[論文レビュー] Crustal Structure Imaging of Ghana from Single-Station Ambient Noise Autocorrelations and Earthquake Arrival Time Inversion

Hamzeh Mohammadigheymasi, Courage K. Letsa+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2026

Seismic Waves and Analysis被引用数 0

ひとこと要約

論文はサザン・ガーナの地殻を単一ステーションの環境ノイズ自己相関により画像化し、局所地震速度モデルを用いて伝播時間を深さへ変換、基底深度の新たな制約と更新された地震性カタログを得る。

ABSTRACT

The crustal architecture of southern Ghana remains inadequately resolved despite its tectonic significance and resource potential. Existing geological and geophysical studies provide only broad constraints on crustal composition, lacking the resolution to accurately define sediment-basement interfaces or intra-crustal stratigraphy. To address these limitations, we employ single-station ambient noise autocorrelation (SSANA) on continuous waveform data from the Ghana Digital Seismic Network (GHDSN). We extract P-wave reflectivity responses using a processing sequence that involves data pre-processing, Phase Cross-Correlation (PCC) for robust noise correlation, and phase-weighted stacking (PWS) of the derived autocorrelograms. This procedure yields a two-way travel-time (TWT) function representing the zero-offset P-wave reflection response beneath each station, enabling high-resolution imaging of the stratified crustal column. To facilitate depth conversion, we develop an enhanced one-dimensional crustal velocity model for the region. Using a compiled dataset of local earthquake P- and S-wave arrival times from the GHDSN and an additional station in Cote d'Ivoire, we perform a joint inversion via a grid-search algorithm to derive a regional 1D velocity structure. Our results provide new constraints on the depth and configuration of the Paleozoic basement beneath the Voltaian Basin, demonstrating the efficacy of ambient noise autocorrelation for crustal imaging in sparsely instrumented regions. We also present an updated seismicity catalog, relocated using the new velocity model, and analyze the spatial clustering of seismicity in southern Ghana. This study highlights the utility of passive seismic methods for elucidating crustal structure and evaluating resources in intraplate West Africa and analogous Precambrian terrains.

研究の動機と目的

• サザン・ガーナの地殻構造が十分に制約されていない問題に対処する。
• 単一ステーションの環境ノイズからP波反射率を抽出して地殻柱を画像化する。
• 正確な深度変換のための地域的に代表的な1-D地殻速度モデルを開発する。
• 新しい速度モデルで地震を再定位し、構 tectonic implicationsを議論する。

提案手法

• 六つのGHDSNブロードバンド観測点の記録（とコートジボアールの一地点を含む）を単一ステーションの環境ノイズ自己相関で処理し、二 Way travel timeの関数としてのP波反射率を得る。
• Phase Cross-Correlation (PCC)を用いて、毎時自己相関から頑健な位相整合反射を抽出する。
• Phase Weighted Stacking (PWS)を日次PCCに適用して、コヒーレント到来を強調し日次のTWT反射系列を得る。
• Local earthquake arrival-time inversionを用いて1-Dの地域速度モデルを開発し、現地HDDデータと西部地点を追加して方位分布を改善する。
• 新しい速度モデルを用いてTWT反射セクションを深さへ変換し、堆積物–基底の界面を画像化する。
• 新しい速度モデルを用いてサザン・ガーナの地震性カタログを再定位・更新する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SSANA（単一ステーション環境ノイズ自己相関）は、サザン・ガーナのスパースなネットワーク下で地殻反射率を信頼性高く画像化できるか。
• RQ2 局所制約型の1-D速度モデルは、この地域におけるP波反射の深さ変換にどのような意味を持つか。
• RQ3 サザン・ガーナの下にある主要な地殻界面（堆積物–基底）はどこにあり、それは既知の地質単位とどう関連するか。
• RQ4 更新された速度モデルは地震の再定位と地域地震活動パターンにどのように影響するか。

主な発見

• PCCとPWSを用いたSSANAは、各観測点の下に2つの周波数帯域で解釈可能なP波反射応答を生じさせる（浅部特徴は3–13 Hz、深部構造は1–6 Hz）。
• 局所地震トモグラフィーにより地域代表的な1-D地殻速度モデルを導出し、SSANA結果の深さ変換を改善した。
• Voltaian Basin下の古生代基底の深さと配置について新たな制約を提供する。
• 新しい速度モデルを用いた地震性カタログの再定位を含む、サザン・ガーナの更新された地震性カタログを提示する。
• 結果は、内陸プレート域の西アフリカにおける地殻画像化のための受動地震法の有用性を示す。