鉆井對紅山基準地震臺測震數據的干擾特征及去噪淺析

陳凱男,王利兵,田 勤,劉立申,羅 娜,賈 華

(1.河北省地震局紅山基準地震臺，河北 邢臺 054000；2.河北省地震局邯鄲中心地震臺，河北 邯鄲 056002)

0 引言

地震數字化記錄信號在采集、處理等過程中，不可避免地疊加各種干擾信息，影響觀測質量，增加震相分析難度，為地震信號的精確識別造成一定的困難。因此，在地震信號的處理過程中，提取地震信號中的有用信息，提高地震資料的信噪比，對后續的信號分析研究是十分重要的[1-2]。近年來，除觀測規范要求的以地脈動有效值(均方根)來衡量臺站的噪聲水平外，國際上流行以噪聲功率譜來衡量臺站的噪聲水平，它可以表征整個觀測頻帶的噪聲水平狀況[3]。利用噪聲功率譜密度方法分析鉆井作業對臺基噪聲的干擾成分，進而有針對性地對干擾頻率進行濾波，提高地震數字化記錄的觀測質量。

1 臺站觀測環境

紅山基準地震臺(以下簡稱紅山臺)海拔高程37 m，周圍是大面積沖積平原,基巖裸露，臺基為震旦紀石英砂巖。從區域地質構造上看，這一地區隸屬于太行山山前斷裂帶分支斷裂-隆堯、束鹿斷裂的南段。臺站周圍構造復雜，基層斷裂縱橫交錯，甚為發育。特別是東南部束鹿斷陷為一新生代斷陷盆地，斷陷內新構造運動十分強烈，西北部被趙縣凹陷邊緣的北東向斷裂切割。東南部被東鹿斷陷帶阻止，西南部頂端被巨鹿斷陷帶內的東斷裂攔截。行政區劃隆堯縣境內，臺站東面和北面無公路和工廠，西面距縣級公路2 km，南面距縣級公路3 km。四周皆為農田，遠離村鎮，人為活動較少，地震監測環境較好。

2 臺基噪聲水平

紅山臺2010年至今的地震觀測環境背景噪聲年平均水平基本呈下降趨勢，地震觀測環境在逐漸變好。目前,紅山臺臺基地噪聲水平處于Ⅰ級環境(見表1、第39頁圖1)。

實測地脈動速度及計算公式為：

(1)

式中:V為實測地脈動速度值(m/s);N為實際記錄背景噪聲值(counts);U為輸入峰值電壓(V);R為儀器分辨率(counts);S為地震計的工作靈敏度;K為數據采集器實際工作時的增益。

利用地動噪聲的均方根值(RMS)可以衡量臺站的背景噪聲水平。用此值衡量噪聲水平的優點在于對來自不同噪聲源的噪聲可按照一個相同的尺度進行比較。地動噪聲均方根值公式為：

(2)

式中:Vi為實測地脈動速度值(m/s)。

表1 紅山臺2016年觀測環境背景噪聲年平均水平Table 1 Annual average level of observation environment background noise at Hongshan station in 2016

國際上目前通常采用新皮特森地脈動噪聲加速度功率譜密度曲線描述臺站臺基噪聲水平。我國《地震臺站觀測環境技術要求》(GB/T 19531.1-2004)將測震臺站環境地噪聲水平分為五級：

圖1 鉆井前功率譜密度曲線Fig.1 Power spectral density before drilling

Ⅰ級環境地噪聲水平：Enl<3.16×10-8m/s;

Ⅱ級環境地噪聲水平：3.16×10-8m/s≤Enl<1.00×10-7m/s;

Ⅲ級環境地噪聲水平：1.00×10-7m/s≤Enl<3.16×10-7m/s;

Ⅳ級環境地噪聲水平：3.16×10-7m/s≤Enl<1.00×10-6m/s;

Ⅴ級環境地噪聲水平：1.00×10-6m/s≤Enl<3.16×10-6m/s。

3 鉆井對臺基噪聲及地震波形記錄的影響

鉆井干擾主要是鉆機的鉆頭在地層鉆進的過程中，鉆頭鑿擊地層產生的震動在地層中傳播，到達地面后，與地震波同時被記錄到地震上，相對于地震波而言則稱之為鉆井干擾[4]。紅山臺鉆井作業地點距離測震地震計西北方約20 m處。

3.1 波形記錄特征

選取2017年7月17日10時鉆井作業開始前波形記錄(見圖2a)，8月25日10時鉆井作業時波形記錄(見圖2b)。通過鉆機開始工作前后地震信號記錄的圖形可清晰地分辨出此干擾的記錄特征。

由圖2b看出，鉆井作業時產生的振動在數字地震信號中疊加了高頻干擾成分，對于短周期震相分析會產生嚴重影響。要剔除這些干擾，觀測人員首先要對這些干擾成分進行頻譜分析。

圖2 鉆井作業前后地震波形記錄對比圖Fig.2 Contrast of seismic waveform record before and after drilling

3.2 鉆井作業時臺基噪聲變化

用公式(1)、(2)對鉆井作業進行時的數字地震信號計算RMS值(選取2017年7月28日15時)。由于鉆井作業影響，此時地噪聲水平為Ⅲ級環境(見表2)。

表2 打井期間紅山臺RMS值Table 2 RMS values during drilling at Hongshan station

通過對鉆井作業期間地震波形數據的分析，得出如下結論：

(1) 從波形數據上看出，鉆井對地脈動信號產生干擾，特別是對地震數據的干擾，影響震相的識別。

(2) 對干擾波形數據噪聲分析，其RMS值降到Ⅲ類。

(3) 對臺基噪聲功率譜密度分析看出，干擾頻率主要集中在5 Hz以上的高頻。

4 地震信號去噪

選取鉆井作業時的地震波形數據，做臺基噪聲功率譜密度分析如第40頁圖3所示，可見干擾的頻率大于5 Hz，特別是10 Hz左右的高頻干擾十分嚴重，對體波干擾較大。

圖3 鉆井期間臺基噪聲PSD曲線Fig.3 PSD of station base noise during drilling

地震事件分析時，初至震相全部淹沒在鉆井的噪聲干擾中(見圖4)。將高頻干擾作為濾波的主要頻段，地震波體波的周期主要集中在0.1～3 s，所以將帶通初步設置在0.3～10 Hz。小于0.3 Hz的信號基本不受干擾，大于10 Hz的信號大致排除為地震信號，可去除。5～10 Hz間的地震信號也疊加有鉆井的干擾信號，濾波時需權衡。

圖4為2017年8月3日湯加群島地區Ms6.1地震波形，發震時刻16:53:34，震中距(相對紅山臺)為85.8°，初至震相P波到時17:06。震中距較大，體波周期相對較長。圖4a能大致看出初至震相P波的到時，但遠遠達不到地震分析所要求的精度，對其做噪聲功率譜密度曲線(見圖4b)，干擾頻率清楚，濾波帶通設在0.3～5 Hz。圖4c為濾波后的地震波形，圖4d為濾波后噪聲功率譜密度曲線，發現經過濾波后，地震信號清晰地顯露出來。

圖4 2017年8月3日湯加群島地區地震波形處理圖Fig.4 Seismic waveform processing in Tonga Islands area on August 3, 2017

第41頁圖5為2017年7月22日日本本州東岸近海Ms5.2地震波形，發震時刻09：46：55，震中距為21.1°，初至震相P波到時09：51。圖5a為濾波前疊加鉆井干擾的波形，圖5b為濾波后的地震波形。濾波帶通設為0.3～10 Hz，濾波后地震波初至震相清晰可辨。

第41頁圖6為2017年8月9日阿留申群島Ms5.0地震波形，發震時刻05：46：48，震中距為41.9°，P波到時05：54。圖6a為濾波前疊加鉆井干擾的波形，圖6b為濾波后的地震波形。

圖7為2017年8月31日陜西省榆林市榆陽區ML3.5地震波形，發震時刻07：25：06，震中距為430.4 km，初至震相PG到時07：26。圖7a為濾波前疊加鉆井干擾的波形，圖7b為濾波后的地震波形。

圖6 2017年8月9日阿留申群島地震波形處理圖Fig.6 Seismic waveform processing in Aleutian Islands on August 9, 2017

圖7 2017年8月31日陜西省榆林市榆陽區地震波形處理圖Fig.7 Seismic waveform processing in Yuyang District, Yulin City, Shaanxi Province on August 31, 2017

5 結論

(1) 通過對鉆井作業期間地脈動數據、地震事件數據做臺基噪聲功率譜密度分析，確定鉆井作業對測震數字記錄產生的干擾為高頻干擾，頻段大于5 Hz，尤其是10 Hz左右的干擾最為明顯，低頻段幾乎不受影響。鉆井產生的干擾嚴重影響地震數據質量，加大震相識別的難度。

(2) 對不同震中距地震事件數據做濾波實驗，濾波頻段的上限從10 Hz往下調整，要既能去掉干擾頻率又不影響地震信號。濾波頻段選取0.3～10 Hz可以濾掉絕大多數的干擾，使初至震相清晰顯露。