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台阵处理和模板匹配滤波技术在微弱地震信号检测中的应用研究

李璐  
【摘要】:与大地震短时间内释放巨大能量不同,微小地震每次释放的能量较小,容易被忽略。然而,某一地区一段时间内微小地震的频繁发生,可能预示着该地区地下介质达到某种临界状态,大地震发生的风险提升。微地震监测不仅可以应用于地下结构成像、地震预测等天然地震学领域,还可用于探测页岩气开采过程中产生的微裂隙位置,指导水压致裂等石油生产工作。系统探测微地震活动,也是研究灌注废水和水库诱发地震活动的重要前提。在实际观测中,由于微地震的信号较弱,背景噪声水平较高,观测困难,我们需要通过一些方法,提高波形信噪比,提高微弱地震信号检测的能力。为了进行微弱地震信号检测,我们重点研究了以下两种方法:一种是用于探测微弱信号的台阵处理技术,该方法基于密集分布的台阵数据,通过一定时间偏移后的波形叠加,增强一致的事件信号,压制不一致的噪声信号。另一种是用于检测遗漏地震的模板匹配滤波技术,该方法通过波形扫描,识别出与模板事件相似度高的地震事件,在低信噪比情况下也有良好的检测效果。对于台阵处理技术,我们以2013年2月15日发生的俄罗斯陨石坠落事件为例,研究2011-2013年布设在云南及其周边地区的ChinArray一期台阵数据。在陨石坠落事件前20分钟左右,一次5.8级地震事件在汤加地区发生,该事件信号传至ChinArray的时间与俄罗斯陨石坠落事件大致相同,为我们提取信号带来难度。运用台阵处理技术中的Vespagram和F-K分析,我们从中分辨出来自俄罗斯陨石坠落事件的面波震相,对应后方位角329.7°,慢度34.73 sec/deg。我们同样运用F-K分析对日本的F-net宽频带台阵数据进行处理,得到后方位角为316.61°的面波震相。利用ChinArray和F-net的不同后方位角,我们将俄罗斯陨石坠落事件定位在58.80°N,58.72°E,和USGS的定位结果(55.15°N,61.41°E)相差约438 km。较大的定位偏差可能是由于地下介质的不均匀性,导致面波在传播过程中偏离大圆路径。尽管如此,我们的结果证明,运用恰当的台阵处理技术,可以在ChinArray上识别出远程微弱信号。在第二部分工作中,我们运用模板匹配滤波技术,检测2015年7.8级尼泊尔地震发生前1.6天至之后4.4天内,藏南地区的微地震活动。结果显示,匹配滤波扫描后,我们在藏南检测到五倍于中国地震台网(CENC)目录上的地震。尼泊尔主震发生后,藏南地区的地震活动性明显增加,其中包括主震发生后数小时内发生的5.8级定日地震和5.3级聂拉木地震。两次地震为正断层型,与当地拉张型构造应力状态一致。此外,通过计算由尼泊尔主震导致的静态库仑应力改变和动态应力改变,我们发现,虽然静态库仑应力改变和地震活动性的相关性略高于动态应力的改变,但动态应力改变的绝对大小(~2.2 MPa)比静态库仑应力的改变(~10 kPa)大两个量级。通过模板匹配滤波扫描,我们可以检测到更多微地震活动,有助于大地震的触发作用研究。除了近场触发地震外,模板匹配滤波技术还可用于远场动态触发地震活动的探测。以2012年8.6级印度洋地震为例,运用CENC目录地震活动性分析和频谱分析等方法,我们没有在云南地区发现大范围动态触发现象。我们以腾冲地区的17个CENC目录事件作为模板,运用模板匹配滤波技术,扫描印度洋地震前1.7天至之后3.3天的连续波形数据,得到新检测地震事件12个。扫描前后,地震活动性都没有明显变化,说明腾冲地区虽然地处容易触发地震的火山区,但是在8.6级印度洋地震后3.3天内,并没有动态触发现象产生。最后通过与2004年9.1级苏门答腊地震在云南地区明显触发现象的对比,认为两次地震产生的动态应力大小或背景活动性的不同,是影响触发作用的主要因素。综上所述,基于波形的相似性,台阵处理技术和模板匹配滤波技术通过叠加或互相关扫描的方式,增强事件信号,压制噪声信号,提高波形信噪比。运用这两种技术,微弱地震信号可以被有效检测,并更好地用于解释近场和远场的地震相互作用。


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