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1D shallow sedimentary subsurface imaging using ambient noise and active seismic data

1D Bildgebung oberflächennaher Sedimente mit Hilfe von Daten der allgemeinen, seismischen Bodenunruhe und Daten der aktiven Seismik

  • The Earth’s shallow subsurface with sedimentary cover acts as a waveguide to any incoming wavefield. Within the framework of my thesis, I focused on the characterization of this shallow subsurface within tens to few hundreds of meters of sediment cover. I imaged the seismic 1D shear wave velocity (and possibly the 1D compressional wave velocity). This information is not only required for any seismic risk assessment, geotechnical engineering or microzonation activities, but also for exploration and global seismology where site effects are often neglected in seismic waveform modeling. First, the conventional frequency-wavenumber (f - k) technique is used to derive the dispersion characteristic of the propagating surface waves recorded using distinct arrays of seismometers in 1D and 2D configurations. Further, the cross-correlation technique is applied to seismic array data to estimate the Green’s function between receivers pairs combination assuming one is the source and the other the receiver. With the consideration of a 1D media,The Earth’s shallow subsurface with sedimentary cover acts as a waveguide to any incoming wavefield. Within the framework of my thesis, I focused on the characterization of this shallow subsurface within tens to few hundreds of meters of sediment cover. I imaged the seismic 1D shear wave velocity (and possibly the 1D compressional wave velocity). This information is not only required for any seismic risk assessment, geotechnical engineering or microzonation activities, but also for exploration and global seismology where site effects are often neglected in seismic waveform modeling. First, the conventional frequency-wavenumber (f - k) technique is used to derive the dispersion characteristic of the propagating surface waves recorded using distinct arrays of seismometers in 1D and 2D configurations. Further, the cross-correlation technique is applied to seismic array data to estimate the Green’s function between receivers pairs combination assuming one is the source and the other the receiver. With the consideration of a 1D media, the estimated cross-correlation Green’s functions are sorted with interstation distance in a virtual 1D active seismic experiment. The f - k technique is then used to estimate the dispersion curves. This integrated analysis is important for the interpretation of a large bandwidth of the phase velocity dispersion curves and therefore improving the resolution of the estimated 1D Vs profile. Second, the new theoretical approach based on the Diffuse Field Assumption (DFA) is used for the interpretation of the observed microtremors H/V spectral ratio. The theory is further extended in this research work to include not only the interpretation of the H/V measured at the surface, but also the H/V measured at depths and in marine environments. A modeling and inversion of synthetic H/V spectral ratio curves on simple predefined geological structures shows an almost perfect recovery of the model parameters (mainly Vs and to a lesser extent Vp). These results are obtained after information from a receiver at depth has been considered in the inversion. Finally, the Rayleigh wave phase velocity information, estimated from array data, and the H/V(z, f) spectral ratio, estimated from a single station data, are combined and inverted for the velocity profile information. Obtained results indicate an improved depth resolution in comparison to estimations using the phase velocity dispersion curves only. The overall estimated sediment thickness is comparable to estimations obtained by inverting the full micortremor H/V spectral ratio.show moreshow less
  • Oberflächennahe Sedimente wirken oft als Verstärker für einfallende seismische Wellenfelder. Im Rahmen meiner Doktorarbeit konzentriere ich mich auf die Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes von einigen zehn bis zu hundert Metern Sedimentabdeckung. Dabei leite ich Tiefenprofile (1D) der seismische Scherwellengeschwindigkeit (Vs) und wenn möglich auch der Kompressionswellengeschwindigkeit (Vp) aus seismischen Daten ab. Diese Informationen sind nicht nur für jede Erdbebenrisikobewertung, Geotechnik- oder Mikrozonierungsaktivität erforderlich, sondern sind auch für die seismische Erkundung und globale Seismologie von Bedeutung, da Standorteffekte in seismischen Wellenformmodellierungen oft vernachlässigt werden. Zuerst wird die herkömmliche Frequenz-Wellenzahl (f - k) Technik verwendet, um die Dispersionskurven der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenwellen abzuleiten. Die zugrundeliegenden Daten stammen von Seismometerarrays in unterschiedlichen 1D- und 2D-Konfigurationen. In einem weiteren Schritt wird die Green’s FunktionOberflächennahe Sedimente wirken oft als Verstärker für einfallende seismische Wellenfelder. Im Rahmen meiner Doktorarbeit konzentriere ich mich auf die Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes von einigen zehn bis zu hundert Metern Sedimentabdeckung. Dabei leite ich Tiefenprofile (1D) der seismische Scherwellengeschwindigkeit (Vs) und wenn möglich auch der Kompressionswellengeschwindigkeit (Vp) aus seismischen Daten ab. Diese Informationen sind nicht nur für jede Erdbebenrisikobewertung, Geotechnik- oder Mikrozonierungsaktivität erforderlich, sondern sind auch für die seismische Erkundung und globale Seismologie von Bedeutung, da Standorteffekte in seismischen Wellenformmodellierungen oft vernachlässigt werden. Zuerst wird die herkömmliche Frequenz-Wellenzahl (f - k) Technik verwendet, um die Dispersionskurven der Phasengeschwindigkeit von Oberflächenwellen abzuleiten. Die zugrundeliegenden Daten stammen von Seismometerarrays in unterschiedlichen 1D- und 2D-Konfigurationen. In einem weiteren Schritt wird die Green’s Funktion zwischen verschiedenen Empfängerpaaren aus den Daten des seismischen Arrays geschätzt. Dabei wird die Kreuzkorrelationstechnik verwendet. In einem virtuellen 1D Experiment der aktiven Seismik werden die abgeleiteten Green’s Funktionen der Interstationsdistanz nach geordnet. Dann wird die f-k Technik verwendet um wiederum Dispersionskurven abzuleiten. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht die Analyse einer grösseren Bandbreite für die Dispersionskurven und daher eine verbesserte Auflösung des 1D Tiefenprofils der Scherwellengeschwindigkeit (Vs). In einem zweiten Schritt wird ein neuer Ansatz, basierend auf der diffusen Wellenfeldannahme (engl., Diffuse Field Assumption, DFA), zur Interpretation beobachteter horizontal zu vertikalen Spektralamplitudenverhältnissen (H/V-Spektralverhältnisse), die aus allgemeiner Bodenunruhe abgeleited wurden,genutzt. Diese Theorie wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erweitert, um nicht nur an der Oberfläche gemessene H/V- Spektralverhältnisse interpretieren zu können sondern auch Messungen in der Tiefe (Bohrloch) und in mariner Umgebung (Ozeanboden). Eine Modellierung und Inversion von synthetischen HV- Spektralverhältnissen für vordefinierte, einfache geologische Strukturen zeigt eine nahezu perfekte Identifikation/Rekonstruktion der Modellparameter (im wesentlichen Vs und in geringerem Maße Vp), wenn die zusätzliche Information von HV- Spektralverhältnissen eines Empfängers in der Tiefe bei der Inversion berücksichtigt wird. Letztlich wurden (i) Phasengeschwindigkeiten von Rayleighwellen, die aus einem Arraydatensatz geschätzt wurden, mit (ii) H/V-Spektralverhältnissen einer Einzelstation kombiniert invertiert, um Tiefen-profile seismischer Geschwindigkeiten (Vs, Vp) zu bestimmen. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass sich mit einer kombinierte Inversion seismische Geschwindigkeiten bis in größere Tiefen bestimmen lassen, verglichen mit der Inversion von nur Phasengeschwindigkeiten allein. Die geschätzte Gesamtmächtigkeit von Oberflächensedimenten aufgrund der kombinierten Inversion ist vergleichbar mit der, abgleitet von nur H/V-Spektralverhältnissen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Agostiny Marrios LontsiORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103807
Advisor:Frank Krüger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2017/01/30
Release Date:2017/02/28
Tag:Dispersionskurven; Interferometrie; Inversion; Inversionstheorie; Standorteffekte; Vs Profile; aktive Seismik; passive Seismik; virtuelle aktive Seismik
Vs profiles; active seismic; dispersion curves; interferometry; inverse theory; inversion; passive seismic; site effects; virtual active seismic
Pagenumber:xix, 119
RVK - Regensburg Classification:UT 2500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05]
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
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