吳建平 歐陽(yáng)飚 王未來 姚志祥 袁松涌

1）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

2）中國(guó)北京100029中國(guó)地震局地質(zhì)研究所

華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征研究

吳建平1），歐陽(yáng)飚2）王未來1）姚志祥1）袁松涌1）

1）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

2）中國(guó)北京100029中國(guó)地震局地質(zhì)研究所

利用華北流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)的垂直分向連續(xù)波形數(shù)據(jù)，通過計(jì)算功率譜密度和相應(yīng)的概率密度函數(shù)，對(duì)華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征進(jìn)行了分析研究.結(jié)果表明，東部平原和沉積盆地2Hz以上的高頻環(huán)境噪聲水平與全球新高噪聲模型（NHNM）相近，周期3—18s的平均噪聲水平低于NHNM和新低噪聲模型（NLNM）的平均值；山區(qū)及西部高原的高頻噪聲水平明顯低于NHNM，周期1—18s的噪聲水平大多明顯低于NHNM和NLNM的平均值；不同區(qū)域18s以上周期的噪聲水平差異相對(duì)較小.流動(dòng)地震臺(tái)陣部分臺(tái)站的環(huán)境噪聲存在明顯的晝夜變化，個(gè)別臺(tái)站噪聲水平明顯高于周邊臺(tái)站，表明這些臺(tái)站受人類活動(dòng)干擾較大.不同臺(tái)站的噪聲水平分析表明，將臺(tái)站布設(shè)在擺坑內(nèi)，能在一定程度上降低高頻和低頻段的噪聲水平.臺(tái)站環(huán)境噪聲特征的研究結(jié)果可為流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的定量評(píng)估，觀測(cè)期間的臺(tái)站優(yōu)化調(diào)整等提供重要依據(jù).

華北地區(qū) 地震臺(tái)陣 環(huán)境噪聲 噪聲水平 概率密度函數(shù)

引言

由大量寬頻帶地震儀組成的密集地震臺(tái)陣觀測(cè)已成為開展地球內(nèi)部高分辨成像的重要途徑.“十五”期間，中國(guó)地震局建立了以600套流動(dòng)地震儀為核心的地震科學(xué)探測(cè)臺(tái)陣系統(tǒng)，用于地震科學(xué)研究.為了檢驗(yàn)流動(dòng)地震儀的野外運(yùn)行性能，同時(shí)開展一次有重要科學(xué)意義的大規(guī)模流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)，吳建平、歐陽(yáng)飚等組織在華北地區(qū)開展了一次為期1年的流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)實(shí)驗(yàn).本次實(shí)驗(yàn)從2006年10月開始，共采用200套寬頻帶地震儀和50套短周期地震儀.其中寬頻帶地震儀和短周期地震儀的頻帶范圍分別為60s—50Hz和2s—100Hz.考慮到華北地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，以及活動(dòng)斷層分布和強(qiáng)震活動(dòng)特點(diǎn)等多種因素，流動(dòng)地震觀測(cè)的設(shè)計(jì)范圍確定在111°—119°E，37°—42°N（圖1）.

圖1 華北流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)陣的地震臺(tái)站分布圖三角形表示寬頻帶地震臺(tái)，菱形表示甚寬頻帶地震臺(tái)，圓圈表示短周期地震臺(tái)Fig.1 Deployment of temporary seismic stations of North China seismic arrayBroadband stations are shown as triangles，very broadband stations are represented as diamonds，and circles indicate short period seismic stations

地震臺(tái)陣主要包括3個(gè)部分：由寬頻帶流動(dòng)地震儀和固定地震臺(tái)站組成的臺(tái)間距約35km的地震臺(tái)陣；在唐山附近由50套短周期地震儀組成的臺(tái)間距10—12km的密集地震臺(tái)陣；與該地區(qū)一系列北東向活動(dòng)斷裂垂直的兩條500km以上的寬頻帶密集地震臺(tái)陣觀測(cè)剖面.在臺(tái)址勘選和儀器布設(shè)過程中，我們對(duì)流動(dòng)地震臺(tái)站周圍環(huán)境進(jìn)行了認(rèn)真調(diào)查，盡可能選擇相對(duì)安靜的位置作為流動(dòng)地震臺(tái)站的觀測(cè)點(diǎn)，并采取挖坑掩埋等方法進(jìn)行降噪處理.考慮到流動(dòng)地震觀測(cè)設(shè)備的安全性，儀器均布設(shè)在有人居住但相對(duì)安靜的村落.其中地震計(jì)大多數(shù)放置在臨時(shí)建造的1.2—1.5m深的擺坑或地窖內(nèi)（圖2），部分地區(qū)由于受條件限制或民俗習(xí)慣等多種因素的影響無法建造擺坑的，放置在閑置民房?jī)?nèi).地震計(jì)安裝后，用保溫材料進(jìn)行封閉保溫.

圖2 流動(dòng)地震臺(tái)站臺(tái)基建設(shè)照片（a）擺坑和水泥基墩；（b）保溫材料未封頂時(shí)地震計(jì)安裝照片F(xiàn)ig.2 Construction of sensor vault at a temporary seismic station（a）Sensor vault and concrete pad；（b）Photo of installed sensor with uncapped insulation material

臺(tái)站噪聲研究一直受到地震學(xué)家的重視 （Brune，Oliver，1959；Frantiietal，1962；Murphy，Savino，1975；Agnew，Berger，1978；Webb，1998；Bergeretal，2004）.Peterson（1993）通過對(duì)全球臺(tái)網(wǎng)75個(gè)臺(tái)站噪聲觀測(cè)資料的研究，給出了著名的全球噪聲模型，即新高噪聲模型（new high noise model，簡(jiǎn)寫為NHNM）和新低噪聲模型（new low noise model，簡(jiǎn)寫為NLNM）.這一模型已成為衡量臺(tái)站噪聲水平的重要依據(jù).Stutzman等（2000）對(duì)GEOSCOPE臺(tái)站的噪聲水平進(jìn)行了分析.近年來，隨著觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，臺(tái)站噪聲水平的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)分析已成為評(píng)估地震臺(tái)站運(yùn)行質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo).對(duì)一個(gè)地區(qū)地震噪聲水平的正確評(píng)估和全面了解成為進(jìn)一步改善地震觀測(cè)質(zhì)量的重要步驟.

在傳統(tǒng)方法中，通常選擇相對(duì)平靜的一段地震記錄，通過計(jì)算功率譜密度評(píng)估臺(tái)站噪聲水平（Peterson，1993；Stutzmanetal，2000）.該方法雖然在臺(tái)站背景噪聲水平的評(píng)估中獲得了廣泛的應(yīng)用，但如何合理選擇噪聲記錄往往存在一定的人為因素影響，難以客觀反映臺(tái)站噪聲水平的全面特征，如經(jīng)常性、有規(guī)律的干擾和季節(jié)性變化等.近年來，McNamara和Raymond（2004）提出了一種能更加全面地反映地震環(huán)境噪聲水平的新方法——地震噪聲概率密度函數(shù)（probability density function，簡(jiǎn)寫為PDF）表示方法.它可以較好地反映臺(tái)站噪聲的變化特征.IRIS數(shù)據(jù)中心等已將該方法應(yīng)用于臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估.

華北地區(qū)流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)積累了大量的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù).為了比較客觀地評(píng)估華北流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)臺(tái)站的環(huán)境噪聲特點(diǎn)，我們采用概率密度函數(shù)方法，系統(tǒng)地計(jì)算了地震臺(tái)站的噪聲水平，通過與全球噪聲模型的對(duì)比（Peterson，1993），對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)不同區(qū)域、不同頻率噪聲水平的變化特征進(jìn)行分析研究.

1 功率譜密度

定量評(píng)價(jià)地震臺(tái)站背景噪聲水平的常規(guī)方法是計(jì)算噪聲的功率譜密度（power spectrum density，簡(jiǎn)寫為PSD）.對(duì)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，最常用的計(jì)算功率譜密度方法是離散傅里葉變換，即對(duì)觀測(cè)資料在有限時(shí)間范圍內(nèi)通過快速傅里葉變換進(jìn)行計(jì)算.

周期時(shí)間序列g(shù)（t）的有限范圍傅里葉變換可表示為

式中，tr為時(shí)間序列段的長(zhǎng)度，f為頻率.

對(duì)離散頻率值fk，可定義為

Δt為采樣間隔，N為截取時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù).

功率譜密度（PSD）定義為

通常將1小時(shí)劃分為13個(gè)時(shí)間段，每段之間在時(shí)間上部分重疊，每一小時(shí)的PSD估計(jì)由13個(gè)時(shí)間段的PSD平均獲得.

利用地震觀測(cè)波形數(shù)據(jù)計(jì)算地震噪聲功率譜密度時(shí)，要扣除儀器傳遞函數(shù)的影響，以反映真實(shí)的地面運(yùn)動(dòng)特征.對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，地震觀測(cè)記錄y（t）可以表示為

式中，g（t）為真實(shí)的地面運(yùn)動(dòng)，可以是地面位移、速度或加速度；h（t）為儀器的脈沖響應(yīng).在頻率域中可表示為

式中，H（ω）即為地震儀器的傳遞函數(shù)，通常表示為

式中，c為常數(shù)，zi為零點(diǎn)，pi為極點(diǎn).

以分貝（dB）表示地面速度功率譜密度時(shí)，式（3）可表示為

計(jì)算環(huán)境地震噪聲功率譜時(shí)，一般只選擇儀器頻帶范圍內(nèi)及附近的頻段進(jìn)行計(jì)算.此時(shí)，是否扣除歸一化傳遞函數(shù)隨頻率變化的影響，對(duì)PSD曲線的總體形態(tài)影響不大（儀器的頻帶端點(diǎn)通常定義為歸一化傳遞函數(shù)下降至0.707時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，相應(yīng)的值為3dB）.在計(jì)算儀器頻帶范圍之外的環(huán)境地震噪聲功率譜密度時(shí)，超出的頻帶范圍越遠(yuǎn)，儀器自噪聲等其它干擾因素的影響越大，在頻率域扣除儀器傳遞函數(shù)影響時(shí)與地面震動(dòng)無關(guān)的干擾可能得到放大，獲得的結(jié)果可能會(huì)明顯失真.

上述PSD計(jì)算方法對(duì)0.05—100s的周期范圍可以提供比較穩(wěn)定可靠的頻譜估計(jì).圖3給出了K008地震臺(tái)站的PSD曲線.可以看出，僅作儀器放大倍數(shù)校正后PSD曲線與經(jīng)過儀器傳遞函數(shù)校正的PSD曲線對(duì)比，在儀器頻帶范圍內(nèi)（50Hz—60s）相差很小，但在100s附近出現(xiàn)9dB的差異.

圖3 K008臺(tái)站2006年10月27日2個(gè)不同時(shí)段的PSD曲線上、下黑實(shí)線分別表示Peterson（1993）給出的NHNM和NLNM，中間的黑實(shí)線和虛線表示經(jīng)過儀器傳遞函數(shù)校正后的PSD曲線，“十”字和圓點(diǎn)為僅考慮單一的放大倍數(shù)校正后的PSD曲線Fig.3 Noise power spectrum density（PSD）curves of station K008 during two different periods on October 27，2006Two black solid lines at the top and bottom represent the new high noise model（NHNM）and the new low noise model（NLNM）given by Peterson（1993）；black solid and dashed lines in the middle denote the PSD curves after instrument transfer function correction；crosses and dots indicate the PSD curves with only constant amplification correction considered

2 概率密度函數(shù)

為了評(píng)估臺(tái)站噪聲水平的整體特征，可以利用由觀測(cè)記錄獲得的大量功率譜密度曲線，計(jì)算臺(tái)站地震噪聲概率密度函數(shù)（PDF）.為了對(duì)功率譜密度進(jìn)行充分采樣，通常按1／8倍頻程間隔計(jì)算整個(gè)周期范圍內(nèi)各點(diǎn)的平均值.功率值在短周期Ts與長(zhǎng)周期Tl＝2×Ts端之間進(jìn)行平均，對(duì)應(yīng)的周期Tc為倍頻程內(nèi)的幾何平均值：

Ts按1／8倍頻程增加（Ts＝Ts×20.125），用于計(jì)算下一個(gè)間隔的平均功率.重復(fù)這一過程，持續(xù)至原始資料時(shí)間序列窗長(zhǎng)度最長(zhǎng)的有效周期，大致為Tr／10.通常對(duì)每小時(shí)的PSD進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生大量光滑的PSD曲線，然后在周期－功率密度值（1dB間隔）坐標(biāo)系中進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì).

對(duì)于每一個(gè)給定的中心周期Tc，概率密度函數(shù)可以按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，NPTc是功率譜密度值落在某個(gè)1dB間隔范圍內(nèi)的數(shù)量.NTc是中心周期Tc在整個(gè)功率譜密度值范圍內(nèi)估計(jì)值的總數(shù).通過繪制給定功率值和周期點(diǎn)的發(fā)生概率，可以與NHNM和NLNM進(jìn)行對(duì)比，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)在很寬的頻帶范圍內(nèi)獲得大量與地震噪聲有關(guān)的信息.

圖4給出了觀測(cè)區(qū)西北部?jī)蓚€(gè)地震臺(tái)站的環(huán)境地震噪聲概率密度函數(shù)分布圖像.其中圖4a根據(jù)K008臺(tái)2006年10月—2007年4月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，圖4b根據(jù)A107臺(tái)站2006年9月—2007年2月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到.由于概率密度函數(shù)分布圖像是通過對(duì)整個(gè)連續(xù)波形記錄計(jì)算獲得的，圖像中包含了地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的地震波信號(hào).圖中一些明顯偏離正常背景分布的高功率譜密度值，往往與地震事件較強(qiáng)的地震信號(hào)有關(guān).

圖4 根據(jù)K008臺(tái)站（a）和A107臺(tái)站（b）連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的環(huán)境地震噪聲PDF分布圖.色標(biāo)表示概率值Fig.4 Ambient seismic noise PDF distribution of temporary seismic stations obtained from continuous observation data at K008（a）and A107（b）.Color bar shows probability values

3 華北流動(dòng)地震臺(tái)站地震環(huán)境噪聲分析

為全面了解華北流動(dòng)地震臺(tái)陣的地震臺(tái)站噪聲水平，我們用連續(xù)波形數(shù)據(jù)計(jì)算了各臺(tái)站不同時(shí)間的噪聲功率譜密度，并在此基礎(chǔ)上獲得了臺(tái)站環(huán)境地震噪聲的概率密度函數(shù)圖像.圖4和圖5給出了4個(gè)不同臺(tái)站的環(huán)境地震噪聲PDF分布圖像.A107和A006的PDF圖像在高頻段同一周期出現(xiàn)了雙峰值，初步分析認(rèn)為可能是噪聲的晝夜差異造成的.為進(jìn)一步確認(rèn)其形成機(jī)制，我們繪制了噪聲功率譜密度的晝夜變化圖（圖6）.可以看出，在1Hz以上的高頻段噪聲水平存在明顯的周期性變化，白天高頻噪聲明顯增加，形成了上部的峰值，晚上噪聲水平降低，形成下方的低谷.這一現(xiàn)象表明該臺(tái)站受人類活動(dòng)的干擾明顯.周期大于1s的噪聲水平晝夜變化幅度明顯降低，周期4s以上的噪聲水平似乎沒有明顯的晝夜變化.圖4、圖5中少量功率譜密度值較大的點(diǎn)大多是由觀測(cè)期間的地震事件造成的.圖4b中，在－195—－175dB出現(xiàn)一條明顯的藍(lán)線，與儀器故障有關(guān).通過分析PDF圖像，可以了解臺(tái)站的記錄質(zhì)量，分析儀器的工作狀態(tài).

為了直觀了解流動(dòng)地震臺(tái)站噪聲水平在平面上的分布狀況，我們將不同臺(tái)站、不同周期噪聲概率密度函數(shù)的最大概率值所對(duì)應(yīng)的功率譜密度值，繪制在平面圖中臺(tái)站位置上（圖7）.在華北平原地區(qū)，1.5Hz以上的噪聲水平大多接近NHNM模型，唐山等重工業(yè)區(qū)附近噪聲干擾最強(qiáng)，延懷盆地、大同盆地及其邊緣的一些臺(tái)站短周期噪聲水平明顯高于周邊地區(qū)，燕山山脈、太行山及其以西的山脈地區(qū)，短周期噪聲水平接近或略高于全球NHNM和NLNM的平均值.

圖8 流動(dòng)地震臺(tái)站晝夜噪聲水平比較圖（a）和（b）為8—16時(shí)（北京時(shí)間）的噪聲水平；（c）和（d）為21—5時(shí)（北京時(shí)間）的噪聲水平.圓圈表示流動(dòng)地震臺(tái)站的位置，圓圈中的顏色表示PDF在不同周期出現(xiàn)的最大概率所對(duì)應(yīng)的功率譜密度值，三角形表示布設(shè)在固定地震臺(tái)站的流動(dòng)地震臺(tái).色標(biāo)給出了功率譜密度的范圍以及NHNM和NLNM所對(duì)應(yīng)的顏色Fig.8 Comparison between daytime and night time ambient noise levels at temporary seismic stations（a）and（b）show the noise levels for 8：00to 16：00（Beijing time）；（c）and（d）show the noise levels for 21：00to 5：00（Beijing time）.Circles represent locations of stations；colors in circles represent the power spectral density values corresponding to the PDF maximum probability at different periods；triangles indicate temporary stations deployed at permanent seismic stations.Color bars show the range of power spectral density and corresponding colors of NHNMand NLNM

在周期1s以上，與NHNM相比，地震臺(tái)站的噪聲水平明顯降低.華北平原地區(qū)除了唐山、天津附近的臺(tái)站外，周期為2s的臺(tái)站噪聲水平已接近NHNM和NLNM的平均值.西部和北部山區(qū)，周期為2.0，4.0，10.3s（圖7）的地震臺(tái)站噪聲水平大多低于NHNM和NLNM的平均值.在周期為20.6s和41.2s的噪聲水平分布圖上，東部平原和西部山區(qū)的噪聲水平相近，區(qū)域性差異明顯減小，大多數(shù)臺(tái)站的噪聲水平均表現(xiàn)為略高于NHNM和NLNM的平均值.

為進(jìn)一步了解夜晚安靜時(shí)段與白天人為干擾相對(duì)較大時(shí)段噪聲水平的差異，我們參考圖6噪聲水平隨時(shí)間的變化特征，分別計(jì)算了北京時(shí)間夜晚21：00—05：00和白天08：00—16：00時(shí)段的噪聲水平（圖8）.結(jié)果表明，差異較明顯的主要是高頻段.可以看出，周期為0.12s的噪聲水平在夜晚明顯低于白天，而周期為0.5s的噪聲水平的差異已明顯減小.隨著周期的進(jìn)一步增加，白天與夜晚噪聲水平的差異則更小.從圖8中可以看出，位于山區(qū)的固定地震臺(tái)站噪聲水平晝夜變化較小，但位于平原地區(qū)的固定地震臺(tái)站噪聲水平仍然存在明顯的變化.其主要原因是，固定地震臺(tái)站在臺(tái)址勘選時(shí)地點(diǎn)的選擇范圍較寬，通?？奢^好地避開場(chǎng)點(diǎn)的干擾源，減少了人為干擾的影響幅度.流動(dòng)地震臺(tái)站的勘選需要充分考慮到觀測(cè)研究的目的，儀器的安全性等多種因素，有時(shí)不可避免地要在人為噪聲干擾較大的地區(qū)布設(shè)臺(tái)站.在這些地區(qū)布設(shè)臺(tái)站，需要正確認(rèn)識(shí)觀測(cè)區(qū)的噪聲水平，通過合理延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)不足的缺陷.

圖9給出了西部及北部地區(qū)的平均噪聲水平與東部平原地區(qū)平均噪聲水平的比較.可以看出，在高頻段，東部地區(qū)的噪聲水平遠(yuǎn)高于西部和北部地區(qū)，在0.4s附近，最大差異可達(dá)26dB.周期大于1s后，東、西部平均噪聲水平的差異逐漸減小，周期大于5s的噪聲水平已相差不大.東部平原和沉積盆地2Hz以上的高頻環(huán)境噪聲水平與全球NHNM相當(dāng)，周期為3—18s的平均噪聲水平低于NHNM和NLNM的平均值.山區(qū)及西部高原的高頻噪聲水平明顯低于NHNM，周期為1—18s的噪聲水平大多明顯低于NHNM和NLNM的平均值.不同區(qū)域18s以上周期的噪聲水平差異相對(duì)較小.東部地區(qū)的高噪聲背景與沉積層的放大效應(yīng)、繁忙的交通和較為發(fā)達(dá)的工業(yè)及人文活動(dòng)干擾有關(guān).在臺(tái)站選址過程中需要在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近進(jìn)行仔細(xì)的勘選，盡可能避免各種近距離強(qiáng)干擾源，選擇相對(duì)比較安靜的地點(diǎn)布設(shè)流動(dòng)地震臺(tái)站，以便最大限度地減少背景噪聲的干擾.

圖9 西部、北部地區(qū)與東部平原地區(qū)平均噪聲水平比較圖上、下黑實(shí)線分別為NHNM和NLNM模型，中間黑實(shí)線為西部及北部地區(qū)的平均噪聲水平，黑虛線為東部平原地區(qū)的平均噪聲水平Fig.9 Comparison between the average noise level in western and northern regions and that in eastern plain regionSolid curves at the top and bottom represent NHNMand NLNM，respectively；black solid line in the middle means the average noise level in western and northern regions，and black dashed line stands for the average noise level in eastern plain region

在華北流動(dòng)地震臺(tái)陣的布設(shè)過程中，如果條件允許，通常會(huì)建造1.2—1.5m深的擺坑，用于布設(shè)地震計(jì).擺坑內(nèi)澆注邊長(zhǎng)約0.4m的立方體水泥基墩，其頂面高出坑底約0.2m.地震計(jì)架設(shè)在基墩上，數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備布設(shè)在民房?jī)?nèi).在有些地區(qū)，由于條件限制或民俗習(xí)慣等原因無法建造擺坑的，將地震計(jì)布設(shè)在相對(duì)安靜的閑置空房?jī)?nèi).為了解兩種不同布設(shè)方式可能對(duì)臺(tái)站噪聲水平產(chǎn)生的影響，我們選擇了相互鄰近的42對(duì)地面與坑內(nèi)地震計(jì)記錄進(jìn)行對(duì)比.考慮到噪聲水平存在地區(qū)差異，未選擇坑內(nèi)或地表成片布設(shè)的地震計(jì)進(jìn)行對(duì)比.圖10給出了地表與坑內(nèi)臺(tái)站的噪聲水平比較圖.可以看出，與布設(shè)在閑置房屋內(nèi)地面上的臺(tái)站相比，擺坑內(nèi)的流動(dòng)地震臺(tái)站噪聲水平在整個(gè)頻段內(nèi)有不同程度的降低，其中高頻段降幅比較明顯，低頻段次之，4s附近似乎影響較小.我們認(rèn)為，在擺坑內(nèi)布設(shè)地震儀可以在一定程度上降低噪聲水平的原因可能有兩個(gè)：① 擺坑一般設(shè)計(jì)在房屋之外，與房屋內(nèi)相比，減少了人員和家用電器等的干擾；②擺坑及基墩的設(shè)計(jì)本身降低了噪聲的水平，包括坑內(nèi)的溫度和空氣壓力變化更小等.需要指出的是，這里給出的并不是嚴(yán)格意義上的同一地點(diǎn)不同布設(shè)方式的比較，但考慮到采用的42對(duì)臺(tái)站均為相鄰臺(tái)站，結(jié)果仍然具有一定的可信度.

圖10 （a）挑選的布設(shè)在地面（空心圓）和擺坑內(nèi)（實(shí)心圓）的地震臺(tái)站分布圖；（b）地面和擺坑內(nèi)流動(dòng)地震臺(tái)站的噪聲水平比較圖.中間的黑實(shí)線為布設(shè)在擺坑內(nèi)的地震計(jì)的平均噪聲水平，黑虛線為布設(shè)在地表的地震計(jì)的平均噪聲水平Fig.10 （a）Distribution of selected stations with sensors deployed on ground（circles）and in vaults（solid circles）；（b）Ambient noise level comparison of seismic stations between the cases with sensors on ground and in vault.Black solid line in the middle represents the average noise level when the sensors were deployed in vault，and black dashed line stands for the average noise level when the sensors were on ground

4 討論與結(jié)論

連續(xù)觀測(cè)記錄的功率譜密度概率分布，能客觀反映流動(dòng)地震臺(tái)站地震環(huán)境噪聲特點(diǎn)，人類活動(dòng)等干擾可以得到較好地反映.不同臺(tái)站、不同頻率功率譜密度的優(yōu)勢(shì)概率對(duì)應(yīng)的噪聲水平分布圖像，是判斷流動(dòng)地震臺(tái)站布設(shè)質(zhì)量，及時(shí)進(jìn)行臺(tái)站調(diào)整的重要參考依據(jù).

華北地區(qū)環(huán)境噪聲水平，主要受地質(zhì)構(gòu)造和人類活動(dòng)的影響，在沉積平原和沉積盆地高頻噪聲干擾明顯，在沉積層厚度較薄和基巖廣泛出露的地區(qū)噪聲水平明顯降低.東部平原和沉積盆地2Hz以上的高頻環(huán)境噪聲水平與全球NHNM相當(dāng)，周期為3—18s的平均噪聲水平低于NHNM和NLNM的平均值.山區(qū)及西部高原的高頻噪聲水平明顯低于NHNM，周期為1—18s的噪聲水平大多明顯低于NHNM和NLNM的平均值.不同區(qū)域18s以上周期的噪聲水平差異相對(duì)較小.這一結(jié)果表明，華北平原地區(qū)較強(qiáng)的噪聲背景對(duì)頻率較高的近震影響較大，對(duì)頻率較低的遠(yuǎn)震波形，特別是面波波形的影響相對(duì)較小.

通過對(duì)華北地區(qū)流動(dòng)地震臺(tái)站觀測(cè)記錄環(huán)境噪聲的分析發(fā)現(xiàn)，將流動(dòng)地震儀布設(shè)在擺坑內(nèi)可以在一定程度上降低噪聲的干擾水平，但平均降幅有限.我們認(rèn)為，降低臺(tái)站噪聲干擾水平，仍然需要從多方面入手，特別是在站點(diǎn)勘選階段必須開展仔細(xì)的周邊噪聲環(huán)境調(diào)查，在設(shè)計(jì)觀測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域找到相對(duì)安靜的地點(diǎn)布設(shè)臺(tái)站.

將同一頻率的臺(tái)站噪聲概率密度函數(shù)最大概率值對(duì)應(yīng)的功率譜密度值作為臺(tái)站在該頻率的噪聲水平，將各臺(tái)站的噪聲水平進(jìn)行橫向比較，不僅可以獲得有關(guān)該地區(qū)噪聲水平空間分布的總體認(rèn)識(shí)，而且可以比較容易地對(duì)臺(tái)站布設(shè)的質(zhì)量進(jìn)行分析.在流動(dòng)地震觀測(cè)中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)觀測(cè)區(qū)的噪聲干擾水平，根據(jù)觀測(cè)研究的科學(xué)目標(biāo)合理設(shè)計(jì)流動(dòng)地震臺(tái)陣的布設(shè)時(shí)長(zhǎng)，避免在高背景噪聲水平干擾區(qū)出現(xiàn)有效觀測(cè)數(shù)據(jù)不足的情況發(fā)生.

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Ambient noise level of North China from temporary seismic array

Wu Jianping1），Ouyang Biao2）Wang Weilai1）Yao Zhixiang1）Yuan Songyong1）

1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China
2）InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

Using vertical component continuous waveform data observed by North China temporary seismic array，we analyzed the seismic ambient noise characteristics in North China by calculating the power spectrum density and corresponding probability density function.The results show that high－frequency（above 2Hz）ambient noise levels in the eastern plain and sedimentary basin region are similar to the global new high noise model（NHNM），the average noise levels at 3—18speriods are lower than the average values between NHNMand new low noise model（NLNM）；high－frequency noise levels in the mountain and western highland region are significantly lower than NHNM，and most of the average noise levels at 1—18speriods are significantly lower than the average value between NHNMand NLNM；the noise levels with periods over 18 s in different regions show small difference.There is a clear diurnal ambient noise variation in some observations of the temporary seismic array；the noise levels at a few stations are significantly higher than at surrounding stations，implying human activity interference.The noise levels at different stations reveal that high－and low－frequency noise levels can be reduced to some extent by placing the sensor in a vault.The analysis results of station ambient noise characteristics can provide an important basis for quantitative assessment of the seismic array data quality，station optimization and adjustment during observation.

North China；seismic array；ambient noise；noise level；probability density function

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.008

P315.63

A

吳建平，歐陽(yáng)飚，王未來，姚志祥，袁松涌.2012.華北地區(qū)地震環(huán)境噪聲特征研究.地震學(xué)報(bào)，34（6）：818－829.

Wu Jianping，Ouyang Biao，Wang Weilai，Yao Zhixiang，Yuan Songyong.2012.Ambient noise level of North China from temporary seismic array.ActaSeismologicaSinica，34（6）：818－829.

地震行業(yè)專項(xiàng)“地震科學(xué)臺(tái)陣觀測(cè)技術(shù)研究與規(guī)范制定”（200908008）資助.

2011－12－01收到初稿，2012－02－27決定采用修改稿.

e－mail：wjpwu＠cea－igp.ac.cn