Capitolul D : BIREFRINGENTA UNDELOR TRANSVERSALE

Transcription

1 Capitolul D : BIREFRINGENTA UNDELOR TRANSVERSALE 63 D.1) Introducere Incepand cu lucrarea lui Vinni et al. (199), analiza de birefringenta ( splitting )a undelor SKS (sau SKKS) generate de teleseisme (Ä 87 ) cu magnitudine mai mare de 6.0 (uzual) s-a dovedit a fi un instrument deosebit de eficient pentru investigarea anizotropiei mediului de sub statia de inregistrare. Daca intr-un mediu izotrop unda are aceea viteza de propagare in orice directie, mediul cu anizotropie hexagonala (intalnita in marea majoritate a cazurilor reale) va fi caracterizat de o directie (orizontala) a axei rapide (in lungul careia unda are viteza maxima de propagare) de un interval de intarziere intre unda rapida cea lenta. Pentru crusta superioara, directia axei rapide este corelabila, de exemplu, cu orientarea medie a fisurilor (de.ex. Douma Helbig, 1987). Pentru mantaua superioara, directia axei rapide este presupusa a fi paralela cu directia axei cristalografice rapide a olivinei. In ambele cazuri se obtin informatii asupra directiei stress-ului tectonic din aria investigata, cu observatia ca rolul dominant in birefringenta undelor SKS este atribuit mantalei nu crustei. Marimea intervalului de intarziere dintre cele doua unde (rapida lenta) se coreleza cu dentatea fisurilor sau cu gromea stratului anizotrop. Studii de anizotropie pe baza fenomenului de birefringenta au fost efectuate in diverse arii ale globului, furnizand rezultate corelabile cu alte metode geofizice (vezi bibliografia capitolului). In cele mai multe cazuri, cutremurele crustale nu genereaza unde SKS clare (Fig.D1). Fig.D1. Inregistrarea cutremurului 001/1/3 (Solomon Isls., Mw = 6.8) la statia MLR GEOFON o o o ( = 16 ;bacaz = 6 ;Az = 31 ). Se observa undele Pdiff, PKPdf PP. Undele SKS sunt absente, sorea lor teoretica fiind la circa 7 minute dupa sorea PKPdf.

2 64 D.) Fundamentarea teoretica Sa conderam un stem de coordonate Radial-Transversal (Vinni et al., 199) (Fig. D). O unda armonica arbitrara de amplitudine unitara n ωt se decompune in cos β n ωt n β n ωt, unde β este unghiul dintre directia axei rapide directia radiala iar ω este viteza unghiulara a undei. Componenta de referinta paralela cu axa poate fi descompusa suplimentar de-a lungul axelor R T in cos βn ωt cos β n β n ωt, respectiv. Componenta perpendiculara pe axa rapida este intarziata cu δ t fata de componenta de referinta. Ea se poate descompune de-a lungul axelor R T in n β n ω(t δt) cosβn βn ω( t δt). Deci unda armonica unitara ce a intrat in stemul anizotrop are la iere componentele (Vinni et al., 199): R( t) = cos βn ωt + n βn ω( t δ t ) (D1) T ( t ) 0.5n β[ n ωt n ω( t δt) ] unde unghiul β se poate presupune a fi in intervalul ( π / ; π / ), β 0 =, (D) β. Fig.D. Sistemele de coordonate (E-N) (R-T) cu indicarea azimutului directiei rapide ( fastest axis ) a unghiului de bacazimut. Fie x = R(t) y = T (t ). Din ecuatiile (F1) (F) rezulta (Ivan, 000) ( x y cot β ) + y cot ( ωδt / ) / n β = cos ( ωδ t / ) (D3) Pentru β ±π / 4, conderam urmatoarea rotatie a stemului de coordonate unde unghiul de rotatie este dat de x = X cosϕ Y n ϕ (D4) y = X n ϕ + Y cosϕ (D5) [ cos 4β + cot ( ωδ / ) ] tanϕ = n 4β / t (D6) In noul stem, ecuatia (F3) devine X / a + Y / b = 1 (D7) arata ca miscarea particulei sub actiunea undei este o elipsa avand patratul raportului semi-axelor egal cu: a / b = (tanβ + cot ϕ) /(tan β tan ϕ ) (D8) Derivand componenta transversala din ecuatia (F) in raport cu timpul, rezulta Deci Fie dt / dt = ωn β n( ωδt / )n ω( t δt / ) (D9) ( T ( t) cos β R( )n β) dt / dt = ω tan( ωδ t / ) t (D10)

3 65 z = dt dt( t ), y = T ( t ), x = R( t ) (D11) / Ecuatia (D10) arata ca valorile instantanee x, y z apartin unui plan in spatiul 3-D corespunzator, adica: z = Ax + By + C, (D1) unde C ia in conderatie eventualele corectii de linie de baza. Coeficientii planului sunt legati de directia necunoscuta β a axei rapide de intervalul de timp de intarziere δ t prin β = 0.5atn( A / B) (D13) T T δt = atn A + B, (D14) π π unde T este perioada undei. Coeficientii planului pot fi obtinuti printr-o procedura de regree standard, adica impunand minimul expreei N = 1 ( + By + C z ) = min Ax, (D15) unde N este numarul de esantioane. Rezulta A = ( b1a ba1 )/ (D16) B = ( ba11 b1 a1 )/ (D17) unde a 11 Sxx Sx, a1 = Sxy Sy, a = S yy S y = (D18) b1 = Sxz Sx Sz, b = Syz S y Sz, = a11a a1. (D19) Am notat valorile medii cu S N N x xy / = 1 = 1 = x / N, S = x y N. (D0) Derivata semnalului transvers poate fi evaluata prin procedeul cubic spline (de.ex. Ahlberg et al., 1967; Bhattacharyya, 1969) sau utilizand facilitatile oferite de PITSA (Scherbaum and Johnson, 199)). D.3) Metodologia de analiza Pentru efectuarea unei analize de birefringenta SKS se recomanda urmatorul mod de lucru: se identifica vizual unda SKS, caracterizata uzual prin amplitudini mari pe canalele orizontale, amplitudini mici pe Z perioade de aproximativ 6-16 secunde (inregistrarile trebuie sa fie BB, eventual LP). Se verifica valoarea (O-C) folond codul ttim. Un exemplu este prezentat in Fig.D3. se verifica polarizarea undei (folond analiza de Particle motion din PITSA), verificandu-se caracterul monocromatic al undei polarizarea ei qua-eliptica (axa mare a elipsei orientata aproximativ in lungul directiei de bacazimut). In cele mai multe cazuri, aspectul elipsei nu este clar, ceea ce impune aplicarea unui filtru trece banda Butterworth de faza zero ( Hz, 3 sectiuni). Acest filtru se poate aplica direct din PITSA (Advanced Tools). Dupa aplicarea filtrului, se reia analiza de Particle motion se identifica inceputul sfartul ferestrei de timp ce urmeaza a fi procesata precum perioada aproximativa a undei. Un exemplu este prezentat in Fig.D3. se taie fereastra de timp ce urmeaza a fi analizata se salveaza cele doua fiere corespunzatoare canalelor N E. Se proceseaza aceste fiere se determina parametrii de splitting (directia axei rapide intervalul de intarziere). avand la dispozitie determinari pe un set de cutremure, se realizeaza o analiza statistica standard in MicrosoftExcel se coreleaza cu alti indicatori de stress (Fig. D4, D5, D6). La statia PSZ s-a obtinut o directie a axei rapide de ± 8.6 (95% confidence level) o deviatie standard de 1.7. Valoarea medie a intervalului de timp de intarziere ( delay time ) este 0.73 ± 0.13 secunde (95% confidence level), cu o deviatie standard de 0.3 secunde.

4 66 Fig.D3. Inregistrarea cutremurului din Honduras 1997/07/11 la statia PSZ (GEOFON Ungaria). Se observa sorea undelor SK(K)Sac, precum a altor faze (P, PP, PKiKP, S) (dupa Ivan et al., 00a). Fig.D4. Analiza de Particle Motion pe sorea undelor SK(K)Sac din Fig.D. Se observa traiectoria qua-eliptica, axa mare a elipsei fiind dispusa aproximativ pe directia statie-epicentru (dupa Ivan et al., 00a). Datele NU sunt filtrate.

5 67 Fig.D5. Analiza statistica a directiei axei rapide la statia PSZ (dupa Ivan et al., 00a). Fig.D6. Analiza statistica a intervalului de intarziere la statia PSZ (dupa Ivan et al., 00a).

6 68 Fig.D7. Corelarea directiei axei rapide cu mecanisme de focar directii de stress bore-hole breaouts ) la statia PSZ (dupa Ivan et al., 00a). Bibliografie Ahlberg, J.H., Nilson, E.N., Walsh, J.L. (1967), The theory of splines and their applications, Academic Press Inc. Barruol, G., Mainprice, D. (1993), A quantitative evaluation of the contribution of crustal rocs to the shear-wave splitting of teleseismic SKS waves, Phys. Earth Planet. Inter., 78, Barruol, G., Kern, H. (1996), Seismic anisotropy and shear-wave splitting in lower-crustal and uppermantle rocs from the Ivrea Zone - experimental and calculated data, Phys. Earth Planet. Inter., 96, Bhattacharyya, B.K. (1969), Bicubic spline interpolation as a method for treatment of potential field data, Geophycs, 34, Buland, R., Chapman, C.H. (1983), The Computation of Seismic Travel Times, Bull. Seism. Soc. Am., 73, Chalot-Prat, F., Girbacea, R. (000), Partial delamination of continental mantle lithosphere, uplift-related crust-mantle decoupling, volcanism and ban formation: a new model for the Pliocene-Quaternary evolution of the southern East-Carpathians, Romania, Tectonophycs 37, Douma, J., Helbig, K. (1987), What can the polarisation of shear waves tell us?, First Brea, 5, Ivan, M., Wiejacz, P., Popa, M., Radulian, M. (000), The Romanian Vrancea event of April 6 th 000: Relocation and Fault Plane Solution, Rev. Roum. Géol., Géophys., Géogr., Ser. Géophys (in press) M. IVAN, 001, SKS splitting observed at GEOFON station MLR in Vrancea area - Romania, Rev.Roum.GEOPHYSIQUE, 44, p.79-86, Bucharest, Romania M. IVAN, L. TOTH, KISZELY, M, 00, SKS splitting observed at the Hungarian GEOFON station PSZ, J.Balan Geoph.Soc., 5,p Marian Ivan, Luis Homem D El Rey-Silva, Vale Marza, 00, Probing the Subcontinental South American Upper Mantle with SKS Splitting at Some Selected Brazilian Sites, in press, Rev.Roum.GEOPHYSIQUE, Bucharest, Romania Kennet, B.L.N., Engdahl, E.R. (1991), Travel times for global earthquae location and phase identification, Geophys. J. Int., 105, Levin, V., Mene, W., Par, J. (1999), Shear-wave splitting in Appalachians and Urals: a case for multilayered anisotropy, J.Geophys.Res. 104,

7 69 Linzer, H.-G., Frisch, W., Zweigel, P., Girbacea, R., Hann, H.-P., Moser, F. (1998), Kinematic evolution of the Romanian Carpathians, Tectonophycs 97, Mueller, B., Reinecer, J., Heidbach, O. and Fuchs, K., 000, The 000 release of the World Stress Map (online la: ). Negut, A., Dinu, C., Negut, M.L., Ivan, M., Niculescu, B. (000), State of the stress orientation determination in Romania by borehole breaouts, SEG/EAGE/RSG Bucharest 000 Int. Conf. & Exp., April 10-14, Romania, Conf. Vol., Radulian, M., Mandrescu, N., Panza, G.F., Popescu, E., Utale, A. (000), Characterization of seismogenic zones of Romania, Pure Appl. Geophys., 157, Radulescu, F. (1988), Seismic models of the crustal structure in Romania, Rev. Roum. Géol., Géophys., Géogr., Ser. Géophys. 3, Raileanu, V., Enescu, D., Rizescu, M. (1996), Shear wave polarization of low-magnitude earthquaes from the Vrancea region, Rev. Roum. Géol., Géoophys., Géogr., Ser. Géophys. 40, Scherbaum, F., Johnson, J. (199), Programmable Interactive Toolbox for Seismological Analys (PITSA), IASPEI Software Library, Vol. 5. Smith, G.P., Estrom, G. (1999), A global study of Pn anisotropy beneath continents, J.Geophys. Res., 104, Vinni, L.P., Maeyeva, L.I., Milev, A., Useno, A.Yu. (199), Global patterns of azimuthal anisotropy and deformations in the continental mantle, Geophys. J. Int. 111, Wiejacz, P. (001), Shear wave splitting across Tornquist-Teisseyre Zone in Poland, J. Balan Geophys. Soc., 4,