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国际地球物理学报/2020/文章

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体积 2020 |文章的ID 8853376 | https://doi.org/10.1155/2020/8853376

Afif Rakhman, Wahyudi, Agus Budi Santoso, Hanik Humaida, Wiwit Suryanto, 利用随机度和背景噪声的时间变化分析2010年默拉皮火山爆发的环境地震噪声",国际地球物理学报, 卷。2020, 文章的ID8853376, 10 页面, 2020 https://doi.org/10.1155/2020/8853376

利用随机度和背景噪声的时间变化分析2010年默拉皮火山爆发的环境地震噪声

学术编辑器:菲利波Vallianatos
收到了 2020年3月29日
修改后的 2020年6月15日
接受 2020年6月17日
发表 2020年6月30日

摘要

本文利用排列熵(PE)和功率谱密度(PSD)相结合的方法,对2010年默拉皮火山爆发的短周期台站连续地震资料进行了分析。PE的计算旨在表征地震噪声的随机性水平,而PSD参数用于检测不同频段的背景噪声水平。此前观察到,火山喷发前随机性的显著降低可能是短期前兆之一,这是因为当热岩浆上升到上地壳时,由于高吸收损失造成的噪声波场中缺乏高频(>1 Hz)。结果表明,在火山爆发系列之前,信号随机性没有显著降低。喷发前和危机期的事件特征趋于混乱(PE在0.9 ~ 1范围内)。进一步计算表明,在10月26日第一次爆发前的4天内,PE的标准差减小。PE在最高值时很稳定(非常接近1),在爆发后逐渐恢复到之前的波动。低频段和高频段的背景噪声水平呈现出相同的趋势。两次主要的喷发对应着两个最高的噪音水平峰值。

1.简介

默拉皮火山位于印尼爪哇岛中心,日惹以北约30公里。必威2490这座火山被归类为世界上最危险的火山之一,因为它的喷发活动水平高,周围人口密度大。1].上一次大喷发发生在2010年10月至11月,对火山周围社会的社会、环境、健康和物质方面产生了重大影响。这次喷发是火山和地质灾害缓解中心(CVHGM)的现代多参数台站观测到的第一次大爆发(VEI ~4),包括安装在默拉皮侧翼的6个宽频地震台站和4个短周期地震台站(图)1).之前VEI 1 ~ 2期的默拉皮火山喷发发生在1984年、1986年、1992年、1994年、1997年、1998年、2001年和2006年,在此之前熔岩穹丘的生长(默拉皮型),而熔岩穹丘的出现并没有发生在2010年10 - 11月的喷发之前。也就是说,2010年的喷发并不是默拉皮火山典型的喷发类型,而是热情洋溢型和爆发式之间的过渡[2].

火山学家面临的重大挑战之一是预测火山动荡时期重大事件的发生。预测工作的一个基本部分是确定短期前兆作为指标。在默拉皮,火山喷发前通常可以观察到的一些前兆,即火山地震(火山构造)事件的增加,从火山口喷出的烟雾更浓,气体和水的成分的变化,火山口温度的升高,以及火山大厦的变形[3.,4].

近年来,随着火山信号的不断观测,环境地震噪声得到了广泛的应用。例如,它可以用来监测火山下面物质的物理性质的变化,因此它可以用来预测火山的活动[5- - - - - -7].环境地震噪声的特征是震源强度和位置的随机性。这种噪声还具有与地震信号所经过的介质性质的异质性有关的特征[8,9].环境地震噪声的变化通常比其他前兆信号更早发生,如地表变形或由地下岩石破裂过程引起的火山-构造事件。

应用排列熵(PE)计算方法分析与火山动荡期有关的环境地震噪声是一种新的方法。该方法可以根据地震信号模式与排列模式在特定嵌入维度上的匹配次数来分析时间序列信号的随机性[10].大约在1996年Gjálp火山爆发(冰岛)开始前10天,观察到PE的时间变化显著减少,这表明它是火山爆发的短期前兆[11].通过计算主导频率和质心频率的时间变化进一步分析[12]表明,这种减少是由于缺乏高频事件(>1 Hz),该事件与高吸收损失有关,这是由于岩浆上升到地球表面的增加。

PE计算可分为“单组分单站”分析方法[13].这种方法的优点之一是使用设备最少。这个计算只需要来自火山顶部附近的观测站的地震数据的至少一个分量(通常是垂直分量)。同类型的另一种方法是功率谱密度(PSD)计算。PSD是信号自相关的傅里叶变换的结果[14].该参数可以用来显示地震信号在特定频段的强度。该方法曾被用于几座活火山的近实时分析,包括智利的维拉里卡火山、厄瓜多尔的通古拉瓦火山和西班牙的泰德火山[15].泰德火山在经历了30年的平静期后,在2003年初显示出了活跃度的增加[15,16].PSD计算结果显示了与火山活动增加相关的几个频带的地震信号强度。与火山监测中最常用的方法,即真实地震振幅测量(Real Seismic Amplitude Measurement,简称RSAM)相比,该方法的优势在于[17,是描述火山体内时间变化的能力[18].

本文利用2010年10 - 11月默拉皮火山爆发前后的地震资料,对PE和PSD的时间变化进行了综合分析。将这两种方法与RSAM方法进行比较,并结合日事件的计算结果,分析了该技术进一步应用于默拉皮火山事件前兆信号的可能性。

2.材料和方法

2.1.2010年默拉皮火山爆发

默拉皮火山位于爪哇俯冲带上,主要由玄武岩-安山岩火山灰、火山碎屑流、熔岩和火山泥流沉积组成。20世纪的火山喷发通常每4到6年就会发生一次,产生粘稠的熔岩穹丘,然后坍塌形成火山碎屑流和随后的火山泥流。这些喷发相对较小,典型的喷发量为 震级或火山爆发指数(VEI)为1-2 [19- - - - - -22],其中大小由[ ].

2.1.1.地震台网

有6个宽频地震台站(GRW、GMR、PAS、LBH、WOR和CRM)和4个短周期地震台站(DEL、KLA、PLA和PUS)记录了2010年10月爆发前和期间的活动。宽频台配备Güralp CMG-40T/30s地震仪,短周期台配备l -22/ 2hz和L-4C/ 1hz (Mark Products)地震仪。图中显示了每个台站地震数据的可用性2.在火山活跃期,网络上大部分宽带网站的数据传输中断,造成了大量的数据空白。这些数据也不包括火山喷发系列。幸运的是,短周期台站相对稳定,记录的喷发系列事件频带较窄。本文利用PUS、DEL和PLA三种短周期台站的地震资料记录,揭示了PE和PSD的时间变化规律。根据喷发前后数据的完整性来选择站,也是站的位置。PUS站距离陨石坑很短,而DEL和PLA站在中间范围(<6公里)。结果有望反映其他地点的环境噪声特征。

2.1.2.前喷发和共喷发地震活动

2010年危机期间默拉皮火山的地震活动表明,此前在默拉皮确定的所有类型的事件[23]在2010年的活动中表现为:火山构造(VT)事件、低频事件(LF)、地震、“多相”事件(MP)、“古格兰”=岩石坠落(RF)和甚长周期事件(VLP)。地震活动增加的早期迹象包括2009年10月31日、2009年12月6日和2010年6月10日发生的四次火山构造(VT)事件。从2010年9月20日到2010年10月26日首次爆发期间,所有监测参数都显著增加,包括地震活动性[24].2010年10月,与大厦剪切破裂相对应的火山构造(VT)事件和与岩浆运动相对应的多相事件(MP,又称“混合”事件)数量呈指数增长。除了VT和MP事件的急剧增加外,岩崩(RF)的数量和强度也在爆发前加剧。10月1日至18日,各高峰站共录得200多个甚长周期(VLP)信号,各宽频站均录得较大的甚长周期(VLP)事件。

一次爆发性喷发开始于10月26日协调世界时10:02,结束于协调世界时午夜~午夜。10月26-28日出现了一段相对平静的时期,随后在10月29日(协调世界时17:10-19:00)、10月31日(协调世界时7:30和8:15)和11月1日(协调世界时3:00)出现了较小的爆发性喷发。10月29日至11月3日,共发生150余次大低频事件(主频~ 2hz)。11月3-4日,随着一系列的爆炸,喷发强度再次增加。11月3日早些时候,由于地震强度的增加,近距离地震台站的数据变得饱和(>0.025 mm/s)。11月4日,震感再次增强,距离火山10-20公里处的麦卡利地震强度为2-3级。所有四个近端实时地震台站完全饱和(>0.025 mm/s)。在高潮爆发时(11月4日~17:01 UTC),远端伊莫吉里站的地震振幅比11月3日爆发时的信号大5倍。在11月4-5日夜间(当地时间)的间歇和有时持续的爆发性喷发,包括高潮喷发。

11月6日,随着爆炸活动的减少,地震振幅缓慢下降。随后,11月7-8日,RSAM再次上升,并在相对较高的水平持续了2天,这促使CVGHM迅速重建了部分在11月5日的高峰喷发中严重受损的地震监测系统。由于危险,在距离峰顶10公里的地方临时设置了新的监测站。被摧毁的车站(PUS, DEL和KLA)在喷发结束后重建。11月8日以后,地震活动(主要是震颤和一些可能与大规模爆发后的应力调整有关的火山-构造事件)开始逐渐减弱。

2.2.方法
2.2.1.排列熵

排列熵(Permutation entropy, PE)是衡量时间序列动态复杂性的一种统计工具[10].当系统完全混沌时,PE为最大值;当系统的阶数随机上升时,PE为最小值;11].PE计算对时间序列进行编码 化为一个符号,它反映的是顺序的先后 在长度序列中 25,26].PE的定义如下。

可能的排列模式的数量为 表示符号序列的可能模式的相对频率,称为排列。 通常是归一化产生一个值之间 标准化的公分母是 27].归一化后的排列熵方法的一个例子( 写成式(2).

处理可能由低数字化或过采样造成的时间序列中的相等值的常见方法是延长所考虑序列的值之间的时间间隔 以及步长 通过 而且 ,分别。这个词 利用时延嵌入从相空间重构可知在哪里 时间是延迟的吗 是嵌入维度。

2.2.2.功率谱密度。

功率谱密度(PSD)或 是自相关函数的傅里叶变换吗 >,如式(3.)[14].

< >符号表示时间的平均值 这取决于 是位移( ),速度( ),或加速度( 记录。 是以m为单位的2/ Hz,(米/秒)2/ Hz,或者(m / s22/赫兹 , ,而且 功率谱密度也可以以dB为单位表示,如加速度的功率谱密度如式(4).

在PSD计算中,将特定段持续时间的地震数据划分为多个子段。例如,持续时间为1小时、采样频率为40 Hz的地震数据可分为13个子段。然后计算每个子段的PSD [28].PSD可以显示在多个频段的时间序列。

2.2.3.数据处理

处理从数据修正和条件反射开始。数据修正包括消除DC偏移的趋势过程和将数据从最初的每日格式转换为每月格式的合并过程。数据调节包括降采样过程,将数据采样数量从每秒100个样本更改为每秒20个样本,导致频率分辨率在5 Hz以上下降。对于我们的研究,我们选择10分钟窗长,嵌入维度 ,和时间延迟 这些参数是根据1996年Gjálp火山喷发的动力复杂性研究改编的[11].然后继续进行处理,计算排列熵和功率谱密度的时间变化。我们还计算了移动标准差(MOVSTD, 的PE值,以便进一步分析。9月7日至11月11日的时间范围被认为是合适的,因为它涵盖了火山爆发前后的时期,没有数据差距。对于PSD(时域和频域)的处理,我们使用ObsPy [29],基于python的地震学数据分析平台,MATLAB 2018。使用MATLAB进行排列熵的计算,其代码与处理冰岛数据时所用的代码相同[11].

3.结果

图中显示了PUS、DEL和PLA站的PE和PSD的时间变化3..正如初步研究所述,在2010年默拉皮火山爆发之前,信号随机性并没有显著降低[30.].PE的变化范围在0.9 ~ 1之间,这意味着爆发前和危机时期的事件特征趋于混乱。PSD在低频(0.13 ~ 0.28 Hz、0.36 ~ 0.7 Hz)的波动与高频(0.71 ~ 1.43 Hz、3.4 ~ 6.8 Hz)的波动基本一致。10月10日(UTC时间)2日26日和11月17日(UTC时间)4日(UTC时间)01日发生的两次首次喷发分别对应于两个PSD最高峰值,均在低频段和高频段。低频PSD的波动在DEL站更为明显。这些波动表明,PUS站比其他站更接近峰顶,记录了更多的高频事件。从PSD振幅来看,频率范围为3.4-6.8 Hz的事件似乎具有最主要的强度。

数字4显示了更详细的时间变化的PE为PUS站。10月26日首次爆发时,PE趋于增加。移动标准差(MOVSTD, 相对PE值,在火山爆发前4 d均呈下降趋势。减小表明信号在时间范围内的随机性在最大值时是稳定的。第一次爆发后,PE值逐渐恢复到最初的波动模式。对距离峰顶较远的DEL站和PLA站的PE参数进行了移动标准差的计算。数字5为三个短周期台站(PUS, DEL, PLA)的标准差比较。DEL站和PLA站的标准差也有减小的趋势,但减小的趋势不如PUS站明显。

我们正在使用相同的技术来计算记录1996年Gjálp火山喷发的HOT14和HOT23宽频台的地震数据的PSD的时间变化。两个台站都配备了宽带地震仪Güralp CMG-3ESP/30s。我们使用网上BREQ_FAST申请表格向“综合注册资讯系统”索取由1996年7月31日至1996年10月11日期间的三个组成部分的数据。PSD在低频波段(0.13 ~ 0.28 Hz、0.36 ~ 0.70 Hz)和高频波段(0.71 ~ 1.43 Hz、3.4 ~ 6.80 Hz)的波动可以明显区分(图2)6).在Mw ~5.6地震发生前8天或冰下喷发开始前10天,高频段PSD下降,低频段PSD增加,PE值明显下降。地震发生后,高频波段的PSD值开始增大。高频带PSD值的增加可能与Gjálp火山爆发的危机期有关。低频率事件(0.13 ~ 0.28 Hz)在火山动荡期占优势。根据HOT14和HOT23站的PE值计算移动标准差的结果见图7.从结果中可以看出喷发前标准差的减小。与2010年默拉皮火山喷发不同的是,Mw ~5.6地震前8天左右信号的随机性稳定在较低的值。必威2490

我们使用短周期地震计(Mark L-22/2 Hz和Mark L-4C/1 Hz)的数据主要是由于数据的可用性。1996年的Gjálp火山喷发研究[11]使用的数据来自Güralp CMG-3/30s宽带地震仪。默拉皮使用的宽频带地震仪(Güralp CMG-40T/30s)的频率响应与冰岛监测使用的地震仪几乎相同。四种地震仪频率响应的比较如图所示8.与宽频地震仪相比,这两种短周期地震仪在响应低频事件方面都有局限性。短周期地震检波器会在一定的振幅范围内减弱低频带(<1赫兹)的信号分量。相比之下,Güralp CMG-3ESP和Güralp CMG-40T地震检波器仍然可以对频率高达0.03 Hz的信号组件做出良好的响应。数字9显示了1996年Gjálp火山爆发前冰岛和2010年默拉皮火山爆发前的背景地震噪声的对比。在这次比较中,我们使用了两个宽频台(LBH和PAS)在6月的数据来计算默拉皮的背景地震噪声。总的来说,默拉皮侧翼的区域比冰岛区域的噪音更大。

数字10对比了2010年默拉皮火山喷发过程中RSAM、PSD时间变化和火山构造(VT) A+B、多相(MP)、低频(LF)和岩崩(RF)事件日事件数的计算结果。RSAM结果和每日事件观察采用BPPTKG [2].与RSAM计算相比,PSD计算似乎更能显示火山活动的波动,主要与VT、MP和RF事件的数量有关。

4.讨论

默拉皮地震活动的特点是各种各样的事件对应不同的震源位置和物理过程[7].2010年危机期间默拉皮火山的地震活动表明,此前在默拉皮确定的所有类型的事件[23].伴随火山爆发的事件数量多且强度大,包括VT、MP、震颤发作,以及LF和VLP事件。从2010年9月20日至2010年10月26日首次爆发期间,地震活动性显著增加[24].与大厦剪切破裂相对应的火山构造事件(VT)和与岩浆运动相对应的多相事件(MP,又称“混合”事件)数量呈指数增长。除了VT和MP事件的急剧增加外,岩崩(RF)的数量和强度也在爆发前加剧。10月1日至18日,各高峰站共录得200多个甚长周期(VLP)信号,各宽频站均录得较大的甚长周期(VLP)事件。这些地震数据表明大量的岩浆和流体的运移。火山构造(VT)事件、火山震动和地表过程,如火山碎屑流、火山泥流(火山碎屑流)和岩崩(RF),与高频含量(>1 Hz) [13].

PSD在多个频带的时间变化可以描述2010年默拉皮火山爆发事件的强度。据估计,与高频含量(VT、MP和RF)相关的事件占主导地位是PE值趋于高(>0.9)的原因。在10月26日第一次喷发之前的四天里,PE稳定在最高值。这种增长预计与导致第一次喷发开始的指数增长有关。PAS站的PSD值波动较好地说明了与高频内容有关的事件的现实情况,因为其位置靠近默拉皮山顶。PSD计算还可以提供在初始爆发阶段(10月26日至11月1日)和岩浆阶段(11月1日至11月7日)发生事件的强度概况[1].

在1996年Gjálp火山喷发研究中极化分析的结果确定,非常长的震动周期(<1 Hz)并不是信号随机性显著降低的原因[31].这种减少极有可能是上地幔穹隆引起的强烈压力地壳导致散射减少的结果。随着地壳非均质性的改变,CF与DF重合,高频散射减弱。因此,对于任何给定的火山状态,环境噪声的PE变化估计可能局限于经历强烈压力的地区,这改变了地壳的散射特性。监测和岩石学数据显示,2010年的火山喷发是由5到30公里深处的岩浆快速上升提供的。岩浆以不同的气体含量到达地表,导致交替爆发和快速喷出,共释放~0.44Tg的SO2 [1].这也可能是火山爆发前PE没有显著下降的另一个原因。

某一地区的背景地震噪声也会影响本征值的计算结果。自然震源和人为震源(也称为文化噪声)产生的环境地震噪声在频率含量上是不同的。这一差异使得自然震源(频率相对较低)可区分为环境地震噪声(微震),人为震源(频率相对较高)可区分为微震[32].环境地震噪声和微震可重叠,导致地震噪声信号受到文化活动的高度污染。文化噪声(>1 Hz)是处理默拉皮周围地震噪声时需要考虑的一个因素,因为周围人口密度很大。这种情况与冰岛的情况不同。由于冰岛中部地区(包括Vatnajokull冰川)无人居住,预计该地区文化噪声源的贡献几乎为零[11].PE在Bárðarbunga地震发生前8.57天和喷发前10.76天捕捉到了噪声波场(位于120公里外的观测站)的随机性变化[31].

影响地震强度计算结果的一些外部因素是地震仪的类型和数据的完整性。与宽频地震仪相比,短周期地震仪对低频事件的响应有局限性。短周期地震检波器会在一定的振幅范围内减弱低频带(<1赫兹)的信号分量。当火山不稳定期以低频事件为主时,反映系统随机性的PE计算结果可能不会显著下降。数据可用性和最小数据差距也会对计算产生影响。大量的数据空白常常成为编程中的一个问题。

与冰岛火山喷发相关的地震现象类型不像默拉皮火山那样多。其中一些事件是低频率事件、混合频率事件和火山震颤[33].这次地震被解释为岩浆从深源迁移到Bárdarbunga火山下面的浅岩浆室的证据。冰岛火山系统可能的喷发机制也不同于默拉皮火山的喷发机制。在破火山口下的环形断层上发生地震的可能机制是由较深来源注入的岩浆引起的浅层岩浆房的膨胀。浅腔经受更高的压力,导致腔室下岩石的应力增加,最终可能会沿着环形断层开始破裂[34].具有低频内容的事件似乎在1996年Gjálp火山爆发中占主导地位。

5.结论

据估计,2010年默拉皮火山喷发时发生的大量且强度大的事件是导致PE值趋于高的原因。据估计,在10月26日第一次喷发之前的4天内,最高PE值保持稳定,这与所有类型事件的指数增长有关。PSD的时间变化可以描述火山喷发前事件的强度和高频含量相关事件的主导地位。岩浆的快速上升也可能是火山喷发前信号随机性没有显著降低的另一个原因,因为上地幔穹丘形成的强压地壳尚未主导体系,地壳非均质性没有改变,高频散射也没有减少。在处理默拉皮的环境地震噪声时,由于周围人口的密度,文化噪声的贡献是一个需要考虑的因素。影响地震强度计算结果的一些外部因素是地震仪的类型和数据的完整性。地震能谱计算作为一种分析方法,可以考虑地震现象的类型和与以往喷发有关的可能机制。

数据可用性

这些数据由印度尼西亚万隆火山和地质灾害中心保存。

的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

作者的贡献

A.R.写了初稿准备;a.r.、a.b.s.和W.S.负责评论和编辑;W., A.B.S.和H.H.概念化;w负责监督。

致谢

感谢印尼研究技术部国家研究与创新局向A.R.提供博士奖学金。感谢日惹Balai Penyelidikan dan pengbangan Teknologi kebenencanan Geologi (BPPTKG)提供研究所需的数据。我们感谢Kirbani S.B.教授(Rahimahullah)的许多有益的讨论和建议。我们很感激莫奇。Nukman也阅读了稿件,他的评论和建议对我们的论文有很大的帮助。特别感谢Ade Anggraini和Kuwat Triayana进行了富有成果的讨论。我们感谢Gadjah马达大学物理系的工作人员对我们的支持。通过Hibah Dosen Fisika UGM物理系。

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