Sejsmologia rzeczna

Sejsmologia rzeczna to zastosowanie metod sejsmologicznych do zrozumienia procesów rzecznych , takich jak wypływ, erozja i ewolucja koryta strumienia. Płynąca woda i ruch osadów wzdłuż koryta strumienia generują fale sprężyste (sejsmiczne) , które rozchodzą się do otaczających materiałów Ziemi. Sejsmometry mogą rejestrować te sygnały, które można analizować w celu oświetlania różnych procesów fluwialnych, takich jak turbulentny przepływ wody i transport ładunku . Metody sejsmiczne zostały wykorzystane do obserwacji wartości wyładowań w zakresie od jednocyfrowych do dziesiątek tysięcy stóp sześciennych na sekundę (por.).

Eksperyment przeprowadzony w 1990 roku we włoskich Alpach był jednym z pierwszych, który wykazał, że sejsmometry mogą wykrywać dostrzegalne sygnały fluwialne w hałasie sejsmicznym generowanym przez przepływ. Sześć sejsmometrów zarejestrowało średnią prędkość oscylacji gruntu wzdłuż alpejskiej rzeki, która była również monitorowana pod kątem zrzutów i rumowiska za pomocą osadnika. Określili najniższe wartości przepływu wymagane do zainicjowania i utrzymania transportu rumowiska. Od tego czasu sejsmologia rzeczna stała się szybko rozwijającym się obszarem badań.

Sejsmologia rzeczna jest poddyscypliną sejsmologii środowiskowej, stosunkowo młodej dziedziny, w której można wykryć niekonwencjonalne sygnały sejsmiczne w obrębie tego, co wcześniej uważano za „szum”. Hałas sejsmiczny występuje w całym spektrum częstotliwości badanych w sejsmologii (0,001–100 Hz). Podczas gdy tradycyjna sejsmologia zajmuje się tektonicznymi trzęsieniami ziemi i strukturą litej ziemi, sejsmologia środowiskowa dotyczy fal, które pochodzą spoza litej ziemi lub na których sygnał wpływają warunki środowiskowe (temperatura, hydrologia). Zasady sejsmologii rzecznej i środowiskowej można zastosować do wszelkiego rodzaju procesów powierzchniowych, w tym przepływów gruzu , osuwisk , laharów , ruchów lodowców i trzęsień lodu itp.

Aplikacje

Transport rumowiska jest jednym z najskuteczniejszych sposobów erozji i odgrywa dominującą rolę w ewolucji i morfologii rzek. Zrozumienie sił, jakie rzeka i transportowany przez nią osad wywierają na koryto strumienia , jest kluczowym elementem ewolucji morfologicznej rzeki. W szczególności burze o wysokim przepływie i dużej energii oraz powodzie mają ogromny wpływ na morfologię i rozwój strumieni. Niektóre zastosowania sejsmologii rzecznej obejmują:

• Inżynieria lądowa , renaturyzacja rzek i projektowanie budowli rzecznych i przeciwpowodziowych . Transport ładunków może spowodować wiele szkód podczas dużych powodzi i konstrukcje muszą być zaprojektowane tak, aby je wytrzymać.
• Bezpieczeństwo publiczne: telemetryczne dane sejsmiczne mogą być wykorzystywane do ciągłego zdalnego monitorowania w celu ostrzegania społeczności położonych w dole rzeki przed potencjalnie niebezpiecznymi i katastrofalnymi powodziami
• Badania: zrozumienie transportu osadów, obliczanie tempa i sposobów wcinania się koryta strumienia, geomorfologia , ewolucja rzeki w czasie, zrozumienie/kwantyfikacja erozji rzeki

Sygnały

Sejsmologia rzeczna jest zasadniczo ograniczona do szumu sejsmicznego o wysokiej częstotliwości i częstotliwości > 1 Hz (okres < 1 s). Obserwacje dotyczą zakresu 1–100 Hz, który teoretyczny model generowania fal sejsmicznych w przód pokazuje, że generuje turbulentny przepływ wody przez koryto rzeki.

Obserwacje są na ogół prowadzone w odległości mniejszej niż 100 m od brzegu rzeki, ale jedno badanie pokazuje wyraźne sygnały rzeczne z odległości 2 km. Rozmieszczenie sejsmometrów w różnych odległościach od rzeki może być pomocne w rozróżnianiu źródeł sygnału.

Dwa główne sygnały, które do tej pory wyodrębniono z hałasu sejsmicznego generowanego przez rzeki, to 1) turbulentny przepływ wody i 2) transport rumowiska osadów. Inne proponowane sygnały obejmują interakcję powierzchni wody z powietrzem. Inni sugerują, że dalsza analiza może być w stanie rozróżnić rodzaje transportu złoża - zasolenie i ścinanie.

Ogólnie rzecz biorąc, badania wykazały, że sygnał spowodowany turbulentnym przepływem wody ma niższą częstotliwość niż sygnał transportu złoża. Na przykład jedno z badań wykazało, że chociaż wypływ i poziom wody były skorelowane z sygnałem o częstotliwości 1–80 Hz, związek ten był szczególnie silny w oknach 2–5 Hz i 10–15 Hz. Tymczasem sygnał 30–50 Hz przypisywano transportowi łóżek.

Histereza

Histereza jest dobrze udokumentowanym zjawiskiem obserwowanym podczas obserwacji sejsmicznych rzek, w których ten sam przepływ nie zawsze wytwarza ten sam sygnał sejsmiczny. Gdyby turbulencje wody były tylko źródłem sygnałów sejsmicznych, to samo wyładowanie powodowałoby zawsze tę samą amplitudę odpowiedzi sejsmicznej.

Histerezę obserwowano w skali czasowej od godzin (pojedyncze burze) do pełnych lat. Histerezę zaobserwowano w systemach rzecznych zarówno w postaci zgodnej z ruchem wskazówek zegara, jak i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, chociaż zgodnie z ruchem wskazówek zegara jest znacznie bardziej powszechna. Histerezę zgodną z ruchem wskazówek zegara często przypisuje się zmianom transportu złoża, przy czym większy sygnał sejsmiczny obserwuje się na wznoszącym się ramieniu krzywej wyładowania niż na opadającym ramieniu.

Histerezę najczęściej przypisuje się zmieniającej się ilości osadów transportowanych przez rzekę. Ale chociaż histereza jest charakterystyczna dla efektu transportu rumowiska w rzekach żwirowych, niekoniecznie jest spowodowana samym transportem rumowiska. Co więcej, nie każdy transport ładunku musi koniecznie powodować histerezę. Histereza może być również spowodowana zmiennym przepływem burzliwym w wyniku zmieniającej się morfologii rzeki, na przykład zmieniającej się szorstkości powierzchni koryta strumienia.

Ulepszenia

Metody sejsmologii fluwialnej zapewniają środki do ciągłych pośrednich obserwacji zjawisk, które są 1) trudne i niebezpieczne do zmierzenia, 2) rzadkie i 3) oszacowane lub słabo ograniczone. Na przykład transport ładunku jest trudny do bezpośredniego zmierzenia, a jednocześnie niebezpieczny w warunkach dużego przepływu. W rezultacie obserwacje mogą być rzadkie i ograniczone tylko do warunków niskiego rozładowania, gdy warunki wysokiego przepływu mają szczególne znaczenie dla ewolucji strumienia. Szacunki mogą być ograniczone do przeprowadzonych w laboratorium, empirycznie wyprowadzonych eksperymentów z korytami.

Wykorzystanie sejsmologii do zrozumienia procesów fluwialnych stanowi ulepszenie kilku istniejących metod (takich jak osadniki, bezpośrednie pobieranie próbek, płyty uderzeniowe lub geofony zakopane w dnie strumienia), ponieważ

1. Nagrania mogą być wykonane całkowicie poza kanałem, co umożliwia obserwacje
   • nieinwazyjne, a metody obserwacji nie wpływają na przepływ ani warunki naturalne
   • łatwiejsze i bardziej efektywne czasowo
   • bezpieczniejsze, zwłaszcza podczas powodzi o dużej objętości, które są szczególnie interesujące i mają ogromny wpływ na morfologię
   • opłacalne dzięki uniknięciu zwiększonego ryzyka utraty instrumentów w trakcie zbierania
2. nagrania są ciągłe i umożliwiają monitorowanie w różnych skalach czasowych, od pojedynczej burzy/powodzi do wielu lat.
3. mogą być wdrażane i monitorowane zdalnie. Na przykład na obszarach o wysokim ryzyku powodzi telemetryczne dane sejsmiczne mogą być wykorzystywane do ostrzegania społeczności znajdujących się w dole rzeki przed potencjalnie niebezpiecznymi i katastrofalnymi powodziami (w sposób podobny do wykrywania i ostrzegania przed trzęsieniami ziemi).