DOI: https://doi.org/10.1029/2023jb027860
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Claudio Strumia وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تقدم هذه القسم إطارًا نظريًا لتحليل إشعاع الإجهاد بعيد المدى الناتج عن الانكسارات الزلزالية، باستخدام تقنية الاستشعار الصوتي الموزع (DAS) لاشتقاق معلمات المصدر من بيانات الإجهاد للزلازل التي تتراوح قوتها بين 2.0 إلى 4.3. تستخدم الدراسة صياغة جديدة تعزز الحساسية للهيكل السريع الأساسي وأنماط الإشعاع، مما يمكّن من تقدير حجم اللحظة وتردد الزاوية من خلال إطار عكسي احتمالي. أسفر تحليل البيانات من كابل ألياف ضوئية مظلم بطول 150 كم في قاع المحيط بالقرب من خندق تشيلي عن انخفاض متوسط ثابت في الإجهاد قدره 0.8 ± 0.6 ميغاباسكال، دون وجود انحيازات كبيرة في تقديرات معلمات المصدر بالنسبة للمسافة من المركز الزلزالي.
بالإضافة إلى ذلك، توضح تطبيق هذه المنهجية على بيانات الزلازل الدقيقة من جبال الأبينين الجنوبية (M_L = 0.3-2.3) إمكانيات DAS في تمييز الزلازل الصغيرة، حيث تم تحقيق تقديرات متسقة للحظة الزلزالية عبر نطاق القوة. تشير النتائج إلى أن تأثيرات الموقع تؤثر بشكل كبير على الطيف عالي التردد، مما يستلزم تصحيحًا لتحديد خصائص المصدر بدقة للأحداث التي لديها M_w > 2. بشكل عام، تؤكد النتائج قدرات DAS في تمييز المصدر، مع تسليط الضوء على أهمية أخذ عينات مكانية كثيفة لفهم التباين في معلمات المصدر وارتباطها بسلوك الانكسار والهياكل الجيولوجية المحلية. ومع ذلك، تشير الدراسة أيضًا إلى التحديات التي تطرحها الخصائص الفريدة لبيانات الألياف الضوئية، والتي تتطلب معالجة دقيقة وإدارة فعالة للبيانات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في تقنية الاستشعار الصوتي الموزع (DAS)، التي تتيح التسجيل المستمر لموجات الزلازل على طول الألياف الضوئية. تستخدم أنظمة DAS التغيرات في الطور في الضوء المرتد لقياس الإجهاد المحوري، وتعمل كشبكة زلزالية كثيفة بنقطة جمع بيانات واحدة. هذه التقنية مفيدة بشكل خاص لمراقبة البيئات الصعبة، مثل قيعان المحيطات والمناطق الحرارية الأرضية، على مسافات شاسعة. تشمل التطبيقات الحديثة لـ DAS في علم الزلازل تحديد موقع الزلازل، وتحديد آلية البؤرة، وتقدير سرعة الزلازل، وتمييز تأثير الموقع. ومع ذلك، يتطلب استخراج معلمات المصدر من بيانات DAS مزيدًا من التطورات المنهجية، خاصة في تحويل قياسات معدل الإجهاد إلى كميات حركة أرضية تقليدية.
تقدم الورقة صياغة جديدة لتحليل إشعاع الإجهاد بعيد المدى الناتج عن الانكسارات الزلزالية، مما يسمح بالتفسير المباشر لبيانات DAS في مجال الإجهاد الأصلي. تأخذ هذه الصياغة في الاعتبار الحساسية الاتجاهية للألياف تجاه الموجات الجسمية والتراكيب الجيولوجية تحتها. يوضح المؤلفون أن سعة الطيف لتكامل الإجهاد ترتبط بتحويل فورييه لدالة زمن المصدر، مما يسهل تحديد معلمات المصدر. من خلال دراسات الحالة، يثبت المؤلفون نهجهم، مما يظهر التوافق مع الأدوات الزلزالية التقليدية للأحداث التي تتراوح قوتها بين 2.0 إلى 4.3. ومن الجدير بالذكر أن تحليل مسح DAS الذي استمر شهرًا في تشيلي يكشف عن تقديرات انخفاض الإجهاد غير المعتمدة على المقياس، بينما تسلط البيانات من جبال الأبينين الجنوبية الضوء على تأثير التوهين المحلي على قياسات تردد الزاوية. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات تقنية DAS في تمييز المصادر الزلزالية وإطلاق اللحظة المرتبطة بها.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تطبيق تقنيتهم المقترحة لتقييم معلمات المصدر باستخدام مجموعتين بيانات متميزتين. تتكون مجموعة البيانات الأولى من بيانات الاستشعار الصوتي الموزع (DAS) التي تم جمعها من كابل اتصالات بحرية بطول 150 كم يقع قبالة هامش تشيلي. تتضمن مجموعة البيانات الثانية أحداث زلزالية تم تسجيلها بواسطة كابل بطول 1.1 كم مثبت في جبال الأبينين الجنوبية، إيطاليا. تظهر النتائج من كلا التطبيقين مرونة وفعالية التقنية في إعدادات جيولوجية مختلفة.
المناقشة
تقدم الدراسة صياغة جديدة لتحليل إشعاع الإجهاد بعيد المدى الناتج عن الانكسارات الزلزالية، مما يمكّن من استخراج خصائص المصدر مثل اللحظة الزلزالية وحجم المصدر من بيانات الاستشعار الصوتي الموزع (DAS). تم التحقق من صحة هذه الطريقة باستخدام بيانات حقيقية من موقعين تكتونيين: هامش تشيلي وجبال الأبينين الجنوبية في إيطاليا. تسلط الدراسة الضوء على مزايا تقنية DAS، وخاصة دقتها المكانية العالية، التي تعزز تمييز الأحداث الزلزالية عبر مقاييس مختلفة. يتم تعديل التقنيات التقليدية لتقدير معلمات المصدر، التي تعتمد على طيف إزاحة الموجات الجسمية، لتناسب بيانات DAS من خلال طرق تحويل مختلفة، بما في ذلك تحويلات الميل وتقنيات غير المعتمدة على الطور.
طور المؤلفون صياغة تحليلية تربط دالة زمن المصدر (STF) بالإجهاد، مما يسمح بعكس طيف سعة تكامل الإجهاد لتقدير معلمات المصدر. تتناول الدراسة أيضًا التحديات التي تطرحها الحساسية المحدودة للزاوية في DAS، مقترحة نمط إشعاع متوسط يأخذ في الاعتبار اتجاهات الفوالق المختلفة واتجاهات الكابل. تشير النتائج إلى أن النهج الجديد يوفر تقديرات موثوقة لمعلمات المصدر، مع تطبيقات تم إثباتها من خلال تحليل الأحداث الزلزالية المسجلة بواسطة DAS في كل من تشيلي وإيطاليا. تشير النتائج إلى أن DAS يمكن أن تلتقط ديناميات الأحداث الزلزالية بشكل فعال، مما يوفر أداة واعدة للمراقبة في الوقت الحقيقي وأنظمة التحذير المبكر.
DOI: https://doi.org/10.1029/2023jb027860
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Claudio Strumia et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
This section presents a theoretical framework for analyzing strain far-field radiation resulting from seismic ruptures, utilizing Distributed Acoustic Sensing (DAS) to derive source parameters from strain data of earthquakes with magnitudes ranging from 2.0 to 4.3. The study employs a novel formulation that enhances sensitivity to the underlying velocity structure and radiation patterns, enabling the estimation of moment magnitude and corner frequency through a probabilistic inversion framework. The analysis of data from a 150 km ocean-bottom dark fiber cable near the Chilean trench yielded a consistent average stress drop of 0.8 ± 0.6 MPa, with no significant biases in source parameter estimations relative to hypocentral distance.
Additionally, the application of this methodology to microseismic data from the Southern Apennines (M_L = 0.3-2.3) demonstrates the potential of DAS for characterizing small earthquakes, achieving coherent seismic moment estimates across the magnitude range. The findings indicate that site effects significantly influence the high-frequency spectrum, necessitating correction to accurately determine source characteristics for events with M_w > 2. Overall, the results underscore the capabilities of DAS in source characterization, highlighting the importance of dense spatial sampling for understanding variability in source parameters and their correlation with rupture behavior and local geological structures. However, the study also notes the challenges posed by the unique properties of fiber optic data, which require meticulous processing and efficient data management.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements in Distributed Acoustic Sensing (DAS) technology, which enables continuous recording of seismic waves along optical fibers. DAS systems utilize phase variations in backscattered light to measure axial strain, functioning as a dense seismic array with a single data collection endpoint. This technology is particularly advantageous for monitoring challenging environments, such as oceanic seafloors and geothermal areas, over extensive distances. Recent applications of DAS in seismology include earthquake location, focal mechanism determination, seismic velocity estimation, and site effect characterization. However, the extraction of source parameters from DAS data necessitates further methodological developments, particularly in converting strain-rate measurements into conventional ground motion quantities.
The paper presents a novel formulation for analyzing far-field strain radiation from seismic ruptures, allowing for direct interpretation of DAS data in its native strain domain. This formulation accounts for the directional sensitivity of the fiber to body waves and the geological layering beneath it. The authors demonstrate that the spectral amplitude of the strain integral correlates with the Fourier transform of the source time function, facilitating the determination of source parameters. Through case studies, the authors validate their approach, showing consistency with traditional seismic instruments for events with magnitudes ranging from 2.0 to 4.3. Notably, the analysis of a month-long DAS survey in Chile reveals scale-invariant stress drop estimates, while data from the Southern Apennines highlights the influence of local attenuation on corner frequency measurements. Overall, this study underscores the potential of DAS technology to effectively characterize seismic sources and their associated moment release.
Results
In this section, the authors present the application of their proposed technique to assess source parameters using two distinct datasets. The first dataset comprises Distributed Acoustic Sensing (DAS) data collected from a 150 km long marine telecommunication cable situated offshore the Chilean margin. The second dataset involves seismic events recorded by a 1.1 km long cable installed in the Southern Apennines, Italy. The results from both applications demonstrate the versatility and effectiveness of the technique in different geological settings.
Discussion
The research presents a novel formulation for analyzing far-field strain radiation from seismic ruptures, enabling the extraction of source properties such as seismic moment and source size from Distributed Acoustic Sensing (DAS) data. This method was validated using real data from two tectonic settings: the Chilean margin and the southern Apennines in Italy. The study highlights the advantages of DAS technology, particularly its high spatial resolution, which enhances the characterization of seismic events across various scales. Traditional techniques for estimating source parameters, which rely on body wave displacement spectra, are adapted to DAS data through various conversion methods, including slant-stack transforms and phase-independent techniques.
The authors developed an analytical formulation linking the source time function (STF) with strain, allowing for the inversion of strain integral amplitude spectra to estimate source parameters. The study also addresses the challenges posed by the limited azimuthal sensitivity of DAS, proposing an average radiation pattern that accounts for different fault orientations and cable directions. The findings indicate that the new approach provides reliable estimates of source parameters, with applications demonstrated through the analysis of seismic events recorded by DAS in both Chile and Italy. The results suggest that DAS can effectively capture the dynamics of seismic events, offering a promising tool for real-time monitoring and early warning systems.