[논문 리뷰] Global characterization of seismic noise with broadband seismometers

Michael William Coughlin, J. Harms|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 22.

Seismic Waves and Analysis참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2007–2011년 동안 IRIS, F-net 및 Orfeus 네트워크의 3,500개 이상의 밴드폭이 넓은 지진계에서 확보한 3시간 간격의 전력스펙트럼밀도를 이용해 지구 전체의 지진소음에 대해 분석한다. 분석 결과, 아프리카, 오스트레일리아, 남극대륙의 지진계에서는 1 Hz 이상의 주파수에서 세계적 저소음 모델보다 소음 수준이 뚜렷이 낮게 기록되었으며, 0.1 Hz 이상의 주파수에서 지진소음과-wind 속도 사이에 강한 상관관계가 있으며, 1 Hz 이상에서는 도시 근접도, 약 80 mHz 근처에서는 지진 활동과의 상관관계가 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공개된 밴드폭이 넓은 네트워크에서 장기간, 고시간 해상도 스펙트럼 데이터를 활용해 세계적 지진소음을 체계적으로 특성화하는 것.
• 지진소음과 바람 속도, 인구 밀도, 지형, 지진성과 같은 보조 지구물리학적 자료 사이의 공간적·시간적 상관관계를 규명하는 것.
• 특히 원격지 및 저소음 지역에서 주로 작용하는 소음원을 이해하고, 다양한 주파수 대역과 지역에서의 주요 소음원을 개선하는 것.
• 향후 지진배경 변동 및 기후-지진성 연관성 연구를 위한 공개 가능한 장기 스펙트럼 데이터셋을 제공하는 것.

제안 방법

• IRIS, F-net 및 Orfeus 데이터 서버를 통해 밴드폭이 넓은 지진계의 BH? 채널에서 연속적인 3시간 전력스펙트럼밀도(PSD) 데이터를 확보.
• 모든 대륙에 걸쳐 3,500개 이상의 지진계에서 데이터를 처리하였으며, 캘리브레이션 인자 정규화 및 시간시계열을 3시간 간격으로 분할.
• 세계적 지진계 분포 및 시간에 따른 데이터 가용성을 평가하기 위해 스펙트럼 히스토GRAM 및 데이터 가용성 플롯을 생성.
• 지진소음 스펙트럼과 외부 데이터셋 간의 공간적·시간적 상관관계 분석: 인구 밀도, 바람 속도, 지진계 고도, 지진 규모.
• 백분위수 기반 그룹화 및 지역별 분할(예: 대륙별)을 통해 다양한 지구물리학적 환경에서의 스펙트럼 행동을 분석.
• 상호작용 가능한 Google Earth 파일 및 MATLAB 기반 맵핑 툴을 활용해 일일 및 계절적 변화를 시각화하여 마이크로세이즘 진폭의 변동성을 표현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 지역에서 1 Hz 이상의 주파수에서 세계적 저소음 모델보다 지진소음 수준이 뚜렷이 낮게 기록되는가, 특히 1 Hz 이상에서?
• RQ2 바람 속도는 어떤 주파수 대역에서 지진소음과 상관관계를 보이며, 이러한 상관관계는 어디에서 가장 강한가?
• RQ3 도시 근접도는 1 Hz 이상에서 지진소음 수준을 높이는 주요 원인인가, 그리고 이는 지역에 따라 어떻게 다를까?
• RQ4 미국에서는 0.2 Hz 및 1.5 Hz 이상에서 지진계 고도가 지진소음 수준과 어떤 상관관계를 보이는가?
• RQ5 지진소음과 지진 활동 사이의 시간적 상관관계는 약 80 mHz에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 아프리카, 오스트레일리아, 남극대륙의 지진계에서는 1 Hz 이상의 주파수에서 세계적 저소음 모델보다 소음 수준이 뚜렷이 낮게 기록되어, 매우 조용한 지진 환경이 존재함을 시사한다.
• 바람 속도는 0.1 Hz 이상의 주파수에서 지진소음과 강한 상관관계를 보이며, 10%의 지진계에서 1 Hz 및 10 Hz에서 공진도 값이 0.5 이상으로 나타나며, 특히 해안 지역에서 두드러진다.
• 도시 지역은 1 Hz 이상에서 과도한 지진소음을 유발하지만, 상관관계 패tern은 지역 간에 뚜렷이 다름을 보여, 인위적 소음원의 지역적 다양성을 시사한다.
• 미국에서는 0.2 Hz 및 1.5 Hz 이상에서 지진계 고도가 지진소음 수준과 강하게 반상관관계를 보이며, 지형 차폐 또는 현장 효과를 시사한다.
• 지진 활동은 약 80 mHz 근처에서 지진소음과 가장 명확한 상관관계를 보이며, 이 주파수 대역에서 지진성의 주요 기여를 시사한다.
• 특히 해안 지역에서는 바람과 지진소음 간의 스펙트럼 공진도가 높게 나타나며, 일부 지진계에서는 0.1 Hz 이상의 넓은 주파수 범위에서 바람에 의해 유도된 소음이 뚜렷하게 관측된다.