人類活動對烏加河地震臺背景噪聲的影響

段 昊 安 全 馮雪東

1）中國呼和浩特010010內蒙古自治區地震局

2）中國呼和浩特010010內蒙古自治區地震臺

3）中國內蒙古自治區015323烏加河中心地震站

0 引言

地震的發生和孕育機制復雜，加之大地震“非頻發性”的影響和人類對地球內部結構與活動規律認識的不足，使得地震預測更加困難。由于同一地震事件在地球上同一點引起的地面運動是唯一的，使用不同地震觀測儀器，如地震儀和重力儀，均可能檢測到反映地震破裂及傳播這一物理過程的地震波（Peterson，1993；McNamara et al，2004；包文超等，2020；安全等，2021；段昊等，2022）。其中地震儀直接記錄地面運動的位移、速度或加速度，重力儀記錄地面運動的加速度，2套儀器的幅頻特性不同，二者在頻域上自然銜接和延拓，記錄信號頻帶相互重疊，可以覆蓋從地震波到固體潮的寬廣頻域。諸多研究表明，地震儀和重力儀可以同時記錄到臺風等強對流天氣等因素引起的高頻波動信號，且二者的觀測結果能夠相互佐證（王梅等，2015；胡瑋，2017；毛經倫等，2018；熊峰等，2021；李盛等，2022）。基于地震儀和重力儀記錄方式的相似性和優勢觀測頻段不同的特性，可利用2種數據記錄對比分析地震觀測背景噪聲對觀測數據質量的影響程度（張小艷等，2019）。

本文利用烏加河地震臺（下文簡稱烏加河臺）置于同一觀測山洞的JCZ-1超寬頻數字地震儀和PET重力儀2022年5月（未實施疫情防控政策）和7月（實施疫情防控政策）記錄的地震波信號，運用功率譜概率密度方法，對比分析疫情防控政策背景下臺站背景噪聲的變化，探究人類活動對觀測數據的影響。

1 臺站概況

烏加河臺位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮北，海拔1052 m，臺基巖性為花崗巖體。構造位置地處狼山前EW向大斷裂帶和河套斷陷盆地北緣，陰山緯向構造帶中西段與狼山弧型構造帶的復合部位，臨河坳陷北端與陰山EW向構造帶的接壤地段。上述區域內發育多個斷裂帶，如色爾騰山山前斷裂（圖1）(胡瑋，2017）。

圖1 烏加河地震臺區域地質構造Fig.1 Regional geological structure of Wujiahe Seismic Station

烏加河臺現有測震、重力、形變等觀測手段，且各測項置于同一觀測山洞內，儀器布設見圖2。觀測山洞臺基條件較好，洞體進深約130 m，洞室溫度日變化不超過0.02 ℃，年變化不超過0.5 ℃，觀測環境良好，觀測數據質量較高（柴寧嬌等，2020）。

圖2 觀測儀器布設示意Fig.2 Sketch diagram of observation instrument

臺站配備JCZ-1超寬（360 s—50 Hz）帶地震計和EDAS-24GN6數據采集器（采樣率100 sps，動態范圍大于140 dB）進行測震觀測；配備PET型重力儀（美國Micro-g LaCoste Inc公司生產，全自動型）進行連續重力觀測。PET型重力儀可用于測量重力隨時間的變化，也可觀測周期從秒到若干年的地球物理、地球動力學效應所導致的微小重力場變化，主要技術指標見表1。

表1 重力儀信息Table 1 Gravimeter information

近年來，隨著國家經濟建設的高速發展，烏加河臺周邊人類活動增加，交通條件得到改善，如2020年335國道修建。然而，道路開通對該臺觀測數據質量造成了一定影響。在此背景下，以烏加河臺測震與重力觀測數據為例，定量分析該臺背景噪聲變化，探討人類活動對觀測數據的影響。

2 數據處理

通過查閱2022年烏加河鎮疫情防控日志，選取未受疫情封控的2022年5月和受疫情封控的2022年7月烏加河臺地震計和重力儀原始波形記錄，通過對隨機穩態的離散波形數據進行傅里葉變換（基于重力儀記錄特性，需去除固體潮對重力數據的影響），運用功率譜概率密度函數方法，計算2套儀器記錄在5月和7月的功率譜密度值。

2.1 功率譜密度計算

據維納—辛欽定理，加速度功率譜密度（Power spectral density以下簡稱PSD）計算公式如下

將臺站單分向連續記錄的地震波形數據分割為1 h長度的時間序列，進行去均值、去長周期成分，將每小時時間序列分為13段，每段長度3600/13≈276.92 s，設采樣率為100 Hz，即每段長度為27692個采樣點，每段之間重疊50%，為了提高傅里葉變換的計算速度，每個數據分段取2的冪次方的點數，即每段長度為215=32768個采樣點，1 h功率譜密度值由13段功率譜密度值平均所得。

選取2022年5月、7月測震、重力連續波形數據為地脈動速度量，將速度PSD值轉換為加速度值，公式如下

式中，Pk為速度功率譜密度，Pα.k為加速度功率譜密度。

在儀器頻帶范圍內，傳遞函數對噪聲功率譜影響不大，若超出頻帶范圍，受儀器自噪聲等因素影響，PSD曲線將明顯失真，需扣除儀器傳遞函數影響，以反映真實地噪聲物理量值。計算公式如下

式中，PSDα為真實地面運動加速度功率譜，H(s)為系統傳遞函數。

2.2 平滑處理

在頻域對數坐標中，采用1/3倍頻積分對PSD進行平滑處理

式中，f1=2-1/6fc，為頻帶下限頻率；fh=1/6fc，為頻帶上限頻率；n為介于二者之間頻率f的個數。由式（4）得到中心頻率fc的PSDα(f)平均值PSDα(fc)，作為fc頻點處加速度PSD值，將中心頻率fc以1/9倍頻程增加步長，即下一個中心頻率與當前中心頻率的關系為=21/9fc，按新的中心頻率重新計算相應的fl和fh，然后將新的fl和fh之間的PSD值平均值作為下一個中心頻率fc處的PSD取值。這樣，在fc的取值范圍0.02—40 Hz內，每個記錄段的PSD值隨頻率的變化可由在對數坐標系呈等間隔采樣的中心頻率的PSD值來表示。

2.3 概率密度函數計算

每個中心頻率fc對應的PSD概率密度函數為

臺站環境背景噪聲水平速度均方根值（RMS），根據Bormann（2002）提出的公式進行計算，公式如下

式中，RBW=(fh-fl)/fc，為頻率相對寬度；Pk(f)見公式（1）。

3 人類活動對測震數據的影響

3.1 RMS值計算

選取烏加河臺2022年5月、7月測震記錄波形數據，基于公式（6），計算研究時段內背景噪聲均方根RMS平均值（單位dB），結果見表2。

表2 烏加河臺5月、7月RMS月均值Table 2 Monthly average of RMS at Wujiahe Seismic Station in May and July

3.2 基于PDF圖的噪聲特性

查閱相關資料發現，烏加河臺周邊除人為活動干擾外無其他類型干擾。基于此，通過截取2022年5月（未實施疫情防控政策）、7月（實施疫情防控政策）烏加河臺原始地震波形數據，計算并繪制該臺背景噪聲PSD值三分向月分布圖，對比分析疫情防控政策背景下，在頻段1—20 Hz范圍內該臺背景噪聲的變化，結果見圖3。其中(a)、(c)、(e)圖分別為2022年5月烏加河臺地震計東西向、南北向和垂直向PSD值月分布圖，(b)、(d)、(f)圖分別為2022年5月烏加河臺地震計東西向、南北向和垂直向PSD值月分布圖。

圖3 烏加河臺2022年5月、7月測震數據記錄三分向PSD對比(a) 烏加河5月東西向PSD；(b) 烏加河7月東西PSD；(c)烏加河5月南北向PSD；(d)烏加河7月南北向PSD；(e)烏加河5月垂直向PSD；(f)烏加河7月垂直向PSDFig.3 Comparison diagram of three-direction PSD of seismic data recorded at Wujiahe Seismic Station in May and July 2022

由圖3可見：①2022年5月：在1—20 Hz頻段，烏加河臺三分向PSD值變化基本一致且幅度較小，數值分布較均勻，無突跳等異常區間。其中，在1—15 Hz范圍內，PSD值具有高低交替變化的特點，此為人類晝夜交替活動所致；在15—20 Hz范圍內，PSD值交替變化不大，原因在于人類活動噪聲集中在低頻段，該頻段影響可忽略。②2022年7月：7月6日至20日噪聲明顯較低，且交替變化特征不明顯。這是因為疫情防控期間，民眾居家隔離，人類晝夜交替活動影響區別不大。

3.2 RMS值分布特征

選取2022年5月、7月烏加河臺原始地震波形數據，繪制東西、南北、垂直三分向噪聲RMS值分布圖，分析該臺背景噪聲水平變化，結果見圖4。由圖4可見：①2022年5月：烏加河臺三分向背景噪聲RMS值平穩、連續，無突跳、異常下降等變化；②2022年7月：7月6日起，烏加河臺三分向背景噪聲RMS值明顯減小，7月20日后逐步呈上升趨勢，與該臺PSD值在該時段的變化一致，表明疫情防控期間，烏加河臺背景噪聲有所減小，充分證明該臺一部分背景噪聲由人為因素所致。可見，人類活動對烏加河臺觀測山洞測震儀器記錄有一定影響。

圖4 烏加河臺5月、7月背景噪聲RMS值分布(a)5月；(b)7月Fig.4 RMS value distribution of background noise at Wujiahe Seismic Station in May and July

4 人類活動對重力數據的影響

基于重力觀測儀器特性可知，重力儀僅記錄地面運動加速度數據，人類活動對觀測數據的影響程度較小，可運用同時段重力數據，驗證測震數據的準確性和可靠性。選取烏加河臺2022年5月和7月的重力數據，運用功率譜概率密度函數（Probability Density Function，PDF）方法，對比分析功率譜密度在研究時段的變化，結果見圖5。

圖5 烏加河地震臺5月、7月重力PSD對比Fig.5 Comparison of gravity PSD at Wujiahe Seismic Station in May and July

分析發現，在研究時段，烏加河臺重力數據僅在0 min-1—0.05 min-1區間有微小差異，在0.05 min-1—0.5 min-1區間重合。這是因為，PET型重力儀記錄數據在低頻段主要受固體潮影響。綜合分析認為，2022年5月和7月，烏加河臺重力數據PSD曲線在0—0.5 min-1區間基本重合，表明人類活動對重力儀記錄波形無影響，表明重力儀基本不受臺站背景噪聲的影響，從側面證明了該臺測震數據準確、可靠。

5 結論

應用烏加河臺2022年5月、7月測震儀器觀測數據，對比分析觀測數據加速度功率譜概率密度、速度功率譜概率密度及三分向噪聲RMS值，并通過小波分析法探究上述時間段內重力儀背景噪聲情況，探討人類活動對該臺背景噪聲的影響。

（1）烏加河臺測震數據三分向RMS值隨月變化規律基本一致，無突跳等異常噪聲，除人類活動，周邊無其他類型干擾。

（2）2022年7月6日至20日，烏加河臺地震計背景噪聲偏低，主要與疫情防控背景下人類活動減少有關。

（3）烏加河臺地震計與重力儀置于同一觀測山洞，人類活動對地震計有一定影響，而對重力儀的影響可忽略不計。基于此，在新建或改建重力儀觀測站時，可不考慮站點周邊人為干擾因素，相關干擾類型有人類的生產生活、工廠運轉、公共交通道路等。但在新建或改建測震觀測站時，應優先考慮人為干擾因素對地震計的影響。