Nesta Pesquisa foi empregada a metodologia de Inversão Conjunta 2D de dados de caminhamento elétrico (CE) e caminhamento eletromagnético no domínio do tempo (CTDEM) num estudo hidrogeológico da Bacia de Taubaté. A área de estudo localiza-se na cidade de Taubaté/SP, onde o Aquífero Taubaté é uma importante fonte alternativa de água frente à recente crise hídrica. O Grupo Taubaté é o principal pacote sedimentar da bacia, sendo formado principalmente por folhelhos, que formam aquicludes, e arenitos, que formam o aquífero. Foram identificados 40 poços de exploração de água subterrânea na cidade, cadastrados no banco de dados do SIAGAS-CPRM, os quais forneceram informações importantes para a interpretação dos resultados. O objetivo principal da pesquisa é caracterizar a estratigrafia geoelétrica da subsuperfície para localizar o contato entre os sedimentos Quaternários e Terciários e mapear o aquífero. Os dados de CE permitem o reconhecimento das camadas mais rasas, da ordem de dezenas de metros, e os dados de CTDEM investigam as camadas mais profundas, numa ordem de centenas de metros, portanto, fornecem informações complementares. Os resultados das inversões conjuntas de CE/CTDEM permitiram mapear as camadas sedimentares mais rasas resistivas até aproximadamente 30 m de profundidade, uma camada sedimentar condutiva intermediária entre 30 m e 50 m de profundidade, e uma camada condutiva referente ao Grupo Taubaté entre 50 m e 300 m de profundidade. O topo do embasamento da bacia foi inferido em ~300 m de profundidade com base nas informações de poços e de geologia da bacia, por outro lado, também é possível que essa interface represente uma variação faciológica do Grupo Taubaté, portanto, mais estudos são necessários. / In this research, a 2D Joint Inversion of electrical resistivity tomography (ERT) and time domain electromagnetic (TDEM) data was applied to a hydrogeological study of the Taubaté basin. The study area is in Taubaté city, São Paulo State, Brazil, where the Taubaté aquifer is an important alternative water source due to the recent water crisis. The Taubaté Group is the main sedimentary package of the basin, which is formed mainly by shales, that form aquicludes, and sandstones that form the aquifer. 40 groundwater exploration wells were identified in the city, registered in SIAGAS-CPRM database, which provided important information for the results interpretation. The main objective of this research is to characterize the geoelectrical stratigraphy of the subsurface to locate the contact between the Quaternary and Tertiary sediments and to map the aquifer. The ERT is used for shallow investigations (tens of meters) and the TDEM can reach a great investigation depth (hundreds of meters), therefore, they provide complementary information. The 2D ERT/TDEM joint inversion results permitted to map the shallower resistive layers down to 30 m depth, an intermediate conductive layer between 30 m and 50 m depth, and the Taubate Group between 50 m and 300 m depth, which is very conductive. The top of the basement was inferred at ~300 m depth based on the well information and the basin geology, on the other hand, it is also possible that this interface represents a faciological variation of the Taubaté Group, therefore, more studies are needed.

Nesta pesquisa foram analisados dados utilizando os métodos geofísicos Eletromagnético no Domínio do Tempo (TDEM) e Eletrorresistividade (ER) adquiridos na região central da Bacia sedimentar de Taubaté-SP com a finalidade de contribuir com estudos hidrogeológicos e realizar uma caracterização geoelétrica da área. Os dados TDEM foram obtidos por meio da técnica de caminhamento TDEM (CTDEM) usando um loop transmissor (Tx) fixo e uma bobina receptora (Rx) - 3D móvel, também conhecida como técnica fixed-loop. Os dados de ER foram coletados utilizando a técnica de Sondagem Elétrica Vertical (SEV) e perfis de Caminhamento Elétrico (CE). A interpretação das camadas geoelétricas da subsuperfície foram realizadas por meio de inversões individuais TDEM, inversões conjunta 1D de SEV/TDEM coincidentes e de pseudoseções CTDEM geradas através da interpolação dos resultados das inversões individuais TDEM, permitindo, desta forma, gerar um modelo geoelétrico para a região específica dentro do loop transmissor. A área de estudos localiza-se numa área rural da cidade de Taubaté, SP, de maneira que os resultados dos perfis de CTDEM integrados com as inversões conjuntas SEV/TDEM e informações litológicas de poços permitiram mapear o contato entre os sedimentos Quaternários e Terciários (Grupo Taubaté e Formação Pindamonhangaba). O topo do embasamento da bacia na área de estudos foi inferido com base nas informações litológicas de poços catalogados e disponibilizados pelo Sistema de Informações de Águas Subterrâneas e pelo Serviço Geológico Brasileiro (SIAGAS-CPRM). Os resultados apresentam-se de acordo com as informações geológicas e contribuem com as pesquisas hidrogeofísicas no Estado de São Paulo. / In this research the geophysics data were analyzed through the Time Domain Electromagnetic Method (TDEM) and Electrical Method (DC), which one were acquired in central region of sedimentary Taubaté basin, SP, for the purpose to contribute to hydrogeological studies and perform a geoelectrical characterization of this area. TDEM data were obtained by 3D mobile receiver coil (Rx) and transmitter fixed-loop techniques. The DC data were collected using Vertical Electric Sounding (VES) and Electrical Resistivity Tomography (ERT) techniques. The geoelectrical layers interpretation of subsurface were performed by TDEM individual invertions and 1D joint inversions VES/TDEM and the TDEM profiles were generated through interpolation of TDEM individual inversions, allowing to generate a geoelectrical model to the specific region inside the loop transmitter. The study area is located around Taubaté city, SP, in a rural area, so that TDEM profile results associated with joint inversions VES/TDEM and wells lithological informations allows mapping the contact between Quaternary and Tertiary (Taubaté Group and Pindamonhangaba Formation) sediments. The top of the basement in the studies area was inferred through of wells informations available in Groundwater Information System and Brazilian Geological Service (SIAGAS-CPRM). The results are consistent with geological informations, contributing with hydrogeophysical studies at São Paulo state.

Nesta Pesquisa foi empregada a metodologia de Inversão Conjunta 2D de dados de caminhamento elétrico (CE) e caminhamento eletromagnético no domínio do tempo (CTDEM) num estudo hidrogeológico da Bacia de Taubaté. A área de estudo localiza-se na cidade de Taubaté/SP, onde o Aquífero Taubaté é uma importante fonte alternativa de água frente à recente crise hídrica. O Grupo Taubaté é o principal pacote sedimentar da bacia, sendo formado principalmente por folhelhos, que formam aquicludes, e arenitos, que formam o aquífero. Foram identificados 40 poços de exploração de água subterrânea na cidade, cadastrados no banco de dados do SIAGAS-CPRM, os quais forneceram informações importantes para a interpretação dos resultados. O objetivo principal da pesquisa é caracterizar a estratigrafia geoelétrica da subsuperfície para localizar o contato entre os sedimentos Quaternários e Terciários e mapear o aquífero. Os dados de CE permitem o reconhecimento das camadas mais rasas, da ordem de dezenas de metros, e os dados de CTDEM investigam as camadas mais profundas, numa ordem de centenas de metros, portanto, fornecem informações complementares. Os resultados das inversões conjuntas de CE/CTDEM permitiram mapear as camadas sedimentares mais rasas resistivas até aproximadamente 30 m de profundidade, uma camada sedimentar condutiva intermediária entre 30 m e 50 m de profundidade, e uma camada condutiva referente ao Grupo Taubaté entre 50 m e 300 m de profundidade. O topo do embasamento da bacia foi inferido em ~300 m de profundidade com base nas informações de poços e de geologia da bacia, por outro lado, também é possível que essa interface represente uma variação faciológica do Grupo Taubaté, portanto, mais estudos são necessários. / In this research, a 2D Joint Inversion of electrical resistivity tomography (ERT) and time domain electromagnetic (TDEM) data was applied to a hydrogeological study of the Taubaté basin. The study area is in Taubaté city, São Paulo State, Brazil, where the Taubaté aquifer is an important alternative water source due to the recent water crisis. The Taubaté Group is the main sedimentary package of the basin, which is formed mainly by shales, that form aquicludes, and sandstones that form the aquifer. 40 groundwater exploration wells were identified in the city, registered in SIAGAS-CPRM database, which provided important information for the results interpretation. The main objective of this research is to characterize the geoelectrical stratigraphy of the subsurface to locate the contact between the Quaternary and Tertiary sediments and to map the aquifer. The ERT is used for shallow investigations (tens of meters) and the TDEM can reach a great investigation depth (hundreds of meters), therefore, they provide complementary information. The 2D ERT/TDEM joint inversion results permitted to map the shallower resistive layers down to 30 m depth, an intermediate conductive layer between 30 m and 50 m depth, and the Taubate Group between 50 m and 300 m depth, which is very conductive. The top of the basement was inferred at ~300 m depth based on the well information and the basin geology, on the other hand, it is also possible that this interface represents a faciological variation of the Taubaté Group, therefore, more studies are needed.

Gravity gradient tensor (GGT) data contains the second derivatives of the Earth’s gravitational potential in three orthogonal directions. GGT data can be measured either using land, airborne, marine or space platforms. In the last two decades, the applications of GGT data in hydrocarbon exploration, mineral exploration and structural geology have increased considerably. This work focuses on developing new interpretation techniques for GGT data as well as pseudo-gravity gradient tensor (PGGT) derived from measured magnetic field. The applications of developed methods are demonstrated on a GGT data set from the Vredefort impact structure, South Africa and a magnetic data set from the Särna area, west central Sweden. The eigenvectors of the symmetric GGT can be used to estimate the position of the causative body as well as its strike direction. For a given measurement point, the eigenvector corresponding to the maximum eigenvalue points approximately toward the center of mass of the source body. For quasi 2D structures, the strike direction of the source can be estimated from the direction of the eigenvectors corresponding to the smallest eigenvalues. The same properties of GGT are valid for the pseudo-gravity gradient tensor (PGGT) derived from magnetic field data assuming that the magnetization direction is known. The analytic signal concept is applied to GGT data in three dimensions. Three analytic signal functions are introduced along x-, y- and z-directions which are called directional analytic signals. The directional analytic signals are homogenous and satisfy Euler’s homogeneity equation. Euler deconvolution of directional analytic signals can be used to locate causative bodies. The structural index of the gravity field is automatically identified from solving three Euler equations derived from the GGT for a set of data points located within a square window with adjustable size. For 2D causative bodies with geometry striking in the y-direction, the measured gxz and gzz components of GGT can be jointly inverted for estimating the parameters of infinite dike and geological contact models. Once the strike direction of 2D causative body is estimated, the measured components can be transformed into the strike coordinate system. The GGT data within a set of square windows for both infinite dike and geological contact models are deconvolved and the best model is chosen based on the smallest data fit error. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 730

A destruição causada por um terremoto depende de muitos fatores, como características e profundidade da fonte, magnitude, distância epicentral e da configuração geológica da área. A destruição causada devido à configuração geológica da área é denominada como efeito local. A modelagem do efeito local implica na determinação do tempo e nível de vibração e do efeito de amplificação do deslocamento. As propriedades elásticas dos materiais geológicos (velocidade das ondas de compressão e de cisalhamento, densidade, espessura da camada de solo, etc.) podem ser obtidas por diversos métodos geofísicos. O conhecimento dessas propriedades elásticas ajuda a melhor projetar as infraestruturas e reduzir as chances de danos. Este procedimento é denominado de microzoneamento. Os parâmetros mais importantes para realizar o microzoneamento são as espessuras dos sedimentos que recobrem o embasamento e o perfil das velocidades das ondas S (cisalhamento). Esses dois parâmetros são adequadamente caracterizados pelo uso de várias técnicas geofísicas como perfilagens em furos de sondagem, reflexão e refração sísmica. Esses métodos geofísicos trazem algumas restrições como a necessidade da execução de um furo, emprego de fontes sísmicas artificiais que muitas vezes são dispendiosas e por vezes de uso restrito em áreas urbanas, além de muitas vezes estarem limitadas a investigações de apenas algumas dezenas de metros. Os métodos que substituíram esses métodos geofísicos convencionais nas últimas décadas são a análise do ruído sísmico produzido por fontes naturais e culturais. Este ruído sísmico ambiental pode ser registrado com menor custo e esforço e com boa cobertura lateral. Várias técnicas que se utilizam do ruído sísmico podem ser empregadas, no entanto, aquela que obteve maior atenção nos últimos anos é a técnica da razão do espectro horizontal sobre o espectro vertical da onda de superfície (H/V). A curva da razão espectral H/V é uma ferramenta rápida, fácil e de baixo custo para a caracterização da subsuperfície rasa. Existem vários estudos realizados sobre o tema que tentaram cobrir todos os aspectos e problemas associados ao método. Aqui neste estudo são aprofundados alguns aspectos ainda não avaliados em detalhe. Diferentes procedimentos para a modelagem e as associações entre os fenômenos físicos envolvidos e as características da curva H/V são discutidos e os resultados numéricos desses estudos são comparados com informações extraídas de perfis de sondagens de um dos locais estudados. O pico e a forma da curva H / V são modelados para encontrar o desvio na frequência de pico a partir da frequência de ressonância da onda de cisalhamento considerando diferentes campos de onda em torno do pico, assim como sua relação com a forma dominante da curva. A frequência de pico das curvas H/V é utilizada para estimar a relação entre a frequência a espessura através de análise de regressão. O estudo mostra que a curva de dispersão obtida a partir de um ensaio MASW pode ser usada para estimar a velocidade da onda S a um metro de profundidade e sua tendência de aumento com a profundidade. Esses valores podem ser usados para estimar a relação frequência-espessura para uma área. Esses resultados são comparados com a relação frequência-espessura derivada experimentalmente para a mesma área. A sensibilidade da forma da curva H/V à estrutura de velocidade do meio é analisada através de duas técnicas de modelagem (elipticidade da onda Rayleigh e campo difuso baseado na curva H/V). Diferentes partes da curva H/V são invertidas visando avaliar qual a parte da curva H/V contém as informações mais importantes sobre a estrutura subterrânea. As lições aprendidas dessas análises são aplicadas a três dados experimentais de locais distintos. As ondas Love podem contaminar o resultado da curva H/V. Duas técnicas diferentes para remover o efeito das ondas amorosas são discutidas. Em seguida, são discutidos os resultados da inversão conjunta das curvas de dispersão e da curva H/V após remoção do efeito da onda Love, ou seja, a curva de elipticidade. Alguns aspectos novos da técnica H/V são discutidos no final. / The destruction caused by an earthquake at a site depends on many factors like source characteristics such as magnitude, epicentral distance from the site, depth of the source, and on the geological setting of the area. The destruction caused due to the geological setting of an area is termed as site effect. To model the site effect of an area is to determine the shaking level longevity and its displacement amplification. The elastic properties (shear and compressional wave velocities, density, thickness of soil layer, etc.) of the site are required to find out by employing various geophysical procedures. The knowledge of these elastic properties help in better designing the infrastructure, which reduces the chances of destruction caused by a local geological setting due to an earthquake occurrence. This procedure is widely termed as microzonation. The most important parameters for the microzonation are the thickness of soft sediments over the seismic bedrock and its shear wave velocity profile. These two parameters are properly characterized by employing various geophysical techniques like borehole measurement, seismic reflection and seismic refraction. The conventional geophysical methods bring some hindrance to the picture such as, the drilling of a borehole and artificial seismic sources deployment for the reflection and refraction survey, which are both expensive and time consuming, difficult or even in some case impossible to implement in urbanized environment, the investigation is depth limited to few tens of meter. The methods which replaced this conventional geophysical method from the last decades or so is the analysis of Earth vibration caused by the seismic noise which is produced by both natural and cultural sources. This ambient seismic noise can be recorded with less cost and effort with good lateral coverage. Various seismic noise techniques are employed for this job; however, the one which got the most attention in recent years is the horizontal over vertical spectral ratio (H/V) technique. The H/V spectral ratio curve is a fast easy and cheap tool for the near-subsurface characterization. There are various study performed on the topic which has tried to cover almost all the aspects and problems associated with the method. Here in this study, we try to detail the aspects of this technique, which are not been evaluated fully. The different modelling procedures presented to model and physically link the H/V curve with some physical phenomenon will be discussed and its numerical result with the experimental H/V curve will be compared for a borehole test site. The peak and the shape of the H/V curve will be modelled to find its peak frequency deviation from the shear wave resonance frequency by considering different wave-field around the peak. Similarly, the shape dominancy of the H/V curve linkage will be find out. The peak frequency of the H/V curve is used to estimate the thickness-frequency relation by regression analysis. Here we will show that the dispersion curve obtained from multi-channel analysis of surface waves (MASW) can be used to estimate the velocity at one meter and the shear wave velocity increase trend with depth. These values can be used to estimate the thickness frequency relation for an area and its result will be compared with the experimentally derived thickness-frequency relationship for the same area. The sensitivity of the H/V curve shape to the subsurface velocity structure will find out for two main modelling techniques (Rayleigh wave ellipticity and diffused field based H/V curve). The different parts of the H/V curve are inverted (back modelled) to find out the part of H/V curve which is carrying the most important information about the subsurface structure. The lesson learned from all this analysis will be applied to experimental data of three different sites. The Love waves might contaminate the result of the H/V curve. Two different techniques to remove their effects will be discussed. Then, the joint inversion result of the dispersion and this Love effect removed H/V for more precisely ellipticity curve is discussed. Some new aspects of the H/V curve technique are also discussed at the end.

A destruição causada por um terremoto depende de muitos fatores, como características e profundidade da fonte, magnitude, distância epicentral e da configuração geológica da área. A destruição causada devido à configuração geológica da área é denominada como efeito local. A modelagem do efeito local implica na determinação do tempo e nível de vibração e do efeito de amplificação do deslocamento. As propriedades elásticas dos materiais geológicos (velocidade das ondas de compressão e de cisalhamento, densidade, espessura da camada de solo, etc.) podem ser obtidas por diversos métodos geofísicos. O conhecimento dessas propriedades elásticas ajuda a melhor projetar as infraestruturas e reduzir as chances de danos. Este procedimento é denominado de microzoneamento. Os parâmetros mais importantes para realizar o microzoneamento são as espessuras dos sedimentos que recobrem o embasamento e o perfil das velocidades das ondas S (cisalhamento). Esses dois parâmetros são adequadamente caracterizados pelo uso de várias técnicas geofísicas como perfilagens em furos de sondagem, reflexão e refração sísmica. Esses métodos geofísicos trazem algumas restrições como a necessidade da execução de um furo, emprego de fontes sísmicas artificiais que muitas vezes são dispendiosas e por vezes de uso restrito em áreas urbanas, além de muitas vezes estarem limitadas a investigações de apenas algumas dezenas de metros. Os métodos que substituíram esses métodos geofísicos convencionais nas últimas décadas são a análise do ruído sísmico produzido por fontes naturais e culturais. Este ruído sísmico ambiental pode ser registrado com menor custo e esforço e com boa cobertura lateral. Várias técnicas que se utilizam do ruído sísmico podem ser empregadas, no entanto, aquela que obteve maior atenção nos últimos anos é a técnica da razão do espectro horizontal sobre o espectro vertical da onda de superfície (H/V). A curva da razão espectral H/V é uma ferramenta rápida, fácil e de baixo custo para a caracterização da subsuperfície rasa. Existem vários estudos realizados sobre o tema que tentaram cobrir todos os aspectos e problemas associados ao método. Aqui neste estudo são aprofundados alguns aspectos ainda não avaliados em detalhe. Diferentes procedimentos para a modelagem e as associações entre os fenômenos físicos envolvidos e as características da curva H/V são discutidos e os resultados numéricos desses estudos são comparados com informações extraídas de perfis de sondagens de um dos locais estudados. O pico e a forma da curva H / V são modelados para encontrar o desvio na frequência de pico a partir da frequência de ressonância da onda de cisalhamento considerando diferentes campos de onda em torno do pico, assim como sua relação com a forma dominante da curva. A frequência de pico das curvas H/V é utilizada para estimar a relação entre a frequência a espessura através de análise de regressão. O estudo mostra que a curva de dispersão obtida a partir de um ensaio MASW pode ser usada para estimar a velocidade da onda S a um metro de profundidade e sua tendência de aumento com a profundidade. Esses valores podem ser usados para estimar a relação frequência-espessura para uma área. Esses resultados são comparados com a relação frequência-espessura derivada experimentalmente para a mesma área. A sensibilidade da forma da curva H/V à estrutura de velocidade do meio é analisada através de duas técnicas de modelagem (elipticidade da onda Rayleigh e campo difuso baseado na curva H/V). Diferentes partes da curva H/V são invertidas visando avaliar qual a parte da curva H/V contém as informações mais importantes sobre a estrutura subterrânea. As lições aprendidas dessas análises são aplicadas a três dados experimentais de locais distintos. As ondas Love podem contaminar o resultado da curva H/V. Duas técnicas diferentes para remover o efeito das ondas amorosas são discutidas. Em seguida, são discutidos os resultados da inversão conjunta das curvas de dispersão e da curva H/V após remoção do efeito da onda Love, ou seja, a curva de elipticidade. Alguns aspectos novos da técnica H/V são discutidos no final. / The destruction caused by an earthquake at a site depends on many factors like source characteristics such as magnitude, epicentral distance from the site, depth of the source, and on the geological setting of the area. The destruction caused due to the geological setting of an area is termed as site effect. To model the site effect of an area is to determine the shaking level longevity and its displacement amplification. The elastic properties (shear and compressional wave velocities, density, thickness of soil layer, etc.) of the site are required to find out by employing various geophysical procedures. The knowledge of these elastic properties help in better designing the infrastructure, which reduces the chances of destruction caused by a local geological setting due to an earthquake occurrence. This procedure is widely termed as microzonation. The most important parameters for the microzonation are the thickness of soft sediments over the seismic bedrock and its shear wave velocity profile. These two parameters are properly characterized by employing various geophysical techniques like borehole measurement, seismic reflection and seismic refraction. The conventional geophysical methods bring some hindrance to the picture such as, the drilling of a borehole and artificial seismic sources deployment for the reflection and refraction survey, which are both expensive and time consuming, difficult or even in some case impossible to implement in urbanized environment, the investigation is depth limited to few tens of meter. The methods which replaced this conventional geophysical method from the last decades or so is the analysis of Earth vibration caused by the seismic noise which is produced by both natural and cultural sources. This ambient seismic noise can be recorded with less cost and effort with good lateral coverage. Various seismic noise techniques are employed for this job; however, the one which got the most attention in recent years is the horizontal over vertical spectral ratio (H/V) technique. The H/V spectral ratio curve is a fast easy and cheap tool for the near-subsurface characterization. There are various study performed on the topic which has tried to cover almost all the aspects and problems associated with the method. Here in this study, we try to detail the aspects of this technique, which are not been evaluated fully. The different modelling procedures presented to model and physically link the H/V curve with some physical phenomenon will be discussed and its numerical result with the experimental H/V curve will be compared for a borehole test site. The peak and the shape of the H/V curve will be modelled to find its peak frequency deviation from the shear wave resonance frequency by considering different wave-field around the peak. Similarly, the shape dominancy of the H/V curve linkage will be find out. The peak frequency of the H/V curve is used to estimate the thickness-frequency relation by regression analysis. Here we will show that the dispersion curve obtained from multi-channel analysis of surface waves (MASW) can be used to estimate the velocity at one meter and the shear wave velocity increase trend with depth. These values can be used to estimate the thickness frequency relation for an area and its result will be compared with the experimentally derived thickness-frequency relationship for the same area. The sensitivity of the H/V curve shape to the subsurface velocity structure will find out for two main modelling techniques (Rayleigh wave ellipticity and diffused field based H/V curve). The different parts of the H/V curve are inverted (back modelled) to find out the part of H/V curve which is carrying the most important information about the subsurface structure. The lesson learned from all this analysis will be applied to experimental data of three different sites. The Love waves might contaminate the result of the H/V curve. Two different techniques to remove their effects will be discussed. Then, the joint inversion result of the dispersion and this Love effect removed H/V for more precisely ellipticity curve is discussed. Some new aspects of the H/V curve technique are also discussed at the end.