Microtremor data analysis for shear-wave velocity structure characterization : the case study of Beijing

Ambient noise measurements and analysis techniques represent a fast and low-cost way to delineate local site effects, in particular in megacities where drilling and well logging technology have high cost and sparse coverage; meanwhile no active artificial sources (explosives, strong vibrations, etc.) are permitted in the urban environment due to the existence of heavy populated areas. Some ambient noise processing methods define the mechanical behavior of the soil through its relevant parameters, such as shear-wave velocity, layer thickness, density, and compressional-wave velocity of each layer, listed in decreasing order of priority. The procedure consists in different steps, which in progressive order are: cross-correlation of ambient noise traces, extraction of surface wave components, which predominate the seismic trace in terms of energy, analysis of dispersion curves derived through the F-k transform, and final application of the Very Fast Simulated Annealing algorithm to get the mechanical parameters of the investigated area. During the acquisition phase, microtremors are usually recorded with arrays of various apertures to get the spectral curve over a wide frequency band. This study analyses synthetic ambient vibrations simulated with a wide field campaign that took place in Beijing in summer 2007. Several recording networks, with different recording time and receiver spacing, have been set on the field, some of which has already been processed through the Nakamura H/V technique. The existing results are compared with the ones obtained through this study by applying the method described above, which focuses on processing data from three specific sites occupied by seismic stations arranged in arrays with different configurations and recording the noise vertical component. The dispersion curve analysis is performed and the inversion is applied to get valuable results in terms of shear-wave velocity structure as a function of depth; based on the velocity values, the layer thickness and the bedrock depth are inferred and illustrated for each site.

Misure e metodi di analisi di noise ambientale rappresentano una rapida ed economica soluzione per definire gli effetti di sito, in particolare nelle grandi città, dove indagini in pozzo hanno costo elevato e scarsa copertura; allo stesso tempo, sorgenti sismiche attive (esplosivo, forti vibrazioni, etc.) non sono utilizzabili in ambiente urbano a causa dell’alta densità di popolazione. Alcuni dei metodi di elaborazione di ambient noise definiscono il comportamento meccanico del suolo tramite parametri rilevanti, quali la velocità delle onde S, lo spessore degli strati, la densità e la velocità delle onde P di ogni strato, elencati in ordine decrescente di importanza. Il processing consiste in una serie di fasi di calcolo eseguite in ordine progressivo: cross-correlazione di tracce di noise, estrapolazione delle componenti di onde superficiali, che in termini energetici dominano la traccia sismica, analisi della curva di dispersione ottenuta con una trasformata F-k e applicazione dell’algoritmo di inversione (Very Fast Simulated Annealing) per ricavare i parametri meccanici dell’area investigata. Nella fase di acquisizione, i microtremori sono registrati da array di diversa apertura, per ottenere una curva di dispersione con un’ampia banda di frequenze. Il seguente studio analizza microtremori registrati in una grande campagna di misure avvenuta a Pechino nell’estate del 2007. Numerosi reti di registrazione, con aperture e tempi di registrazione differenti, sono state impostate, alcune delle quali sono già state elaborate con la tecnica H/V di Nakamura. I risultati esistenti vengono confrontati con quelli analizzati in questo studio con il metodo descritto sopra, il quale si concentra sull’analisi di dati registrati in tre siti specifici in cui stazioni sismiche organizzate in array registrano la componente verticale del noise. Sono dedotte in seguito le curve di dispersione e l’inversione per l’estrazione di risultati in termini di velocità delle onde di taglio in funzione della profondità; in base a tali valori di velocità, si osservano lo spessore degli strati e la profondità del bedrock per ognuno dei tre siti.