Relationships between Vp and Vs velocities in Metamorphic rocks

Abstract

Determination of VP and VS wave velocities in engineering studies; it has an important place in determining the elastic parameters of soils, investigating the thickness of the cover layer, bedrock depth, and classifying the soils. Therefore, the correct estimation of the parameters constituting these studies is essential for reliability, time, and economy. In this study, empirical equations with high estimation capacity were obtained by simple regression analyses using Vp obtained by seismic refractive tomography (SRT) and Vs and obtained by multi-channel surface wave analysis (MASW) from geophysical measurements applied in the metamorphic rock mass. Accordingly, it evaluated the performance indexes of the equations produced by different researchers and the equations produced in this study in determining the Vp parameter. In the equations produced, the highest coefficient of determination value depending on the Vp and Vs wave velocity was calculated as R2=0.89. When it evaluated the produced equations according to the performance indices, they had the optimal RMSE and VAF values than the empirical equations obtained by previous studies and had very high estimation capacities.

Keywords

• Vp ve Vs wave velocity
• Regression analysis
• VAF
• RMSE

Metamorfik Kayaçlarda Vp ve Vs Dalga Hızları Arasındaki İlişkiler

Abstract

Mühendislik çalışmalarında Vp ve Vs dalga hızlarının belirlenmesi; zeminlerin elastik parametrelerinin saptanmasında, örtü tabakasının kalınlığının, ana kaya derinliğinin araştırılmasında ve zeminlerin sınıflandırılmasında önemli bir yere sahiptir. Dolayısıyla bu araştırmaları oluşturan parametrelerin doğru tahmin edilmesi hem güvenilirlik hem zaman hem de ekonomik açıdan oldukça önemlidir. Bu çalışmada, metamorfik kaya kütlesinde uygulanan jeofizik ölçümlerden sismik kırılma tomografisi (SKT) ile elde edilen Vp ve çok kanallı yüzey dalgası analizi (ÇKYD) ile elde edilen Vs paremetreleri kullanılarak basit regresyon analizleri ile tahmin kapasitesi yüksek ampirik eşitlikler elde edilmeye çalışılmıştır. Buna göre Vp parametresini belirlemede farklı araştırmacılar tarafından üretilmiş olan eşitliklerin performans indeksleri ile bu çalışmada üretilen eşitlikler değerlendirilmiştir. Üretilen eşitliklerde Vp ve Vs dalga hızına bağlı en yüksek belirleme katsayısı değeri R2=0.89 olarak hesaplanmıştır. Üretilen eşitlik performans indekslerine göre değerlendirildiğinde önceki çalışmalarla elde edilen ampirik eşitliklere göre en uygun RMSE ve VAF değerlerine sahip olup, çok yüksek tahmin kapasitelerine sahip olduğu görülmüştür

Keywords

• Vp ve Vs dalga hızı
• Regresyon Analizi
• VAF
• RMSE

References

1. Akhundi H., Ghafoori M., Lashkaripour G.R., 2014. Prediction of Shear Wave Velocity Using Artificial Neural Network Technique, Multiple Regression and Petrophysical Data: A Case Study in Asmari Reservoir (SW Iran), Open Journal of Geology, 4, 303-313.
2. Carroll R.D., 1969. The Determination Of The Acoustic Parameters Of Volcanic Rocks From Compressional Velocıty Measurements, Int. J. Rock Mech. ~Iin. Sci. Vol. 6, pp. 557-579.
3. Hubbard, J,L., 2009. Use of Electrical Resistivity and Multichannel Analysis of Surface Wave Geophysical Tomography in Geotechnical Site Characterization of Dam, Master of Science in Civil Engineering, The University of Texas at Arlington.
4. Ivanov, J., Miller R. D. and Tsoflias G., 2009. Practical Aspects of MASW Inversion using Varying Density: Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, 22, 171-177.
5. Ludwig, W. J., J. E. Nafe, and C. L. Drake (1970). Seismic refraction, in The Sea, A. E. Maxwell, (Editor) Vol. 4, Wiley-Interscience, New York, 53–84.
6. Park, C.B., Miller, R.D. and Xia, J. 1999. Multi-Channel Analysis of Surface Waves (MASW). Geophysics, 64, 800–808.
7. Pamuk E., 2014. İzmir (Buca) Bölgesinde Yüzey Dalgası Yöntemleriyle Elde Edilen Kayma Dalgası Hızlarının (Vs) Analizi ve Mikrotremor Uygulamaları, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Yüksek Lisans Tezi.
8. Sari M., 2019. Bayburt Kırklartepe Barajı Eksen Yeri ve Göl Alanının Kaya Kütle Geçirimliliğinin Jeofizik ve Jeoteknik Yöntemlerle Belirlenmesi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi.

9. Sari M., Seren A., Alemdag S., 2020. Determination of geological structures by geophysical and geotechnical techniques in Kırklartepe Dam Site (Turkey). Journal of Applied Geophysics 182 (2020) 104174
10. Sheehan, J.R., Doll, W.E., and Mandell, W.A., 2005, An evaluation of methods and available software for seismic refraction tomography, Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 10, 21-34.
11. Souza L.M.O., 2013. Petrophysical properties and durability of granites employed as building stone: a comprehensive evaluation, Bull Eng Geol Environ DOI 10.1007/s10064-013-0553-9.
12. Tüysüz, N. ve Yaylalı, G., 2005. Jeoistatistik Kavramlar ve Bilgisayarlı Uygulamalar, Karadeniz Teknik Üniversitesi, yayın no:220, fakülte no:61, 382s
13. Xia, J., Miller, R.D. and Park, C.B., 1999. Estimation of Near-Surface Shearwave Velocity by Inversion of Rayleigh Wave, Geophysics, 64, 691-700.
14. Wadhwa R.S., Ghosh N., Rao C. S., 2010. Empirical relation for estimating shear wave velocity from compressional wave velocity of rocks, J. Ind. Geophys. Union, Vol.14, No.1, pp.21-30.