7 HOCM BERNESE 5
5.2.2.Cơ cấu chấn tiêu động đất
Một trong nhưng ảnh hưởng rõ ràng nhất về sự giải phóng ứng suất trong vỏ là các trận động đất kiến tạo. Do số lượng lớn của các cơ cấu chấn tiêu động đất trước đây từ các nghiên cứu quy mô khu vực và số lượng tăng đều đặn các lời giải CMT được thực hiện bởi Global CMT Project (trước đây là nhóm địa chấn tại Đại học Harvard) hoặc NEIC/USGS, các cơ cấu chấn tiêu động đất riêng lẻ (FMS) tạo nên phần chủ yếu các tài liệu ghi nhận trong cơ sở dữ liệu của bản đồứng suất. Tài liệu cơ cấu chấn tiêu động đất cung cấp thông tin vềđộ lớn tương đối của các ứng suất chính, nên có thể suy ra chếđộ kiến tạo.
các khe nứt căng giãn. Cả phá hủy nén ép và các khe nứt căng giãn chỉ ra một phương ứng suất ngang xấp xỉ TB-ĐN [199].
Việc xác định phương của các ứng suất chính và độ lớn tương đối từ các cơ cấu chấn tiêu này phải được thực hiện với sự cẩn trọng. Ba loại ghi nhận từ các cơ cấu chấn tiêu động đất được phân biệt: cơ cấu chấn tiêu riêng lẻ (FMS), cơ cấu chấn tiêu nghịch đảo (FMF), và cơ cấu chấn tiêu trung bình/tổ hợp (FMA). Sự khác nhau chính giữa ba loại số liệu này về mặt chỉ thịứng suất là độ tin cậy của chúng trong việc thông tin vềứng suất kiến tạo khu vực.
Các cơ cấu chấn tiêu riêng lẻ (FMS)
Một vài phương pháp xác định FMS được sử dụng như dao động đầu tiên của các sóng P, sự phân cực và biên độ của các sóng S, phân tích về tỉ số biên độ của sóng P/S và nghịch đảo moment tensor. Tất cả các phương pháp này sử dụng mô hình phát ra của các tia sóng địa chấn mà biểu hiện phương của các đứt gãy hoạt động và chiều dịch trượt (Hình 5.29). Các mô hình này có thểđược sử dụng để miêu tả các quá trình động học ở nguồn địa chấn. Ởđây chúng tôi tập trung vào các phương pháp được sử dụng nhiều nhất.
Dao động đầu tiên của sóng P
Các sóng P phát ra tương đối so với tâm với vận động đầu tiên nén hoặc giãn (Hình 5.29). Tín hiệu này thay đổi theo phương của mặt đứt gãy và mặt phụ vuông góc với nó (cả hai mặt được gọi là các mặt nút - nodal). Dọc theo các mặt này không có sự phát ra của các sóng P. Sự chạm tới đầu tiên của sóng P trên biểu đồ địa chấn (seismogram) của thành phần địa chấn kế thẳng đứng được sử dụng để phân biệt giữa dao động đầu tiên nén và giãn của front sóng. Dao động đầu tiên quan sát được sau đó được chiếu trở lại dọc theo được truyền trên một mặt cầu đơn vịđộng nhất về mặt lý thuyết quanh chấn tiêu (gọi là mặt cầu chấn tiêu - focal sphere), đây được cho là một nguồn điểm ở giai đoạn trước tiên nhất của một trận động
đất phá huỷ. Đường tia bất kỳ của sóng P để lại nguồn này có thể được nhận dạng bởi hai tham số: phương vị tính từ nguồn, φ, và góc ngẩng - emergence, i0 (Hình 5.30). Góc ngẩng là một hàm của khoảng cách, ∆, giữa nguồn cà các trạm đang ghi, và với các trạm gần mô hình vỏđược sử dụng. Vị trí địa lý của các địa chấn kếđược chuyển lên mặt cầu chấn tâm là một điểm mà có tiếp tuyến với tia sóng tại các giao cắt nguồn với mặt cầu chấn tiêu.
Hình 5.29: Mô hình truyền đi của sóng P và S của một nguồn ngẫu lực kép (double couple source).
Hình 5.30: Mặt phẳng tâm của một nguồn động đất. Được thể hiện là một đường tia (ray path) với phương vị (azimuth) φ và góc ngẩng (angle of emergence) i0.
Khi tất cả các số liệu có thể có được thể hiện trên bán cầu chiếu dưới, hai mặt nút trực giao nhau ngăn cách dao động đầu tiên của song nén khởi sóng giãn có thểđược vẽ. Các trục co ngắn cực đại và kéo giãn cực đại chia cắt các cung phần tưđược biết đến lần lượt là các trục P và T. Bởi vậy các trục này là các trục biến dạng chính mà không cần phải trùng với các trục ứng suất chính.
Trục P nằm trong cung phần tư vận động ban đầu là giãn, trái lại trục T nằm trong cung phần tư vận động ban đầu là nén (Hình 5.31). Cả hai vuông góc với giao tuyến của hai mặt nút. Trục được tạo nên bởi giao tuyến này được gọi là trục B hay trục không (null axis). FMS được miêu tả một cách đầy đủ bởi định hướng (hướng dốc và góc dốc) của các trục P, T, và B.
Nghịch đảo moment tensor
Nghịch đảo moment tensor cũng giống như sử dụng mô hình phát ra của các sóng khối và sóng mặt. Tuy nhiên, ởđây số liệu dạng sóng (waveform) được nghịch đảo để khớp với các dạng sóng tổng hợp được tính toán cho một mô hình Trái đất tham chiếu (reference earth model). Moment tensor địa chấn là một tensor bậc 2 đối xứng, miêu tả nhiều nguồn địa chấn và bao gồm 9 cặp các lực khối tương ứng (Hình 5.32).
Các yếu tố nằm ngoài đường chéo chính được gán các lực ngược chiều nhau mà dịch chuyển ngang (offset) theo hướng vuông góc với phương của chúng và bởi vậy tác dụng một lực xoắn (net torque). Tuy nhiên, do sựđối xứng của moment tensor, sự bảo toàn moment góc được bảo đảm. Các yếu tố trên đường chéo chính tương ứng với lưỡng cực lực (force dipole) tác dụng dọc theo các trục toạ độ. Nếu cấu trúc Trái đất đã biết và có tài liệu dạng sóng, moment tensor địa chấn M và bởi vậy là cơ cấu chấn tiêu của một trận động đất có thểđược tính toán bằng cách nghịch đảo. Moment tensor trọng tâm (Centroid moment tensor - CMT) bao gồm nghịch đảo thêm về thời gian và vị trí nguồn và được cung cấp chi tiết tại địa chỉ của Global CMT Project (http://www.globalcmt.org).
Độ tin cậy của các lời giải mặt đứt gãy
Chất lượng của lời giải, được xác định bởi nghịch đảo moment tensor hay phân tích dao động đầu tiên, phụ thuộc vào sự hiểu biết về cấu trúc Trái đất, do cả quá trình nguồn và đường truyền tia sóng xác định số liệu dạng sóng. Bởi vậy, một mô hình Trái đất không chuẩn các có thể dẫn tới việc vẽ lên bản đồ các phần sóng không thể giải thích được, tạo nên một cơ cấu chấn tiêu không đúng. Thông thường, chất lượng của lời giải phụ thuộc vào số lượng và chất lượng của tài liệu gốc (các quá trình đọc phân cực, tỉ số tín hiệu-nhiễu, các hiệu ứng vị trí - polarity readings, signal-to-noise ratio, site-effects) và phân bố địa lý của các điểm số liệu tương đối so với nguồn. Thêm vào đó, các hạn chế về mặt phương pháp luận do các bước thuật toán khớp/giảm thiểu sai số khác nhau và việc lựa chọn các tham số nghịch đảo. Đối với nghịch đảo moment tensor, dải tần được sử dụng quyết định độ chính xác của mô hình T rái đất cần thiết cho một phép nghịch đảo tin cậy. Trong khi quá trình ghi nhận tần số thấp (bước sóng dài) thể hiện chỉ các ảnh hưởng của các cấu trúc Trái đất quy mô lớn, các dạng sóng tần số cao (bước sóng dài) bị ảnh hưởng bởi những sự bất đồng nhất cục bộ. Tất cả những điều này cần phải được tính đến đểđánh giá độ tin cậy của một lời giải mặt đứt gãy.
Những hạn chế về việc tính ứng suất từ FMS
Các trục chính của moment tensor tính toán được (P, B, and T) miêu tả toàn bộ cơ cấu chấn tiêu và được báo cáo trong cơ sở dữ liệu của WSM với phương vị của chúng (= hướng dốc - dip direction) và góc chúi plunge (= dip) (trong các cột S1AZ, S1PL, S2AZ, S2PL, S3AZ, S3PL). Cần biết rằng các trục moment tensor của các cơ cấu chấn tiêu động đất không tương đương với các trục ứng suất. Nói một cách chính xác, chỉ một giới hạn có thểđưa ra là rằng trục ứng suất chính cực đại (S1) nằm bên trong cung phần tư giãn (dilatational quadrant) của cơ cấu chấn tiêu (McKenzie, 1969) [137]. Tuy nhiên, do độ lệch cao hơn giữa các trục P, B và T và các trục ứng suất chính S1, S2, và S3 dường như không thể, chúng được sử dụng làm căn cứ giới hạn cho định hướng của các trục ứng suất. Để lý giải cho sự không chính xác này, các số liệu thu được từ các cơ cấu chấn tiêu đơn (FMS) được cho gán chất lượng không tốt hơn C bất chấp độ lớn của động đất và cơ cấu chấn tiêu có được xác định chính xác như thế nào đi chăng nữa. Các hạn chế của chỉ thịứng suất từ FMS bị giới hạn bởi sự không rõ ràng về mặt đứt gãy và hệ số ma sát:
Sự không rõ ràng về mặt đứt gãy
Bởi vì hình thái của ngẫu lực kép (force double couple) và moment tensor mà nó dựa vào, hình vẽ cơ cấu chấn tiêu có một quy tắc như tinh thể:
• Hai mặt nút vuông góc với nhau.
• Cực của mặt phụ tuyến tính (colinear) với vector dịch trượt trên mặt đứt gãy. • Trục B trùng với giao tuyến của hai mặt nút, và bởi vậy nằm trong cả hai mặt nút.
• Trục P ở giữa của cung phần tư có các dao động đầu tiên giãn (đi xuống dưới) và trục T ở giữa của cung phần tư với vận động đầu tiên nén (đi lên trên).
• Các trục T và P chia đôi các góc nhị diện giữa các mặt nút; nghĩa là, các trục T và P nằm ở 45° so với các mặt nút.
• Các trục T và P vuông góc với nhau.
• Mặt xác định bởi các truch T và P cũng chứa vector vuông góc với các mặt nút, một trong số đó là vector dịch trượt.
Bởi vậy, trên nền tảng của quá trình đọc phân cực hay nghịch đảo moment tensor riêng rẽ, người ta không thể chỉ ra mặt nút nào là mặt đứt gãy. Điều này có thể chỉđược xác định thông qua tính toán moment tensor cấp độ cao hơn, phân tích phân bố của các dư chấn (thường nằm trên mặt phá huỷ), khảo sát thực địa phá huỷ trên mặt trong trường hợp các trận động đất mạnh, hay xem xét các đánh giá địa chấn kiến tạo. Xem xét các số liệu bổ sung về biên độ theo phương vị và tần số hay các kiểu dạng sóng, mà bị khống chế bởi hiệu ứng Doppler về nguồn dịch chuyển cũng có thể cho phép giải quyết sự không rõ ràng này. Vấn đề
này có thểđược nghiên cứu một cách dễ dàng hơn trong các tài liệu địa chấn xa tần số thấp (low-frequency teleseismic) trong khi trên khoảng cách cục bộ hình dạng sóng tần số thấp và biên độ có thể bịảnh hưởng mạnh mẽ bởi các hiệu ứng cộng hưởng (resonance effect) do các lớp gần bề mặt vận tốc thấp.
Ma sát trong, định hướng ứng suất và các trận động đất có thể có ở ranh giới mảng
Cần phải nhận thấy rằng góc 45° được gán giữa mặt đứt gãy và S1 và S3 chỉ đúng trong trường hợp phát sinh một phá huỷ mới trong môi trường đẳng hướng đồng nhất. Trong trường hợp này, các trục chính của moment tensor địa chấn (các trục biến dạng chính) sẽ trùng với các trục ứng suất chính. Tuy nhiên điều này có thể không đúng trong môi trường không đẳng hướng bất đồng nhất (giống như trong vỏ), một môi trường ứng suất và bối cảch kiến tạo nhất định. Trong trường hợp chung nhất, các trận động đất kiến tạo thể hiện sự tái hoạt động của các đứt gãy khi trượt cắt (in shear). Do sự không rõ ràng về mặt đứt gãy, người ta không biết mặt nào trong số hai mặt nút của cơ cấu chấn tiêu là mặt phá huỷ và các trược P, B,T được sử dụng như kế cận cho định hướng của các trục ứng suất chính. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chế độ ứng suất kiến tạo
Do cơ cấu chấn tiêu động đất cho ta thông tin về loại đứt gãy (thuận - normal faulting, NF; trượt bằng - strike-slip SS; nghịch - thrust faulting TF), độ lớn tương đối của Sh and SV sẽ biết. Ngoài ra các loại NF, TF, và SS, sự kết hợp của NF với SS (căng ngang - transtension NS) và TF với SS (ép ngang - transpression TS) sẽ xuất hiện. NS xuất hiện khi ứng suất cực đại hay trục P chúi dốc hơn trục P- và B. TS xuất hiện tại những nơi ứng suất nhở nhất hay trục T-axis chúi dốc hơn trục B- và T-axis. Góc chúi của các trục - plunge (pl) of P-, B-, và T (hay σ1, σ2, và σ3 trong ghi nhận của FMF) được sử dụng để gán chếđộứng suất (Bảng 5.9 và Hình 5.33).
Hình 5.33: Biểu diễn giản lược về 5 chếđộ kiện tạo thông thường và định hướng tương ứng của các trục ứng suất chính (Zoback, 1992) [282].
Các giá trị ngưỡng (cut-off) chính xác định ra các chếđộ kiến tạo mang tính chủ quan. Zoback (1992) sử dụng cách phân loại rộng nhất có thể phù hợp với các giá trị thực của các trục P-, B-, và T. Việc lựa chọn các trục được sử dụng để suy ra định hướng của SH được thể hiện trong bảng trên, nghĩa là định hướng của SH được chọn như phương vị của trục B trong trường hợp chếđộđứt gãy thuận thuần tuý (NF) và là 90° + phương vị của trục trong trường hợp NS khi trục B thường chúi dốc hơn trục T. Các số liệu rơi ra ngoài các loại trên được gán là chếđộứng suất chưa biết rõ ("U") và gán chất lượng E chỉ ra rằng ứng suất ngang cực đại chưa được xác định.
Bảng 5.9: Chuyển đổi chếđộ kiến tạo (Zoback, 1992) [282].
Trục P/S1 Trục B/S2 Trục T/S3 Chế độ kiến tạo Phương vị của SH
pl>52 pl < 35 NF Phương vị của trục B 40 < pl < 52 pl < 20 NS Phương vị của trục T+90o pl < 40 pl > 45 pl < 20 SS Phương vị của trục T+90o pl < 20 pl > 45 pl < 40 SS Phương vị của trục P pl < 20 40 < pl < 52 TS Phương vị của trục P pl < 35 pl>52 TF Phương vị của trục P pl - Góc chúi của các trục (plunge)
Xác định ứng suất từ tài liệu động đất vùng biển Đông Nam Việt Nam
Có ba trận động đất ghi nhận được cơ cấu chấn tiêu xảy ra trong các năm 2005 và 2007 ở vùng biển Đông Nam Việt Nam – ngoài khơi tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Các thông số của cơ cấu chấn tiêu của các trận động đất này được thể hiện trong Bảng 5.10 và chúng được thể hiện bằng biểu đồ cơ cấu chấn tiêu như trên Hình 5.34.
Bảng 5.10: Các thông số của các cơ cấu chấn tiêu động đất ghi nhận được tại vùng biển Đông Nam Việt Nam trong các năm 2005 và 2007
Lon Lat StrikeA DipA RakeA StrikeB DipB RakeB Mw Depth Date
108,28 10,02 115 72 -172 22 82 -19 5,2 12 28-11- 2007 108,26 10,08 117 69 -168 23 79 -22 5,3 12 07-11- 2005 108,26 10,12 120 68 -171 27 82 -22 5,3 12 08-11- 2005 Có thể thấy các cơ cấu chấn tiêu xác định được khá tương đồng, cho chúng ta chỉ thị ứng suất với định hướng của trục nén ép ngang cực đại khoảng 157o với cơ chế trượt bằng.