2. Cinematica della sorgente estesa 2.1 Introduzione Il teorema di
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2. Cinematica della sorgente estesa 2.1 Introduzione Il teorema di
2. Cinematica della sorgente estesa 2.1 Introduzione Il teorema di rappresentazione definisce una relazione tra il campo cinematico δu sul piano di faglia e lo spostamento u in superficie, attraverso la convoluzione per la riposta elastodinamica del mezzo di propagazione. Lo scopo della cinematica della sorgente è quello di definire dei modelli appropriati per la funzione dislocazione che possano interpretare i dati sismici: tali modelli, ottenuti attraverso ipotesi elementari sulla sorgente o per inversione dei dati sismici, sono indipendenti dai processi energetici che hanno luogo sulla faglia durante la propagazione della rottura, ma concernono soltanto gli effetti di tale processo. Qualora conoscessimo le proprietà del mezzo di propagazione con infinita accuratezza, potremmo deconvolvere i dati sismici per ricavare le proprietà della funzione di slip. Osserviamo, intanto, che, ad ogni istante di tempo, lo spostamento osservato al ricevitore porta informazioni integrate sul piano di faglia, in corrispondenza della regione la cui energia irradiata arriva contemporaneamente al ricevitore stesso. Lo spostamento appare dunque, per ogni singola fase sismica, come una trasformata radon, il cui kernel integrale è rappresentato dalle derivate delle funzioni di Green, ossia dalla risposta impulsiva in trazione del mezzo di propagazione. Per ottenere le proprietà della funzione dislocazione, dunque, è necessario deconvolvere il segnale sismico osservato non ad un singolo ricevitore, ma ad un insieme di ricevitori su un regione finita in superficie, che mappi in maniera indipendente l’informazione sul piano di faglia (come accade per la tomografia medica). La risoluzione ottenuta, in tale caso, dipende dall’orientazione del piano di faglia ed è tanto maggiore quanto più prossimo all’orizzontale (dip nullo) è il piano di faglia. Di conseguenza, i terremoti con meccanismo strike-slip sono quelli per i quali la risoluzione è minore, tenendo conto anche del fatto che l’informazione si degrada allontanandosi dalla faglia. D’altro canto le funzioni di Green non sono note con precisione infinita, ma contengono una loro indeterminazione intrinseca. Anche nelle aree meglio investigate, come il bacino di Los Angeles o di Taipei, la risoluzione associata ai modelli di velocità non supera 0.5-1 Hz, che corrisponde a distanze medie dell’ordine di centinaia di metri in superficie, qualche chilometro in profondità. Alla risoluzione dei modelli di propagazione si sommano il costo computazionale nella simulazione del campo d’onda in modelli dell’ordine di qualche centinaio di km2, l’attenuazione anelastica che degrada l’informazione man mano che ci si allontana dalla sorgente e le difficoltà nella costruzione di modelli fisici che descrivano la propagazione delle onde alle alte frequenze. Infine gli strati più superficiali, hanno generalmente una risposta visco-plastica alla propagazione delle onde, attenuando una certa banda di frequenze e amplificandone un’altra. Tali effetti, detti di sito, sono oggi difficilmente quantificabili, data la scarsità di dati per ricostruire in dettaglio le reologie del sottosuolo fino a profondità di qualche decina di metri. Per questi motivi le proprietà della sorgente possono essere derivate soltanto a basse frequenze, per interpretazione dei dati sismici misurati in prossimità della sorgente. In aggiunta, i soli strumenti che sono in grado di fornire registrazioni accurate senza saturazione a pochi chilometri dalla faglia sono gli accelerometri, che forniscono un segnale complesso ad alta frequenza. La misura dello spostamento deve essere dunque ottenuta per via indiretta attraverso una doppia integrazione. Generalmente il segnale accelerometrico presenta delle derive, d’origine termica e elettronica che sporcano il segnale a bassa frequenza. Difficilmente, dunque è possibile ottenere dall’accelerazione degli spostamenti che contengano il campo statico o che in generale siano affidabili a delle frequenze al di sotto di 0.05 Hz. Le proprietà cinematiche della sorgente sono dunque interpretabili dai dati soltanto in un range molto limitato di frequenze: 0.05-1Hz. Negli ultimi anni, lo sviluppo di metodi per l’acquisizione e l’interpretazione dei dati GPS ad alta frequenza (1-5 Hz) ha aperto nuove frontiere nel riempimento dello spettro a basse frequenze (fino a frequenza nulla) dei terremoti. Tali misure sembrano essere in grado di catturare, almeno per terremoti la cui magnitudo è maggiore di 6, lo spostamento cosismico con precisione centimetrica e rappresentano una possibilità concreta di colmare la mancanza di informazione nei segnali sismici a bassissime frequenze. Nell’altro verso, la risposta elastica del mezzo ad alte frequenze può essere catturata attraverso le funzioni di Green empiriche, registrazioni sismiche di eventi di magnitudo più piccola, accaduti nello stesso luogo del mainshock e con lo stesso meccanismo focale. Gli aftershock costituiscono in generale un buon insieme di funzioni di Green empiriche e consentono di riempire una banda di frequenze tra 0.5 e 3-4Hz. L’effetto della propagazione e dello strumento di registrazione limita la banda di frequenze alle quali possiamo conoscere la funzione dislocazione. Per questo motivo si è soliti rappresentare la sorgente attraverso un numero limitato di parametri macroscopici, tra cui le dimensioni della faglia, l’orientazione della faglia nello spazio (meccanismo focale), la velocità di propagazione della rottura sul piano di faglia e delle funzioni elementari per descrivere le variazioni spazio-temporali della funzione dislocazione δu. Generalemente assumeremo che δu sia fattorizzata δ u(ξ , t ) = U (ξ ) R(t ) Dove la funzione U è costruita per combinazione lineare di funzioni a supporto locale, associate al valore della dislocazione in un punto della faglia o in una cella, mentre la funzione R è generalmente descritta da funzioni semplici, come quella parabolica (l’integrale di un triangolo), caratterizzata da un unico parametro, la durata, indicata classicamente come rise-time. 2.2 Approssimazione di Fraunhofer Anche a distanze grandi rispetto alle dimensioni della faglia, la funzione sorgente, così come appare al ricevitore, ha una sua complessità intrinseca che rispecchia la complessità del meccanismo di frattura sul piano di faglia. Abbiamo osservato che lo spostamento associato alle onde di volume P ed S è direttamente proporzionale al moment rate integrato sul piano di faglia: r u c ∝ Ωc = ∫ δ u ξ , t − d Σ c Σ dove c rappresenta una fase sismica, P od S. L’espressione per la distanza è: 2 0 2 r = x − ξ = r + ξ − 2r0 ⋅ ξ = r0 1 + con il riferimento centrato nell’ipocentro. Ricordando che lo sviluppo della radice è: ξ2 2 0 r −2 γ ⋅ξ r0 1 1 1 + x = 1 + x − x 2 + o( x3 ) 2 8 l’approssimazione per r è: γ ⋅ ξ ( γ ⋅ ξ )2 ξ 2 r ≈ r0 1 − − + 2 2 r 2 r 2r0 0 0 Trascurando i termini d’ordine -1, possiamo approssimare la distanza come r = r0 − γ ⋅ ξ L’errore che si commette nello sviluppo è dell’ordine del termine trascurato ∆r = 1 2 2 ξ − (γ ⋅ ξ ) 2r0 ( ) Tale errore deve essere minore di un quarto della lunghezza d’onda del segnale che si sta analizzando, per non introdurre errori significativi nell’integrazione. In tal caso si ha: ∆r = 1 λ 2 ξ 2 − (γ ⋅ ξ ) << 2r0 4 ( ) Il massimo valore che il termine a primo membro può assumere è ξ 2 nella direzione ortogonale a γ. In tal caso detta L una lunghezza caratteristica della faglia lungo tale direzione, l’approssimazione è valida per L2 << λ r0 2 ossia, per dimensioni della sorgente molto piccole rispetto alla distanza ipocentrale e alle lunghezze d’onda osservate. Generalmente, si utilizza come parametro L la dimensione massima della rottura sismica, che indicheremo d’ora in poi come la lunghezza della faglia. D’altro canto, l’approssimazione di far-field è valida per distanze molto maggiori della lunghezza d’onda. Assumeremo, dunque, di essere nelle condizioni L < λ < r0 . Con questa approssimazione per la distanza il moment rate integrato è: r γ ⋅ξ Ωc ( x, t ) = ∫ δ u ξ , t − 0 + c c Σ d Σ La sua trasformata di Fourier rispetto al tempo dà: ∞ Ωc ( x , ω ) = ∫ e 0 − iωt r γ ⋅ξ dt ∫ δ u ξ , t − 0 + c c Σ r ∞ − iω 0 iω − iωτ c Σ = Σ ξ, d e d e δ u ( τ ) e ∫Σ ∫0 Il termine nell’integrale corrisponde alla trasformata di Fourier del moment rate: γ ⋅ξ c dt Ωc ( x , ω ) = e − iω r0 c ∫ d Σδ u(ξ, ω )e iω γ ⋅ξ c Σ che dipende dalla posizione della dislocazione soltanto attraverso il versore γ. Ωc (γ , ω )e iω r0 c = ∫ d Σδ u (ξ, ω )e iω γ ⋅ξ c Σ Indicando con k = ωγ , il contributo a secondo membro appare come una trasformata di Fourier c nello spazio. Se potessimo conoscere il campo di spostamenti a tutte le frequenze e per tutti i numeri d’onda potremmo apparentemente risalire, per trasformazione inversa, alla funzione sorgente sul piano di faglia. Tuttavia, lo spazio dei numeri d’onda sul piano di faglia non è noto per ω cos χ dove χ è l’angolo che la direzione del c ricevitore forma rispetto alla faglia. Ciò limita la conoscenza soltanto alle grandi lunghezze d’onda e alle fasi sismiche la cui energia è irradiata lontano dalla faglia. Le lunghezze d’onda più piccole, tutti i per ogni k ma solo sulla circonferenza k = per le quali k > ω sono intrappolate in prossimità della faglia e richiedono l’analisi del campo c near source. Inoltre, le lunghezze d’onda radiate appaiono ridotte nella direzione del ricevitore, del contributo cos(χ), con il massimo dell’informazione per ricevitori allineati rispetto alla faglia e minima per ricevitori nella direzione ortogonale al piano di faglia. Il campo di spostamento osservato in far field è dunque proporzionale al moment rate integrato sul piano di faglia. L’integrale nel tempo su una singola fase sismica è ∞ µ Rin ∞ r ∫0 u ( x, t )dt = 4πρ c3r0 ∫0 dt ∫Σ δ ui t − c d Σ c n dove R è la matrice di radiation pattern. L’integrale a secondo membro è direttamente uguale allo slip integrato sul piano di faglia, perché ora gli estremi di integrazione nel tempo sono indipendenti da t. Tale integrale è dunque uguale a: ∞ ∫u 0 c n ( x , t )dt = µ Rin A(Σ)δ ui Rin = M 0i 3 4πρ c r0 4πρ c 3 r0 dove abbiamo indicato con M0i la componente del momento sismico derivante dal contributo dello slip nella direzione i-esima e A(Σ) l’area della superficie di faglia. Assumendo che la direzione dello slip sia costante sul piano di faglia e di aver registrato nella direzione in cui è presente la singola fase sismica (P, SV o SH), allora l’integrale di spostamento è proporzionale al momento sismico, attraverso un coefficiente che dipende dalla geometria del sistema faglia-ricevitore e dalle proprietà elastiche del mezzo attraversato. L’integrale dello spostamento, per definizione di trasformata di Fourier è anche il limite dello spettro di spostamento Ω0 per ω che tende a zero. In tal caso vale la seguente formula: M0 = 4πρ c3r0 Ω0 R patt che viene comunemente utilizzata per il calcolo del momento sismico, lontano dalla sorgente. Il valore del coefficiente Rpatt dipende all’angolo di uscita (take-off) ( ) del raggio sismico che dalla sorgente raggiunge il ricevitore. Tuttavia per una vasta gamma di angoli, tale valore oscilla tra 0.50.7 e per questo, nei limiti dell’errore con il quale si conosce il momento sismico, viene comunemente utilizzato un valore costante di 0.6.. Inoltre, le registrazioni sismiche non sono effettuate in un mezzo infinito, ma anche se a grandi lunghezze d’onda può essere considerato omogeneo, la superficie della Terra ha un effetto non trascurabile. Nell’ipotesi di incidenza verticale ale del raggio sismico, la superficie libera introduce un fattore 2 a denominatore della formula. Tale fattore può essere ridotto o aumentato a secondo dell’angolo di incidenza e dei meccanismi di conversione dell fasi sismiche (con o senza shift di fase). 2.3 Faglia di Haskell Figura 1:: Modello di rottura unidimensionale unidimen di Haskell. La geometria della faglia è rettangolare, con lunghezza L molto maggiore della profondità W. Analizziamo ora, nell’approssimazione di Fraunhofer, il campo radiato da una faglia rettangolare, la cui lunghezza è L e la profondità W (Figura 1). Assumeremo che la rottura si propaga sul piano di faglia faglia in maniera unilaterale, con velocità di rottura v costante, producendo uno slip costante δU.. Scelto un riferimento sulla faglia, tale che le coordinate (ξ,η) esplorino la regione F=[0,L]x[0,W],, la funzione dislocazione è ξ δ U (ξ ,η , t ) = δ U t − per (ξ ,η ) ∈ F v Il moment rate integrato è dunque : W L ξ r γ ⋅ξ Ωc ( x, t ) = ∫ dη ∫ δ U t − − 0 + dξ v c c 0 0 Nell’approssimazione per la quale l’integrando non dipende da η si ha che L ξ r ξ cos Ψ Ωc ( x , t ) = W ∫ δ U t − − 0 + dξ c v c 0 dove Ψ è l’angolo che la direzione della rottura forma rispetto all’osservatore (vedi Figura 1). La trasformata di Fourier dello spettro considerato è ∞ L ξ r ξ cos Ψ Ωc ( x , ω ) = W ∫ e − iωt dt ∫ δ U t − − 0 + dξ c v c 0 0 e scambiando l’ordine di integrazione si ha L Ωc ( x, ω ) = W ∫ e ξ r ξ cos Ψ − iω + 0 − c v c ∞ d ξ ∫ δ U ( q ) e − iω q dq 0 0 Il secondo integrale è indipendente dalla variabile x ed è la trasformata di Fourier della funzione dislocazione: r0 L − iω Ωc ( x , ω ) = W δ U (ω ) e c ∫ e− iωξψ d ξ 0 1 cos Ψ dove abbiamo posto ψ = − . Ricordiamo che l’integrale v c L 2 (1) ∫ e dφ = e iαφ iα L 2 α 0 L sin α 2 Otteniamo quindi Ωc ( x , ω ) = 2 ωψ W δ U ( ω ) e r ψ − iω 0 + L c 2 sin(ωψ L ) 2 L’ampiezza spettrale di una rottura unidimensionale decade dunque come il valore assoluto della funzione sin(x)/x che presenta degli zeri per x=kπ, e rappresenta un filtro, con frequenza di taglio in a x=π/2 ( Figura 2). L’effetto della geometria unidimensionale della faglia, rispetto ad una sorgente puntiforme corrisponde ad un segnale in spostamento lisciato. La frequenza del filtro è Figura 2: Andamento della funzione ¦sin(x)¦/x. ¦ Questa presenta una serie di zeri per x=k π . f = vc L ( c − v cos Ψ ) Indicando con TD la durata della rottura, TD = L / v , tale frequenza è l’inverso della durata per un coefficiente di normalizzazione che è funzione dell’azimuth. f = 1 v TD 1 − cos Ψ c Tale frequenza è massima per Ψ=0 (posizione direttiva) e minima per Ψ=π (posizione posizione antidirettiva). Inoltre poiché il momento sismico deve essere conservato, le ampiezz ampiezzee del segnale in spostamento nella regione direttiva sono maggiore che nella posizione laterale o antidirettiva. La funzione dislocazione è anch’essa funzione del tempo. Assumendo una rampa per la funzione slip, il moment rate è una boxcar con ampiezza D/TR e durata ( rise-time) TR. Lo spettro della box puo` essere ottenuto dall’integrale (1).. In tal caso lo spettro di spostamento di una faglia di Haskell è r ψ D ωTR − iω TR + c0 + 2 L L Ωc ( x, ω ) = W sin e sin(ωψ ) ωψ ωTR 2 2 2 Anche la funzione rise time rappresenta dunque un filtro, con frequenza di taglio pari a 1/ TR. I due meccanismi di filtro, sono in generale in competizione e possono essere distinti comparando gli zeri (i buchi) dello spettro per lo stesso evento, registrato a più stazioni. In tal caso, i buchi dovuti al rise time sono indipendenti dalla posizione del ricevitori, mentre quelli associati all’effetto di faglia finita vi dipendono (Figura 3). Heaton (1990) ha mostrato che per eventi di grande magnitudo (M>6.5), ), la durata della funzione dislocazione è molto minore (di almeno un ordine di grandezza) rispetto alla durata della rottura. ttura. In tal caso i buchi associati al rise time si trovano dunque una decade più avanti rispetto a quelli associati alla finitezza della faglia. Figura 3:: Serie di spettri registrati a diverse stazioni per un evento sismico. sismico. Gli zeri dello spettro, che appaiono come rapide discese nel grafico in scala logaritmica, sono dovuti ad effetti di propagazione o di rottura. Quelli comuni (T~6s) corrispondono presumibilmente al primo nodo della trasformata della funzione sorgente. sorgente Secondo il modello di Haskell, lo spettro di spostamento è piatto fino ad una frequenza di taglio f1, dopo di che decade approssimativamente come ω-1, per effetto della finitezza della faglia, e definitivamente come ω-2, quando si aggiunge il contributo proveniente dal rise time. La frequenza d’angolo dello spettro, che corrisponde alla frequenza di taglio del filtro è funzione dell’azimuth, della velocità di rottura, ma anche della velocità di propagazione : sarà dunque diversa, a seconda che si considerii la fase P o la fase S. In particolare il modello di Haskell prevede che, poiché cs<cp, la frequenza d’angolo è maggiore per le onde S che per le onde P. Le osservazioni, invece, mostrano che la frequenza d’angolo delle onde P è leggermente superiore (circa 1.5 volte) rispetto a quella delle onde S, con un decadimento dello spettro in ω-2. Una rappresentazione spettrale appropriata per la modellazione dello spettro dei terremoti è la funzione Ω(ω ) = Ω0 ω 1 + ω0 2 dove ω0 è la frequenza d’angolo. Se nel modello di Haskell aggiungiamo l’effetto della profondità della faglia, allora lo spettro decade come ω-3 , con l’effetto che, ad alte frequenze, gli spettri presentano la stessa energia, indipendentemente dalla magnitudo dell’evento (Figura 4). Il decadimento mento dello spettro ad alte frequenze, in questo modello, è prodotto dalle interferenze distruttive delle piccole lunghezze d’onda sulla faglia. Secondo modelli più complessi, lo spettro ad alte frequenze, è determinato dalla radiazione emessa dalle fasi di arresto, ossia alle fasi che sono prodotte quando la rottura impatta sui bordi della faglia. In tal caso, lo spettro della radiazione decade di nuovo come ω-2 . Figura 4 : Spettri in corrispondenza dei modelli ω-2 e ω−3. Nel primo caso anche l’energia ad alta frequenza è diversa per terremoti di diversa magnitudo. Nel secondo, tutti gli spettri convergono sulla stessa retta. retta 2.4 Isocrone Abbandoniamo ora l’approssimazione di Fraunhofer e consideriamo una sorgente estesa per la quale investighiamo le caratteristiche del campo irradiato in prossimità della sorgente (L~r ( 0) e per delle lunghezze d’onda più piccole della distanza sorgente/ricevitore, in maniera tale che possiamo supporre l’approssimazione far-field field valida (λ<r0/4). ). Tale range di investigazione corrisponde a delle frequenze, nei segnali, maggiori di 0.1Hz.. Rappresentiamo la rottura sismica attraverso pochi parametri caratteristici: a parte la geometria, definita attraverso il meccanismo focale e le dimensioni imensioni della faglia, assumiamo che la funzione sorgente sia descritta attraverso il campo di dislocazione δU(x) e la velocità di rottura v(x), mentre il rise time è supposto piccolo, dunque trascurabile rispetto alla propagazione della rottura e della radiazione. radiazione. In tal caso, ogni punto, investito dal fronte di rottura, raggiunge istantaneamente il valore finale di dislocazione, ovvero la componente temporale della funzione sorgente è una delta ritardata per il tempo di propagazione della rottura rispetto to all’ipocentro: δ u (ξ , t ) = δ U (ξ )δ (t − tr (ξ )) Se il mezzo di propagazione è omogeneo, il campo di spostamenti P prodotto da tale rottura è : unP ( x , t ) = ∂ r δ u t − tr (ξ ) − i ∫ 4πρ c ∂x j Σ cp 1 2 p γγ n j µ i n d Σ r Indichiamo il tempo di isocrona con Ti = tr + r c Tale equazione individua, sul piano di faglia una curva chiusa L, detta isocrona, lungo la quale la radiazione emessa arriva contemporaneamente al ricevitore considerato (Figura Figura 5). L’integrale di rappresentazione diviene dunque unP ( x, t ) = γγ µ ∂ δ U (ξ ) n j i n d L 2 ∫ 4πρ c p ∂x j L r Al prim’ordine, trascurando i termini in r2 e derivando i contributi che dipendono da xj si ha: Figura 5:: Le isocrone sul piano di faglia sono delle curve quartiche che soddisfano la condizione per la quale la somma del tempo di rottura e di propagazione è costante. unP ( x , t ) = Rp µ ξ U dL δ ( ) 4πρ c 2p ∫L r dove Rp è il radiation pattern associato alle onde P. Tale formula è generalizzabile al caso in cui la fase considerata sia una generica onda di volume, il mezzo sia eterogeneo e la misura è fatta in superficie. un ( x , t ) = µ R patt ξ U dL δ ( ) 4πρ c 2 ∫L R dove R è il generico valore per lo spreading geometrico e Rpatt è la generica espressione per il radiation pattern. L’equazione dell’isocrona, in un mezzo in cui le onde si propagano a velocità costante e la rottura avanza a velocità costante sul piano di faglia, può essere scritta in forma chiusa. Assumendo un sistema tema di riferimento con origine nell’ipocentro, e un sistema di coordinate x,y lungo le direzioni di strike e dip della faglia, l’equazione dell’isocrona è 1 vr x2 + y 2 + 1 ( x − x0 ) 2 + ( y − y0 ) 2 + z02 = c c dove (x0, y0, z0) sono le coordinate del ricevitore in tale sistema. Tale curva, in forma implicita, è una curva del quart’ordine, non completa, completa rispetto ai parametri x e y.. L’effetto di una velocità di rottura debolmente variabile sul piano di faglia introduce delle distorsioni nell’isocrona, che si allunga laddove la velocità di rottura è più grande. L’effetto di un rise-time time finito, ma a supporto compatto, produce, invece,, un ispessimento dell’isocrona che diviene una superficie piana, per ogni istante di tempo, limitata da due isocrone: quella corrispondente al tempo t e quella corrispondente al tempo t-TR. vr e dalla distanza media tra sorgente e c ricevitore. Quando il rapporto ϕ prossimo a zero, il primo termine nell’espressione domina rispetto al secondo e le isocrone si schiacciano sul fronte circolare di rottura. Tale approssimazione equivale equi Infine, la forma delle isocrone dipende dal rapporto è ϕ = a supporre che la velocità di propagazione sia infinita. Quanto più tale rapporto si avvicina a 1, tanto più le isocrone diventano eccentriche e allungate nella direzione del ricevitore (più precisamente nella direzione della proiezione della retta congiungente l’ipocentro con il ricevitore sul piano di faglia : γ 0 × n ). Le isocrone relative alla fase P, dunque, sono molto meno eccentriche delle relative isocrone S e si può dimostrare che per una durata di finestra fissata sui dati, essi descrivono un’area minore. Se la distanza media sorgente-ricevitore a sua volta cresce indefinitamente, infine, il contributo di propagazione diviene dominante, e la teoria delle isocrone si riduce all’approssimazione di Fraunhofer che abbiamo analizzato nel caso precedente.