Wetenschap
Wiskundige innovaties maken vooruitgang in de detectie van seismische activiteiten mogelijk
Te midden van het unieke landschap van geothermische ontwikkeling in de Tohoku-regio vormen subtiele seismische activiteiten onder het aardoppervlak een fascinerende uitdaging voor onderzoekers. Hoewel aardbevingswaarschuwingen ons met tussenpozen kunnen waarschuwen voor seismische gebeurtenissen, bestaan er talloze kleinere aardbevingen die grondstoffeningenieurs al lang intrigeren in hun streven deze te detecteren en te begrijpen.
Wiskundige innovaties van onderzoekers van de Tohoku Universiteit bevorderen de detectie van meer soorten (en zwakkere vormen) van seismische golven, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor effectievere aardbevingsmonitoring en risicobeoordeling.
De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing .
Het verzamelen van seismische gegevens is afhankelijk van het aantal en de positionering van sensoren, seismometers genoemd. Vooral waar slechts een beperkte inzet van seismische sensoren mogelijk is, zoals in uitdagende omgevingen zoals de planeet Mars of bij het uitvoeren van langetermijnmonitoring van afgevangen en opgeslagen koolstof, wordt het optimaliseren van de gegevensextractie van elke sensor cruciaal.
Een veelbelovende methode om dit te doen is polarisatieanalyse, waarbij de beweging van 3D-deeltjes wordt bestudeerd en die de aandacht heeft getrokken vanwege het vermogen om driecomponentengegevens te gebruiken, waardoor meer informatie wordt geboden dan gegevens uit één component. Deze aanpak maakt de detectie en identificatie mogelijk van verschillende gepolariseerde seismische golfvormen, waaronder S-golven, P-golven en andere.
Met name polarisatieanalyse met behulp van een spectrale matrix (SPM) is een techniek die wordt gebruikt om de manier te analyseren waarop deeltjes in drie dimensies in de tijd en op verschillende frequenties bewegen, met andere woorden, in het tijd-frequentiedomein. In scenario's waarin het gewenste signaal echter zwak is in vergelijking met achtergrondruis (ook wel SNR-gebeurtenissen genoemd, die typisch zijn voor ondergrondse reservoirs), heeft de SPM-analyse te maken met beperkingen.
Vanwege wiskundige beperkingen kan het alleen lineaire deeltjesbewegingen karakteriseren (dat wil zeggen de snel bewegende, gemakkelijk te detecteren P-golven), waardoor de analyse van andere golfvormen (zoals de secundair aankomende S-golven) een uitdaging wordt.
"We hebben de technische uitdagingen van conventionele SPM-analyse overwonnen en deze uitgebreid voor bredere polarisatierealisatie door tijdvertragingscomponenten te introduceren", zegt Yusuke Mukuhira, assistent-professor aan het Institute of Fluid Science van Tohoku University en hoofdauteur van het onderzoek. P>
Vergeleken met bestaande technieken verbeterde de integratie van tijdvertragingscomponenten door zijn team de nauwkeurigheid van de SPM-analyse, waardoor de karakterisering van verschillende gepolariseerde golven, waaronder S-golven, en de detectie van lage SNR-gebeurtenissen met kleinere amplitudes mogelijk werd.
Een belangrijke innovatie in het onderzoek is de introductie van een nieuwe wegingsfunctie gebaseerd op de fase-informatie van de eerste eigenvector:een speciale vector die, wanneer vermenigvuldigd met de matrix, resulteert in een geschaalde versie van de originele vector. Het doel van de wegingsfunctie is om verschillende niveaus van belangrijkheid toe te kennen aan verschillende delen van signalen, afhankelijk van hun betekenis, waardoor valse alarmen worden verminderd.
Tests met synthetische golfvormen toonden aan dat deze toevoeging de evaluatie van seismische golfpolarisatie aanzienlijk verbeterde, een cruciale factor bij het onderscheiden van signaal van ruis.
"Technisch gezien hebben we een signaalverwerkingstechniek ontwikkeld die de bewegingsanalyse van deeltjes in het tijd- en frequentiedomein verbetert", aldus Mukuhira.
Het onderzoeksteam valideerde hun methodologie met behulp van gegevens uit de praktijk die zijn vastgelegd in het Groningen-gasveld in Nederland. De resultaten toonden superieure seismische bewegingsdetectieprestaties aan, waardoor twee gebeurtenissen met een lage SNR aan het licht kwamen die voorheen onopgemerkt bleven met conventionele methoden.
Deze bevindingen bieden potentieel voor toepassingen op verschillende gebieden, waaronder seismologie en geofysica, met name bij het monitoren van ondergrondse omstandigheden met beperkte observatiepunten. De implicaties strekken zich uit tot het monitoren van aardbevingen, planetaire verkenning en de ontwikkeling van hulpbronnen.