小北湖火山臺遷建前后觀測數(shù)據(jù)對比分析

梁阿全 趙建通

（中國黑龍江 157009 黑龍江省牡丹江地震臺）

0 引言

鏡泊湖火山群位于吉林、黑龍江兩省交界的黑龍江省寧安縣西南，張廣才嶺主脊東側(cè)的叢山之中，全新世形成的火山口群集中在寧安縣小北湖林場管轄的“火口森林”和蛤蟆塘2個地區(qū)（盛中方等，1983）。鏡泊湖火山臺網(wǎng)中的小北湖火山臺位于小北湖林場西北20 km處的山坡上。2010年臺站所在地國家重點(diǎn)保護(hù)林場——小北湖林場發(fā)生火災(zāi)，主管部門停止對林場以外區(qū)域供電，小北湖火山臺處于斷電斷記狀態(tài)。為解決此問題，經(jīng)中國地震局批準(zhǔn)，2018—2019年對小北湖火山臺進(jìn)行遷建。新址位于小北湖林場辦公樓南側(cè)，儀器用電和網(wǎng)絡(luò)傳輸順暢，距鄉(xiāng)村公路和居民點(diǎn)約30 m。為評估遷建后臺站觀測質(zhì)量，對小北湖火山臺遷建前后地震背景噪聲進(jìn)行了對比分析，以判斷遷建前后數(shù)據(jù)質(zhì)量的變化情況，以期為判斷觀測環(huán)境的變化情況、儀器維護(hù)和如何進(jìn)一步提高觀測質(zhì)量等工作提供參考。

1 臺站概況

鏡泊湖火山臺網(wǎng)2005年建成投入使用，小北湖火山臺原臺址位于半山坡巖石上，高程496 m，地表出露破碎花崗巖，地震數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)胶邶埥〉卣鹁值卣鹋_網(wǎng)中心，地震計為英國CMG-3ESPC型，數(shù)據(jù)采集器為北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的EDAS-24IP型。為避免周邊居民活動的干擾，另選址安裝井下地震計，新址高程450 m，井深60 m，井斜1.67°，采用北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GL-CS60B型井下地震計及EDAS-24GN型數(shù)據(jù)采集器。儀器參數(shù)見表1。

表1 小北湖火山臺地震儀器參數(shù)Table 1 Parameters of seismometer at Xiaobeihu seismic station

2 資料及處理方法

2.1 資料

選取安靜時段的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)連續(xù)性，避免所選時段內(nèi)有地震、爆破和人為干擾。數(shù)據(jù)分為2組，第1組為原址2010年3月26日24 h數(shù)據(jù)；第2組為安裝井下地震計后2019年12月9日24 h數(shù)據(jù)。

2.2 資料預(yù)處理

（1）直流偏移消除處理。在計算噪聲功率譜前，需對選取數(shù)據(jù)進(jìn)行消除直流偏移處理。具體方法：對整個記錄長度求和后再除以記錄總數(shù)，即取記錄的平均值作為直流偏離量，然后逐點(diǎn)減掉直流偏離量。公式如下

式中，fj為每個采樣點(diǎn)的值；N為記錄總數(shù)。

（2）儀器響應(yīng)扣除。數(shù)字記錄是地震動經(jīng)過拾震器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的，只有將此過程中的影響從實(shí)際記錄中去除，才能得到真正的地面振動。主要利用拾震器傳遞函數(shù)扣除儀器響應(yīng)。公式為

式中，Sd為地震計的靈敏度；A0為地震計的歸一化因子；N為復(fù)零點(diǎn)數(shù)；M為復(fù)極點(diǎn)數(shù)；rn為地震計的復(fù)零點(diǎn)值；pm為地震計的復(fù)極點(diǎn)值。

2.3 地動噪聲有效值計算

使用北京港震儀器設(shè)備有限公司童汪練編寫的地動噪聲功率譜密度測定軟件計算地動噪聲有效值RMS（單位：m/s），計算公式為（中國地震局，2009）

式中，f0為分度倍頻程中心頻率；RBW相對帶寬，其計算公式為

式中，fu為分度倍頻程上限頻率；f1為分度倍頻程下限頻率。

2.4 有效動態(tài)范圍計算

臺站觀測動態(tài)范圍可反映觀測儀器自身性能和臺基環(huán)境噪聲背景水平，且有效動態(tài)范圍反映了臺站可以記錄到地震信號的最大能力。然而，由于臺站環(huán)境噪聲與地震信號的疊加，儀器往往達(dá)不到所設(shè)計的動態(tài)范圍，只能達(dá)到有效測量動態(tài)范圍，后者計算公式為

式中，V0為模擬輸入峰值電壓；Gm為數(shù)據(jù)采集器實(shí)際工作時的增益；S1為地震計的工作靈敏度。

3 計算結(jié)果

地震臺站環(huán)境噪聲水平在1天的不同時段內(nèi)存在差異，白天噪聲較大，夜間較小，噪聲與季節(jié)之間也存在密切關(guān)系（任梟等，2004）。一般來說，小北湖林場所處區(qū)域春夏季人文活動較多，干擾也較多；秋冬活動少，干擾相對較少。故選擇冬季3月、12月較平靜時段的數(shù)據(jù)。

3.1 噪聲功率譜

Peterson（1993）統(tǒng)計了全球地動噪聲，得到新的全球公認(rèn)的地區(qū)正常噪聲新模型，包括新高噪聲模型（NHNM）和新低噪聲模型（NLNM），分別確定地動加速度高噪聲邊界曲線和低噪聲邊界曲線（圖1），表征整個觀測頻帶的噪聲水平狀況，是評價地球上任意地震臺站臺基背景噪聲水平的基本標(biāo)準(zhǔn)。圖1顯示：①在0.001—0.100 Hz頻段，功率譜曲線差別明顯，GL-CS60B型井下地震計三分量噪聲比CMG-3ESPC型地震計噪聲小，在長周期地震記錄中占優(yōu)勢；②在0.1—1.0 Hz頻段，2套儀器記錄曲線較一致，井下地震計記錄曲線相對集中平滑；③在1—20 Hz，2套儀器記錄良好，噪聲水平均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，對于地方震和近震都能獲得理想的監(jiān)測效果。

圖1 小北湖火山臺遷建前后背景噪聲功率譜（a）2010年3月26日CMG-3ESPC型地震計；（b）2019年12月9日GL-CS60B型地震計Fig.1 Background noise power spectrum curves before and after the relocation of Xiaobeihu Seismic Station

選取2套儀器UD向觀測數(shù)據(jù)，將臺站遷建前后24 h功率譜數(shù)值按時間序列繪制成圖，橫軸表示時間，縱軸表示頻率，展示出1天中功率譜數(shù)值的變化（圖2）。由圖2可見：①遷建前CMG-3ESPC型地震計，在時間域7時、19時會出現(xiàn)2個峰值區(qū)；在頻率域，峰值主要出現(xiàn)在10—12 Hz、18—20 Hz區(qū)域。②遷建后GL-CS60B型井下地震計，在時間域14時出現(xiàn)峰值；在頻率域，峰值集中在20 Hz左右。從時間序列的整體效果來看，遷建后功率譜噪聲值普遍降低10—20 dB，明顯低于遷建前儀器記錄，遷建后功率譜峰值較少，數(shù)值波動更平緩，可滿足提高監(jiān)測質(zhì)量和數(shù)據(jù)精度的要求。

圖2 臺站遷建前后各時間點(diǎn) PSD 值比較（a）原址；（b）遷建后Fig.2 Comparison of PSD values at various time points before and after relocation

3.2 RMS值

圖3、4分別為小北湖火山臺臺基地動噪聲RMS小時均值（1—20 Hz、0.01—0.33 Hz）。由 圖3、4可見，在1—20 Hz頻段，臺基地動噪聲RMS值（3個分量），由遷建前平均1.5×10-8m/s，降低到遷建后的0.5×10-8m/s左右；在 0.01—0.33 Hz頻段，臺基地動噪聲RMS值（3個分量）由遷建前平均0.4×10-8m/s降低到0.08×10-8m/s左右，降幅明顯。在選取的24 h數(shù)據(jù)里，1—20 Hz頻段內(nèi)，有2個噪聲RMS高值區(qū)，分別為6—7時、14—16時，遷建前后都有出現(xiàn)。表2為遷建前后臺基礎(chǔ)噪聲RMS均值、差值。由表2可見，（李雷等，2017）遷建后地動噪聲RMS值整體下降，其中，UD向降幅22.0%，EW向降幅58.2%，NS向降幅62.8%。

表2 遷建前后臺基礎(chǔ)噪聲RMS均值、差值Table 2 Average and different values of the ground motion noise RMS before and after relocation

圖3 小北湖火山臺臺基地動噪聲RMS小時均值（1—20 Hz）（a）原址；（b）遷建后Fig.3 The hourly average ground motion noise RMS values (1—20 Hz)

圖4 小北湖火山臺臺基地動噪聲RMS小時均值（0.01—0.33 Hz ）（a）原址；（b）遷建后Fig.4 The hourly average ground motion noise RMS values (0.01—0.33 Hz)

4 結(jié)論

選取鏡泊湖火山臺網(wǎng)——小北湖火山臺遷建前后觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）遷建前臺站CMG-3ESPC型地震計位于近東西走向山坡的迎風(fēng)坡上，頻率域峰值出現(xiàn)在10—12 Hz，18—20 Hz區(qū)域。因臺站地處山坡，且距居民點(diǎn)較遠(yuǎn)，可初步排除人為活動干擾，可能主要是風(fēng)引起山中樹木搖擺或直接作用在山體上引起地表輕微晃動或傾斜（葛洪魁等，2013），形成高頻噪聲。

（2）在1—20 Hz頻段內(nèi)，遷建后功率譜噪聲值普遍降低10—20 dB；由RMS值來看，UD向降低22.0%，EW向降低58.2%，NS向降低62.8%，遷建后井下儀器地動噪聲RMS值 基本穩(wěn)定在0.08×10-8m/s左右，沒有峰值，沒有周期性波動，進(jìn)一步說明了井下儀器受外界影響較小，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

（3）小北湖火山臺遷建前地噪聲水平為0.94×10-8m/s，遷建后為0.58×10-8m/s；據(jù)中國地震局（2009），Ⅰ級環(huán)境地噪聲水平Enl＜3.16×10-8m/s，因此，小北湖火山臺選址符合規(guī)范要求，遷建前后均達(dá)到Ⅰ級臺基水平，遷建后井下環(huán)境抗干擾能力更強(qiáng)，觀測效果更好。