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Investigation of effects of poroelasticity on seismic wave speed in Argostoli, Greece

Sophie Marie Theresa Authried

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Joint-Masterstudium Physics of the Earth (Geophysics)

Betreuer*in

Peter Moczo

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DOI

10.25365/thesis.72041

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13801.14914.831826-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Geschwindigkeit der oberflächennahen Scherwelle (in der Seismologie oft als S-Wellengeschwindigkeit bezeichnet) ist einer der Schlüsselparameter, der die Amplituden der Bodenbewegungen bei Erdbeben beeinflusst und somit zu Standorteffekten beiträgt. Ihre Empfindlichkeit gegenüber saisonalen Schwankungen des niederschlagsinduzierten Bodenfeuchtigkeitsgehalts wurde durch seismische Beobachtungen für einen der erdbebenaktivsten Messstandorte Europas in Argostoli, Griechenland, quantifiziert. Wir haben eine parametrische Untersuchung der dort beobachteten saisonalen Variation der S-Wellengeschwindigkeit in der Oberflächensedimentschicht durchgeführt. Unter der Annahme, dass die Schicht als poroelastisches Medium modelliert werden kann, war unser Ziel, mögliche poroelastische Materialien zu finden, die die beobachtete saisonale Schwankung der S-Wellengeschwindigkeit erklären könnten. Daher haben wir ein Programm entwickelt, das auf dem sogenannten Neighbourhood Algorithm basiert, um nach optimalen poroelastischen Parametern zu suchen, die das Material am Standort beschreiben. Basierend auf begrenzten Inputinformationen zu den Wellengeschwindigkeiten und der Dichte, die durch seismische Beobachtungen erlangt wurden, haben wir Inversionen sowohl für die Trocken- als auch für die Regenzeit durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Material während der Trockenzeit unter der Annahme einer 100%igen Luftsättigung der Poren durch ein Modell dargestellt werden kann, das aus Mittelwerten poroelastischer Parameter besteht, die mittels zahlreicher Inversionen erhalten wurden. Die Materialparameter dieses Modells stimmen insgesamt mit den Parametern geologischer Materialien wie Schluff, schluffiger Sand, leicht konsolidierter Sand und grober Sand überein. Die Ergebnisse für die Regenzeit zeigen, dass sich die elastischen Parameter der Gesteinsmatrix zwischen der Trocken- und der Regenzeit ändern. Dies weist darauf hin, dass der sich ändernde Bodenfeuchtegehalt und die entsprechende porenfüllende Mischung aus Wasser und Luft durch physikalische und chemische Wechselwirkungen mit der Matrix eine Änderung der Oberflächenenergie des Gesteinsmaterials bewirken können. Die für die Regenzeit erhaltenen Materialparameter einzelner Modelle scheinen physikalisch plausibel und konsistent mit ähnlichen Materialien, wie sie für die Trockenzeit gefunden wurden. Aufgrund einer großen Streuung von Parameterwerten (verursacht durch begrenzte Inputdaten der Inversion) führte die Inversion für die Regenzeit jedoch nicht zu einem bestimmten Modell, das als das am meisten bevorzugte angesehen werden könnte.

Abstract

(Englisch)

The near-surface shear wave (S-wave) speed (often called S-wave velocity in seismology) is one of the key parameters impacting amplitudes of earthquake ground motion and thus contributing to site effects. Its sensitivity to the seasonal variation of rainfall-induced soil moisture content was quantified by seismic observations for one of the most earthquake active sites of Europe in Argostoli, Greece. We performed a parametric investigation of this observed seasonal variation of the S-wave speed in the surface sedimentary layer at the site. Under the assumption that the layer can be modelled as a poroelastic medium, our goal was to find possible poroelastic materials that could explain the observed seasonal variation of the S-wave speed. Therefore, we developed a computational program based on the Neighbourhood Algorithm to search for optimal poroelastic parameters describing the material at the site. Based on limited input information on the wave speeds and density constrained by observations, we performed inversions for both dry and wet seasons. Our results show that the material during the dry season, with the assumption of 100% air saturation of the pores, can be represented by a single model consisting of mean values of poroelastic parameters obtained from numerous inversions. Material parameters of this model are overall consistent with parameters of geological materials such as silts, silty sands, lightly consolidated sands, and coarse sands. Results for the wet season reveal that the elastic parameters of the matrix change between the dry and wet seasons. This indicates that the changing soil moisture content and corresponding pore-filling mixture of water and air may cause a change in surface energy of the rock material by physical and chemical interactions with the matrix. Material parameters of individual models obtained for the wet season seem physically plausible and consistent with similar materials as found for the dry season. However, due to a wide scatter of parameter values, caused by limited input data in the wet inversion, the wet inversion did not lead to one model that could be considered the most preferable.

Autor*innen

Sophie Marie Theresa Authried

Haupttitel (Englisch)

Investigation of effects of poroelasticity on seismic wave speed in Argostoli, Greece

Paralleltitel (Deutsch)

Erforschung von Auswirkungen der Poroelastizität auf seismische Wellengeschwindigkeit in Argostoli, Griechenland

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

X, 75 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Peter Moczo

Klassifikation

38 Geowissenschaften > 38.79 Geophysik: Sonstiges

AC Nummer

AC16598131

Utheses ID

63906

Studienkennzahl

UA | 066 | 680 | |

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