觀測環(huán)境變化對西安臺地震觀測的影響研究＊

曹沖，馮紅武，王建昌，楊婉婷

（陜西省地震局，陜西 西安 710068）

地震臺站是防震減災(zāi)工作的基礎(chǔ)單元，保證地震臺站監(jiān)測系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)、保護地震監(jiān)測設(shè)施及其觀測環(huán)境不受破壞和干擾，提供準確、及時、連續(xù)、可靠的地震監(jiān)測信息，是進行震情監(jiān)視、地震預(yù)報預(yù)警和最大限度地減輕地震災(zāi)害的重要前提。雖然GB/T 19531.1—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求第1 部分：測震》規(guī)定了地震臺站觀測環(huán)境的技術(shù)指標、地震計安放位置與主要干擾源之間的最小距離要求，但現(xiàn)實中中國的地震監(jiān)測設(shè)施及其觀測環(huán)境保護工作形勢非常嚴峻，任務(wù)非常緊迫[1]。目前全國有2/3 的地震臺站監(jiān)測設(shè)施及其觀測環(huán)境不同程度遭受破壞和影響，有1/5 的臺站因受到嚴重影響已不能進行正常觀測而被迫遷址重建。

哈輝[2-3]對地震監(jiān)測設(shè)施及觀測環(huán)境保護工作現(xiàn)狀進行分析，提出了加強地震監(jiān)測設(shè)施及觀測環(huán)境保護工作的措施和建議，并運用法學原理，結(jié)合有關(guān)防震減災(zāi)法律、法規(guī)，對地震監(jiān)測設(shè)施和觀測環(huán)境保護行政執(zhí)法20 個案例進行了綜合統(tǒng)計分析，探討了實際工作中涉及到的若干法律問題。王偉等[4]從地震觀測環(huán)境的概念入手，具體闡述了地震觀測環(huán)境保護范圍的劃定，地震觀測環(huán)境保護的重要性、現(xiàn)狀以及對策建議。王蘭蘭等[5]詳細分析了臺站觀測環(huán)境對地震觀測記錄的影響，為確保臺站觀測記錄的準確可靠，提出了相應(yīng)的對策。雖然以上研究都探討了對地震觀測環(huán)境保護的重要性，從法律、法規(guī)政策以及防震減災(zāi)宣傳等方面提出了保護地震觀測環(huán)境的相應(yīng)措施，但都沒有從技術(shù)角度上對臺站背景噪聲進行計算處理，定量分析地震臺站觀測環(huán)境變化對臺站地震觀測記錄的影響。

噪聲水平是衡量地震臺站觀測環(huán)境的一個指標，也是衡量地震臺站觀測的地震波形數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個重要因素。如果地震臺站的背景噪聲水平較高，就很難監(jiān)測到地震臺站周圍微弱的地面震動，這就大大降低了地震臺網(wǎng)的地震監(jiān)測能力。地震臺站背景噪聲可視為平穩(wěn)隨機信號，依據(jù)隨機過程理論，可用功率譜密度（Power Spectral Density，簡寫為“PSD”）來表征其特性。通過計算1～20 Hz 頻帶范圍內(nèi)噪聲均方根（RMS 值），可定量分析臺站背景噪聲水平[6]。

西安地震臺（以下簡稱“西安臺”）作為國家測震基準臺和中美合作的CDSN 觀測臺站，臺基為震旦系片麻狀花崗巖。因基巖完整，無風化，背景干擾小，放大倍率高，是一個理想的測震臺址[7]。在模擬觀測時期，地震觀測質(zhì)量多次獲得全國前三名的優(yōu)異成績。然而隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐明顯加快，許多道路、樓房在臺站周邊出現(xiàn)，觀測環(huán)境受到了很大的影響。另外，由于西安臺觀測山洞從1966 年使用至今，自然環(huán)境的變化對觀測儀器也產(chǎn)生了較大影響，包括山洞植被覆蓋、山洞濕度、溫度、降雨等，以及儀器自噪聲，這些干擾因素都會被地震計記錄，增大了臺站觀測的背景噪聲。同時臺站背景地噪聲還會隨著季節(jié)、時間而不斷變化。尤其是數(shù)字化改造以來，西安臺地震監(jiān)測設(shè)施和觀測環(huán)境遭受破壞問題也日益突出，觀測環(huán)境變化對測震觀測成績的影響已逐步地顯現(xiàn)出來。為此，有必要從科學角度的意義上分析研究西安臺觀測環(huán)境變化對地震觀測記錄的影響。本文擬利用數(shù)字化以來西安臺歷年來觀測波形記錄，計算臺基地動噪聲水平，分析觀測環(huán)境變化對臺基噪聲的影響，并實地調(diào)查分析影響觀測環(huán)境的主要干擾源特征。

1 地噪聲計算方法

本文采用GB/T 19531.1—2004[8]規(guī)定內(nèi)容，計算地動噪聲RMS 值，計算公式如下：

2 結(jié)果分析與討論

西安臺配置的地震計為甚寬頻帶儀器CTS-1E，又稱為ITC-120A，數(shù)據(jù)采集器采用EDAS-24GN，地震計觀測頻帶范圍為120 s～50 Hz，采樣率為100 Hz，架設(shè)方式為山洞地面擺架設(shè)，架設(shè)標準為B 類地區(qū)I類臺站[7]。選取西安臺2010—2017 年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，利用公式（1）計算西安臺環(huán)境背景噪聲水平的RMS值。一般情況下，臺站的干擾背景與時間有關(guān)系，白天干擾要多些，夜間要平靜些。每年每月進行地動噪聲計算，然后逐月繪圖對比。圖1 和圖2 分別為地動噪聲RMS 值逐月和逐年變化情況。可以看出，西安臺噪聲水平正逐年增大，臺基已從I級環(huán)境地噪聲水平降為Ⅱ級。

圖1 2010—2017 年西安臺地動噪聲平均RMS 值逐月變化圖

圖2 2010—2017 年西安臺地動噪聲平均RMS 值逐年變化圖

通過每年的噪聲結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，噪聲水平逐年增大。西安臺臺基噪聲變化與臺站周邊觀測環(huán)境影響有很好的一致性，主要表現(xiàn)為：①白天噪聲水平明顯偏大，節(jié)假日時間段噪聲水平也明顯增大；②臺站周邊施工干擾會造成高噪聲水平。

通過對西安臺地震觀測的主要干擾源進行實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西安臺干擾主要為人為噪聲，包括附近公路（距測震山洞約80 m）、農(nóng)民生產(chǎn)生活、施工干擾（偶有發(fā)生），這些都是人為活動引起的高頻噪聲，原則上均可避免。除此之外，還有山溝河流（距測震山洞約80 m），水流大小與季節(jié)性降雨有關(guān)，屬于自然噪聲。

為進一步對影響西安臺地震觀測的主要干擾源進行分析，利用希爾伯特-黃變換（HHT）[9-11]，對其時頻特征進行研究。車輛干擾是西安臺地震觀測常見的干擾，圖3 和圖4 為車輛干擾波形記錄及其HHT 時頻譜，圖5 和圖6 為施工干擾波形記錄及其HHT 時頻譜。從圖中可以看出，車輛干擾主要表現(xiàn)為高頻信息，頻段在10～22 Hz 之間，臺站周邊施工干擾的幅頻變化主要分布在5～25 Hz，這些干擾源主要以高頻信息為主。而天然地震波形（地方震）的頻帶信息主要分布在1～20 Hz，干擾與地震信息頻段有重合部分，這對地震記錄有重要影響。

圖3 受車輛干擾的地震觀測記錄

圖4 車輛干擾的HHT 時頻圖

圖5 受施工干擾的地震觀測記錄

圖6 施工干擾的HHT 時頻圖

3 結(jié)論

西安地震臺觀測環(huán)境變化對地震觀測產(chǎn)生了重大影響，臺基噪聲水平已經(jīng)從I類降為Ⅱ類水平。車輛干擾、人為活動以及臺站周邊的施工干擾是影響臺站地震觀測的主要干擾源。

通過對各類干擾源的波形記錄進行HHT 時頻分析，車輛干擾和施工干擾主要表現(xiàn)為高頻信息，頻段分別為10～22 Hz 和8～25 Hz，這與天然地震波形（地方震）的頻帶信息存在交叉，會對臺站地震觀測有重要影響。高頻干擾仍是地震觀測中噪聲的主要來源，壓制高頻干擾是提高地震觀測質(zhì)量的重要途徑。測震觀測宜以深度為2 m 以上擺坑，或者應(yīng)向井下地震觀測發(fā)展，可有效減少高頻和短周期等人為活動的強干擾，盡量減少與經(jīng)濟社會發(fā)展的矛盾。