Fluvial seismologi

Fluvial seismologi är tillämpningen av seismologiska metoder för att förstå flodprocesser , såsom utsläpp, erosion och strömbäddsutveckling. Flödande vatten och rörelsen av sediment längs strömbädden genererar elastiska (seismiska) vågor som fortplantar sig in i de omgivande jordmaterialen. Seismometrar kan registrera dessa signaler, som kan analyseras för att belysa olika fluviala processer som turbulent vattenflöde och transport av sänglast . Seismiska metoder har använts för att observera utsläppsvärden som sträcker sig från ensiffriga upp till tiotusentals kubikfot per sekund (cfs).

Ett experiment 1990 i de italienska alperna var ett av de tidigaste som visade att seismometrar kunde upptäcka urskiljbara fluviala signaler inom det seismiska bruset som genererades av flödet. Sex seismometrar registrerade medelhastigheten för marksvängningar längs en alpin flod som också övervakades för utsläpp och bäddlast med en sedimentfälla. De fastställde de lägsta flödesvärdena som krävs för att initiera och upprätthålla lasttransport. Sedan dess har fluvial seismologi blivit ett snabbt växande forskningsområde.

Fluvial seismologi är en underdisciplin av miljöseismologi, ett relativt ungt område där okonventionella seismiska signaler kan detekteras inom vad som tidigare ansågs vara "brus". Seismiskt brus finns över hela spektrumet av frekvenser som studerats inom seismologi (0,001–100 Hz). Medan traditionell seismologi handlar om tektoniska jordbävningar och den fasta jordens struktur, handlar miljöseismologi om vågor som härrör från utanför den fasta jorden eller vars signal påverkas av miljöförhållanden (temperatur, hydrologi). Principerna för fluvial och miljöseismologi kan tillämpas på alla typer av ytliga processer, inklusive skräpflöden , jordskred , lahars , glaciala rörelser och isbävningar , etc.

Ansökningar

Transport av bäddlast är bland de mest effektiva sätten för erosion och spelar en dominerande roll i flodernas evolution och morfologi. Att förstå krafterna som en flod och det sediment som den transporterar utövar på bäckbädden är en nyckelkomponent i flodens morfologiska evolution. Särskilt storm- och översvämningshändelser med högt flöde och hög energi har en stor effekt på bäckens morfologi och utveckling. Några tillämpningar av fluvial seismologi inkluderar:

Anläggningsbyggnad , flodrestaurering och design av flod- och översvämningskontrollstrukturer . Lasttransporter kan orsaka mycket skador vid stora översvämningshändelser och strukturer måste utformas för att klara dem.
Allmän säkerhet: telemetriska seismiska data kan användas för kontinuerlig fjärrövervakning, för att varna nedströms samhällen om potentiellt farliga och katastrofala översvämningar
Forskning: förståelse av sedimenttransport, beräkning av hastigheter och medel för strömbäddssnitt, geomorfologi , evolution av flod över tid, förstå/kvantifiera floderosion

Signaler

Fluvial seismologi är i allmänhet begränsad till högfrekvent seismiskt brus med en frekvens > 1 Hz (period < 1 s). Observationer rör området 1–100 Hz, vilket en teoretisk framåtmodell av seismisk våggenerering visar att turbulent vattenflöde över en flodbädd genererar.

Observationer görs i allmänhet mindre än 100 m från stranden av floden, men en studie visar tydliga flodsignaler från 2 km bort. Utplacering av seismometrar på olika avstånd från floden kan vara till hjälp för att särskilja signalkällor.

De två huvudsignaler som hittills har utvunnits från seismiskt brus som genererats av floder är 1) det turbulenta flödet av vatten och 2) transport av sediment under botten. Andra föreslagna signaler inkluderar interaktion mellan vattenytan och luft. Andra tyder på att ytterligare analys kan skilja mellan olika typer av transport av sänglast – saltning vs klippning.

Generellt sett har studier funnit att signalen på grund av turbulent vattenflöde är lägre frekvens än vid transport av sänglast. Till exempel fann en studie att medan utsläpp och vattennivå var korrelerade med en signal från 1–80 Hz, var sambandet särskilt starkt i 2–5 Hz och 10–15 Hz fönstren. Samtidigt tillskrevs 30–50 Hz-signalen till transport av sänglast.

Hysteres

Hysteres är ett väldokumenterat fenomen som observeras vid seismisk observation av floder där samma flöde inte alltid producerar samma seismiska signal. Om vattenturbulens endast var en källa till seismiska signaler, skulle samma urladdning alltid producera samma amplitud av det seismiska svaret.

Hysteres har observerats över tidsskalor från timmar (enkla stormar) till hela år. Hysteres har observerats i fluviala system i både medurs och moturs former, även om medurs är mycket vanligare. Medurs hysteres tillskrivs ofta förändringar i lasttransporten, med en större seismisk signal observerad på den stigande armen av urladdningskurvan än på den fallande armen.

Hysteres hänförs oftast till att mängden sediment som transporteras av floden förändras. Men även om hysteres är karakteristisk för effekten av lasttransport i grusbäddsälvar, orsakas den inte nödvändigtvis enbart av lasttransport. Dessutom ger inte all transport av sänglast nödvändigtvis hysteres. Hysteres kan också orsakas av förändrat turbulent flöde som ett resultat av förändrad flodmorfologi, såsom ändrad ytjämnhet i bäckbädden.

Förbättringar

Metoder för fluvial seismologi ger ett sätt för kontinuerliga indirekta observationer av fenomen som är 1) svåra och farliga att mäta, 2) sällsynta och 3) uppskattade eller dåligt begränsade. Till exempel är lasttransport svår att mäta direkt samtidigt som den är farlig under högflödesförhållanden. Som ett resultat kan observationer vara sällsynta och endast begränsade till lågutsläppsförhållanden, när högflödesförhållanden är av särskild betydelse för strömningsutvecklingen. Uppskattningar kan vara begränsade till laboratorieförda, empiriskt härledda rännexperiment.

Användningen av seismologi för att förstå fluviala processer är en förbättring av flera befintliga metoder (såsom sedimentfällor, direkt provtagning, stötplattor eller geofoner begravda i strömbädden) eftersom

inspelningar kan göras helt utanför kanalen, vilket gör observationer
- icke-invasiv och observationsmetoderna påverkar inte flödet eller naturliga förhållanden
- enklare och mer tidseffektivt
- säkrare, särskilt under stora översvämningshändelser, som är av särskilt intresse och har en överdriven effekt på morfologin
- kostnadseffektivt genom att undvika den ökade risken att förlora in-stream-instrument under insamlingen
inspelningar är kontinuerliga och möjliggör övervakning över tidsskalor av en enda storm/översvämningshändelse till flera år.
kan distribueras och övervakas på distans. Till exempel, i områden med hög översvämningsrisk kan telemeterad seismisk data användas för att varna nedströms samhällen om potentiellt farliga och katastrofala översvämningar (på ett sätt som liknar jordbävningsdetektering och varning).