Stress inversion from 3D fault displacements

Mgr. Bc. Ľuboš Sokol, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Táto práce prezentuje novou metodu zaměřenu na určovaní napětí, které je počítané z třírozměrných pohybů aktivních zlomů situovaných blízko zemského povrchu. Na počátku vývoje této metody byl nový typ dat měřených pomocí automatického extenzometru TM71, respektive nově vyvinutého nástroje Spinterference, který je založený na principech magnetorezistivity. Tyto nové přístroje poskytují přesné a detailní měření pohybů mezi zlomovými bloky v mikrometrovém měřítku. Podstatnou novinkou použitých dat je, že zaznamenávají pohyb na zlomech ve všech třech rozměrech. To znamená, že zaznamenávají ne jenom dvoj-rozměrný skluz podél zlomových ploch, ale také komponentu pohybu kolmou na zlomovou plochu. Vstupními daty této metody je orientace zlomové plochy reprezentována normálou směřující dolů n = [nx, ny, nz]T, a vektor zlomového posunutí P = [Px, Py, Pz]T. Charakter vstupních dat, 3D vektor zlomového posunutí z otevřených zlomů blízko zemského povrchu, dovoluje předložit tři základní předpoklady, které vedou k numerickému výpočtu redukovaného tenzoru napjatosti [T′σ], který představuje orientaci a relativní velikosti hlavních normálových napětí (σ1, σ2, σ3). První předpoklad je zobecněná Wallace-Bottova hypotéza. Toto zobecnění stanovuje, že zaznamenaný pohyb na zlomu (P) má stejný směr jako napětí (S) působící na zlomovou plochu. Druhý předpoklad říká, že izotropní komponenta napjatosti je v blízkosti zemského povrchu zanedbatelná. Třetí předpoklad je založen na Andersonově teorií, která stanovuje, že jedno z hlavních normálových napětí je v blízkosti zemského povrchu vertikální. Na základě těchto tří předpokladů je možné vytvořit relativně jednoduchý numerický postup, který určí recentní napjatost z naměřeného pohybu jednoho aktivního zlomu. Představena metoda tedy nevyžaduje pro výpočet data z více zlomů, jako je tomu u klasických napjatostních inverzí ze zlomů. Vyvinutá metoda byla otestována na datech, které byly získány ze šesti lokalit ve Východních Alpách a jedné lokality na ostrově El Hierro, který patří do Kanárskych ostrovů. Předkládaná metoda napjatostní inverze nabízí možnosti aplikace ve více oblastech geověd, které využívají napjatostní analýzu, jako například monitorování zemětřesení, monitorování sesuvů či výzkum aktivní tektoniky.

Abstract:

This dissertation presents new method for determining recent stress states calculated from three-dimensional displacements of active tectonic faults situated near the ground surface. The development of the method was triggered by emerging new type of data from automated extensometers TM71 or recently developed instrument, based on principles of magnetoresistance, Spinterference. These new devices provide precise and accurate measurements of three-dimensional displacements at micrometre scale between fault surfaces. The essential novelty of these data is that they record the displacement in all three dimension, i.e. not only two-dimensional fault-slip along the fault surface but also the displacement component perpendicular to the fault surface. Input data fundamental for presented method are orientation of the fault surface represented by the down directed fault normal n = [nx, ny, nz]T and the vector of displacement between the particular fault blocks P = [Px, Py, Pz]T. Character of input data – 3D total vector of displacement from open faults situated near the ground surface – enables to propose three major assumptions, which lead to the numerical calculation of reduced stress tensor [T′σ], i.e. the orientation and relative magnitudes of principal stresses. The first assumption is generalization of Wallace–Bott hypothesis. This generalization states that movement of fault blocks (P) occurs in the direction of stress vector (S) acting on fault surface. The second assumption states that isotropic stress at the surface or at shallow crustal depths is negligible. Third assumption is based on Anderson’s theory (Anderson 1951) and it states that one of the principal stresses close to the ground surface must be vertical. Based on these assumptions it has been possible to develop a relatively simple numerical approach for determining contemporary stress states using displacement data recorded at a single fault. The outlined method therefore does not require a set of fault slip data, as needed in order to use classical inversion techniques. Developed method has been tested on fault displacement monitoring data which have been recorded at six sites in in the Eastern Alps since 2013 and one site at El Hierro island, Canary Islands. The outlined method is thought to have a considerable number of future applications in the many fields which use stress analysis, e.g., earthquake monitoring, landslide monitoring, and active-tectonic research.

Keywords

Stress Inversion, Structural Geology, Tectonics, Fault, Faulting, Eastern Alps, Inverze Napětí, Strukturní Geologie, Tektonika, Zlom, Východní Alpy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 12. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 20. 4. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Rostislav Melichar, Dr.
• Reader: Kurt Decker, Dr., doc. RNDr. Jozef Hók, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology / Dynamic geology, tectonics and physics of the Earth