Extraction of P-wave reflections from microseisms

The last few years there has been a growing number of body-wave observations in noise records. In 1973, Vinnik conjectured that P-waves would even be the dominant wavemode, at epicentral distances of about 40 degrees and onwards from an oceanic source. At arrays far from offshore storms, surface waves induced by nearby storms would not mask the body-wave signal and hence primarily P-waves would be recorded. We measured at such an array in Egypt and indeed found a large proportion of P-waves. At the same time, a new methodology is under development to characterize the lithosphere below an array of receivers, without active sources or local earthquakes. Instead, transmitted waves are used which are caused by distant sources. These sources may either be transient or more stationary. With this new methodology, called seismic interferometry, reflection responses are extracted from the coda of transmissions. Combining the two developments, it is clear that there is a large potential for obtaining reflection responses from low-frequency noise. A potential practical advantage of using noise instead of earthquake responses would be that an array only needs to be deployed for a few days or weeks instead of months, to gather enough illumination. We used a few days of continuous noise, recorded with an array in the Abu Gharadig basin, Egypt. We split up the record in three distinct frequency bands and in many small time windows. Using array techniques and taking advantage of all three-component recordings, we could unravel the dominant wavemodes arriving in each time window and in each frequency band. The recorded wavemodes, and hence the noise sources, varied significantly per frequency band, and – to a lesser extent – per time window. Primarily P-waves were detected on the vertical component for two of the three frequency bands. For these frequency bands, we only selected the time windows with a favorable illumination. By subsequently, applying seismic interferometry, we retrieved P-wave reflection responses and delineated reflectors in the crust, the Moho and possibly the Lehmann discontinuity.

RésuméDans les quelques dernières années, il y a eu un nombre croissant d’observations d’ondes de volume dans les enregistrements de bruit. En 1973, Vinnick se demandait si les ondes P n’avaient pas même représenté le mode d’onde dominant à des distances épicentrales d’environ 40° et plus d’une source océanique. Dans les réseaux éloignés des tempêtes au large des côtes, les ondes de surface produites par des tempêtes proches ne masqueraient pas le signal d’ondes de volume, et, en conséquence, les ondes-P seraient principalement enregistrées. Nous avons fait des mesures dans un tel réseau, en Égypte, et trouvé une grande proportion d’ondes P. Au même moment, une nouvelle méthodologie est en cours de développement pour caractériser la lithosphère au-dessous d’un réseau de capteurs sans sources actives ou tremblements de terre locaux. À la place, on utilise des ondes transmises, causées par des sources distantes. Ces sources peuvent être soit transitoires, soit plus stationnaires. Grâce à cette nouvelle méthodologie, appelée interférométrie sismique, les réponses des réflexions sont extraites de la coda des ondes transmises. Par combinaison de ces deux développements, le bruit basse-fréquence représente un grand potentiel pour l’obtention de réponses de réflexions. Un avantage pratique d’utilisation du bruit plutôt que des réponses de tremblements de terre serait qu’un réseau n’a besoin d’être déployé que quelques jours ou semaines au lieu de quelques mois pour obtenir une illumination suffisante. Nous avons utilisé un bruit continu sur quelques jours, enregistré par un réseau dans le bassin d’Abu Gharadig, en Égypte. Nous avons séparé l’enregistrement en trois bandes de fréquence distinctes et en de nombreuses courtes fenêtres de temps. En utilisant les techniques de réseau et en tirant avantage des enregistrements à trois composantes, nous avons pu identifier les modes d’ondes dominants arrivant dans chaque fenêtre de temps et pour chaque bande de fréquence. Les modes d’ondes enregistrées et, en conséquence, les sources de bruit varient de façon significative selon les bandes de fréquence et à un moindre degré – selon les fenêtres de temps. En premier lieu, les ondes P ont été détectées sur la composante verticale de deux des trois bandes de fréquence. Pour ces bandes de fréquence, nous avons seulement sélectionné les fenêtres de temps offrant une illumination favorable. En appliquant par la suite l’interférométrie sismique, on a extrait les réponses en réflexion des ondes P et les réflecteurs localisés dans la croûte, le Moho et éventuellement la discontinuité de Lehmann.