烏加河地震臺、烏力吉地震臺臺基噪聲特征對比分析

段 昊 安 全 海 峰 馮雪東 郭 雷 王耀臨

1）中國呼和浩特 010010 內蒙古自治區地震局

2）中國內蒙古自治區 015323 烏加河中心地震臺

3）中國內蒙古自治區 010010 呼和浩特基準地震臺

0 引言

在地震臺站的日常觀測中，因地震計內部構造精密，故實際觀測性能會受到外界環境的影響。地震計記錄到的波形包括天然地震、人工爆破、地脈動波形、環境噪聲（氣流、海浪、人文、氣壓、溫度等噪聲）等，其中不是由天然地震產生的波形稱之為背景噪聲。地震臺站的背景噪聲水平直接決定了臺站的地震記錄能力，因此對背景噪聲進行量化分析是研究臺站噪聲水平的首要步驟。Peterson（1993）通過研究全球范圍的75 個固定地震臺站，給出地球正常噪聲新模型來衡量地震臺站的噪聲水平。由此研究得出的地球高噪聲模型（new high noise model，簡寫為NLNM）和地球低噪聲模型（new low noise model，簡寫為NLNM），適用于全球所有地震臺站。在Peterson（1993）的基礎上McNamara 等（2004）首次提出基于傳統的噪聲功率譜密度（power spectral density，簡寫為 PSD）的分析方法，并分析了美國大陸的背景噪聲水平，提出了用概率密度函數（probability density functions，簡寫為PDF）統計分析地震觀測臺站噪聲水平的方法。該方法區別于傳統的PSD 方法，在計算中不需要排除地震在內的突發事件，這樣就方便了選取連續性的波形數據，因此可以得到更準確的地震計噪聲特性。此后，劉旭宙等（2018）研究認為，PDF 方法可以有效判斷不同觀測儀器在相同觀測環境下的細微差別，對不同儀器觀測性能的差別給出量化、直觀的結果。謝江濤等（2018）研究發現，地震臺站連續觀測波形的功率譜密度概率分布，對人為的活動、車輛等高頻干擾以及地震事件反應較好，可以較好反應出地震監測臺站的數據記錄質量。在使用地震計之初，臺站觀測就一直存在環境干擾帶來的監測能力不足的困擾，李雷等（2017）通過對比昆明地震臺地面、井下寬頻帶地震計背景噪聲，發現基巖地區井下觀測可有效減少高頻噪聲干擾，高頻噪聲干擾即人為活動造成的噪聲干擾。葛洪魁等（2013）研究認為，地震觀測中的噪聲主要包括人為噪聲、微震噪聲和風、大氣壓、溫度等因素引起的自然噪聲。人為噪聲集中在短周期頻段和高頻頻段，自然噪聲集中在長周期頻段。此外，通過研究噪聲功率譜密度還可以為改進地震計的綜合性能提供有力依據，安全等（2019）通過計算噪聲功率譜密度的方法研究了地震計保溫效能；此后，安全等（2021）用相同的方法評估了內蒙古區域測震臺站背景噪聲水平，也得到了較好結果。

本文擬通過對比烏加河地震臺與烏力吉地震臺不同觀測環境所記錄數據的PDF，定量觀察2 個臺站臺基背景噪聲之間的差異，深入理解背景噪聲對觀測性能的影響，旨在為探究降低背景噪聲方法提供參考。

1 烏加河地震臺、烏力吉地震臺簡介

烏加河地震臺位于內蒙古自治區巴彥淖爾市境內的陰山山脈南麓，觀測洞體深約130 m，基巖為古生代閃長巖，觀測室溫度日變化不超過0.02 ℃，年變化不超過0.50 ℃。該臺的臺基條件較好，在“十五”數字地震觀測網絡項目中裝配了JCZ-1 型超寬（360—50 Hz）帶地震計、BBAS-2 型加速度計、EDAS-24GN6 型數據采集器，提高了地震監測動態范圍和頻帶寬度。數據采集器采樣率為100 sps，動態范圍大于140 dB；BBAS-2 型加速度計的頻帶范圍為DC—80 Hz，采樣率為200 sps，動態范圍大于130 dB。從2001 年運行以來，該地震臺一直為內蒙古測震臺網乃至全國測震臺網中記錄能力較好的臺站。近年來，隨著臺站周邊交通狀況的不斷改善，特別是國道335 的修建，烏加河地震臺的記錄能力逐漸減弱。本文即在此背景下擬量化分析烏加河地震臺觀測性能受干擾的程度。

烏力吉地震臺位于阿左旗北部，東與敖倫布拉格鎮、巴盟烏拉特后旗接壤，南與吉蘭泰鎮、巴彥諾爾公蘇木毗鄰，西與阿右旗阿拉騰敖包鎮相連，北與蒙古國交界。自然地形為南高北低，地貌以戈壁、荒漠、丘陵為主，區域氣候受到海拔高度和沙漠的影響，干旱少雨，光、風資源較豐富，而水資源奇缺。干旱少雨的沙漠地形導致烏力吉日溫差可達20 ℃，年溫差可達60 ℃。臺站基巖為花崗巖，臺站配備了BBVS-120 型甚寬頻（120—50 Hz）帶地震計和24 位數據采集器。該臺的觀測方式為地面觀測，較大的溫差會對地震計所記錄到的波形產生一定影響。本文擬定量研究烏力吉地震臺觀測數據受溫度等的影響程度，以期為今后在沙漠中新建地震臺提供一定的理論依據。臺站信息及臺站地理位置見表1、圖1。

圖1 烏加河地震臺、烏力吉地震臺的位置Fig.1 The location of Wujiahe Station and Uliji Station

表1 臺站信息Table 1 The information of different stations

2 數據處理方法

2.1 數據預處理

使用烏加河地震臺、烏力吉地震臺原始波形，并進行預處理。由于采用PDF 方法，該方法在計算中不需要排除地震在內的突發事件及觀測系統的瞬態變化、儀器毛刺（如數據記錄階躍、限幅、尖峰、標定）等信號，因此，拾取的波形數據中沒有去除上述信號，利用此方法可以得到更精確的地震臺站臺基噪聲特性圖。

2.2 計算功率譜密度

通過對隨機穩態的離態波形數據進行傅里葉變換，可估算出噪聲功率譜密度。

對周期時間序列y(t)的有限范圍，傅里葉變換可表示為

式中，Tr為時間序列長度；f為頻率。對離散頻率值fk，傅里葉變換定義為

式中，fk=k/(NΔt)，其中，k=1，2，3，…，N-1；Δt為采樣間隔（0.01 s）；N=Tr/Δt為截取時間段的采樣點數。

根據維納—辛欽定理，PSD 定義為

對波形數據進行去均值、去長周期成分，將每小時波形分為13 段，設采樣率為100 Hz，則1 h 的功率譜密度值由13 段功率譜密度值進行平均得到。

地震計記錄的連續波形數據為地脈動速度量，采用下式將速度PSD 值轉換為加速度PSD 值

式中，Pk為速度功率譜密度；Pak為加速度功率譜密度。

在儀器頻帶范圍內計算噪聲功率譜時，儀器傳遞函數對結果的影響不大。但如果超出頻帶范圍，超出的頻帶范圍越遠，儀器自噪聲等因素的影響越大。在超出頻帶范圍的計算中若沒有扣除儀器傳遞函數，PSD 曲線將明顯失真，所以需要扣除儀器傳遞函數的影響，以真實反映地噪聲物理量值

式中，PSDa為真實地面運動加速度功率譜；H(s)為系統傳遞函數。

2.3 平滑處理

為了得到 PSD 在頻域對數坐標中呈等間隔均勻分布，采用 1/3 倍頻積分作平滑處理

其中，f1=2-1/6fc為頻帶下限頻率；fh=21/6fc為頻帶上限頻率；n為介于二者之間頻率f的個數。由式（6）得到中心頻率fc的PSDa（fc）平均值PSDa（fc），將其作為fc加速度的PSD 值，中心頻率fc以 1/9 倍頻程為增加步長，即下一個中心頻率與當前中心頻率fck的關系為，按照新的中心頻率重新計算相應的f1和fh，然后將新的f1和fh之 間的 PSD 值平均值作為下一個中心頻率fc的 PSD 取值。如此，在fc的取值范圍 0.02—40.00 Hz 內，每個記錄段的 PSD 平均值賦予中心頻率依次在對數坐標系呈等間隔隨頻率變分布。

2.4 計算概率密度函數

每個中心頻率fc的 PSD 概率密度函數為

其中，Nfc為fc頻點的記錄段總數；NPfc為fc頻點的 PSD 值落在某 PSD 取值范圍內的記錄段個數，在本研究中 PSD 窗長與步長都取 1 dB，變化范圍為-200— -50 dB。然后，以f為橫坐標，以 PSD 為縱坐標，以PPSD(fc)為色塊繪制三維平面圖，得到PDF 分布圖，不同色塊代表某頻點在一定 PSD 窗內功率譜概率數。

臺站環境背景噪聲水平的速度均方根值（RMS）計算公式為

式中，RBW=(fh-f1)/fc為相對寬度。

3 RMS 值計算及PDF 圖繪制

利用烏加河地震臺、烏力吉地震臺的觀測數據，計算2 個臺站的背景噪聲水平的速度均方根值、功率譜密度（PSD），通過得出的數據繪制各通道PSD 值、PDF 圖。

3.1 RMS 值

選取2020 年5 月1—7 日烏加河地震臺、烏力吉地震臺記錄的波形數據，計算2 個臺的背景噪聲均方根（RMS）平均值，計算結果見表2。

表2 烏加河地震臺、烏力吉地震臺RMS 值Table 1 RMS value of Wujiahe Station and Uliji Station

3.2 臺基噪聲

截取2020 年5 月1—7 日烏加河地震臺、烏力吉地震臺的原始地震波形數據，運用PDF 方法，不需要去除地震在內的突發事件及觀測系統的瞬態變化、儀器毛刺等信號，直接計算相應臺站的PSD 值，通過計算出的PSD 值繪制PDF 圖（圖2）。

圖2 2020 年5 月1—7 日烏加河地震臺、烏力吉地震臺三分向PDF 圖（a）烏加河地震臺南北向（BHN）；（b）烏力吉地震臺南北向（BHN）；（c）烏加河地震臺東西向（BHE）；（d）烏力吉地震臺東西向（BHE）；（e）烏加河地震臺垂直向（BHZ）；（f）烏力吉地震臺垂直向（BHZ）Fig.2 Three position PDF figures of Wujiahe Station and Uliji Station from May 1st to 7th

由圖2 可見，烏力吉地震臺在低于0.1 Hz 頻段臺基噪聲曲線變化幅度較大，接近全球高噪聲模型NHNM，其中，SN 向已超過全球高噪聲模型NHNM；烏加河地震臺在低于0.1 Hz頻段臺基噪聲曲線相對較平緩。但是，烏加河地震臺在2—10 Hz 頻段的臺基噪聲曲線變化幅度較大，而烏力吉地震臺在2—10 Hz 頻段曲線較平穩。

3.3 中午、凌晨2 個不同時段臺基噪聲

選取烏加河地震臺、烏力吉地震臺9—13 時與0—5 時2 個時段內波形數據，分析在其他外界環境不變的情況下，環境溫度的變化對不同觀測形式下臺基噪聲的影響。烏加河地震臺地震計放置在由山體覆蓋的山洞內，洞內全年恒溫恒濕，受外界溫度變化的影響較小；烏力吉地震臺地震計放置在觀測房內擺墩上，由于觀測房結構簡單，墻體較薄，不能起到較好的保溫作用，故烏力吉地震臺地震計受外界溫度變化的影響較大。

圖3 為烏加河地震臺、烏力吉地震臺白天與夜間的臺基噪聲特性曲線。由圖3 可見，溫度的變化對地震計的影響明顯。綜合分析烏加河地震、烏力吉地震臺的臺基噪聲特性曲線及臺站環境可知，烏力吉地震臺地震計受周圍溫度影響較大，這導致烏力吉地震臺的臺基噪聲特性曲線在低于0.1 Hz 的低頻段內噪聲曲線呈較大幅度的變化。

圖3 烏加河地震臺、烏力吉地震臺白天與夜間時段垂直向PDF 地基噪聲（a）烏加河地震臺9—13 時；（b）烏加河地震臺0—5 時；（c）烏力吉地震臺9—13 時；（d）烏力吉地震臺0—5 時Fig.3 Comparison of the characteristics of vertical component of PDF foundation noise during daytime and nighttime at Wujiahe Station and Uliji Station

3.4 烏加河地震臺、烏力吉地震臺谷歌地圖

為了充分了解不同環境因素對烏加河地震臺、烏力吉地震臺地震計臺基噪聲的影響，從谷歌地球上截取烏加河地震臺、烏力吉地震臺的谷歌地圖（圖4），通過谷歌地圖計算出烏加河地震臺、烏力吉地震臺距人類聚居區的直線距離，以間接地了解人為活動對臺基噪聲產生的影響。

圖4 烏加河地震臺（a）、烏力吉地震臺（b）谷歌地圖Fig.4 Satellite Images of Wujiahe Station and Ulij stations

對比烏加河地震臺、烏力吉地震臺三向2—10 Hz 高頻段臺基噪聲特性圖（圖2），并結合谷歌地圖（圖4）查看2 個臺2 km 范圍內的周圍環境可知，烏加河地震臺靠近村莊，人為干擾嚴重，這導致烏加河地震臺的臺基噪聲特性曲線在2—10 Hz 高頻段呈現較大幅度變化；而烏力吉地震臺距村莊較遠，故2—10 Hz 高頻段噪聲對其干擾較小，所以烏力吉地震臺在2—10 Hz 高頻段臺基噪聲曲線較平穩。

4 結論

通過對比烏加河地震臺、烏力吉地震臺的波形數據功率譜概率密度譜，并考慮2 個地震臺所處的地理環境因素，得出以下結論。

烏力吉地震臺的臺基噪聲主要包括人為噪聲、微震噪聲和由風、大氣壓、溫度等因素引起的自然環境噪聲，其中，烏力吉地震臺地震計受到溫度變化的影響較大，環境噪聲對地震計的影響主要集中在低頻段，這導致烏力吉地震臺在低頻段噪聲曲線變化幅度較大；烏加河地震臺地震計位于觀測山洞內，洞內常年溫度、氣壓變化較小，地震計受環境噪聲的影響較小，人為噪聲對地震計的影響主要集中在高頻段，這導致烏加河地震臺在高頻段臺基噪聲曲線變化幅度較大。因此，在臺站建設初期可通過改變洞體結構，以及使臺站遠離主要公路、村鎮的方法降低觀測中的背景噪聲。