胡米東，毛華鋒，陳啟林，王皓，張杰，霍雨佳，黃群

(江蘇省溧陽(yáng)地震臺(tái)，江蘇 溧陽(yáng) 213332)

0 引 言

地震科學(xué)以觀測(cè)為基礎(chǔ)，觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性直接決定了科研與應(yīng)用的成效[1]。由于地表各類噪聲的影響，地震計(jì)對(duì)微小信號(hào)的檢測(cè)能力大大減弱，往往導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)的使用效能降低[2]。如何提高觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比成為觀測(cè)研究中最重要的課題[3]。因此對(duì)各類不同噪聲的理解以及定量分析成為降低地震數(shù)據(jù)噪聲水平的重要環(huán)節(jié)[4]。近年來(lái)，地震臺(tái)站臺(tái)基噪聲作為評(píng)判臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境重要指標(biāo)被廣泛研究，同時(shí)臺(tái)基噪聲已也成為分析研究地下介質(zhì)波速的有效數(shù)據(jù)。測(cè)震臺(tái)站記錄的臺(tái)基噪聲數(shù)據(jù)包含臺(tái)基背景振動(dòng)噪聲、臺(tái)站環(huán)境溫度等因素的干擾、觀測(cè)儀器自身噪聲[5]。臺(tái)站周邊行駛的車輛會(huì)對(duì)臺(tái)基背景振動(dòng)噪聲產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量而被重視和研究。人文噪聲(公路、鐵路、管道等引起)和風(fēng)噪聲是臺(tái)基背景振動(dòng)噪聲高頻段(>0.3 Hz)的主要成分。臺(tái)基背景振動(dòng)噪聲與風(fēng)暴、海浪之間的關(guān)系被很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛地研究過(guò)。Bertlli指出Galieo Pendulum 信號(hào)記錄與氣壓低點(diǎn)之間的關(guān)系，并建議考慮沿海的海浪影響[6]。1993年，美國(guó)USGS給出地球高噪聲新模型NHNM和地球低噪聲新模型NLNM，被稱為皮特森模型，目前該全球噪聲模型成為全球測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基噪聲功率譜的參考依據(jù)。

1 溧陽(yáng)測(cè)震臺(tái)和長(zhǎng)山路概述

溧陽(yáng)臺(tái)位于下?lián)P子坳陷區(qū)太湖隆起，深部構(gòu)造為多層結(jié)構(gòu)，周邊存在郯廬斷裂帶和茅山斷裂帶。臺(tái)站距1974年溧陽(yáng)M5.5地震和1979年溧陽(yáng)M6.0地震震中18 km，對(duì)茅山斷裂帶地震活動(dòng)具有重要監(jiān)測(cè)作用。2010年7月溧陽(yáng)臺(tái)開始井下觀測(cè)，井深83 m，地震計(jì)固定在井下71m處(圖1)，配置港震公司BBVS.60DBH地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)采。按照我國(guó)大陸背景地噪聲區(qū)域劃分，溧陽(yáng)臺(tái)屬于C類地區(qū)。根據(jù)GB/T 19531.1-2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》，臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境達(dá)Ⅰ級(jí)環(huán)境地噪聲水平[7]。

圖1 溧陽(yáng)臺(tái)測(cè)震井剖面圖2 溧陽(yáng)臺(tái)測(cè)震井與長(zhǎng)山路位置示意圖

隨著城市發(fā)展，2016年6月臺(tái)站附近“長(zhǎng)山路”一級(jí)公路工程開工建設(shè)。路基最近處距溧陽(yáng)臺(tái)測(cè)震井60 m(圖2)。長(zhǎng)山路全長(zhǎng)9.152 km，路基寬33.5 m，雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，2018年1月通車。長(zhǎng)山路建設(shè)通車，溧陽(yáng)臺(tái)周邊觀測(cè)環(huán)境出現(xiàn)重大變化，有必要就長(zhǎng)山路對(duì)溧陽(yáng)臺(tái)觀測(cè)環(huán)境造成的影響進(jìn)行定量分析研究。利用溧陽(yáng)臺(tái)2015年3月和2018年3月測(cè)震觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算RMS值評(píng)估背景噪聲水平。結(jié)合概率密度函數(shù)方法，繪制功率譜密度曲線圖，以溧陽(yáng)臺(tái)為圓心，確定研究區(qū)域，對(duì)區(qū)域內(nèi)道路施工前和道路通車后地震記錄情況進(jìn)行對(duì)比，全面定量分析長(zhǎng)山路對(duì)溧陽(yáng)臺(tái)觀測(cè)環(huán)境影響。

2 噪聲功率譜計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理

一般認(rèn)為地震臺(tái)站背景噪聲信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化而變化，可認(rèn)為平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論，通常用概率統(tǒng)計(jì)方法來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)在時(shí)間上是無(wú)限的，其能力也是無(wú)限的，本身的傅里葉變換也不存在，但其功率卻是有限的。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜反應(yīng)了信號(hào)的功率在頻率上的分布密度，也稱功率譜密度。功率譜密度物理含義就是隨機(jī)信號(hào)功率在頻率上的分布密度，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的頻譜特征。

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)其求解的方法，其數(shù)學(xué)定義如下。

設(shè)有限長(zhǎng)時(shí)間系列x(n)(0≤N-1)的傅立葉變換為：

(1)

在測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基噪聲功率譜估計(jì)中，常使用Welch方法，該方法為改進(jìn)的周期圖法。它包括對(duì)信號(hào)重疊分段、加窗函數(shù)和FFT算法等，其步驟如下：

(2)

①輸入數(shù)據(jù)分段

(i= 0 ，1 ，…，k- 1 )

②對(duì)一數(shù)據(jù)段應(yīng)用窗函數(shù)進(jìn)行加權(quán)

(3)

③計(jì)算周期圖

(4)

(5)

④對(duì)分段周期圖進(jìn)行平均得到功率譜

(6)

使用Welch方法時(shí)，對(duì)分段數(shù)據(jù)使用窗函數(shù)，降低FFT計(jì)算的頻譜泄露，對(duì)各個(gè)分段周期圖進(jìn)行平均，降低FFT譜分析結(jié)果抖動(dòng)，降低譜分析結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差。同時(shí)，使用Welch方法時(shí)數(shù)據(jù)分段數(shù)量越多時(shí)，計(jì)算結(jié)果的方差越?。粩?shù)據(jù)分段的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，頻譜分辨率越高。

根據(jù)上述方法計(jì)算每段噪聲樣本功率譜，為減少統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量，使用1/8倍頻程帶寬將功率譜覆蓋頻帶劃分為若干個(gè)子頻帶，在全頻段內(nèi)以1/8倍頻為單位間隔計(jì)算平均功率譜。具體方法為把短拐角周期(高頻)TS和長(zhǎng)拐角周期TL=2×TS內(nèi)的平均功率譜值，賦給幾何中心周期 TC(TC=sqct(TS×TL))，隨后TS按1/8倍頻增加，直至所需頻率。

2.2 數(shù)據(jù)處理

部分研究者在噪聲研究過(guò)程中，剔除部分隨機(jī)信號(hào)和人為信號(hào)，例如觀測(cè)系統(tǒng)的瞬態(tài)變化、脈沖標(biāo)定、限幅、尖峰等因素產(chǎn)生的毛刺信號(hào)，期望計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。而Daniel和 Raymond提出的功率譜密度概率函數(shù)方法認(rèn)為上述隨機(jī)信號(hào)和人為信號(hào)出現(xiàn)的概率相對(duì)平靜背景噪聲是小概率事件，允許計(jì)算中連續(xù)波形數(shù)據(jù)不全是平靜背景噪聲，因此本次計(jì)算不剔除含有上述信號(hào)的數(shù)據(jù)。

為使計(jì)算結(jié)果客觀反映長(zhǎng)山路通車對(duì)溧陽(yáng)臺(tái)背景噪聲影響，選擇2015年3月(長(zhǎng)山路施工前)和2018年3月(長(zhǎng)山路通車后)連續(xù)波形數(shù)據(jù)為計(jì)算樣本，分白天(08時(shí)～17時(shí))和夜間(00時(shí)～06時(shí))兩個(gè)時(shí)段。為消除連續(xù)數(shù)據(jù)波形中強(qiáng)震導(dǎo)致的信號(hào)影響，選擇連續(xù)波形中以下數(shù)據(jù)：(1)臺(tái)站震中距70°范圍內(nèi)，24 h內(nèi)未發(fā)生M6.0以上地震的連續(xù)波形數(shù)據(jù)；(2)臺(tái)站震中距20°范圍內(nèi)，12 h內(nèi)未發(fā)生M5.0以上地震的連續(xù)波形數(shù)據(jù)；(3)臺(tái)站震中距15°范圍內(nèi)，3 h內(nèi)未發(fā)生M4.0以上地震的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。對(duì)樣本波形數(shù)據(jù)去零漂處理，利用上述計(jì)算方法，計(jì)算臺(tái)站功率譜值。

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 噪聲水平Enl結(jié)果和分析

經(jīng)計(jì)算2015年3月和2018年3月溧陽(yáng)臺(tái)地噪聲水平Enl值如表1。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2018年3月三分向Enl值較2015年3月有一定程度升高，其中垂直向變化最大。2015年3月和2018年3月白天時(shí)段差值達(dá)1.116×10-8m/s ；南北向和東西向變化幅度略小。通車后三分向地噪聲水平均升高，說(shuō)明長(zhǎng)山路通車對(duì)臺(tái)站背景噪聲造成一定影響。

表1 溧陽(yáng)臺(tái)臺(tái)基背景噪聲

3.2 噪聲功率譜計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)2015年3月和2018年3月各時(shí)段溧陽(yáng)臺(tái)垂直向噪聲功率譜和臺(tái)站背景噪聲值計(jì)算繪圖(圖3、4)。

圖3 2018年3月與2015年3月不同時(shí)段背景噪聲功率譜密度曲線

圖4 2018年3月與2015年3月不同時(shí)段臺(tái)站背景噪聲值分布

(1) 2015年3月和2018年3月各時(shí)段噪聲功率譜密度曲線都展布在皮特森模型噪聲低高值包絡(luò)線NLNM和NHNM之間，處于合理噪聲水平，道路施工前和道路通車后溧陽(yáng)臺(tái)觀測(cè)環(huán)境均符合基本監(jiān)測(cè)要求，但通車對(duì)觀測(cè)環(huán)境造成較大影響(圖3a、3d)。

(2) 根據(jù)圖3a、3b、4a和4b對(duì)比分析，可看出2018年3月長(zhǎng)山路通車后，人文噪聲占主導(dǎo)的高頻段(>1.0 Hz)白天功率譜值高于夜間，二者功率譜最大差值5 dB。白天時(shí)段臺(tái)站背景噪聲水平明顯高于夜間，說(shuō)明人類活動(dòng)白天比夜間明顯活躍。同時(shí)受車輛等人類活動(dòng)影響，白天高頻段功率譜曲線和背景噪聲值分布更離散、分布范圍更寬，說(shuō)明白天干擾類型較多。其他頻段二者基本相當(dāng)，變化較小。

(3)2015年3月溧陽(yáng)臺(tái)白天和夜間功率譜密度曲線形態(tài)與2018年3月類似，白天高頻段(>1.0 Hz)功率譜值高于夜間，二者功率譜最大差值5 dB。白天時(shí)段臺(tái)站背景噪聲水平略高于夜間，說(shuō)明長(zhǎng)山路通車前臺(tái)站周邊也存在少量人類活動(dòng)干擾，且白天比夜間頻繁，同時(shí)白天功率譜曲線高頻段分布更離散。其他頻段二者基本相當(dāng)，變化較小。夜間功率譜曲線高頻段和背景噪聲值分布集中，表明干擾類型相對(duì)單一。

(4)2015年3月夜間較2018年3月夜間各頻段功率譜值和臺(tái)站背景噪聲值更低，高頻段(>1.0 Hz)突出，二者功率譜最大差值7 dB。隨著社會(huì)發(fā)展，人類夜間活動(dòng)逐漸頻繁。夜間長(zhǎng)山路仍有車輛通行或者臺(tái)站周邊人類活動(dòng)，導(dǎo)致2018年3月夜間時(shí)段功率譜值高頻段和臺(tái)站背景噪聲比2015年3月夜間更高。2018年3月夜間各頻段功率譜曲線和臺(tái)站背景噪聲值更離散，表明干擾類型是多樣化的。

(5) 2015年3月白天與2018年3月白天相比各頻段功率譜值更低，高頻段(>1.0 Hz)表現(xiàn)突出，功率譜最大差值10 dB，功率譜差值和臺(tái)站背景噪聲差值均是所有對(duì)比中最大的。2018年3月白天5～20 Hz頻段功率譜值處于高值狀態(tài)，主要是長(zhǎng)山路車輛通行特別是重型卡車通行導(dǎo)致。受環(huán)境變化影響，2018年3月白天各頻段功率譜曲線和臺(tái)站背景噪聲值分布更離散、分布范圍更寬，表明通車后臺(tái)站周邊人類干擾活動(dòng)明顯增多，干擾類型多樣化，認(rèn)為與不同類型車輛通行造成不同類型干擾有關(guān)。

對(duì)臺(tái)站背景噪聲的監(jiān)測(cè)和計(jì)算可及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)儀器運(yùn)行狀態(tài)和臺(tái)站周邊觀測(cè)環(huán)境變化。利用功率譜密度曲線能反映背景噪聲時(shí)序性變化規(guī)律，對(duì)查找和排除噪聲源，提高臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量有重要意義[8]。

4 地震記錄情況與分析

4.1 地震數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算情況

測(cè)震臺(tái)站地震記錄情況變化是反應(yīng)測(cè)震觀測(cè)系統(tǒng)及觀測(cè)環(huán)境變化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。2015年1月～2019年3月期間，溧陽(yáng)臺(tái)測(cè)震觀測(cè)使用港震B(yǎng)BVS.60DBH井下地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)采，系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果正常。2016年6月長(zhǎng)山路開始施工，2018年1月通車，因此選取2015年1月～2016年3月溧陽(yáng)臺(tái)正式觀測(cè)報(bào)告(根據(jù)溧陽(yáng)臺(tái)地震計(jì)記錄的地震情況編寫該報(bào)告)中地震記錄數(shù)據(jù)為道路施工前樣本數(shù)據(jù)，2018年1月～2019年3月溧陽(yáng)臺(tái)正式觀測(cè)報(bào)告中地震記錄數(shù)據(jù)為道路通車后樣本數(shù)據(jù)(2019年4月臺(tái)站內(nèi)工人施工不當(dāng)導(dǎo)致地震計(jì)損壞，因此無(wú)法選取更長(zhǎng)時(shí)間樣本數(shù)據(jù))，研究范圍內(nèi)江蘇及鄰區(qū)地震數(shù)據(jù)下載于全國(guó)地震目錄系統(tǒng)統(tǒng)一正式目錄(http://10.5.160.18/console/index.action)。以溧陽(yáng)臺(tái)為圓心，250 km為半徑，對(duì)比溧陽(yáng)臺(tái)正式觀測(cè)報(bào)告和全國(guó)地震目錄系統(tǒng)地震記錄情況。

表2 2015年1月～2016年3月正式目錄與溧陽(yáng)臺(tái)記錄對(duì)比

表3 2018年1月～2019年3月正式目錄與溧陽(yáng)臺(tái)記錄對(duì)比表

4.2 計(jì)算結(jié)果和分析

(1)道路施工前和道路通車后，溧陽(yáng)臺(tái)對(duì)250 km震中距范圍內(nèi)3級(jí)以上地震均有較強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力，各震中距內(nèi)3級(jí)以上地震記錄率均100%。2.0～2.9級(jí)地震監(jiān)測(cè)能力也較好，施工前150 km范圍內(nèi)2.0～2.9級(jí)地震記錄率100%，150～250 km范圍內(nèi)接近50%。道路通車后100 km范圍內(nèi)地震記錄率100%，100～150 km范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)能力有所下降，150～250 km范圍內(nèi)接近50%。

(2)溧陽(yáng)臺(tái)對(duì)50 km震中距范圍外0.9級(jí)以下地震監(jiān)測(cè)能力較差，道路施工前和道路通車后共32次0.9級(jí)以下地震，僅道路施工前記錄到1次。

(3)道路施工前和道路通車后，溧陽(yáng)臺(tái)監(jiān)測(cè)能力變化主要體現(xiàn)在250 km震中距范圍內(nèi)1.0～1.9級(jí)地震監(jiān)測(cè)上。施工前50～100 km震中距范圍內(nèi)1.0～1.9級(jí)地震13次，記錄12次，記錄率92%；通車后記錄率67%，下降25 %。施工前100～150 km震中距范圍內(nèi)1.0～1.9級(jí)地震12次，記錄7次，記錄率58%；通車后記錄率24%，下降33%。施工前150～200 km震中距范圍內(nèi)1.0～1.9級(jí)地震13次，記錄5次，記錄率38%；通車后記錄率10%，下降28%。因此車輛通行對(duì)臺(tái)站50～250 km震中距內(nèi)1.0～1.9級(jí)地震監(jiān)測(cè)造成較大影響。分析認(rèn)為車輛干擾造成臺(tái)站背景噪聲明顯增大，工作人員無(wú)法從背景波形中分辨和識(shí)別震級(jí)偏小的地震波形。

5 抗干擾措施

準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)資料依賴于良好的監(jiān)測(cè)設(shè)施和觀測(cè)環(huán)境[9]。地震臺(tái)站任務(wù)之一是保護(hù)好臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境，提供準(zhǔn)確、及時(shí)、連續(xù)、可靠的地震觀測(cè)資料[10]。針對(duì)長(zhǎng)山路通車對(duì)地震監(jiān)測(cè)造成的影響，地震管理部門與溧陽(yáng)當(dāng)?shù)卣e極協(xié)商，決定采取以下抗干擾措施。

5.1 采用深井觀測(cè)

車輛干擾作為人文噪聲的一種類型，以面波形式傳播衰減較快，因此可以通過(guò)深井、山洞觀測(cè)方式來(lái)減少人文噪聲。近多年觀測(cè)表明，井下觀測(cè)與地面觀測(cè)相比觀測(cè)精度能提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。人文噪聲頻率特征主要依賴于與干擾源的距離。通過(guò)測(cè)試得知普通卡車在離測(cè)點(diǎn)20 m處地方經(jīng)過(guò)可產(chǎn)生5～10 Hz左右噪聲干擾，比安靜時(shí)記錄的功率譜要高30 dB左右。為此在臺(tái)站內(nèi)重新開鉆一口深度208 m的測(cè)震井，配置BBVS.60DBH地震計(jì)和EDAS-24GN數(shù)采，地震計(jì)固定在井下203 m處，測(cè)震井與長(zhǎng)山路距離160 m。

圖5 長(zhǎng)山路溧陽(yáng)臺(tái)路段設(shè)置的限速限重型車輛標(biāo)識(shí)

5.2 設(shè)置限速限重型車輛標(biāo)識(shí)

由于車輛運(yùn)輸中引起的振動(dòng)頻率譜頻帶較寬，汽車引起最大振動(dòng)頻率密集在2.5～5 Hz,亦有相當(dāng)數(shù)量出現(xiàn)在10～15 Hz，其頻率變化隨汽車車速增大略有提高，空車略高于滿載車，遠(yuǎn)處頻率有所降低。地面振動(dòng)幅度與汽車重量和車速成正相關(guān)關(guān)系，汽車滿載一般比空載引起的振動(dòng)大50 %～100 %?？ㄜ囓囁儆?0 km/h提高至60 km/h，地面振動(dòng)幅度將增加200 %。交管部門在長(zhǎng)山路溧陽(yáng)測(cè)震臺(tái)路段設(shè)置限速80 km/h和限制中、重型載貨汽車通行標(biāo)識(shí) (圖5)。

6 總 結(jié)

長(zhǎng)山路修建通車對(duì)溧陽(yáng)測(cè)震臺(tái)觀測(cè)環(huán)境造成一定影響，臺(tái)站背景噪聲東西向、南北向和垂直向均出現(xiàn)增大，其中垂直向變化最大。臺(tái)站臺(tái)基噪聲功率譜密度曲線高頻段(>1.0 Hz)白天和夜間均出現(xiàn)變化，其中白天變化明顯，功率譜曲線分布離散。臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)能力下降，特別是震中距50～50 km范圍內(nèi)1.0～1.9級(jí)地震監(jiān)測(cè)能力明顯下降。為保護(hù)觀測(cè)環(huán)境、保障觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，臺(tái)站開鉆新深井，架設(shè)設(shè)備并行觀測(cè)。交管部門在長(zhǎng)山路溧陽(yáng)臺(tái)路段兩端設(shè)置限速限重標(biāo)識(shí)兩項(xiàng)抗干擾措施，兩項(xiàng)抗干擾措施效能可進(jìn)一步定量分析和研究。