Usred jedinstvenog pejzaža geotermalnog razvoja u regionu Tohoku, suptilne seizmičke aktivnosti ispod površine Zemlje predstavljaju fascinantan izazov za istraživače. Dok nas upozorenja o zemljotresima mogu povremeno upozoravati na seizmičke događaje, postoje brojni manji potresi koji dugo intrigiraju inženjere resursa koji nastoje da ih otkriju i razumiju.
Matematičke inovacije istraživača sa Univerziteta Tohoku unapređuju otkrivanje više tipova—i slabijih oblika—seizmičkih talasa, otvarajući put efikasnijem praćenju zemljotresa i proceni rizika.
Rezultati njihove studije objavljeni su u časopisu IEEE Transakcije o geonauci i daljinskom detekciji.
Prikupljanje seizmičkih podataka oslanja se na broj i pozicioniranje senzora koji se nazivaju seizmometri. Naročito tamo gde je moguća samo ograničena primena seizmičkih senzora, na primer u izazovnim okruženjima kao što je planeta Mars ili kada se sprovodi dugotrajno praćenje uhvaćenog i uskladištenog ugljenika, optimizacija ekstrakcije podataka iz svakog senzora postaje ključna.
Jedna obećavajuća metoda za to je analiza polarizacije, koja uključuje proučavanje kretanja 3D čestica i koja je privukla pažnju zbog svoje sposobnosti da iskoristi trokomponentne podatke, nudeći više informacija nego jednokomponentne podatke. Ovaj pristup omogućava detekciju i identifikaciju različitih polarizovanih seizmičkih talasa, uključujući S-talase, P-talase i druge.
Polarizaciona analiza korišćenjem spektralne matrice (SPM) posebno je tehnika koja se koristi za analizu načina na koji se čestice kreću u tri dimenzije tokom vremena i na različitim frekvencijama, drugim rečima, u vremensko-frekvencijskom domenu. Međutim, u scenarijima gde je željeni signal slab u poređenju sa pozadinskom bukom — poznatim kao događaji niskog odnosa signal-šum (SNR), koji su tipični za podzemne rezervoare — SPM analiza se suočava sa ograničenjima.
Zbog matematičkih ograničenja, može da karakteriše samo linearno kretanje čestica (što znači P-talase koji se brzo kreću i lako se detektuju), čineći analizu drugih talasnih oblika (kao što su sekundarni pristigli S-talasi) izazovnom.
„Prevazišli smo tehničke izazove konvencionalne SPM analize i proširili je za širu realizaciju polarizacije uvođenjem komponenti sa vremenskim kašnjenjem“, rekao je Jusuke Mukuhira, docent na Institutu za nauku o fluidima Univerziteta Tohoku i glavni autor studije.
U poređenju sa postojećim tehnikama, ugradnja komponenti vremenskog kašnjenja od strane njegovog tima poboljšala je tačnost SPM analize, omogućavajući karakterizaciju različitih polarizovanih talasa, uključujući S-talase, i detekciju događaja sa niskim SNR-om sa manjim amplitudama.
Ključna inovacija u studiji je uvođenje nove funkcije ponderisanja zasnovane na informacijama o fazi prvog sopstvenog vektora — specijalnog vektora koji, kada se pomnoži sa matricom, rezultira skaliranom verzijom originalnog vektora. Svrha funkcije ponderisanja je da dodeli različite nivoe važnosti različitim delovima signala prema njihovom značaju, čime se smanjuju lažni alarmi.
Testovi sintetičkog talasnog oblika su pokazali da je ovaj dodatak značajno poboljšao procenu polarizacije seizmičkih talasa, ključnog faktora u razlikovanju signala od šuma.
„Tehnički, razvili smo tehniku obrade signala koja poboljšava analizu kretanja čestica u vremenskom i frekvencijskom domenu“, rekao je Mukuhira.
Istraživački tim je potvrdio svoju metodologiju koristeći podatke iz stvarnog sveta snimljene na gasnom polju Groningen u Holandiji. Rezultati su pokazali superiorne performanse detekcije seizmičkog pokreta, otkrivajući dva događaja sa niskim SNR-om koji su prethodno bili neprimećeni konvencionalnim metodama.
Ovi nalazi imaju potencijal za primenu u različitim oblastima, uključujući seizmologiju i geofiziku, posebno u praćenju podzemnih uslova sa ograničenim tačkama posmatranja. Implikacije se protežu na praćenje zemljotresa, istraživanje planeta i razvoj resursa.
