A szeizmikus kutatások történetének nagy részében annak megértése, hogy mi rejlik a Föld felszíne alatt, a szeizmikus energia generálásától és annak megfigyelésétől függött, hogy ez az energia hogyan halad át a földalatti képződményeken. Az ellenőrzött robbanások, a vibroseis teherautók és a természetben előforduló földrengések régóta szolgálják az elsődleges információforrást a felszín alatti struktúrákat leképező geofizikusok számára.
Bár ezek a módszerek továbbra is fontosak, gyakran magas működési költségekkel, logisztikai kihívásokkal, környezetvédelmi megfontolásokkal és a források elérhetőségének korlátaival társulnak. Ahogy a kutatási célok egyre összetettebbé válnak, és a megfigyelési követelmények egyre folyamatosabbak, a kutatók alternatív módszereket kerestek a felszín alatti vizsgálatra.
Az elmúlt évtizedek egyik legjelentősebb fejlesztése az Ambient Noise Seismic Imaging (ANSI), amelyet gyakran passzív szeizmikus képalkotásnak is neveznek. Ahelyett, hogy mesterséges szeizmikus forrásokra támaszkodna, ez a megközelítés a környezetben már jelen lévő számtalan rezgést használja ki. Az egykor háttérinterferenciának tekintett jeleket manapság arra használják, hogy értékes információkat tárjanak fel a Föld belsejéről.
Ha hasznos hullámterjedési jellemzőket nyernek ki a környezeti szeizmikus zaj hosszú távú-felvételeiből, a kutatók részletes képeket készíthetnek a föld alatti struktúrákról anélkül, hogy aktív szeizmikus energiát termelnének. Az egykor zajnak számított, egyre inkább a modern geofizikai kutatások fontos erőforrásává válik.
Mi az a környezeti zaj szeizmikus képalkotás?
Sok éven át a szeizmikus háttérrezgéseket nagyrészt nem kívánt zajként kezelték a szeizmikus feljegyzésekben. A jelfeldolgozás és a szeizmikus elmélet fejlődése fokozatosan megváltoztatta ezt a felfogást.
A környezeti zaj szeizmikus képalkotás egy erőteljes passzív geofizikai technika, amely a természetben előforduló talajrezgéseket használja fel a felszín alatti struktúrák vizsgálatára. A módszer ahelyett, hogy mesterséges úton generálna szeizmikus hullámokat, a környezetben már meglévő folytonos hullámtérre támaszkodik.
A központi ötlet egyértelmű: amint a környezeti rezgések áthaladnak a Földön, kölcsönhatásba lépnek a geológiai képződményekkel, és információt hordoznak az általuk áthaladó közegről. E jelek gondos elemzésével a kutatók rekonstruálhatják a hullámterjedési útvonalakat, és visszanyerhetik az aktív szeizmikus felmérésekkel hagyományosan megszerzett információkat.
Ennek eredményeként a környezeti zaj képalkotása egyre fontosabb eszközzé vált a passzív szeizmikus feltárásban, a szeizmikus tomográfiában és a hosszú távú -felszíni megfigyelésben.
Mi az a környezeti szeizmikus zaj és honnan származik?
A föld még földrengések nélkül sem mozdul el teljesen.
A szeizmikus műszerek folyamatosan rögzítik a sokféle természetes és emberi{0}}folyamat által keltett gyenge rezgéseket. Ezeket a tartós jeleket összefoglaló néven környezeti szeizmikus zajnak nevezik.
A modern szeizmológia fejlődésének nagy részében a környezeti zajt elsősorban akadálynak tekintették. A kutatók jelentős erőfeszítéseket tettek annak érdekében, hogy eltávolítsák a szeizmikus feljegyzésekből, hogy a földrengések{1}}kelt jeleit tisztábban lehessen elemezni. Az egyre több bizonyíték azonban azt mutatja, hogy ezek a látszólag véletlenszerű rezgések értékes információkat tartalmaznak a Föld szerkezetéről.
A környezeti szeizmikus zaj forrásai rendkívül változatosak. Az óceán hullámai, amelyek kölcsönhatásba lépnek a partvonalakkal és a tengerfenékkel, mikroszeizmusokat generálnak, amelyek nagy távolságokra terjedhetnek. A szél, a légköri nyomásváltozások, a folyórendszerek és az óceáni áramlatok energiával járulnak hozzá a talajhoz. Városi környezetben a közlekedési hálózatok, az ipari létesítmények, az építőipari tevékenységek és a mindennapi emberi mozgás további rezgésforrásokat hoz létre.
Bár ezek a jelek egyenként nézve véletlenszerűnek tűnhetnek, a geológiai képződményeken áthaladva ismételten mintát vesznek a felszín alatt. Idővel folyamatos nyilvántartást adnak arról, hogy a Föld hogyan reagál a hullámterjedésre, így értékes erőforrássá válik a szeizmikus képalkotás számára.
Hogyan állítja helyre a környezeti zaj szeizmikus képalkotása a felszín alatti struktúrákat?
A környezeti zajból értelmes információk kinyerésének képessége a keresztkorrelációnak nevezett matematikai folyamaton- alapul.
Amikor két szeizmikus állomás egyidejűleg rögzíti a környezeti rezgéseket, mindegyik állomás rögzíti a sok különböző irányból érkező hullámenergiát. Első pillantásra ezek a felvételek rendkívül összetettnek és rendezetlennek tűnnek. A két adatkészlet hosszabb időszakon keresztüli összehasonlításával azonban a kutatók azonosíthatják az állomások között megosztott stabil terjedési jellemzőket.
A rögzítési idő növekedésével a kereszt{0}}korrelációs függvény fokozatosan konvergál a szeizmológusok által a két megfigyelési pont közötti Green-féle függvényhez.
A hullámfizikában a Green-függvény leírja, hogyan reagál a közeg, amikor az egyik helyen energiát vezetnek be, és egy másik helyen megfigyelik. Hatékonyan tartalmaz információkat magának a közegnek a terjedési tulajdonságairól.
Miután ezt a választ rekonstruáltuk, az egyik szeizmikus állomás virtuális forrásként kezelhető, míg a másik vevőként működik. A hagyományos szeizmikus elemzési módszerek ezután alkalmazhatók a szeizmikus sebességek becslésére, a geológiai határok azonosítására és a felszín alatti struktúrák részletes modelljének felépítésére.
Ami ezt a megközelítést különösen figyelemre méltóvá teszi, az az, hogy képes visszanyerni az aktív{0}}forrásfelmérésekből nyert információkhoz hasonló információkat anélkül, hogy mesterséges szeizmikus forrásra lenne szükség.
Miért tárhat fel földalatti információkat a környezeti szeizmikus zaj?
A környezeti zaj képalkotásának egyik leglenyűgözőbb aspektusa, hogy hasznos jelek származnak az eredetileg véletlenszerű rezgésből.
A magyarázat abban rejlik, ahogyan a szeizmikus hullámok összetett geológiai közegeken keresztül terjednek. Ahogy a hullámok áthaladnak a földkérgen, ismétlődő visszaverődésen, fénytörésen és szóródáson mennek keresztül. Hosszú időn keresztül a sok különböző irányból érkező hullámok ismételten mintát vesznek ugyanazokból a földalatti struktúrákból.
A kereszt-{0}}korrelációs folyamat során a nem kapcsolódó véletlenszerű összetevők általában megszűnnek a statisztikai átlagolás révén. Ugyanakkor a szeizmikus állomások közötti stabil terjedési útvonalakkal kapcsolatos hullámformák megerősödnek, és fokozatosan egyre hangsúlyosabbá válnak.
A további adatok felhalmozásával a koherens jelek tovább erősödnek, miközben a véletlenszerű ingadozások csökkennek. Végül a háttérzajból derülnek ki a felszín alatti terjedési jellemzők.
Ez a folyamat lehetővé teszi a kutatóknak, hogy a látszólag kaotikus rezgéseket értelmes információkká alakítsák át a felszín alatt rejtőző geológiai struktúrákról.
Hogyan működik a passzív szeizmikus képalkotás?
A passzív szeizmikus képalkotás a szeizmikus érzékelők hálózatának kiépítésével kezdődik a vizsgálati területen.
Ezek a műszerek folyamatosan működnek, és több héttől több hónapig terjedő periódusokon keresztül rögzítik a környezeti talajmozgást. Mivel a módszer nem függ aktív szeizmikus forrásoktól, az adatgyűjtés gyakran a környező közösségek és környezetek minimális zavarása mellett végezhető el.
Miután elegendő adatot gyűjtöttek össze, a kutatók egy sor előfeldolgozási lépést hajtanak végre, hogy eltávolítsák a műszeres hatásokat és az átmeneti zavarokat, amelyek eltakarhatják a környezeti hullámteret. A megtisztított felvételeket ezután kereszt-korrelálják az állomáspárok között, hogy rekonstruálják a virtuális szeizmikus válaszokat.
A visszanyert hullámformák információkat szolgáltatnak a szeizmikus hullámsebességekről a különböző frekvenciatartományokban. Az inverziós technikák révén ezeket a méréseket a felszín alatti két-dimenziós és háromdimenziós-dimenziós modellekké alakítják.
Az eredményül kapott képek felfedhetnek hibarendszereket, sebességváltozásokat, geológiai határokat, kéregstruktúrákat és egyéb olyan jellemzőket, amelyek kivizsgálása egyébként kiterjedt aktív{0}}forrásfelmérést igényelne.
A környezeti zaj szeizmikus képalkotás előnyei a hagyományos szeizmikus feltárással szemben
A környezeti zaj szeizmikus képalkotásának növekvő elterjedése a modern geofizika szélesebb körű elmozdulását tükrözi. Ahelyett, hogy teljes mértékben mesterséges energiaforrásokra hagyatkoznának, vagy jelentős szeizmikus eseményekre várnának, a kutatók egyre inkább keresik a módját, hogy információt nyerjenek ki a természetben előforduló rezgésekből.
Nincs szükség mesterséges szeizmikus forrásra
Az egyik legjelentősebb előny az, hogy a környezeti zaj képalkotásához nincs szükség irányított robbanásokra, vibroseis teherautókra vagy egyéb aktív szeizmikus forrásokra. A Föld folyamatosan hasznosítható energiát biztosít az óceánok által-generált mikroszeizmusok, a légköri folyamatok és az emberi tevékenységek révén.
Alacsonyabb költségek és kisebb környezeti hatás
Az aktív források iránti igény megszüntetése leegyszerűsíti a terepi műveleteket, csökkenti a logisztikai igényeket, és jelentősen csökkentheti a kutatási költségeket. A módszer különösen értékes a környezetileg érzékeny területeken, sűrűn lakott régiókban és olyan helyeken, ahol a hagyományos szeizmikus felmérések működési korlátokkal szembesülnek.
Folyamatos felügyeleti képesség
Mivel a környezeti szeizmikus zaj éjjel-nappal jelen van, a kutatók hosszú időn keresztül folyamatosan figyelemmel kísérhetik a felszín alatti változásokat. Ez lehetővé teszi azoknak az időbeli eltéréseknek az észlelését, amelyeket a hagyományos, csak meghatározott időpontokban végzett felmérések figyelmen kívül hagyhatnak.
Javított képminőség a modern technológia révén
A szeizmikus érzékelők fejlődése, a sűrű tömbök és a nagy{0}}teljesítményű számítástechnika nagymértékben növelte a környezeti zajok képalkotásának hatékonyságát. Számos alkalmazásban az eredményül kapott sebességmodellek a hagyományos szeizmikus kutatási módszerekhez hasonló felbontást és részletességet érnek el.
A környezeti zaj szeizmikus képalkotás alkalmazásai
A környezeti zaj szeizmikus képalkotását ma már a geotudományok és a mérnöki tudományok széles skálájában használják. Az a képessége, hogy aktív szeizmikus források nélkül képes felszín alatti információkat szolgáltatni, értékessé teszi mind a nagyszabású-tudományos kutatások, mind a gyakorlati megfigyelési alkalmazások számára.
Kéregszerkezeti és tektonikai tanulmányok
Az egyik legkorábbi és legmeghatározottabb alkalmazás a kéreg és a litoszféra szerkezetének vizsgálata.
A kutatók a környezeti szeizmikus zajt használják a regionális geológiai jellemzők feltérképezésére és a tektonikus folyamatok vizsgálatára, segítve a lemezek kölcsönhatásának, a földkéreg evolúciójának és a nagy{0}}földdinamikai viszonyok jobb megértését.
Városgeológiai Kutatás
A városok bőséges környezeti rezgéseket keltenek a közlekedési rendszerek, az ipari tevékenység és az építkezés következtében.
Ezek a jelek használhatók a sekély felszín alatti állapotok leképezésére, a föld alatti üregek azonosítására, az alapok stabilitásának felmérésére és a városi infrastruktúra tervezésének támogatására a napi tevékenységek megzavarása nélkül.
Olaj-, gáz- és geotermikus tározó megfigyelése
A folyamatos passzív felügyeletet egyre gyakrabban alkalmazzák az energiával kapcsolatos{0}}projektekben.
A szeizmikus sebesség időbeli változásainak nyomon követésével a kutatók értékelhetik a tározók viselkedését, nyomon követhetik a folyadékok mozgását, és felmérhetik a felszín alatti állapotok alakulását az olaj-, gáz-, geotermikus és földalatti tárolási műveletek során.
Felszín alatti vízkutatás és hidrogeológia
A környezeti zajok képalkotása szintén támogathatja a talajvíz vizsgálatát.
A passzív szeizmikus adatokból származó felszín alatti sebességmodellek segítenek a vízadó rétegek és a hidrogeológiai egységek jellemzésében, olyan információkkal szolgálva, amelyek kiegészíthetik a hagyományos talajvízkutatási módszereket.
Bolygószeizmológia és Hold-kutatás
A technika a bolygótudományban is kezd szerepet játszani.
Az Apollo{0}}korszak szeizmikus adatait használó tanulmányok kimutatták, hogy a zaj-korrelációs módszerekkel sekély holdszerkezeteket tárnak fel, kiemelve a passzív szeizmikus képalkotásban rejlő lehetőségeket a jövőbeli hold- és bolygókutató küldetések során.
Azáltal, hogy a természetben előforduló talajrezgéseket értelmes geológiai információkká alakítja át, a passzív szeizmikus képalkotás praktikus és egyre erősebb alternatívát kínál a hagyományos szeizmikus felmérésekkel szemben. Folyamatos működésének, a környezeti hatások minimalizálásának és a mesterséges szeizmikus források nélküli információk kinyerésének képessége új lehetőségeket teremtett a geológia, a talajvíz-kutatás, az energiafejlesztés, az infrastruktúra-tanulmányok és a bolygótudomány területén.
Ahogy a megfigyelő hálózatok, számítástechnikai technológiák és képalkotó algoritmusok tovább fejlődnek, a környezeti zaj szeizmikus képalkotása várhatóan még nagyobb szerepet fog játszani a jövőbeni geofizikai vizsgálatokban. Az egykor zajnak számított, ma már a Föld felszíne alatti rejtett struktúrákba való betekintés fontos forrásává válik.
A megbízható környezeti zajvizsgálatok nem csak a fejlett feldolgozási technikákon, hanem a jó{0}minőségű terepi adatokon is múlnak. A szeizmikus csomóponti rendszerektől és a digitális szeizmográfoktól a geofonokig és a passzív megfigyelő hálózatokig a modern szeizmikus berendezések továbbra is támogatják a környezeti zajtomográfia és a passzív szeizmikus kutatások egyre növekvő elterjedését világszerte. Szeizmikus feltáró és geofizikai felmérési berendezéseket kínálunk, amelyeket a passzív szeizmikus megfigyelés, a környezeti vibráció vizsgálatok és a felszín alatti képalkotási projektek támogatására terveztek geológiai környezetek széles körében.
Hivatkozások
1. Campillo, M. és Paul, A. (2003). Hosszú távú korrelációk a diffúz szeizmikus kódban.Tudomány, 299(5606), 547–549.
2. Shapiro, NM és Campillo, M. (2004). Szélessávú Rayleigh-hullámok megjelenése a környezeti szeizmikus zaj korrelációiból.Geofizikai kutatási levelek, 31(7).
3. Sabra, KG, Gerstoft, P., Roux, P., Kuperman, WA és Fehler, MC (2005). Felszíni hullám tomográfia mikroszeizmusokból Dél-Kaliforniában.Geofizikai kutatási levelek, 32(14).
4. Wapenaar, K., Draganov, D., Snieder, R., Campman, X. és Verdel, A. (2010). Oktatóanyag a szeizmikus interferometriáról: 1 -. rész Alapvető elvek és alkalmazások.Geofizika, 75(5), 75A195–75A209.
5. Bensen, GD, Ritzwoller, MH, Barmin, MP, Levshin, AL, Lin, F., Moschetti, MP, Shapiro, NM és Yang, Y. (2007). Szeizmikus környezeti zajadatok feldolgozása megbízható szélessávú felszíni hullámok{17}}szóródási mérések érdekében.Geophysical Journal International, 169(3), 1239–1260.
6. Snieder, R. és Larose, E. (2013). A Föld rugalmas hullámválaszának kinyerése zajmérésekből.Föld- és bolygótudományok éves áttekintése, 41, 183–206.
7. Nakata, N., Gualtieri, L. és Fichtner, A. (2019). Szeizmikus környezeti zaj. Cambridge University Press.
8. Garnier, J. és Papanicolaou, G. (2016). Passzív képalkotás környezeti zajjal. Cambridge University Press.
