蚌埠地震臺測震干擾分析及處理

肖 攀， 宋國華， 李露露， 吳 輝， 宋 馳， 張偉峰

(安徽省地震局蚌埠地震臺， 安徽 蚌埠 233000）

0 引言

蚌埠地震臺位于江淮地區(qū)， 淮河南岸， 蚌埠市西郊小黃山（高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)）， 郯廬斷裂帶西側(cè)， 臺基屬花崗巖。 1976年9月建臺， 1977年6月投入觀測， 1980年4月擴建。距市區(qū)3 km， 海拔40 m， 屬安徽省12個區(qū)域有人值守數(shù)字地震臺之一。 測震儀器現(xiàn)使用KS-2000 型寬頻帶地震計。 數(shù)字化測震儀較以往使用的模擬測震儀， 具有頻帶寬、 動態(tài)范圍大等特性， 因此記錄到的地震數(shù)目比模擬記錄的多。 但往往在分析地震時， 地震波被一些低頻信號或者是高頻信號相互疊加干擾， 使得震相無法精確識別， 這些干擾嚴(yán)重影響地震臺測震記錄波形質(zhì)量。 為了能更好地提高觀測資料質(zhì)量的精度， 本文分析了這些干擾源的特性， 并制作出相應(yīng)的濾波器， 以便于解決實際工作中存在的問題。

1 干擾源介紹

1.1 高頻干擾介紹

隨著蚌埠市社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展， 城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)， 蚌埠地震臺所處的地理位置已屬于規(guī)劃中高新技術(shù)開發(fā)區(qū)范圍內(nèi)。 依2006年高新技術(shù)開發(fā)區(qū)規(guī)劃局設(shè)計， 2012年初， 開發(fā)區(qū)開始施工修建45 m 六車道大慶路主干道， 離蚌埠地震臺僅180 m。 目前快車道已經(jīng)通車。

作為城市外環(huán)的主干道， 每天都有大量的載重汽車通過， 由于蚌埠地震臺測震儀器直接放置在基巖上， 無山洞保護(hù)， 因此載重汽車的通行對我臺的地震觀測環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響（見圖1）。

圖1 載重汽車通過時的干擾波形Fig.1 Interference signals as the truck through

西山黃山村窯廠（距臺站直線距離不到1000 m）采用地表爆破進(jìn)行挖土， 對蚌埠地震臺觀測環(huán)境造成了很大的威脅。 由于窯廠工作的干擾， 測震記錄波形背景干擾增大， 小震記錄不清， 震相難以識別， 嚴(yán)重影響了測震的觀測質(zhì)量。 另外， 大量爆破頻頻發(fā)生， 易造成數(shù)字觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定。 如果爆破與地震事件重合， 其波形還會疊加干擾， 給地震分析工作帶來一定的困難（見圖2）。

圖2 臺站記錄大量爆破波形數(shù)據(jù)Fig.2 Blasting waveforms recorded by Bengbu seismic station

1.2 低頻干擾介紹

地震臺站觀測的數(shù)據(jù)中除了地震震源激發(fā)的地震波外， 還包含了如地脈動、 海浪干擾等低頻數(shù)據(jù)， 為地震波數(shù)據(jù)分析帶來麻煩[1]。 以我臺記錄的ML1.5 級近震的UD 分向記錄為例說明（見圖3）。

2 干擾源分析

場地干擾背景水平是影響臺站地震監(jiān)測能力的主要原因， 因此， 有必要對地脈動噪聲進(jìn)行測試和分析。 本文選取了蚌埠地震臺凌晨0 點和上午10 點這2個時段KS-2000 寬頻帶地震計連續(xù)波形作平均值噪聲功率譜分析（見圖4、 5）。 可以看出， 蚌埠地震臺的功率譜密度曲線介于地球的高噪聲模型和低噪聲模型曲線之間， 其RMS 值如表1 所示。

圖3 淹沒在地脈動中的地震波Fig.3 Seismic wave covered by microtremor

圖4 00 點鐘噪聲功率譜Fig.4 Nosie power spectrum at 0 o'clock

圖5 10 點鐘噪聲功率譜Fig.5 Nosie power spectrum at at 10 o'clock

表1 蚌埠地震臺RMS 值Table 1 RMS of Bengbu seismic station

根據(jù)GB/T19531.1-2004 地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求， 在干擾高峰期和平靜期， 蚌埠地震臺臺址均達(dá)到了國家C 類地區(qū)環(huán)境噪聲水平Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。 但是從表1 中可以看出， 在干擾高峰期的0.008～0.1 Hz、 1～20 Hz 其干擾明顯大于平靜期。 根本原因在于低頻部分有地脈動干擾， 高頻部分有爆破和載重汽車過境干擾。

3 干擾的去除

3.1 高頻干擾的去除

地震臺站觀測的數(shù)據(jù)中除了地震震源激發(fā)的地震波外， 還包含了如地方爆破等高頻干擾數(shù)據(jù)。 這里以蚌埠臺記錄的2011年3月12日23 時53 分日本大地震余震的UD 分向記錄為例說明高頻干擾的去除。 爆破頻率相對地震波的頻率明顯較高， 去掉該爆破就需要設(shè)計低通濾波器， 把高頻爆破濾掉。 由于遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)的地震波頻成分較低。 我們選擇低于1.5 Hz 的頻率成分即可滿足要求（濾波結(jié)果見圖6）。 圖6 為濾波前后的波形圖， 在270 s處有一個高頻爆破， 濾波后完全去除了高頻爆破的干擾， 使得震相更加清晰。

圖6 運用低通濾波器濾波前后波形的比較Fig.6 Comparison of original and filtered signals by low-pass filter

蚌埠地震臺180 m 處， 目前正在進(jìn)行道路建設(shè)工程， 在施工過程中， 蚌埠地震臺的地震監(jiān)測受到了較大的干擾。 圖7 可見， 長周期地震信號中疊加了高頻的載重汽車干擾， 嚴(yán)重影響到數(shù)據(jù)的分析和使用。 在頻譜圖中可以看出， 高頻干擾集中在25 Hz 左右。 因此我們可以用低通濾波器將高頻干擾濾除， 分析結(jié)果見圖8。

圖7 蚌埠臺受干擾的波形圖（a) 和Fourier 振幅圖(b)Fig.7 Seismic wave disturbed by road construction 180 meters away（a) and Fourier amplitude (b)

圖8 濾波前和濾波后的波形圖Fig.8 Comparison of original and filtered signals

通過輸出結(jié)果， 我們可以直觀看出， 完全去除了高頻干擾。

3.2 低頻干擾的去除

我們以蚌埠臺記錄的ML1.5 級近震的UD 分向記錄為例說明。 在原始波形圖上， 有一個低頻的波浪式背景干擾與這個高頻地震波形疊加， 故需要設(shè)計高通濾波器， 把低頻的波浪式背景干擾波濾掉。 我們選擇高于0.2 Hz 的頻率成分即可， 濾波結(jié)果見圖9。

通過圖9 的對比， 我們可以很清晰的看到， 在濾波前， 地震信號完全被干擾信號所覆蓋， 根本分不清地震信號的到時， 濾波后可清楚分辨Pg 出現(xiàn)的時間應(yīng)該是47.2 s 處， 起到了預(yù)期的效果。

圖9 濾波前和濾波后的波形圖Fig.9 Comparison of original and filtered signals

4 結(jié)語和討論

數(shù)字濾波器的應(yīng)用十分廣泛， 運用MATLAB 語言能夠便捷地設(shè)計出滿足要求的濾波器。 在排除數(shù)字地震記錄中的干擾波時， 希望盡量濾除干擾成分而保留正常的頻率成分。但需要注意的是， 在設(shè)計濾波器參數(shù)時,一定要對干擾信號進(jìn)行分析,找準(zhǔn)干擾波頻率的邊界范圍,盡可能做到真實信號不丟失。

數(shù)字地震記錄的干擾源還有很多， 若能針對臺站的實際情況對各種干擾波進(jìn)行分析，找出其干擾頻率和特點， 做為臺站的干擾背景資料， 將對今后臺站的資料處理和應(yīng)用起到很大的幫助。

致謝： 本文中所設(shè)計的濾波器原型來自于萬永革教授所著 《數(shù)字信號處理的MATLAB實現(xiàn)》 一書， 特此致謝。

[1] 萬永革． 數(shù)字信號處理的matlab 實現(xiàn)[M]． 北京： 科學(xué)出版社， 2007．