趙鐵鎖張 暉高昌志趙艷紅

1）中國內(nèi)蒙古自治區(qū)010050呼和浩特地震臺

2）中國內(nèi)蒙古自治區(qū)027000寶昌地震臺

鉆井對呼和浩特地震臺地震觀測影響

趙鐵鎖1）張 暉1）高昌志2）趙艷紅1）

1）中國內(nèi)蒙古自治區(qū)010050呼和浩特地震臺

2）中國內(nèi)蒙古自治區(qū)027000寶昌地震臺

地震臺站的地震監(jiān)測能力不僅與觀測儀器有關，還與臺基環(huán)境干擾背景有關。臺基噪聲功率譜反映臺基的等級和受到干擾的程度。選取呼和浩特地震臺JCZ-1T數(shù)字地震儀2015年12月5日—24日鉆井作業(yè)時段每天干擾最大、無地震發(fā)生的1小時數(shù)據(jù)，采用傅里葉變換，對鉆井引起的噪聲頻譜進行分析，并計算臺基平均噪聲水平及動態(tài)范圍變化，論述鉆井對臺站記錄造成的干擾，對于研究地震監(jiān)測干擾，采取合理、有效的解決措施，提供參考。

地震臺；鉆井；干擾；地震觀測

0 引言

地震臺站是獲取多種學科觀測數(shù)據(jù)的基地，肩負著監(jiān)測地震，保護人民生命財產(chǎn)安全的重要任務。對于地震觀測儀器精密、靈敏的特性，應當盡可能減少干擾和破壞，因此，保護地震監(jiān)測設施和環(huán)境（王蘭蘭等，2007），確保數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和連續(xù)性，是減輕地震災害的基礎工作。在地震觀測中，模擬觀測和數(shù)字觀測均面臨自然環(huán)境、人類活動和地震儀器自身干擾等影響（文勇等，2014）。“十五”網(wǎng)絡項目完成后，國內(nèi)對地震觀測干擾的研究仍局限于某個學科或某一測項，但在實際觀測中，某一個特定干擾源可能對不同學科多個測項產(chǎn)生干擾（王永剛等，2013），在提煉地震信息的判斷過程中，為了排除干擾影響，需要了解觀測點周圍的環(huán)境變化（邱澤華，2010）。隨著數(shù)字化地震觀測工作的進展，觀測資料干擾因素成為一個現(xiàn)實而緊迫的問題（耿杰等，2002）。

1 觀測背景

呼和浩特基準地震臺海拔高度1.16 km，位于呼和浩特市西北郊攸攸板鎮(zhèn)東烏素圖村，地處呼包斷陷盆地的土默特平原，北靠大青山，是具有發(fā)生中強地震構造條件的地區(qū)，區(qū)內(nèi)現(xiàn)今仍明顯活動的大青山斷裂為呼包斷陷盆地北邊界，和林格爾為該盆地東邊界。此外，呼市化纖廠—南店隱伏斷裂、大黑河隱伏斷裂、小黑河隱伏斷裂橫穿本區(qū)，稍遠有韭菜溝—盆底清斷裂。呼和浩特基準地震臺隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，現(xiàn)配備JCZ-1T超寬帶地震計和MS2007+強震儀，是國家24個基準地震臺之一，承擔全球大地震速報任務，向中國地震臺網(wǎng)中心、中國地震局地球物理研究所、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局、呼和浩特市地震局傳輸和報送地震觀測資料，是首府城市地震監(jiān)測工作的窗口?！熬盼濉逼陂g，呼和浩特地震臺被列入首都圈地震監(jiān)測網(wǎng)，為當?shù)厣鐣€(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展做出了應有貢獻。近年來，由于政府建設或人為損害，破壞了該基準地震臺站觀測環(huán)境，降低了臺站波形記錄質(zhì)量，嚴重影響了地震監(jiān)測預報工作。各級政府對此高度重視，為確保地震數(shù)據(jù)連續(xù)、準確、可靠，加強了地震監(jiān)測設施和地震觀測環(huán)境保護工作的力度，要求地震部門加強宣傳、設置標志，增強社會保護意識；要求各部門相互配合，齊抓共管共同做好地震觀測環(huán)境及觀測設施保護（國家地震局科技監(jiān)測預報司，1995）。

2 鉆井對地震記錄影響

“九五”期間，中國地震地下流體前兆觀測技術數(shù)字化取得長足進展，水位、水溫、氣氡、氦、氫、氣汞等數(shù)字化觀測儀器在不同范圍、不同程度上進行試驗觀測（車用太等，2001）。其中，水位、水溫、氣氡3種數(shù)字化觀測推廣數(shù)字量較多（張朝明等，2003）。2015年12月5日，為了研究地下水地震前兆信息，在呼和浩特地震臺辦公樓西北方向和西南方向鉆井，井深0.2 km。開工以后，鉆井作業(yè)對地震觀測環(huán)境的影響逐步顯現(xiàn)，呼和浩特地震臺就此及時落實、分析并仔細核對觀測日志，總結干擾記錄曲線的異常變化，為數(shù)字化觀測快速準確識別干擾提供技術途徑。

2.1 波形干擾

一般，臺址干擾背景與時間有關，白天噪聲大，夜間較平靜（王梅等，2004；何彥，2006），而鉆井作業(yè)一般在白天開展。為分析鉆井對呼和浩特地震臺觀測記錄的影響，截取鉆井前2015年12月4日09時、鉆井中2015年12月8日09時（鉆第1口井）、12月20日09時（鉆第2口井）及鉆井完成后12月30日09時4個不同時間相同時段的地震觀測數(shù)據(jù)進行對比計算，鉆井前后地脈動波形記錄曲線見圖1，明顯可見鉆井對地震觀測的干擾。

圖1 鉆井前后呼和浩特地震臺地脈動波形記錄(a)鉆井前地脈動波形 (2015-12-04T09:00)； (b)鉆第1口井時地脈動波形(2015-12-08T09:00)；(c)鉆第2口井時地脈動波形(2015-12-20T09:00)； (d)鉆井完工后地脈動波形(2015-12-30T09:00)Fig.1 Microtremor records of Hohhot Seismic Station before and after well drilling

從圖1可見，鉆井前地脈動記錄波形平穩(wěn)，在鉆井過程中，鉆機工作時產(chǎn)生的振動對記錄波形形成不規(guī)則干擾，記錄曲線表現(xiàn)為波浪形且粗糙，嚴重降低波形記錄質(zhì)量，鉆井完工后波形恢復正常。

2.2 臺基噪聲變化

實測地脈動速度計算公式為

公式中，V為實測地脈動速度值（m/s），N為實際記錄背景噪聲值（counts），U為輸入峰值電壓（V），K數(shù)據(jù)采集器實際工作時的增益；S為地震計工作靈敏度（V≈s/m），R為儀器分辨率（counts）。

根據(jù)地脈動速度實測值，計算脈動噪聲均方根，便于衡量臺基背景噪聲水平，計算公式為

其中

公式中，V為實測地脈動速度值（m/s），Vi為某點實測地脈動速度值（m/s）。由公式（2）可以計算呼和浩特地震臺鉆井作業(yè)前后RMS值，見表1。

表1 臺基噪聲功率譜Table 1 Power spectrum of station base noise

按照《地震臺站觀測環(huán)境技術要求第1部分：測震》（GB/T19531.1—2004）要求，根據(jù)1—20 Hz頻段地噪聲水平，將環(huán)境地噪聲水平分為5級：Ⅰ級：Enl≤3.16×10-8；Ⅱ級：3.16×10-8≤Enl＜1.00×10-7；Ⅲ級：1.00×10-7≤Enl＜3.16×10-7；Ⅳ級：3.16×10-7≤Enl＜1.00×10-6；Ⅴ級：1.00×10-6≤Enl＜3.16×10-6。用分貝表示環(huán)境地噪聲水平，即：Ⅰ級：＜-150 dB；Ⅱ級：-150 dB≤ Enl＜-140 dB；Ⅲ級：-140 dB ≤ Enl＜-130 dB；Ⅳ級：-130 dB ≤ Enl＜-120 dB；Ⅴ級：-120 dB ≤ Enl＜-110 dB。依據(jù)分類標準，鉆井作業(yè)使呼和浩特地震臺的臺基水平總體從Ⅱ類降到Ⅲ類。

呼和浩特地震臺鉆井前后臺基噪聲PSD曲線見圖2，從圖中清楚可見，鉆井作業(yè)對數(shù)字記錄的影響在低頻段變化不大，走勢基本一致，而在高頻部分（100—102 Hz）干擾明顯，尤其在頻率10 Hz附近，噪聲頻率特征與鉆井機器工作頻率特征一致。

2.3 地脈動相對變化

采用相對變化量（用CH表示），直觀表示呼和浩特地震臺2次鉆井時地脈動變化，具體公式為

圖2 鉆井前后臺基噪聲PSD曲線(a)鉆井前； (b)鉆第1口井； (c)鉆第2口井； (d)鉆井完成后Fig.2 PSD curve of station base noise calculated before and after well drilling

在此選取鉆井前的2015年12月4日波形干擾較少、較為平穩(wěn)的1小時數(shù)字地震記錄平均值作為基數(shù)，2次鉆井作業(yè)中每日波形最大測量值作為變化值，依據(jù)式（4），求得地脈動相對變化量。具體測量值和計算結果見表2。

表2 鉆井時每天所測地脈動（2015年12月4日—24日）Table 2 Microtremor recorded and its dynamic range when drilling the frst well from Dec.4 to 24, 2015

從表2直觀可見，3個分向地脈動從打井前的113 counts、145 counts和189 counts到打井期間最大上升至3 438 counts、6 374 counts和3 572 counts，增加30倍，導致相對變化量發(fā)生較大變化，從0 dB上升到20—33 dB。由此可知，鉆井對地震觀測記錄影響明顯。

3 結論

通過對呼和浩特地震臺鉆井干擾進行分析，認為：鉆井連續(xù)作業(yè)使地震觀測數(shù)據(jù)發(fā)生連續(xù)大幅變化，影響地震識別能力，導致地震監(jiān)測能力下降，主要表現(xiàn)為：①鉆井作業(yè)對地震波形記錄干擾明顯，連續(xù)干擾降低了地震識別能力；②臺基噪聲功率譜密度只達到Ⅲ類標準，而臺基自身噪聲RMS值也降至Ⅲ類；③鉆井作業(yè)低頻干擾較小，在頻段1—102 Hz干擾明顯；④鉆井作業(yè)雖為短期干擾，但臺基水平無法恢復到Ⅱ類；⑤鉆井作業(yè)可能引起地下水位變化，從而改變地下介質(zhì)均勻性和空隙度，影響數(shù)字地震觀測質(zhì)量。此次鉆井工程對地震觀測的后續(xù)影響，需要今后積累資料進行分析，找出干擾規(guī)律，采取對應處理辦法，從而提高地震識別能力。

車用太，王廣才，魚金子.試論“十五”期間我國地震地下流體前兆臺網(wǎng)的優(yōu)化與建設問題[J].國際地震動態(tài)，2001，11：3-5.

耿杰，馮志軍，吳春華.聊古一井數(shù)字化氡與模擬水氡觀測資料的對比評價[J].地震，2002，22（4）：81-87.

何彥，王寶柱，宋太成，等.新疆數(shù)字地震臺站觀測動態(tài)范圍和臺基噪聲的分析[J].內(nèi)陸地震，2006，20（2）：178-182.

邱澤華.關于地震前兆的判據(jù)問題[J].大地測量與地球動力學，2010，30（Z2）：1-5.

王梅，李峰，孔向陽，等.數(shù)字化形變觀測干擾識別[J].大地測量與地球動力學，2004，24（1）：94-98.

王蘭蘭，張雪玲，何家斌，等.地震觀測環(huán)境對地震臺地震記錄的影響及對策[J].地震地磁觀測與研究，2007，28（4）：101-106.

王永剛，李滔，馬輝青，等.西寧地震臺前兆觀測干擾分析[J].高原地震，2013，25（2）：26-30.

文勇，邱鵬成，趙燕杰，等.德令哈地震臺地震前兆測項干擾分析[J].地震地磁觀測與研究，2014，35（1/2）：177-183.

張朝明，陳華靜，朱方保，等.數(shù)字化氣氡觀測干擾因素的分析與研究[J].地震地質(zhì)，2003，25（4）：640-646.

The effect of drilling on seismic observation of Hohhot Seismic Station

Zhao Tiesuo1)，Zhang Hui1)，Gao Changzhi2)and Zhao Yanhong1)
1)Hohhot Seismic Station,Inner Mongolia Autonomous Region010010,China
2)Baochang Seismic Station,Inner Mongolia Autonomous Region027000,China

The monitoring ability of seismic stations is not only related to the performance of observational instrument, but also to the background level of environmental disturbance.The power spectrum of noise of the seismic station bases reflected the quality of the foundation and the extent of perturbation.In this paper, we selected the daily 1-hour observation data recorded by JCZ-1T digital seismograph at Hohehot seismic station during the well drilling period of 2015-12-05 to 2015-12-24, which was recorded when the interference was the most intensive and no earthquake was detected.The noise spectrum caused by drilling was then analyzed by Fourier transform method the background noise level of station base and the dynamic range of observational instrument are calculated, and the effects of drilling on seismic observation at Hohhot station was discussed.These results provide a reference for study of the interference of seismic observation environment and also for exploring reasonable and effective measures to eliminate it.

seismic station，well drilling，interference，seismic observation

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.016

趙鐵鎖（1980—），男，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作。E-mail：zts9612@sohu.com

中國地震局2016年度測震青年專項（項目編號：20160506）

本文收到日期：2016-03-02