錫林郭勒盟三個測震臺站臺基背景噪聲對比分析

摘 要：【目的】分析內蒙古自治區錫林郭勒盟寶昌地震臺、二連浩特地震臺和錫林浩特地震臺等三個臺站測震背景噪聲等級和受干擾因素。【方法】通過計算臺站記錄波形地脈動噪聲功率譜、觀測動態范圍、地動噪聲有效RMS值等地脈動參數，對臺站的背景噪聲變化特征進行綜合分析。【結果】計算得出了三個臺站波形數據功率譜密度PSD、臺基噪聲RMS值、有效觀測動態范圍D，并進行了定量分析。【結論】三個臺站皆為Ⅰ級臺基條件，測震記錄皆具有正常的監測能力與可靠性。三個臺站受人文噪聲影響較為明顯。

關鍵詞：背景噪聲；噪聲功率譜；RMS值；臺基條件；人文噪聲

中圖分類號：P315" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.022

Comparative Analysis on Background Noise at the Platform Base of Three Seismic Stations in Xilingol League

WEN Jinlong1 JIA Yanjie1 BAO Wenchao1 BAI Shaoqi1 GUO Ye1

（Xilinhot Earthquake Monitoring Center Station， Xilinhot 026000，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the seismic background noise level and Confounding of Baochang Seismic Station， Erlianhaote Seismic Station and Xilinhaote Seismic Station in Xilingol League， Inner Mongolia. [Methods] By calculating the power spectrum of ground motion noise recorded by the station， observing the dynamic range， effective RMS value of ground motion noise， and other ground motion parameters， the background noise variation characteristics of the station are comprehensively analyzed. [Findings] The power Spectral density PSD of waveform data， the RMS value of base noise， and the effective observation dynamic range D of the three stations were calculated， and the quantitative analysis was carried out. [Conclusion] The three stations are all Level I base conditions， and the seismic records have normal monitoring ability and reliability. The three stations are significantly affected by human noise.

Keywords： background noise; noise power spectrum; RMS value; platform foundation conditions; humanistic noise

0 引言

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。臺站環境背景噪聲通常是指因風、寒潮、海浪、交通運輸、人和動物的活動等因素使地球表面出現的微小震動，進而對地震觀測產生干擾并影響地震觀測效果^［1］。地震臺站連續觀測波形的功率譜密度概率分布，對背景噪聲有較好反應，可分析出臺站的地震監測水平。本研究擬通過對比內蒙古自治區錫林郭勒盟境內寶昌地震臺、二連浩特地震臺和錫林浩特地震臺等三個不同觀測環境臺站所記錄數據的功率譜密度，定量分析三個臺站臺基背景噪聲之間的差異，計算動態觀測范圍，研究背景噪聲對觀測性能的影響，從而更好地提升地震臺站監測水平，提高監測數據質量。

寶昌地震臺、錫林浩特地震臺均屬于山洞臺基臺站，二連浩特地震臺屬于井下觀測。三個臺站測震系統分別為：CTS-1EF地震計、GL-S120B井下地震計和BBVS-120型地震計，配置的數據采集器型號為EDAS-24IP、EDAS-24GN。

1 原理及計算方法

功率譜密度（PSD）是定量評價地震臺站環境噪聲水平的常規參數。通過對隨機穩態的離散地震數據進行快速傅里葉變換，可估算地震噪聲功率譜密度值。功率譜密度PSD計算公式為式（1）^［2］。

式中：P_k為速度功率譜密度；Y_k為記錄有限范圍傅里葉變換；Δt為采樣間隔；N為事件序列的樣點個數。

臺基背景噪聲測試中通常用臺站記錄的噪聲數據計算自功率譜密度，并按特定帶寬計算噪聲（速度或加速度）有效值 RMS^［3］。臺基噪聲RMS值計算公式為式（2）。

式中：P為加速度或速度功率譜密度；f₀為分度倍程中心頻率；RBW為相對帶寬。

在觀測儀器自身性能不變的情況下，臺站有效動態觀測范圍反映了臺基環境背景噪聲水平和儀器記錄地震信號的最大能力。地動噪聲有效值即均方根振幅值RMS，在一定程度上表征臺基噪聲水平。計算公式為式（3）。

式中：D為觀測動態范圍值；RMS值為脈動噪聲的均方根值；U為輸入峰值電壓，V；K為數據采集器實際工作時的增益；S為地震計工作靈敏度，V·s/m。

2 數據選取及分析

本研究選取三個臺站2019—2021年1月1日，8月1日和11月1日0至4時連續波形數據的三分向數據，使用童汪練研發的基于PWelch方法的軟件，計算臺站記錄波形地脈動噪聲功率譜、觀測動態范圍、地動噪聲有效RMS值等地脈動參數，對臺站的背景噪聲變化特征進行綜合分析。

2.1 PSD曲線分析

對寶昌臺CTS-1EF地震計、二連浩特地震臺GL-S120B井下地震計和錫林浩特地震臺BBVS-120型地震計的測震數據進行計算，得到三個地震臺2019—2021年0至4時噪聲功率譜密度PSD曲線（如圖1所示）。由圖1可知，在地震計觀測頻帶（0.008 3～40.000 0 Hz）內，三個地震臺站背景噪聲功率基本處于新低噪聲模型NLNM和新高噪聲模型NHNM之間，且具有相對穩定的分布和幅度。NHNM和NLNM反映了全球測震臺站的背景噪聲功率譜密度PSD的最高、最低水平^［4］。由此可見，三個地震臺站測震記錄具有正常的監測能力與可靠性。在0.008 3～0.050 0 Hz的低頻段內，錫林浩特地震臺和二連浩特地震臺水平向噪聲比垂直向噪聲分別大了30 dB和10 dB左右，兩水平向噪聲水平基本一致，而寶昌臺三個方向的噪聲基本一致。

在0.05～10 Hz中頻段內三個臺站的噪聲譜更接近NLNM，證明在該頻段臺基噪聲水平較低（-160 dB～ -130 dB）。

在10～40 Hz的高頻段，三個臺站臺基噪聲功率譜幅度變化明顯，這個頻段的臺基噪聲主要受各類近場干擾源和風吹等高頻影響^［5］。該頻段內噪聲功率譜密度下限為-145dB～ -120 dB，總體背景噪聲功率較低，利于地震觀測。

2.2 功率譜密度值分析

選取三個地震臺2019—2021年8月1日0至4時數字地震記錄，計算UD分量的1/3倍頻程帶寬（1～20 Hz）各頻段地動噪聲平均RMS值及地動噪聲功率譜密度，結果見表1。由表1可知，三個臺站地動噪聲變化整體較穩定，功率譜密度在-131.42～-140.08 dB。這說明在1～20 Hz頻段內，三個臺站受人文噪聲影響明顯^［6］。

2.3 臺基條件

2019—2021年0至4時三分向平均RMS值見表2，寶昌臺為8.16×10^-9 -6.57×10^-8 m/s，二連浩特臺為9.53×10^-9-1.12×10^-7m/s，錫林浩特臺為1.75×10^-8-7.08×10^-8m/s。按照《地震臺站觀測環境技術要求 第1部分：測震》^［7］中的環境地噪聲水平等級劃分，三個臺站皆為Ⅰ級臺基條件。

2.4 地震監測能力

本研究隨機選取2019—2021年的三個地震，而該時間段三個臺站皆記錄到了地震（見表3），地動噪聲與事件波形如圖2所示。由圖2可知，地震波最大振幅遠大于平均地動噪聲水平^［8］。

2.5 有效觀測動態范圍分析

臺站的觀測動態范圍反映了觀測儀器本身的性能和臺基背景干擾水平，而有效觀測動態范圍可反映臺站記錄地震信號的最大能力^［9］。三個臺站實際觀測動態范圍如圖3所示，由圖3可知，臺基背景干擾水平與時間、周邊觀測環境有關。三個臺站的有效觀測動態范圍穩定，且測量范圍的下限接近皮特森模型的NLNM^［10］。

3 結論

通過對比寶昌地震臺、二連浩特地震臺和錫林浩特地震臺波形數據功率譜密度PSD、臺基噪聲RMS值、有效觀測動態范圍D，定量分析得出三個臺站測震數據背景噪聲具有如下特征。

①三個地震臺的臺基噪聲在0.008 3～0.05 Hz的低頻段內，錫林浩特地震臺和二連浩特地震臺水平向噪聲比垂直向大，兩水平向噪聲水平基本一致，而寶昌臺三個方向的噪聲基本一致。三個臺站受人文噪聲影響較為明顯。

②三個臺站測震數據背景噪聲的有效觀測動態范圍穩定，且測量范圍的下限接近皮特森模型的NLNML。

③三個臺站皆為Ⅰ級臺基條件，測震記錄皆具有正常的監測能力與可靠性。

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收稿日期：2023-06-08

基金項目：內蒙古自治區地震局局長基金項目（2022JC14）。

作者簡介：文金龍（1985—），男，本科，助理工程師，研究方向：地震監測工作。