In geophysics, geology, civil engineering, and related disciplines, seismic noise is a generic name for a relatively persistent vibration of the ground, due to a multitude of causes, that is often a non-interpretable or unwanted component of signals recorded by seismometers.
Physically, seismic noise arises primarily due to surface or near surface sources and thus consists mostly of elastic surface waves. Low frequency waves (below 1 Hz) are commonly called microseisms and high frequency waves (above 1 Hz) are called microtremors. Primary sources of seismic waves include human activities (such as transportation or industrial activities), winds and other atmospheric phenomena, rivers, and ocean waves.
Seismic noise is relevant to any discipline that depends on seismology, including geology, oil exploration, hydrology, and earthquake engineering, and structural health monitoring. It is often called the ambient wavefield or ambient vibrations in those disciplines (however, the latter term may also refer to vibrations transmitted through by air, building, or supporting structures.)
Seismic noise is often a nuisance for activities that are sensitive to extraneous vibrations, including earthquake monitoring and research, precision milling, telescopes, gravitational wave detectors, and crystal growing. However, seismic noise also has practical uses, including determining the low-strain and time-varying dynamic properties of civil-engineering structures, such as bridges, buildings, and dams; seismic studies of subsurface structure at many scales, often using the methods of seismic interferometry; Environmental monitoring, such as in fluvial seismology; and estimating seismic microzonation maps to characterize local and regional ground response during earthquakes.
Las investigaciones sobre el origen del ruido sísmico [1] indican que la parte de baja frecuencia del espectro (por debajo de 1 Hz) se debe principalmente a causas naturales, principalmente las olas del océano . En particular, el pico observado globalmente entre 0,1 y 0,3 Hz está claramente asociado con la interacción de ondas de agua de frecuencias casi iguales pero que se mueven en direcciones opuestas. [2] [3] [4] [5] A alta frecuencia (por encima de 1 Hz), el ruido sísmico es producido principalmente por actividades humanas como el tráfico rodado y el trabajo industrial; pero también hay fuentes naturales, incluidos ríos. [6] Por encima de 1 Hz, el viento y otros fenómenos atmosféricos también pueden ser una fuente importante de vibraciones del suelo. [7] [8]
El ruido antropogénico detectado durante períodos de baja actividad sísmica incluye "temblores" de aficionados al fútbol que golpean sus pies en Camerún. [9]
La actividad no antropogénica incluye pulsos a intervalos de entre 26 y 28 segundos (0,036–0,038 Hz) centrados en la ensenada de Bonny en el Golfo de Guinea que se cree que son causados por ondas de tormenta reflejadas, enfocadas en la costa africana, que actúan sobre el fondo marino relativamente poco profundo. [9]
La amplitud de las vibraciones del ruido sísmico suele ser del orden de 0,1 a 10 μm / s . Se han evaluado globalmente modelos de ruido de fondo alto y bajo en función de la frecuencia. [10]
El ruido sísmico incluye una pequeña cantidad de ondas corporales (ondas P y S), pero predominan las ondas superficiales ( ondas de Love y Rayleigh ), ya que son excitadas preferentemente por procesos de fuentes superficiales. Estas ondas son dispersivas , lo que significa que su velocidad de fase varía con la frecuencia (generalmente, disminuye al aumentar la frecuencia). Dado que la curva de dispersión (velocidad de fase o lentitud en función de la frecuencia) está relacionada con las variaciones de la velocidad de la onda de corte con la profundidad, puede usarse como una herramienta no invasiva para determinar la estructura sísmica del subsuelo y un problema inverso .
En condiciones normales, el ruido sísmico tiene una amplitud muy baja y los humanos no pueden sentirlo, y también era demasiado bajo para ser registrado por la mayoría de los primeros sismómetros a finales del siglo XIX. Sin embargo, a principios del siglo XX, el sismólogo japonés Fusakichi Omori ya podía registrar vibraciones ambientales en edificios, donde las amplitudes se magnificaban. Determinó las frecuencias de resonancia de los edificios y estudió su evolución en función del daño. [11] Desde el comienzo de la historia de la sismología se reconoció que el ruido sísmico globalmente visible de 30 s a 5 s surgía de los océanos, y Longuet-Higgins publicó una teoría integral sobre su generación en 1950. [2] Los rápidos avances comenzaron alrededor de 2005 en interferometría sísmica impulsada por avances teóricos, metodológicos y de datos han dado como resultado un importante interés renovado en las aplicaciones del ruido sísmico.
Después del terremoto de Long Beach en California en 1933, una gran campaña experimental dirigida por DS Carder [12] en 1935 registró y analizó las vibraciones ambientales en más de 200 edificios. Estos datos se utilizaron en los códigos de diseño para estimar las frecuencias de resonancia de los edificios, pero el interés del método disminuyó hasta la década de 1950. El interés por las vibraciones ambientales en las estructuras creció aún más, especialmente en California y Japón, gracias al trabajo de ingenieros sísmicos, entre ellos G. Housner , D. Hudson, K. Kanai, T. Tanaka y otros. [13]
Sin embargo, en ingeniería, las vibraciones ambientales fueron suplantadas, al menos durante algún tiempo, por técnicas de vibración forzada que permiten aumentar las amplitudes y controlar la fuente de vibración y sus métodos de identificación del sistema. Aunque M. Trifunac demostró en 1972 que las vibraciones ambientales y forzadas conducían a los mismos resultados, [14] el interés por las técnicas de vibración ambiental no aumentó hasta finales de los años 90. Actualmente se han vuelto bastante atractivos debido a su costo y conveniencia relativamente bajos y a las recientes mejoras en el equipo de registro y los métodos de cálculo. Los resultados de su sondeo dinámico de baja deformación demostraron ser lo suficientemente cercanos a las características dinámicas medidas bajo fuertes sacudidas, al menos mientras los edificios no sufran daños graves. [15]
El registro del ruido sísmico global se expandió ampliamente en la década de 1950 con la mejora de los sismómetros para monitorear las pruebas nucleares y el desarrollo de conjuntos sísmicos. Los principales aportes en ese momento para el análisis de estos registros vinieron del sismólogo japonés K. Aki [16] en 1957. Propuso varios métodos utilizados hoy en día para la evaluación sísmica local, como la Autocorrelación espacial (SPAC), el Número de onda de frecuencia (FK ) y correlación. Sin embargo, la implementación práctica de estos métodos no fue posible en aquel momento debido a la baja precisión de los relojes de las estaciones sismológicas .
Las mejoras en instrumentación y algoritmos llevaron a un renovado interés en esos métodos durante la década de 1990. Y. Nakamura redescubrió en 1989 el método de relación espectral horizontal a vertical (H/V) para derivar la frecuencia de resonancia de sitios. [17] Suponiendo que las ondas de corte dominan el microtemblor, Nakamura observó que la relación espectral H/V de las vibraciones ambientales era aproximadamente igual a la función de transferencia de la onda S entre la superficie del suelo y el lecho rocoso de un sitio. (Sin embargo, esta suposición ha sido cuestionada por el proyecto SESAME).
A finales de la década de 1990, los métodos de matriz aplicados a los datos de ruido sísmico comenzaron a producir propiedades del suelo en términos de perfiles de velocidad de ondas de corte. [18] [19] [20] [21] El proyecto de investigación europeo SESAME [22] (2004-2006) trabajó para estandarizar el uso del ruido sísmico para estimar la amplificación de los terremotos según las características locales del suelo.
El análisis de las vibraciones ambientales y el campo de ondas sísmicas aleatorias motiva una variedad de métodos de procesamiento utilizados para caracterizar el subsuelo, incluso mediante espectros de potencia , análisis de picos H/V, curvas de dispersión y funciones de autocorrelación .
Métodos de estación única:
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Métodos de matriz: el uso de una serie de sensores sísmicos que registran simultáneamente las vibraciones ambientales permite una mayor comprensión del campo de ondas y obtener imágenes mejoradas del subsuelo. En algunos casos, se pueden realizar múltiples matrices de diferentes tamaños y fusionar los resultados. La información de los componentes verticales solo está vinculada a las ondas de Rayleigh y, por lo tanto, es más fácil de interpretar, pero también se desarrollan métodos que utilizan los tres componentes del movimiento del suelo , proporcionando información sobre el campo de ondas de Rayleigh y Love. Los métodos de interferometría sísmica , en particular, utilizan métodos basados en correlación para estimar la respuesta al impulso sísmico ( función de Green ) de la Tierra a partir del ruido de fondo y se han convertido en un área importante de aplicación e investigación con el crecimiento de datos de ruido de alta calidad registrados continuamente en un amplia variedad de entornos, que van desde la superficie cercana [29] hasta la escala continental [30]
Al igual que los terremotos , las vibraciones ambientales hacen vibrar las estructuras de ingeniería civil como puentes , edificios o presas . En la mayoría de los métodos utilizados se supone que esta fuente de vibración es un ruido blanco , es decir, con un espectro de ruido plano, de modo que la respuesta del sistema registrada es realmente característica del propio sistema. Las vibraciones sólo son perceptibles por el hombre en casos excepcionales (puentes, edificios altos). Las vibraciones ambientales de los edificios también son causadas por el viento y por fuentes internas (máquinas, peatones...) pero estas fuentes generalmente no se utilizan para caracterizar las estructuras. La rama que estudia las propiedades modales de los sistemas bajo vibraciones ambientales se llama análisis modal operacional (OMA) o análisis modal de solo salida y proporciona muchos métodos útiles para la ingeniería civil . Las propiedades de vibración observadas de las estructuras integran toda la complejidad de estas estructuras, incluido el sistema de carga , los elementos no estructurales pesados y rígidos (paneles de mampostería de relleno...), los elementos no estructurales ligeros (ventanas...) [31] y la interacción con el suelo (los cimientos del edificio pueden no estar perfectamente fijados al suelo y pueden producirse movimientos diferenciales). [32] Esto se enfatiza porque es difícil producir modelos capaces de compararse con estas mediciones.
Métodos de estación única: el cálculo del espectro de potencia de los registros de vibraciones ambientales en una estructura (por ejemplo, en el último piso de un edificio para amplitudes mayores) proporciona una estimación de sus frecuencias de resonancia y, eventualmente, de su relación de amortiguación .
Método de la función de transferencia: suponiendo que las vibraciones ambientales del suelo son la fuente de excitación de una estructura, por ejemplo un edificio, la función de transferencia entre la parte inferior y la superior permite eliminar los efectos de una entrada que no sea blanca. Esto puede resultar especialmente útil para señales con una relación señal-ruido baja (edificios pequeños/alto nivel de vibraciones del suelo). Sin embargo, este método generalmente no es capaz de eliminar el efecto de la interacción suelo-estructura . [32]
Matrices: Consisten en el registro simultáneo en varios puntos de una estructura. El objetivo es obtener los parámetros modales de las estructuras: frecuencias de resonancia , relaciones de amortiguamiento y formas modales para toda la estructura. Tenga en cuenta que sin conocer la carga de entrada, los factores de participación de estos modos no se pueden recuperar a priori. Utilizando un sensor de referencia común, se pueden fusionar resultados de diferentes matrices.
Varios métodos utilizan las matrices de densidad espectral de potencia de grabaciones simultáneas, es decir, las matrices de correlación cruzada de estas grabaciones en el dominio de Fourier . Permiten extraer los parámetros modales operativos (método Peak Picking) que pueden ser el resultado del acoplamiento de modos o los parámetros modales del sistema (método de descomposición en el dominio de frecuencia).
Existen numerosos métodos de identificación de sistemas en la literatura para extraer las propiedades del sistema y pueden aplicarse a las vibraciones ambientales en las estructuras.
La pandemia de COVID-19 produjo una situación única en la que el transporte humano, las actividades industriales y otras actividades se redujeron significativamente en todo el mundo, particularmente en zonas densamente pobladas. Un análisis de las fuertes reducciones del ruido sísmico en altas frecuencias demostró que estas acciones excepcionales dieron como resultado la reducción del ruido sísmico antropogénico global más prolongada y más prominente jamás observada. [33] El ruido sísmico también se ha investigado como indicador del desarrollo económico. [34]
Las mediciones directas de las propiedades del ruido no pueden proporcionar información directa sobre los parámetros físicos (velocidad de la onda S, rigidez estructural...) de las estructuras del terreno o de las estructuras de ingeniería civil que suelen ser de interés. Por lo tanto, se necesitan modelos para calcular estas observaciones (curva de dispersión, formas modales...) en un problema directo adecuado que luego pueda compararse con los datos experimentales. Dado el problema directo, el proceso de estimación del modelo físico puede plantearse como un problema inverso .
La cadena de adquisición está compuesta principalmente por un sensor sísmico y un digitalizador . El número de estaciones sísmicas depende del método, desde un solo punto (espectro, HVSR) hasta conjuntos (3 sensores y más). Se utilizan sensores de tres componentes (3C) excepto en aplicaciones particulares. La sensibilidad del sensor y la frecuencia de esquina dependen también de la aplicación. Para mediciones en tierra, los velocímetros son necesarios ya que las amplitudes son generalmente más bajas que la sensibilidad de los acelerómetros , especialmente a baja frecuencia. Su frecuencia de esquina depende del rango de frecuencia de interés, pero generalmente se utilizan frecuencias de esquina inferiores a 0,2 Hz. Los geófonos (generalmente de frecuencia angular de 4,5 Hz o superior) no suelen ser adecuados. Para mediciones en estructuras de ingeniería civil, la amplitud es generalmente mayor al igual que las frecuencias de interés, lo que permite el uso de acelerómetros o velocímetros con una frecuencia de esquina más alta. Sin embargo, dado que registrar puntos en el terreno también puede ser de interés en tales experimentos, es posible que se necesiten instrumentos sensibles. Excepto para las mediciones de una sola estación, es necesaria una marca de tiempo común para todas las estaciones. Esto se puede lograr mediante un reloj GPS , una señal de inicio común mediante un control remoto o el uso de un único digitalizador que permita el registro de varios sensores. La ubicación relativa de los puntos de registro es necesaria con mayor o menos precisión para las diferentes técnicas, requiriendo mediciones de distancia manuales o ubicación GPS diferencial .
Las ventajas de las técnicas de vibración ambiental frente a las técnicas activas comúnmente utilizadas en la geofísica de exploración o los registros de terremotos utilizados en la tomografía sísmica .
Las limitaciones de estos métodos están relacionadas con el campo de ondas de ruido, pero especialmente con suposiciones comunes hechas en sísmica:
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