Chương 1 - KHÁI NIỆM VỀ NGUỒN ĐỘNG ĐẤT VÀ TEN-XƠ MOMENT ĐỊA CHẤN 1. Khái niệm về nguồn động đất Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày cơ sở lý thuyết nguồn địa chấn, sự lan truyền sóng và các mô hình phát xạ. Lý thuyết nguồn địa chấn Nguồn động đất là nơi phá hủy môi trường đàn hồi trong lòng đất, giải phóng năng lượng gây ra sóng địa chấn, lan truyền ra không gian xung quanh làm chấn động mặt đất và ghi nhận bằng máy địa chấn. Nguồn động đất có thể là các sụp đổ ngầm, các vụ nổ như phun trào núi lửa…Trong rất nhiều nguyên nhân gây nên chuyển động đột ngột trong lòng đất, các hoạt động kiến tạo làm phát sinh các đứt gãy là nguyên nhân chính và chủ yếu nhất.
Hình thái đứt gẫy được dùng trong nghiên cứu động đất (hình 1.1), mặt đứt gẫy thường được giả thiết là mặt phẳng phân chia cánh treo và cánh nằm. Mặt đứt gẫy với véctơ pháp tuyến n, phân chia phần thấp hơn (cánh nằm - foot wall) với phần cao hơn (cánh treo – hanging wall). Véctơ d mô tả chuyển động của cánh treo so với cánh nằm. Hệ toạ độ Đề các với x3 hướng lên trên, x1 nằm trên mặt đất hướng dọc theo đứt gẫy sao cho góc nghiêng tính từ trục –x 2 là nhỏ hơn 900, x2 vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục x1 và x3.
Hình thái mặt phẳng đứt gãy (hình 1.1) được xác định bằng: góc phương vị, góc dốc và hướng dịch trượt của cánh treo. Bài toán xác định cơ cấu chấn tiêu (CCCT) động đất chính là nhằm xác định các thông số trên. Như vậy, cơ cấu chấn tiêu động đất sẽ được xác định qua các thông số: 1) Góc phương vị f (strike) là góc hợp bởi giao tuyến của mặt đứt gẫy với mặt đất và phương bắc. 2) Góc dốc là góc được tạo bởi mặt đứt gẫy và mặt đất.
3) Hướng trượt đo bằng góc trượt giữa đường phương và véc tơ trượt tính theo chiều kim đồng hồ. 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Sơ đồ biễu diễn mặt phẳng đứt gãy (Theo Kanamori và Cipar, 1974. Trong hệ tọa độ x1x2x3 này, véc tơ pháp n và véc tơ trượt d được biểu diễn qua các góc phương vị f, góc dốc và góc trượt : sin sin f cos cos f sin cos sin f nˆ sin cos f , dˆ cos sin f sin cos cos f .
sin sin cos Góc trượt có thể thay đổi từ 0 đến 360 0. Một số dạng đứt gẫy cơ bản liên quan đến góc trượt như: Khi hai phía của đứt gẫy dịch trượt ngang đó là đứt gẫy trượt bằng: Nếu =0 là đứt gãy trượt bằng trái, nếu =1800 là đứt gãy trượt bằng phải. Đứt gãy là đứt gãy thuận khi =2700 và đứt gãy là đứt gãy nghịch khi =900(hình 1. Các dạng cơ bản của đứt gãy.) 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Phần lớn các đứt gẫy là kết hợp các kiểu chuyển động này.
Ba dạng chuyển động cơ bản này rất có ích khi nghiên cứu về cơ cấu chấn tiêu động đất. Sự lan truyền sóng và các mô hình phát xạ Các băng động đất (seismogram) ghi tại nhiều khoảng cách và phương vị được sử dụng để nghiên cứu hình thái của đứt gẫy trong động đất – cơ cấu chấn tiêu (focal mechanism). Để thực hiện được điều này, ta cần nghiên cứu về mẫu bức xạ của sóng địa chấn phụ thuộc vào hình thái đứt gẫy. Phương pháp đơn giản nhất là dựa trên chuyển động đầu tiên (tính phân cực) của sóng khối.
Các kỹ thuật phức tạp hơn dùng dạng sóng của sóng khối và sóng mặt. Xem xét mô hình về các chuyển động của sóng P đối với một sự biến vị trượt có hướng tùy ý.3 cho thấy trên các cung phần tư xen kẽ nhau sẽ có các dao động đầu tiên của sóng P là nén – đi lên (+) đối với các trạm nằm ở nơi vật chất gần đứt gãy chuyển dịch về hướng trạm hoặc là dãn – đi xuống (-) đối với vật chất chuyển dịch đi ra khỏi trạm. Do vậy khi sóng P đến trạm thành phần thẳng đứng ghi chuyển động đi lên hoặc đi xuống tương ứng với nén hoặc dãn. Các biến dạng tĩnh của sóng P đầu tiên trên mặt sóng được biểu diễn trên hình 1.
Dao động sóng P đầu tiên đối với mặt phẳng đứt gãy và mặt phẳng phụ trợ. Để xem xét mẫu bức xạ thay đổi như thế nào với hướng của đầu thu, ta xem xét trường bức xạ trong toạ độ cầu, nơi được đo từ x3 và đo trong mặt phẳng 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Lý thuyết nguồn địa chấn chỉ ra rằng xa nguồn, dịch chuyển do sóng nén tạo nên thành phần hướng tâm (er) của dịch chuyển (ur) vì vậy chuyển động của nó dọc theo hướng truyền là: 1 ur 3 M (t r / ) sin 2 cos .1) 4 r Trong đó: 1 là thành phần biên độ, trong môi trường vô hạn biên độ suy giảm 4 3 r 1 theo. r M (t r / ) là thành phần phản ánh xung bức xạ từ đứt gãy.
M ( t) gọi là hàm tốc độ moment địa chấn (hàm thời gian nguồn) chính là đạo hàm của hàm moment địa chấn.2) Với là độ cứng của vật chất, D(t) là khoảng dịch trượt và S(t) là diện tích dịch trượt. Độ lớn của động đất có thể xác định thông qua moment vô hướng: M 0 D S .3) Hàm moment địa chấn được xác định thông qua M0: M (t ) M 0 x (t ) .4) Trong đó: x(t) là hàm thời gian nguồn. Số hạng cuối cùng sin 2 cos mô tả mẫu phát xạ sóng P là mô hình phương vị bốn thùy đơn giản tương ứng với các phần tư trong hình 1.4c với sự đảo ngược về dấu xảy ra tại các nơi biên độ gần như bằng không. Các sóng P mạnh nhất nằm ở khoảng giữa bốn góc phần tư.
Cũng tương tự, dịch chuyển sóng S có hai thành phần, u e u e trong đó: 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 1 u 3 M (t r / ) cos 2 cos 4 r 1 .4: a) Hệ trục tọa độ đề các định hướng đứt gãy. b) Hệ trục tọa độ cầu định hướng đứt gãy. c) Mẫu bức xạ sóng khối P trong mặt phẳng (x1x3). d) Mẫu bức xạ sóng khối S.
Các mô hình hình học đơn giản là đặc trưng của sự bức xạ từ đứt gãy và việc đưa ra dạng hình học nguồn địa chấn sẽ là vấn đề đưa việc đo các sóng về hệ tọa độ có gốc đặt tại nguồn và các trục hướng theo tọa độ địa lý, nơi các mô hình bức xạ có tính đối xứng bậc thấp đơn giản. 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Biên độ mẫu bức xạ của sóng P và sóng S trên mặt phẳng x1x3. Vì rằng các sóng địa chấn bức xạ thay đổi như hàm của và , băng địa chấn ghi tại các hướng khác nhau từ động đất có thể dùng để tìm hình thái đứt gẫy.
Sóng P là sóng đến đầu tiên trên băng ghi địa chấn do vậy dấu của nó thường dễ dàng xác định. Tập hợp chuyển động đầu tiên của sóng P thường có khả năng xác định mặt phẳng phân chia các vùng có dấu khác nhau. Sóng S tới khó dùng hơn bởi vì chúng thường đến sau trong băng địa chấn và có thể bị chìm trong các sóng phức tạp. Tuy nhiên, vẫn có khả năng sử dụng các thông tin về sóng S.
Như vậy chúng ta đã xem nguồn của động đất kiến tạo chính là các đứt gãy kiến tạo và dịch trượt trên mặt đứt gãy sẽ tạo ra các sóng địa chấn có biên độ và dấu dịch chuyển đầu tiên tạo thành các thùy nén (+) và dãn (-) xen kẽ và đối xứng. Để có thể sử dụng các đặc trưng của sóng địa chấn để xác định hình thái của đứt gãy, chúng ta cần tìm kiếm mô hình các lực khối có thể tạo ra các sóng địa chấn tương đương với mô hình đứt gãy kiến tạo. Rất nhiều mô hình lực đã được khảo sát như: lực đơn, lưỡng cực và cặp ngẫu lực. Trong trường hợp chung nhất, cặp ngẫu lực cho kết quả phù hợp nhất với các quan sát thực tế.
8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Biễu diễn giải tích của hình thái đứt gãy Trong nhiều ứng dụng kể cả phân tích ten-xơ moment địa chấn, rất hữu ích khi có biểu diễn giải tích đối với quan hệ giữa mặt đứt gẫy, mặt phụ trợ và các trục ứng suất. Trong phần đầu, chúng ta biểu diễn véc tơ pháp tuyến n của mặt đứt gẫy và véc tơ trượt d theo toạ độ địa lý: strike , góc dốc , và góc trượt theo công thức: sin sin f cos cos f sin cos sin f nˆ sin cos f . dˆ cos sin f sin cos cos f .6) sin sin cos Trục ứng suất trung gian (trục null) vuông góc với véc tơ pháp và véc tơ trượt, véc tơ đơn vị của các hướng này có thể viết: sin cos f cos cos sin f ˆ ˆ b nˆ d sin sin f cos cos cos f .7) cos sin Tương tự ta tìm véc tơ p và t dọc theo trục P và T: t nˆ dˆ , ti ni d i p nˆ dˆ , pi ni d i .8) bˆ nˆ dˆ , b n d i ijk j k Quan hệ giữa mặt đứt gẫy và mặt phụ trợ có thể xuất phát từ thực tế là véc tơ trượt nằm trên mặt đứt gẫy và là pháp tuyến của mặt phụ trợ và ngược lại.
Điều này cho phép chúng ta tìm mặt nodal thứ hai và véc tơ truợt trên nó (f2, 2, 2) từ mặt nodal thứ nhất và véc tơ trượt trên nó (f1, 1, 1). Ten-xơ moment địa chấn 1.