Abstract

The inversion of earthquake focal mechanisms is one of the few tools available for determining principal stress directions at seismogenic depths. Various methods have been proposed for performing such inversions. For three of the most commonly used methods, including one that has been proposed by Jacques Angelier, we discuss the physical assumptions and the error determination and then we propose an extension for one of the methods. All four methods are then applied for evaluating the stress field in the Upper Rhine graben. They are applied to seismic data recorded with a temporary monitoring network that was deployed 12 hours after the magnitude Mw = 4.4 Sierentz earthquake, which occurred on July 15, 1980. While differences in principal stress directions can be as much as 28° depending on the method used for the principal stress direction determination (orientation of the minimum principal stress has been found to range from N051°E with a 27° plunge to N090° E with a 20° plunge), the 90% confidence level associated with each method varies from 11° to 27°. Moreover, these various methods yield fairly diverse values for the R factor that characterizes relative differences between principal stress magnitudes (from R = 0.7 with a 0.2 90% confidence level to R = 0.3 with a 0.2 90% confidence level). Furthermore all three methods leave some focal mechanisms unexplained. These are then declared to be the result of heterogeneity and are not considered for the inversion. It is concluded that earthquake focal mechanisms inversions lack resolution for stress field evaluation at depth if no proper attention is given to the event independence hypothesis. When proper attention is given to this hypothesis, a resolution of the order of 15° may be achieved. The minimum principal stress orientation derived with these various focal mechanisms inversions differs by 4 to 36° from the orientation determined from borehole breakouts observed in Basel, in a 5 km deep well (N054°E ± 14°), located some 20 km from Sierentz. The solution that fits best borehole breakout observations is that which satisfies the minimum number (three) of prerequisite physical assumptions.

Abstract

L’inversion de mécanismes au foyer est l’un des seuls outils disponibles pour déterminer les directions principales de contrainte à une profondeur sismogénique. Différentes méthodes ont été proposées pour effectuer ces inversions. Nous discutons les hypothèses physiques et la détermination d’erreur de trois des méthodes d’inversion les plus fréquemment utilisées, dont une proposée par Jacques Angelier, puis nous proposons une extension d’une de ces méthodes. Ces quatre méthodes sont ensuite utilisées pour évaluer le champ de contrainte dans le fossé rhénan supérieur. Elles sont appliquées a des données sismiques enregistrées avec un réseau temporaire déployé 12 heures après le séisme de magnitude Mw = 4.4 de Sierentz qui s’est produit le 15 juillet 1980. Tandis que les différences entre les directions principales de contraintes atteignent 28° suivant la méthode utilisée (l’orientation de la contrainte principale minimum varie entre N051°E avec un plongement de 27° et N090°E avec un plongement de 20°), les domaines de confiance à 90 % associés à chaque méthode vont de 11° à 27°. De plus les trois méthodes produisent des valeurs variées du facteur R qui caractérise les différences relatives entre les magnitudes des contraintes principales (de R = 0.7 avec un domaine de confiance à 90 % de 0.2 à R = 0.3 avec un domaine de confiance à 90% de 0.2). D’autre part les trois méthodes laissent des mécanismes au foyer non expliqués. Ceux-ci sont ensuite déclarés hétérogènes et ne sont pas considérés pour l’inversion. Il est conclu que les inversions de mécanismes au foyer manquent de résolution pour l’évaluation du champ de contrainte en profondeur s’il n’est pas prêté attention à l’hypothèse d’indépendance des événements. Quand cette hypothèse est vérifiée, une résolution de l’ordre de 15° peut être atteinte. La direction principale minimale dérivée de ces différentes inversions de mécanismes au foyer varie de 4 à 36° de celle déterminée à l’aide des « breakout » du forage de 5 km de profondeur de Bâle (N054°E ± 14°), situé à 20 km de Sierentz. La solution qui correspond le mieux aux observations des “ breakout “ est celle qui satisfait le nombre minimum (trois) d’hypothèses physiques prérequises.

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