Seismiskt brus

Inom geofysik , geologi , byggnadsteknik och relaterade discipliner är seismiskt brus ett generiskt namn för en relativt ihållande vibration av marken, på grund av en mängd olika orsaker, som ofta är en icke-tolkbar eller oönskad komponent av signaler som registreras av seismometrar .

Fysiskt uppstår seismiskt brus främst på grund av källor på ytan eller nära ytan och består därför mestadels av elastiska ytvågor . Lågfrekventa vågor (under 1 Hz ) kallas vanligtvis mikroseismer och högfrekventa vågor (över 1 Hz) kallas mikrotremor . Primära källor till seismiska vågor inkluderar mänskliga aktiviteter (som transport eller industriella aktiviteter), vindar och andra atmosfäriska fenomen, floder och havvågor .

Seismiskt buller är relevant för alla discipliner som är beroende av seismologi , inklusive geologi , oljeprospektering , hydrologi och jordbävningsteknik och strukturell hälsoövervakning . Det kallas ofta för det omgivande vågfältet eller omgivande vibrationer i dessa discipliner (den senare termen kan dock också hänvisa till vibrationer som överförs genom luft, byggnader eller bärande strukturer.)

Seismiskt buller är ofta en olägenhet för aktiviteter som är känsliga för främmande vibrationer, inklusive jordbävningsövervakning och forskning, precisionsfräsning , teleskop , gravitationsvågdetektorer och kristalltillväxt . Seismiskt buller har dock också praktiska användningsområden, inklusive bestämning av lågspännings- och tidsvarierande dynamiska egenskaper hos anläggningskonstruktioner, såsom broar , byggnader och dammar ; seismiska studier av struktur under ytan i många skalor, ofta med användning av metoder för seismisk interferometri ; Miljöövervakning , såsom inom fluvial seismologi ; och uppskattning av seismiska mikrozoneringskartor för att karakterisera lokal och regional markrespons under jordbävningar.

Orsaker

Forskning om uppkomsten av seismiskt brus visar att den lågfrekventa delen av spektrumet (under 1 Hz) huvudsakligen beror på naturliga orsaker, främst havsvågor . Speciellt är den globalt observerade toppen mellan 0,1 och 0,3 Hz tydligt associerad med växelverkan mellan vattenvågor med nästan lika frekvenser men proberande i motsatta riktningar. Vid hög frekvens (över 1 Hz) alstras seismiskt brus huvudsakligen av mänskliga aktiviteter såsom vägtrafik och industriarbete; men det finns också naturliga källor, inklusive floder. Över 1 Hz kan vind och andra atmosfäriska fenomen också vara en stor källa till markvibrationer.

Mänskligt buller som upptäcks under perioder med låg seismisk aktivitet inkluderar "fotbävningar" från fotbollsfans som stampar med fötterna i Kamerun.

Icke-antropogen aktivitet inkluderar pulser med intervaller mellan 26 och 28 sekunder (0,036–0,038 Hz) centrerade på Bonnybukten i Guineabukten som tros vara orsakade av reflekterade stormvågor, fokuserade av den afrikanska kusten, som verkar på relativt grund havsbotten.

Fysiska egenskaper

Amplituden för seismiska brusvibrationer är typiskt i storleksordningen 0,1 till 10 μm / s . Modeller med högt och lågt bakgrundsljud som funktion av frekvens har utvärderats globalt.

Seismiskt brus inkluderar ett litet antal kroppsvågor (P- och S-vågor), men ytvågor ( Love- och Rayleigh-vågor ) dominerar eftersom de företrädesvis exciteras av ytkällprocesser. Dessa vågor är dispersiva , vilket betyder att deras fashastighet varierar med frekvensen (i allmänhet minskar den med ökande frekvens). Eftersom spridningskurvan (fashastighet eller långsamhet som funktion av frekvens) är relaterad till variationerna av skjuvvågshastigheten med djupet, kan den användas som ett icke-invasivt verktyg för att bestämma seismisk struktur under ytan och ett omvänt problem .

Historia

Under normala förhållanden har seismiskt brus mycket låg amplitud och kan inte kännas av människor, och var också för lågt för att registreras av de flesta tidiga seismometrar i slutet av 1800-talet. Men i början av 1900-talet kunde den japanska seismologen Fusakichi Omori redan registrera omgivande vibrationer i byggnader, där amplituderna är förstorade. Han bestämde byggnadsresonansfrekvenser och studerade deras utveckling som en funktion av skador. Globalt synligt 30 s–5 s seismiskt brus upptäcktes tidigt i seismologins historia som härrörande från haven, och en omfattande teori om dess generation publicerades av Longuet-Higgins 1950. Snabba framsteg med början omkring 2005 inom seismisk interferometri driven av teoretiska , metodologiska och dataframsteg har resulterat i ett stort förnyat intresse för tillämpningar av seismiskt brus.

Civilingenjör

Efter jordbävningen i Long Beach 1933 i Kalifornien, registrerade och analyserade en stor experimentkampanj ledd av DS Carder 1935 omgivande vibrationer i mer än 200 byggnader. Dessa data användes i designkoderna för att uppskatta resonansfrekvenser för byggnader, men metodens intresse minskade fram till 1950-talet. Intresset för omgivande vibrationer i strukturer växte ytterligare, särskilt i Kalifornien och Japan, tack vare arbetet från jordbävningsingenjörer, inklusive G. Housner , D. Hudson, K. Kanai, T. Tanaka och andra.

Inom tekniken ersattes dock omgivande vibrationer - åtminstone under en tid - av påtvingade vibrationstekniker som gör det möjligt att öka amplituderna och kontrollera skakkällan och deras systemidentifieringsmetoder. Även om M. Trifunac 1972 visade att omgivande och forcerade vibrationer ledde till samma resultat, ökade intresset för tekniker för omgivande vibrationer först i slutet av 1990-talet. De har nu blivit ganska attraktiva på grund av deras relativt låga kostnad och bekvämlighet, och de senaste förbättringarna av inspelningsutrustning och beräkningsmetoder. Resultaten av deras dynamiska sondering med låg töjning visade sig vara tillräckligt nära de dynamiska egenskaperna uppmätt under kraftig skakning, åtminstone så länge som byggnaderna inte är allvarligt skadade.

Vetenskaplig studie och tillämpningar inom geologi och geofysik

Registreringen av globalt seismiskt brus expanderade kraftigt under 1950-talet med förbättringen av seismometrar för att övervaka kärnvapenprov och utvecklingen av seismiska arrayer. De viktigaste bidragen vid den tiden för analysen av dessa inspelningar kom från den japanske seismologen K. Aki 1957. Han föreslog flera metoder som används idag för lokal seismisk utvärdering, såsom Spatial Autocorrelation (SPAC), Frequency-wavenumber (FK) och korrelation. Den praktiska implementeringen av dessa metoder var dock inte möjlig vid den tiden på grund av den låga precisionen hos klockor i seismiska stationer .

Förbättringar av instrumentering och algoritmer ledde till förnyat intresse för dessa metoder under 1990-talet. Y. Nakamura återupptäckte 1989 metoden med horisontellt till vertikalt spektralförhållande (H/V) för att härleda resonansfrekvensen för platser. Om man antar att skjuvvågor dominerar mikrotremoren, observerade Nakamura att H/V-spektralförhållandet för omgivande vibrationer var ungefär lika med S-vågsöverföringsfunktionen mellan markytan och berggrunden på en plats. (Detta antagande har dock ifrågasatts av SESAME-projektet.)

I slutet av 1990-talet började arraymetoder tillämpade på seismiska brusdata ge markegenskaper i form av skjuvvågshastighetsprofiler. Det europeiska forskningsprojektet SESAME (2004–2006) arbetade för att standardisera användningen av seismiskt brus för att uppskatta förstärkningen av jordbävningar genom lokala markegenskaper.

Aktuell användning av seismiskt brus

Karakterisering av underjordiska egenskaper

Analysen av de omgivande vibrationerna och det slumpmässiga seismiska vågfältet motiverar en mängd olika bearbetningsmetoder som används för att karakterisera underytan, inklusive via effektspektra , H/V-toppanalys, dispersionskurvor och autokorrelationsfunktioner .

Enkelstationsmetoder:

  • Beräkning av effektspektra , t.ex. passiv seismik . Övervakning av spektraltäthetsegenskaperna för havsbakgrundsmikroseism och jordens mycket långa periodbrun vid globalt och regionalt distribuerade stationer ger till exempel proxyuppskattningar av havsvågsenergi, särskilt i kustnära miljöer, inklusive havsvågsdämpningsegenskaperna för årligen varierande polar. havsis
  • 0 HVSR (H/V-spektralförhållande): H/V-tekniken är speciellt relaterad till omgivande vibrationsinspelningar. Bonnefoy-Claudet et al. visade att toppar i de horisontella till vertikala spektralförhållandena kan kopplas till Rayleigh -ellipticitetstoppen, Love-vågornas luftiga fas och/eller SH -resonansfrekvenserna beroende på andelen dessa olika typer av vågor i det omgivande bruset. Av en slump ger dock alla dessa värden ungefär samma värde för en given mark så att H/V-topp är en tillförlitlig metod för att uppskatta platsernas resonansfrekvens. För 1 sedimentlager på berggrunden är detta värde f relaterat till hastigheten för S-vågorna V s och djupet av sedimenten H följande: . Den kan därför användas för att kartlägga berggrundens djup med kännedom om S-vågshastigheten. Denna frekvenstopp gör det möjligt att begränsa de möjliga modeller som erhålls med andra seismiska metoder men är inte tillräckligt för att härleda en komplett markmodell. Dessutom har det visats att amplituden för H/V-toppen inte var relaterad till förstärkningens storlek.

Arraymetoder: Genom att använda en rad seismiska sensorer som samtidigt registrerar de omgivande vibrationerna möjliggörs större förståelse av vågfältet och förbättrade bilder av underytan. I vissa fall kan flera arrayer av olika storlekar realiseras och resultaten slås samman. Informationen från de vertikala komponenterna är bara kopplad till Rayleigh-vågorna, och därför lättare att tolka, men metoder som använder alla tre markrörelsekomponenterna utvecklas också, vilket ger information om Rayleigh och Love-vågfält. Seismiska interferometrimetoder , i synnerhet, använder korrelationsbaserade metoder för att uppskatta jordens seismiska impulssvar ( Green's Function ) från bakgrundsljud och har blivit ett stort tillämpningsområde och forskning med tillväxten i kontinuerligt registrerade högkvalitativa brusdata i en brett utbud av inställningar, allt från närytan till kontinentskalan

Karakterisering av vibrationsegenskaperna hos anläggningskonstruktioner

Liksom jordbävningar tvingar omgivande vibrationer till vibrationer de anläggningskonstruktioner som broar , byggnader eller dammar . Denna vibrationskälla antas av den största delen av de använda metoderna vara ett vitt brus , dvs med ett platt brusspektrum så att den registrerade systemresponsen faktiskt är karakteristisk för själva systemet. Vibrationerna är märkbara av människor endast i sällsynta fall (broar, höga byggnader). Omgivande vibrationer i byggnader orsakas också av vind och inre källor (maskiner, fotgängare...) men dessa källor används i allmänhet inte för att karakterisera strukturer. Branschen som studerar de modala egenskaperna hos system under omgivande vibrationer kallas Operational modal analysis (OMA) eller Output-only modal analysis och ger många användbara metoder för anläggningsarbete . De observerade vibrationsegenskaperna hos strukturer integrerar all komplexitet hos dessa strukturer inklusive det bärande systemet , tunga och styva icke-strukturella element (infill murverk...), lätta icke-strukturella element (fönster...) och interaktionen med jorden (bygggrunden kanske inte är perfekt fixerad på marken och differentiella rörelser kan inträffa). Detta betonas eftersom det är svårt att ta fram modeller som kan jämföras med dessa mätningar.

Enkelstationsmetoder: Effektspektrumberäkningen av omgivande vibrationsregistreringar i en struktur (t.ex. på översta våningen i en byggnad för större amplituder) ger en uppskattning av dess resonansfrekvenser och så småningom dess dämpningsförhållande .

Överföringsfunktionsmetod: Om vi ​​antar att markens omgivande vibrationer är excitationskällan för en struktur, till exempel en byggnad, tillåter överföringsfunktionen mellan botten och toppen att ta bort effekterna av en icke-vit ingång. Detta kan särskilt vara användbart för signaler med lågt signal-brusförhållande (liten byggnad/hög nivå av markvibrationer). Denna metod kan dock i allmänhet inte ta bort effekten av interaktion mellan jord och struktur .

Arrayer: De består av samtidig inspelning i flera punkter i en struktur. Målet är att erhålla de modala parametrarna för strukturer: resonansfrekvenser , dämpningsförhållanden och modala former för hela strukturen. Observera att utan att känna till inmatningsbelastningen, kan deltagandefaktorerna för dessa lägen inte på förhand hämtas. Med hjälp av en gemensam referenssensor kan resultat för olika arrayer slås samman.

  • Metoder baserade på korrelationer

Flera metoder använder effektspektrala densitetsmatriser för samtidiga inspelningar, dvs korskorrelationsmatriserna för dessa inspelningar i Fourier-domänen . De gör det möjligt att extrahera driftsmodala parametrar (Peak Picking-metoden) som kan vara resultatet av modalkoppling eller systemmodala parametrar (Frequency Domain Decomposition-metoden).

Många systemidentifieringsmetoder finns i litteraturen för att extrahera systemegenskaperna och kan tillämpas på omgivande vibrationer i strukturer.

Samhällsvetenskap

Covid -19- pandemin skapade en unik situation där mänskliga transporter, industri och andra aktiviteter avsevärt begränsades över hela världen, särskilt i tätbefolkade områden. En analys av de åtföljande kraftiga minskningarna av seismiskt brus vid höga frekvenser visade att dessa exceptionella åtgärder resulterade i den längsta och mest framträdande globala antropogena seismiska brusreduktionen som någonsin observerats. Seismiskt buller har dessutom undersökts som en proxy för ekonomisk utveckling.

Inversion/modelluppdatering/multimodellansats

Direkta mätningar av bulleregenskaper kan inte direkt ge information om de fysiska parametrarna (S-vågshastighet, strukturell styvhet...) hos de markkonstruktioner eller anläggningskonstruktioner som typiskt sett är av intresse. Därför modeller för att beräkna dessa observationer (spridningskurva, modala former...) i ett lämpligt framåtproblem som sedan kan jämföras med experimentdata. Med tanke på det framåtriktade problemet kan processen att uppskatta den fysiska modellen sedan gjutas som ett inverst problem .

Material behövs

Insamlingskedjan består huvudsakligen av en seismisk sensor och en digitaliserare . Antalet seismiska stationer beror på metoden, från en punkt (spektrum, HVSR) till arrayer (3 sensorer och fler). Trekomponentssensorer (3C) används förutom i särskilda applikationer. Sensorns känslighet och hörnfrekvens beror också på applikationen. För markmätningar är hastighetsmätare nödvändiga eftersom amplituderna i allmänhet är lägre än accelerometrarnas känslighet, speciellt vid låg frekvens. Deras hörnfrekvens beror på frekvensområdet av intresse men hörnfrekvenser lägre än 0,2 Hz används vanligtvis. Geofoner (vanligtvis 4,5 Hz hörnfrekvens eller högre) är i allmänhet inte lämpade. För mätningar i anläggningskonstruktioner är amplituden i allmänhet högre liksom frekvenserna av intresse, vilket tillåter användning av accelerometrar eller hastighetsmätare med högre hörnfrekvens. Men eftersom registreringspunkter på marken också kan vara av intresse i sådana experiment kan känsliga instrument behövas. Förutom för enstaka stationsmätningar är en gemensam tidsstämpling nödvändig för alla stationer. Detta kan uppnås med GPS- klocka, gemensam startsignal med hjälp av en fjärrkontroll eller användning av en enda digitaliserare som tillåter inspelning av flera sensorer. Den relativa placeringen av registreringspunkterna behövs mer eller mindre exakt för de olika teknikerna, vilket kräver antingen manuella avståndsmätningar eller differentiell GPS- position.

Fördelar och begränsningar

Fördelarna med omgivande vibrationstekniker jämfört med aktiva tekniker som vanligtvis används i utforskningsgeofysik eller jordbävningsinspelningar som används i seismisk tomografi .

  • Relativt billig, icke-invasiv och oförstörande metod
  • Gäller stadsmiljö
  • Tillhandahålla värdefull information med lite data (t.ex. HVSR)
  • Dispersionskurvan för Rayleigh-vågen är relativt lätt att hämta
  • Ge tillförlitliga uppskattningar av Vs30

Begränsningar av dessa metoder är kopplade till brusvågfältet men särskilt till vanliga antaganden som görs inom seismiken:

  • Penetrationsdjupet beror på arraystorleken men även på bruskvaliteten, upplösningen och aliasinggränserna beror på arraygeometrin
  • Vågfältets komplexitet (Rayleigh, Kärleksvågor, tolkning av högre lägen...)
  • Planvågsantagande för de flesta arraymetoderna (problem med källor inom arrayen)
  • 1D-antagande av den underjordiska strukturen, även om 2D också genomfördes
  • Omvänt problem svårt att lösa som för många geofysiska metoder

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Seismic_noise&oldid=1136357576 "