MASW e ReMi

Finalità

Calcolo del profilo di velocità delle onde di taglio (VS)

Procedura metodologica

• Registrazione delle onde superficiali• Calcolo della curva di dispersione• Modello di sottosuolo

MASW e ReMiTecniche non invasive di prospezione sismica

Dario Delle Donne PhD - [email protected] Laboratorio di Geofisica Sperimentale – Dipartimento Scienze della Terra - Firenze

MASW e ReMiEsplorazione Geofisica di “piccola” scala

<100m

Microzonazione sismica

Analisi di Dispersione delle onde superficiali Applicazioni nella Geofisica d'esplorazione

Tomografia Crostale Esplorazione media profondità

2000 m s.p.c

~100 kmShapiro et al., Science 2005

Xu et al., GJI 2011

Analisi di Cross-correlazione su NoiseApplicazioni nella Fisica del Vulcanismo

Nature Geosciences, 2008

Variazione proprietà elastiche

nel tempo da analisi di noise

ambientale

~50 giorni

Oscillazione armonica elementare

A0

T

Sviluppo in serie di Fourier

Ogni segnale può essere scomposto nelle sue componenti in frequenza

Dispersione delle onde superficiali

Le varie componenti in frequenza di propagano con velocità diverse

f1 ed f2 generate a t0Propagazione nel mezzo (Crosta Terrestre)

f1 f2

t2t1

Sorgente(terremoto, esplosione, etc.)

Ricevitore(stazione sismica)

Registrazione al ricevitore

VELOCITÀ DI FASE

Distanza sorgente ricevitore x

Velocità di fase e velocità di gruppo

La interferenze costruttive e distruttive delle singole fasi delsegnale generano “gruppi” di onde che si propagano ad una velocità propria

Fenomeno della dispersione delle onde

La velocità di propagazione dipende dalla frequenza

Velocità

Frequenza

Informazioni sul mezzo

attraversato dalle onde sismiche

Onde superficiali

Si generano dall'interazione delle onde di volume (es. P ed S) con discontinuità (es. stratificazioni, superificie terrestre)

Dispersione delle onde di Rayleigh

Lunghezza d'onda più grandi interagiscono con orizzonti più profondi

Lunghezza d'ondaV

elocitàcrescente

Array lineare (stendimento) di geofoni verticali calibrati per registrare onde superficiali (periodo proprio in genere di 4.5 Hz)

Registrazione di ~1-2 secondi di un segnale prodotto da un'energizzatore(tipicamente una mazza battente su piastra)

MASW (Mutli-channel Analysis of Surface Waves)Park et al., Geophysics (1999)

Vantaggi1. Posizione della sorgente è nota e quindi è noto il percorso delle onde sismiche superficiali;2. Necessita di comune strumentazione da geofisica di piccola – scala

Svantaggi1. Interferenza del segnale con altri tipi di onde sismiche (P ed S) ed acustiche (onda d'aria)

spurie prodotte anch'esse dall'energizzazione.2. La sorgente generata da una mazza battente scarsa componente in bassa frequenza, e ciò comporta una scarsa penetratività dell'indagine

MASW (Mutli-channel Analysis of Surface Waves)Park et al., Geophysics (1999)

Da Park et al., Geophysics1999

Esempio Registrazione MASW Scomposizione del segnale nelle sue componenti

Dromocrone – Frequenze più basse si propagano a velocità maggiori

200 m/s

170 m/s

130 m/s

Spettro di velocità di fase / frequenza – Modo fondamentale di vibrazioneProcessing dei dati

Frequenza (Hz)

Velocità

di fase (m/s)

MODO FONDAMENTALE DI VIBRAZIONE DEL SUOLOSPESSO È IL PIÙ ENERGETICO

Spettro di velocità di fase / frequenza incompletoProcessing dei dati

MODO FONDAMENTALE “MASCHERATO” DA ALTRI MODI E “RUMORE COERENTE”

Onda d'aria (340 m/s)

Modo superiore

Modo Fondamentale

Spettro di velocità di fase / frequenza-->Qualità del dato sismico SNRProcessing dei dati

Basso rapporto Segnale/RumoreIndeterminatezza dell'informazione

Spettro di velocità - Interpretazioni Processing dei dati

Modo fondamentale

Modi di ordinesuperiore

C1

f1

Aliasing

Profondità massima investigabile

Processing dei datiErronee interpretazioni del vero modo fondamentale

La mal-interpretazione comporta quasi sempre una sovrastima dei parametri elastici e quindi ad una SOTTOSTIMA della pericolosità

sismica

Svariate Metodologie di analisi

Spettro f-kkf•=c 2

Mappa f-p p=1/c (Slowness s/m)

Re.Mi. (Refraction Microtremor)Louie, BSSA (2001)

Array lineare (stendimento) di geofoni verticali calibrati per registrare onde superficiali (periodo proprio in genere di 4.5 Hz)

Registrazione di ~30-60 secondi di microtremori naturali e/o antropici

Vantaggi

1. Necessita di comune strumentazione da geofisica di piccola – scala

2. Il rumore ambientale è caratterizzato in gran parte da onde di Rayleigh caratterizzate da componenti in bassa frequenza --> indagine piùpenetrativa della MASW.

Svantaggi

1. Necessità di assumere una sorgente del microtremore stocastica stazionaria proveniente da tutte le direzioni (ciò spesso non è verificato,

comportando una sovrastima delle velocità – sovrastima dei parametri elastici)

Esempio Registrazione ReMiE

venti di rumore coerenti

dx = 2 mD = 48 m

Geofoni 4.5 Hz

Tempo

Risoluzione in profondità

Cross-correlazione a 2 stazioni XA e XB

Tecniche interferometriche: interferenza positiva solo nell'area di Fresnel ~0° e ~180°

Wapenaar et al, 2005

Sorgente di rumore equi-distribuitaFunziona bene per tempi lunghi di acquisizione

Stendimento

Assunzione di sorgente equidistribuita (campo diffuso)

ReMi - Possibile Sovrastima di velocità

Angolo di incidenza incognito

Xa

α

Xr=Xa sin(α)

Xr

Vr=Va sin(α) Va=Vr /sin(α) sin(α)=0

Va = •

Velocità apparente

Posizione della sorgente in linea con lo stendimento: Xa=Xr

Va = Vr

Limite del metodo 1D

Xr = Xa

Va t = Xa

Tempo (parametro misurato)dx conosciuto

calcolata

ReMi MASW

Picking della curva

Da Stephenson et al., BSSA 2005

La valutazione dell'errore nella misura è fondamentale!!!Deviazione standard della curva di dispersione

Array 2D – Indagini SPAC – ESAC (AutoCorrelazione Spaziale su Noise)Evitano la sovrastima delle Velocità

SPAC – ESAC l'angolo è calcolabile

Aki, 1957

Risoluzione in profondità

Massima

Minima

ReMi - 1D ESAC - 2D

La tecnica 2D elimina il problema della velocità apparente

Metodologie di analisi 1D e 2DConfronto

Velocitàapparenti

Criteri per valutare l'affidabilità di un'analisi di dispersione

n Buon rapporto Segnale Rumore nello spettro di velocità di fase ed interpretazione critica;

n Valutazione dell'errore (es. deviazione standard) nel picking della curva;

n Stima della massima profondità investigabile e quindi “invertibile” dalla

lettura della curva e dalla lunghezza dello stendimento, oppure dall'apertura

dell'array 2D;

n Tecnica in Array 2-D su noise ambientale (SPAC – ESAC) è generalmente

preferibile a ReMi e MASW con mazza battente.

Velocità

Frequenza

Curva di dispersione

(Velocità di fase R o L, frequenza)

Modello di sottosuolo

(Velocità onde di taglio S, profondità)

INVERSIONE

Calcare

Argilliti

Sabbie

Da misure di frequenza e velocità ad un modello di sottosuolo

DatiModello

Legge Fisica

INVERSIONE

Il Problema Inverso

Traiettoria parabolica

Non considero errori di misura, attrito dell'atmosfera, etc.

Soluzione approssimata

Assumo modello iniziale

Calcolo y teorici

Errore tra y teorici e misurati

Modifico il modello in funzione degli errori

Necessità di assumere un modello iniziale

Dipendenza dal modello iniziale di riferimento

Errore

Parametri del modello m20

100

Modello finale

Unicità della soluzione

m1

Problema lineare

Problema non-lineare

Jij = f (H,Vp,Vs,ρ) Haskell (1953)u/w = rapporto tra l'ampiezza del moto verticale

ed orizzontale del m-esimo modo di Rayleigh

Inversione della curva di dispersione

Soluzione “approssimata” della realtà geologica

Metodi d'inversione

Metodi deterministici

Metodi euristici

Minimi quadrati

Dipendono fortemente

dal modello iniziale

Algoritmi genetici

Esplorazione di uno spazio finito di molteplici combinazioni

di variabili del modello

No modello inizialeDelimitazione arbitraria di

uno spazio di variabiliSemplificazione a-prioristica

del modello

Modello 1-D (strati piano paralleli – no eteropie leterali)

Valutazione dell'errore tramite forward modellingDiscostamento tra l'osservato ed il previsto

Forward modellingFondamentale per determinare la bontà di un'inversione


Test con metodi indipendenti (es. Down-holes)

Errore < 15 %

Sperimentazione Tecnica ESAC Vicchio nel Mugello

5 stazioni con disposizione ad “L” - 2D

Down-Hole S3 - VEL


Curva di dispersione di faseAutocorrelazione spaziale


Inversione

Neighborhood algorithm (Wathelet, Geopsy 2008)

Modello di sottosuolo


Confronto con Down-Hole

Misfit <5%

DH ~ 286 m/sESAC ~ 322 m/sErrore ~10%

Misfit <30%

Vs30 (m/s)

Modello miglioreDH

DH

Metodo H/V

Transfer Function teorica

Validazione risultato con test indipendente

Propagazione di un segnale sismico teorico –Analisi lineare equivalente

INVERSIONE VINCOLATA

Software

Il software è uno strumento. La qualità del risultato dipende dalla preparazione

dell'operatore.

Programma Analisi Inversione

Winmasw (Dal Moro) Radon Transform + MFA Genetic Algorithm

MASW - (V.Roma) F-K Transform Genetic Algorithm

SWAN – Geoastier (LI) F-K Transform Occam Algorithm

SeisOpt Pro (Louie) P-f transform Monte-Carlo

Geopsy (GRATUITO) F-K SPAC etc. Neighborhood alg.

SurfSeis Phase-Shift Matrice Jacobiana

EasyMasw (GeoStru) F-K Transform Alg.Euristicoe molti altri.....

Criteri per valutare l'affidabilità di un'analisi d'inversione onde superficiali

n Inversione dei dati eseguita su più curve di dispersione (media +/- std);

n Controllo della dipendenza dal modello iniziale;

n Buon fitting tra la curva misurata e quella teorica (stima degli errori);

n Verifica della presenza di eteropie e della condizione di strati piano-paralleli

(es. due stendimenti ortogonali tra loro, con energizzazione da ambo gli

estremi dello stendimento);

n Una misura con un metodo indipendente (es. H/V) aiuta a validare tutta la

procedura di calcolo.

Dario Delle Donne PhD - [email protected] Laboratorio di Geofisica Sperimentale – Dipartimento Scienze della Terra - Firenze

Test con metodi indipendenti (es. Down-holes)

Confronto Spettri di risposta


F1=5 Hz, F2=25Hz

Dal Moro, 2008

Metodo Speditivo per calcolarsi la Vs30 senza l'utilizzo dell'algoritmo d'inversionePer il solo calcolo delle Vs30 esiste un metodo speditivo

NON SUFFICIENTE PER DEFINIRE SUOLI IN CLASSE “E”

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