Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Динамическая калибровка сейсмических станций Международной системы мониторинга ядерных испытаний по данным естественной сейсмичности

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Динамическая калибровка сейсмических станций Международной системы мониторинга ядерных испытаний по данным естественной сейсмичности"

На правах рукописи

КЕДРОВ Эрнест Олегович

Динамическая калибровка сейсмических станций Международной системы мониторинга ядерных испытаний по данным естественной сейсмичности

Специальность 25 00 10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003069293

Работа выполнена в Геофизическом центре Российской академии наук (ГЦ РАН), г Москва

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук НА Сергеева (ГЦ РАН)

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук AB Николаев (ИФЗ РАН),

доктор физико-математических наук В Г Кособоков (МНТП РАН)

Ведущая организация:

Научно-исследовательский центр специального контроля ФГУ 12 ЦНИИ МО РФ, г Москва

Защита состоится « 24 » мая 200 7г в « 14.00 » часов на заседании

диссертационного совета К 002 001 02 при Институте физики Земли им О Ю Шмидта РАН по адресу 123995, ГСП-5, Москва Д-242, Б Грузинская ул , 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке, а так же на веб-сайте ИФЗ РАН по адресу http //www ifz ru/disser councilsjr htm

Автореферат разослан « ¡S» 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

А Д Завьялов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе изложены результаты исследований автора по разработке оперативного метода динамической калибровки (МДК) станций Международной системы мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) с целью решения важной научной и практической задачи идентификации подземных ядерных взрывов (ПЯВ) и землетрясений в районах без предыстории ядерных испытаний

Рассмотрен также случай калибровки района, в котором имеются данные по регистрации одного-двух калибровочных взрывов и представительной выборки землетрясений

Актуальность работы

В диссертационной работе представлены результаты исследований автора по разработке алгоритма метода динамической калибровки сейсмических станций Международной системы мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) в районах, где не проводились ядерные испытания Выполнение данной работы связано с решением важной научной и практической задачи «Разработка методов идентификации подземных ядерных взрывов в районах земного шара без предыстории ядерных испытаний в интересах контроля соблюдения ДВЗЯИ», выполнявшейся в рамках государственного контракта № 240/65 от 19 марта 2004 г в интересах МО РФ

Рассмотрен также случай калибровки района, в котором имеются данные по регистрации одного-двух калибровочных взрывов и представительной выборки землетрясений

МСМ создана для обеспечения контроля ДВЗЯИ в любых средах (в воздухе, под землей и под водой) с помощью сейсмической и других геофизических сетей станций и Международного центра данных (МЦД)

Опыт работы прототипа МСМ показал, что эта система сможет обеспечить эффективный контроль ДВЗЯИ только после проведения специальной кинематической и динамической калибровок станций

Кинематическая калибровка сводится к уточнению времен пробега сейсмических волн и позволяет повысить точность оценки параметров гипоцентра явлений, обнаруживаемых МСМ Большой объем работ в этом направлении уже выполнен в рамках международных исследовательских программ

В частности, такие исследования были проведены для обширных территорий в Евразии с использованием данных по подземным ядерным взрывам и мирным ядерным взрывам, проводившимся в СССР, Индии и Пакистане, США, Китае и других районах мира

Динамическая калибровка позволяет выяснить частотно-временные особенности объемных и поверхностных волн, характерные для подземных ядерных взрывов (далее взрывов) и землетрясений в различных регионах земного шара, и она необходима для проведения надежной и эффективной идентификации явлений Исследования в этом направлении еще только начинаются

По мере того, как будут исследованы особенности условий распространения сигналов по различным трассам, в МЦД станет возможным проводить фильтрацию сейсмических явлений природного происхождения (землетрясений, горных ударов и т п )

при обеспечении нулевого пропуска явлений искусственного происхождения (различного типа взрывов, техногенных катастроф и т п )

Необходимость такой фильтрации явлений очевидна, поскольку огромный поток информации, поступающей в МЦД, создает значительные нагрузки при проведении комплексной обработки обнаруженных сигналов, в то время как явления естественного происхождения не представляют интереса при мониторинге ДВЗЯИ

Для проведения калибровки нужны данные о взрывах - параметры источника и сами записи сигналов в цифровой форме Частично эта проблема решается с использованием архива записей взрывов, проведенных на ряде испытательных полигонов, однако этих данных недостаточно, и в районах, где взрывы не проводились, в условиях запрещения ядерных испытаний, возникает необходимость проведения специальных калибровочных подземных химических взрывов

В то же время, осуществление таких калибровочных взрывов требует много времени и значительных финансовых затрат Поэтому вопросы использования диагностических критериев (дискриминантов), разработанных для районов, в которых имеется статистика по взрывам и землетрясениям, в других районах, где данные по взрывам отсутствуют, имеют важное значение и сейчас интенсивно исследуются

В работах О К Кедрова с соавторами предложен новый метод калибровки дискриминантов для регионов, где взрывы не проводились, путем адаптации их к базовому региону с использованием данных только по естественной сейсмичности

В качестве базового региона в этом методе используется стабильный платформенный район Евразии, включающий Семипалатинский испытательный полигон (СИП) в Казахстане и полигон Лобнор в Китае, оценки региональных критериев идентификации явлений в котором были получены по большим выборкам взрывов и землетрясений при разработке метода идентификации взрывов и землетрясений в Евразии

В диссертационной работе изложены результаты исследований автора по разработке алгоритма и исследовательской программы для метода динамической калибровки (МДК) сейсмических станций с целью идентификации явлений в районах без предыстории ядерных испытаний на основе метода, предложенного в работах [Кедров О К, 2001, Кедров О К идр , 2001, Кедров О К, Кедров Э О , 2003]

Дополнительно автором разработаны алгоритм и исследовательская программа для спектрально-временного метода (СВМ) идентификации сейсмических явлений в диапазоне расстояний 15^10° для случаев, когда в исследуемом районе имеются данные регистрации одного-двух калибровочных взрывов и представительной выборки землетрясений Необходимость использования этого диапазона расстояний обусловлена малой плотностью сети станций МСМ в ряде районов мира, недостаточной для надежной идентификации ПЯВ и землетрясений по данным только с региональных расстояний (Д< 15°)

Актуальность задачи, решаемой в диссертационной работе, таким образом, заключается в разработке новых алгоритмов и программ калибровки станций МСМ, обеспечивающих эффективный контроль ДВЗЯИ в регионах, где ранее взрывы не проводились, по данным естественной сейсмичности (без привлечения специальных химических калибровочных взрывов)

Цель работы

Основная цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритма и исследовательской программы для МДК по данным естественной сейсмичности, обеспечивающей идентификацию взрывов и землетрясений на станциях МСМ в диапазоне расстояний 5-40° в районах, где взрывы не проводились

Дополнительно в диссертации разработан алгоритм и исследовательская программа спектрально-временного метода (СВМ) идентификации взрывов и землетрясений на эпицентральных расстояниях 15-40° для случая, когда в регионе имеются данные по одному-двум калибровочным взрывам и представительная выборка данных по землетрясениям Необходимость использования этого диапазона расстояний обусловлена малой плотностью сети станций МСМ в ряде районов мира, которая оказывается недостаточной для надежной идентификации ПЯВ и землетрясений В ходе работы решались следующие основные задачи

• разработка алгоритма и исследовательской программы МДК на отдельной станции для региона, в котором взрывы не проводились,

• оценка эффективности калибровки и идентификации явлений для отдельных трасс источник-станция,

• сравнение калибровочных коэффициентов ¿>д для дискриминантов в зависимости от особенностей геолого-тектонического строения на разных трассах источник-станция,

• составление алгоритма и программы СВМ для идентификации явлений по корот-копериодным волнам Р в диапазоне расстояний 15-40° в регионе Центральной Азии для случая, когда в регионе имеются данные по одному-двум взрывам и землетрясений

Научная новизна

В диссертационной работе разработан алгоритм и исследовательская программа для нового метода динамической калибровки станций по отношению к районам, где взрывы не проводились, основанный на использовании данных только по естественной сейсмичности Этот метод позволяет проводить идентификацию региональных явлений в любом сейсмоактивном регионе земного шара по набору дискриминантов во временной и частотной областях путем адаптации их к базовому региону с известными характеристиками записей взрывов и землетрясений

Метод калибровки дискриминантов и распознавания взрывов и землетрясений по сейсмическим записям на региональных расстояниях для районов, где не проводились ядерные взрывы и, который бы базировался только на данных по естественной сейсмичности в этих районах рассматривается впервые

Основные защищаемые положения

1 Разработан алгоритм и исследовательская программа МДК с использованием данных по естественной сейсмичности для районов, где не проводились взрывы

2 С использованием МДК проведена идентификация двух взрывов в Индии и Пакистане, подтверждающая правомерность данного метода калибровки станций МСМ по данным естественной сейсмичности

3 Экспериментальные оценки показывают, что МДК обеспечивает высокую эффективность идентификации сейсмических сигналов природного происхождения (порядка 95%), что согласуется с оценками для метода идентификации явлений в Евразии

4 Показано наличие связи между условиями распространения сигналов по различным трассам источник-станция и величиной калибровочных коэффициентов затухания для всех используемых в диссертации дискриминантов

5 Разработан алгоритм и исследовательская программа спектрально-временного метода идентификации явлений по Р-волнам в диапазоне расстояний 15-40° для районов, в которых имеются данные по одному-двум калибровочным взрывам

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты по разработке метода и алгоритма динамической калибровки сейсмических станций МСМ приняты для внедрения в Национальном центре данных РФ и будут использованы в оперативной работе при контроле Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

Апробация работы и публикации

Работа и ее результаты неоднократно обсуждались на научных семинарах в Геофизическом центре РАН Наряду с этим результаты работы докладывались на ученом совете ГЦ РАН

По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатные работы, а также результаты отражены в 3-х научных отчетах ГЦ РАН

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы, содержит 72 страницы машинописного текста, включая 30 рисунков и 35 таблиц Список литературы содержит 43 библиографических наименований

Приложение имеет 5 разделов (А - Е) и состоит из 35 страниц машинописного текста, включая 23 таблицы и 6 рисунков

Работа выполнялась в Геофизическом центре Российской академии наук под руководством канд физ -мат наук Н А Сергеевой

Личный вклад автора

Алгоритмы

Автором разработаны

• алгоритм и исследовательская программа для МДК для заданных трасс распространения сейсмических сигналов источник-станция в районах без предыстории ядерных испытаний,

• способ совмещения гистограмм дискриминантов, позволяющий автоматизировать всю процедуру калибровки в условиях отклонения экспериментальных гистограмм от нормального закона распределения,

» алгоритм и исследовательская программа для СВМ идентификации явлений по .Р-волнам в диапазоне расстояний 15-403 при наличии в исследуемом районе данных по калибровочным взрывам

Обработка и анализ экспериментальных данных

Автором проведена калибровка 5 станций МСМ по записям землетрясений из ряда эпицентральных районов в Центральной Азии и идентификация явлений из этих районов с использованием калибровочных коэффициентов, адаптирующих дискриминанты к базовому региону

Вопросы методического характера

Автором проанализирован весь полученный экспериментальный материал по калибровке пяти станций МСМ и выявлена зависимость между величиной коэффициентов затухания дискриминантов и геолого-тектоническими особенностями трасс распространения сигналов источник-станция Показано, что при наличии сходных по условиям распространения сигналов трасс источник-станция, допустимо калибровку проводить по суммарным данным для таких трасс

Благодарности

Автор выражает свою признательность научному руководителю диссертации канд физ-мат наук Н А Сергеевой и член-корр РАН, д-ру физ-мат наук, проф А Д Гвишиани за постоянное внимание и поддержку проводимых исследований, член-корр РАН, д-ру физ-мат наук, проф Г А Соболеву за интерес, проявленный к данной работе

Автор благодарен В Р Гордону, В В Якушевичу и А Б Пешкову за предоставление данных из МЦД в Вене по всем станциям МСМ, данные с которых использовались в диссертационной работе, Л П Забаринской за предоставленные данные по первичной обработке сигналов с ряда станций МСМ

Кроме того, автор искренне признателен сотрудникам ГЦ РАН С М Агаяну, Ш Р Богоутдинову, А Е Березко, А А Соловьеву и др за помощь в процессе работы над диссертацией

Особую благодарность автор выражает О К Кедрову за помощь в постановке темы диссертации и консультативную поддержку

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, основные защищаемые положения, оценена практическая значимость, представлена структура работы и ее апробация

Глава 1. Обзор предшествующих исследований

В период 1976-1996 гг Специальной группой научных экспертов (ГНЭ) Конференции по разоружению ООН в Женеве была разработана научно-техническая концепция Международной системы мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) В СССР, и впоследствии, в России, эта работа проводилась под эгидой Академии наук

МСМ создана для обеспечения контроля запрещения ядерных взрывов в любых средах (в воздухе, под землей и под водой) с помощью сейсмической, гидроакустической, радионуклидной и инфразвуковой сетей станций и Международного центра данных (МЦД) Сейсмическая сеть МСМ включает 50 первичных станций и групп, используемых для обнаружения и оценки параметров источника явлений в реальном времени,

и 120 вспомогательных станций, данные которых позволяют уточнять параметры очага явлений, обнаруженных первичной сетью

Несмотря на то что МСМ еще находится в стадии пробной эксплуатации и доос-нащения, уже сейчас очевидно, что создание этой системы является крупнейшим научно-техническим достижением международного сообщества ученых и специалистов в области контроля ядерных испытаний и фундаментальных наук о Земле и возможности ее применения далеко выходит за рамки контроля ДВЗЯИ

Уже сейчас МСМ, работающая на неофициальной основе, позволяет обнаруживать в любом регионе Земли в сутки порядка 65 сейсмических явлений с магнитудой ть> 3 5, а ЯЕВ содержит существенно большую информацию по сравнению с публикуемой в других бюллетенях мировых и национальных сейсмологических центров

Однако, как показал опыт работы прототипа МСМ, без специальной калибровки, локализация явлений продолжает проводиться с большими ошибками Поэтому главная задача, которую следует решить, чтобы обеспечить эффективную работу МСМ, является кинематическая и динамическая калибровки параметров сейсмических сигналов, регистрируемых на станциях МСМ

Кинематическая калибровка сводится к уточнению времен пробе1 а сейсмических волн и позволяет повысить точность оценки параметров гипоцентра явлений, обнаруживаемых МСМ Большой объем работ в этом направлении уже выполнен в рамках международных исследовательских программ

Динамическая калибровка позволяет выяснить частотно-временные особенности объемных и поверхностных волн, характерные для подземных ядерных взрывов (ПЯВ) в различных регионах земного шара, и исследования в этом направлении еще только начинаются

Для проведения калибровки нужны данные о взрывах с точно известными параметрами источника Частично эта проблема решается с использованием архива записей ПЯВ, проведенных на ряде испытательных полигонов в США, СССР, Франции, Китае, Индии и Пакистане, подземных ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях (МЯВ), а также мощных химических взрывов, проводившихся при сейсморазведочных работах

Однако этих данных недостаточно, и в районах, где взрывы не проводились, возникает необходимость проведения специальных калибровочных подземных химических взрывов В то же время, осуществление таких взрывов требует много времени и значительных финансовых затрат Поэтому вопросы использования диагностических критериев (дискриминантов), разработанных для районов, где имеется статистика по ПЯВ и землетрясениям, на другие районы, где данные по ПЯВ отсутствуют, сейчас интенсивно исследуется

В частности, для нахождения региональных поправок к динамическим и кинематическим параметрам сейсмических сигналов применяется интерполяционный метод Крайга, позволяющий оценивать дискриминанты в заданном регионе для станций, на которых не было наблюдений по взрывам, используя данные других станций в этом регионе, имеющих такие данные

Однако точность прогноза существенным образом зависит от наличия в регионе калибровочных данных по взрывам Если такие данные в регионе отсутствуют, тогда для расчетов используются среднемировые данные по ПЯВ из всех регионов, имеющих

сходное геолого-тектоническое строение В результате существенно снижается точность прогноза В этом заключается главное ограничение данного метода

В работах [Кедров и др, 2001, Кедров, 2001, КедровОК, Кедров Э 0 , 2003] рассмотрен новый метод калибровки, базирующийся на данных естественной сейсмичности в исследуемом регионе, не требующий проведения специальных химических взрывов

Метод разработан для калибровки региональных дискриминантов по землетрясениям в регионах, где взрывы не проводились Для калибровки используются дискриминанты во временной и спектральной областях, полученные по записям ПЯВ и землетрясений в Евразии [Кедров, Люкэ, 1999]

Спектральные дискриминанты Gyjt представляют собой отношения сумм спектральных амплитуд А, в логарифмической форме Gjk = \g(S/Sk), где S - суммы спектральных амплитуд, вычисляемые в трех частотных полосах 1)0 3-0 6 Гц, 2) 1 3-3 0 Гц и 3) 3 0-6 0 Гц, j и k - соответственно низкочастотная и высокочастотная полосы спектра

В данной работе использовались два спектральных параметра Gj i и G);3 Во временной области используются дискриминанты lg (S/P) и lg(LR/P) - отношения максимальных амплитуд в цугах поперечных, поверхностных и продольных волн

В окончательной форме региональные дискриминанты формируются в виде, не зависящем от магнитуды явления тъ и эпицентрального расстояния А

D(S/P) = lg (S/P) - ¿^lg А, (1)

D(L1UP) = lg (LR/P) - amrnb - йд lg Д, (2)

D(Gi 2) = lg.S', - am\ mb-lg.S'2 + am2 mb - ¿>ülgA, (3)

D(Gi 3) = lgSi-amXmb- lgS3 + атЪ mb - 6ДlgA, (4)

где am, am\, am2, am3 и bA - регрессионные коэффициенты зависимостей параметров от «¿иД(табл 1)

Приведенные в табл 1 значения коэффициентов ат и ЬА показывают, что параметр D(S/P) зависит только от расстояния, а параметры D(LRJP), D(Git2) и Z)(Glj3) - и от магнитуды, и от расстояния Однако возможность применения данных дискриминантов в другом регионе зависит от того, насколько сильно отличается исследуемый регион (ИР) по геолого-тектоническому строению от базового региона (БР)

В качестве БР выбран регион Евразии, метод идентификации явлений в котором был разработан по большим выборкам взрывов и землетрясений и может рассматриваться как весьма надежный

Кроме того, этот регион характеризуется устойчивыми платформенными структурами, имеющими высокую добротностью среды, что позволяет его рассматривать как эталон при сравнении с другими, менее эффективными с точки зрения распространения сейсмических волн, регионами мира

С учетом наблюдаемой волновой картины общий интервал расстояний 5-40° первоначально подразделялся на три зоны 1 - 500-1500 км, 2 - 1500-2500 км, 3 - 25004000 км Однако с учетом относительно небольшого числа данных по взрывам на расстояниях более 1500 км было принято подразделение на две зоны 1 - 500-1400 км и 2 -1500 -4000 км

Таблица 1 - Значения нормирующих коэффициентов ат и Ьл для

Дискриминанты Зона расстояний (тыс. км) ЧИСЛО ДОННЫХ Евразия (Станция ВР.\'К)

ГИБ земл. Ощ К

СКЗ/Р) 0.5+1.5 158 106 0 -2.15 ±0.30

Ш3.5 65 204 0 -0.95 ±0.50

¡ХШР) 0.5+] 5 214 70 0.32 ± 0,08 -0.8.1 ± 0.47

1.5+3.5 67 53 0.46 ±0.15 -0.98 ± 0.80

а., а „5,

О<013) 0.5+4.0 142 203 1.25 ±0.06 1.02 ±0.06 1 21 ±0 15

Щ}13) 0.5+4.0 ИЗ 202 1.25 ±0.15 0.35 ± 0.07 2 10±0.14

В графической форме гистограммы дискриминантов Щ5/Р), 0(1Н/Р), 0(0и О(01 з) для взрывов и землетрясений и соответствующие им функции частных условных вероятностей Р„ для регнона Евразии, полученные в работе [Кедров и др., 1990], показаны на рис. 1

Л

и 1)1 и <М*>1

Ц и Ц^'П

ими (Ш^

| Н |[ 1Н »ни

В* ш N

*Л АЛ " '

-'* « -О «!= ^ V Щ о1

Рис. 1 - Гистограммы дискриминантов /5(ЛУР), Р(1И]Р), и 0((ги?) для взрывов и земле-

трясений и соответствующие функции частных условных вероятностей Л/ для региона Евразии

Глава 2. Алгоритм метола динамической калибровки станций МСМ по данным естественной сейсмичности в районах, где ке проводились ядерные испытания

Во второй главе диссертации рассматриваются алгоритм и программная реализация МДК ла основе анализа большой выборки экспериментальных данных регистрации на пяти станциях МСМ региональных землетрясениях из четырех районов в пределах Центральной Азии.

Блок-схема, иллюстрирующая процедуры обработки данных при проведении калибровки МСМ по предлагаемому методу, приводится на рис. 2.

Составление выборки данных для заданной станции яа ИР 1га( » 3.5; 300 * А < 4000 км; >1« 70 км)

; - ■ . V - ; П ера*чи*я обработиа

Сгактральилч облмтъ

(спаир« Р-мяш)

Архив данных МЦД

{цифровые записи.

Временная область.

(максим&гыЕыв &мппм1уД1й р-, а-и^ъоп,)

вычисление дн£кр«чии#нгов «вцЬ Чви), Щ&Р)и ОЦКР) при использовании длн БР

X

Вычисление тстофзмм дискрныннантоо

СЦЙ,.,), ЧвцЬ И СЦ1Й!Р)

при использовании Ь, Для И»

- \

Архив данных БР

(гистограммы О, коэффициенты £>л таблицы функции яу

Вычисление для дискриминантов {ЦОД ЕК^Д 0<ЯР)и ЩЯЮ) в ИР

Вычисление дискриминантов щв,,), Щ$1Р) и ИШР)

при использоеании для ИР

_б-----

Преобразование ИйА н ЩШР))

вероитнетную форму

Идентификация типе явления в ИР-

Рис, 2. Блок-схема обработки сейсмических данных с целью динамической калибровки ст анций МСМ и идентификации явлений в районах без предыстории ядерных испытаний

Ниже приводятся основные этапы обработки в соответствии с данным алгоритмом:

• по представительной выборке землетрясений в архиве МЦД из ИР вычисляются спектры /'-волн и максимальные амплитуды волн Р, 8 н 1Л во временной области, необходимые для формирования дискриминантов щ во временной и спектральной областях;

■ вычисляются дискриминанты О, с использованием нормирующих коэффициентов ат и 6Д для ЬР;

• вычисляются гистограммы дискриминантов Ц и сравниваются с соответствующими гистограммами для БР;

» если гистограммы Д в ИР и БР совладают, идентификация явления проводится непосредственно с использованием вычисленных значений Д и вероятностных функций идентификации явлений Р„ для БР;

• если гистофаммы О, не совпадают, подбираются новые значения коэффициентов позволяющие скорректировать Д таким образом, чтобы они совместились в ИР

иБР;

» скорректированные значения Д используются для идентификации явления с применением вероятностных функций идентификации явлений Рд для БР

Метод базируется на следующих двух положениях

1) оценку коэффициента Ь& допустимо проводить по выборке землетрясений в ИР, поскольку его величина определяется свойствами среды и не зависит от типа источника (взрыв или землетрясение),

2) коэффициенты ат рассматриваются как постоянные для всех регионов Следует подчеркнуть, что предлагаемый метод не имеет ограничений по количеству и типу используемых дискриминантов

В диссертации для вычисления спектров Р-волн и максимальных амплитуд волн Р, S и LR , необходимых для формирования дискриминантов D, во временной и спектральной областях использовались программа «MSE1SMO» и пакет программ «Рабочее место сейсмолога» (РМС) Программа «MSEISMO» позволяет автоматически обнаруживать и обрабатывать вступления короткопериодных волн Р и S, по записям, отфильтрованным в заданной полосе частот Для волн Р и S используется фильтр 0 5-2 0 Гц Пакет программ РМС позволяет вычислять спектры волн, проводить частотную фильтрацию, СВАН и другие процедуры обработки цифровых сейсмических записей

Процедуры обработки сейсмического сигнала при калибровке трассы источник-станция рассмотрены на примере записи землетрясения из северо-западной части Китая на станции Куньмин (KMI) сети IRIS от 20 07 98 г (У„=01 05 57 8, ф=30 09<W, >.=88 18°£, ть=5 2, Н = 1533 км, Д = 1533 км) (рис 3) На данной записи показаны вступления волн Рп, Sn и LR из бюллетеня МЦД

Станция KMI имеет стандартное для IRIS оборудование ШП 3-К сейсмометр STS-1, имеющий амплитудно-частотные характеристики, линейные по скорости в полосе частот 0 06—7 0 Гц на уровне 3 дБ и чувствительность канала - 5 69 отсч/нм на 1 Гц

Рис. 3. Запись зе\пегрясения из Пакистана от 20 07 98 г на станции КМ1 (ть = 5 2, А = 1533 км)

2.1 Обработка сигналов в спектральной и временной областях

Вычисляется амплитудный спектр волны Р по 30-секундному интервалу записи с учетом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) сейсмического регистрирующего канала

Измеряются максимальные амплитуды в группах волн Р и по сигналу, предварительно отфильтрованному в полосе частот 0 5-2 Гц (рис 4 и 5)

8

lo 1: и iñ 18 2е

0¡2SU0 П'.Г?".!

В табл 2 приводятся результаты измерений в полосе частот 0 5—2 0 Гц максимальных амплитуд волн Р и 5 (в отсчетах), скорректированных в интерактивном режиме, которые затем используются для вычисления дискриминанта ЩБ/Р)

Необходимость корректировки амплитуд обусловлена ошибками автоматического измерения периода волн программой «МвЕКМО», возникающими после фильтрации сигналов в полосе 0 5-2 0 Гц в тех случаях, когда на записи имеет место наложение разных частот колебаний

i Et Ы i ISO С? Оанпнв КМ1 I 1H) ? <*I> o? C»a»ittH*KMl

—-■т^'^-.v ¿

--- N4 Л* tv..» '

...... ..... FW

»1 ш»

Рис. 4. Запись вочн Р землетрясения от 20 07 98 г после фильтрации в полосе 0 5-2 Гц

'Ч С* п пю ВрСЧ*

Рис. 5. Запись волны S землетрясения от 20 07 98 г после фильтрации в потосе О 5-2 Гц

Таблица 2 - Результаты измерений Атлх в волнах Р и S по фильтру 0 5-2 0 Гц для сигнала от 20 07 98 г на ст KMI по программе «SEISMO»__

Тип Время вступления /imax Компонента Л™*. n

во-шы ч, мин, с отсч с

P 01 09 23,7 Z 1302 1 3

s 01 12 22,0 NS 960 1 8

Дискриминант ЩЫИР) основан на использовании максимальных амплитуды в волнах Р и ЬЯ с учетом АЧХ сейсмического канала Автоматическая оценка /1тах волны Р представляют собой нетривиальную задачу В диссертации она решена с использованием многоканальной октавной фильтрации записей

С учетом задачи обработки региональных сигналов для нахождения Атах в цуге волн Р и ЬВ. достаточно использовать пять октавных фильтров, охватывающих диапазон частот, соответственно, 0 5-4 0 Гц и 0 035 - 0 25 Гц (табл 3 и 4)

Результаты, представленные в табл 3 показывают, что значения максимальных амплитуды в волне Р, измеренной при фильтрации в полосе 0 5-1 0 Гц, (А = 285 нм) и в полосе 0 5-2 0 Гц (Атш = 297 нм) различаются несущественно

Таблица 3 - Обнар> жение максимальной ампдичл ды в волне Р для сигнала от 20 07 98 г на ст КМ1 при обработке по пяти октавным фильтрам_____

№/№ Тип волны Время А„„ Полоса фильтра, Гц "1тах1 ОТСЧ т, с ГО1

0 р 01 09 25 3 0 5-2 0 1302 1 3 297

1 р 01 09 23 5 0 5-1 0 1158 1 4 285

2 р 01 09 23 0 075-1 5 674 1 1 130

3 р 01 09 30 7 1 0-2 0 468 08 66

4 р 01 09 23 2 1 5-3 0 181 05 16

5 р 01 09 28 8 2 0-4 0 76 03 4

В табл 4 показаны результаты поиска максимальной амплитуды в волне ¿Д ^шах= 18857 нм по фильтру 0 05-0 1 Гц (рис 6)

Таблица 4 - Обнаружение максимальной амплитуды в волне 1,И для сигнала от 20 07 98 г на ст КМ1 при обработке по четырем октавным фильтрам

№/№ Тип волны Время АгаЛ Псгюеа фильтра, Гц ОТСЧ Т, с НМ

1 Ш 01 14 54 0 035-0 07 2443 155 6655

2 ЬН 01 14 45 0 05-0 1 9249 116 18857

3 т 01 15 41 0 08-0 16 12965 80 18228

4 ьн 01 И 38 0 1-02 11977 73 15366

, А , .

■^й'нУ'' г/^У -^лЛ—л/

I П

1

•^М I, 'V < Л'Ч

01П0С 0116110

Вт™

Рис. 6. Запись поверхностных волн землетрясения из Пакистана от 20 07 98 г при фильтрации сигнала в полосе 0 05-0 1 Гц

Таким образом, допустимо измерение амплитуд волн Р и ЬЯ проводить в автоматическом режиме с использованием набора октавных фильтров Этот вывод имеет важное значение для реализации методов калибровки и автоматизации процедур обработки данных в НЦД при осуществлении контроля ДВЗЯИ

2.2. Формат выдачи результатов первичной обработки сигналов

В результате первичной обработки сигналов на станции из исследуемого района в спектральной и временной областях создаются таблицы сейсмических параметров, которые используются далее для вычисления дискриминантов в форматах, показанных в табл 5 и 6 и на рис 7 и 8

Таблица 5. Формат вводимых данных для калибровки станции в спектральной области

Имя файна Д, Ий Амплшудхшй СПеКф Р-волны,

км вм/Гц

1 16006866 ЭР 2289 3.9 ............................................................

N 16317125.ЯР 1461 4.3 ...........................................................Ла

Рис. 7. Схематическое изображение вводимых файлов параметров сигналов в спектр&1ь-ной области (в). А1 - магниту да ть, А2 - расстояние Д, км, А - частоты, Гц, В - амплитудный спектр /'-волны. нм/Гц

Таблица 6. Формат вводимых данных для калибровки станции во временной области_________

Имя файла А, км СУГСЧ ОТСЧ им

) 1616!069.11а1 4 1 3044 3.8 1.3 8.3

2. 1Щ6Ю80.1Щ 4.3 3156 16,4 2.2 60.4

N 16161531.(]Щ 4.2 3146 7.2 2.3 7.8

16161363.«, <1 3.3 1.3 з.э

16161000 см ' 43 3156 16.4" 3.2~Й.4 [i6iBiD9i.dK 17' згео! 7\.2 ш" гР

1616109Э.с!а1 -1 1 3201 5.5 1 5 16.61

1616110C.dat ¿2 ЗОН _Т_Л___ТГ 7.Г

16161101.1181 Т 4 1 _3174!__4- 13 Щ

16161103. ()а| ' 42 ' 3154 3.4 4 4:

16161115.4« 43 , 3134] 16.6 17 134.

16161121 4а1 4 1 3160-

Т6161125аа1 43 3161

I616426.dat 4 I 31561 4.4' 32 !16161152.(И1 44 1507'! МаМ N3» ¡16161437^1 ' 44 30'35| 14.7- 37'

¡16161529. ¿а; 4 1 3175'

161515Э0.йв4 1 4 4 3157-

Рнс, 8. Фрагмент файла, содержащего параметры сигналов во временной области: А - имя файла сигнала. В - магниту да ть, С - расстояние Л, [) - максимальная амплитуда волны Р. Е - максимальная амплитуда волны Л', р - максимальная амплитуда волны 1Л.

2.3 Процедура подбора коэффициента Ал в 1ГР

Экспериментальные оценки показывают, что распределения дискриминантов, получаемые по записям землетрясений, даже при относительно большом числе наблюдений, могут иметь значительные отклонения от симметрии В связи с этим процедура совмещения гистограмм дискриминантов в ИР и БР была усовершенствована автором по сравнению с первоначальной, предложенной для МДК, в которой использовались только максимумы гистограмм

Для того чтобы точнее совместить две гистограммы по выборкам данных в ИР и БР с учетом возможных отклонений формы распределения от нормального закона, оценка г>™ делается как среднее из значений параметров на гистограммах в ИР и БР в диапазоне нормированных значений X от 0 02 до (-0"р)та\ с заданным интервалом АХ = 0 05 по левому и правому склонам данных гистограмм

гир , 1 [(ДГ),-(ДГ),

'Л и .1 а

(5)

где п - число значений (о™),, которые используются для описания гистограмм и оценки среднего значения ь™

При расчетах по формуле (5) в зависимости от эпицентральной зоны расстояний используются средние значения расстояний ^д для зоны I (500-1500 км) - 3 00, для зоны II (1500-4000 км) - 3 44 и для всей региональной зоны (500 - 4000 км) - 3 35

В табл 7 приводятся результаты расчета для дискриминанта Д(О) з) по выборке землетрясений из северо-западной части Китая на станции МКА11 описанным выше способом при условии, что известно значение 2 10

В колонках 2 и 3 табл 7 приводятся значения 0(<3\ 3) на заданных уровнях X по левому и правому склонам гистограммы землетрясений для БР, полученные с ипользо-ванием коэффициента Ь™= 2 10 В колонках 4 и 5 приводятся результаты аналогичных расчетов БЦЭх з) для выборки землетрясений в ИР (северо-западная часть Китая) также с использованием 2>®р = 2 10

В колонках б и 7 показаны расчеты значений Ь™ на всех рассмотренных уровнях X гистограмм Д(С]3) в ИР и БР и окончательная средняя оценка калибровочного коэффициента Ь™ для параметра ДТ^з) по 8 значениям (6™), и величина стандартного отклонения

Приведенные в табл 7 результаты показывают, что ь™ = 2 39, если расчет делать только по максимумам гистограмм, и - 2 46, при использовании предложенного метода

Таким образом, предложенный способ дает существенное улучшение при совмещении гистограмм, по сравнению с совмещением только по максимумам

Таблица 7 - Расчет калибровочного коэффициента Д1я дискриминанта з^ на

/ Обр(С13) 0ИР(0, з) ЬГ (С,з)

Левая часть гистограммы Правая часть гистограммы Левая часть гистограммы Правая часть гистограммы Лекам часть гистограммы Правая часть гистограммы

1 2 3 4 5 6 7

).„ -7 95 -6 97 2,39

0 15 -8 35 -7 6 Г -7 2 -6 65 2 44 2 38

0 1 -8 53 -7 53 -7 35 -6 3 2 45 2 47

0 05 -8 7 -7 5 -7 49 -6 1 2 46 2 52

0,02 -8 9 -7 43 -7 7 -5 92 2 47 2 54

Ь™ (0,31 = 2 10 *дОТ(01з) =2 46±0 05

2.4. Вычисление дискриминантов для выборки данных в ИР

Параметры, представленные в табл 5 и 6, являются входными данными для проведения динамической калибровки станции относительно заданного эпицентрального района, который в МДК рассматривается как исследуемый район (ИР)

Первоначально расчет дискриминантов и гистограмм по выборке землетрясений из ИР делается с использованием коэффициентов ь™ для БР и затем, когда найдены значения Ь™, вычисляются скорректированные значения дискриминантов и соответствующие гистограммы Вся эта последовательность обработки иллюстрируется на рис 9 для выборки землетрясений на станции МКАЯ из района в северо-западной части Китая

Гистограммы, обозначенные как 1 и 2 для всех дискриминантов на рис 9, соответствуют данным по ПЯВ и землетрясениям в БР Гистограммы 3 соответствуют случаю, когда дискриминанты для землетрясений из ИР на станции МКАЯ вычислялись с использованием коэффициента ЬдР для БР Видно, что эти значения г>£р, за исключением дискриминанта Д(3№) не подходят для ИР и необходимо найти новые значения ь™, адаптирующие дискриминанты к БР

Гистограммы 4 на рис 9 соответствуют случаю, когда при расчете дискриминантов и соответствующих гистограмм использовались найденные значения

Хорошо видно, что гистограммы всех дискриминтов после проведенной калибровки совмещаются с гистограммами 2 в БР Это означает, что дискриминты для выборки из ИР теперь можно идентифицировать по принадлежности к ПЯВ или явлениям природного происхождения с использованием диагностических вероятностных функций, разработанных для БР

2.5. Процедура вероятностной идентификации явлений

Последний этап, включенный в калибровку станции относительно заданного ИР, заключается в идентификации явлений с использованием диагностических параметров, скорректированных для этого региона Данная процедура, первоначально предложенная в работе [Писаренко, Раутиан, 1966], сводится к преобразованию параметров 0(Х,) и 0(0^ в частные условные вероятности Рч с использованием соответствующих вероятностных функций Далее по значениям Рч по каждому дискриминанту для отдельного сигнала вычисляется полная вероятность Рй по формуле Байеса (6) с целью идентификации типа явления (ПЯВ или землетрясение)

Л>=--^-. (6)

<=1 1-1

где Р(Н¡/Д) - вероятность того, что гипотеза Н\ отнесения сигнала к ПЯВ верна при условии, что параметр Д принял значение, при котором Р, > (/',)пор

Диагностическое правило распознавания явления по совокупности параметров Д, т е выполнение гипотезы Ну (взрыв) или Н2 (землетрясение) регулируется пороговым значением (Р^)аор таким образом, чтобы минимизировать ошибки а пропуска полезного сигнала (взрыв) при максимальном проценте селекции явлений природного происхождения (1-р)

D(G,j>

DiLHIP)

Рис. 9. Результаты калибровки дискриминантов D(S/P), D(LRIP), D(G\ 2) и D(Gi 3) на станции MKAR относительно района в с-з части Китая 1 - ПЯВ (БР), 2 - ЗЕМ (БР), 3 - ЗЕМ (с-з Китая) - корректировка по значениям коэффициентов Ь\ для БР, 4 - ЗЕМ (с-з Китая) - корректировка по значениям ¿л для района в с-з части Китая, 5 - расчет по данным амплитуд both Р и S в полосе частот 0 5-2 Гц из бюллетеня SEB в МЦД (jV = 80)

Глава 3. Экспериментальное тестирование метода динамической калибровки станций BVAR, MKAR, CMAR ASF и EIL по данным из региона Центральной

Азии

3.1. Оценка калибровочных коэффициентов ЬА для исследовавшихся трасс источник-станция

Для тестирования МДК использовались цифровые записи землетрясений на станции CMAR из юго-восточной части Китая (район № 2), на станциях MKAR и BRVK из северо-западной части Китая (район № 1), на станциях ASF, EIL, BVAR,MKAR и CMAR из Ирана (район № 3) и на станциях BRVK и MKAR из района № 4, в котором расположены испытательные полигоны в Индии и Пакистане (рис 10)

35" 1С Я" i»' >=0' let'

Рис, 10. Расположение станции CMAR. MKAR. ASF, EIL и BRVK и районов, выбранных для калибровки в пределах региона Центральной Азии.

Данные станция оборудованы трехкомпонентными сейсмометрами KS-45000, STS-2 и CMG3TB Широкополосный характер АЧХ данных сейсмометров позволяет регистрировать объемные и поверхностные волны в рабочей полосе частот от 10 Гц и до О 05 Гц во всей региональной зоне расстояний (0 5-2.0 тыс км), включая промежуточную зону расстояний тыс км Для иллюстрации характер сейсмической активности в регионе Центральной Азии за 2003 г. приводится из бюллетеня RKB МЦД (рис ] 1).

Рис. П. Сейсмические явления, зарегистрированные в 2ÜÜ3 г. но данным МСМ

В результате калибровки станции BVAR. MKAR, CMAR, ASF и FJL относительно четырех районов в Центральной Азии были оценены калибровочные коэффициенты для всех применяемых для идентификации дискриминантов В табл. 8 приводятся итоговые результаты расчета коэффициентов í-"1" для всех рассмотренных 9 трасс источник-станция

Тяблнпн 8. Оценка калибровочных коэффициентов Ьл для дискриминантов D{Gu), D(S>P) и D(LRJP) для различных трасс источник-станция по землетрясениям в пределах Центральной Азии______________

Трасс!,1 источник-станция Диалаюп расстояний, км А' N ЬАЯР) .V ЬЛШР)

Район № 1 - МКЛГ( 500-1500 109 1.46 2.46 93 -2.23 60 -0 60

район № 1 - ВУАЯ 500-] 500 69 1.38 238 61 -1.98 38 -0.75

Район № 2 - СМАК 500-1500 103 1.54 2.57 103 -2.18 90 -0.84

Район Ке 3 -А51" 500-1500 90 1.48 2.46 40 -2.03 28 -1.03

1500- 4000 38 -0.79 26 -1.00

район № 3 -Ш1 500-15«) 16Й 1.45 2.51 61 -1Я1 57 «¡¡ш

1500-4000 107 -0.82 89 -0.94

Район №3 - ВУА11 1500-4000 43 1.27 2.28 40 43.98 37 -0.86

Район №3 -МКДК 1500-4000 20 1.32 2.26 18 -1.01 14 -1.11

Район № 3 - СМАК 1500^1000 25 1.36 2.23 22 -0,95 20 -1 19

Район № 4 - ¡ВУАК 1500-4000 78 1.26 2.25 75 -0.95 58 -0.91

район № 4 - МКАК 1500-400 94 1.37 2.37 70 -0.99 83 -0.71

В графическом виде эта информация показана также на карте региона Центральной Азии (рис. 12).

№ *tt № tor

I

Ряс. 12. Трассы источник-станция и оценки коэффициентов Ь_\ д™ дискриминантов D(S/P), D(LR/P), D(G\i2) и D(Giß), полученных на станциях CMAR. EIL,. ASF и MKAR относительно районов №i№ 1-4

Приведенные в габл 8 и на рис. 12 данные показывают, что коэффициенты йд для всех дискриминантов в большей или меньшей степени зависят от трассы распространения сигналов источник-станция. При этом для наиболее сходных по условиям распр остра*! ен и я сигналов трасс от эпицентралыгой зоны в Иране до станций ASF и EIL

и для станций BVAR и MKAR, коэффициенты ЬА оказываются близкими практически для всех параметров

Этот результат представляется весьма важным, поскольку он подтверждает наличие связи между строением среды и величиной коэффициента затухания ¿>д на пути распространения сигналов от источника до станции для всех дискриминантов и позволяет предположить, что для сходных по условиям распространения сигналов трасс можно применять общие коэффициенты ЬА

С целью проверки такой возможности объединения сходных трасс проведена предварительная оценка эффективности идентификации явлений из Ирана для двух пар станций ASF и EIL и - BVAR и MKAR по дискриминантам D(G\ 2) и D(G\ 3) в двух вариантах

• при идентификации использовались значения bд, оцененные отдельно для каждой станции,

• идентификация проводилась по суммарным выборкам данных с двух станций ASF и EIL и BVAR и MKAR (табл 9)

Таблица 9. Сравнение коэффициентов Ьд для дискриминантов D{G\i) и D(G\i) по землетрясениям из Ирана на станциях ASF и EIL и BVAR и MKAR

Тип выборки данных Диапазон расстояний, км Аг bA(Gi2) HG, 3)

Район № 3 - ASI 500-1500 90 1 48 2 46

Район № 3 - EIL 500-1500 168 1 45 2 51

Район № 3 - ASF & EIL 500-1500 258 1 46 2 50

Район № 3 - В VAR 1500-4000 43 1 27 2 28

Район № 3 - MKAR 1500-4000 20 1 32 2 26

Район № 3 - BVAR & MKAR 1500-4000 63 1 29 2 28

Относительные ошибки ЪР0 оценки вероятности Р0 по дискриминантам D(G\ 2) и D(G\ 3) при подсчетах Р0 по суммарным выборкам (ASF & EIL) и (BVAR& MKAR) и отдельно по этим станциям не превышают 5% в 80% случаев для сигналов, имеющих Ро> 0 5

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при идентификации сигналов по неоткалиброванным трассам, но проходящим вблизи откалиброванных, можно применять общие значения коэффициентов

3.2 Эффективность идентификации сейсмических сигналов на станциях

MKAR, CMAR, ASF, EIL и BRVK

Применение МДК наряду с оценкой коэффициентов ЬА для дискриминантов на исследуемой трассе источник-станция, включает также и вероятностную идентификацию всех явлений, использовавшихся для калибровки

Для идентификации типа явления по станционным выборкам данных использовались скорректированные за трассу значения дискриминантов и функции частных вероятностей Рч для базового региона Евразии Процедура идентификации сводилась к вычислению полной вероятности Р0 по совокупности частных условных вероятностей Рц для рассматриваемого перечня из четырех дискриминантов и проверки гипотезы отнесения сигнала к ПЯВ с применением метода Байеса

Оценки селекции сигналов природного происхождения на станциях MKAR, CMAR, ASF, EIL и BRVK достигают, в среднем, 95% (табл 10) Эти данные согласуется с результатами, которые были получены ранее для Евразии при разработке метода идентификации явлений Данные результаты подтверждают, что МДК может применяться для идентификации землетрясений на данных станциях с использованием функций частных вероятностей /',,, полученные для БР

Таблица 10 - Оценка эффективности селекции землетрясений по значению Ро для рассмотренных трасс источник-

станция в регионе Цент ральной Азии

Трассы Зона N Селекция явтений (%)

источник-станция приР„<0 90

Район № 1 -MKAR 1 93 100

Район № 1 -BVAR 1 67 98

Район № 2 - CMÄR 1 103 95

Район№3 -BVAR 2 43 98

Район №3 -MKAR 2 20 95

Район № 3 -ASF 1 77 99

2 48 96

Район№3 -EIL 1 68 100

2 107 99

Район № 4 - BVAR 2 78 96

Район № 4 - MKAR 2 94 95

3 3 Идентификация явлений при совместном использовании данных с двух и более станций

Идентификация каждого явления в общем случае должна основываться на совместном рассмотрении результатов, получаемых со всех станций, зарегистрировавших данное явление В диссертации этот подход был применен к 45 землетрясениям из Ирана, одновременно регистрировавшимся на двух станциях ASF и EIL (табл 11)

В табл 11 приведены только те сигналы, которые имели вероятность на взрыв Ро>0 50, либо по одной из двух станций, либо при их суммарном рассмотрении Таблица 11 - Результаты совместной идентификации явлений из Ирана по данным

станций ASF и EIL

№ / № Дата Время в очаге Я, км ть AU ASF EIL Ps (ASF +EIL)

Ро А, км Po Д, км

2 06 07 03 16 04 21 8 25 6 46 43 0 668 2055 0 403 2228 0 576

4 10 07 03 17 06 40 3 100 52 53 0 997 1708 0 001 1872 0 250

15 1109 03 19 31 25 1 0 44 - 0616 1710 0 719 1873 0 823

23 05 11 03 07 58 51 2 14 0 48 4 1 0 826 1926 0 037 2083 0154

42 28 03 04 13 30 17 1 00 44 3 8 0 904 1762 0 033 2074 0 243

Сопоставление значений Р0 в табл 11 позволяет заключить, что идентификация с использованием данных даже только двух станций сокращает число сигналов, имеющих большую вероятность на взрыв

3 4 Контрольная проверка метода динамической калибровки станций МСМ с использованием данных по взрывам в Индии и Пакистане

С целью получения независимой оценки эффективности МДК, в диссертации проведена идентификация взрывов в Индии (11 05 98 г ) и в Пакистане (28 05 98 г ) по записям на станциях BRVK и MAKZ сети станций IRIS с использованием коэффициентов затухания ЬА, найденных отдельно для этих станций по выборкам землетрясений на станциях BVAR и MKAR из района расположения испытательных полигонов в Индии и Пакистане (район № 4 на рис 12)

Следует отметить, что станции сети IRIS - BRVK и MAKZ расположены в тех же пунктах, что и станции МСМ - BVAR и MKAR и оснащены сходной по АЧХ регистрирующей аппаратурой Это обстоятельство позволило для решения поставленной задачи привлечь записи данных взрывов на станциях BRVK и MAKZ, поскольку в момент проведения взрывов в Индии и Пакистане станции BVAR и MKAR сети МСМ еще не функционировали

Магнитуды ть взрывов 11 05 98 г и 28 05 98 г по данным из бюллетеня прототипа МЦД (PIDC) в Вашингтоне соответственно равны 5 0 и 4 9

С целью идентификации взрывов 11 05 98 г и 28 05 98 г по записям станций BRVK и MAKZ были собраны выборки записей землетрясений из района № 4 и проведена калибровка трасс источник-станция, согласно разработанной методике калибровки

Найденные в результате калибровки значения коэффициентов Ьл для всех четырех дискриминантов на станциях BVAR и MKAR приведены в табл 12

Таблица 12 - Рез> льтаты калибровки станций BVAR и MKAR относительно района №4

Станция Значения 6\Дтя дискриминантов

Л D(GIS) ¿V N D(SIP) V D(LR/P)

BVAR 78 1 26 78 2 25 75 -0 95 58 -0 91

MKAR 94 I 37 94 2 37 70 -0 99 82 -0 71

Результаты идентификации двух взрывов по записям на станциях ВКУК и МАКУ, приведены в табл 13

Таблица 13- Рез\ льтаты идентификации ПЯВ 11 05 98 и 28 05 98 по записям станций BRVK и МАК2, откалиброванным по выборкам землетрясений на станциях ВУАЯ и \1KAR из района № 4

Дата Станция А, км D(S/P) (/>,) D(LR/P) (Л) D( G,j) (P,) 0(G13) (P.) Po

11 05 98 BRVK 2875 2 18(0 85) 1 00 (0 90) -5 58 (0 98) -9 36 (0 98) 1 00

MAKZ 2353 - 0 85 (0 99) -5 47 (0 96) -8 98 (0 97) I 00

28 05 98 BRVK 2720 2 03 (0 92) 0 76 (0 99) -5 17(0 64) -8 41 (0 34) 1 00

MAKZ 2486 2 10(0 88) 0 31 (0 99) -5 58 (0 98) -8 79 (0 88) 1 00

Как видно из оценок, приведенных в табл 13, после калибровки станций по землетрясениям из района № 4, идентификация обоих взрывов по всем дискриминантам проводится правильно

Таким образом, результаты независимой оценки с использованием записей взрывов подтверждают возможность применения предложенного алгоритма для калибровки станций МСМ и идентификации сигналов от гипотетических взрывов в районах, где

взрывы не проводились, с использованием данных только по землетрясениям из этих районов

Глава 4. Алгоритм и экспериментальное тестирование спектрально-временного метода идентификации явлений в диапазоне расстояний 15-40° при наличии в районе данных по калибровочным взрывам

4 1. Постановка задачи и использованные данные

МСМ в ряде регионов в настоящее время имеет малую плотность сейсмических станций, в связи с чем для повышения надежности идентификации явлений возникает необходимость привлекать станции в диапазоне расстояний 15-40° На таких расстояниях существенное значение приобретает спектрально-временной метод (СВМ) идентификации явлений по продольным волнам

Достоинство СВМ заключается в том, что он может быть сформирован при наличии ограниченного числа данных по взрывам Экспериментальные оценки показывают, что СВМ позволяет идентифицировать те землетрясения, которые не удается распознавать с помощью спектральных диагностических параметров D(G,¡)

В работе использовались записи подземных ядерных взрывов в Индии и Пакистане и землетрясений с эпицентрами в Центральной Азии, полученные из архивов Центра IRIS (Вашингтон), Национального центра данных РФ (Дубна) и Международного центра данных (Вена)

Для оценки влияния расстояния и магнитуды на диагностические параметры СВМ в данной работе привлекались также результаты обработки записей взрывов с Не-вадского испытательного полигона (НИП) и землетрясений из прилегающего к НИП региона, полученные в работах Общая выборка данных, использовавшихся в данной работе, приведена в табл 14

Таблица 14. Данные, использовавшиеся при формировании СВМ идентификации явлений

Регион Тип явлений Чисчо явлений Чисто станций Число записей Диапазон Д° Диапазон ть (isc)

Центральная Азия Взрыв 3 18 31 15-40 49-50

Земт 23 13 45 15-40 5 1-61

Земт 26 1 (MKAR) 26 15-24 3 5-5 0

Земл 7 1 (CMAR) 7 13 5- 15 3 4 1-^7

Северная Америка Взрыв 50 7 58 50-90 42-52

Земл 24 4 43 50-90 43-62

Взрыв 45 1 (BRVK) 45 90 41-52

Земл 37 1 (BRVK) 37 20-94 42-56

В работе использовались записи взрывов и землетрясений, полученных на 19 станциях сети IRIS, двух станциях основной сети МСМ - MKAR (MAKZ в сети IRIS) (Казахстан) и CMAR (СНТО в сети IRIS) (Таиланд) а также на трех станциях вспомогательной сети МСМ - BVAR (BRVK в сети IRIS) (Казахстан), EIL (Израиль) и ASF (Иордания) (см рис 9 в главе 1), оборудованных трехкомпонентными широкополосными сейсмометрами STS-2 и KS-5400

4.2. Метод

По выборке записей калибровочных взрывов, полученных на ряде станций из исследуемого района, проводится спектрально-временной анализ (СВАН), в результате которого каждый сигнал преобразуется в спектрально-временную матрицу где N - число фильтров с центральными частотами /с и М - число амплитуд а, сигнала в пределах каждого фильтра, которая преобразуется в укрупненную матрицу путем

усреднения квадратов амплитуд а* по частоте и времени

^ (7)

РЯк

где и - число фильтров и т - число временных окон в матрице 51, р - размер окна (с), <7 - частота квантования записей, к — число фильтров осреднения матрицы А по частоте, / иу - переменные по частоте и времени

Анализ данных показал, что при проведении СВАН сигналов с расстояний 15-403 достаточно использовать интервал записи /'-волн по вертикальной компоненте сейсмометра длительностью 30 сек и проводить обработку в полосе частот 0 7-4 Гц В этом случае Ы= 8, М= 1200 (при д = 40 Гц),р = 5, к = 2, и = 4 и от = 6

По выборке взрывов производится регрессионная нормировка компонент матрицы Б с целью устранения влияния магнитуды и расстояния и формируются матрицы £)(>«««) с компонентами с/у, не зависящими от магнитуды и расстояния

йч = ^ - ау ^ , - Ьу (8)

Матрица О имеет размерность (4x6), но включает 20 параметров йч поскольку первый временной интервал на всех частотных полосах является нормирующим

Матрицы Г) землетрясений вычисляются с использованием регрессионных коэффициентов а,, и Ьч, полученных по выборке взрывов

Процедура вероятностной классификации явлений проводится согласно алгоритму, предложенному в работе [Писаренко, Раутиан, 1966]

В соответствии с этой процедурой параметры с/ц взрывов и землетрясений преобразуются в гистограммы, по которым затем вычисляются функции частных условных вероятностей Р„, где Рц - это вероятность того, что гипотеза отнесения сигнала к взрывам верна при условии, что параметр с/, имеет значение, при котором Рч > (Рч)пор

Поскольку матрицы В нормируются с использованием коэффициентов а„ и Ьч, полученных по выборке взрывов, а функции Ру вычисляются по выборкам взрывов и землетрясений из исследуемого региона, параметры с1ц оказываются адаптированными для идентификации явлений в этом регионе

Параметры с1„ преобразуются в частные условные вероятности Р,;, и затем по формуле Байеса обобщаются в полную вероятность Р0

Диагностическое правило для проверки гипотез Нх (взрыв Р0 —> 1) и Я2 (землетрясение Р0 —> 0) регулируется пороговым значением (Ро)ш>Р таким образом, чтобы минимизировать ошибки пропуска взрывов (а) и землетрясений ((3)

Пример обработки записи на станции МАК2 взрыва от 11 05 98 г в Индии с использованием СВМ, приводится на рис 12

На рис 12 сверху вниз приводятся а - запись /'-волны, б - результат спектрально-временного анализа данной записи по 20 фильтрам в полосе частот 0 5-5 0 Гц, в - результат идентификации данного сигнала с помощью СВМ - Р0 (СВМ) по 8 фильтрам

в полосе частот 0 7-4 0 Гц Данные оценки приводятся в вероятностной форме по каждому фильтру и в каждый 5-секундный интервал анализа (Р, и Pj) и полная вероятность отнесения сигнала ко взрывам с использованием СВМ (Р0(СВМ) Ниже приводится также оценка идентификации с использованием двух спектральных дискриминантов D(Gx 2) и D(Gi3) - Po (СП) На рис 13 а,б,в аналогичные результаты приводятся для записи землетрясений соответственно в Китае от 20 07 98 г на станции MAKZ (ть = 5 2, Н= 16 км, Д = 1931 км), в Иране от 13 06 03 г на станции EIL (ть = 3 9, А = 2225 км) и в юго-восточной части Китая от 08 07 04 г на станции CMAR (ть = 4 1, Д = 1676 км)

I tüciis inti-'m Кик/ w/

wtHrt nlöi^at

i ^ * —------.-----—

101*** 10 ¡5 № 13 1С

Рис. 12 - Идентификация записи взрыва от 11 05 98 г в Индии (ть =5 0, М, = 3 2, Д = 2353 км) на станции МЛК7 (Казахстан) а - запись Р-волны, отфильтрованная в полосе частот 0 5-5 0 Гц, б - результат СВАН по 20 фильтрам в полосе частот 0 5 - 5 0 Гц

mau

«I 94 И «I О!

Рис. 13 - Идентификация записи землетрясения от 20 07 98 г в Китае (ть = 5 2, Д = 1931 км) на станции МАКг (Казахстан) а - запись /'-волны, отфильтрованная в почосе частот 0 5-5 0 Гц, б - результат СВАН по 20 фи тирам в полосе частот 0 5 - 5 0 Гц

Таблица 15. Идентификация записи взрыва от 11 05 98 г в Индии (ть =5 О, М, = 3 2, Д - 2353 км) на станции МАКг (Казахстан) Результат идентификации сигнала с использованием СВМ

Частотные полосы, Гц Временные 5-секундные интервалы Временные 5-секундные интервалы Р,

1 | 2 1 3 | 4 i 5 | 6 1 1 2 | 3 | 4 | 5 | 6

Параметры dti Частные вероятности P,i

0 7-0 9 000 0 66 0 52 0 59 -0 11 0 26 0 50 0 33 0 62 0 56 0 82 0 68 0 91

1 2-1 5 0 00 0 68 0 83 0 33 0 27 0 33 0 50 0 26 0 22 0 61 0 79 0 71 0 59

1 9-2 4 ООО -0 23 -0 38 -0 50 -0 66 -0 43 0 50 0 93 0 97 0 96 0 90 090 1 00

3 1-4 0 0 00 -001 -0 29 -0 50 -0 43 -0 70 0 50 0 67 0 77 0 83 0 79 0 70 1 00

Pj 0 82 0 98 1 00 1 00 0 99 Р„(СВМ)=1 00 />о(СП)=1 00

Таблица 16. Идентификация записи землетрясения от 20 07 98 г в Китае (ть — 5 2, Л = 1931 км) на станции МЛК2 (Казахстан) Результат идентификации сигнала с использованием СВМ по 8 фильтрам в полосе частот 0 7-4 0 Гц___

Частотные потосы, Гц Временные 5-сек\ндные интерваты Временные 5-сек>ндные интервалы Р,

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 1 1 2 | 3 4 | 5 | 6

Параметры (/„ Частные ве роятиости Я/,

0 7-0 9 000 0 98 1 11 0 67 1 64 0 84 0 50 0 14 0 13 0 48 0 04 0 34 000

1 2-1 5 000 0 92 0 79 0 42 1 24 0 89 0 50 0 07 0 26 0 54 0 05 0 15 000

1 9-2 4 000 0 81 0 89 1 25 1 18 0 98 0 50 0 14 0 17 0 03 0 09 0 09 0 00

3 1-4 0 0 00 1 13 1 60 1 07 1 18 0 93 0 50 001 0 01 0 07 0 04 0 12 0 00

0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 />о(СВМ)=0 00 Ро(СП)=0 00

4.3. Анализ экспериментальных данных

Влияние трех факторов - региона, магнитуды и эпицентрального расстояния на динамические параметры сигналов оценивались с привлечением экспериментальных данных по взрывам и землетрясениям из Центральной Азии и Северной Америки С этой целью была оценена регрессионная зависимость между параметрами и 1&5)! (/ > 1) Расчеты проводились с 5-секундным осреднением данных в пределах 60-секундных интервалов записи /'-волн

Установлено, что уровень корреляции между параметрами матриц 5 не зависит от типа явления (взрыв или землетрясение) и мало меняются в пределах 60-секундного интервала записи сигнала В связи с этим было принято решение ограничить анализ с целью идентификации явлений 30-секундным интервалом записи волн Р

Поскольку регрессионная нормировка дискриминантов с1у проводится по выборке взрывов, она устраняет зависимость дискриминантов с1„ в выборке взрывов от магнитуды и эпицентрального расстояния, т е адаптирует дискриминанты на взрывы в исследуемом регионе

Подтверждение этого результата можно увидеть при сравнении результатов оценок коэффициентов корреляции гч в двух выборках взрывов В одной из выборок (табл 17 - регион Центральной Азии) содержатся записи взрывов, имеющих приблизительно одну и ту же магнитуду, но с разных расстояний от эпицентра и в другой (табл 18 - регион Северной Америки) - записи взрывов разной магнитуды, но с одного и того же эпицентрального расстояния

Таблица 17. Матрица коэффициентов гя ±1а зависимости дискриминантов (1ц от расстояния (^Д) по записям взрывов в Центральной Азии ____

г с /"Гц\. 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30

07-09 -0 05+0 18 -0 03+0 18 -0 03+0 18 -0 14±0 18 -0 01+0 18

12-15 -0 04±0 18 -0 04+0 18 -0 06+0 18 -0 18+0 18 0 26±0 17

1 9-24 -0 14+0 18 0 01±0 18 -0 16+0 18 -0 22+017 -0 08±0 18

3 1-40 -0 05+0 18 0 28±0 17 0 29+0 16 0 09+0 18 011+0 18

Таблица 18. Матрица коэффициентов г„ ±1ст зависимости дискриминантов с1„ от магнитуды ть по записям взрывов с НИП

'с /rí\ 5 — 10 10-15 15-20 20-25 25-30

07-09 -0 03±0 15 -0 25+0 14 -0 10+0 15 -0 07±0 15 -0 08+0 15

12-15 -О 27±0 14 -0 17+0 15 -0 23±0 14 -0 14±0 13 -0 26+0 14

19-24 -0 48+012 -0 40+0 13 -0 38+0 13 -0 27±0 14 -0 50+0 11

3 1-40 -0 49±0 12 -0 47±0 12 -0 57+010 -0 50±0 11 -0 58+0 10

Зависимость dt¡ от расстояния варьирует от г„ -0 22 до 0 29 и от магнитуды от -О 05 до -0 50 При этом наиболее высокая корреляция отмечена в полосе частот 2 0-4 0 Гц

4.4. Идентификация

При формировании матриц I) для явлений в Центральной Азии на эпицентраль-ных расстояниях 15—40э использовались суммарные выборки из 27 записей от двух взрывов, полученных на станциях IRIS, и выборки из 44 записей землетрясений, зарегистрированных на станциях сети IRIS и станциях MKAR и CMAR сети МСМ

С использованием этих данных для каждого сигнала вычислены 20 значений диагностических параметров по четырем частотным полосам в пределах 30-секундного интервала волн Р и построены гистограммы по выборкам взрывов и землетрясений и соответствующие им функции частных условных вероятностей /',,

Результаты идентификации двух взрывов в Индии и Пакистане с применением СВМ по обучающим выборкам данных и спектрального критерия (СП) показаны в табл 18 и сводные оценки эффективности идентификации взрывов и землетрясений с помощью СВМ и СП критерия по данным для региона Центральной Азии приводятся в табл 19

Таблица 19 - Идентификация взрывов в Индии и Пакистане с использованием спектраль-

№/№ Дата Станция Д KM P о(СГ1) Po(CBM) №/№ Дата Станция Д, KM •Po(CIl) P(CBM)

1 11 05 98 ААК 1733 1 00 0 00 1 28 05 98 ААК 1755 0 38 1 00

2 ть=5 0 WMQ 2333 0 96 1 00 2 m4=4 9 MAKZ 2489 0 97 1 00

3 MAKZ 2355 1 00 1 00 3 LSA 2555 0 99 1 00

4 KURK 2678 1 00 1 00 4 WMQ 2622 0 98 1 00

5 BRVK 2877 1 00 1 00 5 KURK 2689 0 35 1 00

6 СНТО 2922 0 78 1 00 6 BRVK 2722 0 91 1 00

7 KMI 3089 1 00 1 00 7 FUR 3511 1 00 1 00

8 ARU 3422 1 00 1 00 8 СЫТО 3633 0 12 1 00

9 XAN 3622 1 00 1 00 9 KMI 3766 1 00 1 00

10 ENI! 3677 1 00 1 00 10 TLY 4077 1 00 1 00

11 TLY 3855 0 99 1 00 11 ULN 4177 0 79 1 00

12 OBN 4211 1 00 1 00 12 XAN 4200 1 00 1 00

13 BJT 4311 1 00 1 00 13 KMBO 4422 0 98 1 00

14 ZAL* 3166 1 00 0 00 14 ZAL* 3211 1 00 0 00

15 PDY* 4766 1 00 15 PDY* 4944 0 93

1 30 05 98 ZAL* 3300 0 19 0 09

2 PDY* 4944 1 00

*/ Станции РФ, входящие в сеть основных станций МСМ, и оборудованные в настоящее время сейсмическим каналом «ПАРУС-2», использовались только для приближенных оценок

Таблица 20 - Эффективность идентификации записей взрывов и землетрясений в Центральной Азии с использованием спектрального критерия и СВМ

при (Р0) пор >0 80

Тип выборки Чисто записей взрывов Чисто записей землетрясений Чисто станции Пропуск сигнатов от взрывов а, % Эффективность селекции сигналов от землетрясений 1 - ß, %

СП СВМ СП I СВМ

Об\ чающая 32 44 18 14 12 86 86

Контрольная - 60 3 - - 88 80

Выводы

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты

1 Разработан алгоритм и исследовательские программы для проведения динамической калибровки сейсмических станций МСМ в автоматическом режиме на основе данных только по землетрясениям в районах, где не проводились ядерные взрывы

2 С использованием МДК произведена калибровка пяти станций МСМ относительно четырех выбранных районов в пределах региона Центральной Азии При этом оценены калибровочные коэффициенты i™ для трасс CMAR — юго-восточный район Китая, ASF, EIL, BVAR, MKAR и CMAR - Иран, MKAR и BVRK - северо-западный район Китая и BVAR, MKAR и CMAR - район, охватывающий испытательные полигоны в Индии и Пакистане

3 Экспериментальные оценки по данным пяти станций из четырех районов в Центральной Азии показывают, что МДК позволяет идентифицировать в среднем порядка 95% сигналов от явлений природного происхождения

4 Проведено независимое тестирование МДК с использованием записей взрывов в Индии (11 05 98 г ) и в Пакистане (28 05 98 г ) на станциях BRVK и MAKZ сети IRIS, которые расположены в тех же пунктах, что и станции МСМ BVAR и MKAR и имеют однотипное с ними по АЧХ оборудование Результаты данного тестирования подтвердили правомерность предложенного метода калибровки станций

5 На примере станций EIL и ASF, имеющих близкие по условиям распространения сигналов трассы до эпицентральной зоны в Иране показано, что калибровочные коэффициенты Ад оказываются сравнимыми практически для всех дискриминантов

Этот результат подтверждает наличие связи между строением среды на пути сигналов от источника до станции и величиной затухания дискриминантов и позволяет предположить, что в дальнейшем, при наличии большего числа калибровочных трасс источник-станция в пределах заданной территории можно будет прогнозировать значения калибровочных коэффициентов ЬА для новых трасс при увязке с геолого-тектоническими особенностями строения данного региона

6 Полученные в диссертации результаты по разработке метода и алгоритма калибровки сейсмических станций МСМ приняты для внедрения в Национальном центре данных РФ и будут использованы в оперативной работе при контроле Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

7 Разработан алгоритм и исследовательская программа спектрально-временного метода (СВМ) идентификации явлений по -/'-волнам в диапазоне расстояний 15-40°, который может применяться в тех случаях, когда в интересующем районе имеются данные по калибровочным взрывам Необходимость привлечения для идентификации регио-

нальных явлений с расстояний 15-403 обусловлена малой плотностью сети станций

МСМ в ряде регионов

8 СВМ имеет высокую информативность и обеспечивает селекцию порядка 80—

85% записей землетрясений Таким образом, применение его для идентификации региональных явлений природного происхождения является целесообразным

Список основных публикаций по теме диссертации

1 Кедров О К, Кедров Э О О влиянии подземных ядерных взрывов на региональную сейсмичность//Физика Земли 2002 №3 С 194-206

2 Кедров О К, Кедров Э О Идентификация сейсмических явлений на станции "Тал-гар" с учетом трассы источник-станция//Физика Земли 2003 № 12 С 14-22

3 Кедров Э О, Кедров О К Спектрально-временной метод идентификации сейсмических явлений на расстояниях 15-40° // Физика Земли 2006 № 5 С 47-64

4 Отчет по этапу 1 НИР «Прогноз» «Выбор перечня станций МСМ и сбор данных по отдельным районам в пределах региона Центральной Азии» 2004 74 с

5 Отчет по этапу 2 НИР «Прогноз» Адаптация существующих критериев идентификации явлений к исследуемым районам Центральной Азии 2005 72 с

6 Итоговый отчет по этапу 3 НИР «Прогноз» «Разработка методов идентификации подземных ядерных взрывов в районах земного шара без предыстории ядерных испытаний» 2006 с

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кедров, Эрнест Олегович

Обозначения и сокращения.

Содержание.

Введение.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Динамическая калибровка сейсмических станций Международной системы мониторинга ядерных испытаний по данным естественной сейсмичности"

Цели и задачи.8

Научная новизна.8

Основные защищаемые положения.9

Практическая значимость работы.10

Апробация работы и публикации.10

Структура и объем работы.10

Личный вклад автора.10

Благодарности.11

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Кедров, Эрнест Олегович

Выводы

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты.

1. Разработан алгоритм и исследовательские программы для осуществления динамической калибровки сейсмических станций МСМ в автоматическом режиме на основе данных только по землетрясениям в районах, где не проводились ядерные взрывы.

При проведении калибровки использовались те же дискриминанты и методы обработки сейсмических сигналов, которые были получены при разработке метода идентификации взрывов и землетрясений в региональной зоне расстояний для региона Евразии.

С этой целью по записям сигналов измерялись следующие параметры:

• во временной области: отношения максимальных амплитуд в цугах продольных и поперечных волн XS/p = \g(S!P) и продольных и поверхностных волн ХШР = lg(LR/P)-,

• в спектральной области: отношения сумм (<S}*) спектральных амплитуд, полученных по амплитудным спектрам Р-волн в трех частотных полосах:

1) 0.3-0.6 Гц, 2) 1.3-3.0 Гц, 3) 3.0-6.0 Гц: G,)2= lg(Si/S2) и Gu = lg ОВД).

Дискриминанты D формировались из параметров Xi и G^ путем устранения влияния магнитуды явления ть и эпицентрального расстояния А (км) после чего они применялись для калибровки новых трасс распространения сигналов источник-станция.

2. Разработаны алгоритм и исследовательские программы МДК, позволяющие адаптировать дискриминанты, оцененные для районов, где взрывы не проводились, и тем самым обеспечивающие возможность идентифицировать явления в таких районах.

3. С использованием МДК произведена калибровка пяти станций МСМ относительно четырех выбранных районов в пределах региона Центральной Азии. При этом оценены калибровочные коэффициенты для трасс CMAR - юго-восточный район Китая, ASF, EIL, BVAR, MKAR и CMAR - Иран, MKAR и BVRK - северо-западный район Китая и BVAR, MKAR и CMAR - район, охватывающий испытательные полигоны в Индии и Пакистане.

4. С использованием найденных значений калибровочных коэффициентов 6дР вычислены скорректированные значения дискриминантов D(S/P), D(LR/P), D(G\j) и D(G]t}) для всех станций и произведена идентификация типа явления.

5. Эффективность идентификации сигналов, обусловленных явлениями природного происхождения, в зависимости от станции в среднем составляет 95%.

6. Проведено независимое тестирование МДК с использованием записей взрывов в Индии (11.05.98 г.) и в Пакистане (28.05.98 г.) на станциях BRVK и MAKZ сети IRIS по

67 предложенному методу динамической калибровки. Указанные станции IRIS расположены в тех же пунктах, что и станции МСМ: BVAR и MKAR и имеют однотипное с ними по АЧХ оборудование.

Результаты данного тестирования подтвердили правомерность предложенного метода калибровки станций.

7. На примере станций EIL и ASF, имеющих близкие по условиям распространения сигналов трассы из эпицентральной зоны в Иране показано, что калибровочные коэффициенты ЬА оказываются сравнимыми практически для всех дискриминантов.

Этот результат подтверждает наличие связи между строением среды на пути сигналов от источника до станции и величиной затухания дискриминантов. В дальнейшем, при наличии большего числа калибровочных трасс источник-станция в пределах, например, региона Центральной Азии, по-видимому, можно будет прогнозировать значения калибровочных коэффициентов ЬА для новых трасс при увязке с геолого-тектоническими особенностями строения данного региона.

8. Разработан алгоритм и программное приложение спектрально-временного метода (СВМ) идентификации явлений по Р-волнам в диапазоне расстояний 15-40°, который может применяться в тех случаях, когда в интересующем районе имеются данные по калибровочным взрывам.

Необходимость привлечения для идентификации региональных явлений с расстояний 15-40° обусловлена малой плотностью сети станций МСМ в ряде регионов.

В этом диапазоне расстояний роль СВМ для идентификации явлений по продольным волнам существенно возрастает, поскольку возможности обнаружения поперечных и поверхностных волн от слабых явлений и соответственно применения для идентификации дискриминантов S/P и LR/P здесь снижаются.

Перспективность использования СВМ при контроле ДВЗЯИ заключается в том, что он:

• может применяться для калибровки региона, в котором зарегистрированы на сети станций один-два калибровочных химических подземных взрыва и имеются данные по естественной сейсмичности;

• адаптирует диагностические параметры dy к специфическим особенностям взрывов и землетрясений в исследуемом регионе с помощью регрессионной нормировки параметров по выборке взрывов;

• имеет высокую информативность, поскольку позволяет в большинстве случаев идентифицировать те сигналы, которые с помощью спектрального критерия не распознаются;

• полученные оценки эффективности СВМ свидетельствуют, что этот метод обеспечивает селекцию порядка 80-85% записей землетрясений в диапазоне эпицентральных расстояний 15-40° и, таким образом, применение его для фильтрации (скрининга) региональных явлений в МЦД является целесообразным.

9. Полученные в диссертации результаты по разработке алгоритма метода динамической калибровки приняты к внедрению в НЦД РФ с целью осуществления контроля ДВЗЯИ в районах, где не проводились ядерные испытания.

10. Рассмотренный в диссертации метод динамической калибровки сети станций по данным естественной сейсмичности и спектрально временной метод калибровки района могут найти применение, при распознавании записей промышленных взрывов химических ВВ, «засоряющих» каталоги и бюллетени региональных явлений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кедров, Эрнест Олегович, Москва

1. Отчет по этапу 1 НИР «Прогноз». «Выбор перечня станций МСМ и сбор данных по отдельным районам в пределах региона Центральной Азии». 2004. 74 с.

2. Отчет по этапу 2 НИР «Прогноз». Адаптация существующих критериев идентификации явлений к исследуемым районам Центральной Азии. 2005. 72 с.

3. Итоговый отчет по этапу 3 НИР «Прогноз». «Разработка методов идентификации подземных ядерных взрывов в районах земного шара без предыстории ядерных испытаний». 2006. с.

4. ДВЗЯИ — Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний // Генеральная Ассамблея ООН. 1996. 153 с.

5. IDC 6.5.13. Event screening subsystem software user manual / IDC Documentation. 2001. 108 p.

6. IDC 5.2.1 Rev 1. IDC Processing of Seismic, Hydroacoustic and Infrasonic Data / IDC Documentation. 2002. 326 p.

7. Кедров O.K. Научные и технические основы мониторинга запрещения ядерных испытаний // Комплексные исследования по физике Земли. М.: Наука. 1989. С. 189— 203.

8. Кедров O.K. Метод сейсмологической калибровки международной системы мониторинга с использованием региональных дискриминантов// Докл. РАН. 380. 2001. №3. С. 390-395.

9. Kirichenko V.V., Kraev Yu.A. Results of 1-D location calibration studies related to the territory of Northern Eurasia // Proceed, of the 23rd Seismic Research Reviews / Worldwide monitoring of nuclear explosions. Oct. 2-5. 2001.

10. Richards P.G., Wong-Young Kim, Khalturin V.I. A plan for seismic location calibration of 30 IMS stations in Eastern Asia // Proceed, of the 22nd Annual DoD/DOE Seismic Research Symposium / Planning for verification of and compliance with, 2000.

11. Saikia C.K., Thio H.K, Woods B.B. Path calibration studies in and around the Indian subcontinent // Proceed, of the 22nd Annual DoD/DOE Seismic Research Symposium / Planning for verification of and compliance with the CTBT, Sept. 12-15, 2000.

12. Schultz C., Myers S., Hipp J., Young C. Nonstationary Bayesian Kriging: application of spatial corrections to improve seismic detection, location and identification // Bull. Seism. Soc. Am., 88,1998. P. 1275-1288.

13. Hearn T.M., Ni J.F. Tomography and location problems in China using regional travel-time data // Proceed, of the 22nd Annual DoD/DOE Seismic Research Symposium / Planning for verification of and compliance with the CTBT. Sept. 12-15. 2000.

14. Hearn T.M., Ni J.F. Tomography and location problems in China using regional travel-time data // Proceed, of the 23rd Seismic Research Reviews / Worldwide monitoring of nuclear explosions. Oct. 2-5. 2001. P. 37-45.

15. Кедров O.K., Кедров Э.О. О влиянии подземных ядерных взрывов на региональную сейсмичность // Изв. РАН. Физика Земли. 2002. № 3. С. 194-206.

16. Кедров O.K., Ан В.А., Лаушкин В.А. и др. Методы контроля подземных ядерных взрывов по сейсмическим данным на эпицентральных расстояниях свыше 500 километров // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1990. № 12. С. 31-46.

17. Кедров O.K., Люкэ Е.И. Распознавание ядерных взрывов и землетрясений в Евразии по сейсмическим данным на региональных расстояниях // Изв. РАН. Физика Земли. 1999. №9. С. 52-75.

18. Кедров O.K., Кедров Э.О. Идентификация сейсмических явлений на станции "Талгар" с учетом трассы источник-станция // Изв. РАН. Физика Земли. 2003. № 12. С. 14-22.

19. Кедров Э.О., Кедров O.K. Спектрально-временной метод идентификации сейсмических явлений на расстояниях 15-40° // Изв. РАН. Физика Земли. 2006. № 5. С. 47-64.

20. Rodgers A.J., Walter W.R., Schultz C.A et al. A comparison of methodologies for representing path effects on regional PIS discriminants // Bull. Seism. Soc. Am. 1999. 79. P. 394-408.

21. Нерсесов И.Л., Пристли К, Мартынов В.Г. и др. Советско-американские работы по сейсмическому контролю ядерных взрывов. М.: Наука. 1991. 144 с.

22. Отчет о работах Комплексной сейсмологической экспедиции ОИФЗ РАН по созданию базы данных оцифрованных записей. Талгар. Фонды ИФЗ РАН. 2000. 18с.

23. Кедров O.K., Пермякова В.Е., Поликарпова Л.А., Стеблов Г.М. Методы обнаружения слабых сейсмических явлений в пределах платформ. М.: ОИФЗ РАН. 2000. 101 с.

24. Немытое А.И., Калинина Н.Н. Программная система «Сейсмостанция». Инструкция для эксплуатации системы., адаптированной к ПЭВМ IBM/PC. Отчет механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова // Фонды ИФЗ РАН. 1994.

25. Кондорская H.B., Аронович З.И., Соловьева O.H., Шебалин Н.В. Инструкция о порядке производства и обработки наблюдений на сейсмических станциях Единой системы сейсмических наблюдений СССР, М. 1982. 272 с.

26. Писаренко В.Ф., Раутиан Т.Г. Статистическая классификация по нескольким признакам // Машинная интерпретация сейсмических волн / Сб. Вычислит, сейсмология. Вып. 2, М.: Наука. 1966. С. 150-182.

27. Dahlman О., Israelson Н. Monitoring underground nuclear explosions / Elsevier Scientific Publishing Company. 1977. 440 p.

28. Dziewonski A., Block S., Landisman M„ Sato Y. A technique for the analysis of transient seismic signals // Bull. Seism. Soc. Am. 1969. Vol. 59. No 1. P. 427-444.

29. Hedlin M„ A.,H., Minster В., Orcutt J. B. An automatic means to discriminate between earthquakes and quarry blasts // Bull. Seism. Soc. Am. 1990. Part B, N. 6. P. 2143-2160.

30. Barker В., Clark M., Davis P. et al. Monitoring nuclear tests // Science. 1998. V. 281. N. 5385. P.1967-1970.

31. Kedrov O.K. Basic scientific and technical principles of monitoring nuclear test ban // Proceed, of the Conference on nuclear test ban verification. Lincoping, Sweden, May 1719, 1988. P. 34-44.

32. Ландер A.B., Левшин А.Л., Писаренко В.Ф. О спектрально-временном анализе колебаний // Сб. Вычислит, сейсмология, вып. 6. М.: Наука. 1973. С. 236-249.

33. Hanka W. Analysis of broadband Rayleigh waves: A possibility for seismic discrimination //J. Geophys. 1982. Vol. 52. P. 165-179.

34. Кедров O.K. Сейсмические методы контроля ядерных испытаний. Москва-Саранск. 2005. 420 с.

35. Sikka S.K., Roy F„ Nair G.J. Indian explosions of 11 May 1998: An analysis of global seismic body waves magnitude estimates // Current Science. 1998. V. t 5, no. 5. P. 486-491.

36. Wallace T.C. The May 1998 InDia and Pakistan Nuclear Tests / Seismic Research Letters. Univers. of Arizona. 1998. P. 7.