Characterization of the sedimentary cover at the Himalayan foothills using active and passive seismic techniques在喜馬拉雅山下使用主被動之地震技術表示沉積層

授課教授：謝平城 教授指導教授：馮正一 教授報告學生：林博翔 7102042026

Journal of Applied Geophysics 73 (2011) 196–206

大綱

前言 研究區域 研究方法 數據採集 數據分析與結果 結論

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Introduction

土壤之空間分布和厚度已被土木工程界所重視，因此現地物理勘查已成為地震風險特徵的重要部分。

主要分為鑽孔數據 (borehole data) 及地球物理探勘 (geophysical prospecting) 之方法探測地下結構。

傳統上使用 SPT標準貫入試驗 (Standard Penetration Test) 估計土壤剛度 (Stiffness) ，為近年來地球物理探勘技術。

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Geological characteristics of the study area (1/3)

研究區域為印度的恆河平原，印度板塊隱沒於歐亞大陸板塊，產生西馬拉雅山，其由喜馬拉雅正面推力 (Himalayan Frontal Thrust,簡稱HFT) 沿西北 - 東南方向作用造成長度分段。

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考慮到不同地點之地質和 HFT 之特性，選出三個地點：

(1) 、 Nirmal Gyan Ashram (2) 、 Roshnabad (3) 、 Dhanauri

Geological characteristics of the study area (2/3)

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Geological characteristics of the study area (3/3)

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Methodology (1/7)

1. H/V 方法 2. 主動 / 被動 MASW 3. f - k 分析

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Methodology (2/7)H/V method

此方法由  Nakamura 研發。

記錄周圍訊號 (ambient noise) 之水平與垂直分量之傅立葉頻譜振幅值比可得其基本頻率和放大因子。

主要分析可得沉積層厚度。

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Methodology (3/7)Active MASW and passive remote MASW techniques

主動 MASW 和被動 MASW 記錄震動訊號之功率譜 (power spectrum) 振幅，作為在相位速度中一個函數之頻率。

功率譜中最大值被定為表面波之頻散曲線，最大差別在於數據採集之震源類型。

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Methodology (4/7)Active MASW and passive remote MASW techniques

主動 MASW 有效之頻散曲線頻率範圍約 5-15 Hz ，對應於短波長約 1~30 m ，最大深度的調查約 10 ~30 m ，而被動 MASW之頻散曲線是在較低之頻率範圍，波長範圍從幾公里 ( 自然震源 ) 到 幾十或幾百公尺 ( 人為震源 ) 。

Park 等人建議組合主動與被動之方法，以增廣可分析之頻率範圍。

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Methodology (5/7)Active MASW and passive remote MASW techniques

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Methodology (6/7) f–k analysis

使用陣列技術接收周圍訊號之測量，地震訊號特徵由頻率 - 波數譜密度函數提供頻率函數和傳遞波向量速度之有關資訊。

目的是獲得不同波速和方向。

頻率 - 波數法主要是由頻率（ f ）和波速（ k ）兩個函數所組成。

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Methodology (7/7) f–k analysis

地下構造是均質（ homogeneous）且等向（ isotropic）的水平地層，當平面波入射陣列，每測站接收到波會有時間差，即可依到時的不同，利用時間移位法（ time shift），得到平面波的特性。但功率譜可以被估計由兩種方法 beam-forming method (BFM) 、 maximum likelihood method (MLM) 。

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Data acquisition (1/5)

沿著 HFT 採取主動與被動 MASW 量測三個區位

1. NGA （ 30.02°N ， 78.08°E ） 2. Roshnabad （ 29.35°N ， 78.02°E ） 3. Dhanauri （ 29.33°N ， 77.34°E ）

本研究發在現城市中學校操場為最合適之試驗地。

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Data acquisition (2/5)H/V measurements

H / V 方法是一種便利、便宜之調查方式，因為只需要一個三分量傳感器。

Guralp CMG 40T-1 （ 1 ~100赫茲）， 24 位元之地震數據採集系統中， DM 24-S3 為 100赫茲之採樣速率，配合周圍訊號測量。在每個站點記錄約 30 ~45 分鐘。並使用 GPS確定每個站點之位置。

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Data acquisition (3/5)MASW measurements

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Data acquisition (4/5)Passive remote MASW measurements

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25 m

Data acquisition (5/5)f–k experiment

訊號測量由 8 個獨立之寬頻接收器沿圓周等間距排放，圓心再外加一個接收器。

在三站中， NGA圓陣列直徑100m 、 Roshnabad圓陣列直徑100m 、 Dhanauri圓陣列直徑 70m ， 9個寬頻接收器頻率範圍 0.004~20Hz ，採樣頻率 100Hz ，持續記錄時間 90 分鐘。

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Data analysis and results (1/6)

1. H/V 分析 : 共振頻率 2. 表面波頻散曲線 ( 主 / 被動 MASW ) 3. 表面波頻散曲線 ( f-k 方法 ) 4. 頻散曲線比較 5. 剪力波速剖面

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Data analysis and results (2/6)H/V analysis 基本共振頻率 0.2 Hz at Dhanauri 0.45 Hz at Roshnabad 0.7 Hz at NGA

表示沉積物的厚度增加。

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0.2 Hz

0.45 Hz

0.7 Hz

Data analysis and results (3/6)active MASW and passive remote MASWSurface wave dispersion curves 使用 SurfSeis 2.0 軟體進行數據處理，且可

得頻率 - 相速度之圖像，再從圖像中定出頻散曲線。

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以 SESARRAY 分析選擇 30 個循環(cycles) ，波速域是有限兩個參數，網格步驟決定最大分辨率；網格的大小決定走樣限制。

這兩個限制獲得理論之陣列響應，取決於陣列的配置。 ( 接收器之數量和排列組合 )

Data analysis and results (4/6)Surface wave dispersion curves obtained by f–k analysis

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2Hz 6Hz3Hz 15Hz

3Hz

17Hz

不同方法所得到頻散曲線。( 主動式MASW、被動式MASW、結合主被

動 MASW 、 F-K 技術、所有技術之非加權平均 )

主動 MASW 在高頻提供良好之估計，適用於淺層表面。

被動式 MASW 及 f - k 則用在較低頻，適用於較深層。

Data analysis and results (5/6)Comparison of dispersion curves

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Data analysis and results (6/6) S-wave velocity profiles

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Conclusions

將三種不同之陣列技術用來估計頻散曲線並結合討論，使得其深度及提高精準度，再加上 H/V 進行分析，即可得到沉積物的厚度。

Dhanauri Roshnabad NGA

底岩速度 (m/s) 508 742 1059

底岩深度 ( m2 ) 587 460 456

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感謝聆聽