Evaluation of seismic shaking intensity gains by high frequency microseism registration method (as exemplified by a developable site in Uzhgorod)

Abstract

Мета. Отримати уточнені параметри сейсмічної небезпеки майданчика під реконструкцію з розширенням заводу по виробництву компонентів для електронної промисловості методом реєстрації високочастотних мікросейсмів. Дати кількісну оцінку розрахункової інтенсивності сейсмічних струшувань (в балах шкали MSK-64) з урахуванням ефектів, пов’язаних з локальними інженерно-геологічними умовами досліджуваного майданчика. Методика. Виконання практичних робіт з сейсмічного мікрорайонування будівельних майданчиків передбачає використання методу реєстрації короткоперіодних мікросейсм, який вважається одним з найбільш ефективних і об'єктивних інструментальних методів СМР при малих термінах проведення польових сейсмологічних досліджень. Застосування методу ґрунтується на порівнянні параметрів мікроколивань ґрунтів, які збуджуються джерелами природного і техногенного походження на досліджуваній і еталонній ділянках. Ґрунт при цьому розглядається як фільтр, який може змінювати амплітудний і фазовий спектри коливань в сейсмічних хвилях, падаючих на підошву осадового чохла. Прирости сейсмічної інтенсивності визначаються за результатами порівняння амплітуд коливань ґрунтів в пунктах реєстрації на різних ділянках майданчика і на еталонному пункті. Запис мікросейсм виконувався двома ідентичними триканальними цифровими сейсмічними станціями DAS-05, найновішими з модельного ряду автоматичних сейсмостанцій, розроблених в Інституті геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України. У якості сейсмоприймачів використовувалися сейсмометри “ВЕГІК”. Результати. Аналіз записів мікросейсмічних коливань показав, що основний внесок у формування хвильового поля дають коливання, обумовлені міськими фоновими завадами в діапазоні частот f = 8,0–18,0 Гц, а також низькочастотними природними океанічними впливами f = 0,4–8,0 Гц, високочастотні коливання обумовлені техногенними чинниками f = 18,0–27,0 Гц (рис. 3). Матеріали синхронних цілодобових реєстрацій мікросейсм свідчать про досить високу стабільність амплітудного рівня і частотного складу мікро-сейсмічних коливань, що дозволяє зробити висновок про близькість мікросейсмічного процесу до стаціонарного, при умові усунення з записів нестаціонарних подій. Графіки значень приросту сейсмічної інтенсивності на різних частотах за рахунок ґрунтових умов досліджуваного майданчика, встановлені за співвідношенням усереднених амплітудних спектрів мікросейсм на ньому і на еталонному пункті, показано на рис. 4. Середні в частотному діапазоні 0,1–20,0 Гц оцінки приростів сейсмічної інтенсивності для ґрунтових умов будівельного майданчика, отримані по відношенню спектральних густин мікросейсм на всіх трьох складових коливань, представлені в табл. 1. Приріст сейсмічної бальності, відносно початкової (фонової), для інженерно-геологічних умов ділянки складає: ΔIr = -0,21 бала. Наукова новизна. За співвідношенням амплітуд і амплітудних спектрів мікросейсм, зареєстрованих на різних ділянках майданчика і на еталонному пункті, отримані уточнені параметри сейсмічної небезпеки майданчика забудови, які враховують вплив локальних ґрунтових умов. Дана кількісна оцінка розрахункової інтенсивності сейсмічних струшувань (в балах шкали MSK-64) з урахуванням ефектів, пов‘язаних з локальними інженерно-геологічними умовами досліджуваного майданчика. Практична значущість. СМР майданчиків будівництва дає уточнені значення сейсмічних впливів відносно загального сейсмічного районування країни, що дозволяє на етапі проектування сейсмостійкого будівництва враховувати можливий приріст сейсмічної бальності. Врахування результатів СМР при будівництві інженерних конструкцій дозволяє уникнути людських жертв і зменшити економічні втрати при сейсмічних проявах.

Objective. To refine seismic hazard parameters by registering high-frequency microseisms within the site under reconstruction in connection with the land plot enlargement of a plant intended for electronic components manufacturing. To quantify the estimated intensity of seismic shakings (in MSK-64 scale scores) accounting for the effects associated with local engineering and geological conditions at the study site. Methods. Seismic microzonation practical works at construction sites implies the application of short-period microseism registration method, which is considered to be one of the most efficient and unbiased instrumental SMZ methods when the field seismological studies are to be performed in a short period of time. The method relies on comparing parameters of soil micro-vibrations generated by natural and anthropogenic sources at the studied and the reference sites. At that, the soil is regarded as a filter capable of modifying the amplitude and phase oscillation spectra of seismic waves hitting the sedimentary cover basement. The seismic intensity gains were determined by comparing the amplitudes of soil oscillations at registration points over several sections of the site and at a reference point. Microseisms were recorded by using two identical three-channel digital seismic stations DAS-05 being the newest ones out of the model series of automatic seismic stations developed at S. I. Subbotin Institute of Geophysics of the NAS of Ukraine. VEGIK seismometers were used as seismometers. Results. Microseismic oscillation recording analysis has revealed that the main contribution to the formation of a wave field is due to the urban background disturbances falling within the frequency range of f = 8.0 – 18.0 Hz, as well as low-frequency natural oceanic effects amounting to f = 0.4–8.0 Hz while highfrequency vibrations are caused by anthropogenic factors amounting to f = 18.0–27.0 Hz (Fig. 3). Data of synchronous 24- hour microseism registering have indicated a sufficiently high stability of the amplitude level and frequency composition of microseismic oscillations, which suggests that the microseismic processes approximate stationary ones, provided that nonstationary events are removed from records. Plots of seismic intensity gain values at different frequencies caused by soil conditions at the studied site, determined according to the relation of averaged microseismic amplitude spectra both at the studied and reference site, are shown in Fig. 4. The average estimates of seismic intensity gains in the frequency range of 0.1–20.0 Hz for the construction site soil conditions, calculated with respect to microseismic spectral densities per all three vibration components, are presented in Table 1. The seismic intensity gain in relation to the initial (background) one for the engineering and geological conditions of the site equals to ΔIr = -0.21. Scientific novelty. Given the amplitude ratio and amplitude spectra of microseisms recorded at different sites and at the reference point, refined parameters of seismic hazards for the developable site have been obtained with consideration of the local soil conditions effects. Evaluation ratings of seismic shaking calculated intensity (in MSK-64 scale scores) based on effects associated with the local engineering and geological conditions of the study site have been provided. Practical significance. Construction site SMZ yields updated values of seismic forces relative to the general seismic zonation of the country, which allows taking into account possible gain in seismic severity at the design stage of earthquake-proof construction. Consideration of SMZ results at construction of engineering structures prevents human casualties and reduces economic losses in case of seismic manifestations.