Οι σεισμοί αποτελούν ένα από τα πιο απρόβλεπτα φυσικά φαινόμενα, με ανυπολόγιστες συνέπειες στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον. Η άμεση συσχέτιση μεταξύ της σεισμικής κίνησης σε μία θέση και των τοπικών εδαφικών συνθηκών, καθιστά μεγάλη την ανάγκη απόκτησης αξιόπιστων εδαφοδυναμικών προσομοιωμάτων προκειμένου να περιοριστούν όσο το δυνατόν οι επιπτώσεις της. Συγκεκριμένα, θέσεις σε χαλαρούς γεωλογικούς σχηματισμούς με μικρές ταχύτητες διάδοσης τείνουν γενικά να παρουσιάζουν ενίσχυση της σεισμικής κίνησης σε σχέση με αυτήν του γεωλογικού ή «σεισμικού» υποβάθρου. Η μέση ταχύτητα εγκαρσίων κυμάτων για τα πρώτα 30m (VS30), αποτελεί ένα σύνηθες μέτρο αξιολόγησης της απόκρισης στη σεισμική κίνηση μίας θέσης. Ωστόσο, ο προσδιορισμός της επιφανειακής δομής του φλοιού με απευθείας μετρήσεις αποτελεί συχνά μία χρονοβόρα και πολυδάπανη διαδικασία. Με δεδομένο ότι η δόμηση των περισσότερων πόλεων πραγματοποιείται σε ιζηματογενείς σχηματισμούς (π.χ. ιζηματογενείς λεκάνες) είναι αναγκαία η εύρεση εύκολων, γρήγορων, οικονομικών και αξιόπιστων τρόπων προσδιορισμού της επιφανειακής δομής του φλοιού.
Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εξετάζει την αξιοπιστία και τη δυνατότητα εφαρμογής μίας νέας σχετικά, μεθοδολογίας στον Ελληνικό χώρο. Ειδικότερα, η μεθοδολογία εστιάζει στον προσδιορισμό της επιφανειακής δομής μίας θέσης, κάνοντας χρήση απευθείας επιμήκων και εγκαρσίων κυμάτων από μετατροπή στην θέση εγκατάστασης σεισμολογικών σταθμών. Πρόκειται για μία μεθοδολογία με ελπιδοφόρα αποτελέσματα από προηγούμενες εφαρμογές της σε διάφορες περιοχές του κόσμου (π.χ. Ιαπωνία, Αλάσκα, Κεντρική και Ανατολική Αμερική). Η επιλογή των θέσεων εφαρμογής στον Ελληνικό χώρο δεν έγινε τυχαία, αλλά επικεντρώθηκε σε πολύ καλά μελετημένες θέσεις σε ιζηματογενείς λεκάνες, με γνωστή γεωφυσική δομή και με μεγάλο αριθμό καταγραφικών οργάνων και καταγραφών. Ως πρώτη θέση επιλέχθηκε το δίκτυο EUROSEISTEST στη λεκάνη της Μυγδονίας και ως δεύτερη θέση το δίκτυο ARGONET της λεκάνης του Κούταβου στην Κεφαλονιά. Τα βήματα που ακολουθήθηκαν, βάσει και των προηγούμενων μελετών, αφορούσαν στον προσδιορισμό του λόγου UR/UZ της ακτινικής προς την κατακόρυφη συνιστώσα της πρώτης άφιξης ενός σεισμού, τον προσδιορισμό της παραμέτρου σεισμικής ακτίνας με τη χρήση του εστιακού βάθους, της επικεντρικής απόστασης του σεισμού και ενός μονοδιάστατου μοντέλου δομής της περιοχής του σταθμού και, τέλος, τον υπολογισμό της μέσης ταχύτητας εγκαρσίων κυμάτων σε βάθος z (VSZ). Από τον υπολογισμό της ταχύτητας VSZ υπολογίστηκε η τιμή της VS30 κάθε θέσης με χρήση κατάλληλων ημι-εμπειρικών σχέσεων μετατροπής.
Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της παραπάνω εφαρμογής έγινε δυνατή ύστερα από σύγκριση με τα υφιστάμενα γεωφυσικά μοντέλα των θέσεων μελέτης. Αν και τα αποτελέσματα αυτά ήταν αρκετά ικανοποιητικά, παρατηρήθηκε μία συστηματική υπερεκτίμηση της VSZ των περισσοτέρων σταθμών. Η παρατήρηση τέτοιων ακραίων τιμών της ταχύτητας VSZ κυρίως σε καταγραφές μικρών επικεντρικών αποστάσεων έδειξε ότι ένα τέτοιο συστηματικό φαινόμενο θα μπορούσε να αιτιολογήσει την υπερεκτίμηση στη μέση VSZ των σταθμών. Για το λόγο αυτό, έγινε αναζήτηση της αιτίας προέλευσής τους μέσω μίας σειράς διερευνήσεων σε συνθετικά δεδομένα σεισμών. Ειδικότερα, με χρήση της μεθόδου Monte Carlo, δημιουργήθηκε μεγάλος αριθμός συνθετικών δεδομένων για διερεύνηση της επίδρασης τριών παραμέτρων: 1) Του εστιακού βάθους του σεισμού, 2) Των σφαλμάτων του επικέντρου του σεισμού, 3) Του μοντέλου δομής (ταχύτητας) της περιοχής μελέτης.
Τα αποτελέσματα της παραμετρικής διερεύνησης έδειξαν τη συσχέτιση κυρίως μεταξύ του οριζοντίου σφάλματος του σεισμού (επικεντρικού σφάλματος) και της εμφάνισης ακραίων τιμών της ταχύτητας VSZ. Όλες οι παράμετροι που εξετάστηκαν επηρεάζουν τον προσδιορισμό της παραμέτρου σεισμικής ακτίνας. Επομένως, αναζητήθηκε η ύπαρξη κάποιας σχέσης μεταξύ της υπερεκτίμησης της ταχύτητας VSZ και της παραμέτρου σεισμικής ακτίνας. Από την παραπάνω μελέτη αποδείχθηκε ότι η απομάκρυνση δεδομένων σεισμών με παράμετρο σεισμικής ακτίνας μικρότερη της τιμής p=0.1s/km οδηγεί σε πολύ πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Παράλληλα, στα αποτελέσματα αναδείχθηκε (για πρώτη φορά σε παγκόσμια κλίμακα) η επίδραση του μεγέθους του σεισμού στην τιμή της VSZ, όπως θεωρητικά αναμένεται. Σε κάθε περίπτωση, η προαναφερθείσα μεθοδολογία, γνωστή και ως «Μέθοδος του P-σεισμογράμματος» φαίνεται να δίνει πολύ καλά αποτελέσματα, ιδίως με τις βελτιώσεις που προτείνονται στην παρούσα εργασία. Κατά συνέπεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περίπτωση απουσίας μετρήσεων της ταχύτητας των εγκαρσίων κυμάτων, προκειμένου να εκτιμηθεί με αξιοπιστία η ταχύτητα VS30, κυρίως σε χωρικά μεγάλη κλίμακα, όταν υπάρχουν δεδομένα καταγραφών τοπικών σεισμών.

Earthquakes are one of the most unpredictable natural phenomena, resulting in significant consequences for the natural and man-made environments. The direct relation between seismic motion in a location and local site effects has led to the need of obtaining reliable soil-dynamic simulations, in order to assess (and minimize) the seismic effects of local geology as much as possible. Specifically, soft soil formations are usually characterized by low velocities and seismic motion amplification with respect to the bedrock’s seismic motion. A reliable proxy for assessing the site effects on seismic motion is the time-averaged shear wave velocity to a depth of 30 meters (VS30). However, determining the structure of the crust by using direct measurements is a rather demanding and time-consuming process. Since most cities are built on sedimentary formations (e.g., sedimentary basins), it is important to find an easy, low-cost and efficient way to determine the structure of the uppermost crustal layers.
The present master’s thesis examines the reliability and potential of a relatively new methodology for the area of Greece. The methodology focuses on the determination of the surface structure of a site using direct P and S waves resulting from P-to-S conversion. It is a methodology with promising results, as seen from its previous applications in various regions of the world (e.g., Japan, Alaska, Central and Eastern America). The selection of the examined locations was not done by chance, as they correspond to well-studied sites at sedimentary basins, with known geophysical structure and a large number of instrumental records. The EUROSEISTEST network in the Mygdonia basin was chosen as the first test site and the ARGONET network of the Koutavos basin in Kefalonia as the second one. The steps followed were based on previous studies and included the determination of UR/UZ ratio (the ratio of the radial to vertical component of the first arrival of an earthquake), the determination of the seismic ray parameter using the focal depth, the epicentral distance and a local one-dimensional structure model, as well as the calculation of the time-averaged velocity to a depth of z meters (VSZ). After the calculation of VSZ, it was also possible to calculate the VS30 at each site using appropriate semi-empirical conversion relations.
The evaluation of the results was performed by comparison with the available geophysical-geotechnical models of the study sites. The obtained results were quite satisfactory but showed a systematic overestimation of the VSZ value at most stations. The observation of extremely high VSZ values in records with small epicentral distances showed that this pattern could justify this systematic overestimation of VSZ values. Therefore, an investigation to quantify this effect was performed through a series of synthetic earthquake data. In particular, through the Monte Carlo method, a large number of synthetic data was created, in order to investigate the effects of three parameters: 1) The depth of the earthquake, 2) The errors of the epicenter of the earthquake, 3) The one-dimensional structural (velocity) model of the study area.
The results of the parametric investigation showed a correlation between the earthquakes’ horizontal error and the occurrence of extreme VSZ values. The investigated parameters are used (and affect) the ray’s parameter determination. Therefore, the existence of a relationship between the velocity (VSZ) overestimation and the seismic ray parameter was examined. The results showed that the removal of records with ray parameter p<0.1s/km can lead to much more stable and reliable results. Furthermore, it was shown (for the first time) that there is a clear correlation between the earthquake’s magnitude and the VSZ value, as theoretically expected. In general, the aforementioned methodology, also known as the “P-wave seismogram method”, seems to work satisfactorily in the case of lack of measurements in order to reliably estimate of the VS30 value, especially at large spatial scales, when recordings of local earthquakes are available.

Aki, K., and P. G. Richards, (2002). Quantitative Seismology, University Science Books, Sausalito CA, 700.

Aristotitle University of Thessaloniki. (1993). EUROSEISTEST Strong Motion Network [Data set]. International Federation of Digital Seismograph Networks.

Beyreuther, M., R. Barsch, L. Krischer, T. Megies, Y. Behr, and J. Wassermann (2010). ObsPy: A Python toolbox for seismology SRL 81 530–533.

Boore, D. M., E. M. Thompson, and H. Cadet (2011). Regional correlations of VS30 and velocities averaged over depths less than and greater than 30 meters, Bull. Seism. Soc. Am. 101 3046–3059.

Crotwell, H. P., and T. J. Owens (1999). The TauP Toolkit: Flexible Seismic Travel-Time and Raypath Utilities, SRL 70 154–160.

Cushing, E. M., Hollender, F., Moiriat, D., Guyonnet-Benaize, C., Theodoulidis, N., Pons-Branchu, E., Sépulcre, S., Bard, P. Y., Cornou, C., Dechamp, A., Mariscal,

A., & Roumelioti, Z. (2020). Building a three dimensional model of the active Plio-Quaternary basin of Argostoli (Cephalonia Island, Greece): An integrated geophysical and geological approach. Eng. Geol. 265. 105441

EN 1998-1 (2004). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance – Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, European Union Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC

Hamling., I. (2017, March 26). It only takes a moment; the ups and downs of earthquakes. Science.

Kalkan, E. (2016). An automatic P-phase arrival-time picker. Bull. Seism. Soc. Am., 106, 971–986.

Kang, S., B. Kim, H. Park, and J. Lee (2020). Automated procedure for estimating VS30 utilizing P-wave seismograms and its application to Japan. Eng. Geol. 264 105388

Kim, B., Y. M. A. Hashash, E. M. Rathje, J. P. Stewart, S. Ni, P. G. Somerville, A. R. Kottke, W. J. Silva, and K. W. Cambell (2016). Sub-surface shear wave velocity characterization using P-wave seismograms in Central and Eastern North America, Earthq. Spectra 32 143–169.

Kim, J., B. Kim, and H. Cho (2020). Shear Wave Velocity Estimation in Korea Using P-Wave Seismograms, KSCE J. Civ. Eng. 24 3650–3658.

Ktenidou, O. J., Z. Roumelioti., N. Abrahamson, F. Cotton, K. Pitilakis, and F. Hollender (2018). Understanding single-station ground motion variability and uncertainty (sigma): lessons learnt from EUROSEISTEST, Bull. Earthquake Eng. 16 2311–2336.

Lee, J., K. H. Kim, S. Y. Kang, M. Son, & B. Kim. (2022). Shear-wave velocity map for Pohang Basin, South Korea, based on the P-wave seismogram method, Earthq. Spectra 38 2162–2182.

Li, Z., S. Ni, & P. Somerville (2014). Resolving shallow shear-wave velocity structure beneath station CBN by waveform modeling of the Mw 5.8 mineral, Virginia, earthquake sequence, Bull. Seism. Soc. Am. 104 944–952.

Manakou, M.V., D.G. Raptakis, F.J. Chávez-García, P.I. Apostolidis, K.D. Pitilakis (2010). 3D soil structure of the Mygdonian basin for site response analysis, Soil Dyn. Earthq. Eng., 30 1198-1211.

Metropolis, N., and S. Ulam (1949). The Monte Carlo Method, JASA 44 335-341.

Miao, Y., Y. Shi, and S. Y. Wanga (2018). Estimating near-surface shear wave velocity using the p-wave seismograms method in Japan, Earthq. Spectra 34 1955–1971.

NEHRP (1997). Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings (FEMA 273), Washington, DC, Federal Emergency Management Agency.

Papazachos B, Papadimitriou E, Kiratzi A, & Papazachos C. (1997). The stress field in the Aegean area as deduced from fault plane solutions of shallow earthquakes. In In: IASPEI 29th general assembly, Thessaloniki, 18–28 August 1997.

Papazachos B.C., E. E. Papadimitriou, A. A. Kiratzi, C. B. Papazachos, & E. K. Louvari (1998). Fault plane solutions in the Aegean Sea and surrounding area and their tectonic implication, Boll. di Geofis. Teor. ed Appl. 39 199-218.

Papazachos, C., and G. Nolet (1997). P and S deep velocity structure of the Hellenic area obtained by robust nonlinear inversion of travel times, J. Geophys. Res. Solid Earth 102 8349–8367.

Parker, G. A., J. A. Harmon, J. P Stewart, Y. M. A Hashash, A. R. Kottke, E. M. Rathje, W. J. Silva, and K. W. Campbell (2017). Proxy-based VS30 estimation in central and Eastern North America, Bull. Seism. Soc. Am. 107 117–131.

Raptakis, D., F. J. Chávez-García, K. Makra, and K. Pitilakis (2000). Site effects at Euroseistest-I. Determination of the valley structure and confrontation of observations with 1D analysis, Soil Dyn. Earthq. Eng. 19 1-22.

SAGE (Seismological Facility for the Advancement of Geoscience). EartyScope Consortium, Ανακτήθηκε Από Https://Service.Iris.Edu/Irisws/Rotation/Docs/1/Help/.

Skarlatoudis, A. A., H. K. Thio, and P. G. Somerville (2022). Estimating shallow shear-wave velocity profiles in Alaska using the initial portion of P waves from local

earthquakes, Earthq. Spectra 38 1076–1102.

Stewart, J. P., Klimis, N., Savvaidis, A., Theodoulidis, N., Zargli, E., Athanasopoulos, G., Pelekis, P., Mylonakis, G., & Margaris, B. (2014a). Compilation of a local Vs profile database and its application for inference of Vs30 from geologic- and terrain-based proxies. Bulletin of the Seismological Society of America, 104(6),

–2841. https://doi.org/10.1785/0120130331

Stewart, J. P., N. Klimis, A. Savvaidis, N. Theodoulidis, E. Zargli, G. Athanasopoulos, P. Pelekis, G. Mylonakis, and B. Margaris (2014). Compilation of a local VS profile database and its application for inference of VS30 from geologic‐and terrain‐based proxies, Bull. Seism. Soc. Am. 104 2827-2841.

Stone W.C., Yokel F.Y., Celebi M., Hanks T., & Leyendecker E.V. (1987). Engineering aspects of the Septembrt 19, 1985 Mexico earthquake. NBS Building Science

Series 165, National Bureau of Standards, Washington, D.C., 207pp.

Takanami, T., G. Kitagawa (1988). A new efficient procedure for the estimation of onset times of seismic waves, J. Phys. Earth. 36 267-290.

Theodoulidis, N., G. Cultrera, C. Cornou, P. Y. Bard, T. Boxberger, G. DiGiulio, A. Imtiaz, D. Kementzetzidou, K. Makra, C. Andreou, R. Bauz, S. Bayle, D. Bindi, F. Cara, R. Cogliano, C. Cretin, A. Fodarella, E. Günther, A. Konidaris, J. M. Nicole, S. Parolai, M. Pilz, S. Pucillo, G. Riccio, and A. Savvaidis (2018). Basin effects on ground motion: The case of a high-resolution experiment in Cephalonia (Greece), Bull. Earthquake Eng. 16 529–560.

Theodoulidis, N., F. Hollender, A. Mariscal, D. Moiriat, P. Y. Bard, A. Konidaris, M. Cushing, K. Konstantinidou, and Z. Roumelioti. (2018). The ARGONET (Greece) seismic observatory: An accelerometric vertical array and its data, SRL 89 1555–1565.

Wald, D. J., and T. I. Allen (2007). Topographic slope as a proxy for seismic site conditions and amplification, Bull. Seismol. Soc. Am. 97 1379–1395.

Zalachoris, G., E. M. Rathje, and J. G. Paine (2017). VS30 Characterization of Texas, Oklahoma, and Kansas using the P-wave seismogram method, Earthq. Spectra 33 943–961.

Μάκρα Κωνσταντία. (2022). Σημειώσεις Μαθήματος “Βασικές Αρχές Εδαφοδυναμικής”, ΠΜΣ Εφαρμοσμένη και Περιβαλλοντική Γεωλογία, Τμήμα Γεωλογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης .

Παπαζάχος Βασίλης, & Παπαζάχος Κώστας. (2008). Εισαγωγή στη Γεωφυσική. Εκδόσεις Ζήτη.

Σπύρος Χατζησπύρος (n.d.). Μέθοδοι Monte Carlo. Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Σάμος.

Χατζής, Ν. (2017). Προσδιορισμός μονοδιάστατου μοντέλου ταχύτητας με την αντιστροφή δεδομένων εδαφικού θορύβου μονού σταθμού με συνδυαστική ερμηνεία με ανεξάρτητες γεωλογικές, γεωτεχνικές και γεωφυσικές πληροφορίες. Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης.

Χατζής Ν. (2021). GUI PICKING. Κώδικας για τον προσδιορισμό του λόγου της ακτινικής προς την κατακόρυφη συνιστώσα.

Ψυχάρης, Γ. (2014). Βασικές Διατάξης Ευρωκώδικα 8. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Τομέας Δομοστατικής.

http://www.iris.edu/manuals/SEEDManual_V2.4.pdf