Συμβολή στη μελέτη της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών στη σεισμική κίνηση με τη χρήση δεδομένων μικροθορύβου και σεισμικών καταγραφών

Abstract

The method of ambient noise array tomography was implemented in an urban environment and at a geotechnical scale for the evaluation of the 3D geophysical subsurface structure. The main goal of the present study was to explore the capabilities and limitations of this ambient noise method as an alternative tool for the geophysical subsurface structure determination, in order to be applied for the assessment of site effects on seismic ground motion, as well as for geotechnical applications. For the ambient noise data acquisition, a temporary network of 34 recording stations was installed in the urban area of Thessaloniki city (Northern Greece); more specifically within the broader area where the Aristotle University of Thessaloniki (AUTh) campus is located. The employed array geometry followed an outer circular arrangement of seismometers, essentially defining the outer limits of the study area, and several seismometers were installed inside that area on arbitrary, rather equidistant positions. The total duration of ambient noise recordings for each array station ranged from a few days to more than a month, with an average duration exceeding the 15 days. The data processing was divided into six steps: 1) cross-correlation of the ambient noise recordings for each interstation pair of the array and the calculation of the corresponding cross-correlation curves, 2) computation of the signal to noise ratio of the cross-correlation curves, in order to remove low quality data, 3) multiple filter analysis, 4) extraction of the group slowness dispersion curves of Rayleigh waves for each interstation pair of the array, 5) calculation of Rayleigh waves’ ellipticity curves for all array stations and, 6) calculation of the horizontal to vertical spectral ratio (HVSR) curves for all array stations. The obtained dispersion curves were used to compute the travel-times of Rayleigh waves at discrete frequencies within the range of 1.5 to 14Hz. The derived travel-times of the surface waves, were inverted using a tomographic approach, which led to the assessment of the spatial distribution of the Rayleigh waves’ group slowness in the study area, for the same frequency range. The tomographic inversion was performed using approximate Fresnel zones for the rays of the array, as well as by introducing linear constraints to the solution, such as damping, spatial smoothing and inter-frequency smoothing, in order to stabilize the results (tomographic images) recovered for the study area. Several cut-off criteria were applied to the tomographic results in order to remove unreliable data. These criteria included the number and length of rays associated with each node of the predetermined tomographic grid, the relative group slowness error and the resolving length. The combination of the tomography results for all the discrete frequencies led to the reconstruction of the local Rayleigh wave dispersion curves at each node of the tomographic grid. The neighborhood algorithm was implemented to the local dispersion curves for 1D inversion and to estimate the local shear wave velocity distribution with depth. The superposition of all 1D ground profiles allowed the retrieval of the spatial distribution of the main interfaces of the subsurface structure and the evaluation of the 3D geophysical model in the study area. In addition, to improve the resolution of the 1D inversion in the uppermost subsurface layers and to extract the interfaces with improved spatial coherency, a joint 1D inversion of local dispersion curves with Rayleigh ellipticity curves was performed. The 3D geophysical model of the subsurface structure that was derived from the superposition of the 1D joint inversion models was considered as the final model for the study area. The proposed 3D geophysical model is in very good agreement with the available geological, geophysical and geotechnical information and the corresponding large-scale 3D geotechnical ground model for the study area. Moreover, the model allows the assessment of the spatial distribution of several geophysical quantities (e.g. spatial distribution of transfer functions, Rayleigh ellipticity, etc.), which are either directly comparable with the data, or provide a new picture regarding the spatial variation of site effects on seismic motions in the area. The results suggest that the application of 3D ambient noise array tomography can provide a reliable geophysical model of the subsurface structure in urban environments, at least with a similar geological setting as the city of Thessaloniki, and at a geotechnical scale.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εφαρμόστηκε η μέθοδος της τομογραφίας εδαφικού θορύβου του υπεδάφους με τη χρήση ειδικών δικτύων σεισμομέτρων (Ambient Noise Array Tomography) σε αστικό περιβάλλον και γεωτεχνική κλίμακα, για την εκτίμηση της τρισδιάστατης (3D) γεωφυσικής δομής του υπεδάφους. Στόχος της διατριβής ήταν η αξιολόγηση των δυνατοτήτων και περιορισμών της μεθόδου ως ένα εναλλακτικό εργαλείο προσδιορισμού της γεωφυσικής δομής, για την αξιοποίηση της στη μελέτη της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών στη σεισμική κίνηση, καθώς και σε γεωτεχνικές εφαρμογές. Η συλλογή δεδομένων εδαφικού θορύβου πραγματοποιήθηκε με την εγκατάσταση ενός προσωρινού ειδικού δικτύου 34 σταθμών καταγραφής στο πολεοδομικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης (βόρεια Ελλάδα) και συγκεκριμένα στην ευρύτερη περιοχή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ.). Η γεωμετρία του ειδικού δικτύου ακολούθησε ένα συνδυασμό κυκλικών διατάξεων στο εξωτερικό του τμήμα, το οποίο συγχρόνως οριοθετούσε και την περιοχή έρευνας, και τυχαίων διατάξεων στο εσωτερικό του. Η χρονική διάρκεια συλλογής δεδομένων εδαφικού θορύβου κυμαινόταν από λίγες ημέρες έως ένα μήνα, με την πλειονότητα των σταθμών καταγραφής του ειδικού δικτύου να διαθέτουν δεδομένα για περισσότερες από 15 ημέρες. Η επεξεργασία των δεδομένων διαιρέθηκε σε έξι συνολικά βήματα: 1) στη διασυσχέτιση των καταγραφών εδαφικού θορύβου για κάθε ζεύγος σταθμών του ειδικού δικτύου με τον υπολογισμό των αντίστοιχων καμπύλων διασυσχέτισης, 2) τον υπολογισμό του λόγου του σήματος προς θόρυβο στις καμπύλες διασυσχέτισης για την απόρριψη των χαμηλής ποιότητας δεδομένων, 3) την ανάλυση πολλαπλών φίλτρων, 4) την εξαγωγή των καμπύλων σκέδασης των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh για κάθε ζεύγος σταθμών του ειδικού δικτύου, 5) τον υπολογισμό των καμπύλων ελλειπτικότητας των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh για κάθε θέση σταθμού του ειδικού δικτύου και, 6) τον υπολογισμό του φασματικού λόγου της οριζόντιας προς την κατακόρυφη συνιστώσα (HVSR) εδαφικού θορύβου σε κάθε θέση σταθμού του ειδικού δικτύου. Οι καμπύλες σκέδασης για κάθε ζεύγος σταθμών του ειδικού δικτύου χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των χρόνων διαδρομής των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh σε διακριτές τιμές της συχνότητας μέσα στο διάστημα από 1.5 έως 14Hz. Στους χρόνους διαδρομής των επιφανειακών κυμάτων εφαρμόστηκε μία τομογραφική προσέγγιση αντιστροφής, η οποία οδήγησε στην εκτίμηση της χωρικής κατανομής της ταχύτητας ομάδας των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh στην περιοχή μελέτης, για τις ίδιες διακριτές τιμές της συχνότητας. Η τομογραφική αντιστροφή πραγματοποιήθηκε με τη χρήση προσεγγιστικών ζωνών Fresnel στις ακτίνες διάδοσης των επιφανειακών κυμάτων, καθώς και με την εισαγωγή κατάλληλων περιορισμών της λύσης, όπως της απόσβεσης, της χωρικής εξομάλυνσης και της διασυχνοτικής εξομάλυνσης, για τη σταθεροποίηση των χαρτών, δηλαδή των τομογραφικών εικόνων στο χώρο του ειδικού δικτύου. Στα αποτελέσματα της τομογραφικής αντιστροφής εφαρμόστηκαν κατάλληλα κριτήρια αποκοπής για την απομάκρυνση των μη αξιόπιστων δεδομένων. Σε αυτά τα κριτήρια συμπεριλήφθηκαν ο αριθμός και το μήκος των ακτινών που διαπερνούσαν κάθε κόμβο του προκαθορισμένου τομογραφικού πλέγματος, το σχετικό σφάλμα προσδιορισμού της ταχύτητας ομάδας των επιφανειακών κυμάτων και το μήκος διακριτικής ικανότητας. Η τελική σύνθεση των αποτελεσμάτων της τομογραφίας για όλες τις διακριτές τιμές της συχνότητας οδήγησε στην ανακατασκευή των τοπικών καμπύλων σκέδασης των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh σε κάθε κόμβο του τομογραφικού πλέγματος.Στις τοπικές καμπύλες σκέδασης των επιφανειακών κυμάτων εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος γειτνίασης, για την 1D αντιστροφή τους και την εκτίμηση της τοπικής κατανομής της ταχύτητας των εγκαρσίων ελαστικών κυμάτων σε συνάρτηση με το βάθος. Η σύνθεση όλων των 1D εδαφικών προφίλ επέτρεψε την αναγνώριση της χωρικής κατανομής των κύριων επιφανειών ασυνέχειας του υπεδάφους και την εκτίμηση του 3D γεωφυσικού μοντέλου δομής στην περιοχή μελέτης. Επιπλέον, για τη βελτίωση της διακριτικής ικανότητας της 1D αντιστροφής στα επιφανειακά στρώματα της δομής και την εξαγωγή των επιφανειών ασυνέχειας του υπεδάφους με καλύτερη χωρική συνάφεια, πραγματοποιήθηκε συνδυαστική 1D αντιστροφή των τοπικών καμπύλων σκέδασης με τις καμπύλες ελλειπτικότητας των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh. Το 3D γεωφυσικό μοντέλο δομής που προέκυψε από την υπέρθεση των 1D μοντέλων (προσομοιωμάτων) της συνδυαστικής αντιστροφής είναι το τελικά προτεινόμενο γεωφυσικό μοντέλο για την περιοχή μελέτης. Το προτεινόμενο 3D γεωφυσικό μοντέλο δομής βρίσκεται σε πολύ καλή συμφωνία με το σύνολο των διαθέσιμων γεωλογικών, γεωφυσικών και γεωτεχνικών πληροφοριών, καθώς και αντίστοιχων 3D γεωτεχνικών εδαφικών μοντέλων μεγάλης κλίμακας για την περιοχή μελέτης. Παράλληλα, επιτρέπει την πρόβλεψη της χωρικής κατανομής διαφόρων ποσοτήτων (π.χ. χωρικής κατανομής συναρτήσεων μεταφοράς, ελλειπτικότητας, κλπ.) που είτε είναι άμεσα συγκρίσιμες με τα δεδομένα, είτε δίνουν μία νέα εικόνα για τη χωρική μεταβολή της επίδρασης των εδαφικών συνθηκών στη σεισμική κίνηση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εφαρμογή της 3D τομογραφίας εδαφικού θορύβου μπορεί να παρέχει με αξιοπιστία τη γεωφυσική δομή του υπεδάφους σε αστικά περιβάλλοντα, τουλάχιστον με παρόμοια γεωλογική δομή με αυτό της Θεσσαλονίκης, και σε γεωτεχνική κλίμακα.