Ambient noise tomography with a large seismic array

The emergence of large-scale arrays of seismometers across several continents presents the opportunity to image the Earth's structure at unprecedented resolution, but methods must be developed to exploit the capabilities of these deployments. The capabilities and limitations of a method called “eikonal tomography” applied to ambient noise data are discussed here. In this method, surface wave wavefronts are tracked across an array and the gradient of the travel time field produces estimates of phase slowness and propagation direction. Application data from more than 1000 stations from EarthScope USArray in the central and western US and new Rayleigh wave isotropic and anisotropic phase velocity maps are presented together with an isotropic and azimuthally anisotropic 3D Vs model of the crust and uppermost mantle. As a ray theoretic method, eikonal tomography models bent rays but not other wavefield complexities. We present evidence, based on the systematics of an observed 1ψ component of anisotropy that we interpret as anisotropic bias caused by backscattering near an observing station, that finite frequency phenomena can be ignored in ambient noise tomography at periods shorter than ∼ 40 to 50 s. At longer periods a higher order term based on wavefront amplitudes or finite frequency sensitivity kernels must be introduced if the amplitude of isotropic anomalies and the amplitude and fast-axis direction of azimuthal anisotropy are to be determined accurately.

RésuméL’émergence de réseaux de sismomètres sur une grande échelle au travers de plusieurs continents donne l’opportunité de représenter la structure de la Terre avec une résolution jamais atteinte, mais des méthodes doivent être créées pour exploiter les possibilités de ces déploiements. Les possibilités et les limites d’une méthode appelée « tomographie de l’eikonal » appliquée aux données de bruit ambiant sont discutées ici. Dans cette méthode, les fronts d’onde des ondes de surface sont suivis au travers d’un réseau et le gradient du temps de trajet fournit des estimations de lenteur de phase et de direction de propagation. L’application a été réalisée avec des données de plus de 1000 stations de l’EarthScope USArray dans le Centre et l’Ouest des États-Unis et de nouvelles cartes de vitesse de phase d’ondes de Rayleigh isotrope et anisotrope, ainsi qu’un modèle Vs 3D isotrope et azimuthalement anisotrope sont présentés pour la croûte et le manteau supérieur. En tant que basée sur la théorie des rais, la tomographie de l’eikonal modélise les rais courbes, mais aucune autre des complexités du champ d’ondes. Nous présentons l’évidence, fondée sur la systématique d’une composante 1ψ observée d’anisotropie – que nous interprétons comme une anisotropie biaisée, due à une rétrodiffusion près de la station d’observation – que les phénomènes de fréquence finie peuvent être ignorés dans la tomographie à partir du bruit ambiant, pour des périodes plus courtes que ∼40 à 50 s. Pour des périodes plus longues, un terme d’ordre supérieur, basé sur les amplitudes des fronts d’onde ou sur les noyaux de sensibilité à fréquence finie doit être introduit, si l’amplitude des anomalies isotropes, ainsi que l’amplitude et la direction d’axe rapide de l’anisotrope azimuthale doivent être déterminées de manière précise.