|
A.
Modelarea raspunsului local din metoda rapoartelor spectrale (metoda
Nakamura si metoda Sokolov)
In cadrul acestui proiect ne propunem
determinarea raspunsului local in termenii amplificarii locale dependente
de frecventa pentru accelerometrele digitale amplasate pe teritoriul
Bucurestiului, utilizand diverse tehnici de analiza moderne ce au ca date
de intrare atat date de zgomot seismic cat si date provenite de la
cutremurele vrancene intermediare. Integrarea si valorificarea acestora cu
rezultatele obtinute prin aplicarea tehnicilor de analiza numerica intr-un model unitar pentru Bucuresti, ne
permite sa consideram ca acest proiect reprezinta o premiera pe plan
national.
Una dintre cele mai populare
si mai des utilizate metode de estimare a raspunsului local din date de
zgomot seismic este metoda Nakamura sau raportul H/V (Nakamura, 1989).
Aceasta metoda are la baza urmatoarele presupuneri:
1. zgomotul seismic este generat atat de
reflexia si refractia undelor de forfecare in straturile de suprafata cat
si de undele de suprafata care se propaga in aceste straturi;
2. miscarile verticale nu sunt afectate
de straturile superficiale slab consolidate;
3. zgomotul seismic este provocat de
surse locale de suprafata si nu are contributii de la sursele adanci.
Pentru calcularea
rapoartelor H/V se vor aplica doua metode. In metoda clasica analiza se va face in
domeniul frecventa, si va consta in:
·
selectarea ferestrelor de zgomot care sa contina semnalul util.
Ferestrele vor fi de cate 20 secunde fiecare si vor fi selectate atat pe
perioada de zi cat si pe perioada de noapte;
·
calcularea
a 6 transformate Fourier pe intervale deplasate in timp pentru fiecare
componenta a zgomotului seismic;
·
calcularea
transformatei Fourier medii pe fiecare componenta si apoi calcularea
spectrului mediu pentru cele 2 componente orizontale;
·
calcularea raportului intre spectrul mediu orizontal rezultant si
spectrul componentei verticale (raportul H/V);
·
calcularea raportului H/V mediu pentru fiecare statie.
Pentru a obtine o
reprezentare cat mai buna a raspunsului local determinat prin metoda
Nakamura, vom evalua nivelele de amplificare locala (functia de transfer a
amplasamentului) prin modelarea structurii de suprafata si calcularea
functiei de transfer analitice. Acest calcul necesita modele 1D ale
stratelor sedimentare suprapuse peste un mediu semi-infint. Parametrii
modelului 1D vor fi constransi din informatiile geologice si geotehnice
disponibile, iar functia analitica calculata care va fi in mod sistematic
similara ca forma cu functia determinata din rapoartele H/V, va reprezenta
functia de transfer a amplasamentului.
Pentru determinarea
raspunsului local din date de cutremur este propusa o metoda recent
elaborata: metoda VHR (Sokolov, 1998). El a propus utlizarea unui model
spectral intitulat "Very Hard Rock" (VHR) pentru estimarea
caracteristicilor raspunsului local sub forma amplificarii dependente de frecventa
(rapoarte spectrale). Metoda
consta din calcularea rapoartelor spectrale intre spectrele inregistrarilor
seismice (componentele orizontale) si cele calculate pentru un amplasament
ipotetic VHR.
Metodologia de lucru va
consta in:
·
selectarea ferestrelor de timp de 10 secunde care sa contina unda S;
·
calcularea spectrelor Fourier de amplitudine ale componentelor
orizontale pentru ferestrele de timp selectate;
·
determinarea spectrelor de amplitudine Fourier modelate pentru un
amplasament „Very Hard Rock”;
·
determinarea rapoartelor
spectrale intre spectrele componentelor orizontale si cele modelate;
·
calcularea
raportului spectral mediu pentru fiecare statie.
Pe baza setului de date
de zgomot seismic selectat se vor determina pentru zona Municipiului
Bucuresti perioadele fundamentale de rezonanta ale amplasamentelor si
functiile de amplificare ale acestora prin metoda raportului spectral H/V
(metoda Nakamura); 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.
B.
Modelarea raspunsului seismic local folosind metoda echivalent
liniara.
Date de intrare
necesare si prelucarea cu programe specifice
Parametrii statici ai solului
necesari in analizele 1D de raspuns efectuate cu programe de tip SHAKE
sunt: viteza undei de forfecare maxima sau modulul de forfecare maxim si
greutatea specifica a rocii.
Deoarece analizele explica comportamentul
neliniar al solurilor utilizand o procedura iterativa, proprietatile
dinamice ale solului joaca un rol important. Curbele de reducere a
modulului de forfecare si curbele de amortizare sunt de obicei obtinute din
teste de laborator (teste ciclice triaxiale). Intrucat variatia in
proprietatile geotehnice ale stratelor individuale sunt aproape imposibil
de modelat din cauza lipsei datelor de masura, aceste proprietati trebuie
considerate constante pentru fiecare strat sedimentar definit. In programe
de tip SHAKE sunt folosite curbe de reducere a modulului de forfecare si
curbe de amortizare predefinite pe baza unor teste geotehnice publicate. Un
studiu recent (Aldea si Arion, 2001) arata ca, curbele de reducere a
modulului de forfecare si curbele de amortizare calculate pentru probele
obtinute la gaura de sonda GEOTEC 3 (amplasamentul INCERC) au valorile in
acelasi domeniu cu cele prezentate de Vutecic si Dobry, 1991 si
implementate in programul PROSHAKE.
Ca date de intrare sunt
folosite vitezele undelor de fofecare Vs (in m/s), precum si greutatea
specifica (in kN/m3) si grosimea fiecarui strat (in m).
Miscarea terenului poate fi un anumit eveniment istoric
ce a fost inregistrat in zona, cu scopul de a reflecta caracteristicile pe
care le-ar avea cand ar ajunge la amplasament. Seismograma ar trebui sa fie
inregistrata de un seismometru aflat pe roca de baza, deoarece simularea
presupune un semnal de intrare de la roca de baza la suprafata. In absenta
unei roci de baza care sa afloreze in zona Bucurestiului va fi utilizat ca
semnal de intrare o inregistrare seismica efectuata in gaura de sonda la
100 m adancime. Semnalul seismic este considerat acelasi pentru intreaga
zona de studiu.
In timpul proiectului URS (URban
Seismology – Seismologie Urbana) au fost achizitionate date de inalta
calitate in perioada octombrie 2003 – august 2004. In cadrul acestui
proiect 32 de statii de banda larga amplasate in aria metropolitana a
Bucurestiului au inregistrat continuu (Ritter et al., 2005). In plus,
exista o retea de accelerometre digitale (reteaua K2) ce a fost modernizata
in ultimii ani si este operata de INCDFP.
De la aceste retele exista o baza de date importanta cu inregistrari
ale miscarii puternice ce pot fi utilizate si dintre care se pot alege
diferite miscari seismice ce pot fi
aplicate la roca de baza.
B1. Masuratori ale
vitezelor undelor seismice transversale
In cadrul proiectului NATO
Science for Peace SFP 981882 au fost 10 gauri de sonda, pana la 50 m
adancime, ce vor oferi informatiile necesare in zona Bucurestiului. Aceste
gauri de sonda vor fi amplasate langa statiile URS sau K2 ale INCDFP si vor
permite o comparare directa si calibrare cu masuratorile seismice. Cele mai
bune amplasamente sunt considerate acelea in care sunt instalate 2 statii,
una K2 si una URS. 6 din cele 10 gauri de sonda sunt localizate in astfel
de locuri, iar 2 dintre ele sunt amplasate in apropierea unor statii K2. De
asemenea, pozitiile celor 10 gauri de sonda propuse sunt ales astfel incat
sa umple golurile de informatii geofizice existente in special in partea
centrala a Bucurestiului. In caz ca pozitia unei gauri de sonda trebuie
schimbata din motive de acces in zona centrala, o noua locatie va fi
selectata tinand cont de criteriile de mai sus. Astfel, cele 10 foraje vor
oferi o informatie geologica noua precum si parametrii geotehnici si
dinamici ai stratelor sedimentare cuaternare.
Cele 10 gauri de sonda au
fost forate la 50 de m adancime, cu prelevarea continua a probelor de roca
si apoi tubate cu plastic, astfel incat vor permite masuratori “in-situ”
ale vitezelor undelor seismice.
Vitezele undelor P si S vor
fi masurate in fiecare gaura de sonda prin metoda seismica “down-hole” cu
un interval pentru senzori de 1 m.
Coordonatorul proiectului
propus si echipa sa sunt parte activa a acestui proiect international.
B2. Vor fi organizate seturi de date geologice si geotehnice pe
baza valorilor medii calculate pentru
sutele de foraje geotehnice aflate in administrarea SC METROUL SA.
Acestea vor fi organizate intr-o baza de date ce va reprezenta inputul
pentru un program tip GIS
(Geographic Information System) – ArcGis sau MapViewer.
B3. Echipa proiectului va utiliza aceasta informatie impreuna cu
masuratorile de viteza ale undelor P si S, si va furniza un set de date
actualizat si unic. Obiectivul principal este de a determina valorile
medii ponderate pentru cele 7 strate sedimentare principale din Bucuresti,
pentru a putea extrapola rezultatele si la alte amplasamente cu litologie
similara din Bucuresti.
B4. Modelarea echivalent liniara cu
ajutorul programului sau SHAKE2000 este o metoda des aplicata pe plan
international. Pentru modelare sunt necesare rezultatele masuratorilor de
Vs si testele de coloana rezonanta (necesare pentru determinarea
densitatii). Daca se cunosc vitezele Vs ale stratelor de sedimentare de
suprafata din Bucuresti, acestea pot fi folosite ca valori de referinta
pentru comportarea elastica a stratelor litologice si in alte gauri de
sonda din aria orasului Bucuresti. Modelul echivalent liniar va permite
estimarea raspunsului seismic al solului in diferite amplasamente
determinand intr-o prima faza caracteristicile principale ale efectelor
locale necesare obtinerii modelelor 1D ale amplificarii solului in amplasamentele
din Bucuresti.
B5. Microzonare: Datele obtinue la
punctul D vor fi utilizate in
etapele urmatoare pentru determinarea modelelor 2D (harti) ale spectrului
de raspuns in acceleratii la perioade specifice pentru aria Bucurestiului.
Va fi construita o harta geologica
de detaliu a Bucurestiului, precum si profile geologice pe directiile
principale in Bucuresti.
Rezultatele modelarii
liniare precum si rezultatele geologice vor fi implementate in programele
ArcInfo sau MapViewer pentru a realiza harta de microzonarea actualizata
pentru aria Bucurestiului.
C. Modelarea functiei de
timp a sursei seismice
Seismologia este o
ştiinţă în primul experimentală a cărei dezvoltare
depinde în mod esenţial de cantitatea şi calitatea
observaţiilor. Cutremurele sunt înregistrate la suprafaţa
Pământului ca urmare
propagării undelor seismice; nu putem avea acces direct în zona
focarului seismic, situat în general la adâncimi mai mari de 5 km. De aceea
pentru investigarea fenomenului seismic o problemă fundamentală
este regăsirea informaţiei din sursă prin analiza semnalelor
înregistrate la suprafaţa Pământului. Caracteristicile formelor
de undă observate sunt legate de proprietăţile spaţiale
ale structurii de sub zona investigată şi de
proprietăţile sursei care generează cutremurele în
această zonă.
In ultimul timp s-au
dezvoltat tehnici avansate de procesare şi interpretare a semnalelor
înregistrate la cutremure. Acestea se bazează pe tehnici 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., şi tehnici relative (rapoarte spectrale,
deconvoluţii cu funcţii Green empirice), care permit eliminarea unor
efecte de parcurs şi instrument şi regăsirea efectelor din
sursă. Tehnicile multisemnal au fost dezvoltate pentru sisteme de
înregistrare de tip ‘array’. Acestea diferă de reţelele seismice
obişnuite în special prin posibilităţile şi tehnicile
avansate de prelucrare şi analiză a datelor înregistrate, mult
mai eficiente în extragerea din seismograme a semnalului "util”.
Tehnicile se bazează pe corelarea în fază şi însumarea
multiplă a semnalelor, care conduce la îmbunătăţirea
raportului semnal/zgomot. Principiul metodei este unul simplu: semnalele
legate de sursă şi structură sunt coerente şi deci se
însumează, în timp ce zgomotul ambiental are caracter aleator şi
incoerent, eliminându-se astfel în mare parte prin procesul de însumare.
Determinarea structurii
locale şi a nivelului de zgomot care afectează amplasamentul
staţiei, este foarte importantă pentru evidenţierea
influenţei acestor condiţii asupra timpilor de sosire, vitezelor
de propagare a fazelor, amplitudinilor şi formelor de undă
înregistrate la cutremure regionale şi teleseismice.
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 foarte
eficient prin tehnici de analiză relative. Aceste tehnici se
aplică la perechi de cutremure localizate aproximativ în acelaşi
loc şi înregistrate de aceleaşi staţii seismice, de
mărimi diferite, cutremurul mai mic putând fi considerat drept
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 a fost dezvoltată relativ recent în seismologie şi a
fost aplicată într-o serie de zone seismice ale Globului (Mueller,
1985; Frankel et al., 1986, Mori şi Frankel, 1990; Hough et al., 1989;
Lindley, 1994) inclusiv în România (Popa and Radulian, 2000; Popescu et al.,
2003).
Structura litosferei
joacă un rol esenţial în modul de distribuire a energiei undelor
seismice la suprafaţa Pământului şi a modului în care un
cutremur este simţit. Ea se manifestă atât prin generarea fazelor
multiple (reflexii, refracţii, faze de adâncime, etc.), cât şi
prin efecte de amplificare sau atenuare a amplitudinii mişcării
înregistrate. Interpretarea adecvată a seismogramelor înregistrate de
reţele de staţii la diferite scări reprezintă
modalitatea cea mai precisă şi eficientă de determinare a
efectelor de structură. Tehnicile de analiză se referă la
detectarea şi analiza fazelor multiple pentru cutremure locale,
regionale sau teleseisme, precum şi la modelarea întregii forme de
undă.
Fazele multiple detectate în
seismogramele înregistrate la cutremure locale sau depărtate
oferă o informaţie preţioasă privind geometria şi
natura discontinuităţilor din crustă şi manta. Pentru
detectarea fazelor vom aplica tehnici moderne bazate pe analiza multisemnal
la staţii seismice de bandă largă. Acurateţea procedurii
este esenţială pentru gradul de constrângere şi
rezoluţie al structurii crustale sau subcrustale asociate. Tehnicile
de analiză a semnalului permit îmbunătăţirea raportului
semnal/zgomot şi optimizarea detecţiei prin analize
frecvenţă-număr de undă (analize f-k), descrise
iniţial de Capon (1969) şi dezvoltate ulterior pentru
analiza datelor înregistrate de instrumente de bandă largă
şi cu trei componente (Kvaerna şi Doornbos, 1986; Kvaerna
şi Ringdal, 1986). Analiza se bazează pe transformata Fourier
şi consideră că răspunsul senzorilor unui array este
rezultatul propagării unor fronturi de undă cu caracter omogen
aleator, astfel încât reprezentarea spectrală a acestora constă
în suprapunerea undelor propagate prin structură. Densitatea
spectrală de putere în domeniul frecvenţă-număr de
undă dă valoarea medie pătratică a amplitudinilor
acestor unde, informaţie deosebit de importantă în analiza
răspunsului unui array. Metoda f-k convenţională, de
estimare a acestei densităţi spectrale, utilizează o
fereastră fixă de număr de undă, iar rezoluţia sa
este determinată de modelul de “beam” (suma semnalelor înregistrate de
elementele array-ului şi corelate în fază). Rezoluţia
metodei creşte semnificativ în momentul când se foloseşte o
fereastră de număr de undă cu formă variabilă. Analiza f-k are la bază
determinarea vectorului viteză al unei unde seismice. Acest vector
poate fi descompus în două componente – încetinirea (“slowness”)
(reprezentând inversul vitezei aparente orizontale) şi azimutul invers
(azimutul staţie-eveniment), şi oferă deci informaţii
utile pentru localizarea şi caracterizarea fazelor semnalului. Analiza
f-k este o metodă standard de măsurare a celor două
componente, calculând simultan densitatea spectrală a puterii
semnalului pentru diferite încetiniri si direcţii de propagare.
Determinarea
variaţiilor proprietăţilor de atenuare pe
suprafaţă şi în adâncime se va face pe baza analizei
proprietăţilor undelor de volum P şi S, respectiv a primelor
sosiri. Funcţia de timp a sursei va fi determinată prin
deconvoluţie cu funcţii Green empirice. Atenuarea este măsurată de
creşterea duratei aparente a undei P sau S la staţie,
faţă de durata ruperii, dată de lăţimea
funcţiei de timp a sursei.
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.
D. Modelarea neliniara a
raspunsului seismic local
Modelarea neliniara a
răspunsului seismic local şi evaluarea efectelor seismice induse
în structura geologică locală de cutremurele puternice presupune:
- o etapă
privitoare la investigarea posibilelor surse seismice sau a
istoriei, a seismicităţii zonei sursei dacă acesta este
cunoscută - după cum este cazul zonei Vrancea - inclusiv studiul
mecanismelor determinate, alegerea mecanismului reprezentativ şi
parametrii de modelare a sursei seismice
- o etapă
privitoare la compilarea modelelor structurale rezultate din
cunoaşterea detaliată a geologiei şi
proprietăţilor geotehnice ale ariei investigate şi a
parcursului intermediar începând cu zona seismogenă Vrancea. In cadrul
acestor modelari un rol important apartine descrierii cat mai realiste a
fenomenului de atenuare a undelor seismice
- modelarea
structurior locale se va face folosind bazele de date rezultate in urma
unor proiecte nationale si colaborari internationale (proiecte CRC 461,
NATO SfP 981882) continand parametri geotehnici şi funcţiile
dinamice ale pământurilor determinate de INCDFP prin teste de
laborator, in situ sau folosirea unor curbe G=G(g), D=D(g) publicate şi recomandate pentru
tipurile de materiale conţinute în structura locală
- calcularea
inputului seismic, testarea influenţei alegerii nivelului
considerat „roca de bază”, verificarea completitudinii în
frecvenţe a semnalului introdus în structură se face prin
compararea spectrelor Fourier ale excitaţiei seismice calculată
sintetic cu cel putin o înregistrare de suprafaţă pentru site-ul
respectiv, chiar dacă nu este înregistrarea unui cutremur puternic
- Calculul
parametrilor ce redau comportamentul seismic al structurii locale:
acceleraţie la suprafaţă, viteza şi deplasarea
relative, istoria tensiunilor şi a deformaţiilor într-unul sau
mai multe straturi de interes, spectrul Fourier şi spectrele de
răspuns (cu factori de amortizare între 0 şi 20%) în termeni de
acceleraţie absolută, viteze şi deplasări relative.
Toate acestea se obţin prin folosirea unui pachet de programe bazate
pe aproximaţia liniar echivalentă în descrierea comportamentului vâscoelastic neliniar al
pământurilor . sau chiar modelări histeretic neliniare dacă le vom considera necesare
- Evaluarea
efectelor seismice locale în metoda care considera comportamentul
neliniar al solurilor din structura geologica locala se va face prin
funcţii de transfer care ne
furnizează nu numai valoarea relativă a parametrilor
mişcării seismice ci şi dependenţa acestor rapoarte de
frecvenţă pentru pachetul de straturi considerat
- Controlul
simulărilor se face pe baza înregistrărilor disponibile în
locul respectiv, rotite şi filtrate în domeniul de frecvenţe
pentru care se face analiza.
Aplicand aceasta metoda
de cercetare avansata avem in vedere
: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.
|
