Mühendislik sismolojisinde yüzey dalgası yöntemleri

Abstract

S-dalgası hız bilgisi, deprem yer tepkisinin elde edilmesinde kullanılmaktadır. Bu amaçla, sismik kırılma ve yansıma yöntemleri kullanılabilir. Ancak, yerleşim alanlarında bu yöntemlerin kullanımı sınırlı olabilir. Yerleşim alanlarında, sinyal/gürültü oram genellikle düşüktür ve alıcıların uzun serimlerle yerleştirilmesi oldukça zordur. Ayrıca, yerleşim alanlarında, yeterince büyük enerji kaynağı kullamlamayabilir. Buna bağlı olarak, inceleme derinliği de sınırlı olacaktır. Bu nedenlerden dolayı, düşük frekanslarda uzun dalgaboylan ile seyahat eden yüzey dalgalarından faydalanma yoluna gidilmiştir. Yüzey dalgası yöntemlerinde, S-dalgası hızı, belirli bir geometride yerleştirilen alıcı dizilimleriyle kaydedilen verilerden dispersiyon bilgisinin ters çözümünden elde edilmektedir. Aktif ya da pasif kaynaklarla kullanılan çeşitli yöntemler vardır. Bu yöntemler, maliyeti yüksek sondaj tekniklerine ve klasik sismik yöntemlere alternatif oluşturmaları amacıyla geliştirilmiştir. Bu çalışmada, hem yapay hem de arazi verisi kullanarak, dört yüzey dalgası yöntemi, alıcı sayısı, sinyal/gürültü oranının etkisi, farklı doğrultulardan yayman dalga alanları ve yüksek modlar ile ilgili yapılan sınamalarla incelenmiştir. İlk olarak, durağan bir stokastik süreç olarak kabul edilen mikrotremorlerin analizi amacıyla geliştirilen uzamsal özilişki yöntemi ele alınmıştır. Daha sonra, dizilim- işleme tekniklerinden klasik frekans ortamı ışın biçimlendirme ve temel bir dalga alam dönüşümü olan ışın parametresi-kesme zamanı (p-r) dönüşümü incelenmiştir. Son olarak, aktif kaynaklı bir yöntem olan yüzey dalgalarının çok kanallı analizi incelenmiştir. Yapay verilerle sınanan bu yöntemler, daha sonra gerçek veriler kullanılarak analiz edilmiştir. Uzamsal özilişki yönteminde, dört alıcı kullanarak dispersiyon bilgisi belirlenebilir. Literatürde, en az on alıcı ile analiz yapılması gerektiği belirtilen klasik frekans ortamı ışın biçimlendirme yöntemi ile de, dalga alanı tek bir doğrultudan yaymıyor ise, dört alıcı ile faz hızı elde edilebileceği görülmüştür. Özilişki yöntemiyle yapılan analizlerde, farklı doğrultulardan yayman dalga alanları sorun oluşturmamıştır. Klasik frekans ortamı ışın biçimlendirme yöntemi ile güvenilir sonuçlar, dizilimin boyutlarına bağlı olarak elde edilmiştir. Bu durumda, çözünürlüğü daha yüksek olan ışın biçimlendirme tekniklerinden multiple signal classification (MUSIC) yöntemi ile başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Doğrusal dizilime uygulanan frekans ortamı ışın biçimlendirme yöntemi ile p-r dönüşümü teorik olarak eşdeğerdir ve elde edilen sonuçlar aynıdır. Her iki yöntemle de yüzey dalgalarının yüksek modlan görüntülenebilmektedir. Ancak, özilişki yönteminde yüksek modlar ayırdedilemez. Yüksek modlann aktif kaynaklı yöntemlerle daha iyi belirlenebildiği görülmüştür. Yüzey dalgalarının çok kanallı analizi, aktif kaynaklı da kullanılabilen klasik frekans ortamı ışın biçimlendirme ve p-r dönüşümü birlikte incelenmiş, benzer sonuçlara ulaşılmıştır. Daha sonra, arazi verileri ile yapılan analizlerle elde edilen sonuçlar desteklenmiştir.

The S-wave velocity information is used to estimate earthquake site response. For this purpose, seismic reflection and refraction methods can be used. However, in urban conditions, their usage may be limited. In urban conditions, the signal/noise ratio is usually low and deployment of long receiver spreads would be difficult. Also, using large energy sources is usually not possible resulting in shallow investigation depths. Therefore, surface waves propagating with long periods at low frequencies are used to determine S-wave velocities. In surface wave methods, S-wave velocities are inverted from dispersion information obtained by data recorded with an array of sensors placed in a particular geometry. There are several methods that can be used with active or passive sources. These methods are developed as alternative to high-cost drilling techniques and conventional seismic methods. In this study, using both synthetic and field data, four of the. surface wave methods are investigated in terms of the effect of the number of receivers, the existence of multiple signals, higher modes and signal/noise ratio. First, the spatial autocorrelation method, developed to analyze microtremors assumed to be stationary stochastic wavefields, is taken into consideration. Then, an array- processing technique, known as conventional frequency domain beamforming, and ray parameter-intercept time (p-r) transform, which is a basic wavefield transformation, are examined. Finally, an active surface wave method, multichannel analysis of surface waves, is considered. After examining these methods by synthetic data, they are also applied to real field data. In spatial autocorrelation method, it is possible to obtain the dispersion information using only four receivers. In the case of a wavefield propagating only in one direction, four receivers can also be used in conventioanl frequency domain beamforming, which is, in literature, recommended to be used with at least ten receivers. When multiple signals exist, correlation method can be used most succesively. Meanwhile, in conventional frequency domain beamforming, reliable results can be obtained depending on the array size. A high resolution beamforming method, multiple signal classification (MUSIC), provided more accurate results in such a case. Frequency- wavenumber transform and p-r transform are equivalent in theory. As a result, the use of conventional frequency domain beamforming with linear arrays and p-x transform results are similar. Higher modes of surface waves can be determined with these methods if the size of the array is large enough. On the other hand, higher modes can not be seperated by autocorrelation method. Higher modes can be determined by active source methods more accurately. In the case of active sources, conventional frequency domain beamforming, p-r transform and multichannel analysis of surface waves provide similar results. Also, these results are supported by analyzing real field data.