曹妃甸地震台网天然地震与人工爆破时频分析

搜集2014—2015年曹妃甸测震台网记录的各类爆破与天然地震事件,基于Matlab软件,编制程序实现短时傅里叶变换,对比分析核爆炸、化学爆炸、矿爆炸与天然地震的特征,分析频率随时间的变化规律。研究结果表明,天然地震与爆破在频率范围、频率分布和时频聚集性等方面具有各自特点,主要表现在:天然地震的时频图"多峰"且复杂,频率分布范围更广,频率成分集中在S波段;人工爆破的时频图"少峰"且简单,频率范围较窄,频率成分集中在P波段。本文的研究成果能够为今后区分天然地震和爆破提供依据。     

地震和爆破时频域能量分布特征的对比分析

运用小波分析方法计算和分析了CDSN乌鲁木齐台记录的天然地震和人工爆破在时频域的能量分布特征,分析结果表明,在震中距大致相同的范围内,同一台站记录的不同当量的人工爆破具有相似的时频变化规律,而天然地震能量分布却存在较大差别。天然地震与人工爆破的时频域能量分布谱图存在比较明显的差异。     

山西运城振动事件S变换时频分析

基于S变换,对2005年以来山西南部运城及其附近地区的振动事件波形进行时频分析,并与山西南部地区的天然地震、爆破和塌陷地震波谱特征进行对比分析。结果表明：天然地震一般S波携带能量较大,衰减较慢,震相高低频成分呈现均匀分布;一般近台记录的人工爆破P波比S波发育,能量衰减较快,震相急促短暂;塌陷地震波列能量随时间和频率的展布相对集中,一般分布在频率较低区域;振动事件震相简单,被不同台站记录的波形能量优势分布及频率分布范围差异较大,衰减特征不明显。据此,基本可以排除山西南部及附近区域的振动事件为天然地震、爆破和塌陷事件的可能。     

太原基准地震台核爆震相识别

对太原基准地震台记录的核爆及天然地震波形进行对比分析,结果显示：①与天然地震相比,核爆震相特征相对独特;②地震优势频率较窄,而核爆优势频率则较宽,即对于震中距相近、当量不同的核爆波形,太原台记录的时频变化特征相似;③对于震中距相近的天然地震与核爆波形,太原台记录的时频特征差异明显。     

河南平顶山平煤矿区天然地震、爆破、塌陷时频特征分析

选取2019年3月—8月河南平顶山市宝丰县平煤矿区发生的ML 2.0—2.9天然地震、爆破、塌陷等9次震动事件,在区域地质构造背景和波形特征分析基础上,采用短时傅里叶变换(STFT)方法开展时频波谱分析,提取不同类型事件的时频特征。结果显示:(1)天然地震频率成分丰富,且高、低频分布均匀,P波在约3 Hz和8 Hz处存在2个峰值,S波存在多个峰值;(2)爆破事件的时频谱相对集中,以低频为主,P波频率峰值约5Hz,信号主频随时间变化,大致呈线性降低至1—2 Hz;(3)塌陷事件频率成分以4 Hz以下的低频为主,P波无明显峰值且频率成分单一,主频出现在2 Hz左右的面波。本文结果可为今后该矿区震动事件类型判断提供参考依据。     

首都圈地区爆破、矿塌和天然地震的识别研究

选取首都圈地区2008年8月——2009年9月ML在2.0——2.2范围内的爆破、矿塌和天然地震数据资料,从时间域和频率域进行分析对比,总结出识别爆破、矿塌和天然地震的依据．在时域方面,爆破的初动方向向上,矿塌向下,天然地震的初动方向依赖于台站的分布情况;爆破和矿塌的面波比较发育;天然地震的S波与P波最大振幅比(AS/AP)大于爆破和矿塌,同时,爆破和矿塌的能量衰减比天然地震快．在频域方面,高频成分的能量衰减快于低频;天然地震的拐角频率较高,爆破次之,矿塌的最小;在震中距200 km范围内,爆破的顶峰频率主要分布在5——7 Hz,矿塌分布在2——4 Hz,天然地震的顶峰频率较大,在10——18 Hz范围内.另外,天然地震的频率域较宽,其次为爆破、矿塌．      

重庆数字地震记录人工爆破波形特征

分析了2016年1月至6月重庆地震台网数字记录的巫山机场人工爆破波形资料,认为爆破事件的时空强具有明显规律性,其P波初动震相、A_S/A_P振幅比、频率谱等特征与天然地震具有明显区别,为正确识别重庆地区人工爆破和天然地震具有参考价值。     

利用乌鲁木齐遥测地震台记录识别人工爆破与地震

选取乌鲁木齐遥测地震台记录的乌鲁木齐市附近人工爆破与天然地震资料 ,运用波谱分析、波形空间线性度等方法作对比研究 ,发现人工爆破与天然地震的波谱特征量和波形空间线性度多数情况下差异较大。在震级与震中距相近的条件下 ,主要差异表现在天然地震的纵、横波拐角频率 fc P和 fc S明显大于人工爆破 ,两者比值约为 2∶ 1 ;天然地震的最大谱值比 Ωm P/ Ωm S也明显大于人工爆破 ,两者比值约为 3∶ 1 ;地震 P波功率谱的频谱特征量 fm W、Δf W也比人工爆破大很多。这些差异可以作为识别人工爆破与天然地震的测震学指标。     

基于非线性时频分析的地震和爆破识别

利用非线性赵-阿特拉斯-马克斯(Zhao-Atlas-Marks)时频分析方法对地震和爆破进行分析,结果显示:爆破的时频谱的时频聚集性比地震的时频聚集性较好;地震P波的平均频率大于爆破P波的平均频率;地震S波的平均时频中心相对于爆破分布在时间—频率面左上角。     

山西地区爆破、塌陷(矿震)特殊地震动特征识别

对2004—2012年山西地震台网记录的山西地区ML≥2.5爆破、塌陷以及天然地震波形进行对比分析,结果显示:与天然地震相比,爆破、塌陷具有相对独特的震相特征,尤其是近距离的爆破、塌陷易于识别;远距离的则难以区分。在此基础上,对3种地震动波形进行频谱分析,结果显示:塌陷的优势频率较低,集中在1—3 Hz;爆破的优势频率较高,集中在1—6 Hz;地震的优势频率较宽,集中在0—20 Hz,为进一步甄别爆破、塌陷、天然地震提供了新的识别方法。     

基于广义S变换的地震与爆炸识别

为了进一步增强区域台网针对天然地震与人工爆炸事件的识别能力,本文利用广义S变换方法,围绕河北省三河采石场爆破以及周边发生的天然地震波形记录展开研究,总结了地震与爆炸在时频谱中的差异性。研究表明,受震源机制影响,天然地震时频谱图的频带范围更宽广,能量团分布也较人工爆炸更为复杂。为了消除震中距的影响,本文将求解的时频谱保存为规格相等的灰度图像,通过滑动窗口计算图像的灰度一致性得到新的识别判据?谱图二阶矩。对三河地区已知地震和爆炸事件的测试表明,谱图二阶矩对单台波形记录的识别率可达91%,多台求取平均值之后的识别率超过98%,因此该判据具有良好的应用前景。      

利用小波包变换时频谱识别宁夏及邻区的地震和爆破

采用dmey小波基函数分别对地震和爆破事件的垂直向记录信号进行小波包变换,计算各事件信号的归一化时频谱值以及P波和S波时频谱值达到最大时的频率fmp和fms,比较地震信号和爆破信号P波段(0～6.25Hz)和S波段(0～6.25Hz)在各相同分解频带内的瞬时谱最大值差异,寻找合适的单项定量识别指标,并综合各单项识别指标形成综合识别判据。运用综合识别判据对银川台记录到的宁夏及邻区14个地震事件和19个爆破事件进行判别,结果表明,各单项定量识别指标的识别率均在80%以上,综合判别结果均与事件的真实类型一致。     

高斯线调频连续小波变换的时频能量衰减因子方法及其应用

本文基于高斯线调频连续小波变换，提出了能够反映震源区或近场区小地震波形在震源深度、震源尺度、震源破裂机制、地震波传播途径、地震波衰减等方面的差异特征信息的特征指标，即小波变换的时频能量衰减因子方法。为了验证该方法的有效性，选取了震源破裂机制有明显差异特性的天然地震、爆破或塌方资料以及非强地震孕震区同一地点发生的多次小震资料。研究结果表明，天然地震与爆破或塌方记录的连续小波变换时频能量衰减因子有明显区别；正常地震活动背景下地震记录的连续小波变换时频能量衰减因子变化比较稳定；利用该方法，通过对某一地区的连续观测，可望为强震预测提供有效判据。     

The Time-Frequency Energy Attenuation Factor and Its Application on the Basis of Gauss Linear Frequency-Modulated Continuous Wavelet Transform

Based on the Gauss linear frequency-modulated wavelet transform, a new characteristic index is presented, namely time-frequency energy attenuation factor which can reflect the difference features of waveform in earthquake focus mechanism, wave traveling path and its attenuation characteristics in focal area or near field. In order to test its validity, we select the natural earthquakes and explosion or collapse events whose focus mechanisms vary obviously, and some natural earthquakes located at the same site or in a very small area. The study indicates that the time-frequency energy attenuation factors of the natural earthquakes are obviously different with that of explosion or collapse events, and the change of the time-frequency energy attenuation factors is relatively stable for the earthquakes under the normal seismicity background. Using the above-mentioned method, it is expected to offer a useful criterion for strong earthquake prediction by continuous earthquake observation.     

基于短时傅里叶变换和卷积神经网络的地震事件分类

本文选用内蒙古区域地震台网记录到的417个爆破事件和519个天然地震事件的观测资料,对其进行截取和滤波等预处理后,经过短时傅里叶变换转换为时频域的对数振幅谱,使用含有3个卷积层的卷积神经网络作为分类器,实现地震事件自动分类。5折交叉验证结果显示,本文所使用算法的平均准确率达到97.33%,测试集的准确率达到98.03%,本文采用的模型应用了较完整的原始信息,因此获得了较高的准确率和较好的稳定性。      

Monitoring the structural dynamic response of a masonry tower: comparing classical and time-frequency analyses

The monitoring of the evolution of structural dynamic response under transient loads must be carried out to understand the physical behaviour of building subjected to earthquake ground motion, as well as to calibrate numerical models simulating their dynamic behaviour. Fourier analysis is one of the most used tools for estimating the dynamic characteristics of a system. However, the intrinsic assumption of stationarity of the signal imposes severe limitations upon its application to transient earthquake signals or when the dynamic characteristics of systems change over time (e.g., when the frequency of vibration of a structure decreases due to damage). Some of these limitations could be overcome by using the Short Time Fourier Transform (STFT). However, the width of the moving window adopted for the analysis has to be fixed as a function of the minimum frequency of interest, using the best compromise between resolution in both the time and frequency domains. Several other techniques for time-frequency analysis of seismic signals recorded in buildings have been recently proposed. These techniques are more suitable than the STFT for the application described above, although they also present drawbacks that should be taken into account while interpreting the results. In this study, we characterize the dynamic behaviour of the Falkenhof Tower (Potsdam, Germany) while forced by ambient noise and vibrations produced by an explosion. We compare the results obtained by standard frequency domain analysis with those derived by different time-frequency methods. In particular, the results obtained by the standard Transfer Function method, Horizontal to Vertical Spectral Ratio (HVSR), Short Time Fourier Transform (STFT), Empirical Mode Decomposition (EMD) and S-Transform are discussed while most of the techniques provide similar results, the EMD analyses suffer some problems derived from the mode mixing in most of the Intrinsic Mode Functions (IMFs).     

陕北塌陷记录的区域特征研究

选取陕西省境内2011—2018年震级为M_L2.7—3.1的18个天然地震事件的287条记录和2013—2018年上述震级范围的20个陕北塌陷事件的185条记录,从时间域、频率域及时频域进行分析对比,总结出陕北塌陷记录区别于天然地震事件的特征:① 在时间域,就P波初动而言,塌陷的P波初动弱而平缓,只有极少数台的垂直向P波初动方向清晰,而天然地震的P波初动强而尖锐,垂直向P波初动方向清晰,有象限分布的特征;在体波特征方面,塌陷的体波周期要比天然地震的大;面波发育是塌陷区别于天然地震最显著的特征之一,即使震中距很小,塌陷记录依然有明显的短周期面波Rg波发育;在震中距＜50 km时,塌陷的振幅比A_S/A_P值要远远大于天然地震,且随着震中距的增大,A_S/A_P值变小并与相同震中距下天然地震的A_S/A_P值相近;相同震级,塌陷比天然地震尾波持续时间长,能量衰减慢。② 在频率域,塌陷的频率域较窄,主要为低频信号,集中在0—3 Hz内;天然地震的频率域较宽,低频信号较少;定义频带内频谱的方差与均值的比值为频谱变异系数α,塌陷的频谱变异系数α整体高于天然地震的。在震中距200 km范围内,塌陷的拐角频率f_c较天然地震小,集中在1—3 Hz,天然地震的拐角频率f_c在3—15 Hz均有分布。③ 从时频谱的对比可见,塌陷的主要频率成份为低频面波,而天然地震频率成份最丰富的为横波波段。