Συμβολή στη μελέτη της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών στη σεισμική κίνηση με τη χρήση δεδομένων μικροθορύβου και σεισμικών καταγραφών
Authors: Ανθυμίδης Μάριος 
Published: July 2024

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εφαρμόστηκε η μέθοδος της τομογραφίας εδαφικού θορύβου του υπεδάφους με τη χρήση ειδικών δικτύων σεισμομέτρων (Ambient Noise Array Tomography) σε αστικό περιβάλλον και γεωτεχνική κλίμακα, για την εκτίμηση της τρισδιάστατης (3D) γεωφυσικής δομής του υπεδάφους. Στόχος της διατριβής ήταν η αξιολόγηση των δυνατοτήτων και περιορισμών της μεθόδου ως ένα εναλλακτικό εργαλείο προσδιορισμού της γεωφυσικής δομής, για την αξιοποίηση της στη μελέτη της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών στη σεισμική κίνηση, καθώς και σε γεωτεχνικές εφαρμογές. Η συλλογή δεδομένων εδαφικού θορύβου πραγματοποιήθηκε με την εγκατάσταση ενός προσωρινού ειδικού δικτύου 34 σταθμών καταγραφής στο πολεοδομικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης (βόρεια Ελλάδα) και συγκεκριμένα στην ευρύτερη περιοχή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ.). Η γεωμετρία του ειδικού δικτύου ακολούθησε ένα συνδυασμό κυκλικών διατάξεων στο εξωτερικό του τμήμα, το οποίο συγχρόνως οριοθετούσε και την περιοχή έρευνας, και τυχαίων διατάξεων στο εσωτερικό του. Η χρονική διάρκεια συλλογής δεδομένων εδαφικού θορύβου κυμαινόταν από λίγες ημέρες έως ένα μήνα, με την πλειονότητα των σταθμών καταγραφής του ειδικού δικτύου να διαθέτουν δεδομένα για περισσότερες από 15 ημέρες. Η επεξεργασία των δεδομένων διαιρέθηκε σε έξι συνολικά βήματα: 1) στη διασυσχέτιση των καταγραφών εδαφικού θορύβου για κάθε ζεύγος σταθμών του ειδικού δικτύου με τον υπολογισμό των αντίστοιχων καμπύλων διασυσχέτισης, 2) τον υπολογισμό του λόγου του σήματος προς θόρυβο στις καμπύλες διασυσχέτισης για την απόρριψη των χαμηλής ποιότητας δεδομένων, 3) την ανάλυση πολλαπλών φίλτρων, 4) την εξαγωγή των καμπύλων σκέδασης των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh για κάθε ζεύγος σταθμών του ειδικού δικτύου, 5) τον υπολογισμό των καμπύλων ελλειπτικότητας των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh για κάθε θέση σταθμού του ειδικού δικτύου και, 6) τον υπολογισμό του φασματικού λόγου της οριζόντιας προς την κατακόρυφη συνιστώσα (HVSR) εδαφικού θορύβου σε κάθε θέση σταθμού του ειδικού δικτύου. Οι καμπύλες σκέδασης για κάθε ζεύγος σταθμών του ειδικού δικτύου χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των χρόνων διαδρομής των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh σε διακριτές τιμές της συχνότητας μέσα στο διάστημα από 1.5 έως 14Hz. Στους χρόνους διαδρομής των επιφανειακών κυμάτων εφαρμόστηκε μία τομογραφική προσέγγιση αντιστροφής, η οποία οδήγησε στην εκτίμηση της χωρικής κατανομής της ταχύτητας ομάδας των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh στην περιοχή μελέτης, για τις ίδιες διακριτές τιμές της συχνότητας. Η τομογραφική αντιστροφή πραγματοποιήθηκε με τη χρήση προσεγγιστικών ζωνών Fresnel στις ακτίνες διάδοσης των επιφανειακών κυμάτων, καθώς και με την εισαγωγή κατάλληλων περιορισμών της λύσης, όπως της απόσβεσης, της χωρικής εξομάλυνσης και της διασυχνοτικής εξομάλυνσης, για τη σταθεροποίηση των χαρτών, δηλαδή των τομογραφικών εικόνων στο χώρο του ειδικού δικτύου. Στα αποτελέσματα της τομογραφικής αντιστροφής εφαρμόστηκαν κατάλληλα κριτήρια αποκοπής για την απομάκρυνση των μη αξιόπιστων δεδομένων. Σε αυτά τα κριτήρια συμπεριλήφθηκαν ο αριθμός και το μήκος των ακτινών που διαπερνούσαν κάθε κόμβο του προκαθορισμένου τομογραφικού πλέγματος, το σχετικό σφάλμα προσδιορισμού της ταχύτητας ομάδας των επιφανειακών κυμάτων και το μήκος διακριτικής ικανότητας. Η τελική σύνθεση των αποτελεσμάτων της τομογραφίας για όλες τις διακριτές τιμές της συχνότητας οδήγησε στην ανακατασκευή των τοπικών καμπύλων σκέδασης των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh σε κάθε κόμβο του τομογραφικού πλέγματος.Στις τοπικές καμπύλες σκέδασης των επιφανειακών κυμάτων εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος γειτνίασης, για την 1D αντιστροφή τους και την εκτίμηση της τοπικής κατανομής της ταχύτητας των εγκαρσίων ελαστικών κυμάτων σε συνάρτηση με το βάθος. Η σύνθεση όλων των 1D εδαφικών προφίλ επέτρεψε την αναγνώριση της χωρικής κατανομής των κύριων επιφανειών ασυνέχειας του υπεδάφους και την εκτίμηση του 3D γεωφυσικού μοντέλου δομής στην περιοχή μελέτης. Επιπλέον, για τη βελτίωση της διακριτικής ικανότητας της 1D αντιστροφής στα επιφανειακά στρώματα της δομής και την εξαγωγή των επιφανειών ασυνέχειας του υπεδάφους με καλύτερη χωρική συνάφεια, πραγματοποιήθηκε συνδυαστική 1D αντιστροφή των τοπικών καμπύλων σκέδασης με τις καμπύλες ελλειπτικότητας των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh. Το 3D γεωφυσικό μοντέλο δομής που προέκυψε από την υπέρθεση των 1D μοντέλων (προσομοιωμάτων) της συνδυαστικής αντιστροφής είναι το τελικά προτεινόμενο γεωφυσικό μοντέλο για την περιοχή μελέτης. Το προτεινόμενο 3D γεωφυσικό μοντέλο δομής βρίσκεται σε πολύ καλή συμφωνία με το σύνολο των διαθέσιμων γεωλογικών, γεωφυσικών και γεωτεχνικών πληροφοριών, καθώς και αντίστοιχων 3D γεωτεχνικών εδαφικών μοντέλων μεγάλης κλίμακας για την περιοχή μελέτης. Παράλληλα, επιτρέπει την πρόβλεψη της χωρικής κατανομής διαφόρων ποσοτήτων (π.χ. χωρικής κατανομής συναρτήσεων μεταφοράς, ελλειπτικότητας, κλπ.) που είτε είναι άμεσα συγκρίσιμες με τα δεδομένα, είτε δίνουν μία νέα εικόνα για τη χωρική μεταβολή της επίδρασης των εδαφικών συνθηκών στη σεισμική κίνηση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εφαρμογή της 3D τομογραφίας εδαφικού θορύβου μπορεί να παρέχει με αξιοπιστία τη γεωφυσική δομή του υπεδάφους σε αστικά περιβάλλοντα, τουλάχιστον με παρόμοια γεωλογική δομή με αυτό της Θεσσαλονίκης, και σε γεωτεχνική κλίμακα.