Metodologija

140 godina nastave prirodoslovlja i matematike na Sveučilištu u Zagrebu, 70 godina PMF-a

METODOLOGIJA


Relokacija potresa – Hrvatski katalog potresa (CEC) zaključno s veljačom 2014. godine sadrži 9201 potres s epicentrom u širem području Velebita (plavi pravokutnik na slici a1), od čega je njih 1357 locirano u velebitskom području definiranom crvenim pravokutnikom na slici a1. Više od 2/3 tih potresa dogodilo se u posljednjih 10 godina što znači da posjedujemo veliku količinu digitalnih podataka. Rutinsko određivanje žarišta potresa često je provedeno koristeći samo podatke s hrvatskih postaja ili s podacima iz susjednih zemalja koji su bili dostupni u vrijeme pripreme biltena. Nadalje, velika većina potresa locirana je koristeći usrednjeni regionalni model seizmičkih brzina koji je neprikladan za određivanje pojedinačnih vremena putovanja vala. Ovaj problem neprikladnih hodokrona (krivulja vrijeme-udaljenost za pojedine faze valova) zbog geološki i tektonski složenog područja može se otkloniti ili stvaranjem preciznog 3-D modela seizmičkih brzina kore i gornjeg plašta ili korištenjem razumnog referentnog modela, te se iterativnim pristupom mogu odrediti i primijeniti stanične korekcije za svaku kombinaciju postaja-faza-epicentralno područje. Dakle predlažemo sljedeće:
a) pažljivu (re)analizu dostupnih digitalnih seizmograma koji nisu uključeni u rutinsku analizu potresa (prvenstveno onih iz Slovenije i Italije) i/ili dodavanje nedostajućih podataka iz biltena navedenih zemalja;
b) podijeliti promatramo područje na malene, nepreklapajuće ćelije (npr. 20 km × 20 km);
c) provesti ciklus određivanja korekcija epicentar potresa – postaja za sve postaje i sve faze, računajući prosječne korekcije (za svaku postaju i fazu) ćeliju po ćeliju, prema epicentralnim koordinatama odgovarajućih potresa. Postupak je potrebno ponavljati dok se stanične korekcije i lokacije ne stabiliziraju.

Žarišni mehanizmi potresa (FPS) – Metode za određivanje mehanizma pomaka u žarištu potresa pomoću orijentacije prvog nailaska vala dobro su poznate, s brojnim već postojećim računalnim programima koji tomu služe. Koristit ćemo program koji, osim orijentacije prvog nailaska, u obzir uzima i a priori informaciju o oštrini i istaknutosti prvog pomaka, kao i omjer opaženih P-, SV- i SH-valova. Uzimajući u obzir spomenute omjere, značajno se smanjuje dvoznačnost rješenja koje je posljedica nedovoljnog uzorkovanja žarišne sfere (npr. Snoke, 2009; Havskov i Ottemöller, 2010). Očekujemo da ćemo poudano odrediti žarišne mehanizme za većinu potresa magnitude veće od 2.3–2.5 u području Velebita jednom kada Velebit-net bude uspostavljena i potpuno operativna.

Funkcije prijemnika (RF) – Metoda funkcija prijemnika temelji se na činjenici da se seizmički valovi konvertiraju u druge faze na granici sredstava s velikim kontrastom u seizmičkoj impedanciji. Preciznije rečeno, za istraživanje kore želimo iskoristiti konvertirani P- u S-val teleseizmičkih potresa koji na postaju upadaju pod malim kutom te koji su uglavnom zabilježeni na horizontalnim komponentama. Iako se i longitudinalni (P) i transverzalni (S) val može koristiti kao ishodišni val konvertiranog vala, uobičajeno je koristiti P-u-S konverzije jer su zbog svoje kraće valne duljine prikladnije za proučavanje struktura malih dimenzija u kori. Konvertirane faze koje na postaju nailaze neposredno nakon prvog nailaska P-vala u pravilu su zasjenjene artefaktima uzrokovanim kompleksnošću procesa u žarištu potresa ili ostalim nailascima čiji je izvor u blizini žarišta potresa. Da bi se izolirali učinci lokalnih struktura zabilježeni na horizontalnim komponentama, potrebno je ove komponente dekonvoluirati s vertikalnom komponentom zapisa (Vinnik, 1977; Langston, 1979). Valni oblik koji na ovaj način dobijemo nazivamo funkcija prijemnika i predstavlja transfer-funkciju sredstva ispod postaje koja je signal zabilježila. Svaki brijeg i dol u funkciji prijemnika predstavlja konverziju faza na određenoj granici sredstava različitih seizmičkih impedancija. Mjereći vremena nailazaka i amplitude ovih šiljaka možemo rekonstruirati strukturu kore i gornjeg plašta ispod seizmološke postaje. Da bismo iskoristili čitav raspon informacija koje funkcije prijemnika sadrže, trebamo upotrijebiti i inverziju valnog oblika. Rezultat inverzije valnog oblika za funkcije prijemnika je 1-D model seizmičkih brzina po dubini ispod postaje te informacija o seizmičkoj anizotropiji i nagibu struktura (npr. Savage, 1998; Tkalčić i sur., 2006; Piana Agostinetti i Maliverno, 2010; Stipčević i sur., 2011; Bodin i sur., 2012a).
U ovom projektu želimo upotrijebiti analizu funkcija prijemnika kako bismo mapirali glavne diskontinuitete u kori i gornjem plaštu. Koristit ćemo i inverziju valnih oblika i praćenje putanje zrake vala (raytracing) kako bismo odredili 1-D model seizmičkih brzina ispod svake postaje predviđene u mreži seizmoloških postaja Velebit-net. Prema vlastitom iskustvu iz prethodnih istraživanja u ovom području (Stipčević, 2012), očekujemo stotinjak zapisa teleseizmičkih potresa visoke kvalitete u jednoj godini projekta, što bi činilo skup podataka prikladan za kvalitetnu procjenu podzemne strukture.

Tomografija pomoću seizmičkog nemira – Teorijska su istraživanja pokazala da se iz križne korelacije (engl. cross-correlation) difuznog valnog polja zapisanog na dvije seizmološke postaje može procijeniti Greenova funkcija (npr. Weaver i Lobkis, 2001; Snieder, 2004; Wapenaar, 2004). U praksi to znači da križno-korelirajući duge vremenske nizove zapisa seizmičkog nemira na dvije postaje možemo amplificirati koherentne valne oblike zabilježene na obje postaje. Tomografija pomoću seizmičkog nemira koristi mjerenja disperzivnog dijela procijenjene Greenove funkcije (koherentni širokopojasni zapis Rayleighjevih valova) na mreži seizmoloških postaja da bi dobili informacije o elastičkim strukturama u unutrašnjosti Zemlje. Grupne brzine određuju se iz očitanja vremena nailaska najveće amplitude na ovojnici pojasno-filtriranog seizmograma. Nakon što odredimo vremena putovanja vala za parove postaja u mreži možemo generirati tomografske karte za svaki period. Prikladnost korištenih perioda za upotrebu ovise o udaljenostima između postaja, a za velebitsko područje procjenjujemo da je to raspon od 1 do 20 s. Ovaj raspon perioda omogućuje nam da donosimo zaključke o strukturi kore do 25 km dubine. Za procjenu Greenovih funkcija koristit ćemo proceduru koja je detaljno opisana u radovima Bensena i sur. (2007) i Young i sur. (2013), uz dodatak spektralnog izbjeljivanja signala kako bi se smanjio utjecaj lokalne seizmičnosti na križne korelacije.

Slika c1. Primjer preliminarne analize i procijenjenih Greenovih funkcija (pojasno-filtriranih između 10 i 20 s) za putanje između postaje KSY u području Velebita (crveni trokuti) i ostalih seizmičkih postaja (plavi trokuti) u širem području Dinarida. 

Zajednička inverzija funkcija prijemnika i disperzije površinskih valova – Funkcije prijemnika i disperzija površinskih valova su prirodan par koji čini idealnu podlogu za zajedničku inverziju. Koristeći zajedno oba skupa podataka možemo postići višu razinu ograničenja za model nego kada ih koristimo zasebno. To je moguće zato što su funkcije prijemnika osjetljive na kontrast u seizmičkim brzinama u susjednim slojevima, ali su neosjetljive na njihove apsolutne vrijednosti, dok je disperzija površinskih valova osjetljiva na apsolutne vrijednosti brzina transverzalnih valova područja kroz koji prolaze, ali je neosjetljiva na velike gradijente u seizmičkim brzinama (npr. Julia i sur., 2000; Bodin i sur., 2012a). Nakon što odredimo funkcije prijemnika i disperzijske krivulje iz seizmičkog nemira, učinit ćemo zajedničku inverziju kako bismo utvrdili nova ograničenja za strukturu seizmičkih brzina u kori za područje Velebita.

Istraživanje kore u okviru Bayesovog pristupa – U posljednjih nekoliko godina u geofizičkoj zajednici iznimno je popularan postao pristup procesu inverzije temeljen na Bayesovom rasuđivanju. Rani radovi Maliverna (2000, 2002) pokazali su da je probabilističko Bayesovo zaključivanje idealno za primjenu u rješavanju snažno nejedinstvenih i nelinearnih geofizičkih problema. U postupku procjene Bayesovih parametara, prostor parametara modela uzorkuje se koristeći prethodne vjerojatnosti i funkciju vjerodostojnosti podataka pomoću Bayesovog pravila. U drugom dijelu ovog postupka uspoređuju se modeli s različitom parametrizacijom te se zadržavaju samo oni koji zadovoljavaju određene kriterije koji u konačnici daju naknadnu raspodjelu u prostoru modela. U ovakvom pristupu parametri modela, uključujući i razinu šuma podataka, smatraju se nepoznanicama i predstavljeni su funkcijom raspodjele vjerojatnosti koja ovisi o prethodnim informacijama i inofrmacijama koje daju podaci. Ovakav pristup često se naziva transdimenzionalan zbog toga što se broj parametara, odnosno broj nepoznanica, mijenja tijekom inverzije. Bayesova transdimenzionalna metoda primijenjena je na mnogo geofizičkih problema uključujući funkcije prijemnika (Piana Agostinetti i Maliverno, 2010; Bodin i sur., 2012a), tomografiju pomoću seizmičkog nemira (Bodin i Sambridge, 2009; Bodin i sur., 2012b; Young i sur., 2013) i disperziju podataka (Bodin i sur., 2012a; Dettmar i sur., 2012).
U ovom projektu koristit ćemo algoritme temeljene na Bayesovoj transdimenzionalnoj inverzijskoj metodi kako bismo mogli donijeti neke zaključke o strukturi seizmičkih brzina. Primijenit ćemo ovu metodu na funkcije prijemnika, tomografiju pomoću seizmičkog nemira i zajedničku inverziju funkcija prijemnika i disperzije površinskih valova kako bismo načinili detaljne 3-D karte strukture seizmičkih brzina za područje Velebita.

Atenuacija – Atenuacija je posljedica rasprostiranja valova, koji u kombinaciji s djelovanjem izvora i podloge ispod seizmološke postaje, utječu na oblik i frekvencijski sadržaj seizmigrama potresa. Da bismo proučavali jedan od ovih učinaka, moramo ukloniti utjecaj druga dva. To znači da je učinak atenuacije potrebno poznavati kako bismo odredili parametre seizmičkog izvora, kvalitetno modelirali i radili inverzije, ili procjenili seizmički hazard. Nadalje, atenuacija je osjetljivija na promjene u temperaturi i sadržaj fluida u stijenama nego što je to slučaj sa seizmičkim brzinama: ova svojstva atenuacije čine njeno poznavanje vrijednim izvorom informacija pri interpretaciji strukture i geodinamike promatranog područja.
Jedna od najčešće korištenih metoda za procjenu atenuacije je određivanje faktora dobrote QC kao stope atenuacije koda valova. Koda valovi su nekoherentni valovi nastali raspršenjem elastičkih valova na heterogenostima u Zemljinoj unutrašnjosti. Očituju se kao valovi koji slijede izravne faze S-valova na seizmogramu lokalnog potresa. QC opisuje ukupnu atenuaciju koja uključuje gubitak energije u obliku topline (intrinzična atenuacija) i preraspodjelu energije zbog raspršenja valova na heterogenostima. Koristit ćemo model jednostrukog raspršenja unazad koji su predložili Aki i Chouet (1975) kako bismo procijenili QC -faktor i njegovu frekvencijsku ovisnost. Vremenska promjenjivost QC -faktora odražava atenuacijska svojstva na različitim dubinama. Ovaj pristup prikladan je za proučavanje heterogenosti u litosferi dimenzija 0.1–10 km (Sato i Fehler, 1998).
Za procjenu atenuacije prostornih valova u gornjoj kori koristit ćemo metodu normiranja kodom za izravne S-valove koju je predložio Aki (1980) a za izravne P-valove proširili su je Yoshimoto i sur. (1993). U obje metode koristit ćemo zapise lokalnih potresa. Analizirat ćemo ovisnost faktora dobrote o frekvenciji, proteklom vremenu, azimutu i dubini žarišta potresa. Dobiveni rezultati omogućit će nam kvalitetnu procjenu momentne magnitude potresa i dati dodatne informacije o strukturi velebitskog područja.

Seizmička anizotropija – Seizmička anizotropija uzrokovana je paralelno usmjerenim strukturama različitih dimenzija nastalim uslijed djelovanja geodinamičkih procesa u unutrašnjosti Zemlje koji su aktivni ili su bili aktivni nekada u prošlosti. Stoga se mjerenjem seizmičke anizotropije mogu dobiti informacije o deformaciji litosfere, strujanju u plaštu i gibanju tektonskih ploča. Posljednjih desetljeća analiza dvoloma teleseizmičke SKS faze potresnih valova postala je vrlo uspješna i široko upotrebljavana metoda za određivanje anizotropije u Zemljinoj kori i gornjem dijelu plašta.
U okviru ovog projekta bit će određeni parametri dvoloma (smjer brze seizmičke osi i vremensko kašnjenje) koristeći metodu opisanu u Silver i Chan (1991). Dobiveni rezultati trebali bi postaviti ograničenja u modeliranju geodinamičkih procesa koji se odvijaju u promatranom području te unaprijediti naše znanje o strukturi Zemljine kore i gornjeg plašta. Postupci procjene anizotropije brzina unutar žarišnih volumena korištenjem diferencijalnih vremena putovanja i putanja faza lokalnih potresa (uglavnom Pg-faze) objavljeni su u radovima Lokmer i Herak (1999), Herak i sur. (2003) i Herak i sur. (2009).

Geologija i seizmotektonika - Konstrukcija lokalnih i regionalnih, plitkih i dubokih geoloških profila načinit će se uporabom standardnih metoda i tehnika razvijenih u okviru strukturne geologije i geološkog kartiranja poput „dip-domain” tehnike (e.g. Gill, 1953) i metode „konstrukcije lukova“ (e.g. Busk, 1929), uz projiciranje podataka s površine do odgovarajuće dubine ispod površine. Ovi podaci dopunit će se podacima s objavljenih ili analiziranih refleksijskih seizmičkih profila i dubokih istražnih bušotina, sve zajedno integrirani u bazu podataka računalnog programskog paketa Petrel Seismic to Simulation Software. Isti programski paket koristit će se za izradu regionalnog 3D strukturnog modela na temelju kojeg će se odrediti glavne kinematske i geometrijske značajke rasjeda kao što su oblik rasjednih ploha, vrijeme aktivnosti, amplitude vertikalnih pomaka i drugi relevantni rupturni parametri. Ovi parametri koristit će se za procjenu seizmogenog potencijala rasjeda izračunom mogućih magnituda potresa i vertikalnih pomaka tijelom ko-seizmičkih pomaka po rasjedima korištenjem relacija dostupnih u literaturi (e.g. Wells and Coppersmith, 1994). Vjerodostojnost konstruiranih geoloških profila, 3D strukturnog modela i kinematskih značajki rasjeda i odgovarajućih polja naprezanja bit će provjereni pomoću „Move“ Midland Valley računalnog programa za geološko modeliranje, koji je dostupan putem uspostavljene inicijative za akademsko korištenje ovog programa u suradnji s Midland Valley, UK. Ovaj računalni paket omogućava izradu uravnoteženih 2D profila i 3D modela, kao temelja za provedbu analize kinematskih pokreta i naprezanja, frakturiranja i taložnog modeliranja. Na taj način, planira se izraditi precizan geološki model područja istraživanja od kojeg se očekuje da će otkriti vremensku aktivnost i značaj pojedinih geoloških i tektonskih događaja važnih za tektonski razvitak velebitskog područja. Na temelju postignutih rezultata moći će se kritično procijeniti vjerodostojnost svih dosadašnjih geoloških modela za ovo područje. 
Proračun polja paleo-naprezanja na temelju prikupljenih strukturnih podataka na rasjedima i smičnim pukotinama načinit će se korištenjem računalnog programa WinTensor autora Damiena Delvauxa, koji se često koristi kao standardan alat za analizu kinematskih značajki rasjeda i proračun tenzora naprezanja.