تحلیل حساسیت مدل‌های کشسان تغییرات همالرزه‌ای شتاب گرانی در سطح پوسته زمین به پارامترهای ورودی

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

دانشکده مهندسی نقشه‌برداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

فرایند زمین‌لرزه دربردارنده متغیرهای متعددی است که برخی از آنها با دقت بیشتری نسبت به بقیه با روش‌هایی غیر از مدل‌سازی تعیین می‌شوند. هدف از این تحقیق بررسی اثر تک‌تک پارامترهای ورودی هندسی و فیزیکی در مدل‌های کشسان تغییرات هم‌لرزه شتاب ‌گرانی در سطح پوسته زمین است. با بررسی‌های صورت گرفته در مورد روش‌های متفاوت تعیین پارامترهای هندسی گسلش و پارامترهای فیزیکی منطقه گسلش، تحلیل حساسیت روی پارامترهایی که با دقت کمتری از اطلاعات مربوط به عملیات صحرایی تعیین می‌شوند، توصیه می‌شود. از بین این پارامترها می‌توان به زاویه شیب یا عمق قفل‌شدگی بالای گسلش اشاره کرد. بااین‌حال در این تحقیق نقش کلیه پارامترهای گسلش روی داده‌های حاصل از گرانی‌سنجی مورد بررسی قرار گرفته است. برای عملی ساختن این تحلیل از مدل تحلیلی اکوبو (1992) استفاده شده است. از اندازه‌گیری‌های دقیق شتاب ‌گرانی در سطح زمین، می‌توان برای استخراج جزئیات بیشتری از پارامترهای گسلش پوسته‌ای ناشی از زمین‌لرزه استفاده کرد. در این تحقیق، تغییرات شتاب ‌گرانی سطحی در سه نوع گسلش امتدادلغز، شیب‌لغز و کششی در محیطی که از یک نیم‌فضای کشسان تشکیل شده است مدل‌سازی شده و تحلیل حساسیت روی همة پارامترهای هندسی و فیزیکی آن صورت می‌گیرد. براساس نتایج تحلیل حساسیت صورت گرفته ملاحظه می‌شود که بیشترین حساسیت و تغییر در شتاب ‌گرانی نسبت به پارامتر نابرجایی و کمترین آن نسبت به طول گسل است. همچنین این مدل هیچ حساسیتی به ضرایب لامه نیم‌فضا در حالت جامد پواسون نشان نمی‌دهد. از طرفی از بین پارامترهایی که با دقت کمتری از اطلاعات مربوط به عملیات صحرایی تعیین می‌شوند، تعیین زاویه شیب صفحه گسل و عمق قفل‌شدگی بالا در هر سه نوع گسلش با استفاده از این مدل توصیه می‌شود. با استفاده از تحلیل حساسیت می‌توان مکان مناسب‌ترین اطلاعات تغییرات شتاب ‌گرانی حاصل از مدل را در به‌دست آوردن مقادیر پارامترهای مورد بررسی گسلش، تعیین کرد. براین‌اساس در مورد همة پارامترها از جمله شیب صفحه گسل و عمق قفل‌شدگی بالا، تصویر سطحی صفحه گسلش واقع در یک انتهای گسل در حالت امتدادلغز و وسط صفحه گسلش در حالت شیب‌لغز و کششی، بهترین مکان برای تعیین این پارامترها است. با توجه به احداث شبکه چندمنظوره ژئودزی فیزیکی و ژئودینامیک ایران، حل مسئله معکوس، یعنی تعیین پارامترهای گسلش ناشی از زمین‌لرزه‌ها در محدوده احداثی این شبکه که کل ایران را دربرمی‌گیرد به‌مثابة یک نتیجه کاربردی مهم این تحقیق برای این شبکه پیشنهاد می‌شود. افزایش تعداد ایستگاه‌های این شبکه در مناطق لرزه‌خیز نیز به حل بهتر مسئله معکوس با استفاده از مشاهدات این شبکه کمک خواهد کرد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Sensitivity analysis of elastic models of coseismic gravity changes on the surface of Earth’s Crust to input parameters

نویسندگان [English]

  • Asghar Rastbood
  • Behzad Voosoghi
چکیده [English]

Earthquake process involves different variables some of which are determined more accurately than the others with non-modeling approaches. The scope of this research is to investigate the effect of individual geometrical and physical input parameters in coseismic gravity change models on the Earth surface. Among different physical and geometrical parameters, performing sensitivity analysis on less accurately determined parameters by field work is recommended. Among these parameters we can refer to fault dip and upper locking depth of the fault. Nevertheless in this research the role of all faulting parameters on gravity obtained data have been surveyed. To do this analysis the elastic model of Okubo (1992) was used. In this research, surface gravity change was modeled in three strike-slip, dip-slip and tensile slip reference faults, in a medium composed of an elastic half-space and a sensitivity analysis was performed on all geometrical and physical parameters. From the variability analysis, the location of the most appropriate gravity data was determined to obtain values for the studied parameters. To do sensitivity analysis, we considered areas with maximum and minimum gravity changes. These areas were located on one end of the surface projection of the reference fault plane in a strike slip case and middle of the surface projection of fault plane in dip slip and tensile slip cases. In all cases the characteristic horizontal length scales were fault dimensions. Maximum and minimum gravity changes were principally by the magnitude of slip or dislocation. On the other hand, fault size has a much smaller effect upon them. According to results obtained from the analysis, coseismic gravity changes showed a high dependency to fault slip above rupture surface of the fault; however it showed the least sensitivity to the fault length as well. Therefore, this model was not an appropriate tool to determine the fault length. Analyzing the coseismic gravity changes revealed a strong dependency on the dip angle of the fault plane. Observation points with large gravity changes also showed a large variability as the dip angle of fault varied. The area over the rupture plane was the one where the largest gravity changes occured. Therefore, surface measurements in this area were the most suitable to ascertain the most likely value for the dip angle. In the analysis of the coseismic gravity changes it was found that, on average, deviations from a reference model were large above the rupture plane when varying the upper locking depth of the fault. on the other hand, varying the elastic half-space density led to small differences, in general. It means that coseismic gravity change analysis shows a small sensitivity to the elastic half-space density. This, in turn, indicates that coseismic gravity measurements are not recommendable for trying to ascertain an accurate value for this parameter. This model does not show any sensitivity to Lame coefficients for Poisson Solid. Earthquake parameter determination specially dip angle and upper locking depth using Multi-purpose Physical Geodesy and Geodynamics Network of Iran (MPGGVI) was an important applicable result of this research. Densifying of this network in seismic zones of Iran is recommended for better inverse problem solution using these network observations.
Sensitivity analysis of Soldati (1998) model for viscoelastic half-space is recommended. The results of this analysis could be used for fault parameters determination by gravity network set up in postseismic mode.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dislocation theory
  • Sensitivity analysis
  • analytic modeling
  • reference fault
  • coseismic gravity change
  • elastic half-space

راست­بود، ا.، وثوقی، ب. و کاردر، ف.، 1390، مدل­سازی تغییرات هم­لرزه شتاب ­گرانی در اثر زمین­لرزه، مطالعه موردی: زمین­لرزه (26/12/2003) 5/6= Mw بم: هجدهمین همایش و نمایشگاه ملی ژئوماتیک 90، سازمان نقشه­برداری کشور.  

نجفی علمداری، م. و راست­بود، ا.، 1386، درس­هایی از مبحث ژئودزی فیزیکی: سازمان نقشه­برداری کشور، 277.

نوری، س.، وثوقی، ب. و ابوالقاسم، ا. م.، 1388، مدل‌سازی میدان جابه‌جایی هم‌لرزه یک گسل و تعیین حساسیت پارامترهای هندسی و فیزیکی مدل به میدان جابه‌جایی آن: مجله فیزیک زمین و فضا، 35(1)، 59-73.

Chinnery, M. A., 1961, The deformation of ground around surface faults: Bull. Seis. Soc. Am., 51, 355-372.

Fu, G., Sun, W., 2008, Surface coseismic gravity changes caused by dislocations in a 3-D heterogeneous Earth: Geophys. J. Int., 172, 479-503.

Hwang, C., Wang, C. G., and Lee, L. H., 2002, Adjustment of relative gravity measurements using weighted and datum-free constraints: Computers and Geosciences, 28(9), 1005-1015.

Mase, G. T., and Mase, G. M., 1999, Continuum mechanics for engineers: CRC Press, 400.   

Nowroozi, A. A., 1985, Empirical relations between magnitudes and fault parameters for earthquakes in Iran: Bull. Seis. Soc. Am., 75, 1327-1338.

Okada, Y., 1985, Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space: Bull. Seis. Soc. Am., 75, 1135-1154.

Okubo, S., 1991, Potential and gravity changes raised by point dislocations: Geophys. J. Int., 105, 573-586.

Okubo, S., Gravity and potential changes due to shear and tensile faults in a half-space, 1992: J. Geophys. Res., 97, B5, 7137-7144.

Segall, P., 2010, Earthquake and volcano deformation: Stanford University, Princeton University Press, 458.

Soldati, G., Piersanti, A., and Boschi, E., 1998, Global post-seismic gravity changes of a viscoelstic Earth: J. Geophys. Res., 103, B12, 29867-29885.

Stein, S., and Wysession, M., 2003, An introduction to seismology, earthquakes, and Earth structure: Blackwell Publishing, 498.

Sun, W., and Okubo, S., 1993, Surface potential and gravity changes due to internal dislocations in a spherical Earth - I. Theory for a point dislocation: Geophys. J. Int., 114(3), 569-592.

Sun, W., and Okubo, S., 1998, Surface potential and gravity changes due to internal dislocations in a spherical Earth - II. Application to a finite fault: Geophys. J. Int., 132(1), 79-88.

Wells, L., Donald and Coppersmith J. Kevin, August 1994, New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement: Bull. Seis. Soc. Am., 84(4), 974-1002.