Szeizmikus helyhatások

A szeizmikus weboldal hatásai, amelyek a földfelszínhez közeli geológiai rétegekben a szeizmikus hullámok felerősödésének felelnek meg . A talaj mozgása a felszínen kedvezőtlen geológiai feltételek (pl. Üledékek) fennállása esetén nagymértékben felerősödhet. A földrengés miatti pusztulást ezután súlyosbítja, mint például az 1985-ös mexikói földrengés esetében . Az üledékes medencék esetében gyakran hasonlítunk egy tál zselével , amelyet megrázunk.

Ez a cikk röviden meghatározza a jelenséget, bemutatja az 1985-ös mexikói földrengés példáját , elméleti elemzést kínál a jelenségről ( mechanikus hullámokon keresztül ), és részletesen bemutat néhány kutatási eredményt a szeizmikus helyszínekről Caracasban .

A jelenség meghatározása

Terjedésük során a szeizmikus hullámok visszaverődnek és megtörnek a különböző geológiai rétegek közötti határfelületen (1. ábra).

Az 1. ábra példája szemlélteti a vízszintes geológiai rétegek szeizmikus hullámának amplifikációját. Homogén, rugalmas félteret veszünk figyelembe (zöld színnel), amelyen állandó vastagságú (szürke) rugalmas üledékréteg nyugszik . Az amplitúdó nyíróhullám incidenciával éri el a féltér és az üledékes réteg közötti határfelületet . Így szül: h{\ displaystyle h} SH{\ displaystyle SH}NÁL NÉL2{\ displaystyle A_ {2}}θ2{\ displaystyle \ theta _ {2}}

• Egy hullám tükröződik az alsó fél-térben az amplitúdó és előfordulásiNÁL NÉL2′{\ displaystyle A_ {2} ^ {'}}θ2{\ displaystyle \ theta _ {2}}

• az amplitúdó és az incidencia felső rétegében megtört (vagy átvitt) hullámNÁL NÉL1{\ displaystyle A_ {1}}θ1{\ displaystyle \ theta _ {1}}

Maga a rétegben megtört hullám olyan hullámot eredményez, amely az amplitúdó és az incidencia szabad felületén tükröződik . Ez a hullám többször visszaverődik és megtörik a réteg alján és tetején. Ha a réteg kevésbé merev, mint a félig-tér, a felület amplitúdó nagyobb lehet, mint , és vezet a amplifikációját szeizmikus hullámok vagy szeizmikus külső hatásai . Ha a felületek közötti geológiai rétegek nem vízszintes, de az is lehetséges, hogy tanulmányozza a hatását szeizmikus helyszínen, figyelembe véve a vízgyűjtő hatások miatt bonyolult geometriájú az üledék tölteléket. NÁL NÉL1′{\ displaystyle A_ {1} ^ {'}}θ1{\ displaystyle \ theta _ {1}}NÁL NÉL2{\ displaystyle A_ {2}}

Ebben a cikkben néhány példát javasolunk a nagy földrengések során megfigyelt vagy szimulált szeizmikus helyekre, valamint elméleti elemzést adunk az amplifikációs jelenségről.

Példa: helyszínhatások Mexikóvárosban (1985)

Az 1985. évi mexikói – michoacani földrengés során szeizmikusan kihangsúlyozták a szeizmikus területek hatásait . Míg a földrengés epicentruma a Csendes-óceán oldalán, Mexikóvárostól több száz kilométerre volt, a földrengések rendkívül erőszakosak voltak, amelyek jelentős károkat okoztak.

A 2. ábra a földrengés során az epicentrumtól különböző távolságokon készült felvételeket mutatja . Az epicentrumtól különböző távolságokon mért gyorsulás amplitúdója nagyban változik:

• Campos állomás  : ez az állomás nagyon közel helyezkedik el az epicentrumhoz, és maximális gyorsuláson ment keresztül ,150 vs.m/s2{\ displaystyle 150 ~ cm / s ^ {2}}

• Teacalco állomás  : ez az állomás az epicentrumtól több mint 200 km-re található, és lényegesen kisebb maximális gyorsuláson esett át (hozzávetőlegesen ). Ez a csökkenés az amplitúdóban annak köszönhető, hogy a csillapítás a hullámok során terjedési  : geometriai csillapítás expanziója következtében a hullám elülső és anyag (vagy belső) csillapítás miatt az energia eloszlatását a közegben (pl közötti súrlódás szemcsék),18. vs.m/s2{\ displaystyle 18 ~ cm / s ^ {2}}

• UNAM állomás  : ez az állomás az epicentrumtól több mint 300 km-re található, és a Teacalco állomáson regisztráltnál nagyobb maximális gyorsuláson ment keresztül ,35 vs.m/s2{\ displaystyle 35 ~ cm / s ^ {2}}

• SCT állomás  : ez az állomás Mexikóváros központjában található, csaknem 400 km-re az epicentrumtól, és nagyon erős maximális gyorsuláson ment keresztül .170 vs.m/s2{\ displaystyle 170 ~ cm / s ^ {2}}

Ezért meg kell jegyezni, hogy a gyorsulás amplitúdója meredeken csökken, mielőtt megnőne az üledéktöltet közelében, amelyen Mexikóváros kialakult.

A szeizmikus helyhatások elméleti elemzése: táblázatos közeg

Táblázatos környezet esetén (állandó vastagságú rétegek, lásd az 1. ábrát) elméletileg lehetőség van a szeizmikus helyhatások elemzésére. A nyíróhullámot (azaz az ábra síkjára merőlegesen polarizált) visszatükrözzük és megtörjük a két közeg határfelületén, és visszaverődünk a szabad felületen. SH{\ displaystyle SH}

Az 1. ábra alapján elemezhetjük a különböző hullámok terjedését az üledékrétegben ( ) és a féltérben ( ). Ha feltételezzük, hogy ezek a közegek lineárisan rugalmasak, és az interfész folytonossági feltételeit ( elmozdulás és feszültségvektor ), valamint a szabad felület körülményeit írjuk fel, meghatározhatjuk a felületen mozgás és a mozgás közötti spektrális arányt. üledékréteg hiányában a féltér felületén legyen: én=1{\ displaystyle i = 1}én=2{\ displaystyle i = 2}T¯(ω){\ displaystyle {\ bar {T}} (\ omega)}

T¯(ω)=2NÁL NÉL12NÁL NÉL2=1kötözősaláta⁡kz1h+énχ¯bűn⁡kz1h{\ displaystyle {\ bar {T}} (\ omega) = {\ frac {2A_ {1}} {2A_ {2}}} = {\ frac {1} {\ cos k_ {z_ {1}} h + i {\ bar {\ chi}} \ sin k_ {z_ {1}} h}}}

hol  ; és: kz1=ωθénVSén{\ displaystyle k_ {z_ {1}} = {\ frac {\ omega \ theta _ {i}} {V_ {S_ {i}}}}}χ¯=μ1ρ1μ2ρ2kötözősaláta⁡θ1kötözősaláta⁡θ2{\ displaystyle {\ bar {\ chi}} = {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {1} \ rho _ {1}} {\ mu _ {2} \ rho _ {2}}}} {\ frac {\ cos \ theta _ {1}} {\ cos \ theta _ {2}}}}

• h{\ displaystyle h} a réteg vastagsága,
• θén{\ displaystyle \ theta _ {i}}az előfordulási a hullám a közegben ,én{\ displaystyle i}
• ρén{\ displaystyle \ rho _ {i}}a sűrűsége a közeg ,én{\ displaystyle i}
• μén{\ displaystyle \ mu _ {i}}a közepes nyírómodul ,én{\ displaystyle i}
• kz1{\ displaystyle k_ {z_ {1}}}az 1. közeg függőleges hullámszáma ,
• VSén=μénρén{\ displaystyle V_ {S_ {i}} = {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {i}} {\ rho _ {i}}}}}a sebesség a nyíróhullámok .

A 3. ábra a spektrumarány alakulását mutatja a frekvencia függvényében a féltér jellemzőinek különböző értékei esetében (tudva, hogy ez az üledékes réteg esetében). Látható, hogy a mozgás erősítése bizonyos frekvenciákon nagyon erős lehet . Az erősítés nagysága a kontraszt a hullám sebessége , és azon a következő maximális értékeket: T¯{\ displaystyle {\ bar {T}}}VS1=200 m/s{\ displaystyle V_ {S_ {1}} = 200 ~ m / s}χ¯{\ displaystyle {\ bar {\ chi}}}

• |T¯mnál nélx|=2{\ displaystyle | {\ bar {T}} _ {max} | = 2}for (kék görbe),VS2=800 m/s{\ displaystyle V_ {S_ {2}} = 800 ~ m / s}
• |T¯mnál nélx|≃3.5{\ displaystyle | {\ bar {T}} _ {max} | \ simeq 3.5}for (zöld görbe),VS2=2000 m/s{\ displaystyle V_ {S_ {2}} = 2000 ~ m / s}
• |T¯mnál nélx|≃6.{\ displaystyle | {\ bar {T}} _ {max} | \ simeq 6}mert (sárga görbe).VS2=5000 m/s{\ displaystyle V_ {S_ {2}} = 5000 ~ m / s}

A piros görbe megfelel annak az esetnek, amikor a réteg és a féltér közötti sebességkontraszt nagyon nagy ( ); az erősítés ekkor nagyon nagy lesz. Amint a 3. ábrán látható, a maximális amplifikációt bizonyos frekvenciákon érjük el, amelyek megfelelnek az üledékréteg rezonanciájának . A alapfrekvenciája réteg (vagy 1 st  rezonanciafrekvenciája) könnyen számítható: . Az alapmód tehát egy negyed hullámhosszú rezonanciának felel meg . χ¯≫1{\ displaystyle {\ bar {\ chi}} \ gg 1}f0=VS14h{\ displaystyle f_ {0} = {\ frac {V_ {S_ {1}}} {4h}}}

Ha az üledékes rétegek nem vízszintesek (pl. Üledékes medence ), az elemzés bonyolultabbnak bizonyul, mivel figyelembe kell venni az oldalirányú heterogenitások által létrehozott felszíni hullámokat (pl. A medence peremeit). Ilyen esetekben a kísérleti elemzések mellett egyszerű esetekben elméleti elemzés, bonyolultabb esetben numerikus elemzés végezhető.

Szeizmikus hatások az üledékes medencékben: példa Caracasból

Az üledékes medencékben a helyszíni hatások a medence szélén kialakuló felszíni hullámok megjelenését is eredményezik . Ez a jelenség nagymértékben növelheti a szeizmikus mozgás erősítését . Az amplifikációs szint romlása a táblázatos esethez képest gyakran 5-10-szeres lehet. Ez mind a rétegek közötti sebesség kontrasztjától, mind a medence geometriájától függ. Ezután felidézzük a medence hatásait, és hasonlíthatjuk a rezgéseket egy tál kocsonyában .

A kanyonokban vagy a félköríves üledékmedencékben a helyszíni hatások elméleti elemzését az 1980-as évek elején félanalitikai módszerekkel végeztük. A legújabb numerikus szimulációk lehetővé tették a helyszíni hatások elemzését ellipszoidos üledékmedencékben. A medence geometriájától függően a helyszín hatásainak romlása a táblázatos esethez képest többé-kevésbé erős.

Amikor az üledékes medence jellemzői ismertek, lehetséges a helyszíni hatások számszerű szimulálása. A 4. ábra példája illusztrálja a Caracas- hely amplifikációs jelenségét . A síkhullám ( ) amplifikációs szintjét a határelem módszerrel számoljuk ki a frekvenciatartományban . Minden színkártya megadja az erősítési szintet egy adott frekvencián  : SH{\ displaystyle SH}NÁL NÉL0{\ displaystyle A_ {0}}f0{\ displaystyle f_ {0}}

• Top: . A domborzat miatti helyhatások jól láthatók a hegy tetején (jobbra). Az üledékes medence miatti helyhatások azonban magasabb szintű amplifikációhoz vezetnek.f0=0,3Hz ; NÁL NÉL0=2.53{\ displaystyle f_ {0} = 0,3 Hz ~; ~ A_ {0} = 2,53}
• középen: . A topográfiai helyhatások elhanyagolhatóak a medence miatti helyhatásokhoz képest, amelyek négyszer erősebbek, mint 0,3 Hz-en.f0=0.4Hz ; NÁL NÉL0=8.83{\ displaystyle f_ {0} = 0.4Hz ~; ~ A_ {0} = 8.83}
• le: . A medence helyhatásai ugyanabban a sorrendben vannak, mint 0,4 Hz-nél, de sokkal rövidebb hullámhossz figyelhető meg.f0=0.6Hz ; NÁL NÉL0=7.11{\ displaystyle f_ {0} = 0,6 Hz ~; ~ A_ {0} = 7,11}

Számos helyszínt elemeztek a különbözõ szerzõk mindkét földrengésnél alacsonyabban, mint az erõs földrengéseknél (lásd az összefoglalót). Ez utóbbi esetben figyelembe kell venni a talaj viselkedésének nem lineáris jellegét nagy terhelés alatt, vagy akár a cseppfolyósodás jelenségét, amely a talaj ellenállásának elvesztéséhez vezethet .

Hivatkozások

1. (en) Semblat JF, Pecker A., Hullámok és rezgések a talajban: földrengések, forgalom, sokkok, építési munkák , Pavie, IUSS Press,2009, 499  p. ( ISBN  978-88-6198-030-3 )
2. Bard PY, Bouchon M. (1985). Az üledékkel teli völgyek kétdimenziós rezonanciája, Bulletin of the Seismological Society of America , 75, 519-541.
3. (in) Singh SK, E. Mena Castro R., "  néhány szempontját forrás jellemzőit szeptember 19, 1985 Michoacan földrengés és a földi mozgást erősítés és környéki Mexico City erős mozgásra vonatkozó adatok  " , értesítője Szeizmológiai Society of America , n o  78 (2),1988, P.  451–477
4. Sánchez-Sesma FJ (1983). A rugalmas hullámok diffrakciója háromdimenziós felületi egyenetlenségekkel, Bulletin of the Seismological Society of America , 73 (6), 1621-1636.
5. Semblat JF, Kham M., Parara E., Bard PY, Pitilakis K., Makra K., Raptakis D. (2005). Helyszínhatások: a medence geometriája és a talajrétegezés, Talajdinamika és Földrengéstechnika , 25 (7-10), 529-538.
6. (a) Chaillat S., Bonnet M., JF Semblat, "  Egy új, gyors Többtartományos BEM modellezésére szeizmikus hullámterjedés és az amplifikáció 3D geológiai szerkezetek  " , geofizikai Journal International , N o  177 (2),2009, P.  509-531
7. Duval AM, A helyszín földrengésekre adott válaszának meghatározása háttérzaj felhasználásával. Kísérleti értékelés, tézis Párizsi VI Egyetem, LPC tanulmányai és kutatása, GT62 , Marne-la-Vallée, Franciaország, IFSTTAR (LCPC),1996
8. Papageorgiou AS, Kim J., "  Tanulmány A terjedési és amplifikáció a szeizmikus hullámok caracasi völgy, hivatkozással a július 29, 1967 földrengés: SH hullámok  ", Bulletin a Szeizmológiai Society of America , n o  81 (6),1991, P.  2214-2233
9. (in) Semblat JF Duval AM Dangla P. "  szeizmikus hatások webhelyről egy mély hordalékos medence: numerikus analízis a Boundary Element Method  " , számítógépek és Geotechnikai , n o  29 (7)2002, P.  573-585
10. Régnier J., Bonilla LF, Bertrand E., Semblat JF (2013). A talaj nemlineáris viselkedésének értékelése a szeizmikus hely válaszában: Statisztikai elemzés a KiK-net erős mozgás adatairól, Bulletin of the Seismological Society of America , 103, 1750-1770.

Kapcsolódó cikkek

• Földrengés
• Szeizmológia
• Szeizmikus hullámok
• Szeizmikus kockázat
• Szeizmikus kockázat Franciaországban

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">