江蘇溧陽測震臺抗干擾措施效能分析

胡米東，宮 杰，毛華鋒，陳啟林，王 皓，張 杰，霍雨佳，黃 群

（江蘇省溧陽地震臺，江蘇溧陽 213332）

地球科學是以觀測為基礎的研究科學，觀測資料的準確性直接決定科研與應用的成效（徐紀人等，2009）。由于地表各類噪聲的影響，地震數據的使用效能往往大大降低，地震計對微小信號的檢測能力大大減弱（雷棟等，2006）。如何提高觀測數據信噪比成為觀測研究中最重要的課題之一（徐紀人等，2006）。在地震監測中，降低信號噪聲的各種抗干擾措施被廣泛研究和使用。夏忠等（2005）對FHD質子磁力儀的探頭及信號輸入通道、分量線圈、供電系統、通信線路、儀器電路、儀器控制軟件進行全方位抗干擾設計。李曉鵬等（2011）開展地電阻率深井觀測系統對地面已知干擾源的抗干擾能力測試。王莉森等（2017）在灤縣地震臺布設地磁場井下觀測系統，檢驗井下觀測的抗干擾效果，結果發現，地磁場井下觀測可抑制近距離鐵磁性物質干擾，但無法抑制直流供電干擾。崔慶谷等（2008）認為通過改進系統的動態特性來提高儀器的“噪聲免疫力”是解決當前重力、地傾斜儀器環境干擾問題的重要途徑。專家學者為降低地震數據噪聲水平，對各類不同噪聲進行研究和定量分析，并提出抗干擾措施。

溧陽測震臺（簡稱溧陽臺）地處江蘇省溧陽市，位于蘇、浙、皖三省交界處，受郯廬斷裂帶、茅山斷裂帶及其它斷裂帶影響，在地質構造上處于新華夏系NNE向茅山大斷裂與NWW 向活動斷裂交匯部位。2010年7月溧陽臺開始進行井下測震觀測，井深83 m，地震計采用掛壁方式固定在井下71 m 處，安裝BBVS．60DBH 地震計和EDAS-24GN數采儀。溧陽臺屬于C類地區臺站，且臺站觀測環境達Ⅰ級環境地噪聲水平。2016年6月長山路開工建設，2018年1月通車，道路最近處距溧陽臺測震井60 m，胡米東等（2022）對長山路通車對溧陽臺觀測環境的影響進行了定量分析，發現長山路通車后臺站背景噪聲水平增大，功率譜曲線高頻段值增大且形態離散，震中距250 km范圍內M1．0～1．9地震監測能力降低。為保障溧陽臺觀測數據質量，降低因長山路通車給溧陽測震臺造成的干擾，采取了安裝新井下測震觀測系統和在道路上設置限速限重標識2項抗干擾措施。本文收集了2項抗干擾措施實施前后的測震波形數據和地震目錄，通過臺基背景噪聲、功率譜密度曲線和地震監測能力3個指標，分析以上2項抗干擾措施的效能，同時為其他觀測臺提供參考。

1 抗干擾措施

1．1 設置限速限重標識

茅玉泉（1987）車輛振動實驗表明：車輛運行造成的振動頻率譜頻帶較寬，最大振動頻率集中在2．5～5 Hz和10～15 Hz；車速提高會導致振動頻率提高，汽車滿載比空載引起的振動幅度大50%至100%，因此重型車輛引起振動幅度比小汽車大得多。車速由10 km／h提高至60 km／h，地面振動幅度增加200%。汽車重量和車速與地面振動幅度成正比。為降低車輛對觀測環境影響，交管部門2018年6月在長山路溧陽臺路段兩端設置限速80 km／h和限制中重型載貨汽車通行標識。

1．2 安裝新井下測震觀測系統

為保障溧陽臺觀測數據質量，專家論證后決定在溧陽臺內選新址開鉆觀測井。新測震井距長山路160 m，鉆井2018年6月完工，井深208 m，套管深度208 m，套管外徑為146 mm、內徑為136 mm。2019年5月完成了儀器安裝調試，安裝了BBVS．60DBH 地震計和EDAS-24GN數采儀，地震計采用底座式安裝，底座安裝深度203 m，底座位置處斜度0．791°。

2 效能分析

兩項抗干擾措施均已實施一段時間，有必要進行效能分析，以便提高觀測數據信噪比。

2．1 設置限速限重標識效能分析

2018年1月長山路通車，溧陽臺路段視野開闊，車速較快，速度100 km／h以上車輛較多，少數車輛超過120 km／h。各類重型貨運卡車數量較多，白天一般20輛／h以上。2018年6月交管部門在長山路溧陽測震臺路段設置限速標識和限重標識。

分別選取設置限速限重標識前后老測震觀測系統一個月數據為樣本，通過對比兩個月臺站背景噪聲值及功率譜密度曲線，定量分析設置限速限重標識措施效能。為使計算結果更客觀，在考慮觀測設備一致（2019年4月地震計損壞）、樣本月份一致和強遠震發生少等因素后，選取2018年3月（設置限速限重標識前）和2019年3月（設置限速限重標識后）溧陽臺測震連續數據為樣本。經計算得出設置限速限重標識前后的臺站背景噪聲（圖1）和背景噪聲功率譜密度曲線（圖2）。

圖1 2018年3月（a）和2019年3月（b）溧陽臺背景噪聲RMS小時值分布圖

從圖1和圖2可以發現老測震觀測系統2018年3月的RMS值主要集中在2．133×10-8m／s，2019年3月的RMS值主要集中在1．573×10-8m／s，說明了2018年3月至2019年3月觀測系統的背景噪聲明顯下降。2018年3月和2019年3月各頻段噪聲功率譜曲線展布在NLNM 和NHNM 之間（圖2），表明設置限速限重標識前后溧陽臺觀測環境符合基本監測要求。2018年3月功率譜密度曲線中低頻段整體形態和2019年3月的較類似，曲線分布形態較窄，功率譜密度曲線值變化范圍較小，說明中低頻度段干擾源相對固定。2018年3月功率譜密度曲線高頻段（＞1．0 Hz）整體形態和2019年3月差異較大，2018年3月功率譜密度曲線分布離散，5～20 Hz頻段功率譜離散明顯，部分頻段功率譜差值達10 dB；2019年3月功率譜密度曲線高頻段分布集中，離散程度低于2018年3月，同一頻段功率譜差值在3～4 dB以內。這表明在人為干擾的高頻段，2018年3月溧陽臺周邊干擾類型較多，干擾強度有差別，分析認為與不同重量和速度重型車輛通行引起不同頻段的干擾有關。2019年3月溧陽臺周邊干擾明顯減少。綜合以上分析表明設置限速限重標識對降低長山路通車對溧陽臺觀測環境干擾是有效的。

圖2 2018年3月（a）與2019年3月（b）溧陽臺背景噪聲功率譜密度曲線

2．2 新井下測震觀測系統抗干擾效能分析

溧陽臺新井下測震觀測系統于2019年5月正式安裝運行。通過對比新井與老井臺基背景噪聲值、功率譜密度曲線和地震監測能力3個指標定量分析新觀測系統的抗干擾效能。

（1）臺基背景噪聲對比分析。新井觀測系統輸出．dat格式數據，統一使用童汪練噪聲功率譜密度測定軟件計算新老兩套井下觀測系統的臺基背景噪聲值。選取2020年11月1日00時至2020年11月2日23時2天48小時測震連續波形數據為樣本。通過計算1～20 Hz的臺基背景噪聲發現老井觀測系統臺基噪聲水平優于新井觀測系統（圖3）。老井觀測系統垂直向兩天平均臺基噪聲1．982×10-8m／s，根據《地震臺站觀測環境技術要求》（GB／T19531．1—2004），臺站觀測環境達Ⅰ級環境地噪聲水平。這兩天新井觀測系統的平均臺基噪聲為3．286×10-8m／s，噪聲水平高于老井觀測系統，觀測環境達Ⅱ級環境地噪聲水平。

圖3 圖3 2020年11月1～2日新（a）老（b）兩套井下測震系統臺基噪聲小時值圖

（2）功率譜對比分析。選取2020年11月1日00時至2020年11月2日23時2天觀測系統的垂直向連續數據為樣本，使用童汪練噪聲功率譜密度測定軟件計算兩套井下觀測系統功率譜密度曲線（圖4）。從圖4中可發現：雖然兩套觀測系統各頻段功率譜值均展布在皮特森模型噪聲低高值包絡線NLNM 和NHNM 之間，但高頻段（＞1．0 Hz）有明顯差異，同一頻段新觀測系統功率譜值分布更離散，表明新觀測系統在＞1．0 Hz頻段干擾比老系統大。

圖4 新（a）老（b）兩套井下測震系統功率譜密度曲線圖

（3）地震監測能力對比分析。兩套測震觀測系統在同一時間段內的地震監測能力是反映觀測設備及觀測環境優劣的一項重要指標。2019年7月1日至2020年12月31日期間，兩套觀測系統均使用BBVS．60DBH 地震計和EDAS-24GN數采儀，系統標定結果正常，兩套設備未出現故障。因此選取2019年7月1日至2020年12月31日溧陽臺兩套測震觀測系統地震記錄數據為樣本（數據來源：溧陽測震臺2019-2020年地震觀測報告），以溧陽臺為圓心，250 km為半徑，對比兩套系統的地震記錄情況（表1）。

從表1可看出：（1）兩套觀測系統對震中距250 km 內M1．0 以下和M3．0及以上地震監測能力相同；震中距0～100 km 內M2．0～2．9地震和震中距0～50 km內M1．0～1．9地震記錄數量相同。（2）老觀測系統在震中距250 km 內的監測能力優于或等于新觀測系統。（3）兩套觀測系統監測能力差距主要表現在震中距100～200 km 對M1．0～2．9地震的監測。例如震中距100～150 km 內，老觀測系統記錄到M1．0～1．9地震30次，新觀測系統記錄到M1．0～1．9地震20次；老觀測系統記錄到M2．0～2．9地震32次，新觀測系統記錄到M2．0～2．9地震24次。在同一震級段內，隨著震中距的增加，新觀測系統監測能力較老系統的監測能力下降更快；在同一震中距內，隨著震級的降低，新觀測系統的監測能力下降也更快。

表1 2019年7月至2020年12月溧陽臺兩套井下測震觀測系統地震記錄對比

（4）新觀測系統效能較低的原因分析。新測震觀測系統的臺基噪聲、功率譜值和地震監測能力3個指標均低于老觀測系統的指標，這表明老觀測系統觀測質量優于新觀測系統。盡管新地震計安裝深度（203 m）大于老地震計的安裝深度（71 m），新測震井位置與長山路的距離（160 m）較老測震井距長山路的距離（60 m）更遠，但新測震井的觀測數據質量卻更低，分析認為主要原因可能是觀測設備質量和安裝工藝。井下地震計的安裝專業性很強，對安裝人員的專業素質要求很高（胡米東等，2009）。對比兩套觀測系統記錄同一地震波形發現，老觀測系統Sg波衰減平穩，而新觀測系統Sg波衰減中多次出現高振幅干擾波形，該現象垂直向較明顯。很多地震波形中均出現該現象。地震波形中包含眾多信息，不乏各種干擾，這些干擾對震相識別與分析造成干擾（何思源等，2020）。分析認為，地震計固定和密封故障導致記錄受干擾可能性較高。

3 結論

通過計算和分析發現，溧陽臺新井下測震觀測系統臺基噪聲水平、功率譜值和地震監測能力3個指標質量均低于老觀測系統。新井距長山路更遠，地震計安裝位置更深，但觀測數據質量不如老井。根據觀測波形對比分析，懷疑觀測設備質量和安裝工藝是導致監測質量一般的原因。具體原因有待進一步調查和研究。設置限速限重標識后，溧陽臺臺基噪聲和功率譜值均有明顯改善，可見該措施對降低長山路對溧陽臺觀測環境干擾是有效的。