DOI: https://doi.org/10.26443/seismica.v5i1.1728
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Brigitte Knapmeyer‐Endrun وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تعتبر منشأة LUNA التناظرية، التي أنشأتها وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ووكالة الفضاء الألمانية (DLR) في كولونيا، ألمانيا، بمثابة منصة اختبار حيوية لأدوات وعمليات استكشاف القمر، وخاصة في علم الزلازل. تقدم هذه الدراسة أول توصيف شامل لمجال الموجات المحيطة بالموقع، مع التركيز على تأثير الضوضاء البشرية من المناطق الحضرية، بما في ذلك حركة المرور ونشاط المطار القريب. من خلال استخدام قياسات زلزالية نشطة وسلبية، تحدد الأبحاث نماذج السرعة حتى الصخور الأساسية على عمق 152 ± 13 م، مما يوفر بيانات أساسية لمستخدمي المنشأة في المستقبل. تسلط النتائج الضوء على إمكانية استخدام إشارات بشرية شائعة لمراقبة حركة المرور وكأصول زلزالية متكررة، مما قد يعزز فهم الخصائص تحت السطحية.
تؤكد الأبحاث على أهمية فهم هيكل السرعة تحت السطحية وخصائص الضوضاء المحيطة من أجل إجراء تجارب زلزالية فعالة في LUNA. تشير النتائج إلى أن مستوى المياه الجوفية يؤثر بشكل كبير على السرعات الزلزالية الضحلة، بينما تصبح تأثيرات الصخور أكثر وضوحًا عند أعماق أكبر. تقترح الدراسة أيضًا أن إشارات حركة المرور يمكن أن تكون أدوات قيمة لمراقبة التغيرات تحت السطحية، مثل ضغط التربة، وأن جهاز الزلازل الدائم في LUNA يمكن أن يسهل الدراسات المستمرة للضوضاء البشرية والأحداث الزلزالية المحلية. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا للبحوث الزلزالية المستقبلية والتدريب التشغيلي في سياقات استكشاف القمر.
مقدمة
ت outlines مقدمة ورقة البحث إنشاء منشأة اختبار LUNA من قبل المركز الألماني للفضاء (DLR) ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA) في كولونيا، ألمانيا، بهدف تعزيز تقنيات استكشاف القمر لكل من المهام المأهولة والروبوتية. تم افتتاح هذه المنشأة في سبتمبر 2024، وتتميز بساحة رملية تبلغ مساحتها 700 م² مصممة لمحاكاة ظروف القمر، مما يسهل اختبار أدوات ومفاهيم تشغيلية متنوعة. تشمل المشاريع الرئيسية القادمة نشر أجهزة قياس الزلازل واسعة النطاق كجزء من مجموعة الزلازل الجانبية ومحطة مراقبة البيئة القمرية، إلى جانب أساليب مبتكرة مثل التصوير الزلزالي القائم على الروفر واستخدام كابلات الألياف الضوئية للاستشعار الصوتي الموزع.
تأثرت عملية اختيار الموقع لـ LUNA بالاعتبارات اللوجستية، مما وضعها في بيئة حضرية تحتوي على مصادر ضوضاء بشرية كبيرة، بما في ذلك حركة المرور وعمليات المطار القريبة. تؤكد الورقة على ضرورة توصيف مستويات الضوضاء في الموقع لإبلاغ التجارب الزلزالية المستقبلية. تشير النتائج الأولية إلى أنه بينما تكون مستويات الضوضاء عالية التردد مرتفعة بسبب الأنشطة البشرية، قد تؤدي المنشأة أداءً جيدًا لملاحظات الزلازل طويلة الأمد. كما تسلط المقدمة الضوء على تباين مستويات الضوضاء بناءً على الوقت من اليوم والأسبوع، مع انخفاضات ملحوظة خلال العطلات، مما يشير إلى أن التخطيط الدقيق سيكون ضروريًا لحملات القياس المستقبلية لتمييز الضوضاء الخلفية عن الإشارات الزلزالية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجيات المستخدمة في التحليل الزلزالي الذي تم إجراؤه قبل بناء منشأة LUNA. في البداية، تم تسجيل ملف انكسار زلزالي باستخدام 24 جهاز قياس زلزالي عمودي و5 مواقع إطلاق على طول 46 م في موقع موقف السيارات السابق. تم تحديد بدايات الانطلاق، ونظرًا لعدم وجود اختلافات كبيرة في أوقات السفر عبر مواقع الإطلاق، تم دمج البيانات في رسم بياني واحد لوقت السفر مقابل الإزاحة. تم اشتقاق سرعات الموجات P وسمك الطبقات من التناسبات الخطية للبيانات، وتم تقييم عدم اليقين من خلال طريقة البوتستراب. تم استخدام هذه المعلومات لإعلام عكس بيانات الموجات السطحية، التي تم الحصول عليها من خلال تحليل متعدد القنوات لموجات السطح (MASW) وتشكيل شعاع رايلي ثلاثي المكونات عالي الدقة (RTBF).
شملت القياسات اللاحقة مجموعة أجهزة قياس زلازل قصيرة المدى ومستشعرًا واسع النطاق، مما قدم منحنى تشتت يتماشى جيدًا مع نتائج MASW. تم إجراء التحليل المشترك لتشتت موجات رايلي والبيضاوية باستخدام خوارزمية الجوار، مع دمج أنواع بيانات مختلفة مع أوزان محددة. تم تحليل التسجيلات طويلة الأجل من مبنى قريب لتقييم مستويات الضوضاء الخلفية، والتي تعتبر حاسمة لتخطيط القياسات المستقبلية في LUNA. كما فحص المؤلفون الإشارات العابرة من حركة المرور البرية والجوية، وحددوا أكثر من 100 توقيع سيارة و250 إشارة طائرة، مما سيساعد في الحملات الزلزالية المستقبلية من خلال السماح بتحديد واستخدام هذه الإشارات كمصادر قابلة للتكرار.
نتائج
تكشف نتائج دراسة الانكسار الزلزالي عن ثلاث طبقات متميزة ضمن أعلى 15 مترًا، تتميز بزيادة سرعات الموجات P ($v_P$). يتم تقديم السرعات المحددة لهذه الطبقات في الجدول 1، مع وجود الطبقة الأولى بسمك 1.63 م وسرعة 533 م/ث، والطبقة الثانية تمتد إلى 12.9 م بسرعة 750 م/ث، والطبقة الثالثة تظهر زيادة كبيرة إلى 2380 م/ث. تم استخدام هذه النتائج لتقييد نطاق $v_P$ وعمق أول انقطاعين في عكس موجات السطح، بينما تم تحديد القيود على سرعة الموجات S ($v_S$) بشكل أوسع. تشير التحليلات إلى أن $v_P$ ليس مضبوطًا جيدًا بواسطة موجات السطح، حيث لم يتحسن النموذج مقارنةً ببيانات الانكسار، بينما كانت $v_S$ مضبوطة بشكل أكثر موثوقية.
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على أهمية دمج بيانات إضافية، مثل البيضاوية لموجات رايلي ومنحنيات التشتت، لحل تعارضات العمق والسرعة. تشير نتائج العكس إلى أن الطبقة العليا ذات السرعة المنخفضة تتكون على الأرجح من التربة والردم، بينما تتوافق الطبقة الثانية مع الرمل الجاف أو الحصى. من الجدير بالذكر أن الانتقال من رمال العصر الجليدي إلى طين العصر الأوليجوسيني، جنبًا إلى جنب مع مستوى المياه الجوفية حول عمق 15 م، يفسر نماذج السرعة الملحوظة. العمق المستمد للصخور الأساسية هو 152 ± 13 م، وهو أقل من التقديرات السابقة. يتماشى هذا العمق مع التردد الذروي الملحوظ البالغ 0.76 هرتز، مما يشير إلى تمثيل أكثر دقة للهيكل تحت السطحي مقارنة بالعلاقات التجريبية السابقة. تشير النتائج إلى نسبة $v_P/v_S$ تبلغ حوالي 1.75 للصخور الأساسية، متوافقة مع القيم النموذجية لتكوينات الصخور.
مناقشة
في هذا القسم، يحلل المؤلفون مصادر الضوضاء عالية التردد المكتشفة في الموقع المستقبلي لـ LUNA، مع التركيز على الضوضاء البشرية الناتجة عن الآلات والمركبات والطائرات. تُعزى نطاقات الطيف الضيق المستمر عند ترددات مثل 1.9 هرتز، 6.1 هرتز، و27.3 هرتز إلى الآلات، بينما تشير الضوضاء الدورية عند 60.6 هرتز إلى دورات تشغيل وإيقاف من وحدات تكييف الهواء القريبة. تتوافق الإشارات العابرة مع السيارات المارة (10-30 هرتز) وحركة المرور الجوية (فوق 30 هرتز)، مع أنماط محددة لوحظت في البيانات الزلزالية تشير إلى تأثير عدم انتظام الطرق على الإشارات المسجلة.
تتفاصيل الدراسة أيضًا التوقيعات الزلزالية للسيارات والحافلات، مع تسليط الضوء على الخصائص الموجية المميزة المرتبطة بكل نوع من المركبات. تظهر إشارات السيارات انفجارات قصيرة من الطاقة مرتبطة بعدم انتظام الطرق، بينما تظهر إشارات الحافلات تشابهات ولكن تشمل أيضًا تأثيرات ميل الأرض منخفضة التردد. يستخدم المؤلفون طرقًا متنوعة، بما في ذلك تشكيل الشعاع والتحليل القطبي، لتتبع حركات المركبات وتقدير السرعات، مما يكشف أن السيارات تسير بين 14 كم/ساعة و45 كم/ساعة، بينما تتراوح الحافلات بين 30 كم/ساعة و40 كم/ساعة. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام البيانات الزلزالية لمراقبة ديناميات المرور وتوصيف الظروف تحت السطحية، مع تداعيات للدراسات المستقبلية حول رمال القمر وتطبيقات الأرض.
DOI: https://doi.org/10.26443/seismica.v5i1.1728
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Brigitte Knapmeyer‐Endrun et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
The LUNA analog facility, established by ESA and DLR in Cologne, Germany, serves as a critical testbed for lunar exploration instruments and operations, particularly in seismology. This study presents the first comprehensive characterization of the site’s ambient wavefield, emphasizing the impact of anthropogenic noise from urban surroundings, including traffic and nearby airport activity. By employing both active and passive seismic measurements, the research delineates velocity models down to the bedrock at a depth of 152 ± 13 m, providing essential data for future users of the facility. The findings highlight the potential for utilizing common anthropogenic signals for traffic monitoring and as repeating seismic sources, which could enhance the understanding of subsurface properties.
The research underscores the importance of understanding the subsurface velocity structure and ambient noise characteristics for effective seismic experimentation at LUNA. The results indicate that the groundwater table significantly influences shallow seismic velocities, while the effects of lithology become more pronounced at greater depths. The study also suggests that traffic signals could serve as valuable tools for monitoring subsurface changes, such as regolith compaction, and that the permanent seismometer at LUNA could facilitate ongoing studies of anthropogenic noise and local seismic events. Overall, the findings provide a foundation for future seismic research and operational training in lunar exploration contexts.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the establishment of the LUNA testbed facility by the German Aerospace Center (DLR) and the European Space Agency (ESA) in Cologne, Germany, aimed at advancing lunar exploration technologies for both crewed and robotic missions. This facility, inaugurated in September 2024, features a 700 m² regolith yard designed to simulate lunar conditions, facilitating the testing of various instruments and operational concepts. Key upcoming projects include the deployment of broadband seismometers as part of the Farside Seismic Suite and the Lunar Environmental Monitoring Station, alongside innovative approaches such as rover-based seismic profiling and the use of fiber optic cables for distributed acoustic sensing.
The site selection for LUNA was influenced by logistical considerations, placing it in an urban environment with significant anthropogenic noise sources, including nearby traffic and airport operations. The paper emphasizes the necessity of characterizing the noise levels at the site to inform future seismic experiments. Initial findings indicate that while high-frequency noise levels are elevated due to human activities, the facility may perform well for long-period seismic observations. The introduction also highlights the variability of noise levels based on time of day and week, with notable reductions during holidays, suggesting that careful planning will be essential for future measurement campaigns to distinguish between background noise and seismic signals.
Methods
In this section, the authors detail the methodologies employed in the seismic analysis conducted prior to the construction of the LUNA facility. Initially, a seismic refraction profile was recorded using 24 vertical-component geophones and 5 shot positions over a 46 m length at the former parking lot site. The first onsets were identified, and due to the lack of significant differences in travel times across shot positions, data were consolidated into a single travel-time versus offset plot. P-wave velocities and layer thicknesses were derived from linear fits to the data, with uncertainties assessed through bootstrapping. This information informed the inversion of surface wave data, which was obtained via multi-channel analysis of surface waves (MASW) and high-resolution three-component Rayleigh beam forming (RTBF).
Subsequent measurements involved a short-period seismometer array and a broadband sensor, which provided a dispersion curve that aligned well with MASW results. The combined analysis of Rayleigh wave dispersion and ellipticity was performed using the Neighborhood Algorithm, incorporating various data types with specific weighting. Long-term recordings from a nearby building were analyzed to assess background noise levels, which are crucial for planning future measurements at LUNA. The authors also examined transient signals from vehicular and airborne traffic, identifying over 100 car signatures and 250 airplane signals, which will aid in future seismic campaigns by allowing for the identification and potential use of these signals as repeatable sources.
Results
The results of the refraction seismic study reveal three distinct layers within the uppermost 15 meters, characterized by increasing P-wave velocities ($v_P$). The determined velocities for these layers are presented in Table 1, with the first layer having a thickness of 1.63 m and a velocity of 533 m/s, the second layer extending to 12.9 m with a velocity of 750 m/s, and the third layer showing a significant increase to 2380 m/s. These findings were utilized to constrain the $v_P$ range and the depth of the first two discontinuities in surface wave inversions, while the constraints on S-wave velocity ($v_S$) were set more broadly. The analysis indicates that $v_P$ is not well constrained by surface waves, as the model did not improve compared to the refraction data, whereas $v_S$ was more reliably constrained.
The study also highlights the importance of incorporating additional data, such as Rayleigh wave ellipticity and dispersion curves, to resolve depth-velocity trade-offs. The inversion results suggest that the low-velocity top layer likely consists of soil and backfill, while the second layer corresponds to dry sand or gravel. Notably, the transition from Pleistocene sands to Oligocene clays, along with the groundwater table around 15 m depth, explains the observed velocity models. The derived depth to bedrock is 152 ± 13 m, which is shallower than previous estimates. This depth aligns with the observed peak frequency of 0.76 Hz, suggesting a more accurate representation of the subsurface structure compared to earlier empirical relations. The results indicate a $v_P/v_S$ ratio of approximately 1.75 for the bedrock, consistent with typical values for rock formations.
Discussion
In this section, the authors analyze high-frequency noise sources detected at the future location of LUNA, focusing on anthropogenic noise from machinery, vehicles, and aircraft. Continuous narrow spectral bands at frequencies such as 1.9 Hz, 6.1 Hz, and 27.3 Hz are attributed to machinery, while periodic noise at 60.6 Hz suggests on-off cycles from nearby air-conditioning units. Transient signals correlate with passing cars (10-30 Hz) and airborne traffic (above 30 Hz), with specific patterns observed in the seismic data that indicate the influence of road irregularities on the recorded signals.
The study further details the seismic signatures of cars and buses, highlighting the distinct waveform characteristics associated with each vehicle type. Car signals exhibit short bursts of energy linked to road irregularities, while bus signals show similarities but also include low-frequency ground tilt effects. The authors employ various methods, including array beamforming and polarization analysis, to track vehicle movements and estimate speeds, revealing that cars travel between 14 km/h and 45 km/h, while buses range from 30 km/h to 40 km/h. The findings underscore the potential of using seismic data to monitor traffic dynamics and characterize subsurface conditions, with implications for future studies on lunar regolith and terrestrial applications.