Meccanismo focale - Dipartimento di Scienze e Tecnologie

 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Meccanismo focale Viene s'mato dai da' sismici nell’ipotesi di sorgente pun'forme. Consiste nel ricavare l’orientazione del piano di faglia e la direzione del ve9ore dislocazione su di esso. Hanging wall (te9o): blocco che sta sopra il piano di faglia Footwall (le9o): blocco che sta so9o il piano di faglia 1 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Tipi di faglie 2 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Elemen' geometrici del piano di faglia Strike = 180° Dip = 30° La direzione di strike è l’angolo misurato in senso orario, formato dalla traccia della faglia con il nord geografico. Un osservatore che guarda in tale direzione vede il blocco di hanging-­‐wall (te9o) della faglia sulla propria destra (regola della mano destra, ponendo il palmo della mano destra sul piano, con le dita nella direzione di max pendenza, il pollice dà il verso dello strike). 0 ≤ strike ≤ 2π 3 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Elemen' geometrici del piano di faglia Il ve9ore di slip ( d ) i n d i c a l a direzione in cui i l b l o c c o s u p e r i o r e (hanging-­‐wall, non disegnato in figura) si muove r i s p e 9 o a l blocco inferiore (foot-­‐wall) Dip (δ): angolo misurato nel piano ver'cale tra la linea di max pendenza sul piano di faglia e il piano orizzontale Rake (λ): angolo tra la direzione di strike e il ve9ore d, misurato in senso an'orario [-­‐π, π] 4 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca piano di faglia inclinato : rake = π/2 è faglia inversa (reverse fault) rake = - π/2 è faglia dire9a (normal fault) 0 < rake < π
è faglia obliqua con componente inversa (oblique-­‐reverse fault) -π < rake < 0 è faglia obliqua con componente dire9a (oblique-­‐normal fault) piano di faglia ver'cale : rake = 0 è faglia trascorrente trascorrente sinistra (leL-­‐lateral strike-­‐slip) rake = π è faglia trascorrente trascorrente destra 5 (right-­‐lateral strike-­‐slip) Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Definire la giacitura del ve9ore slip (d) sul piano di faglia, risponde a un problema più generale di definire la giacitura nello spazio di ve9ore comunque su di un piano, comunque orientato. Il rake consente di dare la giacitura del ve9ore slip sul piano di faglia. Esiste un’altra possibilità, di definire la giacitura del ve9ore slip, rela'vamente al piano ver'cale che lo con'ene. Si considera la linea orizzontale contenuta nel piano ver'cale passante per d, con verso nella direzione della immersione di d. L’angolo φ tra il Nord e tale linea orizzontale, misurato in senso orario, è il trend (plunge direc/on) del ve9ore d. L’angolo δ tra il ve9ore d e il piano orizzontale è il plunge del ve9ore d. 6 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca 7 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Esempi di giacitura di piani, secondo la nomenclatura già definita strike dip (immersione) 0 30 E 45 30 SE 90 30 S 135
30 SW 180
30 W 225
30 NW 270
30 N 315
30 NE 8 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca 9 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Come si calcola il meccanismo focale ? I sismogrammi registra' a varie distanze e azimut dall’ipocentro del terremoto vengono u'lizza' per studiare la geometria del piano di faglia e la direzione del ve9ore dislocazione su di esso. Ci si basa sul fa9o che il diagramma di radiazione delle onde sismiche dipende dalla geometria di faglia. L’idea base è che la polarità (verso del primo spostamento) varia da stazione a stazione, in funzione della sua ubicazione rispe9o all’ipocentro. diagramma di radiazione onde P 10 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Il volume intorno all’ipocentro è separato in qua9ro regioni, dal piano di faglia ed un piano ad esso normale (piani nodali), in cui lo spostamento è di allontanamento dalla sorgente (+) o di avvicinamento 11 (-­‐) Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Esempio: faglia trascorrente destra, ve9ore slip orizzontale, piano di faglia ver'cale) Il verso del primo spostamento registrato alla stazione posta in superficie sarà verso l’alto (il materiale si muove dalla sorgente verso la stazione) indicando compressione (+) o verso il basso (il materiale si allontana dalla stazione) indicando distensione (-­‐) 12 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca diagramma di radiazione verso del primo spostamento onde P alla stazione Le frecce rosse indicano l’ampiezza dell’onda P, al variare dell’azimut stazione -­‐ ipocentro 13 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Diagramma di radiazione per le onde P, dedo9o dai sismogrammi, corrispondente ai modelli a singola coppia e doppia coppia Diagramma di radiazione per l e o n d e S , d ed o 9 o d a i sismogrammi, corrispondente al modello a doppia coppia piano di faglia 14 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Proiezione stereografica È il grafico che consente di rappresentare su un piano la giacitura del piano di faglia e del piano ausiliario, comunque orienta' e gli assi di massima compressione e massima trazione. Immaginiamo una piccola sfera a9orno alla sorgente (può essere considerata come il fronte d’onda più prossimo alla sorgente ad un tempo molto piccolo dal tempo origine). Ciascun raggio sismico viene iden'ficato da due parametri: l’azimut dalla sorgente (φ) misurato dal nord e l’angolo angolo di incidenza i (take off ) del raggio sismico al 15 fuoco, misurato rispe9o alla ver'cale dire9a verso il basso. Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca N 16 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca angolo di incidenza i (take off ) del raggio sismico al fuoco, misurato rispe9o alla ver'cale dire9a verso il basso. Raggi con angolo i elevato coprono distanze più brevi dei raggi con angolo i più basso. 17 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Il percorso del raggio sorgente – stazione da cui dipende l’angolo i è funzione delle velocità sismiche che il raggio assumerà lungo il percorso. Dalla legge di Snell si ricava: r sini dT
p=
=
v
dΔ
La quan'tà p è definita parametro del raggio e si man'ene costante lungo il percorso compiuto dal raggio; si dimostra che corrisponde alla pendenza della curva dromocrona T(Δ). 18 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca 19 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Distanze telesismiche (2300 – 10700 km) L’angolo di take-­‐off è quindi funzione della distanza che il raggio ha percorso. In studi di sismicità regionale l’angolo i può essere determinato dalla conoscenza del modello di velocità 20 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca La geometria della faglia sismica può essere determinata dalla distribuzione dei da' sulla sfera focale. Ci serviamo della proiezione stereografica per proie9are la semisfera inferiore focale sul suo piano equatoriale corrispondente alla superficie terrestre. 21 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca La proiezione stereografica (re/colo di Schmidt, area-­‐equivalente) consente di riportare la semisfera focale su un piano orizzontale. L’azimut del piano che si vuole r a p p r e s e n t a r e s i m i s u r a l u n g o l a circonferenza, da 0° a 360° e il dip si misura lungo il raggio, da 0° a 90°. Il re'colo è cos'tuito da una famiglia di piani meridiani orienta' NS e con dip variabile da 0° a 90°. 22 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Per plo9are un punto-­‐stazione sul re'colo stereografico si u'lizzano gli angoli di azimut e take-­‐off. Si pone un foglio lucido sul re'colo e si misura l’azimut del punto; si ruota il foglio facendo coincidere l’azimut del punto all’equatore; si misura l’angolo di take-­‐off lungo il raggio a par're dal centro; si plo9a il punto; si ruota di nuovo il foglio sul re'colo alla orientazione originaria. 23 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Meccanismo focale di strike-­‐slip Dopo aver plo9ato le stazioni sulla proiezione vengono dis'n' i primi arrivi di compressione (cerchi neri) da quelli di d i l a t a z i o n e ( c e r c h i aper'). Dopo aver plo9ato Quindi si ruotano le polarità sul re'colo per cercare i due piani meridiani ortogonali tra loro che separano le c o m p r e s s i o n i d a l l e dilatazioni. 24 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Meccanismi focali per terremo' con differen' geometrie di faglia. I quadran' di compressione sono disegna' in nero. meccanismo di strike-­‐slip, con piani nodali ver'cali meccansimo dip-­‐slip (faglia inversa; meccanismo dip-­‐slip (faglia normale); meccanismo dip-­‐slip, con piano di faglia ver'cale 25 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Tan, J. Geodyn. 2012. The Dense Micro-­‐Earthquake Ac'vity at the Boundary Between the Anatolian and South Aegean Microplates. 26 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Meccanismo focale e sforzi Per un dato stato di sforzo agente su un corpo, se consideriamo una superfice comunque orientata all’interno del corpo, su questa agirà un ve9ore sforzo, definito dalle componen' normale e tangenziali. Ci sono tu9avia tre piani perpendicolari tra loro su cui lo sforzo di taglio è nullo. Gli sforzi che agiscono su tali superfici sono sforzi normali che si definiscono sforzi principali. 27 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Assi principali di stress Tre assi perpendicolari tra loro (σ1, σ2, e σ3), che sono paralleli alle direzioni di massimo, intermedio, e minimo stress principale. 28 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Illustrazione schema'ca di un esperimento in cui un campione di roccia è compresso lungo la direzione di massimo sforzo, finchè non avviene la fra9ura. Teoricamente la fra9ura avviene sui piani di massimo sforzo di taglio, a 45° dalle direzioni di massimo sforzo. In realtà la fra9ura avviene su piani dispos' a circa 25° rispe9o lo sforzo principale massimo. 29 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Per semplicità, assumiamo che i piani di faglia nella Terra si formino sui piani di massimo sforzo di taglio, a 45° rispe9o agli sforzi principali. P T T P Campo di sforzi associato con i tre 'pi di faglia, assumendo che la faglia si formi su un piano di massimo sforzo di taglio. 30 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Meccanismo focale e sforzi principali Relazione tra piani nodali e assi principali di sforzo (P = asse di sforzo massimo, T = asse di sforzo minimo). Per trovare la giacitura degli assi P e T sulla proiezione stereografica, si plo9ano i poli dei piani nodali (cerchi bianchi), si congiungono i poli con il cerchio massimo (meridiano) passante per essi. Gli assi P e T saranno posiziona' nei pun' equidistan' dai poli, l’asse P nel quadrante di dilatazione, l’asse T nel quadrante di compressione. 31 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Meccanismi focali per la regione italiana e balcanica ( ISIDE -­‐ Italian Seismological Instrumental e Parametric Date-­‐Base by INGV ) h9p://www.eas.slu.edu/eqc/eqc_mt/MECH.IT/ 32 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Direzioni degli sforzi principali di compressione normal fault (rosso), strike-­‐slip (verde), reverse fault (blu) ( ISIDE -­‐ Italian Seismological Instrumental e Parametric Date-­‐Base by INGV ) h9p://www.eas.slu.edu/eqc/eqc_mt/MECH.IT/ 33 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Esercitazione Determinare il piano di faglia, il piano ausiliario ed il ve9ore di slip per un terremoto, date le direzione del primo moto ad un insieme di stazioni sismiche. 1. Fissare un foglio di carta trasparente al centro del re'colo stereografico; 2. Disegnare i primi mo' sulla carta trasparente rappresentando, ad esempio, le dilatazioni con cerchi vuo' e le compressioni con cerchi pieni; 3. Ruotare il foglio di carta trasparente fino a trovare un cerchio massimo che separa i mo' posi'vi da quelli nega'vi (a); 4. Disegnare il cerchio massimo: esso rappresenta il piano nodale 1 (b); 5. Il dip del piano nodale 1, δ1, è misurato lungo l’equatore del re'colo dal bordo esterno al cerchio massimo (b) (un piano orizzontale con dip nullo si posizionerà sul bordo del re/colo mentre un piano ver/cale con dip pari a 90◦ coinciderà con la ver/cale nord-­‐sud del re/colo). 6. Contare 90◦ lungo l’equatore del re'colo a par're dalla sua intersezione con il piano nodale 1 (b). 7. Disegnare il punto P1 così individuato (b). Tale punto cos'tuisce il polo del piano nodale 1. 8. Il secondo piano nodale deve separare i mo' posi'vi dai nega'vi e, dovendo essere perpendicolare al piano nodale 1, deve passare per il polo P1. Bisogna quindi ruotare il foglio di carta trasparente fino a trovare un cerchio massimo che passa per P1 e separa i mo' posi'vi da quelli nega'vi (c). Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca 9. Disegnare questo secondo cerchio massimo: esso rappresenta il piano nodale 2 (c); 10. Ripetere i passi 5, 6, e 7 per trovare il dip del piano nodale 2, δ2, e il punto P2, il polo del piano nodale 2 (c); 11. Ruotare il foglio di carta trasparente fino a che N si trova di nuovo al top del re'colo (d); 12. Lo strike di piani nodali è misurato in verso orario lungo il bordo del re'colo a par're dal punto N. Nell’esempio, i due piano hanno strike pari a 78° e 147° (d). 13. Il ve9ore di slip risulta essere perpendicolare al piano ausiliario. Così, se il piano nodale 2 è il piano di faglia, il suo polo P1 rappresenta il ve9ore di slip mentre se il piano di faglia è il piano nodale 1, il ve9ore di slip sarà il suo polo P2. 14. Lo strike della componente orizzontale dei ve9ori di slip si misura in senso orario rispe9o al nord sul bordo del re'colo (e). In questo modo lo strike del ve9ore di slip appar'ene all’intervallo [0, 2π]. Per discriminare quale tra il piano focale e quello ausiliario rappresenta il piano di faglia è necessario disporre di informazioni aggiun've: conoscenza della geologia e della sismote9onica dell’area epicentrale; seguire l’evoluzione della sequenza sismica notando che le repliche di un terremoto tendono a disporsi lungo la direzione del piano di faglia dell’evento principale. Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca (da Fowler, 2004)