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基于无监督机器学习的噪声信号聚类分析——以郯庐断裂带潍坊段短周期密集台阵观测为例

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地球物理学报 2022年第7期65卷 2573-2594页

作者：杨勇刚钮凤林中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院北京102249 莱斯大学地球科学学院美国休斯敦77005

非构造活动震源所引起的地面震动通常被看成是地震记录中的噪声信号,此类噪声与微震或非火山震颤等弱构造活动信号往往在时间域或频率域都难以区分,从而会影响利用常规方法对弱构造活动信号的识别与检测.即使利用最新的机器学习方法对... 详细信息

非构造活动震源所引起的地面震动通常被看成是地震记录中的噪声信号,此类噪声与微震或非火山震颤等弱构造活动信号往往在时间域或频率域都难以区分,从而会影响利用常规方法对弱构造活动信号的识别与检测.即使利用最新的机器学习方法对微地震信号检测,若缺乏对噪声信号特性的了解,也会对监督模型的训练产生不利的影响.因此,有必要剖析地震噪声信号,理解其特征属性,以及背后可能的物理震源.本研究中,我们利用一个布设于华北东部地区的短周期密集观测台阵,使用K-means算法聚类分析不同类型的地震噪声信号.分析表明密集台阵可以观测到6类噪声信号,噪声来源包括轨道交通、风和附近的电力输送线.

关键词：机器学习地震噪声聚类密集地震台阵郯庐断裂

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基于重复地震研究川滇地区主要断裂带的深部变形

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地球物理学报 2021年第12期64卷 4308-4326页

作者：李乐陈棋福钮凤林中国地震局地震预测研究所北京100036 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院油气资源与探测国家重点实验室北京102249 Department of Earth Environmental and Planetary SciencesRice UniversityHoustonTX 77005USA

发生在同一断层部位上0.5~4.0级的重复地震(也称重复微震)是研究断裂带深部变形的天然(有力)工具.本文系统汇集了川滇地区主要断裂带识别出的76组重复地震研究结果,构建了川滇地区重复地震的时空分布图像和断裂带深部变形时空演化特征,... 详细信息

发生在同一断层部位上0.5~4.0级的重复地震(也称重复微震)是研究断裂带深部变形的天然(有力)工具.本文系统汇集了川滇地区主要断裂带识别出的76组重复地震研究结果,构建了川滇地区重复地震的时空分布图像和断裂带深部变形时空演化特征,结果表明:丽江—宁蒗断裂带在脆韧转换带约23 km深处的滑动速率为4.3~5.4 mm·a^(-1),小江断裂带3.0~12.3 km深处的滑动速率为1.6~10.1 mm·a^(-1),红河断裂带北段在6.0~13.4 km深处的滑动速率为2.3~10.0 mm·a^(-1),鲜水河断裂带南段3.0~18.7 km深处的滑动速率为3.0~10.2 mm·a^(-1),龙门山断裂带在4.0~17.3 km的汶川8.0级地震孕育深处的滑动速率为3.5~9.6 mm·a^(-1),龙门山断裂带南端3.6~18.7 km处滑动速率为5.8~10.2 mm·a^(-1).综合分析认为:川滇地区主要边界断裂带的深部滑动速率较为一致,揭示了川滇地块和巴颜喀拉地块整体协同变形的特征.由重复微震与深部滑动速率变化构建了孕震深处的变形模式,即重复微震与断裂带局部闭锁段在空间位置上存在密切的关联性,强震前孕震闭锁区存在明显的深浅部构造形变差异,震前存在的深部加速变形过程可能是断层亚失稳阶段的具体表征.

关键词：川滇地区重复地震复发间隔深部滑动速率凹凸体

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基于逆散射成像条件的最小二乘逆时偏移

地球物理学报 2018年第9期61卷 3770-3782页

作者：方修政钮凤林吴迪油气资源与探测国家重点实验室中国石油大学(北京)北京102249

最小二乘逆时偏移(LSRTM)相对于常规逆时偏移(RTM)具有分辨率更高、振幅更准确、噪音更少等优势,可以对复杂的地质构造进行有效的成像.这种迭代更新反演成像方法十分依赖目标函数的梯度质量和计算效率.当地质模型中存在强反射界面或者... 详细信息

最小二乘逆时偏移(LSRTM)相对于常规逆时偏移(RTM)具有分辨率更高、振幅更准确、噪音更少等优势,可以对复杂的地质构造进行有效的成像.这种迭代更新反演成像方法十分依赖目标函数的梯度质量和计算效率.当地质模型中存在强反射界面或者记录中存在折射波时,基于常规互相关成像条件(CCC)的最小二乘逆时偏移梯度会包含很强的低频噪音,从而使反演的收敛速度和成像质量降低.为此,本文在最小二乘逆时偏移的梯度中引进了逆散射成像条件来压制这种低频噪音,并以此提出基于逆散射成像条件(ISC)的最小二乘逆时偏移方法.数值模拟结果表明,两者计算耗时基本一致,但逆散射成像条件能高效压制梯度中的低频噪音,从而使反演过程中收敛加速,成像质量得到显著提高.

关键词：最小二乘逆时偏移互相关成像条件逆散射成像条件低频噪音目标泛函梯度

基于程函方程与三维速度模型的中国东北地区地幔过渡带接收函数研究

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地球物理学报 2022年第8期65卷 2945-2959页

作者：张炎钮凤林宁杰远北京大学地球与空间科学学院北京100871 美国莱斯大学地球、环境与行星科学系休斯顿770053 中国石油大学石油资源与勘探国家重点实验室和非常规天然气研究所北京102249 河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站北京100871

本文利用中国东北地区NECESSArray记录到的45505条接收函数,结合该区域最新三维速度模型,采用快速行进法求解程函方程,计算了P-S转换波相对走时,并通过共转换点叠加成像方法获得了该地区下方地幔间断面起伏情况.结果显示,在长白山—五... 详细信息

本文利用中国东北地区NECESSArray记录到的45505条接收函数,结合该区域最新三维速度模型,采用快速行进法求解程函方程,计算了P-S转换波相对走时,并通过共转换点叠加成像方法获得了该地区下方地幔间断面起伏情况.结果显示,在长白山—五大连池连线一带东西约300 km,南北约900 km的狭长形区域内,660-km间断面下陷幅度达20~40 km.其结构可细分为南北两部分,南部更为狭窄且与日本海沟走向一致,对应于从日本海沟俯冲的太平洋板块在地幔过渡带的滞留区;北部对应于从千岛海沟俯冲的太平洋板块在地幔过渡带的滞留区.同时,在长白山西部,存在与长白山—五大连池下陷区形状类似的南北向狭长形抬升区,660-km间断面抬升幅度约为10 km,显示俯冲太平洋板块只延伸至松辽盆地东侧;而在盆地西侧,660-km间断面的下陷区可能与该地区岩石圈拆沉有关.同时,410-km间断面在松辽盆地—渤海一带,以及长白山火山西南和东北方向存在明显的下陷区;另外,在阿巴嘎及阿尔山也有小范围的下陷区.所有这些下陷区,均与地表新生代火山活动区/拉伸区有很好的对应关系,表明这些地表构造与深部热物质上涌有关.

关键词：中国东北接收函数地幔过渡带新生代火山俯冲带

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利用远震地震波形畸变现象探测地幔低速体

地球物理学报 2017年第10期60卷 3753-3764页

作者：唐有彩陶开钮凤林中国石油大学(北京)非常规天然气研究院北京102249 Department of Earth Science MS-126Rice University

地幔低速异常体的精确探测对于研究热点/地幔柱的成因至关重要.但是,由于观测手段以及波前愈合现象的影响,远震走时层析成像在探测地球深部的低速异常体时具有极大的限制.因此,越来越多的学者利用地震波穿过低速体后产生的绕射波和直达... 详细信息

地幔低速异常体的精确探测对于研究热点/地幔柱的成因至关重要.但是,由于观测手段以及波前愈合现象的影响,远震走时层析成像在探测地球深部的低速异常体时具有极大的限制.因此,越来越多的学者利用地震波穿过低速体后产生的绕射波和直达波.干涉造成的波形畸变信息来研究地幔低速体.本文通过三维地震数值模拟来拟合长白山、黄石公园地区宽频地震记录,分析绕射波和直达波相互干扰造成的波形畸变现象.模拟结果显示,绕射波/波形畸变对于探测地幔深处的低速体具有较高分辨率;目前常用的基于互相关测量的有限频层析成像方法对于深部低速体速度异常低估现象明显.如果将有限频层析成像结果在深部的速度异常值放大到原来的2倍,数值模拟可以很好的拟合观测到的地震波形畸变现象.通过对长白山地区、黄石公园地区记录的地震波形畸变现象的拟合,我们进一步确认了长白山、黄石地区下方分别在400~600 km、700~1000 km处存在地幔低速体,并对低速体速度异常值进行了矫正.

关键词：波前愈合地幔低速体波形畸变长白山黄石

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日本9级超强地震，出乎意料？

科学 2011年第4期63卷 33-35页

作者：钮凤林美国莱斯大学地球科学系

2011年3月11日下午2时46分。日本东北地区沿海发生了该国历史上有记录以来最强的一次地震。地震破裂始于仙台正东约130公里的海域，先是由南向北．然后由北往南，横扫了包括宫城县、岩手县、福岛县、茨城县、千叶县的东北和关东地区沿... 详细信息

2011年3月11日下午2时46分。日本东北地区沿海发生了该国历史上有记录以来最强的一次地震。地震破裂始于仙台正东约130公里的海域，先是由南向北．然后由北往南，横扫了包括宫城县、岩手县、福岛县、茨城县、千叶县的东北和关东地区沿海海域。整个破裂持续了150多秒，形成了长400多公里、宽100多公里的巨大断层。

关键词：日本超强地震地震活动性板块

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二阶声波方程非分裂式CPML实施新方法

中国科学：地球科学 2021年第8期51卷 1341-1354页

作者：方修政钮凤林中国石油大学石油油气资源与勘探国家重点实验室和非常规油气科学技术研究院北京102249 Department of Earth Environmental and Planetary SciencesRice UniversityHoustonTexas 77005USA

完全匹配层(PML)是处理波动方程数值模拟中模型边界反射问题的常用方法,在时间域有限差分(FD)波场数值模拟中得到了广泛的应用.早期的PML技术存在对于近切入射和低频反射吸收效果较差的问题,由此产生了复频移PML(CFS-PML)模型边界反射... 详细信息

完全匹配层(PML)是处理波动方程数值模拟中模型边界反射问题的常用方法,在时间域有限差分(FD)波场数值模拟中得到了广泛的应用.早期的PML技术存在对于近切入射和低频反射吸收效果较差的问题,由此产生了复频移PML(CFS-PML)模型边界反射压制法,其中基于递归卷积技术的复频移PML(CPML),由于其算法在时间域的高效性,被广泛应用于时间域一阶方程的数值模拟.一阶波动方程CPML边界条件是非常成熟的方法,但是二阶方程, CPML方法还需要进一步发展研究.目前,二阶方程的CPML处理方法需要引入辅助方程或者辅助变量,导致计算量增加,从而对数值模拟效率产生一定的影响.本文提出了一种分区域两步法CPML实施策略,简称为TS-CPML. TS-CPML通过对二阶CPML控制方程进行两步有限差分进行数值模拟,从而避免计算引入辅助变量的新二阶偏微分方程或其他辅助方程,具有计算效率高、编程易于实现等特点.我们将该方法应用于二阶声波方程和TTI介质二阶拟声波方程组,数值模拟显示,在相同参数下,由模型边界产生的反射波振幅约为传统二阶方程CPML方法的50%以上,验证了TSCMPL技术的优越性.

关键词： PML CPML 边界条件有限差分方法二阶波动方程波场数值模拟

地震台阵对2010M8．8智利地震破裂过程的直接成像

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地球物理学报 2010年第7期53卷 1605-1610页

作者：刘宁钮凤林陈棋福陈颙中国地震局地球物理研究所北京100081 中国地震局地震预测研究所北京100036 Rice University Houston TX 77005USA

对2010年2月27日智利近海发生的M8.8级巨震,本文反向投影美国地震台网宽频带台站记录到的远震P波辐射能量,得到地震破裂前缘随时间的变化关系.图像表明,智利.M8.8级强震破裂过程是一次不均匀的双向破裂过程,整个破裂过程持续了近150 s,... 详细信息

对2010年2月27日智利近海发生的M8.8级巨震,本文反向投影美国地震台网宽频带台站记录到的远震P波辐射能量,得到地震破裂前缘随时间的变化关系.图像表明,智利.M8.8级强震破裂过程是一次不均匀的双向破裂过程,整个破裂过程持续了近150 s,破裂尺度跨越震中南端80 km,北北东向上近200 km.

关键词： 2010 M8.8智利地震反向投影法破裂过程震源辐射能量

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鲜水河断裂带南段深部变形的重复地震研究

地球物理学报 2015年第11期58卷 4138-4148页

作者：李乐陈棋福钮凤林苏金蓉中国地震局地震预测研究所(地震预测重点实验室) 北京100036 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249 Department of Earth Science Rice University Houston TX 77005 USA 四川省地震局成都610041

利用2000—2013年四川数字地震台网和水库台网的波形资料以及川西流动台阵的事件波形,通过辨识发生在同一断层位置上的重复地震来定量研究鲜水河断裂带南段的深部变形.针对研究区台站分布稀疏的客观情况,应用了子采样条件下基于S-P相对... 详细信息

利用2000—2013年四川数字地震台网和水库台网的波形资料以及川西流动台阵的事件波形,通过辨识发生在同一断层位置上的重复地震来定量研究鲜水河断裂带南段的深部变形.针对研究区台站分布稀疏的客观情况,应用了子采样条件下基于S-P相对到时差来约束震源位置一致性的方法,在鲜水河断裂带识别出11组重复地震,并利用连续波形资料进行了重复地震完整性的初步测试,同时运用结合波形互相关资料的双差法来完成研究区背景地震和重复地震位置的精确定位.重新定位后的地震图像展示研究区中上地壳存在明显缺震层,其与壳内的低速低阻层相吻合.利用重复地震的地震矩和重复间隔,估算出鲜水河断裂带南段孕震深部的滑动速率为3.0~10.2mm·a^-1,显示研究区不同地震构造区的深部滑动速率存在明显差异.

关键词：鲜水河断裂南段重复地震深部滑动速率地震定位