汶川地震前后各臺站臺基地動(dòng)噪聲變化分析

管 勇，孔 軍，唐 淋，馬付紅

(四川省地震局，四川 成都 610041)

汶川地震前后各臺站臺基地動(dòng)噪聲變化分析

管 勇，孔 軍，唐 淋，馬付紅

(四川省地震局，四川 成都 610041)

利用“5·12”汶川地震前后三分向連續(xù)波形數(shù)據(jù)，對四川臺網(wǎng)51個(gè)測震臺站臺基噪聲功率譜進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)臺站速度功率譜密度曲線及地面運(yùn)動(dòng)的速度記錄的功率譜密度在1～20 Hz頻帶范圍的均方根值，對地震前后各臺地噪聲水平進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：(1)51個(gè)臺站的速度功率譜密度曲線均在高噪聲和低噪聲模型曲線間；(2)歷經(jīng)“5·12”汶川地震及“4·20”蘆山地震后所有子臺均適應(yīng)寬頻帶觀測要求，臺站觀測環(huán)境噪聲水平全部符合規(guī)范要求。

四川測震臺網(wǎng)；數(shù)字臺站；地噪聲水平；對比分析

四川地處南北地震活動(dòng)帶中段，是一個(gè)多地震的大省，具有地震強(qiáng)度大、頻度高、分布廣、震源淺、災(zāi)害重的特點(diǎn)。對于四川區(qū)域的地震監(jiān)測結(jié)果表明，部分臺基地動(dòng)噪聲水平的變化會影響波形數(shù)據(jù)的質(zhì)量，會給震相識別以及科研工作帶來一定的困難。利用地動(dòng)噪聲水平在很多區(qū)域已經(jīng)取得了很多的研究結(jié)果，按照國家數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站地脈動(dòng)噪聲功率譜分析，得到臺站地動(dòng)噪聲的變化情況[1]。山東省“十五”測震臺網(wǎng)子臺地動(dòng)噪聲初步分析[2]，得到山東省各臺的背景噪聲地動(dòng)速度均方根值、有效測量動(dòng)態(tài)范圍和噪聲、信號功率譜。河北省數(shù)字地震臺網(wǎng)子臺地動(dòng)噪聲分析[3]，研究了河北省區(qū)域地動(dòng)噪聲的特性規(guī)律。玉樹地震前后河北省的噪聲變化研究[4]認(rèn)為震前高頻噪聲升高與玉樹地震有關(guān)，屬于噪聲異常。這里利用“5·12”汶川地震前后在四川測震臺網(wǎng)收集到的子臺波形數(shù)據(jù)資料，采用地動(dòng)噪聲測試方法對地動(dòng)噪聲水平進(jìn)行計(jì)算，分析其變化規(guī)律。對震前和震后資料進(jìn)行對比，研究經(jīng)歷了“5·12”汶川地震及“4·20”蘆山地震后這個(gè)區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷層錯(cuò)動(dòng)、地表愈合以及觀測環(huán)境方面的變化，四川測震臺網(wǎng)子臺基噪聲水平是否發(fā)生了變化？要回答這個(gè)問題，很有必要對地震前后觀測記錄波形資料進(jìn)行篩選，找出符合條件波形進(jìn)行臺基地動(dòng)噪聲水平全面系統(tǒng)計(jì)算，搞清楚最近幾年地震觀測臺站臺基地動(dòng)噪聲變化統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為臺基改造或搬遷做些基礎(chǔ)性研究工作，可針對性地對部分臺站進(jìn)行環(huán)境改造或搬遷，為地震監(jiān)測預(yù)報(bào)創(chuàng)造更好條件。

1 四川測震臺網(wǎng)概況和資料選取

為了減輕地震災(zāi)害，四川省建成了最初一個(gè)由52個(gè)寬頻帶地震臺、1個(gè)數(shù)據(jù)處理中心組成的四川測震臺網(wǎng)，在“5·12”汶川地震恢復(fù)重建項(xiàng)目中，補(bǔ)建了8個(gè)測震臺，經(jīng)改造完成后，四川測震臺網(wǎng)的臺站數(shù)量擴(kuò)展為60個(gè)(參見圖1)，使四川省的地震監(jiān)測能力、地震編目精度和大地震的速報(bào)能力得到提升。其中的53個(gè)區(qū)域臺全部采用60 s-40 Hz寬頻帶地震計(jì)(CMG-3ESPC、BBVS-60)和24位IP數(shù)據(jù)采集器(EDAS-24IP)，6個(gè)國家臺采用120 s～40 Hz甚寬頻帶地震計(jì)(CTS-1E、CMG-3TB)和1個(gè)國家臺采用360 s～40 Hz超寬頻帶地震計(jì)(JCZ-1)。各臺站觀測數(shù)據(jù)通過專用通信鏈路實(shí)時(shí)傳輸至四川省地震局，供進(jìn)一步分析處理，并進(jìn)行波形數(shù)據(jù)歸檔存儲。本文因研究地震前后地噪聲水平變化的對比分析，地震后補(bǔ)建的8個(gè)臺未在研究之中。瀘州臺因深井地震計(jì)故障，“5·12”汶川地震前運(yùn)行不穩(wěn)定，期間的資料沒辦法使用，故只對51個(gè)臺站進(jìn)行地震前后地噪聲水平變化規(guī)律研究。

2008年5月12日14時(shí)28分(北京時(shí)間)，四川省汶川縣發(fā)生Ms8.0級強(qiáng)震(簡稱汶川地震)。大震發(fā)生后地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷層的修復(fù)及地表的愈合對四川省境內(nèi)固有測震臺站臺基觀測環(huán)境造成影響。為了實(shí)現(xiàn)“5·12”汶川地震前后臺基地動(dòng)噪聲級別變化對比分析，考慮到經(jīng)“十五”項(xiàng)目的建設(shè)，四川臺網(wǎng)于2007年6月建成試運(yùn)行，同年12月通過驗(yàn)收后正式運(yùn)行。本文選取2007年6～12月和2008年1～5月10日前四川臺網(wǎng)記錄到波數(shù)據(jù)代表汶川地震前子臺環(huán)境地噪聲水平。同時(shí)，考慮到經(jīng)歷“5·12”汶川和“4·20”蘆山兩次地震后，地殼板塊的構(gòu)造、斷層修復(fù)、地表愈合等影響臺基變化因素，本文選取2010～2015年共6年四川臺網(wǎng)記錄到波數(shù)據(jù)代表“5·12”汶川地震后子臺環(huán)境地噪聲水平，這樣歷經(jīng)兩次大震后采用6年平均值能夠較好地反映臺基噪聲真實(shí)水平。本文所述地噪聲水平是指地面運(yùn)動(dòng)的速度記錄的功率譜密度在1～20 Hz頻帶范圍的均方根值。

圖1 四川測震臺網(wǎng)固定臺站分布

為了達(dá)到對子臺進(jìn)行地動(dòng)噪聲分析和綜合評價(jià)的目的，在資料選取時(shí)，從每年歸檔波形數(shù)據(jù)每月挑選3天，白天最高噪聲記錄選取的時(shí)段為10:00～11:00時(shí)段，夜晚選取的最低噪聲記錄時(shí)段為00:00～01:00時(shí)段。每個(gè)子臺全年共72時(shí)段三分向(上下-東西-南北：UD-EW-NS)連續(xù)波形數(shù)據(jù)作為分析樣本。豐富的樣本數(shù)據(jù)對臺基噪聲功率譜密度進(jìn)行測定是非常有利的，結(jié)果能夠較好地反映場地的地噪聲水平。若遇地震、標(biāo)定、中斷和其它干擾另選其它時(shí)段計(jì)算正常地動(dòng)噪聲。為保證數(shù)據(jù)完整性和記錄質(zhì)量可靠性，挑選時(shí)主要參考了臺站記錄的連續(xù)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果及人工波形記錄質(zhì)量的檢查結(jié)果，并對其中存在明顯異常的觀測臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

2 噪聲計(jì)算方法

2.1 計(jì)算公式

抽取白天1小時(shí)最高噪聲記錄、晚上1小時(shí)最低噪聲記錄，按照GB/T 10084-1988標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算各小時(shí)的功率譜密度，根據(jù)GB/T 3241-1998的規(guī)定用1/3倍頻程濾波器在1～20 Hz范圍內(nèi)按公式(1)由功率譜密度計(jì)算值，取2個(gè)小時(shí)的平均值。如原始觀測數(shù)據(jù)是速度記錄得到均方根，就是環(huán)境地噪聲水平(Enl)。如原始觀測數(shù)據(jù)是加速度記錄，直接計(jì)算加速度功率譜密度Pa，由Pa轉(zhuǎn)換為Pv，再由Pv計(jì)算Enl。均方根(RMS)的計(jì)算是通過功率譜密度P來計(jì)算的，計(jì)算方法：

(1)

式中：P—加速度或速度功率譜密度；f0—分度倍頻程中心頻率；RBW相對帶寬。

RBW=(fu-fl)/f0=(2n-1)/2n/2

(2)

式中，fu—分度倍頻程上限頻率；fl—分度倍頻程下限頻率。在實(shí)際噪聲數(shù)據(jù)分析過程中，把得到的連續(xù)波形文件進(jìn)行分道，分道后的文件其擴(kuò)展名由臺網(wǎng)臺站的“序號”(0、1、2)和“U”、“E”、“N”組成，選擇三分向來測定臺基噪聲功率譜密度。

2.2 環(huán)境地噪聲水平等級劃分

根據(jù)中國地震局制定的《地震測震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》(GB/T 19531-2004)，規(guī)定臺基背景噪聲在1-20 Hz 頻帶范圍的速度均方根值作為評估標(biāo)準(zhǔn)。共分為5類臺基[5]，共五級：用Enl/(m/s)表示:Ⅰ級：Enl<3.16×10-8m/s；Ⅱ級：3.16×10-8m/s≤Enl<1.0×10-7m/s；Ⅲ級：1.0×10-7m/s≤Enl<3.16×10-7m/s；Ⅳ級：3.16×10-7m/s≤Enl<1.0×10-6m/s；Ⅴ級：1.0×10-6m/s≤Enl<3.16×10-6m/s。

3 結(jié)果分析

對所選的資料進(jìn)行預(yù)處理后，計(jì)算得出四川臺網(wǎng)子臺的地動(dòng)噪聲有效值和功率譜，給出三分向平均計(jì)算結(jié)果。計(jì)算功率譜密度和地動(dòng)噪聲有效值的程序采用中國地震局推廣的軟件計(jì)算程序(潼汪練研究員編寫單臺、多臺程序和薛斌研究員采用MatLab編寫程序相結(jié)合)。

圖2 石門坎(SMK)三分向(UD-EW-NS)PSD曲線

3.1 功率譜密度曲線

鑒于篇幅所限，本文以石門坎(SMK)三分向(UD-EW-NS)為例，計(jì)算1/3倍頻在1～20 Hz范圍內(nèi)的功率譜密度曲線如圖2所示，圖中上下兩條短劃線是根據(jù)美國USGS的Peterson等人觀測研究的地球高噪聲新模型(NHNM)和地球低噪聲新模型(NLNM)繪出的曲線[6]，中間的曲線組為石門坎三分向的功率譜密度曲線。圖中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)代表速度功率譜密度。

3.2 平均RMS值

本文用1/3倍頻程濾波器在1～20 Hz范圍內(nèi)，按公式計(jì)算均方根值，每個(gè)臺站計(jì)算全年白天和晚上共72小時(shí)均方根值，求其均值，各個(gè)臺站的臺基噪聲測試參數(shù)見表1，根據(jù)三分向的數(shù)據(jù)均值(UD-EW-NS)判斷臺基的類型。

表1 2007年、2010～2015年四川臺網(wǎng)三分向背景噪聲統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

N臺站名代碼環(huán)境地噪聲水平/(m/s)(1-20Hz) 環(huán)境地噪聲水平等級(Enl)2007年2010年2011年2014年2015年32攀枝花PZH3．32E-08Ⅱ6．59E-08Ⅱ7．21E-08Ⅱ2．03E-07Ⅲ2．19E-07Ⅲ33青 川QCH4．91E-08Ⅱ1．26E-07Ⅲ9．87E-08Ⅱ6．02E-07Ⅳ8．18E-08Ⅱ34若爾蓋REG5．19E-08Ⅱ4．57E-08Ⅱ6．21E-08Ⅱ2．56E-07Ⅲ7．81E-08Ⅱ35壤 塘RTA1．01E-07Ⅲ3．62E-08Ⅱ4．48E-08Ⅱ8．77E-08Ⅱ4．05E-08Ⅱ36石 棉SMI6．97E-08Ⅱ2．36E-07Ⅲ6．62E-08Ⅱ2．46E-07Ⅲ1．10E-07Ⅲ37石門坎SMK4．97E-08Ⅱ5．10E-08Ⅱ4．54E-08Ⅱ6．72E-08Ⅱ1．16E-07Ⅲ38松 潘SPA2．78E-08Ⅰ5．12E-08Ⅱ4．93E-08Ⅱ2．83E-07Ⅲ5．98E-08Ⅱ39汶 川WCH1．43E-07Ⅲ1．25E-07Ⅲ1．08E-07Ⅲ1．42E-07Ⅲ1．04E-07Ⅲ40沐 川WMP7．25E-08Ⅱ2．59E-07Ⅲ1．96E-07Ⅲ5．98E-08Ⅱ3．89E-08Ⅱ41鄉(xiāng) 城XCE1．47E-08Ⅰ6．21E-08Ⅱ1．69E-08Ⅰ2．97E-08Ⅰ3．65E-08Ⅱ42西 充XCO5．58E-08Ⅱ1．26E-07Ⅲ1．72E-07Ⅲ1．83E-07Ⅲ8．60E-08Ⅱ43宣 漢XHA2．21E-07Ⅲ9．29E-08Ⅱ8．14E-08Ⅱ1．31E-07Ⅲ1．07E-07Ⅲ44小 金XJI6．14E-08Ⅱ9．88E-08Ⅱ9．29E-08Ⅱ8．70E-08Ⅱ7．29E-08Ⅱ45玄生壩XSB8．17E-08Ⅱ6．33E-08Ⅱ1．09E-07Ⅲ7．82E-08Ⅱ9．07E-08Ⅱ46仁 壽YGD1．30E-07Ⅲ2．15E-07Ⅲ1．65E-07Ⅲ8．96E-08Ⅱ5．51E-08Ⅱ47雅 江YJI2．67E-08Ⅰ2．67E-08Ⅰ2．40E-08Ⅰ4．92E-08Ⅱ3．45E-08Ⅱ48園藝場YYC1．96E-07Ⅲ1．29E-07Ⅲ1．35E-07Ⅲ6．59E-07Ⅳ1．36E-07Ⅲ49鹽 源YYU2．21E-08Ⅰ2．84E-08Ⅰ2．48E-08Ⅰ3．86E-08Ⅱ2．97E-08Ⅰ50都江堰YZP3．77E-08Ⅱ1．50E-07Ⅲ3．56E-08Ⅱ5．11E-08Ⅱ4．32E-08Ⅱ51江 油ZJG5．62E-08Ⅱ1．69E-07Ⅲ2．24E-07Ⅲ2．10E-07Ⅲ2．03E-07Ⅲ

注：因篇幅所限，2012年、2013年的噪聲有效值未列表中。

圖3 “5·12”汶川大震前后環(huán)境地噪聲水平等級變化趨勢對比

3.3 環(huán)境地噪聲水平分析

表2 “5·12”汶川大震前后環(huán)境地噪聲水平等級統(tǒng)計(jì)

按照《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求》(GB/T 19531.1-2004)規(guī)定臺基背景噪聲在1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)速度RMS值作為評估臺站臺基類型的標(biāo)準(zhǔn)，2007年(“5·12”地震前)全網(wǎng)51個(gè)臺站臺基噪聲水平在1.26E-08至5.03E-07 m/s范圍內(nèi)，其中有5個(gè)臺站達(dá)到Ⅰ類臺基噪聲水平，31個(gè)臺站達(dá)到Ⅱ類臺基噪聲水平，13個(gè)臺站達(dá)到Ⅲ類臺基噪聲水平，2個(gè)臺站達(dá)到Ⅳ類臺基噪聲水平，全部符合B類地區(qū)臺站噪聲水平要求，臺站觀測環(huán)境全部符合規(guī)范要求。2010～2015年(“5·12”汶川地震后)全網(wǎng)51個(gè)臺站臺基全部符合B類地區(qū)臺站噪聲水平要求，臺站觀測環(huán)境全部符合規(guī)范要求。以2011為例全網(wǎng)51個(gè)臺站臺基噪聲水平在1.48E-08至8.40E-07 m/s范圍內(nèi)，其中有6個(gè)臺站達(dá)到Ⅰ類臺基噪聲水平，27個(gè)臺站達(dá)到Ⅱ類臺基噪聲水平，15個(gè)臺站達(dá)到Ⅲ類臺基噪聲水平，3個(gè)臺站達(dá)到Ⅳ類臺基噪聲水平。根據(jù)表1對“5·12”汶川大震前后環(huán)境地噪聲水平等級分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)參見表2，根據(jù)表2繪制“5·12”汶川大震前后環(huán)境地噪聲水平等級變化趨勢對比如圖3所示，從圖3可以看出，歷經(jīng)“5·12”汶川地震及“4·20”蘆山地震后，虛線表示汶川地震前臺基環(huán)境地噪聲水平等級變化趨勢形態(tài)幾乎和汶川地震后2010～2015年一致。這說明，歷經(jīng)“5·12”汶川地震和“4·20”蘆山地震后，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷層錯(cuò)動(dòng)、地表愈合及觀測環(huán)境方面的變化等因素后，四川測震臺網(wǎng)各臺站臺基地噪聲水平變化不大，相對穩(wěn)定。

圖4 四川臺網(wǎng)年度總環(huán)境地噪聲水平均方根變化曲線

3.4 地震前后臺基年度總環(huán)境地噪聲水平變化曲線

本文把2007年和2010～2015年51個(gè)子臺每月地噪聲水平均方根平均，繪制曲線(參見圖4)，虛線表示汶川大震前臺基環(huán)境地噪聲水平等級年度變化曲線,從圖4可以看出，歷經(jīng)汶川地震及蘆山地震后，曲線形態(tài)和2010～2015年的幾乎一致。這說明，歷經(jīng)2次大震后地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷層錯(cuò)動(dòng)、地表愈合以及觀測環(huán)境方面的變化等因素后，各子臺基噪聲水平等級變化不大，相對穩(wěn)定。同時(shí)，從圖3也可以看到，大震后地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷層錯(cuò)動(dòng)、地表愈合，震后臺站維修加固和人類活動(dòng)等因素的影響，臺基噪聲水平相比以前略有增大。

4 討論

利用功率譜密度曲線計(jì)算程序， 對四川測震臺網(wǎng)51個(gè)臺站歸檔數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 得到每個(gè)臺站速度功率譜密度曲線及1/3倍頻在1～20 Hz范圍內(nèi)平均均方根值，臺站觀測環(huán)境全部符合規(guī)范要求。根據(jù)地噪聲速度功率密度曲線圖得出51個(gè)臺站的速度功率譜密度曲線均在地球的高噪聲和低噪聲模型曲線間。研究表明,歷經(jīng)汶川地震及蘆山地震后所有子臺均適應(yīng)寬頻帶觀測要求，臺站觀測環(huán)境全部符合規(guī)范要求。大震后，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷層錯(cuò)動(dòng)、地表愈合，震后臺站維修加固等因素的影響，臺基噪聲水平等級略有增大。在研究中發(fā)現(xiàn)由于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)模擴(kuò)大以及交通建設(shè)等影響，部分臺址觀測條件受到影響，如冕寧臺(MNI)。

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AnalysisoftheChangesofStationBackgroundNoisebeforeandafterWenchuanEarthquake

GUAN Yong, KONG Jun， TANG Lin，MA Fuhong

(Sichuan Earthquake Agency，Sichuan Chengdu 610041， China)

We use the continuous waveform data of 51 observation stations of the Sichuan Network before and after the Wenchuan Earthquake to calculate the base noise power. And then we plot the velocity power spectral density curve for each seismic stations and ground motion velocity records spectral density curve in 1-20 Hz frequency range of the root mean square value. Our results show that: (1) the power spectral density curves of 51 stations are between the curve of high noise and low noise model of the earth. (2) After the Wenchuan Earthquake and the Lushan Earthquake 51 seismic stations are suitable for broadband observation and all environmental requirements are satisfied according to the specification.

Sichuan seismic network; digitalized observation station; ground noise level; comparative analysis

P315.4

:B

:1001-8115(2017)03-0005-05

2017-02-24；

：2017-07-27

中國地震局“三結(jié)合”課題(162302)和四川省地震局地震科技專項(xiàng)(LY1607)資助.

管勇(1972-)，男，四川省滎經(jīng)縣人，工程師，四川省地震局監(jiān)測中心測震臺網(wǎng)部工作，1994年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等專科學(xué)校應(yīng)用地球物理專業(yè)，主要研究方向：地震定位。E-mail：1143200213@qq.com.

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.002