Fizyczne podstawy metody interferometrii sejsmicznej

Czarny, R.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Fizyczne podstawy metody interferometrii sejsmicznej

Autorzy

Czarny R.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Physical derivation of the seismic interferometry method

Języki publikacji

Abstrakty

Interferometria sejsmiczna jest dynamicznie rozwijającą się metodą, której pierwsze zastosowania sięgają początków obecnego stulecia. Aktualnie znajduje coraz szersze zastosowanie w zagadnieniach m.in. obrazowania głębokich struktur ziemi oraz utworów przypowierzchniowych, monitorowania procesów wulkanicznych oraz analizowania wpływu silnych trzęsień ziemi na obiekty budowlane. Metoda ta pozwala na odtworzenie odpowiedzi impulsowej tzw. funkcji Greena ośrodka pomiędzy parą odbiorników na podstawie zarejestrowanych w tym samym czasie sejsmicznych pól falowych na tych odbiornikach. W wyniku odpowiednich operacji matematycznych metoda ta zamienia zarejestrowane na odbiornikach koherentne fale sejsmiczne o nieznanym czasie oraz miejscu ich wzbudzenia na układ tzw. wirtualnych źródeł emitujących sejsmiczne pole falowe z dowolnego odbiornika. W artykule przedstawiono fizyczne uzasadnienie wyników eksperymentu akustyki odwróconego czasu (ang. time-reversed acoustics) według Derode i in. (2003), które jest zarazem wytłumaczeniem metody interferometrii sejsmicznej. Eksperyment laboratoryjny w pierwszym etapie polegał na rejestracji akustycznego pola falowego wyemitowanego na brzegu naczynia wypełnionego cieczą i stalowymi prętami. Następnie rejestracje zostały odwrócone w czasie i wysłane powtórnie do wewnątrz naczynia i odebrany po przeciwnej stronie. Zarejestrowany na końcu sygnał okazał się zbliżony do sygnału wyemitowanego, pomimo przejścia przez ośrodek wielokrotnie rozpraszający. Doświadczenie to uzasadniono wykorzystując technikę korelacji wzajemnej (ang. cross-correlation), zasadę superpozycji pola falowego oraz zasadę wzajemności Rayleigha.

Seismic interferometry is a geophysical method which has been developing very rapidly over the last decade. It has been applied to image deep structures of the Earth as well as near-surface, monitor volcanic processes, geothermal reservoirs within exploitation, rock mass deformation induced by mining, landslides, ground water storage, ice sheet or the impact of strong earthquakes to buildings. The vast majority of these applications use ambient seismic noise as a seismic source. This method involves reconstructing thte impulse response, the socalled Green’s function, between pair of receivers based on the wave field registered by them. Using seismic interferometry with various data processing flows the registered coherent seismic waves by the receivers can be changed to virtual sources which are placed in the receiver locations. In the article, the physical derivation of the time-reversed acoustics experiment which was introduced by Derode et. al. (2003) is presented. This derivation also explains the seismic interferometry method. The laboratory experiment contained two phases. First, an acoustics signal was emitted into the medium with hundreds of scatterers (cube with liquid and rods) and registered on the opposite side of the medium. Then, registrations were reversed and emitted back. Finally, the wave field refocused exactly in the point of initial excitation. Derode et. al. explain these results using the cross-correlation technique, superposition and Rayleigh’s reciprocity principles.

Słowa kluczowe

interferometria sejsmiczna funkcja Greena korelacja wzajemna akustyka odwróconego czasu

seismic interferometry Green’s function cross-correlation time-reversed acoustics

Wydawca

Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN

Czasopismo

Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN

Rocznik

2017

Tom

nr 101

Strony

195--202

Opis fizyczny

Bibliogr. 33 poz., rys.

Twórcy

autor

Czarny R.

czarny@min-pan.krakow.pl

Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków

Bibliografia

1. Brenguier i in. 2016 – Brenguier, F., Kowalski, P., Ackerley, N., Nakata, N., Boué, P., Campillo, M., Larose, E., Rambaud, S., Pequegnat, C., Lecocq, T., Roux, P., Ferrazzini, V., Villeneuve, N., Shapiro, N.M. i Chaput, J. 2016. Toward 4D Noise‐Based Seismic Probing of Volcanoes: Perspectives from a Large‐N Experiment on Piton de la Fournaise Volcano. Seismological Research Letters 87(1), s. 15–25.
2. Campillo, M. i Paul, A. 2003. Long-range correlations in the diffuse seismic coda. Science 299(5606), s. 547–549, doi:10.1126/science.1078551.
3. Claerbout, J.F. 1968. Synthesis of a layered medium from its acoustic transmission response. Geophysics 33(2), s. 264–269, doi:10.1190/1.1439927.
4. Curtis i in. 2006 – Curtis, A., Gerstoft, P., Sato, H., Snieder, R. i Wapenaar, K. 2006. Seismic interferometry – turning noise into signal. The Leading Edge 25(9), s. 1082–1092, doi:10.1190/1.2349814.
5. Czarny i in. 2016 – Czarny, R., Marcak, H., Nakata, N., Pilecki, Z. i Isakow, Z. 2016. Monitoring velocity changes caused by underground coal mining using seismic noise. Pure and Applied Geophysics 173(6), s. 1907– 1916. http://doi.org/10.1007/s00024-015-1234-3.
6. Derode i in. 1995 – Derode, A., Roux, P. i Fink, M. 1995. Robust acoustic time reversal with high-order multiple scattering. Physical Review Letters 75(23), s. 4206–4209, doi:10.1103/PhysRevLett.75.4206.
7. Derode i in. 2003 – Derode, A., Larose, E., Tanter, M., de Rosny, J., Tourin, A., Campillo, M. i Fink, M. 2003. Recovering the Green’s function from field-field correlations in an open scattering medium (L). The Journal of the Acoustical Society of America 113(6), 2973–2976, doi:10.1121/1.1570436.
8. Duvall i in. 1993 – Duvall, T.L., Jefferies, S.M., Harvey, J.W. i Pomerantz, M.A. 1993. Time-distance helioseismology. Nature 362(6419), s. 430–432, doi:10.1038/362430a0.
9. Fink, M. 1997. Time-Reversed Acoustics. Physics Today 50(3), s. 34–40, doi:10.1109/58.710586.
10. Fink, M. 2006. Time-reversal acoustics in complex environments. Geophysics 71(4), s. 151–164, doi:10.1190/ 1.2215356.
11. Fokkema, J.T. i van den Berg, P.M. 1993. Seismic applications of acoustic reciprocity. Elsevier.
12. Harba, P. i Pilecki, Z. 2017. Assessment of time-spatial changes of shear wave velocities of flysch formation prone to mass movements by seismic interferometry with the use of ambient noise. Landslides 14(3), s. 225–1233, http://doi.org/10.1007/s10346-016-0779-2.
13. Isakow i in. 2015 – Isakow, Z., Pilecki, Z. i Kubańska, A. red. 2015. System LOFRES sejsmiki pasywnej z wykorzystaniem szumu sejsmicznego. Katowice: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG.
14. Isakow i in. 2014 – Isakow, Z., Pilecki, Z. i Sierodzki, P. 2014. Nowoczesny system LOFRES niskoczęstotliwościowej sejsmiki pasywnej. Przegląd Górniczy 70(7), s. 92–96.
15. van Manen i in. 2006 – van Manen, D., Curtis, A. i Robertsson, J.O.A. 2006. Interferometric modeling of wave propagation in inhomogeneous elastic media using time reversal and reciprocity. Geophysics 71(4), s. 47–60.
16. Marcak i in. 2014a – Marcak, H., Pilecki, Z. i Czarny, R. 2014a. Interferometria sejsmiczna w zagadnieniach górniczych. Kraków: Wyd. Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.
17. Marcak i in. 2014b – Marcak, H., Pilecki, Z., Isakow, Z. i Czarny, R. 2014b. Możliwości wykorzystania interferometrii sejsmicznej w górnictwie. Przegląd Górniczy 70(7), s. 74–83.
18. Nakata, N. 2016. Near-surface S-wave velocities estimated from traffic-induced Love waves using seismic interferometry with double beamforming. Interpretation 4(4), SQ23–SQ31, doi:10.1190/INT-2016-0013.1.
19. Nakata, N. i Snieder, R. 2014. Monitoring a Building Using Deconvolution Interferometry. II: Ambient-Vibration Analysis. Bull. Seismol. Soc. Am. 104, s. 204–213, doi:10.1785/0120130050.
20. Pilecki, Z. i Isakow, Z. 2014. Projekt LOFRES–sejsmika pasywna LFS z wykorzystaniem szumu sejsmicznego. Przegląd Górniczy 70(7), s. 69–73.
21. Rayleigh, J.W.S.B. 1896. The theory of sound. Macmillan.
22. Rickett, J. i Claerbout, J. 1999. Acoustic daylight imaging via spectral factorization: helioseismology and reservoir monitoring. The Leading Edge 18(8), s. 957–960, doi:10.1190/1.1438420.
23. Schaeffer, A.J. i Lebedev, S. 2014. Imaging the North American continent using waveform inversion of global and USArray data. Earth and Planetary Science Letters 402, s. 26–41.
24. Schuster, G. 2001. Theory of daylight/interferometric imaging-tutorial. 63rd EAGE Conference and Exhibition.
25. Schuster i in. 2004 – Schuster, G.T., Yu, J., Sheng, J. i Rickett, J. 2004. Interferometric/daylight seismic imaging. Geophysical Journal International 157(2), s. 838–852, doi:10.1111/j.1365-246X.2004.02251.x.
26. Shapiro i in. 2005 – Shapiro, N.M., Campillo, M., Stehly, L. i Ritzwoller, M.H. 2005. High-resolution surface-wave tomography from ambient seismic noise. Science 307(5715), s. 1615–1618, doi:10.1126/science.1108339.
27. Snieder, R. 2004. Extracting the Green’s function from the correlation of coda waves: A derivation based on stationary phase. Physical Review E 69(4), 46610, doi:10.1103/PhysRevE.69.046610.
28. Wapenaar, K. 2003. Synthesis of an inhomogeneous medium from its acoustic transmission response. Geophysics 68(5), s. 1756–1759, doi:10.1190/1.1620649.
29. Wapenaar, K. 2004. Retrieving the elastodynamic Green’s function of an arbitrary inhomogeneous medium by cross correlation. Physical Review Letters 93(25), 254301. doi:10.1103/PhysRevLett.93.254301.
30. Wapenaar, K. 2006. Green’s function retrieval by cross-correlation in case of one-sided illumination. Geophysical Research Letters 33(19), s. 1–6, doi:10.1029/2006GL027747.
31. Wapenaar i in. 2008 – Wapenaar, K., Slob, E. i Snieder, R. 2008. Seismic and electromagnetic controlled-source interferometry in dissipative media. Geophysical Prospecting 56(3), 419–434, doi:10.1111/j.1365-2478. 2007.00686.x.
32. Wapenaar i in. 2010 – Wapenaar, K., Slob, E., Snieder, R. i Curtis, A. 2010. Tutorial on seismic interferometry: Part 2 – Underlying theory and new advances. Geophysics 75, 75A211–75A227, doi:10.1190/1.3463440.
33. Weaver, R.L. i Lobkis, O.I. 2001. Ultrasonics without a source: thermal fluctuation correlations at MHz frequencies. Physical Review Letters 87(13), 134301, doi:10.1103/PhysRevLett.87.134301.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-535cff16-6a33-4639-a724-515a90a9d7f1