CC BY
23
РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ НАУК О ЗЕМЛЕ, ТОМ 11, ИЕ3007, ао1:10.2205/2009ЕЯ000433, 2010 ТРУДЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ
Итоги Электронного Геофизического Года
3-6 июня 2009 • Переславль-Залесский, Россия
Автоматизация процедур первичной обработки сейсмических сигналов при калибровке трасс источник-станция
О. К. Кедров,1 Э. О. Кедров,2 Н. А. Сергеева,2 А. Б. Чулков,3 и Л. П. Забаринская2 Получено 11 ноября 2009; принято 3 декабря 2009; опубликовано 29 января 2010.
Метод динамической калибровки (МДК) станций Международной системы сейсмического мониторинга был разработан для калибровки районов, где не проводились подземные ядерные взрывы, с целью обеспечения условий для контроля Договора
о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний в таких сложных случаях. Сущность МДК заключается в адаптации диагностических параметров, разработанных для Базового региона, в качестве которого используется район Евразии, для других исследуемых регионов (ИР), отличающихся от БР характером затухания сейсмических волн. Целью данной работы явилась разработка алгоритмов и исследовательских программ “Спектр” и “Сигнал”, позволяющих автоматизировать процедуры измерения сейсмических параметров сигналов, используемых при калибровке, и тем самым решить указанную проблему. Тестирование данных алгоритмов и программ проведено по записям землетрясений, зарегистрированных на станции Маканчи (MKAR) в Казахстане, из района расположения испытательного полигона Лобнор в Китае и на станции Пандейл (PDAR) в США из района, прилегающего к Невадскому испытательному полигону. Оценка качества получаемых автоматически параметров сейсмических сигналов с помощью программ “Спектр” и “Сигнал” проведена на основе сопоставления с результатами обработки данных в интерактивном режиме с использованием имеющейся у авторов программной системы “MSEISMO” и пакета программ “Рабочее место сейсмолога” (“РМС”). КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: международная система мониторинга, землетрясение, спектр, калибровка, диагностический параметр.
Ссылка: Кедров, О. К., Э. О. Кедров, Н. А. Сергеева, А. Б. Чулков, и Л. П. Забаринская (2010), Автоматизация процедур первичной обработки сейсмических сигналов при калибровке трасс источник-станция, Росс. ж. наук о Земле, 11, И.Е3007, ёс1:10.2205/2009В8000433.
1 Введение
Метод динамической калибровки (МДК) сейсмических параметров, характеризующих тип сейсмического явления (подземный взрыв и землетрясение) по данным естественной сейсмичности, был первоначально представлен
1Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, Москва, Россия
2 Геофизический центр РАН, Москва, Россия
3ЗАО “ИнтегралЪ”, Москва, Россия
(¡5 2010 Российский журнал наук о Земле. http://elpub.wdcb.ru/jcurnals/rjes/dci/2009ES000433.html
в работах [Кедров, 2001; Кедров и Кедров, 2003; Кедров и др., 2001] и затем экспериментально опробован по данным из района Центральной Азии в работе [Кедров и др., 2008].
В текущей версии исследовательской программы “Калибр”, реализующей МДК (Рис. 1), первичная обработка параметров сейсмических сигналов, необходимых для калибровки, осуществляется в интерактивном режиме. Если учесть, что для надежной калибровки отдельной трассы источник-станция требуется выборка не менее чем из 100 сигналов, то применение процедур первичной обработки сигналов в интерактивном режиме занимает значительное время и сильно замедляет процедуру калибровки в целом.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма обработки сейсмических данных с целью динамической калибровки станций МСМ и идентификации явлений в районах без предыстории ядерных испытаний.
В настоящей работе представлены результаты разработки алгоритмов автоматического измерения параметров, характеризующих тип сейсмического явления во временной и частотной области, которые позволяют оперативно обрабатывать большие выборки сигналов и тем самым существенно сокращать время, необходимое для калибровки интересующей трассы источник-станция.
Разработанные алгоритмы и программы “Спектр” и “Сигнал” обработки сигналов в спектральной и временной области проверены по данным обработки землетрясений для выбранных трасс путем сопоставления с результатами анализа с применением имеющихся у авторов средств интерактивной обработки.
2 Постановка задачи
МДК был разработан для калибровки районов, где не проводились подземные ядерные взрывы (ПЯВ), с целью обеспечения условий для контроля Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) в таких сложных случаях [ДВЗЯИ, 1996].
Уникальность МДК заключается в том, что калибровка трасс источник-станция осуществляется с использованием данных только естественной сейсмичности в ис-
следуемом районе и не требует проведения специальных подземных химических калибровочных взрывов.
В существующей версии программы “Калибр” этап первичной обработки сейсмических сигналов осуществляется в интерактивном режиме. При этом калибровка отдельной трассы источник-станция, требующая обработки не менее чем 100 сигналов из интересующего района, занимает значительное время, что существенно снижает оперативность метода.
Целью данной работы явилась разработка алгоритмов и исследовательских программ, позволяющих автоматизировать процедуры измерения сейсмических параметров сигналов, используемых при калибровке отдельной трассы источник-станция. Следует подчеркнуть, что при применении автоматической обработки большой выборки сигналов особенно важно проводить предварительно контроль качества данных с тем, чтобы исключить из анализа бракованные записи, а также случаи, когда волны Р, Я и ЬК имеют отношения сигнал/шум близкие к единице.
Тестирование данных алгоритмов и программ проведено по записям землетрясений, зарегистрированных на станции Маканчи (МКАИ.) в Казахстане из района расположения китайского испытательного полигона Лобнор и станции Пандейл (РБАИ) в США из района, прилегающего к Невадскому испытательному полигону (НИП).
Оценка качества получаемых автоматически параметров сейсмических сигналов с помощью исследовательских программ “Спектр” и “Сигнал” проведена на основе сопоставления с результатами обработки данных в интерактивном режиме с использованием программной системы ‘МБЕКМО” [Кедров и др., 1989] и пакета программ “Рабочее место сейсмолога” (“РМС”).
3 Алгоритмы
С целью обоснования необходимости автоматизации первичной обработки больших выборок сейсмических данных при калибровке отдельной трассы источник-станция, необходимо кратко напомнить сам метод динамической калибровки [Кедров, 2001; Кедров и Кедров, 2003; Кедров и др., 2001].
В МДК используются два параметра, характеризующие сейсмические сигналы во временной области (Xi): отношения максимальных амплитуд (Amax) в цугах поперечных S и продольных волн P: S/P, а также цугах поверхностных LR и продольных волн P: LR/P, и два
- в частотной области (Gi): отношения сумм (Si) спектральных амплитуд продольных волн в трех частотных полосах: Si(0,3-0,6 Гц), S2(1,3-3,0 Гц) и S3(3,0-6,0 Гц): S1/S2 и Si/S3.
При идентификации ПЯВ необходимо использовать параметры сейсмических сигналов, не зависящие от влияния магнитуды явления тъ и эпицентрального расстояния Д (в км), то есть дискриминанты Di, характеризующие только тип явления (ПЯВ и землетрясение) [Кедров, 2005; Кедров и Люкэ, 1999; Кедров и др., 1990]. Соответствующие соотношения для дискриминантов D(S/P), D(LR/P), D(Gi,2) и D(Gi>3) в окончательной форме выписаны ниже.
D(S/P) = log(S/P) - Ьд log Д , (1)
D(LR/P) = log(LR/P) - атшъ + Ьд log Д , (2)
D(Gi,2) = log Si -ат1шь-log S2 +am2rnt -Ьд log Д , (3)
D(Gi,3) = log Si -amirnb-log S3 +агазтъ - Ьд log Д , (4)
где am,ami,am2,am3 и Ьд - регрессионные коэффициенты, оцененные для региона Евразии по записям ПЯВ и землетрясений на станции Боровое (BRVK, Казахстан) отдельно для двух зон расстояний: (1) 0,5-1,5 тыс. км и (2) 1,5-4,0 тыс. км. Деление данных на указанные две зоны сделано с учетом особенностей затухания амплитуд сейсмических волн P, S и LR с расстоянием от эпицентра явления.
Сущность МДК заключается в адаптации дискриминантов D(Xi) и D(Gi), разработанных ранее для района
Евразии [Кедров, 2005; Кедров и Люкэ, 1999; Кедров и др., 1990], рассматриваемого в МДК в качестве базового региона (БР), для других, исследуемых районов (ИР), отличающихся от БР характером затухания сейсмических волн.
На Рис. 1 показана блок-схема алгоритма МДК, включающая наряду с собственно калибровкой этап первичной обработки сейсмограмм во временной и частотной области.
Для реализации этапа первичной обработки сейсмограмм в автоматическом режиме в настоящей работе составлены алгоритмы и программы “Спектр” и “Сигнал”.
3.1 Алгоритм программы “Спектр”
Программа “Спектр” предназначена для автоматического расчета амплитудных спектров волны P и шума перед вступлением волны P по 30-секундным интервалам записей сигналов по вертикальной компоненте Z. Алгоритм данной программы ориентирован на оперативный расчет спектров по большим выборкам сигналов на заданной станции из интересующего района.
С целью получения необходимой для работы программы информации об обрабатываемом сигнале, используются данные из окончательного бюллетеня явлений (REB
- Reviewed Event Bulletin) Международного центра данных (МЦД).
Вводимая информация.
1. Конфигурационный файл, используемый для управления работой программы “Спектр”, содержащий записи, каждая из которых соответствует определенному сейсмическому событию и включает информацию из Сейсмического бюллетеня REB МЦД: время в очаге обрабатываемого сигнала, географические координаты очага, эпи-центральное расстояние (Д, км), магнитуды явления тъ и MS, расчетные времена вступлений волн P, S, LQ и LR.
2. Трехкомпонентные широкополосные записи сигналов, включающие интервал от момента первого вступления волны P до момента завершения колебаний в поверхностной волне LR и 60 секунд записи шумов перед первым вступлением сигнала, в виде текстовых файлов. Представление данных в файлах соответствует формату IMS 1.0 МЦД (IMS - International Monitoring System).
3. Файл, содержащий амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала.
4. Таблицы времен пробега объемных и поверхностных волн IASP-91 для источников с различной глубиной очага [Kennett, 1991].
5. Файл параметров фильтра для проведения фильтрации сейсмических записей.
Пример обработки по программе “Спектр” записи землетрясения на станции MKAR от 11.09.2003 г из северозападной части Китая приводится на Рис. 2 и Рис. 3.
На Рис. 2 показана запись данного землетрясения, полученная на широкополосном трехкомпонентном сейсмометре типа KS-5400, отфильтрованная с целью подавления шумов и улучшения отношения сигнал/шум линейно-фазовым фильтром Баттеруорта третьего порядка с полосой пропускания частот 0,5-2 Гц на уровне
А*102, отсч.
МКАЯ
в ш
МКАЯ
вны
МКАЯ
ВНЕ
Событие 09.11.2003, 09:50:02.5, Китай тЬ = 3.8, Мэ = 3.4, А = 8.7° (963 км), ]У^Ш 814260
09:52:00
10:00:00 Время
Рис. 2. Пример обработки по программе “Спектр” записи землетрясения от 09.11.2003 г. из северозападной части Китая на станции МКАИ (Т0 = 09:50:02.5; ть = 3,9; А = 963 км).
северо-западной части Китая на станции МКАИ по 30-секундным интервалам с учетом АЧХ и осреднением по пяти точкам.
3 дБ. Данные параметры фильтра выбраны экспериментально для анализа объемных волн от сигналов с региональных эпицентральных расстояний.
На записях вертикальными линиями отмечены моменты вступления основных фаз объемных и поверхностных волн согласно годографу 1АЯР-91, а так же моменты вступления волн, имеющиеся в бюллетене МЦД для данного сигнала.
На вертикальной компоненте записи показаны пунктиром контуры 30-секундных “окон”, в пределах которых вычисляются амплитудные спектры волны Р сигнала (1) и шума (2) перед вступлением сигнала, показанные на Рис. 3.
Программой “Спектр” предусмотрена последовательная автоматическая обработка всех сигналов, входящих в анализируемую выборку.
3.1.1 Тестирование программы “Спектр”.
Проверка работы программы “Спектр” проведена на основе сравнения результатов расчета спектров для 120 сигналов на станции МКАИ, из района, включающего ядерные испытательные полигоны в Индии и Пакистане (1&Р), с результатами, полученными по программе расчета спектров из пакета “РМС”.
С этой целью проведен весь цикл обработки, позволяющий сравнивать результаты калибровки спектральных дискриминантов Б(01,2) и П(01,3) с использованием амплитудных спектров волн Р, полученных с применением двух данных программ. Полученные оценки калибровочных коэффициентов Ь(01,2) и Ь(01,3) свидетельствуют о совпадении спектров, получаемых по программам “Спектр” и “РМС” (Табл. 1).
На Рис. 4 и Рис. 5 этот результат иллюстрируется в графической форме. Показаны гистограммы дискриминантов В(01,2) и В(01,3), вычисленных по выборкам данных на станции МКАИ, из района 1&Р в двух вариантах - до калибровки и после калибровки с использованием двух программ расчета спектров: Л - по программе из пакета “РМС” и Б - по исследовательской программе “Спектр”. В скобках указано количество сигналов, использовавшихся для расчета гистограмм.
Как видно из приведенных результатов, использование двух вариантов расчета спектров не приводит к существенным различиям коэффициентов Ь(01,2) и Ь(01,3) и дает относительно небольшое смещение во взаимном расположении соответствующих гистограмм, настроенных на БР (гистограммы (3) на Рис. 4 и Рис. 5.
Дополнительно сделано сопоставление результатов идентификации явлений по спектральным параметрам по результатам обработки выборки из 120 сигналов на стан-
0.4
0,3
0,2
0,1
0.4
0,3
0,2
0,1
МКА!* (а)
1 4 2
3
МКАІЗ (б)
1 1 2 4 3
■5,5
-4,5
-4
-3,5
-3
0(Си)
Рис. 4. Гистограммы дискриминантов П(01,2) для станции МКАИ, из района 1&Р. Спектры сигналов из района 1&Р вычислялись по программе из пакета “РМС” (А) и по исследовательской программе “Спектр” (Б). 1 - ПЯВ-БР (142); 2 - ЗЕМ-БР (203); 3 - ЗЕМ-1&Р (120) - не калиброванные на 1&Р; 4 - ЗЕМ-1&Р (120) - калиброванные на 1&Р. В скобках указано количество сигналов, использовавшихся для расчета гистограмм.
ции МКАИ, с использованием спектров, полученных по программам “Спектр” и “РМС” (Табл. 2). Отметим, что в целях уменьшения объема представляемых результатов, в данную таблицу включены только те сигналы,
Табл. 1. Сравнение калибровочных коэффициентов Ь(01,2) и Ь(01,3) для трассы 1&Р-МКАИ, с использованием спектров Р-волн, вычисленных по программам “РМС” и “Спектр”
Трасса N Ь(С1,2) Ь(Сі,а) Используемая программа
район І&Р - МКАИ, 120 1,35 2,36 Программа из пакета “РМС”
район І&Р - МКАИ, 120 1,31 2,31 Программа “Спектр”
которые имеют полную вероятность на ПЯВ Р0 > 0, 50.
Отмечено всего пять сигналов, когда оценки Р0 различаются существенно по двум программам, причем все они относятся к сигналам, имеющим малую вероятность на ПЯВ (Р0 < 0,50). Во всех остальных случаях, когда сигналы имеют большую вероятность на ПЯВ (Р0 > 0, 50), оценки по обеим программам различаются несущественно.
Таким образом, проведенный анализ позволяет заключить, что программа “Спектр” может быть использована в программе “Калибр” для массовой калибровки новых районов земного шара по спектральным дискриминантам Д(С1,2) и Д(С1,3).
3.2 Алгоритм программы “Сигнал”
Программа “Сигнал” предназначена для оперативного получения максимальных амплитуд (Атах) в цугах волн Р, Я и ЬК по большой выборке сигналов на заданной станции из калибруемого района, которые необходимы для формирования дискриминантов во временной области: Б(Я/Р) и В(ЬН,/Р).
Вводимая информация.
Для корректной работы программы “Сигнал” необходимо наличие группы файлов данных, аналогичных тем, которые используются для программы “Спектр”, а также файл с набором фильтров.
3.2.1 Измерение амплитуд волн Р и 5. В
программе “Сигнал” значения модуля максимальной амплитуды |А|тах измеряются в отсчетах в волнах Р и Я по записям широкополосных сигналов, отфильтрованных фильтром Баттеруорта с полосой 0,5-2,0 Гц, и волн ЬК
- набором октавных низкочастотных фильтров третьего порядка.
Амплитуды волн Р и ЬК измеряются по вертикальной компоненте (^) записи и волны Я - по той из горизон-
Рис. 5. Гистограммы дискриминантов Л(С1,3) для станции МКАИ, из района 1&Р. Остальные обозначения те же, что и на Рис. 4.
Табл. 2. Сравнение результатов идентификации 120 сигналов на станции МКАИ, по спектральным дискриминантам с использованием спектров, полученных по программам “Спектр” и “РМС” (включены только сигналы, имеющие Ро > 0, 50)_______________________________________________________________________________________________
N ть Д, км Расчет спектров по программе “Спектр” Расчет спектров по программе из пакета “РМС”
£(Сі,2) Р (Сі,2) £(Сі,з) Р (Сі,з) Ро Р(Сі,2 ) Р (Сі,2) Р(«і,з) Р (Сі,з) Ро
1 4,4 1704 -5,01 0,36 -8,33 0,22 0,14 -5,17 0,65 -8,49 0,50 0,65
4 4,8 2713 -5,09 0,50 -8,44 0,41 0,41 -5,14 0,60 -8,55 0,61 0,70
21 4,5 1519 -5,33 0,90 -8,64 0,74 0,96 -5,34 0,90 -8,69 0,80 0,97
54 5,8 1467 -5,21 0,73 -8,51 0,54 0,76 -5,21 0,73 -8,65 0,76 0,89
66 4,2 1628 -5,24 0,78 -8,43 0,39 0,69 -5,22 0,74 -8,46 0,44 0,70
68 4,3 2278 -5,53 0,97 -8,50 0,52 0,98 -5,62 0,98 -8,62 0,72 0,99
78 4,9 2842 -5,32 0,89 -8,86 0,93 0,99 -5,31 0,89 -8,95 0,96 0,99
81 4,6 2966 -5,21 0,73 -8,60 0,70 0,86 -5,25 0,79 -8,66 0,77 0,93
91 5,2 1494 -5,21 0,73 -8,44 0,41 0,64 -5,25 0,79 -8,57 0,65 0,88
100 4,1 1448 -5,12 0,56 -8,62 0,72 0,77 -5,09 0,50 -8,59 0,68 0,68
105 5,0 1494 -5,09 0,50 -8,26 0,12 0,12 -5,31 0,89 -8,47 0,46 0,87
120 4,1 2867 -4,74 0,10 -7,98 0,01 0,00 -4,73 0,09 -8,00 0,01 0,00
тальных компонент (СЮ или ВЗ), на которой обнаружена максимальная амплитуда. Формально, максимум в группе продольных волн отыскивается на интервале записи от момента вступления сигнала и до момента вступления поперечных волн. Однако на практике, максимальная амплитуда в волне Р региональных сигналов находится в головной части записи цуга продольных волн и связана либо с волной Рп, либо - с Рд.
Максимум в группе волн Я отыскивается на интервале от первого вступления поперечных волн Яп и до момента, соответствующего началу записи поверхностных волн ЬК, и, на практике он, связан либо с волной Яп, либо - с волнами Яд и Ьд. Поиск Атах в пределах продольных и поперечных волн делается также с учетом данных, приводящихся в бюллетене МЦД.
3.2.2 Измерение периода волн Р и 5 на широкополосной записи сигнала. Экспериментально показано, что при фильтрации сигналов октавным фильтром, как правило, не возникает проблем точного измерения периода волны, поскольку в этом случае наложения колебаний разной частоты на отфильтрованной трассе практически отсутствуют и поиск периода, соответствующего Атах, решается однозначно.
Однако при использовании фильтра более широкой полосы, например, 0,5-2,0 Гц, как это сделано в данном алгоритме, в записях цуга продольных и поперечных волн, часто возникает смешение колебаний разного периода.
В этих случаях даже опытному интерпретатору бывает трудно определить период волны, соответствующий максимальной амплитуде.
Ранее, при разработке программной системы автоматического обнаружения и оценки параметров сигналов “МЯЕКМО” [Кедров и др., 1989, 1998, 2000], была реализована процедура измерения периодов для случаев, когда наблюдается смешение колебаний разного периода. Экспериментальная проверка данной процедуры по большому числу сигналов показала, что в большинстве случаев
Рис. 6. Распределение отклонений (в %) измерения амплитуд волн Р по программе “Сигнал” по сравнению с “РМС”.
Рис. 7. Гистограммы дискриминантов Д(Я/Р) на станции МКАИ, из района 1&Р. Амплитуды волн Р и Я сигналов вычислялись по программам “РМС” и “Сигнал”. 1 -гистограмма параметра Д(Я/Р) для ПЯВ (85) и 2 - для землетрясений (294) в БР. 3 - гистограмма параметра Д(Я/Р) (75) по землетрясениям из района 1&Р, полученная по программе “РМС” и 4 - по программе “Сигнал”.
она удовлетворительно корректирует периоды волн. Если же такая корректировка периода оказывается неудовлетворительной, исправления периода волны проводятся в интерактивном режиме обработки.
Краткое описание процедуры измерения периода волны Р, которая включена в рассматриваемый здесь алгоритм, дается ниже.
1. На исследуемом интервале записи ищется момент времени 1т, соответствующий максимуму по модулю амплитуды в волне Р.
2. Находятся моменты времени для двух, ближайших к Ьт (слева и справа от £т), квазилокальных экстремумов.
Квазилокальный экстремум это такой локальный экстремум, который рассматривается как глобальный в радиусе Тэкстр.
3. Параметр Тэкстр вычисляется при обработке и яв-
ляется фиксированным для каждого частотного канала. При разработке алгоритма программы “МЯЕКМО” было показано, что необходимо брать Тэкстр равным четверти наименьшего, определяемого на данном фильтре, периода сигнала. В частности, для фильтра с полосой пропускаемых периодов Тн — Тк = 0,5-2,0 с: Тэкстр = — Тн = 0,125 с. 4
Таким образом, если при поиске квазилокального экстремума в пределах радиуса, равного Тэкстр = 0,125 с найден максимум больше обнаруженного первоначально, тогда он рассматривается как глобальный в заданном радиусе Тэкстр. С другой стороны, максимумы, которые больше первоначального, но расположены за пределами радиуса Тэкстр, не принимаются во внимание при поиске
Табл. 3. Набор октавных низкочастотных фильтров Баттеруорта, используемых в программах “Сигнал” и “РМС” для обнаружения Атах в волне ЬК на региональных расстояниях
No фильтра Полоса фильтра, /н - /к, Гц Центральная частота, /ц, Гц Полоса фильтра, Тн - Тк, с Центральный период, Тц, с
1 0,08-0,16 0,11 6-12 8,5
2 0,05-0,10 0,07 10-20 14
3 0,035-0,07 0,05 14-28 20
результатов измерения максимальных амплитуд волн P и S для выборки сигналов на станции MKAR по программе “Сигнал” с результатами, полученными интерактивно на “РМС”. При этом измерения, сделанные по программе “РМС” рассматривались в качестве базовых.
Распределение отклонений S (%) измерения амплитуд волн P по программе “Сигнал” по сравнению с “РМС” показано на Рис. 6. В целом, процент таких случаев относительно невелик.
На Рис. 7 показаны гистограммы дискриминанта D(S/P), построенные по выборке данных на станции MKAR из района I&P, которые показывают, что использование двух данных программ не приводит к существенным относительным смещениям гистограмм D(S/P).
На Рис. 8 дается сравнение оценок частных вероятностей Pi,j параметра D(S/P) при измерении максимальных амплитуд волн P и S с использованием программ “Сигнал” и “РМС”. Оценки частных вероятностей Pi,j параметра D(S/P) различаются в 92% случаев в пределах ±0,1 Pi,j и в остальных 8% случаях не превышают ±0,12 Pi,j. Регрессионное уравнение по данным 71 сигнала на станции MKAR, показанное на Рис. 8, имеет вид
Pij (S/P)РМС = 0, 026+0, 970 Pj(S/PСигнал, R = 0, 94.
Эти результаты позволяют сделать вывод, что алгоритм автоматического измерения амплитуд и периодов волн P и S, примененный в программе “Сигнал”, может
3.2.3 Тестирование процедуры измерения ам- использоваться в программе “Калибр”, предназначенной плитуд волн P и S. Проведен сравнительный анализ для массовой калибровки трасс источник-станция.
Табл. 4. Результаты обработки записи волны LR от сигнала из Гиндукуша на станции MKAR по программам
“Сигнал” и “РМС”____________________________________________________________________________________________
MKAR-0607-15 07.06.2003; 15:12:57.3; Д = 1507 км; ть = 4,5; Ms = 4,1; ML = 4,6;
HINDU KUSH REGION, AFGHANISTAN По бюллетеню ISC: Pn: 15:16:11.0; Lg: 15:20:08.9
По годографу IASP-91: Pg: 15:16:10.9; Sn: 15:18:43.6; LQ: 15:20:08.1; LR: 15:21:10.0
Программа “Сигнал” Пакет программ “РМС”
Тип Amax Время Период Amax Фильтр Тип Amax Время Период Amax
волны отсч. измер. Amax Amax , с нм Гц волны отсч. измер. Amax Amax , с нм
5731 15:21:36.6 9,0 2987 0,08-0,16 5726 15:21:49.6 9,3 2995
LR 3996 15:21:26.5 11,2 3251 0,05-0,10 LR 4028 15:21:47.3 11,2 3152
1128 15:21:26.2 15,2 1689 0,035-0,07 1068 15:21:48.2 15,0 1532
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Рц[5/Р) "СИГНАЛ"
Рис. 8. Сравнение оценок частных вероятностей Р^ параметра Д(Я/Р) при измерении максимальных амплитуд волн Р и Я с использованием программ “Сигнал” и “РМС”.
периода, соответствующего максимальной амплитуде.
Рис. 9. Исходная широкополосная трехкомпонентная запись землетрясения из Гиндукуша от 7.06.2003 г. на станции МКАИ,.
3.2.4 Алгоритм измерения амплитуд волн LR.
Для нахождения максимальной амплитуды в поверхностной волне LR на региональных расстояниях запись широкополосного сигнала в программе “РМС” фильтруется набором из пяти, экспериментально подобранных, октавных линейно-фазовых фильтров Баттеруорта пятого порядка. В программе “Сигнал” аналогичная фильтрация волн LR проводится фильтрами Баттеруорта третьего порядка (Табл. 3).
Процедура оценки магнитуды поверхностной волны Ms по максимальной амплитуде переменного периода традиционно используется в сейсмологической практике ЕССН [Кондорская и др., 1982] и в настоящее время стала применяться и за рубежом [Bonner et al., 2004].
При вычислении дискриминанта D(LR/P) амплитуды волн P и LR предварительно преобразуются из отсчетов в истинные смещения грунта (в нм) с учетом АЧХ сейсмического регистрирующего канала.
Иллюстрация процедуры обработки по данному алгоритму показана на примере записи землетрясения из Гиндукуша (Афганистан) (Рис. 9) на станции МКАИ, от 7.06.2003 г. (То = 15:12:57.3; ть = 4,5; Ms = 4,1; Д = 1507 км).
Результаты фильтрации данного сигнала в программе “Спектр” с помощью четырех октавных фильтров Баттеруорта третьего порядка показаны на Рис. 10. В Табл. 4 приводятся результаты обработки волны ЬК данного сигнала по программе “Сигнал” в сопоставлении с результатами интерактивной обработки, полученной с использованием “РМС”.
Анализ результатов показал, что имеющиеся в Табл. 4 различия во временах вступлений волн ЬК при использовании двух данных программ, обусловленные применением в них фильтров 3 и 5 порядков, не приводят к существенным изменения амплитуд Атах волн ЬК и практически не влияют как на значения дискриминанта Б(ЬК/Р),
Табл. 5. Сравнение оценок Б(ЬК/Р) и соответствующих частных вероятностей при использовании программ “РМС” и “Сигнал” для вычисления амплитуд волн Р и ЬК
Программа А(Р), Т, с А(Р), Время А(ЬК), Т, с А(ЬК), Время В(ЬК/Р )/Рьк/р
отсч. нм измерения отсч. нм измерения по 1&Р
“РМС” 6692 0,7 19,1 15:16:22 4028 11,2 3159 15:21:47 3,41/0,01
“Сигнал” 6757 0,7 19,3 15:16:21 3996 11,2 3251 15:21:26 3,42/0,01
так и на значения оценок частных вероятностей (Табл. 5).
Сводные результаты идентификации данного сигнала по всем дискриминантам с использованием программ “Спектр”, “Сигнал” и “РМС” дают сходные значения (Табл. 6).
В результате проведенного анализа экспериментальных данных показано, что для обнаружения и обработки поверхностных волн в региональной зоне достаточно применять обработку по трем фильтрам: 0,08-0,16 Гц, 0,05-0,10 Гц и 0,035-0,07 Гц.
Сформирован окончательный формат выдачи данных об амплитудах, периодах и временах вступлений всех измеряемых типов волн сигнала по программе “Сигнал” (Табл. 7).
3.3 Результаты тестирования программ
“Спектр” и “Сигнал” по данным станции РБАИ
Дополнительно, вопросы возможности автоматизации массовой обработки сейсмограмм для формирования параметров сигналов во временной и спектральной области, используемых в программе “Калибр”, оценены по данным обработки выборки из 83 записей землетрясений на станции РБЛИ из района расположения Невадского испытательного полигона.
Сравнение калибровочных коэффициентов Ьд для всех параметров по данным станции РБАИ, а также результатов вероятностной идентификации типа явления, с использованием программ “Спектр” и “РМС”, дало сходные оценки (см. Табл. 8 и Табл. 9).
Табл. 6. Результаты обработки и идентификации сигнала от 07.06.2003 г, из Гиндукуша на станции МКАИ,
Программа Дискриминант Оценка Р1^ Р0
0(0^) -5,02 0,38 0,0001
“РМС” 0(01,з) -8,24 0,10
Б(Я/Р) 3,11 0,14
0(ЬК/Р) 3,41 0,01
0(01,2) -4,94 0,25 0,0001
“Спектр” и “Сигнал” 0(01,з) -8,12 0,03
Б(Я/Р) 2,64 0,48
В(ЬК/Р) 3,42 0,01
В связи с обсуждавшемся выше вопросом о влиянии порядка используемого фильтра Баттеруорта на времена вступлений обнаруживаемых волн ЬК, на Рис. 11 показаны времена вступлений Атах в волне ЬК для сигналов на станции РБЛИ, обработанных по программе “РМС” с использованием фильтра Баттеруорта пятого порядка
(1), времена вступлений волн ЬК по годографу 1ЛЯР-91
(2) и времена вступлений Атах в волн ЬК для сигналов, обработанных по программе “Сигнал” с использованием фильтра Баттеруорта третьего порядка (3).
Следует отметить, что наклон годографа, экспериментально полученного по временам вступлений Атах в волне ЬК, хорошо согласуется с годографом 1ЛЯР-91.
Вступления Атах в волне ЬК по программе “Сигнал” на фильтре 0,05-0,1 Гц наблюдаются примерно на 20 с раньше, чем по “РМС”, что связано с различиями порядка, а следовательно, и крутизны фильтров Баттеруорта, применяемых в этих программах.
Однако данный временной сдвиг не влияет существенно на амплитуды волн ЬК и на результаты идентификации сигналов по дискриминанту Б(ЬК/Р). Поэтому фильтр Баттеруорта, реализованный сейчас в программе “Сигнал”, можно использовать для измерения максимальных амплитуд волн ЬК сигналов при калибровке трасс источник-станция и идентификации типа явления по параметру 0(ЬК/Р).
В целом, полученные результаты показывают, что разработанные алгоритмы и соответствующие программы “Спектр” и “Сигнал”, обеспечивают сходные оценки калибровочных коэффициентов для всех дискриминантов и позволяют автоматизировать процедуру получения параметров сейсмических волн по большим выборкам для оперативной калибровки интересующих трасс источник-станция.
Табл. 7. Формат выдачи результатов обработки волн Р,Я и ЬК по программе “Сигнал”
Тип волны Атах отсч. Время измер. Атах Период Атах, с Атах нм Фильтр Гц
Р 6755 15:16:21.5 0,7 19,5 0,5-2,0
5 2795 15:19:48.6 0,9 13,1 0,5-2,0
5731 15:21:36.6 9,0 2987 0,08-0,16
ЬК 3977 15:21:26.4 11,5 3369 0,05-0,10
1128 15:21:26.2 15,2 1689 0,035-0,07
Рис. 10. Результат фильтрации сигнала от 7.06.2003 г. в полосе а - 0,10-0,20 Гц, б - 0,08-0,16 Гц, в - 0,05-0,10 Гц, г - 0,035-0,07 Гц.
4 Заключение
В данной работе показано, что процедура получения амплитудных спектров волн Р и максимальных амплитуд в группах волн Р, Я и ЬР, используемых в программе “Калибр” для вычисления диагностических параметров и калибровки интересующих регионов, может быть автоматизирована.
Составлены алгоритмы и программы “Спектр” и “Сигнал”, позволяющие в автоматическом режиме оперативно вычислять амплитудные спектры волн Р и максимальные амплитуды в волнах Р,Я и ЬР по большим выборкам сейсмических сигналов в региональном диапазоне эпи-центральных расстояний.
Данные программы экспериментально проверены в сопоставлении с результатами интерактивной обработки
Табл. 8. Значения коэффициентов Ьд, полученные по данным землетрясений на станции РБЛИ, в Северной Америке с использованием программ “РМС”, “Спектр” и “Сигнал”
Дискриминанты Интервал расстояний (тыс, км) Базовый регион Евразия (“РМС”) Северная Америка Ьд
ат Ьд “РМС” “Сигнал” и “Спектр”
П(Я/Р) ,7 1, •I- ,5 0, 0,00 -2,15 -2,19 -2,18
,5 3, •I- ,5 1, 0,00 -0,95 - -
Б(ЬР/Р) ,7 1, •I- ,5 0, 0,32 -0,80 -0,67 -0,50
,5 3, •I- ,5 1, 0,46 -0,98 - -
Р(Сх,2) 0, 5 •I- 0 агп\ — 1,25 ат2 — 1,02 1,21 1,64 1,59
Р(Сх,з) 0, 5 •I- 0 агп\ — 1,25 атз — 0,85 2,10 2,75 2,68
Табл. 9. Сопоставление результатов идентификации 82 сигналов из Северной Америки на станции РБЛИ с использованием программ “РМС”, “Спектр” и “Сигнал” (включены сигналы, имеющие Р0 > 0, 50)
No Дата mb Д, км “РМС” “Спектр” и “Сигнал”
"сЛ О £ Ds/p/Ps/p Dlr/p/Plr/p Po "еЛ О £ Ds/p/Ps/p Dlr/p/Plr/p Po
1 03.09.2002 4,0 1214 0,02 6,87/0,02 2,44/0,01 0,00 0,02 6,96/0,01 2,40/0,01 0,00
5 03.11.2002 4,2 1062 1,00 7,20/0,01 1,54/0,99 1,00 1,00 7,08/0,01 1,39/0,99 1,00
18 25.05.2003 3,9 619 1,00 7,10/0,01 1,41/0,99 1,00 1,00 7,03/0,01 - 1,00
27 22.11.2003 4,1 513 0,01 6,16/0,97 1,36/0,99 0,99 0,03 6,17/0,96 1,46/0,99 0,99
34 22.03.2004 4,4 762 0,00 6,47/0,38 1,23/0,99 0,73 0,06 6,39/0,64 1,06/0,99 0,92
44 01.08.2004 4,1 753 0,80 6,49/0,34 1,38/0,99 1,00 0,94 6,49/0,34 0,95/0,99 1,00
82 30.03.2007 3,8 1038 0,00 6,96/0,01 2,84/0,01 0,00 0,01 6,88/0,01 2,12/0,01 0,00
Примечание: Ро (сп) — условная вероятность по данным двух спектральных дискриминантов Рд/р и Рья/р — частные условные вероятности по дискриминантам Од/р и Оья/р. Ро — полная вероятность по данным четырех дискриминантов.
представительных выборок записей землетрясений, зарегистрированных на станции МКЛИ, из района расположения испытательного полигона Лобнор (Китай) и -станции РБАИ из района, прилегающего к Невадскому испытательному полигону (США).
?LR, мин
9т-----------
^____________!_________!__________!__________!_________
500 700 900 1100 1300 1500
А, км
Рис. 11. Результаты обнаружения вступлений Атах в волне ЬЯ на станции РБАЯ по программе “РМС” на фильтре Баттеруорта 5 порядка (1); времена вступлений волны ЬЯ по годографу 1А8Р-91 (2); результаты обнаружения вступлений Атах в волне ЬЯ по программе “Сигнал” на фильтре Баттеруорта 3 порядка (3).
Показано, что с использованием программ “Спектр” и “Сигнал”, можно оперативно проводить калибровку дискриминантов В(С 1,2), В(С1,з), В(Б/Р) и В(ЬЯ/Р) и идентификацию сигналов для заданных трасс источник-станция с использованием больших выборок землетрясений из интересующих регионов.
В результате введения в программу “Калибр” данных модулей будет существенно ускорен весь процесс калибровки заданных трасс источник-станция.
5 Литература
ДВЗЯИ, (1996), Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Генеральная Ассамблея ООН, 153 с., Нью-Йорк.
Кедров, О. К. (2001), Метод сейсмологической калибровки международной системы мониторинга с использованием региональных дискриминантов, Докл. РАН, 380, 390—395.
Кедров, О. К. (2005), Сейсмические методы контроля
ядерных испытаний, 420 с., ИФЗ РАН, Москва, Саранск.
Кедров, О. К., Э. О. Кедров (2003), Идентификация сейсмических явлений на станции “Талгар” с учетом трассы источник-станция, Физика Земли, (12), 14—22.
Кедров, О. К., Е. И. Люкэ (1999), Распознавание ядерных взрывов и землетрясений в Евразии по сейсмическим данным на региональных расстояниях, Физика Земли, (9), 52— 75.
Кедров, О. К., Л. А. Поликарпова, Г. М. Стеблов (1998), Алгоритм обнаружения слабых короткопериодных сейсмических сигналов на основе частотно-временного анализа трехкомпонентных записей в режиме реального времени, Физика Земли, (2), 30—45.
Кедров, О. К., В. Е. Пермякова, Л. А. Поликарпова, Г. М. Стеблов (2000), Методы обнаружения слабых
сейсмических явлений в пределах платформ, 101 с., ОИФЗ РАН, Москва.
Кедров, О. К., Е. И. Люкэ, и др., (2001), Исследование влияния условий распространения сейсмических сигналов на эффективность идентификации подземных ядерных взрывов и землетрясений на региональных расстояниях, Физика Земли, (7), 32—57.
Кедров, О. К., А. И. Немытов, и др., (1989), Метод и программная реализация автоматического обнаружения и локализации сейсмических явлений на отдельной трехкомпонентной станции в режиме реального времени, Докл. АН СССР, 307, (1), 67-73.
Кедров, О. К., В. А. Ан, В. А. Лаушкин, и др., (1990), Методы контроля подземных ядерных взрывов по сейсмическим данным на эпицентральных расстояниях свыше 500 километров, Изв. АН СССР, Физика Земли, (12), 31-46.
Кедров, О. К., Э. О. Кедров, Н. А. Сергеева, и др., (2008), Применение метода динамической калибровки для станций МСМ в Центральной Азии по данным естественной сейсмичности, Физика Земли, (5), 16-33.
Кондорская, Н. В., и др. (Ред.) (1982), Инструкция о порядке производства и обработки наблюдений на сейсмических станциях Единой системы сейсмических наблюдений СССР, 272 с., Наука, Москва.
Bonner, J. I., D. T. Reiter, et al., (2004), Development of a timedomain, variable-period surface wave magnitude measurement
procedure for application at regional distances, Proceed. of the 26th Seismic Research Review: Trends in Nuclear Explosion Monitoring, Sept. 21-23, Vol. I, pp. 377-386, Orlando, Florida. Kennett, B. L. N., (Ed.) (1991), IASPEI 1991 Seismological Tables, 167 p., Bibliotech, Canberra, Australia.
О. К. Кедров, Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, Москва, Россия
Э. О. Кедров, Н. А. Сергеева, Л. П. Забаринская, Геофизический центр РАН, Москва, Россия (e.kedrov@gcras.ru)
А. Б. Чулков, ЗАО “ИнтегралЪ”, Москва, Россия
