stringtranslate.com

Речная сейсмология

Речная сейсмология — это применение сейсмологических методов для понимания речных процессов, таких как расход, эрозия и эволюция русел. Текущая вода и движение осадков по руслу реки порождают упругие (сейсмические) волны , которые распространяются в окружающие земные материалы. [1] [2] Сейсмометры могут регистрировать эти сигналы, которые можно анализировать для освещения различных речных процессов , таких как турбулентный поток воды и перенос донных наносов . [1] Сейсмические методы использовались для наблюдения за расходами , которые варьируются от однозначных цифр [3] до десятков тысяч кубических футов в секунду (cfs). [1]

Эксперимент, проведенный в 1990 году в итальянских Альпах, был одним из первых, продемонстрировавших, что сейсмометры могут обнаруживать различимые речные сигналы в сейсмическом шуме, создаваемом потоком. [3] Шесть сейсмометров зафиксировали среднюю скорость колебаний грунта вдоль высокогорной реки, которая также контролировалась на предмет расхода и нагрузки на дно с помощью отстойника. [3] Они определили минимальные значения потока, необходимые для инициирования и поддержания транспортировки пластовой нагрузки. [3] С тех пор речная сейсмология стала быстро растущей областью исследований.

Речная сейсмология — это раздел экологической сейсмологии, относительно молодой области, в которой можно обнаружить нетрадиционные сейсмические сигналы внутри того, что ранее считалось «шумом». [4] [5] Сейсмический шум обнаруживается во всем спектре частот, изучаемых в сейсмологии (0,001–100 Гц). [6] В то время как традиционная сейсмология занимается тектоническими землетрясениями и структурой твердой земли, [5] экологическая сейсмология занимается волнами, которые возникают из-за пределов твердой земли или на сигнал которых влияют условия окружающей среды (температура, гидрология). [4] Принципы речной и экологической сейсмологии могут быть применены ко всем видам поверхностных процессов, включая селевые потоки , оползни , лахары , движение ледников , ледотрясения и т. д.

Приложения

Транспорт наносов является одним из наиболее эффективных средств эрозии [6] и играет доминирующую роль в эволюции и морфологии рек. [7] Понимание сил, которые река и переносимые ею наносы оказывают на русло реки , является ключевым компонентом морфологической эволюции реки. [8] В частности, сильное течение, мощные штормы и наводнения оказывают огромное влияние на морфологию и развитие ручьев. [7] Некоторые применения речной сейсмологии включают:

Сигналы

Речная сейсмология обычно ограничивается высокочастотным сейсмическим шумом с частотой > 1 Гц (период < 1 с). [5] [10] Наблюдения касаются диапазона 1–100 Гц, [11] который теоретическая передовая модель генерации сейсмических волн показывает, что генерируется турбулентный поток воды через русло реки. [11]

Наблюдения обычно проводятся на расстоянии менее 100 м от берега реки, но одно исследование показывает отчетливые сигналы реки на расстоянии 2 км. [6] Размещение сейсмометров на разных расстояниях от реки может помочь в различении источников сигнала. [11]

Двумя основными сигналами, которые до сих пор были выделены из сейсмического шума, создаваемого реками, являются 1) турбулентный поток воды и 2) донный перенос наносов. Другие предлагаемые сигналы включают взаимодействие поверхности воды с воздухом. [1] Другие предполагают, что дальнейший анализ может помочь различить типы транспорта пластовой нагрузки – сальтацию и сдвиг. [6]

Вообще говоря, исследования показали, что сигнал турбулентного потока воды более низкочастотный, чем сигнал переноса наносов. [11] [10] Например, одно исследование показало, что, хотя расход и уровень воды коррелируют с сигналом в диапазоне 1–80 Гц, эта связь особенно сильна в окнах 2–5 Гц и 10–15 Гц. [10] Между тем, сигнал частотой 30–50 Гц был отнесен к транспорту наносов. [10]

Гистерезис

Гистерезис – это хорошо документированное явление, наблюдаемое при сейсмических наблюдениях за реками, в которых один и тот же расход не всегда дает один и тот же сейсмический сигнал. [6] Если бы турбулентность воды была только источником сейсмических сигналов, один и тот же разряд всегда вызывал бы одинаковую амплитуду сейсмического отклика.  

Гистерезис наблюдался в течение времени от нескольких часов (одиночные штормы) до полных лет. [2] [7] [8] Гистерезис наблюдался в речных системах как по часовой стрелке [1] [2] [8] , так и против часовой стрелки, хотя по часовой стрелке встречается гораздо чаще. [12] Гистерезис по часовой стрелке часто объясняется изменениями в переносе пластовой нагрузки, при этом больший сейсмический сигнал наблюдается на восходящем плече кривой расхода, чем на падающем плече. [3] [6]

Гистерезис чаще всего объясняется изменением количества наносов, переносимых рекой. [3] [12] Но хотя гистерезис характерен для эффекта переноса наносов в реках с гравийным руслом, [7] он не обязательно вызван только переносом наносов. [12] Более того, не весь транспорт пластовой нагрузки обязательно приводит к гистерезису. [13] Гистерезис также может быть вызван изменением турбулентного потока в результате изменения морфологии реки, [13] [12] например, изменением шероховатости поверхности русла реки. [7] [12]

Улучшения

Методы речной сейсмологии предоставляют средства для непрерывных косвенных наблюдений за явлениями, которые 1) трудно и опасно измерить, 2) нечастые и 3) оцененные или плохо ограниченные. Например, перенос насыпи трудно измерить напрямую, но он также опасен в условиях сильного потока. [7] [1] В результате наблюдения могут быть нечастыми и ограничиваться только условиями низкого расхода воды, когда условия высокого расхода имеют особое значение для развития потока. Оценки могут быть ограничены лабораторными экспериментами с лотками, полученными эмпирическим путем. [2]

Использование сейсмологии для понимания речных процессов является усовершенствованием нескольких существующих методов (таких как отстойники, прямой отбор проб, ударные пластины или геофоны , заглубленные в русло реки), поскольку  

  1. записи могут производиться полностью вне канала, что делает наблюдения
    • неинвазивность и методы наблюдения не влияют на поток или природные условия [7] [1]
    • проще и быстрее [1]
    • безопаснее, особенно во время крупных наводнений, которые представляют особый интерес и оказывают огромное влияние на морфологию [7]
    • экономически эффективен, поскольку позволяет избежать повышенного риска потери находящихся в потоке инструментов во время сбора [7]
  2. записи являются непрерывными и позволяют осуществлять мониторинг в различных временных масштабах – от одного шторма/наводнения [2] до нескольких лет.
  3. можно развертывать и контролировать удаленно. Например, в районах с высоким риском наводнений телеметрические сейсмические данные могут использоваться для предупреждения населенных пунктов, расположенных ниже по течению, о потенциально опасных и катастрофических наводнениях (аналогично обнаружению и предупреждению о землетрясениях). [6] [9]

Рекомендации

  1. ^ abcdefgh Шмандт, Брэндон; Астер, Ричард С.; Шерлер, Дирк; Цай, Виктор С.; Карлстрем, Карл (2013). «Множественные речные процессы, обнаруженные с помощью прибрежного сейсмического и инфразвукового мониторинга контролируемого наводнения в Гранд-Каньоне». Письма о геофизических исследованиях . 40 (18): 4858–4863. Бибкод : 2013GeoRL..40.4858S. дои : 10.1002/grl.50953 . ISSN  0094-8276. S2CID  129733846.
  2. ^ abcde Сюй, Лесли; Финнеган, Ной Дж.; Бродский, Эмили Э. (2011). «Сейсмическая сигнатура переноса речных наносов во время штормов: СЕЙСМИЧЕСКАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ РЕЧНОЙ НАГРУЗКИ». Письма о геофизических исследованиях . 38 (13): н/д. дои : 10.1029/2011GL047759 . S2CID  3069731.
  3. ^ abcdef Гови, Марио; Марага, Франка; Мойя, Фабио (1993). «Сейсмические детекторы для непрерывного мониторинга нагрузки на пласт в гравийном потоке». Журнал гидрологических наук . 38 (2): 123–132. дои : 10.1080/02626669309492650. ISSN  0262-6667.
  4. ^ abc Лароз, Эрик; Каррьер, Симон; Вуазен, Кристоф; Ботлен, Пьер; Байе, Лоран; Геген, Филипп; Уолтер, Фабиан; Йонгманс, Денис; Гийе, Бертран; Гарамбуа, Стефан; Гимберт, Флоран (2015). «Экологическая сейсмология: что мы можем узнать о процессах на земной поверхности с помощью окружающего шума?». Журнал прикладной геофизики . 116 : 62–74. Бибкод : 2015JAG...116...62L. дои : 10.1016/j.jappgeo.2015.02.001.
  5. ^ abc Монтаньер, Жан-Поль; Манджини, Энн; Штуцманн, Элеонора (2020), «Сейсмология и окружающая среда», Гупта, Харш К. (ред.), Энциклопедия геофизики твердой Земли , серия Энциклопедия наук о Земле, Cham: Springer International Publishing, стр. 1–8, doi : 10.1007/978-3-030-10475-7_258-1, ISBN 978-3-030-10475-7, S2CID  240739967 , получено 16 ноября 2021 г.
  6. ^ abcdefghi Буртин, А.; Боллинджер, Л.; Вернь, Дж.; Кэттин, Р.; Набелек, Дж. Л. (2008). «Спектральный анализ сейсмического шума, создаваемого реками: новый инструмент для мониторинга пространственно-временных изменений в гидродинамике рек». Журнал геофизических исследований . 113 (Б5): B05301. Бибкод : 2008JGRB..113.5301B. дои : 10.1029/2007JB005034 . ISSN  0148-0227. S2CID  53452574.
  7. ^ abcdefghi Рот, DL; Финнеган, Нью-Джерси; Бродский Э.Э.; Кук, КЛ; Старк, КП; Ван, HW (октябрь 2014 г.). «Миграция крупного пульса речных отложений, обнаруженная по гистерезису в пластовой нагрузке, порождает сейсмические волны». Письма о Земле и планетологии . 404 : 144–153. Бибкод : 2014E&PSL.404..144R. дои : 10.1016/j.epsl.2014.07.019 . S2CID  55924937.
  8. ^ abcd Энтони, RE; Астер, РЦ; Райан, С.; Рэтберн, С.; Бейкер, МГ (2018). «Измерение расхода горных рек с помощью сейсмографов, расположенных в гипорейной зоне». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 123 (2): 210–228. Бибкод : 2018JGRF..123..210A. дои : 10.1002/2017JF004295 . ISSN  2169-9011. S2CID  135284064.
  9. ^ аб Хавенит, Ганс-Бальдер; Хусейн, Явар; Масиэль, Сюзанна (3 марта 2021 г.). «Речная сейсмология: пример реки Контагем (Бразилиа), Бразилия». Тезисы докладов Генеральной Ассамблеи ЕГУ . Бибкод : 2021EGUGA..2312830H. doi : 10.5194/egusphere-egu21-12830 . S2CID  236746551.
  10. ^ abcd Кук, Кристен; Дитце, Майкл; Гимбер, Флоран; Андерманн, Кристофф; Ховиус, Нильс; Радж Адхикари, Басанта (2019). «Изучение речной сейсмологии и переноса наносов в гималайской реке» (PDF) . Тезисы геофизических исследований . 21, EGU2019-10862, 2019: 10862. Бибкод : 2019EGUGA..2110862C – через Генеральную ассамблею EGU 2019.
  11. ^ abcd Гимберт, Флоран; Цай, Виктор С.; Лэмб, Майкл П. (октябрь 2014 г.). «Физическая модель генерации сейсмического шума турбулентным течением в реках». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 119 (10): 2209–2238. Бибкод : 2014JGRF..119.2209G. дои : 10.1002/2014JF003201 . S2CID  3196103.
  12. ^ abcde Рот, Даника Л.; Финнеган, Ной Дж.; Бродский, Эмили Э.; Рикенманн, Дитер; Туровски, Йенс М.; Баду, Александр; Гимбер, Флоран (май 2017 г.). «Перенос нагрузки на дно и изменения шероховатости границ как конкурирующие причины гистерезиса во взаимосвязи между речным стоком и сейсмической амплитудой, зарегистрированной возле крутого горного ручья». Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 122 (5): 1182–1200. Бибкод : 2017JGRF..122.1182R. дои : 10.1002/2016JF004062 . ISSN  2169-9003. S2CID  54863637.
  13. ^ аб Шмандт, Б.; Гауман, Д.; Стюарт, Р.; Хансен, С.М.; Цай, ВК; Смит, Дж. (апрель 2017 г.). «Ограничения сейсмической группы при транспортировке донных отложений в больших масштабах». Геология . 45 (4): 299–302. Бибкод : 2017Geo....45..299S. дои : 10.1130/G38639.1 . ISSN  0091-7613.