模板匹配滤波技术在地震数据处理中的应用

模板匹配滤波技术(Matched Filter Technique,MFT)是一种近几年发展迅速的可用于检测遗漏信号的算法,在图像识别、行星探测等众多领域均有广泛应用。在地震学中,该技术通过扫描连续波形找出模板事件附近发生的、与模板事件相关性较好的遗漏地震事件,可用于完善地震目录,实现对地震活动性以及区域应力状态的更好刻画。本文综述了模板匹配滤波技术在地震数据处理中的应用,首先概述基本原理,其次介绍该方法用于探测各类地震事件的实例,包括前震和余震、远程动态触发地震、诱发地震和非火山震颤等,最后展望了用于提高算法效率及探测精度的一些改进方法。

台阵处理技术和模板匹配滤波技术在微弱地震信号检测中的应用

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FK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34.73s/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438km。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5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(~10kPa)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。

匹配滤波和曲波去噪相结合的气枪主动源弱信号提取

提出由一维模板匹配滤波技术(MFT)和二维曲波(Curvelet)变换法穿插的数据处理方法,即先通过一维模板匹配滤波方法得到相关系数,将相关系数组成二维数据并用曲波变换法处理,最后将各道对应相关系数分别与模板信号褶积,得到高信噪比恢复信号。将该方法用于处理仿真数据和宾川主动源气枪信号,结果表明:在宾川主动源气枪信号的处理中,本方法较单一数据去噪方法恢复能力更好,可对气枪主动源的模拟与实际信号进行更好的数据提取与恢复,得到噪声干扰更少的地下介质波速变化,提高低信噪比数据的利用率与可分析性。

2016年度呼图壁地下天然储气库对周缘微地震活动性的影响

呼图壁储气库是中国目前存储量最大的天然气储气库,位于新疆准噶尔盆地南缘,北天山山前坳陷带内的呼图壁背斜上.储气库靠近百万人口大城市乌鲁木齐,气库的注放气活动对其周缘地震活动的长期影响是事关生产和生活的重要安全问题.本文以呼图壁储气库为中心,在86.5°E—87.5°E,43.5°N—44.5°N的范围内,基于新疆维吾尔自治区地震局在该区域建立的密集流动台阵数据,应用模板匹配滤波技术对2016年全年的波形数据进行搜索识别,检测到遗漏地震事件151个,完善扩充了原有地震目录,使得该区域完备震级由1.1降到约0.7.通过分析新目录中404个地震的时空分布规律,我们发现2016年,即气库建成第三年以后,储气库的气压变化依然会影响周缘地区的地震活动.当储气库的气压增大到超过约22 MPa的阈值后,较小的气压波动也会导致该区域地震活动性明显增强;气压变化对距储气库中心最远约40 km范围内区域的地震活动存在较为明显的影响.

北京房山岩体附近随采矿活动增强的背景地震活动和动态触发事件研究

北京西部房山岩体多次发现动态触发事件,但之前的研究都受限于台站分布稀疏的影响。本文系统地分析了2011年3月11日日本东北近海MW9.1地震和2012年4月14日印度洋MW8.6地震之前和之后各40天内固定台站和流动台站记录的连续波形。首先,本文采用短时平均比长时平均的检测方法构建模板数据库;其次,本文运用波形模板匹配滤波技术对连续波形进行互相关来检测地震事件。最后,本文分别检测得到日本东北近海地震主震后和印度洋地震主震后1 956个和950个地震事件。多数检测到的地震属于浅源(<5km)地震并群集出现在北京西部房山岩体北岭向斜构造,这个地区邻近一个正在运行的煤矿。从两次主震的强振幅面波中分别检测出7个和10个地震事件,但对应的强前震和余震波形中则没有检测到类似的多事件爆发模式。多种统计检验表明两次主震后短时爆发事件是动态触发事件。本文认为采矿相关的活动可能扰动了地下应力环境,从而使该地区比其他地区更容易被动态应力触发。