This study explores the feasibility and limitations of using Rayleigh wave (Rg) ellipticity for noise-based seismic monitoring at near-surface depths (4–70 m). We use the degree of polarization (DOP) method to extract the Rayleigh wave ellipticity from seismic noise recordings, employing normalized cross-correlation and cross-covariance coefficients to quantify ellipticity variations over time. Synthetic models and field data from three distinct case studies—Garner Valley, California; Riotinto mine, Spain; and the 2011 submarine volcanic eruption on El Hierro Island, Canary Islands—validate our approach. In these field applications, our method effectively tracks the seasonality of the shallow groundwater levels in Garner Valley, monitors pore pressure variations at the tailings dam of Riotinto mine, and detects volcanic induced changes on El Hierro, demonstrating robust performance even with variable noise sources. Our results indicate that Rayleigh wave ellipticity is a versatile tool for subsurface monitoring, capable of detecting velocity changes across a broad depth range. Our methodology represents a new independent and non-interferometric approach that enhances the detection of subsurface changes while improving resolution and exploration depth in seismic monitoring techniques.

中文翻译：

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环境噪声中的瑞利波椭圆度：一种监测近地表地震速度变化的实用方法


本研究探讨了使用瑞利波 （Rg） 椭圆度在近地表深度 （4-70 m） 进行基于噪声的地震监测的可行性和局限性。我们使用极化度 （DOP） 方法从地震噪声记录中提取瑞利波椭圆度，采用归一化互相关和互协方差系数来量化椭圆度随时间的变化。来自三个不同案例研究的合成模型和现场数据 — 加利福尼亚州加纳谷;西班牙 Riotinto 矿;以及 2011 年加那利群岛 El Hierro 岛的海底火山喷发——验证了我们的方法。在这些现场应用中，我们的方法有效地跟踪了 Garner Valley 浅层地下水位的季节性，监测了 Riotinto 矿尾矿坝的孔隙压力变化，并检测了 El Hierro 上的火山引起的变化，即使在可变的噪声源下也表现出强大的性能。我们的结果表明，瑞利波椭圆度是一种用于地下监测的通用工具，能够在很宽的深度范围内检测速度变化。我们的方法代表了一种新的独立和非干涉测量方法，它增强了对地下变化的检测，同时提高了地震监测技术的分辨率和勘探深度。