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.
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;
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.
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.
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 10 000 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.
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 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.
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:
— 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.
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.
Проиллюстрирована возможность применения обобщенных огибающих для классификации записей сейсмических событий.
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.
