Wavefield methods to analyze passive ocean bottom seismic data

Abstract

In this study different full waveform techniques was developed for the investigation of seismic ocean bottom single station data. These techniques were applied to data obtained in a pilot ocean bottom experiment in the Tyrrhenian Sea/Italy (TySea experiment) from December 2000 to May 2001. A network of broadband seven ocean bottom seismometers and seven ocean bottom hydrophones was installed above the subducting Ionian plate which descends from Southeast to Northwest. Local and teleseismic earthquakes were recorded by the stations. The newly developed techniques produce very promising results in reconstructing the sea floor structure beneath the stations and in attenuating waveform effects generated by water layer multiples. Additionally the techniques offer a possibility to determine the orientation of free fall ocean bottom seismometers. The main results are:

1. The waveform recorded at the seafloor differs from waveforms recorded at land stations. This is primarily due to multiple reflections in the water layer. These multiple reflections show different patterns on seismometer and hydrophone recordings depending on the seafloor structure. This opens the possibility to constrain the P-wave velocity structure beneath the station by means of a full waveform inversion. Seismometer and hydrophone traces of 13 local deep earthquakes were used to resolve the seafloor structure below the single stations of the experiment in terms of P-wave velocity. It was found that the average P-wave velocity of the uppermost gradient layer varies from 1630 m/s to 1690 m/s. The layer itself is 95 m to 190 m thick. The results are well determined and comparable with findings of other studies undertaken in this region of the Tyrrhenian Sea.

2. The multiple reflections of waves in the water layer also influence the analysis of teleseismic events, in receiver function studies or for tomographic studies where relative arrival times are usually estimated by cross correlation techniques. The wavefield decomposition using seismometer and hydrophone traces separates the up- and downgoing wavefield. The effects of multiple reflections can be attenuated and the signal-to-noise-ratio can be improved with a decomposition analysis. As a by-product an in situ calibration of the sensors is possible as well as the estimation of the impedance contrast at the seafloor. The impedance contrast was found to have a value of 1.1 to 1.3. With these improvements the data of land and ocean bottom stations may be combined in future.

3. In the recorded seismograms an energy signal which is mainly horizontal linearly polarized occurs between 0.4 s and 1.2 s after the P-onset from local deep earthquakes. This is interpreted as a converted P to S-wave which is trapped in the upper sediments. This energy signal is used to estimate the orientation of the ocean bottom seismometer and to resolve the seafloor structure in terms of S-wave velocity. For the TySea experiment the obtained S-wave velocity in the uppermost 10 m to 50 m deep layer is in the range of 10 m/s to 100 m/s.

In dieser Arbeit wurden verschiedene vollständige Wellenformmethoden zur Untersuchung von seismischen Daten von einzelnen Ozeanbodenstationen entwickelt. Diese Methoden wurden auf Daten angewendete, die in einem Pilotprojekt im Tyrrhenischen Meer/Italien (TySea Experiment) zwischen Dezember 2000 und Mai 2001 auf dem Ozeanboden gewonnen wurden. Ein Netzwerk aus sieben Ozeanbodenseismometern und sieben Ozeanbodenhydrofonen wurde oberhalb der nach Nordwesten abtauchenden Ionischen Platte installiert. Lokale und teleseismische Erdbeben wurden auf den Stationen aufgezeichnet. Die neu entwickelten Methoden liefern vielversprechende Ergebnisse beim Rekonstruieren der Struktur des Ozeanbodens unterhalb der Stationen und beim Abschwächen von Wellenformeffekten, die durch multiple Reflexionen in der Wasserschicht entstehen. Darüber hinaus bietet die Technik eine Möglichkeit zur Bestimmung der Orientierung der ausgesetzten Ozeanbodenseismometern. Die Hauptergebnisse sind:

1. Wellenformen, welche am Ozeanboden aufgezeichnet werden, unterscheiden sich von Wellenformen, welche auf Landstationen aufgezeichnet wurden. Dies ist vor allem auf die multiplen Reflexionen in der Wasserschicht zurückzuführen. Diese multiplen Reflexionen zeigen unterschiedliches Verhalten auf den Aufzeichnungen des Seismometers und des Hydrofons, welches von der Untergrundsstruktur abhängt. Dies eröffnet die Möglichkeit, mittels einer vollständigen Wellenforminversion die Geschwindigkeitsstruktur der P-welle unterhalb der Station zu bestimmen. Seismometer- und Hydrofonspuren von 13 lokale Tiefbeben wurden dafür verwendet. Es wurde herausgefunden, dass die mittlere P-wellengeschwindigkeit für die oberste Gradientenschicht zwischen 1630 m/s und 1690 m/s variiert. Die Schicht ist zwischen 95 m und 195 m dick. Die Ergebnisse sind vertrauenswürdig und sind vergleichbar mit den Ergebnissen andere Studien, die in der Region des Tyrrhenischen Meeres durchgeführt wurden.

2. Die multiplen Reflexionen in der Wasserschicht beeinflussen auch die Auswertung von teleseismischen Erdbeben in Studien der Receiver Funktionen oder der seismischen Tomografie, bei der relative Ankunftzeiten üblicherweise durch Kreuzkorrelationtechniken bestimmt werden. Die Wellenfeldzerlegung, die Seismometer- und Hydrofonspuren verwendet, trennt hoch- und runterlaufende Wellenfelder. Die Effekte der multiplen Reflexionen können durch die Wellenfeldzerlegung abgeschwächt und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Als Nebenprodukt ist sowohl eine In-situ Kalibration der Sensoren also auch die Bestimmung des Impedanzkontrastes am Ozeanboden möglich. Es wurde ein Impedanzkontrast zwischen 1.1 und 1.3 gefunden. Mit diesen Verbesserungen ist es in Zukunft möglich, Daten von Land- und Ozeanbodenstationen zu kombinieren.

3. In den aufgezeichneten Daten von Lokalbeben taucht zwischen 0.4 s und 1.2 s nach dem P-Einsatz ein Signal auf, welches hauptsächlich horizontal linear polarisiert ist. Dieses Signal wird als eine konvertierte P zu S-welle interpretiert, die in den oberen Sedimenten eingeschlossen ist. Mit diesem Signal wurde die Orientierung der Ozeanbodenseismometer bestimmt und die Geschwindigkeitsstruktur der S-welle aufgelöst. Im TySea Experiment wurden eine S-wellengeschwindigkeit für die obersten 10 m bis 50 m von 10 m/s bis 100 m/s gefunden.