[논문 리뷰] Crustal Structure Imaging of Ghana from Single-Station Ambient Noise Autocorrelations and Earthquake Arrival Time Inversion

Hamzeh Mohammadigheymasi, Courage K. Letsa외 6명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 11.

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한 줄 요약

본 논문은 single-station ambient noise autocorrelations를 이용해 남부 가나의 지각을 영상화하고, 이를 지역 지진 속도 모델과 보강하여 travel times를 깊이로 변환한다. 이는 새로운 기저 depth 제약과 업데이트된 지진성 목록을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 남부 가나의 잘 제약된 지각 구조 문제를 다룬다.
• 단일 스테이션에서 대기 소음으로부터 P파 반사율을 추출하여 지각 기둥을 영상화한다.
• 정확한 깊이 변환을 위해 지역적으로 대표되는 1-D 지각 속도 모델을 개발한다.
• 새 속도 모델로 지진 위치를 재배치하고 구조적 함의를 논의한다.

제안 방법

• GHDSN 브로드밴드 관측소 기록 6개(및 코트디부아르의 한 관측소)를 단일 스테이션 대기 소음 자기상관으로 처리하여 두 방향 여행시간에 따른 P파 반사율을 얻는다.
• Phase Cross-Correlation (PCC)을 사용하여 매시간의 자기상관도에서 강건한 위상 일관 반사를 추출한다.
• Phase Weighted Stacking (PWS)를 일일 PCC에 적용하여 일관된 도착을 증폭시키고 일일 TWT 반사 시퀀스를 얻는다.
• 현지 지진 도착시간 역산을 통해 1-D 지역 속도 모델을 개발하고, 현지 HDD 데이터를 포함하며 남서부의 추가 정점을 도입하여 방위각 커버리지를 개선한다.
• 새 속도 모델을 사용하여 TWT 반사율 단면을 깊이로 변환하고 퇴적물–기저 인터페이스를 영상화한다.
• 새 속도 모델을 사용하여 남부 가나의 지진성 카탈로그를 재배치하고 업데이트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SSANA (single-station ambient noise autocorrelation)가 남부 가나의 희박한 네트워크 아래에서 지각 반사율을 신뢰성 있게 영상화할 수 있는가?
• RQ2 로컬로 제약된 1-D 속도 모델이 이 지역에서 P파 반사의 깊이 변환에 어떤 시사점을 가지는가?
• RQ3 남부 가나 아래의 주요 지각 경계(퇴적물–기저)는 어디에 있으며 이들이 알려진 지질 단위와 어떻게 연결되는가?
• RQ4 새 속도 모델이 지진 재배치 및 지역 지진성 패턴에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• PCC 및 PWS와 함께하는 SSANA는 각 관측소 아래의 두 주파수 대역에서 해석 가능한 P파 반사 응답을 제공한다(얕은 특징은 3–13 Hz, 더 깊은 구조는 1–6 Hz).
• 지역적으로 대표되는 1-D 지각 속도 모델이 현지 지진 소거를 통해 도출되어 SSANA 결과의 깊이 변환을 개선했다.
• Voltaian Basin 아래의 Paleozoic 기저의 깊이와 구성을 새롭게 제약한다.
• 새 속도 모델에 의해 재배치된 남부 가나의 업데이트된 지진성 카탈로그를 제시한다.
• 결과는 대기 소리 기법이 국지적으로 관측기가 희소한 intraplate 서아프리카 지역의 지각 영상에 유용하다는 것을 보여준다.