تشخیص زمین لرزه و انفجار با به‌کارگیری روش تجزیه مد تجربی (EMD) لرزه‌نگاشت‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، ایران

چکیده

امواج زمین‌لرزه و انفجار گذرا و غیر‌ایستا هستند. در لرزه‌شناسی همانند مهندسی زلزله، هنوز اغلب داده‌ها با تحلیل فوریه پردازش می‌شوند. به دلیل تفاوت در ویژگی‌های غیرخطی و غیر‌ایستای این داده‌ها، روش تحلیل فوریه نمی‌تواند جزئیات اطلاعات را در پراش امواج، دگرشکلی شکل موج و توزیع انرژی- بسامد آشکارسازی کند. در این مقاله، یک روش جدید برپایه تجزیه مد تجربی (Empirical Mode Decomposition) حوزه زمانی ارائه شده است که تحلیل ساختارهای بلند و کوتاه دوره این امواج را آسان می‌سازد و بینشی در مورد بسامدهای ذاتی را فراهم می‌آورد. پس از اعمال آن روی داده‌های لرزه‌ای، مدهای نوسانی امواج زمین‌لرزه و انفجار با هم مقایسه می‌شوند، رابطه‌ای برای هر گروه از داده‌های همنوع و همچنین تفاوت‌هایی بین امواج غیر همنوع بر اساس توابع مد ذاتی (Intrinsic Mode Functions) تولید شده، به‌دست می­آید. از بررسی‌های به عمل آمده نتیجه می­شود که ترسیم ماکزیمم بسامد‌های  IMF مختلف هر لرزه‌نگاشت بر حسب محل قرارگیری آنها، یک عامل تشخیصی بسیار مؤثر است و به این ترتیب انفجارها و زمین‌لرزه‌ها به راحتی از یکدیگر قابل تفکیک هستند. همچنین نشان داده می‌شود که روش مورد نظر نسبت به روش‌های پیشرفته‌ای مانند روش احتمالاتی غیرمارکوفی گسسته، کارآیی بیشتری دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Identification between Earthquake and Explosion by using the Empirical Mode Decomposition (EMD) of Seismograms

نویسندگان [English]

  • A. Amini
  • sh. Mehrabian
Insitute of Geophysics, University of Tehran, Iran
چکیده [English]

All the earthquakes are transient and nonstationary. For lack of alternatives, in seismology as well as earthquake engineering, most data are still processed by using the Fourier analysis. The most difficulties in the Fourier spectral analysis are associated with nonlinearity and non-stationary nature of the data. Such methods cannot reveal the detailed information in the dispersion properties, the wave form deformation, and the energy-frequency distribution. In this study, a new technique based on the time-domain empirical mode decomposition has been explained, which enables us to analyze both short-term information and long-term structures in seismic waves. It provides insight into long term memory and local time behavior of seismic signals. Oscillation modes of Earthquakes and Explosions are compared to each others, relationships between each group of the same data and differences between different data are obtained based on the produced IMFs. With respect to the advanced methods such as discrete stochastic non-Markov process it has been shown that this technique gives better identification. Plotting the maximum frequency of different IMFs via position of them, gives an effective identification tool. In this study first the technique is explained and then the obtained results are illustrated and discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • words:Empirical Mode Decomposition
  • Intrinsic Mode Functions
  • Earthquakes and Explosions waves
  • Original frequency
References

Aki, K. & Tsai, Y., 1972- Mechanism of Love-wave excitation by explosive sources, J. Geophys. Res., 77, 1452-1475.

Bath, M., 1962- Seismic records of explosions-spatially nuclear explosions. Part III. Res. Inst. Natl. Def. (stockh.), Rep. A 4270-4271, 116 pp.

Davis, J. B. & Smith, S. W., 1968- Source parameters of earthquakes and discrimination, Bull. Seismol. Soc. Am., 58, 1503-1517.

Derr, J. S., 1970- Discrimination of earthquakes and explosions by the Rayleigh-wave spectral ratio, Bull. Seismol. Soc. Am.,60, 1653-1668.

Geller, R. J. & Ohminato, T., 1994- Computation of synthesis seismograms and their partial derivatives for heterogeneous media with arbitrary neutral boundary conditions using the direct solution method. Geophys. J. Int. 116, 421-446.

Huang, N.E., Shen Z., Long, S.R., Wu, M.L., Shih, H.H., Zheng, Q., Yen N.C., Tung, C.C. & Liu, H.H., 1998- The empirical mode decomposition and Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis, Proc. Roy. Soc.London A, Vol. 454, 903–995.

 Marshal, P. D., 1970- Aspects of the spectral differences between earthquakes and underground explosions, Geophys. J. R. Astorn. Soc., 20, 397-416.

Muller, R. A. & Murphy, J. R., 1971- Seismic characteristics of underground nuclear detonations, part1, Seismic spectral scaling, Bull. Seismol. Soc. Am., 61, 1675-1692.

Peng, Z.K., Tse, Peter W., Chu, F.L., 2005- An improved Hilbert–Huang transform and its application in vibration signal analysis, Journal of Sound and Vibration, 286, 187–205.

Rilling G., Flandrin, P. & Gon¸calv`es P., 2003- Empirical Mode Decomposition as a filter bank, IEEE Sig. Proc. Lett.

Scherbaum, F., 1994- Basic concepts in digital processing for seismologists. Berlin: Springer.

Shamway, R. H., 2003- Time-frequency clustering and discriminant analysis, Statistics and Probability Letters, 63, 307-314.

Weichert, D. H., 1971- Short-period spectral discriminate for earthquake-explosion distribution, Geophys., 37, 147-152. 

Willis,D.E., 1963c- Comparison of seismic waves generated by different types of source, Bull. Seismol. Soc. Am., 53, 965-978.

Yulmetyev, R., Hanggi, P. & Gafarov, F., 2000- Possibility between earthquake and explosion seismogram differentiation by discrete stochastic non-Markov processes and local Hurst exponent analysis, Phys. Rev. E, 62, 6178.

Yulmetyev, R., Mokshin, V., Hanggi, P., 2005- Universal approach to overcoming    nonstationarity, unsteadiness and non-Markovity of stochastic processes in complex systems, Physica A, 345, 303–325.