Towards monitoring of englacial and subglacial processes with seismic interferometry

The seismic signals from a broad range of glacier-related processes provide new and unprecedented views of fundamental processes in the cryosphere. At the same time, the past two decades have witnessed rapid advances in imaging and monitoring of the Earth's subsurface structure with ambient seismic noise through seismic interferometry. This master thesis investigates the glacier frictional basal sliding through seismic cross-correlation techniques (“seismic interferometry”). To this end, I explore a unique dataset from the Rhône Glacier in Switzerland, with seismic data recorded in boreholes just above the glacier bed. I follow ambient noise data processing steps defined by Bensen et al., 2007 in which is stated to elaborate pre-processing on single station to avoid computational time, to compute cross-correlation and then to assess the quality and consistency of the results. I first investigate the pre-processing methods applied to a single station such as downsampling, instrument response removal, three-dimensional rotation and filtering. Then I cross-correlate the station pair applying spectral whitening, 1-bit temporal normalization and I normalize the results. In the end, I complete the dataset analysis with MSNoise for borehole stations. I then calculate the normalized cross-correlations of ambient noise at the Rhone Glacier using surface and borehole stations. The obtained results indicate the existence of constant seismic energy originating from the glacier bed, characterized by low frequencies (<50Hz) to which I refer as “micro-tremor”. In addition, a preliminary analysis shows that the direction of the micro-tremor might be the same as the direction of asperities generating a stick-slip detected by Köpfli et al. in 2022. The micro-tremor is interrupted by the incidence of stick-slip tremors, which decreases the coherence of cross-correlations in low-frequencies and increase it in high-frequencies. This is due to the fact that high-frequency is exclusively affected by stick-slip tremors, whereas in low-frequencies, both micro-tremors and stick-slip tremors occur, leading to a reduction in coherence. The mechanism behind the generation of the micro-tremor can be caused by the slowly slipping portion of the Rhone Glacier base. A similar mechanism of tremor generation was identified in subduction zones. Further analysis is needed to assess if the previously found stick-slip tremor and the newly found micro-tremor are the results of the same process or are independent expressions of a common underlying seismic source. This thesis documents new seismic observations associated with the glacier basal processes and contributes to the growing body of ambient noise research in studying Alpine regions.

I segnali sismici provenienti da una vasta gamma di fenomeni relativi ai ghiacciai forniscono punti di vista dei processi fondamentali della criosfera nuovi e senza precedenti. Allo stesso tempo, negli ultimi due decenni sono stati fatti rapidi progressi nell'elaborazione di immagini e nel monitoraggio della struttura sotterranea della Terra, attraverso il rumore sismico ambientale e mediante interferometria sismica. Questa tesi di laurea investiga lo scivolamento basale per attrito del ghiacciaio tramite tecniche di cross-correlazione sismica ("interferometria sismica"). A tal fine, ho esplorato un dataset unico dal ghiacciaio del Rodano in Svizzera, utilizzando dati sismici registrati in fori di sondaggio appena sopra il fondo del ghiacciaio. Ho seguito le linee guida di elaborazione dei dati di rumore ambientale definite da Bensen et al., 2007, come il pre-processo di una singola stazione, il calcolo della cross-correlazione e quindi la valutazione della qualità e della coerenza dei risultati. In primo luogo, ho esaminato i metodi di pre-preprocesso applicati a una singola stazione, come il downsampling, la rimozione della risposta strumentale, la rotazione tridimensionale e la filtratura. Poi ho cross-correlato le coppie di stazioni applicando lo sbiancamento spettrale, la normalizzazione temporale a 1 bit e ho normalizzato i risultati. Questo è stato eseguito per 30 giorni di dati e per tutte le stazioni alla base del ghacciaio con il pacchetto di Python MSNoise. Ho quindi calcolato le cross-correlazioni normalizzate del rumore ambientale sul ghiacciaio del Rodano utilizzando stazioni di superficie e di foro di sondaggio. I risultati ottenuti indicano l'esistenza di energia sismica costante, proveniente dal fondo del ghiacciaio e caratterizzata da basse frequenze (<50 Hz), a cui ho attribuito il termine "micro-tremore". Inoltre, un'analisi preliminare mostra che la direzione del micro-tremore potrebbe essere la stessa delle asperità che generano dei tremori di scorrimento rilevati da Köpfli et al. nel 2022. Il micro-tremore viene interrotto dall'incidenza di tremori di scorrimento, che diminuiscono la coerenza delle cross-correlazioni a basse frequenze e la aumentano nelle alte. Ciò è dovuto al fatto che le alte frequenze sono esclusivamente influenzate da tremori di scorrimento, mentre alle basse frequenze si verificano anche i micro-tremori, causando una riduzione della coerenza. Il meccanismo alla base della generazione del micro-tremore può essere causato dalla porzione del fondo del ghiacciaio che scivola lentamente. Un meccanismo simile di generazione di tremori è stato identificato nelle zone di subduzione. Ulteriori analisi sono necessarie per confrontare le similitudini e differenze della natura del tremore di scorrimento e del micro-tremore. Questa tesi documenta le nuove osservazioni dal punto di vista sismico associate ai processi alla base dei ghiacciai e contribuisce alla crescita nel campo di rumori ambientali dello studio delle regioni alpine.