基于贝叶斯原理的爆炸识别判据综合技术研究

基于贝叶斯原理，建立了地震事件识别判据的综合方法（简称贝叶斯方法）， 并针对中亚地区大量地震事件，采用该方法综合了不同台站和不同频带的P/S震相幅值比判据. 该方法的主要优点是能够给出事件属于爆炸的概率，而且充分考虑了判据之间的相关性. 理论计算和模拟数据分析结果表明， 贝叶斯方法是最优的综合方法， 其识别效果比任何单个判据好，也好于普通线性组合方法的识别效果. 针对中亚地区大量地震事件综合不同台站和不同频带的P/S震相幅值比判据的结果也表明，贝叶斯方法的误识率低于单个判据和线性组合方法的误识率.      

Seismic Discrimination of the May 11, 1998 Indian Nuclear Test with Short-period Regional Data from Station NIL (Nilore, Pakistan)

v—vRegional seismic discriminants for the May 11, 1998 Indian underground nuclear test(s) and earthquakes recorded at station NIL (Nilore, Pakistan) provide new data to test strategies that can be used to monitor the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT). Three categories of regional discriminants (ratios of P- and/or S-wave energy) were measured on short-period (0.5–6uHz) seismograms: P/S amplitude ratios (phase ratios) measured in the same frequency band, P- and S-wave spectral ratios (i.e., low frequency to high frequency for the same phase) and P/S cross-spectral ratios (i.e., low frequency S-wave to high frequency P-wave). The P/S amplitude ratios show good separation of the Indian nuclear test and regional earthquakes for Pn/Lg and Pn/Sn, however Pg/Lg does not discriminate as well. Pn/Lg and Pn/Sn discriminate well at frequencies as low as 0.5–2uHz, especially after accounting for path effects. This observation differs from previous studies that report poor separation of earthquakes and explosions at lower frequencies. The P/S amplitude ratios do not show any magnitude dependence, suggesting that forming the ratios in a fixed frequency band cancels the effects of source size-corner frequency scaling. Spatial variability of the observed discriminants arises from variations in crustal waveguide and/or attenuation structure (path propagation effects). Grouping amplitude ratios for earthquakes with paths similar to the Indian test greatly improves discrimination. Removing distance trends does not generally improve discrimination. Accounting for path effects with Bayesian kriging significantly improves discrimination. Spectral ratios (e.g., Pn [0.5–1uHz]/Pn [4–6uHz]) and cross-spectral ratios (e.g., Lg [1–2uHz]/Pn [4–6uHz]) show distance and magnitude dependence. We developed a technique for simultaneously removing the effects of distance and source size-corner frequency scaling on amplitude and spectral ratios. The technique uses a gridsearch to find several parameters that characterize the observed distance and magnitude dependence. Discrimination of the Indian test improved dramatically after the distance and magnitude trends were removed from the spectral and cross-spectral ratio data.     

TDS单台地震处理软件包

ＴＤＳ地震自理软件包是一套适用于单台三分向地震台站的地震数据处理系统。该软件包采用简体中文Ｗｉｎｄｏｗｓ９５／９８ＮＴ工作平台,能够连续记录实时地动信号,检测、分析、处理和定位地震事件。该系统定位采用Ｐ波波列计算方位角,Ｐｇ／Ｐｎ／Ｐ,Ｓｇ／Ｓｎ／Ｓ／Ｌｇ１／Ｌｇ２计算震中距。介绍了该软件包的功能,技术途径以及实际应用。     

基于Lg波识别判据的特性分析

Lg波是检测、识别地下核爆炸的重要震相.通常情况下,地下核爆炸的低频段Lg波能量相对较强,基于Lg波的识别判据在高频段表现较好.然而在低频范围内却表现出难以用球对称爆炸源模式解释的现象,如Lg/Pg判据在1 Hz附近失效等现象.本文利用理论地震图方法,分析了伴随层裂过程产生的重要辅助源——CLVD源对Lg波低频成分的调...     

朝鲜地下核试验的地震学观测

自2006年至2017年,朝鲜民主主义人民共和国在中朝边界地区的试验场进行了6次地下核试验.本文综合报道根据东北亚地区的宽频带数字地震资料利用地震学方法对这六次地下核爆炸的研究.结果表明,朝鲜地下核试验在区域台网产生的地震记录具有典型浅源爆炸的特征.针对上述资料发展了处理核爆数据的方法并据此得出各次朝鲜核爆的地震学参数,包括事件识别、当量测定、以及震中相对定位等.对6次核爆和4次天然地震P/S类型谱振幅比的统计分析表明,2 Hz以上台网平均谱振幅比可以正确地将朝鲜核爆从天然地震中识别出来,从而有效监测在朝鲜半岛进行的当量大于0.5 kt的地下核试验.同时也发现,建立在体波-面波震级比之上的识别方法不适用于朝鲜核试验场.通过建立中朝边界地区基于Lg波的体波震级系统,计算了各次朝鲜核试验的体波震级m_b（Lg）,并由此估计了它们的地震学当量,其值介于0.5 kt至60 kt之间.由于缺少爆炸埋藏深度的数据,上述当量有可能被低估,因而有必要对深度影响做进一步研究.以第一次爆炸的位置为参考震中,利用Pn波相对走时数据和高精度相对定位方法获得了各次核爆在试验场中的精确定位.     

利用克里金技术标定新疆及附近地区P/S震相幅值比及其在地震事件识别中的应用

针对中国的乌鲁木齐台（WMQ）和哈萨克斯坦的马坎奇台（MAK），采用贝叶斯克里金技术建立了新疆及附近地区地震事件的震相幅值比的校正曲面，并分析了校正曲面与地震波传播路径的关系，以及校正曲面对于改善震相幅值比判据识别效果的有效性.分析结果表明，建立的校正曲面基本合理，结合传播路径差异和地震波传播规律，能够较好地解释校正曲面的起伏特征. 而且，在传播路径差异较大，使得震相幅值比经震中距校正后离散度仍然较高的情况下，利用校正曲面修正震相幅值比，可以进一步降低其离散度，从而改善判据的识别效果.经校正曲面修正后，对天然地震的误识率由16.3%下降为5.2％.      

Calibration of P/S amplitude ratios for seismic events in Xinjiang and its adjacent areas based on a Bayesian Kriging method

Correction maps of P/S amplitude ratios for seismic events distributed in Xinjiang, China and its adjacent areas were established using a Bayesian Kriging method for the two seismic stations WMQ and MAK. The relationship between correction maps and variations of along-path features was analyzed and the validity of applying the cor- rection maps to improve performances of P/S discriminants for seismic discrimination was investigated. Results show that obtained correction maps can generally reflect event-station path effects upon corresponding P/S dis- criminants; and the correction of these effects could further reduce scatters of distance-corrected P/S measurements within earthquake and explosion populations as well as improve their discriminating performances if path effects are a significant factor of such scatters. For example, as corresponding Kriging correction map was applied, the misidentification rate of earthquakes by Pn(2~4 Hz)/Lg(2~4 Hz) at MAK was reduced from 16.3% to 5.2%.     

不同地区人工爆炸与天然地震记录特征及识别研究

本文分析了河北怀来多次爆炸、河北三河采石场多次爆炸和低震级天然地震事件的记录特征和时频差异。结果显示:河北怀来爆炸的P波能量强、衰减快、S波发育弱;河北三河采石场爆炸的P波、S波主频均低于怀来爆炸,S波与面波混淆,不同震中距的台站记录低频发育明显;而天然地震的有效频带更宽,频率成分更为复杂。将Pg/Sg谱比判据应用于小震级地震与爆炸的识别中,探索交叉频带谱比对不同地区爆炸的识别。结果表明:高频（＞5 Hz）Pg/Sg谱比判据可将研究数据中的爆炸与小震级地震完全区分;与Sg低频（0—2 Hz）有关的交叉频带谱比可对两个不同地区的爆炸进行识别,交叉频带的谱比判据较传统的单一频带谱比判据能够更好地反映出不同类型事件的特征差异。      

考虑到时误差的地震定位算法及其在四川地区2001-2008年地震定位的应用

精确的地震位置对于地震活动性、地震层析成像和地壳应力场反演具有相当重要的意义,对于地震速报也具有重要的应用价值。将观测到时的不确定性、台站高程、地震震源深度进行约束的同时,根据反演理论给出了地震震源位置精确估计和误差估计的方法。该算法联合考虑Pg波、Sg波、Pn波和Sn波的到时进行反演,数据量的增加可以增强地震位置的准确性,并可同时应用于地方震和区域地震。采用模拟数据对该地震定位算法进行检验发现,该算法在观测数据的不确定性不等时明显优于其他方法。将该算法应用于四川地区2001-2008年间的地震定位,得到的地震位置更加符合地震的丛集性并集中于断裂带附近。这些结果为四川地区的地震活动性、断层构造以及地震层析成像研究打下了基础,并且为汶川地震之前的地震活动前兆研究也提供了有益帮助。     

吉林松原5.8级震群震相特征

选取2013年松原5.8级震群23个M_S≥3.0地震事件,通过地震波的振动持续时间、速度、周期、振幅等,进行震相识别,综合分析发现：该区域土层较厚,且震源相对较浅,面波较发育,波列的振动持续时间较长;地震震相主要以Pn、Sn、Pg、Sg、PmP、SmS为主：其中PmP、SmS震相在震中距70—110 km范围内较易识别;Pn、Sn震相在震中距150 km以上可较清晰的识别,随着震中距增大,Sn震相在震中距350 km以上将不易识别。     

首都圈地区Pb震相典型特征与康拉德界面研究

Pb震相是近震震相中的一个重要震相.关于Pb震相典型特征的总结和分析,对指导区域台网工作人员如何识别该震相,丰富台网观测报告震相产出,提高地震定位精度和确定康拉德界面等相关研究具有重要意义.但由于识别困难,国内很少有系统进行有关Pb震相的识别和研究工作.本研究采用首都圈地区高密度台网2009-2015年记录到的369个ML≥2.5地震事件的波形资料,重新分析震相并识别出1153条Pb震相.基于震相资料,利用时频分析、多项式拟合、射线分析、最小二乘法、联合反演、理论走时计算等方法进行研究,并在结合前人研究结果的基础上,我们得出:在首都圈及邻区,在肉眼可识别时频域内的特征来看,通常容易识别的Pb的振幅或频率高频部分相对比初至Pn和Pg大或高,也有振幅变小或者频率变化不明显的情况,这可能与震源机制、台站方位、场地响应、仪器类型等方面有关.时频分析、功率谱密度和肉眼识别分析的结果表明,P波的主要能量集中在相对低频部分,Pn,Pb,Pg,PmP四种震相(本研究以后提到的震相顺序只考虑这四种震相)有很强的共性,区别在于传播路径上的不同,频率或观测记录周期上的小幅度差别.在Pg作为初至波时,Pb震相的低频主频部分与Pg震相的低频主频部分带宽差不多(受到包含Pg震相的影响),但是高频主频部分频率更高,Pb到时在Pg之后,PmP之前.Pn作为初至波时,Pn震相低频主频部分带宽比Pb宽,但是Pb高频主频部分频率相对更高,Pb在Pn之后,在Pg之前.鉴于震源深度对Pb到时顺序的影响,及其在定位结果中精确度最差的情况,在震中距约在80~140km范围内时,得考虑区域地壳厚度横向不均匀、震中距、震源深度等情况并结合波形特征,来判定Pb是否为初至震相.Pb震相在康拉德界面的平均传播速度约为7.0km·s^-1,康拉德界面平均深度约为23km.Pb射线的分布情况直接证明了康拉德界面在首都圈地区的分布是连续的.基于本研究利用Pg,Pb,Pn,PmP震相走时联合反演所得模型计算的理论走时结果和实际观测结果一致进一步证明了我们结果的可靠性.     

辽宁测震台网地震观测报告质量分析

就地震分布、震相质量、深度分布以及地震震级等,对辽宁测震台网2010-2017年地震观测报告进行分析,得到辽宁地区地震波主要震相的平均传播速度,分别为：Pn震相平均传播速度为7.87 km/s,Pg震相平均传播速度为4.48 km/s,Sn震相平均传播速度为4.48 km/s,Sg震相平均传播速度为3.56 km/s,认为引起震相走时偏差较大的主要原因为地震定位误差及震相不易识别。     

乌兰浩特地震台典型地震事件震相特征分析

选取乌兰浩特地震台记录到的典型天然地震事件及爆破事件,根据断裂带分布及波形记录特征,分析地震及爆破事件的震相特征.结果表明,研究区域近震波形Pn、Pg、Sn、Sg震相及Sm面波较清晰,Pg、Sg波走时差一般不大于23 s,与中国地震台网中心发布的MS震级间的偏差一般小于0.6级;远震P、S、pP、sP震相可较清晰识别,Pm、L面波记录较明显,P、S波走时差一般不小于25 s,震级偏差一般小于0.4级,且通过震相特征及实地考察发现,爆破多为霍林郭勒区域爆破事件.     

多重相对定位法和波形相关校正及其应用

阐述了地震相对定位法的原理和方法，给出了Pg，Sg，P11，S11和Pn 5种震相的走时差方程．运用多重相对定位法和波形互相关技术，对1996年12月16日发生的顺义地震的余震震群进行重新定位，同时使用多种震相，对深度进行约束; 并对传统的绝对定位法、多重相对定位法和波形互相关技术的结果进行比较．      

朝鲜2009年和2013年两次核爆的地震学特征对比研究

利用布设在长白山地区临时地震台站接收到的朝鲜核爆的波形资料,对2009年5月25日和2013年2月12日两次朝鲜核试验的地震学特征进行比较.震中距范围从145km到420km.采用P/S型谱比值方法识别朝鲜核爆,通过与2009年3月20日长春地震和2013年1月23日沈阳地震事件的比较,表明在频率大于3 Hz时P/S型谱比值能够有效识别发生在中朝边境地区的地下核试验.选定参考台站,利用区域震相Pg波的振幅谱比值计算朝鲜核爆至各台站路径上的相对衰减.结合介质速度模型,在一定程度上反映了长白山地区衰减情况,为进一步研究长白山地区衰减层析成像提供初始模型.     

乌兰浩特地震台典型地震事件震相特征分析

选取乌兰浩特地震台记录到的典型天然地震事件及爆破事件,根据断裂带分布及波形记录特征,分析地震及爆破事件的震相特征。结果表明,研究区域近震波形Pn、Pg、Sn、Sg震相及Sm面波较清晰,Pg、Sg波走时差一般不大于23 s,与中国地震台网中心发布的M_S震级间的偏差一般小于0.6级;远震P、S、pP、sP震相可较清晰识别,Pm、L面波记录较明显,P、S波走时差一般不小于25 s,震级偏差一般小于0.4级,且通过震相特征及实地考察发现,爆破多为霍林郭勒区域爆破事件。     

利用区域地震波形振幅包络约束朝鲜地下核试验的埋深和当量

核爆当量和埋藏深度是地下核试验的两个重要参数.根据中国东北地区区域范围内地震台站观测记录,利用Pn,Pg,Sn和Lg波波形,计算水平分量的尾波振幅包络,调查2006年10月9日,2009年5月25日,2013年2月13日和2016年1月6日四次朝鲜地下核试验的爆炸当量和埋藏深度.以牡丹江(MDJ)台站记录为例,对两个水平分量波形进行带通滤波,计算平均波形的振幅包络.最终得到区域地震台站水平分量振幅包络,振幅稳定,包络振幅的变化清晰地显示区域震相的位置.区域震相的时间域振幅包络由震源谱函数、传播效应、台基响应和传递函数及尾波形状函数构成.通过网格搜索的方法,拟合水平分量记录的波形包络,可以获得核爆当量和埋藏深度的估计.结果表明,朝鲜四次地下核试验爆炸当量以时间为序从0.6±0.2kt到3.0±1.5kt,增加至10.0±2.0kt,再降到8.0±2.0kt.2006年核爆的埋藏深度较浅,为150±100m,2009年朝鲜核试验的埋藏深度为350±100m,2013年和2016年朝鲜核试验的深度非常一致,均为500±200m.这些结果与前人的调查结果一致性较高,说明使用单一地震台站时间域水平分量尾波振幅包络是可能同时约束地下核试验爆炸当量和埋藏深度的.     

基于Pn/Pg相对定位方法研究2017年8月8日九寨沟M7.0地震起始破裂深度

本文利用Pn/Pg相对定位方法,测定了2017年8月8日四川九寨沟M7.0主震及部分余震的起始破裂深度.地震的起始破裂深度是理解地震孕震机理的重要参数,而九寨沟地区台网稀疏,地壳速度结构复杂,基于传统的到时定位方法测定地震起始破裂深度误差较大.Pn/Pg相对定位方法首先基于流动观测近台记录对2017年8月10日M4.1和11月7日M4.5余震震源位置进行测定,选择其为参考事件,再利用Pg校正主震水平位置,Pn约束震源起始深度,基于参考事件可以有效降低速度模型对震源位置测定的影响.结果显示：九寨沟主震起始破裂深度约9 km,早期余震的震源深度分布在7~13 km,主要集中在主震起始破裂深度附近.     

多震相走时和波形三维地震成像方法及在朝鲜半岛和祁连山地壳结构研究的应用

本项成果包括：提出天然地震走时反演层析成像技术,采用下列方法使得处理结果得以改善：1)利用Pg,Sg,Pm,Sm,Pn,Sn等震相增大约束条件;2)用已有精度较高的人工地震测深结果作速度约束;3)用波形反演来修改模型,把波源,介质吸收,散射等全部物理特征集中反映在记录中,把诸多物理量开发出来互为约束,以修改后的模型再作反演,使解的稳定性大大提高;4)采用最优化过程,选择遗传算法。可以进行震源定位,走时反演,波形反演;5)得到任意深度的速度分布及从地表到Moho面的速度剖面。主要应用结果：对于朝鲜半岛南部,划分为5(沿纬度)*６(沿经度)*8(沿深度)块,对于中部分288块.得到从地表到M面的8个水平切面;中部地区沿纬度13个二维剖面及其Moho面深度分布。上述方法也用于祁连山中东段地壳三维结构成像加上地震台网数字记录,反演。该区属塔里木-阿拉善地块走廊过渡带与北祁连褶皱带;从剖面可看出该地块上地壳低速层厚,下地壳有-低速层。北祁连褶皱带盆地与隆起构造之间的起伏差异,显示古浪断裂与金强河断裂之间的深部差异与界线。两地区的结果表明,这些剖面对认识大地构造、地质结构的稳定性,深部事件的性质是很有益的,对地球动力学研究也有重要意义。     

由多震相走时和波形作三维地震成像

本项成果包括：提出天然地震走时反演层析成像技术,采用下列方法使得处理结果得以改善：１）利用３２个地震,４０４条射线的Ｐｇ,Ｓｇ,Ｐｍ,Ｓｍ,Ｐｎ,Ｓｎ等震相增加约束条件：２）用已有精度较高的人工地震测深化结果作速度约束;３）用波形反演来修改模型,把波源,介质吸收,散射等物理特征集中反映在记录中,把诸多物理量开发出来互为约束,以修改后的模型再作反演,使解的稳定性大大提高;４）采用最优化过程,选择遗传