鶴崗地震臺地震觀測干擾分析

姜 博 常金龍 胡寶慧 李大偉張 震 張 浩

（中國哈爾濱 150090 黑龍江省地震局）

0 引言

鶴崗地震臺（以下簡稱鶴崗臺）創建于1972年5月，地處郯廬斷裂北延（依蘭—伊通地塹）西緣，位于依舒斷裂、青黑山斷裂和黑龍江斷裂的三角形區域構造單元內。臺基巖性為花崗巖，海拔高程188.3 m，為國家Ⅱ類測震臺。測震觀測系統于1974年1月1日正式投入觀測，2007年CTS-1E型甚寬頻帶地震計開始運行觀測。

地震臺站使用寬頻帶或甚寬頻帶地震計記錄各種信號，如地脈動，海浪，爆破，汽車干擾等（焦旭霞等，2010）。隨著城市建設和工業的快速發展，鶴崗臺周邊觀測環境越來越差，存在采礦區、采石場、伐木場、磚廠等振動和環境噪聲的干擾，對臺站的原始記錄數據影響較大。在分析研究地震數據時，需要對振動干擾、噪聲干擾等進行濾波，否則影響地震數據分析的準確性（白占孝等，2011）。數字信號處理是近年來發展迅猛的學科之一，已在多個學科技術領域獲得廣泛應用（萬永革，2012）。為了更好地發揮儀器特性，提高地震觀測資料質量精度，運用Matlab軟件，分析干擾源頻譜特性，根據干擾源的不同頻率范圍，設計相應濾波器，解決實際工作中存在的問題，效果良好。

1 干擾源頻譜分析

1.1 干擾源析

通過對鶴崗臺周邊環境的實地調查和走訪（肖攀等，2013），并結合臺站長期地震觀測資料，發現主要存在4類干擾源：①爆破干擾：采石場距臺站1.4 km，定期爆破開采石頭。由于距離較近，爆破能量較大，能明顯感到地面振動，對觀測干擾較大（圖1）；②載重運輸車干擾：通往采石場、木材廠的公路，距臺站地震計擺房約0.2 km，大型運輸車輛過往，產生諸多高頻振動干擾（圖2）；③木材廠干擾：木材廠緊鄰臺站，在木頭裝卸過程中，受到大型鏟車和汽車干擾，且因裝卸時間較長，振動不連續，產生諸多低頻振動干擾（圖3）；④環境干擾：臺站季節變化明顯，有降雨、降雪、大風等天氣，尤其春、秋季風大，對測震觀測干擾明顯，地震信號淹沒在高頻大風干擾中（圖4）。

圖1 爆破干擾Fig.1 Blasting

圖2 運輸車輛干擾Fig.2 Transport vehicles disturbance

圖3 木材廠干擾Fig.3 Wood factory interference

圖4 大風干擾Fig.4 The wind disturbance

1.2 頻譜分析

噪聲干擾信號與某個具體的地震波信號往往占有不同的頻率范圍（宋建鎖，2006），根據不同干擾源的特性，運用Matlab軟件，對各干擾源進行快速傅里葉變換，得出其優勢頻率，并根據該頻率范圍，設計合適的濾波參數進行濾波，排除干擾，得到真實的地震信息（表 1）。

表1 干擾源頻率范圍Table 1 The source of interference frequency range

2 濾波器設計

2.1 低頻干擾剔除

針對鶴崗臺的干擾源，截取2014年4月13日13時05分的地震數據UD向記錄進行處理，見圖5。由圖5(a)可見，在原始波形上，有一組低頻波浪式背景干擾波與該高頻地震波形疊加，需要設計高通濾波器，把低頻干擾波剔除。根據濾波器頻率響應，只有f＜ 0.2 Hz的信號才能被濾除，故設計高通濾波器的阻帶邊界頻率為0.2 Hz，通帶邊界頻率為0.5 Hz，通帶波紋為1 dB，阻帶衰減為30 dB，采用Butterworth濾波器（萬永革，2012）進行濾波處理，見圖5(b)，可見清晰、完整的地震信息。

圖5 高通濾波器濾波前后對比(a)濾波前信號；(b)濾波后信號Fig.5 The comparison between before and after filter high pass filter

2.2 高頻干擾剔除

（1）運輸車輛干擾。公路距鶴崗臺地震計擺房0.2km，路面破損嚴重，車輛經過產生高頻干擾。選取較為典型的波形記錄為例，見圖6(a)曲線，長周期地震信號中疊加高頻汽車干擾，主要集中在10—15 Hz，可以運用低通濾波器濾除高頻干擾。根據低通濾波器的頻率特性，設計其通帶邊界頻率為4 Hz，通帶波紋為1 dB，阻帶起始頻率為6 Hz，阻帶衰減為25 dB，采用Butterworth濾波器（萬永革，2012）進行濾波，見圖6(a)。由圖6(a)濾波前后對比曲線可見，運輸車輛產生的高頻干擾被剔除。

（2）爆破干擾。選取鶴崗臺記錄的2014年5月05日04時21分UD向地震數據，此數據存在一個爆破干擾，見圖6(b)。爆破相對地震波的頻率較高，為了剔除爆破干擾，根據濾波器頻率響應，低于1.5 Hz的頻率成分即可滿足要求。因此，設計通帶邊界頻率為1.5 Hz，通帶波紋為1 dB，阻帶邊界頻率為2.5 Hz，阻帶衰減為30 dB，采用Butterworth濾波器（萬永革，2012）進行濾波。對比濾波前后信號發現，低通濾波效果明顯，見圖6(b)。

3 結論

通過對鶴崗地震臺干擾源信息分析，結合干擾源信號濾波測試，找出地震臺自身干擾頻率和特點，作為臺站的干擾信號背景資料，結合臺站的正常背景噪聲信號，最大限度地保留地震信號，達到較好的濾波效果，對提高臺站地震資料分析質量有較大幫助，實際應用效果良好。

白占孝，羅自浩.湟源地震臺數字地震記錄的環境干擾分析及濾波器制作[J].高原地震，2011，23（3）：38-41.

肖攀，宋國華，李露露，等.蚌埠地震臺測震干擾分析及處理[J].華南地震，2013，33（1）：86-91.

焦旭霞，馬克博，韓英，等.Matlab在地震記錄日常分析中的應用初探[J].地震地磁觀測與研究，2010，31（1）：118-122.

宋建鎖.濾波在地震分析中的應用[J].防災技術高等專科學校學報，2006，8（1）：75-79.

萬永革.數字信號處理的Matlab實現[M].北京：科學出版社，2012.