DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-90894-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40181027
تاريخ النشر: 2025-04-03
المؤلف: Kamal Abdelrahman
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تبحث الدراسة في سرعة الموجات القصيرة (Vs) كمعلمة حاسمة لتقييم قوة التربة والخصائص الميكانيكية للصخور في موقع جامعة الملك سعود. باستخدام عشرين ملفًا من تحليل الموجات السطحية متعدد القنوات (MASW)، وخمسة قياسات للاهتزازات الدقيقة، وثقبين جيولوجيين، تحدد الدراسة ثلاث طبقات جيولوجية متميزة بناءً على تصنيف البرنامج الوطني لتقليل مخاطر الزلازل. تتكون الطبقة الأولى من رمل طيني مع حصى، وتظهر سمكًا يتراوح بين 4-14 م وقيم Vs تتراوح من 400 إلى 760 م/ث، مما يصنفها كفئة الموقع C. تتكون الطبقة الثانية من الحجر الجيري المتآكل بشدة، وتظهر قيم Vs تتراوح بين 760 و1500 م/ث، مما يتوافق مع فئة الموقع B، بينما تحتوي الطبقة الثالثة، التي تتميز بالحجر الجيري المضغوط/الكتلي، على قيم Vs تتراوح من 1500 إلى 3500 م/ث، مما يصنفها كفئة الموقع A.
يتفاوت عمق الصخور الأساسية من الجنوب إلى الشمال، حيث تقع أقل الأعماق في المنطقة المركزية. ومن الجدير بالذكر أن سرعة الموجة القصيرة وعمق الصخور الأساسية المستمدة من قياسات الاهتزازات الدقيقة تتماشى مع نتائج MASW. كما تحدد الدراسة مناطق ضعيفة متميزة تتراوح أعماقها بين 2 إلى 25 م، مما يشكل تحديات جيولوجية محتملة. يتم التأكيد على دمج سرعة الموجة القصيرة وقياسات الاهتزازات الدقيقة كأمر حيوي لاتخاذ قرارات تصميم مستنيرة في التنمية الحضرية المستدامة، مما يبرز أهمية التقنيات الجيوفيزيائية في تعزيز تقييمات حالة التربة المحلية لمبادرات التنمية.
طرق
يستعرض قسم المنهجية استخدام طريقة تحليل الموجات السطحية متعددة القنوات (MASW)، وقياسات الاهتزازات الدقيقة، وبيانات الثقوب الجيولوجية لتحديد ملفات سرعة الموجة القصيرة (Vs)، والتي تعتبر حاسمة لتقييم الظروف تحت السطح وسلوك الزلازل. تستفيد طريقة MASW من الخصائص التشتتية للموجات السطحية، حيث يتم جمع البيانات الزلزالية من خلال أجهزة قياس الزلازل الموضوعة على السطح بعد حدث مصدر زلزالي، مثل ضربة مطرقة. تتم معالجة هذه البيانات لإنشاء صور ومنحنيات تشتت، والتي توضح العلاقة بين سرعة طور الموجة السطحية والتردد. من هذه المنحنيات، يتم اشتقاق ملف سرعة الموجة القصيرة أحادي البعد، ويتم تشكيل ملفات متعددة لإنتاج قسم سرعة الموجة القصيرة ثنائي الأبعاد.
يتم حساب متوسط سرعة الموجة القصيرة لعمق محدد (h) باستخدام الصيغة \( V_H = \frac{\sum h_i}{\sum (h_i v_i)} \)، حيث \( H = \sum h_i \) يمثل العمق التراكمي. لعمق متوسط يبلغ 30 مترًا، يتم التعبير عن سرعة الموجة القصيرة كـ \( V_{s30} = 30 \sum_{i=1}^{N} \left( \frac{h_i}{v_i} \right) \)، حيث \( h_i \) و \( v_i \) تشير إلى سمك وسرعة الموجة القصيرة لكل طبقة، على التوالي. تعتبر قيمة \( V_{s30} \) هذه حاسمة لتصنيف المواقع الزلزالية وفقًا لإرشادات NEHRP. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم مسوحات الاهتزازات الدقيقة طريقة نسبة الطيف الأفقي إلى العمودي (HVSR) لتحليل البيانات الزلزالية، والتي يتم عكسها باستخدام تقنية منحنى الإهليلجية لتوليد ملفات سرعة الموجة القصيرة، مما يعزز الفهم لخصائص التربة.
النتائج
توفر النتائج من تحليل الموجات السطحية متعددة القنوات (MASW) أقسام سرعة الموجة القصيرة (Vs) عالية الدقة أحادية وثنائية الأبعاد، تكشف عن ميزات جيولوجية تحت السطح هامة تصل إلى عمق 30 مترًا. تحدد التحليلات طبقات متميزة، بما في ذلك الحجر الجيري المتصدع والمتآكل، والحجر الجيري المضغوط، والرمل الطيني مع الحصى. على وجه التحديد، تشير قيم Vs إلى انتقال من سرعات أقل (400 إلى 760 م/ث) في الطبقة العليا، المصنفة كفئة C (تربة طينية مع حصى)، إلى سرعات أعلى (760 إلى 1500 م/ث) في الطبقة الثانية (فئة B، الحجر الجيري المتصدع المتآكل)، وأخيرًا إلى سرعات أعلى (1500 إلى 3500 م/ث) في الطبقة الثالثة (فئة A، الحجر الجيري المضغوط).
من الجدير بالذكر أن الدراسة تسلط الضوء على مناطق ضعيفة تتميز بانخفاض قيم Vs، مما يشير إلى وجود تجاويف وفتحات مملوءة بمواد ثانوية. توجد هذه المناطق الضعيفة، التي توجد عادة بين أعماق 2 إلى 12 مترًا، من مواد غير متماسكة قد تشكل مخاطر جيولوجية وتؤثر على تصميم الأساسات في مشاريع البناء. تؤكد النتائج على أهمية التصنيف التفصيلي تحت السطح للهندسة الجيوتقنية، وتقييمات مخاطر الزلازل، ومبادرات التنمية المستدامة.
المناقشة
يقدم قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً للإعداد الجيولوجي والظروف تحت السطح في جامعة الملك سعود، الرياض، باستخدام تحليل الموجات السطحية متعددة القنوات (MASW)، وقياسات الاهتزازات الدقيقة، وبيانات الثقوب الجيولوجية. تم تصنيف تحت السطح إلى ثلاث طبقات متميزة وفقًا لمعايير البرنامج الوطني لتقليل مخاطر الزلازل (NEHRP): رمل طيني مختلط مع حصى (Vs = 400-760 م/ث)، حجر جيري متآكل بشدة (Vs = 760-1500 م/ث)، وحجر جيري مضغوط (Vs = 1500-3500 م/ث). كشفت ملفات سرعة الموجة القصيرة (Vs) عن تباينات جانبية ورأسية كبيرة، مما يشير إلى وجود مناطق ضعيفة تتميز بانخفاضات مفاجئة في السرعة، مما يشير إلى مخاوف جيولوجية محتملة مثل التجاويف وفتحات الأرض.
قدم دمج المنهجيات المختلفة إطارًا قويًا لتقييم الظروف تحت السطح، حيث تتوافق النتائج مع الدراسات السابقة في المنطقة. سلطت النتائج الضوء على أهمية فهم توزيع سرعة الموجة القصيرة لممارسات البناء المستدامة، حيث قد تتطلب المناطق ذات السرعات المنخفضة تقنيات تحسين الأرض لتعزيز السلامة الهيكلية. بالإضافة إلى ذلك، حددت الدراسة تباينات في عمق الصخور الأساسية عبر الموقع، والتي تعتبر حاسمة لتصميم الأساسات والاستقرار. بشكل عام، تسهم هذه الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول الخصائص الجيوتقنية للمنطقة، مما يعزز الحاجة إلى طرق تحسين الأرض المستهدفة للتخفيف من المخاطر المرتبطة بالظروف تحت السطح الضعيفة.
القيود
تقدم الطريقة المقترحة باستخدام تحليل الموجات السطحية متعددة القنوات (MASW) وتقنيات الاهتزازات الدقيقة عدة قيود تؤثر على تصنيف الظروف تحت السطح. MASW حساس للتغيرات الجانبية في خصائص تحت السطح ولديه دقة محدودة للكشف عن الميزات الصغيرة. من ناحية أخرى، قد تؤدي قياسات الاهتزازات الدقيقة، التي تعتمد على الضوضاء المحيطة، إلى إدخال عدم اليقين بشأن الطبقات تحت السطح الأعمق. بينما توفر بيانات الثقوب الجيولوجية دقة عالية، إلا أنها مكلفة وتقدم فقط تحققًا محليًا، مما يحد من التغطية المستمرة تحت السطح. لوحظت اختلافات في قيم سرعة الموجة القصيرة ($V_s$) بين تقنيات MASW والاهتزازات الدقيقة، والتي من المحتمل أن تنشأ من اختلافات في عمق اختراق الموجة ومنهجيات معالجة البيانات.
للتخفيف من هذه القيود، ينبغي أن تأخذ الأبحاث المستقبلية في الاعتبار دمج طرق جيوفيزيائية إضافية، مثل تصوير المقاومة الكهربائية (ERT) أو الرادار المخترق للأرض (GPR)، لتعزيز تصنيف الظروف تحت السطح. علاوة على ذلك، يمكن أن يحسن تطبيق خوارزميات التعلم الآلي من كفاءة معالجة البيانات ودقة التفسيرات. من المتوقع أن تعزز هذه التطورات قابلية تطبيق الدراسة، مما يؤدي إلى رؤى أكثر قوة للتحقيقات الجيوفيزيائية وتطبيقات الهندسة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-90894-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40181027
Publication Date: 2025-04-03
Author(s): Kamal Abdelrahman
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
The research investigates shear wave velocity (Vs) as a critical parameter for assessing soil strength and the mechanical properties of rocks at the King Saud University site. Utilizing twenty profiles from multichannel analysis of surface waves (MASW), five microtremor measurements, and two geotechnical boreholes, the study identifies three distinct geological layers based on the National Earthquake Hazards Reduction Program classification. The first layer, consisting of silty sand with gravel, exhibits a thickness of 4-14 m and Vs values ranging from 400 to 760 m/s, categorizing it as site C class. The second layer, composed of highly weathered limestone, shows Vs values between 760 and 1500 m/s, corresponding to site B class, while the third layer, featuring compact/massive limestone, has Vs values from 1500 to 3500 m/s, classifying it as site A.
The depth of bedrock varies from south to north, with the shallowest depths located in the central zone. Notably, the shear wave velocity and bedrock depth derived from microtremor measurements align with the MASW findings. The study also identifies distinct weak zones at depths ranging from 2 to 25 m, which pose potential geotechnical challenges. The integration of shear wave velocity and microtremor measurements is emphasized as vital for informed design decisions in sustainable urban development, underscoring the importance of geophysical techniques in enhancing local soil condition assessments for development initiatives.
Methods
The methodology section outlines the use of the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method, microtremor measurements, and geotechnical borehole data to determine shear wave velocity (Vs) profiles, which are crucial for assessing subsurface conditions and seismic behavior. The MASW method leverages the dispersive properties of surface waves, collecting seismic data through geophones placed on the surface following a seismic source event, such as a hammer strike. This data is processed to create dispersion images and curves, which illustrate the relationship between surface wave phase velocity and frequency. From these curves, a one-dimensional shear wave velocity profile is derived, and multiple profiles are contoured to produce a two-dimensional shear wave velocity section.
The average shear wave velocity for a specified depth (h) is calculated using the formula \( V_H = \frac{\sum h_i}{\sum (h_i v_i)} \), where \( H = \sum h_i \) represents the cumulative depth. For a 30-meter average depth, the shear wave velocity is expressed as \( V_{s30} = 30 \sum_{i=1}^{N} \left( \frac{h_i}{v_i} \right) \), with \( h_i \) and \( v_i \) denoting the thickness and shear wave velocity of each layer, respectively. This \( V_{s30} \) value is critical for seismic site classification as per the NEHRP guidelines. Additionally, microtremor surveys utilize the Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio (HVSR) method to analyze seismic data, which is inverted using the ellipticity curve technique to generate shear wave velocity profiles, further enhancing the understanding of soil properties.
Results
The results from the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) provide high-resolution 1D and 2D shear wave velocity (Vs) sections, revealing significant subsurface geological features up to 30 meters deep. The analysis identifies distinct layers, including fractured and weathered limestone, compact limestone, and silty sand with gravel. Specifically, the Vs values indicate a transition from lower velocities (400 to 760 m/s) in the upper layer, classified as Class C (silty soil with gravel), to higher velocities (760 to 1500 m/s) in the second layer (Class B, fractured weathered limestone), and finally to even higher velocities (1500 to 3500 m/s) in the third layer (Class A, compact limestone).
Notably, the study highlights weak zones characterized by decreasing Vs values, suggesting the presence of cavities and sinkholes filled with secondary materials. These weak zones, typically found between depths of 2 to 12 meters, are composed of unconsolidated materials that may pose geohazards and influence foundation design in construction projects. The findings underscore the importance of detailed subsurface characterization for geotechnical engineering, seismic hazard assessments, and sustainable development initiatives.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the geological setting and subsurface conditions at King Saud University, Riyadh, utilizing Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW), microtremor measurements, and geotechnical borehole data. The subsurface was classified into three distinct layers according to the National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) standards: silty sand mixed with gravel (Vs = 400-760 m/s), highly weathered limestone (Vs = 760-1500 m/s), and compact limestone (Vs = 1500-3500 m/s). The shear wave velocity (Vs) profiles revealed significant lateral and vertical variations, indicating the presence of weak zones characterized by abrupt velocity drops, which suggest potential geotechnical concerns such as cavities and sinkholes.
The integration of the different methodologies provided a robust framework for assessing subsurface conditions, with the results corroborating previous studies in the region. The findings highlighted the importance of understanding shear wave velocity distribution for sustainable construction practices, as areas with lower velocities may require ground improvement techniques to enhance structural integrity. Additionally, the study identified variations in bedrock depth across the site, which are crucial for foundation design and stability. Overall, this research contributes valuable insights into the geotechnical properties of the area, reinforcing the need for targeted ground improvement methods to mitigate risks associated with weak subsurface conditions.
Limitations
The proposed method utilizing Multi-Channel Analysis of Surface Waves (MASW) and microtremor techniques presents several limitations that impact subsurface characterization. MASW is sensitive to lateral variations in subsurface properties and has a constrained resolution for detecting small-scale features. Conversely, microtremor measurements, which depend on ambient noise, may introduce uncertainties regarding deeper subsurface layers. While borehole data offers high accuracy, it is expensive and only provides localized validation, limiting continuous subsurface coverage. Discrepancies in shear wave velocity ($V_s$) values between MASW and microtremor techniques were noted, likely stemming from differences in wave penetration depth and data processing methodologies.
To mitigate these limitations, future research should consider integrating additional geophysical methods, such as electrical resistivity tomography (ERT) or ground-penetrating radar (GPR), to enhance the characterization of subsurface conditions. Furthermore, the application of machine learning algorithms could improve the efficiency of data processing and the accuracy of interpretations. These advancements are expected to bolster the applicability of the study, yielding more robust insights for geophysical site investigations and engineering applications.