We propose a waveform inversion method for SH-wave data obtained in a shallow seismic refraction survey, to determine a 2D inhomogeneous S-wave profile of shallow soils. In this method, a 2.5D equation is used to simulate SH-wave propagation in 2D media. The equation is solved with the staggered grid finite-difference approximation to the 4th-order in space and 2nd-order in time, to compute a synthetic wave. The misfit, defined using differences between calculated and observed waveforms, is minimised with a hybrid heuristic search method. We parameterise a 2D subsurface structural model with blocks with different depth boundaries, and S-wave velocities in each block. Numerical experiments were conducted using synthetic SH-wave data with white noise for a model having a blind layer and irregular interfaces. We could reconstruct a structure including a blind layer with reasonable computation time from surface seismic refraction data.
The internal structure of a river embankment must be delineated as part of investigations to evaluate its safety. Geophysical methods can be most effective means for that purpose, if they are used together with geotechnical methods such as the cone penetration test (CPT) and drilling. Since the dyke body and subsoil in general consist of material with a wide range of grain size, the properties and stratification of the soil must be accurately estimated to predict the mechanical stability and water infiltration in the river embankment. The strength and water content of the levee soil are also parameters required for such prediction. These parameters are usually estimated from CPT data, drilled core samples and laboratory tests. In this study we attempt to utilise geophysical data to estimate these parameters more effectively for very long river embankments. S-wave velocity and resistivity of the levee soils obtained with geophysical surveys are used to classify the soils. The classification is based on a physical soil model, called the unconsolidated sand model. Using this model, a soil profile along the river embankment is constructed from S-wave velocity and resistivity profiles. The soil profile thus obtained has been verified by geotechnical logs, which proves its usefulness for investigation of a river embankment.
Compressional and shear wave velocities (Vp and Vs) and densities have been measured for serpentinite, amphibolite, amphibole and biotite schist, and gneiss from western part of Chungnam Province at room temperature. Ranges of the density are 2.6${\sim}$2.86g/cm$^3$ for serpentinite, 2.25${\sim}$2.81g/cm$^3$ for talc, and 2.74${\sim}$3.07g/cm$^3$ for metamorphic rocks. Of these rocks, talc shows wider ranges than serpentinite and amphibolites due to its metamorphic process from serpentinite. Values of Vp and Vs are 5719${\sim}$6062m/s and 2898${\sim}$3351m/s for serpentinites, 4019${\sim}$5478m/s and 2241/${\sim}$2976m/s for talc, 5375${\sim}$6372m/s and 3042${\sim}$3625m/s for amphibolite, 5290${\sim}$5499m/s and 2968${\sim}$3137m/s for schist, and 4788m/s and 2804m/s for gneiss, respectively. Velocity of P wave increases 1.47 times faster than S wave with increase of density. The results of seismic velocity measurement show anisotropy, higher velocity across than along the schistocity of rocks, especially in metamorphic rocks. This fact indicates that there were regional metamorphism related with tectonic forces. Values of seismic velocity increase with increasing pressure from 20 MPa to 70 MPa, especially in metamorphic rocks. Overall recalculated Vp and Vs values suggest that the serpentinite indicates for upper mantle in the respects of seismic characteristics, in spite of high degree of serpentinization. In addition, those of the amphibolite do for low crust, and gneiss and schist for upper crust.
Kim, Yong-Woo;Kim, Hyo-Ji;Lim, Jung-A;Chang, Sung-Joon
Geophysics and Geophysical Exploration
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v.21
no.1
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pp.26-32
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2018
The Northeast China is an important site geologically and geophysically because of a huge volcano called Mt. Baekdu, which is one of the largest volcanoes in the world. Signs of eruption have been recently observed and people are keen to its behavior. We carried out relative travel time tomography to investigate the velocity structure between 100 ~ 600 km depth beneath Northeast China. We used teleseismic data during 2009 ~ 2011 recorded in NecessArray provided by IRIS (Incorporated Research Institute for Seismology). The relative observations were obtained by using the multi-channel cross-correlation method. Based on the tomographic results, we observed that the locations beneath which low-velocity zones are observed coincide with the locations of several volcanic regions in Northeast China. A low-velocity anomaly is revealed beneath Mt. Baekdu down to 600 km depth, which is thought to the main origin of the magma supply for Mt. Baekdu. Another low velocity anomaly is observed beneath east of the Datong volcano down to around 300 km depth, which is inferred to be related to an upwelling from deep mantle. We observed a low velocity anomaly beneath the Wudalianchi volcano down to around 200 km depth, which may imply that this volcano has been formed by an upwelling from the asthenosphere.
Dynamic fracture mechanism of rock is important to improve rapid excavation method and develop precise damage assesment of rock mass in the vicinity of an excavation. In order to investigate dynamic fracture characteristics and dynamic damage mechanism of brittle materials, this study employed pulse shape-controlled Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system. The P- and S-wave velocities of the tested samples were measured before and after tests to examine damage of the samples. The decay ratios of the Ultrasonic wave velocities increased with impart velocities and the samples which have lower strength showed higher permanent strain significantly.
Kim, Kwan-Soo;Yun, Hyun-Seok;Sa, Jin-Hyeon;Seo, Yong-Seok;Kim, Ji-Soo
The Journal of Engineering Geology
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v.26
no.3
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pp.339-352
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2016
The best way of investigating the physical and mechanical properties of subsurface materials is the combined interpretation of data from borehole geophysical surveys and geotechnical experiments with rock samples. In this study two surface seismic surveys with refraction and surface-wave method are alternatively conducted for downhole seismic surveys in test site for geological field trip in Jeungpyung, Chungbuk. P- and S-wave velocity structures are delineated by refraction and MASW (multichannel analysis of shear waves) methods, respectively. Possion's ratio section, reconstructed from P- and S-wave velocities, is correlated to the outcrop geological features consisting of reddish sedimentary rock, gray volcanic rock, and joints/fractures. In addition, rock samples representative for reddish sedimentary and gray volcanic features are geotechnically analyzed to provide physical, mechanical properties, and elastic modulus. Dynamic elastic moduli estimated from geophysical data is found to be higher than the one from geotechnical data. Reddish sedimentary rock characterized with low porosity and moisture content corresponds to the zone of low electrical resistivities and their small variations in the resistivity sections between the rainy and dry days. This trend suggests that the weathered gray volcanic rock and the nearby fractures with higher low porosity and moisture content are interpreted to be good carrier especially in rainy season.
To estimate the shear-wave velocity (${\nu}_s$ beneath the OTVZ seismic station on Ngauruhoe volcano in New Zealand, we calculated receiver functions (RFs) using 127 teleseismic data ($Mw{\geq}5.5$) with high signal-to-noise ratios recorded during November 11, 2011 to September 11, 2013. The genetic inversion algorithms was applied to 21 RFs calculated by the iterative time-domain deconvolution method. In the 1-D ${\nu}_s$ model derived by the inversion, the Moho is observed at a 14 km depth, marked by a ${\nu}_s$ transition from 3.7 km/s to 4.7 km/s. The average ${\nu}_s$ of the overlying crust is 3.4 km/s, and the average ${\nu}_s$ of a greater than 9-km thick low-velocity layer (LVL) in the lower crust is 3.1 km/s. The LVL becomes thinner with increasing distance from the station. Another LVL thicker than 10 km with ${\nu}_s$ less than 4.3 km/s is found in the upper mantle. Those LVLs in the lower crust and the upper mantle and the relatively thin crust might be related to the magma activity caused by the subducting Pacific plate.
To estimate the shear-velocity ($v_s$) structure beneath the WIZ station on White Island in New Zealand, we applied receiver function (RF) inversion and H-${\kappa}$ stacking methods to 362 teleseismic events (Mw > 5.5) recorded during April 20, 2007 to September 6, 2013. Using 71 RFs with errors less than 20% after 200 iterative computations, we determined that the depth to Moho of $v_s$ = 4.35 km/s is $24{\pm}1km$ within a 15 km radius of the station. In an 1-d $v_s$ model derived by RF inversions, a 4-km thick low-velocity layer (LVL) at depths of 18 ~ 22 km was identified in the lower crust. This LVL, which is 0.15 km/s slower than the rocks above and below it, may indicate the presence of a deep magma reservoir. The H-${\kappa}$ stacking method yielded an estimate of the depth to the Moho of 24.5 km, which agrees well with the depth determined by RF inversions. The low $v_p/v_s$ ratio of 1.64 may be due to the presence of gas-filled rock or hot crystallizing magma.
We applied the partitioned waveform inversion to 2,026 event data recorded at 173 seismic stations from the Incorporated Research Institutions for Seismology Data Managing Center and the Ocean Hemisphere network Project to estimate S-wave velocity and radial anisotropy models beneath the Western Pacific. In the Philippine Sea plate, high-Vs anomalies reach deeper in the West Philippine basin than in the Parece-Vela basin. Low-Vs anomalies found at 80 km below the Parece-Vela basin extend deeper into the West Philippine Basin. This velocity contrast between the basins may be caused by differences in lithospheric age. Low-Vs anomalies are observed beneath the Caroline seamount chain and the Caroline plate. Overall positive radial anisotropy anomalies are observed in the Western Pacific, but negative radial anisotropy is found at > 220 km depth on the subducting plate along the Mariana trench and at ~50 km in the Parece-Vela basin. Positive radial anisotropy is found at > 200 km depth beneath the Caroline seamount chain, which may indicate the 'drag' between the plume and the moving Pacific plate. High-Vs anomalies are found at 40 ~ 180 km depth beneath the Ontong-Java plateau, which may indicate the presence of unusually thick lithosphere due to underplating of dehydrated plume material.
The crustal structure of Korean Peninsula is investigated by analyzing phase velocity dispersion data of Rayleigh wave. Earthquakes recorded by three component seismographs during 1999 - 2004 in South Korea are used in this study. The fundamental mode signals of Rayleigh waves are obtained from vertical components of seismograms by multiple filter technique method and phase match filter method. Velocity dispersion curves of surface waves for 14 propagation paths on the great circle are computed from the fundamental mode signals on the great circle path by two-station method. Treating the shear velocity of each layer as an independent parameter, phase velocities of Rayleigh wave are inverted. The result models are regarded as average structure for surface wave propagation paths respectively. All the results can be explained by an earth model of the Korean Peninsula comprising crust of shear-wave velocity increasing from 2.8 to 3.25 km/sec from top to 33 km depth and uppermost mantle of shear-wave velocity between 4.55 and 4.67 km/sec.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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