Fokalni mehanizmi

Tektonika ploča, o kojoj sam pisao u prehodnim postovima, ima svoje posljedice. Najuočljiviji su, svakako, potresi. Nakon potresa iz medija dobivamo niz podataka o posljedicama potresa. Pored toga, specijalističke organizacije (seizmološki zavodi, geološki instituti…) nam obezbjedjuju geološke i geofizičke podatke koji objašnjavaju zašto je došlo do potresa i kako se on manifestirao kroz fizičke parametre. Koji su to podaci i kako ih čitati?

Potres je kompleksna pojava za čije razumijevanje je potrebno znati čitav niz karakteristika jedne zone: kako sa geodinamičkog, regionalnog aspekta, tako i sa onog lokalnog (pedološkog, strukturno-geološkog, tektonskog, neotektonskog, hidrogeološkog…). Bitne podatke o potresu dobijamo i tokom samog potresa. Te podatke (kao što je dubina hipocentra, magnituda) prikupljaju seizmološke stanica (o ovome je bilo riječi ranije). U tom smislu, seizmološki instituti često objavljuju dijagrame koji opisuju jedan potres, odnosno daju karakter kretanja po rasedu odgovornom za oslobadjanje seizmične energije  i potresanje jedne oblasti. Ti dijagrami se nazivaju FOKALNI MEHANIZMI.

Po DEFINICIJI, fokalni mehanizam je grafička prezentacija neelastične deformacije jedne oblasti, izazvane prostiranjem seizmičkih valova zemljotresa.

Drugim riječima, to je rezultat analize (grafički predstavljen) prostiranja P-valova potresa čiji su podaci prikupljeni iz mreže seizmoloških stanica (potrebno je da ih ima najmanje 10 i da su više-manje pravilno rasporedjene oko epicentra potresa).

Energija potresa (uz sve aproksimacije u koje sada neću ulaziti) se, ukratko rečeno, opisuje double couple modelom. Ovaj model je matematički opisan u tri dimenzije simetričnim tenzorom od devet komponenti koji se naziva  moment tenzor. I ovaj tenzor (kao i tenzor stresa npr) je dat orijentacijom i intenzitetom 3 međusobno normalne osnovne ose: P (kompresija), T (tenzija) i N (neutralna osa). Orijentacija i intenzitet ovih sa se utvrdjuje podacima koje prikupljaju seizmološke stanice tokom jednog potresa. Jako su bitni podaci o orijentaciji ovih osa jer mogu poslužiti kako za definiranje ravni rasjeda po kojima je došlo do kretanja tokom potresa, tako i karaktera kretanja po rasjedu.

Medjutim, fokalni mehanizam kao rješenje daje dvije ravni rasjeda (konjugovani par). Samo po jednoj od njih je došlo do kretanja tokom potresa (najčešće). Foklani mehanizam nam NE daje podakte koji od tih rasejda je bio aktivan tokom potresa. To je ono gdje strukturni geolozi i geolozi ulaze u „igru“. Naime, dodatni geološki podaci (kao što su geološke karte, razni geološki, stratigrafski, strukturni i dr. podaci sa terena) su potrebni da odredimo koji rasjed je bio aktivan tokom potresa. Tada fokalni mehanizmi imaju svoj pun i ogroman značaj!

Kako čitati fokalane mehanizme?

Naime, svaki od fokalnih mehanizamam ima dvije planare predstavljene tzv. velikim krugovima na donjoj polulopti  sterografske projekcije. Taj par rasjeda je teoretsko rješenje. Samo jedan rasjed od tog konjugovanog para rasjeda je bio aktivan tokom potresa. Ove ravni su postavljene pod 90° jedna na drugu. Naravno, glavne ose tenzora su postavljene kao bisektrise uglova koji zaklapaju ove ravni rasjeda. Polje koje je odredjeno (omedjeno) sa konjugovanim parom rasjeda i u kojem se nalazi osa maksimalne kompresije je polje kompresije, dok je polje u kome se nalazi osa maksimalne tenzije polje tenzije. Polje kompresije se predstavlja bijelom bojom, dok je polje tenzije crno. Prilikom prolaska seizmični valova kroz stijenu dešava se to da u polju kompresije (bijelo polje) čestice teže da se kreću ka fokusu potresa (tj centru sterografske projekcije – kružnici), dok se u tenzionom polju (crno polje) udaljavaju od istog. Ovo jednostavno pravilo služi za odredjivanje karaktera kretanja po rasjedu. Opet ponavljam, bitno je uključiti i druge geološke podakte i prvo vidjeti na kom je rasjedu iz konjugovanog para došlo do kretanja, pa onda odrediti kretanje koristeći foklane mehanizme.

Objašnjenje kroz konretan primjer:

Na slici vidimo da se radi o strike-slip rasjedanju (vertikalne rasjedne površi) i to desnom kod rasjeda pružanja I-Z, odnosno lijevog u slučaju rasjeda pružanja S-J.

Polje tenzije i kompresije na fokalnom mehanizmu. Kredit: Vince Cronin, Baylor University, 2004.

Do karaktera kretanja dolazimo vodeći se pravilom da čestice u polju kompresije teže ka fokusu, dok u polju tenzije periferiji projekcije lopte (vidi sliku). Drugim riječima, kretanje po datom rasjedu čitamo tako što pretpostavimo da se čestice kreču od polja kompresije ka polju tenzije (od bijelog ka crnom polju). Naravno, ovo važi kako za strike-slip, tako i za normalne, odnosno inverzne rasjede.

Normalno i inverzno rasedanje. Kredit: Vince Cronin, Baylor University, 2004.

Kod normalnih rasjeda (lijevo na slici) centar fokalnog mehanizma (projekcije) je u polju kompresije (bijelo polje), dok je kod inverznog rasjeda u polju tenzije (crno polje). I ovdje vidimo da se čestice kreću od bijelog ka crnom polju.

Kompleksno rasedanje. Kredit: Vince Cronin, Baylor University, 2004.

Postoje i kombinacije strike-slip i normalnog/inverznog kretanja (vrlo čest slučaj u prirodi). Ako je centar projekcije u bijelom polju, tada ovakvi kompleksni rasjedi imaju normalnu komponentu. Obrnuto, ako je centar u crnom polju, onda imaju komponentu inverznog kretanja.

Kako seizmološka stanica prikuplja podatke jednog potresa i kako se ti podaci koriste za modeliranje fokalnog mehanizma tog potresa?

Postoji nekoliko metoda kako se dolazi do moment tenzora, tj orijentacije njegove tri glavne ose. Jedan od metoda je i tzv grafička metoda. Ova metoda nije primjenjiva za sve zemljotresa. Medjutim, zgodna je za razumijevanje na koji način se podaci sa seizograma mogu iskoristiti sa ciljem dobijanja drugih podataka, kao što su fokalni mehanizmi. Već sam ranije pisao kako se odredjuje pozicija epicentra, tj razdaljina svake seizmografske stanice od epicentra. Koje početne podatke imamo? Imamo točno vrijeme zemljotresa i razdaljine svake od stanica od epicentra. Onda pomoću standardnog seizmičkog modela brzine prostiranja seizmičnih valova kroz zemljinu koru izračunavamo teoretsko vrijeme pristizanja PRVIH P-valova do svake od stanica. Zatim se gleda karakter P-valova u točno izračunatom trenutku t.  Tako P-valovi u tom izračunatom trenutku t na seizmogramu mogu biti u „negativnom“, „pozitivnom“ piku, ili ne moraju niti biti zabilježeni.

Stizanje prvih P-valova u trenutku t i njihov karakter. Kredit: Vince Cronin, Baylor University, 2004.

Svaki od ovih podataka (svaka stanica) ima još dva bitna podatka: jedan je azimut stanice u odnosu na fokus potresa i tzv take-off angle, odnosno ugao koji zaklapa imaginaran pravac stanica-fokus i vertikalna ravan.  Prvi P-valovi u „pozitivnom“ piku imaju kompresioni karakter, u „negativnm“ piku tenzioni, dok ako nema signala u trenutku t radi se o neutralnim ravnima, odnosno ranima raseda (ili je preslab signal u pitanju). Tako svaki podatak možemo predstaviti na projekciji donje polulopte jer znamo njegovu orijentaciju (azimut i tako-off angle), kao i karakter u kinematskom smislu (kompresija, tenzija…).

Rezultantni model fokalnog mehanizma dobijen grafičkom metodom prvih P-valova. Kredit: Vince Cronin, Baylor University, 2004.

Time dobijamo niz podataka čijom interpolacijom možemo dobiti foklani mehanizam jednog zemljotresa. Logično, što imamo više podatka to će fokalni mehanizam biti precizniji i vjerodostojniji za dati potres.

Za kraj jedan realan primjer fokalnog mehanizma nedavnog Novo Zelandskog potresa. Podaci su dobijeni putem USGS-ovog servisa. Vidimo da se uglavnom radi o desnom strike-slip kretanju po Z-I rasjedu što odgovara kompleksnoj geodinamičkoj slici situacije koja je prisutna na ovim prostorima, zbog kretanja Pacifičke i Australijske ploče.

Link: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2010/us2010atbj/neic_atbj_cmt.php

Fokalni mehanizam nedavnog potresa na Novom Zelandu. Kredit: USGS, link: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2010/us2010atbj/neic_atbj_cmt.php