پایش فعالیت آتشفشان با تحلیل همزمان نسبت دامنه امواج لرزه ای و سرعت نسبی داده های نوفه های لرزه ای محیطی

نوع مقاله : مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 گروه فیزیک، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

2 استادیار، موسسه ملی ژئوفیزیک و آتش فشان شناسی، شعبه کاتانیا، کاتانیا، ایتالیا

چکیده

تابع همبستگی متقابل نوفه‌های لرزه‌ای محیطی به کرات برای نظارت بر فعالیت آتشفشان‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. این روش معمولا محدود به آتشفشان‌های مجهز به شبکه‌های بزرگ و با ایستگاه‌های متراکم و باند پهن می‌باشد. در این مقاله روشی پیشنهاد شده است که قادر است به طور خودکار و بدون نیاز به تجهیزات پیشرفته، تابع همبستگی متقابل نوفه-های لرزه‌ای محیطی را محاسبه کند و با استفاده از آن تغییرات سرعت نسبی و همچنین تغییرات نسبت دامنه‌های لرزه‌ای را به عنوان دو پیش نشانگر فوران، تحلیل و بررسی کند.

به این منظور از داده‌های لرزه‌ای پیوسته 5 ایستگاه لرزه‌نگاری نزدیک آتشفشان اتنا در ایتالیا استفاده شده است. ابتدا مؤلفه-های قائم داده‌های روزانه به سری‌های زمانی با طول 30 دقیقه‌ تبدیل و تابع همبستگی متقابل بین جفت ایستگاه‌ها محاسبه و در بازه‌های فرکانسی مختلف فیلتر شدند.بازه فرکانسی 5/0-5/5 هرتز با توجه به اینکه هدف پایش اعماق کم میباشد، نتایج مناسب تری داشت. سپس تغییرات سرعت امواج لرزه‌ای، با استفاده از روش پنجره‌های متحرک طیف متقابل برای تمام ایستگاه‌ها محاسبه شد.

در مرحله دوم تجزیه و تحلیل نسبت دامنه‌های لرزه‌ای انجام شد و نمودارهای نسبت دامنه‌ها رسم شد. نتایج، نشان دهنده کاهش سرعت نسبی 2/0 درصد و همچنین افزایش 2 تا 5 برابری نسبت دامنه‌های امواج لرزه‌ای در 90 درصد جفت ایستگاه-ها، از دو روز قبل از فوران اصلی می‌باشد. اندازه‌گیری خودکار و مداوم این دو پیش نشانگر و تلفیق نتایج آنها، می‌تواند پتانسیل این روش را برای بهبود روند نظارت بر آتشفشان‌ها به خوبی نشان دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Volcano monitoring with simultaneous analysis of amplitude ratio and velocity of ambient seismic noise

نویسندگان [English]

  • Ghazaleh Rasaneh 1
  • Alireza Hajian 1
  • Maryam Hodhodi 1
  • Roohollah Kimiaefar 1
  • Salvatore Gambino 2
1 Department of physics, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran
2 , National Institute of Geophysics and Volcanology, Catania, Italy
چکیده [English]

Volcanic eruptions are usually occurred by increasing the magma pressure. Monitoring this process in real time could provide useful information for predicting eruptions. The cross-correlation function of ambient seismic noises has been used so far to monitor the activity of volcanoes around the world. Still, this method is usually limited to volcanoes with a dense network and seismic broadband stations.

Here, we use a simple and robust method that can automatically calculate a cross-correlation function of seismic waves, without the need for advanced equipment or lots of data. Using the calculated cross-correlation function, it then analyzes and examines the temporary changes in the relative velocity of seismic waves as well as disrupts the change of the amplitude ratio of continuous data recorded in all station pairs as two eruption attributes.

The SARA (Seismic Amplitude Ratio Analysis) method is used to investigate the changes in the amplitude ratio, and the MWCS (Moving-Window Cross-Spectral) method is used to calculate the relative seismic velocity.

To validate these methods, the continuous data of 5 seismic stations near Etna volcano in Italy are used. Firs, a daily vertical record of all stations was divided into 30-minute segments. Then, these raw time series were demeaned and tapered and the traces are normalized to three times the root-mean-square (RMS). Next, the daily cross-correlation between all station pairs was calculated and the cross-correlation function was filtered in different frequency ranges, and range of 0/5-5/5 Hz had acceptable result. current cross-correlation functions were calculated for the period of 5, 10 and 30 days, and they were compared with reference cross-correlation function. Finally, the velocity variations are measured.

The results show a decrease of about 0/2 percent in relative velocity before the main eruption and an increase rapidly after the eruption.

In the second step, the amplitude ratio of all station pairs was calculated. three hours before the main eruption 2-5 times increase in the amplitude ratio was observed, compared to the normal state.

The results show a temporary increase in seismic amplitude ratio in 90 percent of station pairs, before the main eruption. To quantify the results, the Mann-Kendall trend analysis test was used for all pairs of stations, also by using Sen's slope estimation test, the slope value of each figure was calculated separately.

Automatic and continuous measurement of these attributes and combining their results can show the potential of this method to improve volcano monitoring and Eruption early warning for active volcanoes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • volcano monitoring
  • ambient seismic noises
  • Seismic Amplitude Ratio Analysis
  • velocity changes