诱发地震检测及地震震源分类

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诱发地震的研究是近年来地震学研究当中的一个热门方向,但是对诱发地震的物理机制以及与人类操作之间的关系的研究一直是一个很具有挑战性的工作。在本论文中,我们围绕诱发地震及震源分类来开展了两个方面的研究工作:1),采用了 Zhang and Wen[2015a]提出的M&L微震检测方法的技术流程,基于呼图壁储气库附近最近的新疆地震台网中心的6个固定地震台的连续波形资料,搜索2013年6月至2015年10月发生在呼图壁储气库附近的小地震事件。结合检测到的新疆呼图壁气田的微震事件,分析了其与气田生产中的注气率、采气率、井口压力以及累积注入量之间的关系,并探讨了这些诱发地震可能的物理机制。2),以新疆地震台网记录到的真实的天然地震和矿山爆破数据作为训练样本数据,我们将频谱比和振幅比作为区分区域地震震源类型的手段,调查了这两种方法的区分效能。另外,基于训练样本数据,利用支持向量机(SVM)方法建立预测模型,对天山地震带2009年1月至2016年12的M1≥1.5的地震进行系统自动分类,并对分类结果及效能进行分析讨论。呼图壁气田是目前中国最大的地下天然气储气库,自2013年6月9日以来每年以“夏季注气/冬季采气”的模式作业。我们研究了 2013年6月9日至2015年10月22日期间呼图壁气田的地震活动,并探讨了诱发地震活动与野外作业之间的关系。我们在距离气田10公里范围内共识别出了 273个M≥1的地震事件,其中97%的事件发生在第一和第二注气阶段,0.4%发生在第三注气阶段,还有1%发生在两个采气阶段。发生于前两个注气阶段的震群深度很浅(<2 km),且主要发生在两个位置:其中一个震群沿着标志储气库南部边界的断层分布,另外一个震群在距离储气库东南端约2km处,该震群沿NS向分布。呼图壁储气库区域地震活动与总注气量、注入率以及井口压力没有明显相关性。这些地震活动发生在野外操作中注气率和井口压力突然上升或下降之后的11-17小时。这种关系和一种物理机制一致,即在依赖于断层速率和状态的摩擦定律(therate-and state-dependent constitutive friction law)的背景下,弹性和不排水孔隙弹性响应于注入速率和井口压力同时突变而产生的应力突变,诱发了呼图壁储气库附近的断层上的地震活动。我们的研究也指出诱发地震活动在某些实际野外操作中可能是可控的。为了确定一个区域的真实地震活动水平,从原始地震目录中将人工地震事件记录和天然地震进行区分是非常有必要的。在本次研究中,基于新疆地震台网记录到的天然地震和矿山爆破(研究区域:78.78° E-91.00° E,40.00-46.50°N),我们将频谱比和振幅比作为区分区域地震的手段,调查了两种方法的区分效能。我们使用新疆区域地震台网2009年1月至2016年12月记录到的1071个天然地震和2881个非地震事件作为训练样本数据,两种数据类型地震震级都在区域地震的震级范围内(1.5 to 2.9)。非地震事件和天然地震事件可以通过振幅比(Pg/Sg)很好的区分开,区分效能随频率的增加而增加。试验对比结果发现8-15Hz的滤波频段的振幅比是最有效和准确的区分手段,可以成功的对超过90%的事件进行区分。相比之下,P波和S波频谱比表现的相对较差,因为矿山爆破和天然地震这两类数据的计算结果的值域范围大概分别存在60%和55%的重叠。对比结果显示,对于单个震相,压缩波和剪切波之间的振幅比方法优于P波和S波频谱比方法。然而,将这两种区分方法结合,在目前新疆这样一个稀疏区域台网中使用一种自动的地震事件分类方法能将误识别率降低到3%。该方法是基于监督模式识别技术,被称之为支持向量机(SVM)。分类结果显示,研究区内48.47%的地震事件为非地震震源产生,天然地震事件比例为49.01%,另外有2.52%的事件无法判别。分类后的天然地震主要发生在断层附近,而非地震主要发生在矿山集中区。
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