- / -

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη και ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών αυτόματης επεξεργασίας σεισμολογικών δεδομένων, µε σκοπό την επίλυση σημαντικών προβλημάτων που συναντώνται στα πεδία των επιστημών της σεισμολογίας και της γεωφυσικής όπως: 1) η ανίχνευση μικροσεισμικών γεγονότων από µία καταγραφή, µε άλλα λόγια ο διαχωρισμός της καταγραφής σε τμήματα που αποτελούνται από εδαφικό θόρυβο και σε τμήματα που περιέχουν την χρήσιμη πληροφορία (σεισμικά γεγονότα) για τους γεωεπιστήμονες και 2) η εκτίμηση των χρόνων άφιξης των διαμήκων (P-) καθώς και των εγκαρσίων (S-) σεισμικών φάσεων. Πιο αναλυτικά, η διατριβή είναι δομημένη ως εξής: Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο συγκεντρώνονται και κατηγοριοποιούνται όλες οι υπάρχουσες τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για την επίλυση του προβλήματος της αυτόματης ανίχνευσης σεισμικών γεγονότων καθώς και τον αυτόματο προσδιορισμό του χρόνου άφιξης των P και S σεισμικών φάσεων. Συγκεκριμένα γίνεται κατηγοριοποίηση αυτών σε τεχνικές που στηρίζονται στην ανάλυση και επεξεργασία των σεισμικών καταγραφών στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας, στη χρήση νευρωνικών δικτύων, στην ανάλυση χρονικών σειρών και αυτοπαλινδρόμησης, στην ανάλυση της πόλωσης των κυμάτων, στις στατιστικές υψηλότερης τάξης, μεθόδους ασαφούς λογικής, κυματιδιακές μεθόδους κτλ. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναπτύσσεται νέα τεχνική για την επίλυση του προβλήματος της αυτόματης ανίχνευσης σεισμικών γεγονότων από μία καταγραφή, η οποία βασίζεται σε μία μη αυστηρή διαδικασία ελέγχου υποθέσεων. Η προτεινόμενη τεχνική πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Κατά το πρώτο στάδιο εκτιμώνται οι εμπειρικές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας που προκύπτουν τόσο από τον εδαφικό θόρυβο όσο και από τα υπόλοιπα που προέκυψαν από την λεύκανση αυτού. Κατά το δεύτερο στάδιο προτείνεται στατιστικό τεστ τύπου κατωφλίωσης για την αυτόματη ανίχνευση μικροσεισμικών γεγονότων. Η προτεινόμενη τεχνική εφαρμόζεται σε συνθετικά και πραγματικά δεδομένα και συγκρίνεται με τον γνωστό αλγόριθμο του λόγου βραχυπρόθεσμου προς μακροπρόθεσμο μέσο (STA/LTA). Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μέθοδος για την επίλυση του προβλήματος του αυτόματου προσδιορισμό του χρόνου άφιξης της P φάσης κάνοντας χρήση στατιστικών ανώτερης τάξης. Συγκεκριμένα, γίνεται χρήση των ποσοτήτων της λοξότητας, της κύρτωσης και μίας εκτίμησης της αντιεντροπίας ως γραμμικός συνδυασμός των παραπάνω. Επιπλέον παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνικής σε συνθετικά αλλά και πραγματικά δεδομένα μικροσεισμικού δικτύου, κατάλληλα για χρήση στην παθητική σεισμική τομογραφία υψηλής ευκρίνειας. Τα αποτελέσματα αυτά συγκρίνονται με γνωστές ενεργειακές μεθόδους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, αναπτύσσεται νέα τεχνική για την επίλυση του προβλήματος της αυτόματης εκτίμησης του χρόνου άφιξης της S φάσης. Η προτεινόμενη τεχνική βασίζεται στην στατιστική επεξεργασία συγκεκριμένης χαρακτηριστικής συνάρτησης, η οποία προκύπτει από τις ιδιότητες πόλωσης των σεισμικών κυμάτων που έχουν καταγραφεί. Επιπλέον, για να ελαττωθεί η εξάρτηση του προτεινόμενου αλγορίθμου από το χρησιμοποιούμενο παράθυρο, ακολουθείται μια πολυ-παραθυρική προσέγγιση του προβλήματος σε συνδυασμό με χρήση συναρτήσεων βαρών οι οποίες εκτιμώνται αυτόματα και βασίζονται στις μεταβολές της ενέργειας του σήματος κατά τη S άφιξη. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής της μεθόδου σε πραγματικά δεδομένα καθώς και η αξιολόγησή τους σε περιβάλλον θορύβου. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής των προτεινόμενων τεχνικών σε δεδομένα μικροσεισμικού δικτύου και συγκεκριμένα σε δεδομένα που προέκυψαν από πειράματα παθητικής σεισμικής τομογραφίας και τεχνητής υδραυλικής διάρρηξης που έλαβαν χώρα στην περιοχή Δέλβινο της ΝΔ Αλβανίας. Επιπλέον, γίνεται ανάλυση των αποτελεσμάτων βάσεις των δεικτών αβεβαιότητας που επέλεξαν οι αναλυτές στις εκτιμήσεις τους, καθώς και βάσει των λόγων σήματος θορύβου των καταγραφών. Στο έβδομο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, καθώς και πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις. / The problems of seismic event detection and P- and S-phase arrival time estimation constitute important and vital tasks for the geoscientists. The solution of the aforementioned problems provides with important geophysical and seismological information, that can be used in a number of problems such as the structure of the earth’s interior, geotectonic settings, hypocentric and epicentric coordinates of an earthquake, the seismicity of an area and seismic hazard assessment. Traditionally, human experts have carried out this task. Nevertheless, during the last three decades due to the progress in computer technology, several methods have been developed for the automatic seismic event detection and P- and S- phase identification. After the introduction of the first chapter, in the second chapter the majority of the existing methods that have been developed and applied up to now, are gathered and categorized. These methods involve energy criteria, the seismic wave polarity assumption, artificial neural networks, higher order statistics, maximum likelihood methods, fuzzy logic methods etc. In the third chapter, a new thresholding type technique is proposed, tailored to fit real world situations where our knowledge on the statistical characteristics of the background noise process are unknown and a strict hypothesis testing framework can not be followed. In such cases the replacement of the unknown probability density function under the null hypothesis by its empirical counterpart, constitutes a possibility. In this work, a two stage procedure is proposed. The first one concerns the estimation of the empirical functions of the noise process itself as well as its whitened counterpart. In the second stage, using the above empirical functions, a thresholding scheme is proposed in order to solve the problem of the detection of seismic events in a non strict hypothesis testing framework. The performance of the proposed technique is confirmed by its application in a series of experiments both in synthetic and real seismic datasets. In the fourth chapter, the problem of automatic P-phase identification is solved using higher order statistics. The first- and second-order statistics (such as mean value, variance, autocorrelation, and power spectrum) are extensively used in signal processing to describe linear and Gaussian processes. In practice, many processes deviate from linearity and Gaussianity. Higher order statistics can be used for the study of such processes. The P-phase arrival time is estimated using these HOS parameters and additionally, an estimation of the negentropy defined as a linear combination of skewness and kurtosis. According to the implemented algorithm a moving window “slides” on the recorded signal, estimating skewness, kurtosis, and negentropy. Skewness can be considered as a measure of symmetry of the distribution, while kurtosis is a measure of heaviness of the tails, so they are suitable for detecting parts of the signal that do not follow the amplitude distribution of ambient noise. Seismic events have higher amplitudes in comparison to the seismic noise, and these higher values occupy the tails of the distribution (high degree of asymmetry of distribution). In the case of seismic events, skewness and kurtosis obtain high values, presenting maxima in the transition from ambient noise to the seismic events (P-arrival). The proposed algorithms are applied on synthetic as well as real seismic data and compared to well known energy based methods. Algorithms that deal with the automatic S-onset time identification problem, is a topic of ongoing research. Modern dense seismic networks used for earthquake location, seismic tomography investigations, source studies, early warning etc., demand accurate automatic S-wave picking. Most of the techniques that have been proposed up to now are mainly based on the polarization features of the seismic waves. In the fifth chapter, a new time domain method for the automatic determination of the S-phase arrival onsets is proposed and its implementation on local earthquake data is presented. Eigevalue analysis is taking place over small time intervals, and the maximum eigenvalue which is obtained on each step is retained for further processing. In this way a time series of maximum eigenvalues is formed, which serves as a characteristic function. A first S-phase arrival time estimation is obtained by applying the kurtosis criterion on the derived characteristic function. Furthermore, a multi-window approach combined with an energy-based weighting scheme is also applied, in order to reduce the algorithm’s dependence on the moving window’s length and provide a weighted S phase onset. Automatic picks are compared against manual reference picks and moreover the proposed technique is subjected to a noise robustness test. In the sixth chapter, the results of the implementation of the proposed techniques on microseismic data are presented. Specifically, the proposed methods are applied on two real sets of data. One dataset was been recorded during a Passive Seismic Tomography (PST) experiment, while the second one during the seismic monitoring of fracking operations. Both experiments took place in a hydrocarbon field in Delvina, SW Albania. These results are also analyzed, based on the arrival times and their uncertainty as they were evaluated by human analysts as well as the corresponding signal to noise ratio of the seismic records. Finally, the seventh chapter concludes this work and possible future extensions are discussed.

Με την τομογραφία επιχειρείται η δημιουργία μιας εικόνας-τομής των ιδιοτήτων ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας μετρήσεις της ενέργειας που διαδόθηκε μέσω του αντικειμένου, σε δέκτες στην περιφέρειά του. Έχει αποδειχθεί ότι ένα αντικείμενο είναι δυνατόν να απεικονισθεί με ακρίβεια από ένα πλήρες σύνολο περιμετρικών προβολών του. Η τομογραφική ανάλυση είναι δυνατό να γίνει αξιοποιώντας κυματική ενέργεια που έχει διαδοθεί μέσω του υπό μελέτη αντικειμένου (ακτινική τομογραφία) ή προέρχεται από ανάκλαση, περίθλαση κ.ο.κ. σε ανομοιογενή τμήματα του αντικειμένου (περιθλαστική τομογραφία). Στην παρούσα εργασία γίνεται πειραματική εφαρμογή της μεθόδου της σεισμικής τομογραφικής απεικόνισης σε αρχαιολογικά προβλήματα, όπως στην ανίχνευση αρχαιολογικών αντικειμένων στο υπέδαφος ή σε περιβάλλον τεχνητών λόφων (τύμβων -ταφικών μνημείων). Η εφαρμογή αυτή συνιστά ενδιαφέρουσα πρόκληση λόγω του ιδιαίτερα ανομοιογενούς περιβάλλοντος στο οποίο επιχειρείται η ανίχνευση των αντικειμένων καθώς και των μικρών γενικά, αλλά και συχνά απροσδιόριστων, διαστάσεων των αντικειμένων αυτών. Ο μη καταστρεπτικός χαρακτήρας της εφαρμογής είναι ιδιαίτερα ευνοϊκός και αποδεκτός στην αρχαιολογική έρευνα, τόσο σε αναγνωριστικό όσο και σε ανασκαφικό/ σωστικό επίπεδο. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι αρχές και το θεωρητικό μέρος της τομογραφικής μεθοδολογίας, με ιδιαίτερη αναλυτική αναφορά στις δύο κύριες μεθόδους ανασύνθεσης των χαρακτηριστικών του εσωτερικού του ερευνώμενου μέσου (χώρου), την ακτινική τομογραφία και περίθλασης, καθώς και τις σχετικές τεχνικές και αλγόριθμους αντιστροφής. Τέλος γίνεται εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας σε 3 διαστάσεις, σε σεισμικές καταγραφές από αρχαιολογικούς-μνημειακούς χώρους, με τη χρήση του αλγόριθμου SIRT (τεχνική ταυτόχρονης επαναληπτικής ανασύνθεσης). Τα δεδομένα ήταν χρόνοι πρώτης άφιξης καθώς και πλάτη σε μια περίπτωση. Kατά την εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας, γίνονται δοκιμές ρύθμισης των παραμέτρων και μεταβλητών κατά τη διαδικασία της αντιστροφής, ώστε να διερευνηθεί η επίδρασή τους στο αποτέλεσμα. Επίσης, διερευνάται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου με κατασκευή μοντέλων με βάση πληροφορίες για τους χώρους έρευνας, υπολογισμό συνθετικών χρόνων και αντιστροφή των συνθετικών χρόνων για σύγκριση με τα αποτελέσματα των πραγματικών χρόνων και εξαγωγή συμπερασμάτων. Λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία από τις ανωτέρω δοκιμές, επιλέγονται τελικές τιμές παραμέτρων για την αντιστροφή των πραγματικών δεδομένων και γίνεται αξιολόγηση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Γίνεται επίσης δοκιμαστική εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας / ενίσχυσης εικόνας στα αποτελέσματα της αντιστροφής, για την ενίσχυση κυρίως των μικρών, τοπικών, μεταβολών της σεισμικής ταχύτητας και την πληρέστερη απεικόνιση των χώρων έρευνας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την έρευνα του προϊστορικού οικισμού Παλαμαρίου Σκύρου, του χώρου θεμελίωσης του Καθολικού (Ναού) της Ι.Μ. Δαφνίου Αττικής, του εσωτερικού του τεχνητού λόφου – πιθανού τύμβου Καστά Μεσολακκιάς Σερρών και των νεκροταφείων της περιοχής Chatby της Αλεξάνδρειας Αιγύπτου. / With tomography is attempted the creation of an image – slice of the internal properties of a medium / object with use of measurements of the energy which was transmitted through the medium, at receivers on the outside of it. It has been proved that a medium can be imaged with precision by a set of perimetric projections. Tomographic analysis is possible by employing wave energy that has been transmitted through the medium under investigation (ray tomography) or has been reflected or diffracted at various inhomegeneities within the medium (diffraction tomography). In the present study, an experimental application of the seismic tomographic imaging method is made in the field of archaeological exploration, such as detection of archaeological remains in the subsurface or in artificial hills (tumuli). The application poses an interesting challenge, because of the highly inhomogeneous environment where the detection is tried and the small and unknown, in general, dimensions of the target objects. The non-destructive character of the application makes it quite attractive and acceptable in archaeological exploration, both at reconnaissance and later stages of excavation. The principles and theoretical foundations of the tomographic methodology are presented, with particular reference to the two main methods of reconstruction of the internal character of the investigated medium and included objects, that is ray and diffraction tomography, as well as the relevant inversion techniques and algorithms. Finally, an application of ray tomography on seismic recordings from archaeological / monumental sites is made, with use of the simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT). In the application of ray tomography, adjustment tests of inversion parameters and variables are made, in order to study their effect on the inversion result. The effectiveness of the method and of the algorithm is investigated with the aid of synthetic models based on possible information from the test sites and the bibliography. Using the models as starting models, synthetic travel times are calculated and are then inverted, while the resulting image is compared with the synthetic starting model and conclusions are drawn. Based on the results of the above tests, final parameter values are set for the inversion of real field data and an assessment and an interpretation of the results is made. Image processing and enhancement is applied to the resulting tomograms, in order to enhance and clarify the small (hidden) variations of seismic velocity, which may reflect important subsurface information, mainly related to particular archaeological targets. There are presented the results from the investigation of the subsurface of a part of the prehistoric settlement of Palamari (Skyros isl., Greece) of the foundations of the church of Dafni Monastery (Attica, Greece), of the interior of the artificial hill / possible tumulus at Kasta Messolakia (Serrae, Greece) and of the subsurface of the cemeteries of Chatby area (Alexandria, Egypt).