В геофизике , геологии , гражданском строительстве и смежных дисциплинах сейсмический шум — это общее название относительно постоянной вибрации земли, возникающей по множеству причин и часто являющейся неинтерпретируемым или нежелательным компонентом сигналов, регистрируемых сейсмометрами .
Физически сейсмический шум возникает в основном из-за поверхностных или околоповерхностных источников и, таким образом, состоит в основном из упругих поверхностных волн . Низкочастотные волны (ниже 1 Гц ) обычно называются микросейсмами , а высокочастотные волны (выше 1 Гц) называются микротрясениями . Основными источниками сейсмических волн являются деятельность человека (например, транспорт или промышленная деятельность), ветры и другие атмосферные явления, реки и морские волны .
Сейсмический шум имеет отношение к любой дисциплине, которая зависит от сейсмологии , включая геологию , разведку нефти , гидрологию , сейсмостойкость и мониторинг состояния конструкций . В этих дисциплинах его часто называют окружающим волновым полем или окружающими вибрациями (однако последний термин может также относиться к вибрациям, передаваемым по воздуху, зданиям или несущим конструкциям).
Сейсмический шум часто является помехой для видов деятельности, которые чувствительны к посторонним вибрациям, включая мониторинг и исследование землетрясений , прецизионное фрезерование , телескопы , детекторы гравитационных волн и выращивание кристаллов . Однако сейсмический шум также имеет практическое применение, включая определение низкодеформационных и изменяющихся во времени динамических свойств гражданских инженерных сооружений, таких как мосты , здания и плотины ; сейсмические исследования подземной структуры во многих масштабах, часто с использованием методов сейсмической интерферометрии ; мониторинг окружающей среды , например, в речной сейсмологии ; и оценка карт сейсмического микрозонирования для характеристики локальной и региональной реакции грунта во время землетрясений.
Исследования происхождения сейсмического шума [1] показывают, что низкочастотная часть спектра ( ниже 1 Гц) в основном обусловлена естественными причинами, в основном океанскими волнами . В частности, глобально наблюдаемый пик между 0,1 и 0,3 Гц явно связан с взаимодействием водных волн почти равных частот, но простирающихся в противоположных направлениях. [2] [3] [4] [5] На высокой частоте (выше 1 Гц) сейсмический шум в основном создается деятельностью человека, такой как дорожное движение и промышленные работы; но есть и естественные источники, включая реки. [6] Выше 1 Гц ветер и другие атмосферные явления также могут быть основным источником колебаний грунта. [7] [8]
Антропогенный шум, обнаруженный в периоды низкой сейсмической активности, включает в себя «толчки» от топающих ногами футбольных болельщиков в Камеруне. [9]
Неантропогенная активность включает импульсы с интервалом от 26 до 28 секунд (0,036–0,038 Гц) с центром в бухте Бонни в Гвинейском заливе , которые, как полагают, вызваны отраженными штормовыми волнами, сфокусированными африканским побережьем, действующими на относительно мелкое морское дно. [9]
Амплитуда колебаний сейсмического шума обычно составляет порядка 0,1–10 мкм / с . Модели высокого и низкого фонового шума как функции частоты были оценены в глобальном масштабе. [10]
Сейсмический шум включает небольшое количество объемных волн (P- и S-волны), но поверхностные волны ( волны Лява и Рэлея ) преобладают, поскольку они преимущественно возбуждаются поверхностными источниками. Эти волны являются дисперсионными , что означает, что их фазовая скорость изменяется с частотой (обычно она уменьшается с увеличением частоты). Поскольку дисперсионная кривая (фазовая скорость или замедление как функция частоты) связана с изменениями скорости сдвиговой волны с глубиной, ее можно использовать в качестве неинвазивного инструмента для определения подповерхностной сейсмической структуры и обратной задачи .
В нормальных условиях сейсмический шум имеет очень низкую амплитуду и не может ощущаться людьми, а также был слишком низок, чтобы быть зарегистрированным большинством ранних сейсмометров в конце 19-го века. Однако к началу 20-го века японский сейсмолог Фусакичи Омори уже мог регистрировать окружающие колебания в зданиях, где амплитуды увеличиваются. Он определил резонансные частоты зданий и изучил их эволюцию в зависимости от повреждений. [11] Глобально видимый сейсмический шум 30 с–5 с был признан на раннем этапе истории сейсмологии как возникающий из океанов, и всеобъемлющая теория его генерации была опубликована Лонге-Хиггинсом в 1950 году. [2] Стремительный прогресс, начавшийся около 2005 года в сейсмической интерферометрии, обусловленный теоретическими, методологическими и информационными достижениями, привел к значительному возобновлению интереса к приложениям сейсмического шума.
После землетрясения в Лонг-Бич в Калифорнии в 1933 году в ходе масштабной экспериментальной кампании под руководством Д.С. Кардера [12] в 1935 году были зарегистрированы и проанализированы окружающие колебания в более чем 200 зданиях. Эти данные использовались в проектных нормах для оценки резонансных частот зданий, но интерес к методу снизился до 1950-х годов. Интерес к окружающим колебаниям в сооружениях продолжал расти, особенно в Калифорнии и Японии, благодаря работе инженеров-сейсмологов, включая Г. Хауснера , Д. Хадсона, К. Канаи, Т. Танаку и других. [13]
Однако в инженерии окружающие колебания были вытеснены – по крайней мере на некоторое время – методами вынужденных колебаний, которые позволяют увеличивать амплитуды и контролировать источник сотрясений и их методы системной идентификации. Хотя М. Трифунак показал в 1972 году, что окружающие и вынужденные колебания приводят к одинаковым результатам, [14] интерес к методам окружающих колебаний возрос только в конце 1990-х годов. Сейчас они стали весьма привлекательными из-за их относительно низкой стоимости и удобства, а также недавних улучшений в регистрирующем оборудовании и методах вычислений. Было показано, что результаты их низкодеформационного динамического зондирования достаточно близки к динамическим характеристикам, измеренным при сильном сотрясении, по крайней мере, до тех пор, пока здания не будут серьезно повреждены. [15]
Регистрация глобального сейсмического шума широко распространилась в 1950-х годах с усовершенствованием сейсмометров для мониторинга ядерных испытаний и разработкой сейсмических групп. Основной вклад в анализ этих записей в то время внес японский сейсмолог К. Аки [16] в 1957 году. Он предложил несколько методов, используемых сегодня для локальной сейсмической оценки, таких как пространственная автокорреляция (SPAC), частота-волновое число (FK) и корреляция. Однако практическая реализация этих методов в то время была невозможна из-за низкой точности часов на сейсмических станциях .
Улучшения в инструментах и алгоритмах привели к возобновлению интереса к этим методам в 1990-х годах. В 1989 году И. Накамура заново открыл метод горизонтального и вертикального спектрального отношения (H/V) для получения резонансной частоты участков. [17] Предположив, что сдвиговые волны доминируют в микротреморе, Накамура заметил, что спектральное отношение H/V окружающих вибраций примерно равно передаточной функции S-волны между поверхностью земли и коренной породой на участке. (Однако это предположение было подвергнуто сомнению проектом SESAME.)
В конце 1990-х годов методы массивов, применяемые к данным сейсмического шума, начали давать информацию о свойствах грунта с точки зрения профилей скорости сдвиговых волн. [18] [19] [20] [21] Европейский исследовательский проект SESAME [22] (2004–2006) работал над стандартизацией использования сейсмического шума для оценки усиления землетрясений локальными характеристиками грунта.
Анализ окружающих колебаний и случайного сейсмического волнового поля обусловливает необходимость использования различных методов обработки для характеристики недр, в том числе с помощью спектров мощности , анализа пиков H/V, кривых дисперсии и автокорреляционных функций .
Методы с одной станцией:
[25] [26]
Методы массива: использование массива сейсмических датчиков, одновременно регистрирующих окружающие колебания, позволяет лучше понять волновое поле и получить улучшенные изображения недр. В некоторых случаях можно реализовать несколько массивов разных размеров и объединить результаты. Информация о вертикальных компонентах связана только с волнами Рэлея, и поэтому ее легче интерпретировать, но также разработаны методы, использующие все три компонента движения грунта , предоставляющие информацию о волновом поле Рэлея и Лява. Методы сейсмической интерферометрии , в частности, используют методы на основе корреляции для оценки сейсмического импульса ( функция Грина ) отклика Земли от фонового шума и стали основной областью применения и исследований с ростом непрерывно регистрируемых высококачественных данных о шуме в самых разных условиях, от приповерхностного [29] до масштаба континента [30].
Подобно землетрясениям , окружающие колебания заставляют колебаться конструкции гражданского строительства, такие как мосты , здания или плотины . Предполагается, что этот источник колебаний представляет собой белый шум , т. е. с плоским спектром шума, так что зарегистрированный ответ системы фактически является характеристикой самой системы. Вибрации воспринимаются людьми только в редких случаях (мосты, высокие здания). Окружающие колебания зданий также вызываются ветром и внутренними источниками (машины, пешеходы...), но эти источники, как правило, не используются для характеристики конструкций. Раздел, изучающий модальные свойства систем при окружающих колебаниях, называется Операционным модальным анализом (OMA) или модальным анализом только на выходе и предоставляет множество полезных методов для гражданского строительства . Наблюдаемые вибрационные свойства конструкций интегрируют всю сложность этих конструкций, включая несущую систему , тяжелые и жесткие неструктурные элементы (панели заполнения каменной кладки...), легкие неструктурные элементы (окна...) [31] и взаимодействие с грунтом (фундамент здания может быть не идеально закреплен на земле, и могут происходить дифференциальные движения). [32] Это подчеркивается, поскольку трудно создать модели, которые можно было бы сравнить с этими измерениями.
Методы с использованием одной станции: расчет спектра мощности записей окружающих колебаний в конструкции (например, на верхнем этаже здания для больших амплитуд) дает оценку ее резонансных частот и, в конечном итоге, ее коэффициента затухания .
Метод функции передачи: Предполагая, что колебания грунта являются источником возбуждения конструкции, например, здания, функция передачи между низом и верхом позволяет устранить эффекты небелого входа. Это может быть особенно полезно для сигналов с низким отношением сигнал/шум (небольшое здание/высокий уровень колебаний грунта). Однако этот метод, как правило, не способен устранить эффект взаимодействия грунта и конструкции . [32]
Массивы: Они заключаются в одновременной записи в нескольких точках конструкции. Цель состоит в том, чтобы получить модальные параметры конструкций: резонансные частоты , коэффициенты затухания и модальные формы для всей конструкции. Обратите внимание, что без знания входной нагрузки коэффициенты участия этих мод не могут быть получены априори. Используя общий опорный датчик, результаты для разных массивов могут быть объединены.
Несколько методов используют матрицы спектральной плотности мощности одновременных записей, т.е. матрицы взаимной корреляции этих записей в области Фурье . Они позволяют извлекать рабочие модальные параметры (метод пикового выбора), которые могут быть результатами связи мод или системными модальными параметрами (метод разложения в частотной области).
В литературе описаны многочисленные методы идентификации систем, позволяющие определить свойства систем и которые можно применять к окружающим вибрациям в конструкциях.
Пандемия COVID-19 создала уникальную ситуацию, в которой транспортировка людей, промышленная и другая деятельность были значительно сокращены по всему миру, особенно в густонаселенных районах. Анализ сопутствующих сильных сокращений сейсмического шума на высоких частотах показал, что эти исключительные действия привели к самому длительному и самому заметному глобальному снижению антропогенного сейсмического шума, когда-либо наблюдавшемуся. [33] Сейсмический шум также был исследован как показатель экономического развития. [34]
Прямые измерения шумовых свойств не могут напрямую дать информацию о физических параметрах (скорость S-волны, структурная жесткость...) наземных сооружений или гражданских инженерных сооружений, которые обычно представляют интерес. Поэтому необходимы модели для вычисления этих наблюдений (дисперсионная кривая, модальные формы...) в подходящей прямой задаче, которую затем можно сравнить с экспериментальными данными. Учитывая прямую задачу, процесс оценки физической модели может быть представлен как обратная задача .
Цепь сбора данных в основном состоит из сейсмического датчика и оцифровщика . Количество сейсмических станций зависит от метода, от одной точки (спектр, HVSR) до массивов (3 датчика и более). За исключением особых случаев используются трехкомпонентные (3C) датчики. Чувствительность датчика и частота среза также зависят от области применения. Для наземных измерений необходимы велосиметры, поскольку амплитуды обычно ниже чувствительности акселерометров , особенно на низкой частоте. Их частота среза зависит от интересующего диапазона частот, но обычно используются частоты среза ниже 0,2 Гц. Геофоны (обычно частота среза 4,5 Гц или выше) обычно не подходят. Для измерений в гражданских инженерных сооружениях амплитуда обычно выше, как и интересующие частоты, что позволяет использовать акселерометры или велосиметры с более высокой частотой среза. Однако, поскольку точки записи на земле также могут представлять интерес в таких экспериментах, могут потребоваться чувствительные приборы. За исключением измерений на одной станции, для всех станций необходима общая временная метка. Это может быть достигнуто с помощью часов GPS , общего стартового сигнала с использованием пульта дистанционного управления или использования одного цифрового преобразователя, позволяющего записывать несколько датчиков. Относительное расположение точек записи необходимо более или менее точно для различных методов, требующих либо ручных измерений расстояния, либо дифференциального определения местоположения GPS .
Преимущества методов измерения окружающих колебаний по сравнению с активными методами, обычно используемыми в разведочной геофизике , или регистрацией землетрясений, используемой в сейсмической томографии .
Ограничения этих методов связаны с шумовым волновым полем, но особенно с общепринятыми предположениями, принятыми в сейсмике:
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )