Preliminary detection of seismic signal arrival by polarization feature

Abstract

Мета досліджень – розроблення методологічних засад попереднього виявлення вступу сейсмічного сигналу, зареєстрованого трикомпонентною сейсмічною станцією (ТКСС), з урахуванням поляризаційних властивостей фонової та сигнальної складових. Методика. Реєстрацію сейсмічних сигналів здійснено за допомогою ТКСС GURALP CMG мережі сейсмічних спостережень Головного центру спеціального контролю (ГЦСК) Державного космічного агентства (ДКА) України. Результати. Основною відмінністю сигнальної складової трикомпонентного сейсмічного запису від фону є поляризаційні властивості, урахування яких дає змогу виявляти сейсмічні сигнали та визначати їх складові. Відомі підходи щодо поляризаційного аналізу трикомпонентного сейсмічного запису потребують значних обчислювальних затрат та, як правило, застосовуються для опрацювання та аналізу сейсмічного запису за контуром реального часу. У роботі запропоновано підхід, який дає змогу оцінювати ступінь лінійності прийнятої реалізації та визначати кути надходження сейсмічної хвилі, що особливо важливо для вирішення завдань моніторингу потенційних джерел надзвичайних подій (потенційно небезпечних об’єктів та сейсмоактивних районів) і який можна використовувати у контурі реального часу. Наукова новизна. Врахування поляризаційних властивостей, на відміну від амплітудних критеріїв виявлення, дає змогу виявляти сигнали із меншим відношенням сигнал / шум, тим самим підвищуючи магнітудну чутливість ТКСС. Застосування поляризаційного аналізу для виявлення сейсмічного сигналу дає змогу, окрім виявлення, отримувати додаткові відомості про параметри складових сейсмічного сигналу (азимут та кут виходу на денну поверхню), які можна використовувати для ідентифікації складових сейсмічного сигналу та визначення місцеположення джерела сейсмічної події відносно пункту спостереження (ПС). Практична значущість. Запропоновано підхід, який дає змогу підвищити магнітудну чутливість ПС та мережі спостережень загалом. Завдяки відносній простоті реалізації запропонований підхід можна застосовувати у режимі реального часу. Визначення кутових характеристик надходження сейсмічної хвилі дає змогу застосовувати запропонований підхід у контурі безперервного моніторингу потенційних джерел надзвичайних подій.

Research is aimed at developing methodological principles for preliminary detection of the seismic signal arrival registered by a three-component seismic station (TCSS), taking into account polarization properties of background and signal components. Methods. Seismic signals were recorded using the GURALP CMG seismic observation network of the Main Special Control Center (MSCC) of the State Space Agency (SSA) of Ukraine. Result. The main difference between a signal component of a three-component seismic record and a background is polarization properties. Considering these characteristics makes it possible to detect seismic signals and determine their components. Traditional methods for analyzing polarization in a three-component seismic record often involve significant computational effort and are typically employed for processing and analyzing seismic data in real time. In this study, we propose a new approach that evaluates the linearity of the implemented methods and determines the angles of seismic wave arrivals. This is particularly crucial for monitoring potential emergency sources, such as hazardous objects and seismically active areas. Our method can also be applied in real-time scenarios. Scientific novelty. Considering the properties of polarization, as opposed to relying solely on amplitude detection criteria, enables the detection of signals with a lower signal-to-noise ratio. This increases the sensitivity of the Transient Coherent Seismic Source (TCSS) to magnitudes. By utilizing polarization analysis in seismic signal detection, we not only enhance detection capabilities but also gain additional information about the parameters of seismic signal components, such as their azimuth and angle of arrival at the surface. This information can be instrumental in identifying the seismic signal components and determining the location of the seismic event source in relation to the observation point (OP). Significance of research. This approach makes it possible to increase the magnitude sensitivity of OP and the observation system as a whole. The relative simplicity of implementation makes it possible to apply it in real time. Determining angular characteristics of seismic wave arrival allows applying the proposed approach in a continuous monitoring loop for potential emergency sources.