Tsarsitalidou, Christina2025-10-132025-10-132025-11-07978-952-84-1595-4http://hdl.handle.net/10138/602588Seismic imaging investigates Earth’s structure by using waves that propagate along the surface or through the body of the Earth. In passive seismology, the most common approach is seismic tomography and it is based on wave propagation between a source and a receiver. Earthquake waves and waves reconstructed from ambient-noise correlations are commonly used in seismic tomography, which so far has provided high-resolution images of the Earth. This thesis investigates an alternative imaging method, the Rayleigh-wave focal spot imaging, and aims to establish it as a complementary ambient-noise imaging method in dense-array applications. Focal spot imaging is a correlation-based approach and, in contrast to ambient-noise tomography, does not use propagating Rayleigh waves to estimate the velocity structure from the solution to a complex inverse problem, but instead it is based on the properties of the focal spot, the local spatial autocorrelation field. From the equivalence of the correlations and the time reversal, the focal spot is the interference pattern formed from the refocusing of far-field waves. The focal spot size and shape follows a Bessel function that is controlled by the local medium properties, and it is a proxy of the seismic wavelength. We estimate the fundamental-mode Rayleigh-wave phase velocity by parameterizing focal spots with homogeneous Bessel-function models developed using the isotropic or anisotropic assumption under the SPAC framework. Importantly, we use only data distances up to 1.5λ, which allows us to explore longer-period waves than those accessible in dense-array ambient-noise tomography. This thesis consists in two continental-scale seismic focal spot imaging applications, the USArray and AlpArray, which are supported by two numerical studies on the sensitivity and resolution power of the method. The numerical tests evaluate the accuracy of phase velocity estimates from focal spots in the presence of biasing wavefield components, such as P-wave energy and anisotropic background illumination, and assess the lateral resolution achieved by applying the homogeneous model to heterogeneous media. The results indicate that higher focal spot quality allows for reliable velocity estimation using shorter data ranges, whereas suboptimal surface wavefields require longer distances to achieve comparable accuracy. Guided by the numerical studies, the two seismic applications provide imaging results that demonstrate the effectiveness of the method even in the case of a non-optimal surface wavefield. The phase velocity maps obtained through focal spot imaging reveal features that correlate well with noise tomography results at short periods and with earthquake tomography at longer periods. Extending the Rayleigh-wave analysis, the inversion for the shear-wave velocity model suggests that focal spot imaging results can be used to resolve the 3D Earth structure. In conclusion, this thesis investigates the strengths and limitations of the focal spot imaging method in the context of dense seismic datasets. It introduces an innovative approach to probe the medium at a local scale, enhancing current seismic imaging capabilities by improving the vertical and lateral resolution of surface-wave tomography.Seisminen kuvantaminen tutkii maapallon rakennetta käyttämällä aaltoja, jotka etenevät maapallon pinnalla tai sen sisällä. Passiivisessa seismologiassa yleisin kuvantamismenetelmä on seisminen tomografia, joka perustuu aaltojen etenemiseen lähteen ja vastaanottimen välillä. Seismisessä tomografiassa käytetään yleisesti maanjäristysaaltoja ja ympäristön taustakohinan korrelaatioista rekonstruoituja aaltoja, jotka ovat tuottaneet korkean resoluution kuvia maapallosta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan vaihtoehtoista kuvantamismenetelmää, Rayleigh-aaltoja hyödyntävää Focal spot -kuvantamista, ja pyritään vakiinnuttamaan se täydentävänä seismiseen taustakohinaan perustuvana kuvantamismenetelmänä tiheän asemaverkon sovelluksissa. Toisin kuin vakiintuneemmissa lähestymistavoissa, Focal spot -kuvantamisessa ei käytetä eteneviä aaltoja nopeusrakenteen arvioimiseen, vaan se perustuu pisteeseen tarkentuvien aaltojen interferenssikuvion (focal spot) ominaisuuksiin. Seismisen aallon nopeus arvioidaan kunkin seismisen aseman kohdalla käyttämällä muiden lähellä olevien asemien dataa. Tämä väitöskirja koostuu kahdesta mantereenlaajuisesta Focal spot -kuvantamissovelluksesta, jotka ovat USArray ja AlpArray. Sovelluksia tukee myös kaksi numeerista tutkimusta menetelmän herkkyydestä ja erottelukyvystä. Numeeriset kokeet osoittavat, että korkeampi Focal spot -datan laatu mahdollistaa nopeuden luotettavan arvioinnin käyttämällä vain lähimpiä asemia. Heikommat pinta-aaltokentät taas vaativat myös kauempana olevien asemien dataa vastaavan tarkkuuden saavuttamiseksi. Menetelmän tehokkuus osoitetaan kahdella seismisellä sovelluksella, joista saadut nopeuskartat ovat yhdenmukaisia vakiintuneiden tomografisten menetelmien tulosten kanssa. Yhteenvetona tämä väitöskirja tutkii Focal spot -menetelmän vahvuuksia ja rajoitteita tiheiden seismisten asemaverkkojen kontekstissa. Se esittelee innovatiivisen lähestymistavan, jolla voidaan tutkia ympäristöä paikallisessa mittakaavassa, täydentäen nykyisiä seismisiä kuvantamismenetelmiä parantamalla pinta-aaltotomografian pysty- ja vaakasuoraa resoluutiota.application/pdfengJulkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.seismologyURN:ISBN:978-952-84-1595-4ArtikkeliväitöskirjafulltextDoctoral Programme in GeosciencesGeotieteiden tohtoriohjelmaDoktorandprogrammet i geovetenskap1171 Geotieteet1171 Geovetenskaper1171 Geosciences