A comparison of different seismological and geotechnical parameters for site characterization
Boxberger, Tobias
The geometry of the subsoil structure, the soil types involved and the variation in their properties with depth, lateral discontinuities and surface topography are causes of lateral variation in earthquake-induced ground motion, over relatively small scales, referred to as "site effects" The modification of ground motion can manifest itself through amplification at particular frequencies (the lowest one defining the fundamental resonance frequency), depending on the thickness and the velocity structure of the uppermost layers, and deamplification due to the competitive effect of the attenuation of the wavefield in shallow soft layers. Therefore, a detailed characterization of the properties of shallow geological structures in terms of the fundamental resonance frequency f0 , local shear wave (S-wave) velocity structure and a quality factor (Qs ) profile, which quantifies the effects of anelastic attenuation on the seismic wavelet, is necessary.
Over the last decades, techniques based on the analysis of seismic noise, which is generated by natural and anthropogenic sources, have been found to have the potential to significantly contribute to site effect evaluation as they can provide sufficiently accurate estimates of the underlying Vs profile. Recently, modification of the same methods have proved to be able to provide realistic Qs versus depth estimations. A now generally adopted approach in seismic hazard assessment for mapping seismic site conditions is estimating the average shear wave velocity in the uppermost 30 m (Vs30 ) as a proxy of the site response. This approach was also applied to the quality factor within the uppermost 30 m (Qs30 ).
In this thesis, data sets of seismic noise recorded in different regions of Europe and Central Asia by microarrays of seismic stations was used to calculate both Vs and Qs profiles. By applying innovative analysis techniques, it is shown that the values are consistent and that seismic noise analysis has the potential to provide a comprehensive (Vs and Qs ) description of the geological structure below a site.
Die Geometrie des Untergrundes, die beteiligten Bodentypen und die Variation ihrer Eigenschaften mit der Tiefe, laterale Diskontinuitäten und Oberflächentopografie sind Ursachen für die laterale Variation der erdbebeninduzierten Bodenbewegung über relativ kleine Skalen, die als „Standorteffekte“ bezeichnet werden. Eine solche Veränderung der Bodenbewegung ist häufig gekennzeichnet durch eine Verstärkung der Erschütterung für bestimmte Frequenzen (die niedrigste definiert die Eigenschwingungsfrequenz des Untergrundes), abhängig von der Schichtmächtigkeit und Geschwindigkeitsstruktur der obersten Schichten bzw. auch durch eine Verringerung der Bodenbewegung aufgrund von gegenläufigen Effekten wie der Abschwächung des Wellenfeldes in oberflächennahen Sedimentschichten. Für eine genaue Berücksichtigung dieser Effekte in seismischen Gefährdungsanalysen sowie für geotechnische Untersuchungen ist eine genau Charakterisierung der Eigenschwingungsfrequenz (f0 ), der lokalen Scherwellen (S-Wellen) Geschwindigkeitsstruktur sowie des Qualitätsfaktors, welcher die Abschwächung des Wellenfeldes beschreibt, erforderlich.
In den letzten Jahrzehnten wurde festgestellt, dass Methoden, die auf der Analyse von seismischem Rauschen basieren, welches durch natürliche und anthropogene Quellen erzeugt wird, das Potenzial haben, wesentlich zur Evaluierung der Standorteffekte beizutragen, da sie ausreichend genaue Abschätzungen des zugrunde liegenden Vs -Profils liefern. Neueste Entwicklungen konnten zeigen, dass ebenso verlässliche Aussagen auch hinsichtlich des Qualitätsfaktors und seiner Tiefenverteilung getroffen werden können. Ein inzwischen allgemein anerkannter Ansatz in der seismischen Gefährdungseinschätzung zur Kartierung seismischer Standortbedingungen ist die Abschätzung der durchschnittlichen Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (Vs30 ) als „Proxy“ der Standortantwort. Dieser Ansatz wurde auch auf den Qualitätsfaktor innerhalb der obersten 30 m (Qs30 ) angewandt.
In dieser Arbeit wurden Datensätze von seismischem Rauschen, die in verschiedenen Regionen Europas und Zentralasiens durch Mikroarrays seismischer Stationen aufgenommen wurden, zur Berechnung von Vs - und Qs -Profilen verwendet. Durch den Einsatz innovativer Analyseverfahren wird gezeigt, dass die Werte konsistent sind und dass die seismische Rauschanalyse das Potenzial hat, eine umfassende (Vs und Qs ) Beschreibung der geologischen Struktur an einem Standort zu liefern.
