Spectrogrammes et bruit sismique // Spectrograms and seismic noise

L’un des derniers articles hebdomadaires rédigés par des scientifiques de l’Hawaiian Volcano Observatory (HVO) – géré par l’USGS – traitait du bruit sismique qui apparaît souvent sur les spectrogrammes. Le HVO utilise un grand nombre de sismomètres pour localiser les séismes et identifier les signaux liés aux mouvements de failles et à ceux du magma à l’intérieur des volcans. Cependant, les sismomètres enregistrent également les vibrations générées par de nombreuses autres sources. Certains signaux sont facilement identifiables tandis que d’autres restent un mystère. Les spectrogrammes viennent en complément des formes d’onde généralement associées aux séismes car ils permettent d’identifier facilement des signaux complexes voire multiples. L’heure est affichée sur l’axe horizontal, la fréquence du signal est affichée sur l’axe vertical et l’intensité du signal apparaît en couleur. Plus la couleur est chaude, plus le signal est fort à une heure et à une fréquence spécifiques. Voici un exemple de spectrogramme enregistré dans une station située près de Pu’uO’o:

Une source fréquente de bruit sur les spectrogrammes est causée par le mauvais temps. Le bruit généré par le vent et la pluie se caractérise par un contenu diffus en moyenne ou haute fréquence. Dans le spectrogramme ci-dessus, la station commence à enregistrer une forte averse qui approche. Si un analyste a le moindre doute sur l’origine des signaux, il lui suffit de jeter un œil à l’une des webcams pour s’en assurer.

Ce spectrogramme montre deux signaux couramment observés. Le plus visible est un ensemble de lignes en forme de ruban dans la partie supérieure du spectrogramme. Ce btuit est provoqué par un hélicoptère qui vole à proximité de la station sismique. S’agissant de la récente éruption du Kilauea, le signal à basse fréquence constant que l’on voit au bas du spectrogramme sous forme d’une bande jaune-orange est le tremor éruptif qui a commencé juste après que la lave ait percé la surfacedans l’Halema’uma’u dans la nuit du 20 décembre 2020. Depuis cette époque, presque toutes les stations à proximité du nouveau lac de lave au sommet de Kilauea enregistrent ce signal continu.

L’image ci-dessus montre des téléséismes. Ce sont des séismes observés à au moins 1000 km de distance. Au moment où les télésismes atteignent des stations très éloignées, toutes les fréquences ont été perdues, sauf les plus basses. Le signal basse fréquence qui commence vers 23h19 sur ce spectrogramme du 19 mars est le téléséisme d’un événement de M 7.0 qui s’est produit près d’Ishinomaki (Japon). À titre de comparaison, les pics large fréquence qui apparaissent sous forme de lignes verticales de couleur plus claire tout au long du spectrogramme sont de petits séismes locaux.

Le spectrogramme ci-dessus montre des chutes de pierres ou des éboulements. Ces signaux ont un contenu fréquentiel large et une apparition progressive. De tels événements peuvent durer plusieurs minutes. Afin de les identifier parfaitement, les sismologues recherchent la légère diminution du contenu basse fréquence au fur et à mesure de la progression de l’événement. Cette caractéristique apparaît sous forme d’une hausse superficielle sur le spectrogramme du 25 mars à partir de 2 h 59. La majorité des récents effondrements observés par les sismologues du HVO ont eu lieu sur le Pu’uO’o. Certains ont été précédés par des hélicoptères en train de voler près du cône.

Des sismographes sont utilisés partout dans le monde s pour analyser des événements tels que des ouragans à l’approche, des chants de baleines, des fans qui font la fête lors de grands matchs de football et même des essais nucléaires.

À Hawaï, la météo, le trafic aérien local, les séismes liés aux éruptions et les éboulements font partie des signaux sismiques intéressants que les sismologues du HVO peuvent observer lorsqu’ils surveillent l’activité sismique.

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A weekly article written by USGS Hawaiian Volcano Observatory (HVO) scientists dealt with the seismic noise that appears on the spectrograms. HVO uses dozens of seismometers to locate individual earthquakes and identify signals that are related to faulting and magma movement within our volcanoes. However, seismometers also record vibrations caused by a variety of other sources. Some signals are easily identifiable while others remain a mystery.

Spectrograms can be a useful addition to the waveforms typically associated with earthquakes because they allow to easily identify complex or even multiple signals. Time is displayed on the horizontal axis, signal frequency is displayed on the vertical axis, and signal intensity is shown in colour. The warmer the colour, the stronger the signal is at that specific time and frequency. The first spectrogram above was recorded at a station located near Pu’uO’o.

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A common source of noise seen on spectrograms is cause by the bad weather. Noise from wind and rain is characterized by its diffuse mid- to high-frequency content. In the spectrogram above, the station starts to record an approaching rainstorm. If an analyst has any doubt over whether the signals are actually weather, they just need to have a look at one of the webcams to make sure.

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 The second spectrogram above shows two commonly observed signals. The most noticeable is the set of ribbon-like lines across the top of the spectrogram. This is caused by a helicopter flying near the seismic station.

Speaking of the recent eruption, the steady low-frequency signal seen on the bottom of this spectrogram as a yellow-orange band is the eruptive tremor that started shortly after lava broke the surface in Halema’uma’u on the night of December 20th, 2020. Since then, nearly all stations in the vicinity of the newly formed lava lake at Kilauea’s summit have been recording this continuous signal.

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The third image above shows teleseisms. These are earthquakes observed from at least 1000 km away. By the time teleseisms reach very distant stations, all but the lowest frequencies have been lost. The low-frequency signal starting around 11:19 p.m. in this March 19th spectrogram is a teleseism from an M 7.0 earthquake that struck near Ishinomaki (Japan). For comparison, the broad-frequency spikes appearing as lighter-colored vertical lines seen throughout this spectrogram are small local earthquakes.

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 The fourth spectrogram above shows rockfalls. These signals have a broad frequency content and gradual onset. These types of events can last for minutes at a time. In order to perfectly identify them, seismologists look for the slight decrease in low frequency content as the event progresses. This feature appears as a shallow ramp on the March 25th spectrogram starting at 2:59 a.m. The majority of recent rockfalls observed by HVO seismologists have been on Pu’uO’o, some of which have been preceded by helicopters flying near the cone.

Around the world, seismographs have been used to document events such as impending hurricanes, whale songs, fans celebrating during big football games, and even nuclear testing. In Hawaii, weather, local air traffic, eruptive tremor, and rockfalls are a few of the interesting seismic signals that HVO seismologists can see while monitoring earthquake activity.

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