Сейсмический шум - Seismic noise

В геофизике , геологии , гражданском строительстве и смежных дисциплинах сейсмический шум - это общее название для относительно устойчивой вибрации земли из-за множества причин, которая часто является не интерпретируемым или нежелательным компонентом сигналов, регистрируемых сейсмометрами .

Физически сейсмический шум возникает в основном из-за поверхностных или приповерхностных источников и, таким образом, состоит в основном из упругих поверхностных волн . Волны низкой частоты (ниже 1 Гц ) обычно называют микросейсмами, а волны высокой частоты (выше 1 Гц) называют микротреморами . Основные источники сейсмических волн включают деятельность человека (например, транспорт или промышленную деятельность), ветры и другие атмосферные явления, реки и океанские волны .

Сейсмический шум имеет отношение к любой дисциплине, которая зависит от сейсмологии , включая геологию , разведку нефти , гидрологию и сейсмическую инженерию , а также мониторинг состояния конструкций . В этих дисциплинах его часто называют окружающим волновым полем или окружающими вибрациями (однако последний термин может также относиться к вибрациям, передаваемым по воздуху, зданиям или опорным конструкциям).

Сейсмический шум часто мешает деятельности, чувствительной к посторонним вибрациям, включая мониторинг и исследование землетрясений , прецизионное фрезерование , телескопы , детекторы гравитационных волн и выращивание кристаллов . Однако сейсмический шум также имеет практическое применение, в том числе определение низко деформированных и изменяющихся во времени динамических свойств строительных конструкций, таких как мосты , здания и плотины ; сейсмические исследования подповерхностного строения во многих масштабах, часто с использованием методов сейсмической интерферометрии ; Экологический мониторинг; и оценка карт сейсмического микрозонирования для характеристики местных и региональных откликов грунта во время землетрясений.

Причины

Исследования происхождения сейсмического шума показывают, что низкочастотная часть спектра (ниже 1 Гц) в основном вызвана естественными причинами, в основном океанскими волнами . В частности, глобально наблюдаемый пик между 0,1 и 0,3 Гц явно связан с взаимодействием водных волн почти одинаковой частоты, но пробегающих в противоположных направлениях. На высокой частоте (выше 1 Гц) сейсмический шум в основном создается деятельностью человека, например, дорожным движением и промышленными работами; но есть и природные источники, в том числе реки. На частотах выше 1 Гц ветер и другие атмосферные явления также могут быть основным источником колебаний грунта.

Антропогенный шум, обнаруживаемый в периоды низкой сейсмической активности, включает "пешеходные сотрясения" футбольных фанатов, топающих ногами в Камеруне.

Неантропогенная активность включает импульсы с интервалом от 26 до 28 секунд (0,036–0,038 Гц) с центром в заливе Бонни в Гвинейском заливе, которые, как считается, вызваны отраженными штормовыми волнами, сфокусированными на африканском побережье и воздействующими на относительно мелкое морское дно.

Физические характеристики

Амплитуда сейсмических шумовых колебаний обычно составляет от 0,1 до 10 мкм / с . Модели высокого и низкого фонового шума как функции частоты были оценены во всем мире.

Сейсмический шум включает небольшое количество объемных волн (P- и S-волны), но преобладают поверхностные волны ( волны Лява и Рэлея ), поскольку они преимущественно возбуждаются процессами поверхностного источника. Эти волны являются дисперсионными , что означает, что их фазовая скорость изменяется с частотой (обычно она уменьшается с увеличением частоты). Поскольку дисперсионная кривая (фазовая скорость или медленность как функция частоты) связана с изменениями скорости поперечной волны с глубиной, ее можно использовать в качестве неинвазивного инструмента для определения подповерхностной сейсмической структуры и решения обратной задачи .

История

В нормальных условиях сейсмический шум имеет очень низкую амплитуду и не может ощущаться людьми, а также был слишком низким, чтобы регистрироваться большинством ранних сейсмометров в конце 19 века. Однако к началу 20 века японский сейсмолог Фусакичи Омори уже мог регистрировать колебания окружающей среды в зданиях, амплитуды которых были увеличены. Он определил резонансные частоты зданий и изучил их эволюцию в зависимости от повреждений. В глобальном масштабе виден 30 с-5 s сейсмический шум был признан в начале истории сейсмологии как возникающие из океанов, а также комплексная теория его поколения была опубликован Лонг-Хиггинс в 1950 году стремительного прогресса , начиная примерно в 2005 году в сейсмической интерферометрии обусловлена теоретическим , достижения в области методологии и данных привели к возобновлению интереса к применению сейсмического шума.

Гражданское строительство

После землетрясения в Лонг-Бич в Калифорнии в 1933 году в рамках большой экспериментальной кампании, проведенной Д.С. Кардером в 1935 году, были зарегистрированы и проанализированы колебания окружающей среды более чем в 200 зданиях. Эти данные использовались в проектных нормах для оценки резонансных частот зданий, но интерес к методу снизился до 1950-х годов. Интерес к окружающим колебаниям в конструкциях продолжал расти , особенно в Калифорнии и Японии, благодаря работе инженеров-землетрясений, в том числе Дж. Хауснера , Д. Хадсона, К. Канаи, Т. Танака и других.

Однако в технике окружающие вибрации были вытеснены - по крайней мере на некоторое время - методами принудительной вибрации, которые позволяют увеличивать амплитуды и контролировать источник встряхивания и методы их идентификации системы. Несмотря на то, что М. Трифунак показал в 1972 году, что окружающие и вынужденные колебания приводят к одним и тем же результатам, интерес к методам окружающих вибраций возрос только в конце 1990-х годов. Сейчас они стали весьма привлекательными из-за их относительно низкой стоимости и удобства, а также недавних улучшений в записывающем оборудовании и методах вычислений. Результаты их динамического зондирования при низкой деформации оказались достаточно близкими к динамическим характеристикам, измеренным при сильных сотрясениях, по крайней мере, до тех пор, пока здания не сильно повреждены.

Научные исследования и приложения в геологии и геофизике

Регистрация глобального сейсмического шума широко расширилась в 1950-х годах с появлением сейсмометров для контроля ядерных испытаний и разработкой сейсмических групп. В то время основной вклад в анализ этих записей внес японский сейсмолог К. Аки в 1957 году. Он предложил несколько методов, используемых сегодня для локальной сейсмической оценки, таких как пространственная автокорреляция (SPAC), частотно-волновое число (FK) и корреляция. Однако практическая реализация этих методов в то время была невозможна из-за низкой точности часов сейсмических станций .

Усовершенствования инструментов и алгоритмов привели к возобновлению интереса к этим методам в 1990-х годах. Я. Накамура заново открыл в 1989 году метод горизонтального и вертикального спектрального отношения (H / V) для определения резонансной частоты участков. Предполагая, что поперечные волны преобладают в микротреморе, Накамура заметил, что спектральное отношение H / V окружающих колебаний примерно равно передаточной функции S-волны между поверхностью земли и коренной породой на участке. (Однако это предположение было подвергнуто сомнению в проекте SESAME.)

В конце 1990-х годов методы массивов, применяемые к данным сейсмического шума, начали определять свойства грунта в терминах профилей скорости поперечных волн. Европейский исследовательский проект SESAME (2004–2006) работал над стандартизацией использования сейсмического шума для оценки усиления землетрясений по местным характеристикам грунта.

Текущее использование сейсмического шума

Характеристика геологических свойств

Анализ окружающих вибраций и случайного сейсмического волнового поля мотивирует использование множества методов обработки, используемых для характеристики геологической среды, в том числе с помощью спектров мощности , анализа пиков H / V, дисперсионных кривых и автокорреляционных функций .

Однопозиционные методы:

  • Расчет спектров мощности , например, пассивная сейсмика . Например, мониторинг характеристик спектральной плотности мощности фонового микросейзма океана и очень долгопериодного гула Земли на глобально и регионально распределенных станциях обеспечивает косвенные оценки энергии океанских волн, особенно в прибрежных средах, включая свойства затухания океанских волн ежегодно меняющейся полярной полярностью. морской лед

  • HVSR (спектральное отношение H / V): метод H / V особенно относится к записи вибрации окружающей среды. Bonnefoy-Claudet et al. показали, что пики в спектральных отношениях по горизонтали и вертикали могут быть связаны с пиком эллиптичности Рэлея , фазой Эйри волн Лява и / или частотами резонанса SH в зависимости от доли этих различных типов волн в окружающем шуме. Тем не менее, случайно все эти значения дают приблизительно одно и то же значение для данного грунта, так что пик H / V является надежным методом оценки резонансной частоты участков. Для получения 1 слоя осадка на коренных породах, эта величина F 0 связана со скоростью S-волна V с и глубиной отложений H следующим: . Поэтому его можно использовать для картирования глубины коренных пород, зная скорость поперечных волн. Этот частотный пик позволяет ограничить возможные модели, полученные с использованием других сейсмических методов, но этого недостаточно для получения полной модели грунта. Более того, было показано, что амплитуда пика H / V не связана с величиной усиления.

Методы массивов: использование массива сейсмических датчиков, одновременно регистрирующих колебания окружающей среды, позволяет лучше понять волновое поле и получить улучшенные изображения геологической среды. В некоторых случаях может быть реализовано несколько массивов разного размера, и результаты будут объединены. Информация о вертикальных компонентах связана только с волнами Рэлея, и поэтому их легче интерпретировать, но также разработан метод, использующий все три компонента движения грунта, предоставляющий информацию о волновом поле Рэлея и Лява. В методах сейсмической интерферометрии , в частности, используются методы на основе корреляции для оценки отклика Земли на сейсмический импульс ( функция Грина ) от фонового шума, и они стали основной областью применения и исследований с ростом постоянно записываемых высококачественных данных о шумах в широкий выбор настроек, от приповерхностного до континентального масштаба

Характеристика вибрационных свойств строительных конструкций.

Как и землетрясения , колебания окружающей среды вызывают колебания строительных конструкций, таких как мосты , здания или плотины . В большинстве использованных методов предполагается, что этот источник вибрации представляет собой белый шум , то есть с плоским шумовым спектром, так что зарегистрированный отклик системы фактически является характеристикой самой системы. Колебания воспринимаются человеком лишь в редких случаях (мосты, высокие здания). Окружающие колебания зданий также вызываются ветром и внутренними источниками (машины, пешеходы ...), но эти источники обычно не используются для характеристики конструкций. Раздел, изучающий модальные свойства систем при окружающих вибрациях, называется оперативным модальным анализом (OMA) или модальным анализом только на выходе и предоставляет множество полезных методов для гражданского строительства . Наблюдаемые вибрационные свойства конструкций объединяют всю сложность этих конструкций, включая несущую систему , тяжелые и жесткие неструктурные элементы (филенки из каменной кладки ...), легкие неструктурные элементы (окна ...) и взаимодействие с почвой (фундамент здания может быть плохо закреплен на земле и могут возникать дифференциальные движения). Это подчеркивается, потому что трудно создать модели, которые можно было бы сравнить с этими измерениями.

Методы однопостовые: спектр мощности вычисления записей окружающей среды колебаний в структуре (например , на верхнем этаже здания для больших амплитуд) дает оценку ее резонансные частоты и в конце концов ее коэффициента демпфирования .

Метод передаточной функции: если предположить, что окружающие вибрации земли являются источником возбуждения конструкции, например здания, передаточная функция между нижней и верхней частью позволяет устранить эффекты небелого входного сигнала. Это может быть особенно полезно для сигналов с низким отношением сигнал / шум (небольшие здания / высокий уровень колебаний грунта). Однако этот метод, как правило, не может устранить эффект взаимодействия грунт-конструкция .

Массивы: они заключаются в одновременной записи в нескольких точках конструкции. Цель состоит в том, чтобы получить модальные параметры конструкций: резонансные частоты , коэффициенты демпфирования и модальные формы для всей конструкции. Обратите внимание, что, не зная входной нагрузки, факторы участия этих режимов не могут быть получены априори. Используя общий эталонный датчик, можно объединить результаты для разных массивов.

  • Методы, основанные на корреляциях

Некоторые методы используют матрицы спектральной плотности мощности одновременных записей, то есть матрицы взаимной корреляции этих записей в области Фурье . Они позволяют извлекать операционные модальные параметры (метод выбора пика), которые могут быть результатом объединения мод или модальных параметров системы (метод разложения в частотной области).

В литературе существует множество методов идентификации систем для определения свойств системы, которые могут применяться к колебаниям окружающей среды в конструкциях.

Социальные науки

COVID-19 пандемия произвел уникальную ситуацию , в которой человек транспорт, промышленные и другие виды деятельности были значительно урезанную по всему миру, особенно в густонаселенных районах. Анализ сопутствующего значительного снижения сейсмического шума на высоких частотах показал, что эти исключительные действия привели к самому продолжительному и наиболее заметному глобальному снижению антропогенного сейсмического шума из когда-либо наблюдавшихся. Сейсмический шум был дополнительно исследован как показатель экономического развития.

Инверсия / обновление модели / многомодельный подход

Прямые измерения шумовых свойств не могут напрямую дать информацию о физических параметрах (скорость поперечной волны, жесткость конструкции ...) наземных конструкций или строительных конструкций, которые обычно представляют интерес. Следовательно, необходимы модели для вычисления этих наблюдений (дисперсионная кривая, модальные формы ...) в подходящей прямой задаче, которую затем можно сравнить с экспериментальными данными. Учитывая прямую задачу, процесс оценки физической модели затем можно представить как обратную задачу .

Необходимый материал

Цепь сбора данных в основном состоит из сейсмического датчика и дигитайзера . Количество сейсмических станций зависит от метода, от одной точки (спектр, HVSR) до массивов (3 датчика и более). Используются трехкомпонентные датчики (3C), за исключением особых случаев. Чувствительность датчика и частота среза зависят также от области применения. Для наземных измерений необходимы велосиметры, поскольку их амплитуды обычно ниже чувствительности акселерометров , особенно на низкой частоте. Их угловая частота зависит от интересующего диапазона частот, но обычно используются угловые частоты ниже 0,2 Гц. Геофоны (как правило, с угловой частотой 4,5 Гц или выше) обычно не подходят. Для измерений в строительных конструкциях амплитуда, как правило, выше, а также интересующие частоты, что позволяет использовать акселерометры или измерители скорости с более высокой угловой частотой. Однако, поскольку в таких экспериментах могут быть интересны и точки регистрации на земле, могут потребоваться чувствительные инструменты. За исключением измерений на одной станции, для всех станций необходима общая отметка времени. Это может быть достигнуто с помощью часов GPS , общего сигнала пуска с помощью пульта дистанционного управления или использования одного дигитайзера, позволяющего записывать данные с нескольких датчиков. Относительное расположение точек записи необходимо более или менее точно для различных методов, требующих либо ручного измерения расстояния, либо дифференциального определения местоположения по GPS .

Преимущества и ограничения

Преимущества методов вибрации окружающей среды по сравнению с активными методами, обычно используемыми в разведочной геофизике или записями землетрясений, используемыми в сейсмической томографии .

  • Относительно дешевый, неинвазивный и неразрушающий метод
  • Применимо к городской среде
  • Предоставлять ценную информацию с небольшим количеством данных (например, HVSR)
  • Кривая дисперсии волны Рэлея относительно легко восстановить
  • Предоставьте надежные оценки Vs30

Ограничения этих методов связаны с шумовым волновым полем, но особенно с общими допущениями, сделанными в сейсмике:

  • Глубина проникновения зависит от размера массива, но также от качества шума, разрешения и ограничения наложения зависят от геометрии массива.
  • Сложность волнового поля (волны Рэлея, Лява, интерпретация высших мод ...)
  • Допущение плоской волны для большинства методов массива (проблема источников внутри массива)
  • 1D предположение о подземной конструкции, хотя 2D также было выполнено
  • Обратная задача трудноразрешима, как и для многих геофизических методов.

использованная литература

внешние ссылки