Создание программного комплекса для автоматизации детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий и его использование для изучения сейсмичности Северо-западного региона

Асминг, Владимир Эрнестович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Создание программного комплекса для автоматизации детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий и его использование для изучения сейсмичности Северо-западного региона
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Создание программного комплекса для автоматизации детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий и его использование для изучения сейсмичности Северо-западного региона"

На правах рукописи

АСМИНГ Владимир Эрнестович

СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ, ЛОКАЦИИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ

И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СЕЙСМИЧНОСТИ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА

Специальность 25.00.10- «геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Кольском региональном сейсмологическом центре Геофизической службы Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Козырев Анатолий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Спивак Александр Александрович кандидат технических наук Краев Юрий Альбертович

Ведущая организация:

Институт геологии Карельского научного центра РАН

Защита диссертации состоится « 0{» Сс/ОЧ^ 2004 г. в //• % Стасов на заседании диссертационного Совета Д 002.050.01 в Институте динамики геосфер РАН. Адрес: г.Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН

Автореферат разослан » «-¿-с-сз-^ьХ..^ 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

В.А.Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимым условием для изучения сейсмической активности, в особенности связанной с горными работами, является корректная локация сейсмических событий. Ошибки здесь могут приводить к неверной интерпретации событий и привязке их к тем или иным геологическим структурам (например, неточно слоцированные взрывы зачастую принимаются за землетрясения).

Введение в эксплуатацию цифровых сейсмостанций и сейсмических групп повысило потенциальные возможности обнаружения и локации сейсмических событий, выявления их характерных особенностей. Однако использовавшиеся процедуры обработки поступающей информации не позволяли в полной мере раскрыть этот потенциал. Так, например, несовершенство алгоритмов локации и неточность скоростных моделей, применявшихся в Кольском региональном сейсмологическом центре в 90-х годах, приводили к существенному разбросу координат даже для сейсмических событий в непосредственной близости от сейсмостанций КРСЦ, например в Хибинском массиве (ошибки порядка 10-15 км). Огромный объем данных, получаемых цифровыми системами сбора данных, включающих сейсмические группы, затруднял или делал невозможным обнаружение сейсмических событий путем просмотра данных человеком -интерпретатором.

Цель работы заключается в создании интегрированной программной системы, адаптированной к конкретной конфигурации сейсмостанций КРСЦ, позволяющей автоматически обнаруживать и лоцировать сейсмические события, вести базу данных волновых форм, предоставлять исследователю возможности ручной обработки, локации и анализа событий, и в применении этой системы для мониторинга сейсмичности Северо-западного региона.

Основные задачи исследований:

1. Разработка и программная реализация алгоритмов обработки сейсмических записей;

2. Разработка и программная реализация алгоритмов ручной локации сейсмических событий;

3. Разработка системы автоматического детектирования и локации сейсмических событий, адаптированной к конкретной конфигурации системы сбора данных КРСЦ;

4. Выбор и проверка скоростных моделей для Северо-западного региона;

5. Изучение сейсмичности Северо-западного региона с помощью описываемой системы;

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Научная новизна.

1. Переработан известный алгоритм детектирования/локации методом "generalized beamforming". Он дополнен процедурой адаптивной модификации формы, сетки, на которой ведется подбор целевой (рейтинговой) функции, максимум которой соответствует сейсмическому событию. Такой подход существенно уменьшает время работы алгоритма и приводит к увеличению точности локации.

2. Предложен новый алгоритм локации сейсмического события относительно опорного события, позволяющий использовать любые вступления сейсмических волн и слабо зависящий от используемой скоростной модели.

3. Для трехкомпонентных сейсмостанций предложены новые рейтинговые функции для оценки гипотез о том, что фазы сейсмических волн являются фазами P,S или Rg волн, пришедшими с определенного направления. Оценочные функции выработаны на основе раздельного анализа горизонтального движения и корреляции горизонтального движения с вертикальным. Они могут быть использованы для совместного анализа нескольких фаз разных типов, в том числе в комплексе с оценочными функциями, полученными по сейсмическим группам.

4. Предложена оценочная функция расчета азимута по сейсмической группе, рассчитываемая по всей записи события, то есть по волнам, имеющим разные скорости прихода на группу.

5. Для трехкомпонентных сейсмостанций предложен алгоритм совместного анализа пар отдетектированных фаз, введена рейтинговая функция, имеющая смысл оценки вероятности того, что пара фаз является парой P,S от одного и того же события.

6. Предложен алгоритм ассоциации фаз, основанный на использовании рейтинговых функций каждой фазы, рассчитанных как по трехкомпонентным сейсмостанциям, так и по сейсмическим группам. Алгоритм дополнен процедурой адаптивной модификации формы сетки, на которой ведется подбор целевой функции, максимум которой соответствует сейсмическому событию..

7. Предложена одномерная скоростная модель для Северо-западного региона, при применении которой модельные ошибки времен пробега не превышают ошибок определения времен приходов сейсмических волн.

8. Посредством ретроспективного анализа цифровых записей создана база данных сейсмических событий Кольского полуострова и прилегающих территорий, получена уточненная карта сейсмичности региона.

Практическая значимость. Создан программный комплекс, позволяющий осушествляеи непрерывный автоматический мониторинг сейсмичности региона.

Защищаемые положения, отражающие главные результаты диссертационной работы:

1. Применение процедуры адаптивной модификации формы сетки, на которой ведется подбор целевой (рейтинговой) функции, максимум которой соответствует сейсмическому событию, существенно (10-100 раз)> ускоряет работу алгоритмов локации как в методе "generalized beamforming", так и в методе автоматической ассоциации фаз, предложенном автором.

2. Применение разработанной системы автоматического детектирования и локации позволяет уверенно обнаруживать и лоцировать сейсмические события с магнитудой свыше 1.7 для территории Кольского полуострова в целом и свыше 0.5 для района Хибинского массива.

3. Применение системы автоматического детектирования и локации по одиночной трехкомпонентной станции "Амдерма" позволяет уверенно детектировать и лоцировать события с магнитудой свыше 1.6 с расстояния 300 км от станции.

4. Предложенная в работе одномерная скоростная модель BARENTS отличается тем, что при ее использовании для локации событий в Северозападном регионе модельные ошибки времен пробега не превышают ошибок определения времен приходов сейсмических волн.

Реализация работы. Первая версия программного комплекса EL введена в эксплуатацию в КРСЦ в 1996 году, а с октября 1996 года функционирует система автоматической локации сейсмических событий. Система автоматического детектирования и локации для отдельной трехкомпонентной станции запущена в эксплуатацию для сейсмостанции в пос.Амдерма в 2001 г. Отдельные программы комплекса EL установлены и используются в Геологической службе Латвии.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях: "28h Nordic Seminar on Detection Seismology" (Хельсинки, 1997), "Workshop on IMS Location Calibration and Screening № 4" (Осло, 2002), "Workshop on IMS Location Calibration and Screening № 5" (Осло, 2003), "Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика" (Кировск, 2004).

Публикации. Основные положения диссертации и результаты исследований по отдельным ее этапам изложены в 5 отчетах о НИР и опубликованы в 17 работах.

Структура и объем. Работа состоит из 5 глав, введения, заключения и 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи работы, сформулированы выносимые на защиту положения и новизна полученных результатов.

В первой главе описывается архитектура созданного автором программного комплекса EL и приводятся алгоритмы обработки данных, включенные в него.

Архитектура программного комплекса

Программный комплекс EL ориентирован на стандартный формат сейсмологических данных CSS 3.0 и включает в себя следующие подсистемы и процедуры:

- подсистему прямого доступ к кольцевому буферу станций КРСЦ в г.Апатиты;

- процедуру мультиплексации данных, возможно с разным шагом по времени;

- подсистему просмотра и обработки данных, включающую в себя:

произвольное масштабирование,

фильтрацию,

спектральный анализ, построение сонограмм,

расчет азимутов и скоростей по сейсмическим группам,

анализ поляризации по трехкомпонентным станциям;

- подсистему ручной локации (методы засечек, локации относительно опорного события, минимизации невязки времени в очаге, generalized beamforming), связанную с картографической подсистемой;

- подсистему автоматического детектирования и локации;

- базу данных, связанную с волновыми формами;

Картографическая подсистема в пакете объединена с подсистемой ручной локации сейсмических событий. Когда пользователь замеряет на записи времена вступлений сейсмических волн, на карте немедленно появляются линии засечек. Эта простая техническая идея оказалась эффективной в том смысле, что ошибки человека-интерпретатора становятся явными.

Включенные в комплекс алгоритмы обработки данных

Для включения в систему были выбраны нерекурсивные цифровые фильтры вида:

где F - исходные отсчеты, F - фильтрованные, А - коэффициенты фильтрации, N - полуширина окна. В случае фильтра низких частот с граничной частотой f:

где f - частота среза, N - полуширина окна фильтрации в дискретах, At - шаг между отсчетами.

Эти фильтры имеют нулевую фазовую характеристику, что оказывается важным при расчете азимутов по группам датчиков. Компромисс между неопределенностью, которую вносит фильтр, "размывая" вступление, и качеством амплитудно - частотной характеристики достигается подбором всего одного параметра N.

Процедуры расчета спектров и спектральных диаграмм (сонограмм) основаны на стандартном методе дискретного преобразования Фурье. Построение сонограмм оказалось полезным инструментом для анализа сейсмических событий, в особенности в распознавании событий различных типов, о чем будет упомянуто в пятой главе.

Оценка поляризации волн по трехкомпонентным станциям используется для идентификации волн разных типов. В систему включены две оценочные функции для определения поляризации, зависящие от предполагаемого направления на событие а - по горизонтальным каналам (a-угол от 0 до 360°):

где (Е-отсчетывосточного, N-северного каналов)

R(a) изменяется от -1 до 1 и максимально для Р и Rg -волн в том случае, когда а - азимут на событие, для S и Lq -волн - когда а перпендикулярно азимуту на событие. Однако, функция R не позволяет различить тип волны и определить знак азимута. Поэтому вводится вторая функция - корреляция между вертикальной компонентой и проекцией горизонтальной на определенное направление:

CZ(ct) = Corr( Ecosa+N-sina, Z) (2)

где Е, N, Z - отсчеты восточного, северного и вертикального каналов. Если а - азимут на событие, то для Р-волны CZ(a) максимально, для S и Rg CZ=0. Применение пары этих функций во многих случаях позволяет распознать типы фаз и слоцировать сейсмическое событие даже по одной трехкомпонентной станции.

Рис 1. Характерный вид R и CZ для волн Р и S. Результат обработки записи станцией Апатитский ARRAY взрыва в пос. Заполярный.

Функции R(a) и CZ(a) будут использованы в главе 3 для введения рейтинговых функций, оценивающих тип фаз сейсмических волн.

С появлением сейсмических групп, т.е., наборов однотипных датчиков, расположенных на близких расстояниях друг от друга, появилась возможность расчета по ним направления на событие и кажущейся скорости прихода сейсмической волны на датчики в приближении плоской волны. В системе EL реализованы два известных подхода. Первый из них - ^eamforming", т.е., суммирование записей по разным датчикам со сдвигами, соответствующими определенным значениям направления и скорости и максимизация амплитуды суммы. Система вычисляет азимут приходящей плоской волны и ее кажущуюся скорость для указанного пользователем фрагмента записи сейсмической группы.

Второй подход - расчет корреляций между каналами сейсмической группы в зависимости от предполагаемых углов подхода волн и кажущихся скоростей. Пусть ij - индексы датчиков, F,(tk), F^t^) - отсчеты на этих датчиках в моменты времени tj,. Обозначим как Aty(cc,V) разницу во времени между приходами на датчики i и j плоской волны с направления а со скоростью V. Взяв некоторый временной интервал можно построить функцию

C(a,V,to,ti) = I Bu Corr(F,(t), F/t+At./a.V)) / £ B„ (3)

где корреляции считаются для отсчетов в интервале [to,t|]. Если на протяжении этого интервала датчиками регистрировалась плоская волна, то ее азимут и скорость соответствуют максимуму функции С. Поэтому метод в такой модификации используется при расчете азимута на коротком временном интервале непосредственно во время вступления определенной волны.

B здесь - нормировка. Исходя из факта, что чем ближе друг другу находятся датчики, тем сильнее корреляция помех на них, приходится выбирать Bj возрастающей с возрастанием расстояния между датчиками, или просто само это расстояние.

Для длинного участка записи, если предположить, что на нем зарегистрировано одно сейсмическое событие, но несколько волн с разными скоростями, используется другой вариант метода. Введем функцию: Cmax(a, to,ti) = max C(a,V,to,ti)

суммируя с некоторыми весами по набору временных интервалов,

возможно, перекрывающихся, покрывающих анализируемый участок записи Т, получаем оценочную функцию, максимум которой даст нам оценку азимута:

Ctot(a) = 2w(T).Cm„(a,T)

где W(T) - вес интервала Т, зависящий от амплитуды сигнала в данном интервале. Пример определения азимута (функция Сю,) приведен на рис.2.

Рис 2. Весовая функция С,0,(а) при определении азимута для взрыва в п.Заполярный по всей записи события (9 вертикальных датчиков станции Апатитский ARRAY), включая Р uS- волны.

Идея расчета функции приведенной выше Ctot(ct), то есть функции, оценивающей азимут по большому участку сигнала, на котором значение

кажущихся скоростей меняются, является новой. Опыт ее применения показал, что она позволяет довольно точно рассчитывать азимуты слабых событий.

Во второй главе рассматриваются алгоритмы ручной локации сейсмических событий, реализованные в системе ЕЬ. Под ручной локацией понимается локация по измеренным человеком-интерпретатором временам вступлений сейсмических волн. Также рассматриваются вопросы расчета глубины и оценки области ошибок локации. Описываются следующие методы: Метод засечек

Метод, широко применявшийся до появления компьютеров. Заключается в том, что по разности времен приходов, скажем, волн Р на две станции на карте строится линия - геометрическое место точек, из которых волны Р прибыли бы на эти станции именно с данной разностью. И так далее для всех пар вступлений, а пересечение всех линий дает координаты события.

В системе ЕЬ метод реализован с применением встроенной картографической системы. Как только интерпретатор помечает на записях времена приходов тех или иных волн, на карте немедленно появляются соответствующие линии засечек.

Метод оказался исключительно удобен для выявления ошибок человека-интерпретатора.

Минимизация невязки оценки времени в очаге

Пусть ^ - время прихода 1-го типа волны (Р или 8) на ,)-ю сейсмостанцию с координатами Ху Пусть Т;(И,Н) - время, за которое волна типа 1 пробегает расстояние Я с глубины Н. Если ф,А.,Н - истинные координаты и глубина события, то величины

= ^-ВДс^^фДХН) для всех у должны совпасть и дать время в очаге. Для определения координат строится зависящая от функция невязки

которая минимизируется по

После ручной расстановки оператором времен вступлений Р и 8- волн производится минимизация функции невязки методом скорейшего спуска: е (ф,Х,Н) = сШр (1о) -> шш

ФЛН

Если варьировать времена вступлений естественно будут меняться полученные путем оптимизации координаты, и для малых приращений можно ограничиться линейными членами разложения в ряд Тэйлора: Ф(1+Д1) = ф(0 + (§гас! ф(1), Д1), Х(1+Д1) = Х(0 + (ёгаё ДО,

^ М - вектора времен вступлений и их приращений

Для построения области погрешности поочередно ко всем помеченным оператором временам вступлений добавляются малые приращения и производится переопределение координат согласно (4). Таким образом рассчитываются §гас1((р) и ¡»гас1(А,).

Задавая область ошибок определения вступлений в виде прямоугольника в пространстве времен вступлений, получаем область ошибок локации в виде проекции этого прямоугольника на плоскость (фД).

г 20.01.1993 1.28:40.0 йТ-10 sec, i=0.025 sec/saople 1.29:20.0 п

APZg:ВЙ

Гр Г

APZ9 : Bit

S f

1 J4 lib

APZ9:ВЙ "" ...... У ч. О Л О о 9 •

APAOjtH Z All, p p n""I1TT

N ■ ГхИБИНЫ -У 1 Апатиты ОблаИъ лоМмии

APAO-HN iL,' -flu "HliiHHl' S Г

APAO : HE

Рис.3. Пример ручной локации события в районе Ревды по станциям Апатиты (APZ) и Апатитский ARRAY (АРАО). Вручную помечены времена вступлений Р и S-волн, нанесена область ошибок для АТр - 0.2 сек и ATs = 0.4 сек.

Глубина в этом методе рассчитывается путем перебора фиксированных глубин, для каждой из которых выполняется локация согласно (4). Результирующая невязка минимизируется по глубине.

Локация относительно опорного события

Пусть (фопорное. ^опорное) - известные координаты опорного события, а t, опорное - времена приходов волн Р и S на некие сейсмостанции. Пусть мы лоцируем событие, произошедшее недалеко от опорного, и для него нам известны времена приходов тех же волн на те же самые станции

Обозначим искомые координаты

ф = фопоржх: + Лф

X = ^опорное

Пусть Aty = t, - tj, тогда с точностью до членов первого порядка малости можно записать:

Aty = Aty опорное+(5Atu /Эф)Дф + (5At,j /дХ)АХ (5)

Используя ЭД^/Эф и 5At,j /дХ, рассчитанные в точке (ф0пориос> ^опорное) по

усредненной региональной скоростной модели, получаем из 5 систему линейных уравнений относительно Дф и АХ, решая которую методом наименьших квадратов получаем искомые координаты лоцируемого события.

Численные эксперименты показали, что ЭД^/Эф И dAttJ/dX, а, следовательно, и результаты локации, слабо зависят от используемой скоростной модели.

Отметим также, что за t, не обязательно брать самые первые вступления волн, можно помечать «характерные» места вблизи вступлений, при условии, что они похожи для лоцируемого и опорного события. Это пока делает процедуру неформальной, т.е., слишком зависимой от искусства интерпретатора, особенно при условии малого количества станций, зарегистрировавших события.

Метод был применен для локации горных ударов в Ловозерском массиве по опорному событию - калибровочному взрыву также в Ловозерском массиве (расстояние от опорного события до горных ударов 5-7 км). Оценка погрешности локации составила 300-500 м. Локация производилась по станциям Апатиты и Апатитская сейсмическая группа (расстояния 50-70 км).

Локация событий методом Generalized Beamforming

Пусть t(J - время прихода i-ro типа волны (Р, S или Rg) на j-ю сейсмостанцию с координатами Предположим, что сейсмическое

событие произошло в некой области, ограниченной границей Г на глубине Н. Это значит, что время начала события t0 находится в интервале:

t|jOmm =1,гТ,(КтаХ(фЛ,Г),Н) < to < 1и-Т,(Кпш1(ф|,А;,,Г))Н)=1и0тах

Если предположение верно и событие действительно произошло в области Г, то для всех фаз и станций ij интервалы [tyomm» tyOmax] будут содержать в себе одно и то же время события to, т.е., иметь пересечение.

Введем функцию:

I 0, t<tmin-8t

I l-Kt-Uj/St, 5t<t<tm 1Л

f (t,tmin>tmax) ^ 1) tmm ^ t —tmax

ll-(t-tmax)/5t,tmax<t<tmax+6t

I 0, t^+St I

Вид функции показан на рис.4.

' F(t, tmin, tmax)

" / .....- - v

tmin-dt tmin tmax tmax+dt t

Рис.4 Функция F(t,tmm tmax), используемая в процедуре Generalized beamforming.

Для области, ограниченной границей Г, вводим оценку того, что в данной области произошло сейсмическое событие:

Rating(r) = max S F(t, t,j0min, t,j0m„)

Здесь 8t имеет смысл максимальной возможной погрешности определения времени фазы или же используемой скоростной модели.

Процедура локации, основанная на этом подходе и реализованная в системе EL, заключается в следующем: исходная область покрывается прямоугольной сеткой по широте и долготе, для всех ячеек сетки вычисляется функция Rating. Затем сетка модифицируется - из нее выбрасывается 3/4 ячеек с меньшими рейтингами, остальные ячейки делятся на 4 меньших, процедура повторяется несколько раз. За результат локации принимается центр ячейки с наибольшим рейтингом, полученной на последней итерации.

Алгоритм эффективен в случае наличия замеров большого количества Р и S вступлений по разным сейсмостанциям. Его достоинство заключается в том, что фазы с нереалистическими временами вступлений, т.е., ошибки интерпретаторов, автоматически бракуются, так как не вносят вклад в рейтинговую функцию.

Таким образом, для ручной локации реализованы известные методы, но в новых модификациях. Объединение локации с картографической подсистемой позволило уменьшить человеческие ошибки. Применение последовательного адаптивного уменьшения сетки при локации методом Generalized beamforming существенно уменьшило время расчетов.

В третьей главе рассмотрены алгоритмы автоматического детектирования и локации сейсмических событий. Детектирование в описываемой системе происходит с помощью известного метода STA/LTA - расчета отношения средней амплитуды за короткий период времени STA к средней амплитуде за более длительный период - LTA. Когда отношение превышает определенный порог считается, что обнаружена фаза - предполагаемый момент вступления какой-либо сейсмической волны. Перед детектированием записи пропускаются через полосовые фильтры, полосы которых, перекрываясь, покрывают весь измеряемый частотный диапазон.

Собственно локация, то есть, ассоциация отдетектированных фаз и определение координат событий, рассматривается в двух вариантах - для отдельных трехкомпонентных сейсмостанций и для комбинаций отдельных сейсмостанций и сейсмических групп.

Локация по одной трехкомпонентной станции

Для каждой отдетектированной фазы рассчитываются зависящие от угла функции нормализованного горизонтального движения и корреляции

вертикального и горизонтального движения

Вводятся рейтинговые или весовые функции, имеющие смысл вероятности того, что данная фаза является Р, S или Rg- волной, пришедшей с определенного направления: Рр(а)=(1 + R(a))( 1+CZ(a))/4

Ps(a)=(l + R(a+90o))(l-1 CZ(a+90°) | )/2 (6)

PRg(cx)=(l+R(a))(l-lcZ(a)|)/2

выбрана так, чтобы быть максимальной для линейно поляризованной волны в направлении а, действительно, при этом максимальны как R(a), так и CZ(a). Единицы добавляются для того, чтобы совсем не обнулить веса фаз с невыраженой поляризацией.

максимальна в том случае, когда горизонтальное смещение максимально в направлении а+90о и не коррелировано с вертикальным, т.е., для волн с круговой поляризацией перпендикулярно направлению распространения.

устроена аналогично , только для направления т.е. максимальна для волн с круговой поляризацией в направлении распространения.

Когда фазы отдетектированы и для них рассчитаны функции система начинает просматривать пары фаз и для каждой проверяет гипотезу, что первая из них является фазой Р, а вторая - S. Используется рейтинговая функция (будем обозначать индексами А и В фазы данной пары):

RVab=F((STA/LTA)a) • F((STA/LTA)B) • max {РРА(а) Р5в(а) (1-|РРВ(а)|)}

где F - некая монотонно возрастающая, но ограниченная функция, например Р(х)=1-ехр(-х/хо),

Вклад в значение рейтинга вносят величины 8ТА/ША и значения поляризационных параметров, точнее, их взаимная согласованность для какого-либо угла. Члены Ррд(а) И Р$в(с) здесь имеют смысл вкладов в оценку весов гипотез о том, что фаза А - Р-волна, а В - S-волна. Это "мягкие" критерии, которые всегда больше 0 и, поэтому, никогда полностью не отвергают данные гипотезы. Поэтому если в оценке ограничиться только ими, будут иногда ассоциироваться даже одинаково поляризованные фазы, например, участки длинных техногенных помех. Поэтому добавляется еще член -

отрицание гипотезы о том, что фаза В - Р-волна.

Если значение ИУдв превысило определенный порог, пара фаз запоминается как подозреваемая на то, что отражает реальное сейсмическое событие. Происходит предварительная оценка его координат. Разность времен этих фаз принимается за разность времен прихода Р и волн, по ней рассчитывается расстояние до события.

Рис. 5. Пример работы автоматического детектора и локатора для станции в пос.Амдерма за сутки. Обнаружено 1 сейсмическое событие, произошло 2 ложных срабатывания.

За азимут на событие принимается угол, находящийся в заданных пределах и на котором произведение поляризационных параметров достигло максимума, по расстоянию и углу рассчитываются координаты события.

В 2001 году алгоритм проверки гипотез о парах фаз реализован в системе сбора и обработки данных, установленной на сейсмостанции в пос.Амдерма. Непосредственно на месте производится STA/LTA детектирование и локация по описанному алгоритму. Создаются файлы-бюллетени, содержащие моменты вступления Р,Б-волн и фрагменты огибающих (амплитудных STA-трасс, с помощью которых интерпретатор легко может отбраковать настоящие сейсмические события от ложных срабатываний). Пример такого файла за сутки представлен на рис.5. Файлы-бюллетени имеют небольшой размер и могут быть переданы в центр обработки данных по модемной связи.

Локация для комбинации трехкомпонентных станций и сейсмических ГРУПП

Данный алгоритм был разработан в применении к системе КРСЦ, включающей в себя сейсмическую группу из 9 короткопериодных датчиков с апертурой около 1 км, трехкомпонентную станцию в ее центре, и длиннопериодную трехкомпонентную станцию в гАпатиты на расстоянии 17 км от группы.

Для всех обнаруженных фаз рассчитываются зависящие от угла параметры -поляризационные если есть данные по

трехкомпонентной станции. И корреляции каналов сейсмической группы, если фаза отдетектирована на ее записи - Поскольку значительно

сильнее зависит от а, чем от V, при переборе можно ограничиться небольшим набором скоростей. В нашем случае это 4 предопределенных скорости Vp, Vs, Vrg (региональные Р, S, Rg - волны) и Vt (Р-волна телесейсмического события), для которых берутся некие средние значения (7.5, 4.5, 3.2, 20 км/сек). На следующих этапах обработки величина будет участвовать в расчете

веса гипотезы, что данная фаза является региональной Р-волной, пришедшей с направления и т.д. используется для отбраковки фаз со слишком

высокими скоростями, принадлежащих телесейсмическим событиям.

Затем система делает подбор по сетке. Исходно генерируется прямоугольная сетка, охватывающая участвующие в локации станции. Для каждой ячейки сетки рассчитывается рейтинговая или целевая функция -оценка вероятности того, что событие произошло именно в данной ячейке. Если ее максимум по всей сетке меньше некоторого порога, анализ считается неудачным и прерывается. В противном случае процесс повторяется несколько раз с уменьшением сетки. При этом из нее выбрасывается 3/4 узлов с наименьшими рейтингами, а каждый из оставшихся узлов разбивается на 4 меньших.

Каждой фазе приписывается три веса - вес того, что она является Р,8 или ^-волной, пришедшей с азимута а:

Wp=Wpo•F(Max(STA/LTA))•C(а,Vp)•Pp(а)

Ws=Wso•F(Max(STA/LTA))•C(a,Vs)•Ps(a)

Ш^Го-Р(Мах(5ТА/ЬТА))-С(а,Уг>РК8(а)

Веса содержат амплитудные факторы, а также факторы, учитывающие поляризационные характеристики и корреляции между каналами сейсмических групп (в случае отсутствия заменяются на 1). а - угол из станции на данный узел сетки, \Уро, АУ^о, \Уго - эмпирические константы - исходные веса учета разных типов волн.

Таким образом, список содержит по 3 варианта типа волны на каждую выделенную фазу. Как правило, в него входит огромное количество ложных вступлений, поэтому приходится выбирать логически непротиворечивые наборы, которые, собственно, и сравнивать с теоретическим списком.

Для этого формируется логическая матрица совместимости фаз Му Мц=1, если 1-ю и ]-ю фазы списка можно рассматривать совместно (т.е., они не являются одной и той же фазой, которой просто приписаны разные типы волны, а разность времен этих фаз находится в границах, которые возможны для точек данной ячейки).

С помощью этой матрицы генерируются все полные логически непротиворечивые наборы фаз. (Полные в том смысле, что в каждый такой набор невозможно включить еще одну фазу, совместимую со всеми уже имеющимися в наборе). Каждый из таких наборов сравнивается с теоретическими фазами следующим образом:

Пусть - вес ¡-й фазы из набора фаз, принадлежащих одному логически непротиворечивому варианту. Тогда рейтинговая функция данного варианта определяется как ку = е-е/дю£ Х

где - среднеквадратичное отклонение времени в очаге для данной ячейки сетки, рассчитанное по фазам данного варианта, - некое характерное значение погрешности определения времени в очаге, а - множитель, усиливающий варианты, в которых фазы одного и того же типа регистрируются несколькими станциями:

В качестве оценки ячейки берется максимум из оценок всех вариантов. На сетке ищется глобальный максимум. Если он меньше некоторого порога, анализ считается неудачным и прерывается. В противном случае процесс повторяется несколько раз с уменьшением сетки. При уменьшении из сетки

выбрасывается 3/4 узлов с наименьшими рейтингами, а каждый из оставшихся узлов разбивается на 4 меньших;

Фазы, соответствующие слоцированному событию, изымаются из списков и процесс повторяется (проверяется случай, что запись содержит не одно, а несколько событий);

Информация о слоцированных событиях (координаты, времена вступлений, рассчитанное время в очаге, географическое название места и пр.) записывается во встроенную базу данных;

В четвертой главе обосновывается выбор скоростной модели, пригодной для локации сейсмических событий в Северо-Западном регионе. Необходимость подбора скоростной модели иллюстрируется тем, что локация взрывов в Хибинском массиве, проведенная IDC (International Data Centre) с использованием стандартного годографа IASPEI-91 дает систематическую ошибку порядка 50 км. Для подбора скоростной модели было создано и включено в программный комплекс EL программное обеспечение, включающее в себя подсистему расчета таблиц времен пробега для горизонтально-слоистых сред (вариант волнового алгоритма Ли), а также генератор таблиц модельных и расчетных времен пробега и кажущихся скоростей для слоцированных событий.

Было отобрано 6 сильных событий в регионе (горный удар в Соликамске, взрывы в пос.Заполярном, калибровочный взрыв в Хибинах 29 сентября 1996 года и несколько землетрясений, для них были выбраны волновые формы по всем цифровым сейсмостанциям, для которых эта информация оказалась доступной. По этим волновым формам, где это оказалось возможным, вручную были определены времена первых вступлений волн Р и S.

Затем было проверено несколько одномерных моделей среды, используемых для локации событий региона.

Для калибровочного взрыва в Хибинах с известным временем в очаге напрямую рассчитаны времена пробегов волн, для прочих событий проверялась самосогласованность модели, т.е., величина невязки оценки времени в очаге.

Оказалось, что наилучшее совпадение времен пробега и наилучшая самосогласованность достигаются при использовании годографа NORSAR. Однако, горизонтально-слоистая скоростная модель, положенная в его основу, включает глубины до 55 км, что может приводить к ошибке в локации событий, удаленных на расстояния более 10-15°. Поэтому на больших глубинах модель NORSAR была дополнена моделью IASPEI-91. Соображения в пользу этого заключались в том, что IASPEI-91 хорошо работает для далеких событий, а Земля в ее глубинной части более-менее однородна. Согласно этой "гибридной" модели был рассчитан годограф (далее будем называть его BARENTS).

Таблица 1.

Гибридная скоростная модель, использованная для расчета годографа BARENTS

Глубина слоя Vp Vs

0 6.2 3.58

16 6.7 3.87

40 8.1 4.6

55 8.23 4.68

290 как в IASPEI-91

Ошибка локации калибровочного взрыва 29 сентября 1996 года по записям скандинавских сейсмических групп ARC, FIN, HFS и SPI (расстояния до события от 400 до 1300 км) составила 2 км, а максимальное отклонение модельных и расчетных времен пробега волн - 1.5 сек для самой дальней станции HFS.

Повторная локация взрывов в Хибинском массиве, упомянутых выше, по данным ЮС, но с применением годографа BARENTS не дала систематической ошибки локации.

В пятой главе описываются некоторые результаты исследований местной сейсмичности с помощью описываемого программного комплекса. С октября 1996 года он использовался для непрерывного мониторинга сейсмичности региона. Кроме этого был проведен ретроспективный анализ цифровых записей, накопленных в КРСЦ до начала работы системы (станции Апатиты и Апатитская сейсмическая группа - ARRAY, с ноября 1992 года). Цифровые записи пропускались через подсистему автоматического детектирования и локации событий, результаты проверялись и, в случае необходимости, корректировались человеком-интерпретатором.

В результате была накоплена база данных сейсмических событий, объединяющая их волновые формы и результаты обработки (координаты, магнитуды, времена в очаге, примечания).

В базу данных вошло свыше десяти тысяч сейсмических событий, большинство из которых представляют собой взрывы той или иной природы. 340 событий было идентифицировано как землетрясения.

Карта событий, идентифицированных как землетрясения, для Кольского полуострова и прилегающих территорий показана на рис.6.

Результаты ретроспективного анализа данных позволили пересмотреть представления о сейсмической активности Хибинского массива. В недавнем прошлом была распространена точка зрения, что в Хибинском массиве высок уровень техногенной сейсмичности, который увеличивается, а площадь,

охватываемая техногенными землетрясениями, расширяется со временем. Высказывалась даже гипотеза, что в результате выемки большой массы горных пород Хибинский массив перешел в неустойчивое состояние.

Рис.6. Землетрясения, 1992-2002гг.

В результате ретроспективного анализа данных выяснилось, что:

1) Огромное количество сейсмических событий, ранее принимавшихся за землетрясения, вызваны обрушениями породы в зонах ведения горных работ. Поскольку такие события очень сложно слоцировать (слабые или вообще отсутствующие объемные волны Р и 8), результаты их локации были распределены по всему Хибинскому массиву.

2) Множество сейсмических событий, принимавшихся ранее за землетрясения, после их аккуратной перелокации оказались в пределах действующих рудников. Проверка, выполненная с помощью сотрудника Горного Института КНЦ РАН д.т.н. СА Козырева, показала, что данные события являются слабыми технологическими взрывами на рудниках (так называемые «торцевые взрывы»), о которых администрация рудников не ставила нас в известность.

После отбраковки всех упомянутых событий в нашей базе данных (1992-

2002 гг) в качестве землетрясений в Хибинском массиве и на прилегающей к нему территории осталось 15 событий с магнитудами от 0.2 до 2.8, два из которых, в районе рудников (магнитуды 2.1 и 2.8), были подтверждены очевидцами (рис. 7).

Рис. 7. Землетрясения в Хибинском массиве и на прилегающей территории, 1992-2002 гг.

Непрерывные данные микро-ARRAY Амдерма (1994-1998 гг) также были подвергнуты ретроспективному анализу. Данные были пропущены через автоматический детектор и описанную выше систему автоматической локации. В результате в базу данных был отобран 341 фрагмент цифровой записи, из которых 320 являются записями сейсмических событий, а 21 - подозреваются на наличие сейсмических событий. Кроме этого, в базу данных включены волновые формы 229 телесейсмических событий и 6 реальных событий, которые не удалось слоцировать из-за невыраженности поляризации Р-волны.

Основные результаты работы могут быть кратко сформулированы следующим образом:

Создан интегрированный программный комплекс, адаптированный к сети сейсмостанций КРСЦ и позволяющий проводить автоматический мониторинг сейсмичности Северо-западного региона, а также анализировать сейсмические события интерактивно. Составлена база данных, содержащая волновые формы и координаты более 10000 сейсмических событий.

Полученные данные свидетельствуют о том, что:

1. наибольшая сейсмическая активность в исследуемом регионе (Кольский полуостров и прилегающие территории) наблюдается в Северной Карелии и Финляндии, в районе Кандалакшского залива Белого моря и в Ловозерском горном массиве.

2. Сейсмическая активность Хибинского массива носит техногенный характер - подавляющее большинство сейсмических событий здесь находится в пределах территории действующих рудников.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. E.O.Kremenetskaya, Asming V.E., Ringdal F. Study of underground mining explosions in the Khibiny massif. NORSAR Scientific Report N 2-94/95. Semiannual Technical Summary. Kjeller, May 1995. pp. 137-140.

2. Seismological Aspects of Mining Activity in Khibiny. A brief overview/E.O. Kremenetskaya, F.Ringdal, I.Kuzmin, V.Asming//Apatity, KSC. Preprint. - 26 p.

3. F.Ringdal, E. Kremenetskaya, V. Asming, Y. Filatov. Study of seismic traveltime models for the Barents region. In: NORSAR Semiannual Tech. Summ. 1 Oct. 96 - 31 March 97, NORSAR Sci. Rep. No. 2-96/97, Kjeller, Norway, p. 31-35.

4. F.Ringdal, E. Kremenetskaya, V. Asming, I. Kuzmin, S. Evnihin, V.Kovalenko. Study of the calibration explosion on 29 September 1996 in the Khibiny Massif, Kola Peninsula. In: NORSAR Semiannual Tech. Summ. 1 Apr.96 - 30 Sep. 96, NORSAR Sci. Rep. No. 1-96/97, Kjeller, Norway, p. 27 - 32.

5. Кузьмин И.А., Кременецкая Е.О., Асминг В.Э., Коломиец А.С. Региональная система мониторинга сейсмоактивности европейского севера России и прилегающих районов Арктики. В сб. Приборы и методика геофизического эксперимента. Мурманск, изд. ООО "МИП-999" 1997, с. 77-83.

6. Асминг В.Э. Программный комплекс для автоматизированной обработки сейсмических записей "EL". В сб. Приборы и методика геофизического эксперимента. Мурманск, изд. О00"МИП-999" , 1997, с. 125-132.

7. Буянов А.Ф., Асминг В.Э., Козырев А.А., Чуркин О.Е. Географические информационные системы в горном деле. В кн. Информационные технологии в горном деле. Под ред. А.А. Козырева. Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 1998, с. 47 - 75.

8. F. Ringdal, T. Kvaerna, E.O. Kremenetskaya, V.E. Asming. The seismic event near Novaya Zemlya on 16 August 1997. In NORSAR Semiannual Technical Summary 1 Apr.- 30 Sep. 1997 , NORSAR Sci. Rep. No 1-97/98, Kjeller, Nor., p. 110-119.

9. Асминг В.Э., Кременецкая Е.О., Кузьмин И.А. Некоторые результаты автоматизированной обработки цифровых записей сейсмических событий на Кольском полуострове. В сб. Геомеханика при проведении горных работ в высоконапряженных массивах. Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 1998, с. 116-122.

10. Асминг. В.Э., Кременецкая Е.О. Обоснование и проверка скоростных моделей для Хибинского массива и северо-западного региона. В сб. Геомеханика при проведении горных работ в высоконапряженных массивах. Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 1998, с. 123-131.

11. Кременецкая Е.О., Кузьмин И.А., Асминг В.Э. Землетрясения восточной части Балтийского щита. В сб. Землетрясения северной Евразии в 1992 году. Геоинформмарк, Москва, 1997, с. 110-112.

12. Kremenetskaya E.O., V.E. Asming. Seismology on Kola: Monitoring earthquakes and explosions in the Barents Region. IRIS Newsletter, Volume XYI, Number 2, 1998.

13. V. Asming, I. Kuzmin, F. Ringdal. Recent developments in connection with the seismic station in Amderma, Russia. In: Semiannual Technical Summary 1 April-30 September 1999, NORSAR Scientific Report, № 1 -1999/2000, , Kjeller, November, 1999, p. 102 - 107.

14. Кременецкая Е.О., Кузьмин И.А., Асминг В.Э., Баранов СВ., Журков М.А. Создание базы данных о сейсмичности Баренцрегиона. В сб. Теоретические и прикладные модели информатизации региона. Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 2000, с. 44-49.

15. Асминг В.Э., Журков М.А. Разработка программного обеспечения для сейсмической станции GBV-316V. В сб. Теоретические и прикладные модели информатизации региона. Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 2000, с. 50-52.

16. Е. Kremenetskaya, V. Asming, F. Ringdal. Seismic Location Calibration of the Europian Arctic. Pure appl. geophys. Vol. 158, No. 1-2,2001, p. 117-128.

17. Асминг В.Э., Кузьмин И.А., Журков М.А. Программмно-аппаратный комплекс для непрерывной регистрации и предварительной обработки сейсмологической информации. // Техника и методика геофизического эксперимента. Апатиты. Изд. КНЦ РАН. С. 61 - 67.

Автореферат

Асминг Владимир Эрнестович

СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ, ЛОКАЦИИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СЕЙСМИЧНОСТИ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия серия ПД №00801 от 06 октября 2000 г.

Подписано к печати 12.05.2004

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Гарнитура Times/CyrШic

Уч.-изд.л. 1.2. Заказ № 28. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова 184209, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14

04 - 1 *177.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Асминг, Владимир Эрнестович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ

СЕЙСМИЧЕСКИХ ЗАПИСЕЙ

1.1. Архитектура системы EL

1.2. Обработка данных

1.3. Упаковка данных

1.4. Расчет магнитуд и отношений амплитуд волн Р и S 24 Выводы к главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ РУЧНОЙ ЛОКАЦИИ

СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ

2.1. Метод засечек

2.2. Уточнение координат с помощью минимизации невязки времени в очаге, оценка ошибок локации

2.3. Оценка глубины события.

2.4. Локация методом Generalized beamforming

2.5. Локация относительно опорного события

2.6. Оценка погрешности определения координат и глубин с помощью перебора вариантов выбора времен первых приходов волн

Выводы к главе

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

И ЛОКАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ

3.1. Детектирование.

3.2. Автоматическая локация сейсмических событий

3.3. Модификации алгоритмов для работы в условиях недостаточного количества данных одиночные трехкомпонентные станции)

3.4. Алгоритм совместного детектирования и локации с помощью огибающих

Выводы к главе

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ И ПРОВЕРКА СКОРОСТНЫХ МОДЕЛЕЙ

СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА

4.1. Программное обеспечение работ по подбору и проверке скоростных моделей

4.2. Подбор и проверка скоростной модели для Баренцрегиона

4.3. Скоростная модель для приходов волн Rg. 89 Выводы к главе

ГЛАВА 5. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ МЕСТНОЙ

СЕЙСМИЧНОСТИ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ EL

5.1. Ретроспективный анализ данных станции Апатиты и Апатитской сейсмической группы

5.2. Сейсмическая активность Хибинского массива

5.3. Ретроспективный анализ данных сейсмостанции Амдерма

5.4. Выработка спектрального критерия распознавания записей взрывов

5.5. Классификация сейсмических событий с помощью обобщенных трасс Выводы к главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Создание программного комплекса для автоматизации детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий и его использование для изучения сейсмичности Северо-западного региона"

В настоящей работе рассматривается круг вопросов, связанных с построением программного комплекса, предназначенного для автоматического обнаружения, локации и интерпретации сейсмических событий. Описывается архитектура программного комплекса, алгоритмы, положенные в основу его функционирования, а также результаты исследования сейсмичности Северозападный региона с его применением.

Основные задачи исследований:

1. Разработка и программная реализация алгоритмов обработки сейсмических записей;

2. Разработка и программная реализация алгоритмов ручной локации сейсмических событий;

4. Выбор и проверка скоростных моделей для Северо-западного региона;

5. Изучение сейсмичности Северо-западного региона с помощью описываемой системы;

Научная новизна.

1. Переработан известный алгоритм детектирования/локации методом "generalized beamfoiming". Он дополнен процедурой адаптивной модификации формы сетки, на которой ведется подбор целевой (рейтинговой) функции, максимум которой соответствует сейсмическому событию. Такой подход существенно уменьшает время работы алгоритма и приводит к увеличению точности локации.

9. Предложен подход к классификации сейсмических событий, основанный на обобщенных огибающих, отражающих усредненное поведение сигнала в частотной и временной областях.

10. Предложен метод распознавания взрывов, основанный на корреляции спектров записи в различные моменты времени.

Практическая значимость. Создан программный комплекс, позволяющий осуществлять непрерывный автоматический мониторинг сейсмичности региона. Он находится в эксплуатации в Кольском региональном сейсмологическом центре с октября 1996 года по настоящее время, отдельные программы комплекса используются в других геофизических организациях, в частности, в Геологической службе Латвии. В результате ретроспективного анализа данных, собранных в КРСЦ до ввода системы в эксплуатацию и последующего автоматизированного мониторинга создана база данных сейсмических событий, включающая более 10000 записей. Создана карта сейсмичности Кольского полуострова и прилегающих территорий, дающая более точное представление о местной сейсмической активности.

Защищаемые положения, отражающие главные результаты диссертационной работы:

1. Применение процедуры адаптивной модификации формы сетки, на которой ведется подбор целевой (рейтинговой) функции, максимум которой соответствует сейсмическому событию, существенно (10-100 раз) ускоряет работу алгоритмов локации как в методе "generalized beamforming", так и в методе автоматической ассоциации фаз, предложенном автором.

Screening № 5" (Осло, 2003), "Техногенная сейсмичность при горных работах : модели очагов, прогноз, профилактика" (Кировск, 2004).

Структура диссертации. Работа состоит из пяти глав и трех приложений.

В первой главе, носящей технический характер, рассматривается архитектура программного комплекса EL и некоторые алгоритмы общего назначения, включенные в него.

Вторая глава посвящена алгоритмам ручной (точнее, интерактивной - с участием человека-интерпретатора) локации сейсмических событий. Рассматриваются как традиционные алгоритмы (метод засечек, минимизация оценки времени в очаге), так и разработанные специально для программного комплекса EL варианты алгоритмов локации методом Generalized beamforming с адаптивно изменяющейся сеткой и относительно опорного события.

Предложен метод расчета трехмерной области ошибок, являющийся альтернативой так называемому «эллипсу ошибок».

В третьей главе описываются алгоритмы автоматического детектирования и локации сейсмических событий. Приводятся разработанные автором алгоритмы ассоциации фаз как для одной трехкомпонентной станции, так для комбинации трехкомпонентных станций и сейсмических групп. Предлагается новый алгоритм одновременных детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий с помощью обобщенной огибающей, отражающей в среднем поведение сигнала как в амплитудной, так и в частотной области.

Четвертая глава посвящена выработке скоростной модели для локации сейсмических событий в Северо-западном регионе. Приводится одномерная модель, ошибки расчета времен пробега в которой на региональных расстояниях сравнимы с ошибками определения первых вступлений волн Р и S.

В пятой главе рассказывается об исследовании местной сейсмичности с помощью программного комплекса EL. Приводится карта сейсмичности Кольского полуострова и прилегающих территорий, созданная по результатам автоматизированного мониторинга событий и ретроспективного анализа сейсмических записей станций Апатиты и Амдерма. Приводится метод классификации сейсмических событий, основанный на сравнении обобщенных огибающих. Предлагается алгоритм распознавания взрывов, основанный на корреляции спектров записи в различные моменты времени.

В приложениях приводятся геометрические построения, применяемые в работе, описывается полная структура программного комплекса EL и дается список сейсмических станций, упомянутых в работе.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Асминг, Владимир Эрнестович

Выводы к главе 5

По результатам ретроспективного анализа данных и непрерывного мониторинга можно сделать следующие выводы:

- наибольшая сейсмическая активность в исследуемом регионе (Кольский полуостров и прилегающие территории) наблюдается в Северной Карелии и Финляндии, в районе Кандалакшского залива Белого моря и в Ловозерском горном массиве;

- сейсмическая активность Хибинского массива носит техногенный характер - подавляющее большинство сейсмических событий здесь находится в пределах территории действующих рудников.

Показано, что для распознавания техногенных событий с характерными полосами в спектральных диаграммах применима введенная в данной главе функция А(т), характеризующая изменчивость спектра сигнала в зависимости от времени.

Проиллюстрирована возможность применения обобщенных огибающих для классификации записей сейсмических событий.

Ill

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе описана созданная автором интегрированная программная система, предоставляющая исследователю широкие возмояшости для изучения сейсмических событий : непрерывный автоматический мониторинг сейсмичности, одновременное использование записей нескольких сейсмостанций, ручную локацию с использованием картографической подсистемы, полуавтоматическую и автоматическую локацию событий, анализ спектров и сонограмм, поляризаций и азимутов различных типов сейсмических волн, картографическую базу данных. Описаны алгоритмы, положенные в основу работы системы.

Так, предложены устойчивые алгоритмы расчета магнитуд по объемным волнам, отношений амплитуд P/S, поляризационных параметров и корреляционных функций каналов сейсмических групп.

Рассмотрены реализованные в системе EL алгоритмы ручной (интерактивной) локации сейсмических событий, каждый из которых имеет свои преимущества:

- метод засечек полезен для визуализации процесса локации и поиска ошибок интерпретатора;

- метод градиентной оптимизации времени в очаге является быстрым и надежным методом локации при отсутствии явных ошибок интерпретатора и возможности выбора исходной точки поиска экстремума;

- метод локации «Generalized beamforming» с адаптивно меняющейся формой сетки, хотя и работает медленнее, чем метод оптимизации невязки, способен игнорировать грубые ошибки интерпретатора при достаточном количестве сейсмостанций, используемых в анализе.

Предложен алгоритм расчета трехмерной области ошибки, являющийся хорошей альтернативой так называемому «эллипсу ошибок».

Введены рейтинговые функции - оценки вероятности того, что фаза является вступлением волны того или иного типа, построенные на основе зависящих от предполагаемого подхода волны параметров (поляризационных функций S(a) и CZ(a), а также корреляции между каналами сейсмических групп - C(a,V,to,ti). Эти функции применены для выработки алгоритмов ассоциации фаз. Для отдельных трехкомпонентных станций это проверка гипотез о том, что пара фаз является вступлениями Р и S для одного события, для комбинации трехкомпонентных станций и сейсмических групп - перебор логически непротиворечивых фаз.

Работоспособность этих алгоритмов показана на примере функционирования системы в КРСЦ.

Предложен алгоритм одновременных детектирования локации и распознавания сейсмических событий с помощью обобщенных огибающих.

Для Северо-западного региона выработана одномерная скоростная модель BARENTS, в которой на региональных расстояний (до 2000 км) невязки времен пробега сейсмических волн не превышают погрешностей определения времен вступлений сейсмических волн.

С конца 1996 г. программный комплекс EL находится в непрерывной эксплуатации в Кольском региональном сейсмическом центре. Он используется для непрерывного автоматизированного мониторинга местной сейсмичности. Также комплекс был применен для ретроспективной обработки цифровых данных, накопленных по его создания.

По результатам этой работы можно сделать следующие выводы:

Для распознавания техногенных событий с характерными полосами в спектральных диаграммах применима введенная в данной работе функция А(т), характеризующая изменчивость спектра сигнала в зависимости от времени.

Создание системы было бы невозможным без активного диалога с ее пользователями. Автор выражает особую признательность Е.О.Кременецкой за активное использование системы, конструктивные замечания и деятельное участие в работе по проверке скоростных моделей. Хочется поблагодарить также Я.И.Филатова, поддерживавшего работу с позиций системного программиста, А.С.Коломийца, аккуратно слоцировавшего события в районе Ревды и, конечно, А.А.Козырева, советы которого неоценимо помогли в написании этой работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Асминг, Владимир Эрнестович, Москва

1. Асминг В.Э. Программный комплекс для автоматизированной обработки сейсмических записей "EL". В сб. Приборы и методика геофизического эксперимента. Мурманск, изд. ОСЮ"МИП-999" , 1997, с. 125132.

2. Бабич В.М., Булдырев B.C. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн,- М.: "Наука", 1972,- 456 с.

3. Бат М. Спектральный анализ в геофизике.- \\М.: "Недра", 1980,- 535 с.

4. Берзон И.С., Ратникова Л.И., Рац-Хизгия М.И. Сеймические объемные отраженные волны.- М.: "Наука", 1966,- 229 с.

5. Буллен К.Е. Введение в теоретическую сейсмологию,- \\ М.: Мир, I960,- 466 с.

6. Гурвич И.И., Номоконов В.П. Справочник геофизика, т.4.- \\ М.:"Недра", 1966.-750 с.

7. Джеффрис Г. Земля ее происхождение история и строение.- М.: Издательство иностранной литературы, I960.- 695 с.

8. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров,- М.: "Наука", 1968,- 720 с.

9. Кременецкая Е.О., Кузьмин И.А., Асминг В.Э., Баранов С.В., Журков М.А. Создание базы данных о сейсмичности Баренц-региона // Теоретические и прикладные модели информатизации региона.- Апатиты, 2000,- С.44-49.

10. Кременецкая Е.О., Кузьмин И.А., Баранов С.В. Сейсмологические исследования на Шпицбергене // Комплексные исследования природы Шпицбергена. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002, С. 70-80.

11. Крушевский А.В. Теория игр,- \\Киев: "Высшая школа", 1977.- 216 с.

12. Кузьмин И.А., Путилов В.А. Территориально распределенные автоматизированные системы в геофизических исследованиях. JL: Наука, 1985.-198 с.

13. Кузьмин И.А., Тряпицын В.М., Бекетова Е.Б., Федоренко Ю.В. Скоростная модель среды Хибинского массива // Апатиты, КНЦ РАН, препринт, 1994

14. Рашевский П.К. Риманова геометрия и тензорный анализ.- \\ М.: "Наука", 1967.-664 с.

15. Седов Л.И. Механика сплошной среды, т.1.- \\ М.: "Наука", 1983.- 664с.

16. Agustin Udias Principles of Seismology.- \\ Cambridge University Press, 525 pp.

17. Allen R. Automatic earthquake recognition and timing from single traces // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 68, pp. 1521-1532,1978.

18. Allen R. Automatic phase pickers: their present use future prospects // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 72, pp. 225-242, 1982.

19. Anant K. Dowla F. Wavelet transform methods for phase identification in three-component seismograms // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 87(6), pp. 1598-1612, 1997.

20. Barkat M. Signal, Detection and Estimation, Artech House, Boston, 1991.

21. Basseville M., I. Nikiforov I. Detection of Abrupt Changes, Theory and Application.- Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1993, Chapter 6, pp. 109-84.

22. Baum C.W., Veeravalli V.V. A sequential procedure for multihypothesis testing // IEEE Trans. Inform. Theory 40 (6) (1994) 1995-2007.

23. Bear M., Kradolfer U. An automatic phase picker for local and teleseismic events // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 77, pp. 1437-1445, 1987.

24. Yves Cansi, Jean-Louis Plantet, Bernard Massinon. Earthquake location applied to a mini-array : K-spectrum versus correlation method.//Geophysical Research Letters, vol.20, No.17, p.1819-1822, September 3,1993.

25. Cichowicz A. An automatic S-phase picker // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 83, pp. 180-189, 1993. 27. Franklin J. Matrix Theory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1968.

26. Freiberger W.F. An approximate method in signal detection // Quarterly Appl. Math. Vol. 20, pp 373-378, 1963.

27. Goforth Т., Herrin E. An automatic seismic signal detection algorithm based on the Walsh transform // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 71, pp. 1351-1360, 1981.

28. D.C. Jepsen D.C., Kennett B.L.N. Three-component analysis of regional seismograms // Bulletin of Seismological Society of America, Vol. 80, pp. 20322052, 1990.

29. Joswig M. Pattern Recognition for Earthquake Detection // Bulletin of Seismological Society of America, Vol. 80, pp. 170-186,1990.

30. Jurkevics A. Polarization analysis of three-component array data // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 78, pp. 1725-1743, 1988.

31. Kadambe S., Boudreaux-Bartels G. Application of the wavelet transform for pitch detection of speech signals // IEEE Trans. Inform. Theory 38 (2) (1992) 917-924.

32. Kanasewich E. Time sequence analysis in geophysics. The University of Alberta Press, Alberta, 1981,

33. Kennet B.L.N Seismic Wave Propagation in Stratified Media.- \\ Cambridge University Press, 1981, 342 pp.

34. Khalil M., Duchene J., Marque C. Reassignment method in time-scale representation. Application to uterine elec-tromyography, in: World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Nice, France, September

35. E.O.Kremenetskaya, Asming V.E., Ringdal F. Study of underground mining explosions in the Khibiny massif. NORSAR Scientific Report N 2-94/95. Semiannual Technical Summary. Kjeller, May 1995. pp. 137-140.

36. E.O. Kremenetskaya, F.Ringdal, I.Kuzmin, V.Asming Seismological Aspects of Mining Activity in Khibiny. A brief owerview//Apatity, KSC. Preprint. -26 p.

37. Love A.E.H. The Mathematical Theory of Elasticity (4th ed.).- \\ Cambridge University Press, 643 pp.

38. Manfred J. Pattern Recognition for Earthquake Detection // Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 80, pp. 170-186,1990.

39. Murdock J.N., Hutt C.R. A New Event Detector Designed for the Seismic Research Observatories // U.S. Geol. Surv. Open-File Report 83-785,1983.

40. F.Ringdal. Fundamental aspects of seismic event detection, magnitude estimation and their interrelation. Dissertation for the Degree Doctor Philosophiae. University of Oslo, Norway, 1977.

41. Ringdal F, E. Kremenetskaya, V. Asming, Y. Filatov. Study of seismic travel-time models for the Barents region. In: NORSAR Semiannual Tech. Summ. 1 Oct. 96 31 March 97, NORSAR ScL Rep. No. 2-96/97, Kjeller, Norway, p. 31-35.

42. Ringdal F., Kvaerna Т., A multi-channel processing approach to real time network detection, phase association, and treshold monitoring.// Bull.Seism.Soc.Am., 79, 1990.

43. F. Ringdal, T. Kvaerna, E.O. Kremenetskaya, V.E. Asming. The seismic event near Novaya Zemlya on 16 August 1997. In NORSAR Semiannual Technical Summary 1 Apr.- 30 Sep. 1997 , NORSAR Sci. Rep. No 1-97/98, Kjeller, Nor., p. 110 -119.

44. Samson J., Olson J. Some comments on the descriptions of the polarization states of waves // Geophys. J. R. astr. Soc., Vol. 61, pp. 115-129,1980.

45. Stewart S.S. Real-time dection and location of local seismic events in Central California // Bulletin of the Seismological Society of America Vol. 67, pp. 433-452, 1977.

46. Swindell W.H., Snell N.S. Station Processor Automatic Signal Detection System. Phase I: Final Report, Station Processor Software Development, Report ALEX(01)-FR-77-01,AFTAC Contract F08606-76-C-0025, Texas Instruments, Dallas, 1977.

47. Vaidyanathan, P.P. 1990, Proceedings of the IEEE, vol. 78, pp. 56Ц93.

48. William A.T., Saul A.T., William T.V., Brain P.F. Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing.- \\ Cambridge University Press, 1997, 994 pp.

49. Young R.M. An introduction to nonharmonic Fourier series // Academic Press, New York, 1980.Trans. Pat. Anal, and Mach. Intell.,Vol. 11, pp. 674-693, 1989.

Информация о работе

Асминг, Владимир Эрнестович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.10

Диссертация

Создание программного комплекса для автоматизации детектирования, локации и интерпретации сейсмических событий и его использование для изучения сейсмичности Северо-западного региона - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы