Karel Klíma

Laboratory Approach to the Study of Elastic Anisotropy on Rock Samples

The experimental approach (hardware and software) to the study of the elastic anisotropy of rocks on spherical samples under hydrostatic pressure up to 400 MPa is discussed. A substantial innovation of the existing measuring system and processing methods enabled us to make a detailed investigation and evaluation of the kinematic as well as dynamic parameters of elastic waves propagating through anisotropic media. The innovation is based on digital recording of the wave pattern with a high sampling density of both time and amplitude. Several options and results obtained with the innovated laboratory equipment are presented.

Direct measurement of 3D elastic anisotropy on rocks from the Ivrea zone (Southern Alps, NW Italy)

Abstract Lower crustal and upper mantle rocks exposed at the earths surface present direct possibility to measure their physical properties that must be, in other cases, interpreted using indirect methods. The results of these direct measurements can be then used for the corrections of models based on the indirect data. Elastic properties are among the most important parameters studied in geophysics and employed in many fields of earth sciences. In laboratory, dynamic elastic properties are commonly tested in three mutually perpendicular directions. The spatial distribution of P- and S-wave velocities are then computed using textural data, modal composition, density and elastic constants. During such computation, it is virtually impossible to involve all microfabric parameters like different types of microcracking, micropores, mineral alteration or quality of grain boundaries. In this study, complete 3D ultrasonic transmission of spherical samples in 132 independent directions at several levels of confining pressure up to 400 MPa has been employed for study of selected mafic and ultrabasic rocks sampled in and nearby Balmuccia ultrabasic massif (Ivrea zone, Southern Alps, NW Italy). This method revealed large directional variance of maximum P-wave velocity and different symmetries (orthorhombic vs. transversal isotropic) of elastic waves 3D distribution that has not been recorded on these rocks before. Moreover, one dunite sample exhibits P-wave velocity approaching to that of olivine single crystal being interpreted as influence of CPO.

Elastic Parameters of West Bohemian Granites under Hydrostatic Pressure

The West Bohemian seismoactive region is situated near the contact of the Moldanubian, Bohemian and Saxothuringian units in which a large volume is occupied by granitoid massifs. The spatial distribution of P-wave velocities and the rock fabric of five representative samples from these massifs were studied. The P-wave velocities were measured on spherical samples in 132 independent directions under hydrostatic pressure up to 400 MPa, using the pulse-transmission method. The pressure of 400 MPa corresponds to a depth of about 15 km in the area under study. The changes of P-wave velocity were correlated with the preferred orientations of the main rock fabric elements, i.e., rock forming minerals and microcracks. The values of the P-wave velocity from laboratory measurements on granite samples fit the velocity model used by seismologists in the West Bohemian seismoactive region.

A comparison of measured and calculated elastic anisotropies of marble

РезюмеРасчитаны упругие константы и скорости продольных волн в мраморе, учитываь предпочтительную ориентировку кальцита. Расчитанные скорости сравнивались со скоростями, измеренными в 133 независимых направлениях на шаровидном образце мрамора. Наблюдается хорошое совпадение как по величине измеренных и расчитанных скоростей, так и по пространственному распределению упрутой анизотропии.

The computation of the elastic constants of an anisotropic medium from the velocities of body waves

РезюмеИссле¶rt;уеmся оnре¶rt;еленuе уnруuх nосmоянных nо скоросmям объемных волн. Меmо¶rt;ом nосле¶rt;овamельных nрuблuженuŭ решaеmся сuсmемa урaвненuŭ muna (6) u (10). Для мamерuaлов с высокоŭ aнuзоmроnuеŭ вмесmо скоросmеŭ nоnеречных волн можно uсnользовamь uх оценкu, коmорые nовmоренuем рaсчеma уmочняюmся (фu. 2). Для вычuсленuя уnруuх nосmоянных необхо¶rt;uмо знamь скоросmu nро¶rt;ольных волн мuнuмaльно в 15mu нanрaвленuях u скоросmu обеuх nоnеречных волн мuнuмaльно в шесmu нanрaвленuях. Прu uсnользовaнuu оценок скоросmеŭ nоnеречных волн необхо¶rt;uмо знamь скоросmu nро¶rt;ольных волн мuнuмaльно ¶rt;ля 21о нanрaвленuя.

The velocity of elastic waves in diabase and greywacke under pressures up to 4 kilobars

РезюмеСтатья посвящена изучению поведения упругих параметров горных пород, в частности скоростей продольных и поперечных волн, при высоких всесторонних давлениях до 4килобар и одностороннем давлении до 1килобар. Исследования проводились на двух представительных типах горных пород пржибрамского рудного района, диабазах и граувакках, с целью создать основы для применения ультразвуковых методов изучения горного давления в этой области.Измерения при всесторонних давлениях производились в лаборатории высоких давлений ИФЗ АН СССР в Москве. Скорости упрутих волн измерялись методом прозвучивания посредством электронной аппаратуры ГИ ЧСАН с разрешающей способностью 0,02мксек на экране электронно-лучевой трубки. Для возбуждения и приема упругих колебаний применялисьХ срезы кварца, собственной частотой от 1 до 2,5мгц. При расчетах скоростей вводились поправки на время пробега импульса аппаратурой.Полученные результаты измерений приведенные в таб. 4 и графиках сравниваются с данными других авторов (фиг. 18, 19). У изучаемых пород наблюдаются небольшие изменения скоростей продольных и поперечных волн с давлением, которые достигают максимального относительного изменения 5% при давлениях до 4килобар. Одновременное измерение скоростей продольных и поперечных волн позволило определкть изменения постоянной Пуассона σ с давлением. Отмечается, что зависимость σ от давления может принимать более сложную форму, чем до сих пор обычно предпологалось.

Experimentally Determined P-Wave Velocity Anisotropy for Rocks Related to the Western Bohemia Seismoactive Region

The elastic properties of granites from Western Bohemia which we measured and published earlier have been supplemented with measurements of olivine nephelinite from the same region and with data on lherzolitic xenolith from the vicinity of Železný Brod. The set of velocities measured under laboratory conditions has been compared with depth profiles suggested for the purpose of locating seismic swarm events which occur in this region. P-wave velocities were measured under pressures of up to 400 MPa. This pressure corresponds to depths of about 15 km for this region. The data were extrapolated for larger depths. Comparing laboratory measurements and seismic profiles, we can conclude that the rocks under study may be constituents of crust structures.

The attenuation of longitudinal waves in diabase and greywacke under pressures up to 4 kilobars

РезюмеСтатья посвящена изучению поглощения продольных волн в диабазах и граувакках пржи брамского рудного района при высоких всесторонних давлениях до 4 килобар. Измерения проводились в лаборатории высоких давлений ИФЗ АН СССР в Москве. При изучению поглощения продольных волн применялся метод прозвучивания. Амплитуды упругих волн измерялись электронной аппаратурой ГИ ЧСАН с точностью до 5%. Исследования показали, что коэффициент поглощения αp с повышением давления падает, его изменения с давлением превышают у диабазов в 2–4 раза и у граувакк в 10 раз соответствующие изменения скорости продольных волн. Наблюдается тенденция к понижению относительного изменения αp с давлением при увеличении размеров зерен.

Velocity of longitudinal waves in eclogite and ultrabasic rocks under pressures to 4 kilobars

РезюмеОписывается методика и результаты измерений скорости упругих продольных волн на образцах эклогитов и ультраосновных пород при давлениях до 4 килобар. Совокупность образцов состояла из 4 образцов эклогитов и 9 образцов ультраосновных пород, из которых 5 было серпентизированных. Исходные данные для образцов приведены в табл. 1. Результаты измерений при всестороннем давлении показаны в табл. 3 и 4 и на графиках фиг. 1 и 2. Образцы эклогитов и два образца ультраосновных пород обладают при высоких давлениях скоростью продольных волн больше 8,0 кμ/сек, которая налбюдается под границей Мохоровичича. Дальше исследовалась зависимость скорости продольных волн от плотности при атмосферном (фиг. 3) и всестороннем давлении 4 килобар (фиг. 4), в последнем применялись также результаты Берча [1]. Данные об анизотропии скорости для дунитов по Берчу приведены в табл. 5, для эклогитов в табл. 6. Сравнение результатов измерений показывает, что анизотропия эклогитов в среднем в три раза меньше, чем у дунитов. Разность анизотропии этих двух типов горных пород могла бы помочь в решении вопроса о вероятном материале, образующем верхную мантию в разных регионах.

Contribution of Local Seismic Networks To The Regional Velocity Model of The Bohemian Massif

The routine location of regional seismic events using data from the Czech National Seismological Network (CNSN) is based on Pn, Pg, Sn, Sg phases. A simple velocity model derived from Kárníks (1953) interpretation of an earthquake in Northern Hungary in 1951 has hitherto been used. At present, numerous local seismic networks record and locate local events, which are occasionally recorded at regional distances as well. Due to the relatively small dimensions of local networks, hypocenters (and origin times) determined by a local network might be considered as nearly exact from the point of view of regional-scale CNSN. The comparison of common locations performed by CNSN and by a local network enables us to estimate the accuracy of CNSN locations, as well as to optimize a simple velocity model. The joint interpretation of the CNSN bulletin and the catalogues of four local seismic networks WEBNET, OSTRAVA, KLADNO and LUBIN produced a new ID velocity model. The most frequent epicentral error in this model is less than 5 km, and most foci lie up to 15 km from the true position. The performed analysis indicates bimodal distribution of Sn residuals.