內(nèi)蒙古錫林郭勒區(qū)域科學(xué)臺(tái)陣臺(tái)址勘選背景噪聲

高 源，張 珂，王 鑫*，安 全

（1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局 東勝地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010）

0 引言

內(nèi)蒙古錫林郭勒區(qū)域科學(xué)臺(tái)陣的勘選工作來(lái)源于“一帶一路”地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)項(xiàng)目—內(nèi)蒙古子項(xiàng)目科學(xué)臺(tái)陣建設(shè)項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)蒙古科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目”），該項(xiàng)目旨在建立綜合探測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)體系，使我國(guó)地震監(jiān)測(cè)能力和地震災(zāi)害安全保障水平得以大幅提升。錫林郭勒區(qū)域科學(xué)臺(tái)陣的站點(diǎn)共62個(gè)，目前已完成該區(qū)所有站點(diǎn)的實(shí)地踏勘和場(chǎng)地儀器測(cè)試工作。

地震臺(tái)陣起初用于監(jiān)測(cè)核爆實(shí)驗(yàn)，由于其具有特定的臺(tái)站布局和數(shù)據(jù)處理方式，表現(xiàn)出突出的監(jiān)測(cè)能力，后來(lái)被人們廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1-2]。該技術(shù)不僅可以大大提升地震監(jiān)測(cè)能力，同時(shí)能夠幫助人們探尋更精細(xì)的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]。相比地震臺(tái)網(wǎng)，地震臺(tái)陣可以匯集多個(gè)相關(guān)子臺(tái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)專用的處理技術(shù)，達(dá)到抑制地噪聲，加強(qiáng)有效地震信號(hào)的效果，從而擁有更高的地震監(jiān)測(cè)能力，尤其是對(duì)微小地震信號(hào)的識(shí)別[4-5]。

地震臺(tái)陣的建設(shè)涉及多個(gè)重要環(huán)節(jié)，其中，臺(tái)陣的勘測(cè)選址對(duì)臺(tái)陣建設(shè)尤為重要。為建設(shè)對(duì)微小地震擁有較高監(jiān)測(cè)能力的臺(tái)陣，在臺(tái)陣踏勘選址過(guò)程中，應(yīng)盡可能選取構(gòu)造塊體較為完整穩(wěn)定、地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為均一、地脈動(dòng)背景噪聲較小的區(qū)域[3]。由于地震信號(hào)是指波場(chǎng)中的有效成分，而噪聲則屬于會(huì)干擾地震信息需要壓制的部分，因此若臺(tái)址擬選區(qū)地脈動(dòng)背景噪聲較大，則勢(shì)必會(huì)降低臺(tái)陣的地震監(jiān)測(cè)能力。所以，開展臺(tái)陣臺(tái)址勘選背景噪聲研究不僅可評(píng)價(jià)臺(tái)陣的勘選質(zhì)量，也可為優(yōu)化臺(tái)陣后期建設(shè)提供參考依據(jù)與基礎(chǔ)資料。本文以內(nèi)蒙古錫林郭勒區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用該區(qū)域科學(xué)臺(tái)陣臺(tái)址勘選的地脈動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)，開展62個(gè)子臺(tái)背景噪聲的計(jì)算分析工作。

1 內(nèi)蒙古科學(xué)臺(tái)陣概述

內(nèi)蒙古科學(xué)臺(tái)陣整體分布于內(nèi)蒙古東北部區(qū)域，涉及錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市在內(nèi)的5個(gè)行政區(qū)域，共包括201個(gè)子臺(tái)站點(diǎn)（圖1）。內(nèi)蒙古科學(xué)臺(tái)陣的建設(shè)，可大大提高區(qū)域地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)控能力，有利于建立由綜合探測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地震觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與共享平臺(tái)和運(yùn)行管理保障系統(tǒng)組成的分級(jí)部署、業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)的地震監(jiān)測(cè)體系，進(jìn)而提升中國(guó)對(duì)東北亞、南亞方向陸地以及黃渤海區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)能力。

圖 1 內(nèi)蒙古科學(xué)臺(tái)陣分布圖

錫林郭勒區(qū)域的科學(xué)臺(tái)陣主要分布于該區(qū)43°N以北，共包括62個(gè)子臺(tái)站點(diǎn)。臺(tái)陣布局呈規(guī)則網(wǎng)格狀，各子臺(tái)之間的橫縱間隔為0.5°（圖1）。根據(jù)地質(zhì)研究，整個(gè)錫林郭勒盟地跨東北塊體和蒙古弧形構(gòu)造帶兩大構(gòu)造單元。其中，42°N以北地區(qū)屬天山蒙古地槽褶皺帶，具有較為均一與完整的構(gòu)造塊體[6]。而且錫林郭勒地區(qū)人口稀少，經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，工業(yè)欠發(fā)展，主要以畜牧業(yè)為主，因此該區(qū)子臺(tái)環(huán)境較安靜，干擾因素相對(duì)較少。

2 臺(tái)址的勘選

2.1 勘選方法及手段

內(nèi)蒙古科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目的野外勘選工作于2019年4月16日從錫林郭勒區(qū)域開始，勘選工作人員嚴(yán)格按照GB/T 19531.1—2004“地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求 第1部分：測(cè)震”的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，開展各子臺(tái)的勘探選址工作，具體勘選內(nèi)容由4部分組成。①點(diǎn)位測(cè)試：在擬選點(diǎn)附近尋找環(huán)境相對(duì)安靜并且存在基巖出露的地方進(jìn)行測(cè)試， 適當(dāng)留取2～3個(gè)候選點(diǎn)位；②技術(shù)分析：根據(jù)測(cè)震臺(tái)站建設(shè)要求，分析臺(tái)站的噪聲水平與可能的干擾源，確保子臺(tái)噪聲水平與距干擾源的最小距離均滿足技術(shù)規(guī)范[7]；③點(diǎn)位確定：在保證建臺(tái)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，權(quán)衡基礎(chǔ)建設(shè)、供水供電、通信、交通、日后運(yùn)維等條件，最終挑選出各方面均優(yōu)秀的點(diǎn)位；④觀測(cè)分析：對(duì)選擇點(diǎn)位連續(xù)觀測(cè)48 h，分析處理觀測(cè)數(shù)據(jù)， 若分析結(jié)果滿足臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境的技術(shù)要求，則認(rèn)為該點(diǎn)為臺(tái)站建設(shè)點(diǎn)，完成點(diǎn)位的勘選工作。

在觀測(cè)地動(dòng)噪聲時(shí)選用工作頻帶包含0.05～20 Hz的寬頻帶數(shù)字地震儀[8]，實(shí)際測(cè)試使用地震計(jì)為 BBVS-60（觀測(cè)頻帶為 60 s/0.017 Hz～50 Hz）和CMG-3TB(觀測(cè)頻帶為 120 s/0.008 Hz～50 Hz)，后者在低頻端更低，各測(cè)試場(chǎng)地的連續(xù)記錄波形形態(tài)可能略有差別，但兩種地震計(jì)均能覆蓋大部分噪聲頻段，數(shù)據(jù)采集器使用大動(dòng)態(tài)范圍的24位設(shè)備，且儀器參數(shù)設(shè)置為能盡量記錄小的信號(hào)，保證數(shù)據(jù)采集的有效性。計(jì)算軟件使用北京港震機(jī)電有限公司開發(fā)的“Cal79_20160301C_user_地震數(shù)據(jù)分析處理系列軟件包”[9]，實(shí)際使用時(shí)需精確填寫系統(tǒng)靈敏度等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)扣除儀器響應(yīng)。通過(guò)以上勘選測(cè)試設(shè)備和處理軟件，可對(duì)測(cè)試臺(tái)基垂直、南北與東西向的地脈動(dòng)速度值進(jìn)行測(cè)定，能夠?qū)崟r(shí)查看數(shù)據(jù)波形記錄、存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算噪聲功率譜用以評(píng)估地噪聲水平。

2.2 臺(tái)陣（址）觀測(cè)資料的獲取

為了較為客觀地評(píng)估測(cè)試場(chǎng)地的環(huán)境地噪聲水平，同時(shí)為降低人類活動(dòng)和其他地表干擾，在安放寬頻帶地震計(jì)進(jìn)行測(cè)試前，一般均須清理測(cè)試場(chǎng)地的地表風(fēng)化層。寬頻帶地震計(jì)安放位置以底部接觸到堅(jiān)實(shí)基巖為佳，或者堅(jiān)實(shí)硬土層，測(cè)試基坑深度不小于50 cm，測(cè)試基坑直徑以容納地震計(jì)防護(hù)罩為宜，注意在地震計(jì)防潮保溫及布設(shè)的線纜保持松弛狀態(tài)下進(jìn)行填埋式觀測(cè)。地震計(jì)開鎖后進(jìn)行調(diào)零和系統(tǒng)標(biāo)定操作，標(biāo)定計(jì)算結(jié)果正常后可進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)記錄。在以上專業(yè)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)臺(tái)站進(jìn)行48 h（三通道連續(xù)記錄，100點(diǎn)/s采樣率）連續(xù)記錄。并使用edas-ias-view-1.2軟件瀏覽記錄波形，查驗(yàn)勘選期間記錄到的事件、統(tǒng)計(jì)非天然地震事件發(fā)生頻度N和非天然地震事件持續(xù)時(shí)間占記錄時(shí)間的百分比R[10]。在瀏覽地脈動(dòng)波形記錄時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況，判斷臺(tái)基是否有受到干擾，并及時(shí)判斷干擾來(lái)源，對(duì)于觀測(cè)系統(tǒng)所帶來(lái)的干擾，要通過(guò)反復(fù)檢查觀測(cè)設(shè)備，及時(shí)摒去偶發(fā)干擾。錫林郭勒區(qū)域的臺(tái)站勘選工作共收集了62個(gè)臺(tái)站的48 h連續(xù)地脈動(dòng)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

分別對(duì)錫林郭勒區(qū)域科學(xué)臺(tái)陣62個(gè)子臺(tái)勘選的48 h連續(xù)地脈動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析，挑選出未記錄到地震事件且無(wú)顯著性偶發(fā)干擾的噪聲數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)臺(tái)站臺(tái)址勘選時(shí)帶寬在1～20 Hz（1/3倍頻程）的地動(dòng)速度均方根值（RMS值）、噪聲功率譜密度值[11-14]，分析各臺(tái)站臺(tái)址勘選背景噪聲情況。

3.1 方法與原理

1）地動(dòng)速度均方根值

地脈動(dòng)噪聲的速度均方根值（RMS）是反映臺(tái)址背景噪聲水平的一個(gè)重要指標(biāo)[7,15-16]，該值的計(jì)算公式為：

式中，V為實(shí)測(cè)地脈動(dòng)速度(m/s)；N為實(shí)際記錄噪聲的數(shù)字值；U為模擬輸入峰值電壓(V)；R為儀器分辨率(Counts)；Kad為數(shù)采實(shí)際增益；Ss0為地震儀工作靈敏度 (V·s /m)。

根據(jù)公式（1）與公式（2），可計(jì)算出臺(tái)站每小時(shí)的地脈動(dòng)噪聲RMS值[17]，并取48 h地脈動(dòng)噪聲RMS值的算術(shù)平均值作為臺(tái)站臺(tái)址勘選時(shí)的RMS均值。

2）噪聲功率譜

功率譜密度(Power Spectral Density，簡(jiǎn)稱PSD)是可用于衡量地脈動(dòng)噪聲水平的另一個(gè)重要指標(biāo)[7,11,18-19]，一般用實(shí)函數(shù)|2表示，其計(jì)算公式為：

為更加形象地凸顯噪聲在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的變化特征，通常以曲線圖的形式展示噪聲功率譜密度，即噪聲功率譜密度曲線圖。該圖中一般會(huì)繪出地球高噪聲模型(NHNM)曲線與低噪聲模型(NLNM) 曲線。

基于以上原理，利用北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司提供的地震數(shù)據(jù)分析處理系列軟件，可計(jì)算臺(tái)站勘選時(shí)的噪聲功率譜密度(PSD)。

3）臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平等級(jí)劃分

按照國(guó)標(biāo)《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求 第1 部分：測(cè)震》中對(duì)測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基環(huán)境地噪聲水平的相關(guān)規(guī)定，測(cè)震臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平可分為5級(jí)[21]，劃分依據(jù)是臺(tái)基背景噪聲水平，即噪聲的速度RMS值[22]，主要通過(guò)Bnlv值與BnldB值體現(xiàn)（表1）。其中，Bnlv為由速度記錄數(shù)據(jù)計(jì)算得到的RMS值，而分貝值BnldB則由BnlV計(jì)算得到，二者間轉(zhuǎn)化公式為：

3.2 結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣62個(gè)子臺(tái)臺(tái)址勘選48 h連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析，計(jì)算得到了各子臺(tái)環(huán)境地噪聲UD、EW與NS三分向的RMS平均值與功率譜密度平均值，并將所有臺(tái)站的臺(tái)基地噪聲水平進(jìn)一步分為4類。

由計(jì)算得到的所有臺(tái)站噪聲功率譜密度值，繪制出了各臺(tái)站的噪聲功率譜曲線。因涉及臺(tái)站較多，只選擇了部分具有代表性的臺(tái)站，展示其噪聲功率譜曲線（圖2）。根據(jù)圖2可以看出，臺(tái)站的噪聲功率譜大都分布于高噪聲模型(NHNM)曲線與低噪聲模型(NLNM) 曲線之間，無(wú)明顯偏離高、低噪聲模型曲線形態(tài)的現(xiàn)象?；诠β首V密度值，并根據(jù)各子臺(tái)的RMS計(jì)算結(jié)果以及臺(tái)站環(huán)境地噪聲分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1），錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣的62個(gè)子臺(tái)可劃分為 4類（圖 3）。Ⅰ級(jí)臺(tái)站（Bnlv＜ 3.16×10?8m/s）共有 4個(gè)；Ⅱ級(jí)臺(tái)站（3.16×10?8m/s≤Bnlv＜1.0×10?7m/s）有 25 個(gè)；Ⅲ級(jí)臺(tái)站（1.0×10?7m/s≤Bnlv＜3.16×10?7m/s）有 31 個(gè)；Ⅳ級(jí)臺(tái)站（3.16×10?7m/s≤Bnlv＜1.0×10?6m/s）有3個(gè)。其中，Ⅱ級(jí)臺(tái)站中臺(tái)站代碼分別為15B06、15A89的2個(gè)子臺(tái)，其RMS值僅稍大于Ⅰ級(jí)臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)值，Ⅲ級(jí)臺(tái)站中臺(tái)站代碼分別為15A64、15A54、15A68、15B06的子臺(tái)，其RMS值也只稍高于Ⅱ類臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)值，這些臺(tái)站可在后期建設(shè)過(guò)程中通過(guò)改善或優(yōu)化相應(yīng)防干擾設(shè)施，使其臺(tái)基質(zhì)量進(jìn)一步提高一個(gè)級(jí)別，優(yōu)于勘選時(shí)水平。

表 1 測(cè)震臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（依據(jù)臺(tái)基處背景噪聲水平）

圖 2 噪聲功率譜曲線圖

根據(jù)62個(gè)子臺(tái)在連續(xù)觀測(cè)48 h內(nèi)臺(tái)基背景噪聲的RMS均值與功率譜密度均值的分布認(rèn)為，錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣在臺(tái)址勘選階段，絕大多數(shù)臺(tái)站的背景地噪聲水平較為良好。在分析觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有個(gè)別時(shí)間段內(nèi)的噪聲水平較高，這可能是在勘選過(guò)程中某個(gè)時(shí)段存在較大干擾源所致，結(jié)合臺(tái)址勘選時(shí)周圍環(huán)境，認(rèn)為應(yīng)是臺(tái)址附近草場(chǎng)牛羊群活動(dòng)，以及牧民駕駛摩托車等交通工具所產(chǎn)生的偶發(fā)噪聲影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

基于以上計(jì)算結(jié)果與研究分析，內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣建成后，將有半數(shù)以上臺(tái)站的臺(tái)基質(zhì)量均可滿足甚至高于Ⅱ級(jí)臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)，這反映出錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣的勘選工作取得了預(yù)期的成果。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣臺(tái)址勘選時(shí)的背景噪聲分析，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)62個(gè)子臺(tái)臺(tái)址勘選4 h連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析, 計(jì)算得到了各子臺(tái)背景噪聲UD、EW與NS三分向的RMS平均值與功率譜密度平均值，并依據(jù)臺(tái)站環(huán)境地噪聲水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將所有臺(tái)站環(huán)境地噪聲分為四級(jí)：Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)。從噪聲功率譜曲線圖中可看出，絕大多數(shù)臺(tái)站（約85%）的噪聲功率譜密度曲線大都分布于高噪聲模型(NHNM)曲線之下，認(rèn)為錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣在臺(tái)址勘選階段，絕大多數(shù)臺(tái)站的背景噪聲水平較為良好。

2）根據(jù)各子臺(tái)在48 h噪聲RMS均值與功率譜密度均值的變化情況，以及臺(tái)址勘選時(shí)的周圍環(huán)境，認(rèn)為勘選過(guò)程中干擾觀測(cè)環(huán)境的噪聲源主要來(lái)自于臺(tái)址附近草場(chǎng)牛羊群活動(dòng)，以及牧民駕駛摩托車等交通工具所產(chǎn)生的噪聲。

圖 3 錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣62個(gè)子臺(tái)臺(tái)址勘選噪聲的RMS均值與臺(tái)站環(huán)境地噪聲分級(jí)情況

3）根據(jù)研究結(jié)果，認(rèn)為內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣建成后，將有半數(shù)以上臺(tái)站其臺(tái)基環(huán)境地噪聲水平滿足甚至高于Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明內(nèi)蒙古錫林郭勒地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣的勘選工作取得了預(yù)期的勘選成果。

4）根據(jù)地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求，不同環(huán)境地噪聲水平的臺(tái)站安裝地震儀的類型也有所不同。內(nèi)蒙古自治區(qū)為中國(guó)大陸背景地噪聲區(qū)域劃分中的A類地區(qū)，因此錫林郭勒區(qū)域科學(xué)臺(tái)陣中環(huán)境地噪聲水平為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)的臺(tái)站可依次安放甚寬頻帶地震儀、寬頻帶地震儀；對(duì)于環(huán)境地噪聲水平為Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)的臺(tái)站，建臺(tái)時(shí)須采取有效降低環(huán)境地噪聲干擾的措施，使環(huán)境地噪聲水平至少達(dá)到Ⅱ級(jí)，以利于安裝寬頻帶地震儀或短周期數(shù)字地震儀。

5）在實(shí)際建臺(tái)時(shí)，建議對(duì)環(huán)境地噪聲水平為Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)的臺(tái)站進(jìn)行降低環(huán)境地噪聲干擾的相關(guān)措施：①在勘選點(diǎn)附近適當(dāng)調(diào)整臺(tái)站位置，優(yōu)選山坡中部可避免風(fēng)力、牛羊群等干擾的地方；②提高部分臺(tái)站安放地震計(jì)的埋藏深度，以減少氣流等外界環(huán)境的干擾；③可為地震計(jì)添加防護(hù)罩，使地震計(jì)的工作環(huán)境盡可能保持恒適溫、穩(wěn)氣流的狀態(tài)。