海拉爾臺(tái)陣數(shù)據(jù)功率譜分析

白永福，高 翔，張 偉，奚沖霄，王 凌

（北京市地震局，北京 100080）

0 引言

國(guó)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（IMS）常用4 種監(jiān)測(cè)方法（地震監(jiān)測(cè)、水聲監(jiān)測(cè)、次聲監(jiān)測(cè)、放射性核素監(jiān)測(cè)）對(duì)核試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，其中地震監(jiān)測(cè)方法采用全球50 個(gè)地震臺(tái)陣（站），這其中就包括我國(guó)的海拉爾臺(tái)陣（PS12）和蘭州臺(tái)陣（PS13）。臺(tái)陣研究最早的目的是為了地下核試驗(yàn)地震信號(hào)的捕獲，檢測(cè)定位低震級(jí)事件，提高信號(hào)檢測(cè)能力。在國(guó)內(nèi)，郝春月、鄭重、王娟等在地震臺(tái)陣方面做了很多研究[1，8-9]，對(duì)MS型小孔徑臺(tái)陣的臺(tái)陣設(shè)計(jì)、勘址數(shù)據(jù)分析處理、臺(tái)陣技術(shù)等進(jìn)行了一系列研究[13]。隨著臺(tái)陣技術(shù)的逐漸成熟，地震臺(tái)陣不僅要是完成最初目的，而且現(xiàn)在也已經(jīng)為地震學(xué)和地球物理學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，地震臺(tái)陣可通過(guò)壓低干擾背景，疊加增強(qiáng)地震信號(hào)，對(duì)于弱信號(hào)的識(shí)別有重要作用，有助于獲取地下速度結(jié)構(gòu)、提高定位精度、了解有關(guān)震源及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息[2]。從上地幔到地球內(nèi)核，從地震震源到接近地表接收臺(tái)站的結(jié)構(gòu)，地震臺(tái)陣都有方法進(jìn)行探究。地震臺(tái)陣的主要技術(shù)有聚束、速度譜分析、f-k分析等[3、5]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是所有地震學(xué)、地球物理學(xué)基礎(chǔ)研究；所有地震預(yù)警、海嘯預(yù)警、地震預(yù)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、核爆炸監(jiān)測(cè)、臺(tái)站、臺(tái)網(wǎng)、臺(tái)陣建設(shè)等工作，都依靠地震數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量不好直接影響工作質(zhì)量，所以數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是國(guó)際各大臺(tái)網(wǎng)都做的必要工作。數(shù)據(jù)質(zhì)量參數(shù)主要包括，背景噪聲水平、數(shù)據(jù)接收率、數(shù)據(jù)可用率、數(shù)據(jù)延時(shí)平均數(shù)、Gap 間隔、Gap 長(zhǎng)度，Spike 間隔、Spike 振幅、均方根等，其中背景噪聲水平是最基本的參數(shù)，噪聲水平直接影響臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力，所以對(duì)噪聲的持續(xù)性分析對(duì)評(píng)價(jià)整個(gè)臺(tái)站具有重要的意義，如果噪聲水平達(dá)不到監(jiān)測(cè)要求，則存在遷址的可能。在本文中，主要對(duì)海拉爾臺(tái)陣的背景噪聲進(jìn)行了分析和研究。

1 海拉爾臺(tái)陣概況

海拉爾臺(tái)陣位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾陳巴爾虎旗，距離海拉爾市38 公里。海拉爾區(qū)位于海拉爾構(gòu)造盆地的東段，在東北震區(qū)的兩個(gè)邊緣，其特點(diǎn)從屬東北震區(qū)[4]。地質(zhì)上主要是晚古生代的褶皺帶——大興安嶺褶皺帶，松遼平原主要是中生代的構(gòu)造盆地。海拉爾臺(tái)陣投入了九套地震儀，部署在中心臺(tái)附近（中心臺(tái)為三分項(xiàng)），為小孔徑臺(tái)陣（3 ～5km）。臺(tái)陣采用CMG-ESPV 型地震儀，Nanometrics 公司生產(chǎn)的Europa 型數(shù)采，在0.02～16Hz 頻帶范圍內(nèi)呈加速度平坦型幅頻特性。9 個(gè)子臺(tái)位于40～50m 的鉆孔中，其分布如圖1 所示。海拉爾日均溫差10 度左右，附近廠礦較多。

圖1 臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of the seismic stations

海拉爾臺(tái)陣自2001 年建設(shè)完成后，由于各種原因一直無(wú)法實(shí)時(shí)向IDC（國(guó)際數(shù)據(jù)中心）傳送數(shù)據(jù)，2004 年海拉爾臺(tái)陣通過(guò)我國(guó)驗(yàn)收，開(kāi)始試運(yùn)行，并于2007 年7 月向禁核試北京國(guó)家數(shù)據(jù)中心傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[12]。2013 年12 月地球物理研究所與CTBTO （全面禁止核試驗(yàn)條約組織）簽訂合同，開(kāi)始執(zhí)行檢測(cè)與評(píng)估（Test&Estimation）計(jì)劃，實(shí)時(shí)向IDC 傳送數(shù)據(jù)[1]。

2 資料處理

2.1 數(shù)據(jù)收集與整理

本文使用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地震局地球物理研究所，由于臺(tái)陣建立較早，臺(tái)陣設(shè)備數(shù)據(jù)采用wfdisk 格式進(jìn)行存儲(chǔ)，為了便于文件后期使用和進(jìn)行更多研究，通過(guò)Python 語(yǔ)言將wfdisk文件轉(zhuǎn)換成sac 格式文件。由于缺乏管理與運(yùn)行維護(hù)，自2001 年到2013 年間的數(shù)據(jù)質(zhì)量存在很多問(wèn)題。作為我國(guó)僅有的IMS 小孔徑臺(tái)陣歷史數(shù)據(jù)，對(duì)它們進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估是非常必要的。

2.2 功率譜基本原理

經(jīng)典譜估計(jì)方法在應(yīng)用中都是以離散傅里葉變換為近處的，它有著分辨率不高、能量泄露的缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)研究提出了各種算法。目前經(jīng)典譜估計(jì)計(jì)算方法有周期圖法、Barlett 算法、Welch 算法、Nattall 算法等。Welch 算法是有由Welch 提出的對(duì)周期圖的修正算法，是經(jīng)典譜估計(jì)中過(guò)的有效應(yīng)用的一種算法。功率譜密度的計(jì)算采用經(jīng)典譜估計(jì)中的Welch 算法，Welch 算法是在周期圖法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的一種修正周期圖功率譜密度估計(jì)方法。Welch 算法譜估計(jì)采用數(shù)據(jù)分段加窗再求平均的方法，先分別求出每段的譜估計(jì)，然后進(jìn)行總平均。即：把某一長(zhǎng)度為N 的數(shù)據(jù)x（n）分成L 段，每一段為M（在分段時(shí)可允許每一段的數(shù)據(jù)有部分的重疊），分別求每段的功率譜，然后加以平均，每一段的數(shù)據(jù)窗口可使用哈寧窗或者哈明窗。這樣可以改善由于矩形窗邊瓣較大所產(chǎn)生的譜失真。用P（ω）表示用Welch 平均周期圖法算法估計(jì)的功率譜。即：

公式（1）中：N 為數(shù)據(jù)噪聲長(zhǎng)度

L 為數(shù)據(jù)N 的分段數(shù)

U 為歸一化因子

d（n）是數(shù)據(jù)窗

e-jam為傅里葉變換

2.3 計(jì)算方法

對(duì)海拉爾臺(tái)陣的中心臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，每天選出4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，00/06/12/18 點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算一個(gè)小時(shí)的功率譜，如果存在地震，則避開(kāi)地震，利用前后1 小時(shí)代替。應(yīng)用Matlab 軟件進(jìn)行處理，本文對(duì)每小時(shí)40 采樣率共144000 點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算繪圖，并把計(jì)算結(jié)果和圖形進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下：

首先對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形讀取，無(wú)地震、連續(xù)性高且干擾不嚴(yán)重的時(shí)段。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理，得到速度記錄（m/s），根據(jù)海拉爾臺(tái)陣的數(shù)采采用Nanometrics公司生產(chǎn)的Europa 型數(shù)采，在0.02～16Hz 頻帶范圍內(nèi)呈加速度平坦型幅頻特性，確定轉(zhuǎn)換因子。

對(duì)每段數(shù)據(jù)利用Welch 平均周期圖法進(jìn)行功率譜計(jì)算。

將功率譜轉(zhuǎn)換成加速度譜，根據(jù)地震計(jì)的傳遞函數(shù)（海拉爾臺(tái)陣采用CMG-ESPV 型地震儀），去除儀器影響，得到加速度功率譜。

為了能夠讓結(jié)果客觀的反映海拉爾臺(tái)陣的背景噪聲水平，本文選取了海拉爾臺(tái)陣2002 年1—4 月的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，作為數(shù)據(jù)樣本，是因?yàn)橄鄬?duì)其他時(shí)間此時(shí)間段比較平靜且中斷率低。

圖2 2002 年某日功率譜圖Fig.2 The power spectrum of one day in 2002

3 噪聲功率譜分析

發(fā)生地震時(shí)，功率譜密度與平靜狀態(tài)下的噪聲有顯著不同，長(zhǎng)周期的噪聲不容忽視，受溫度與氣壓的影響較大。除了地震活動(dòng)和周期影響外，人為因素、儀器故障、維修等非噪聲事件也會(huì)引起功率譜異常。根據(jù)功率譜圖（圖3）可以看出1 到10Hz 區(qū)域比較穩(wěn)定，噪聲水平低，在1Hz、5Hz 和10Hz 頻段噪聲水平平均達(dá)到了-150dB、-144dB、-155dB。

3.1 噪聲隨時(shí)間的變化

為了更好地研究周期性變化和異常，對(duì)得到的每日功率譜值進(jìn)行繪制0.02Hz、0.2Hz、1Hz、2.5Hz、6.5Hz 頻段的單頻曲線。對(duì)比白天和夜間各兩個(gè)時(shí)間段的功率譜進(jìn)行分析（圖2），發(fā)現(xiàn)高頻曲線2.5Hz 頻段中白天時(shí)段的功率譜密度值高于夜間的功率譜密度值（低值相差5dB，高值相差7dB），而且形態(tài)相似。由于樣本數(shù)據(jù)時(shí)段是冬季，海拉爾的氣溫屬于冬季嚴(yán)寒、漫長(zhǎng)，地面積雪時(shí)間長(zhǎng)，1 月（最冷月）平均低溫為-30.83℃，極寒天氣主要出現(xiàn)在冬季，高發(fā)期在12 月下旬至1 月下旬，2 月份出現(xiàn)極寒天氣也較多，所以極寒天氣影響人們的出行和各類(lèi)工作活動(dòng)。海拉爾極寒天氣多，在全市出現(xiàn)的極寒天氣中，21—23 時(shí)是極寒天氣開(kāi)始增多的時(shí)段，11—12 時(shí)和16—20 時(shí)氣溫相對(duì)溫暖。由于氣溫原因，11—12 點(diǎn)16—20點(diǎn)也成為冬季出行、工作、工廠、活動(dòng)等相對(duì)頻繁時(shí)段。這也符合人的作息規(guī)律，人為噪聲是來(lái)自各個(gè)方面的波疊加而形成相對(duì)穩(wěn)定的。

圖3 白天和夜間功率譜Fig.3 The power spectrum for daytime and nighttime

通過(guò)單頻曲線發(fā)現(xiàn)各個(gè)時(shí)間段在曲線形態(tài)變化上一致性很高，但發(fā)現(xiàn)在2 月1 日至2 月27 日間，各頻率噪聲相對(duì)于別的時(shí)段變化較大（圖4），具體如下：2.5Hz 背景噪聲分別在0點(diǎn)、6 點(diǎn)、12 點(diǎn)、18 點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)噪聲降低的現(xiàn)象，0 時(shí)存在10dB 差值；6 時(shí)存在12dB 差值；12 時(shí)存在10dB 差值；18 時(shí)存在18dB 差值。因?yàn)?002 年2 月正是春節(jié)期間，工廠和單位停工、人文活動(dòng)減少，表示高頻能量減少，導(dǎo)致在高頻的變化曲線上，2 月份出現(xiàn)低值。就季節(jié)變化而言，具體還需要增大數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析對(duì)比，比如用同年其他時(shí)間段與1-4 月對(duì)比，再用往年同時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比。

3.2 噪聲源分析

通過(guò)功率譜圖發(fā)現(xiàn)在2002 年1—4 月期間每日12 時(shí)和18 時(shí)都在4Hz 附近處出現(xiàn)大約10dB 的單頻率脈沖（圖5），如圖5（a）中橢圓部分是2002 年1 月21 日12 時(shí)在4Hz 處發(fā)現(xiàn)的單頻率脈沖。

圖5 2002 年1 月至4 月單頻率脈沖Fig.5 The single frequency pulse from January to April in 2002

陣址噪聲源會(huì)對(duì)地震臺(tái)陣的監(jiān)測(cè)造成影響，但是統(tǒng)計(jì)好噪聲源的頻率、時(shí)間、大小，可作為地震監(jiān)測(cè)背景，對(duì)監(jiān)測(cè)工作提供重要的參考依據(jù)[11]。海拉爾附近有很多大的礦區(qū)（圖6），寶日希勒煤礦距臺(tái)陣約20km；伊敏煤礦距臺(tái)陣約75km；大雁煤礦距臺(tái)陣約70km；免渡河煤礦、五九煤礦距臺(tái)陣約120km；扎拉諾爾煤礦距里臺(tái)陣大約178km。

經(jīng)考察，脈沖主要與寶日希勒煤礦有關(guān)，此煤礦為海拉爾較大的煤礦，距離海拉爾臺(tái)陣近，經(jīng)調(diào)查，該煤礦每天中午12 點(diǎn)和晚上18點(diǎn)左右進(jìn)行人工爆炸，主要用于開(kāi)采煤礦。

圖6 海拉爾附近礦區(qū)Fig.6 The mining area near Hailar

4 結(jié)論與討論

海拉爾臺(tái)陣位于陳巴爾虎旗，距離海拉爾市38km。海拉爾區(qū)位于海拉爾構(gòu)造盆地的東段，在東北震區(qū)的兩個(gè)邊緣，其特點(diǎn)從屬東北震區(qū)[12]。地質(zhì)上主要是晚古生代的褶皺帶——大興安嶺褶皺帶，松遼平原主要是中生代的構(gòu)造盆地。通過(guò)海拉爾臺(tái)陣噪聲背景分析，從時(shí)間上看，對(duì)夜間和白天的噪聲功率譜計(jì)算結(jié)果表明，背景噪聲水平?jīng)]有明顯的變化，從一致性上看,人為噪聲基本不影響背景噪聲水平的變化。海拉爾臺(tái)陣噪聲譜均處于全球噪聲的標(biāo)準(zhǔn)曲線之間，且明顯偏向于低噪聲一側(cè)曲線，平均低于噪聲曲線高值30dB，說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)噪聲水平低，臺(tái)陣背景噪聲符合并優(yōu)于地震觀測(cè)對(duì)背景噪聲的要求。

下一步有待繼續(xù)積累資料進(jìn)行研究，通過(guò)增大臺(tái)陣內(nèi)其他觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，對(duì)臺(tái)陣整體和各子臺(tái)間對(duì)比等方面進(jìn)行分析，從而達(dá)到對(duì)該臺(tái)陣背景噪聲的進(jìn)一步跟蹤和研究。

致謝：在本文的撰寫(xiě)過(guò)程中，獲得中國(guó)地震局地球物理研究所郝春月副研究員的支持，在此表示感謝。