatacją (i także – zapewne - na skutek występujących zjawisk.

16 SEJSMOGRAMY SYNTETYCZNE – W PRAKTYCE Zastosowanie do dużych naturalnych trzęsień ziemi (metoda Bouchon): Algorytm Douglasa Dregera; przyczynek do nigdy nie ukończonej pracy dot. funkcji odbioru dla stacji DRGR, P. Wiejacz, 2007 r.

17 TENSOR MOMENTU SEJSMICZNEGO: DUŻE TRZĘSIENIA N.p. Dziewoński, A.M., Woodhouse J.H., 1983, J.Geophys.Res. 88 – Z biegiem czasu: rutynowo i dla coraz mniejszych trzęsień. (oparte na Earth normal modes)

18 20 LAT TENSORA MOMENTU SEJSMICZNEGO,

19 ZJAWISKA LOKALNE (na drugim biegunie); Założenie ośrodka jednorodnego (w ramach utworów w których fala się propaguje); inwersja amplitud pierwszych wstąpień fali.

20 PROBLEM: ZJAWISKA REGIONALNE (zbyt słabe aby wzbudzać oscylacje Ziemi, fale powierzchniowe na odległościach ponad 20º - słabe ale w skali regionalnej zjawiska istotne; także istotne dla ew. prognozowania) Casus: Podhale, 30.XI :18 Mw=4.7 Dla większych trzęsień (M>4.5) mechanizmy rutynowo liczą ETHZ- Zurich i INGV-Roma. W oparciu o full-waveform inversion i model śródziemnomorski...

21 PROBLEMY W BADANIACH MECHANIZMÓW Metoda jest znana i od około 10 lat traktowana jako rutynowa w sejsmologii. Możliwości komputerowe pozwoliły na implementację algorytmów Bouchon. Coraz lepsza znajomość struktury – ale wraz z tym rośnie ilość parametrów, z których każdy jest znany z jakąś dokładnością. Coraz więcej stacji sejsmicznych ( wybór; voting). Lepsze algorytmy detekcji (także z uwagi na możliwości komputerowe) Automatyzacja liczenia mechanizmu metodą tensora momentu sejsmicznego niedoskonałości algorytmów automatycznych szum informacyjny! Przyczyny: Nie zawsze są spełnione założenia, nawet te podstawowe: co do punktowości źródła, synchroniczności, symetryczności pola promieniowania ( np. rozryw unilateralny), efektów struktury po drodze. W zagadnieniach regionalnych - niedostateczna znajomość modelu ośrodka. W zagadnieniach lokalnych – j.w. + zmienność parametrów.

22 ZASTOSOWANIE WYNIKÓW W skali globalnej rozwiązania potwierdzają kierunki granic płyt tektonicznych oraz względny ruch płyt na tych granicach. W skali regionalnej rozwiązania zwykle potwierdzają kierunki uskoków i spodziewany ruch na nich. Czasami – nie, wtedy szuka się innej przyczyny, zwykle znajdując inny uskok. Znając mechanizm, do ew. prognozowania wystarczy znajomość M 0. dla trzęsień ziemi:

23 Inny przykład: oddział G-1/7, 2006 r. Nie ma jakiegoś generalnego mechanizmu, wspólnego dla różnych zjawisk. WYNIKI MECHANIZMÓW W ZASTOSOWANIU DO GÓRNICTWA ZG Rudna – XVII, II półrocze 2007 r. – duże zjawiska. Dominują obwały ze stropu (w zrobach?)

24 PRZYKŁAD KWK Wujek, 1993 r.: Mechanizmy w tym samym rejonie wykazują podobieństwo. Czy związek z budową geologiczną (spękania)? Czy związek z eksploatacją (dawne wyrobiska)? Związek z kierunkiem eksploatacji ???

25 WNIOSKI Dla dużych trzęsień wyznaczanie mechanizmów ma cechy rutynowe. Zwykle stosowaną metodą dla trzęsień jest full-waveform inversion z wyznaczaniem funkcji Greena metodą Bouchon. Istnieją algorytmy komputerowe magic-box do tego celu. Proces automatyczny niesie za sobą założenia które nie zawsze są słuszne, w tym założenie o horyzontalnej jednorodności ośrodka, nie zawsze słuszne. Nie za bardzo wiadomo co robić z wynikami. W skali globalnej i regionalnej mechanizmy potwierdzają ruch płyt tektonicznych względnie ruch na uskokach. W skali lokalnej – kopalnianej – wyniki są trudne do interpretacji, zwłaszcza bez szczegółowej wiedzy geologiczno-górniczej (kierunki spękań, sposób prowadzenia eksploatacji obecnie i w przeszłości). Istnieją przypadki wstrząsów (vide: trzęsienia kaliningradzkie w 2004 r.), dla których można wyznaczyć mechanizm nie dający się w oczywisty sposób połączyć z czymkolwiek. Podobnie może być w górnictwie.


Pobierz ppt "MECHANIZMY ZJAWISK SEJSMICZNYCH Paweł Wiejacz Instytut Geofizyki PAN Pracownia Sejsmologii Ogólnej"

Podobne prezentacje


Reklamy Google