Investigation in New Methods for Passive Seismic Exploration with Application to Simulation of Strong Motion Scenarios in Campo de Dalías (Almería)
- Autores: Helena Seivane Ramos
- Directores de la Tesis: Antonio García Jerez (dir. tes.), Manuel Navarro Bernal (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 453
- Títulos paralelos:
- Investigación en nuevos métodos de exploración sísmica pasiva con aplicaciones al cálculo de escenarios de movimiento sísmico en el Campo de Dalías (Almería)
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Martínez Pagán (presid.), Antonio M. Posadas Chinchilla (secret.), João Fontiela (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
- español
El objetivo de esta tesis es obtener el modelo de velocidades sísmicas de la cuenca del Campo de Dalías. Este trabajo contribuye a suplir la falta de investigaciones sobre caracterización de efectos de sitio en esta cuenca sedimentaria y abre además la posibilidad de una predicción de escenarios de daños sísmicos. Teniendo en cuenta la gran importancia de la velocidad de las ondas de cizalla (VS) como un parámetro que influye en los movimientos fuertes del suelo, y en algunos de los fenómenos inducidos que experimentan las ondas sísmicas, se han empleado varias metodologías basadas en el conocido como ruido ambiental sísmico para estimar con precisión la estructura Vs del Campo de Dalías.
Un total de siete medidas de ruido sísmico fueron llevadas a cabo por medio de antenas sísmicas con el objetivo de obtener las curvas de dispersión del modo fundamental de las ondas superficiales tipo Rayleigh. Para ello se hizo uso además del método de autocorrelación espacial (SPAC, por sus siglas en inglés). Los radios de apertura de dichas antenas se adaptaron teniendo en cuenta los espesores de las unidades sedimentarias de esta cuenca, que se conoce llegan hasta los 1000 metros en las zonas más profundas del Campo de Dalías. Es por ello que dichas aperturas llegaron a variar desde unas pocas decenas hasta varias centenas de metros. La falta de pozos o columnas litoestratigráficas dentro de los límites de estas antenas sísmicas supuso, con excepción del basamento geológico, un impedimento a la hora de interpretar los perfiles de velocidad de cizalla en términos de unidades geológicas. Los modelos de suelo resultantes de la inversión de las curvas de dispersión experimentales para cada una de las siete mediciones llevadas a cabo indica que la VS del basamento geológico se encuentra entre 2040 y 2800 m/s. Por otra parte, la estructura más superficial de las dos zonas urbanas más importantes del área de estudio (El Ejido y Roquetas de Mar) fue además estudiada a través del análisis de informes geotécnicos y la aplicación del método de sísmica activa de ondas superficiales (MASW, por sus siglas en inglés). Las curvas de dispersión obtenidas mediante este último método para el modo fundamental de las ondas Rayleigh, aunque variando bastante de un núcleo urbano a otro, cubrieron un ancho de banda en frecuencias desde 10 hasta 50 Hz. Siguiendo la clasificación del Eurocode 8, los suelos de El Ejido pueden clasificarse de acuerdo al parámetro VS30 como suelos tipo B (360 < VS30 <800 m/s), mientras que en Roquetas se pueden encontrar suelos tipo B y tipo C (VS30 < 360 m/s).
La microzonación sísmica diseñada para la obtención de las frecuencias de resonancia de las ondas S se llevó a cabo a través de una densificación de las mediciones mediante estación única de ruido ambiental sísmico. Dichas mediciones se distribuyeron en una cuadrícula proyectada sobre la superficie del Campo de Dalías con dimensiones de 1 x 1 km. Los núcleos urbanos de El Ejido y Roquetas de mar tuvieron sendas cuadrículas más densas de 250 y 400 metros. El número total de mediciones de ruido sísmico con estación única alcanza las 388. La metodología basada en el cociente entre los espectros horizontal y vertical (HVSR, por sus siglas en inglés) fue la elegida para analizar dicho conjunto de medidas. El rango de frecuencias de resonancia obtenidas varía desde los 0.2 Hz, observados en los picos HVSR con menor frecuencia, hasta los 27 Hz observados en los picos secundarios HVSR con mayor frecuencia. El antinclinal y el sinclinal, que se sabe tienen dirección ENE-OSO y deforman el basamento y los sedimentos más antiguos del Campo Dalías, se observan claramente en la interpolación de las frecuencias HVSR fundamentales. Los valores del conjunto de frecuencias HVSR obtenido son concordantes con las posiciones de dichas deformaciones estructurales, variando entre 0.2 y 0.4 Hz en la posición del sinclinal y entre 0.6 y 1.2 Hz en la del anticlinal.
Un análisis cuantitativo sobre la variabilidad en la forma de los cocientes espectrales HVSR fue llevado a cabo usando hasta dos años de medición continua de ruido ambiental sísmico en tres estaciones sísmicas instaladas en el Campo de Dalías. A pesar de que no se han observado cambios que comprometan la robustez del método HVSR a la hora de identificar las frecuencias predominantes de sitio, las correlaciones observadas entre la variabilidad de los cocientes HVSR y los ciclos del agua subterránea del Campo de Dalías añaden a esta metodología la posibilidad de ser usada como herramienta de monitoreo especialmente sensible a los cambios de velocidad de cizalla del medio. La capacidad atribuida al HVSR, al usarse en conjunto con las metodologías de inversión, para estimar estructuras de velocidad sísmica 1-D hizo posible el modelado pseudo tridimensional del Campo de Dalías. Para ello se hizo uso del conjunto de medidas de estación única obtenidas en la cuadrícula de dimesiones 1 x 1 km. El modelado de los cocientes HVSR bajo la suposición de campos difusos (DFA, por sus siglas en inglés), y aplicado a la cuadrícula principal de medidas, permitió obtener los modelos de velocidad de cizalla individuales 1-D a través de la inversión de los cocientes HVSR. Los problemas asociados a la no unicidad de dichas inversiones se han visto aliviados gracias a toda la información geológica proveniente de pozos distribuidos por toda la llanura costera del Campo de Dalías, lo cual ayudó también a construir una relación entre la frecuencia fundamental del cociente HVSR y la profundidad al basamentos geológico.
La simulación de un movimiento del suelo asociado a un terremoto fue llevada a cabo con el objetivo de probar el modelo tridimensional resultante de las inversiones de los cocientes HVSR. Los sismogramas de tres estaciones acelerométricas instaladas en el momento del terremoto de control elegido (un evento con MW 4.1 sucedido en Noviembre del 2010) se utilizaron para comparar los registros reales y simulados. La comparación entre las formas de onda observadas y aquellas simuladas mediante un modelado tridimensional a través de diferencias finitas fue la base de dicha prueba. La similitud entre las amplitudes espectrales observadas y modeladas para las tres estaciones analizas es satisfactoria. Este resultado confirma la capacidad de las metodologías basadas en la medición de ruido sísmico ambiental a la hora de construir modelos tridimensionales de suelo mediante estrategias coste-efectivas.
- English
The aim of this thesis is to obtain the seismic velocity modelling of Campo de Dalías basin (CDB). This work contributes to filling the lack of investigations on site effects characterisation and opens the possibility of forecasting earthquake damage scenarios in this sedimentary basin. Given the importance of the S-wave velocity (VS) as a relevant parameter influencing the strong ground motions and some of the seismic-induced wave phenomena, various methodologies based on seismic ambient noise were employed to accurately estimate the VS structure of CDB.
A total number of seven array measurements of ambient noise were carried out to obtain the surface wave dispersion curves of the fundamental Rayleigh wave mode by applying the Spatial Autocorrelation (SPAC) method. To properly characterise the sedimentary units of CDB, which reach thicknesses of 1000 metres in the deepest zones of the basin, the apertures of these arrays varied from tens to hundreds of metres. The lack of borehole information within the limits of these arrays impeded a reliable interpretation of their shear wave velocity profiles in terms of geological units more than the geological basement.
The ground models obtained after the inversion of the experimental dispersion curves indicate that the VS of the geological basement of CDB is ranging between 2040 and 2800 m/s. The shallower ground structure of the two biggest urban areas of CDB, El Ejido and Roquetas de mar towns, was also studied by the analysis of geotechnical borehole reports and the application of the active Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method. The frequency bandwidth covered by the fundamental dispersion curves obtained from MASW varied widely in both towns, but it spans from 10 to 50 Hz in the majority of profiles. In terms of VS30 and attending to the Eurocode 8 classification, the ground in El Ejido urban area can be classified as type B (360 < VS30 <800 m/s), while in Roquetas de Mar grounds type B and type C (VS30 < 360 m/s) are found.
The seismic microzonation aimed at estimating the frequencies of the S-wave resonance was carried out through the densification of single station observations of seismic ambient noise, which were distributed on a square grid of 1 x 1 km projected over the coastal plain. El Ejido and Roquetas de mar towns were sampled with smaller grid sizes of 250 and 400 metres respectively.
The total number of single-station measurements performed in these grids amounts to 388. The Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio (HVSR) was the methodology employed to analyse the single station observations. The range of resonance frequencies obtained in CDB goes from 0.2 Hz, seen in the lowest fundamental HVSR peaks, to 27 Hz in the highest secondary peaks. The anticline and syncline forms with an ENE-WSW trend that fold the older sediments and the basement of CDB are revealed by interpolation of the fundamental HVSR frequencies. The spatial trends observed in the fundamental resonance frequencies are concordant with the depocenter and anticlinal positions, which vary from 0.2 to 0.4 Hz and between 0.6 and 1.2 Hz respectively.
A quantitative analysis of the HVSR shape variability was performed by using up to two years of continuous seismic ambient noise data in three permanent seismic stations. Despite not observing changes that compromise the robustness of the HVSR to identify the site's predominant frequency, the correlations observed with the groundwater cycles add to this methodology the ability of a monitoring tool particularly sensitive to the S-wave modifications. The capacity of the HVSR in conjunction with inversion methodologies to estimate 1-D seismic velocity structures made the pseudo 3-D modelling of CDB feasible by using the 1 x 1 km grid of single-station measurements. The HVSR modelling based on the Diffuse Field Assumption (DFA) applied over the main grid of measurements enabled the estimation of individual velocity models by inversion of the HVSR curves. The issue of non-uniqueness from HVSR inversions has been alleviated by the numerous borehole information gathered, which also helped to build a relationship between the fundamental HVSR frequency and depth to the geological basement.
In order to test the 3-D model built after HVSR inversions an earthquake ground motion was simulated. Such test was based on the comparison between the observed and the synthetic waveforms generated by full 3-D modelling with finite differences. The waveforms of three accelerometer stations deployed in CDB by the time of the control event (MW 4.1, November 2010) were used to compare simulated and real seismograms. The agreement between the observed and modelled power spectral amplitudes in the three control stations is satisfactory. This result confirms the capacity of the seismic ambient noise methodologies to build three-dimensional ground models through cost-effective strategies
- español
