Arkistot kuukauden mukaan: toukokuu 2024

Seismisen datan päivittäisanalyysissä selvitetään signaalin syntylähteitä

Vastaa

Seismologian instituuttiin tulee tasaisin välein tiedusteluita medialta ja kansalaisilta erilaisista tärinähavainnoista. Instituutilla on useita eri kanavia, joiden avulla havainnoista voi ilmoittaa tai kysellä. Seismologian instituutin infopuhelimeen soittamisen lisäksi voi lähettää sähköpostia tai täyttää internet-sivuillamme havaintolomakkeen. Linkit ja muut yhteystiedot löytyvät instituutin sivuilta. Jokainen havainto tutkitaan, ja tarvittaessa teemme tapauksesta analyysin. Aina kaikille ilmiöille ei löydy selitystä seismogrammeja tutkimalla, sillä osa ilmiöiden lähteistä voi olla hyvin heikkoja ja paikallisia. Näissä tilanteissa vain hyvin lähellä sijainnut seisminen asema havaitsee signaalin. Toisaalta lähde voi olla muualla kuin kallioperässä, esimerkiksi ilman kautta kulkeva paineaalto voi myös helisyttää ikkunoita.

Kyselyn tai ilmoituksen perusteella tarkistamme lähimpien seismisten asemien tuottaman datan ilmoitetulta ajalta. Jos seisminen tapaus on tarpeeksi voimakas, voi se olla jo näkyvissä sivuillamme “Raportit seismisistä tapauksista”, josta löytyy “Alueelliset räjäytykset ja maanjäristykset tänään”. Tällä sivulla on kartta ja lista, joissa näkyy ohjelmistojen automaattisesti havaitsemat ja paikantamat seismiset tapaukset. Koska kyseessä on automaattinen lista, eli ihminen ei ole sitä tarkistanut, voivat paikannukset olla välillä hyvinkin epätarkkoja ja ajoittain mukana saattaa olla ihan virheellisiäkin tapauksia ohjelmien yhdistellessä esimerkiksi pakkasen aiheuttamia signaalipiikkejä toisiinsa.

Analysti, eli seismisen datan analysoija hakee kysytyltä havaintoajankohdalta dataa seismisiltä asemilta. Datasta etsitään mahdollinen seisminen tapaus, jonka lähde on yleensä räjäytys tai maanjäristys, mutta joskus myös romahdukset, maanvyörymät tai pakkasjäristykset voivat aiheuttaa signaalin. Signaalista merkitään ensimmäinen saapuva aalto, pitkittäisaalto P-aalloksi ja hieman hitaammin kallioperässä kulkeva poikittaisaalto S-aalloksi. Kun näitä aaltoja on kerätty useammalta seismiseltä asemalta, voidaan laskea P- ja S-aallon nopeuksien eron avulla kullekin asemalle etäisyys lähteestä ja näiden etäisyyksien leikkauspisteestä tai sen läheisyydestä löydetään todennäköisesti signaalin lähde. Paikka voidaan määrittää sitä tarkemmin mitä enemmän seismisiä asemia on käytettävissä lähteen ympärillä. Tämän takia esimerkiksi Suomessa tapahtuneet seismiset tapaukset yleensä paikantuvat lähemmäs todellista lähdepaikkaa kuin kauempana Suomen ulkopuolella tapahtuneet seismiset tapaukset.

Analysti pyrkii myös määrittämään seismisen tapauksen syntymekanismin parhaansa mukaan. Suurin osa Suomessa havaituissa seismisistä tapauksista (n. 18 000 tapausta vuosittain) on kaivoksilla, louhoksilla tai rakennustyömailla tehtyjä räjäytyksiä. Räjäytykset kaivoksilla ja louhoksissa tehdään tyypillisesti useamman räjäytyksen sarjana, missä panokset on sijoitettu tiettyjen etäisyyksien päähän toisistaan ja ne räjäytetään pienellä viiveellä. Tällaisille räjäytyksille on niiden aiheuttamassa signaalissa tyypillistä energian jakautuminen tasaisesti joka suuntaan ja erilaisista räjäytystekniikoista syntyvät tyypilliset aaltomuodot (Kuva 1). Räjäytyksissä pyritään vaimentamaan joitain energiataajuuksia ja ne muodostavat energiaspektreissä tyypillisesti raidallisen kuvion (Kuva 2).

Kuva 1. Tyypillinen räjäytyksen aiheuttama signaali seismogrammeissa.

Kuva 2. Tyypillinen räjäytyksen aiheuttama raidallinen energiajakauma. Vasemmalla pystyakselilla on taajuus ja väriskaala kuvaa signaalin voimakkuutta (eli energian määrää). Kuvassa OUF-aseman havainto Kaustisilla tehdystä räjäytyksestä.

Maanjäristyksillä vastaavasti energia jakaantuu eri suuntiin eri lailla riippuen millainen liike kallioperässä on aiheuttanut signaalin (Kuva 3). Maanjäristyksen energiaspektreissä energia on jakaantunut tasaisesti kaikille taajuuksille, etenkin lähemmillä seismisillä asemilla (Kuva 4). Pieni seisminen tapaus, häiriöiset asemat tai toisen seismisen tapauksen päällekkäisyys voi vaikeuttaa lähteen määrittämistä huomattavastikin.

Kuva 3. Maa järisi Kuusamossa 2.5.2024, kuvassa on rekisteröintejä Suomen eri seismisiltä asemilta.

Kuva 4. Kuusamon järistyksen tuottama energiajakauma (MSF-asemalta) on maanjäristykselle tyypillisen tasainen. Vasemmalla pystyakselilla on taajuus ja väriskaala kuvaa signaalin voimakkuutta (eli energian määrää).

Lopuksi analysti määrittää tapauksen voimakkuuden mittaamalla eri asemilla voimakkaimman signaalin amplitudin, josta lasketaan paikallinen magnitudi seismiselle tapaukselle. Kun kaikki parametrit on näin saatu, julkaistaan tulos internetsivuilla. Maanjäristykset näkyvät välittömästi maanjäristyshaun kautta. Lisäksi maanjäristykset näkyvät muutaman arkipäivän päästä, kun kyseisen päivän loputkin seismiset tapaukset on analysoitu,  “Raportit seismisistä tapauksista” sivun “Tarkistetut bulletiinit” välilehdeltä “päivittäisistä alustavista bulletiineista” räjäytysten ja muiden seismisten tapausten kanssa.

Kati Oinonen, seismologi

Ympäristöseismologia – enemmän kuin maanjäristysten monitorointia

Vastaa

Viimeisten sadan vuoden aikana seismisten laitteiden herkkyys on parantunut useita kertaluokkia. Nykyaikaisilla seismometreillä, kuten Suomen pysyvään seurantaverkkoon asennetuilla mittalaitteilla, voidaan mitata maan liikkeitä, jotka ovat vain nanometrejä  sekunnissa (0,000000001 m/s). Tällaisen uskomattoman herkkyyden ansiosta Seismologian instituutin asiantuntijat voivat havaita maanjäristysten signaaleja kaikkialta maailmasta tai nähdä pieniä räjähdyksiä kaivostoiminnasta Ruotsissa. Lisäksi seismometrien rekisteröinneissä jää maanjäristysten väliin kokonaan omanlaisensa signaalien maailma piilotettuna taustakohinaksi kutsumamme ilmiön sekaan. 

Kun taustakohina ei olekaan vain kohinaa 

Asennettuaan yhä herkempiä mittalaitteita eri puolille maailmaa, seismologit huomasivat, ettei maapallo ollutkaan hiljainen vaan humisi jatkuvasti energiaa. Tämä energia oli yleensä hiljaisempaa kuin maanjäristysten tuottamat signaalit, mutta se oli helppo havaita korkealaatuisilla laitteilla. 

Kuva 1: Seismisillä periodeilla (aallonvärähdyksen jaksonaika) mitattu energia viiden vuoden ajalta Suomen KEV-aseman ja Australian WRAB-aseman aineistosta. Huippuarvot 3-5 sekunnin periodeilla (punaiset nuolet) liittyvät meren aaltojen tuottamaan energiaan. Kuviot on luotu EarthScope MUSTANG -verkkopalvelun avulla [1].

Kuvassa 1 [1] esitetään kahdella eri seismometrillä viiden vuoden aikana mitattua energiaa. Asema KEV sijaitsee Kevon kylän lähellä Lapissa, ja asema WRAB sijaitsee Keski-Australiassa. Vaikka ne sijaitsevat geologisesti hyvin erilaisissa paikoissa, energiakuvio näyttää melko samankaltaiselta, ja energiahuippu on noin 3-5 sekunnin jaksoissa (taajuus 0,2-0,33 Hz). Tämä energiakuvio näkyy joka päivä lähes kaikilla maapallon seismisillä asemilla ja tutkijat epäilivät pitkään kohinan olevan peräisin valtamerten aaltojen vuorovaikutuksesta [2]. Vasta äskettäin tämä pystyttiin tarkasti todentamaan [3]. 

Ilma, jää ja kallio 

Myös muut maanpäälliset prosessit tuottavat signaaleja, joita vanhemmat seismiset laitteet eivät pystyneet mittaamaan, lähistöllä ei ollut riittävästi asemia tai meillä ei aiemmin ollut tarvittavaa laskentatehoa signaalien purkamiseen. Tutkijat ovat esimerkiksi pystyneet seuraamaan Yhdysvaltojen eteläosissa liikkuvia ukkosmyrskyjä [4] ja laskemaan Tyynen valtameren syklonien voimakkuuden [5] pelkästään seismisten aineistojen avulla. 

Koska jäätiköt ovat vetäytyneet nopeasti ilmastonmuutoksen vuoksi, seismologian avulla voidaan myös havaita jäätikön liikkeitä [6] tai pieniä sortumia ja jopa määrittää jään putoamissuunta [7]. 

Seismisiä aineistoja käytetään jopa maanvyöryjen seurantaan lähes reaaliajassa, jolloin voidaan tarkkailla maanvyöryn todennäköisyyttä aiheuttaa vaarallinen tsunami (kuva 2) [8]. Tällaisten signaalien seuranta on teoriassa samanlaista kuin tavanomaisten maanjäristysten havaitseminen ja paikantaminen. Seismisten aineistojen tulkinnassa käytetään kuitenkin täysin uusia menetelmiä ja analyysi on tehtävä riittävän nopeasti, jotta vaarassa olevia ihmisiä voidaan varoittaa ennen uhan toteutumista. 

Kuva 2: Karasöz ja West (2024) havaitsivat yhdeksän maanvyörymää automaattisesti Alaskan vuonoilla käyttäen seismisiä aineistoja.

Elämme jännittävää seismologian aikakautta, kun monet aiempien sukupolvien teknologisista rajoituksista on poistuneet. Voimme hyödyntää seismologiaa laajemmin kuin vain maanjäristysten seurantaan ja käyttää välineitä ja luovuuttamme oppiaksemme enemmän maapallosta kokonaisuutena – ilmakehästä, valtameristä ja jalkojemme alla olevasta kalliosta. 

Matt Gardine, seismologi

Lähteet

[1] Casey, Robert, Mary E. Templeton, Gillian Sharer, Laura Keyson, Bruce R. Weertman, and Tim Ahern. “Assuring the Quality of EarthScope Data with MUSTANG”. Seismological Research Letters 89 (2A) (2018): 630-639. https://doi.org/10.1785/0220170191

[2] Longuet-Higgins, Michael. S. “A theory of the origin of microseisms”. Proc. R. Soc. London Ser. A 243 (1950): 1–35.

[3] Kedar, Sharon, Michael Longuet-Higgins, Frank Webb, Nicholas Graham, Robert Clayton, and Cathleen Jones. “The origin of deep ocean microseisms in the North Atlantic Ocean”. Proc. R. Soc. London Ser. A 464 (2008): 1–35. https://doi.org/10.1098/rspa.2007.0277

[4] Tytell, Jonathan, Frank Vernon, Michael Hedlin, Catherine de Groot Hedlin, Juan Reyes, Bob Busby, Katrin Hafner, and Jennifer Eakins. ”The USArray Transportable Array as a Platform for Weather Observation and Research”. Bulletin of the American Meteorological Society 97.4 (2016): 603-619. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00204.1

[5] Gualtieri, Lucia, Suzana J. Camargo, Salvatore Pascale, Flavio M.E. Pons, and Göran Ekström. “The persistent signature of tropical cyclones in ambient seismic noise”. Earth and Planetary Science Letters 484 (2018): 287-294. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.12.026

[6] Nettles, Meredith, and Göran Ekström. “Glacial earthquakes in Greenland and Antarctica”. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 38:1 (2010): 467-491. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-040809-152414

[7] Olsen, Kira G., and Meredith Nettles. “Constraints on terminus dynamics at Greenland glaciers from small glacial earthquakes”. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 124 (2019): 1899–1918 https://doi.org/10.1029/2019JF005054

[8] Karasözen, Ezgi, and Michael E. West. “Toward the Rapid Seismic Assessment of Landslides in Coastal Alaska”. The Seismic Record 4 (1) (2024): 43–51 https://doi.org/10.1785/0320230044