I meget af historien om seismisk udforskning har forståelsen af, hvad der ligger under jordens overflade, været afhængig af at generere seismisk energi og observere, hvordan denne energi bevæger sig gennem underjordiske formationer. Kontrollerede eksplosioner, vibroseis-lastbiler og naturligt forekommende jordskælv har længe tjent som de primære informationskilder for geofysikere, der søger at afbilde underjordiske strukturer.
Selvom disse metoder fortsat er vigtige, er de ofte forbundet med høje driftsomkostninger, logistiske udfordringer, miljøhensyn og begrænsninger i kildetilgængeligheden. Efterhånden som efterforskningsmålene bliver mere komplekse og overvågningskravene bliver mere og mere kontinuerlige, har forskere søgt efter alternative måder at undersøge undergrunden på.
En af de mest betydningsfulde udviklinger, der er dukket op i de seneste årtier, er Ambient Noise Seismic Imaging (ANSI), ofte omtalt som Passive Seismic Imaging. I stedet for at stole på kunstige seismiske kilder, gør denne tilgang brug af de utallige vibrationer, der allerede er til stede i miljøet. Signaler, der engang blev betragtet som baggrundsinterferens, bliver nu brugt til at afsløre værdifuld information om Jordens indre.
Ved at udtrække nyttige bølgeudbredelseskarakteristika fra langsigtede optagelser af seismisk støj fra omgivende omgivelser kan forskere generere detaljerede billeder af underjordiske strukturer uden aktivt at producere seismisk energi. Det, der engang blev betragtet som støj, bliver i stigende grad en vigtig ressource for moderne geofysisk udforskning.
Hvad er omgivende støj seismisk billeddannelse?
I mange år blev seismiske baggrundsvibrationer stort set behandlet som uønsket støj i seismiske registreringer. Fremskridt inden for signalbehandling og seismisk teori har gradvist ændret denne opfattelse.
Ambient Noise Seismic Imaging er anerkendt som en kraftfuld passiv geofysisk teknik, der bruger naturligt forekommende jordvibrationer til at undersøge underjordiske strukturer. I stedet for at generere seismiske bølger gennem kunstige midler, er metoden afhængig af det kontinuerlige bølgefelt, der allerede er til stede i miljøet.
Den centrale idé er ligetil: Når omgivende vibrationer rejser gennem Jorden, interagerer de med geologiske formationer og bærer information om det medium, de passerer igennem. Ved omhyggeligt at analysere disse signaler kan forskere rekonstruere bølgeudbredelsesveje og genvinde information, der traditionelt er opnået gennem aktive seismiske undersøgelser.
Som følge heraf er billeddannelse af omgivende støj blevet et stadig vigtigere værktøj i passiv seismisk udforskning, seismisk tomografi og langtids-undergrundsovervågning.
Hvad er omgivende seismisk støj, og hvor kommer det fra?
Selv i fravær af jordskælv er jorden aldrig helt stille.
Seismiske instrumenter registrerer kontinuerligt svage vibrationer genereret af en lang række naturlige og menneskelige-fremkaldte processer. Disse vedvarende signaler er samlet kendt som omgivende seismisk støj.
I meget af udviklingen af moderne seismologi blev omgivende støj primært betragtet som en hindring. Forskere investerede en betydelig indsats i at fjerne det fra seismiske registreringer, så jordskælvsgenererede signaler kunne analyseres mere klart. Imidlertid har voksende beviser vist, at disse tilsyneladende tilfældige vibrationer indeholder værdifuld information om Jordens struktur.
Kilderne til omgivende seismisk støj er bemærkelsesværdigt forskellige. Havbølger, der interagerer med kystlinjer og havbunden, genererer mikroseismer, der kan forplante sig over store afstande. Vind, atmosfæriske trykvariationer, flodsystemer og havstrømme bidrager alle med energi til jorden. I bymiljøer skaber transportnetværk, industrielle faciliteter, byggeaktiviteter og dagligdags menneskelig bevægelse yderligere vibrationskilder.
Selvom disse signaler kan forekomme tilfældige, når de ses individuelt, prøver de gentagne gange undergrunden, mens de rejser gennem geologiske formationer. Over tid giver de en kontinuerlig registrering af, hvordan Jorden reagerer på bølgeudbredelse, hvilket gør dem til en værdifuld ressource til seismisk billeddannelse.
Hvordan genopretter seismisk billeddannelse undergrundsstøj undergrundsstrukturer?
Evnen til at udtrække meningsfuld information fra omgivende støj er baseret på en matematisk proces kendt som kryds-korrelation.
Når to seismiske stationer registrerer omgivende vibrationer samtidigt, fanger hver station bølgeenergi, der kommer fra mange forskellige retninger. Ved første øjekast fremstår disse optagelser meget komplekse og uordnede. Men ved at sammenligne de to datasæt over længere perioder kan forskere identificere stabile udbredelseskarakteristika, der deles mellem stationerne.
Efterhånden som optagelsestiden øges, konvergerer krydskorrelationsfunktionen gradvist mod det, som seismologer omtaler som den grønnes funktion mellem de to observationspunkter.
I bølgefysik beskriver en grøns funktion, hvordan et medium reagerer, når energi indføres et sted og observeres på et andet. Det indeholder effektivt information om selve mediets udbredelsesegenskaber.
Når først dette svar er rekonstrueret, kan den ene seismiske station behandles som en virtuel kilde, mens den anden fungerer som en modtager. Traditionelle seismiske analysemetoder kan derefter anvendes til at estimere seismiske hastigheder, identificere geologiske grænser og bygge detaljerede modeller af underjordiske strukturer.
Det, der gør denne tilgang særligt bemærkelsesværdig, er, at den kan gendanne oplysninger svarende til dem, der er opnået fra aktive-kildeundersøgelser uden overhovedet at kræve nogen kunstig seismisk kilde.
Hvorfor kan omgivende seismisk støj afsløre underjordiske oplysninger?
Et af de mest fascinerende aspekter ved billeddannelse af omgivende støj er, at nyttige signaler fremkommer fra, hvad der oprindeligt ser ud til at være tilfældige vibrationer.
Forklaringen ligger i den måde seismiske bølger udbreder sig gennem komplekse geologiske medier. Når bølger bevæger sig gennem jordskorpen, gennemgår de gentagen refleksion, brydning og spredning. Over lange perioder prøver bølger, der kommer fra mange forskellige retninger, gentagne gange de samme underjordiske strukturer.
Under krydskorrelationsprocessen-har ikke-relaterede tilfældige komponenter en tendens til at udligne gennem statistisk gennemsnit. Samtidig forstærkes bølgeformer forbundet med stabile udbredelsesveje mellem seismiske stationer og bliver gradvist mere fremtrædende.
Efterhånden som yderligere data akkumuleres, fortsætter kohærente signaler med at styrke, mens tilfældige udsving aftager. Til sidst kommer de underliggende udbredelseskarakteristika af undergrunden frem fra baggrundsstøjen.
Denne proces giver forskere mulighed for at transformere tilsyneladende kaotiske vibrationer til meningsfuld information om geologiske strukturer skjult under overfladen.
Hvordan fungerer passiv seismisk billeddannelse?
Passiv seismisk billeddannelse begynder med implementeringen af et netværk af seismiske sensorer på tværs af undersøgelsesområdet.
Disse instrumenter fungerer kontinuerligt og registrerer omgivende jordbevægelser over perioder, der spænder fra flere uger til mange måneder. Fordi metoden ikke er afhængig af aktive seismiske kilder, kan dataindsamling ofte udføres med minimal forstyrrelse af omgivende samfund og miljøer.
Når der er indsamlet tilstrækkelige data, udfører forskere en række forbehandlingstrin for at fjerne instrumentelle effekter og forbigående forstyrrelser, der kan skjule det omgivende bølgefelt. De rensede optagelser krydskorreleres derefter- mellem stationspar for at rekonstruere virtuelle seismiske reaktioner.
De genvundne bølgeformer giver information om seismiske bølgehastigheder på tværs af forskellige frekvensområder. Gennem inversionsteknikker transformeres disse målinger til to-dimensionelle og tre-dimensionelle modeller af undergrunden.
De resulterende billeder kan afsløre fejlsystemer, hastighedsvariationer, geologiske grænser, skorpestrukturer og andre funktioner, som ellers ville kræve omfattende aktive-kildeundersøgelser at undersøge.
Fordele ved seismisk billeddannelse med omgivende støj frem for traditionel seismisk udforskning
Den voksende anvendelse af seismisk billeddannelse af omgivende støj afspejler et bredere skift i moderne geofysik. I stedet for udelukkende at stole på kunstige energikilder eller vente på væsentlige seismiske hændelser, søger forskere i stigende grad måder at udtrække information fra naturligt forekommende vibrationer.
Ingen kunstig seismisk kilde påkrævet
En af de væsentligste fordele er, at billeddannelse af omgivende støj ikke kræver kontrollerede eksplosioner, vibroseis-lastbiler eller andre aktive seismiske kilder. Jorden leverer kontinuerligt brugbar energi gennem havgenererede-mikroseismer, atmosfæriske processer og menneskelige aktiviteter.
Lavere omkostninger og reduceret miljøpåvirkning
Eliminering af behovet for aktive kilder forenkler feltoperationer, reducerer logistiske krav og kan sænke efterforskningsomkostningerne betydeligt. Metoden er især værdifuld i miljømæssigt følsomme områder, tæt befolkede områder og steder, hvor konventionelle seismiske undersøgelser står over for driftsmæssige begrænsninger.
Kontinuerlig overvågningsevne
Fordi omgivende seismisk støj er til stede døgnet rundt, kan forskere overvåge ændringer i undergrunden kontinuerligt over lange perioder. Dette muliggør detektering af tidsmæssige variationer, som kan blive overset af traditionelle undersøgelser, der kun udføres på bestemte tidspunkter.
Forbedret billedkvalitet gennem moderne teknologi
Fremskridt inden for seismiske sensorer, tætte array-implementeringer og høj-databehandling har i høj grad forbedret effektiviteten af billeddannelse af omgivende støj. I mange applikationer opnår de resulterende hastighedsmodeller nu opløsnings- og detaljeringsniveauer, der kan sammenlignes med dem, der opnås fra traditionelle seismiske udforskningsmetoder.
Anvendelser af omgivende støj seismisk billeddannelse
Seismisk billeddannelse af omgivende støj bruges nu på tværs af en lang række geovidenskabelige og tekniske discipliner. Dens evne til at levere undergrundsinformation uden aktive seismiske kilder gør den værdifuld til både stor-videnskabelig forskning og praktiske overvågningsapplikationer.
Skorpestruktur og tektoniske undersøgelser
En af de tidligste og mest etablerede anvendelser er studiet af skorpe- og litosfærisk struktur.
Forskere bruger seismisk støj fra omgivelserne til at kortlægge regionale geologiske træk og undersøge tektoniske processer, hvilket hjælper med at forbedre vores forståelse af pladeinteraktioner, jordskorpeudvikling og stor-jorddynamik.
Bygeologisk Undersøgelse
Byer genererer rigelige omgivende vibrationer fra transportsystemer, industriel aktivitet og byggeri.
Disse signaler kan bruges til at afbilde lavvandede underjordiske forhold, identificere underjordiske hulrum, vurdere fundamentets stabilitet og understøtte byinfrastrukturplanlægning uden at forstyrre daglige aktiviteter.
Overvågning af olie-, gas- og geotermisk reservoir
Kontinuerlig passiv overvågning bruges i stigende grad i energi-relaterede projekter.
Ved at spore ændringer i seismisk hastighed over tid kan forskere evaluere reservoiradfærd, overvåge væskebevægelser og vurdere udviklende underjordiske forhold i olie-, gas-, geotermiske og underjordiske lageroperationer.
Grundvandsundersøgelse og hydrogeologi
Imaging fra omgivende støj kan også understøtte grundvandsundersøgelser.
Underjordiske hastighedsmodeller afledt af passive seismiske data hjælper med at karakterisere grundvandsmagasiner og hydrogeologiske enheder, hvilket giver information, der kan supplere traditionelle grundvandsudforskningsmetoder.
Planetarisk seismologi og måneudforskning
Teknikken begynder også at spille en rolle i planetarisk videnskab.
Undersøgelser, der anvender seismiske data fra Apollo-æraen, har vist, at støj-korrelationsmetoder kan afsløre lavvandede månestrukturer, hvilket fremhæver potentialet ved passiv seismisk billeddannelse til fremtidige måne- og planetariske udforskningsmissioner.
Ved at transformere naturligt forekommende jordvibrationer til meningsfuld geologisk information giver passiv seismisk billeddannelse et praktisk og stadig mere kraftfuldt alternativ til konventionelle seismiske undersøgelser. Dets evne til at operere kontinuerligt, minimere miljøpåvirkningen og udtrække information uden kunstige seismiske kilder har skabt nye muligheder på tværs af geologi, grundvandsudforskning, energiudvikling, infrastrukturundersøgelser og planetarisk videnskab.
Efterhånden som observationsnetværk, computerteknologier og billedbehandlingsalgoritmer fortsætter med at udvikle sig, forventes seismisk billeddannelse af omgivende støj at spille en endnu større rolle i fremtidige geofysiske undersøgelser. Det, der engang blev betragtet som støj, er nu ved at blive en vigtig kilde til indsigt i de skjulte strukturer under jordens overflade.
Pålidelige undersøgelser af omgivende støj afhænger ikke kun af avancerede behandlingsteknikker, men også af feltdata af høj-kvalitet. Fra seismiske nodesystemer og digitale seismografer til geofoner og passive overvågningsnetværk, fortsætter moderne seismisk udstyr med at understøtte den voksende anvendelse af omgivende støjtomografi og passiv seismisk udforskning på verdensplan. Vi leverer udstyr til seismisk efterforskning og geofysisk undersøgelse designet til at understøtte passiv seismisk overvågning, undersøgelser af omgivende vibrationer og underjordiske billeddannelsesprojekter i en lang række geologiske miljøer.
Referencer
1. Campillo, M., & Paul, A. (2003). Lang rækkevidde korrelationer i den diffuse seismiske coda.Videnskab, 299(5606), 547–549.
2. Shapiro, NM, & Campillo, M. (2004). Fremkomst af bredbånds Rayleigh-bølger fra korrelationer af den omgivende seismiske støj.Geofysiske forskningsbreve, 31(7).
3. Sabra, KG, Gerstoft, P., Roux, P., Kuperman, WA, & Fehler, MC (2005). Overfladebølgetomografi fra mikroseismer i det sydlige Californien.Geofysiske forskningsbreve, 32(14).
4. Wapenaar, K., Draganov, D., Snieder, R., Campman, X., & Verdel, A. (2010). Selvstudium om seismisk interferometri: Del 1 - Grundlæggende principper og anvendelser.Geofysik, 75(5), 75A195–75A209.
5. Bensen, GD, Ritzwoller, MH, Barmin, MP, Levshin, AL, Lin, F., Moschetti, MP, Shapiro, NM, & Yang, Y. (2007). Behandling af seismiske omgivende støjdata for at opnå pålidelige{17}}bredbåndsmålinger af overfladebølgespredning.Geophysical Journal International, 169(3), 1239–1260.
6. Snieder, R., & Larose, E. (2013). Uddrag af Jordens elastiske bølgerespons fra støjmålinger.Årlig gennemgang af jord- og planetvidenskab, 41, 183–206.
7. Nakata, N., Gualtieri, L., & Fichtner, A. (2019). Seismisk omgivende støj. Cambridge University Press.
8. Garnier, J., & Papanicolaou, G. (2016). Passiv billeddannelse med omgivende støj. Cambridge University Press.
