بخشی از مقاله
بررسی روشهای تحلیل طیفی امواج میکروترمور در مطالعات تعیین اثرات ساختگاهی
چکیده
یکی از روشهای موثر در مطالعه اثر ساختگاه بر مشخصات حركات توانمند زمین استفاده از امواج میکروترمور میباشد. با استفاده از نتایج تحلیل این ارتعاشات می توان اثر پارامترهای دینامیکی رسوبات سطحی را بر مشخصات حركات توانمند زمین محاسبه نمود. استفاده از میکروترمورها بدلیل سرعت برداشت، غیر تخریبی بودن و امکان تحلیل مناسب در حوزه فرکانس در مطالعات پهنه بندی لرزهای شهرهای بزرگ کاربرد فراوانی یافته است. از آنجاییکه چشمه ایجاد این امواج بدرستی مشخص نبوده و ماهیتا از امواج سطحی تشکیل شده اند، نحوه پردازشهای اولیه و تحلیل سیگنالها نقش عمده ای در میزان دقت نتایج حاصله ایفا می نماید. به همین منظور در این مقاله روشهای مختلف تحلیلی طیفی از قبیل طیفهای فوریه، خود همبستگی، همبستگی متقابل و همبستگی متقابل قطعه ای با استفاده از نسبت طیفی مولفه ای افقی به قائم (HVSR) جهت تحلیل میکروترمورها در حوزه فرکانس استفاده شد. همچنین به منظور بررسی دقت نتایج، پارامترهای تشدید آبرفت در نقاط اندازه گیری میکروترمورها با استفاده از روش تحلیلی نظری و مطالعات ژئوفیزیکی و ژئوتکنیکی تعیین شده است. سپس پارامترهای تشدید حاصل از روشهای مختلف با نتایج نظری مقایسه و روشی که بیشترین تطابق با نتایج نظری ارائه نموده به عنوان تحلیل طیفی غالب در مطالعات بررسی اثر ساختگاه معرفی شده است.
1- مقدمه
آنچه از دیدگاه مهندسی حضوریک لایه نرم آبرفتی را به هنگام وقوع زلزله حائز اهمیت می سازد، قابلیت تشدید یا بزرگنمایی آن لایه می باشد. امواج زلزله در هنگام انتشار از سنگ بستر به سطح زمین تحت اثر خصوصیات دینامیکی آبرفت در فرکانسهای خاصی تقویت و یا تضعیف می شوند. در صورت برابری این فرکانس با فرکانس طبیعی سازه، پدیده تشديد اتفاق خواهد افتاد. شناخت قبلی از چگونگی و ماهیت این تشدید، بخصوص تشخیص پریودهایی که به ازای آنها ین پدیده صورت می گیرد، از جمله پارامترهای مهمی است که می تواند در طراحی و تحلیل سازه های مقاوم در برابر زمین لرزه مورد استفاده قرار گیرد.
در مطالعات مهندسی زلزله، تخمین اثر ساختگاه در حوزه فرکانس به دلیل سادگی روش و تسریع در محاسبه از
اهمیت خاصی برخوردار است. روشهای مختلفی برای تخمین ضریب بزرگنمایی ساختگاه هم جهت مطالعات ریز پهنه بندی و هم بررسی خطر زمین لرزه برای سازه های خاص مورد استفاده قرار می گیرند.
یکی از روشهای موثر در مطالعه اثر ساختگاه بر مشخصات حرکات توانمند زمین تحلیل امواج میکروترمور با استفاده از نسبت طیفی مولفه افقی به قائم(HVSR) می باشد. استفاده از میکروترمورها به دلیل سرعت برداشت و غیر تخریبی بودن و امکان تحلیل مناسب در حوزه فرکانس در مطالعات پهنه بندی لرزه ای در شهرهای بزرگ کاربرد یافته است. یادآور می شود که نامعلوم بودن چشمه ایجاد امواج میکروترمورها از سویی و تاثیر آنها از نوع نوفه محلی از سوی دیگر میزان صحت و دقت نتایج حاصله را به نحوه پردازشهای اولیه و تحلیل سیگنالها به شدت وابسته ساخته است. در این راستا روشهای مختلف تحلیل طیفی از قبیل طیفهای فوریه، خود همبستگی، همبستگی متقابل و همبستگی متقابل قطعه ای در آنالیز داده های میکروترمور مورد بررسی قرار گرفت.
از دیگر روشهای قابل اعتماد در برآورد اثرات ساختگاهی، روشهای مبتنی بر نگاشتهای زمینلرزه های واقعی است که بکارگیری آنها مستلزم نصب یک شبکه موقت لرزه نگاری در منطقه می باشد. این روشها علیرغم محدودیتهای اجرائی مانند پیدا کردن مکانهای مناسب برای نصب ایستگاهها، هزینه بر بودن و نیاز به مدت زمان قابل توجه برای ثبت تعداد کافی از زمین لرزه ها نتایجی با قابلیت اعتماد بالا به دست می دهند. به همین منظور و به دلیل در دسترس بودن رکوردهای زلزله، روشهای مختلف تحلیل طیفی مذکور بر روی نگاشتهای موجود زلزله نیز اعمال گردید و نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از آنالیز داده های میکروترمور مقایسه شد.
در پایان نیز نتایج بدست آمده از داده های میکروترموربا آنچه از تحلیل نظری بدست آمده است مقایسه گردید.
۲- روشهای مختلف تعیین اثر ساختگاه
به طور کلی دو روش برای تعیین اثر ساختگاه وجود دارد؛ یکی روش مشاهده مستقیم یا اندازه گیری در محل، و دیگری از طریق مدلسازی عددی که بر پایه اطلاعات ژئوتکنیکی و ژئوفیزیکی موجود استوار است. گرچه در گذشته توجه خاصی به استفاده از روشهای عددی وجود داشت، اما با پیشرفت دستگاههای اندازه گیری در سالهای اخیر، تحقیقات به سمت استفاده از روشهای مستقیم و آنالیز نگاشتهای ثبت شده در زلزله های مختلف معطوف شده است. روشهای تجربی تعیین اثر ساختگاه در حالت کلی به دو دسته تقسیم میشوند:
• روش وابسته به ساختگاه مرجع
• روش مستقل از ساختگاه مرجع : روش نسبت طیفی مولفه سطحی به عمقی، روش نسبت طیفی مولفه افقی به قائم
۱ - ۲ - روش نسبت طیفی مولفه افقی به قائم روش نسبت طیفی ( H / V) اولین بار توسط نوگوشی و ایگارشی [1] ، [۲] معرفی گردید. این روش به خصوص جهت تعیین فرکانس غالب ساختگاه در مناطقی که اطلاعات دقیق ژئوتکنیکی و ژئوفیزیکی موجود نبوده و فقط نگاشت زلزله در سطح زمین ثبت شده است، کاربرد فراوان دارد. اگرچه مبنای فیزیکی این روش با استفاده از نگاشتهای زلزله چندان واضح نیست، اما کارائی این روش در تعیین مشخصات تابع بزرگنمائی ساختگاه توسط محققان مختلف به اثبات رسیده است. ناکامورا در ۱۹۸۹ (۳) روش نسبت طیفی مولفه افقی به قائم را به منظور بررسی اثر ساختگاهی با استفاه از امواج میکروترمور به جامعه مهندسی معرفی کرد.
در تحلیل ناکامورا امواج میکروترمور از هر دو نوع حجمی و سطحی تشکیل شده بودند و فرض شده بود که چشمه های سطحی تولید امواج سطحی می نمایند که هر دو مؤلفه افقی و قائم را به صورت یکسان تحت تأثیر قرار می دهد. در این روش فرض می شود مولفه قائم (Z) تحت تأثیر آبرفت نمی باشد و فقط تابع سرشت فرکانسی محیط سنگی است، حال آنکه مؤلفه افقي ( E , N) تحت تأثير اثر ساختگاه واقع شده و نسبت
( H / V), طیف فوریه مؤلفه افقی به مؤلفه قائم میکروترمورها در یک ایستگاه ، می تواند بیانگر تأثیر لایه های رسوبی باشد.
۳- روشهای مختلف محاسبه طیف
روشهای مختلفی جهت محاسبه طیف یک نگاشت وجود دارد که از آن جمله می توان به روشهای تبدیل طیفی فوریه (Fourier Spectrum)، طیف خود همبستگی ( Autospectrum)، طیف خود همبستگی متقابل Cross Spectrum و طیف خود همبستگی متقابل قطعه ای Segmental Cross - Spectrum
[۴] ، [۵] اشاره نمود. هر یک از روشها دارای محاسن و معایبی است که در ادامه به تشریح آن خواهیم پرداخت.
۱ - ۳ - طیف فوریه (Fourier Spectrum)
روش تبدیل فوریه یکی از متداولترین روشها در تعیین طیف نگاشت می باشد که از تبدیل فوریه ساده نگاشت مطابق رابطه زیر حاصل می گردد.
۲ - ۳ - طیف خود همبستگی (Autospectrum) در این روش ابتدا تابع خود همبستگی نگاشت مطابق رابطه ذیل محاسبه گردیده است:
که در آن تابع خود همبستگی می باشد. سپس طیف خود همبستگی با استفاده از تبدیل فوریه تابع خود همبستگی مطابق رابطه (۳) بدست می آید.
که در آن بیانگر طیف خود همبستگی می باشد. رابطه ذیل بین تابع خود همبستگی و طیف فوریه برقرار می باشد.
که در آن تبدیل فوریه تابع می باشد. به عبارت دیگر طیف خود همبستگی متقابل معادل طیف انرژی می باشد.
۳ - ۳ - طیف همبستگی متقابل ( Cross- Spectrum ) طیف همبستگی متقابل از تبدیل فوریه تابع همبستگی متقابل مطابق روابط ذیل حاصل می گردد.
که در آن تابع همبستگی متقابل ورودی و خروجی و Sxy طیف همبستگی متقابل می باشد. |
تابع همبستگی متقابل می تواند سیگنال را که ضرورت تناوبی نمی باشد را در زمینه نویز قوی آشکار سازد. خصوصا در حالتی که نویز زمینه قبل از ثبت سیگنال در دسترس باشد، این تابع می تواند قویا اثر نویز را از سیگنال تفکیک نماید. حال آنکه تابع خود همبستگی در حالتی که سیگنال ثبت شده در زمینه نویز قوی دارای خاصیت تناوبی باشد می تواند چنین نقشی را ایفا نماید. بنابراین تابع همبستگی متقابل می تواند نسبت سیگنال به نویز بالاتری را در تحلیلهای طیفی فراهم نماید. این مفهوم مهم تابع همبستگی متقابل نسبت به تابع خود همبستگی و یا طیف فوریه می تواند نقش مهمی را در تحیل سیستم با استفاده از نسبت طیفی ارائه نماید [۶].
3 - 4 - طیف همبستگی متقابل قطعه ای (Segmental Cross- Spectrum ) این طیف اولین بار توسط قایمقامیان و کاواکامی [۴] به منظور آنالیز طیفی داده های میکروترمورها مطابق روابط (۷) و (۸) عنوان گردید.
که در آن تابع همبستگی متقابل دو تکه مجاور هم در نگاشت ثبت شده خروجی و ورودی می باشد. برتری استفاده از این روش در این است که نه تنها خواص تابع همبستگی متقابل را دارد بلکه می تواند نویز تصادفی را نیز در طول نگاشت ثبت شده به طور قابل ملاحظه ای حذف و باعث افزایش نسبت سیگنال به نیز در تحیلهای طیفی گردد. به علاوه در صورتیکه این روش برای آنایز امواج میکروترمور به کار رود، می تواند اثر چشمه ایجاد امواج میکروترمور را به علت استفاده از مشخصات فازی نگاشت حذف نموده و یا به شدت کاهش دهد [۴]. از آنجایی که یکی از معایب استفاده از امواج میکروترمور در تحلیل ساختگاه اثر چشمه های ایجاد کننده آن می باشد، این روش توانسته به نحو قابل ملاحظه ای با حذف اثر چشمه به کارایی آن در عمل بیفزاید.
۴- تعیین اثرات ساختگاه
همانطور که ذکر شد، از جمله روشهای تجربی برآورد اثرات ساختگاهی استفاده از شبکه های موقت یا دائم لرزه نگاری و ثبت زمینلرزه های واقعی و ارتعاشات محیطی می باشد. در این راستا، با توجه به مطالعات زمین شناسی مهندسی صحرایی و همچنین اطلاعات ژئوتکنیک موجود، یک شبکه لرزه نگاری ثابت مشتمل بر ۷ ایستگاه در شهر بم طراحی و اجرا شد. محل ایستگاههای هفتگانه در شکل (۱) نشان داده شده است. ایستگاههای نصب شده همگی از نوع دستگاه سه مولفه ای (6- Guralp ( CMG بوده اند. نحوه ثبت نگاشتها در ایستگاههای ثابت به صورت پیوسته انتخاب گردید و لذا حجم قابل ملاحظه ای از داده ها اعم از ارتعاشات محیطی و زمینلرزه در منطقه ثبت گردید. بنابراین امکان مطالعه اثر ساختگاه با استفاده از اندازه گیریهای میکروترمور به موازات رکوردهای زلزله فراهم گردید.
هفت ایستگاه مورد مطالعه با اسامی ارگ بم، اداره کشاورزی، اداره پست، منابع طبیعی، اداره هواشناسی، کمیته امداد و بروات معرفی شده اند.
