Προσδιορισμός μονοδιάστατου μοντέλου ταχύτητας με την αντιστροφή δεδομένων μικροθορύβου μονού σταθμού και συνδυαστική ερμηνεία με ανεξάρτητες γεωλογικές, γεωτεχνικές και γεωφυσικές πληροφορίες

Περίληψη

Ενώ η αξιολόγηση της ταχύτητας των εγκαρσίων κυμάτων έχει αναγνωριστεί ως μία σημαντική παράμετρος κατά την προσομοίωση της εδαφικής κίνησης από τις αρχές του 70s, αρκετοί κώδικες σεισμικής επικινδυνότητας και αναλύσεις κτιρίων έχουν ενσωματώσει τη χρήση της για την εκτίμηση των τοπικών επιδράσεων  στην εδαφική-κίνηση (με χρήση της Vs30), η εκτίμηση της Vs παραμένει ένα δύσκολο αντικείμενο. Οι περισσότερες τεχνικές παράγουν μονοδιάστατα μοντέλα χρησιμοποιώντας ενεργές πηγές, είτε εντός γεωτρήσεων ή χρησιμοποιώντας επιφανειακές μετρήσεις. Η χρήση ενεργών πηγών, και ειδικότερα γεωτρήσεων, αυξάνει τον χρόνο/κόστος και περιορίζει τα όρια της μεθόδου σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, δεδομένα εδαφικού θορύβου έχουν χρησιμοποιηθεί όλο και περισσότερο για μελέτες επιφανειακών Vs δομών. Η προφανής και σταδιακά αυξανόμενη αξία των δεδομένων εδαφικού θορύβου είναι ότι παρέχουν έμμεσες πληροφορίες για τις ιδιότητες των επιφανειακών στρωμάτων. Στην παρούσα διατριβή ερευνούμε την εφαρμοσιμότητα της αντιστροφής των καμπυλών HVSR καταγραφών μονού σταθμού για τον προσδιορισμό της μονοδιάστατης δομής. Ενώ η συλλογή δεδομένων HVSR είναι οικονομικά εξαιρετικά αποδοτική, η σχέση της με την ελλειπτικότητα των Rayleigh κυμάτων έχει αμφισβητηθεί, ενώ η αντιστροφή της ελλειπτικότητας είναι εμφανώς μη-μοναδική. Το κύριο κίνητρο πίσω από το έργο μας βασίζεται στις πρόσφατες έρευνες των Hobiger et al. (2013), οι οποίοι έδειξαν ότι αν το πολύ επιφανειακό 1D προφίλ ταχυτήτων είναι γνωστό, η μοναδικότητα από την αντιστροφή της ελλειπτικότητας βελτιώνεται σημαντικά. Μετρήσεις εδαφικού θορύβου μονού σταθμού πραγματοποιήθηκαν σε 73 βαθμονομημένες θέσεις της Βόρειας Ελλάδας, επιλεγμένες από τη βάση δεδομένων των Stewart et al. (2014), η οποία περιλαμβάνει ανεξάρτητες πληροφορίες για την 1D Vs δομή και γεωλογία. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν κυρίως με την χρήση ενός τυπικού συστήματος λήψης δεδομένων θορύβου, και η καμπύλη HVSR υπολογίστηκε με το λογισμικό GEOPSY (Wathelet et al., 2008). Η αξιοπιστία των καμπυλών HVSR ως εκδοχή καμπύλης ελλειπτικότητας των κυμάτων Rayleigh ελέγχθηκε με τη χρήση της προσέγγισης των Hobiger et al. (2008). Πραγματοποιήθηκαν αντιστροφές καμπυλών HVSR με τον περιορισμό της μέσης εγκάρσιας ταχύτητας των πρώτων 5 m, όπως αυτή παρέχεται από τις πληροφορίες της διαθέσιμης βάσης δεδομένων. Αναπτύχθηκε μια αυτόματη διαδικασία αντιστροφής, ώστε να επιτρέπει την εφαρμογή της μεθόδου ακόμα και από μη ειδικούς. Η αξιοπιστία του παραγόμενου 1D μοντέλου αξιολογήθηκε με την απευθείας σύγκριση με τη βάση δεδομένων, εστιάζοντας σε πληροφορίες όπως το σεισμικό υπόβαθρο, εκεί που αυτό ήταν γνωστό. Επιπλέον, τα αποτελέσματα από την αντιστροφή των HVSR για την τιμή της Vs30 συγκρίθηκαν με τις πραγματικές τιμές Vs30 της προαναφερόμενης βάσης δεδομένων, καθώς και την εκτίμηση των Vs30 από την Vs5 ακολουθώντας την ημι-εμπειρική σχέση των Stewart et al. (2014). Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η αντιστροφή των καμπυλών HVSR χρησιμοποιώντας ως περιορισμό την Vs5 μπορεί να οδηγήσει, σε αρκετές περιπτώσεις, σε σημαντικά βελτιωμένες εκτιμήσεις της Vs30, κυρίως για σχηματισμούς κατηγορία εδάφους B κατά EC8, παρέχοντας επίσης ταυτόχρονα βελτιωμένες εκτιμήσεις της Vs30 για αρκετές πιο  θέσεις κατηγορία εδάφους C κατά EC8. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αντιστροφή δεδομένων HVSR μπορεί να θεωρηθεί ως ένα συμπληρωματικό εργαλείο για τον αποτελεσματικό, μεγάλης-κλίμακας/χαμηλού-κόστους προσδιορισμό εκτιμήσεων της Vs30, χρησιμοποιώντας μια απλή στρατηγική συλλογής δεδομένων και ημι-αυτοποιημένο φόρτο επεξεργασίας και ερμηνείας δεδομένων.


While the assessment of the shear-wave velocity has been recognized as an important parameter for ground motion simulations since the early 70s, and several seismic hazard and building codes have incorporated its use for site-effects assessment on ground-motions (typically through Vs30), obtaining Vs estimates remains a demanding task. Most techniques derive local 1-D Vs models using active sources methods, either using boreholes or surface measurements, with each approach having its merits and drawbacks. In all cases, the use of active sources, and especially boreholes, increases the time/cost demands and limit the method applicability in demanding environments (e.g. urban). During the last decades ambient noise data have been increasingly used for shallow Vs structure study. The obvious added value of ambient noise data is that they also provide indirect information on surface layers properties. We explore here the applicability of single-station HVSR curve inversion to determine the local 1D Vs structure. While HVSR data collection is extremely cost-efficient, its relation to Rayleigh wave ellipticity has been questioned, while ellipticity inversions are notoriously non-unique. The main motivation behind our work is based on the recent findings by Hobiger et al. (2013), who showed that if the shallow velocity profile is known, the uniqueness of the ellipticity inversion is severely improved. Since shallow information can be directly derived from small-scale active source or passive tests, or indirectly assessed from other (geophysical, geotechnical or geological) information, it is interesting to evaluate this approach at a practical level. Single station ambient noise measurements were performed at 73 calibration sites of Northern Greece, selected from the database of Stewart et al. (2014) which includes independently information on the local 1D Vs structure and geology. Measurements were mainly performed with the use of a conventional noise acquisition system, and  HVSR curves were calculated with the Geopsy software (Wathelet et al., 2008). The reliability of the HVSR curves as proxies for Rayleigh wave ellipticity has been checked using the approach of Hobiger et al.(2008). HVSR curve inversions have been performed by constraining the average shear-wave velocity of the first 5 m (Vs5), as provided from the database information. An automated inversion procedure was developed, allowing the method application even by non-experts. The reliability of the obtained 1D Vs models has been assessed by direct comparison with the database, focusing on information such as the inferred seismic bedrock depth. Moreover, Vs30 results from the HVSR inversions were compared with the actual Vs30 database reference values, as well as Vs30 estimates from Vs5 proxies following Stewart et al. (2014). The results suggest that the inversion of HVSR curves using Vs5 constraints can lead, in almost all cases, to significantly improved Vs30 estimates for stiffer formations (EC8, soil class B), while providing also improved Vs30 assessments for several softer (EC8, soil class C) sites. These observations suggest that the inversion of HVSR data can be considered as a supplementary tool for efficient, large-scale/low-cost Vs30 estimations, employing a simple data-collection strategy and a minimal amount of data processing and interpretation.