Detección automática de eventos sísmicos marcianos

Abstract

La detección de eventos sismológicos es muy importante en muchos ámbitos de la Sismología. Poder diferenciar, en un sismograma o en una serie de tiempo que describa el movimiento del suelo, cuándo una señal se asocia a una fase sismológica y cuándo se asocia a ruido es fundamental para múltiples aplicaciones tanto en sismología global (para la caracterización de coordenadas del foco, hora de origen y magnitud de terremotos), como en aplicaciones sísmicas y microsísmicas (por ejemplo, para la determinación de correcciones estáticas a trazas sísmicas, o para el monitoreo de procesos de fracturación hidráulica). Para la detección de los eventos, el método históricamente más eficaz es el manual, en el que la detección es realizada por una persona capacitada para reconocer las distintas fases. Sin embargo, la detección manual puede ser subjetiva, y resulta impráctica cuando se busca trabajar con grandes volúmenes de datos, o cuando los eventos que se busca detectar son de baja energía. Por ende, hoy en día también se utilizan algoritmos de detección automática o semiautomática que consideran a la traza como una serie de tiempo digital y aplican estrategias y técnicas nacidas del análisis de señales digitales, que tienen el objetivo de realzar los arribos sismológicos por sobre todo tipo de ruido no deseado. La eficacia de estos algoritmos suele depender fuertemente de la relación señal/ruido. Cuando la relación señal/ruido es baja, los algoritmos reducen su capacidad de detección ya que los arribos sísmicos se ven enmascarados por la energía del ruido. En el caso particular de la sismología global, la detección de eventos es crucial para estudiar el interior de la Tierra. Hoy en día, la sismología ha ampliado sus horizontes para estudiar otros cuerpos celestes en el sistema solar. Un ejemplo es el proyecto InSight (Interior exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) de la NASA. Este proyecto consistió en la instalación de diversos instrumentos geofísicos en el planeta Marte, entre los cuales se encuentran dos sismómetros de tres componentes. Para comprender mejor el comportamiento de los sismogramas que se obtendrían de Marte mediante los sismómetros allí instalados, se diseñaron datos sintéticos que modelan los datos reales registrados. Los datos sintéticos incluyen las fuentes de ruido que afectan a la señal, más las magnitudes esperadas por los eventos que puedan ocurrir en Marte. Luego, en el marco del proyecto Preparing for InSight (Clinton et al., 2017) se convocó a diversos equipos de investigación a que realizaran una inversión de estos datos, a fin de detectar los martemotos presentes en dicho set de datos, y obtener un modelo de velocidades del planeta. Uno de los grupos de trabajo que participó del proyecto es el Laboratorio de Géoazur, perteneciente a OCA (Observatorie de la Cote d’Azur), ubicado en Francia. Este grupo realizó la detección de arribos mediante dos métodos del tipo STA/LTA, con diferentes tamaños de ventana móvil y formas de filtrado, para luego realizar una detección manual. Una de las características más importantes de este conjunto de datos sintéticos es que, debido a que las condiciones de observación no son las óptimas y a que los eventos sísmicos marcianos son de baja magnitud, su relación señal/ruido es considerablemente más baja que las que pueden llegar a obtenerse en la Tierra, por lo que resultan valiosos para el primer objetivo planteado. El primer objetivo de este trabajo de Tesis es utilizar estos datos sintéticos de baja relación señal/ruido para estudiar la eficacia de tres métodos de detección automática comúnmente utilizados en la sismología global, para la detección de martemotos en estos datos: el método de Allen (Allen, 1978), el de Earle y Shearer (Earle y Shearer, 1994) y el método de Allen Modificado (Sabbione, 2010). La eficacia de los métodos se cuantifica en función de la cantidad de arribos coincidentes con las detecciones automáticas y manuales realizadas por Géoazur. Los métodos de detección convencionales suelen tomar como dato de entrada un único sismograma. Esto lleva a adoptar una de dos estrategias. Una es utilizar aquella componente cuya relación señal/ruido sea mayor. Sin embargo, generalmente no es posible conocer a priori qué componente tiene la mejor relación señal/ruido. La otra alternativa es aplicar los algoritmos a las tres componentes en paralelo, lo que puede dar lugar a ambigüedades en caso de que una detección sea exitosa en una componente pero fracase en otra. Por lo previamente mencionado, el segundo objetivo de este trabajo de Tesis consiste en desarrollar y aplicar a los datos sintéticos marcianos una estrategia para lidiar con el problema de la variabilidad componente a componente de la relación señal/ruido. La esencia del método es combinar las tres componentes, considerando hipótesis físicas y técnicas matemáticas de la sismología global, para maximizar la energía de la señal en una única componente. Esto trae dos ventajas: por un lado, permite trabajar con un único sismograma; por otro lado, puede mejorar la relación señal/ruido considerablemente, favoreciendo la efectividad de las detecciones. Una vez aplicada esta estrategia, se aplican los métodos de detección sobre el sismograma con la relación señal/ruido maximizada, y se comparan los resultados obtenidos por los mismos métodos en los datos antes de aplicar este algoritmo, para verificar si su capacidad de detección es mejorada con esta técnica. Esta metodología fue presentada por Gómez y Velis (2021).