Геофизический центр РАН
| О проекте   | Участники   | Поиск по сайту  | Контакты
Информационные ресурсы
Алгоритмические ресурсы
Проекты программы Технологий информационного общества ЕС
Поисковая система по научным публикациям
Электронные публикации
Конференции
Навигатор по георесурсам


Российская Академия Наук
Российская Академия Наук



 Проект: Методы, программное обеспечение, распределенные вычисления, экспериментальные данные и распределенные вычисления сейсмических шумов Земли («Дыхание Земли)

 

Организация-исполнитель:          Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.

Руководитель проекта:                 чл.корр. Г.А.Соболев

Отв. исполнители:                         чл.корр. Г.А. Соболев,
д.ф.м.н. А.А. Любушин

В соответствии с техническим заданием в 2006 году исследованы записи широкополосных  станций  IRIS перед  Нефтегорским  землетрясением  на  Сахалине   с  М = 7.0 и землетрясением Суматра с М =9.2.
С начала 90-х годов XX – го века на земном шаре быстро развивалась система широкополосных цифровых сейсмических станций, позволяющих исследовать сейсмические шумы (микросейсмы) в диапазоне периодов от нескольких секунд до нескольких часов. Их размещение показано на рис.1. Несколько сотен станций оснащены однотипной аппаратурой, что позволяет сопоставлять результаты анализа для получения картины распределения шумов по поверхности Земли. Каждая станция измеряет 3 компоненты амплитуды сейсмического шума (Вертикальная, и 2 горизонтальных) с частотой опроса до 100 гц. Объем информации за сутки на одной станции составляет порядка 1 ГБ. Обработка и анализ требуют наличия мощной вычислительной техники. Передача данных (рядов наблюдений), например, по системе FTP в единый обрабатывающий центр не экономична из за большого объема. Целесообразно поэтому проводить распределенные вычисления по единой методике (протоколу), в том числе на отдельных станциях и разными организациями, с последующим обобщением результатов. Такая работа органично вписываются в Программу “Электронная Земля: синтез информационных ресурсов и информационно-коммуникационных технологий в целях обеспечения научного прогноза”.
Результаты могут покрывать широкий спектр научных и практических проблем, таких как: исследование изменчивости шумов при подготовке геотектонических катастроф (землетрясений, извержений вулканов); построение физико-математических моделей сейсмических шумов; исследование связи сейсмических шумов с космическими, планетарными, океаническими, климатическими и атмосферными процессами; исследование связи сейсмических шумов с флюктуациями электромагнитных и гравитационных полей; исследование особенностей сейсмических шумов над месторождениями нефти, газа и рудных полезных ископаемых для их поиска; выявление активных разломов и блоков земной коры по изменениям характеристик сейсмических шумов.

Рис.1. Система широкополосных станций IRIS на земном шаре.

Настоящий отчет посвящен результатам исследования первой из перечисленных задач: исследование шумов с целью обнаружения предвестников и прогноза сейсмических катастроф.
            Для получения научных результатов первичные данные подвергались необходимому форматированию и распределенным вычислениям сотрудниками Геофизической службы РАН (ГС РАН) с последующей обработкой и анализом авторами настоящего отчета. Разработаны новые методики и программное обеспечение для анализа структуры сейсмического потока; получены научные результаты в области обнаружения новых типов предвестников землетрясений; опубликованы 2 статьи, 1 статья принята к печати, сделаны доклады на 3-х международных конференциях.

Полный текст отчета представлен в файле формата .PDF.
В настоящем отчете представлено описание разработанных программ. Сами программы архивном файле Programms.zip и собранные ряды наблюдений сейсмических станций объемом 6,3 Гб. представлены архивных файлах.

Описание программ входящих в архив.

Программа Spectra_Analyser .exe
Опыт нашего исследования записей микросейсм показал, что их изменчивость по площади и во времени требует разнообразных методов обработки. В связи с этим была написана интерактивная программа Spectra_Analyser для разведочного анализа свойств скалярных временных рядов, краткое описание которой приводится ниже.
Программа написана на языке Visual Basic, на котором реализован пользовательский интерфейс с графическим выводом всех промежуточных результатов, что позволяет производить интерактивный анализ данных, не выходя за пределы интерфейса. Вся вычислительная работа выполняется динамически подключаемой библиотекой, написанной на языке Compaq Visual Fortran, которая содержит численные процедуры спектрального анализа, вейвлет-пакетных разложений, выделения и устранения тренда и т.д.
Программа выполняет следующие операции для скалярного временного ряда:
– оценивает спектр мощности методами максимальной энтропии Бурга и путем усреднения периодограмм;
– оценивает тренд и выполняет процедуру устранения тренда с помощью сглаживания гауссовскими ядрами с заданным масштабом усреднения или локальными полиномами с заданным порядком полинома (от 0 до 10) и в скользящих окнах заданного радиуса;
– выполняет полосовую частотную фильтрацию временного ряда, пропуская гармоники с частотами в выбранной полосе;
– оценивает эволюцию логарифма спектра мощности в скользящих временных окнах заданной длины (оценка Бурга в каждом окне);
– осуществляет ортогональное вейвлет-пакетное разложение сигнала с расщеплением каждого уровня детальности в 1 (обычное ортогональное разложение), 2, 4 или 8 раз;
– производит нелинейную пороговую вейвлет-фильтрацию с оптимальным вейвлетом и порогом Донохо-Джонсона или с другим вейвлетом и степенью сжатия сигнала, выбираемых пользователем;
– выделяет длинные цепи скелета максимума модулей непрерывных вейвлет-преобразований с использованием 1-й и 2-й производной от гауссовского ядра;
– вычисляет частотно-временную диаграмму логарифма квадрата модуля непрерывного вейвлет-преобразования с комплекснозначным вейвлетом Морле;
– вычисляет частотно-временную диаграмму логарифма квадрата модулей ортогональных вейвлет-пакетных коэффициентов с расщеплением каждого уровня детальности в 1 (обычное ортогональное разложение), 2, 4 или 8 раз («ящики Гейзенберга»);
– осуществляет подгонку для временного ряда низкочастотной гармоники с неизвестным периодом, который находится из условия минимума дисперсии остатка;
– ищет экстремальные точки, период и амплитуду «максимального всплеска» для выделенных фрагментов.
Кроме того, программа может осуществлять следующую предварительную обработку.
– переход к большему интервалу дискретизации, причем увеличение интервала отсчетов может быть либо целочисленным, либо дробным большим 1. Для целочисленного увеличения производится вычисление последовательных средних от временного ряда на временных окнах длиной 2, 3, 4 и т.д. отсчетов, причем одновременно вычисляется и выводится в специальный файл дисперсия (несмещенная выборочная оценка) отклонений исходного ряда от этих последовательных средних. Для дробных увеличений, больших 1, переход осуществляется с помощью преобразования Фурье, подавления гармоник с периодами выше новой частоты Найквиста, обратным преобразованием Фурье и линейной интерполяции между имеющимися отчетами с первоначальным шагом по времени.
– переход к временному ряду в приращениях;
– итеративное устранение больших выбросов путем т.н. «винзоризации»: вычисления среднего значения 1, стандартного отклонения 3, операции срезки значений временного ряда выпадающих за уровни 5 и повторения этой последовательности 3-х операций до тех пор, пока значения 2 и 4 не перестанут меняться;
– вычисление дисперсии исходной или преобразованного ряда.

Программа MakeLineOBN_Data.exe преобразует исходный файл в текстовый файл амплитуд колебаний.
Программа Simple. exe проводить агрегацию исходных данных для сокращения времени вычислений.
Программа LowFreqImp.exe предназначена для выявления как симметричных, так и не симметричных импульсных колебаний в потоке микросейсм. С ее помощью выполняются следующие операции: устранение низкочастотного тренда, подавление высокочастотных компонент, прямое вейвлет преобразование, выделение высокоинформативных коэффициентов, обратное вейвлет преобразование, раздельное выведение импульсов положительной и отрицательной полярности с указанием их длительности и амплитуды в единицах среднестатистического отклонения.
Программа PeakOverThreshPeriod.exe проводит поиск периодических колебаний в заданном диапазоне периодов с использованием входного файла последовательных амплитуд микросейсм. 

Программа PPPPeriod.exe проводит поиск периодических колебаний в заданном диапазоне периодов с использованием последовательности времен вступления импульсов в точечном процессе.

 

©  Геофизический центр РАН, 2005 - 2008
На главную