RU2459220C1 - Microseismic zoning method - Google Patents
Microseismic zoning method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2459220C1 RU2459220C1 RU2011126767/28A RU2011126767A RU2459220C1 RU 2459220 C1 RU2459220 C1 RU 2459220C1 RU 2011126767/28 A RU2011126767/28 A RU 2011126767/28A RU 2011126767 A RU2011126767 A RU 2011126767A RU 2459220 C1 RU2459220 C1 RU 2459220C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- seismic
- measurements
- points
- seismic vibrations
- vibrations
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области инструментальных сейсмических исследований при сейсмическом микрорайонировании территорий гражданского и промышленного строительства.The invention relates to the field of instrumental seismic research in seismic micro-zoning of territories of civil and industrial construction.
Задачей данного изобретения является повышение достоверности оценки сейсмической опасности за счет учета влияния латеральной неоднородности скального основания и более глубоких горизонтов геологического разреза, а также определения потенциального ущерба для объектов хозяйственной деятельности, находящихся в зоне сейсмической активности.The objective of the invention is to increase the reliability of seismic hazard assessment by taking into account the influence of lateral heterogeneity of the rock base and deeper horizons of the geological section, as well as determining potential damage to objects of economic activity located in the seismic activity zone.
Известен способ сейсмического микрорайонирования (патент RU №1251694 [1]), который реализуется следующим образом.A known method of seismic microzoning (patent RU No. 1251694 [1]), which is implemented as follows.
На площади, подлежащей сейсмическому микрорайонированию, проводят инженерно-геологическое картирование и выделяют участки с различными инженерно-геологическими условиями. Размещают исследуемые и опорные пункты наблюдений, оборудованные аппаратурой трехконтактной сейсмологической регистрации, равномерно по всей исследуемой площади. Проводят наблюдения и определяют варианты динамических параметров колебаний для различных частот заданного частотного диапазона исследований из различных очаговых зон, по секторам, не превышающим 30°. По результатам измерений устанавливают диапазон количественно значимых (например, J>0,5 балла) высокочастотных вариаций динамических параметров. В соответствии с полученными данными для всех выбранных направлений подхода используют данные в наиболее высокочастотном диапазоне fn. С учетом выделенных направлений на потенциально опасные очаговые зоны прокладывают опорные профили и перпендикулярные им, вдоль которых размещают первую группу дополнительных пунктов наблюдений. При этом расстояние между ними выбирают, не превышающее 1/3-1/4 длины волны высокочастотного диапазона исследований.In the area subject to seismic micro-zoning, an engineering-geological mapping is performed and areas with different engineering-geological conditions are identified. The investigated and reference points of observation, equipped with three-contact seismological registration equipment, are placed uniformly throughout the studied area. Observe and determine the options for dynamic oscillation parameters for various frequencies of a given frequency range of studies from different focal zones, for sectors not exceeding 30 °. According to the measurement results, a range of quantitatively significant (for example, J> 0.5 points) high-frequency variations of dynamic parameters is established. In accordance with the data obtained for all selected areas of the approach, data is used in the highest frequency range f n . Taking into account the identified directions to the potentially dangerous focal zones, support profiles are laid and perpendicular to them, along which the first group of additional observation points is placed. At the same time, the distance between them is chosen that does not exceed 1 / 3-1 / 4 of the wavelength of the high-frequency range of studies.
Проводят регистрацию сейсмических колебаний, распространяющихся от землетрясений (взрывов и других источников) из потенциально опасных и других очаговых зон, но вдоль направлений, наиболее близких к направлениям на потенциально опасные очаговые зоны, принимая во внимание, что в общем случае потенциально опасная очаговая зона представляет собой некоторый ограниченный объем геологической среды, расположенный на определенном расстоянии от пунктов наблюдений. По результатам наблюдений сейсмических волн вдоль опорных профилей определяют динамические параметры колебаний и строят графики их вариаций раздельно для различных направлений подхода волн от данной очаговой зоны. Причем вариации динамических параметров определяют относительно наблюдений на опорном пункте, расположенном в инженерно-геологических условиях, принятых за эталонные для данной территории сейсмического микрорайонирования, а также относительно средних значений динамических параметров, определяемых в зависимости от поставленной задачи по некоторой совокупности данных в пределах исследуемой территории или для всей территории микрорайонирования. Проводят пространственную фильтрацию данных вдоль профилей и по полученным графикам определяют периоды высокочастотных количественно значимых пространственных вариаций динамических параметров колебаний (например, более 0,5 балла).Seismic oscillations propagating from earthquakes (explosions and other sources) from potentially dangerous and other focal zones are recorded, but along the directions closest to the directions to potentially dangerous focal zones, taking into account that in the general case a potentially dangerous focal zone is some limited volume of the geological environment, located at a certain distance from the observation points. According to the results of observations of seismic waves along the reference profiles, the dynamic parameters of the oscillations are determined and graphs of their variations are constructed separately for different directions of the approach of the waves from this focal zone. Moreover, the variations of the dynamic parameters are determined relative to the observations at the reference point located in the geotechnical conditions, taken as the reference for the seismic microzoning for the given territory, as well as relative to the average values of the dynamic parameters, determined depending on the task for a certain set of data within the study area or for the whole territory of micro-zoning. Spatial filtering of the data is carried out along the profiles and the periods obtained are used to determine the periods of high-frequency quantitatively significant spatial variations of the dynamic oscillation parameters (for example, more than 0.5 points).
Расстояния между пунктами наблюдений выбирают равными минимальным пространственным периодам количественно значимых вариаций.The distances between the observation points are chosen equal to the minimum spatial periods of quantitatively significant variations.
В соответствии с полученным значением расстояния между пунктами наблюдений на площадке сейсмического микрорайонирования вдоль направлений, параллельных опорному профилю проводят наблюдения.In accordance with the obtained value of the distance between the observation points at the seismic micro-zoning site along the directions parallel to the reference profile, observations are made.
По второму варианту данный способ реализуется следующим образом. В условиях большой латеральной неоднородности геологического разреза периоды пространственных вариаций динамических параметров по площади могут сильно варьировать. В соответствии с этим после определения высокочастотных пространственных вариаций на опорных профилях выбирают расстояние между дополнительными пунктами наблюдений. Вследствие различий во внутреннем строении скального фундамента эти периоды на части территории оказываются отличными от значений на остальной территории.According to the second embodiment, this method is implemented as follows. Under conditions of large lateral heterogeneity of the geological section, the periods of spatial variations in the dynamic parameters over the area can vary greatly. In accordance with this, after determining the high-frequency spatial variations on the reference profiles, the distance between the additional observation points is selected. Due to differences in the internal structure of the rock foundation, these periods in a part of the territory turn out to be different from the values in the rest of the territory.
Выполнение трехкомпонентной регистрации сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей действительно повышает достоверность классификации возможного землетрясения.Performing a three-component registration of seismic oscillations along an orthogonal profile network oriented to potentially dangerous focal zones does increase the reliability of the classification of a possible earthquake.
Однако ввиду того, что в известном способе определение динамических параметров осуществляется путем анализа только наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, то достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности прогноза, возможно только при стабильных во времени колебательных процессов и при отсутствии помех, обусловленных акустическими и гидродинамическими шумами природного и техногенного характера. И если в наземных условиях, с некоторыми допущениями, использование данного способа имеет положительный технический эффект, то в морских условиях для прогноза возможности возникновения цунами он практически не применим ввиду того, что на значительных расстояниях (больших размера очага) невозможно определить характер деформации дна, а существенная волна цунами возникает только при вертикальных или наклонных его движениях. Ложные же тревоги приводят к большим материальным потерям.However, due to the fact that in the known method the determination of dynamic parameters is carried out by analyzing only the most high-frequency seismic vibrations, the achievement of the technical result, which consists in increasing the reliability of the forecast, is possible only with time-stable oscillatory processes and in the absence of interference caused by acoustic and hydrodynamic noise of natural and technogenic in nature. And if in land conditions, with some assumptions, the use of this method has a positive technical effect, then in marine conditions it is practically not applicable to predict the possibility of a tsunami because it is impossible to determine the nature of the bottom deformation at considerable distances (large outbreak size), and A significant tsunami wave occurs only with its vertical or inclined movements. False alarms lead to large material losses.
Задачей заявляемого технического решения является повышение достоверности определения наступления землетрясения.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of determining the occurrence of an earthquake.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе сейсмического микрорайонирования, включающем размещение исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, регистрацию в них сейсмических колебаний от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон, определение динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне исследований, в котором дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, причем расстояние между пунктами наблюдений не превышает 1/3-1/4 длины волны наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, образующих информативные вариации амплитуд, а расстояние между профилями составляет 1/3-1/4 минимального пространственного периода информативных амплитудных вариаций высокочастотного диапазона сейсмических колебаний, в котором в отличие от прототипа, опорные пункты наблюдений также размещают под объектами хозяйственной деятельности, при определении динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных, в заданном частотном диапазоне исследований учитывают распределение координат измерений, при этом высокочастотные сейсмические колебания, образующие информативные вариации амплитуд сейсмических колебаний выделяют по пространственно-временным объемам дискретных измерений путем построения дерева Кейли, при этом автоматически выделяют подбор измерений из всего массива измерений, имеющих минимальную погрешность измерений, по измерениям, имеющих минимальную погрешность измерений устанавливают величину экстремума сейсмического колебания, по которой определяют ущерб от экстремального значения сейсмических колебаний.The problem is solved due to the fact that in the method of seismic microzoning, including the placement of the studied and reference points of observation in areas with different engineering and geological conditions, registration of seismic vibrations from earthquakes from potentially dangerous and other focal zones, determination of the dynamic parameters of seismic vibrations and their variations in each observation point under study relative to the reference ones in a given frequency range of studies, in which additional component registration of seismic vibrations along an orthogonal profile network oriented to potentially dangerous focal zones, the distance between observation points not exceeding 1/3-1 / 4 of the wavelength of the most high-frequency seismic oscillations forming informative amplitude variations, and the distance between profiles is 1/3 1/4 of the minimum spatial period of informative amplitude variations of the high-frequency range of seismic vibrations, in which, unlike the prototype, reference observation points they are also placed under the objects of economic activity, when determining the dynamic parameters of seismic vibrations and their variations in each observation point relative to the reference ones, the distribution of measurement coordinates is taken into account in a given frequency range of studies, while high-frequency seismic vibrations that form informative variations in the amplitudes of seismic vibrations are distinguished by spatial temporal volumes of discrete measurements by constructing a Cayley tree, and n selection of measurements from the entire array of measurements having a minimum measurement error, from measurements having a minimum measurement error, the magnitude of the seismic oscillation extremum is determined, which determines the damage from the extreme value of seismic oscillations.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами (фиг.1, 2).The essence of the proposed method is illustrated by drawings (figure 1, 2).
Фиг.1. Дерево Кейли двоичного разбиения диапазона изменчивости сейсмической характеристики.Figure 1. Cayley tree of binary partitioning of the variability range of seismic characteristics.
Фиг.2. Изображение кубической сетки при n=2, М=4.Figure 2. The image of the cubic grid at n = 2, M = 4.
Конкретный пример реализации способа.A specific example of the implementation of the method.
Проводится сейсмическое микрорайонирование на площади размеров 1,5 км2. Грунтовые условия представлены тремя различными участками: скальные породы, галечниковые отложения и рыхлые осадки. На площади сейсмического микрорайонирования устанавливают сеть сейсмических станций и регистрируют записи от карьерных взрывов, находящихся на расстоянии 100 км. По результатам регистрации определяют диапазон высокочастотных количественно значимых вариаций. Разбивают профиль с расстоянием между пунктами регистрации около 200 м с ориентацией профиля в направлении на место расположения взрывов. По результатам регистрации колебаний по профилю определяют период пространственных вариаций (400-600 м). Разбивают ортогональную сеть наблюдений с расстоянием между пунктами регистрации 150-200 м.Seismic micro-zoning is carried out on an area of 1.5 km 2 . Ground conditions are represented by three different sites: rock, pebble deposits and loose sediments. A network of seismic stations is installed on the seismic micro-zoning area and records from career explosions located at a distance of 100 km are recorded. According to the registration results, a range of high-frequency quantitatively significant variations is determined. A profile is broken up with a distance between registration points of about 200 m with the profile oriented in the direction to the location of the explosions. According to the results of registration of vibrations, the period of spatial variations (400-600 m) is determined by the profile. An orthogonal observation network with a distance between registration points of 150-200 m is split.
На одном из участков площадки сейсмического микрорайонирования из-за особенностей внутреннего строения скального основания расстояние между пунктами регистрации сгущается до 100 м.On one of the sections of the seismic micro-zoning site, due to the peculiarities of the internal structure of the rock base, the distance between the registration points thickens to 100 m.
В отличие от прототипа, в заявляемом способе опорные пункты наблюдений также размещают под объектами хозяйственной деятельности (морскими терминалами, береговыми буровыми комплексами и т.д.).Unlike the prototype, in the inventive method, reference observation points are also placed under the objects of economic activity (offshore terminals, onshore drilling complexes, etc.).
При определении динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных, в заданном частотном диапазоне исследований учитывают распределение координат измерений, при этом высокочастотные сейсмические колебания, образующие информативные вариации амплитуд сейсмических колебаний, выделяют по пространственно-временным объемам дискретных измерений путем построения дерева Кейли (фиг.1).When determining the dynamic parameters of seismic vibrations and their variations in each observation point relative to the reference, in a given frequency range of studies, the distribution of the coordinates of the measurements is taken into account, while high-frequency seismic vibrations, which form informative variations in the amplitudes of seismic vibrations, are distinguished by spatial-temporal volumes of discrete measurements by constructing Kaylee tree (figure 1).
При этом, в отличие от прототипа, в котором при анализе сейсмических колебаний используют действительные числа, в предлагаемом способе при анализе сейсмических колебаний используют p-адические числа (Владимиров B.C., Волович И.В., Зеленев Е.И. p-Адический анализ и математическая физика. М.: Наука, 1994. - 352 с. Козырев С.В. Методы и приложения ультраметрического и p-адического анализа: от теории всплесков до биофизики. Современные проблемы математики. М.: МИАН, 2008. - 170 с. Фридман А.А. Мир как пространство и время. - Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001. - 96 с. Suppes P., Luce D.H. Foundation of Measurement. - San Diego: Academic Press. - 1990. - 125 pp.).In this case, in contrast to the prototype, in which real numbers are used in the analysis of seismic vibrations, the proposed method uses p-adic numbers in the analysis of seismic vibrations (Vladimirov BC, Volovich IV, Zelenev E.I. p-Adic analysis and mathematical physics. M.: Nauka, 1994. - 352 pp. Kozyrev SV Methods and applications of ultrametric and p-adic analysis: from burst theory to biophysics.Modern problems of mathematics.M .: MIAN, 2008. - 170 p. Fridman AA World as space and time. - Izhevsk: SRC "Regular and chaotic din Amika ", 2001. - 96 pp. Suppes P., Luce D.H. Foundation of Measurement. - San Diego: Academic Press. - 1990. - 125 pp.).
Мотивация к применению в сейсмических исследованиях числовых систем, отличных от действительных чисел, связана со следующими основными обстоятельствами.The motivation for using numerical systems other than real numbers in seismic studies is related to the following main circumstances.
Во-первых, система действительных чисел - бесконечна, тогда как в реальности сейсмические колебания всегда лежат в ограниченном диапазоне значений.Firstly, the system of real numbers is infinite, while in reality seismic oscillations always lie in a limited range of values.
Во-вторых, в результате любых измерений сейсмических характеристик получают количественные значения в рациональных числах. Действительно, в любом физическом измерении может быть принципиально достигнута только конечная точность (Хармут X. Применение методов теории информации в физике. - М.: Мир, 1989. - 344 с.), т.е. оперируют только с числами, имеющими конечное число знаков (десятичных или, например, двоичных). Это рациональные числа. Однако, стартуя с поля рациональных чисел можно получить либо систему действительных чисел, либо одну из систем p-адических чисел. По теореме Островского других числовых систем из рациональных чисел получить невозможно. Исторически приоритет получили действительные числа, а p-адические по формальным свойствам равноправные с ними, имеют значительно меньшее применение. Это можно объяснить тем, что p-адические числа отрыты на 800 лет позже действительных - в конце XIX века, их не изучают в ВУЗах и они имеют непривычные свойства, относительно действительных чисел.Secondly, as a result of any measurements of seismic characteristics, quantitative values are obtained in rational numbers. Indeed, in any physical dimension, only ultimate accuracy can be achieved in principle (Harmut X. Application of information theory methods in physics. - M .: Mir, 1989. - 344 p.), I.e. operate only with numbers that have a finite number of characters (decimal or, for example, binary). These are rational numbers. However, starting from the field of rational numbers you can get either a system of real numbers, or one of the systems of p-adic numbers. By Ostrovsky’s theorem, other numerical systems cannot be obtained from rational numbers. Historically, real numbers have been given priority, and p-adic peers with formal properties having equal rights with them have much less use. This can be explained by the fact that p-adic numbers were discovered 800 years later than the actual ones - at the end of the 19th century, they are not studied at universities and they have unusual properties with respect to real numbers.
В-третьих, пространственно-временная структура сейсмических характеристик принципиально неоднородна. Их динамика из-за неоднородности структуры земного рельефа, а тем более гидросферы является турбулентной. Вихревые образования прослеживаются на всех масштабах пространства и времени и образуют сложную иерархическую структуру по размерам и времени существования. Состояние иерархии имеет естественное представление в виде древовидной графовой структуры (Benzi R., Biferale L., Trovatore E. Ultrametric Structure of Multiscale Energy Correlations in Turbulent Models // Physical Review Letters, V.79, №9, 1997. - pp.1670-1673). Описать подобные структуры действительными числами невозможно, т.к. важнейшей чертой вещественного континуума является его однородность.Thirdly, the spatiotemporal structure of seismic characteristics is fundamentally heterogeneous. Their dynamics due to the heterogeneity of the structure of the earth's relief, and even more so of the hydrosphere, is turbulent. Vortex formations are traced on all scales of space and time and form a complex hierarchical structure in size and lifetime. The state of the hierarchy has a natural representation in the form of a tree-like graph structure (Benzi R., Biferale L., Trovatore E. Ultrametric Structure of Multiscale Energy Correlations in Turbulent Models // Physical Review Letters, V.79, No. 9, 1997. - pp. 1670 -1673). It is impossible to describe such structures with real numbers, because the most important feature of the material continuum is its homogeneity.
В-четвертых, изменчивость сейсмических характеристик явно связана с рассматриваемым пространственно-временным масштабом. В первом приближении эта зависимость описывается степенной функцией:Fourth, the variability of seismic characteristics is clearly related to the considered spatio-temporal scale. In a first approximation, this dependence is described by a power function:
где δX - средняя изменчивость сейсмической характеристики на интервале времени Δt и на интервале пространства объемом ΔV, α, β - вещественные параметры, большие нуля. Заметим, что для соотношения (1) обнаруживается соответствие с древовидными структурами (Олемской А.И., Флат А.Я. Использование концепции фрактала в физике конденсированной среды. // УФН, Т.163, №12, 1993. - с.1-50).where δX is the average variability of the seismic characteristic in the time interval Δt and in the space interval with the volume ΔV, α, β are real parameters, large zero. Note that for relation (1), a correspondence with tree structures is found (Olemskaya A.I., Flat A.Ya. Use of the fractal concept in condensed matter physics. // UFN, T.163, No. 12, 1993. - p.1 -fifty).
Действительные числа, используемые при измерениях, принципиально не могут описывать сейсмические характеристики в требуемом пространственно-временном масштабе. Это "точечные" данные. Однако на практике они неявно применяются для описания состояния среды для пространственно-временных областей. Следствием этого, является то, что в принципе отсутствует возможность сравнения значений характеристик, измеренных в различных областях. Например, некорректно сравнивать значения температур, измеренных даже в один момент времени в разных городах, т.к. площади городов и интервалы изменчивости в них различны.Actual numbers used in measurements cannot fundamentally describe seismic characteristics at the required spatio-temporal scale. This is a "point" data. However, in practice they are implicitly used to describe the state of the environment for spatio-temporal regions. The consequence of this is that, in principle, there is no possibility of comparing the values of the characteristics measured in various fields. For example, it is incorrect to compare the values of temperatures measured even at one time in different cities, because areas of cities and intervals of variability in them are different.
В-пятых, использование вещественных чисел приводит к проблеме согласования значений измерений, проведенных приборами с различной разрешающей способностью. Действительно, при округлении или уточнении числового значения возможно изменение непосредственно предыдущего (предыдущих) знаков числа по отношению к изменяемой позиции.Fifth, the use of real numbers leads to the problem of matching the values of measurements carried out by instruments with different resolutions. Indeed, when rounding or refining a numerical value, it is possible to change the immediately previous (previous) signs of the number in relation to the position to be changed.
Представим один из возможных путей перехода к представлению акустических характеристик p-адическими числами, использование которых снимает указанные выше недостатки, возникающие при использовании вещественных чисел. Опишем этот переход с помощью трех последовательных этапов: введение иерархической структуры, определение на ней ультраметрического расстояния, переход к p-адическим числам.Let us present one of the possible ways of transition to the representation of acoustic characteristics by p-adic numbers, the use of which removes the above disadvantages that arise when using real numbers. We describe this transition using three consecutive steps: introducing a hierarchical structure, determining the ultrametric distance on it, and switching to p-adic numbers.
Пусть дана сейсмическая характеристика Х и определен допустимый диапазон изменения ее значений X∈[Xmin,Xmax]=I. Проведем, например, простейшее двоичное деление этого диапазона, ему соответствует граф Кейли, представленный на фиг.1. На каждом уровне дробления каждому поддиапазону этого уровня ставится в соответствие символ 1 или 0. Каждый интервал на n-уровне дробления описывается последовательностью нулей и единиц, которые располагаются в порядке прохождений пути от корня дерева к требуемому интервалу, например, для n=3, x2={0,0,1}.Let a seismic characteristic X be given and an allowable range of variation of its values X∈ [X min , X max ] = I be determined. For example, we will carry out the simplest binary division of this range; it corresponds to the Cayley graph shown in Fig. 1. At each crushing level, each subband of this level is assigned a
Дробление можно проводить не только двоичное, но для любого m>1, m - натуральное.Crushing can be carried out not only binary, but for any m> 1, m is natural.
Кроме того, дробление можно продолжать до бесконечности. Тогда каждая точка разбиения x имеет бесконечное число координатIn addition, crushing can continue indefinitely. Then each point of the partition x has an infinite number of coordinates
где каждая координата принимает конечное число значенийwhere each coordinate takes a finite number of values
Обозначим пространство последовательностей (3) символом Zm. Введем расстояние ρ между элементами этого пространства следующим образом. Фиксируем действительное число 0<q<1. ПустьDenote the sequence space (3) by the symbol Z m . We introduce the distance ρ between the elements of this space as follows. We fix the
x=(α0,α1,α2,…,αn,…), y=(β0,β1,β2,…,βn,…)∈Zm.x = (α 0 , α 1 , α 2 , ..., α n , ...), y = (β 0 , β 1 , β 2 , ..., β n , ...) ∈Z m .
ПоложимPut
Эта функция является расстоянием (метрикой) и даже не архимедовым. Такое расстояние называется ультраметрикой. Это расстояние удовлетворяет усиленному неравенству треугольника:This function is a distance (metric) and not even Archimedean. This distance is called ultrametric. This distance satisfies the enhanced triangle inequality:
Для того, чтобы найти расстояние ρm(x,y) между двумя последовательностями цифр x и y, нужно найти первую позицию k такую, что последовательности имеют различные цифры на этой позиции. Выбор константы q не играет никакой роли. Стандартный выбор: q=1/m. Таким образомIn order to find the distance ρ m (x, y) between two sequences of digits x and y, you need to find the first position k such that the sequences have different digits at this position. The choice of the constant q does not play any role. Standard selection: q = 1 / m. In this way
Пример. Для двоичного разбиения m=2. Пусть x=(0,1,0,…) и, y=(0,1,1,…). Здесь k=2 и, следовательно, ρ2(x,y)=1/4.Example. For a binary partition, m = 2. Let x = (0,1,0, ...) and, y = (0,1,1, ...). Here k = 2 and, therefore, ρ 2 (x, y) = 1/4.
Заметим, что до этого момента никаких числовых систем еще не появилось, только сейчас переходим к введению чисел. Сделаем это следующим образом. Заметим, что точку x=(α0,α1,α2,…,αk,…) пространства Zm можно отождествить с "числом"Note that up to this point, no number systems have yet appeared, only now we proceed to the introduction of numbers. We do it as follows. Note that the point x = (α 0 , α 1 , α 2 , ..., α k , ...) of the space Z m can be identified with a "number"
Этот ряд сходится в метрическом пространстве Zm. В частности, конечные последовательности x=α0α1…αk могут отождествляться с натуральными числами x=α0+α1m+…+αkmk.This series converges in the metric space Z m . In particular, finite sequences x = α 0 α 1 ... α k can be identified with natural numbers x = α 0 + α 1 m + ... + α k m k .
Следовательно, множество всех конечных последовательностей может быть отождествлено с множеством натуральных чисел. Более того, множество натуральных чисел является плотным подмножеством в Zm: любой x∈Zm можно приблизить с произвольной точностью натуральными числами. Если x - натуральное число, то |x|m=m-k, тогда и только тогда, когда x делится на mk и не делится на mk+1.Therefore, the set of all finite sequences can be identified with the set of natural numbers. Moreover, the set of natural numbers is a dense subset of Z m : any x∈Z m can be approximated with arbitrary precision by natural numbers. If x is a natural number, then | x | m = m -k , if and only if x is divisible by m k and not divisible by m k + 1 .
Множество Zm называется множеством m-адических целых чисел.The set Z m is called the set of m-adic integers.
На множестве m-адических целых чисел Zm можно ввести алгебраические операции, а именно сложение, вычитание и умножение. Эти операции являются естественными продолжениями стандартных операций на множестве натуральных чисел N={0,1,2,3,…}. Отметим, что деление в Zm не является корректно определенным (это числовое кольцо, но не числовое поле) и для этих числовых систем не развит аппарат математического анализа.On the set of m-adic integers Z m, one can introduce algebraic operations, namely addition, subtraction and multiplication. These operations are natural extensions of standard operations on the set of natural numbers N = {0,1,2,3, ...}. Note that the division in Z m is not correctly defined (it is a numerical ring, but not a numerical field) and the apparatus of mathematical analysis is not developed for these numerical systems.
Для получения полноценных числовых не архимедовых систем (p-адических чисел) необходимо расширение числовых множеств Zm. Рассмотрим выражение вида:To obtain complete numerical non-Archimedean systems (p-adic numbers), it is necessary to expand the numerical sets Z m . Consider an expression of the form:
где αj=0, 1, …, m-1 и s=0, ±1, ±2,…. Обозначим множество всех таких выражений символом Qm. Положим |x|m=m-s, если αs≠0. Это естественное продолжение нормирования, заданного на Zm. Если s=0, 1, 2, …, то x=αsms+…+αjmj+…. Тогда |x|m=m-s. С другой стороны, если s=-1, -2, …, то x=α-k/mk+…+αjmj+…, где k=-s. Тогда |x|m=m-s=mk.where α j = 0, 1, ..., m-1 and s = 0, ± 1, ± 2, .... Denote the set of all such expressions by Q m . Put | x | m = m -s if α s ≠ 0. This is a natural continuation of the valuation given on Z m . If s = 0, 1, 2, ..., then x = α s m s + ... + α j m j + .... Then | x | m = m- s . On the other hand, if s = -1, -2, ..., then x = α -k / m k + ... + α j m j + ..., where k = -s. Then | x | m = m -s = m k .
Здесь отметим, что система действительных чисел R состоит из выражений вида:Here we note that the system of real numbers R consists of expressions of the form:
Причем обычно используется десятичное основание, т.е. m=10. В вещественном случае может быть только конечное число членов с положительными степенями при m, а в m-адическом случае может быть бесконечное число членов с положительными степенями при m. Для отрицательных степеней все наоборот. Введем сложение, вычитание и умножение на Qm точно так же, как и на Zm, продолжая стандартные операции, заданные на множестве конечных сумм:Moreover, the decimal base is usually used, i.e. m = 10. In the real case, there can only be a finite number of terms with positive powers at m, and in the m-adic case there can be an infinite number of terms with positive powers at m. For negative degrees, the opposite is true. We introduce addition, subtraction, and multiplication by Q m in exactly the same way as by Z m , continuing the standard operations defined on the set of finite sums:
Заметим, что |xy|m≤|x|m|y|m. Если m=p является простым числом, то (как и для стандартного модуля в вещественном случае) |xy|p=|x|p|y|p. В общем случае деление на Qm не определено. Однако, если m=p, то деление определено корректно и, более того, существует аппарат математического анализа и теории вероятностей. Числовые системы типа Qp называются p-адическими числами.Note that | xy | m ≤ | x | m | y | m . If m = p is a prime, then (as for the standard module in the real case) | xy | p = | x | p | y | p . In general, the division by Q m is not defined. However, if m = p, then the division is defined correctly and, moreover, there is an apparatus for mathematical analysis and probability theory. Numerical systems of type Q p are called p-adic numbers.
Проведенное построение вполне возможно осуществить по имеющимся контактным и дистанционным измерениям сейсмических колебаний. При этом возможно ограничиться более "слабыми" числовыми системами Zm. Отметим характерный недостаток представленной иерархии числовых систем: отсутствие изморфизма между системами с различными m, и их большого многообразия - m - это любое натуральное число, большее 1, т.е. бесконечное число (как и простых).The construction carried out is quite possible to carry out according to available contact and remote measurements of seismic vibrations. In this case, it is possible to limit ourselves to weaker numerical systems Z m . Note the characteristic drawback of the presented hierarchy of numerical systems: the absence of isomorphism between systems with different m, and their large variety - m - is any natural number greater than 1, i.e. infinite number (as well as prime).
Представляется верным утверждение о том, что закономерности природы не должны зависеть от используемых числовых систем для ее описания, т.е. должны проявляться в любой из них. Однако, верно и то, что в некоторых числовых системах эти закономерности имеют более простой вид, что позволяет быстрее их обнаружить.It seems true that the laws of nature should not depend on the numerical systems used to describe it, i.e. must appear in any of them. However, it is also true that in some numerical systems these laws have a simpler form, which allows them to be detected faster.
Далее автоматически выделяют подбор измерений из всего массива измерений, имеющим минимальную погрешность измерений, по измерениям, имеющих минимальную погрешность измерений устанавливают величину экстремума сейсмического колебания, по которой определяют ущерб от экстремального значения сейсмических колебаний.Next, the selection of measurements is automatically distinguished from the entire array of measurements that have a minimum measurement error, for measurements that have a minimum measurement error, the magnitude of the seismic oscillation extremum is established, which determines the damage from the extreme value of seismic oscillations.
В практике обработки сейсмических наблюдений существует задача оценки среднего значения сейсмической характеристики в некотором пространственно-временном объеме по дискретным наблюдениям. Каждое дискретное наблюдение фиксируется четырьмя координатами: временем, широтой, долготой и глубиной (высотой). Другими словами, значение сейсмической характеристики в общем случае является функцией, заданной в четырехмерном координатном пространстве. В частных случаях эта размерность может принимать и меньшие значения. Размерность определяется числом координат точек наблюдений, значения которых меняются в массиве наблюдений. Например, для типичных задач по расчету среднего значения сейсмической характеристики по дискретным наблюдениям:In the practice of processing seismic observations, there is the task of estimating the average value of the seismic characteristic in a certain spatio-temporal volume from discrete observations. Each discrete observation is fixed by four coordinates: time, latitude, longitude, and depth (height). In other words, the value of a seismic characteristic is generally a function defined in a four-dimensional coordinate space. In special cases, this dimension can take smaller values. The dimension is determined by the number of coordinates of the observation points, the values of which change in the array of observations. For example, for typical tasks of calculating the average value of seismic characteristics from discrete observations:
по дискретным во времени измерениям в географической точке с фиксированными координатами на фиксированной глубине;by time-discrete measurements at a geographical point with fixed coordinates at a fixed depth;
по одновременным наблюдениям в некоторой пространственной области на фиксированной глубине;by simultaneous observations in a certain spatial region at a fixed depth;
по наблюдениям в некотором районе в разные моменты времени и в разных точках на фиксированной глубине;according to observations in a certain area at different points in time and at different points at a fixed depth;
по наблюдениям в некотором фиксированном районе за некоторый интервал времени в некотором интервале глубин.according to observations in a certain fixed region for a certain time interval in a certain interval of depths.
Нумерация задач соответствует размерности пространства задания гидрометеорологической характеристики.The numbering of tasks corresponds to the dimension of the space of the task of hydrometeorological characteristics.
В настоящее время среднее арифметическое для любой задачи рассчитывают путем прямого суммирования всех измеренных значений, попадающих в рассматриваемый пространственно-временной объем, и делят на общее число измерений.Currently, the arithmetic average for any task is calculated by direct summation of all measured values falling into the considered spatio-temporal volume, and divided by the total number of measurements.
В действительности такой метод расчета среднего арифметического сейсмической характеристики не позволяет получить минимально возможную погрешность в оценке среднего. Причиной этого является то, что в принятом методе игнорируется распределение точек наблюдения по пространственно-временному объему. Более того, точность оценки среднего значения применяемого метода уменьшается с увеличением размерности пространства координат наблюдений.In fact, this method of calculating the arithmetic mean of the seismic characteristic does not allow us to obtain the minimum possible error in estimating the mean. The reason for this is that in the adopted method, the distribution of observation points over the spatio-temporal volume is ignored. Moreover, the accuracy of estimating the average value of the applied method decreases with increasing dimension of the space of observation coordinates.
Докажем это и приведем адекватный метод расчета среднего арифметического значения сейсмической характеристики, минимизирующий погрешность.Let us prove this and give an adequate method for calculating the arithmetic mean value of the seismic characteristic, minimizing the error.
Задача определения среднего значения сейсмической характеристики по значениям характеристики в дискретных пространственно-временных точках с математической точки зрения является задачей оценки среднего арифметического значения непрерывной функции в пространственно-временном объеме по ее значениям в дискретных точках. Погрешность в оценке среднего арифметического, при условии изотропности изменчивости функции, определяется структурой «неравномерности» расположения точек измерения в пространственно-временном объеме. Наименьшую погрешность дают точки, равномерно распределенные по рассматриваемому объему. Точки называются равномерно распределенными в n-мерном единичном кубе, если в любом гиперкубе число точек пропорционально объему гиперкуба (Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. - М., Наука, 1969. - 288 с.).From the mathematical point of view, the task of determining the average value of a seismic characteristic from the values of the characteristic at discrete spatiotemporal points is the problem of estimating the arithmetic mean of a continuous function in a spatio-temporal volume from its values at discrete points. The error in the estimation of the arithmetic mean, subject to the isotropy of the variability of the function, is determined by the structure of the "unevenness" of the location of the measurement points in the spatio-temporal volume. The smallest error is given by points uniformly distributed over the volume under consideration. Points are called uniformly distributed in an n-dimensional unit cube if in any hypercube the number of points is proportional to the volume of the hypercube (I. M. Sobol. Multidimensional quadrature formulas and Haar functions. - M., Nauka, 1969. - 288 p.).
Формально это определяется следующим образом. Обозначим через Kn единичный куб в n-мерном пространстве: Kn состоит из всех точек Р с декартовыми координатами Р=(x1,…,xn), которые удовлетворяют неравенствам 0≤хj≤1 (j=1, 2, …, n). Рассмотрим последовательность точек P0, P1, …, Pj, …, принадлежащих кубу Kn размерности n, и обозначим через SN(G) количество точек Pi с номерами 0≤i≤N-1, принадлежащими множеству G. Последовательность точек P0, P1, …, Pi,… - называется равномерно распределенной в Kn (сокращенно p.p.), если для любого n-го параллелепипеда π с ребрами, параллельными координатным осям,Formally, this is defined as follows. We denote by K n the unit cube in n-dimensional space: K n consists of all points P with Cartesian coordinates P = (x 1 , ..., x n ) that satisfy the
где Vπ - объем параллелепипеда π. Можно доказать, что если G произвольная область, расположенная в Kn и имеющая объем VG, то из (12) вытекает, чтоwhere V π is the volume of the parallelepiped π. It can be proved that if G is an arbitrary domain located in K n and having volume V G , then it follows from (12) that
. .
Таким образом, при больших N количество точек p.p. последовательности, принадлежащих любой области G, пропорционально объему G.Thus, for large N, the number of points p.p. sequences belonging to any domain G is proportional to the volume G.
По теореме Вейля (Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. - М., Наука, 1969. - 288 с.) для того, чтобы {Pi} была p.p., необходимо и достаточно, чтобы для любой интегрируемой, по Риману, функции f(P) выполнялось соотношениеBy Weyl theorem (Sobol IM Multidimensional quadrature formulas and Haar functions -. Nauka, Moscow, 1969. -. 288) to {P i} was pp, it is necessary and sufficient that any integrable by Riemann, the function f (P) satisfies the relation
Выражение (2) является оценкой среднего арифметического. Оценка погрешности (13) определяется выражениемExpression (2) is an estimate of the arithmetic mean. The error estimate (13) is determined by the expression
где С - константа, разная для функций с различной изменчивостью, D - отклонение распределения точек от p.p.where C is a constant different for functions with different variability, D is the deviation of the distribution of points from p.p.
Отклонение D определяется следующим образом. Рассмотрим в Kn сетку, состоящую из N произвольных точек Р0, Р1, …, РN-1. Каждой точке Р из Kn поставим в соответствие параллелепипед πP с диагональю ОР (О - начало координат). Объем VP этого параллелепипеда равен произведению x1…xn координат точки Р. Отклонением сетки Р0, Р1, …, РN-1 называется числоDeviation D is defined as follows. Consider in K n a grid consisting of N arbitrary points P 0 , P 1 , ..., P N-1 . To each point P of K n we associate a parallelepiped π P with the diagonal OP (O is the origin). The volume V P of this parallelepiped is equal to the product x 1 ... x n of the coordinates of the point P. The deviation of the grid P 0 , P 1 , ..., P N-1 is the number
где верхняя грань берется по всем P∈Kn.where the upper bound is taken over all P∈K n .
Для того, чтобы последовательность точек была p.p., необходимо и достаточно, чтобы при N→∝In order for the sequence of points to be p.p., it is necessary and sufficient that, as N → ∝
Характеристика D(P0,…,PN-1) является весьма сложной функцией от структуры расположения точек. Верхняя граница D≤N, нижняя граница ее до сих пор не известна (за исключением случая n=1, когда inf D=1/2). Существует предположение, что наилучшая возможная оценка D для n-мерной сетки, состоящей из N точек, равнаThe characteristic D (P 0 , ..., P N-1 ) is a very complex function of the structure of the points. The upper bound is D≤N, its lower bound is still not known (with the exception of the case n = 1, when inf D = 1/2). There is an assumption that the best possible estimate of D for an n-dimensional grid consisting of N points is
Необходимо отметить, что в большинстве случаев исследователи ошибочно полагают, что кубические сетки (их называют «регулярные», «равномерные» и т.п.) всегда очень «хорошие» и целью сбора информации является получение измерений на такой сетке. Кубическая сетка для N=М2 точек задается координатамиIt should be noted that in most cases, researchers mistakenly believe that cubic grids (they are called “regular”, “uniform”, etc.) are always very “good” and the goal of collecting information is to obtain measurements on such a grid. The cubic grid for N = M 2 points is specified by the coordinates
где i1, i2, …, in - независимо пробегают значения 1, 2, …, M. На фиг.2 изображена кубическая сетка при n=2, М=4.where i 1 , i 2 , ..., i n - independently run through the
Нетрудно проверить, что для таких сеток значение будет максимальным, например, в точке P'=(1/2M,1,1,…,1), когда SN(πp')=0, NVP'=N/2M=Мn-1/2. Следовательно,It is easy to verify that for such grids the value will be maximum, for example, at the point P '= (1 / 2M, 1,1, ..., 1), when S N (π p' ) = 0, NV P ' = N / 2M = M n-1 /2. Hence,
Из формулы (8) следует, что при n=1 кубические сетки оптимальны. Однако, с увеличением n равномерность сеток (18) ухудшается и порядки в формуле (19) приближаются к наихудшим, равным N. Уже при n=2 порядок (19) оказывается равным - такой же порядок соответствует случайным сеткам, состоящим из N независимых случайных точек, равномерно распределенных в Kn. Значит, при n≥3 сетки (18) асимптотически хуже случайных.It follows from formula (8) that for n = 1, cubic grids are optimal. However, with increasing n, the uniformity of the grids (18) worsens and the orders in formula (19) approach the worst, equal to N. Already at n = 2, order (19) is equal - the same order corresponds to random grids consisting of N independent random points uniformly distributed in K n . Therefore, for n≥3, grids (18) are asymptotically worse than random ones.
Пусть в Kn задано множество точек наблюдений за гидрометеорологической характеристикой Р0, Р1, …, РN-1. Этот набор точек далек от p.p. Необходимо определить такое подмножество точек , которое образует сетку с наибольшей степенью равномерного распределения. Решение этой задачи будем искать следующим образом. Определим подходящую опорную сеть точек, имеющую p.p. Сравнивая координаты точек наблюдений с координатами точек опорной p.p. сетки, найдем искомое подмножество , которое будет давать минимальную ошибку с оценке среднего арифметического, в соответствии с (14).Let K n set a set of observation points for the hydrometeorological characteristics of P 0 , P 1 , ..., P N-1 . This set of points is far from pp. It is necessary to define such a subset of points which forms the grid with the greatest degree of uniform distribution. We will seek a solution to this problem as follows. We define a suitable reference point network with pp. Comparing the coordinates of the observation points with the coordinates of the points of the reference pp grid, we find the desired subset , which will give a minimum error with the estimation of the arithmetic mean, in accordance with (14).
В вычислительной математике построено много вариантов сеток близких к p.p. Для нашей задачи целесообразно выбрать такую сетку с последовательностью точек Q0, Q1, …, Qi, …, которая удовлетворяет трем требованиям:In computational mathematics, many variants of grids close to pp are constructed. For our task, it is advisable to choose a grid with a sequence of points Q 0 , Q 1 , ..., Q i , ... that satisfies three requirements:
равномерность распределения сетки должна быть асимптотически оптимальной;uniform distribution of the grid should be asymptotically optimal;
равномерность расположения точек должна наблюдаться не только при N→∝, но уже при малых N;uniform distribution of points should be observed not only as N → ∝, but already for small N;
алгоритм расчета точек Qi должен быть достаточно простым.the algorithm for calculating the points Q i should be quite simple.
Этим требованиям удовлетворяют, например, так называемые LPτ - последовательности (Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. - М., Наука, 1969. - 288 с.).These requirements are satisfied, for example, by the so-called LP τ - sequences (I. M. Sobol. Multidimensional quadrature formulas and Haar functions. - M., Nauka, 1969. - 288 p.).
Не излагая теоретического обоснования p.p. свойств этих последовательностей приведем простой алгоритм расчета.Without setting out a theoretical justification for p.p. properties of these sequences, we present a simple calculation algorithm.
В этом алгоритме координаты (qi1,…,qin) точки Qi из LPτ - последовательности вычисляется по формулеIn this algorithm, the coordinates (q i1 , ..., q in ) of the point Q i from the LP τ - sequence are calculated by the formula
где i=em…e2e1 - представление i в двоичной системе, - двоично-рациональные числа вида , числители которых табулированы.where i = e m ... e 2 e 1 is the representation of i in the binary system, - binary rational numbers of the form whose numerators are tabulated.
В таблице 1 представлены для 1≤s≤20 и 1≤j≤4, что позволяет легко вычислять точки Qi размерности n≤4 в количестве N≤220.Table 1 presents for 1≤s≤20 and 1≤j≤4, which makes it easy to calculate points Q i of dimension n≤4 in the amount of N≤2 20 .
Алгоритм выбора репрезентативных точек можно представить в следующем виде:The algorithm for selecting representative points can be represented as follows:
Задано: множество из N точек наблюдений P0, P1, PN-1 в n-мерном кубе Kn, n=1, 2, 3, 4. Каждая точка наблюдений представлена нормированными координатами P=(x1,…,xn), 0≤xj≤1, j=1, 2, …, n.Given: a set of N observation points P 0 , P 1 , P N-1 in an n-dimensional cube K n , n = 1, 2, 3, 4. Each observation point is represented by the normalized coordinates P = (x 1 , ..., x n ), 0≤x j ≤1, j = 1, 2, ..., n.
Требуется: определить подмножество точек , которые дают наименьшую ошибку в оценке среднего арифметического функции, измеренной в этих точках (т.е наиболее репрезентативный набор точек измерений для оценки среднего или, что тождественно, образуют сетку с наибольшей степенью равномерного распределения).Required: Define a subset of points which give the smallest error in the estimation of the arithmetic mean function measured at these points (i.e., the most representative set of measurement points for estimating the mean or, identically, form a grid with the greatest degree of uniform distribution).
Инициация: Tk=T0=⌀ - набор точек-кандидатов на k шаге.Initiation: T k = T 0 = ⌀ - a set of candidate points at the k step.
Последовательность операций решения:Solution flow:
Вычислить N точек Qk (k=1, …N) LPτ - последовательности по формуле (20).Calculate N points Q k (k = 1, ... N) LP τ - sequences according to formula (20).
Последовательно для каждого k от 1 до N для каждой точки Qk найти ближайшую в евклидовой метрике точку среди множества точек , и добавить ее в набор точек-кандидатов на k, образуя .Sequentially for each k from 1 to N for each point Q k find the point closest to the Euclidean metric among many points , and add it to the set of candidate points on k, forming .
Вычислить отклонение Dk=D(Tk) для точки Рi по формуле (4).Calculate the deviation D k = D (T k ) for the point P i according to the formula (4).
Последовательно для каждого k от 1 до N найти D0k=max(D1,…,Dk).Sequentially for each k from 1 to N find D 0k = max (D 1 , ..., D k ).
Найти k0, для которого существует минимальное значение D0k.Find k 0 for which there is a minimum value of D 0k .
Результат: набор точек является искомым множеством точек наблюдений, дающим минимальную ошибку в оценке среднего арифметического. Таким образом, при расчете среднего арифметического значения сейсмической характеристики по дискретным наблюдениям в некотором пространственно-временном объеме для минимизации погрешности необходимо учитывать распределение координат измерений. На основе специального математического аппарата предложен метод расчета среднего арифметического значения гидрометеорологической характеристики по дискретным наблюдениям в некотором пространственно-временном объеме, дающий минимальную теоретическую погрешность в оценке, причем метод «автоматически» выявляет тот поднабор измерений из всего массива данных, который дает минимальную погрешность в оценке среднего арифметического. Для корректности вычислений необходимо ввести обычным путем локальные декартовы координаты для рассматриваемой пространственно-временной области.Result: point set is the desired set of observation points giving a minimal error in the estimation of the arithmetic mean. Thus, when calculating the arithmetic mean of the seismic characteristic from discrete observations in a certain spatio-temporal volume, in order to minimize the error, it is necessary to take into account the distribution of measurement coordinates. Based on a special mathematical apparatus, a method is proposed for calculating the arithmetic mean of the hydrometeorological characteristic from discrete observations in a certain spatio-temporal volume, which gives the minimum theoretical error in the estimation, and the method “automatically” identifies that subset of measurements from the entire data array that gives the minimum error in the estimate arithmetic mean. For the calculation to be correct, it is necessary to introduce in the usual way local Cartesian coordinates for the considered spatio-temporal region.
В задачах учета влияния сейсмических явлений на объекты хозяйственной деятельности, а также при проектировании различных береговых сооружений и оборудования, в задачах оценки надежности функционирования технических средств большое значение имеет выбор функции распределения сейсмических характеристик для оценки экстремальных значений, определяющих степень опасности влияния сейсмических условий.In the problems of accounting for the influence of seismic phenomena on objects of economic activity, as well as in the design of various coastal structures and equipment, in the problems of assessing the reliability of the operation of technical means, the choice of the distribution function of seismic characteristics for evaluating extreme values that determine the degree of danger of the influence of seismic conditions is of great importance.
Покажем, что экстремальные значения сейсмических характеристик распределены не по экспоненциальному закону, как это свойственно нормально распределенным случайным величинам, а по степенному закону. Это приводит к тому, что ущерб от экстремальных значений значительно выше, чем это обычно оценивается при использовании нормального закона распределения. Обоснованием может служить классическая теория экстремумов (Лидбеттер М., Ротсен X., Линдгрен Г. Экстремумы случайных последовательностей и процессов. - М.: Мир, 1989. - 392 с.), в которой рассматривается распределение максимумаWe show that the extreme values of seismic characteristics are distributed not according to the exponential law, as is characteristic of normally distributed random variables, but according to a power law. This leads to the fact that the damage from extreme values is much higher than what is usually estimated using the normal distribution law. The rationale can be the classical theory of extrema (Leadbetter M., Rotsen X., Lindgren G. Extremums of random sequences and processes. - M .: Mir, 1989. - 392 p.), Which considers the distribution of the maximum
n независимых и одинаково распределенных случайных величин ξ, с функцией распределения F(x) при больших значениях n.n independent and identically distributed random variables ξ, with the distribution function F (x) for large values of n.
Основной результат этой теории утверждает, что если для некоторых последовательностей нормирующих констант а n>0, bn случайная величина а n(Мn-bn) имеет невырожденную предельную функцию распределения G(x), то эта функция G(x) должна иметь одну из трех возможных формThe main result of this theory states that if for some sequences of normalizing constants a n > 0, b n the random variable a n (М n -b n ) has a non-degenerate limit distribution function G (x), then this function G (x) should have one of three possible forms
В частности доказывается, что "хвосты" всех функций распределения F(x) имеют только два типа:In particular, it is proved that the “tails” of all distribution functions F (x) have only two types:
- экспоненциальный (е-x) для типа 1 (например, для нормального закона распределения);- exponential (e -x ) for type 1 (for example, for the normal distribution law);
- степенной (x-α, α>0) для типов 2 и 3.- power law (x -α , α> 0) for types 2 and 3.
Покажем, что экстремальные значения акустических характеристик распределены по степенному закону. Логика доказательства следующая.We show that the extreme values of acoustic characteristics are distributed according to a power law. The logic of the proof is as follows.
Прямыми статистическими оценками рядов наблюдений нельзя оценить поведение "хвоста" распределения в силу редкости экстремальных событий. Воспользуемся косвенный приемом, а именно тем, что поведение "хвостов" распределений разбивает все множество невырожденных распределений случайных величин на два класса эквивалентности - степенной и экспоненциальный. Причем линейные статистики не нарушают этого разбиения. Выберем такую статистику L(a n,bn) для временного хода акустической характеристики ξ(n), которая приводит к случайной величине η(n), распределенной по некоторому закону F*(y), для которой известен из классической теории экстремумов тип распределения ее "хвоста". Тогда такой же тип распределения "хвоста" будет у значений экстремумов акустической характеристики.Direct statistical estimates of the series of observations cannot evaluate the behavior of the “tail” of the distribution due to the rarity of extreme events. We use an indirect technique, namely, that the behavior of the “tails” of the distributions splits the entire set of non-degenerate distributions of random variables into two equivalence classes - power and exponential. Moreover, linear statistics do not violate this partition. We choose such statistics L ( a n , b n ) for the time course of the acoustic characteristic ξ (n), which leads to a random variable η (n) distributed according to some law F * (y), for which the distribution type is known from the classical theory of extrema her tail. Then the same type of tail distribution will be for the extrema of the acoustic characteristic.
В качестве линейной статистики воспользуемся статистикой Герста, которая имеет вид (Федер Е. Фракталы. - М.: Мир, 1991. - 260 с.)As linear statistics we use the statistics of Gerst, which has the form (Feder E. Fractals. - M .: Mir, 1991. - 260 p.)
, ,
гдеWhere
, ,
. .
Оценим функцию распределения F*(y) случайной величины η, полученную с помощью этого преобразования.Let us estimate the distribution function F * (y) of the random variable η obtained using this transformation.
Обработка временных рядов сейсмических характеристик приводит к следующей степенной зависимостиProcessing time series of seismic characteristics leads to the following power law
F*(y)~τH,F * (y) ~ τ H ,
где 1/2<H<1.where 1/2 <H <1.
Следовательно, статистика Герста определяет случайную функцию, распределенную по степенному закону, который, как доказывается в теории экстремумов, имеет степенное распределение "хвоста". Значит и "хвосты" сейсмических характеристик имеют степенное распределение.Therefore, Gerst statistics determines a random function distributed according to a power law, which, as proved in the theory of extrema, has a power distribution of the tail. This means that the “tails” of seismic characteristics have a power-law distribution.
Ущерб от экстремального значения сейсмической характеристики, очевидно, является некоторой степенной функцией от величины экстремумаThe damage from the extreme value of the seismic characteristic is obviously a certain power function of the magnitude of the extremum
Q~xn, n≤1.Q ~ x n , n≤1.
Если в качестве количественной оценки влияния экстремальных значений сейсмических характеристик при проектировании использовать математическое ожидание ущербаIf, as a quantitative assessment of the influence of extreme values of seismic characteristics during design, we use the mathematical expectation of damage
, ,
где f(x) - функция плотности распределения "хвоста" сейсмической характеристики, то очевидно получаем:where f (x) is the distribution density function of the tail of the seismic characteristic, then we obviously get:
Для нормального закона распределения при любом n. Для наблюдаемых сейсмических процессов α~1, и вероятнее всего большое влияние "хвоста" распределения на величину ущерба от возникновения экстремального значения сейсмической характеристики.For the normal distribution law for any n. For the observed seismic processes, α ~ 1, and most likely a large influence of the “tail” of the distribution on the damage caused by the occurrence of extreme values of the seismic characteristic.
Способ может быть реализован на широкополосных акустических преобразователях, имеющих промышленную применимость, например, типа ЭХД-17 или ЭХД-20 и вычислительной техники, реализующей алгоритмы, приведенного в описании программно-математического обеспечения.The method can be implemented on broadband acoustic transducers having industrial applicability, for example, of the type ЭХД-17 or ЭХД-20 and computer technology that implements the algorithms described in the description of mathematical software.
Источники информацииInformation sources
1. Патент RU №1251694.1. Patent RU No. 1251694.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011126767/28A RU2459220C1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | Microseismic zoning method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011126767/28A RU2459220C1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | Microseismic zoning method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2459220C1 true RU2459220C1 (en) | 2012-08-20 |
Family
ID=46936778
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011126767/28A RU2459220C1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | Microseismic zoning method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2459220C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1398630C (en) * | 1985-12-17 | 1994-06-30 | Бовенко Виктор Григорьевич | Method of seismic microzoning |
RU1251694C (en) * | 1984-03-29 | 1994-07-30 | Бовенко Виктор Григорьевич | Method of seismic microzoning |
RU2099751C1 (en) * | 1996-07-25 | 1997-12-20 | Объединенный институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН | Process of seismic microzoning |
RU2105997C1 (en) * | 1996-07-25 | 1998-02-27 | Объединенный институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН | Process of seismic microzoning |
CN101539632A (en) * | 2009-05-05 | 2009-09-23 | 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心 | Method for rapidly determining mine microseismic active zone |
-
2011
- 2011-06-29 RU RU2011126767/28A patent/RU2459220C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1251694C (en) * | 1984-03-29 | 1994-07-30 | Бовенко Виктор Григорьевич | Method of seismic microzoning |
RU1398630C (en) * | 1985-12-17 | 1994-06-30 | Бовенко Виктор Григорьевич | Method of seismic microzoning |
RU2099751C1 (en) * | 1996-07-25 | 1997-12-20 | Объединенный институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН | Process of seismic microzoning |
RU2105997C1 (en) * | 1996-07-25 | 1998-02-27 | Объединенный институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН | Process of seismic microzoning |
CN101539632A (en) * | 2009-05-05 | 2009-09-23 | 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心 | Method for rapidly determining mine microseismic active zone |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Meletti et al. | The new Italian seismic hazard model (MPS19) | |
US9378462B2 (en) | Probability mapping system | |
Schiappapietra et al. | Modelling the spatial correlation of earthquake ground motion: Insights from the literature, data from the 2016–2017 Central Italy earthquake sequence and ground-motion simulations | |
Amante et al. | Accuracy of interpolated bathymetry in digital elevation models | |
Mimoglou et al. | Explicit determination of the pulse inherent in pulse‐like ground motions | |
van Dijk et al. | Separating bathymetric data representing multiscale rhythmic bed forms: A geostatistical and spectral method compared | |
Goda et al. | Tsunami simulations of mega-thrust earthquakes in the Nankai–Tonankai Trough (Japan) based on stochastic rupture scenarios | |
Stefanescu et al. | Digital elevation model uncertainty and hazard analysis using a geophysical flow model | |
Liu et al. | Urban subsidence monitoring by SBAS-InSAR technique with multi-platform SAR images: A case study of Beijing Plain, China | |
Fahle et al. | Temporal variability of the optimal monitoring setup assessed using information theory | |
Bennett | Instantaneous deformation from continuous GPS: Contributions from quasi-periodic loads | |
Otari et al. | A review of application of data mining in earthquake prediction | |
Molnar et al. | Earthquake ground motion and 3D Georgia basin amplification in southwest British Columbia: Deep Juan de Fuca plate scenario earthquakes | |
Ohmer et al. | On the optimal spatial design for groundwater level monitoring networks | |
Zhou et al. | Establishment of a seismic topographic effect prediction model in the Lushan M s 7.0 earthquake area | |
Ranjbar et al. | Entropy and intermittency of river bed elevation fluctuations | |
Malinverno | Fractals and ocean floor topography: a review and a model | |
RU2459220C1 (en) | Microseismic zoning method | |
Pisarenko et al. | A modified k-nearest-neighbors method and its application to estimation of seismic intensity | |
Ibrahim et al. | Comparison between inverse distance weighted (IDW) and Kriging | |
Caviedes-Voullième et al. | SERGHEI (-SWE) v1. 0: a performance portable HPC shallow water solver for hydrology and environmental hydraulics | |
Jahanandish et al. | Implementation of the square‐root‐impedance method to estimate site amplification in Iran using random profile generation | |
Salazar | Principles of probabilistic seismic hazard assessment (PSHA) and site effect evaluation and its application for the volcanic environment in El Salvador | |
Gray et al. | A method for multiscale optimal analysis with application to A rgo data | |
CN104111476A (en) | Method and device for building formation velocity field |