Seismologie na MFF ve světle evropských projektů J. Zahradník katedra geofyziky

Vývoj seismologie na UK Prof. V. Láska (1862-1943) St. ústav geofyzikální 1920, seismická stanice na Karlově 1924 Prof. A. Zátopek (1907-1985) první profesor geofyziky na UK 1952 Prof. K. Pěč (1930-1993) zakladatel matematické geodynamiky Prof. V. Červený (1932) jeden z otců a průkopník paprskové teorie

Sumatra M 9.0 26. 12. 2004 300 tis. obětí

Projekty: 1995-1998: Assessing Coal Reserves; GR-COAL, NATO koordinátor G-A. Tselentis, Patras, Greece. 1997-1999: Integrated Strong Motion Modelling EUROSEISTEST Data; EC Inco-Copernicus, koordinátor P.-Y. Bard, Grenoble, France. 2000-2001: Earthquakes in Western Greece; NATO

Projekty (po r. 2000): 2000-2003: Practical, Real-time Estimation of Aftershocks EC 5. rámc. program, PRESAP koordinátor J. McCloskey, Ulster, United Kingdom. 2003-2005: Prague Centre of Mathematical Geophysics, Meteorology, and their Applications EC 5. rámc. program MAGMA koordinátor J. Zahradník 2004-2006: Earthquakes, Tsunamis and Landslides EC 6. rámc. program, 3HAZ-CORINTH koordinátor P. Bernard, Paris, France.

Projekty (pokrač.): 2000-2003: Practical, Real-time Estimation of Aftershocks EC 5FWP PRESAP koordinátor J. McCloskey, Univ. of Ulster, United Kingdom. 2004-2006: Earthquakes, Tsunamis and Landslides EC 6FWP 3HAZ-CORINTH koordinátor P. Bernard, IPGP, France. 2003-2005: Prague Centre of Mathematical Geophysics, Meteorology, and their Applications EC 6FWP MAGMA koordinátor J. Zahradník

Tsunami Pacific Center: výpočetní model

Plášťové vlny (periody > 100 sec) + + +

Vlastní kmity Země (periody až desítky minut)

Přerušovaný zlomový proces 1 2 2 1 3 Jev 2 a 3 „spuštěn“ jevem 1?

Některé současné trendy od zlomu k pohybům půdy (přímá úloha) od pohybů půdy ke zlomu (obrácená úloha) vícenásobná zemětřesení vzájemné ovlivňování zlomů statickou změnou napětí přírodní laboratoře a širší geodynamické souvislosti

Atény 7.9.1999 M 5.9 (7.1013 J) 140 obětí ? m/s2

Atény 7.9.1999 M 5.9 (7.1013 J) 140 obětí

Atény 7.9.1999 M 5.9 (7.1013 J) 140 obětí

Některé současné trendy od zlomu k pohybům půdy (přímá úloha) od pohybů půdy ke zlomu (obrácená úloha) vícenásobná zemětřesení vzájemné ovlivňování zlomů statickou změnou napětí přírodní laboratoře a širší geodynamické souvislosti

t - tenzor napětí, u - vektor posunutí r - hustota, c - tenzor elast. parametrů G - Greenův tenzor S - zlomová plocha, n - její normála [u] - nespojitost posunutí na zlomu

přímá úloha zlom c(x) - „prostředí“- 3D prostorová funkce, nespojitá pohyb na povrchu Země u = ? zlom šíření trhliny přímá úloha c(x) - „prostředí“- 3D prostorová funkce, nespojitá S, n - „zdroj“ - většinou rovinná zlomová plocha [u(x,t)] - „trhlina“, většinou smyková, [u]  S m - momentový tenzor

zlom Tselentis, G.-A., Zahradník, J. (2000), The Athens earthquake of September 7, 1999, Bull. Seism. Soc. Am., 90, 1143-1160. zlom zlom (na povrchu) a zlomová plocha 4 km hloubka „mapování “ zlomu pomocí lokalizace dotřesů (dočasná síť 30 stanic) (O. Smrž, J. Janský) 10 km

Plicka V., and Zahradník, J. (2002), The use of eGf method for dissimilar focal mechanisms: The Athens 1999 earthquake, Tectonophysics 359, 81-95.

model šíření trhliny a vln vysvětluje místa ničivých účinků ale maximální vypočtené zrychlení je malé Zahradník, J., Tselentis, G.-A. (2002) (nová metoda stochastické extrapolace do ~ 10 Hz)

Měření existují jen mimo postiženou oblast a model tam vyhovuje X=accelerographs 3 ITSAK, 12 NOA site anomalies Empirical relation (N. Theodulidis, 1991)

měření v Aténách mimo postiženou oblast model částečně ověřují (syntetické a reálné záznamy)

... a ještě jedna stanice

V čem je model nedokonalý v nejvíce postižené oblasti? chybí 3D povrchové nehomogenity,patrně způsobující lokální zesílení Lekkas et al., 2000

Vliv lokálních vlnových procesů patří k prioritám seismologie 3D 1D na MFF 1985-dosud

Z našich dřívějších výzkumů lokálních vlivů (1985-dosud) 2D konečné diference údolí Tibery Řím, (spolupráce: A.Caserta)

O ekvivalenci nespojitých parametrů, objemových silách a podmínce spojitosti napětí Zahradník, J., Priolo, E. (1995), Heterogeneous formulations of elastodynamic equations and finite-difference schemes, Geophys. J. Int. 120, 663-676.

Nová metoda kombinuje pro Atény vliv konečného zdroje a místní 3D (rezonanční) vlivy:  v nejvíce postižené oblasti až 0.6 g Opršal, I., Zahradník, J. (2002), J. Geophys. Res. 107, Art. No. 2161.

Nová 3D metoda kombinuje pro Atény vliv konečného zdroje, šíření vln a místní (rezonanční) vlivy: ? Opršal, I., Zahradník, J. (2002), J. Geophys. Res. 107, Art. No. 2161.

Výklad ničivých účinků: v nejvíce postižené oblasti dosáhlo horiz Výklad ničivých účinků: v nejvíce postižené oblasti dosáhlo horiz. zrychlení 0.6 g jednalo se o vliv směrovosti zdroje kombinovaný s místními podmínkami

basilej^1356 rytina

Basilej M~6.5 možný “scénář” opakování zemětřesení r. 1356 3D metoda konečných diferencí (I. Opršal)

Některé současné trendy od zlomu k pohybům půdy (přímá úloha) od pohybů půdy ke zlomu (obrácená úloha) vícenásobná zemětřesení vzájemné ovlivňování zlomů statickou změnou napětí přírodní laboratoře a širší geodynamické souvislosti

Zemětřesení u ostrova Skyros 26. 7. 2001 M 6.4 řecká síť (periody do 20 s) a stanice MFF (periody do 100 s)

GPS měření horizontálních pohybů

GPS měření horizontálních pohybů zlom má však jiný směr

Byl aktivován zlom, kolmý na obvyklé tektonické směry Můžeme poskytnout podrobnější model zdroje ? obrácená úloha

Obrácená úloha bodového zdroje vlastní vektory Mpq  horiz. smyk na téměř svislé zlomové ploše ale jak se trhlina šířila ?

Pro syntézu Greenových funkcí potřebujeme dobrý model zemské kůry Izmit M 7.5 Aug.17 1999 SER

Model lze zjistit inverzí disperzních povrchových vln

nový model je silně odlišný pro T<20 sec Novotný, O., Zahradník, J., Tselentis, G-A. (2001), Bull. Seism. Soc. Am. 91, 875-879. nový model je silně odlišný pro T<20 sec OLD NEW NEW OLD

bodový zdroj vysvětluje data, ale vyžaduje různou (zdánlivou) dobu trvání ohniska pro různé stanice analogie Dopplerova jevu

měření pohybu na povrchu Země zlom šíření trhliny ? obrácená úloha

konečný zdroj umožňuje rozhodnout o směru šíření trhliny svazky křivek ódpovídají nejistotě rychlosti trhliny (2 až 3 km/s; optim. 2.2 km/s)

konečný zdroj umožňuje určit směr a rychlost šíření trhliny !! Zahradník, J. (2002), Studia Geoph. et Geod. 46, 753-771.  datům lépe vyhovuje šíření trhliny ze SZ na JV

model pak vysvětlí i větší ničivé účinky JV od epicentra

model vysvětluje i větší účinky směrem na JV od epicentra

Jsme schopni předvídat aktivaci okolních zlomů ? EC projekt PRESAP Mc Closkey, Ulster: ano a simulaci silných pohybů pro ně můžeme provést předem V. Karakostas: Coulomb stress ....

Některé současné trendy od zlomu k pohybům půdy (přímá úloha) od pohybů půdy ke zlomu (obrácená úloha) vícenásobná zemětřesení vzájemné ovlivňování zlomů statickou změnou napětí přírodní laboratoře a širší geodynamické souvislosti

Lefkada M 6.0 14. 8. 2003 nová metoda analýzy vícenásobného zdroje pomocí regionálních sseismogramů

Od seismogramů k momentovým tenzorům dílčích zdrojů 1 momentový tenzor: minimalizace L2 normy rozdílu mezi pozorovanými a syntetickými seismogramy (lin. přeurčená úloha pro 5 parametrů, nejmenší čtverce) optimální poloha 1 zdroje: maximalizace korelace (nelin. úloha pro 2 parametry, síťové hledání)

rozklad na bázové tenzory elementární seismogramy

momentový tenzor: minimalizace L2 normy rozdílu rozklad na bázové tenzory elementární seismogramy momentový tenzor: minimalizace L2 normy rozdílu mezi pozorovanými a syntetickými seismogramy (lin. přeurčená úloha pro 5 parametrů, nejmenší čtverce)

postupně se hledá několik zdrojů optimální poloha a čas zdroje: minimalizace chyby = maximalizace korelace (nelin. úloha pro 2 parametry, síťové hledání) čas postupně se hledá několik zdrojů poloha nejednoznačnost, stabilizační podmínky, ...

Iterativní dekonvoluce vícenásobného bodového zdroje data model Iterativní dekonvoluce vícenásobného bodového zdroje pro periody 10-20 sekund

test stability výsledného řešení mom1=mom2=0.5e18 Nm mom3=mom4=0.2e18 Nm

výsledek: dva hlavní jevy („dvojče“) 40 km a 14 sec od sebe =spuštění sousedního zlomu rychlou napěťovou změnou! Zahradník, J. et al. (2005). Bull. Seism. Soc. Am., 95, 159-172.

model vysvětluje dva oddělené shluky dotřesů

tenzorový součet jevů 1 a 2 není čistý smyk vícenásobnost = jeden z možných výkladů nesmykových složek zemětřesení

Některé současné trendy od zlomu k pohybům půdy (přímá úloha) od pohybů půdy ke zlomu (obrácená úloha) vícenásobná zemětřesení vzájemné ovlivňování zlomů statickou změnou napětí přírodní laboratoře a širší geodynamické souvislosti

Jsme schopni předvídat aktivaci okolních zlomů ? EC projekt PRESAP Mc Closkey, Ulster: ano a simulaci silných pohybů pro ně můžeme provést předem V. Karakostas: Coulomb stress ....

Jsme schopni předvídat aktivaci okolních zlomů ? EC projekt PRESAP Mc Closkey, Ulster: ano protože dotřesy jsou převážně v oblasti kladného „Coulombova napětí“ V. Karakostas: Coulomb stress ....

hlavní zlom: [u(x,t)]  kdekoli: u(x,t)  tenzor napětí t  na sousedním zlomu: Tn , Tt T Tn Tt sousední zlom je ovlivněn změnou napětí na hlavním zlomu známe [u]

projekce tečného napětí Tt do předpokl. směru skluzu: Tts Coulombovo kriterium: Tts - .... Tts > či < 0 T Tn Tt sousední zlom  možnost posoudit náchylnost sousedních zlomů k aktivaci, ale jen za předpokladu dobré znalosti [u] hlavního zlomu Tts předpokl. směr skluzu

Co to znamená pro dvojité zemětřesení na Lefkadě? existuje 20 km „zatížený“ segment zlomu a simulaci silných pohybů pro něj můžeme provést předem Lefkada Kefallonie S. Nalbant (nepublikováno)

Některé současné trendy od zlomu k pohybům půdy (přímá úloha) od pohybů půdy ke zlomu (obrácená úloha) vícenásobná zemětřesení vzájemné ovlivňování zlomů statickou změnou napětí přírodní laboratoře a širší geodynamické souvislosti

rozvírání, ~ 1 cm/rok ! 3HAZ-CORINTH (2004-2006), koord. P. Bernard, Paříž Zemětřesení, tsunami a sesuvy v Korintském zálivu rozvírání, ~ 1 cm/rok !

Nový evropský projekt spojí výzkum zemětřesení a průvodních jevů, např Nový evropský projekt spojí výzkum zemětřesení a průvodních jevů, např. pomalých deformací MFF se účastní dvěma ze svých 4 stanic (a vývojem interpretačních metod)

Neobvyklé signály při blízkých slabých zemětřeseních ? vzdálenost 10km, M 3

přístroje na abnormální vstup, t.j. náhlý náklon Zahradník, J., Plešinger, A. Long-period pulses in broad band records of near earthquakes. Bull. Seism. Soc. Am., v tisku. Normální odezva 100-sec přístroje na abnormální vstup, t.j. náhlý náklon (zde 0.6 mikroradiánů) původ náklonu zatím neznámý (teor. model dává řádově méně) ACCELEROGRAPH

Další zajímavost: Po náhlém náklonu pozorujeme 5 min. pomalý “návrat”. Realita nebo šum ?

Výhled do budoucna ?

Nadějné směry dalšího vývoje: dynamika rychlého porušení a dlouhodobá evoluce zlomů (teorie, data, modelování) souvislosti zemětřesení a pomalejších geodynamických procesů jednotná matematická geofyzika na MFF a její stálé místo v evropských projektech výzkumu i výuky http://geo.mff.cuni.cz

Život zlomu napětí roste a vzniká asperita „starý“ „mladý“ F. Gallovič

Zlom jako fraktál, dimenze D=2 J. Burjánek

Mocninné zákony N ~ R-D log N ~ -D log R ~ -D/3 log Mo ~ -D/2 M Mo ~ R3 (neboť Mo ~ [u]S ~ [u]R2 a [u]~R) M ~ 2/3 log Mo log N = a - b M (1 rok, svět, a=8, b=1, D=2)

Dlouhodobá příprava z. ? Historická z. M8 a větší zde mají „mezeru“ současné katalogy (po r. 1970) kladou do mezery jen jedno M7

Jeden z příznaků: „zrychlená“ seismicita nekonst. D konst. D POZOR: Tento obrázek se netýká Sumatry !

Asperity model Entire fault: Average slip: D Moment: Mo=m D L2 Stress drop: DsMo/L3 Spectr. acc: A  s L Asperity: Slip 2D Moment: Mo/2 Stress drop: 4Ds Spectr. acc: 2A Asperity model

Kompozitní model zdroje U(f) ~ f -2 pro f, U(f) ~ f 0 pro f0 Mo ~ R3 označme N=R/r, sečtěme N2 malých jevů U/u = N pro f, U/u =N3 pro f0 f nekoherence, součet N2 jevů dá zesílení N f0 koherence, součet N2 jevů dá zesílení N2 (ale potřebujeme N3)

Tzv. obrácená úloha „od vln zpět ke zlomu“ u ... elast. posunutí (seis. vlna) S ... zlomová plocha [u] ... nespojitost posunutí (trhlina) na S G ... Greenův tenzor Tzv. obrácená úloha „od vln zpět ke zlomu“

Zahradník, J., Plešinger, A. Long-period pulses in broad band records of near earthquakes. Bull. Seism. Soc. Am., v tisku. input input output output 100-SEC VELOCIGRAPH ACCELEROGRAPH

Normální odezva 100-sec přístroje na abnormální vstup, t. j Normální odezva 100-sec přístroje na abnormální vstup, t.j. skok zrychlení, čili náhlý náklon v tomto případě jde o náklon 0.6 mikroradiánů původ náklonu zatím neznámý

Nový evropský projekt spojí výzkum zemětřesení i průvodních jevů, např Nový evropský projekt spojí výzkum zemětřesení i průvodních jevů, např. pomalých deformací 3HAZ-CORINTH (2004-2006), coordinated by P. Bernard, France. Earthquakes, Tsunamis and Landslides in the Corinth Rift, Greece

Nový evropský projekt spojí výzkum zemětřesení i průvodních jevů, např Nový evropský projekt spojí výzkum zemětřesení i průvodních jevů, např. pomalých deformací 3HAZ-CORINTH (2004-2006), koord. P. Bernard Zemětřesení, tsunami a sesuvy v Korintském zálivu

Současný stav: 8 seismografů MFF UK na 4 stanicích 2 samostatné (SERG, MAMO) 2 satelitní (LOUT, PYLO) přístroje pro slabé i silné pohyby

T Tn Tt aktivovaný zlom Tts hlavní zlom [u] předpokl. směr skluzu

S P t

“zdroj” = zlomová plocha S

source = fault plane S

t - tenzor napětí, u - vektor posunutí r - hustota, c - tenzor elast. parametrů S - zlomová plocha, n - její normála [u] - nespojitost posunutí na zlomu, m - momentový tenzor, G - Greenův tenzor

LR P LQ S LQ rychlost kmitů 1 mm/s, perioda 60 sec... posunutí ~ 1 cm !!

Delší záznam a periody 50-100 sec plášťové vlny 4 hodiny

SER station, CMG-3T, note the undisturbed Z-component low pass f < 1 Hz: data model response

Unfiltered time histories velocity displacement data model both NS, EW explained by an accel. step 6. 10-4 m/s2

Vartholomio (near Zakynthos) Dec. 2, 2002 ETH-SED: Mw=5. 7 DC%=55 Vartholomio (near Zakynthos) Dec. 2, 2002 ETH-SED: Mw=5.7 DC%=55 ! (HRV: DC%=58, Mednet: DC%=44) Zakynthos

6 NOA stations, f=0.05 to 0.1 Hz blue: data black: synthetics for crustal model of Haslinger et al. (1999) weights proportional to 1/A were applied

Going into large details: Optimum correlation is not compatible with 100% DC trial source position trial time shift

Fixing the opt. source position and increasing frequency (f < 0 Fixing the opt. source position and increasing frequency (f < 0.3 Hz): 3 subevents 2-sec time delay between sub 1 and 2; sub 3 is unstable

Subevents 1 and 2: similar strike and dip, but different rake Consider sub 1 and 2 as 100% DC (but unequal !), and sum up their moment tensors: Result: sub 1+ 2 provides DC% 77 to 93%, analogous to the previous single-source study. Multiplicity seems to explain the non-DC mechanism.

Landers 1992 M 7.4 and Big Bear M 6.5

Sergoula station f < 10 Hz

LF coherence and HF incoherence *125 *1

Example: Colfiorito Mw 6.0

Deterministic up to 5 Hz versus “extrapolated” above 2.6 Hz GTAD = Gualdo Tadino

... another station CTOR = Cerreto Torre

CMG 5-T (Guralp) strong-motion accelerograph

Cooperation: E. Sokos, Patras University

[u(x,t)] the fault rupture, or slip

Asperity 5x5 km, equal-size subsources Entire fault 12.0 x 7.5 km, fractal subsources Asperity 5x5 km, equal-size subsources (Jan Burjánek) a single realization