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Telerilevamento prossimale e sismologia "locale" – INGV Parte III (tecniche arry) Arrigo Caserta INGV Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

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Presentazione sul tema: "Telerilevamento prossimale e sismologia "locale" – INGV Parte III (tecniche arry) Arrigo Caserta INGV Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia"— Transcript della presentazione:

1 Telerilevamento prossimale e sismologia "locale" – INGV Parte III (tecniche arry) Arrigo Caserta INGV Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

2 Definizione di Array sismici: cluster di stazioni sismiche sincronizzate, posizionate sufficientemente vicino nello spazio (in geometrie 1D o 2D o 3D) in modo da poter correlare le forme d ’ onda fra sensori adiacenti Permettono di ricavare informazioni: sulla velocità e direzione di propagazione del segnale Array possono lavorare sia con: sorgenti attive (shots, vibroseis, massa battente, terremoti …) che passive (seismic noise).

3 Array technique: basic principle for deriving the local site structure Velocity profile Spectral ratio (H/V) Frequency H/V technique: basic principle Fourier spectra Frequency Fourier spectra Frequency Horizontal component Vertical component Dispersion curves i ) Piu ’ stazioni (problemi legati alla strumentazione, alla sincronizzazione, alla geometria, maggior tempo di installazione ….) ii) Tecniche di analisi più complicate (non si riduce ad un rapporto spettrale …) iii) Problemi legati all ’ inversione Principali differenze fra le due tecniche:

4 array measurements allow retrieving dispersion curves of surface waves soil structure is horizontally stratified ambient vibrations are predominantly made of surface waves (Tokimatsu, 1995)

5 ADVANTAGES easily applied in urban areas allows deep soil investigations (hundred meters) cheap & fast Horike 1985, Scherbaum et al Attractive in site effect assessment Little work was been done on its reliability to obtain correct estimate of dispersion curves SESAME European Commission – Research General Directorate Project No. EVG1-CT It is a major issue as the Vs structure is obtained from the inversion of these dispersion curves.

6 Uncertainties on the Vs values are directly linked to errors on the phase velocity values frequency range on which the dispersion curve is retrieved. MAIN SESAME PORPOUSE to provide recommendations to enable high- quality dispersion curve estimates deliverables D18.06-Wp, D19.06-Wp and D24.13-Wp EASY TO MISINTEPRET The derived Vs profiles have to be validated as much as possible by other geophysical or geological data.

7 Frequency- Wavenumber Power Spectrum estimators Beamformer in time domain (delay-and-sum) High Resolution frequency domain Conventional Beamformer in frequency domain R(w) spatiospectral correlation matrix e(k) steering vector w(k,ω)=1 Eigen analysis method (MUSIC) Formules from: Advanced signal processing methods applied to engineering analysis of seismic surface waves Spatial auto-correlation analysis Aki 1957, Space and time spectra of stationary stochastic waves, with special reference to microtremors

8 Schema base delle tecniche array basate sul rumore sismico (in genere array 2D) - Misurare le vibrazioni sismiche per mezzo di un cluster di stazioni sismiche sincronizzate (array) arrangiate in maniera ottimale sulla superficie - Stima della curva di dispersione apparente delle onde superficiali (e/o curve di correlazione) che sono direttamente legate alla struttura della terra - inversione della curva di dispersione (e/o curve di correlazioni) per stimare la struttura del suolo [Vs(z)] al di sotto dell ’ array Tecniche FK misurano un time-delay e lavorano in genere su una o poche sorgenti Tecniche SPAC (ESAC) misurano la coerenza nello spazio delle forme d ’ onda e assumono sorgenti noncorrelate distribuite random nello spazio e nel tempo

9 Geophys. J. Int. (2006) 165, 223–235 doi: /j X x “ VS30 mapping and soil classification for seismic site effect evaluation in Dinar region, SW Turkey “ by Kanlı et al. Schema base delle tecniche array basate su sorgenti attive (i.e. MASW, in genere 1D)

10 Tratto dalla presentazione di D. Albarello ‘ Prove geofisiche ’, Univ. dell ’ Aquila, 1-4 Marzo 2010

11 Mezzo Non dispersivo Velocità crescente con la profondità Velocità decrescente con la profondità Tratto dalla presentazione di D. Albarello ‘ Prove geofisiche ’, Univ. dell ’ Aquila, 1-4 Marzo 2010

12 M. Ohrnberger with contributions of geopsy team Low frequency: From ambient noise High frequency ( about > 10 Hz) : From active source

13 Ipotesi (sorgenti passive) Il rumore sismico è composto da onde di superficie che si propagano in maniera random Il rumore sismico nel piano verticale del moto è costituito in maniera predominante da onde di Rayleigh, mentre il piano orizzontale include sia onde di Rayleigh che di Love in proporzione variabile Il campo d ’ onda è composto da onde di superficie che si propagano secondo la direzione sorgente- stendimento Il campo d ’ onda nel piano verticale del moto è costituito in maniera predominante da onde di Rayleigh generate dalla sorgente attiva Ipotesi (sorgenti attive)

14 Nuclear explosion (Nevada Test Site, , mb = 5.6) recorded at Gräfenberg array P onset

15 Time differences: information about direction and incidence angle v o i o sin  = v hor apparent horizontal velocity incidence angle The slowness vector points into the direction of wave propa- gation. Its modulus is the reciprocal of the wave speed. s Slowness Vector: Definition

16 Beam forming (time domain) determination of slowness and azimuth to maximize the beam (uncorrelated noise is suppressed)

17 Search for different values of slowness and azimuth in order to maximize the beampower (GridSearch Technique) Beam forming

18 Caso di due sorgenti f-k techniques M. Ohrnberger with contributions of geopsy team

19 MSPAC Assumption: waves stationary in space and time From geopsy team Aki 1957, Space and time spectra of stationary stochastic waves, with special reference to microtremors

20 MSPAC From geopsy team

21 Tecniche array: Punti delicati Natura del segnale (ipotesi di partenza) Geometria dell ’ array (numero stazioni e posizioni relative) Inversione (riconoscimento modi, parametrizzazione dello spazio, problema non lineare e non unico) Tecniche di analisi (fk, hrfk, mspac, music, ReMi, …)

22 The array reponse function is computed on a regular cartesian grid in the wavenumber domain K : Here, r i is the position vector of sensor i in a cartesian coordinate system, j the imaginary unit and K 0 the true wavenumber vector of a single plane wave. Geometry La risposta teorica dell ’ array dipende dalla geometria AR(K) = 1/N   i  p cos (k  r ip )

23 optimal geometry regarding the resolution limits and spatial aliasing effects. in the field of earthquake, are designed for body wave detection random wavefield caused by nearby superficial sources Spatial Aliasing λ max =3d ij max λ min /2 ≥ d ij min Depth ~ 1-2 d ij max (Tokimatsu, 1997)

24 K max K min k min k max f (Hz) Slowness (s/m) Velocità strati più superficiali Velocità strati più profondi f1f1 f2f2 Mancanza di risoluzione (legato al k min ) Aliasing (legato al K max )

25 Array transfer function is periodic, with interstation distance d min the sidelobes peaks appear at K max = 2pig/ d min and the width of main lobe is K min = 2pig/ ( (N-1) d min ) = 2pig/ d max Linear array Kmax Kmin M. Ohrnberger with contributions of geopsy team

26 f (Hz) Slowness (s/m) Velocità strati più superficiali Velocità strati più profondi f1f1 f2f2 Mancanza di risoluzione (legato al k min ) Aliasing (legato al K max ) Array Transfer Function (array 2D) k min k max

27 5 receivers at d min 125 m (d max 500 m)5 receivers at d min 25 m (d max 100 m) 15 receivers at d min 25 m (d max 350 m) From geopsy team

28 Wathelet, M et al. (2008). Journal of Seismology, 12, 1-19 I due cerchi (seconda colonna) delimitano il dominio ottimale (curva nera in terza colonna) per evitare fenomeni di aliasing

29 Limits of array geometry λ min = 2 pig/K max > 2d min λ max = 2 pig/K min ~ D max Slowness resolution (1/width of main lobe):aperture Stopband suppression:Number of seismometers Mainlobe/sidelobe distance:1/Seismometer distance directional sensitivity: array geometry Array performance: Controlling factors

30 d = G · mProblema di inversione m d G -1 da S. Foti, 2000 Incognite: Vs i H i Vp i rho i S. Foti, Ph. D., 2000, Politecnico di Torino, “ Multistation Methods for Geotechnical Characterization using Surface Waves ”

31 d = G · mProblema di inversione S. Foti, Ph. D., 2000, Politecnico di Torino, “ Multistation Methods for Geotechnical Characterization using Surface Waves ”

32 Exploration of the parameter space From geopsy team,

33 NA (voronoi cells)

34 J. Xia et al., Journal of Applied Geophysics 52 (2003) 45–57

35 Bacino di Colfiorito : geometria Geometria nota da: Profili elettrici e sismici Pozzi Sediments thickness [m] A B C E A, B, E = 12 stazioni C = 24 stazioni Configurazione array A, B, E Configurazione array C

36 500 m Inversione della curva di dispersione Gli H/V di tutte le stazioni dell ’ array mostrano una forma simile, si puo ’ dedurre di essere in una situazione 1D Gli H/V di tutte le stazioni dell ’ array mostrano una forma dissimile, Effetti di risonanza 2D/3D?? Array C 1.5 Hz Esempio di risultato dall ’ inversione della curva di dispersione misurata (circoli neri). I modelli ottenuti dall ’ inversione sono rappresentati in tonalità di grigio. La curva nera indica la misura Vs da down-hole. Array B 1.5 Hz

37 Non negligeable proportion of Love waves Relative proportion between Rayleigh and Love waves ? Nature of noise wavefield

38 Avezzano (layout of the 2D array) 14 stazioni; sampling 250 Hz; registrazione in contemporanea circa 90 minuti; apertura max ~ 1 Km;

39 Avezzano (risultati da inversione) Vs30 = 199 m/s Class C surface dispersionautocorrelation curvesellipticities f0_ell = 0.73 Hz Vs160 = 390 m/s

40 Borgo8000 (layout of the array 2D) 14 stazioni; sampling 250 Hz; registrazione in contemporanea circa 90 minuti; apertura max ~ 1 Km;

41 Borgo8000 (risultati da inversione) Vs30 = 90 m/s Class D or S1 ? surface dispersion ellipticities f0_ell = 0.29 Hz Vs300 = 250 m/s Vs ottenute mediante prove Crosshole e Sasw (AGI 1997)

42 Rieti (array layout) Array lineare (attiva e passiva) Spaziatura 2 m, 72 geofoni 4.5 Hz + Array 2D

43 Rieti (confronto array 1D e array 2D) Active source (array lineare) Forward shots (offset 40 mt) Passive source (array lineare) Ducato source (array lineare) Array 2D Noise Analysis

44 Confronto curve di dispersione Rieti (confronto array 1D e array 2D)

45 Rieti (risultati da inversione) Vs30 = 170 m/s Class C Array 1D di geofoni Array 2D surface dispersionautocorrelation curvesellipticities f0_ell = 0.7 Hz Vs200 = 390 m/s

46 Dicomano (risultati da inversione) Array lineare 72 canali (sorgente attiva) Sito stiff (soil class A) Vs30 ~ 1000 m/s

47 Conclusioni Tecniche array Vs(z) può risultare accettabile quando la situazione è semplice e 1D (a scala dell’array) e nel campo d’onda predominano le onde superficiali (correttamente misurate e identificate) di più difficile applicazione quando occorrono effetti 2D/3D tenere conto di eventuali modi che non siano fondamentali, e della proporzione fra onde di Rayleigh e Love nel piano orizzontale Si passa sempre per un inversione (problema nonlineare e nonunico) !!


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