Ocean bottom seismic noise : applications for the crust knowledge, interaction ocean-atmosphere and instrumental behaviour

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Geofisíca), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

The seismic observation by long deployment experiments in ocean domain is a great technological challenge, with advancements only having been obtained in the last decade. The number of available instruments is still small and the number of missions successfully carried out remains low. Therefore, unlike land observation, seismic acquisition in the ocean seafloor is in an experimental phase and part of a learning process. In particular, the interaction of the sensor with the water environment has implications and applications that have only recently begun to be explored. In this PhD thesis we intend to use the continuous recording data produced by 24 broad-band (BB) ocean bottom seismometers (OBS), deployed in the Gulf of Cádiz in the context of the NEAREST project (September 2007 – August 2008), to understand the functioning of this type of equipment, the environmental conditions that control the observed noise and the effects of the sensor coupling. Sea floor records have a basic characteristic that makes them different from land records: the sensor’s interaction with the surrounding sea water (e.g. Webb, 1998). Sensors will respond to water movement and pressure variations, which does not happen with land sensors and, in most cases, they are deployed at locations with non-consolidated sediments that dramatically affect the quality of the seismic signal. The future growth of seismic observation at the bottom of the ocean, which is a fundamental complement to land observation, requires that all these mechanisms that affect the seismic records of an OBS are characterized in the best possible way, leading to better equipment design and better conception of observation campaigns, in line with the intended objectives. The continuous acquisition of seismic data by land stations, which is possible today due to the evolution of communications and recording systems, enables us to accumulate an enormous volume of data of which earthquakes are a tiny part, less than 5 % of the recorded data for one day. The remaining 95%, which is rejected in the normal operation of a seismic network, has been receiving attention from researchers in several domains. In particular, when the noise sources are distributed homogeneously (or almost) around a couple of stations it is possible to show that the noise correlation function (NCF) represents the Green function of seismic propagation (in Shapiro and Campillo, 2004, Sabra et al., 2005). This theorem has led to a great number of applications: i) Seismic ambient noise as an efficient tool for seismic tomography (for example: Stehly et al., 2009; Villaseñor et al., 2007, Graça et al., 2013); ii) detection of anomalies in seismic records (e.g., Stehly et al., 2007); iii) variations in superficial structure with time (e.g., Brenguier et al., 2008). Studies of noise sources have increased in the research community, but studies carried out in ocean domains are scarce and joint land-ocean are even more rare. In this thesis, we intend to use the continuous seismic recording, mainly the ambient noise component, to extract information related with: i) shallow crustal structure; ii) conditions of sensor coupling; iii) clock drifts of the acquisition systems; iv) meteorological and oceanographic environmental noise sources. For this purpose it was crucial to implement new methodologies and to adapt current procedures in land records. At the end of these studies we hope to be able to make some recommendations regarding: i) conception and design of BB OBS; ii) interpretation of seismic signals recorded at the ocean bed; iii) planning of future campaigns of long deployment seismic experiments.

A observação sísmica de longa duração, em ambiente marinho, representa um grande desafio tecnológico e apenas nas últimas décadas foram obtidos avanços significativos. Os instrumentos disponíveis são limitados e o número de missões com sucesso é ainda reduzido. Ao contrário da observação terrestre, a aquisição sísmica no fundo do oceano encontra-se numa fase experimental e em contínuo processo de aprendizagem. Em particular, a interação do sensor com o ambiente marítimo tem implicações e aplicações que só recentemente começaram a ser exploradas. Nesta tese de doutoramento, pretendemos usar os dados registados em 24 estações sísmicas de banda larga (BB), de fundo oceânico (OBS), implantadas no Golfo de Cádiz, no âmbito do projeto NEAREST (Setembro de 2007- Agosto de 2008), para melhor compreender o funcionamento deste tipo de equipamento, as condições ambientais que controlam o ruído observado e os efeitos de acoplamento do sensor. Os registos no fundo do mar têm uma característica básica que os diferencia dos de terra: a interação do sensor com a água do mar circundante (Webb, 1998). O sensor irá responder ao movimento da água e às variações de pressão, fenómeno que não acontece nos sensores terrestres, e o facto de estar instalado em áreas de sedimentos não consolidados também afeta dramaticamente a qualidade do sinal sísmico. O desenvolvimento da observação sísmica no fundo oceânico, é fundamental para completar a observação em terra e exige que todos os mecanismos que afectam os registos sísmicos de um OBS sejam caracterizados o melhor possível, para aprimorar a concepção dos equipamentos e de uma melhor concepção de campanhas de observação, em função dos objectivos a alcançar. As redes de estações sísmicas terrestres de registo contínuo, permitidas hoje pela evolução das comunicações e dos sistemas de aquisição, permitem acumular um volume enorme de dados, dos quais os eventos sísmicos são apenas uma pequena parte, menos de 5% dos dados registados diariamente. Os remanescentes 95%, os quais eram anteriormente rejeitados, recebem actualmente especial atenção dos investigadores das diferentes áreas da sismologia. Em particular, quando as fontes de ruído, são distribuídas de forma homogénea (ou quase), em redor de um par de estações, é possível demonstrar que a função de correlação do ruído (NCF), representa a “Green function” da propagação sísmica (em Shapiro e Campillo, 2004; Sabra et al., 2005). Este teorema tem levado a um grande número de aplicações : i) Ruído sísmico ambiental como uma ferramenta eficiente para tomografia sísmica (por exemplo: Stehly et al., 2009; Villaseñor et al., 2007; Graça et al., 2013); ii) detecção de sinais anómalos nos registos sísmicos (v.g. Stehly et al., 2007); iii) variações na estrutura de propagação com o tempo (por exemplo, Brenguier et al, 2008). Os estudos sobre fontes de ruído terrestre aumentaram na comunidade científica, mas no domínio oceânico são, ainda, escassos. Nesta tese, pretende-se usar o registo contínuo dos dados sísmicos, principalmente a componente de ruído ambiente, para extrair informações relacionadas com: i) estrutura de crosta superficial e sua reologia; ii) acoplamento do sensor; iii) derivas temporais no relógio dos sistemas de aquisição; iv) características das fontes de ruído ambiental, meteorológico e oceanográfico. Para isso, é crucial implementar novas metodologias e adaptar os procedimentos realizados nos registos terrestres. No final deste estudo, pretende-se formular algumas recomendações sobre: i) concepção e desenho de OBS BB; ii ) a interpretação dos inúmeros sinais sísmicos registados no leito do oceano, iii) o planeamento de futuras campanhas de longa duração.