山東數(shù)字測震臺站臺基背景噪聲分析

王 良 王杰民 李 鉑 吳 雙 李小晗

（中國濟(jì)南 250014 山東省地震局）

0 引言

2004年山東測震臺網(wǎng)開始建設(shè)，于2007年通過驗收并投入使用，其包括1個臺網(wǎng)中心和40個參評測震臺。數(shù)字地震臺網(wǎng)大大提高了山東省地震監(jiān)測能力，推動了地震儀器由模擬到數(shù)字的改革，將數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程通訊、數(shù)字信號存儲及傳輸?shù)痊F(xiàn)代化技術(shù)手段融合在一起，優(yōu)化并提高了分析處理地震事件的效率和質(zhì)量。但是，1個臺網(wǎng)的監(jiān)測能力不僅取決于臺網(wǎng)儀器的性能，還取決于各子臺環(huán)境地噪聲水平。因此，在臺址選取時要計算臺基噪聲功率譜密度，并根據(jù)GB/T19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）對臺站的環(huán)境背景噪聲進(jìn)行評級。對于運行中的臺站，要定期測定臺基背景噪聲，通過累計的歷史噪聲數(shù)據(jù)來評估臺站觀測環(huán)境的變化，以便及時了解各子臺地震監(jiān)測能力的變化，并作出相應(yīng)的調(diào)整。本文通過計算山東地震臺網(wǎng)各子臺的臺基噪聲水平，分析了各區(qū)域子臺噪聲等級不同的原因，對各類臺基和設(shè)備進(jìn)行直觀評價，旨在為測震臺網(wǎng)的正常運行提供參考實據(jù)。

1 子臺概況及新變更臺站

山東數(shù)字測震臺網(wǎng)由1個臺網(wǎng)中心和40個參評測震臺組成，其中，4個為國家數(shù)字測震臺，36個為區(qū)域數(shù)字測震臺，覆蓋范圍涵蓋了山東全部16地市，2020年新增棲霞臺、平邑臺、巴山臺等3個區(qū)域地震臺站參加國家區(qū)域測震臺網(wǎng)評比工作，原東營地震臺、臨朐地震臺、濟(jì)陽地震臺因深井?dāng)[損壞、難以維護(hù)等原因不再參與全國評比。此次參評臺站的更換，保證了山東省參評臺站的運行率，提高了山東測震臺網(wǎng)的地震監(jiān)測水平。

圖1 山東省測震臺網(wǎng)參評臺站分布Fig.1 Distribution of appraised seismic stations in the Shandong Digital Seismic Network

山東數(shù)字測震臺網(wǎng)40個子臺中，有34個為地面基巖臺基（花崗巖、砂頁巖、灰?guī)r），主要采用北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BBVS-60/120寬頻帶地震計；6個位于松散沉積土質(zhì)地區(qū)，配備FSS-2B/GL-S2B短周期井下地震計，數(shù)據(jù)采集器主要采用港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN/24IP數(shù)據(jù)采集器。臺站信號及數(shù)據(jù)主要通過光纖或3G/4G網(wǎng)卡連通的路由器傳輸至山東省地震局測震臺網(wǎng)中心進(jìn)行相應(yīng)的分析處理。

2 資料選取

雖然山東各子臺站均符合相關(guān)技術(shù)要求，但為保證長年的觀測質(zhì)量，仍需每年4月、10月2次對山東測震臺網(wǎng)全部參評臺站進(jìn)行臺基背景噪聲的測算，隨機(jī)從每個臺站選取 1 h無震、無重大干擾的波形數(shù)據(jù)，計算背景噪聲均方根RMS值、有效測量動態(tài)范圍和噪聲功率概率密度譜，并進(jìn)行臺基分類及噪聲概率密度譜分析。本文通過選取山東測震臺網(wǎng)40個子臺剔除地震等重大干擾后的波形數(shù)據(jù)，對各臺站臺基噪聲水平進(jìn)行分析，利用Welch方法計算噪聲功率譜密度（PSD），進(jìn)而計算地震臺臺基1—20 Hz頻段地動噪聲均方根值（RMS）和有效動態(tài)觀測范圍，依照GB/T19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）對計算結(jié)果進(jìn)行分析，以判斷各臺站是否符合觀測要求。

3 臺基背景噪聲計算

3.1 有效動態(tài)觀測范圍

數(shù)字地震計所直接記錄的數(shù)據(jù)是counts值，在實際計算中，需要將此電壓值轉(zhuǎn)化為地動速度（單位：m/s）?？筛鶕?jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換

其中，v為地動速度，單位：m/s；N為實際記錄電流值，單位：counts；UF為數(shù)采模擬輸入的滿幅電壓值，單位：V；R為儀器分辨率，單位：counts；S為地震計工作靈敏度，單位：V·s/m；G為數(shù)采的實際工作增益。

實際使用1—20 Hz頻段地動噪聲均方根值（RMS）來衡量各子臺臺基背景噪聲水平。計算公式如下

式中，Ui為實際測量某點速度值，單位：m/s；v為速度均值，單位：m/s；n為實際測量的點數(shù)。

臺站的有效動態(tài)觀測范圍，在觀測儀器自身性能不變的情況下，反映了臺基環(huán)境背景噪聲水平，有效動態(tài)測量范圍計算公式為

3.2 臺基噪聲功率譜密度

功率譜表示隨機(jī)信號的頻率成分以及各成分的相對強(qiáng)弱，功率譜估計就是基于有限長度的數(shù)據(jù)來計算功率譜。功率譜估計有周期圖法、自相關(guān)法和參數(shù)模型法。在地震觀測臺站臺基噪聲功率譜密度估計中，通常使用Welch方法，該方法實際為改進(jìn)的周期圖法。Welch方法首先將輸入數(shù)據(jù)分段，對每一數(shù)據(jù)段應(yīng)用窗函數(shù)加權(quán)，計算周期圖，對分段周期圖進(jìn)行平均得到功率譜。臺基噪聲功率譜一般轉(zhuǎn)換為加速度功率譜表示。繪圖時需將速度功率譜，經(jīng)傳遞函數(shù)校正后轉(zhuǎn)化為加速度功率譜，并繪制NLNM（地球低噪聲新模型）、NHNM（地球高噪聲新模型）曲線作為參考。

通過選取并計算2021年4月山東各子臺無地震波形事件的無明顯干擾的1 h數(shù)據(jù)，并計算其1—20 Hz的RMS值后，將所得結(jié)果與2020年計算結(jié)果進(jìn)行比較，繪制出山東測震臺網(wǎng)各子臺的噪聲等級分布圖（圖2）。根據(jù)臺基地動噪聲分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004），按1—20 Hz觀測頻段（表1），將山東測震臺網(wǎng)40個參評測震臺站的臺基地動噪聲水平劃分為5類：Ⅰ類臺基噪聲水平為 Enl＜3.16×10-8m/s，有長島地震臺、萊陽地震臺、龍口地震臺、梁山地震臺、棲霞地震臺、榮成地震臺、乳山地震臺、郯城地震臺、泰安地震臺、鄒城地震臺；Ⅱ類臺基噪聲水平為3.16×10-8m/s≤Enl＜1.00×10-7m/s，有安丘地震臺、北隍城地震臺、朝連島地震臺、蒼山地震臺、海陽地震臺、嘉祥地震臺、莒縣地震臺、臨沭地震臺、萊州地震臺、牛嵐地震臺、平邑地震臺地震臺、日照地震臺、商河地震臺、濰坊地震臺、威海地震臺、五蓮地震臺、新泰地震臺、沂水地震臺、煙臺地震臺、諸城地震臺、周村地震臺；Ⅲ類臺基噪聲水平為1.00×10-7m/s≤Enl＜3.16×10-7m/s，有成武地震臺、獨山島地震臺、德州地震臺、監(jiān)測中心臺、莒南地震臺、文登地震臺；Ⅳ類臺基噪聲水平為3.16×10-7m/s≤Enl＜1.00×10-6m/s，有大山地震臺、聊城地震臺、青島地震臺；Ⅴ類臺基噪聲水平為1.00×10-6m/s≤Enl＜3.16×10-6m/s。

表1 山東省測震臺網(wǎng)數(shù)字地震臺1—20 Hz范圍內(nèi)RMS值和觀測動態(tài)范圍Table1 RMS values and dynamic observational dynamic ranges in the frequency band ofwithin 1-20 Hz of digital seismic stations of the Shandong Seismic Network

圖2 山東測震臺網(wǎng)參評臺站臺基噪聲水平Fig.2 Three-dimensional schematic diagram of the background noise level of Shandong Seismic Network

圖3為山東省地質(zhì)圖。由圖2、圖3可見，不同臺站臺基噪聲水平具有不同特征，部分臺站，如大山地震臺(DSH)，地貌為玄武巖（屬于質(zhì)地較軟的火山巖），噪聲水平相對較高；在魯西北及魯西南地區(qū)，因地質(zhì)構(gòu)造為平原土質(zhì)層，故使用深井?dāng)[，如德州地震臺(DZH)、聊城地震臺(LCH)、成武地震臺(CHW)，臺基噪聲也較大；在魯中及魯東沿海地區(qū)，地貌多為較硬的基巖，故多采用普通擺，這也能保證較低的臺基噪聲水平。此外，莒南地震臺(JUN)噪聲較大是附近施工干擾所致；青島地震臺(QID)、監(jiān)測中心臺(JCZ)所處地帶為鬧市區(qū)且靠近馬路，人類活動頻繁；文登地震臺(WED)附近有1個水庫，故噪聲較大。圖4列舉了較有代表性的莒南地震臺（JUN）、大山地震臺（DSH）、德州地震臺（DZH）、青島地震臺（QID）的PSD（噪聲功率譜密度）圖，以便直觀展示不同干擾因素下噪聲水平的變化。

圖3 山東省地質(zhì)圖（改自張永清等，2019）Fig.3 Geological map of Shandong Province (changed from Zhang et al,2019)

圖4 山東測震臺網(wǎng)噪聲功率譜密度示例（a）莒南地震臺（BBVS-60測定）；（b）大山地震臺（BBVS-60測定）；（c）德州地震臺（FSS-3DBH測定）；（d）青島地震臺（CTS-1測定）Fig.4 Examples of background noise power spectral density curves of Shandong Seismic Network

4 結(jié)論

通過對山東數(shù)字測震臺網(wǎng)參評地震臺站背景噪聲的計算和分析，得到背景噪聲均方根RMS值、有效測量動態(tài)范圍，再按照噪聲水平進(jìn)行分類，分析各臺站噪聲功率概率密度譜的概率事件與臺站背景噪聲間的關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1）按照地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求，山東數(shù)字測震臺網(wǎng)40個參評臺站中的大多數(shù)臺站達(dá)到Ⅱ類臺及以上標(biāo)準(zhǔn)，這些臺站臺基噪聲水平較低，有效測量動態(tài)范圍較大，可滿足地震觀測的需求，組成了一張有效的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

（2）山東測震臺網(wǎng)不同參評臺站臺基噪聲水平具有不同特征，有部分臺站，如莒南地震臺、監(jiān)測中心臺，地貌為花崗巖，噪聲水平相對較高；德州地震臺、聊城地震臺、成武地震臺，為深井?dāng)[臺站，臺基噪聲水平普遍較大，這與一般選擇沉積層厚、噪聲較大的平原區(qū)建設(shè)井下臺站有關(guān)；此外，文登地震臺附近有1個總庫容2.8億m2的水庫，存在干擾；由于青島地震臺建成時間較早，目前臺站位于鬧市區(qū)且臨近馬路，土層較松散，因而噪聲水平較高。

5 結(jié)束語

通過分析不同臺站背景噪聲水平較低的原因，可以掌握臺站觀測環(huán)境的變化情況，及時發(fā)現(xiàn)并改正臺站運行中出現(xiàn)的問題：①對于地震觀測設(shè)備問題，可及時對設(shè)備進(jìn)行維修更換；②對于環(huán)境變化問題，若為人為因素（施工、改造等）所致，爭取盡快協(xié)調(diào)處理，若為影響較大且短期無法解決的自然因素所致，有條件時可申請變更重要觀測臺站，以保證良好的地震觀測環(huán)境，為地震監(jiān)測預(yù)報工作提供有力支撐。