馬敏偉，彭登靖，秦波，李剛

(昭通地震監(jiān)測(cè)中心站，云南 昭通 657000)

0 引 言

數(shù)字地震觀測(cè)連續(xù)波形記錄中，除了可獲得地震信號(hào)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(tái)站儀器設(shè)備的工作狀態(tài)，又能影響臺(tái)站監(jiān)測(cè)水平能力。因此，提高對(duì)噪聲記錄的認(rèn)識(shí)和了解，學(xué)會(huì)分析噪聲的來源和譜異常，通過選擇優(yōu)良的臺(tái)址和提高觀測(cè)儀器的性能，降低觀測(cè)系統(tǒng)的噪聲水平，來提高臺(tái)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(shí)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(tái)站記錄到的噪聲水平[2]，實(shí)際使用1～20 Hz頻段地動(dòng)噪聲均方根值(RMS)來衡量各臺(tái)站臺(tái)基背景噪聲水平[3]，這兩項(xiàng)指標(biāo)是研究背景噪聲強(qiáng)弱和特征的有效工具。因此通過對(duì)實(shí)時(shí)記錄的噪聲水平進(jìn)行監(jiān)控和分析，可以及時(shí)監(jiān)控到地震觀測(cè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[4]。

1 臺(tái)站概況

昭通巡龍測(cè)震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱昭通臺(tái))屬于國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)，長(zhǎng)期以來在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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(tái)(現(xiàn)昭通中心站)內(nèi)，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，臺(tái)站周圍大量新的干擾源不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有觀測(cè)環(huán)境受到嚴(yán)重的影響，直接影響著昭通臺(tái)對(duì)地震監(jiān)測(cè)效能的發(fā)揮。加之云南震情形勢(shì)的不斷嚴(yán)峻，特別是“8·3”(2014年8月3日16時(shí)30分)魯?shù)?.5級(jí)地震的發(fā)生，迫切需要對(duì)本區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)環(huán)境做出改善，提升地震監(jiān)測(cè)效能。因此，2015年原昭通國(guó)家測(cè)震臺(tái)采用臺(tái)址外遷的形式，在距離昭通地震臺(tái)直線距離約15.5 km的巡龍灣選址新建了一個(gè)測(cè)震臺(tái)站，該臺(tái)2017年2月正式入網(wǎng)觀測(cè)。

圖1 昭通臺(tái)地理位置

昭通臺(tái)建在布滿石灰?guī)r的半山坡上，為地表式觀測(cè)。該臺(tái)站高程1 933 m，臺(tái)基巖性為石灰?guī)r，臺(tái)站所處境內(nèi)地質(zhì)斷裂構(gòu)造縱橫交錯(cuò)(圖1)，有近南北向構(gòu)造的小江斷裂帶，峨眉—金陽斷裂帶，北西間構(gòu)造的大關(guān)—馬邊斷裂帶，三條北東向構(gòu)造的巧家—五蓮峰斷裂帶、灑漁河斷裂帶、迤車斷裂帶。昭通臺(tái)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(fēng)氣候，冬季氣溫較低，夏季氣候涼爽，干濕兩季分明。臺(tái)站現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)設(shè)備為 GL-S120型甚寬頻帶地震計(jì)及EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，地震計(jì)頻帶范圍為120 s-50 Hz，觀測(cè)采樣率為100 Hz，其參數(shù)如表1。

表1 臺(tái)站儀器響應(yīng)參數(shù)信息

2 資料選取

本文主要是對(duì)昭通臺(tái)背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出臺(tái)站的背景噪聲變化特征情況。選取昭通臺(tái)2019～2022年共4年的原始波形數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)中選擇無震、無明顯干擾、長(zhǎng)度每小時(shí)的記錄[5]，對(duì)符合的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分道處理，結(jié)合地震計(jì)靈敏度和數(shù)采轉(zhuǎn)換因子，計(jì)算出地脈動(dòng)噪聲功率譜(PSD)和地動(dòng)噪聲有效值(RMS)等地脈動(dòng)參數(shù)，從而發(fā)現(xiàn)臺(tái)站的背景噪聲特征變化規(guī)律。選取數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)考慮以下幾個(gè)方面：

(1)為了研究臺(tái)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(shí)段內(nèi)每小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(表2)，進(jìn)行分析計(jì)算。

表2 2019～2022年各年間觀測(cè)數(shù)據(jù)目錄

(2)為了研究臺(tái)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(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)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(gè)季節(jié)中同樣選擇無地震、無明顯干擾夜間00～04時(shí)及白天12～16時(shí)內(nèi)1 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，選取的資料如表3所示。

表3 2020年各季度觀測(cè)數(shù)據(jù)目錄

3 數(shù)據(jù)分析

本文測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)的回放、分道、功率譜密度計(jì)算、RMS計(jì)算等噪聲數(shù)據(jù)處理采用北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司童汪練研究員[7]編寫的地動(dòng)噪聲功率譜密度軟件包進(jìn)行測(cè)試計(jì)算。各計(jì)算工作按小時(shí)數(shù)據(jù)段進(jìn)行處理，對(duì)垂直、東西、南北三個(gè)分量進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 地脈動(dòng)噪聲功率譜密度(PSD)計(jì)算分析

根據(jù)選取的波形數(shù)據(jù)，每小時(shí)計(jì)算出垂直向、東西向、南北向三個(gè)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(shí)線為高噪聲模型(NHNM)與低噪聲模型(NLNM)，中間線為實(shí)測(cè)功率譜密度曲線。

圖2 各年地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線

通過對(duì)2019～2022年間各年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臺(tái)站的地動(dòng)背景噪聲變化特征如下：

(1)分析發(fā)現(xiàn)，儀器觀測(cè)頻帶內(nèi)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(nèi)，繪制出來的各年地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線最粗，在微震(2～20 s)頻段內(nèi)，地脈動(dòng)功率譜密度曲線處在最高值，而在長(zhǎng)周期(≥20 s)頻段內(nèi)，地脈動(dòng)功率譜密度曲線清晰較為平滑，這是因?yàn)榈卣鹩?jì)為甚寬頻帶型，能很好地記錄低頻、長(zhǎng)周期的地脈動(dòng)噪聲。

(3)四年間三個(gè)分項(xiàng)地動(dòng)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(tái)站自身觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量很好。

(4)對(duì)比白天和夜間功率譜密度曲線，發(fā)現(xiàn)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(dòng)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(xiàn)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(tái)站位于半山坡上，與臺(tái)站山體相連且距離臺(tái)站100 m左右的北邊山體內(nèi)部為溶洞，而因不同臺(tái)站不同型號(hào)儀器和同一型號(hào)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(tái)站背景噪聲值也隨著季節(jié)發(fā)生改變。

圖3 各季度地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線(夜間)

圖4 各季度地動(dòng)噪聲功率譜密度曲線(白天)

3.2 地脈動(dòng)速度噪聲1～20Hz有效值(RMS)計(jì)算分析

根據(jù)選取的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算出各季度的地脈動(dòng)噪聲有效值，如表4，根據(jù)白天和夜間平均RMS值畫出其隨時(shí)間(季度)變化情況圖(圖5)。

表4 各年地動(dòng)噪聲平均RMS值數(shù)據(jù)匯總對(duì)比

圖5 昭通臺(tái)三分項(xiàng)RMS值隨季節(jié)變化對(duì)比

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

4 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)昭通巡龍測(cè)震臺(tái)背景噪聲的功率譜密度及地脈動(dòng)速度噪聲有效值進(jìn)行計(jì)算分析，比對(duì)其各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以了解到巡龍測(cè)震臺(tái)背景噪聲的特征情況及對(duì)應(yīng)的干擾情況，現(xiàn)總結(jié)如下幾點(diǎn)結(jié)論以供討論。

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

(2)由于人類活動(dòng)時(shí)間的特殊性，表現(xiàn)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(tái)站通過定期對(duì)背景噪聲進(jìn)行測(cè)試，可充分了解觀測(cè)系統(tǒng)及環(huán)境的變化，能為臺(tái)站產(chǎn)出真實(shí)可靠的測(cè)震觀測(cè)資料提供有效的幫助[8]。