楊龍翔 王志鑠 賈漯昭 付建華

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間物理學(xué)院，合肥市金寨路96號(hào)，230026

2 河南省地震局，鄭州市鄭東新區(qū)正光路，450016

區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)背景噪聲研究是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究的一個(gè)新方向。Peterson［1］通過(guò)對(duì)全球75個(gè)臺(tái)站觀測(cè)資料的研究，給出了全球噪聲模型，成為評(píng)估臺(tái)站噪聲水平的重要依據(jù)。對(duì)臺(tái)站背景噪聲的估計(jì)通常選擇相對(duì)平靜的一段波形記錄，通過(guò)計(jì)算功率譜密度評(píng)估臺(tái)址噪聲水平。但如何合理選擇噪聲記錄，卻存在一定的人為影響，如季節(jié)性、有規(guī)律的干擾等。為此，McNamara［2］提出一種全面反映地震環(huán)境噪聲水平的方法——地震噪聲概率密度函數(shù)（probability density function，PDF）方法。IRIS數(shù)據(jù)中心已將這種方法應(yīng)用于臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估［3］。本文利用2008年以來(lái)河南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的連續(xù)波形資料，采用PDF方法計(jì)算各個(gè)臺(tái)站的噪聲水平，并結(jié)合臺(tái)站不同的地質(zhì)環(huán)境、架設(shè)方式、儀器型號(hào)等，對(duì)全省不同地區(qū)、不同頻率噪聲水平的變化特征進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)處理方法

河南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)于2007－09建成，2008年正式運(yùn)行，共23個(gè)臺(tái)站。大部分臺(tái)站配備寬頻帶地震計(jì)；在東部、北部覆蓋層較厚的地區(qū)，因?yàn)殡y以找到穩(wěn)固的基巖臺(tái)基，故采用深井架設(shè)方式，配備短周期地震計(jì)。所有臺(tái)站配置24位數(shù)據(jù)采集器。

采用McNamara［2］方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。先計(jì)算各個(gè)臺(tái)站噪聲功率譜密度PSD（power spectral density），再計(jì)算相應(yīng)時(shí)間段的概率密度函數(shù)PDF。PDF曲線能從統(tǒng)計(jì)意義上反映臺(tái)站噪聲水平的動(dòng)態(tài)變化。

本文收集了2008－01～2012－12 河南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，每個(gè)臺(tái)每天形成一個(gè)文件，數(shù)據(jù)格式為SEED 格式。將SEED 文件轉(zhuǎn)換為sac文件，提取相應(yīng)參數(shù)文件。

1.1 計(jì)算功率譜密度PSD

將各臺(tái)各分量劃分為1h的數(shù)據(jù)段，扣除儀器傳遞函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行50%的重合。由于所取數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)短直接影響PSD 的方差大小，而使用過(guò)小的數(shù)據(jù)段又會(huì)大大增加工作量，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比，最后選定將1h數(shù)據(jù)段再分成13個(gè)小數(shù)據(jù)段進(jìn)行計(jì)算。具體步驟為：將1h的連續(xù)數(shù)據(jù)分為13個(gè)時(shí)間段，段與段之間進(jìn)行80%的重合，每段的功率譜密度利用FFT求得，每h的PSD值由13個(gè)段PSD平均獲得。這種方法最大程度地減少了重疊后“頻譜泄露”效應(yīng)，增加了頻峰的寬度。

1.2 計(jì)算概率密度函數(shù)PDF

本文采用概率密度函數(shù)方法，對(duì)得到的功率譜密度PSD 進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。具體計(jì)算步驟為：首先對(duì)每h的PSD 數(shù)據(jù)，以1／8倍頻為單位間隔計(jì)算全頻段內(nèi)的平均功率譜。平均功率值取PSD在Tc處的值，，其中，Ts為起始點(diǎn)周期，Tl＝2×Ts為截止點(diǎn)周期，Ts以20.125倍數(shù)增加Ts＝Ts×20.125，滑動(dòng)計(jì)算Ts和Tl每一段上PSD 的平均值，當(dāng)Tl達(dá)到原始數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)有效周期時(shí)停止計(jì)算。通過(guò)計(jì)算數(shù)日的數(shù)據(jù)，得到許多在頻帶范圍內(nèi)平滑的功率譜密度曲線。之后，以1dB為間隔進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)。這樣，對(duì)某一給定的中心頻點(diǎn)Tc，概率密度函數(shù)可表示為P（Tc）＝。其中是在某個(gè)1dB 區(qū)間內(nèi)的PSD 值總數(shù)，是在周期Tc上所有PSD 值的總數(shù)。通過(guò)概率密度函數(shù)可以得到某個(gè)時(shí)間域上某個(gè)功率值發(fā)生的概率，而這個(gè)概率直接反映出噪聲的時(shí)間變化分布特征。

2 河南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)背景噪聲分析

河南省測(cè)震臺(tái)站分為兩類：1）井下的短周期地震計(jì)，頻帶范圍1s～50Hz；2）地面的寬頻帶地震計(jì)，頻帶范圍60s～40 Hz、120s～40 Hz。通過(guò)對(duì)它們記錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到其背景噪聲的功率譜密度及其概率密度函數(shù)。根據(jù)背景噪聲的頻段，將噪聲類型分為高頻（0.025s～1s）、短周期（1s～10s）、長(zhǎng)周期（10s～100s）。

2.1 日變特征分析

在臺(tái)站噪聲功率譜密度曲線的高頻部分，主要噪聲源是人文噪聲［3－5］。其表現(xiàn)為功率譜密度曲線在高頻部分呈現(xiàn)很強(qiáng)的日變特征：每天日間8：00～20：00背景噪聲較高（圖1、2），夜間背景噪聲較低。從大安臺(tái)2011－12－25起1周的功率譜密度圖可以看出，高頻部分在日間背景噪聲升高接近－100dB，夜間降低到－120dB以下，凌晨2：00達(dá)到最低值－137dB。這種日變現(xiàn)象符合人類日間活動(dòng)的規(guī)律。2011－01和2012－01春節(jié)放假期間，安陽(yáng)臺(tái)、大安臺(tái)背景噪聲大幅下降，也說(shuō)明人為干擾是地震計(jì)高頻區(qū)間背景噪聲的主要來(lái)源。

圖1 大安臺(tái)日變化（7d）Fig.1 Diurnal variations of DA station

通過(guò)對(duì)比深井?dāng)[和地面擺的臺(tái)站PDF圖（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，深井?dāng)[對(duì)噪聲的抑制作用十分有效。例如，安陽(yáng)臺(tái)（深井?dāng)[，圖2（a））在日間和夜間噪聲相差約17dB，大安臺(tái)（地面擺，2（b））在日間和夜間噪聲相差約30dB。距離這兩個(gè)臺(tái)站最近的公路在200m 左右，安陽(yáng)臺(tái)位于安陽(yáng)市郊，大安臺(tái)位于旅游景區(qū)內(nèi)，兩個(gè)臺(tái)站在0.5s周期上功率譜密度中值（PDFmedian）僅相差5dB，說(shuō)明從長(zhǎng)時(shí)間序列來(lái)看這兩個(gè)臺(tái)站的背景噪聲水平相當(dāng)。安陽(yáng)臺(tái)采用了深井?dāng)[架設(shè)方式，有效抑制了日間較高的人為活動(dòng)噪聲干擾，使得日間夜間噪聲差較小。從PDF圖直觀看出，安陽(yáng)臺(tái)在高頻區(qū)間曲線較為集中，而大安臺(tái)在高頻區(qū)間曲線非常發(fā)散，波動(dòng)很大。

圖2 功率譜密度函數(shù)日間夜間對(duì)比Fig.2 PDF difference between daytime and nighttime

2.2 年變特征分析

在背景噪聲的長(zhǎng)周期部分，主要影響是自然環(huán)境因素［6－7］，溫度［8］、氣壓［9］的變化有可能引起長(zhǎng)周期噪聲的提高，但背景噪聲的日變特征并不明顯。短周期地震計(jì)在長(zhǎng)周期部分出現(xiàn)了失真（圖2（a）），表現(xiàn)是PSD 曲線明顯超過(guò)NHNM 上限。這是因?yàn)橛?jì)算噪聲功率譜時(shí)長(zhǎng)周期部分已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出短周期地震計(jì)的頻帶范圍，在扣除傳遞函數(shù)后，儀器系統(tǒng)自身噪聲會(huì)被放大，造成計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤［10］。寬頻帶地震計(jì)長(zhǎng)周期范圍整體噪聲水平不高，但一些在水庫(kù)附近的臺(tái)站，在長(zhǎng)周期部分出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象（圖2（b）），這是水體拍擊岸邊引起的噪聲干擾［6］。

盧氏臺(tái)較為特殊。從PDF 曲線可以看出，BHE分量在40s附近出現(xiàn)兩條比較明顯的分叉，說(shuō)明有兩組概率較高的背景噪聲狀態(tài)。通過(guò)PSD 曲線時(shí)間序列分布發(fā)現(xiàn)，在每年的11月至次年的3月噪聲相對(duì)較高，而4月至10月噪聲相對(duì)較低（圖3），相差約24dB。查詢盧氏當(dāng)?shù)?010－09～2012－05的20d平均氣溫資料，通過(guò)對(duì)比盧氏臺(tái)這一時(shí)間段PSD 數(shù)據(jù)在20s處的背景噪聲20d滑動(dòng)平均值發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)周期的這種背景噪聲變化規(guī)律與氣溫存在較好的關(guān)聯(lián)性（圖4）：每年11月初，當(dāng)最低氣溫降至0℃以下、最高氣溫降至10℃以下，背景噪聲顯著升高，直至4月溫度回升，背景噪聲恢復(fù)較低的水平?？梢耘袛?，盧氏臺(tái)的這種變化是溫度導(dǎo)致的。

圖3 盧氏臺(tái)功率譜密度曲線Fig.3 PDFs of LS station

圖4 盧氏臺(tái)長(zhǎng)周期（20s）背景噪聲與當(dāng)?shù)販囟葘?duì)比Fig.4 Comparison of background noise（at 20s）and local temperature of LS station

除盧氏臺(tái)外，林州臺(tái)也存在這種隨季節(jié)溫度變化的現(xiàn)象。按照季節(jié)取其功率譜密度函數(shù)的概率密度中值發(fā)現(xiàn)，秋冬兩季背景噪聲明顯高于春夏（圖5），冬夏背景噪聲相差10dB。需要說(shuō)明的是，這兩個(gè)臺(tái)站均為地面架設(shè)臺(tái)。

圖5 林州臺(tái)背景噪聲季節(jié)變化曲線Fig.5 The season variations of background noise at LZH station

2.3 位置、臺(tái)基特征分析

為全面了解全省不同位置臺(tái)站的背景噪聲情況，將不同周期的臺(tái)站背景噪聲功率譜密度的最大概率值投影到平面圖上（圖6）。河南省臺(tái)網(wǎng)的背景噪聲存在西低東高的趨勢(shì)，這與河南省第四系覆蓋層厚度有一定的相關(guān)性，特別是在周期為1s的圖上表現(xiàn)更為明顯。河南測(cè)震臺(tái)站噪聲水平總體處于中等，除許昌臺(tái)、周口臺(tái)、清豐臺(tái)在高頻段噪聲水平較接近NHNM 外，其他臺(tái)站噪聲水平均處于NHNM 和NLNM 之間。處于豫西、豫南山區(qū)的臺(tái)站，由于有較好的臺(tái)基，背景噪聲水平較豫東、豫北的深井架設(shè)臺(tái)站要好，平均低10 dB左右。在0.5s和1s的高頻范圍內(nèi)，地面寬頻帶地震計(jì)噪聲明顯小于井下短周期地震計(jì)噪聲。其中，盧氏臺(tái)（LS）、林州臺(tái)（LZH）在長(zhǎng)周期上受到一定的溫度影響，大安臺(tái)（DA）和濟(jì)源臺(tái)（JY）在長(zhǎng)周期范圍受鄰近水庫(kù)的影響，長(zhǎng)周期背景噪聲偏高。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用功率譜密度函數(shù)得到的最大概率曲線來(lái)評(píng)估臺(tái)站的噪聲水平更為準(zhǔn)確。功率譜密度對(duì)具有周期性的干擾源有較好的反映，尤其是人為活動(dòng)干擾，在日變曲線上能夠得到直觀的體現(xiàn)，可以有效尋找臺(tái)站的環(huán)境噪聲干擾源。

河南省內(nèi)各測(cè)震臺(tái)站的地震環(huán)境噪聲水平較為穩(wěn)定，一些建在旅游景區(qū)干擾較少的臺(tái)站噪聲水平接近NLNM。在河南的東部，第四系覆蓋較厚，城市開(kāi)發(fā)建設(shè)較多，一些建在市區(qū)、市郊的井下地震計(jì)臺(tái)站噪聲水平相對(duì)較高，但井下擺有效減少了車輛振動(dòng)等人為活動(dòng)的強(qiáng)干擾，將背景噪聲維持在NHNM 以下水平。豫東地區(qū)0.1s～1s的高頻環(huán)境噪聲接近NHNM，一定程度上影響到近震記錄的質(zhì)量。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，一些臺(tái)基較好的在地面架設(shè)的臺(tái)站，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展干擾也越來(lái)越大，有些臺(tái)站晝夜噪聲差達(dá)到30dB。本次研究可以對(duì)下一步建設(shè)新的臺(tái)站起到參考作用。

圖6 河南省測(cè)震臺(tái)站不同周期噪聲水平比較Fig.6 Variation of ambient noise levels for different periods recorded of Henan seismic stations

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