background image

GEOLOGICA CARPATHICA

, DECEMBER 2016, 67, 6, 509 – 524

doi: 10.1515/geoca-2016-0032

www.geologicacarpathica.com

Surface strain rate colour map of the Tatra Mountains 

region (Slovakia) based on GNSS data

MARTIN BEDNÁRIK

1

, JURAJ PAPČO

2

, VLADIMÍR POHÁNKA

1

, VLADIMÍR BEZÁK

1

,  

IGOR KOHÚT

1

 and LADISLAV BRIMICH

1

Earth Science Institute, Slovak Academy of Sciences, Dúbravská cesta 9, P.O. Box 106, 840 05 Bratislava, Slovakia; geofmabe@savba.sk

Department of Theoretical Geodesy, Faculty of Civil Engineering, Slovak University of Technology, Radlinského 11,  

813 68 Bratislava, Slovakia 

(Manuscript received September 29, 2015; accepted in revised form September 22, 2016)

Abstract: The surface deformation of the Tatra Mountains region in Western Carpathians can nowadays be studied 

directly thanks to precise geodetic measurements using the GNSS. The strain or stress tensor field is, however, a rather 

complex “data structure” difficult to present legibly and with sufficient resolution in the form of a classical map. A novel 

and promising approach to the solution of this problem is coding the three principal strain or stress values into the three 

colour channels (red, green, blue) of an RGB colour. In our previous study, the colour depended on the stress tensor shape 

descriptors. In the current study, the adapted colouring scheme uses a subset of shape descriptors common to stress and 

strain, which differ only in the scaling factor. In this manner, we generate the colour map of the surface strain rate field, 

where  the  colour  of  each  grid  point  carries  the  information  about  the  shape  of  the  strain  rate  tensor  at  that  point.   

The resulting strain rate colour map can be displayed simultaneously with the map of the faults or elevations and be  

easily  checked  for  the  data  or  interpolation  method  errors  and  incompatibility  with  the  geophysical  and  geological 

expectations.

Keywords: GNSS, surface deformation, tensor field visualization, three-dimensional colour function, Tatra Mountains.

Introduction

Tatra Mountains

The Tatra  Mts.  (Fig. 1)  are  the  northernmost  core  mountain 

range in the arc of the Western Carpathians. Tectonically, they 

belong to the Inner Western Carpathians (recently reaffirmed 

by  Bezák  et  al.  2004).  Their  present-day  morphology  is  

a product of the most recent tectonic processes in the Miocene 

to Quaternary. After the oblique collision of the block of the 

Inner Carpathians with the European Platform and the subduc-

tion  of  Magura  Ocean  reached  standstill,  new  tectonic  pro-

cesses ini tiated in the mantle have led to increased volcanic 

activity and formation of horst-graben structures, with most 

horsts uplifted asymmetrically. The asymmetrical uplift of the 

block of the Tatra Mts. proceeded along the Sub-Tatra fault 

band (e.g., Nemčok et al. 1994). The Tatra Mts. horst com-

prises in itself the tectonic units from the previous orogenic 

periods,  mainly  the  Hercynian  and  the  Palaeoalpine.  In  the 

Hercynian period, crystalline units (metamorphics and grani-

toids)  were  formed.  During  the  Palaeoalpine  Cretaceous 

period,  the  superficial  nappes  of  Mesozoic  complexes  were 

formed,  preserved  now  mainly  on  the  northern  side  of  the 

Západné  and Vysoké Tatry  Mts.  and  in  the  Belianske Tatry 

Mts. A detailed view of the geology of the Tatra Mts. is given 

by Nemčok et al. (1993). The Neoalpine to recent tectonics of 

the Tatra Mts. have been studied by, for example, Sperner & 

Ratschbacher  (1995),  Burchart  (1972),  and  recently  by 

 Králiková et al. (2014). A valuable summary of the research 

related to the exhumation of the Tatra Mts. can be found in the 

introductory chapter of Anczkiewicz et al. (2015).

Deformation measurements in the Western Carpathians and 

Pannonian Basin 

The completely blank space of Slovakia on the World Stress 

Map (WSM) compiled by Heidbach et al. (2009) represents 

the reluctance of the local researchers to contribute to the WSM 

rather than a total lack of any research. The early history of 

stress/strain field research in Western Carpathians and Panno-

nian  Basin  definitely  includes  the  extensometric  measure-

ments. A summary of their results can be found in Mentes 

(2008). Their spatial resolution is very low (only five extenso-

metric stations for the whole area of interest) and they only 

give the projection of the strain tensor at a site usually into 

one, exceptionally two approximately perpendicular horizon-

tal directions. As the extensometric measurements are  sampled 

frequently enough in time, they could be able to detect sudden 

tectonic  stress  changes  at  the  site.  Nevertheless,  due  to  the 

environmental  influences  (change  of  temperature,  preci-

pitation  etc.),  they  never  did  so  with  sufficiently  high 

reliability.

Another category of strain measurement devices frequently 

used  in  Central  Europe  is  the  dilatometers  (crack  gauges), 

especially  the  mechano-optical  ones  of  the  type  TM-71 

(Košťák 1969). These register the relative motion (in all its 

background image

510

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

degrees of freedom) of two blocks of rock across the crack that 

separates them. The favourite installation sites are the under-

ground cavities of caves or mine galleries (e.g., Briestenský 

2008;  Briestenský  &  Stemberk  2008),  thus  giving  a  rise  to 

a new branch of active tectonics research (Littva et al. 2015).

A study by Fojtíková et al. (2010) relates the focal mecha-

nisms of the local earthquakes to the stress field in the Malé 

Karpaty Mts. Given the number and spatial configuration of 

seismometers needed to determine the focal mechanisms of 

many local events, and the uneven spatial and temporal distri-

bution of seismic activity in the Western Carpathians, we cannot 

hope that any larger portions of Western Carpathians will ever 

be surveyed in this manner.

With the onset of new technologies, much effort is exerted 

to measure the surface movements directly. The comprehen-

sive dissertation of Papčo (2010) directly applies to the same 

geographic region of interest as this paper. The data output of 

the  study  serves  as  our  source  data.  Our  method  provides 

a further  enhancement  of  their  geophysical  readability  and 

interpretability. As Papčo’s dissertation is not widely availa-

ble, in the next chapter, we give a short summary focusing on 

information relevant to this paper.

GNSS measurements in the Tatra Mountains region

Global navigation satellite systems (GNSS) can be used as 

very efficient tools for monitoring the velocity of lithospheric 

plates, including the inner plate motions.

The Tatra Mountains region has 

attracted the specialists in geodetic 

monitoring since the early 1980-s. 

The  pioneering  work  has  been 

done  by  Hradilek  with  his  high 

precision 

classical 

geodetic 

measu rements  (Hradilek  1984). 

The  modern  period  of  this  long-

term activity started in 1997 within 

the  project  CERGOP  (Czarnecki 

&  Mojzeš  2000)  and  CERGOP2 -

Environment  (Fejes  2002)  by 

establishing  the  special  GNSS 

geodynamics  network  TATRY. 

The whole network consists of 30 

points, which can be divided into 

two main groups: primary geody-

namics  points  (18  sites),  and  the 

rest  of  the  network  dedicated  to 

other research purposes (e.g., local 

gravity  field  modelling).  Geody-

namics points are located in the 

highest  alpine  parts  (points  ZISE 

(Žiarske sedlo), KAWI (Kasprowy 

Wierch),  PRSO  (Predné  Solisko) 

and LOMS (Lomnický štít)), val-

ley  parts  (points  ZICH  (Žiarska 

chata),  HAGA  (Hala  Gąsie ni-

cowa),  TIDO  (Tichá  dolina),  BIEL  (Bielovodská  dolina), 

SDOM (Sliezsky dom), HREB (Hrebienok), SKPL (Skalnaté 

pleso) and TAKO (Tatranská kotlina)), and 6 points are situated 

outside the main area (GANO (Gánovce), ROHA (Roháčka, 

near  Liptovský  Mikuláš),  LIES  (Liesek),  KACI  (Kacwin), 

RWOO  (Rolów  Wierch)  and  GUBA  (Gubałówka)).  Precise 

epochal GNSS measurements have been performed annually 

since  1998  with  the  durations  of  approximately  96  hours. 

 Processing  was  done  in  the  Bernese  software  version  5.0  

(Dach et al. 2007) in accordance with the EPN and CEGRN 

 recommendations (Stangl 2007) using precise IGS orbits, EOP 

parameters (IGS 2016), absolute GNSS antenna phase centre 

information and Niell mapping function for the tropospheric 

delay  modelling.  All  campaigns  (from  1998  to  2008)  were 

 processed in the ITRS global coordinate system. Connection to 

ITRF2005 (Altamimi et al. 2007) was established by using the 

surrounding permanent GNSS stations of EPN: BOR1, GOPE, 

GRAZ, JOZE and PENC (EPN 2016). 

Final coordinates and velocities of the points (in ITRS 

global coordinate system) were estimated in the special pro-

gram COMB_NET, which was designed for combinations of 

networks  taking  into  account  the  time  epoch  (Hefty  2004; 

Hefty  &   Gerhátová  2006).  The  inner  plate  velocities  were 

derived from the Eurasia lithospheric plate velocity model 

APKIM2005D (Drewes 2009).

The horizontal velocities reach up to 2 mm/year, but at the 

majority of the points they are below 1 mm/year (cf. Appendix; 

Fig. 2). Vertical velocities of the points are very unstable and 

Fig. 1. Tectonic scheme of the Tatra Mts. region based on Bezák et al. (2008). The coordinates [m] of 

its corners are given in UTM Zone 34 North reference system. In the upper left corner, the overview 

map of Slovakia shows the studied area with a black rectangle.

background image

511

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

                                      .                                  

(1)

The dot over the symbols denotes the first time-derivative of 

strain and displacement. The indices after the comma denote 

partial  derivatives  with  respect  to  the  l-th or j-th spatial 

coordinate.

 Of that velocity field 

    

, we have available only a few sam-

ples — the horizontal surface velocities measured at the sta-

tions. From those samples, taking into account their errors, we 

have to interpolate the horizontal velocity field covering the 

whole region. The interpolated velocity field can be specified 

in the form of a function formula, which can be differentiated 

analytically, or as a regular grid of values, which can be diffe-

rentiated numerically.

At the stations’s positions, the exact interpolation methods 

yield exactly the same values as the respective measured values. 

This is not very desirable in the situation of known, relatively 

large  data  errors.  The  approximate  interpolation  methods, 

which do not adhere to the measured values exactly, should 

then be preferred. This was also our choice.

The next choice depends on our notion of regional dyna-

mics. A region with a stable crust can be regarded as moving 

as  a  whole,  with  small,  regional  scale  perturbations.  In  this 

case, we shall search for a whole region interpolation formula. 

In a less quiet region, the local dynamics concentrated to the 

vicinity of faults and other active structures may locally prevail 

over the regional trends. In the latter case, the local interpola-

tion methods, effectively taking into account only the nearest 

stations, may be a better choice. An increase of the (polyno-

mial) order of the whole region interpolation formula could 

have a seemingly similar effect of 

capturing  the  local  behaviour. 

Nevertheless, this solution has 

many  side  effects.  The  worst  of 

them is a better adherence to the 

values measured at the sites at the 

expense  of  very  unsatisfactory 

behaviour elsewhere in the region. 

Increasing  the  order  of  approxi-

mation makes more sense in the 

local interpolation methods. 

We tested both the whole region 

least  squares  interpolations,  im   -

ple  mented  in  a  script  written  in 

 Mathematica  9  by  Wolfram  Re-

search, and the local moving least 

squares interpolation (Pohánka 

2005),  implemented  in  a stand-

alone program.

In  the  whole  region  weighted 

least squares interpolation under 

Mathematica  9  we  took  advan-

tage  of  the  built-in  Minimize[  ] 

function to find the values of  

the coefficients c

mn

 of the 

poly      nomial

(

)

2

,

,

j

l

l

j

l

j

u

u

+

=

e

j

u

problematic, because none of them surpasses its uncertainty 

and they show very variable trends. Next analysis and strain 

field  determination  were  performed  without  the  points  with 

problematic behaviour (BIEL, ZICH, TIDO, PRSO, GUBA, 

RWOO  and  HREB). The  main  reasons  for  these  exclusions 

were  locations  of  the  points  (sites  affected  by  landslide  

or  moraine  movements),  character  and  magnitude  of  the 

velocity, sudden jumps in the time series or shorter measure-

ment period.

For the purposes of this paper, two more stations — GANO 

and LIES — were excluded from the dataset based on consi-

derations about the sites’ geological settings. GANO can be 

influenced  by  slope  motions.  LIES  is  located  on  Neogene 

sedi ments. TAKO, situated on glaciofluvial deposits, has been 

kept in the dataset. The difference is that the contribution of 

TAKO to the interpolation function can be corrected by contri-

butions of the neighbouring stations (and it has also a lower 

weight in the weighted least squares due to its higher standard 

deviation of velocity), whereas LIES is a stand-alone site that 

would influence a broader area.

Methods 

Interpolation methods

The main task is to produce a colour map of the surface 

strain rate tensor field.  The strain rate tensor contains the spa-

tial derivatives of the surface velocity field. In Cartesian coor-

dinates and index notation

Fig. 2. Measured surface velocities (arrows) and their standard deviations (ellipses) within the area 

of interest with an extent of 70 × 47.5 km

2

 (the coordinates [m] of its corners are given in UTM Zone 

34 North reference system). Here, the different colours are used only as a graphical tie between the 

measurement site and the standard deviation of velocity at the site. In the upper left corner, the over-

view map of Slovakia shows the studied area by black rectangle.

background image

512

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

                                           

                                       

 

 

 

 

                               

 (2)

that yield the minimum of 

-

k

O

k

I

k

k

v

v

w

2

,  where  

(

)

k

k

I

I

k

y

x

v

v

,

=

 

is the interpolated value and 

O

k

v

 

is the value 

observed at the site (x

k   

, y

k    

)  and w

k  

w

k  

>0 , are the weights at 

the sites. v 

I 

(x, y ) stands for any of the horizontal surface velo-

city  components.  In  our  implementation,  the  weights  of  the 

approximation errors are proportional to the reciprocals of the 

specified standard deviations of the measured velocity values 

at the sites. Thus, the smaller the standard deviation, namely 

the more reliable the value, the greater weight is attributed to 

the site. The site’s weight could also involve a station’s geody-

namical reliability factor based on an expert’s assessment of 

the station’s geological setting. For instance, the stations on 

unconsolidated sediments could get a lower rating. We did not, 

however, implement the station’s rating. We instead excluded 

the problematic stations GANO and LIES from the dataset. 

The weights based on standard deviations did not have a very 

significant influence on the results, as the standard deviations 

vary from site to site only moderately (with an exception of 

TAKO  —  cf.  Fig.  2)  and  the  almost  equal  weights  did  not 

favour any of the stations.

Our iterative least squares algorithm with adaptive weights 

yielded  interesting  results.  Its  basic  idea  is  simple:  if  the 
approximation error 

( )

O

k

I

k

v

i

v

-

 in the i-th step at the k-th site 

exceeds the standard deviation 

d

k

  (here we deviate from the 

usual notation of standard deviation by 

s

k

  ,  as  this  symbol 

denotes principal stress value elsewhere in the paper), then in 

the i +1-th step the site’s weight w

k 

(i + l)  should be increased 

by the factor of 

( )

( )

k

O

k

I

k

k

v

i

v

i

a

d

-

=

    

(3)

to 

( )

( ) ( )

i

w

i

a

i

w

k

k

k

=

+

1

  

 

 

(4)

in order to reach a more favourable a

k 

(i + l)  ratio (i.e. a lesser 

exceedance)  in  the  i + l-th  step  of  weighted  least  squares 

approximation. In this manner, the weights of all sites shall be 

iteratively  adapted. The  iteration  process  stops  when  for  all 
sites

 

( )

( )

O

k

I

k

O

k

I

k

v

i

v

v

i

v

-

=

-

+

1

 

The observed convergence 

of  the  process  was  rather  slow  (up  to  hundred  iterations 

needed) and very moderately uneven. It seems to be, however, 

independent of the initial weights w

k 

(0) . We tried  w

k 

(0) =1  as 

well as w

k 

(0) =

d

k

–1

.

Let us denote 

( )

i

v

v

I

k

i

A

I

k

=

lim

.  The  adaptive  weights  algo-

rithm  tends  to  minimize  the  maximum  approximation  error 

O

k

A

I

k

k

v

-

max

  reached within the dataset, whereas the origi-

nal  least  squares  approximation  directly  minimizes 

-

k

O

k

I

k

k

v

v

w

2

.  Interestingly,  the  Mathematica’s  Minimize[ ] 

function  was  unable  to  find  the  global  minimum  of  

O

k

I

k

k

v

-

max

 

directly.  The  detour  through  iterative  least 

squares is a necessity.

The moving least squares interpolation formula in the ver-

sion of Pohánka (2005) is the simplest possible function that 

meets a set of basic requirements that an interpolation function 

has to fulfil. The polynomial in local coordinates around the 

point whose value it has to interpolate should be preferably of 

the  second  order.  The  weights  of  the  squared  interpolation 

errors at the measurement sites decrease with the distance to 

the interpolation point. The behaviour of the function can be 

controlled by two parameters: the smoothing distance d

0

  and 

the regularization distance d

1

.

From stress to strain colouring

The choice of the tensor field visualization method depends 

on how much we want to show in order to be understood, as 

well. Some methods require from the reader of the visualized 

tensor  field  a  sufficiently  deep  understanding  of  the  tensor 

notion  and  nature,  or  a  superb  3D  spatial  imagination  and 

 orientation, which can be a quite high expectation for some 

users.  A  simple  single-indexed  colouring  of  stress  states, 

whose typical geophysical application is the WSM (Heidbach 

et al. 2009), is on the other end of the stress state visualization 

methods’ spectrum. Bada et al. (2007) goes one step further 

and interpolates the discrete colours attributed to the stress 

state points into a continuous stress state colour map. The less 

colours the stress mapper has available, the more industrious 

(s)he has to be in design of the glyphs for coding the stress 

states. Still, a greyscale stress map remains a big challenge for 

the reader (Jarosiński et al. 2006).

Our  stress  colouring  method,  described  in  Bednárik  & 

Kohút (2012) in detail, and now adapted to colouring strains 

as  well,  aims  to  produce  a  reader-friendly,  yet  infor mation-

loaded colour map of a stress or strain field. The stress or 

strain  colour  map  however  differs  from  the  standard  colour 

map  of  a  scalar  quantity  like  height  or  temperature  in  one 

important aspect: our colours depend on three scalar quantities 

(the three principal stress or strain values) at once.

The stress tensor colouring method introduced in Bednárik 

& Kohút (2012) needs an adjustment to the current applica-

tion. The main challenge is the unavailability of the relevant 

rock characteristics (elastic and rheological parameters, mate-

rial  strength,  planes  of  weakness  etc.)  at  the  computation 

points. In a complex geological environment to be expected in 

the  Tatra  region,  the  stress  field  is  influenced  by  many 

 variously oriented faults, some well exposed and documented, 

some unknown. In this situation, the construction of a surface 

stress field would be a too daring enterprise. Instead, we rather 

opted for adaptation of the original method to the colouring of 

the surface strain rate tensor field.

For the sake of derivation of the formulae, let us start with 

the simplest isotropic elastic model. Here, the Hooke’s law in 

Cartesian coordinates has the form

,

2

2

2

0

0

0

0

0

0

2

0

0

0

2

0

0

0

2

2

1

1

3

3

2

3

3

2

2

1

1

2

1

1

3

3

2

3

3

2

2

1

1

+

+

+

=

e

e

e

e

e

e

m

m

m

m

l

l

m

l

l

l

m

l

s

s

s

s

s

s

                                                                                       (5)

(

)

∑∑

=

=

=

M

m

N

n

n

m

n

m

I

y

x

c

y

x

v

0

0

,

background image

513

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

where 

l

 and 

m

 are the Lamé elastic parameters at the point. 

The symmetrical lower diagonal part of the stiffness matrix 

has been omitted.

Our original colouring method was based on transforming 

the principal stress values into so called colourables D, M, A or 

their rescaled values d, m, a. We are interested to see whether 

similar colouring can be done with the principal strains. The 

first to be noted consequence of the isotropic Hooke’s law (5) 

is that the principal stress directions and the principal strain 

directions in isotropic elastic model are coaxial (we leave the 

proof to the reader).

Let us have an isotropic elastic halfspace limited by a hori-

zontal  free  surface.  Within  the  surface,  let  us  introduce  the 

horizontal coordinate axes and denote them e

1

e

2

. The remaining 

coordinate axis e

3

 will be vertical. If the horizontal surface is 

traction-free, then 

s

33 

= 0, 

s

23 

= 0, 

s

31 

= 0, and the relationship of 

the  relevant  stresses  and  strains  degenerates  to  a  2D  case 

(called plane stress state), described by the matrix equation

(

) (

)

(

)

(

)

(

) (

)

+

+

+

+

+

+

=

2

1

2

2

1

1

2

1

2

2

1

1

2

0

0

0

2

4

2

2

0

2

2

2

4

e

e

e

m

m

l

m

l

m

m

l

m

l

m

l

m

l

m

l

m

l

m

s

s

s

 

                                                                                       (6)

or, after the substitution of 

(

)(

)

ν

ν

ν

l

2

1

1

-

+

=

E

(

)

ν

m

+

=

1

2

E

where  E  is  the  Young’s  modulus  and 

ν

   is  the  Poisson’s 

constant

(

)

-

-

=

2

1

2

2

1

1

2

2

1

2

2

1

1

2

2

1

0

0

0

1

0

1

1

e

e

e

ν

ν

ν

ν

s

s

s

E

.  

(7)

It is obvious that two of the principal stress and strain direc-

tions are horizontal (generally not equal to e

1

e

2

) and the third 

is vertical i.e. equal to e

3

. Let us adopt the notation 

s

1

s

2

 (

e

1

e

2

) for horizontal principal stresses (strains) and 

s

3

 (

e

3

) for the 

vertical  principal  stress  (strain).  Henceforth  we  completely 

abandon the widely used convention of sorting and indexing 

the principal stresses and strains according to their size. At the 

horizontal traction-free surface, the principal stress value 

s

3

 

corresponding to the vertical principal direction equals to zero. 

This assumption is valid for any constitutive model.

In the isotropic elastic case, one of the principal directions 

of strain is vertical, as well as with stress. Nevertheless, the 

vertical principal strain value 

e

 is in general non-zero:

(

) (

)

(

) (

)

ν

e

e

ν

m

l

e

e

l

e

-

+

-

=

+

+

-

=

1

2

2

1

2

1

3

.   (8)

After  some  algebra,  we  discover  two  useful  relationships 

between  the  principal  stress  and  the  principal  strain  values 

valid in the case of plane stress:

                                                                                              

,

 

                                                                                            

(9)

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

ν

e

e

e

e

m

s

s

t

+

-

=

-

=

-

=

1

2

2

2

1

2

1

2

1

E

m

. (10)

(

)

(

) (

) (

) (

) ( )

(

)

ν

e

e

m

l

m

l

m

e

e

s

s

s

-

+

=

+

+

+

=

+

=

1

2

2

2

3

2

2

1

2

1

2

1

E

m

The horizontal mean stress 

s

m

 and the horizontal maximum 

shear stress 

t

 are the basic stress tensor shape descriptors in 

the case of plane stress (or plane strain) or can be combined to 

produce some more advanced shape descriptors — for instance 

the descriptor (15).

The dependence of 

e

 on 

e

e

 (8) as well as the reducibility 

of the plane stress state to a 2D horizontal problem (6), (7) are 

very welcome facts to us. Having in mind the large error of the 

vertical GNSS velocity component, confirmed also by Papčo 

(2010) during his field experiments in the Tatra Mts., we can 

now discard the vertical GNSS data and take into account only 

the horizontal velocity components and compute the horizontal 

2D strain or stress rate tensor. The eigenvalues

 

1

e

2

e

 (

1

s

2

s

can then be completed by 

3

e

 (

3

s

) to the full 3D strain or stress 

rate state. 

Let us seek all colourable stress tensor descriptors as func-

tions 

f

 with the property

(

)

(

)

3

2

1

3

2

1

,

,

,

,

e

e

e

s

s

s

f

C

f

=

,   

               (11)

where C is a scaling factor. The scaling factor will then be 

eliminated in the process of rescaling the output range of 

f

  

to the interval 〈-1, 1〉. Thus, the procedures for compu ting such 

tensor characteristics will stay the same and will yield exactly 

the  same  colours,  whether  applied  to  principal  stresses  or 

strains. Most importantly, the strain states can be coloured 

without  (almost)  any  knowledge  of  material  parameters, 

which is our goal.

We immediately realize that the descriptors 

s

m  

(9), 

t

m

 (10) 

have exactly the desired form (11). The maximum shear stress 

t

m

 is the quantity upon which is based the Tresca criterion, not 

the most appropriate to be used for the brittle surface of the 

Earth’s  crust.  The  problem  with  the  more  realistic  Mohr- 

Coulomb criterion

D

c

t

| - (

S

0   

cos 

φ   

s

m    

sin 

φ

)

     

              (12)

whether  describing  the  failure  on  nascent  or  pre-existing 

faults,  is  that  it  cannot  be  factorized  like  (11).  Thus,  the 

Mohr-Coulomb (unlike the Tresca) criterion D

cannot be used 

for  colouring  of  strain  states  without  the  knowledge  of  the 

 relevant material parameters. We have to be satisfied with the 

strain-compatible Tresca criterion as a rough indicator D of 

the proneness to failure (a not very different alternative could 

be the von Mises yield criterion).

In the plane stress case at the surface, the vertical principal 

stress always equal to zero narrows the range of the values, 

that the relevant mean stress 

s

 controlling the fault friction in 

the Mohr-Coulomb criterion (12) can take, to the vicinity of 

zero. With 

s

 not far from 0, the difference of the Tresca or 

von Mises criterion and the Mohr-Coulomb criterion becomes 

less dramatic and the Tresca (or von Mises) criterion becomes 

an acceptable option.

The last step in computing the first colourable d is the nor-

malization of D∈〈D

min

D

max

〉 

to d∈〈-1, 1〉:

background image

514

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524



-

-

-

=

=

min

max

min

max

min

max

min

max

for

2

for

0

D

D

D

D

D

D

D

D

D

d

,  

 

                                                               

,            (13)

where 

(

)

3

2

3

1

2

1

,

,

max

e

e

e

e

e

e

m

-

-

-

=

D

 (Tresca  failure 

criterion used), and D

max

D

min

 are the maximum and minimum 

of D to be shown.

The best candidate for the colourable M, indicating whether 

the stress/strain state is compressive or tensile, is the mean of 

the horizontal principal stresses/strains 

s

 (9). The normaliza-

tion of M∈〈M

min

M

max

〉 

to m∈〈-1, 1〉 is analogical to (13):



-

-

-

=

±

=

min

max

min

max

min

max

min

max

for

2

for

0

M

M

M

M

M

M

M

M

M

m

 

(14)

where M =

s

m

, and M

max

M

min 

 are the maximum and mini-

mum of M to be shown. Like in (13), M

max

M

min 

 do not need 

to be the actual extrema of within the investigated region. In 

that case, however, colours generated for M  > M

max

 or M  < M

min 

 

are the same as the colours for  M  = M

max

 or M  = M

min

, respec-

tively — the palette used in the map becomes saturated.

Unlike  in  (13),  it  is  convenient  to  map  M = 0 to m = 0.  

To assure this, M

min

 has to be set to M

min 

= – M

max

 (or M

max 

to 

M

max 

= – M

min 

). With the ± switch we added the possibility to 

invert the scale.

The last colourable A (rescaled to a) shall be a predictor of 

the fault orientation. In its original form (Bednárik & Kohút 

2012), a has not made a clear colour distinction between the 

regions  with  different  orientations  of  the  theoretical  fault 

plane. Here we propose the solutions. Let us show the fault 

planes, whose normal vector has the vertical component equal 

to  zero  by  cold  colours  and  all  other  fault  planes  by  warm 

colours (or vice versa). If 

s

1 

<

 

s

3 

<

s

2

 or 

s

2 

<

s

3 

<

s

1

, the stress 

state would favour the horizontal strike-slips on fault planes, 

whose normal vectors are horizontal. Here once again, we take 

advantage of 

s

3

 = 0. Then, 

|

 

t

m  

|   

>  |

 

s

m  

|

 means that the horizontal 

principal stresses 

s

1

s

2

  have  different  signs  and 

s

3 

= 0  falls 

between them. Thus, 

(

)

(

)

(

)

(

)

ν

e

e

ν

e

e

m

l

e

e

m

l

e

e

s

t

+

+

-

-

=

+

+

+

-

=

=

1

1

2

3

2

2

1

2

1

2

1

2

1

m

m

A

   (15)

is a suitable indicator of the fault orientation, because it 

also meets the condition (11). One complication arises from 

the need to map the output range of A to 〈-1, 1〉, the other from 

the fact that a fault orientation indicator has to be scaled 

locally, depending only on the strain eigenvalues at the point. 

The scaling factor (1– v) /(1+ v) cannot be eliminated by the 

norma lization over the whole region, unlike in the case of D 

or M. The only way to eliminate the scaling factor is to esti-

mate it based on the estimate of the Poisson’s constant. Fortu-

nately, its variations in the relevant crustal rocks are not large 

in relation to the goals of this study. The value of the scaling 

factor  can  be  guessed  and  eliminated  with  sufficient 

accuracy.

An elegant way to map A∈〈0, ∞) in (15) to A

log

∈(-∞

, ∞) and 

A = 1 to A

log 

= 0

 is to take the logarithm (of any suitable base b

(

)

(

)



+

-

+

+

-

±

=

±

=

ν

ν

e

e

e

e

s

t

1

1

log

log

log

2

1

2

1

log

b

b

m

m

b

A

 

(16)

and normalize subsequently to a∈〈-1, 1〉 (similarly to (14)), 

with the option to cut off the extreme values. In real data, we 

almost never hit the singularities of A or A

log

, nevertheless, we 

have to prevent the overflows. With the 

±

 switch we added the 

possibility to invert the scale, just as in the case of m.

We can offer a different and more general solution to the 

fault plane descriptor of the class (11). The term

(

)

2

3

3

1

2

1

s

s

s

s

s

s

-

+

-

-

  

(17)

is singular for the hydrostatic stress state 

s

1

=

 

s

=

 

s

3

. In all 

other cases it evaluates to 1, if the vertical principal stress 

value 

s

3

 falls between the horizontal eigenvalues 

s

1

 and 

s

2

 (or 

is equal to either of the two), otherwise yields a value from the 

range 〈0, 1). Since we want to have a colour gradation in the 

first case, as well, and want to cover the whole output range  

a∈〈-1,  1〉, we define a as a forked function



-

+

-

-

-

-

+

-

-

=

-

+

-

-

-

-

±

=

1

for

1

1

for

2

3

3

1

2

1

2

3

3

1

2

1

2

3

3

1

2

1

2

1

2

3

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

a

 

.   

 

 

 

 

 

      

.

 

 

                                                                                       (18)
The term (

s

3

 

s

2

) / (

s

1

 

s

2

) in the upper branch is formally 

identical with the stress shape ratio 

used in structural geo-

logy. The descriptor (18) can be used not only in the case of 

plane stress on the free surface, as (15), (16), but also in a more 

general case of 

s

3 

 

0, but still considerable as vertical prin-

cipal  stress.  In  the  most  general  application,  from  the  three 

principal stress directions, one could be selected as “the most 

vertical”  and  the  respective  principal  stress  values  can  be 

denoted  accordingly  to  comply  with  the  convention  behind 

(18). In favour of the convertibility to the strain formulation, it 

is also advantageous not to substitute 

s

3

= 0 even in the case of 

plane stress. The relationship (

s

i 

 

s

j 

) / 2=

m

 (

e

i 

 

e

j 

) is valid for 

any mutually corresponding couples of stress and strain prin-

cipal values 

s

i 

e

i

 and 

s

j 

e

j

 (and for i = j, as well). Then in 

terms of strains, (19) is as simple as the original formula in 

stresses (18): 



-

+

-

-

-

-

+

-

-

=

-

+

-

-

-

-

±

=

1

for

1

1

for

2

3

3

1

2

1

2

3

3

1

2

1

2

3

3

1

2

1

2

1

2

3

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

a

.

 

  

                                                                                      (19)

background image

515

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

The only problem is that in plane stress, 

e

3 

≠  

0. Thus, the 

e

3

 

given by (8) and involving the Poisson’s constant has to be 

substituted (we leave the task to the reader). Even in this case, 

we  ended  up  with  the  necessity  to  enter  a  single  material 

parameter, which we wanted to avoid.

At  this  point,  we  have  two  remarks.  In  A= 

|               

t

/ | 

s

|

,  we 

have an obvious example that out of the three tensor descrip-

tors D, M, A of the plane stress state, only the first two are 

independent. This corresponds to the degenerate 2D character 

of the plane stress state, where only the horizontal principal 

strain values are independent and the vertical one is their 

 linear combination. In spite of this, the colourable a plays an 

important  role  in  the  colour  generation. A  necessary  conse-

quence of the dependence of A on D and is a somewhat 

reduced colour space compared to the full colour cube  

(Fig. 3a, b), which is only a minor flaw. In a according to (19), 

that interdependence of colourables is hidden, but still present.

The  other  remark  applies  to  the  now  unveiled  fact  that 

expressing the stress tensor descriptors in terms of principal 

strains is a quite unnatural task. The more the descriptor 

 pertains to the balance of forces — like in the case of Mohr- 

Coulomb failure criterion or the fault plane preference indicator 

— the bigger the need for the input of material parameters to 

convert the strains back to stresses. We tried to keep that need 

as small as possible, but in the case of A, we had to make an 

exception  and  admit  the  Poisson’s  constant  to  enter  our 

calculations. 

The herewith introduced tensor shape characteristics D, M, 

A and their rescaled values d, m, a  can  be  regarded  in  two 

 different  ways:  we  either  take  them  for  stress  tensor  shape 

descriptors expressed in terms of principal strains, under the 

assumption of isotropic elasticity (or some other simple con-

stitutive model); or we completely ignore their stress rootage 

and any underlying assumptions and take them for indepen-

dent strain state characteristics. They can then be used as strain 

rate tensor descriptors, as well.

To generate the colours corresponding to the colourables d, 

m, a, the user can choose from several RGB colour function 

formulae we constructed:

(

)

(

)

(

)

T

d

a

d

a

d

m

a

m

d

d

a

m

d

a

d

m

a

m

d

d

a

m

d

a

a

m

d

c

-

-

-

+

-

-

+

-

-

+

+

-

+

+

+

-

+

=

3

1

3

1

3

4

1

,

,

 

 

                                                                                       (20)

generates stress colours on white background, where white 

(1, 1, 1) is associated with minimum Tresca stress (d = –1).

(

)

(

)

(

)

T

Blk

d

a

d

a

d

m

a

m

d

d

a

m

d

a

d

m

a

m

d

d

a

m

d

a

a

m

d

c

-

+

-

+

-

-

+

-

+

+

+

-

+

+

+

+

+

=

1

1

1

1

1

4

1

,

,

 

                                                                                           

(21)

generates stress colours on black background, where black 

(0, 0, 0) is associated with minimum Tresca stress (d  =  –1).

The simpler, however less vivid colours generating trilinear 

stress colour functions are also available for both 

backgrounds:

(

)

T

lin

d

a

d

a

m

d

m

d

m

d

m

d

a

m

d

c

-

-

-

-

-

-

+

+

-

=

3

3

3

4

1

,

,

,  

               (22)  

 

(

)

T

Blk

lin

d

a

d

a

m

d

m

d

m

d

m

d

a

m

d

c

-

+

-

-

-

+

+

+

+

=

1

1

1

4

1

,

,

               (23)

With these settings, we produce a three-dimensional colour 

palette  changing  from  green  to  red  as  the  strain/stress  state 

changes from extensional to compressional, from dark (palette 

(21)) or pale (palette (20))  to bright colours as the strain/stress 

state  gets  closer  to  failure,  from  warm  to  cold  hues  as  the 

 theoretical fault planes become more vertical and more strike-

slip.  In  our  opinion,  this  colour  convention  is  quite  logical  

and intuitive. 

With a change of sign in (14), (16), (19) we could have pro-

duced a palette more similar to the convention of the World 

Stress Map (where normal fault is red, strike-slip green and 

thrust fault blue), but we deliberately chose not to do so. One 

reason is that we wanted to underline the novelty and inde-

pendence of our colouring method. The other reason is that 

due  to  the  logic  of  the  hue – saturation – value  (HSV)  colour 

system, we are not able to adhere to WSM convention totally, 

anyway. To  avoid  the  risk  of  misleading  the  reader  used  to  

the WSM, we rather opted for a completely different colouring 

scheme.

Colour maps of strain rates

The colour maps presented here need some translation into 

human speech in order to be fully appreciated. We are able to 

distinguish by colours the basic tectonic regime categories:

1. warm red — shortening — thrusting;

2. cold red — transpression; 

3. blue — vertical strike-slip faulting;

4. cold green — transtension; 

5. warm green — extension — normal faulting or vertical 

tearing.

In the colour maps, these categories should be understood as 

likely tendencies, not as sharp statements.  

Another help for the reader’s imagination can be found in 

the  three-dimensional  colour  palettes  corresponding  to  (20) 

and (21) (Fig. 3a, b). They will be used for colouring all the 

maps in this chapter. In the captions to the figures with maps, 

we will only specify the respective ranges of  D, M, A that 

were normalized to  d∈〈-1, 1〉, m∈〈-1, 1〉, a∈〈-1, 1〉.

Once we have grasped the basic logic of the stress colou-

ring, we can start to enjoy the reading of combined map of 

stress, faults and elevations. The possibility of a relatively 

easy multi-contextual map reading is one of the main advan-

tages of our stress colouring scheme — in the World Stress 

Map, already the stress layer alone is hardly readable.

background image

516

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

Let us start with a map for which we do not need any colours 

at all (Fig. 4). The measured velocities are fitted by a purely 

translational field, that generates zero strain rates. In the case 

of the whole-region least squares fit,  the maximum approxi-

mation  error  was  Dv

y

 = –  0.712  mm/year  in  LOMS  (greater 

than    the  respective  standard  deviation).  In  the  case  of  the 

whole-region  adaptive  weights  fit,  the  maximum  approxi-

mation error was Dv

y

 =   0.602 mm/year in ZISE (greater than  

the respective standard deviation). In Fig. 4, we show only the 

more successful adaptive weights fit. 

a

b

Fig. 3. a — 3D colour palette on white background (20) used for colouring the stress/strain (rate) states in front view (left) and rear view (right). 

b — 3D colour palette on black background (21) used for colouring the stress/strain (rate) states in front view (left) and rear view (right).

background image

517

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

Let us continue with the simplest possible model that gene-

rates nonzero strain rates and thus, colours different from the 

background.  It  is  the  bilinear  velocity  field  ((2)  for  M = 1, 

N = 1). In the case of the whole-region least squares fit,  the 

maximum approximation error was Dv

y

 = –  0.560 mm/year in 

LOMS (greater than the standard deviation). In the case of the 

whole-region adaptive weights fit, the maximum approxima-

tion error was Dv

y

 =   0.487 mm/year in TAKO (slightly smaller 

than the standard deviation).

We  see  that  the  whole-region  bilinear  velocity  field  can 

model considerable variations of the velocity directions and in 

spite of that, generate a strain field, whose tensor descriptors 

vary only moderately. Moreover, the velocity fields that both 

are acceptable as the solutions of the interpolation problem 

generate contradictory colour maps (Fig. 5 a, b).

Our preliminary conclusion from this contradiction is that 

on a regional scale, no relevant strains occur within the speci-

fied region of the Tatra Mts. The search for relevant strains 

should be focused on more detailed scales and local structures. 

To sharpen the lens, we have to increase the polynomial order 

in  (2).  The  problem  with  this  approach  is  that  discarding 

GANO  and  LIES  because  of  their  unsatisfactory  geological 

setting, we are left with 9 data points. The number of unknown 

coefficients of the biquadratic fit is exactly 9. The system is 

just-determined and has a unique solution, that is however no 

reason for jubilation. In this case, we no longer have a minimi-

zation  problem,  but  in  its  stead  an  exact  interpolation,  that 

strictly adheres to the possibly unreliable values at the data 

points. The interpolated velocity field has a huge ratio of the 

largest  to  the  smallest  velocity  and  the  velocity  directions 

behave rather unbelievably 

between  the  data  points  that  are 

close neighbours (Fig. 6a). 

One — mathematically not very 

satisfactory  —  remedy  would  be 

an incomplete polynomial, that 

grants the fit some freedom. If we 

discard  the  highest  powers  term 

c

22  

x 

2 

y 

2

 in the biquadratic polyno-

mial, we get a smoother velocity 

and strain field (Fig. 6b). In both 

cases, the interpolation errors at 

the measurement points are so 

small that it makes no sense to 

start the iterations of the adaptive 

weights method.

Increasing the polynomial order 

in  the  whole-region  approxi-

mation  allows  it,  allegorically 

speaking, to develop “weird fanta-

sies” on why the two data points 

next  to  each  other  have  different 

velocities, because it is misad-

vised by very distant data points 

that have a very distant idea about 

the true relationship of the former 

two data points.

Therefore, the distant data points should not be taken as 

seriously as the data points next to the interpolation point. This 

is  the  main  idea  behind  the  moving  least  squares  method. 

Because of the locally valid fit of the data, we label it as a local 

interpolation, in contrast to the whole-region interpolation. As 

a matter of fact, the moving least squares method in the imple-

mentation of Pohánka (2005) takes into account the complete 

set of data points just as the whole-region methods, but for 

each interpolation point, it generates its own interpolation for-

mula, valid only at that single point.

The results of the moving least squares (Fig. 7b) are in good 

accordance with the biquadratic whole region fits (Fig. 6 a, b). 

Obviously, only after going into the second polynomial order 

and into the local scales, the interpolation methods are able to 

focus on the Sub-Tatra fault system and parallel structures, 

whose  motions  were  averaged  out  in  the  bilinear  whole  

region fit.

For the reasons of the dependence of the colourable a on  

d and m and also because of the palette saturated in those 

maps,  where  we  had  to  ignore  the  extreme  strain  artefacts  

at  the  margins  of  the  region,  the  colours  generated  by  our 

method resemble pure spectral colours. This is an advantage 

that  can  be  used  in  the  diagnostics  of  differences  between 

two (or more) maps: where very different colours are super-

imposed  onto  each  other,  the  resulting  blend  is  a  dirty,  

khaki colour that can be easily recognized in the com pound 

map. To assure the fairness of the comparison, all the  

palette range settings in all thus compared maps have to be 

the same. 

Fig. 4. Measured (black arrows) and interpolated (grey arrows) surface velocities shown together 

with height contours (interval 200 m) and fault scheme according to Bezák et al. (2008). The two 

velocity fields have different scales. Adaptive weights least squares interpolation of the 0-th order 

was  used. The  stations  included  in  the  interpolation  are  represented  by  white  dots,  the  excluded 

 stations by black dots.

background image

518

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

b

a

Fig. 5. Strain rate colour map, measured (yellow arrows) and interpolated (grey arrows) surface velocities shown together with height contours 

(in orange, interval 200 m) and fault scheme according to Bezák et al. (2008). The two velocity fields have different scales. 

a — Whole- region least-squares bilinear interpolation was used. The vertices of the black background palette ((21), Fig. 3b) correspond to  

D

min

= 15 nstrain/year, D

max

= 20 nstrain/year, M

min

=  – 5 nstrain/year, M

max

= 5 nstrain/year, 

log

min

A

=  – 1.74, 

log

max

A

= 1.74  (logarithmic scale (16) with 

b = 2 used). A part of the D, M, A triplets comes out of the specified range and is projected onto the surface of the palette cube (palette 

saturation). 

b — Whole- region adaptive weights least-squares bilinear interpolation was used. The vertices of the black background palette ((21), Fig. 3b) 

correspond to D

min

= 0 nstrain/year, D

max

= 20 nstrain/year, M

min

=  – 20 nstrain/year, M

max

= 20 nstrain/year, 

log

min

A

=  – 1.27, 

log

max

A

= 1.27 (logarithmic 

scale (16) with b = 2 used). A part of the D, M, A triplets comes out of the specified range and is projected onto the surface of the palette cube 

(palette saturation).

background image

519

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

b

a

Fig. 6. Strain rate colour map, measured surface velocities (yellow arrows) and interpolated surface velocity directions (grey arrows) shown 

together with height contours (in orange, interval 200 m) and fault scheme according to Bezák et al. (2008). 

a — Whole-region least-squares fully biquadratic interpolation was used. The vertices of the black background palette ((21), Fig. 3b) corre-

spond to D

min

= 0 nstrain/year, D

max

= 100 nstrain/year, M

min

=  – 100 nstrain/year, M

max

= 100 nstrain/year, 

log

min

A

=  – 1.22, 

log

max

A

= 1.22  (logarithmic 

scale (16) with b = 2 used). A considerable part of the D, M, A  triplets (mainly at the region’s margins) comes out of the specified range and is 

projected onto the surface of the palette cube (palette saturation). 

b — Whole-region least-squares incomplete biquadratic interpolation was used. The vertices of the black background palette ((21), Fig. 3b) 

correspond to D

min

= 0 nstrain/year, D

max

= 100 nstrain/year, M

min

=  – 100 nstrain/year, M

max

= 100 nstrain/year, 

log

min

A

=  – 0.422, 

log

max

A

= 0.422  (loga-

rithmic scale (16) with b = 2 used). A considerable part of the D, M, A  triplets (mainly at the region’s margins) comes out of the specified range 

and is projected onto the surface of the palette cube (palette saturation).

background image

520

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

b

a

Fig. 7. Strain rate colour map, measured surface velocities (yellow arrows) and interpolated surface velocity directions (grey arrows) shown 

together with height contours (in orange, interval 200 m) and fault scheme according to Bezák et al. (2008). 

a — Moving least-squares interpolation (smoothing distance d

0 

= 10 km, regularization distance d

1 

= 320 km) was used with all 11 stations 

involved.  The  vertices  of  the  white  background  palette  ((20),  Fig.  3a)  correspond  to  D

min

= 0  nstrain/year,  D

max

= 100  nstrain/year,  

M

min

=  – 100 nstrain/year, M

max

= 100 nstrain/year, 

log

min

A

=  – 1.0, 

log

max

A

= 1.0 (logarithmic scale (16) with b = 2 used). A considerable part of the D, 

M, A triplets (mainly at the region’s margins) comes out of the specified range and is projected onto the surface of the palette cube (palette 

saturation). 

b — Moving least-squares interpolation (smoothing distance d

0 

= 10 km, regulari zation distance d

1 

= 320 km) was used with 9 stations involved. 

The vertices of the white background palette ((20), Fig. 3a) correspond to D

min

= 0 nstrain/year, D

max

= 100 nstrain/year, M

min

=  – 100 nstrain/year, 

M

max

= 100 nstrain/year, 

log

min

A

=  – 1.0, 

log

max

A

= 1.0 (logarithmic scale (16) with b = 2 used). A considerable part of the D, M, A triplets (mainly at the 

region’s margins) comes out of the specified range and is projected onto the surface of the palette cube (palette saturation).

background image

521

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

We demonstrate it on the example of two maps generated 

by the moving least squares interpolation. In the first one, the 

interpolation is based on all 11 original data points, including 

GANO  and  LIES.  In  the  second  one,  the  interpolation  is 

based on 9 data points without GANO and LIES. We clearly 

see  that  the  khaki  spots  cover  not  only  the  areas  next  to 

GANO and LIES, but all the areas insufficiently covered by 

data points.

Discussion

The detection of the Sub-Tatra fault system in the second 

order interpolation by such a low number of GNSS stations 

(even not deployed across the fault) is pleasant and suspicious 

at the same time. It may be argued that the line separating the 

compression and extension zone is an artefact determined by 

the geometry of the GNSS network rather than by the true geo-

dynamics. Another problem is the reliability of the biquadratic 

approximation  that  does  not  (because  it  cannot)  take  into 

account the high data uncertainties. The interpolated velocity 

field in the band between the two groups of stations does not 

behave according to the natural expectations. The decision not 

to pay attention to the changing principal directions of strain 

rates and display only the tensor shape descriptors was correct, 

given the data uncertainties and interpolation errors visible in 

the interpolated velocity field. 

On the other hand, we have independent evidence consistent 

with the extension of the southern part and compression of the 

northern part of the Tatra Mts. that we have found in this study. 

It is a known fact that the neotectonic uplift of the Tatra horst 

was asymmetrical, with faster uplift rates in the south and tilting 

down towards the north. This is the reason why the highest 

Tatra  peaks  are  found  southwards  from  the  main  ridge. 

Recently, Králiková et al. (2014) studied the tectonic evolu-

tion of the Tatra Mts. based on combined structural, sedimen-

tary,  geomorphological,  and  fission  track  data  evidence.  

The study by Anczkiewicz et al. (2015) confirmed the asym-

metry of the Tatra Mts. uplift by low-temperature thermochro-

nology.  The  study  by  Szalaiová  et  al.  (2008)  provides 

a gravimetrical  indication  to  the  southward  dipping  of  the 

Sub-Tatra fault.

Whereas  we  take  for  trustworthy  the  compression  in  the 

north and extension in the south of the Tatra Mts. computed 

from the GNSS data, the line between the two zones deserves 

some further discussion. It is parallel to the Sub-Tatra fault 

system. Nevertheless, if the extension and compression should 

be linked to the tilting of the horst, it should be rather identi-

fied with the axis of the tilt, and the Sub-Tatra fault system 

rather with the warm green maxima. The exact course of the 

two lines cannot be determined from that sparse and uncertain 

GNSS data.

The  Sub-Tatra  fault  could  have  eased  the  post-glacial 

rebound of Tatra Mts. In this case, the strain rate pattern along 

the normal fault should be extensional, as well. If the faults on 

the northern foot of the Tatra Mts. are harder to mobilize than 

the Sub-Tatra fault, the uplift due to the rebound could be 

tilted northwards, just as the neotectonic uplift.

The orders 0, 1 and 2 of the interpolating polynomials can 

be interpreted as levels of trust in the surface velocity GNSS 

Fig. 7. c — Strain rate colour blend map and measured surface velocities (yellow arrows) shown together with height contours (in orange, 

interval 200 m) and fault scheme according to Bezák et al. (2008). The colour map for 11 stations (Fig. 7a) and 9 stations (Fig. 7b) were blended 

together. Where the maps are not in mutual agreement, colours different from the colours in (Fig. 7a, b) appear. The bigger the disagreement, 

the dirtier the resulting blend.

c

background image

522

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

data and, at the same time, as degrees of cartographic gene-

ralization coupled to the scale of observation.

The order 0 corresponds to the deep mistrust that us allows 

to interpret the GNSS data only as pure translation (although 

this mistrust is slightly deeper than the standard deviations of 

the  data  permit).  In  the  resulting  map,  no  strain/stress  rates 

appear. In the scales of whole-world stress/strain mapping, the 

stress/strain rates in the region are really negligible.

The order 1 corresponds to a cautious and balanced approach 

to  the  velocities  and  their  deviations.  This  order  allows  for 

considerable variations of the data within their uncertainties. 

The  two  colour  maps  generated  from  the  interpolated  data 

contradict each other. The order 1 also corresponds to the 

regional scale cartographic generalization, in which the local 

behaviour is averaged out in the regional trends. These proved 

insignificant, as well.

The  order  2  combined  with  the  low  number  of  stations 

mani fests an undue trust in the velocity means and undue 

ignorance of their uncertainties. On the other hand, only this 

and higher orders allow to focus on the local scale behaviour 

that got oversmoothened in the order 1 interpolation. In our 

application, however, the order 2 proved unable to preserve 

realistic regional trends alongside the local behaviour.

One viable solution we found for going into local scales was 

a  local  interpolation  method  –  the  moving  least  squares 

(Pohánka, 2005). With only 9 stations that qualified into the 

selection,  the  performance  of  this  method  was  far  from  the 

optimum that would be achievable in an application with more 

sites more evenly distributed.

Thus, all the solutions provided by the interpolations of 

order 0, 1, 2 (or rather the moving least squares in the latter 

case) are possible answers to the question of what the GNSS 

data tell us about the surface deformations in the Tatra Mts. 

region. The reader’s choice of the right answer depends on his 

trust in the data and on the spatial scale he is interested in.

The colour rendering of the strain rates allows an easy visual 

comparison  of  the  strain  rate  maps  generated  for  different 

parameter settings or different input data. A simple average of 

the RGB values in the maps efficiently displays their diffe-

rences  as  dirty  spots.  The  compound  map  would  thus  be 

 automatically  partitioned  into  subregions  with  different 

degrees of reliability. In Mentlík & Novotná (2010), the scien-

tific reliability rating of the map content is based on an expert’s 

assessment. Our two maps prepared by moving least squares 

interpolations for 11 and 9 stations are in mutual accordance 

mainly in the area with higher density of the stations. The rest 

of the region shows an instability of the interpolation solution 

(although  exaggerated  by  removal  of  the  two  most  proble-

matic stations GANO and LIES). Ideally, the stations should 

be  sufficiently  numerous  to  ensure  that  removing  a  few  of 

them does not change the colour map very substantially. 

The  colour  maps  averaging  can  be  used  in  an  effective 

visuali zation of the data uncertainties, as well. For instance, 

we could repeatedly generate random site velocities with the 

same mean and same standard deviation as in the measured 

dataset.  For  each  randomly  generated  dataset,  we  could 

compute the colour map and finally collect the maps, average 

them and partition them into areas of different reliability. 

Alternatively,  the  time  span  of  the  original  measurements 

could be split into subintervals and for each of them, a dataset 

of stations’ short term average velocities could be computed. 

The evolution of the strain field and of its uncertainties in time 

could be animated by a sequence of individual colour maps or 

by adding map by map to the average compound colour map. 

Such an animation is, however, difficult to show in the form of 

a classical journal paper.

Conclusion

The horizontal surface velocities and their standard devia-

tions at 9 or 11 stations within the Tatra Mts. region allow us 

to construct a broad range of interpolated velocity field solu-

tions.  The  colour  maps  of  the  whole-region  least  squares 

approximations up to the polynomial order 1 show no remar-

kable regional trends of surface strain rates. The whole-region 

least squares fits by higher order polynomials are problematic 

not only because of the low number of data points. Thus, to 

resolve more local variations of the strain rates, local interpo-

lation  methods  should  be  used.  Out  of  them,  we  tested  the 

moving least squares method and it yielded promising results. 

For  the  full  deployment  of  the  local  interpolation  methods’ 

potential, more (and at the same time, more evenly distri buted) 

local data is needed: the most welcome would be the velocities 

of site couples across the known faults, which are not abun-

dant in the current dataset.

The tensor colouring method now adapted to the strain rate 

field at the Earth’s surface proved to be a useful tool in showing 

the spatial variations of the relevant strain rate tensor shape 

descriptors in the form of colour maps. The application of the 

method even to a sparse dataset has clearly demonstrated its 

advantages:  modest  computational  requirements,  high  reso-

lution,  easy  intuitive  readability  of  resulting  maps,  natural, 

easy to implement and reader-friendly colour imaging of data 

uncertainties,  integrability  into  multi-contextual  graphic 

 rendering of geophysical data by standard geographical infor-

mation systems.   

Acknowledgements: The authors are grateful to the Slovak 

grant  agency  VEGA  (grants  No.  2/0002/12  ,  1/0642/13, 

1/0141/15,  1/0714/15,  2/0042/15,  2/0091/15)  and  to  the 

 Slovak  Research  and  Development  Agency  (grants  

APVV-0724-11  and APVV-0212-12)  for  the  partial  support  

of this work.

References

Altamimi Z., Collilieux X., Legrand J., Garayt B. & Boucher C. 2007: 

ITRF2005:  New  release  of  the  International  Terrestrial  Refe-

rence Frame based on time series of station positions and Earth 

Orientation Parameters. J. Geophys. Res. 112, B09401.

Anczkiewicz  A.A.,  Danišík  M.  &  Środoń  J.  2015:  Multiple 

background image

523

SURFACE STRAIN RATE COLOUR MAP OF THE TATRA MOUNTAINS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

low-temperature  thermochronology  constraints  on  exhumation 

of the Tatra Mountains: New implication for the complex evolu-

tion of the Western Carpathians in the Cenozoic. Tectonics 34, 

11, 2296–2317.

Bada  G.,  Horváth  F.,  Dövényi  P.,  Szafián  P.,  Windhoffer  G.  & 

 Cloetingh S. 2007: Present-day stress field and tectonic inver-

sion in the Pannonian basin. Global Planet. Change  58,  1–4: 

165–180.

Bednárik M. & Kohút I. 2012: Three-dimensional colour functions 

for stress state visualization. Computers & Geosciences  48, 

117–125.

Bezák V.,  Broska  I.,  Ivanička  J.,  Ivanička  J.,  Polák  M.,  Potfaj  M., 

Buček J., Janočko J., Kaličiak M., Konečný V., Šimon L., Elečko 

M.,  Fordinál  K.,  Nagy A.,  Maglay  J.  &  Pristaš  J.  2008:  New 

edition of general geological map of the Slovak Republic in the 

scale 1:200,000 [Prehľadná geologická mapa Slovenskej repub-

liky 1:200 000]. Ministry of environment of the Slovak Republic, 

State Geological Institute of Dionýz Štúr, Bratislava.

Bezák V., Broska I., Ivanička J., Reichwalder P., Vozár J., Polák M., 

Havrila M., Mello J., Biely A., Plašienka D., Kaličiak M., Žec 

B., Elečko M., Janočko J., Preszlényi M., Marko M., Maglay J. 

&  Pristaš  J.  2004:  Tectonic  map  of  the  Slovak  Republic  at 

1:500,000  scale  [Tektonická  mapa  Slovenskej  republiky 

1:500  000].  Ministry of environment of the Slovak Republic

Bratislava. ISBN 80-88974-62-3 (in Slovak).

Briestenský  M.  &  Stemberk  J.  2008:  Monitoring  mikropohybov  v 

jaskyniach západného Slovenska. Acta Carsologica Slovaca, 46, 

2, 77–83. 

Briestenský M. 2008: Indicators of fault activity in the Brezovské part 

of Malé Karpaty Mts. [Indikátory zlomovej aktivity brezovskej 

časti  Malých  Karpát].  Geomorphologia Slovaca et Bohemica,  

8, 1, 16–25 (in Slovak).

Burchart J. 1972: Fission-track age determinations of accessory apa-

tite from the Tatra Mountains, Poland. Earth Planet. Sci. Lett. 

15, 4.

Czarnecki K. & Mojzeš M. 2000: Geodynamics of Tatra Mountains 

—  present  status  and  development  of  the  project.  Report on 

geodesy 7, Warszawa,123–124.

Dach R., Hugentobler U., Fridez P. & Meindl M. 2007: Bernese GPS 

Software version 5.0, Astronomical Institute, University of Bern. 

Drewes H. 2009: The actual plate kinematic and crustal deformation 

model  APKIM2005  as  basis  for  a  non-rotating  ITRF.  

In: Geodetic reference frames. Springer, Berlin, 95–99.

EPN  2016:  EUREF  permanent  network.  Available  online  at:  

http://www.epncb.oma.be. 

Fejes  I.  2002:  Consortium  for  Central  European  GPS  Geodynamic 

Reference Network (CEGRN): Concept, Objectives and Organi-

zation. Reports on Geodesy 61, 1, 15–21.

Fojtíková  L.,  Vavryčuk  V.,  Cipciar  A.  &  Madarás  J.  2010:  Focal 

mechanisms of micro-earthquakes in the Dobrá Voda seismo-

active  area  in  the  Malé  Karpaty  Mts.  (Little  Carpathians), 

 Slovakia.  T

ectonophysics 492, 1–4, 213–229.

Hefty J. & Gerhátová Ľ. 2006: Site velocities from long-term epoch 

GPS observations — Case study: Central Europe regional geo-

dynamics  project  1994–2005.  Acta Geodyn. Geomater.  3,  3 

(143), 7–17.

Hefty J. 2004: Global positioning system in 4D geodesy [Globálny 

polohový systém v štvorrozmernej geodézií]. STU, Bratislava. 

ISBN 80-227-2027-5, 1–112 (in Slovak). 

Heidbach O., Tingay M., Barth A., Reinecker J., Kurfeß D. & Müller 

B. 2009: The World Stress Map based on the database release 

2008, equatorial scale 1:46,000,000. Commission for the Geo-

logical Map of the World,  Paris,  doi:  10.1594/GFZ.WSM.

Map2009.

Hradilek  L.  1984:  Alpine  surveying,  trigonometric  leveling  and 

3-dimensional terrestrial triangulation [Vysokohorská geodézie 

—  trigonometrická  nivelace  a  trojrozměrná  terestrická  trian-

gulace]. Academia, Praha, 1–230 (in Czech).

IGS  2016:  International  GNSS  Service.  Available  online  at:  

http://igscb.jpl.nasa.gov/. 

Jarosiński M., Beekman F., Bada G. & Cloetingh S. 2006: Redistribu-

tion of recent collision push and ridge push in Central Europe: 

insights from FEM modeling. Geophys. J. Int. 167, 2, 860–880.

Košťák B. 1969: A new device for in-situ movement detection and 

measurement. Experimental Mechanics 9, 8, 374–379.

Králiková S., Vojtko R., Sliva Ľ., Minár J., Fügenschuh B., Kováč M. 

& Hók J. 2014. CretaceousQuaternary tectonic evolution of the 

Tatra  Mts.  (Western  Carpathians):  constraints  from  structural, 

sedimentary, geomorphic, and fission track data. Geol. Carpath. 

65, 4, 307–326.

Littva J., Hók J. & Bella P. 2015: Cavitonics: Using caves in active 

tectonic  studies  (Western  Carpathians,  case  study).  J. Struct. 

Geol. 80, 47–56.

Mentes  Gy.  2008:  Observation  of  recent  tectonic  movements  by 

extensometers in the Pannonian Basin. J. Geodynamics 45, 4–5, 

169–177.

Mentlík  P.  &  Novotná  M.  2010:  Elementary  forms  and  “scientific 

reliability” as an innovative approach to geomorphological map-

ping. Journal of Maps 6, 1, 564–583.

Nemčok  J.,  Bezák  V.,  Biely A.,  Gorek A.,  Gross  P.,  Halouzka  R., 

Janák M., Kahan Š., Kotański Z., Lefeld J., Mello J., Reichwalder 

P.,  Rackowski  W.,  Roniewicz  P.,  Ryka  W.,  Wieczorek  J.  & 

 Zelman J. 1994: Geological map of the Tatra Mts. at 1:50,000 

scale [Geologická mapa Tatier 1:50 000]. Ministry of environ-

ment of the Slovak Republic , State Geological Institute of 

Dionýz Štúr, MOSZNL, PIG, Bratislava (in Slovak).

Nemčok  J.,  Bezák  V.,  Janák  M.,  Kahan  Š.,  Ryka  W.,  Kohút  M., 

Lehotský  I.,  Wieczorek  J.,  Zelman  J.,  Mello  J.,  Halouzka  R., 

Rackowski W. & Reichwalder P. 1993: Explanatory notes to the 

geological map of the Tatra Mts. at 1:50,000 scale [Vysvetlivky 

ku geologickej mape Tatier 1: 50 000]. State Geological Institute 

of Dionýz Štúr, Bratislava, 1–135 (in Slovak).

Papčo  J.  2010:  Monitoring  of  the  Earth’s  Crust  Deformations  in 

Alpine Area [Monitorovanie deformácií zemskej kôry vo vyso-

kohorskom prostredí]. Thesis, Slovak University of Technology 

in Bratislava, Faculty of Civil Engineering, 1–127 (in Slovak, 

with English summary). 

Pohánka V. 2005: Universal interpolation method for many-dimen-

sional  spaces. Available  online  at:  http://gpi.savba.sk/GPIweb/

ogg/pohanka/int.pdf. 

Sperner B. & Ratschbacher L. 1995: Rise and fall of the High Tatra 

Mts.  In:  Proceedings  of  Europrobe  Workshop  Pancardi.  SAV

Bratislava, 67–69.

Stangl  G.  2007:  Guidelines  for  CEGRN  Reprocessing  version  1.3. 

Available online at: http://cergops2.iwf.oeaw.ac.at.

Szalaiová  E.,  Bielik  M.,  Makarenko  I.,  Legostaeva  O.,  Hók  J., 

 Starostenko  V.,  Šujan  M.  &  Šefara  J.  2008:  Calculation  of  

a  stripped  gravity  map  with  a  high  degree  ofaccuracy:  a  case 

study  of  Liptovská  Kotlina  Basin  (Northern  Slovakia).  Geol. 

Quarterly 52, 2, 103–114. 

background image

524

BEDNÁRIK, PAPČO, POHÁNKA, BEZÁK, KOHÚT and BRIMICH

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 6, 509 – 524

Appendix

Surface deformation velocity in Tatra Mountains region — source data by Papčo (2010)

# code

X_east_UTM Y_north_UTM

Z DY_north

SDY

DX_east

SDX DZ_vertical SDZ_vertical

[m]

[m]

[m]

[m/year]

[mm/year]

[m/year] [mm/year]

[m/year]

[mm/year]

7 GANO

450554.732

5431524.174

701.17

0.00049

0.35

–0.00067

0.28

0.0014

2.16

9 HAGA

427582.955

5454992.094

1530.04

–0.00094

0.45

5.00E–05

0.34

–0.00069

2.59

11 KACI

448794.152

5470266.647

553.68

–0.00102

0.38

0.00026

0.3

–0.0018

2.26

18 KAWI

425866.824

5453835.261

1983.40

–0.00074

0.36

0.00025

0.27

–0.00058

2.13

12 LIES

404054.365

5469346.882

692.45

–0.00046

0.35

0.00089

0.26

0.00017

2.04

13 LOMS

442665.23

5449447.723

2634.03 –8.00E–05

0.36

0.00055

0.27

–0.00184

2.16

6 ROHA

398341.867

5434026.968

736.68

–0.00076

0.33

0.00021

0.25

–0.00071

1.90

15 SDOM

438492.561

5445087.551

1675.03

–0.00077

0.46

0.0006

0.35

0.0009

2.69

16 SKPL

443989.232

5448586.154

1772.47

–0.00084

0.35

0.00059

0.27

0.00044

2.18

22 TAKO

450764.513

5451388.624

820.29

–0.00091

0.62

0.00037

0.45

0.00123

3.51

19 ZISE

408976.34

5449663.668

1916.18

–0.00121

0.41

0.0001

0.31

–0.00124

2.25