|
Importanta si
relevanta continutului stiintific:
|
1. Estimarea raspunsului local prin metoda rapoartelor spectrale
H/V - metoda Nakamura si metoda Sokolov
Experienta
cutremurelor distrugatoare recente, precum cele de la Guerrero Michoacan,
Mexic din 1985, Loma Prieta, California din 1994, sau Kobe, Japonia din
1995, a scos in evidenta influenta cruciala a conditiilor locale asupra miscarii
terenului din timpul cutremurelor. Amplificarea miscarii terenului cu un
factor mai mare de 10 a fost masurata in mai multe amplasamente cu soluri
slab consolidate din lume (Boatwright et al. 1991, Lermo and Chavez-Garcia
1994). De asemenea s-a constatat că, variatia miscarii terenului poate
fi semnificativa pe distante foarte scurte (Boatwright et al. 1991).
Fenomenul
care sta la baza amplificarii miscarii terenului in zonele cu sedimente
slab consolidate este reprezentat de captarea undelor seismice datorata
contrastului de impedanta acustica dintre sedimente si roca de baza de
dedesubt. In cazul unei structuri stratificate orizontal (structura 1D),
aceasta “prindere in capcana”
afecteaza numai undele de volum care se propaga multiplu in stratele
de suprafata. Atunci cand sedimentele de la suprafata formeaza structuri 2D
sau 3D, adica, atunci cand sunt prezente neomogenitati laterale precum
variatii ale grosimii sedimentelor, sunt afectate si undele de suprafata
dezvoltate pe aceste neomogenitati. Interferenta acestor unde captate
conduce la rezonante, ale caror forme si frecvente sunt legate de
caracteristicile geometrice si mecanice ale structurii.
Raspunsul
local, sau amplificarea specifica locala a miscarii terenului, este o
componenta fundamentala in evaluarea hazardului seismic. Astfel, numeroase
metode de determinare a raspunsului local au fost popuse si aplicate in
diverse arii ale globului. Aceste metode au la baza diverse tipuri de date:
observatii macroseismice, masuratori de zgomot seismic, date provenite de
la cutremure mici si moderate si nu in ultimul rand, accelerogramele
cutremurelor puternice.
Metoda
Nakamura
Una dintre
cele mai populare metode de estimare a raspunsului local din date de zgomot
seismic este metoda Nakamura sau raportul H/V (Nakamura, 1989). Aceasta
metoda consta in determinarea raportului dintre spectrele Fourier ale
componentelor orizontale si spectrul Fourier al componentei verticale
obtinute pentru zgomotul seismic. Ulterior metoda a fost modificata si aplicata,
pentru prima data de Lermo si Chavez-Garcia (1994), la cutremure slabe si
puternice. Numeroase studii efectuate au aratat ca, in cazul
amplasamentelor slab consolidate, rapoartele H/V prezinta un varf clar care
se coreleaza foarte bine cu frecventa fundamentala de rezonanta a
sedimentelor, atunci cand intre sedimente si formatiunile pe care acestea
sunt asezate exista un contrast puternic de impedanta (Figura 1). Desi
posibilitatea acestei metode de a pune in evidenta frecventele fundamentale
de rezonanta ale sedimentelor este unanim recunoscuta, in ceea ce priveste
relatia dintre amplitudinea varfului H/V si amplificarea amplasamentului
exista inca numeroase controverse. In timp ce Field si Jacob (1993), Lachet
si Bard (1994) si Lermo si Chavez-Garcia (1994) au aratat ca amplitudinea
acestui varf nu se coreleaza bine cu amplificarea undei S la frecventa de
rezonanta a amplasamentului, Konno si Ohmachi (1998), pe baza unei
comparatii intre varfurile H/V observate si estimarile numerice ale
functiilor de transfer 1D ale amplasamentelor, au gasit o corelatie medie
de unu-la-unu. De asemenea, Ibs-von Seht et al. (1999) a aratat ca metoda
Nakamura poate fi utilizata cu succes in determinarea grosimii straturilor
sedimentare, iar Fah et al. (2001) au utilizat rapoartele spectrale H/V la
inversia structurii locale de viteze pentru undele S.
Figura 1.
Estimarea raspunsului local pentru un amplasament din Israel prin metoda
Nakamura
Metoda
Sokolov
 Una dintre cele mai mari provocari in
estimarea raspunsului local din inregistrarile cutremurelor si ale
exploziilor este inlaturarea efectelor sursei si traseului de propagare. In
acest scop au fost propuse mai multe metode. Acestea se pot imparti in doua
mari categorii: metode ce necesita un amplasament de referinta in raport cu
care sunt estimate efectele in alte amplasamente si metode care nu necesita
o asemenea “referinta”.
Procedura cea
mai comuna consta in compararea inregistrarilor in amplasamente vecine
(efectele sursei si ale traseului de propagare sunt considerate a fi
identice) prin intermediul rapoartelor spectrale. Aceste rapoarte
constituie o estimare rezonabila a raspunsului local in cazul in care
structura in amplasamentul de referinta este caracterizata printr-un
raspuns fara efecte locale, adica atunci cand statia de referinta este
amplasata pe roca de baza. O alta conditie cere ca amplasamentul sa fie
situat suficient de aproape de statia studiata pentru a asigura ca
diferentele intre fiecare amplasament sa fie datorate doar conditiilor
locale, si nu radiatiei sursei si drumului parcurs. In practica, aceste
doua conditii pot fi destul de restrictive in alegerea unei “referinte”.
Astfel,
Sokolov (1998) a propus o metoda de estimare a caracteristicilor
raspunsului local independenta de un amplasament de referinta, metoda
intitulata “Very Hard Rock” (VHR). Aceasta noua abordare consta in
calcularea rapoartelor spectrale intre spectrele inregistrarilor
cutremurelor (componentele orizontale) si cele modelate pentru un
amplasament ipotetic foarte tare (VHR). Prin utilizarea unui numar cat mai
mare de evenimente cu marimi, adancimi ale sursei si azimuturi diferite
efectele mecanismului focal si de directivitate pot fi eliminate. Aceasta
abordare a fost aplicata pentru evaluarea caracteristicilor amplificarii spectrale
pentru diverse amplasamente din bazinul Taipei (Sokolov and Jean., 2002) si
pentru o caracterizare generalizata a conditiilor locale in Romania
(Sokolov et al., 2004).
Aplicand
aceste metode de studiu ale efectelor seismice locale pentru Municipiul
Bucuresti se va incerca o exprimare cantitativa a microzonarii seismice
atat in functie de semnalul inregistrat de zgomot seismic, cat si semanle
inregistrate local la cutremure moderate si puternice.
2.
Modelarea liniara a principalelor zone seismice din Bucuresti utilizand
date inregistrate in situ
In aria
Bucurestiului exista 12 gauri de sonda cu masuratori sesmice si geotehnice
efectuate de catre INCDFP in cadrul unor proiecte de cercetare si sute de
gauri de sonda geotehnice, fara informatii geofizice, aflate in
administrarea diferitelor institutii publice sau agenti economici.
Setul de date
existent este neomogen si insuficient si nu permite modelarea realista a
comportamentului seismic al solului. Un set nou si complet de masuratori
ale vitezelor undelor de forfecare (Vs), cuplat cu date noi despre
densitatile specifice ale rocilor, va furniza o mult mai precisa informatie
despre raspunsul seismic al stratelor sedimentare. De aceea, este nevoie de
o informatie mult mai buna si mai bine distribuita in spatiu despre
proprietatile geotehnice si elastice ce caracterizeaza stratele geologice
in primii 50 de m adancime. Aceste proprietati vor fi utilizate pentru a
descrie comportarea dinamica a stratelor sedimentare in timpul
evenimentelor seismice utilizand metode liniare si neliniare.
Un proiect
nou NATO-Stiinta pentru Pace
a fost aprobat si este in curs de executie pentru a raspunde acestei
necesitati (Proiect nr.: PDD SFP 981882):
„Analiza
efectelor locale pentru metropola Bucuresti, Romania, zona periclitata de
cutremure „
Acest proiect
este realizat in parteneriat de catre Institutul National de Cercetare
Dezvoltare pentru Fizica Pamantului (INCDFP) si Universitatea din
Karlsruhe, Germania (GEOK), si cei 2 parteneri vor avea acces egal si vor
valorifica impreuna rezultatele proiectului.
Gradul de noutate si complexitate al
proiectului.
Proiectul
abordeaza pentru prima data legatura exprimata cantitativ intre „efectul
local” al terenului, care este exprimat prin amplificarea locala a pachetului
de strate sedimentare in cazul unui cutremur, geologia locala , precum si proprietatile
geofizice ale straturilor sedimentare masurate in „situ” (Vp ; Vs;
densitate). In cadrul proiectului international NATO SfP aceste proprietati
vor fi masurate direct in 10 locatii din Bucuresti si vor fi adaugate unei
baze de date largite, incluzand datele geofizice achizitionate anterior.
Prin utilizarea acestei baze de date, valorile mediate si ponderate vor
putea fi atribuite (transportate) in alte locatii din zona Bucuresti, unde
este cunoscuta doar geologia locala din foraje geotehnice. In acest fel
este posibila evaluarea ponderii efectelor locale, exprimata prin raspunsul
spectral in acceleratii la diferite perioade critice pe aria Municipiului
Bucuresti.
3. Functia
de timp a sursei seismice si efectele de proagare prin structura geologica
modelata
Intrucât
semnalul înregistrat la suprafaţa Pământului este rezultatul
efectelor de sursă şi propagare, o problemă
fundamentală pentru studiile de structură o constituie separarea
efectelor de sursă şi propagare din semnalul observat. Acest
lucru se realizează eficient prin tehnici de analiză relative,
care se aplică la perechi de cutremure localizate aproximativ în
acelaşi loc şi înregistrate de aceleaşi staţii seismice
(cutremurul mai mic poate fi considerat funcţie Green empirică
pentru traseul focar – staţie). Prin deconvoluarea funcţiei Green
empirice din seismograma cutremurului mai mare se obţine funcţia
de timp a sursei, care în continuare poate fi utilizată pentru
evaluarea efectelor de propagare. In domeniul frecvenţă,
deconvoluţia se obţine prin rapoarte spectrale şi permite
estimarea simultană a parmetrilor de sursă pentru ambele
cutremure dintr-o pereche dată. Metoda rapoartelor spectrale şi
deconvoluţia cu funcţii Green empirice a fost aplicată în
diferite zone seismice ale Globului (Mueller, 1985; Frankel et al., 1986,
Mori şi Frankel, 1990; Hough et al., 1989; Lindley, 1994) inclusiv în
România (Popa si Radulian, 2000 ; Popescu et al., 2003).
Studiile de structură pe
baza datelor seismice au folosit dispersia undelor de suprafaţă,
funcţiile de recepţie din modelarea undelor de volum, tomografia
seismică, inversia timpilor de sosire. S-au utilizat atât
reţelele de staţii permanente, cât şi cele temporare.
Rezoluţia imaginii structurale depinde direct de calitatea
înregistrărilor şi de densitatea punctelor de măsură.
In ultimul timp s-au dezvoltat tehnici avansate de procesare şi
interpretare a semnalelor înregistrate la cutremure bazate pe analize de
tip multisemnal (‚beamforming’, analiza f-k, rapoarte spectrale,
autocorelaţii, cepstrum) care permit creşterea raportului
semnal/zgomot, detectarea fazelor multiple, detectarea unor procese sau
efecte la scară mică, etc. Tehnicile multisemnal au fost dezvoltate
pentru sisteme de înregistrare de tip ‘array’, care sunt mult mai eficiente
în extragerea semnalului "util” comparativ cu reţelele seismice
obişnuite. Tehnicile se bazează pe corelarea şi însumarea
multiplă a semnalelor. Principiul metodei este simplu: semnalele
legate de sursă şi structură sunt coerente, în timp ce
zgomotul ambiental are caracter aleator şi incoerent, eliminându-se
astfel în mare parte prin procesul de însumare.
4.
Modelarea neliniara a raspunsului seismic
Modelarea
liniară a răspunsului seismic a fost aproape universal
folosită în seismologie pentru a descrie sau explica efectele
cutremurelor fie ele slabe sau puternice. Experienţa acumulată
(Marmureanu et al,1996,1999,2000,2005) în domeniu dovedeşte că
mişcarea seismică generată de teleseisme şi cutremure
slabe este foarte bine modelată folosind această
aproximaţie, însă pentru cazul cutremurelor puternice, mai ales
când acestea se înregistrează pe soluri „moi” trebuie neapărat
luată în considerare comportarea neliniară a acestora. Testele de
laborator arată clar reducerea modulului de torsiune G şi
creşterea amortizării D odată cu creşterea
deformaţiei g, aceste mărimi fiind în
conexiune directă cu propagarea undelor de forfecare generate de
mişcarea seismică şi nu au valori staţionare
(constante) pe durata excitaţiei seismice. Neliniaritatea
răspunsului seismic provine din suprapunerea efectelor a două
fenomene: primul legat de generarea undelor seismice, fenomen care se poate
descrie prin încărcări ciclice ale materialelor care
alcătuiesc straturile geologice şi în care se manifestă
dependenţele G=G(g) şi D=D(g) chiar şi în câmp deschis, iar cel de-al
doilea este legat de interacţia sol-structură fiind asociat cu
deformaţiile permanente ale pământului induse de vibraţiile
structurilor (clădirilor) construite pe amplasamentul respectiv. Rolul
structurii geologice superficiale este unul de filtrare a
mişcării seismice a cărei amplitudine poate să
crească în anumite domenii de frecvenţă şi concomitent să scadă în
alt domeniu de frecvenţă. Undele seismice transversale S induse
în structura locală de cutremurele puternice pot produce
deformaţii torsionale relativ
mari, de ordinul g@10-3 cazuri în care comportamentul neliniar al
depozitelor sedimentare trebuie neapărat luat în considerare la
evaluarea răspunsului seismic local şi în studiile de microzonare
seismică. De aceea, in ultima etapa a prezentului proiect ne vom
concentra eforturile asupra studiului neliniaritatilor induse de seismele
puternice vrancene in miscarea seismica locala si aplicarea modelarilor neliniare in evaluarea
hazardului seismic local.
Proiectul
îşi propune urmatoarele obiective:
1. Modelarea
structurilor de suprafata reprezinata prima etapa in cadrul acestui
proiect. Cunoasterea geologiei
locale constituie informatia indispensabila in orice analiza de raspuns
local. In acest scop se va realiza o caracterizare detaliata din punct de
vedere geologic a amplasamentelor statiilor seismice, vor fi
incorporate informatiile referitoare
la grosimile stratelor, la vitezele de propagare ale undelor de forfecare
prin strat si la densitatile rocilor din strat.
2. Obtinerea
unui set de date format din inregistrarile de banda larga si de scurta
perioada ale cutremurelor de adancime intermediara din zona Vrancea si din inregistrarile
de zgomot seismic. In aceasta etapa se vor face corectiile de instrument
pentru seismogramele inregistrate si se vor selecta ferestrele de timp ale
undelor S cu un raport semnal/zgomot suficient de mare. Aplicatie pentru zona Bucurestiului.
3. Pe baza setului de date de zgomot seismic selectat se vor
determina perioadele fundamentale de rezonanta ale amplasamentelor si
functiile de amplificare ale acestora prin metoda raportului spectral H/V
(metoda Nakamura). De
asemenea, se vor determina si amplificarile terenului din datele provenite
de la cutremurele vrancene prin metoda VHR.
Rezultatele obtinute vor fi comparate cu cele determinate din
analizele numerice 1D efectuate pentru amplasamentele statiilor seismice si
corelate cu conditiile geologice locale. Aplicatie pentru Bucuresti.
4. Utilizand
tehnicile de tip multisemnal, metoda rapoartelor spectrale şi
deconvoluţia cu funcţii Green empirice, se va determina atenuarea
undelor seismice pe aliniamentul Vrancea (Vrancioaia) – Bucuresti. Rezultatele
obţinute vor fi interpretate în lumina modelelor tectonice recente si
a conditiilor geologice locale si vor fi comparate cu rezultatele obtinute
din analiza zgomotului seismic
5.
Rezultatele asteptate ale
proiectului si beneficiile preconizate
Prezentul proiect are ca obiectiv
principal stabilirea unei metodologii unificate pentru evaluarea factorilor
responsabili pentru efectul seismic local, cu aplicatii directe in zona
Municipiului Bucuresti, ca si in alte orase din Romania supuse riscului de
aparitie al unor seisme distrugatoare.
Sinteza
etapelor prezentate va fi facuta prin baze de date folosite ca date de
intrare pentru programe GIS si prin prezentarea unor harti:
-
harta cu perioadele principale de oscilatie ale solului din aria
Municipiului Bucuresti;
-
harta cu principalele strate sedimentare de suprafata din Bucuresti;
-
harti cu raspunsul spectral in acceleratii pentru principalele perioade
de oscilatie ale solului in Bucuresti.
Aceste
harti vor avea aplicatii imediate si importante asupra imbunatatirii
microzonarii seismice a Municipiului Bucuresti.
6. Evaluarea
efectelor seismice locale luand in considerare caracteristicile sursei,
atenuarea energiei seimice pe parcursul Vrancea-Bucuresti si comportamentul
neliniar al solurilor din structura geologica locala : folosind
caracteristicile surselor seismice cunoscute si a informatiilor
geologice/geotehnice detinute despre mediul de propagare, inclusiv
atenuarea undelor seismice, se va calcula inputul seimic specific
amplasamentului de interes.si apoi se va trece la modelarea
comportamentului seismic al structurii geologice locale aplicand modele
vascoelastice , liniare/neliniare pana la obtinerea celei mai bune
concordante cu inregistrarile de seisme disponibile. Modelul obtinut in
acest fel se poate aplica pentru evaluarea efectelor induse de structura
locala (determinarea functiilor de transfer) nu numai la seisme trecute dar
si la cele asteptate pentru amplasamentul respectiv.
7. Inainte de
a utiliza in calculul hazardului seismic modelele de amplificare locala,
este necesar sa se verifice capacitatea acestor modele de a prezice
parametrii miscarii terenului (acceleratia maxima) dependenti de
amplasament. In acest scop, obiectivul final al acestui proiect este
compararea caracteristicilor observate ale miscarii terenului cu cele
modelate pentru amplasament in care exista inregistrari ale cutremurelor
vrancene moderate si puternice (ex. Cutremurul din 27.10.2004, Mw=6).
|
