Μελέτη της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών και καθορισμός της επιφανειακής δομής του φλοιού της γης με τη συνδυαστική αντιστροφή καταγραφών θορύβου και σεισμών

Abstract

The main goal of the thesis was to explore the application of independent and joint processing and interpretation of geophysical data, namely ambient noise and earthquake records. This simultaneous processing employed the joint inversion of information extracted from ambient noise and earthquake data to estimate the local one-dimensional shallow structure. This approach not only provided a satisfactory interpretation of all observational data but also reduced uncertainties in inversion solutions and the theoretical soil response of the near-surface formations. First, the geometry of the metamorphic basement of Santorini was investigated using HVSR and Rayleigh wave propagation data from surface wave measurements of active and passive seismic sources. Based on the results of the joint inversion of surface wave data, HVSR data and independent geological information, the geometry of the pre-volcanic basement in the central-south of Santorini was determined. The resulting geometry shows deep basins, now filled with volcanic material, that provide crucial insights into the ground response of the formations and the geological evolution of the Santorini volcano. An amplification study of the seismic motion was carried out by calculating ground response curves for sites with available earthquake recordings in Santorini. The ground response curves were computed by the SSR method, using data from common seismic recordings at target, and reference sites. In total, 35 SSR curves were calculated for the sites of the temporary stations of this work and previous experiments, as well as for the permanent seismological stations on Santorini. The SSR curves show high seismic motion amplifications in a wide frequency range, both for sites with pyroclastic deposits and for lava formations. Theoretical investigation of the capability of the Neighborhood Algorithm inversion method by the testing and calibrating of different joint inversion combinations of synthetic data. Six different combinations of joint inversions were explored, employing data from the dispersion and ellipticity of Rayleigh waves, as well as the geophysical model fundamental frequencies and its SH transfer function. This calibration showed that the estimated structural models were partially improved by incorporating fundamental frequency data and to a greater extent by utilizing the characteristics of the Rayleigh wave elliptical motion. A further improvement was achieved by including the SH transfer functions in the joint inversion process. Based on these findings, a joint inversion was conducted using noise data (dispersion curves and fundamental frequencies) and earthquake recordings (SSR curves) at four sites in Santorini, and at two additional sites in Greece on Quaternary sediments. The joint inversion results show that, not only the S-wave velocities, but also the densities of the ground play an important role in determining realistic theoretical seismic motion amplifications. From the inversion, quite low densities were estimated for the pyroclastic formations of Santorini. Instead, more “typical” densities were estimated for the Quaternary basin formations, which can be calculated using appropriate empirical relationships. The results of the thesis indicate that, the observed large near-surface seismic motion amplifications in Santorini are a consequence of the contrast of the intermediate-velocity, low-density pyroclastic deposits overlaying the high-velocity, high-density metamorphic bedrock.

Κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η εφαρμογή ανεξάρτητης, αλλά και συνδυαστικής επεξεργασίας/αντιστροφής γεωφυσικών δεδομένων, με έμφαση σε δεδομένα περιβαλλοντικού θορύβου και καταγραφών σεισμών. Η ταυτόχρονη επεξεργασία επιτυγχάνεται μέσω της συνδυαστικής αντιστροφής δεδομένων από καταγραφές θορύβου και σεισμών για την εκτίμηση της τοπικής μονοδιάστατης επιφανειακής δομής του φλοιού, η οποία να ερμηνεύει ικανοποιητικά το σύνολο των δεδομένων, αλλά και να περιορίζει ταυτόχρονα τόσο τις αβεβαιότητες των λύσεων της αντιστροφής, όσο και της θεωρητικής εδαφικής απόκρισης των σχηματισμών. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μελέτη της γεωμετρίας του μεταμορφωμένου υποβάθρου της Σαντορίνης με χρήση και αξιοποίηση δεδομένων HVSR και σκέδασης κυμάτων Rayleigh από μετρήσεις επιφανειακών κυμάτων ενεργής και παθητικής σεισμικής πηγής. Αξιοποιώντας αποτελέσματα συνδυαστικής αντιστροφής δεδομένων επιφανειακών κυμάτων, δεδομένα HVSR, καθώς και ανεξάρτητες γεωλογικές πληροφορίες προσδιορίστηκε η γεωμετρία του προ-ηφαιστειακού υποβάθρου της κεντρικής-νότιας Σαντορίνης. Τα αποτελέσματα της γεωμετρίας του υποβάθρου αναδεικνύουν βαθιές λεκάνες, πληρωμένες με ηφαιστειακά υλικά, οι οποίες παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τη διαμόρφωση της εδαφικής απόκρισης των σχηματισμών της, καθώς επίσης και για τη γεωλογική εξέλιξη του ηφαιστείου της Σαντορίνης. Μελέτη της ενίσχυσης της σεισμικής κίνησης πραγματοποιήθηκε μέσω του υπολογισμού των καμπυλών εδαφικής απόκρισης για τις θέσεις με διαθέσιμες καταγραφές σεισμών στη Σαντορίνη. Οι καμπύλες εδαφικής απόκρισης υπολογίστηκαν με χρήση της μεθόδου SSR χρησιμοποιώντας δεδομένα κοινών καταγραφών σεισμών σε θέσεις στόχων, και αναφοράς. Συνολικά υπολογίστηκαν 35 καμπύλες SSR για τις θέσεις των προσωρινών σταθμών της παρούσας διατριβής και προγενέστερων πειραμάτων, καθώς και των σταθμών του μόνιμου δικτύου της Σαντορίνης. Από τις καμπύλες SSR παρουσιάζονται υψηλές ενισχύσεις της σεισμικής κίνησης για μεγάλο εύρος συχνοτήτων για τις θέσεις, τόσο με πυροκλαστικές αποθέσεις, όσο και με σχηματισμούς λάβας. Θεωρητική διερεύνηση των δυνατοτήτων της αντιστροφής του αλγορίθμου γειτνίασης πραγματοποιήθηκε μέσω της εξέτασης και βαθμονόμησης διαφόρων συνδυασμών συνδυαστικών αντιστροφών συνθετικών δεδομένων. Συνολικά εξετάστηκαν 6 συνδυασμοί συνδυαστικών αντιστροφών μεταξύ των δεδομένων σκέδασης και ελλειπτικότητας των κυμάτων Rayleigh, της ιδιοσυχνότητας του εδάφους, και της εδαφικής απόκρισης των SH-κυμάτων, σε σχέση με την αντιστροφή μόνο της καμπύλης σκέδασης. Από τη βαθμονόμηση προέκυψε ότι τα εκτιμώμενα μοντέλα δομής βελτιώνονται μερικώς με την αξιοποίηση της ιδιοσυχνότητας και περισσότερο με χρήση της ελλειπτικότητας των κυμάτων Rayleigh. Μεγαλύτερη βελτίωση των εκτιμώμενων μοντέλων δομής παρουσιάζεται με τη συνεισφορά της εδαφικής απόκρισης των SH-κυμάτων στις συνδυαστικές αντιστροφές. Με βάση τα θεωρητικά αυτά αποτελέσματα πραγματοποιήθηκε συνδυαστική αντιστροφή δεδομένων θορύβου (καμπύλη σκέδασης και ιδιοσυχνότητας) και καταγραφών σεισμών (καμπύλη SSR) σε τέσσερεις θέσεις στους ηφαιστειακούς σχηματισμούς της Σαντορίνη, αλλά και σε δύο θέσεις του ελληνικού χώρου με Τεταρτογενή ιζήματα. Από τα αποτελέσματα των συνδυαστικών αντιστροφών προέκυψε ότι εκτός από τις ταχύτητες των S-κυμάτων, και οι πυκνότητες του εδάφους διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο για τον καθορισμό ρεαλιστικών θεωρητικών ενισχύσεων της σεισμικής κίνησης. Για τους πυροκλαστικούς σχηματισμούς της Σαντορίνης εκτιμήθηκαν αρκετά χαμηλές πυκνότητες από την αντιστροφή. Αντίθετα, για τους σχηματισμούς των Τεταρτογενών λεκανών εκτιμήθηκαν πιο «τυπικές» πυκνότητες, οι οποίες μπορούν να υπολογιστούν και με χρήση κατάλληλων εμπειρικών σχέσεων. Από τα αποτελέσματα της διατριβής προκύπτει ότι, η υψηλή ενίσχυση της σεισμικής κίνησης στη Σαντορίνη είναι αποτέλεσμα της αντίθεσης των μέτριας-ταχύτητας και χαμηλής-πυκνότητας πυροκλαστικών αποθέσεων, πάνω από το υψηλής ταχύτητας και πυκνότητας μεταμορφωμένο υπόβαθρο.