[論文レビュー] Global characterization of seismic noise with broadband seismometers

Michael William Coughlin, J. Harms|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2012

Seismic Waves and Analysis参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2007年から2011年までの間、IRIS、F-net、Orfeusネットワークに属する3,500基以上の広帯域地震計から得られた3時間ごとのパワースペクトル密度を用いて、地震ノイズのグローバル分析を実施した。その結果、アフリカ、オーストラリア、南極大陸のステーションでは、1 Hz以上でグローバル低ノイズモデルよりも顕著に低いノイズレベルが記録されており、0.1 Hz以上で地震ノイズと風速の強い相関が確認された。また、1 Hz以上で都市部への近接性と、約80 mHzで地震活動と強い相関が示された。

ABSTRACT

In this paper, we present an analysis of seismic spectra that were calculated from all broadband channels (BH?) made available through IRIS, NIED F-net and Orfeus servers covering the past five years and beyond. A general characterization of the data is given in terms of spectral histograms and data-availability plots. We show that the spectral information can easily be categorized in time and regions. Spectral histograms indicate that seismic stations exist in Africa, Australia and Antarctica that measure spectra significantly below the global low-noise models above 1 Hz. We investigate world-wide coherence between the seismic spectra and other data sets like proximity to cities, station elevation, earthquake frequency, and wind speeds. Elevation of seismic stations in the US is strongly anti-correlated with seismic noise near 0.2 Hz and again above 1.5 Hz. Urban settlements are shown to produce excess noise above 1 Hz, but correlation curves look very different depending on the region. It is shown that wind speeds can be strongly correlated with seismic noise above 0.1 Hz, whereas earthquakes produce seismic noise that shows most clearly in correlation around 80 mHz.

研究の動機と目的

• 公開の広帯域ネットワークから得た長期的かつ高時間分解能のスペクトルデータを用いて、グローバルな地震ノイズを体系的に特徴づけること。
• 風速、人口密度、地形、地震活動などの補助的地物理データと、地震ノイズの空間的・時間的相関関係を同定すること。
• 特に遠隔地や低ノイズ地域における、異なる周波数帯域での支配的ノイズ源の理解を深めること。
• 今後の地震背景騒音の変動や気候-地震活動連関に関する研究のための、公開可能で長期的なスペクトルデータセットを提供すること。

提案手法

• IRIS、F-net、Orfeusのデータサーバーを介して、広帯域地震計のBH?チャネルからの継続的3時間パワースペクトル密度（PSD）データを取得した。
• 大陸を網羅する3,500基以上のステーションのデータを処理し、キャリブレーション係数の正規化と、3時間ごとの時間系列セグメンテーションを実施した。
• グローバルなステーション分布と時間的データカバレッジを評価するため、スペクトルヒストグラムとデータ利用可能性プロットを作成した。
• 人口密度、風速、ステーション標高、地震マグニチュードなどの外部データセットと、地震ノイズスペクトルの空間的・時間的相互相関を分析した。
• パーセンタイルベースのグループ化と地域的区分（例：大陸別）を用いて、異なる地球物理的環境におけるスペクトル挙動を分析した。
• インタラクティブなGoogle EarthファイルとMATLABベースのマッピングツールを用いて、微小地震振幅の日周・季節的変動を可視化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの地域で、特に1 Hz以上でグローバル低ノイズモデルよりも顕著に低い地震ノイズレベルを示すか？
• RQ2 風速と地震ノイズの相関関係は、どの周波数帯で強く現れ、どこで最も強いのか？
• RQ3 都市部への近接性が1 Hz以上で上昇する地震ノイズを引き起こす要因である程度はどの程度で、これは地域によってどのように異なるか？
• RQ4 米国において、0.2 Hzおよび1.5 Hz以上でステーション標高と地震ノイズレベルの相関関係はどのようになるか？
• RQ5 地震活動と地震ノイズの時間的相関関係は、特に約80 mHzでどの程度強いのか？

主な発見

• アフリカ、オーストラリア、南極大陸の地震ステーションでは、1 Hz以上でグローバル低ノイズモデルよりも顕著に低いノイズレベルが記録されており、極めて静穏な地震環境が存在することが示された。
• 風速は0.1 Hz以上で地震ノイズと強い相関を示し、1 Hzおよび10 Hzで10%のステーションが0.5以上のコherency値を示しており、特に沿岸部で顕著であった。
• 都市部は1 Hz以上で余剰な地震ノイズを生じるが、相関パターンは地域によって顕著に異なり、人為的ノイズ源の地域的ばらつきが示された。
• 米国において、0.2 Hzおよび1.5 Hz以上でステーション標高は地震ノイズと強く逆相関しており、地形的遮蔽効果やサイト効果の可能性が示唆された。
• 地震活動は80 mHz周辺で地震ノイズと最も明確な相関を示しており、この周波数帯域で地震活動が支配的役割を果たしていることが示された。
• 沿岸部では、風と地震ノイズのスペクトルコherencyが顕著に高く、一部のステーションでは0.1 Hz以上の広範な周波数帯域で風駆動ノイズが強く観測された。