INGV Telerilevamento prossimale e sismologia locale INGV Parte

INGV Telerilevamento prossimale e sismologia "locale" – INGV Parte III (tecniche arry) Arrigo Caserta Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia arrigo. caserta@ingv. it

Definizione di Array sismici: cluster di stazioni sismiche sincronizzate, posizionate sufficientemente vicino nello spazio (in geometrie 1 D o 2 D o 3 D) 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).

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

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

ADVANTAGES • easily applied in urban areas • allows deep soil investigations (hundred meters) • cheap & fast Horike 1985, Scherbaum et al. 2003 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. EVG 1 -CT-2000 -00026 It is a major issue as the Vs structure is obtained from the inversion of these dispersion curves.

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 EASY TO MISINTEPRET The derived Vs profiles have to be validated as much as possible by other geophysical or geological data. deliverables D 18. 06 -Wp, D 19. 06 -Wp and D 24. 13 -Wp http: //sesame-fp 5. obs. ujf-grenoble. fr/SES_Technical. Doc. htm

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

Schema base delle tecniche array basate sul rumore sismico (in genere array 2 D) - 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

Schema base delle tecniche array basate su sorgenti attive (i. e. MASW, in genere 1 D) Geophys. J. Int. (2006) 165, 223– 235 doi: 10. 1111/j. 1365246 X. 2006. 02882. x “ VS 30 mapping and soil classification for seismic site effect evaluation in Dinar region, SW Turkey “ by Kanlı et al.

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

Il rumore sismico è composto da onde di superficie che si propagano in maniera random Ipotesi (sorgenti passive) 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 Ipotesi (sorgenti attive) Il campo d’onda è composto da onde di superficie che si propagano secondo la direzione sorgentestendimento Il campo d’onda nel piano verticale del moto è costituito in maniera predominante da onde di Rayleigh generate dalla sorgente attiva

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

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

Geometry La risposta teorica dell’array dipende dalla geometria The array reponse function is computed on a regular cartesian grid in the wavenumber domain K : Here, ri 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. AR(K) = 1/N i p cos (k rip)

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 λmax=3 dijmax λmin/2 ≥ dijmin Depth ~ 1 -2 dijmax (Tokimatsu, 1997)

Kmin kmax Kmax Aliasing (legato al Kmax) Slowness (s/m) Velocità strati più profondi Velocità strati più superficiali f 1 Mancanza di risoluzione (legato al kmin) f 2 f (Hz)

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

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

Conclusioni Tecniche array Vs(z) può risultare accettabile quando la situazione è semplice e 1 D (a scala dell’array) e nel campo d’onda predominano le onde superficiali (correttamente misurate e identificate) di più difficile applicazione quando occorrono effetti 2 D/3 D 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) !!