Речная сейсмология
 | Эта статья предоставляет недостаточный контекст для тех, кто не знаком с предметом . ( Ноябрь 2021 г. ) |
Речная сейсмология — это применение сейсмологических методов для понимания речных процессов, таких как расход, эрозия и эволюция русла рек. Текущая вода и движение наносов по руслу реки порождают упругие (сейсмические) волны , которые распространяются в окружающие земные материалы. [1] [2] Сейсмометры могут регистрировать эти сигналы, которые можно анализировать для выявления различных речных процессов, таких как турбулентный поток воды и перенос донных наносов . [1] Сейсмические методы использовались для наблюдения за значениями расхода , которые варьируются от однозначных цифр. [3] до десятков тысяч кубических футов в секунду (cfs). [1]
Эксперимент, проведенный в 1990 году в итальянских Альпах, был одним из первых, продемонстрировавших, что сейсмометры могут обнаруживать различимые речные сигналы в сейсмическом шуме, создаваемом потоком. [3] Шесть сейсмометров зарегистрировали среднюю скорость колебаний грунта вдоль высокогорной реки, расход воды и нанос которой также контролировался с помощью отстойника. [3] Они определили минимальные значения потока, необходимые для начала и поддержания транспортировки пластовой нагрузки. [3] С тех пор речная сейсмология стала быстро развивающейся областью исследований.
Речная сейсмология — это раздел экологической сейсмологии, относительно молодой области, в которой можно обнаружить нетрадиционные сейсмические сигналы внутри того, что ранее считалось «шумом». [4] [5] Сейсмический шум встречается во всем спектре частот, изучаемых в сейсмологии (0,001–100 Гц). [6] В то время как традиционная сейсмология занимается тектоническими землетрясениями и структурой твердой Земли, [5] Экологическая сейсмология занимается волнами, которые возникают за пределами твердой земли или на сигнал которых влияют условия окружающей среды (температура, гидрология). [4] Принципы речной и экологической сейсмологии могут быть применены ко всем видам поверхностных процессов, включая селевые потоки , оползни , лахары , движение ледников , ледотрясения и т. д.
Приложения
[ редактировать ]Транспортировка наносов является одним из наиболее эффективных средств борьбы с эрозией. [6] и играет доминирующую роль в эволюции и морфологии рек. [7] Понимание сил, которые река и переносимые ею наносы оказывают на русло реки, является ключевым компонентом морфологической эволюции реки. [8] В частности, сильное течение, мощные штормы и наводнения оказывают огромное влияние на морфологию и развитие рек. [7] Некоторые применения речной сейсмологии включают:
- Гражданское строительство , восстановление рек и проектирование речных и противопаводковых сооружений. [8] Транспортировка навалом может нанести большой ущерб во время крупных наводнений. [6] и конструкции должны быть спроектированы так, чтобы противостоять им.
- Общественная безопасность: телеметрические сейсмические данные можно использовать для дистанционного непрерывного мониторинга, чтобы предупредить населенные пункты, расположенные ниже по течению, о потенциально опасных и катастрофических наводнениях. [6] [9]
- Исследования: понимание переноса наносов, расчет скорости и способа разрезания русла, геоморфология , эволюция реки с течением времени, понимание/количественная оценка речной эрозии. [4]
Сигналы
[ редактировать ]Речная сейсмология обычно ограничивается высокочастотным сейсмическим шумом с частотой > 1 Гц (период < 1 с). [5] [10] Наблюдения касаются диапазона 1–100 Гц, [11] теоретическая прямая модель генерации сейсмических волн показывает, что генерируется турбулентный поток воды через русло реки. [11]
Наблюдения обычно проводятся на расстоянии менее 100 м от берега реки, но одно исследование показывает отчетливые сигналы реки на расстоянии 2 км. [6] Размещение сейсмометров на разных расстояниях от реки может помочь в различении источников сигнала. [11]
Двумя основными сигналами, которые до сих пор были выделены из сейсмического шума, создаваемого реками, являются 1) турбулентный поток воды и 2) донный перенос наносов. Другие предлагаемые сигналы включают взаимодействие водной поверхности с воздухом. [1] Другие предполагают, что дальнейший анализ может помочь различить типы транспорта пластовой нагрузки – сальтацию и сдвиг. [6]
Вообще говоря, исследования показали, что сигнал турбулентного потока воды имеет более низкую частоту, чем сигнал транспорта наносов. [11] [10] Например, одно исследование показало, что, хотя расход и уровень воды коррелируют с сигналом в диапазоне 1–80 Гц, эта связь особенно сильна в окнах 2–5 Гц и 10–15 Гц. [10] При этом сигнал частотой 30–50 Гц был отнесен к транспорту наносов. [10]
Гистерезис
[ редактировать ]Гистерезис – это хорошо документированное явление, наблюдаемое при сейсмических наблюдениях за реками, в которых один и тот же расход не всегда дает один и тот же сейсмический сигнал. [6] Если бы турбулентность воды была только источником сейсмических сигналов, один и тот же разряд всегда вызывал бы одинаковую амплитуду сейсмического отклика.
Гистерезис наблюдался в течение времени от нескольких часов (одиночные штормы) до полных лет. [2] [7] [8] Гистерезис наблюдался в речных системах как по часовой стрелке, так и по часовой стрелке. [1] [2] [8] и против часовой стрелки, хотя по часовой стрелке встречается гораздо чаще. [12] Гистерезис по часовой стрелке часто объясняется изменениями в переносе пластовой нагрузки, при этом более сильный сейсмический сигнал наблюдается на восходящем плече кривой расхода, чем на падающем плече. [3] [6]
Гистерезис чаще всего объясняется изменением количества наносов, переносимых рекой. [3] [12] Но хотя гистерезис характерен для эффекта переноса наносов в реках с гравийным руслом, [7] это не обязательно вызвано только лежачим транспортом. [12] Более того, не весь транспорт пластовой нагрузки обязательно приводит к гистерезису. [13] Гистерезис также может быть вызван изменением турбулентного потока в результате изменения морфологии реки. [13] [12] например, изменение шероховатости поверхности русла реки. [7] [12]
Улучшения
[ редактировать ]Методы речной сейсмологии предоставляют средства для непрерывных косвенных наблюдений за явлениями, которые 1) трудно и опасно измерить, 2) нечасто и 3) оцениваются или плохо ограничиваются. Например, перенос насыпи трудно измерить напрямую, но он также опасен в условиях сильного потока. [7] [1] В результате наблюдения могут быть нечастыми и ограничиваться только условиями низкого расхода воды, когда условия высокого расхода имеют особое значение для развития водотоков. Оценки могут быть ограничены лабораторными экспериментами с лотками, полученными эмпирическим путем. [2]
Использование сейсмологии для понимания речных процессов является усовершенствованием нескольких существующих методов (таких как отстойники, прямой отбор проб, ударные пластины или геофоны, заглубленные в русло реки), поскольку
- записи могут производиться полностью вне канала, что делает наблюдения
- неинвазивность и методы наблюдения не влияют на поток или природные условия [7] [1]
- проще и эффективнее по времени [1]
- безопаснее, особенно во время крупных наводнений, которые представляют особый интерес и оказывают огромное влияние на морфологию [7]
- экономически эффективен за счет исключения повышенного риска потери инструментов, находящихся в потоке, во время сбора [7]
- записи являются непрерывными и позволяют осуществлять мониторинг одного шторма/наводнения в различных временных масштабах. [2] мероприятие многолетнее.
- можно развертывать и контролировать удаленно. Например, в районах с высоким риском наводнений телеметрические сейсмические данные могут использоваться для предупреждения населенных пунктов, расположенных ниже по течению, о потенциально опасных и катастрофических наводнениях (аналогично обнаружению и предупреждению о землетрясениях). [6] [9]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Шмандт, Брэндон; Астер, Ричард С.; Шерлер, Дирк; Цай, Виктор С.; Карлстрем, Карл (2013). «Множественные речные процессы, обнаруженные с помощью прибрежного сейсмического и инфразвукового мониторинга контролируемого наводнения в Гранд-Каньоне» . Письма о геофизических исследованиях . 40 (18): 4858–4863. Бибкод : 2013GeoRL..40.4858S . дои : 10.1002/grl.50953 . ISSN 0094-8276 . S2CID 129733846 .
- ^ Jump up to: а б с д и Сюй, Лесли; Финнеган, Ной Дж.; Бродский, Эмили Э. (2011). «Сейсмический признак переноса речных наносов во время штормов: СЕЙСМИЧЕСКИЙ СИГНАЛ РЕЧНОГО ДНА» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (13): н/д. дои : 10.1029/2011GL047759 . S2CID 3069731 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Гови, Марио; Марага, Франка; Мойя, Фабио (1993). «Сейсмические детекторы для непрерывного мониторинга нагрузки на пласт в гравийном потоке». Журнал гидрологических наук . 38 (2): 123–132. дои : 10.1080/02626669309492650 . ISSN 0262-6667 .
- ^ Jump up to: а б с Лароуз, Эрик; Карьер, Саймон; Вуазен, Кристоф; Ботлен, Пьер; Байе, Лоран; Геген, Филипп; Уолтер, Фабиан; Йонгманс, Денис; Гийе, Бертран; Гарамбуа, Стефан; Гимберт, Флоран (2015). «Экологическая сейсмология: что мы можем узнать о процессах на земной поверхности с помощью окружающего шума?» . Журнал прикладной геофизики . 116 :62–74. Бибкод : 2015JAG...116...62L . дои : 10.1016/j.jappgeo.2015.02.001 .
- ^ Jump up to: а б с Монтаньер, Жан-Поль; Манджини, Энн; Штуцманн, Элеонора (2020), «Сейсмология и окружающая среда» , Гупта, Харш К. (редактор), Энциклопедия геофизики твердой Земли , Серия энциклопедий наук о Земле, Cham: Springer International Publishing, стр. 1–8, doi : 10.1007/978-3-030-10475-7_258-1 , ISBN 978-3-030-10475-7 , S2CID 240739967 , получено 16 ноября 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Буртин А.; Боллинджер, Л.; Вернь, Дж.; Кэттин, Р.; Набелек, Дж. Л. (2008). «Спектральный анализ сейсмического шума, создаваемого реками: новый инструмент для мониторинга пространственно-временных изменений в гидродинамике рек» . Журнал геофизических исследований . 113 (Б5): B05301. Бибкод : 2008JGRB..113.5301B . дои : 10.1029/2007JB005034 . ISSN 0148-0227 . S2CID 53452574 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Рот, Д.Л.; Финнеган, Нью-Джерси; Бродский Э.Э.; Кук, КЛ; Старк, КП; Ван, HW (октябрь 2014 г.). «Миграция крупного пульса речных отложений, обнаруженная по гистерезису в пластовой нагрузке, порождает сейсмические волны» . Письма о Земле и планетологии . 404 : 144–153. Бибкод : 2014E&PSL.404..144R . дои : 10.1016/j.epsl.2014.07.019 . S2CID 55924937 .
- ^ Jump up to: а б с д Энтони, RE; Астер, РЦ; Райан, С.; Рэтберн, С.; Бейкер, МГ (2018). «Измерение расхода горных рек с помощью сейсмографов, расположенных в гипогейной зоне» . Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 123 (2): 210–228. Бибкод : 2018JGRF..123..210A . дои : 10.1002/2017JF004295 . ISSN 2169-9011 . S2CID 135284064 .
- ^ Jump up to: а б Хавенит, Ганс-Бальдер; Хусейн, Явар; Масиэль, Сюзанна (3 марта 2021 г.). «Речная сейсмология: пример реки Контагем (Бразилиа), Бразилия» . Тезисы докладов Генеральной Ассамблеи ЕГУ . Бибкод : 2021EGUGA..2312830H . doi : 10.5194/egusphere-egu21-12830 . S2CID 236746551 .
- ^ Jump up to: а б с д Кук, Кристен; Дитце, Майкл; Гимбер, Флоран; Андерманн, Кристофф; Ховиус, Нильс; Радж Адхикари, Басанта (2019). «Изучение речной сейсмологии и переноса наносов в гималайской реке» (PDF ) Тезисы геофизических исследований . 21, EGU2019-10862, 2019: 10862. Бибкод : 2019EGU..2110862C – через Генеральную ассамблею EGU.
- ^ Jump up to: а б с д Гимбер, Флоран; Цай, Виктор С.; Лэмб, Майкл П. (октябрь 2014 г.). «Физическая модель генерации сейсмического шума турбулентным течением рек» . Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 119 (10): 2209–2238. Бибкод : 2014JGRF..119.2209G . дои : 10.1002/2014JF003201 . S2CID 3196103 .
- ^ Jump up to: а б с д и Рот, Даника Л.; Финнеган, Ной Дж.; Бродский, Эмили Э.; Рикенманн, Дитер; Туровски, Йенс М.; Баду, Александр; Гимбер, Флоран (май 2017 г.). «Перенос нагрузки на дно и изменения шероховатости границ как конкурирующие причины гистерезиса во взаимосвязи между речным стоком и сейсмической амплитудой, зарегистрированной вблизи крутого горного ручья» . Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 122 (5): 1182–1200. Бибкод : 2017JGRF..122.1182R . дои : 10.1002/2016JF004062 . ISSN 2169-9003 . S2CID 54863637 .
- ^ Jump up to: а б Шмандт, Б.; Гауман, Д.; Стюарт, Р.; Хансен, С.М.; Цай, ВК; Смит, Дж. (апрель 2017 г.). «Ограничения сейсмической группы при транспортировке донных наносов в больших масштабах» . Геология . 45 (4): 299–302. Бибкод : 2017Geo....45..299S . дои : 10.1130/G38639.1 . ISSN 0091-7613 .