Zemin karakterizasyonu amaçlı rayleigh dalgası faz hızı dispersiyon analizinde aktif ve pasif kaynaklı sismik dizilim yöntemlerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi
Comparative evaluation of active and passive seismic array methods in rayleigh wave phase velocity dispersion analysis for site characterization
Yazar: AYLİN KARAASLAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ARGUN KOCAOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Tez çalışmasının temel odak noktası, sığ zemin karakterizasyonu amaçlı Rayleigh dal-gası faz hızı dispersiyon (FHD) bilgisinin belirlenmesinde, literatürde yaygın olarak kullanılan konvansiyonel yöntemlerle, günümüze kadar sınırlı uygulamaya sahip olan ancak önemli potansiyel taşıyan yenilikçi yöntemlerin karşılaştırılmasıdır. Bu bağlam-da, tezin ilk bölümünde Pasif Sismik İnterferometri (PSİ) prosedürü kullanılarak 2-boyutlu Pasif Sismik İnterferometri Sonrası Çok Kanallı Yüzey Dalgası Analizi (2D PSI-MASW) yöntemi adı verilen bir veri toplama ve işleme şeması geliştirilmiştir. Bu bölümde, 2D PSI-MASW yöntemi ile elde edilen FHD özellikleri, Geleneksel Fre-kans-Dalgasayısı (CVFK) yönteminden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. 
Tez çalışmasının temel hedeflerinden biri, yerel ölçekli FHD analizi çalışmaları için önerilen 2D PSI-MASW prosedürünün temel veri-işlem adımları ve parametrelerinin belirlenmesi ve yerel ölçekli PSİ uygulamalarında 2B sismik dizilimlerin izotropik ol-mayan ASG kaynak dağılımının FHD belirleme üzerindeki sapma etkisini azaltma ko-nusundaki performansının incelenmesidir. Bu amaçla, Türkiye'nin Bursa ilinde yer alan dört farklı sahada konumlandırılan yerel ölçekli 2B sismik dizilimler aracılığıyla topla-nan sismik dizilim verileri ile tez kapsamında üretilen sentetik veri setleri kullanılmak-tadır. İzlenen veri işleme şemasında, öncelikle toplanan ASG verilerine Pasif Sismik İnterferometri (PSİ) ilkeleri uygulanarak çok yönlü Çapraz Benzeşim Fonksiyonu (CCF) sanal atış toplulukları oluşturulmaktadır. Ardından, FHD'nin belirlenmesi için elde edilen bu sanal atış topluluklarına Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı Analizi (MASW) yöntemine özgü faz-kayması dönüşümü uygulanmaktadır. 2D PSI-MASW yöntemi olarak adlandırılan bu veri toplama ve işleme şeması, tezin özgün çıktısıdır. 
Tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar, 2D PSI-MASW yönteminde kullanılan 2B sismik dizilimlerin sunduğu çok yönlü CCF'lerin FHD belirleme süreçlerindeki sapmaları etkili bir şekilde azaltabildiğini ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, özellik-le ASG kaynaklarının durağan faz yönlerinde yoğunlaşmadığı durumlarda, 1B tekil alıcı hatlarından yetersiz veya eksik FHD bilgileri elde edilebilmektedir. Ayrıca, 1B tekil alıcı hatlarından elde edilen FHD bilgilerinin birbirini tamamladığı belirlenmiştir. Bu sonuçlar, PSİ prosedüründe güvenilir ve eksiksiz FHD görüntüleme için uzaysal olarak iyi dağılmış 2B dizilim konfigürasyonlarının kullanılmasının önemini vurgula-maktadır. Bu bağlamda, sahada pratik olarak kullanılabilecek sınırlı alıcı sayısı da göz önünde bulundurularak, ideal uzaysal örneklemenin sağlanması için, tez kapsamında incelenen ve geniş bir yönsel ve mesafesel çeşitlilik sağlayan yelpaze şekilli 2B dizilim-lerin kullanılması özellikle tavsiye edilmektedir. 2D PSI-MASW yöntemi uygulama-sında yelpaze şekilli alıcı diziliminin kullanılması ile, ASG dalga alanının yönlü kay-naklardan oluşması durumunda dahi, FHD bilgisi çok düşük (%1) hatalar ile elde edi-lebilmektedir. 
Çalışmada aynı zamanda, gerçek saha verileri ve üretilen sentetik veri setleri üzerinden 2D PSI-MASW yönteminin uygulama sınırlarının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Bu kapsamda, yöntemin veri işleme aşamaları ve parametrelerinin belirlenmesi için çeşitli testler gerçekleştirilmiştir. Bu testlerde, 2D PSI-MASW ve CVFK yöntemlerinin FHD performansları, veri setinin uzunluğu, ASG dalga alanındaki kaynakların yoğunluğu ve yönsel dağılımı, değişken yeraltı hız yapısı, dalga alanında çoklu modların varlığı, kul-lanılan sismik dizilim geometrisinin etkileri üzerinden karşılaştırmalı bir şekilde değer-lendirilmiştir. Bu bağlamda, her iki yöntem ile aynı koşullar altında ve aynı sismik dizi-lim konfigürasyonları kullanılarak hesaplanan FHD panelleri çözünürlük, doğruluk ve mod elde etme performansları açısından detaylı bir şekilde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, 2D PSI-MASW yöntemi kullanılarak geniş bir frekans bandında CVFK ile eşdeğer temel mod Rayleigh dalgası FHD bilgisi sağlanabileceğini göstermektedir. Ayrıca, özellikle belirgin bir antisimetriye sahip 2B dizilim konfigürasyonları kullanıl-dığında, 2D PSI-MASW yönteminin CVFK yönteminden daha iyi mod çözünürlüğü ve ayrımı sunabildiği görülmektedir. 
Ayrıca, 2D PSI-MASW yöntemi, CVFK analizi sırasında gözlenemeyen ancak aynı aktif atış verisine benzer bir SAT oluşturabilme özelliği ile dikkat çekmektedir. Bu özellik sayesinde, yöntemin en belirgin avantajlarından biri, SAT'lerdeki Rayleigh dal-ga treninin doğrudan gözlenebilmesidir. 2D PSI-MASW veri-işlem şemasının uygu-lanması için yazılan kodlar, CVFK analizine göre çok daha hızlı FHD sonuçları üret-mektedir. Bu avantaj, hesaplanan FHD panellerinin saha ölçümleri sırasında hızlıca incelenebilmesini mümkün kılmakta, bu da ilgili ölçüm noktası için yeterli kayıt uzun-luğu gibi önemli parametrelere kayıt esnasında, yerinde karar verilebilmesini sağlamak-tadır. Tüm bu avantajlarıyla birlikte, 2D PSI-MASW yöntemi özellikle 2B dizilimlerin sağladığı geniş uzaysal örnekleme sayesinde, sığ ölçekli mühendislik sismolojisi çalış-malarında güvenilir Rayleigh dalgası FHD bilgisi elde etmek açısından konvansiyonel yöntemlere iyi bir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Bu yöntemin, sismik veri-işleme süreçlerindeki hız ve doğruluk avantajlarıyla birlikte kullanılmasının, yerel öl-çekli FHD analizlerine önemli katkı sunacağı değerlendirilmektedir.
Tez çalışmasının ikinci bölümünde, 1-2 m gibi çok küçük alıcı aralıklarına sahip az sayıda alıcıdan oluşan sismik dizilim konfigürasyonları ile toplanan atış ve ASG verile-rinin uzaysal gradyanlara dayalı olarak analiz edilmesi esasına dayanan Aktif Kaynaklı Gradiyometri (AKG) ve Artalan Gürültü Gradiyometrisi (AGG) yöntemleri kullanıla-rak Rayleigh dalgası FHD görüntülerinin elde edilmesi hedeflenmektedir. Elde edilen FHD sonuçları, konvansiyonel yöntemler olan CVFK ve MASW sonuçlarıyla karşı-laştırmalı olarak değerlendirilmektedir. Bu karşılaştırmalar, her iki yöntemin değişen koşullar altında nasıl davrandığını anlamak için yapılmakta, elde edilen sonuçlar, AKG ve AGG yöntemlerinin FHD belirleme yeteneklerini ve kullanıldıkları koşullardaki performanslarını açıklığa kavuşturacak şekilde detaylı olarak incelenmektedir.
Tez çalışması kapsamında, literatürdeki uygulamaları sınırlı olan AGG ve AKG yön-temlerinin FHD belirleme performanslarını etkileyen veri işleme adımları, parametreler ve yöntemlerin uygulama sınırlarını belirlemek amacıyla çeşitli testler gerçekleştirilmek-tedir. AGG ve AKG yöntemlerinin FHD belirleme performansları, değişken ASG kaynak yoğunluğu ve dağılımı, pencere boyu, alıcı aralığı, uzaysal türev alma yöntemi, Sinyal/Gürültü Oranı (SGO), mod içeriği gibi koşullara bağlı olarak değerlendirilmek-tedir. Bu değerlendirmeler, AGG ve AKG yöntemlerinin uygulama sınırlarını belirle-meye yönelik önemli bilgiler sunmaktadır.
Sentetik veri setlerinden ve gerçek saha verilerinden elde edilen bulgular, gradiyometrik yöntemlerin FHD belirleme performanslarının, SGO'nun azalmasına neden olan gürül-tü kaynakları ve saha koşullarındaki potansiyel alıcı-zemin kuplajı ve/veya alıcı konum-landırma problemlerinden daha olumsuz bir şekilde etkilendiğini göstermektedir. Ayrı-ca, gradiyometrik yöntemlerin, yüksek modlara ait faz hızlarını belirleme konusunda konvansiyonel dizilim yöntemleri ve 2D PSI-MASW kadar başarılı olmadığı görül-müştür. Bunun temel nedeni, AGG ve AKG yöntemlerinin çalışma prensipleri gereği, zaman ortamında hesaplanan uzaysal türevler üzerinden FHD belirlenmesidir. Dolayı-sıyla, yeraltı hız modeline de bağlı olarak, farklı modlara ait faz hızlarının ilgilenilen frekans bandında birbirine çok yakın olması ve dolayısıyla sinyallerinin zamanda ör-tüşmesi durumunda, yöntemlerin yüksek modlara ait faz hızlarını ayırma konusunda başarılı olamadığı durumlar ortaya çıkmaktadır. Öte yandan, uzun alıcı açıklığına sahip (> 100 m) çok kanallı (en az 24 kanal) alıcı dizilimleri ile uygulanan konvansiyonel dizilim yöntemleri ve 2D PSI-MASW, birden çok moda ait FHD bilgisinin elde edil-mesi konusunda daha iyi bir performans sergilemektedir.
Buna karşılık, gradiyometrik yöntem uygulamalarında FHD bilgisi, çok küçük alıcı aralıklarına (1-2 m) ve sınırlı sayıda (3-5) alıcıya sahip yoğun sismik dizilim konfigü-rasyonlarıyla elde edilebilmektedir. Bu yönüyle gradiyometrik yöntemler, sahada pratik ve hızlı bir şekilde uygulanabilen basit dizilim konfigürasyonları sayesinde, özellikle yoğun şehir alanlarında veya geniş açılımlı alıcı dizilimlerinin uygulanmasının mümkün olmadığı durumlarda önemli bir avantaj sağlamaktadır. AGG ve AKG yöntemlerinin FHD performansları, SGO'nun özellikle kuplaj problemleri veya diğer gürültü kaynak-ları nedeniyle düşmesinden etkilenmekle birlikte, yöntemlerin zeminin ilk 30 metresin-deki ortalama S-dalgası hızını (Vs30) belirleme ve buna bağlı olarak zemin sınıfını tes-pit etme amacıyla yapılan sığ zemin çalışmalarında kullanılmaları, pratik ve ekonomik bir alternatif sunmaktadır.

Abstract:
The primary focus of the thesis is to compare conventional methods, widely utilized in the literature for determining Rayleigh wave phase velocity dispersion (PVD) informa-tion, with innovative methods that have seen limited application but hold significant potential. In this context, the first section of the thesis introduces a data acquisition and processing scheme named 2D Passive Seismic Interferometry (PSI) followed by Mul-ti-Channel Analysis of Surface Waves (2D PSI-MASW). The PVD characteristics obtained through the 2D PSI-MASW method are evaluated by comparing them with the results obtained from the Conventional Frequency-Wavenumber (CVFK) method. 
The main objectives of the thesis are to determine the fundamental data processing steps and parameters for the 2D PSI-MASW procedure and to investigate its perfor-mance in reducing the biasing effect of the non-isotropic Ambient Seismic Noise (ASN) source distribution on the determination of PVD in local-scale PSI applications. To achieve this goal, seismic array data collected through local-scale 2D seismic arrays positioned in four different sites in the Bursa province of Turkey, along with synthetic datasets generated within the scope of the thesis, are utilized. In the adopted data pro-cessing scheme, the collected ASN data undergoes the application of PSI principles to create multi-directional virtual shot gathers (VSGs) from Cross-Coherency Functions (CCFs). Subsequently, these VSGs are subjected to the phase-shift transformation specific to the MASW method for determining PVD information. Termed as the 2D PSI-MASW method, this data acquisition and processing scheme represents a distinc-tive contribution of the thesis.
The results obtained within the scope of the thesis demonstrate that the multi-directional CCFs provided by the 2D PSI-MASW method effectively reduce deviati-ons in the PVD determination processes. However, in situations where ASN sources are not concentrated around stationary phase directions, insufficient or incomplete PVD information can be obtained from 1D individual receiver lines. Additionally, it has been determined that the PVD information obtained from individual 1D receiver lines complements each other. These findings underscore the importance of utilizing spatially well-distributed 2D array configurations for reliable and comprehensive PVD imaging in PSI procedures. In this context, considering the limited number of receivers that can be practically used in the field, it is particularly recommended to employ fan-shaped 2D arrays examined within the scope of the thesis to ensure ideal spatial samp-ling. When employing the 2D PSI-MASW method utilizing a fan-shaped receiver ar-ray, even in the presence of directional sources constituting the ASN wavefield, PVD information is achievable with exceptionally minimal errors, as low as 1%.
The study also aims to determine the application limits of the 2D PSI-MASW method using real field data and synthetic datasets generated. Various tests were conducted to determine the data processing steps and parameters of the method. The PVD perfor-mances of the 2D PSI-MASW and the CVFK methods were comparatively evaluated based on factors such as the length of the dataset, density and directional distribution of sources in the ASN wave field, subsurface velocity structure, presence of multiple mo-des in the wave field, and the effects of the seismic array geometry used. In this con-text, PVD panels calculated under the same conditions and using the same seismic ar-ray configurations with both methods were extensively examined in terms of resolu-tion, accuracy, and mode retrieval performance. The results indicate that the 2D PSI-MASW method can provide fundamental mode Rayleigh wave PVD information equivalent to CVFK across a broad frequency range. Additionally, it is observed that the 2D PSI-MASW method can offer better mode resolution and separation than the CVFK method, especially when using 2D array configurations with pronounced an-tisymmetry. 
Moreover, the 2D PSI-MASW method stands out for its capability to generate a VSG resembling the active shot data, which remains unobservable during CVFK analysis. This feature allows one of the method's most significant advantages, the direct observa-tion of Rayleigh wave trains in SATs. The codes written for the implementation of the 2D PSI-MASW data processing scheme produce PVD results much faster compared to CVFK analysis. This advantage enables the rapid examination of obtained PVD panels during field measurements, allowing for the on-site determination of crucial parameters such as sufficient recording length. With all these advantages, the 2D PSI-MASW method is considered a good alternative to conventional methods in shallow engineering scale seismology studies, especially due to the extensive spatial sampling provided by 2D array configurations. It is believed that this method can significantly contribute to local-scale PVD analyses by being employed more efficiently in seismic data processing, benefiting from its advantages in terms of speed and accuracy.
In the second part of the thesis, the goal is to process active shot gather and ASN data collected through seismic array configurations with a limited number of receivers and very small receiver intervals (1-2 m). This processing aims to obtain Rayleigh wave PVD images using the Active Source Gradiometry (ASG) and Ambient Noise Gradi-ometry (ANG) methods, which rely on the analysis of spatial gradients. The obtained PVD results are evaluated comparatively with the results of conventional methods such as CVFK and MASW. These comparisons are conducted to understand the behavior of both methods under diverse conditions and the results obtained are thoroughly examined to clarify the PVD performances of the ASG and ANG methods in their respective application scenarios.
In the scope of the thesis, various tests are conducted to determine the data processing steps, parameters, and methodological constraints affecting the PVD determination performances of the ASG and ANG methods, which have limited applications in the literature. The PVD performances of ASG and ANG methods are evaluated based on conditions such as variable ASN source density and distribution, analysis window length, receiver spacing, spatial derivattion method, Signal-to-Noise Ratio (SNR), mo-de content, etc. These assessments provide important information for determining the application limits of the ASG and ANG methods.
Findings obtained from synthetic datasets and real field data indicate that the PVD de-termination performances of gradiometric methods are more adversely affected by noi-se sources causing a decrease in SNR and potential receiver-ground coupling and/or receiver positioning problems in the field than conventional seismic array methods. 
Additionally, it has been observed that gradiometric methods are not as successful as conventional array methods and 2D PSI-MASW in determining phase velocities asso-ciated with higher modes. The main reason for this is that, due to the operational prin-ciples of the AGG and AKG methods, FHD is determined via spatial derivatives calcu-lated in the time domain. Therefore, depending on the subsurface velocity structure, situations arise where phase velocities of different modes are very close to each other within the relevant frequency band, resulting in overlapping signals in time. As a re-sult, the methods fail to separate phase velocities associated with higher modes. On the other hand, conventional array methods and 2D PSI-MASW applied using multi-channel (at least 24 channels) receiver arrays with long apertures (>100 m) demonstra-te better performance in obtaining FHD information related to multiple modes.
In the context of gradiometric method applications, PVD information can be acquired by employing densely arranged seismic array configurations with a constrained num-ber of receivers (3 to 5), featuring small receiver intervals (u1-2 m). In this aspect, gra-diometric methods offer a significant advantage by being practically and rapidly appli-cable in the field with simple array configurations, especially in urban areas or situa-tions where long-aperture receiver arrays are not feasible. Despite the impact of noise sources or receiver-ground coupling issues causing a reduction in the SNR, the PVD performances of the ASG and ANG methods, especially in local-scale site characteri-zation studies aiming to determine the average S-wave velocity in the top 30 meters of the ground (Vs30) for subsequent site classification, offer a practical and cost-effective alternative.