بهبود روش تعیین پارامترهای ناهمسانگردی با استفاده از جدایش فاز برشی Ps: مطالعه موردی ایستگاه های لرزه نگاری باندپهن منطقه کرمان و بندرعباس

مطالعه پارامترهای ناهمسانگردی ارتباط میان ساختارهای سطحی و فرآیندهای دینامیکی در ساختارهایی با عمق بیشتر را مشخص مینمایند. تعیین ناهمسانگردی لرزه ای در لیتوسفر و استنوسفر با استفاده از شکل موج زمین لرزه در دو دهه اخیر اهمیت بیشتری پیدا کرده است. بدین منظور از بررسی برخی از فاز های لرزه ای تولید شده توسط زمین لرزه که متأثر از حرکت پرتو در لایه های مختلف زمین می باشد. جهت کسب اطلاعات بیشتر درباره بهبود روش تعیین پارامترهای ناهمسانگردی با استفاده از جدایش فاز برشی Ps:  پوشش سمتی مطالعه موردی ایستگاه های لرزه نگاری باندپهن منطقه کرمان و بندرعباس با مطالعات ژئوفیزیک در آسیا ژئوفیزیک تماس بگیرید.

بهبود روش تعیین پارامترهای ناهمسانگردی با استفاده از جدایش فاز برشی Ps: مطالعه موردی ایستگاه های لرزه نگاری باندپهن منطقه کرمان و بندرعباس

تعیین پارامترهای ناهمسانگردی و تحلیل رابطه ی آن با زمین ساخت منطقه استفاده می شود. فازهای لرزه ای که به طور گسترده در تعیین پارامترهای ناهمسانگردی موج برشی، به دلیل عدم نیاز به تصحیحات پیچیده، مورد توجه قرار گرفته اند

عبارتند از:

Sg و SKKS ،SKS ، Ps چنانچه اندازه ی پارامتر فیزیکی سرعت موج لرزه ای در جهات مختلف اندازه گیری یکسان نباشد، در آنصورت محیط مورد مطالعه نسبت به این پارامتر، ناهمسانگرد خوانده میشود.

جدایش موج برشی برای تشخیص ناهمسانگردی های جانبی در مسیر موج برشی موثر است؛ اما نقص ذاتی آن عدم وجود تفکیک عمقی یا عمق ناهمسانگردی است.

منشاء شکل گیری موج لرزه ای

در صورتی که منشاء شکل گیری موج لرزه ای مورد بررسی به درستی مشخص باشد، این نقیصه پوشش داده می شود و می توان از آن برای تخمین عمق ناهمسانگردی سرعتی در پوسته و گوشته فوقانی استفاده نمود. آسیا ژئوفیزیک

در این مطالعه ابتدا اثر پوشش سمتی نامناسب در شبیه سازی رویدادهای رسیده به ایستگاه های لرزه نگاری باند پهن منطقه کرمان و بندرعباس مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بکارگیری روش جدید سبب بهبود 2 درجه برای راستای ناهمسانگردی و 2/0 ثانیه برای بزرگی ناهمسانگردی شده است.

مقدمه

اغلب تعیین ناهمسانگردی موج P، به دلیل تأثیرات ناچیز ناهمسانگردی بر آن، استفاده نمی شود. اما در داده های موج برشی S، تاثیرات ناهمسانگردی سرعتی بسیار قابل توجه بوده و جدایش موج S را می توان از طریق هر نوع موج برشی اندازهگیری نمود.

فازهای لرزه ای SKS ،Ps Sg و SKKS به طور گسترده ای در تعیین پارامترهای ناهمسانگردی موج برشی، به دلیل عدم نیاز به تصحیحات پیچیده، مورد توجه قرارگرفته اند.

فاز Ps پس از تبدیل موج P به S آسیا ژئوفیزیک

فاز Ps پس از تبدیل موج P به S به عنوان یک موج برشی در بالای ناپیوستگی سرعتی به سمت ایستگاه حرکت می کند. به همین دلیل فرض می شود که ویژگی های موج برشی جدایش یافته را به دلیل حضور ناهمسانگردی قطبش یافته داشته باشد.

ناهمسانگردی لرزه ای

و این ناهمسانگردی لرزه ای در لایه های بالایی مرز ناپیوستگی وجود داشته و سسب شده موج Ps به دو مولفه که با سرعت های متفاوت در حال حرکت هستند؛ جدایش پیدا کند.

ویژگی های ناهمسانگردی

در صورتی که ویژگی های ناهمسانگردی قطبش یافته فاز Ps بوسیله تحلیل جدایش موج برشی معین شود، با فرض این که مسیری که موج از آن عبور می کند، ناهمسانگرد باشد؛ اطلاعاتی در خصوص ناهمسانگردی لرزه ای در لایه های بالایی مرز ناپیوستگی ارائه می دهد.

فاز تبدیلی Ps

فاز تبدیلی Ps که در تحلیل ناهمسانگردی موج برشی قابل استفاده است، به ندرت از لرزه نگاشت های زمین لرزه های ناحیه ای بدست می آید.

زیرا در صورت استفاده از زمین لرزه های ناحیه ای و تعیین ساختار چشمه و درج فازهای مختلف بر روی نگاشت ها (به دلیل در دسترس نبودن مدل سرعتی دقیق در پوسته و همچنین وجود ناهمگنی در پوسته)، محاسبات مربوط به تعیین ناهمسانگردی با پیچیدگی همراه خواهد شد.

تابع انتقال گیرنده موج P

تابع انتقال گیرنده موج P برای بررسی فاز تبدیلی Ps مورد استفاده قرار می گیرد.

به دلیل آن که اثر تابع زمانی چشمه از روی آن حذف می شود؛ از روش تابع انتقال گیرنده برای مشخص کردن ناپیوستگی سرعتی در زیر نواحی مختلف و تخمین ساختار سه بعدی آن استفاده می شود.

راستای قطبش آسیا ژئوفیزیک

راستای قطبش مولفه سریع در دو مولفه جدایش یافته فاز تبدیلی Ps و اختلاف زمانی بین دو رسید فاز Ps را به عنوان پارامترهای ناهمسانگردی اندازه گیری کرده و تحلیل ناهمسانگردی را با استفاده از آنها انجام میدهند.

خواص ناهمسانگردی

اطلاع از خواص لایه های مختلف زمین به این دلیل حائز اهمیت است که علاوه بر کمک به بهینه نمودن مدل های سرعت جهانی، به وسیله آن میتوان راستای تنش منطقه و راستای درزه و ترک ها را مورد تحلیل و ارزیابی قرار داد.

هرگاه موج برشی به یک محیط وارد شود، به دو مولفه که با سرعت های متفاوتی حرکت می کنند و تقریباً ساز و کار ارتعاشی متعامد بر هم دارند، تقسیم می شود.

موج برشی پوشش سمتی

این پدیده را جدایش موج برشی می نامند؛ که غالباً در نیمه ی بالایی پوسته و تقریباًدر همه سنگ ها مشاهده می شود. ناهمسانگردی سرعتی امواج لرزه ای با دو پارامتر بزرگی (δt) ناهمسانگردی بر حسب ثانیه و راستای (φf) ناهمسانگردی بر حسب درجه معرفی می گردد.

بزرگی

بزرگی اختلاف زمان رسید بین دو مؤلفه سریع و کند موج لرزه ای می باشد.  پوشش سمتی موج برشی Ps موج برشی Ps در صورتی که راستای ناهمسانگردی، همان راستای مؤلفه سریع موج لرزه ای فاز مورد نظر از شمال جغرافیایی در جهت ساعتگرد است .

مطالعات  لرزه ای

هدف اصلی در این مطالعه حاضر ارائه روشی جدید برای بهبود محاسبه پارامترهای  و تخمین عمق زون ناهمسانگرد پوشش سمتی است.

در خاتمه روش پیشنهادی بر روی فاز لرزه ای Ps داده های ایستگاه های لرزه نگاری باند پهن کرمان (KRBR) و بندرعباس (BNDS) متعلق به مرکز ملی شبکه لرزه نگاری باند آسیا ژئوفیزیک پهن پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله و ایستگاه لرزه نگاری باند پهن کوهگبری (KHGB) متعلق به مرکز لرزه نگاری کشوری موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران اعمال گردید؛ که نتایج مطلوب بدست آمده بیانگر توانمندی روش برای بهبود نتایج مطالعات ناهمسانگردی لرزه ای موج برشی میباشد.

روش های محاسبه پارامترهای

برآورد پارامترهای (راستا و بزرگی ناهمسانگردی) موج برشی با محاسبه زمان جدایش میان دو مولفه سریع و کند به عنوان اندازه کمیت ناهمسانگردی (δt) و راستای قطبش مولفه سریع موج برشی (𝜑f) صورت میگیرد.

دو روش متداول برای این منظور عبارتند از: قطری سازی ماتریس کوواریانس جابجایی حرکت ذره ای موج برشی (Silver and Chan, 1991) و محاسبه ضرایب همبستگی دو مولفه موج برشی.

Silver and Chan

Silver and Chan (1991) نشان دادند که این دو روش از لحاظ تئوری یکسان هستند. همچنین Zhi and Schwart (1994)  مشاهده کردند که نتایج مشابهی از بکار بردن همزمان این دو روش با استفاده از زمین لرزههای پوسته زمین (با عمق کمتراز 75 کیلومتر) بدست می آید.

روش Silver and Chan (1991)

در روش Silver and Chan (1991) برای هر جفت 𝜑f و δt الگوریتم ماتریس کواریانس برای لرزه نگاشت های چرخشی و شیفت داده شده برای همه مقادیر ممکن 𝜑f و δt محاسبه میگردد. پارامترهای جدایش نهایی مقادیری هستند که یک ماتریس کواریانس منفرد با یک مقدار ویژه غیرصفر را تشکیل میدهند.

جابجایی حرکت ذره که همدوسی

همچنین در این روش از جابجایی حرکت ذره که همدوسی دو مؤلفه را نشان میدهد، استفاده میشود؛ که باید بعد از اعمال تصحیحات لازم خطی گردد.

کمینه بودن میزان انرژی روی مؤلفه مماسی تصحیح شده برای مقادیر ناهمسانگردی به عنوان معیار مهم دیگری برای ارزیابی صحت نتایج این روش در نظر گرفته می شود .

پدیده جدایش موج برشی

در واقع مطالعه Silver and Chan (1991) پدیده جدایش موج برشی را در محیط های چندلایه به گونه ای بررسی می کند، که هر یک از لایه ها پارامترهای ناهمسانگردی معین و مستقلی دارند.

چند لایه

در محیط ناهمسانگرد چند لایه، دور افت¹ به فرم تابع کسینوسی بر روی مولفه شعاعی بطور واضح بر روی فاز تبدیلی Ps که بر حسب سمت های پشتی ² مرتب شده اند، در ناپیوستگی های شیبدار قابل ملاحظه میباشد

بهبود روش تعیین پارامترهای

پایین بودن درصد تفکیک عمودی در تحلیل ناهمسانگردی موج برشی با استفاده از فاز SKS مهمترین نقص در تحلیل ناهمسانگردی با استفاده از این فاز می باشد.

شکل موج SKS به تمام ساختار در طول مسیر پرتو از مرز هسته و گوشته تا پوسته در زیر ایستگاه حساس می باشد، هر چند که فرض می شود شکل موج به طور عمده متاثر از جهت گیری بلور های الیوین در گوشته فوقانی باشد.

تغییرات پارامترهای ناهمسانگردی آسیا ژئوفیزیک

تغییرات پارامترهای ناهمسانگردی نسبت به سمت های پشتی و حساسیت آن به فرکانس محدودیت هایی را در تعیین میزان واقعی ناهمسانگردی ایجاد می کند اما عدم قطعیت در تفکیک دو عامل ضخامت لایه ناهمسانگرد و یا شدت ناهمسانگردی عمده ترین مشکل در استفاده از فاز SKS به شمار می رود.

شکل موج تبدیلی آسیا ژئوفیزیک

با استفاده از شکل موج تبدیلی P به S (فاز Ps) توابع انتقال گیرنده لرزه ای، پارامترهای ناهمسانگردی در محیط های چندلایه ای را می توان محاسبه نمود. علاوه بر آن، عمق و ضخامت لایه ناهمسانگرد را با دقت قابل قبول تخمین زد.

تابع انتقال گیرنده Ps مطالعات ژئوفیزیک

تابع انتقال گیرنده Ps در محیط ناهمسانگرد وابستگی نسبت به سمت را بر روی مولفه های شعاعی و عرضی به صورت الگویی مشخص نشان میدهد .

محاسبه پارامترهای ناهمسانگردی

در این روش محاسبه پارامترهای ناهمسانگردی پوسته ابتدا با استفاده از روش برانبارش مولفه شعاعی توابع انتقال گیرنده لرزه ای و سپس روش تصحیح ناهمسانگردی با استفاده از روش کاهش انرژی بر روی مولفه عرضی صورت می گیرد.

از آنجایی که تخمین میزان ناهمسانگردی با استفاده از فاز Ps از لایه های پایینی متاثر از ویژگی های ناهمسانگردی لایه های بالایی می باشد، روش حذف اثر لایه ها ¹ مورد استفاده قرار می گیرد.

روش تاثیر ناهمسانگردی

با استفاده از این روش تاثیر ناهمسانگردی لایه های فوقانی بر فاز تبدیلی حذف شده و بطور مشخص پارامترهای ناهمسانگردی به لایه زیرین نسبت داده می شود. افزایش دقت در تخمین عمق موهو با تصحیح اثر ناهمسانگردی بر روی لرزه نگاشت از دیگر مزایای استفاده از این روش است.

تحلیل ناهمسانگردی

محدودیت استفاده از روش (2014) موج برشی Ps در تحلیل ناهمسانگردی با استفاده از فاز Ps کمبود داده باکیفیت مناسب است؛ مطالعات ژئوفیزیک که با سمت های پشتی متفاوت در هر ایستگاه ثبت می شود.

از روش برانبارش برای تخمین زوج پارامترهای ناهمسانگردی (δt و ϕf) استفاده کردند. آنها نشان دادند که وجود ناهمسانگردی در محیط منجر به تغییرات زمان رسید موثر در سمت های مختلف به صورت دور افت هارمونیک مطابق رابطه 2 می گردد.

اندازه گیری

اندازه گیری این تغییرات با استفاده از جابجایی زمانی با طول پنجره ای 2 ثانیه ای با پوشش نیم ثانیه و برانبارش مولفه شعاعی تابع انتقال گیرنده، می تواند در محاسبه پارامترهای ناهمسانگردی، شامل راستای قطبش مولفه سریع و تاخیر زمانی بین رسیدها برای یک لایه ناهمسانگرد مورد استفاده قرار گیرد.

کمینه کردن میزان انرژی

در مرحله بعد با کمینه کردن میزان انرژی روی مولفه عرضی می توان جفت پارامترهای ناهمسانگردی که بهترین توصیف از میزان ناهمسانگردی در لایه مورد نظر را ارائه می دهند، تعیین نمود.

این مراحل موجب بهبود نتایج در روش برگردان و همچنین کاهش زمان محاسبات در برآورد پارامترهای ناهمسانگردی می شود.

موقعیت جغرافیایی مطالعات ژئوفیزیک

با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و همچنین پراکندگی ایستگاه های لرزه نگاری، پس از مرتب سازی داده های واقعی بر حسب زاویه سمت پشتی، کمبود رویداد در برخی زوایا ممکن است تردید در خصوص صحت نتایج را بوجود بیاورد.

نگاشت های شبیه سازی مطالعات ژئوفیزیک

از این رو ابتدا تاثیر این امر با استفاده از حذف داده بر روی نگاشت های شبیه سازی شده نشان داده شده و سپس با توجه به پریودیک بودن تابع مورد استفاده در روش محاسبه پارامترهای ناهمسانگردی با استفاده از روش Ruempker et al., (2014) کمبود رویداد ورودی به ایستگاه با زاویه مناسب را به وسیله سایر رویدادها بررسی می شود.

رویدادها

در شکل 2 برخی رویدادها در زوایای 240 تا 310 درجه حذف گردیده و مراحل محاسبه پارامترهای ناهمسانگردی اجرا شده؛ که با استفاده از رسم منحنی های انرژی بهترین منحنی کسینوسی و سپس بهترین زوج پارامترهای ناهمسانگردی برآورد شده است .

حالت زمان تاخیر

در این حالت زمان تاخیر δt=0.52±0.01  ثانیه موج برشی Ps مطالعات ژئوفیزیک و راستای ناهمسانگردی φf =43±8 درجه بدست آمده است. همان طور که مشاهده می شود، نتایج در حالتی که پوشش سمتی مناسب برای رویدادهای ورودی به ایستگاه وجود نداشته با اختلاف یک درجه در راستا و اختلاف در حدود 06/0 ثانیه در بزرگی ناهمسانگردی محاسبه شده است که تفاوت چندانی در راستای ناهمسانگردی که در حالت پوشش سمتی کامل شمال شرق-جنوب غرب بود ایجاد نمی کند.

مولفه شعاعی توابع انتقال گیرنده

در شکل 3 مولفه شعاعی توابع انتقال گیرنده بر روی داده های واقعی حاصل از رویدادهای ورودی به ایستگاه لرزه نگاری باند پهن کرمان (KRBR) قابل مشاهده می باشد. خلا پوشش سمتی در برخی زاویه ها قابل مشاهده است. در این حالت پارامترهای ناهمسانگردی در این ایستگاه φf = 67±4 درجه و δt =0.28±0.02 ثانیه محاسبه شده است.

عوامل بوجود آورنده

از آنجایی که عوامل بوجود آورنده مطالعات ژئوفیزیک  غالبا توزیع سه بعدی دارند؛ می توان از تقریب چند درجه برای تحلیل نتایج استفاده نمود. همچنین با توجه به هارمونیک بودن تابع محاسبه زمان رسید فازPs در محیط های می توان از جایگزینی داده های هم ارز در تناوب های 180 درجه ای استفاده نمود

شکل 4 نتایج حاصل از روش جایگزینی هارمونیک را بر روی داده واقعی برای رویدادهای رسیده به ایستگاه کرمان (KRBR) نشان می دهد. طبق محاسبات انجام شده، در این حالت پارامترهای ناهمسانگردی در این ایستگاه φf =65±4  درجه و δt =0.34±0.02 ثانیه محاسبه شده است.

همان طور که پیش بینی می شد، نتایج در هر دو حالت محاسبه پارامترها با وجود خلا در پوشش سمتی (شکل 3) و روش جایگزینی هارمونیک (شکل 4) موید وجود ناهمسانگردی با محور سریع در راستای شمال شرق-جنوب غرب می باشد. همچنین بزرگی در هر دو حالت با آنچه که برای بزرگی ناهمسانگردی در پوسته پایینی انتظار میرود، مطابقت دارد.

نتیجه گیری مطالعات ژئوفیزیک

همان طور که در پیشتر اشاره شد، محدودیت استفاده از روش Ruempker et al. در تحلیل ناهمسانگردی موج برشی Ps با استفاده از فاز Ps کمبود داده باکیفیت مناسب است؛ که با سمت های پشتی متفاوت در هر ایستگاه ثبت می شود.

در این تحقیق تاثیر کمبود پوشش سمتی داده ها بر روش محاسبه ناهمسانگردی موج برشی در پوسته زمین با توجه به نتایج Ruempker et al. (2014) مورد بررسی قرار گرفت و بهبود روش با توجه به داده های مصنوعی ارزیابی شد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با آسیا ژئوفیزیک و ژئوتکنیکی تماس بگیرید.

اینستاگرام آسیا ژئوفیزیک