1
Jon Schmidt , Seth Carpenter, and Zhenming Wang The Kentucky Seismic and Strong-Motion Network (KSSMN) is an essential facility, operated by the Kentucky Geological Survey at the University of Kentucky, to monitor earthquakes in and around the Commonwealth and to provide information on earthquakes and seismic hazards. The KSSMN consists of 21 seismic stations, 14 of which are networked and provide recordings for near-real-time analysis (Fig. 1). Toward Optimizing Automatic KSSMN Earthquake Detection Using Machine Learning The GPD picker is skilled, but also detects noise that resembles seismic waves. This is problematic when detecting microseismicity with few seismic stations: low probabili- ty detections may be required from few stations and thus transient noise may cause false triggers. Associating detections using predicted travel times helps to remove noise detections. We are evaluating two recently developed (Python) associators: PhasePApy (traditional time-based) and PhaseLink (deep-learning-based) - Determine optimal GPD detection probability - Optimize PhaseLink association. E.g.: - Synthetic earthquake scenarios - Number of detections per window - Number of stations needed to trigger - Simultaneous-event merging - Maximum detection error (time uncertainty) - Maximum distance to closest station - Assess entire CSRC dataset. Operational principles: - Requires both P- and S-wave detections for a given station - Calculates distances and event times from t S - t P - Associates clusters of stations with common event times. - Trigger declared for ≥3 stations in cluster Detriments to performace: - Requires P- and S-wave detections at a station - Associator cannot manage numerous low-probability detections EK20 EK33 Mag. 0.8 EK33 E-W N-S U-D EK20 E-W N-S U-D EK33 E-W N-S U-D EK20 E-W N-S U-D BHKY CUSSO FLKY FMKY HEKY HZKY LLKY LOKY MOKY PAKY PKKY ROKY SMKY SOKY EK14 EK21 EK22 EK25 EK26 EK32 EK35 EK23 RIDG HNBK VSAB VSAP COKY BAKY WIKY ZĞĂůͲƟŵĞ Non-networked dĞŵƉŽƌĂƌLJ The Kentucky Seismic and Strong-Motion Network The KSSMN also operates temporary stations for special projects. Current- ly, eight seismic stations are monitoring seismicity in Rome Trough as part of the DOE-sponsored Conasauga Shale Research Consortium (CSRC), a continuation of the 14-station KGS-sponsored Eastern Kentucky Micro- seismic Monitoring Project (EKMMP). The project area experiences infre- quent earthquakes, but numerous mine blasts (Fig. 2; Carpenter et al., 2020). Events 57% Noise 43% ~ (a) w (b) (a) r A r B r B' r C' r C r D (b) r A r B r C r D d 2 d 1 d 4 d 3 86W 85W 84W 83W 82W 81W 80W 79W 0 km 100 km OH IN PA WV VA NC TN KY 85W 80W Earthquake Blast EK KY ET N4 NM TA US XO Seismic Stations KSSMN Other M 0.8

Toward Optimizing Automatic KSSMN Earthquake Detection

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Toward Optimizing Automatic KSSMN Earthquake Detection

Jon Schmidt , Seth Carpenter, and Zhenming Wang���������������������������

������������� ���������������������������������������������������

����� ��� ��������� ����

The Kentucky Seismic and Strong-Motion Network (KSSMN) is an essential facility, operated by the Kentucky Geological Survey at the University of Kentucky, to monitor earthquakes in and around the Commonwealth and to provide information on earthquakes and seismic hazards.

The KSSMN consists of 21 seismic stations, 14 of which are networked and provide recordings for near-real-time analysis (Fig. 1).

Toward Optimizing Automatic KSSMN Earthquake Detection Using Machine Learning

������������� ����������������������������������������������� ��������

���������

���������������������������������� ����������������������������������������������‐��������������������� �����������������­���������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������ ��������������������������������������������������������� �����������������������������������������������  ����������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������� �������������������������� �������������������������������������������������������������

������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������� ���������������������������

������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��� ������ ������ ������������ �������� � � ����������� ��������� ������ ������� ���������������

������������������������������������������� ������� �����

The GPD picker is skilled, but also detects noise that resembles seismic waves. This is problematic when detecting microseismicity with few seismic stations: low probabili-ty detections may be required from few stations and thus transient noise may cause false triggers. Associating detections using predicted travel times helps to remove noise detections. We are evaluating two recently developed (Python) associators: PhasePApy (traditional time-based) and PhaseLink (deep-learning-based)

- Determine optimal GPD detection probability- Optimize PhaseLink association. E.g.: - Synthetic earthquake scenarios - Number of detections per window - Number of stations needed to trigger - Simultaneous-event merging - Maximum detection error (time uncertainty) - Maximum distance to closest station- Assess entire CSRC dataset.

Operational principles:- Requires both P- and S-wave detections for a given station- Calculates distances and event times from tS- tP - Associates clusters of stations with common event times.- Trigger declared for ≥3 stations in cluster

Detriments to performace:- Requires P- and S-wave detections at a station - Associator cannot manage numerous low-probability detections

EK20

EK33

Mag. 0.8

��������������  ­ �������������� �EK33

E-W

N-S

U-D

EK20

E-W

N-S

U-D

EK33

E-W

N-S

U-D

EK20

E-W

N-S

U-D

������������� ����������������� ������������������������������������� ��������������������������������� ����������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������

BHKY

CUSSO

FLKY

FMKY

HEKY

HZKY

LLKY

LOKY

MOKY

PAKY

PKKY

ROKY

SMKYSOKY

EK14

EK21

EK22

EK25EK26

EK32

EK35EK23

RIDG HNBK

VSAB

VSAP

COKY BAKYWIKY

Non-networked

The Kentucky Seismic and Strong-Motion Network

The KSSMN also operates temporary stations for special projects. Current-ly, eight seismic stations are monitoring seismicity in Rome Trough as part of the DOE-sponsored Conasauga Shale Research Consortium (CSRC), a continuation of the 14-station KGS-sponsored Eastern Kentucky Micro-seismic Monitoring Project (EKMMP). The project area experiences infre-quent earthquakes, but numerous mine blasts (Fig. 2; Carpenter et al., 2020).

Events57%

Noise43%

Blasts90%

Local0.3%

Regional4%

Teleseismic6%

���������������­�����������������  ��������������������������������� ���������������������� ��������������������������������� ������������������ ����������  �������� ������� ��� ���� ��������� ������ ��������� ����� ��� ����� ������� ���������  ��������������������������������� ���������������������������������

��������������������������������� ���� ���� �������������������������������������� ���� ≥� ������� ��������� ��������� ������ �������������������~������� ���������­

����������������������������������������������

(a)w(a)

(b)

(b)

���������������������������������������������������������������������������� � �������� ���������������������������� ������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������� �������������������������������������������� �����������­�������� ����������������������������������������������������

(a)

(b)

rA

rB

rC

rD

d2

d1

d4

d3

rA

rB rB'

rC'

rC

rD

(a)

(b)

rA

rB

rC

rD

d2

d1

d4

d3

rA

rB rB'

rC'

rC

rD

������������������������ ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������

������� ��� ����������  ��� ���������������­����������������

86W

86W

85W

85W

84W

84W

83W

83W

82W

82W

81W

81W

80W

80W

79W

79W

35N 35N

36N 36N

37N 37N

38N 38N

39N 39N

40N 40N

0 km 100 km

OH

IN

PA

WV

VA

NCTN

KY

85W

85W

80W

80W

35N 35N

40N 40N

EarthquakeBlast

EKKY

ETN4NMTAUSXO

Seismic StationsKSSMN

Other

M 0.8

������� ��� ������� ���� ����������  ������� ������������ ������������ ������ ��� ������� ����� �������� ��� ���� ���� ���������������������������������������������� ���������� �������������� ��������¡�¢���������£�������� ������������������� ��­��������� ������ �������������� ���� ������� � ������� ������������������������������ �������������� �������� ������� ������������������ ����������� ������� ������ ������� ��������������

�������������������� ������������������������������������������������������� ����������������­��������������������������������������������������� ��������������������������������������������������

���������������������������������������������������