Tecniche sismiche PASSIVE

1. Tecniche sismiche PASSIVE

2. PRINCIPIO ANALIZZARE MICROTREMORI PER STIMARE LA STRUTTURA DEL SOTTOSUOLO Due condizioni necessarie per fare della caratterizzazione sismica I SEGNALI SISMICI ANALIZZATI DEVONO AVERE ATTRAVERSATO LE PROFONDITÀ CHE CI INTERESSA CARATTERIZZARE I SEGNALI SISMICI ANALIZZATI DEVO ESSERE INFLUENZATI DAI PARAMETRI CHE CI INTERESSA DETERMINARE (VS) Il rumore ambientale dipende dalle sorgenti incognite che lo generano MA DIPENDE ANCHE FORTEMENTE DAL SITO IN CUI LO MISURIAMO il sito influenza sia LA VELOCITÀ di propagazione che L’AMPIEZZA

3. MICROTREMORI Vibrazioni della superficie terrestre provocate da sorgenti naturali e antropiche spostamento: 10-4 - 10-2 mm (molto sotto la soglia di percezione umana) RUMORE DI FONDO PRESENTE IN OGNI SITO Le componenti antropiche (f > 1Hz) più variabili in relazione ai tempi di attività umane (notte/giorno): traffico stradale, macchine industriali artigianali, pompe, ecc. Le componenti naturali (f < 1Hz) influenzate dalle condizioni atmosferiche e meteorologiche: venti, onde in oceani, variazioni di pressione atmosferica… Stazionarie nel tempo su durate non troppo grandi (alcune ore) e nello spazio (chilometri). Dato un sito, sono composti da diversi tipi di onde superficiali e di volume

4. G1 U-D G2 N-S G3 E-W G2 G1 G3 G(3Comp) ANALISI DELLA VELOCITÀ: occorrono più punti di misura (array) ANALISI DELLE AMPIEZZE: basta un solo punto di misura multicomponente AMPIEZZE (un ricevitore) VELOCITÀ (array)

5. G1 G2 G3 G2 G1 G3 TECNICHE CON ARRAY MISURA DELLE VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE MEDIANTE ANALISI DEI SEGNALI RICEVUTI DA UNO STENDIMENTO DI GEOFONI SENZA CONTROLLARE LA SORGENTE VELOCITÀ

7. q Vapp=Vvera/cos(q) array VELOCITÀ APPARENTE

8. q Vapp=Vvera/cos(q) array ACQUISIZIONE DI DATI PASSIVI di ONDE SUPERFICIALI È possibile stimare la curva di dispersione da misure passive con array di geofoni: non essendo in generale nota la direzione di arrivo dei segnali, occorrono array bidimensionali. Uno stendimento lineare non può individuare la velocità vera di onde che arrivano da una direzione sconosciuta

9. array USO DI ARRAY per la stima della velocità di fase delle onde superficiali Principio: determinare la direzione di provenienza e stimare la velocità vera

10. CON ARRAY 2D si può stimare la direzione di provenienza del NOISE Per ogni frequenza, energia in kX e kY TRAMITE ELABORAZIONE DI DATI DI ARRAY SI STIMA LA CURVA DI DISPERSIONE, E POI SI PROCEDE COME CON MISURE ATTIVE

11. POSSIBILI FORME DI ARRAY Elaborazione dei dati: F-K bidimensionale, SPAC, ESAC Problemi: possibilità di sorgenti troppo vicine RISCHIO DI NON AVERE INFORMAZIONI PROFONDE nonostante le basse frequenze

12. RE-MI : REfraction MIcrotremors Misura di microtremori con stendimento e strumentazione da sismica a rifrazione ARRAY LINEARE Allora come funziona il RE-MI? Se i segnali provengono omogeneamente da tutte le direzioni, teoricamente è possibile impiegare un array lineare: si ha tuttavia il rischio di sovrastimare le velocità

13. Con sorgenti in tutte le direzioni, (energia omogeneamente proveniente dalle diverse direzioni) lo stendimento lineare agisce come una media sui diversi azimuth. SI PUÒ DIMOSTRARE CHE TALE MEDIA HA UNA FORMA PARTICOLARE: HA IL MASSIMO PROSSIMO AL VALORE VERO DELLA VELOCITÀ COME VERIFICARE CHE L’IPOTESI DI BASE SIA VERIFICATA?

14. PICKING a MANO della curva di dispersione scegliendo un valore minimo di velocità, poiché le velocità apparenti sono maggiori di quella reale

15. f-k : stesso stendimento PASSIVO ATTIVO

16. U-D N-S E-W G(3Comp) TECNICHE CON UN SOLO RICEVITORE MISURA DELLE AMPIEZZE MEDIANTE ANALISI DEI SEGNALI RICEVUTI DA UN GEOFONO SENZA CONTROLLO DELLA SORGENTE AMPIEZZE

17. SI MISURANO LE AMPIEZZE DELLE COMPONENTI ORIZZONTALI E VERTICALE NON SI MISURANO LE VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE i rapporti di ampiezza dipendono dalla struttura di VS del sottosuolo • Perché le ampiezze H e V dipendono dalla stratigrafia? • Principi del metodo di Nakamura (onde SH) • Sua evoluzione : è migliorata la comprensione teorica di come funziona (onde superficiali di Rayleigh) • Vantaggi, problemi e limiti

18. L’AMPIEZZA DELLE VIBRAZIONI DIPENDE DALLA STRATIGRAFIA (dipende anche dalla sorgente, ma è possibile isolare l’effetto di stratigrafia) TECNICA INTRODOTTA PER STIMARE EFFETTI LOCALI MISURANDO TERREMOTI SENZA MISURE SU SITO DI RIFERIMENTO SU ROCCIA Interferenza costruttiva di onda SH sinusoidale in un deposito soffice su bedrock rigido RAPPORTO TRA POTENZA STRATO H LUNGHEZZA D’ONDA l LUNGHEZZA D’ONDA dipende da VELOCITÀ e FREQUENZA l =V/f La velocità è proprietà intrinseca dello strato: quindi le diverse frequenze hanno diverse lunghezze d’onda e diverse forme di interferenza: alcune frequenze producono RISONANZA dello strato, e si hanno in superficie ampiezze molto maggiori di quelle al bedrock

19. AMPIEZZA E STRATIGRAFIA: risonanza di strato soffice su bedrock 5VS/4H 3VS/4H VS/4H A/AB Come MISURARE questo effetto? Sito di riferimento, oppure H/V

20. PRINCIPIO DEL METODO di NAKAMURA: onde SH H/V f NAKAMURA Se i microtremori sono costituiti da onde di volume provenienti dal basamento Se al bedrock il rapporto tra le componenti verticale e orizzontale è prossimo a 1 La componente orizzontale (onde SH) è amplificata, la componente verticale (onde P) non è amplificata nella banda di frequenza di interesse Il rapporto H/V rispecchia l’amplificazione della componente orizzontale del moto

21. USO DEL METODO di NAKAMURA per la CARATTERIZZAZIONE NAKAMURA • È possibile stimare l’amplificazione da misure di rapporto H/V • È possibile misurare la frequenza propria del sito f0 Data la relazione teorica f = VS/4H misurando f0 si possono stimare H o VS ATTENZIONE: Ambiguità H – VS 2.5Hz: 20 m 200 m/s 15 m 150 m/s 10 m 100 m/s • Stima di VS da amplificazione • Massimo di H/V = massimo di amplificazione (alla frequenza f0) • Massimo di amplificazione = Rapporto di impedenze (V*r) • Vsoil=(Vrock*rrock)/(rsoil*A)

22. Qualche problema delle assunzioni di NAKAMURA: NEL RUMORE non ci sono solo SH SORGENTI SUPERFICIALI HF (AH + HSUP/HB) = BC346DT VF (AV + VSUP/VB) HA, VA Hf, Vf A F B HB, VB HF = AH*HB +HSUP HF HB (AH + HSUP/HB) HF AH*HB +HSUP * = = VF = AV*VB +VSUP VF VB (AV + VSUP/VB) VF AV*VB +VSUP CHE COSA C’È NEI MICROTREMORI? HB=VB HB/VB=1 AV=1 Rapporto tra energia di onde superficiali e di onde di volume

23. CHE COSA SUCCEDE DEL RAPPORTO H/V QUANDO CI SONO ONDE SUPERFICIALI HF = AH Poche onde superficiali Tante onde superficiali VF HSUP HF = VSUP VF Il massimo di HSUP/VSUP quando si ha un adeguato contrasto di impedenza si trova alla stessa frequenza f0 QUINDI, conclude NAKAMURA: “il rapporto H/V misurato indica sempre la frequenza principale indipendentemente da quante onde superficiali ci sono” QUINDI FUNZIONA SEMPRE ? CHE INFORMAZIONE PUÒ DARE Hsup/Vsup , RAPPORTO H/V DELLE ONDE DI RAYLEIGH ?

24. H H/V V f0 f H/V f0 f CONTENUTO DELLE REGISTRAZIONI Il massimo si trova alla frequenza propria del sito f0 QUESTA FREQUENZA DIPENDE UN PO’ DALLA SOLLECITAZIONE?

25. Quando si registra rumore ambientale i segnali sono composti prevalentemente da onde superficiali • Per avere un picco pronunciato negli spettri H/V occorre un elevato rapporto di impedenza (>2.5) • Per vedere ad una certa profondità occorre analizzare un fenomeno che sia arrivato a quella profondità: rischi di sorgenti superficiali in near-field, • Rischio di vedere risonanza di strati soffici superficiali nella coltre sedimentaria, e non di tutta la coltre sul bedrock. Quale fenomeno domina durante lo scuotimento? • Il valore di amplificazione stimata da H/V può non essere affidabile METODO MOLTO POTENTE ma NON È POI COSÌ SEMPLICE. Considerare Rayleigh, Love, SH, P, SV…

26. RECENTE EVOLUZIONE DELLA TEORIA DEL RAPPORTO H/V “Nei microtremori e nel rumore ci sono anche onde di Love, modi superiori delle onde di Rayleigh…” (ARAI E TOKIMATSU, BSSA, vol94, feb 2004) 5Hz 0.8Hz

27. 8 160m/s 160m/s 0.8Hz= 5Hz= 4*50m 4*8m 50 5Hz 0.8Hz

28. ESECUZIONE DI INDAGINI H/V • Acquisizione mediante sistema 3C alta dinamica, per durata sufficiente • Elaborazione (attenta e onesta) dei segnali temporali per stima delle curve H/V (f) • Interpretazione delle curve • Mappatura delle frequenze, amplificazioni • Interpretazione f = V/4H • Inversione delle curve H/V per profilo di Vs(z)

29. ACQUISIZIONE 0.02 mm/s

30. Leggi file Visualizza segnali Selezione porzioni da analizzare Segmentare in sottofinestre (30s) Detrend – tapering Calcolo spettri FFT SMOOTHING spettri (lisciatura), regolarizzazione Calcolo H/V = (o H1/V e H2/V) Statistica sottofinestre SNS2+SEW2 SV ELABORAZIONE

31. H V H/V SMOOTHING: instabilità numerica del calcolo di H/V (quante volte hai diviso per zero?)

32. spessore = 23 m Correlazione Spessore - Frequenza spessore = 210 m spessore = 401 m INTERPRETAZIONE MAPPATURA: esempio colonia, 400 misure. Parolai et al., BBSA

33. INTERPRETAZIONE ESEMPIO: PORTO ISC2

35. DATO MISURATO f = 4.5Hz DATO MISURATO f = 4.5Hz H = 20 m  Vs= 360 m/s Vs= 200 m/s  H = 11 m H = 15 m  Vs= 270 m/s Vs= 250 m/s  H = 14 m H = 10 m  Vs= 180 m/s Vs= 300 m/s  H = 17 m

36. CURVA DISP E MODELLO DA SWM (+ CROSS HOLE) VS media = 290 m/s Fisso VS = 290 m/s H=VS/4f = 16m Fisso H = 19m VS=4f*H = 340m/s

37. INVERSIONE delle CURVE H/V Se ho misure accurate di H/V, e qualche vincolo (es: profondità) si può invertire per il profilo di Vs

38. Arai, H. and Tokimatsu, K. (1998). “Evaluation of local site effects based on microtremor H/V spectra,” Proc. the 2nd Intl. Conf. on the Effects of Surface Geology on Seismic Motion, Vol. 2, pp. 673-680.

39. CONCLUSIONI Velocità e ampiezze dei microtremori sono influenzati da stratigrafia (VS) Analisi di array consente stima di curve di dispersione fino a frequenze basse e grandi profondità Analisi di H/V consente di determinare frequenza propria dei siti Il contenuto dei microtremori (SH, R, ecc…) non consente di interpretare direttamente l’ampiezza massima come amplificazione Il periodo fondamentale, quando chiaramente individuato, contiene informazione su velocità media e spessore Molto potente per grandi aree, affidabilità per stima di Vs dipende da molti fattori