Anàlisi temps-freqüència de l’estat de polarització del senyal magnetotel·lúric = Polarisation analysis of the magnetotelluric signal in the time-frequency domain

Abstract

El mètode magnetotel·lúric (MT) és una tècnica geofísica que proporciona la distribució de la resistivitat elèctrica en el subsòl a partir de les fluctuacions temporals del senyal electromagnètic (EM) natural mesurades a la superfície terrestre. El senyal MT sovint esdevé contaminat per soroll EM d’origen antropogènic (soroll cultural). La seva detecció i eliminació és un dels reptes actuals per millorar la qualitat de les respostes obtingudes amb el mètode MT. L’estudi de les característiques del senyal MT i del soroll cultural és un pas clau per poder diferenciar ambdós senyals i eliminar posteriorment el soroll.

En general el senyal MT no presenta un estat de polarització concret en el domini temps-freqüència (t-f), ara bé, algunes de les seves fonts naturals com les pulsacions geomagnètiques del tipus Pc3 o les ressonàncies Schumann es caracteritzen pel seu estat de polarització. En canvi, el soroll cultural sol estar polaritzat linealment en una direcció determinada a causa de la posició fixa de les seves fonts a l’espai. Tenint en compte que l’estat de polarització del senyal MT està estretament lligat a les característiques de les seves fonts, en aquesta tesi es proposa la seva anàlisi com a eina per identificar i caracteritzar algunes de les seves fonts naturals i les fonts de soroll cultural que el contaminen. Atès que tant el senyal MT com el soroll cultural són senyals variables amb el temps i presenten múltiples freqüències, s’ha considerat adient analitzar el seu estat de polarització en el domini temps-freqüència (t-f).

La principal contribució d’aquesta tesi és el desenvolupament, per primer cop, d’un mètode per analitzar l’estat de polarització del senyal MT en el domini (t-f) a partir de les sèries temporals dels camps elèctric i magnètic. S’han establert les bases teòriques del mètode, que permet obtenir els atributs de polarització d’ambdós camps en el domini (t-f) mitjançant la transformada wavelet, i s’ha implementat en un codi anomenat MTWAVELETS.

El mètode desenvolupat s’ha aplicat a l’anàlisi de nombroses sèries temporals MT mesurades a diferents localitzacions i que presenten o bé indicis de soroll cultural o bé indicis de la presència de senyals geomagnètics amb un estat de polarització determinat.

A partir de l’anàlisi de sèries temporals MT mesurades a Hontomín (Espanya) i a Lamezia Terme (Itàlia) s’ha detectat el soroll cultural creat per línies elèctriques, la circulació de trens per vies fèrries electrificades amb corrent continu, aerogeneradors i entorns industrials i urbans, i s’ha determinat la posició relativa d’aquestes fonts respecte els punts de mesura. S’ha caracteritzat el comportament que presenten l’amplitud i els atributs de polarització d’aquests senyals sorollosos en el domini (t-f), de manera que a partir d’ara pot identificar-se fàcilment la presència d’aquestes fonts contaminants a sèries temporals MT.

D’altra banda, l’anàlisi de dades mesurades a Tramutola (Itàlia) ha suggerit que les pulsacions geomagnètiques del tipus Pc3 són una de les causes de l’oscil·lació que presenten les respostes MT en aquest site en el domini (t-f). Així mateix, s’han detectat i analitzat els quatre primers modes de les ressonàncies Schumann a partir de sèries temporals MT mesurades a Huidobro (Espanya). L’anàlisi (t-f) dels seus atributs de polarització ha permès diferenciar aquest senyals geomagnètics de la resta del senyal MT.

La nova eina desenvolupada en aquesta tesi constitueix una aportació significativa per a l’anàlisi del senyal MT, ja que permet detectar i caracteritzar les seves fonts, ja siguin naturals o de soroll. Té nombroses aplicacions: en l’àmbit de la millora de les respostes MT per a la identificació del soroll cultural i de senyals geomagnètics que puguin alterar-les, i en l’estudi de la ionosfera i la magnetosfera per a la caracterització de senyals geomagnètics.

The magnetotelluric (MT) signal is usually affected by electromagnetic anthropogenic noise (cultural noise). At present, its detection and removal is one of the challenges to improve the responses of the MT method. The MT signal does not generally have a specific polarisation state in the time-frequency (t-f) domain. However, some of its natural sources such as Pc3 geomagnetic pulsations or Schumann resonances have characteristic polarisation properties. In contrast, cultural noise is usually linearly polarised in a certain direction due to the fixed location of its sources in space.

The major contribution of this thesis is the development, for the first time, of a method for polarisation analysis of the MT signal in the (t-f) domain. It is proposed as a tool to identify and characterise some of its natural sources and those of cultural noise. It provides the polarisation attributes of the MT signal in the (t-f) domain computed in terms of the wavelet transform, since both the MT signal and the cultural noise show time and frequency variations. The theoretical basis of the method has been established, and it has been implemented in a code named MTWAVELETS.

Cultural noise created by power lines, electrified DC railways, wind turbines and industrial areas has been detected and characterised from the analysis of MT time series acquired at Hontomín (Spain) and Lamezia Terme (Italy). The analysis of MT time-series from Tramutola (Italy) points to Pc3 pulsations as one of the causes of the oscillation of the MT responses in the (t-f) domain at this site. Moreover, the first four modes of the Schumann resonances were detected and analysed from MT time-series acquired at Huidobro (Spain).

The new tool developed in this thesis is a major contribution to the analysis of the MT signal since it allows detecting and characterising its sources, both natural and noisy. It has many applications: in the scope of improving the quality of the MT responses due to the identification of cultural noise and geomagnetic signals capable of altering them, and in the scope of the study of the ionosphere and the magnetosphere due to the characterisation of geomagnetic signals.