Implementierung und Bewertung einer auf statistischen Momenten basierenden Methode zur automatischen Bestimmung der Einsatzzeiten von P- und S-Phasen
2021Konferenzbeitrag
Deutsch
Kühne, Niklas; Hellwig, Olaf; Buske, Stefan, 2021: Implementierung und Bewertung einer auf statistischen Momenten basierenden Methode zur automatischen Bestimmung der Einsatzzeiten von P- und S-Phasen. DOI: 10.23689/fidgeo-3961.
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Für die automatische Detektion von Erdbebenphasen in seismologischen Daten haben sich STA/LTA-Picker
bewährt. In dieser Arbeit stellen wir einen alternativen Ansatz vor, der die statistischen Eigenschaften des
aufgezeichneten Signals nutzt. Dafür wird die Verteilungsfunktion der gemessenen Amplituden in einem
gleitenden Zeitfenster über zentrale Momente beschrieben. Insbesondere das zentrale Moment 4. Ordnung,
die Wölbung oder Kurtosis, ist sensitiv gegenüber Abweichungen von der Normalverteilung. Da die Kurtosis
zunimmt, sobald das Zeitfenster den Beginn einer Erdbebenphase beinhaltet, scheint sie für die Detektion
von seismischen Signalen geeignet zu sein. In Kombination mit einer Polarisationsanalyse lassen sich die
getriggerten Ereignisse automatisch den Einsätzen von P- und S-Wellen zuordnen. Der Polarisationsanalyse
liegt ein Optimierungsproblem zugrunde, das aus der Dreikomponentenaufzeichnung der Verschiebung für
ein gegebenes Zeitfenster die Richtung einer linear polarisierten Welle ermittelt, die das
Verschiebungssignal am besten erklärt. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass eine eintreffende
Welle am Beobachtungsort relativ steil auftaucht. Entsprechend wird ein Winkel des Verschiebungsvektors
gegenüber der Vertikalen zwischen 0° und 45° als P-Welle und ein Winkel zwischen 45° und 90° als S-Welle
gedeutet.
Der konventionelle STA/LTA-Picker und der Kurtosis-Picker wurden zusammen mit der Polarisationsanalyse
hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit bei der Detektion und Zuordnung von Erdbebenphasen getestet. Als
Vergleichsdatensatz diente die manuelle Auswertung des seismologischen Observatoriums der TU
Bergakademie Freiberg in Berggießhübel mit der Registrierung an der zugehörigen Regionalnetzstation
BRG.
In den untersuchten Fällen lassen sich mit dem Kurtosis-Picker mehr Einsätze als mit dem STA/LTA-Picker
automatisch detektieren. Der Vergleich der Triggerzeiten mit der manuellen Auswertung zeigt, dass beide
Trigger die Ereignisse später als ihre manuell bestimmte Einsatzzeit erkennen. Tendenziell liegen die
Triggerzeiten des Kurtosis-Pickers aber näher an den manuell bestimmten Einsatzzeiten. Die Zuordnung der
detektierten Einsätze zu P- und S-Phasen funktioniert für teleseismische Ereignisse zuverlässig. Dagegen
scheint die Zuordnung für Krustenphasen von Nahbeben und Steinbruchsprengungen nicht immer perfekt zu
funktionieren.