DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-026-08126-5
تاريخ النشر: 2026-04-18
المؤلف: Ali Silahtar وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الخصائص الديناميكية للتربة في منطقة ساكاريا النشطة زلزالياً، الواقعة ضمن منطقة صدع الأناضول الشمالي، باستخدام بيانات الضوضاء الزلزالية المحيطة من 63 محطة. تشمل المعلمات الرئيسية التي تم تحليلها سرعة الموجة القصيرة (Vs30)، تسارع الأرض الأقصى (PGA)، نسبة الطيف الأفقي إلى العمودي (HVSR)، HVSR الاتجاهي، مؤشر الضعف الزلزالي (Kg)، وإجهاد القص الأرضي (GSS). تشير النتائج إلى ظروف تربة ضعيفة وزيادة في المخاطر الزلزالية، خاصة بالقرب من مناطق الصدع، حيث تكشف تحليلات HVSR عن أنماط رنين منخفضة التردد ملحوظة (0.35-2.4 هرتز) وأمواج عالية (>6.0) في المناطق الطينية.
تظهر التحليلات الاتجاهية اختلافات ملحوظة في التضخيم الاتجاهي في المناطق التي تتجاوز فيها إجهاد القص الأرضي (γ) 0.7، مما يتوافق مع الانقطاعات الهيكلية. تتراوح قيم Kg من 0.34 إلى 285، جنبًا إلى جنب مع تقييمات GSS، مما يحدد المناطق ذات القدرة على التشوه غير الخطي وزيادة المخاطر الزلزالية. تؤكد هذه النتائج على أهمية دمج خصائص الرنين الاتجاهي ومقاييس التشوه في تقييمات المخاطر الزلزالية، مما يوفر إطار عمل قوي للتعرف على المناطق الحرجة وتوجيه تصميم الهندسة المرنة وتخطيط استخدام الأراضي في بيئات معقدة تكتونياً مثل منطقة ساكاريا.
مقدمة
في مجال هندسة الزلازل، يتأثر أداء الهياكل بشكل كبير بظروف الموقع المحلية، وخاصة خصائص التربة، التي يمكن أن تضخم الموجات الزلزالية وتغير ترددات الرنين. تؤكد هذه الفقرة على ضرورة توصيف التربة بدقة عالية لنمذجة دقيقة لتفاعلات التربة والهياكل، خاصة من خلال استخدام متوسط سرعة الموجة القصيرة في الثلاثين مترًا العليا ($V_{s30}$)، وهو أمر حاسم لتصنيف المواقع المحلية وتطوير طيف تصميم الزلازل. ومع ذلك، قد لا يكون $V_{s30}$ وحده كافياً لتفسير التضخيم في الموقع، حيث يمكن أن تحدث اختلافات في التضخيم ضمن نفس فئة التربة. يعتبر تسارع الأرض الأقصى (PGA) معلمة حيوية أخرى تصف أقصى تسارع للأرض وهي ضرورية لتصميم الهياكل وتقييم الأداء الزلزالي.
يسمح إدخال طريقة نسبة الطيف الأفقي إلى العمودي الاتجاهي (D-HVSR) بفهم أكثر دقة لاستجابة الموقع من خلال النظر في المكونات الاتجاهية للموجات الزلزالية، مما يكشف عن اختلافات الرنين الاتجاهية التي يمكن أن تشير إلى عدم تجانس جانبي في الظروف تحت السطح. يعمل معامل المخاطر الزلزالية ($K_g$) المستمد من تحليل HVSR كدليل على خطر تلف الهياكل، خاصة عند دمجه مع إجهاد القص الأرضي (GSS) لتقييم قدرة تشوه التربة. تركز الدراسة على حوض ساكاريا على طول منطقة صدع الأناضول الشمالي (NAFZ) في تركيا، باستخدام شبكة كثيفة من أجهزة الاستشعار الزلزالية من مشروع DANA لإجراء تحليلات دقيقة للمعلمات الديناميكية للتربة. يهدف هذا النهج إلى تعزيز جهود تقسيم المناطق وتقليل المخاطر الزلزالية من خلال توفير تقييم شامل لسلوك التربة في منطقة نشطة زلزالياً.
طرق
تحدد فقرة “الطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، يتضمن تحليلات إحصائية لتقييم البيانات المجمعة من المشاركين. شملت المنهجيات المحددة استخدام تجارب محكومة، واستطلاعات، ودراسات ملاحظة، مما يضمن فهمًا شاملاً للظواهر قيد التحقيق.
تم تحليل البيانات باستخدام برامج إحصائية مناسبة، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05. استخدم الباحثون اختبارات إحصائية متنوعة، مثل اختبارات t وANOVA، لمقارنة متوسطات المجموعات وتقييم العلاقات بين المتغيرات. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليلات الانحدار لاستكشاف العلاقات التنبؤية، مما يسمح بتفسير دقيق للنتائج. تؤكد الفقرة على دقة وقابلية تكرار الطرق، مما يضمن أن النتائج صحيحة وموثوقة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء تقييم للمخاطر الزلزالية في 63 محطة في حوض ساكاريا، مع التركيز على توصيف الموقع من خلال تحليل قيم Vs30، تسارع الأرض الأقصى (PGA)، وطرق نسبة الطيف الأفقي إلى العمودي (HVSR). تراوحت قيم Vs30 من 200 إلى 900 م/ث، مما يشير إلى ظروف تربة ضعيفة بشكل أساسي في المناطق السكنية. تراوحت قيم PGA475 بين 0.238 و0.723 ج، مع تركيز القيم الأعلى في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية بالقرب من خطوط الصدع النشطة، خاصة حول المحطات DE08 وDF08 وDD09 وDE09 وDF09. تشير هذه القيم المرتفعة من PGA إلى خطر زلزالي كبير بسبب الجمع بين ظروف التربة الضعيفة والقرب من مناطق الصدع.
كشف تحليل HVSR عن ترددات سائدة بين 0.35 و2.4 هرتز، مع عوامل تضخيم تتجاوز 6.0 في المناطق ذات الرواسب الطينية السميكة، مما يشير إلى احتمال عالٍ للرنين. سلط تحليل HVSR الاتجاهي (D-HVSR) الضوء على تأثير الهياكل تحت السطح والتضاريس على الاستجابة الزلزالية، مع ملاحظات لمعاملات اتجاهية عالية (γ) بالقرب من خطوط الصدع. تراوحت قيمة مؤشر الضعف الزلزالي (Kg) من 0.34 إلى 285، مع ارتباط القيم الأعلى بالتربة اللينة والقرب من مناطق الصدع، مما يشير إلى زيادة في إمكانية الضرر. أشارت تقييمات إجهاد القص الأرضي (GSS) إلى أن عدة مواقع تجاوزت العتبات المرنة تحت ظروف التحميل الديناميكي، مما يبرز حساسية التربة المحلية للنشاط الزلزالي. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين ظروف التربة، والقرب من الصدع، وخصائص التضاريس في تشكيل الضعف الزلزالي في منطقة ساكاريا، مما يوفر رؤى حاسمة لتخطيط الهندسة واستخدام الأراضي.
مناقشة
في هذه الفقرة، تناقش الدراسة المنهجيات ومجموعات البيانات المستخدمة لتقييم الضعف الزلزالي وخصائص استجابة الأرض في حوض ساكاريا، خاصة بعد زلزال إزميت عام 1999. تستخدم الدراسة بيانات الضوضاء المحيطة المجمعة من 61 محطة زلزالية مؤقتة واسعة النطاق و2 محطة دائمة، مع التركيز على التسجيلات من 9 سبتمبر 2012. تشمل المعلمات الرئيسية التي تم تحليلها متوسط سرعة الموجة القصيرة في الثلاثين مترًا العليا (Vs30) وتسارع الأرض الأقصى (PGA475)، وكلاهما حاسم لتقييم المخاطر الزلزالية. يتم تسليط الضوء على طريقة نسبة الطيف الأفقي إلى العمودي (HVSR) لتقييم خصائص الاستجابة الديناميكية للمواد القريبة من السطح، حيث تعكس منحنى HVSR المستمد من بيانات الاهتزازات الدقيقة التباينات في المقاومة بين طبقات التربة والصخور الأساسية.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم مؤشر الضعف الزلزالي (Kg) كمعامل عددي لتقييم قابلية التربة لتضخيم الموجات الزلزالية، محسوبًا من التردد الأساسي والسعة المستمدة من منحنى HVSR. تقدم الدراسة أيضًا إجهاد القص الأرضي الديناميكي (GSS) كقياس لقدرة تشوه التربة تحت التحميل الزلزالي، رابطًا إياه بخصائص الرنين وتسارع الأرض. أخيرًا، تتم مناقشة طريقة HVSR الاتجاهي (D-HVSR) كتقنية متقدمة لتحليل الهياكل تحت السطح وعدم التجانس الجانبي، مما يوفر رؤى حول الاعتماد الاتجاهي للاستجابة الزلزالية، والتي يمكن أن تفيد في تقييمات التباين الجيولوجي وتوجهات الهياكل في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-026-08126-5
Publication Date: 2026-04-18
Author(s): Ali Silahtar et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
This study investigates the dynamic properties of soils in the seismically active Sakarya Region, situated within the North Anatolian Fault Zone, utilizing ambient seismic noise data from 63 stations. Key parameters analyzed include shear wave velocity (Vs30), peak ground acceleration (PGA), horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR), directional HVSR, seismic vulnerability index (Kg), and ground shear strain (GSS). The results indicate weak soil conditions and heightened seismic hazard, particularly near fault zones, with HVSR analyses revealing significant low-frequency resonance patterns (0.35-2.4 Hz) and high amplitudes (>6.0) in alluvial areas.
Directional analyses demonstrate notable azimuthal amplification differences in regions with ground shear strain (γ) greater than 0.7, correlating with structural discontinuities. The Kg values, ranging from 0.34 to 285, alongside GSS evaluations, identify zones with nonlinear deformation potential and increased seismic risk. These findings emphasize the importance of incorporating directional resonance characteristics and deformation metrics into seismic hazard assessments, thereby providing a robust framework for recognizing critical areas and guiding resilient engineering design and land-use planning in tectonically complex environments like the Sakarya region.
Introduction
In the field of earthquake engineering, the performance of structures is significantly influenced by local site conditions, particularly soil characteristics, which can amplify seismic waves and alter resonance frequencies. This section emphasizes the necessity of high-resolution soil characterization for accurate modeling of soil-structure interactions, particularly through the use of average shear wave velocity in the upper 30 meters ($V_{s30}$), which is critical for local site classification and the development of earthquake design spectra. However, $V_{s30}$ alone may not fully account for site amplification, as variations in amplification can occur within the same soil category. Peak Ground Acceleration (PGA) is another vital parameter that describes maximum ground acceleration and is crucial for structural design and seismic performance assessments.
The introduction of the directional horizontal-to-vertical spectral ratio (D-HVSR) method allows for a more nuanced understanding of site response by considering directional components of seismic waves, revealing azimuthal resonance differences that can indicate lateral heterogeneities in subsurface conditions. The seismic hazard coefficient ($K_g$) derived from HVSR analysis serves as an indicator of structural damage risk, particularly when combined with ground shear strain (GSS) to assess soil deformation capacity. The study focuses on the Sakarya Basin along the North Anatolian Fault Zone (NAFZ) in Türkiye, utilizing a dense seismic sensor network from the DANA project to conduct high-resolution analyses of dynamic soil parameters. This approach aims to enhance microzonation and seismic risk reduction efforts by providing a comprehensive evaluation of soil behavior in a seismically active region.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research questions. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from participants. Specific methodologies included the use of controlled experiments, surveys, and observational studies, ensuring a comprehensive understanding of the phenomena under investigation.
Data were analyzed using appropriate statistical software, with significance levels set at p < 0.05. The researchers employed various statistical tests, such as t-tests and ANOVA, to compare group means and assess the relationships between variables. Additionally, regression analyses were conducted to explore predictive relationships, allowing for a nuanced interpretation of the findings. The section emphasizes the rigor and reproducibility of the methods, ensuring that the results are both valid and reliable.
Results
In this study, seismic hazard assessment was conducted at 63 stations in the Sakarya Basin, focusing on site characterization through the analysis of Vs30 values, peak ground acceleration (PGA), and horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR) methods. The Vs30 values ranged from 200 to 900 m/s, indicating weak soil conditions predominantly in residential areas. The PGA475 values varied between 0.238 and 0.723 g, with higher values concentrated in densely populated zones near active fault lines, particularly around stations DE08, DF08, DD09, DE09, and DF09. These elevated PGA values suggest a significant seismic hazard due to the combination of weak soil conditions and proximity to fault zones.
The HVSR analysis revealed dominant frequencies between 0.35 and 2.4 Hz, with amplification factors exceeding 6.0 in areas with thick alluvial deposits, indicating a high potential for resonance. Directional HVSR (D-HVSR) analysis further highlighted the influence of subsurface structures and topography on seismic response, with high directional coefficients (γ) observed near fault lineaments. The seismic vulnerability index (Kg) ranged from 0.34 to 285, with higher values associated with soft soils and proximity to fault zones, suggesting increased damage potential. Ground shear strain (GSS) assessments indicated that several locations exceeded elastic thresholds under dynamic loading conditions, emphasizing the sensitivity of local soils to seismic activity. Overall, the findings underscore the complex interplay of soil conditions, fault proximity, and topographic features in shaping seismic vulnerability in the Sakarya region, providing critical insights for engineering and land-use planning.
Discussion
In this section, the research discusses the methodologies and datasets utilized to assess seismic vulnerability and ground response characteristics in the Sakarya Basin, particularly following the 1999 İzmit Earthquake. The study employs ambient noise data collected from 61 temporary broadband seismic stations and 2 permanent stations, focusing on recordings from September 9, 2012. Key parameters analyzed include the average shear-wave velocity in the upper 30 meters (Vs30) and Peak Ground Acceleration (PGA475), both critical for seismic hazard assessment. The Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio (HVSR) method is highlighted for evaluating dynamic response characteristics of near-surface materials, with the HVSR curve derived from microtremor data reflecting impedance contrasts between soil layers and bedrock.
Additionally, the Seismic Vulnerability Index (Kg) is introduced as a scalar parameter to evaluate soil susceptibility to seismic wave amplification, calculated from the fundamental frequency and amplitude derived from the HVSR curve. The study also presents the Dynamic Ground Shear Strain (GSS) as a measure of soil deformation potential under seismic loading, linking it to resonant properties and ground acceleration. Finally, the Directional HVSR (D-HVSR) method is discussed as an advanced technique for analyzing subsurface structures and lateral heterogeneities, providing insights into the directional dependence of seismic response, which can inform assessments of geological variability and structural orientations in the region.