昭通巡龍測震臺臺基背景噪聲特征分析

馬敏偉，彭登靖，秦波，李剛

(昭通地震監(jiān)測中心站，云南 昭通 657000)

0 引 言

數字地震觀測連續(xù)波形記錄中，除了可獲得地震信號外，還可獲得大量的噪聲記錄，而地震噪聲水平的變化既能反映臺站儀器設備的工作狀態(tài)，又能影響臺站監(jiān)測水平能力。因此，提高對噪聲記錄的認識和了解，學會分析噪聲的來源和譜異常，通過選擇優(yōu)良的臺址和提高觀測儀器的性能，降低觀測系統(tǒng)的噪聲水平，來提高臺站的地震監(jiān)控能力和獲取更加清晰的地震記錄[1]，具有重要的實際意義。

噪聲功率譜密度(power spectral density，縮寫為 PSD)通常用來定量地描述地震臺站記錄到的噪聲水平[2]，實際使用1～20 Hz頻段地動噪聲均方根值(RMS)來衡量各臺站臺基背景噪聲水平[3]，這兩項指標是研究背景噪聲強弱和特征的有效工具。因此通過對實時記錄的噪聲水平進行監(jiān)控和分析，可以及時監(jiān)控到地震觀測系統(tǒng)的健康狀態(tài)[4]。

1 臺站概況

昭通巡龍測震臺(以下簡稱昭通臺)屬于國家數字測震臺，長期以來在地震監(jiān)測預報工作中發(fā)揮著極其重要的作用。其原址位于昭通市昭陽區(qū)南大街東南圓寶山腳下原昭通地震臺(現昭通中心站)內，隨著城市建設的不斷發(fā)展，臺站周圍大量新的干擾源不斷出現，現有觀測環(huán)境受到嚴重的影響，直接影響著昭通臺對地震監(jiān)測效能的發(fā)揮。加之云南震情形勢的不斷嚴峻，特別是“8·3”(2014年8月3日16時30分)魯甸6.5級地震的發(fā)生，迫切需要對本區(qū)域的地震監(jiān)測環(huán)境做出改善，提升地震監(jiān)測效能。因此，2015年原昭通國家測震臺采用臺址外遷的形式，在距離昭通地震臺直線距離約15.5 km的巡龍灣選址新建了一個測震臺站，該臺2017年2月正式入網觀測。

圖1 昭通臺地理位置

昭通臺建在布滿石灰?guī)r的半山坡上，為地表式觀測。該臺站高程1 933 m，臺基巖性為石灰?guī)r，臺站所處境內地質斷裂構造縱橫交錯(圖1)，有近南北向構造的小江斷裂帶，峨眉—金陽斷裂帶，北西間構造的大關—馬邊斷裂帶，三條北東向構造的巧家—五蓮峰斷裂帶、灑漁河斷裂帶、迤車斷裂帶。昭通臺所在的巡龍灣就位于北東向的灑漁河斷裂帶邊緣，該處為北緯高原大陸季風氣候，冬季氣溫較低，夏季氣候涼爽，干濕兩季分明。臺站現有地震監(jiān)測設備為 GL-S120型甚寬頻帶地震計及EDAS-24GN數據采集器，地震計頻帶范圍為120 s-50 Hz，觀測采樣率為100 Hz，其參數如表1。

表1 臺站儀器響應參數信息

2 資料選取

本文主要是對昭通臺背景噪聲數據進行計算，并對其計算結果進行分析，得出臺站的背景噪聲變化特征情況。選取昭通臺2019～2022年共4年的原始波形數據，并在數據中選擇無震、無明顯干擾、長度每小時的記錄[5]，對符合的波形數據進行分道處理，結合地震計靈敏度和數采轉換因子，計算出地脈動噪聲功率譜(PSD)和地動噪聲有效值(RMS)等地脈動參數，從而發(fā)現臺站的背景噪聲特征變化規(guī)律。選取數據計算時考慮以下幾個方面：

(1)為了研究臺站背景噪聲的年變情況，選取2019～2022年間每年1月份中無地震、無明顯干擾下夜間00～04時段內每小時的觀測數據(表2)，進行分析計算。

表2 2019～2022年各年間觀測數據目錄

(2)為了研究臺站背景噪聲隨季節(jié)的變化及白天夜晚的不同，選取2020年的觀測數據，將數據按季度分為春季(2020-03～2020-05)、夏季(2020-06～2020-08)、秋季(2020-09～2020-11)、冬季(2020-12～2021-02)[6]，在每個季節(jié)中同樣選擇無地震、無明顯干擾夜間00～04時及白天12～16時內1 h的觀測數據，進行分析計算，選取的資料如表3所示。

表3 2020年各季度觀測數據目錄

3 數據分析

本文測點噪聲測試數據的回放、分道、功率譜密度計算、RMS計算等噪聲數據處理采用北京港震機電技術有限公司童汪練研究員[7]編寫的地動噪聲功率譜密度軟件包進行測試計算。各計算工作按小時數據段進行處理，對垂直、東西、南北三個分量進行計算分析。

3.1 地脈動噪聲功率譜密度(PSD)計算分析

根據選取的波形數據，每小時計算出垂直向、東西向、南北向三個分量各一條功率譜密度曲線，如圖2～4所示。圖中上下兩條粗實線為高噪聲模型(NHNM)與低噪聲模型(NLNM)，中間線為實測功率譜密度曲線。

圖2 各年地動噪聲功率譜密度曲線

通過對2019～2022年間各年數據進行分析計算，結果發(fā)現臺站的地動背景噪聲變化特征如下：

(1)分析發(fā)現，儀器觀測頻帶內整體偏向于低噪聲模型，但都處于高低噪聲模型之間，屬正常水平。

(2)在高頻(≤2 s)段內，繪制出來的各年地動噪聲功率譜密度曲線最粗，在微震(2～20 s)頻段內，地脈動功率譜密度曲線處在最高值，而在長周期(≥20 s)頻段內，地脈動功率譜密度曲線清晰較為平滑，這是因為地震計為甚寬頻帶型，能很好地記錄低頻、長周期的地脈動噪聲。

(3)四年間三個分項地動噪聲功率譜密度曲線一致性較好，年變化形態(tài)不明顯，說明臺站自身觀測系統(tǒng)穩(wěn)定，數據觀測質量很好。

(4)對比白天和夜間功率譜密度曲線，發(fā)現高頻(≤2 s)部分白天背景噪聲明顯高于夜間，這是由于人類活動白天比夜間更頻繁引起所致。

(5)從各季度功率譜密度變化曲線來看，發(fā)現低頻(≤0.1 Hz)部分受季節(jié)影響而隨之變化，尤其水平向(東西、北南)的變化明顯大于垂直向(UD)，這是由于臺站位于半山坡上，與臺站山體相連且距離臺站100 m左右的北邊山體內部為溶洞，而因不同臺站不同型號儀器和同一型號儀器不同分向低頻自噪聲水平不同，水平向受地傾斜影響大于垂直向[6]，因此受氣壓變化的影響，臺站背景噪聲值也隨著季節(jié)發(fā)生改變。

圖3 各季度地動噪聲功率譜密度曲線(夜間)

圖4 各季度地動噪聲功率譜密度曲線(白天)

3.2 地脈動速度噪聲1～20Hz有效值(RMS)計算分析

根據選取的波形數據，計算出各季度的地脈動噪聲有效值，如表4，根據白天和夜間平均RMS值畫出其隨時間(季度)變化情況圖(圖5)。

表4 各年地動噪聲平均RMS值數據匯總對比

圖5 昭通臺三分項RMS值隨季節(jié)變化對比

從表4和圖5中可以看出，昭通臺三分項RMS值無論是在春、夏、秋、冬哪個季節(jié)，其水平向(東西、北南)均大于垂直向(UD)，而在四個季節(jié)中，春秋兩季RMS值明顯大于夏冬兩季，這是因為臺站所在位置為昭通灑漁蘋果種植基地，地震臺站周邊被農戶種植的蘋果樹包圍，每到春季時，農戶會在蘋果基地里面利用旋耕機翻地、施肥、灌水。而到秋天時則是蘋果收成時節(jié)，地震臺站周邊來來回回拉蘋果的三輪車加大了觀測環(huán)境的干擾。也就是說，人類活動的影響春秋兩季高于夏冬兩季，從而計算出的RMS值具有明顯的季節(jié)變化特征。

4 結論與討論

本文通過對昭通巡龍測震臺背景噪聲的功率譜密度及地脈動速度噪聲有效值進行計算分析，比對其各項數據結果，可以了解到巡龍測震臺背景噪聲的特征情況及對應的干擾情況，現總結如下幾點結論以供討論。

(1)從2019年至2022年，臺站背景噪聲值變化較小，年變形態(tài)不明顯，說明自身觀測系統(tǒng)穩(wěn)定。

(2)由于人類活動時間的特殊性，表現出的高頻(≤2s)部分背景噪聲值變化特征為白天高于晚上，春秋兩季高于夏冬兩季。

(3)受季節(jié)變化引起的氣壓變化的影響，低頻(≤0.1Hz)部分背景噪聲值水平向(東西、北南)變化大于垂直向(UD)的變化。

(4)臺站通過定期對背景噪聲進行測試，可充分了解觀測系統(tǒng)及環(huán)境的變化，能為臺站產出真實可靠的測震觀測資料提供有效的幫助[8]。