Lateral variations of scattering properties and implications for monitoring with coda wave sensitivity kernels
Variations latérales des propriétés de diffusion et implications pour le suivi temporel avec des ondes de la coda
Résumé
Intrinsic absorption and scattering properties provide us with information about the physical state and heterogeneity of the Earth's crust. Moreover, they are important input parameters for spatial sensitivity kernels in coda wave monitoring applications.The scattering and intrinsic attenuation coefficients are usually obtained by observing the energy decay of earthquakes, leading to sparse spatial sampling and therefore average scattering values over a large region.In the first part of this thesis, we therefore use ambient noise recordings of a dense array to derive the scattering properties at small length scale.The study uses ambient noise cross-correlations to analyse the energy decay and scattering properties over a part of the North Anatolian Fault (NAF; Turkey) from ambient noise records in the frequency band 0.1 - 0.5 Hz.The target region has varying geological characteristics and is highly faulted around the northern strand of the NAF.In the noise correlation we measured the spatio-temporal energy decay of the coda waves.The local scattering and attenuation properties are obtained by global optimization of a 2-D solution of the radiative transfer equation for surface waves.We found that the mean free path and attenuation coefficient are considerably varying laterally with strong scattering observed in the region lying along the northern strand of NAF. Furthermore, a concentration of energy in the fault zone for a limited time was observed.We verified our observations with a phonon based Monte Carlo simulation, confirming the large contrast of heterogeneity between a narrow NAF and the surrounding crust.The findings of this first study are used in the second study of this thesis. The second part focuses on the implications of non-uniform scattering properties for monitoring with coda wave sensitivity kernels.For monitoring the temporal evolution of the sub-surface we need coda wave sensitivity kernels that linearly relate observed changes in recordings to physical medium changes.We computed travel-time, scattering and decorrelation kernels using a flexible Monte Carlo method, which is again based on the solution of the scalar version of the radiative transfer equation.In this work we showed that non-uniform scattering properties can have a profound but non-intuitive effect on coda wave sensitivity kernels.Moreover, a contrast in scattering may lead to additional energy transport channels that connect the source and receiver, depending on the mean free time versus lapse-time.Hence, it would be misleading to neglect the effect of the scattering distribution.Finally, we visually demonstrated the difference between travel-time and decorrelation kernels and consequently the importance of the angular dependency of the intensities.This study therefore emphasises that one needs to be careful with applying physical approximations to the wavefield, such as the diffusion approximation and and opens up new venues for imaging of spatio-temporal variations of crustal properties.
Les propriétés d'absorption et de diffusion nous fournissent des informations sur l'état physique et l'hétérogénéité de la croûte terrestre. En outre, elles sont des paramètres d'entrée importants pour les noyaux de sensibilité spatiale dans les applications de surveillance fondées sur les ondes de coda.Les coefficients de diffusion et d'atténuation intrinsèque sont généralement obtenus en observant la décroissance d'énergie des tremblements de terre, ce qui conduit à un échantillonnage spatial épars et donc à des valeurs de diffusion moyennées sur une grande région.La première étude de cette thèse utilise les corrélations croisées du bruit ambiant pour analyser la décroissance énergétique et les propriétés de diffusion sur une partie de la faille de l'Anatolie du Nord (NAF ; Turquie) à partir des enregistrements du bruit ambiant par un réseau dense dans la bande de fréquence 0,1 - 0,5 Hz.La région cible présente des caractéristiques géologiques variées et est fortement faillée autour de la partie nord de la faille nord-anatolienne.Dans la corrélation du bruit, nous avons mesuré la décroissance énergétique spatio-temporelle des ondes de la coda.Les propriétés de diffusion et d'atténuation locales sont obtenues par optimisation globale d'une solution 2-D de l'équation de transfert radiatif pour les ondes de surface.Nous avons constaté que le libre parcours moyen et le coefficient d'atténuation varient spatialement de façon importante, une forte diffusion étant observée dans la région située le long de la branche nord de la NAF. De plus, une concentration d'énergie dans la zone de faille a été observée pendant un temps limité.Nous avons vérifié nos observations avec une simulation de Monte Carlo basée, confirmant le grand contraste d'hétérogénéité entre la zone de faille étroite et la croûte environnante.Les résultats de cette première étude sont utilisés dans la deuxième étude de cette thèse. La deuxième partie se concentre sur les implications des propriétés de diffusion non uniforme pour les applications de surveillance fondées sur les noyaux de sensibilité des ondes de la coda.Pour le suivi de l'évolution temporelle du sous-sol, nous avons besoin de noyaux de sensibilité établissant une relation linéaire entre les changements observés dans les enregistrements sismiques et les changements du milieu physique.Dans le cas de perturbations de propriétés de diffusion, nous avons calculé les noyaux de sensibilité pour trois observables: le temps de propagation des ondes, leur intensité et leur décohérence. Pour cela, nous avons utilisé une méthode de Monte-Carlo flexible, fondée sur un modèle de transport radiatif scalaire à 2D.Nous avons montré que des propriétés de diffusion non uniformes peuvent avoir un effet profond mais non intuitif sur les noyaux de sensibilité des ondes de coda.De plus un contraste des propriétés de diffusion peut donner naissance à de nouveaux chemins de transport d'énergie entre la source et le récepteur. L'importance de ce phénomène dépend du contraste de libre parcours moyen et du temps de propagation des ondes.Il est donc erroné de négliger les variations spatiales des propriétés de diffusion dans le calcul des sensibilités.Enfin, nous avons illustré la différence entre les noyaux de sensibilité du temps de propagation et de la décohérence, montrant ainsi l'importance de la dépendance angulaire des intensités.Cette étude souligne donc qu'il faut être prudent dans l'application d'approximations physiques au champ d'onde, comme l'approximation de diffusion et ouvre des perspectives prometteuses pour l'imagerie des variations spatio-temporelles des propriétés de diffusion de la croûte terrestre.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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