High frequency measurement of P‐ and S‐wave velocities on crystalline  rock massif surface – methodology  of measurement Jan Vilhelm – Charles University in Prague Lubomír Slavík – Technical University of  Liberec The Czech Republic

Monitoring of the behavior of the rock massif  joint systems by means of geophysical methods.  Project no. TA03020408

• G Impuls Ltd., Prague

• Charles University in Prague, Dept. of  Hydrogeology, Engineering Geology and  Applied Geophysics

• Technical University of Liberec, Institute of  Systems Control and Reliability  Management

The measurement at rock surface • The possibility for monitoring of voids and  fractures – Presence of fracture, formation of a new crack – Fracture stiffness – Possible changes in time

• Use of seismic methods – monitoring of  mechanical properties

Measurement in tunnel • Underground gallery made by TBM (Tunnel  Boring Machine) • Granite, measurement across macroscopically  visible void • Registration of waveforms 

Seismic measurement at rock massif  surface • Directly at rock surface

• • • • • •

Time of flight measurement Measurement base about 1 m Frequency of seismic waves ~ 40 kHz Piezoceramic accelerometers P‐ and S‐waves Recording of waveforms

Surface seismic measurement • Increase of velocity with increasing depth – refracted waves (“diving waves”)

• Measurement base 100 m

Seismic measurement near to source P‐transducer

S‐transducer

• Increase of velocity is low – measuring base ~1m  • For P‐wave measurement S‐transducers are more  suitable than P‐transducers

Seismic measurement: P‐ and S‐ transducers S‐transducers

P‐transducers time s

time s Time (msec)

Time (msec)

300

350

400

450

500

550

600

650

250

300

350

400

450

500

550

0.5 m 0.5 m

distance

0.5 m

250

P‐wave velocity ~5300 m/s

280 s

• P‐wave in the first arrivals marked • Measurement at surface: for P‐wave measurement S‐ transducers are more suitable than P‐transducers

600

650

Measuring system – transducer  excitation • • • •

Selection of suitable pulse generator Wideband frequency range x narrowband Olympus 5072 (damped spike pulse)  Olympus 5077 (square pulse) 5072

5077

Measuring system – transducer  excitation

• Exponentially damped pulse,  duration t=2ns (~f=50MHz),  selectable damping slope • Wide frequency band • Advantage: short duration of  wideband impulse 

• Square pulse • Selectable frequency 20 MHz – 0.1 MHz • Advantage: at sensor resonant  frequency the amplitude is  about 12 dB higher

Comparison of signals from spike and  rectangle high voltage source

• • • •

Source and receiver transducers 100 kHz S‐sensor, measuring base 100 cm, across  fracture Blue ‐ square pulse 100 kHz (duration 10s) Red ‐ spike source, maximum damping Recorded waveforms are similar, square source pulse generator – significantly  higher amplitude

Comparison of frequency contents of recorded  waveforms for spike and square source

• Selected parts of signals (150 s, P‐wave  arrival) used for frequency spectra comparison • Velocity of P‐waves approx. 5300 m/s

Comparison of frequency contents of recorded  waveforms for spike and square source

• Normalized frequency spectra • The frequency content is similar, no higher frequencies for  spike source (only higher noise due to lower amplitude) • For 40 kHz the wavelength is 13 cm (measuring base 1 m) 

Frequency dependent attenuation

• • • •

Normalized frequency spectra Source: 100 kHz  and  1 MHz transducer Registration: 100 kHz and 1 MHz transducer There is no increase in high frequency content for 1 MHz transducers  ‐ the  frequency content in the distance 0.5 m is determined by HF attenuation  in the rock material (1 MHz ‐ higher HF noise due to lower amplitude)

Frequency dependent attenuation

• • • •

Normalized frequency spectra Source: 100 kHz rectangular pulse, 100 kHz S‐transducer Registration: 100 kHz S‐transducer There is only slight decrease of high frequency content with increasing  distance (150 cm ‐ higher HF noise due to lower amplitude)

S‐wave measurement S‐transducers

P‐transducers

Time (msec) 300

350

400

450

500

550

time s 600

650

700

time s

Time (msec) 750

800

850

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0.5 m 0.5 m

distance

0.5 m

250

S‐wave velocity ~3000 m/s

500 s

• For S‐wave measurement P‐wave transducers  are more suitable

850

Conclusions • Measurement on rock surface, measuring base  ~1 – 2 m: • S‐transducers are suitable for P‐wave velocity measurement • P‐transducers are suitable for S‐wave velocity measurement

• Due to frequency dependent absorption the use  of frequency ~40 kHz is recommended • Accuracy of repeated P‐wave velocity  measurements can be better then 1% in the  distance 0.5 m