Matematiske innovationer muliggør fremskridt inden for detektion af seismisk aktivitet

Midt i det unikke landskab med geotermisk udvikling i Tohoku-regionen udgør subtile seismiske aktiviteter under jordens overflade en fascinerende udfordring for forskere. Selvom jordskælvsadvarsler kan intermitterende advare os om seismiske hændelser, eksisterer der adskillige mindre jordskælv, som længe har fascineret ressourceingeniører, der stræber efter at opdage og forstå dem.

Matematiske innovationer fra forskere fra Tohoku University fremmer detekteringen af ​​flere typer – og svagere former – af seismiske bølger, hvilket baner vejen for mere effektiv jordskælvsovervågning og risikovurdering.

Resultaterne af deres undersøgelse blev offentliggjort i IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing .

Indsamling af seismiske data afhænger af antallet og placeringen af ​​sensorer kaldet seismometre. Især hvor kun begrænset udrulning af seismiske sensorer er mulig, såsom i udfordrende miljøer som planeten Mars eller når der udføres langtidsovervågning af opfanget og lagret kulstof, bliver optimering af dataudtræk fra hver eneste sensor afgørende.

En lovende metode til at gøre det er polarisationsanalyse, som involverer at studere 3D-partikelbevægelse og har fået opmærksomhed for sin evne til at udnytte tre-komponent data, der tilbyder mere information end én-komponent data. Denne tilgang muliggør detektering og identifikation af forskellige polariserede seismiske bølgeformer, herunder S-bølger, P-bølger og andre.

Især polarisationsanalyse ved hjælp af en spektral matrix (SPM) er en teknik, der bruges til at analysere den måde, partikler bevæger sig i tre dimensioner over tid og ved forskellige frekvenser, med andre ord i tids-frekvensdomænet. Men i scenarier, hvor det ønskede signal er svagt sammenlignet med baggrundsstøj - kendt som hændelser med lavt signal-til-støjforhold (SNR), som er typiske i underjordiske reservoirer - står SPM-analyse over for begrænsninger.

På grund af matematiske begrænsninger kan den kun karakterisere lineær partikelbevægelse (det vil sige de hurtigt bevægende, let-at-detektere P-bølger), hvilket gør analysen af ​​andre bølgeformer (såsom de sekundære ankommende S-bølger) udfordrende.

"Vi overvandt de tekniske udfordringer ved konventionel SPM-analyse og udvidede den til bredere polariseringsrealisering ved at introducere tidsforsinkelseskomponenter," sagde Yusuke Mukuhira, en assisterende professor ved Institute of Fluid Science ved Tohoku University og hovedforfatter af undersøgelsen.

Sammenlignet med eksisterende teknikker forbedrede hans teams inkorporering af tidsforsinkelseskomponenter nøjagtigheden af ​​SPM-analyse, hvilket muliggjorde karakterisering af forskellige polariserede bølger, herunder S-bølger, og detektering af lav-SNR-hændelser med mindre amplituder.

En vigtig nyskabelse i undersøgelsen er introduktionen af ​​en ny vægtningsfunktion baseret på faseinformationen fra den første egenvektor - en speciel vektor, der, når multipliceret med matrixen, resulterer i en skaleret version af den oprindelige vektor. Formålet med vægtningsfunktionen er at tildele forskellige niveauer af betydning til forskellige dele af signaler i henhold til deres betydning og derved reducere falske alarmer.

Syntetiske bølgeformstests viste, at denne tilføjelse signifikant forbedrede evalueringen af ​​seismisk bølgepolarisering, en afgørende faktor for at skelne signal fra støj.

"Teknisk har vi udviklet en signalbehandlingsteknik, der forbedrer partikelbevægelsesanalyse i tids- og frekvensdomænet," sagde Mukuhira.

Forskerholdet validerede deres metodologi ved hjælp af data fra den virkelige verden registreret på Groningen-gasfeltet i Holland. Resultaterne viste en overlegen seismisk bevægelsesdetektionsydelse, der bragte to hændelser med lav SNR frem i lyset, som tidligere var gået ubemærket hen med konventionelle metoder.

Disse resultater rummer potentialet for anvendelser på tværs af forskellige områder, herunder seismologi og geofysik, især ved overvågning af underjordiske forhold med begrænsede observationspunkter. Implikationerne omfatter jordskælvsovervågning, planetarisk udforskning og ressourceudvikling.

Flere oplysninger: Takayuki Nagata et al., Polarization Analysis in Time-Frequency Domain by Complex Spectral Matrix:Application to Various Phases of Seismogram, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (2024). DOI:10.1109/TGRS.2024.3352817

Leveret af Tohoku University