Характеризация грунтовых условий на сейсмостанциях Северного Кавказа с применением методов машинного обучения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Для расширения возможностей использования записей местных землетрясений (для построения региональных уравнений прогноза движений грунта, оценки сейсмической опасности и др.) выполнена классификация сейсмостанций Северного Кавказа по грунтовым условиям. Разработана методика, позволяющая сделать оценку грунтовых условий посредством сравнения спектров слабых землетрясений, выбранных в узких диапазонах магнитуд и гипоцентральных расстояний, на разных станциях. Применение методов машинного обучения показало сложность задачи, но в то же время использование логических операций и методик позволило определить наиболее эффективные подходы для ее решения. В результате выполнена классификация 70-ти сейсмостанций Северного Кавказа по грунтовым условиям; грунтовые условия характеризуются одним безразмерным параметром, основанным на расчете спектральных характеристик. В будущем предполагается уточнить эти оценки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Т. С. Савадян

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga@ifz.ru
Россия, г. Москва

О. В. Павленко

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: olga@ifz.ru
Россия, г. Москва

Список литературы

  1. Акимов В. А. и др. Карты сейсмической опасности Северо-Западного и Центрального Кавказа в детальном масштабе // Вопросы инженерной сейсмологии. 2019. Т. 46. №. 4. С. 57–74.
  2. Векслер В. А. Машинное обучение на основе алгоритма “k-ближайших соседей”. Вызовы цифровой экономики: итоги и новые тренды. 2019. С. 110–115.
  3. Виноградова Е. П., Головин Е. Н. Метрики качества алгоритмов машинного обучения в задачах классификации. Научная сессия ГУАП. 2017. С. 202–206.
  4. Габсатарова И. П. и др. Северный Кавказ // Землетрясения Северной Евразии. 2018. №. 21 (2012). С. 79–94.
  5. Габсатарова И. П. и др. Северный Кавказ. Землетрясения России в 2020 году. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН. 2022. 204 с.
  6. Генрихов И. Е., Дюкова Е. В. Классификация на основе полных решающих деревьев //Журнал вычислительной математики и математической физики. 2012. Т. 52. №. 4. С. 750–761.
  7. Гусев А.А., Мельникова В.Н. Связи между магнитудами — среднемировые и для Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1990. № 6. С. 55–63.
  8. Дьяконов И. Д., Новикова С. В. Решение задачи прогнозирования при помощи градиентного бустинга над решающими деревьями. Научный форум: технические и физико-математические науки. 2018. С. 9–12.
  9. Кузьмина С. В., Ефимов А. И. Актуальные методы машинного обучения в области классификации. Актуальные проблемы современной науки и производства. 2018. С. 34–38.
  10. Наумов В. Н., Жиряева Е. В., Падерно П. И. Анализ данных и машинное обучение. Методы и инструментальные средства. 2020.
  11. Павленко О. В. Сейсмические волны в грунтовых слоях: нелинейное поведение грунта при сильных землетрясениях последних лет. Науч. мир. 2009.
  12. Пруцкий Н. И. и др. Геология и минерагения Северного Кавказа-современное состояние (Геологический атлас Северного Кавказа м-ба 1: 1 000 000) // Региональная геология и металлогения. 2005. №. 25. С. 27–38.
  13. Рогожин Е.А. Сейсмическая опасность на Северном Кавказе // Экологический Вестник научных центров ЧЭС. 2012. № 1. С. 124–128.
  14. Boore D.M. Simulation of Ground Motion Using the Stochastic Method // Pure Appl. Geophys. 2003. V. 160. P. 635–676.
  15. Brink H., Richards J., Fetherolf M. Real-world machine learning. Simon and Schuster. 2016.
  16. Oppenheim A. V. Discrete-time signal processing. Pearson Education India. 1999.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Расположение сейсмических станций на Северном Кавказе [Габсатарова И. П. и др].

Скачать (825KB)
3. Рис. 2. Карта эпицентров землетрясений Северного Кавказа с 2001 по 2020 г. (из работы [Габсатарова и др., 2022]).

Скачать (944KB)
4. Рис. 3. Пример записи велосиграммы землетрясения на восточной компоненте (SHE) станции Сунжа (SNJ на рис. 1). По вертикальной оси — амплитуда в относительных единицах, по горизонтальной оси — время в секундах.

Скачать (241KB)
5. Рис. 4. Пример спектра велосиграммы и его огибающей. По вертикальной оси — амплитуда в относительных единицах, по горизонтальной оси — частота в герцах.

Скачать (319KB)
6. Рис. 5. Спектр велосиграммы местного землетрясения, записанного станцией Ставд-Дурт, установленной на скальном грунте. По вертикальной оси — амплитуда в относительных единицах, по горизонтальной оси — частота в герцах.

Скачать (220KB)
7. Рис. 6. Примеры спектров велосиграмм группы землетрясений с магнитудами 4.2–4.4 и гипоцентральными расстояниями 100–125 км. По вертикальной оси — амплитуда в относительных единицах, по горизонтальной оси — частота в герцах. Спектры для станций Ставд-Дурт, Гофицкое, Хунзах, Краснодар и Уркарах показаны соответственно синим, зеленым, красным, желтым и сиреневым цветами.

Скачать (385KB)
8. Рис. 7. Спектр станции Ставд-Дурт и его огибающая. Красными кружочками отмечены точки расчета спектральных параметров.

Скачать (244KB)
9. Рис. 8. Диаграмма рассеяния объектов с признаками “Отклонение” и “Амплитуда на 5 Гц” для 5-ти классов.

Скачать (221KB)
10. Рис. 9. Диаграмма рассеяния объектов с признаками “Частота максимума” и “Амплитуда на 2 Гц” для 5-ти классов.

Скачать (263KB)
11. Рис. 10. Диаграмма рассеяния объектов с признаками “Амплитуда на 2 Гц” и “Амплитуда на 14 Гц” для 5-ти классов.

Скачать (223KB)
12. Рис. 11. Диаграмма рассеяния объектов с признаками “Амплитуда на 5 Гц” и “Амплитуда на 2 Гц” для 5-ти классов.

Скачать (334KB)
13. Рис. 12. Логика работы алгоритма решающих деревьев. Здесь x, y — признаки объектов.

Скачать (266KB)
14. Рис. 13. Логика работы алгоритма градиентный бустинг. С ростом числа итераций возрастает количество решающих деревьев.

Скачать (186KB)

© Российская академия наук, 2025